基于STC15W4K32S4滅火智能車的設計

馮國文，王 彬，王籽涵，劉世運，黃健俊，徐天如，郭海港（山東科技大學 山東 青島 266590）

1 總體方案設計

（1）數(shù)據(jù)采集模塊，主要由火焰采集模塊和避障模塊構(gòu)成，實現(xiàn)了滅火機器人的對各類參數(shù)的采集，是控制器核心部分。

（2）信息處理單元，用單片機作為信息處理單元，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采樣及數(shù)據(jù)分析運算，并發(fā)出控制指令。

（3）人機交互單元，由按鍵及顯示單元組成。按鍵實現(xiàn)人機交互；顯示采用LCD1602 液晶模塊，可以提供豐富、直觀、友好的信息界面。

（4）控制模塊，控制模塊主要由電機驅(qū)動電路、滅火模塊等組成，實現(xiàn)對驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)及開啟風扇滅火。

圖1 滅火機器人系統(tǒng)框圖

圖1 中，數(shù)據(jù)采集模塊對障礙物方位、火焰數(shù)據(jù)進行采集，并將數(shù)據(jù)送給MCU進行數(shù)據(jù)處理。MCU根據(jù)接收的信息發(fā)出控制指令控制電機或風扇工作，顯示單元可顯示當前滅火的次數(shù)和行進狀態(tài)。按鍵用于用戶啟動滅火機器人。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 控制電路

由于我們在智能車滅火時所經(jīng)過的路徑是不確定的但同時又要求小車精準的到達目的地，所以我們選用了直流減速電機。直流減速電機轉(zhuǎn)動時機械扭矩比較大，而且體積小，重量輕，使用也方便。我們經(jīng)過對比后選擇的直流電機減速比為1:78，電機在減速后速度可達為350r/min。滅火智能車車輪我們采用的直徑為8cm，因此最大速度V=2r·v=2*3.14*0.04*300/60=0.942m/s，這個速度在測試時已經(jīng)足夠快；實現(xiàn)滅火工作的是采用3.3V空心杯電機驅(qū)動風扇，試驗所采用的火源為小蠟燭產(chǎn)生的火焰，火勢較小，空心杯電機產(chǎn)生的風力足夠在幾秒內(nèi)滅火。

2.2 火焰測量電路

火焰測量電路是用來控制二極管檢測火源點的，該電路設計時采用紅外接收二極管，它的探測角度足夠大，為60度，能探測到光波長度在750納米～1000納米內(nèi)的紅外光，當紅外光波長在880納米左右時，其靈敏度達到最大值。紅外接收二極管能夠?qū)⑼饨鐧z測到的紅外光的強弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化再通過測試電阻兩端的電壓數(shù)值的變化。外界紅外光越強，數(shù)值越小；紅外光越弱，數(shù)值越大。

2.3 避障模塊

本設計對障礙物的檢測采用E18-D50NK型號的紅外傳感器。E18-D50NK傳感器是一種紅外線反射式接近開關傳感器，用于物體的反射式檢測，該傳感器具有體積小，功耗低，應用方便，穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。該傳感器輸出信號為數(shù)字量，所以我們不需要進行A/D轉(zhuǎn)換，便可直接與stc15w4k系列芯片的I/O口相連，當單片機檢測到障礙物時信號線輸出為低電平，正常時為高電平。

2.4 單片機系統(tǒng)

我們在這里選用STC15W4K32S4單片機為核心，配合直流微型電機、電機接口電路，電壓調(diào)整電路，八路信號收發(fā)器，調(diào)試接口等電路組成系統(tǒng)板電路。

3 軟件設計

3.1 系統(tǒng)主程序設計

程序設計語言有三種：機器語言、匯編語言和高級語言。本系統(tǒng)就選用了C語言來編制本設計的程序。使用C語言，大大減少程序的指令，可以快速地完成本設計的程序。滅火機器人的軟件部分可以分成主程序設計、尋火模塊、避障模塊、控制模塊等。

本設計軟件方框圖如圖2所示，小車初始化后主程序開始判斷是否有火源，若沒有火，小車直線行駛，進行避障，繼續(xù)尋找火源；若有火就調(diào)用尋火程序模塊，找到火源并滅火。

圖2 滅火小車系統(tǒng)流程圖

3.2 尋火模塊的設計

單片機不斷讀火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘?當有火時，單片機判斷火源位置。當左邊的兩個傳感器有信號時，單片機控制電機左轉(zhuǎn)；當右邊的兩個傳感器有信號時，單片機控制直流電機右轉(zhuǎn)；當中間的遠紅外接收二極管有信號時，單片機控制電機直行；當中間的近紅外接收二極管有信號時，主程序調(diào)用滅火模塊熄滅火焰。

3.3 避障模塊的設計

單片機采集紅外光電對管的信號，判斷障礙的位置。沒有障礙，小車就直行尋光。有障礙時，首先判斷前面有無火源，如果有火源就進行避障，會影響滅火。在判定沒有火源時，（1）兩個傳感器都有信號，小車停止，后退之后右轉(zhuǎn)90°；（2）右邊傳感器有信號時，就停下來再左轉(zhuǎn)45°；（3）當左邊傳感器有信號時，小車停下并右轉(zhuǎn)45°。

4 結(jié)語

我們在電路板焊接完進行上電測試時，發(fā)現(xiàn)電源指示燈沒有亮，然后聞到了燒焦味，穩(wěn)壓芯片用手一摸很燙，我們趕緊關掉電源。最后發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓芯片接反了。還有在避障傳感器調(diào)試的時候，發(fā)現(xiàn)只安裝一個避障傳感器時無法準確判斷遇到的障礙物的方向，我用程序無法調(diào)試，所以就無法控制小車，后來經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)在小車車頭左右各裝一個傳感器就可以準確的解決問題了。同時，在于各個高校的同學一塊比賽的過程中，我們也看到了與別人的差距，也更加激勵我們不要墨守成規(guī)，拘泥于課本的知識和方法，要積極開發(fā)創(chuàng)新能力，更大的進步。