基于IAP15F2K61智能循跡滅火系統的設計

趙玲峰 張俊翔 許潮

摘? 要： 為了提高倉庫、商場等固定場所的防火能力，智能循跡滅火車是消防系統不可缺少的助手，很大程度上減小了人力的投入。當其發現有地方著火時會對火源進行撲滅，文中設計分為硬件電路設計和軟件設計，以IAP15F2K61芯片為核心，控制電路實現循跡、探測火源和滅火的功能，使用3路3線電路設計作為火源探測器，提高了探測面和抗干擾能力，具有結構簡單、實用性強、設計成本低等特點。

關鍵詞： 循跡; 智能滅火; IAP15F2K61; 火源探測; 路線探測; 抗干擾

中圖分類號： TN02?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）13?0147?03

Design of intelligent tracking fire fighting system based on IAP15F2K61

ZHAO Lingfeng， ZHANG Junxiang， XU Chao

（Guangxi University Xingjian College of Science and Liberal Arts， Nanning 530005， China）

Abstract： The intelligent tracking fire fighting vehicle is taken as an indispensable assistant of fire prevention system to improve the fire prevention of permanent places like warehouses and shopping malls， which greatly reduces the manpower input. The vehicle will extinguish the fire by finding out the fire source when it finds a place being on fire. The proposed system is achieved by hardware circuit design and software design. Taking IAP15F2K61 chip as the core， the control circuit realizes the functions of tracing， detecting fire source and extinguishing fire. The detection surface and anti?interference ability are improved by taking 3?way 3?wire circuit design as the fire source detector， which has the characteristics of simple structure， excellent practicability and low design cost.

Keywords： tracking; intelligent fire fighting; IAP15F2K61; fire source detection; route detection; anti?interference

0? 引? 言

火災事故具有不可預知性，預防火災是治理火災的最有效前提。當火災發生時，消防員冒著極大的風險近距離作戰，迅速撲滅火源。隨著科技的不斷創新與發展，國內外對小型智能系統的應用越來越廣泛，種類也越來越多，如智能掃地機器人、智能廚房機器人等運用逐漸普及[1]。消防安全的智能化也越來越受到人們的關注和重視，消防機器人可在高溫、強熱、濃煙等危險環境下作業，可以代替消防人員承擔一部分危險工作，避免人員傷亡。

關于智能消防機器人的設計與應用，最早在美國和日本開展這方面的研究，目前已有多種不同功能的消防機器人用于救災現場[2]。本文設計的是一款以單片機為主控芯片，易操作、成本低的智能循跡消防小車，能自動循跡的智能滅火機器人可以晝夜巡邏，具有探測火源、自動循跡、滅火等功能，多應用于儲物倉庫等固定場所，按路線巡邏定點搜尋火源，起到了預防火災發生的作用，在災情發生時能及時處理，提高消防安全的智能化。

1? 系統總體設計

1.1? 系統總體框圖

本系統總體設計由道路探測模塊、火源探測模塊、車模、動力驅動模塊及滅火模塊五部分組成[3]。主控模塊單片機會自動發出兩個主要指令，分別控制小車驅動模塊單元執行小車前行狀態和控制風扇的轉動進行滅火工作[4]，主控模塊會不斷地對道路探測模塊進行數據采集，當不同位置的探測器探測到黑線時，主控模塊會按照設定的程序對L298驅動模塊發送相應的信號來改變兩個車輪的動作，從而改變行駛路線，使得小車可以以最快的速度過彎，如圖1所示。

1.2? 總體方案設計

設計的總體思路是以IAP15F2K61為主控芯片，利用紅外傳感器進行火源探測，用L298控制車體左右兩個直流電機并接收單片機的指令，控制模型車的前進、倒退、轉彎，當紅外傳感器感應到火源時，單片機驅動滅火器對火源進行撲滅[5]。主控芯片IAP15F2K61會定時地對火源探測器和道路探測模塊進行數據采集。火源探測器的設計有三路：第一路是探測右前方;第二路是探測正前方;第三路是探測左前方。每一路采用3個上下不同方向的紅外接收二極管采集數據，第一個為下方，第二為水平方向，第三個為第一和第二個的中間位置。當三路探測器同時采集到火源信號時才會確認存在火源，提高了火源探測的抗干擾能力，火源探測原理示意圖如圖2所示。

路線探測模塊采用紅外線的收發來識別路線，采用黑色跑道能使路線探測模塊有效識別路線[6]。設計中選用的IAP15F2K61單片機是一款低功率、性能強大、抗干擾能力強、實用性高的51單片機。采用L298電路作為驅動電路，穩定性能高，且可以為主控電路模塊提供5 V電壓。

2? 硬件電路設計

2.1? 火源探測器的設計

火可以發出很強的紅外線，只要在一定的范圍內可用紅外線的強度來判斷火源的位置。設計采用了多個紅外線接收二級管，為了增強抗干擾能力和提高探測范圍，采用三路紅外線探測，每一路的紅外探測又增加了三線，構成了“三路三線”的線路設計，大大提高了抗干擾能力和探測范圍[7]。

2.2? 電機驅動模塊設計

本設計采用L298芯片驅動左右兩個直流電機，實現勻速前行、轉向、停止等設定動作，完成巡邏的目的。L298芯片作為一種能夠高效率驅動強大功率電機的單元電路。能夠實現46 V電壓峰值，3 A瞬時峰值電流，2 A持續工作電流。小車驅動電路是由L298芯片和AMS1117?5穩壓芯片組成，L298的邏輯輸入端IN1和IN2口分別接主控芯片的P2.0和P2.1;IN3口和IN4端口分別與P2.2與P2.3相連;ENABLE腳是使能端，當插上跳線帽，為使能驅動;電路電機控制端 OUT4口和OUT3口都是控制左電機狀態;OUT2口和OUT1口控制右電機轉動[8]。電機接收L298處理過的信號電流，電機相應轉動，驅動電路如圖3所示。

2.3? 路線探測模塊

本設計中小車按照給定的路線搜尋火源，采用紅外線收發尋找路線，當紅外線照射到黑色物體上面時，黑色物體會把紅外線全部吸收，而顏色逐漸偏白色時，物體對紅外線的吸收能力逐漸減弱[9]，反射能力逐漸增強，為了加強探測能力，采用四路探測和LM339電壓比較器。檢測電路如圖4所示。

3? 軟件設計

軟件設計實現道路的探測、火源的探測和滅火動作這三個功能，程序設計包括主程序、延時子程序、驅動子程序、道路探測子程序、定時器中斷子程序、火源探測子程序以及滅火程序[10]。主程序通過實現位地址、變量、溢出位等進行初始化、驅動條件執行以及部分子程序的調用;中斷子程序提供PWM波形給驅動，使驅動電機可以按照不同的速度前進或倒退，當火源探測程序有溢出則立即停止前進，然后轉入滅火程序，滅火程序結束后再查看火源探測程序還有無溢出，當沒有溢出，則進入道路探測程序繼續前進，如果還有溢出則繼續執行滅火程序。程序流程圖如圖5所示。

4? 系統調試結果

系統調試包括硬件調試和軟件調試兩部分。根據實驗證明，距離探測器有較好的抗干擾能力，探測范圍可調，但探測精度有待提高。路線探測模塊增加了一個電壓比較器，實現了靈敏度可調，在不同的環境下可以使用不同的靈敏度。功能測試方面，小車可向左右兩個方向轉大彎和小彎，探測到火源可自行停下并實施滅火，基本實現了智能循跡滅火的功能。實物圖如圖6所示。

5? 結? 語

本文以IAP15F2K61單片機為核心部件，制作智能循跡滅火車。在循跡方面由紅外線傳感器進行數據的采集，紅外線傳感器與單片機之間的通信方式為4路并行傳輸方式，可以快速地傳送離線數據，大大提高了系統的可行性、可靠性和穩定性。在設計過程中，設計硬件電路簡單，實用性強、設計成本低，避免環境因素干擾，充分利用軟件編程，避免測量引起的誤差，但在探測范圍和探測精度方面的設計上還有待進一步提高和完善。

注：本文通訊作者為張俊翔。

參考文獻

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