智能滅火小車的設計與實現

張 博 鄧治崗 巨永鋒 呂建新

（1.長安大學電子與控制工程學院；2.西安思源學院工學院；3.西安航天動力試驗技術研究所）

隨著社會經濟和科學技術的快速發展，化工行業危險化學品和放射性物質泄漏、燃燒及爆炸等事故的隱患逐漸增加，一旦發生火災，往往會帶來巨大的人員傷亡和財產損失，因此開發一款智能設備用于實時監測火災隱患并代替人工進行滅火，具有重要的現實意義［1］。

1 總體方案設計

筆者設計了一個智能滅火小車，其總體方案設計如圖1 所示。 發生火情后，火源檢測模塊發送信號給單片機，單片機判斷后驅動電機前往火源處，途中遇到障礙物后會及時躲避，到達火源后驅動風扇進行滅火。

圖1 智能滅火小車總體方案設計

2 系統硬件部分

2.1 電源電路

圖2 電源電路

電源電路（圖2）設計選用7805 芯片。 7805芯片有3 個引腳，分別為終端輸入端、輸出端和地面接地端［2］。通常情況下，該芯片可提供的最大電流為1.5A，輸入電壓可以為9、12、15V，輸出電壓為5V， 且誤差不超過±0.2V［3］。 綜合考慮后，7805 芯片采用電池供電，選擇9V 的輸入電壓。

2.2 電機驅動電路

電機驅動電路（圖3）采用L298 電機驅動芯片。電機調速采用PWM 調速原理，電機的速度與占空比成正比關系［4］，利用該比例關系可以控制電機的轉速從而達到滅火的目的。

圖3 電機驅動電路

2.3 火源檢測電路

火源檢測電路（圖4）采用紅外接收二極管，當檢測到火源時火源傳感器導通，電壓比較器比較后輸出高電平，LED 燈熄滅。

圖4 火源檢測電路

2.4 避障模塊

避障模塊（圖5）采用E18-D50NK 型紅外傳感器。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［5］。當發射的紅外線反射回來時， 信號輸出為0， 沒有則為1。為了調整測量距離，需要外接1kΩ 的上拉電阻到信號輸出端，這樣在調整測量距離時只需調節電位器即可。

2.5 滅火模塊

滅火模塊（圖6）選用B772 三極管驅動，與單片機的P1.1 端子連接。 當P1.1 為低電平時，三極管接通，電機的電源導通，風扇啟動滅火。

圖5 避障模塊接口電路

圖6 滅火模塊電路

3 系統軟件部分

3.1 系統主程序

系統主程序流程如圖7 所示。

圖7 系統主程序流程

3.2 火源檢測子程序

火源檢測子程序流程如圖8 所示。 單片機不斷檢測火源信號，從而找到火源位置。 通過判斷小車左右兩個傳感器接收到的信號，控制電機進行左轉或右轉；同時不斷判斷小車是否靠近火源，當到達預定的距離后采取滅火措施。

圖8 火源檢測子程序流程

3.3 避障子程序

單片機通過采集信號，判斷附近是否有障礙物。 避障子程序流程如圖9 所示，若沒有障礙物，小車就繼續尋火；若有障礙物，先判斷是否為火源，若是則滅火，否則避障。

圖9 避障子程序流程

4 調試過程

4.1 避障的實現

在車頭左右各放置一個紅外傳感器，用來檢測前方障礙物，單片機通過車頭左右紅外傳感器的高低電平來控制小車的運動狀態（表1）。 當前方遇到障礙物時，左右傳感器都接收到反射回來的紅外線，此時兩傳感器輸出低電平，小車后退并右轉90°；當小車左（右）傳感器接收到反射回來的紅外線時， 則輸出低電平， 小車右 （左）轉45°；當前方無障礙時，左右傳感器都接收不到反射回來的紅外線， 此時兩傳感器輸出高電平，小車前進。

表1 避障時小車運動狀態

4.2 尋找火源的實現

本著經濟適用的原則，小車車頭處設置4 個火源傳感器：左右各1 個、正前方近距離1 個、遠距離1 個。 近距離傳感器的作用是判斷小車是否到達滅火位置，從而開啟風扇滅火。

小車根據火源傳感器的高低電平來調整不同的運動狀態（表2）。 當火源傳感器檢測到火災后，小車將基于火源位置來控制其運動方向。 在沒有火源的情況下，單片機控制電機正轉；當左側傳感器檢測到火源時， 單片機控制電機左轉，直到中遠距離傳感器檢測到火源，單片機控制電機開始直行，然后直到中近距離傳感器檢測到火源后小車停下。 右側同理。

表2 尋找火源時小車運動狀態

5 實驗結果分析

模擬火災現場，利用筆者設計的智能滅火小車進行避障滅火測試，實驗結果見表3。在前5 次實驗中， 小車成功避開3 個障礙物并完成滅火；在第6 次實驗中，小車在完成第2 次滅火后后退撞到了障礙物，分析發現主要是因為小車后面沒有安裝避障模塊。 在第10 次實驗中，小車在完成第2 次滅火之后就再沒有找到火源，分析可能是由于電源不足導致的。

表3 避障滅火測試實驗結果

6 結束語

筆者設計并實現了一個智能滅火小車，該小車利用紅外接收二極管和紅外傳感器實現基本的尋找火源和避障。 經測試，設計的滅火小車可以在預定的區域內完成智能滅火操作， 性能穩定，滅火準確。 同時，未來可以在小車系統中引入互聯網端，使小車具有遠程操控的功能以及更多樣化的應用。