智能滅火小車的設計與實現(xiàn)

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(shù)研究所）

隨著社會經(jīng)濟和科學技術(shù)的快速發(fā)展，化工行業(yè)危險化學品和放射性物質(zhì)泄漏、燃燒及爆炸等事故的隱患逐漸增加，一旦發(fā)生火災，往往會帶來巨大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，因此開發(fā)一款智能設備用于實時監(jiān)測火災隱患并代替人工進行滅火，具有重要的現(xiàn)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(fā)生火情后，火源檢測模塊發(fā)送信號給單片機，單片機判斷后驅(qū)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(qū)動風扇進行滅火。

圖1 智能滅火小車總體方案設計

2 系統(tǒng)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(qū)動電路

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

圖3 電機驅(qū)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(guān)傳感器，用于物體的反射式檢測［5］。當發(fā)射的紅外線反射回來時， 信號輸出為0， 沒有則為1。為了調(diào)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(diào)整測量距離時只需調(diào)節(jié)電位器即可。

2.5 滅火模塊

滅火模塊（圖6）選用B772 三極管驅(qū)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(tǒng)軟件部分

3.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)主程序流程如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)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(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)；同時不斷判斷小車是否靠近火源，當?shù)竭_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(xù)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(diào)試過程

4.1 避障的實現(xiàn)

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(tài)（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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(tài)

4.2 尋找火源的實現(xiàn)

本著經(jīng)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(jù)火源傳感器的高低電平來調(diào)整不同的運動狀態(tài)（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(zhuǎn)；當左側(cè)傳感器檢測到火源時， 單片機控制電機左轉(zhuǎn)，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(cè)同理。

表2 尋找火源時小車運動狀態(tài)

5 實驗結(jié)果分析

模擬火災現(xiàn)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(jié)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(fā)現(xiàn)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(jié)果

6 結(jié)束語

筆者設計并實現(xiàn)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(xiàn)基本的尋找火源和避障。 經(jīng)測試，設計的滅火小車可以在預定的區(qū)域內(nèi)完成智能滅火操作， 性能穩(wěn)定，滅火準確。 同時，未來可以在小車系統(tǒng)中引入互聯(lián)網(wǎng)端，使小車具有遠程操控的功能以及更多樣化的應用。