基于STM32 單片機的礦井智能消防車的設計

劉艷峰

（甘肅省太陽能發電系統工程重點實驗室酒泉職業技術學院，甘肅酒泉，735000）

0 引言

隨著我國煤礦開采深度的增加和機械化程度的提高，礦山火災事故也呈明顯上升趨勢。煤礦火災事故嚴重威脅著煤礦工人的生命安全，同時也是制約煤礦安全生產的重要因素。隨著煤礦消防安全設備技術的發展，礦井智能消防車越來越受到重視。礦井智能消防車是一種具有高度智能化、自動化的消防車。由于消防滅火救援任務的特殊性和復雜性，使得現有消防系統難以滿足實際需要，而利用消防裝備進行火災自動探測是實現高效、快速撲滅火災事故的有效手段之一。我國已在一些地區建立了具有一定規模的礦井消防隊，為保障礦井安全發揮了積極作用。然而，由于種種原因，目前還存在著不少問題，影響到消防工作水平的進一步提高。

為了能夠有效地預防和控制火災發生，本文設計了一種以STM32 單片機為控制核心，具有火災檢測、自動避障、自動滅火、實時信息采集和報警功能的滅火系統。該系統有效提高了礦井的消防安全，減少了礦井事故的發生，為礦井消防安全工作提供了技術支撐。

1 系統硬件設計

■1.1 系統硬件總體設計

控制系統框架如圖1 所示。系統以STM32 單片機為主控制器，采用模塊化設計思想，主要包括電源模塊、超聲波模塊、傳感器采集模塊、滅火模塊、顯示模塊和報警模塊等。

圖1 系統結構圖

其中電源模塊負責整個系統所需電能供給，傳感器采集模塊和超聲波模塊相互配合實現小車的前進、后退等操作，同時采集火災信號、溫度、一氧化碳和甲烷等火災現場環境參數，并將其傳送給主控制器。主控制器對接收到的環境信號進行處理分析，達到對火災進行判斷的目的。如果檢測到有火災時，主控制器發出報警信號提醒工作人員及時采取措施滅火，同時發出控制信號控制滅火模塊進行自動滅火。顯示模塊用來實時顯示當前被測環境溫度、一氧化碳和甲烷等參數值；報警模塊在檢測到有火災時或者被測環境參數超過閾值時，發出報警信號，以便消防人員及時作出反應，保證消防工作順利開展。

■1.2 主控制器模塊

智能消防車的主控制器以STM32F103C8T6 單片機為核心。STM32F103C8T6 處理器是ST 公司推出的基于ARM Cortex-M3 內核的單片機，具有32 位處理能力，多達72MHz 的時鐘頻率。擁有64KB Flash 存儲器和20KB RAM 容量，電源電壓為2V～3.6V。支持多種外設，包括計時器、ADC、CAN、USART、SPI 等，可以滿足大多數應用場合的需求。在本設計中，充分利用了STM32F103C8T6單片機豐富的外設資源和良好的擴展能力。最小系統電路圖如圖2 所示。

圖2 單片機最小系統電路圖

■1.3 電源模塊

礦井智能滅火系統使用鋰電池進行供電，由于鋰電池的輸出電壓為5V，STM32 單片機、火焰傳感器、DS18B20溫度傳感器、MQ-7 一氧化碳傳感器、MQ-4 甲烷傳感器等工作電壓均為3.3V，所以需要經過降壓模塊把5V 的直流電壓降為3.3V 的直流電壓。降壓模塊選用SC662K 線性穩壓器。該芯片具有低功耗和高精度特性，能夠在礦井下的復雜環境中穩定工作。同時該模塊還提供了多種保護功能：過流保護、短路保護等。電路圖如圖3 所示。

圖3 電源模塊電路圖

■1.4 電機驅動部分

電機驅動部分采用L298N 芯片。L298N 芯片是一款雙通道H 橋驅動芯片，主要用于實現直流電機、步進電機和舵機等的驅動和控制?？沙惺芨唠妷?，輸出大電流。它的工作電壓為6V～46V，最大驅動電流可達3A。L298N 芯片具有較強的驅動能力和邏輯控制能力，是一款多功能的控制芯片。此外，L298N 芯片還具有反饋檢測、電流檢測等功能，可以滿足多種應用需求。它的優勢在于可以驅動大功率電機，并且可實現多種控制。電路圖如圖4 所示。

圖4 電機驅動電路圖

■1.5 火災檢測模塊

火災檢測模塊選用火焰傳感器?；鹧鎮鞲衅鲗⒈粶y火源發出的光信號轉換成電信號，再經A/D 轉換處理后輸出數字信號，最終輸入到單片機。當單片機接收到該數字信號時通過與預設的閾值進行比較，從而判斷被測火源燃燒狀態信息。其特點是靈敏度可調、驅動能力強、安裝方便。在工業現場使用時可以根據需要調節靈敏度，并可對多種環境條件下的火源做高精度實時監測。電路圖如圖5 所示。

圖5 火災檢測電路圖

■1.6 滅火模塊

滅火模塊主要由舵機、水泵和水罐組成。其中，水罐用于儲存消防用水；水泵把水罐中的水抽出通過加壓，使其成為高壓氣體進入到噴頭內并噴出，從而形成水霧覆蓋在待滅火源上，達到撲滅火災的目的；舵機用來驅動噴頭進行旋轉運動以改變噴射角度，進而調節水流方向。電路圖如圖6所示。

圖6 滅火模塊電路圖

■1.7 超聲波避障模塊

選用HC-SR04 超聲波測距模塊來實現自動避障功能，其主要原理是：通過單片機發送觸發信號控制超聲波模塊工作，超聲波模塊被觸發后，會自動發送8 個40kHz 的方波，并且自動檢測是否有信號返回，發射出去的脈沖方波傳播到物體上，反射回來的脈沖方波被模塊接收，超聲波模塊通過引腳輸出一個高電平。高電平持續的時間等于脈沖方波發射到返回的時間。通過高電平持續的時間乘以聲速再除以2就可以計算出距離。該模塊特點是：測量范圍廣，可測量2cm～4m 的距離；測量精度高，誤差在3mm 以內；價格低廉，是一款性價比高的產品。電路圖如圖7 所示。

圖7 超聲波模塊電路圖

■1.8 檢測模塊

檢測模塊檢測的環境參數主要為溫度、一氧化碳和甲烷，通過溫度傳感器和氣體檢測傳感器來實現。檢測模塊把檢測到的數據送到單片機進行處理，并在顯示模塊進行顯示。溫度檢測采用DS18B20 溫度傳感器，一氧化碳檢測采用MQ-7 一氧化碳傳感器，甲烷檢測采用MQ-4 氣體傳感器。原理圖分別如圖8～圖10 所示。

圖8 甲烷檢測電路圖

圖9 一氧化碳檢測電路圖

圖10 溫度檢測電路圖

2 系統軟件設計

■2.1 主程序設計

首先，對STM32F103C8T6的系統參數進行初始化。包括串口初始化、定時器初始化、引腳初始化、各個模塊初始化。初始化完成后，小車通過超聲波避障模塊執行前進、后退等操作，同時在小車運動過程中，完成火災信號采集、環境參數采集。如果檢測到有火源時，系統執行滅火程序進行滅火。如果檢測到的環境參數超過閾值，進行報警處理并顯示。上述采集工作完成之后，再次進入到下一個循環進行采集。主程序流程圖如圖11 所示。

圖11 主程序流程圖

■2.2 超聲波避障模塊子程序設計

避障模塊子程序流程如圖12 所示，首先進行初始化，礦井智能消防車開始前進并且檢測障礙物，如果沒有檢測到障礙物，小車繼續前進；如果檢測到障礙物，小車左轉或者右轉45 度前進；小車再次檢測障礙物，以確定是否避開障礙物，如果再次檢測到障礙物，小車繼續左轉或者右轉45 度前進；如果沒有檢測到障礙物，小車繼續行駛。

圖12 超聲波避障模塊子程序流程圖

■2.3 滅火模塊子程序設計

滅火模塊子程序如圖13所示，首先進行初始化，礦井智能消防車在前進過程中檢測火焰信號，如果沒有檢測到火焰信號，小車繼續前進檢測；如果檢測到火焰信號，判斷火焰信號是否在小車正前方，如果在正前方，報警并執行滅火操作；如果不在正前方，小車調整位置，直到調整到在火焰正前方，執行滅火操作。最后再次檢測是否存在火焰信號，判斷火源是否熄滅，如果檢測到有火焰信號，繼續執行滅火操作，直到火源熄滅。

圖13 滅火模塊子程序流程圖

3 測試與分析

在實驗室環境下對礦井智能消防車進行了試驗研究。點燃蠟燭模擬火災發生時的場景，并在實驗室環境中隨機布置一些障礙，然后對其各個模塊的工作性能進行測試。實驗測試結果如表1 所示。

表1 各個模塊測試結果

通過測試結果可知，礦井智能消防車能夠準確地探測到火源并啟動滅火設備進行滅火，并且實現了自動避障、實時監測、報警等功能。

為了驗證火焰檢測模塊和滅火模塊的準確性，在實驗室環境下，通過多次改變蠟燭的位置和改變蠟燭的數量模擬不同的火源。礦井智能消防車通過避障模塊和火災檢測模塊的配合，在行駛過程中搜尋火源，如果火焰傳感器檢測到火焰信號時，系統控制滅火模塊進行噴水操作。對多次實驗結果進行了統計，得到實驗結果如表2 所示。通過表2 可以看出，礦井智能消防車能夠準確識別火源并進行滅火，具有較高的準確性和穩定性。

表2 火焰檢測和滅火功能準確性統計

4 結論

本設計以STM32F103C8T6 單片機為控制核心，利用超聲波技術、火災檢測技術、溫度檢測技術和氣體檢測技術，實現了同時具有自主避障、火災探測、環境參數檢測、顯示和報警的智能消防小車控制系統。實驗結果表明：智能消防小車可以在無人干預下自動完成對各個區域的環境數據采集并將數據傳輸給單片機；系統能夠準確地判斷出火災現場位置并進行快速滅火。該智能消防小車控制系統在滿足使用者基本功能的同時，更加智能化，稍加改進后即可投入市場應用。該智能滅火小車適用于大型倉庫、易燃易爆工廠和大型工礦企業等區域的火災防范，對提高生產安全具有一定的實用價值。

在此研究基礎上，可以加入更多的智能設計。首先，可以考慮增加語音控制，可以實現和被控人員的交流；還可以增加藍牙無線傳輸功能，實現利用手機控制智能消防車。在環境參數檢測時會有一定的誤差，如果加入智能算法，進行誤差修正，該智能系統的精確度會進一步提高。