唐 琳

（赤峰學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 智能消防滅火車模型結(jié)構(gòu)

智能滅火車模型以STCB89C52單片機(jī)為控制核心，加以直流電機(jī)、紅外線火焰?zhèn)鞲衅鳌⒐怆妼?duì)管、光電傳感器、聲波測(cè)距傳感器和電源電路以及其他電路構(gòu)成.由STCB89C52單片機(jī)通過(guò)紅外線火焰?zhèn)鞲衅鲗ふ一鹪次恢貌⑶彝ㄟ^(guò)I/O口控制小車的前進(jìn)后退以及轉(zhuǎn)向.直流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滅火風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行滅火.尋跡模塊主要對(duì)小車導(dǎo)航前進(jìn)；電源模塊用來(lái)給單片機(jī)和電機(jī)以及風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)供電；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)L9110直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)后退以及轉(zhuǎn)向等功能；風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)模塊用一路繼電器控制控制風(fēng)扇吹風(fēng)，實(shí)現(xiàn)小車的滅火功能；超聲測(cè)距模塊接口以超聲波反射方式測(cè)量小車與障礙物以及小車與小車之間的距離；光敏傳感器用于監(jiān)測(cè)火源的距離.

本文設(shè)計(jì)的智能滅火車主要由下面幾個(gè)模塊組成：主控制模塊、避障、循跡感測(cè)模塊、前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎控制電機(jī)以及紅外感測(cè)模塊.系統(tǒng)總體構(gòu)成圖如下所示.

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

2 智能滅火小車模型硬件組成

2.1 系統(tǒng)控制模塊

單片機(jī)兼容STC89C52等40腿51單片機(jī)，使用轉(zhuǎn)接板可兼容ATMEGA16等AVR.可支持3USB下載器，支持多種傳感器輸入（能直接插上使用）支持直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)和繼電器開(kāi)關(guān)量輸出.智能小車模型采用的51單片機(jī)如圖所示.

圖2 智能小車模型采用的51單片機(jī)

STC89C52是STC公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（IT）的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度要快8—12倍.該型單片機(jī)內(nèi)部集成有MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(速度可達(dá)250K/S，即25萬(wàn)次/秒)，專門(mén)針對(duì)電機(jī)控制，可用于強(qiáng)干擾場(chǎng)合.其最小系統(tǒng)原理圖如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)控制模塊原理圖

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用2路L9110直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，L9110是控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)而設(shè)計(jì)的倆條通道推挽式功率放大專用集成電路，每個(gè)通道具有750-800mA的持續(xù)電流提供能力.每個(gè)L9110芯片可以實(shí)現(xiàn)1路直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，調(diào)速和剎車.

2.3 電源模塊

四節(jié)電池提供6V電源VBAT，VBAT經(jīng)1117-5和開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)電源VCC,VBAT經(jīng)1117-5和開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換為電機(jī)電源VMOTOR.VCC經(jīng)1117-3.3和開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換為RFID電源VCC33.

2.4 四路循跡模塊

采用紅外反射傳感器，帶比較器功能，可以輸出數(shù)字量，小車循黑線或白線完成循跡.

2.5 檢測(cè)火源模塊

可檢測(cè)火苗獨(dú)有的紅外線波長(zhǎng)，確定火焰的位置（如蠟燭）板載比較器輸出數(shù)字量.

2.6 避障模塊

反射式接近開(kāi)關(guān)，當(dāng)在“射程”內(nèi)、外時(shí)輸出包不同的數(shù)字電平信號(hào)表明是否有障礙物體接近.

2.7 滅火模塊

采用繼電器控制小風(fēng)扇的形式進(jìn)行滅火.

2.8 通訊模塊

采用RFID 24L01通信模塊實(shí)現(xiàn)倆車通信，尺寸：34*17*1mm，開(kāi)闊地最遠(yuǎn)距離80米工作頻率2.4GHZ.

3 智能小車模型設(shè)計(jì)

3.1 車體設(shè)計(jì)

經(jīng)反復(fù)論證，制定了左右兩輪可分別驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)向的設(shè)計(jì)方案，即左右輪分別用兩個(gè)轉(zhuǎn)速和力矩基本完全相同的直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，車后底部裝萬(wàn)向輪.這樣，當(dāng)兩個(gè)直流電機(jī)轉(zhuǎn)向相反同時(shí)轉(zhuǎn)速相同時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松的實(shí)現(xiàn)小車坐標(biāo)不變的90度和180度的轉(zhuǎn)彎.設(shè)計(jì)時(shí)可采用單萬(wàn)向輪也可安裝雙萬(wàn)向輪，若采用雙萬(wàn)向輪時(shí)，并不把兩個(gè)萬(wàn)向輪裝在一個(gè)平面上.當(dāng)小車前進(jìn)時(shí)，左右兩驅(qū)動(dòng)輪與前萬(wàn)向輪形成了三點(diǎn)結(jié)構(gòu).這種結(jié)構(gòu)使得小車在前進(jìn)時(shí)比較平穩(wěn)，可以避免出現(xiàn)前后兩輪過(guò)低而使左右兩驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力不夠的情況.為了防止小車重心的偏移，后萬(wàn)向輪起支撐作用.

3.2 模塊設(shè)計(jì)

Ⅰ 控制器模塊：采用STCB89C52單片機(jī)，具有體積小、驅(qū)動(dòng)能力高、集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn).

Ⅱ 電源模塊：由于本系統(tǒng)需要電池供電，我們考慮了采用直流穩(wěn)壓電源為本系統(tǒng)供電，或者用四節(jié)1.5V的電池能滿足設(shè)計(jì)的需要.

Ⅲ 尋跡傳感器模塊：用TCRT5000型光電對(duì)管.TCRT5000是一種一體化反射型光電傳感器，其發(fā)射器是一個(gè)紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度的光電三極管.

TCRT5000采用DIP4封裝，其具有如下特點(diǎn)：

（1）靈敏度高，且它的有效檢測(cè)距離可以達(dá)到12mm,工作電壓為5V，最大電流可達(dá)10mA最大測(cè)試黑線區(qū)域?yàn)?2.5mm，完全適合本設(shè)計(jì)的要求；

（2）體積小，結(jié)構(gòu)緊湊.3.當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來(lái)時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出低電平.光電對(duì)管調(diào)理電路簡(jiǎn)單，工作性能穩(wěn)定.為了工作穩(wěn)定，采用三個(gè)TCRT5000檢測(cè)獨(dú)立模塊檢測(cè).使小氣車在行駛過(guò)程中，按照規(guī)定的路線行駛.

Ⅳ 電機(jī)模塊：本系統(tǒng)為智能消防車，對(duì)于電動(dòng)車來(lái)說(shuō)，其驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇就顯得十分重要.由于本題要實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑的準(zhǔn)確定位和精確測(cè)量，我們綜合考慮采用直流減速電機(jī).直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便.由于其內(nèi)部由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生大扭力.

我們所選用的直流電機(jī)減速比為1：74，減速后電機(jī)的轉(zhuǎn)速為100r/min.我們的車輪直徑為6cm，因此我們的小車的最大速度可以達(dá)到 V=2πr·v=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s，能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求.

Ⅴ 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：對(duì)于直流電機(jī)用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路.由分立元件構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛.

Ⅵ 滅火風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路：滅火風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)電壓為＋5V，為了增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，我們用三極管8550做驅(qū)動(dòng)電路以加大驅(qū)動(dòng)電流.

4 程序算法實(shí)現(xiàn)

控制程序采用C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，主程序算法流程如圖4所示.

圖4 主程序流程圖

5 基本功能測(cè)試

在場(chǎng)地上沒(méi)有放置蠟燭時(shí)，模型車從啟動(dòng)區(qū)啟動(dòng)，就會(huì)沿著設(shè)定的軌道前進(jìn)，在沒(méi)有遇到火源的時(shí)候，它會(huì)一直沿著軌道行駛，該轉(zhuǎn)向時(shí)通過(guò)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)輪實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，當(dāng)遇到火源時(shí)，它會(huì)對(duì)著火源前行，不再尋跡，走到合適位置時(shí)，原地180°轉(zhuǎn)向，啟動(dòng)風(fēng)扇，將蠟燭火焰滅掉，然后退回到原來(lái)軌道上來(lái)，繼續(xù)順著軌道前進(jìn)，在前進(jìn)的過(guò)程中尋找下一個(gè)火源.