姜英豪　耿祺龍　楊金山　毛樂樂　楊丹

摘 要：針對突發(fā)火災(zāi)問題，本文設(shè)計了一款基于單片機(jī)的智能滅火小車。小車軟硬件均采用了模塊化設(shè)計，系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)作為主控模塊，應(yīng)用循跡傳感器、避障傳感器、超聲波傳感器和火焰?zhèn)鞲衅鞯茸鳛楦兄獙?，實現(xiàn)了小車的自動循跡行駛、自動避障、檢測火焰、自動滅火和報警等功能。經(jīng)調(diào)試，系統(tǒng)運行良好，具有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);循跡行駛;自動避障;自動滅火

中圖分類號：F224-39;TP249;TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）06-0010-04

Design and Implementation of Intelligent Fire Car Based

on C52 Single-chip Microcomputer

JIANG Yinghao GENG Qilong YANG Jinshan MAO Lele YANG Dan

（School of Mathematics and Computer， Hengshui University，Hengshui Hebei 053000）

Abstract： Aiming at the sudden fire problem， in this paper，an intelligent fire car is designed based on single-chip microcomputer. Both software and hardware of the car adopt a modular design， the system takgs STC89C52 single-chip microcomputer as the main control， and uses tracking sensors， obstacle avoidance sensors， ultrasonic sensors and flame sensors as the sensing layer to realize the functions of the car， such as automatic tracking， automatic obstacle avoidance， flame detection， automatic fire extinguishing and alarm. After debugging， the system is running well and has good application prospects.

Keywords： single-chip microcomputer;travel along tracks;automatic obstacle avoidance;automatic fire extinguishing

在各種災(zāi)害中，火災(zāi)是最危險、最常發(fā)、最難以解決的，火災(zāi)問題已是當(dāng)今社會最關(guān)心、急需解決的問題。因此，針對突發(fā)火災(zāi)問題，為了避免消防人員陷于危險，設(shè)計一種智能滅火小車實施滅火任務(wù)是不錯的選擇。智能小車能夠自動感知火焰并開啟滅火裝置，在行進(jìn)過程中可以自動循跡、避障，精準(zhǔn)到達(dá)預(yù)設(shè)目標(biāo)，然后實施滅火任務(wù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

智能小車工作環(huán)境惡劣，設(shè)計上務(wù)必保證小車工作穩(wěn)定可靠、魯棒性強(qiáng)，如有故障，則可以快速更換部件，為此智能小車整車系統(tǒng)采取模塊化設(shè)計。按照應(yīng)用場合和應(yīng)用目標(biāo)，智能小車需要配備報警系統(tǒng)、動力驅(qū)動系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、避障系統(tǒng)、循跡系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)。系統(tǒng)的邏輯原理框圖如圖1所示。

當(dāng)檢測到火焰存在時，小車發(fā)出報警;系統(tǒng)采用蓄電池供電、直流電機(jī)驅(qū)動;滅火系統(tǒng)包括火焰檢測和滅火器自動控制;避障系統(tǒng)包括障礙物識別、距離探測、驅(qū)動命令生成;循跡系統(tǒng)能夠自動識別規(guī)劃的行動軌跡和自動生成驅(qū)動命令;常規(guī)下，小車是自主運行的，人機(jī)交互系統(tǒng)提供手動控制和信息反饋功能，以便必要時對智能小車進(jìn)行人工操作。

2 小車硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 主控模塊的硬件設(shè)計

本設(shè)計選擇STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)主控模塊，STC89C52單片機(jī)是一款低功耗、高性能的微控制器，具有8K系統(tǒng)可編程Flash存儲器，擁有32個通用I/O口和3個16位定時器T0、T1、T2[1]。相較于STM32單片機(jī)，C52單片機(jī)不僅具有造價便宜的優(yōu)勢，也滿足控制小車驅(qū)動和感知層各種傳感器的基本需求。主控模塊引腳連接原理如圖2所示。

2.2 動力驅(qū)動硬件原理設(shè)計

L293D是直流電機(jī)的驅(qū)動器，是小車系統(tǒng)的“動力芯片”。人們可以通過軟件程序設(shè)計[PWM]（脈沖寬度調(diào)制）值的大小，改變L293D芯片的驅(qū)動頻率，從而實現(xiàn)[PWM]調(diào)速功能。單片機(jī)P1.0～P1.3口與L293D的輸入引腳連接，單片機(jī)P1.4和P1.5口與L293D的兩個使能端連接，兩個直流電機(jī)與驅(qū)動芯片的4個OUT輸出口相連，從而驅(qū)動直流電機(jī)轉(zhuǎn)動。L293D驅(qū)動芯片連接原理如圖3所示。

2.3 循跡系統(tǒng)硬件原理設(shè)計

循跡系統(tǒng)采用紅外循跡法，即利用黑、白色對紅外線的吸收作用不同的原理。紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線，黑色跑道吸收紅外線，紅外型傳感器接收不到返回的數(shù)據(jù)，經(jīng)變電電路比較器后輸出低電平。白色場地反射紅外線，傳感器可以接收返回的數(shù)據(jù)，經(jīng)變電電路比較器后輸出高電平，單片機(jī)處理循跡模塊傳輸?shù)母叩碗娖綄崿F(xiàn)循跡功能。紅外型傳感器檢測原理示意圖如圖4所示。

循跡系統(tǒng)使用兩個循跡傳感器模塊，其分別安裝于小車車頭左右兩側(cè)。其作用是判斷黑色跑道是否在小車車頭的左右側(cè)，及時調(diào)整小車方向，以保證黑色跑道一直在小車正中間，從而實現(xiàn)自動循跡行駛功能。

2.4 避障系統(tǒng)硬件原理設(shè)計

避障系統(tǒng)采用超聲波避障法和紅外避障法，小車車頭正前方安裝超聲波傳感器，精確計算小車與障礙物的垂直距離，驅(qū)動小車后退以保持合適距離。小車車頭左右兩側(cè)安裝超強(qiáng)穩(wěn)定性的HJ-IR2紅外避障模塊，當(dāng)左邊模塊檢測到物體時，小車右轉(zhuǎn)，當(dāng)右邊模塊檢測到物體時，小車左轉(zhuǎn)。

避障模塊使用紅外光電傳感器，檢測到障礙物時輸出低電平，單片機(jī)處理避障模塊傳輸?shù)母叩碗娖酵瓿杀苷瞎δ躘2]。

超聲波傳感器使用HC-SR04型號傳感器，傳感器采用I/0口觸發(fā)測距方式，模塊自動發(fā)送方波，檢測信號返回時令I(lǐng)/O口輸出高電平，高電平持續(xù)時間即為發(fā)送到返回的時間，測試距離=（高電平時間×聲速）/2[3]。

2.5 滅火系統(tǒng)硬件原理設(shè)計

滅火系統(tǒng)由火焰檢測傳感器和滅火裝置組成，火焰?zhèn)鞲衅骼眉t外線對火焰敏感的特點，使用特制的紅外線接收管來檢測火焰，然后把火焰的亮度轉(zhuǎn)化為高低電平信號[4]。當(dāng)檢測到火焰時，火焰?zhèn)鞲衅飨騿纹瑱C(jī)傳入低電平，單片機(jī)驅(qū)動滅火裝置打開。

2.6 報警系統(tǒng)與人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計

報警系統(tǒng)使用PNP型三極管驅(qū)動蜂鳴器，單片機(jī)P2.6輸出低電平，三極管導(dǎo)通驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲。

人機(jī)交互系統(tǒng)使用單片機(jī)按鍵與LCD1602顯示屏顯示，使用按鍵對小車進(jìn)行手動控制，LCD1602顯示屏顯示小車行駛信息。

報警系統(tǒng)與人機(jī)交互系統(tǒng)的電路原理圖如圖5所示。

3 小車軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件主程序設(shè)計流程如圖6所示。

3.1 動力驅(qū)動軟件設(shè)計

3.1.1 小車方向轉(zhuǎn)動設(shè)計。定義小車驅(qū)動模塊輸入I/O口，I/O口連接如圖3所示。要想實現(xiàn)小車左轉(zhuǎn)彎，就得令左電機(jī)向前轉(zhuǎn)而右電機(jī)向后轉(zhuǎn)，小車右轉(zhuǎn)彎同理。左、右電機(jī)轉(zhuǎn)動代碼如下：

#define Left_go? {IN1=0，IN2=1;}//左電機(jī)前轉(zhuǎn)

#define Left_back {IN1=1，IN2=0;}//左電機(jī)后轉(zhuǎn)

#define Left_Stop {EN2=0;}//左電機(jī)停轉(zhuǎn)

#define Right_go {IN3=1，IN4=0;//右電機(jī)向前轉(zhuǎn)

#define Right_back{IN3=0，IN4=1;}//右電機(jī)后轉(zhuǎn)

#define Right_Stop {EN1=0;}//右電機(jī)停轉(zhuǎn)

3.1.2 小車調(diào)速設(shè)計。本設(shè)計利用延時函數(shù)和循環(huán)程序，令I(lǐng)/O口交替輸出高低電平，延時不同，得到的PWM占空比就不同。T0定時器中斷時，令I(lǐng)/O口輸出高電平，并在中斷中啟動定時器T1，定時器T1令I(lǐng)/O口輸出低電平，頻率取決于定時器T0初值，占空比取決于定時器T1初值，改變定時器T0、T1初值即可改變頻率和占空比，從而實現(xiàn)[PWM]調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速功能[5]。

3.2 循跡系統(tǒng)軟件設(shè)計

首先定義循跡模塊與單片機(jī)連接的I/O口，然后程序根據(jù)模塊向單片機(jī)傳輸?shù)母叩碗娖竭M(jìn)行邏輯處理。當(dāng)左循跡模塊向單片機(jī)傳輸?shù)碗娖綍r，小車向左轉(zhuǎn)彎;當(dāng)右循跡模塊向單片機(jī)傳輸?shù)碗娖綍r，小車向右轉(zhuǎn)彎;當(dāng)兩個循跡模塊向單片機(jī)傳輸?shù)碗娖綍r，小車停止。循跡系統(tǒng)軟件設(shè)計流程如圖7所示。

3.3 避障系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.3.1 避障模塊避障設(shè)計。本設(shè)計定義好避障模塊與單片機(jī)連接的I/O口，當(dāng)左循跡模塊向單片機(jī)傳輸?shù)碗娖綍r，小車右轉(zhuǎn);當(dāng)右循跡模塊向單片機(jī)傳輸?shù)碗娖綍r，小車左轉(zhuǎn);兩模塊同時向單片機(jī)傳輸?shù)碗娖綍r，小車停止。避障模程序設(shè)計流程如圖8所示。

3.3.2 超聲波模塊避障設(shè)計。超聲波傳感器測距程序首先啟動測距信號，關(guān)閉觸發(fā)端，再給10 μs的高電平觸發(fā)信號，當(dāng)接收端為0時等待，當(dāng)接收端為1時開啟計數(shù)并等待計數(shù)完成后關(guān)閉計數(shù)，讀取脈沖長度并計算距離。

3.4 滅火系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計定義好火焰?zhèn)鞲衅鳌缁鹧b置與單片機(jī)連接的I/O口，當(dāng)I/O口向單片機(jī)傳輸?shù)碗娖綍r判斷有火焰產(chǎn)生，單片機(jī)發(fā)出命令驅(qū)動報警系統(tǒng)與滅火裝置，滅火系統(tǒng)軟件代碼如下：

if（Fire==0）{//檢測到存在火焰

stop（）;//調(diào)用小車停止函數(shù)

delay（200）;//延時200 ms

Device=0;//打開滅火裝置

}else{

Device=1;//關(guān)閉滅火裝置

}

3.5 報警與人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計定義好蜂鳴器與單片機(jī)連接的I/O口，當(dāng)單片機(jī)I/O口向蜂鳴器發(fā)出低電平信號時，蜂鳴器發(fā)聲。定義按鍵與單片機(jī)連接的I/O口，經(jīng)按鍵掃描程序處理后判斷按鍵是否按下，然后根據(jù)判斷結(jié)果按下調(diào)用報警系統(tǒng)、小車停止等程序的按鍵。

LCD1206顯示屏經(jīng)LcdInit（）函數(shù)初始化后，調(diào)用LcdWriteData（）函數(shù)顯示相應(yīng)內(nèi)容，顯示代碼如下：

u8 Disp[]="Warning";//Disp字符數(shù)組存放字符串

for（i=0;i<7;i++）//通過循環(huán)將字符串顯示

LcdWriteData（Disp[i]）;

4 試驗過程與現(xiàn)象

試驗需要準(zhǔn)備的材料包括亞克力底板、直流電機(jī)、小車車輪、萬向輪、L293D芯片、C52開發(fā)板、循跡傳感器、兩個避障傳感器、火焰?zhèn)鞲衅?、超聲波傳感器、滅火裝置、電池盒以及若干螺絲銅柱杜邦線。

亞克力底板是支撐小車的框架，使用傳感器作為小車的感知層，直流電機(jī)作為車輪驅(qū)動，STC89C52單片機(jī)作為小車的主控單元，按照提前構(gòu)思的電路圖連接單片機(jī)與傳感器等外設(shè)，設(shè)計人員成功組裝好智能滅火小車。其間使用黑色電工膠帶在白紙上鋪設(shè)小車“軌道”，并擰動滑動變阻器調(diào)節(jié)紅外型傳感器靈敏度。

設(shè)計人員按照設(shè)計好的思路對C52單片機(jī)進(jìn)行程序設(shè)計，在程序無報錯的前提下生成.hex文件。其間使用ST官方燒錄軟件將.hex文件下載至C52開發(fā)板，下載成功后觀察試驗現(xiàn)象：檢測黑線在左側(cè)循跡傳感器下方時，小車左轉(zhuǎn);檢測黑線在右側(cè)循跡傳感器下方時，小車右轉(zhuǎn);檢測黑線在兩側(cè)循跡傳感器中間時，小車直行;檢測黑線在兩個循跡傳感器下面時，小車停止;當(dāng)避障傳感器前方有障礙物時，小車停止;當(dāng)小車前方有直行運動物體時，小車后退;當(dāng)小車前方有火焰時，小車停止并啟動滅火裝置和報警裝置。

5 結(jié)論

智能小車的試驗裝置設(shè)計完成后，經(jīng)調(diào)試運行，各功能系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，其很好地完成了軌跡巡行、障礙物的識別與繞行、火焰檢測與滅火設(shè)備的開啟控制等功能。經(jīng)研發(fā)團(tuán)隊成員討論，本研究認(rèn)為，智能小車在未來的實際應(yīng)用中在外界干擾、感知層范圍等方面可能存在潛在問題，例如，紅外型傳感器容易受到太陽光的干擾、單個傳感器感應(yīng)范圍比較容易受到局限等，這是后續(xù)研究和試驗要解決的問題。

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