智能消防车.docx

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智能消防车

编号:

B甲1030

消防智能电动车（B题）

设计报告

参赛学生：

孙波吕世超郭丽华

参赛学校：

山东大学控制科学与工程学院

赛前辅导老师：

姚福安万鹏

目录

一系统设计5

1设计要求5

2设计要求5

2．1基本要求5

2．2发挥部分5

3设计的基本框架5

二各模块方案比较与论证6

1模块方案比较6

1．1主控制器模块方案选择6

1．2火焰检测模块方案选择6

1.3避障模块方案选择8

1.4返回模块方案选择9

1.5电机控制及驱动模块方案选择10

1.6灭火模块方案选择11

1.7测距模块方案选择11

2模块最终方案12

三主要单元电路硬件设计与实现12

1.电源电路13

2.61最小系统板13

3.火焰探测电路14

4.红外对管坐标记录电路15

5.电机驱动电路17

6.51最小系统板以及霍尔测距LCD显示电路17

7.LED显示电路18

8.灭火电路18

四软件系统19

1．设计总体思路19

2．程序设计模块19

2．1主程序19

2．1．1主程序流程图19

2．2火焰检测程序21

2．2．1火焰检测程序功能简介21

2．2．2火焰检测程序流程图21

2．3避障程序21

2．3．1避障程序功能简介21

2．3．2避障模块程序流程图22

2．4返回程序22

2．4．1返回程序简介22

2．4．2返回程序流程图22

2．5测距程序23

2．5．1测距程序功能简介23

2．5．2测距程序流程图23

2．6电机控制程序23

2．6．1电机控制程序功能简介23

2．6．2电机控制程序流程图23

2．7显示程序24

2．7．1显示程序功能简介24

2．8语音24

2．8．1语音程序功能简介24

2．8．2语音程序流程图24

2．9灭火模块25

2．9．1灭火程序功能简介25

2．9．3灭火程序流程图25

五、系统测试26

1测试设备与仪表:

26

2测试指标26

2.1灭火性能测试26

2.2蔽障性能检测27

2.3电机控制性能测试27

2.4里程显示性能测试27

2.5返回功能测试27

2.6整体指标27

3误差分析28

六结论28

七参考文献及网页28

消防智能电动车（B题）

摘要：

本设计采用凌阳16位单片机SPCE061A作为中央控制系统，利用ProtelDxp自行设计并制作的PCB板作为主控制板，主要实现智能寻找火焰来源，进行灭火并返回原出发点的功能。

系统充分运用SPCE061A丰富的I/O口、32k字flash、A/D转换器、脉冲调制输出PWM、独特的语音功能,实时采集来自远红外火焰传感器，光电开关及红外对管等传感器对外界的检测，从而及时而又准确地控制小车的速度、方向，寻找火焰进行灭火并对不同的状况进行不同的报警和灭火显示，最后通过霍尔效应控制的接近开关记录小车的行驶里程并在LED上显示。

不仅完全实现了题目中的基本要求，也基本实现了发挥部分，并在此基础上有所创新。

关键字:

SPCE061,远红外火焰传感器,光电开关,红外对管,霍尔

Intellectualelectricmotorcaroffirecontrol

Abstract:

Theintellectualelectricmotorcaroffirecontrolisbasedonthecentralcontrolmicrocontroller,LingyangSPCE061A.Themaincontrolboardoftheintellectualcarisdesignedandmadebyourselves,utilizingProtelDxp.Thesystemmainlyrealizesintelligentlymeasuringandlookingfortheflamesource,puttingoutthefire,andreturningtheoriginalstartingpoint.ThesystemfullyusesSPCE061AabundantI/Omouth,32Kwordsflash,A/Dconverter,pulsetomodulateandoutputPWM,uniquepronunciationfunction,togatherthedataofthefarinfraredfiresensor,photoelectricswitchandtheinfraredandsooninrealtime,thustocontrolthepace,directionofthecarintimeandaccurately,lookfortheflametoputoutthefireandcarryondifferentalarmsandputoutthefiretoshowtodifferentstates,closetothedistancetraveledofwritingdownthecaroftheswitchandshowonLEDthroughwhatHall'seffectiscontrolledfinally.Notonlyhastotallyrealizedthebasicdemandinthetopicbutalsobasicallyrealizedgivingplaytosome,andinnovatetosomeextentonthisbasis.

Keyword:

LingyangSPCE061A,thefarinfraredfiresensor,photoelectricswitch

一系统设计

1设计要求

设计制作一个消防智能小车模型，能到指定区域进行抢险灭火工作。

以蜡烛模拟火源，随机分布在场地中。

2设计要求

2．1基本要求

（1）智能小车从安全区域启动，自动寻找到火源并显示。

（2）除安全区外，场地随机出现2个火源，要求智能小车能够发现其中一个火焰并将其完全扑灭。

（3）能够发现并扑灭第二个火焰。

（4）扑灭二个火焰的总时间不超过5分钟。

（5）能够自动计算和显示扑灭的火源数。

2．2发挥部分

（1）抢险完毕后智能小车能够返回到安全区域（原位）。

（2）能够自动计算和显示路程。

（3）能够用不同声音对不同的状态进行报警。

（4）其他

3设计的基本框架

根据题目的要求，系统分为火焰检测模块，避障模块，坐标定位模块，测距模块，显示模块，电机控制模块，灭火模块。

基本模块图如图1所示。

图1：

系统基本模块图

二各模块方案比较与论证

1模块方案比较

1．1主控制器模块方案选择

单片机作为整个运动系统的控制核心，根据题目要求，主要用于接收传感器检测到的火焰方位和障碍物位置，控制电机转动，记录霍尔传感器通过测量磁场强度得到稳定的脉冲方波信号,驱动显示器显示行驶里程等。

对于中央控制器的选择我们有以下三种方案：

方案一：

采用MCS—51系列单片机。

51系列单片机价格便宜，使用简单，开发软件以及硬件调试器型号众多，应用广泛而普遍。

但是51系列单片机RAM,ROM等资源少，外围模块少，指令周期长，运算速度较其他RISC指令系统单片机慢。

经实践证明，不能达到系统的设计要求。

方案二：

采用MC9S12DJ128单片机。

MC9S12系列单片机以速度更快的CPU12内核（StarCore）为核心的单片机系列，典型的S12总线速度为25MH。

此系列单片机的特点是丰富的I/O口模块和工业控制专用的通信模块，通讯模块有SCI、SPI、

C、CAN、J1850、BitFlight等。

MC9S12DJ128具有8KRAM，128KFLASH，丰富的I/O口资源，内置16路10位A/D，内置2KEEPROM，看门狗电路，倍频电路等丰富的外围模块，运算速度快，完全能够满足我们的系统要求。

但由于其不是主流单片机，价格比较高，购买不方便，使用不广泛。

方案三：

采用凌阳16位单片机SPCE061A。

SPCE061A是一款16位结构的微控制器。

内置2K字节SRAM，32K字节FLASH，SPCE061A有两个16位通用的并行I/O口以及其他丰富的外围模块。

其内部具有倍频电路，16位运算以及丰富的RAM资源使其数据处理能力强大，另外由于其是凌阳公司大学计划的推广芯片，使用极其方便。

经过一系列测试比较，51系列单片机明显无法达到我们的要求，MC9S12DJ128单片机可以满足我们的设计要求，但由于其价格高，购买不方便，我们决定选用优势更为明显的凌阳16位单片机SPCE061A作为主控单片机。

1．2火焰检测模块方案选择

火焰传感器的选择：

在灭火比赛中，火焰探头起着非常重要的作用，它可以用作消防小车的眼睛来寻找火源。

方案一：

检测火焰温度

利用检测火焰温度成电动势的热电偶，接收热电偶产生的电动势经运算放大器起到放大作用再通过A/D转换接口接收运算放大器的输出电压，并将运算放大器的电压与已设定的基准电压进行比较，来检测火焰。

此方法虽然精确但适合近处火焰不适合寻找火焰来源。

方案二：

检测火焰中的紫外线

日本HAMAMATSU公司R2868是利用紫外线TRON通过金属的光电效果和瓦斯乘法效果来发现火星源.它对可见光完全没有感应,也不需要过滤器任何可见光（不像半导体探测器）.它具有很小的体积和很宽敏感角度（择向性）,并能快速准确地发现从火焰被发出的弱紫外线.（能够探测5m或在稍远处发现香烟点大小的火焰.）。

此火焰传感器检测距离远并且检测准确无误但是其缺点是供电电压在400伏左右不适合应用在小车上。

方案三：

检测火焰中的红外线

采用纳英特机器人模型配件中的火焰传感器，此传感器利用火焰光线敏感型的元件对火焰强度的检测并将其转换为单片机可以识别的信号。

它的火焰探头可以用来探测火源或其它一些波长在700nm~1000nm范围内的热源，探测角度为60º，其中红外线波长在880nm附近时，其灵敏度达到最大。

远红外火焰探头将外界红外线的强弱变化转化为电流的变化，通过A/D转换器反映为0~255范围内数值的变化。

外界红外线越强，数值越小；红外线越弱，数值越大。

探头的探测结果分别可以通过调用函数来获得，根据函数返回值的变化判断红外线线的强弱，从而能判别出火源的远近。

图2:

火焰检测方案

从性能、价位、外形、重量及其外围电路等多方面考虑，我们采用了方案三中的火焰传感器，如图3所示：

 图3：

火焰传感器

由于此传感器专门为机器人配置，体积小巧，感应敏感，为我们所需。

1.3避障模块方案选择

方案一：

利用焦距恢复深度信息原理的实时避障方法

一种基本由焦距恢复深度信息原理的机器人实时避障方法：

焦距法是用两台设置为不同焦距的CCD摄像机拍摄同一场景的图像，然后比较每幅图像上相应区域的清晰度，区域清晰度最大的那幅图像的对应焦距所确定的距离就是这个图像区域的深度信息。

采用多个相机可以取得更好的深度恢复效果，在本算法中即为“远”和“近”两种标示，这个信息成为整个区域的深度标示。

然后建立全幅图像的深度信息标示图，其过程类似于由焦距恢复地形3D信息，最后，决策系统基于深度标示图设计其避障控制策略。

此策略使小车有足够的时间让前进速度从最大降到零，给小车的控制系统和视觉系统以足够的反应时间。

可是成本太高，并不适用比赛中。

方案二：

利用超声波避障

为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

 超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight）。

首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离，D=

（1）其中D为传感器与障碍物之间的距离，c为声波在介质中的传输速率。

在空气中的声波传输速率为c=

m/s其中T为绝对温度，

=331.4m/s。

在测距精度不是很高的情况下，一般认为c为常数340m/s。

超声波避障计算量较大，另外有一定的盲区，不容易控制，在不需要计算离障碍物距离的情况下最好不要用超声波测距。

方案三：

利用光电开关避障

光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。

物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。

光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。

多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型。

光电开关种类繁多包括：

①漫反射式光电开关：

它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。

当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。

②镜反射式光电开关：

它亦集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。

③对射式光电开关：

它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。

当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测装置。

④槽式光电开关：

它通常采用标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了开关量信号。

槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半透明物体,使用安全可靠。

⑤光纤式光电开关：

它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的被检测物体进行检测。

通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。

经过反复试验表明：

漫反射型光电开关监测范围：

10cm有利于安装在小车上对障碍物进行检测方便小车转向并且对障碍物反射敏感，我们采用漫反射型光电开关G18-3A10NA,NPN常开型.

1.4返回模块方案选择

方案一：

数字指南针

数字指南针（电子指南针）可以实时测量机器人所处方位，在机器人足球比赛、灭火比赛和创意比赛中的作用是其它传感器所无法取代的。

它由一个数字指南针模块和一块接口卡组成，指南针模块内有磁场传感器和数据处理单片机等器件，它可以用串行和IIC的形式输出方位数据；接口卡负责读取指南针模块输出的数据，并转换为ASBUS所能接受的数据，同时为指南针模块提供工作时所需的电源。

方案二：

陀螺仪

陀螺仪是使用转动角动量守恒原理制作的测量仪器。

陀螺仪启动而进入稳定状态之后，其所指向的旋转轴方向不受外部环境的影响而变化，因此可以应用于定向、导航等领域，比如导弹、飞机、轮船采用陀螺仪制导，还有就是惯性测量仪器等。

方案三：

坐标记录

比赛中的场地是黑胶皮方格,方格的尺寸为30cm*30cm,这给小车记录坐标提供了便利.利用两对红外对管便可以准确地记录小车所在位置.这种方案的关键之处在于软件编程的复杂性,对硬件要求很少,电路简单.为了培养我们的软件编程能力,以及全方面考虑问题的品质,我们选择了红外对管记录坐标实现返回.

1.5电机控制及驱动模块方案选择

我们使用凌阳公司的车模，原车模的控制板配有H桥电机驱动电路和一些预制的传感器插头，但由于本系统需要较多的传感器和灭火设备，为了减轻小车的负载并且更合理地安排传感器的布局，我们重新设计了控制板，对电机驱动电路也进行了选择：

方案一：

电阻网络

采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。

更重要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大，分压不仅降低效率，而且实现起来很困难。

方案二：

采用有达林顿管组成的H型PWM电路。

用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机的转速。

这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制，稳定性极强，是一种被广泛采用的PWM调速技术，承受负载能力大。

方案三：

应用驱动芯片L298N

L298N是恒压恒流双H桥集成电机芯片，如图4所示可同时控制两个电机，且输出电流可达到2A。

其优点在于控制比较简单,外围电路较少,并且可同时驱动两个电机,能够保障对两个电机的驱动能力相同.

图4:

电机驱动电路设计

方案四：

驱动芯片33886

MC33886开关采用摩托罗拉的SMARTMOS专利工艺制造，将高密度/高速逻辑与精密的模拟和高压/大电流电源电路集成在一起。

这些器件的关键特性包括内置限流、内置热关机、内置欠压关机、多种输出控制及负载状态指示等。

此外，这两种IC都具有鲁棒的内置保护、逻辑电平控制及通讯功能，有助于简化嵌入式系统设计、降低系统成本、提高系统的可靠性。

我们对L298N和MC33886两种驱动芯片都进行了尝试:

两者在性能和稳定性方面都不差上下,考虑到小车的载重和在黑色胶皮上能够狠好转弯的性能,为了使两个电机都有足够大的驱动能力我们选择了使用两片MC33886.

1.6灭火模块方案选择

我们知道，燃烧必须同时具备三要素：

可燃物、氧气和温度达到着火点，缺少其中一个要素，燃烧就会停止。

因此，灭火的基本原理就是使可燃物隔绝空气，或把温度降低到着火点以下。

蜡烛的火焰代表房间内小车试图找到并扑灭的火源。

火焰位置的有效高度（指火焰底部距场地表面的距离）在15cm至20cm之间，小车可以运用类似水、空气、CO2、Halon等方式进行灭火,但是禁止撞倒蜡烛。

方案一：

机械方法灭火

我们应用了一个像夹子一样的装置，安装到小车上，当发现蜡烛的火焰后，小车缓慢前进，并左右摆动，以火焰作为一个触发源，当火焰烧断灭火装置前端的细线后，装置上的拍子释放，狠狠地拍下去。

此办法灭火迅速，有效可是尤其明显的缺点：

第一，容易撞倒蜡烛；第一，夹子应当比小车前端至少长出5厘米以上，但是这样的话，就会影响到机器人撞倒墙壁来触发转弯动作；第二，小车发现火源后，并不能像希望的那样准确的对准火焰，也就导致不能靠蜡烛的火焰来烧断细线，触发夹子灭火。

方案二：

干粉灭火剂灭火

干粉灭火剂是用于灭火的干燥且易于流动的微细粉末,由具有灭火效能的无机盐和少量的添加剂经干燥、粉碎、混合而成微细固体粉末组成。

灭火剂主要通过在加压气体作用下喷出的粉雾与火焰接触、混合时发生的物理、化学作用灭火。

另外,还有部分稀释氧和冷却的作用。

干粉灭火装置比较复杂，需要将干粉提到火源适当位置上下颠倒后使干粉松动，最后还需要喷气装置。

对于时间有限的比赛我们淘汰了这种方法。

方案三：

液体灭火

二氧化碳灭火剂价格低廉，获取、制备容易，其主要依窒息作用和部分冷却作用灭火。

在常压下，液态的二氧化碳会立即汽化，因而，灭火时，二氧化碳气体可以降低可燃物周围或防护空间内的氧浓度，产生窒息作用而灭火。

另外，二氧化碳从储存容器中喷出时，会由液体迅速汽化成气体，而从周围吸引部分热量，起到冷却的作用。

液态二氧化碳和清水灭火用来熄灭蜡烛火焰效果很理想，考虑到比赛中使用小车的体积和载重能力，并且有障碍物可能与小车相撞，此方法我们并没有采用。

方案四：

风扇灭火

风扇灭火是我们最终的选择：

第一：

控制简单，只使用cpu一个端口，占用资源少，使用时出现误差小；第二：

风扇适合灭小火焰。

第三：

调试方便我们可以根据需要改变风扇扇叶的大小，并且可以任意增减其高度；第四：

装备简单，只需要一个功率不是很大的电机就可以了。

1.7测距模块方案选择

方案一：

增量式旋转编码器

通过内部的两个光敏接收管转化其角度码盘的时序和相位的关系,得到角度码盘角度位移量增加和减少.优点是:

可直接准确地产生方波,准确性很高但价格昂贵.

方案二：

一般的光传感器

在电机轴上放上黑白相间的码盘，即可达到测量电路，缺点：

其测试精度低，在黑白交界处所产生的波形是无规律的，使得测量是误差较大。

方案三：

霍尔传感器

在磁场力作用下，在金属或通电半导体中将产生霍耳效应，其输出电压与磁场强度成正比，基于霍耳效应的霍耳传感器常用于测量磁场强度。

本方案采用霍尔型非接触式转速传感器，把八个小磁片均匀地固定在一个车轮的边缘，霍尔元件的位置与其中一个小磁片的位置相照应，小车在行驶过程中随着小磁片与霍尔元件的位置关系，霍尔元件会产生脉冲信号。

这种车速里程表转轴每转一圈,霍尔传感器将感应发出８个脉冲。

先测量出小车行驶一圈的距离L（多次测量求平均值更准确），再将霍尔传感器发出的脉冲信号当作外部时钟源输入给单片机的计数器端口，使每个脉冲产生一个下跳沿,并通过计数器对每个脉冲进行计数,这样把计数结果n进行处理：

行驶里程S=nL/8.最后通过刷新LED和ＬCD液晶显示器，即可实现里程计数功能。

应用霍尔传感器实现测量小车行驶里程的方案电路简单，使用方便，精确度高。

图5:

霍尔测距方案

2模块最终方案

（1）火焰检测模块：

纳英特机器人火焰传感器

（2）避碍物检测模块：

光电开光

（3）坐标记录模块：

红外对管

（4）里程记录模块：

霍尔传感器

（5）电机驱动：

MC33886驱动芯片

（6）灭火模块：

风扇

（7）显示模块：

LED和LCD

三主要单元电路硬件设计与实现

本系统按照题目要求已完成了由单片机接收各传感器实时检测到的外界信号并发出控制信号控制电机等从而完成寻找火源并灭火的任务。

其主要的硬件电路有：

电源电路,火焰探测电路，红外对管坐标记录电路，光电避障电路，电机驱动电路，霍尔测距电路，LED显示电路。

1.电源电路

消防智能电动车电源是由锂电池组提供，锂电池体积小、重量轻便于放置在小车上，其提供9V电源经稳压电路后输出5V电压。

由电池组提供的电压可直接作为电机驱动芯片的电源，可增加芯片的驱动能力。

稳压后5V直接为单片机供电，并提供后备电源。

图6:

电源电路

2.61最小系统板

61板作为控制中心,接受来自各个传感器检测到的信息,控制小车行驶.

61板各端口连接如下所示:

与火焰检测接口:

IOA0火焰传感器一:

中心

IOA1火焰传感器二:

左边

IOA2火焰传感器三:

右边

IOA3火焰传感器四:

备用

与红外对管坐标记录接口:

IOA4红外对管3（最左侧）

IOA5红外对管1（中间左侧）

IOA6红外对管2（中间右侧）

IOA7红外对管4（最右侧）

与扩展板的接口:

IOA8/9传输检测到的火焰数

IOA10/11传输熄灭的火焰数

与障碍物检测接口:

IOB4避障传感器一

IOB5避障传感器二

IOB6避障传感器三

IOB7避障传感器四

图7:

61为最小系统板电路

3.火焰探测电路

为了准确地定位火焰位置，本设