智能消防小车的设计与实现.docx
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智能消防小车的设计与实现
唐山学院
毕业设计
设计题目：
智能消防小车设计与实现
系别：
智能与信息工程学院
班级：
12电气工程及其自动化
（2）班
姓 名：
刘亚东
指导教师：
张国旭
2016年6月1日
智能消防小车设计与实现
摘要
本智能消防小车采用STC89C52单片机为主控，由火焰传感器、避障传感器、3路寻线传感器和电机等器件组装而成。
小车可以实现自动寻找火源、自动靠近火源和自动灭火等设计的核心功能。
除此之外，小车还可以实现在指定区域内行驶，当遇到障碍物时，能避开障碍物等功能。
3路寻线模块是由反射式光电传感器和比较器组成，当采集到信号时会传送给单片机进行数据处理；避障模块主要是由红外避障传感器构成，通过发射器发射红外光，当被接收器接收到时，证明前方有障碍物；灭火模块由升压电路和灭火风扇组成，再以L293D为核心的电机驱动模块作为电机驱动电路，完成灭火功能。
程序设计采用的是C51编程，将各个模块组装在一起后，结合程序，通过单片机的控制，最终完成小车的设计。
本设计详细地介绍了各传感器的原理和特点，以及STC公司所生产的STC89C52的性能和应用。
并在分析智能消防小车灭火的基础上，进一步指出设计的不足，然后进行改进。
关键词：
单片机传感器避障灭火
DesignandRealizationofintelligentfirecontrolcar
Abstract
TheintelligentfirecaradoptsSTC89C52single-chipmicrocomputerasthemaster,bytheflamesensor,obstacleavoidancesensor,3roadlinedevicessuchassensorsandmotorassembled.Carcanrealizeautomaticlookingforfire,automaticnearthefiresourceandthedesignofthecorefunctionssuchasautomaticfireextinguishing.Inaddition,thecarcanalsobeimplementedinthedesignatedarea,whenfacedwithobstacles,canavoidobstacles,andotherfunctions.
3roadtrackingmoduleiscomposedofreflectiontypephotoelectricsensorandcomparator,whencollectedsignalstransmittedtothemicrocontrollerfordataprocessing;Obstacleavoidancemodulemainlyconsistsofinfraredsensorofobstacleavoidance,throughinfraredtransmitterlaunch,whenthereceiver,thenprovetheobstaclesahead;Fireextinguishingmoduleiscomposedofboostercircuitandfirefan,againwithacoreofL293Dmotordrivermoduleasamotordrivecircuit,completefunctionoffire.ProgrammingusingC51programming,aftervariousmodulesassembledtogether,combiningwiththeprogram,throughtheMCUcontrol,finallycompletedthedesignofthecar.
Thisdesignwereintroducedindetail,theprinciplesandcharacteristicsofvarioussensors,aswellasonSTCcompanyproducesSTC89C52performanceandapplication.Andonthebasisoftheanalysisofintelligentfirecarfire,furtherpointsouttheshortcomingsofthedesign,andthentoimprove.
Keywords:
singlechipmircocomputer;sensor;obstacleavoidence;firefighting
1引言
1.1设计目的及意义
在各种灾害中，对公共安全和社会发展危害最大的，且最常见、最普遍的，火灾毫无疑问是其中之一。
无论是在农村还是在城市都会出现不同程度的火灾，尤其是在城市，随着中国城镇化速度的加快，火灾的类型和程度出现了变化。
为了更好地解决这些问题，提高灭火工具的功能就成了不可回避的问题，而在灭火工具中能应对较大火灾非常有效工具无疑是消防车。
消防车是人们用于灭火、辅助灭火或消防救援的机动消防装备，是按照不同施救对象和灭火战斗需要而设计制造的适于消防人员乘用、装备各类消防工具或灭火剂的专用车辆，已成为消防队的主要装备[2]。
随着科技的飞速发展，自动化和智能化技术越来越普及，各类高科技也广泛应用于智能车辆和机器人制造领域。
智能消防小车的发展主要集中在自动化控制领域，该智能车辆是一个将计算机、通信、自动控制和人工智能等领域的技术集于一身，综合了许多学科领域的知识，而且涉及到今天许多前沿的科学知识。
现在，许多的院校和协会开设了各种形式的电子设计竞赛，这种竞赛既可以提高学生的动手能力，又可以使学生从实践中更加牢固地掌握理论知识，更重要的是使学生在未来的职场中脱颖而出。
最近几年，以智能小车为题的设计出现的频率较高，因此，智能小车的设计受到许多老师和学生的青睐，越来越多的毕业生选择智能小车作为毕业设计题目。
本设计是以STC89C52芯片为核心，利用光电传感器检测、火焰检测和电机驱动等技术，完成使小车自动寻找火源、避开障碍物以及自动灭火等功能[3]。
除此之外，设计的本身更注重基础性和实用性，以本研究为基础可以进行不同的拓展和改进使之功能更加全面与使用。
该智能车的模型不仅为未来的消防车发展提供了一种参考和思路，也是适应于我国智能车辆的发展。
1.2国内外发展现状及前景
我国智能消防车辆从改革开放时期的全部依靠进口，之后随着我国汽车工业整体技术水平的提升，消防车的生产取得了飞速的发展。
但我国在智能车辆的研究领域与国外的发达国家仍有一定的差距，尤其是大型的智能车辆（如大型智能消防车）基本依靠进口，目前国内无法生独立生产。
由于智能车辆的研究会促进汽车工业及其他相关产业的发展，所以其中蕴涵着巨大的市场潜力。
我国科技部则于2002年正式启动了“十五”科技攻关计划重大项目[5]，联合有关的研究机构、汽车厂商、高等院校等，发挥各自的长处，力争与发达国家进一步拉近在智能车辆系统领域的差距，尽快将这一潜在市场开发出来[6]。
美、欧等西方发达国家十分重视智能车的研究和发展，亚洲的日本也对智能车的发展给予了较大的关注，他们都投入了大量的人力、物力和财力。
美国开始组织实施智能车辆先导（intelligentvehicleinitiative,IVI）计划，欧洲提出公路安全行动计划（roadsafetyactionprogram,RSAP），日本提出超级智能车辆系统[7]。
更值得注意的是，智能消防车的发展较为迅速，美欧等发达国家正将智能消防车朝着节水化、轻型化、智能化、多用化方向发展，依照这个趋势可预见未来智能车辆系统会有一个持续稳定的研究和开发前景。
随着科技和交通系统的发展，世界各国都在将智能消防车作为重点研究方向，尤其在中国这个老龄化不断加剧的国家，为了人们在生活中更加方便，尽可能地减少火灾对人员的伤害，对智能消防车辆的各种安全要求会不断地提高。
因此，作为对智能消防车辆的研究的基础，智能消防小车的研究会不断地得到重视，且具有极大的开发潜力。
在可预见的未来，人们对智能消防车辆的研究将是一个重要的研究方向，而且是未来人类发展的必不可少的一部分，其也将继续推动着人类的进步。
1.3研究内容及预期结果
设计制作一个智能消防小车模型，能实现在指定区域内避障、灭火工作。
用蜡烛模拟火源，随机分布在场地中。
基本内容：
（1）智能小车从起始点区域启动，不能超出指定的区域（由黑线围起）。
（2）在指定区域场地（非起始位置）随机出现2个火源，小车能自动发现火源，并主动靠近火源。
（3）能够并扑灭发现的2个火焰，灭火完毕后小车可以停留在指定区域。
（4）如果小车在行进途中发现障碍物，小车能主动调整躲开。
为实现主要目标及小车的功能，本设计重点研究以下几个方面：
智能消防小车的探测系统：
探测决定着是否能正常行进，正常行进决定着是否能成功实现灭火。
小车如何在行驶过程中发现障碍物，并避开障碍物，以及如何准确检测火源和实现灭火。
小车的驱动系统：
小车要实现在指定区域行驶，并准确的达到火源位置，此外，还要实现电机驱动风扇灭火。
小车的控制系统：
在行驶过程中，小车要求不能超出指定区域，这需要小车的探测系统和驱动系统相配合，即在单片机的控制下完成该功能。
2设计方案
2.1设计方案选择
2.1.1CPU芯片选择
方案一：
选择采用STC公司生产的STC12C5612AD做主控，其内部ROM为12K，引脚共28个，这款芯片具有高速、低功耗、超强抗干扰等特点。
此外体积小、所占空间小、更节省材料，使小车更精致。
但是，其通用I/O口较少，多功能端口也较少，无法满足对小车功能的实现，除此之外，其晶振频率范围为5.2MHz~6.8MHz，相比一般的单片机晶振较低。
方案二：
采用STC89C52做主控，其是STC公司生产的一款低功耗、高性能8位微控制器，带有8K在系统可编程Flash存储器，40个引脚，32个通用I/O口。
其晶振工作频率为0~40MHz。
STC89C52使用经典的MCS-51内核，通过对该芯片的改进使其具备了许多51单片机不具备的功能。
在芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为许多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
综合成本、参数、性能等条件考虑，采用方案二，选择使用STC89C52。
2.1.2小车底盘选择
小车的底盘包括主板，电机，车轮等，是智能小车的基本框架。
因此，底盘的选择对小车制作的成功与否至关重要。
方案一：
主板采用强度高、韧性度好、使用方便的亚克力板材。
电机采用黄色的TT马达，车轮采用两个橡胶轮加一个万向轮，三个车轮行驶。
亚克力板韧性满足要求，且质量较轻，适合做小车主板。
TT电机价格便宜，且精确度较高，能确保小车行驶在指定区域内，驱动能力也符合要求，三轮行驶更容易调整方向，使小车行驶更加灵活。
方案二：
主板采用承重量大的铝合金板，电机采用25mm直流减速电机，车轮有四个85轮子组成。
该方案设计的车体虽然硬度大，承载力大，且电机的扭力大。
但是车体过于笨重，电机步距精度不高，容易使小车使出指定区域，小车采用四轮驱动，不容易精确地调整方向。
此外，车体大部分使用的是金属结构，使小车的成本较高。
方案三：
主板采用自制光滑的薄木板，电机采用可以采用步距精度为3%~5%的42步进电机，车轮采用履带式车轮。
该方案相对节省成本，且电机精度较高。
但是考虑到木板需要打孔，组装较为麻烦，车体比较粗糙，小车的平衡难以实现，履带式车轮不易改变方向等因素，因此，放弃这种方案。
综合成本、简易程度、精度等因素，在上述三种方案中，方案一结构简单、更易安装。
因此，选择方案一。
2.1.3火焰传感器选择
火焰传感器是智能消防小车专门用来搜寻火源的传感器，小车能否实现消防这一功能就取决与火焰传感器对火源的探寻。
方案一：
采用紫外火焰传感器，紫外火焰传感器能够探测出火源产生的400纳米以下的热辐射。
它的体积很小，但敏感角度却很宽，并能快速准确地发现从火焰中发出的弱紫外线（能够探测5米或在稍远处发现香烟点大小的火焰） 。
由于本设计场地较小，但火焰传感器检测的范围较为宽泛，故不适合。
方案二：
采用烟雾传感器，这是一种间接检测火焰的传感器。
大部分物质燃烧都会产生烟雾，当烟雾达到一定浓度时传感器就会报警。
用该传感器检测火焰有很大的弊端，有些物质燃烧时并不产生烟雾（如天然气、乙醇、甲醇等），并且检测距离较短，传感器必须在烟雾最浓的位置，可见当火焰发生到烟雾浓密时再报警，在有的场合可能为时已晚。
考虑到本次设计火源用蜡烛代替，因此不会产生很大的烟雾，所以放弃使用这种方案。
方案三：
采用远红外火焰传感器，远红外火焰传感器能够探测到波长在700nm~1000nm范围内的红外光，探测角度为60，检测距离范围为0~1m，灵敏度高，适合本次设计所要求的场地范围。
综合个方面条件考虑选择方案三。
2.1.4避障探测器选择
避开障碍物是此次设计的一个重要组成部分，它是小车能正常行驶且能准确的发现火源的保障，小车只有躲避障碍物才能实现后续工作。
方案一：
超声波避障传感器，超声波传感器应用起来十分简单，安装方便，成本低廉。
但是大部分超声波传感器都存在一些缺点，比如，反射、噪音、交叉等问题。
本次设计采用的是电机驱动，会使小车产生震动，而且周围也会有噪音。
除此之外，由于超声波传感器是一个锥面，检测角度较小、方向性较差，很难根据反射波确定障碍物的高度和具体方位，需安装多个的传感器，因此也会产生信号发射与回收交叉问题。
方案二：
红外避障传感器，这是一种集发射和接受于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出，有效的避免了可见光的干扰。
透镜的使用，也使得这款传感器最远可以检测到80cm的距离。
当然由于红外光的特性，对于不同亮度、不同颜色的物体检测距离不同，白色等较亮的物体检测的距离较长，黑色等较暗的物体检测距离较短。
检测障碍物的距离可以根据要求通过尾部的电位器旋钮进行调节。
该传感器具有探测距离远、受可见光干扰较小、价格便宜、易于安装、使用方便等特点，比较适用于小车避障、流水线生产等场合。
综合以上所述，选择方案二。
2.1.5电源选择
该设计需要电池供电，所以还需考虑位系统选择合适的电源。
方案一：
采用220V/12V直流稳压电源适配器，由此适配器得到的电压较为稳定，且负载对电源的影响较小。
但是由于适配器需要电线对小车供电，这极大地影响了小车的灵活性，而且小车的避障模块容易将电线判断为障碍物，不利于小车的行驶。
方案二：
采用普通干电池，取四节干电池压降至5V后给单片机（主控板）供电，另取六节干电池给电机和传感器供电。
这样，由电机带来的电压不稳对主控板的影响就可以消除。
但是这电池的数量较多，太占用空间。
此外，干电池供电时间不长，更换频率较高，且不利于环保。
方案三：
采用可充电的锂电池，锂电池体积小，可以反复充电，利用率高，节能环保，其性能符合本次设计的要求。
综上考虑，采用方案三。
2.2最终设计方案
本次设计的基本各功能模块总框图如图2-1所示。
图2-1系统的结构框图
经过以上的分析与论证，得出了最终的设计方案：
采用STC89C52作为主控，主板为亚克力板，电机为TT电机，以及采用红外避障传感器，远红外火焰传感器，可充电锂电池等。
2.3小车灭火流程
利用电机来驱动小车，使小车可以在一定的空间内运动。
小车可以根据自身装有的传感器来检测地面上火院与障碍物，将检测到的信号放大和标准化后传送给STC89C52控制器，中央处理器根据接收到的信号来控制电机及控制器，使小车能够自动寻找火源。
同时，红外避障传感器不断地发射光束，对小车行驶方向扫描，当接收到返回来的光束时，证明前方有障碍物，STC89C52控制器将会调用躲避障碍程序使小车绕过障碍物。
最后通过火焰传感器完成对火源的寻找，并由STC89C52控制器调用灭火程序，实行灭火。
消防小车的基本功能流程图如下图2-2所示。
图2-2小车基本功能流程图
3系统硬件模块设计
3.1主控模块设计
3.1.1STC89C52芯片
STC89C52是STC公司推出的一款超强抗干扰、加密性强、可在线可编程、高速、低功耗CMOS8位单片机。
片内含8KB的可反复擦写Flash只读程序存储器和256bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用STC公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS－51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的STC89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。
其实物图如图3-1所示。
图3-1STC89C52的实物图
3.1.2STC89C52的外部结构及特性
其外形封装有两种方式：
双列直插式40引脚封装（DIP）和方形44引脚封装（PLCC），直插式40引脚封装（DIP）和外部总线结构分别如图3-2和图3-3所示。
图3-2STC89C52引脚排列图3-3外部总线
STC89C52的40只引脚按其功能来分，可分为三类：
电源及时钟引脚、控制引脚、I/O口引脚[8]。
（1）电源及时钟引脚
VCC（40引脚）:
接+5V电源；
GND（20引脚）:
接地；
XTAL1（19引脚）:
接外部晶体的一个引脚。
CHMOS单片机采用外部时钟信号时，时钟信号由此引脚输入。
XTAL2（18引脚）:
接外部晶体的一个引脚。
HMOS单片机采用外部时钟信号时，外部时钟信号由此引脚输入。
（2）控制引脚
RST/VPD（9引脚）:
RST是复位信号输入端，接高电平时有效。
VPD为本引脚的第二功能，当VCC掉电后，此引脚可接备用电源，低功耗条件下保持内部RAM中的数据。
ALE/PROG（30引脚）:
ALE为地址锁存允许信号，当单片机访问外部存储器时，该引脚的输出信号ALE用于锁存P0口的低8位地址，ALE输出的频率为时钟振荡频率的1/6。
PROG为这个引脚的第二功能，对片内EPROM编程时，编程脉冲由该引脚引入。
PSEN（29引脚）:
程序存储器允许输出控制端。
输出读外部程序存储器的选通信号。
取指令操作期间，PSEN的频率为震荡频率的1/6；若此期间有访问外部数据存储器的操作，则有一个机器周期中的PSEN信号将不出现。
EA/VPP（31引脚）:
EA功能为内外程序存储器选择控制端。
当EA=1时，单片机访问内部存储器，当EA=0时，则只访问外部程序存储器。
VPP为本引脚的第二功能，在8751单片机片内EPROM编程期间，此引脚引入12V编程电源。
（3）I/O口引脚
STC89C52的4个8位I/O口的功能说明如下：
P0口：
P0口是一个双向8位三态I/O口。
此口为地址总线（低8位）及数据总线分时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。
P0口可以作为输入/输出口，但在实际应用中，常作为地址/数据总线口。
应注意，当P0口作为地址/数据总线口使用时，不能再作为输入/输出口使用。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位准双向I/O口，P1口每一位都能作为可编程的输入输出口线，可驱动4个LS型TTL负载。
与P0相同，当P1口作为输入口时，应先向其锁存器写入“1”，作输出口使用时，已能对外提供推拉电流负载，外电路无需再接上拉电阻。
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位准双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
应当注意，当P2口中的几位作为地址使用时，剩下的P2口不能作为I/O口使用。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位准双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
P3口亦可作为STC89C52特殊功能（第二功能）使用，如下所示：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2INT0（外部中断0输入口）
P3.3INT1（外部中断1输入口）
P3.4T0（定时器0外部计数输入）
P3.5T1（定时器1外部计数输入）
P3.6WR（外部数据存储器写选通信号）
P3.7RD（外部数据存储器读选通信号）
本次设计使用的I/O口较多，P1.0~P1.4是对火焰传感器控制引脚，此次使用了5个火焰传感器，目的是为了能够保证在检测到更广的范围内的火焰。
此次设计使用了3路寻线传感器，分别由P1.5、P1.6、P1.7控制右、中、左的检测探头。
单片机的P2.0控制左轮电机的正转，P2.1控制左轮电机的反转，P2.2控制右轮电机的正转，P2.3控制右轮电机的反转。
电机的正反转是通过引脚输出电平的高低来控制的。
避障是本次设计的突出亮点，共使用了4个避障传感器，中间两个，两侧各一个，分别由P3.1（控制右侧避障传感器）、P3.2（控制中间避障传感器）、P3.3（控制中间避障传感器）、P3.4（控制左侧传感器）
3.1.3STC89C52内部组成
STC89C52单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时/计数器和多功能I/O口等计算机所需要的基本功能部件的大规模集成电路，又称MCU。
该单片机内包含以下几个部件：
●一个8位的CPU；
●一个片内振荡器及时钟电路；
●8KBROM程序存储器；
●256字节RAM数据存储器；
●可寻址64KB外部数据存储器和64KB外部程序存储空间的控制电路；
●32条可编程I/O线（4个8位并行I/O端口）；
●三个16位定时/计数器；
●一个可编程全双工串行口；
●8个中断源、2个优先级嵌套中断结构。
STC89C52单片机的内部结构如图3-4所示。
图3-4STC89C52单片机内部结构框图
3.2电机驱动模块设计
3.2.1电机的介绍
电机是用来驱动小车和灭火风扇的，此次采用驱动小车的电机是TT减速电机（减速比为1：
120），灭火风扇采用的是130直流电机。
TT减速电机的3V空载转速为50r/min，该电机的特点是效率及可靠性高，工作寿命长，维护简便，应用广泛等。
130直流电机是有刷直流电机，该电机的转速为2000~3000r/min，电机的扭力大、工作时间长等特点。
这两种电机的实物图分别如图3-5和图3-6所示。
图3-5TT减速电机图3-6130直流电机
3.2.2驱动模块设计
对直流电机进行控制或调速，需要经过直流电机的驱动电路，驱动电路实际上就是一个大功率的放大器。
此次电机驱动采用的是L293D双路H桥驱动，L293D是一款单片集成的高电压、高电流、4通道电机驱动，设计用于连接标准DTL或TTL逻辑电平，驱动电感负载（诸如继电线圈、DC和步进电机）和开关功率晶体管等等。
加入多级驱动，COMS超高输入阻抗，对输入信号没有驱动要求，适合各类I/O口。
本模块具有体积小，控制方便，过温保护的特点。
所用芯片L293是SGS公司生产的一种中小电流直流电机专用驱动芯片，属于H桥集成电路。
其输出电流为1000mA，最高电流2A，最高工作电压36V，可以驱动感性负载，适用于频率5kH
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