消防智能电动车的设计毕业设计Word文件下载.docx
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同时本系统用ZY25120进行语音的播报，以提示当前状态。
本系统同时通过DF无线数据收发模块进行无线数据传输，将该车当前的状态远程传送给显示台。
显示台由LCM128645ZK液晶屏和2个按键进行实时状态显示和启动控制。
关键词：
单片机步进电机传感器
Abstract
BasedonC8051F410MCU,themodelcarcanraceintelligentlybydetectingwhitelinesontheblackground..Includingtheroadsurfacehunting,thefirehazardexamination,theintelligenceevadebond,thedistancesurvey,theintelligentfirefighting,thenixietubedemonstrated,thealarmthefireandsoonthefunctions.Thehuntingwayusesthereflectiontypeelectro-opticalsensorsensationandthegroundcolorhasthewidedifferenceinletline.Theobstaclejudgmentusestheintegratedinfraredsensor.Thefirehazardsurveyuseinfraredsensoraddsthecomparator.TheelectricalmachinerycontrolcoreusesinsultstheZY25120monolithicintegratedcircuit,Thecontrolsystemandcircuitisolatescompletelywiththephotoelectricitycoupleravoidsdisturbing.Farinfraredflamesensortrackstheflame.Inaddition,theSCMsystemwithSunplusforvoicebroadcastcanremindcurrentstatus.ThesystemtransmitsinformationthroughDFmodule.Thecar’sstatuswillbetransmittedtotheRemoteConsole.LCM128645ZKLCDdisplayand2keysforstartcontrol.
Keywords:
C8051F410Motorsensor
第1章绪论
1.1选题的目的及意义
自从1518年世界上首辆消防车问世以来，随着科学技术的不断发展，消防车的发展迅速，但直到1916年我国才出现由汽车改装而成的消防车。
从最初的马车拉水灭火到现在的人工操控消防车自动灭火，消防车的发展经历了一个很长的历史，但是，无论是马车拉水灭火还是人工操控灭火，都无法完全脱离人工操作。
在当代，人工智能已形成极广泛的研究领域，并且取得了许多令人瞩目的成就。
人工智能也称机器智能，是一门研究人类智能机理和如何用计算机模拟人类智能活动的学科。
智能机器人技术综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，集成了多学科的发展成果，代表高技术的发展前沿。
智能机器的研究，大大促进了人工智能思想和技术的进步，渐渐成为一个备受关注的分支领域。
在此次毕业设计中，本文考虑到成本、性能和可扩展性等多方面因素，研究并设计出基于C8051F410单片机的智能消防电动车。
重要的是，以本研究为基础，可以根据不同场地进行不同的拓展或者改进使之更为实用。
我们相信终有一天在危险的火场，消防员可以不用身陷火中就能灭火。
1.2本课题所涉及的内容国内外研究现状综述
传统的火灾探测器中感温探测器，感烟探测器，感火焰探测器其原理是基于火灾中温度变化或者利用火灾烟雾、火焰的电学、光学等物理特性来进行火灾识别。
这种识别模式很难可靠地发现早期火灾，如感烟探测器不能探测到酒精火焰，感温探测器不易探测到阴燃火源。
在现代高大空间建筑中，当存在遮挡和环境干扰的时候，常规的感烟、感温探测器由于火灾燃烧产物在空间传播受空间高度和面积的影响，很难对火灾发生快速响应。
据美国80年代中期Coper的研究报告发现，33％的烟雾探测器不能正常工作，进一步研究发现95％的烟雾探测器由于噪声干扰而产生误报。
因此若干年前就产生了检刷燃烧过程中化学生成物以期改善探剧性能实现早期火灾探测的想法，但是和其它气体传感器的应用场所不同，火灾探测使用的传感器一般都起着很重要的作用，由于对特定气体的可靠探测技术比对温升和烟尘的检测技术复杂，价格昂贵，因此火灾气体探测技术一直处于可望而不可及的境地。
这就需要智能的自动装置进入人无法到达的地区进行火源探测。
有关火源检测的智能产品已日趋成熟，很多成品自动化消防产品已经投入实用，在大学生中也有很多研究及成功范例，如广东省江门市五邑大学信息工程学院通信工程专业的3名学生，发明了一辆可自动感应火源并成功灭火的消防小坦克。
这辆消防小坦克主要由一个感应火焰的红外线传感器和一块控制坦克走向和指示喷水灭火的单片机组成，可自动感应火源并成功灭火。
由于火焰发出的红外线有一个波长范围，经过计算，他们制定了一个对这一范围波长比较敏感的红外线火焰传感器，传感器对周围火焰作出反应和判断后，将方位、数据传递到整个坦克的中枢神经——单片机，单片机控制坦克来到火源旁，并把信号传给前上方的水泵，就出现了准确喷水灭火的奇迹。
在另外由美国三一学院于1994年创办的智能机器人灭火比赛中，有人设计了基于ARM9嵌入式系统的一种智能灭火机器人，该机器人具有以下5个创新点：
（1）采用了嵌入式系统内核，大大提高了机器人处理信号的能力；
（2）双电源供电系统引入，使机器人的运行更加稳定可靠；
（3）采用PWM信号控制大功率直流电机，在速度和精度方面有了很大的改进；
（4）通过合理选择PSD测距传感器的个数和安放位置，既满足比赛要求，又能节约成本；
（5）本文设计的远红外火焰传感器组，很好地完成了对火源的精确定位任务。
这些都为电子智能系统在消防方面的实用化奠定了基础。
1.3本文的研究内容
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。
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，扑灭二个火焰的总时间不超过5分钟。
4.能够自动计算和显示扑灭的火源数，抢险完毕后智能小车能够返回到安全区域。
5.能够自动计算和显示路程，能够用不同声音对不同的状态进行报警。
为实现主要条件及技术指标，本文重点研究以下几个方面：
消防车的动力系统：
要能使小车准确的前进和转向，以确保火源检测系统更精确，且检测到火源后准确地到达火源位置。
火源检测系统：
如何能排除干扰，快速准确地检测到火源并定位。
远程显示及语音报警系统：
在小车运行过程中，如何将火源及灭火的情况及时传送回指挥部，还有对小车行进距离的掌握以便指挥部可以知道火源所在位置的深度情况。
第2章系统方案选择
2.1方案论证与实现方法
2.1.1控制器选择
方案一：
采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。
处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。
但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。
方案二：
采用SST89C51单片机作为主控制器而用凌阳单片机作为辅助控制器。
SST89C51是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS8位单片机，片内含8k空间的可反复擦些1000次的Flash只读存储器，具有256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个IO口，2个16位可编程定时计数器。
且该系列的51单片机可以不用烧写器而直接用串口或并口就可以向单片机中下载程序。
方案三：
属C51系列的C8051F410单片机具有高精度的24.5MHz内部震荡器，I/O口可达24个，高速的时钟频率和丰富的I/O，低功耗和2.0～5.25的大范围供电电压为我们实现各种电路功能提供了非常有利的条件，与8051兼容的内核速与同家族的其他单片机相比，其模拟外设性能优异，除有8路10位ADC外，还有4路PWM。
从方便使用和综合性能的角度考虑，选择了方案三。
2.1.2电动车车体的选择
购买玩具电动车。
购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。
但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点：
首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。
其次，这种电动车一般都是前轮转向后轮驱动，不能适应该题目的方格地图，不能方便迅速的实现原地保持坐标转90度甚至180度的弯角。
再次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。
而且这种电动车一般都价格不扉。
因此放弃了此方案。
自己制作电动车。
经过反复考虑论证，我们制定了左右两轮分别驱动，后方万向轮转向的方案。
即左右轮分别用两个力矩基本完全相同的步进电机进行驱动，后面装一个万向轮。
这样，当两个步进电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的90度和180度的转弯。
对于车架材料的选择，经过比较选择了硬塑板。
用硬塑板做的车架比塑料车架更加牢固，比铁制小车更轻便，美观。
故选择了方案二。
2.1.3电动车的动力方案选择
本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。
由于本题要实现对路径的准确定位和精确测量，综合考虑有一下两种方案。
采用直流减速电机。
直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。
由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生大扭力。
采用步进电机作为该系统的驱动电机。
由于其转过的角度可以精确的计数，实现小车前进路程和位置的精确定位，也能准确引导小车驶向火源。
根据分析，本题要求车子必须具备精度高，方向控制好，故本系统采用方案二。
2.1.4电机驱动电路方案选择
采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。
L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；
可以直接用单片机的IO口通过光耦芯片提供信号；
电路简单，使用比较方便。
对于直流电机用分立元件构成驱动电路。
由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。
但是这种电路工作性能不够稳定。
通过比较，使用L298N芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动步进电机，且价格不高，故选用L298N驱动电机。
2.1.5交点及行进黑线的检测方案选择
用光敏电阻组成光敏探测器。
光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。
当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。
因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。
将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。
但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。
因此要考虑其他更加稳定的方案。
用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。
红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。
这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，所以也放弃了这个方案。
用RPR220型光电对管。
RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。
RPR220采用DIP4封装，塑料透镜可以提高灵敏度，内置可见光过滤器能减小离散光的影响，体积小，结构紧凑。
当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。
此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。
因此本设计选择了方案三。
2.1.6火源检测的选择方案
火焰检测有温度传感器、烟雾传感器、红外传感器、紫外传感器以及CCD图像传感器。
综合论证了这几种传感器，制定了如下几种方案。
用温度传感器如热电偶，热电偶在工业应用上十分广泛。
但是热电偶感应的范围太广，而且由于火焰只是周围温度稍高且范围较窄。
试验验证用热电偶检测火焰精度不高，故放弃了此方案。
用烟雾传感器。
烟雾传感器广泛应用与火警检测。
但是由于此题目的火源是用蜡烛模拟的，没有太大的烟雾，因此用烟雾传感器作为此小型电动车的火焰传感器也不够实用，因此放弃了此方案。
用紫外传感器检测火焰。
紫外火焰传感器主要应用于火灾消防系统，尤其是一些易燃易爆场所，用来监测火焰的产生。
紫外线火焰传感器的灵敏度高，相应速度快，抗干扰能力强，对明火特别敏感，能对火灾立即作出反应。
但是紫外传感器检测的范围太大，不适用于本系统。
方案四：
用CCD图像传感器。
用CCD图像传感器可以检测各种被检测量，适用于各种量的检测。
但是用CCD图像传感器需要处理的信号量太大，且体积较大，不使用与本系统。
方案五：
用远红外传感器。
经试验验证，远红外火焰传感器检测距离远，线性度好，检测准确，且体积较小。
很适用于本题目的要求。
最终选择了方案五。
2.1.7电源模块
由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。
采用12V蓄电池为系统供电。
蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。
采用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6V给直流电机供电，经过7805的电压变换后为单片机，传感器和点击供电。
经过实验验证，当电池为电机供电时，单片机、传感器的工作电压不够，性能不稳定。
因此我们放弃了此方案。
用2节锂电池经另一套7805电压变换电路为电机供电。
再用12V蓄电池为系统供电，蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。
采用此种供电方式后，单片机和传感器工作稳定，电机工作互不影响，且电池的体积较小，能够满足系统的要求。
综上考虑，采用了方案三。
2.1.8液晶显示模块
用数码管进行显示。
数码管由于显示速度快，使用简单，显示效果简洁明了而得到了广泛应用。
但是由于我们计划在显示台显示小车前进的路线、路程以及当前的灭火状态。
用数码管无法显示如此丰富的内容，因此我们放弃了此方案。
用LCD液晶进行显示。
LCD由于其显示清晰，显示内容丰富、清晰，显示信息量大，使用方便，显示快速而得到了广泛的应用。
对于此系统选用LCM128645ZK的LCD能够很好的满足显示要求，因此选择了此方案。
2.1.9避障模块
用超声波传感器进行避障。
超声波传感器的原理是：
超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收。
然后将这信号放大后送入单片机。
超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。
但是超声波传感器需要40KHz的方波信号来工作，因为超声波传感器对工作频率要求较高，偏差在1％内，所以用模拟电路来做方波发生器比较难以实现。
而用单片机来作方波发生器未免有些浪费资源。
因此考虑其他的方案。
用红外光电开关进行避障。
光电开关的工作原理是根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射，受光器最终据此作出判断反应，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。
光电开关E3F-DS10C4操作简单，使用方便。
当有光线反射回来时，输出低电平。
当没有光线反射回来时，输出高电平。
考虑到本系统只需要检测简单障碍物，没有十分复杂的环境。
为了使用方便，便于操作和调试，最终选择了方案二。
2.1.10车载语音模块和控制台语音模块
选择专门的语音存储模块ZY25120，通过单片机进行录放音的控制。
用这种方法比较简介方便，在操作模式下可以进行随意地址播放，且能存储总计120s的语音。
选择DSP进行语音识别，DSP具有很强的信息处理能力，能够进行语音的存储录放和语音的辨识，但是考虑到系统的成本和使用的灵活和方便，放弃了此方案。
使用凌阳精简板开发板61B板，该精简开发板体积小，使用方便，具有凌阳系列的很强的语音处理功能，且具有语音播报和辨识的模块，但使用起来繁琐。
对于简单的数字播报，不需要质量好，价格昂贵的语音芯片。
据实际情况选择能录放120秒的ZY25120语音芯片作为语音播报系统。
2.1.11无线收发模块
无线数据传输被广泛应用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线数据通信、机器人控制、数字音频、数字图像的传输等领域中。
用DF无线数据收发模块。
DF无线发射模块通讯方式为调频AM，工作频率为315MHz，为ISM频段，发射频率<
500mW。
DF超再生式接收模块通讯方式为调频AM，接收灵敏度高，用示波器观察输出波形干净，抗干扰能力强。
系统中为保证稳定，采用芯片PT2262,PT2272M4进行数据编解码，由于数据传输量较小，经过测试，方案可行。
其他无线数据收发模块，如nRF401、红外线或蓝牙模块，由于其价格较昂贵，不利于调试，而且系统中不需传输大量的数据，因此放弃了此方案。
DF无线收发模块由于其优良的特性和低廉的价格而被广泛应用于工业及日常商品中，此方案最佳。
2.2最终方案
经过反复论证，最终确定了如下方案：
（1）手工制作车体。
（2）采用C8051F410单片机作为主控制器。
（3）用2节锂电池为直流电机供电，用12V蓄电池为动力和风扇系统供电。
（4）用RPR220型光电对管进行寻迹。
（5）远红外火焰传感器作为本系统的火焰传感器。
（6）L298N作为直流电机的驱动芯片。
（7）使用专业的ZY25120语音模块作为语音播报。
（8）带串口功能和中文字库的LCM128645ZK显示小车当前状态。
（9）DF无线收发模块用来远程传输数据。
2.3测速计程计算
此设计采用4相步进电机，步进每循环一周转动7.2°
，由圆的周长2πr，即为圆心角是360°
所对的弧长，则n°
角所对弧长L有
L/n=2πr/360（2-1）
则
L=nπr/180（2-2）
此车轮半径为3.8cm，每步进L=7.2X3.14X3.8/180=0.43cm，
则总路程为
S=nX0.43（2-3）
2.4系统设计与结构框图
C8051F410增强型单片机片内资源丰富使得设计电路简化、可靠性大大提高，因此设计中使用C8051F410增强型单片机作为整机的核心部件，根据题目要求设计了线路检测电路、步进电机驱动电路和火源检测电路等，电源采用双电源电路，由蓄电池提供电机电源，手机电池提供单片机电源。
整机总体框图如图2-1所示。
图2-1系统结构框图
第3章硬件实现及单元电路设计
3.1C8051F410单片机系统概述极其引脚功能介绍
3.2.1．C8051F410单片机系统概述
C8051F410系列器件使用SiliconLabs的专利CIP-51微控制器核。
CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用标准80C51的汇编器和编译器进行软件开发。
C8051F410系列器件的外设是标准80C51的所有外设的超集，并且是完全集成的低功耗混合信号片上系统型MCU。
它的一些主要功能特性如下。
（1）高速、流水线结构的8051兼容的微控制器核（可达50MIPS）；
（2）全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）；
（3）真12位200ksps的24通道ADC，带模拟多路器；
（4）两个12位电流输出DAC；
（5）高精度可编程的24.5MHz内部振荡器；
（6）达32KB的片内FLASH存储器；
（7）2304字节片内RAM；
（8）硬件实现的SMBus/I2C、增强型UART和增强型SPI串行接口；
（9）4个通用的16位定时器。
3.2.2．单片机引脚功能
C8051F410是一个有32个引脚的芯片，引脚配置如图3-1所示。
图3-1C8051F410单片机引脚图
C8051F410单片机的个引脚功能如表3-1所示。
表3-1C8051F410引脚功能定义
引脚名称
引脚号（C8051F410）
引脚类型
说明
VDD
7
内核电源
VIO
1
I/O电源
GND
6
地
VRTC-BACKUP
3
smaRTClock后备电源
VREGIN
8
内部稳压器输入
/RST
C2CK
2
数字I/O
器件复位
C2调试接口的时钟信号
P2.7
C2D
32
数字I/O
端口P2.7
C2调试接口的双向数据信号
XTAL3
5
模拟输入
smaRTClock振荡器晶体输入
XTAL4
4
模拟输出
smaRTClock振荡器晶体输出
P0.0
IDAC0
17
数字I/
升级会员 