基于STC89C52RC的智能避障灭火小车论文.docx

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基于STC89C52RC的智能避障灭火小车论文

单片机暑期培训（实训项目）

论文

基于STC89C52RC的智能避障灭火小车

学院：

电子与控制工程学院

专业：

自动化

姓名及学号：

201332010411崔曜东

201332010413毛宜酉

201332010416廖正

指导教师：

龚贤武李杰雷旭

完成时间：

二〇一四年十月

目录

中文摘要1

一．工作目的1

二.研究方法1

三.成果2

四.结论2

EnglishAbstract3

A.Workpurposes3

B.Theresearchmethods3

C.Results4

D.Conclusions.4

绪论5

1.智能灭火小车控制系统的设计背景和意义5

2.智能灭火小车控制系统的目标5

3.主要内容5

论文主体6

一．设计方案的确定6

系统设计及方案6

整体方案设计6

2.2硬件实现方案7

2.2.1MCU的选择7

2.2.2电机选择9

2.2.3传感器的选择10

2.3硬件总体设计方案14

2.4软件总体设计方案15

3.硬件单元电路设计16

3.1电源电路16

3.2微控制器模块的设计16

3.2.1STC89C52RC单片机介绍16

3.3电机驱动电路的设计22

3.4传感器电路的设计25

3.5火焰传感电路的设计28

3.7灭火驱动电路29

4.软件的实现30

4.1软件开发平台介绍30

4.2主程序流程图31

4.3寻迹程序流程图32

5系统功能调试36

5.2功能测试36

5.2.1驱动电路部分37

5.2.2寻迹部分37

5.2.4灭火效果部分37

5.3调试心得37

中文摘要本次设计CPU采用Atmel公司STC系列单片机中的89C52RC，完成的是暑期单片机培训结束后的实习项目。

完成的作品基本功能要求是在规定时间内找出限定场地内的火源，从而采取灭火动作，同时用液晶显示屏显示小车的执行任务，使得我们对小车的运行状况有一个更好的了解。

一．工作目的

1.集成了几乎完善的8位中央处理单元

2.指令系统近乎完善

3.把微型计算机的主要部件集成在一块芯片上，使得传送距离大大缩短、可靠性更高，运算速度更快

4.具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等特点，广泛应用与仪器仪表中，且功能比起电子或数字电路更加强大

因此，基于单片机的灭火机器人设计也具有重要的理论和实践意义，能够使自己在完成过程中学到许多知识和实践能力。

从而引发了我组成员在单片机暑期培训之后产生设计智能灭火小车的设想。

该小车能够在火源产生后作出反应，能利用超声波传感避障，利用火焰传感识别火源并作出灭火动作。

二.研究方法

小车以STC89C52RC型单片机为核心，加以电源电路、电机驱动、超声波传感电路、火焰检测电路、灭火风扇以及其它电路构成。

电源电路提供系统所需的工作电源，超声波完成避障，红外传感器寻找火源位置，火焰传感器识别火焰别采集到的数据通过STC89C52RC单片机处理传输到专用电机驱动芯片驱动电机控制小车的前进后退以及转向，最终启动灭火风扇进行灭火。

本论文进行整体的硬件设计，并编写了软件程序框图，制作的灭火小车具有简易灭火功能，达到了实现现场灭火的目的，设计较好地完成了课题目标。

三.成果

1.组装小车能自动避障寻找火源

2.能启用灭火装置实施灭火动作

3.巡逻，检测是否有火源

四.结论

本论文设计了以STC89C52RC为主控制器的简易智能灭火小车。

所做工作和确定的成果如下：

1、以单片机STC89C52RC为核心拟定了系统组成方案，完成了系统的电路硬件总体设计，包括供电模块、单片机系统、寻迹系统、电机驱动系统、火焰检测系统以及灭火系统和各个模块间接口。

2、完成了各个功能模块硬件的设计。

3、完成主要功能模块的调试软件设计，分别完成对各个功能模块的调试工作。

本设计制作的智能灭火小车，具备智能技术的一般功能（“智能”寻迹）行走，能够自主完成一些动作，找到“火源”，进行灭火。

EnglishAbstract

ThedesignofAtmelcompanyonSTCseriessingle-chipmicrocomputerCPU89c52rc,iscompletedafterthesummerSCMtraininginternshipprograms.Completeworksofbasicfunctionalrequirementsarewithintheprescribedperiodoftimetofindaqualifiedfieldsource,thustakingfirefightingaction,withLCDdisplayshowsthecarperformtasksatthesametime,makestheoperationconditionofthecarwehaveabetterunderstanding.

A.Workpurposes

1.Integrationwithalmostperfecteightcentralprocessingunit

2.Instructionsystemisalmostperfect

3.Themaincomponentsofamicrocomputerintegratedonachip,greatlyshrinkshorttransmissiondistance,higherreliability,computingspeedisfaster

4.Withsmallvolume,lowpowerconsumption,strongcontrolfunction,flexibleextension,miniaturization,andconvenientuse,etc,arewidelyusedandinstrumentation,andmorepowerfulfunctionsthanelectronicordigitalcircuit

Therefore,fire-fightingrobotbasedonsinglechipdesignalsohastheimportanttheoreticalandpracticalsignificance,canmakeoneselfinlearnedmuchknowledgeandpracticeabilitytocompletetheprocess.Raisingmygroupmembersonthesinglechipmicrocomputerafterthesummertrainingdesignideaofintelligentfireextinguishingthecar.Thecarcanreactafterthefiresourcetoproduce,canuseultrasonicsensorobstacleavoidance,usingsensoridentificationofflamefireandmakeafire.

B.Theresearchmethods

CartypeSTC89C52RCMCUasthecore,tothepowersupplycircuit,motordrive,ultrasonicsensingcircuit,firedetection,firefans,andothercircuit.Workrequiredbythesystempowersourcetoprovidepowersupplycircuit,ultrasonicobstacleavoidance,infraredsensorforfiresourceposition,theflamesensoridentificationdon'ttransmitthecollecteddatathroughSTC89C52RCMCUprocessingtodedicatedmotordriverchipdrivemotorcontrolthecarforwardbackandturned,extinguishingfirefansfinallystarted.Theoverallhardwaredesigninthispaper,andwritethesoftwareprogramdiagram,extinguishingthecarhassimpleextinguishingfunction,toachievethepurposeofthesitefire-fighting,designbettercompletedthetaskgoal.

C.Results

1.Assemblethecarlookforfireautomaticobstacleavoidance

2.Theequipmentcanenabletheimplementationofthefirefightingaction

3.Thepatrol,ifthereisafiredetection

D.Conclusions.

InthispaperthedesignisgivenprioritytowithSTC89C52RCcontrollerofsimpleintelligentfireextinguishingthecar.Determinetheworkandresultsareasfollows:

1,STC89C52RCMCUasthecoresystemofschemeisworkedout,completedtheoveralldesignofsystemhardwarecircuitincludingpowersupplymodule,MCUsystem,tracingsystem,motordrivesystems,firedetectionsystemandfireextinguishingsystemandeachmoduleindirectmouth.

2,tocompletethedesignofeachfunctionalmoduleofhardware.

3,finishtheadjustmentofthemainfunctionmodulesoftwaredesign,completedthedebuggingofeachfunctionmodule.Thedesignofintelligentfirevehicles,havethegeneralfunctionofsmarttechnology（"smart"tracing）,abletoindependentlycompletesomeaction,findthe"fire",toputoutthefire.

绪论

1.智能灭火小车控制系统的设计背景和意义

近几十年中，大量的高层、地下建筑与大型的石化企业不断涌现。

由于这些建筑的特殊性，发生火灾时，不能快速高效的灭火。

火灾在现实生活中是非常普遍的，它被称为三大自然灾害之一。

为了解决这一问题，尽快救助火灾中的受害者，最大限度的保证消防人员的安全，灭火机器人研究被提到了议事日程。

而机器人技术的发展也为这一要求的实现提供了技术上的保证，使得灭火机器人应运而生。

从二十世纪八十年代开始，世界许多国家都进行了灭火机器人的研究，美国和苏联最早进行灭火机器人的研究，而后日本、英国、法国等国家都纷纷开展了灭火机器人的研究，目前已有多种不同类型的灭火机器人用于各种火灾场合。

我国从八十年代末期开始灭火机器人的研究，公安部上海消防研究所等单位在灭火机器人的研究中取得了大量成果，“自行式消防炮”已经投入市场，“履带轮式灭火侦查机器人”也于2000年6月通过了国家验收。

但是，我国的灭火机器人的研究还处在初级阶段，还有许多有待研究的问题。

比如，高层建筑发生火灾时，消防人员不可能在都短时间内到达高处的火灾发生地点，在地下建筑中，由于环境比较潮湿，烟气不易扩散，消防人员不容易快速的判定火源位置；而在石化企业发生火灾时，将产生大量的毒气，消防人员在灭火时极易中毒。

研制能够用于这些场合的侦察灭火机器人，协助消防人员进行火灾的定位和灭火，将有极大的社会意义。

基于人工智能的不断发展，各项高兴技术的不断成熟，在可预见的将来，灭火机器人在功能上会更具多样特点，在较多危险区域可以完全代替消防员，避免消防员生命伤亡。

同时也应该看到，我国在研究消防机器人方面较国外同行已落后太多，存在技术差异和代沟，消防机器人的不断研制、生产和装备过程，应坚持自主研制为主，引进辅，提高我国消防部队消防装备现代化的水平，并及时装备消防部队，提高部队打赢大仗、恶仗、硬仗和特殊战役的能力，提高消防部队在处置大型复杂火灾和应急救援的作战效能，提高消防部队的自我防护能力，减少消防指战员的人身伤亡，更好地保护我国经济发展

消防人员时时刻刻冲到第一线，面临生命危险，在这种背景下，智能寻迹灭火系统应运而生，实现了对安全防护的质的提高，也大大地减低了消防人员的危险。

在智能寻迹灭火系统中应用单片机来代替人的思考，还可以实现自动化控制，简化了灭火的工作流程，使单片机代替多余的消防人员，节省了国家不必要的支出，减低了危险。

现今，单片机以其强大的控制能力已经被广泛应用于诸多领域，配以各种接口传感器可以实现系统的智能化。

无论在安全防护领域、工业控制领域、医疗卫生领域、还是在国防军事领域、航天航空领域，微控制器都起着举足轻重的作用。

从最初的8位控制器到现在的32位控制器都还有很大的发展和应用空间。

根据本设计的要求，将采用深圳宏晶公司生产的STC89C52RC型单片机

2.智能灭火小车控制系统的目标

制造一个自主控制的机器人小车找到一根蜡烛并尽快将它熄灭，这个工作受地面摩擦、机器人惯性、机器人电机的转数差、齿轮箱与轮子的摩擦、电压变化等多个因素影响，它模拟了现实家庭中机器人处理火警的过程，蜡烛代表家里燃起的火源，机器人必须找到并熄灭它。

本设计的智能寻迹灭火小车控制系统应用范围十分广泛，能够实现温度监控、报警、具有自动寻迹、吹风灭火、返回起始点等功能，可通过温度的监控来进行设定小车是否前进。

3.主要内容

本论文设计了以STC89C52RC单片机作为主控制器，光敏电阻作为本系统的火焰传感器，用HC-SR04超声波传感器进行寻迹和避障，L298作为直流电机的驱动芯片。

本论文所包含的内容如下：

3.1以单片机STC89C52RC为核心拟定了系统组成方案，完成了系统的电路硬件总体设计，包括供电模块、单片机系统、寻迹系统、电机驱动系统、壁障系统、火焰检测系统以及灭火系统和各个模块间接口。

3.2完成主要功能模块的程序设计，分别完成对各个功能模块的程序进行调试工作。

论文主体

一．设计方案的确定

系统设计及方案

根据课题设计的要求和课题目标，本论文制定出了系统的设计方案，并通过比较论证，选择合适的器件。

最终确定手工制作小车，采用STC89C52单片机作为主控制器，用HC-SR04超声波传感器进行避障，普通火焰传感器作为本系统的火焰传感器，L298D作为直流电机的驱动芯片的设计方案。

整体方案设计

课题要求设计一个简易智能灭火小车模型，能到指定区域进行灭火工作（以蜡烛模拟火源，分布在小车行走的场地中）。

小车必须通过内部设备采集现场环境情况进行分析并做出相应的动作，以达到小车智能灭火的目的。

根据题目要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、直流电机及其驱动模块、避障传感器模块、避障模块、火焰传感器、灭火系统及其驱动模块等模块构成，本系统的方框图如图1所示。

2.2硬件实现方案

2.2.1MCU的选择

近年来，单片机应用技术发展迅速，为智能装置的开发设计带来了很大的便利。

但在开发设计中选择合适的MCU带来了很大的困难。

方案1：

采用可编程逻辑器件CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）作为控制器。

CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O资源丰富、易于进行功能扩展。

采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。

但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。

且从使用及经济的角度考虑本论文放弃了此方案。

方案2：

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。

本系统主要是进行避障和火焰传感器的检测以及电机的控制，兼有声音报警。

如果单纯的使用凌阳单片机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。

从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，本论文放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。

方案3：

采用Atmel公司的ATMEGA128单片机作为主控制器。

ATMEGA128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。

但是考虑到本系统要进行避障和火焰传感器的检测以及电机的控制、声音报警，若使用ATMEGA128可能在数据处理方面有一些不足。

因此本论文不选择此方案。

方案4：

采用深圳宏晶公司的STC89C52高端单片机作为主控制器。

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

从方便使用和经济的角度考虑，且STC系列是国产的，我们选择了方案4。

2.2.2电机选择

下面我们分析了几种常见电机：

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。

方案一：

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。

方案二：

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。

虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统

根据分析，直流电机能够较好的满足本题的要求，控制方便，因此选择以直流电机做为小车行进驱动电机，通过控制两个电机的工作状态来达到转向的效果。

故本系统采用方案一

2.2.3传感器的选择

（1）火焰传感器的选择

火焰检测有紫外传感器、烟雾传感器、温度传感器、红外传感器以及CCD图像传感器。

本论文综合论证了这几种传感器，制定了如下几种方案。

方案1：

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，因此本论文放弃了此方案

方案2：

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，能对火灾立即做出反应。

但是紫外传感器检测的范围太大，不适用于本系统。

方案3：

用光敏电阻作为传感器。

所谓光敏，就是对光反应敏感。

光敏电阻在光照条件下电阻值随外界光照强弱（明暗）变化而变化的组件，光越强阻值越小，光越弱阻

值越大。

CDS光敏电阻，灵敏度高，反应速度快，光谱特性及γ值一致性好等特点外，在高温、多湿的恶劣环境下，仍能保持其高度的稳定性和可靠性，广泛应用于光探测和光自控领域中。

方案4：

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，不适合

用于本系统。

方案5：

用热释电红外测温传感器，热释电红外传感器凌阳TN9系列是根据LiTaO3的热释电效应设计的，用作检测器的热释电材料具有自发极化，其晶面能俘获大气中的

自由电荷，从而保持中性，当晶面温度稍有变化即引起自发极化强度的变化，从而使晶面电荷量发生相应的变化。

由于它是非接触式测温，用于测量火焰温度非常方便。

从经济和方便的角度考虑，本论文选择了方案3，采用的火焰传感器主要芯片：

LM393，红外接收头。

工作电压：

直流3-5V。

其特点为：

1、具有信号输出指示。

       2、单路信号输出。

       3、输出有效信号为低电平。

       4、用于检测波长在760纳米～1100纳米范围内的热源。

       5、探测角度达60度。

       6、电路板输出开关量（可直接接单片机）。

（2）避障传感器的选择

方案1：

用红外光电开关ST178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