智能灭火小车.docx
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智能灭火小车
襄樊学院
毕业论文（设计）
论文题目：
基于AVR单片机的智能灭火小车的设计
EnglishTopic：
TheDesignofIntelligentFire-fightingCar
BasedonAVRMCU
系别：
物理与电子信息工程学院
专业：
07自动化
班级：
0711
学号：
********
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2011年月日
基于AVR单片机的智能灭火小车的设计
摘要：
随着社会与国家的发展，现代火灾及时补救已成为迫在眉睫需要解决的问题，救火早一刻就少一分损失，消防救援人员固然速度已经很快，但也需要一段不小的时间，而且进入救火现场还有生命危险的可能，于是灭火智能小车的理念诞生了。
本设计主要就是针对消防智能技术的制作与研究，小车以ATMEGA128单片机为控制核心，加以电源电路、电机驱动、光电传感电路、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，光电对管完成寻迹和避障，光敏电阻传感器检测火焰，采集到的数据通过ATMEGA128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，制作的消防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。
关键词：
ATMEGA128单片机；传感器；智能灭火小车；直流电机；寻迹
TheDesignofIntelligentFire-fightingCarBasedonAVRMCU
Abstract:
Withthesocialandnationaldevelopment,theinevitablefiresavarietyofdangerousplacesfrequently,totheSocialSecuritycreatedalotofhiddendangers,sothemodernfireremediedintime,hasbecomeanurgentneedtoaddresstheproblem,thefireAsearlyasthemomenttocurbing,firerescuepersonnelofcourse,speedhasbeenfast,butitalsoneedsabigtime,andenterthefirescenethereisthepossibilityoflife-threatening,sowasborntheconceptoffire-fightingcar,stupiddesignismainlyfortheproductionoffire-fightingcarr,carinordertoATMEGA128microcontrollertocontrolthecore,
Topowersupplycircuits,motordrives,photoelectricsensorcircuit,theflamedetectioncircuit,firefans,andothercircuit.Powercircuittoprovidethenecessaryworkingpowersupplysystems,special-purposemotordriverchipdrivescarforwardbackwardmotorcontrol,aswellassteering,photoelectrictracingthecompletionofthetubeandavoidobstacles,andphotosensitiveresistancesensordetectsflame,fire-fightingfansputoutthefire.Thisdesignproducedasimplecarfireextinguishingcapabilitiestoachievetherealizationofon-sitefire-fightingpurposes,thedesigngoalofabetterwaytocompleteatask.
Keywords:
ATMEGA128MCU;Sensor;Smartcarfire;DC;Tracing
1绪论
1.1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。
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ATMEL公司生产的ATMEGA128型单片机
1.2智能灭火小车控制系统的目标
本论文设计的智能寻迹灭火小车控制系统应用范围十分广泛，设计的智能寻迹灭火小车应该能够实现温度监控、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。
本设计具有很好的开发前景，将会受到广大安全防护人员的欢迎。
1.3主要内容
本论文设计了以ATMEGA128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ST178型光电对管进行寻迹和避障，L298作为直流电机的驱动芯片。
本论文所包含的内容如下：
1、以单片机ATMEGA128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。
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。
2系统设计及方案比较
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ATMEGA128单片机作为主控制器，用ST178型光电对管进行避障，TN9型热释电非接触式温度传感器作为本系统的火焰传感器，L298作为直流电机的驱动芯片的设计方案。
2.1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。
图1系统结构框图
为较好的实现各模块的功能，本论文分别设计了几种方案并分别进行了论证。
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Atmel公司的ATMEGA128高端单片机作为主控制器。
ATMEGA128为基于AVRRISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。
先进的RISC结构,133条指令且大多数可以在一个时钟周期内完成。
具有非易失性的程序和数据存储器，具有独立锁定位、可选择的启动代码区，通过片内的启动程序实现系统内编程。
支持JTAG接口同时与IEEE1149.1标准兼容。
两个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器。
具有独立预分频器的实时时钟计数器，两路8位PWM，6路分辨率可编程（2到16位）的PWM，8路10位ADC，可以方便的进行模数转换。
从方便使用和经济的角度考虑，本论文选择了方案4。
2.2.2电机选择
本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动电机的选择就显得十分重要。
下面本论文分析了几种常见电机。
步进电机由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。
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。
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。
舵机，顾名思义是控制舵面的电动机。
舵机的出现最早是作为遥控模型控制舵面、油门等机构的动力来源，但是由于舵机具有很多优秀的特性，在制作智能技术时也时常能看到它的应用。
舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围一般不能超过180度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。
比方说智能技术的关节、飞机的舵面等。
直流电机能够较好的满足系统的要求，控制方便，因此本论文选择以直流电机做为小车行进驱动电机，用舵机来做小车的驱动转向电机。
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。
但自然光对光敏电阻影响较大，因此本论文不采用此方案。
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5。
（2）寻迹传感器
方案1：
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，因此本论文放弃了这个方案。
方案2：
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。
因此本论文考虑其他更加稳定的方案。
方案3：
用ST178型光电对管。
ST178为反射取样式红外线对管作为核心传感器件。
它采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，以非接触检测方式，检测距离可调整范围大，4-10mm可用。
ST178的示意图和特性曲线如图2所示。
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。
因此本论文选择了方案3。
（a）ST178示意图（b）ST178特性表
图2ST178的示意图和特性曲线
（3）避障传感器的选择
方案1：
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。
而用单片机作为方波发生器未免有些浪费资源。
因此本论文考虑其他的方案。
方案2：
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射，受光器最终据此做出判断反应，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，当检测到有障碍物的时候，光电对管就能够接收到物体反射的红外光，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。
光电对管ST178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，本论文最终选择了方案2。
2.3硬件总体设计方案
经过反复比较论证，本论文最终确定了如下方案：
1、采用ATMEGA128单片机作为主控制器。
2、用ST178型光电对管进行避障。
3、热释电红外测温传感器作为本系统的火焰传感器。
4、L298作为直流电机的驱动芯片。
5、使用蜂鸣器进行灭火报警。
图3系统结构框图
2.4软件总体设计方案
传感器组把测得温度分别通过模数转换传给单片机，单片机通过一定的处理，比较得出温度最高的三个传感器，根据能量在自由空间的衰减规律可知，火源与传感器的距离与传感器测得温度的大小呈负相关，温度越高，距离火源越近，所以，火源即在这三个传感器所对的那个方向上。
具体的方位可以通过相应的公式计算出来，调整小车方向并通过避障传感器避障前进到火源位置驱动灭火风扇进行灭火。
3硬件单元电路设计
本章主要讲述了以ATMEGA128为主控制器，设计相关的硬件电路。
主要硬件电路有：
寻迹与控制电路、电机驱动模块、火焰检测电路、灭火风扇驱动电路以及声音报警电路。
3.1电源电路
ATMEGA128需要4.5-5.5V直流电压、150mA的峰值电流，在考虑到其它外围芯片的供电电压和功耗，最终选择LM2940这种专为大功率供电使用的芯片提供5V供电，电源电路如图4。
图4电源电路
3.2微控制器模块的设计
3.2.1ATMEGA128单片机介绍
Atmel公司的8位系列单片机的最高配置的一款单片机，应用极其广泛
ATMEGA128主要特性如下：
·高性能、低功耗的AVR8位微处理器
·先进的RISC结构
–133条指令–大多数可以在一个时钟周期内完成
–32x8通用工作寄存器+外设控制寄存器
–全静态工作
–工作于16MHz时性能高达16MIPS
–只需两个时钟周期的硬件乘法器
·非易失性的程序和数据存储器
–128K字节的系统内可编程Flash
寿命:
10,000次写/擦除周期
–具有独立锁定位、可选择的启动代码区
–通过片内的启动程序实现系统内编程
–真正的读-修改-写操作：
4K字节的EEPROM
寿命:
100,000次写/擦除周期
–4K字节的内部SRAM
–多达64K字节的优化的外部存储器空间
–可以对锁定位进行编程以实现软件加密
–可以通过SPI实现系统内编程
·JTAG接口（与IEEE1149.1标准兼容）
–遵循JTAG标准的边界扫描功能
–支持扩展的片内调试
–通过JTAG接口实现对Flash,EEPROM,熔丝位和锁定位的编程
·外设特点
–两个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器
–两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器
–具有独立预分频器的实时时钟计数器
–两路8位PWM
–6路分辨率可编程（2到16位）的PWM
–输出比较调制器
–8路10位ADC
–8个单端通道
–7个差分通道
–2个具有可编程增益（1x,10x,或200x）的差分通道
–面向字节的两线接口
–两个可编程的串行USART
–可工作于主机/从机模式的SPI串行接口
–具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器
–片内模拟比较器
·特殊的处理器特点
–上电复位以及可编程的掉电检测
–片内经过标定的RC振荡器
–片内/片外中断源
–6种睡眠模式:
空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及扩展的Standby模式
–可以通过软件进行选择的时钟频率
–通过熔丝位可以选择ATMEGA103兼容模式
–全局上拉禁止功能
·I/O和封装
–53个可编程I/O口线
–64引脚TQFP与64引脚MLF封装
·工作电压
–2.7-5.5VATMEGA128L
–4.5-5.5VATMEGA128
·速度等级
–0-8MHzATMEGA128L
–0-16MHzATMEGA128
3.2.2ATMEGA128单片机最小系统电路
ATMEGA128单片机最小系统电路如图5所示。
主要包括复位电路、晶振电路、低通滤波器电路以及各种滤波电容。
图5ATMEGA128单片机最小系统电路
3.3电机驱动电路的设计
用L298芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良，从稳定性方面考虑，采用电机驱动芯片L298作为电机驱动。
L298芯片的管脚图如图6所示：
图6L298管脚图
L298是SGS公司的产品，是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，内部包含二个H桥的高电压大电流桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46伏、2安培以下的电机，工作温度范围从－25度到130度。
它相应频率高，一片L298可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。
其内部的H桥原理图如图7示。
EnA是控制使能端，控制OUTl和OUT2之间电机的停转，IN1、IN2脚接入控制电平，控制OUTl和OUT2之间电机的转向。
当使能端EnA有效，IN1为低电平IN2为高电平时，三极管2，3导通，1，4截止，电机反转。
当IN1和IN2电平相同时，电机停转。
图7内部H桥原理图
如表3.1是L298使能引脚、输入引脚和输出引脚之间的逻辑关系
表3.1电机运行逻辑关系
EnA
IN1
IN2
电机转向
H
H
L
正转
H
L
H
反转
H
同IN2
同IN1
停止
L
X
X
停止
驱动电路的设计如图8示。
电池由VIN接入，通过LM2940IMP-5.0转化为5V作为信号电源VCC。
电机由L298供电，由全桥进行泻流。
对电机的控制信号由ATMEGA128直接输入，M1_DIR与M1_PWM为M1电机的控制信号，M2_DIR与M2_PWM为M2电机的控制信号,其中INPUT2与INPUT4的信号是由输入INPUT1、INPUT3的信号反向后输入。
通过对单片机的编程就可以实现两个直流电机的正反转。
图8电机驱动电路
3.4舵机转向模块设计
3.4.1舵机的工作原理
一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成，舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、控制电路板等。
工作原理：
控制电路板接受来自信号线的控制信号（具体信号待会再讲），控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。
舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。
舵机的基本结构是这样，但实现起来有很多种。
例如电机就有有刷和无刷之分，齿轮有塑料和金属之分，输出轴有滑动和滚动之分，壳体有塑料和铝合金之分，速度有快速和慢速之分，体积有大中小三种之分等等，组合不同，价格也千差万别。
例如，其中小舵机一般称作微舵，同种材料的条件下是中型的一倍多，金属齿轮是塑料齿轮的一倍多。
需要根据需要选用不同类型。
舵机的输入线共有三条，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这辆根线给舵机提
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