毕业设计全自动消防小车.docx

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毕业设计全自动消防小车

毕业设计--全自动消防小车

绪论

现在，随着科技的快速发展，国内外对小型智能系统的应用越来越广泛，种类也越来越多。

本题目就是结合有关科研项目而确定的设计类课题，所设计的智能寻迹灭火小车应能够实现自动发现火源、自动寻迹、自动前进接近火源并完成灭火任务的功能。

根据题目的要求，智能寻迹灭火小车控制系统采用一片STC89C52单片机作为本控制系统的主控芯片，硬件包括以下几个模块：

驱动电机模块、寻迹传感器模块、单片机控制模块、火源传感器模块、风扇模块、电源模块。

本设计采用了STC89C52单片机为智能小车核心控制部分，通过查询方式实现对小车的智能控制。

小车由主控制板、传感系统、风扇系统和车身四部分组成。

主控制系统由主控CPU电路、传感器接口电路、直流电机驱动电路等组成；传感系统采用红外传感器检测黑白线，火源传感器检测火源；行进直流电机驱动采用PWM调制技术，可灵活方便地对车速、行进方向进行控制。

本设计通过采用STC89C52单片机为控制核心，实现对小车的智能控制。

该控制系统不仅在智能小车中有很强的实用价值，在汽车应用、智能机器人等方面都有很强的实用价值，尤其是在机器人研究方面具有很好的发展前景。

所以本设计与实际相联系，具有重要的现实意义。

1系统方案选择

1.1任务要求

1.1.1设计任务

设计制作一个智能灭火小车模型，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，模拟灭火场地如图1-1所示。

图1-1模拟火场示意图

1.1.2设计要求

（1）智能灭火小车手动启动后，自动寻找到火源的位置。

（2）智能灭火小车必须按照固定的路线行进（黑白线）。

（3）扑灭火源后自动检测周围环境是否还有其他火源。

（4）若有则继续灭火，若无则停止工作。

1.2总体设计方案

总体方案为：

整个电路分为驱动电机模块、寻迹传感器模块、避障模块、单片机控制模块、火源传感器模块、风扇模块、电源模块七个模块。

首先利用红外对路面信号进行探测，利用火源传感器检测火源信号，两种信号经过处理之后，送给单片机控制模块进行实时运算，输出相应的信号给驱动电机模块驱动电机转动，从而控制整个小车的运动。

系统方案框图如图1-2所示。

图1-2方案设计框图

1.3方案选择与分析

1.3.1控制器分析与比较

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STC89C52单片机作为主控制器。

STC89C52是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS8位单片机，片内含8k空间的可反复擦写1000次以上的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。

从方便使用和综合性能的角度考虑，选择了方案二。

1.3.2电动车车体的选择

方案一：

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。

而且这种电动车一般都价格不扉。

因此放弃了此方案。

方案二：

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直流电机进行驱动，后面装一个万向轮。

这样，当两个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。

1.3.3电机的选择与分析

方案一：

采用直流电机

直流电机速度快，价格便宜，通过调节电流来改变速度，驱动电路简单，调速范围广，调速特性平滑。

方案二：

采用步进电机

步进电机是一种能将电脉冲转化为角位移的机构，通过控制脉冲个数来控制角位移量，通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，其精确度高，但控制相对较繁琐。

由于本系统对电机速度控制要求不高，采用方案一。

1.3.4电机驱动电路方案选择

方案一：

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口提供信号；电路简单，使用比较方便。

方案二：

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，采用方案一。

1.3.5轨迹探测模块设计与比较

方案一：

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。

方案二：

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。

方案三：

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。

因此本设计采用了方案三。

1.3.6火源检测设计与比较

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。

方案一：

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。

实验验证用热电偶检测火焰精度不高，故放弃了此方案。

方案二：

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。

方案三：

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。

因此本设计采用了方案五。

1.3.7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。

方案一：

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。

方案二：

采用6节1.5V锂电池分别3节串联，分别供单片机和电机驱动使用，单片机和传感器工作稳定，电机工作互不影响，且电池体积较小，能够满足系统要求。

综上考虑，采用了方案二。

1.3.8避障模块设计与分析

方案一：

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。

方案二：

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。

1.3.9灭火模块

方案一：

用风扇将蜡烛吹灭，检测并确定火源在课吹灭的范围内后由单片机控制风扇开启，吹灭蜡烛。

经实验确定当采用5V电源给风扇电机供电时，火源在20cm以内都可被吹灭。

能达到要求，并且简单方便各方面的实现都比较简单，工作也比较稳定，调试快捷。

适合应用。

方案二：

用水管喷灭，由于整个系统是电子系统，如用水则有可能发生断路或出现危险，并且小车还要承载水的重量，对小车电机驱动要求比较高，故排除这种方案，选择方案一。

1.4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STC89C52单片机作为主控制器。

（3）用直流电机实现小车行驶与灭火。

（4）用6节锂电池分别给单片机和电机供电。

（5）用RPR220型光电对管进行寻迹。

（6）远红外火焰传感器作为本系统的火焰传感器。

（7）L298N作为直流电机的驱动芯片。

（7）用红外光电开关进行避障。

2硬件实现及单元电路设计

2.1STC89C52单片机系统概述及其引脚功能介绍

2.1.1STC89C52单片机系统概述

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

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，三个16位定时器/计数器，一个6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。

参数：

（1）增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051.[1]

（2）工作电压：

5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）

（3）工作频率范围：

0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz

（4）用户应用程序空间为8K字节

（5）片上集成512字节