基于單片機智能滅火小車控制系統的設計

朱志平

(渭南師范學院物理與電氣工程學院,陜西渭南 714099)

【物理與電氣工程研究】

基于單片機智能滅火小車控制系統的設計

朱志平

(渭南師范學院物理與電氣工程學院,陜西渭南 714099)

設計了一種智能滅火小車控制系統.系統采用STC89C52單片機作為核心器件,通過C語言編程實現了小車自動尋找火源、確定滅火路線、判斷并自動躲避障礙物到達火災發生地進行滅火.通過實驗智能滅火小車達到智能尋跡和自主滅火的功能,結構簡單、體積小、功耗低、準確度高,具有一定的實用價值.

智能小車;STC89C52單片機;火焰檢測;避障;滅火

0 引言

現今社會,火災一次次地威脅著人類生命財產的安全,帶來的危害已經不止一次給人們敲響了警鐘.不論火災發生的原因是什么,一旦有火災發生,消防人員就應及時到達現場進行滅火,這就給消防人員自身安全帶來巨大威脅.而今,人工智能已在各個領域得到廣泛應用,并且取得了令人矚目的成就.人工智能也稱為機器智能[1],是一門研究人類智能機理與如何用計算機模擬人類智能活動的學科.本文設計了一種基于STC89C52單片機智能滅火小車控制系統.該系統能自動尋找火源并控制滅火系統進行滅火,減少了人力所為,保障了人身的安全.

1 系統硬件電路設計

1.1 整體設計方案

圖1 硬件設計框圖

智能滅火控制系統電路分為電源、電機驅動、避障、火焰檢測、滅火和主控制器等6個模塊,如圖1所示.火焰檢測模塊將檢測到的火源信號送給主控制器進行實時處理,主控制器將處理后的信號發送給驅動模塊,驅動模塊在接收到主控制器的命令后便驅動電機控制小車轉彎或直行.當小車在前進過程中遇到障礙物時,避障模塊會檢測到障礙信號,并將障礙信號及時送往主控制器,經主控制器處理后發往驅動電路控制小車左轉或右轉避開障礙物繼續前行.到達火災現場時,主控器(單片機)通過晶閘管導通驅動滅火系統進行滅火.電源模塊是一個通用的9 V電源,用來向其他模塊供電.

1.2 主控芯片STC89C52

主控器采用STC89C52單片機,具有如下特點[2]:40個引腳,8k Bytes Flash片內程序存儲器,512 bytes的隨機存取數據存儲器(RAM),32個外部雙向輸入/輸出(I/O)口,5個中斷優先級2層嵌套中斷,2個16位可編程的定時計數器,2個全雙工串行的通信口,看門狗(WDT)電路,片內有時鐘振蕩器.除此之外, STC89C52還配置了振蕩頻率可為0 Hz并可通過軟件設置省電模式[3].在空閑模式下,CPU暫時停止工作,而RAM定時計數器串行口,外中斷系統仍可繼續工作,掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數據,停止芯片其他功能直到外中斷激活或硬件復位[4].

1.3 避障模塊

小車車頭裝有3個光電開關,每個光電開關的檢測范圍是60度,中間一個光電開關正對前方,兩側光電開關各分開30度,正好完成180度的檢測.小車在行進中由光電開關向前方發射出紅外線[5],當紅外線遇到障礙時發生漫反射,反射光被光電開關迅速接收.小車根據3個光電開關接受信號的情況判斷前方障礙物的情況,然后做出相應的動作,光電開關的平均探測距離為30 cm.該模塊在整個系統中起到很大的作用,小車能否避開障礙物順利到達火源處全靠避障模塊的處理.光電檢測電路如圖2所示.可調電阻R3用于調節比較器的門限電壓,經示波器檢測,輸出波形相當規則,可以直接滿足單片機查詢使用.

圖2 光電檢測電路

圖3 火焰傳感電路

1.4 火焰檢測模塊

火焰檢測模塊的傳感器R2868是利用紅外敏感型元件對紅外信號強度的檢測并將其轉換為單片機可以識別的信號,從而來檢測火焰信號,電路如圖3所示.

在該電路中,當火焰傳感器沒有檢測到火焰時,火焰傳感器不導通而使火焰傳感器的陽極上拉電阻R1上拉為高電平,經比較器濾波整形后輸出高電平.當檢測到火焰時,火焰傳感器導通,比較器輸出低電平.當外界紅外越強時,輸出的電壓值越小,反之則越大.單片機根據接收到火焰傳感器的電壓數值就能判斷是否找到了火源,并決定是否停車,發出警報,驅動滅火系統進行滅火.

1.5 驅動電機系統方案設計

本設計用直流電機作為該系統的驅動電機,采用PWM(Pulse-Width Modulation)調速方法,通過改變方波的占空比實現對電機轉速的調節.與其他調速系統相比,PWM調速系統有下列優點[6]:(1)PWM從處理器到被控制系統信號都是數字形式的,無需進行數模轉換;(2)對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另一個優點;(3)由于電力電子器件只工作在開關狀態,主電路損耗較小,裝置效率較高; (4)主電路簡單,所用功率元件少;(5)低速性能好,穩定精度高,調速范圍寬.

小車行走時,當左邊的傳感器檢測到障礙物時,使左輪轉動右輪停止,控制小車向右偏轉,避開障礙物后,小車轉回繼續直行;當右邊的傳感器檢測到障礙物時,使右輪轉動左輪停止,控制小車向左偏轉,避開障礙物后,小車轉回繼續直行,驅動電路如圖4所示.

圖4 驅動電路

圖5 系統功能流程圖

1.6 滅火控制系統

當智能小車到達火場停車之后,主控器發出指令,晶閘管導通并驅動滅火系統進行滅火(在這里滅火系統用風扇來代替).

2 系統軟件設計

本次設計采用自頂向下的設計方法,利用單片機適用的C語言分別設計頂層和各下層模塊[7],并通過反復的實驗和調試確保電路設計的正確性,系統軟件流程如圖5所示.系統啟動后,首先進行上電配置,然后火焰檢測模塊尋找火源,如檢測到火源,主控器令驅動模塊向火源方向前行.在前行過程中如有障礙物,避障模塊將檢測到的障礙信號發送給主控器,由主控器令驅動模塊驅動小車左轉或右轉避開障礙物繼續前行.在檢測到達火源地的信號后,智能小車停止前進,并發出指令控制滅火系統進行滅火.

3 結語

本設計以STC89C52單片機為核心,利用數字集成電路技術設計了智能小車滅火控制系統.在實驗室以蠟燭做火源,沿途設立各種障礙,小車均能自動找到火源方向,沿著最短路線向火源發生地前行.在中途遇到各種障礙時,能靈活避開,繞道而行.小車到達火源發生地時能迅速驅動滅火系統滅火.智能滅火小車結構簡單、體積小、功耗低、準確度高,具有一定的實用價值.

[1]張毅剛.單片機原理及應用[M].北京:高等教育出版社,2006.11-15.

[2]翟玉文.電子設計與實踐[M].北京:中國電力出版社,2005.256-257.

[3]楊振江,孫占彪,王曙梅,等.智能儀器與數據采集系統中的新器件及應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2001. 56-88.

[4]何遐齡.微電子技術在數據采集系統中的應用[J].微電子學,1994,24(1):25-31.

[5]張景元.基于單片機的多用途定時器的設計與實現[J].電子工程師,2000,(8):22-31.

[6]沈蘭蓀.高速數據采集系統的原理與應用[M].北京:人民郵電出版社,1995.5-6.

[7]胥芳.MCS-52單片機原理及嵌入式系統應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2007.268-273.

【責任編輯 牛懷崗】

Design of Intelligent Fire-fighting Vehicle Based on the MCU

ZHU Zhi-ping
(School of Physics and Electrical Engineering,Weinan Normal University,Weinan 714099,China)

An intelligent fire-fighting vehicle based on MUCwas designed.STC80C52 was used for the key device in this system.Itwas programmed by C language.It achieves the functions of intelligent tracking and auto fire extinguishing,by automatically finding the fire-fighting way,judging and avoiding obstacles,finding and putting out the fire.The intelligent fire-fighting vehicle has the advantages of simple design,small volume,low power consumption and high accuracy,and it is of a certain practical value.

intelligent car;STC89C52 microcontroller;flame detection;obstacle avoidance;extinguishing a fire

TB47

A

1009-5128(2014)03-0022-04

2013-12-15

渭南師范學院科研計劃項目:傳感器微弱信號檢測方法研究(13YKS013)

朱志平(1959—),男,陜西武功人,渭南師范學院物理與電氣工程學院副教授,主要從事電子電氣工程研究.