自動智能滅火小車設計與實現(xiàn)

張倩 王逸琳 錢志麗 金徐冬 鄭英

摘 要：本設計主要是基于單片機對自動滅火智能小車的控制與制作進行研究。具體方案則是基于MSP430單片機下，加以電源電路、L298電機驅動、超聲波測距火焰?zhèn)鞲衅鳌缁痫L扇以及其它電路構成。本系統(tǒng)硬件配置合理經(jīng)濟，控制方案簡易優(yōu)化，基本上實現(xiàn)了滅火小車在一般環(huán)境下的避障和滅火的控制。最后，小車能實現(xiàn)在模擬的場地內自動巡邏、自動避障以及發(fā)現(xiàn)火源進行自動滅火的目標。

關鍵詞：智能小車；滅火；傳感器；電機驅動

1 系統(tǒng)方案及設計

如圖一所示，自動智能滅火小車分為電源模塊、控制器模塊、火焰檢測模塊、A/D轉換模塊、超聲波測距模塊、電機驅動模塊、風扇及其驅動模塊和顯示模塊總共8個模塊。小車可實現(xiàn)自動巡邏、自動避障以及自動滅火這三個功能。

當沒有火源時，小車處于巡邏模式，前面、左面和右面3個超聲波測量小車離障礙物的距離反饋給單片機，單片機進行比較使小車實行左轉、右轉、前進以及后退的動作。當發(fā)現(xiàn)火源時，小車切換成滅火模式，火焰?zhèn)鞲衅鲗⒛M電壓值反饋給單片機，單片機進行A/D轉換控制小車的行走方向并通過前面的超聲波測量小車與火源的距離使小車準確地停車并打開風扇滅火。

2 硬件設計

2.1 超聲波測距模塊

本模塊最遠測試距離是1500mm，測量周期10ms且性能穩(wěn)定，測量距離精確是專為小車設計的。該模塊采用IO觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號，模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回，有信號返回，通過IO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離為（高電平時間*聲速（340M/S））/2。模塊1腳VCC接電源正極，電壓范圍為3.8～5.5V，靜態(tài)電流小于8mA 。2腳接控制端，3腳接接收端，從控制口發(fā)一個10us以上的高電平就可以在接收口等待高電平輸出。一有輸出就可以開定時器計時，當此口變?yōu)榈碗娖綍r就可以讀定時器的值，此時就為此次測距的時間，方可算出距離。如此不斷的周期測量，就可以算出小車移動時距離物體的值了。4腳接GND電源負極。

2.2 火焰?zhèn)鞲衅髂K

該模塊采用六路火焰?zhèn)鞲衅鳎綔y范圍為180°；能夠輸出數(shù)字信號為TTL電平，也能夠輸出模擬信號，可以用ADC進行采集，易于使用；能夠探測火焰發(fā)出的波段范圍分別為700～1100 nm的短波近紅外線，通過電壓信號進行輸出。該模塊工作的信息如下表1。

2.3 電機驅動模塊

L298N內部包含4通道邏輯驅動電路，是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動2路直流電機。該芯片工作電壓是4.5～7V。邏輯輸入端，為 IN1＼IN2＼IN3＼IN4，其中 IN1、IN2 控制電機M1；IN3、IN4控制電機M2。若 IN1 輸入高電平1，IN2 輸入低電平0，對應電機M1 正轉；IN1 輸入低電平0，IN2輸入高電平1，對應電機M1反轉，調速就是改變高電平的占空比。該芯片有2個使能端ENA，ENB且為高電平時有效，常態(tài)下用跳線帽接于 VCC，可通過這兩個端口實現(xiàn)PWM 調速，使用PWM控制原理簡單，輸出波動小，線性好，對鄰近電路干擾小。

對于簡單的小車設計，用L298N芯片作為電機驅動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。

2.4 其他模塊設計

（1）電源模塊：采用12V可沖電鋰電池供電，節(jié)能環(huán)保，可持續(xù)使用。

（2）顯示模塊：采用1602液晶顯示，工作電壓為5V，能夠很直觀地反應小車的行進情形。

（3）A/D轉換模塊：采用單片機自帶模數(shù)轉換器對火焰?zhèn)鞲衅鞯哪M信號進行采樣比較。

（4）滅火模塊：用MOS管對滅火電機進行驅動，直流電機再驅動風扇實現(xiàn)滅火。工作電壓范圍為3～7V，啟動電流小于120mA，簡單方便，易于使用，能夠很好的滿足要求。

3 軟件設計

當沒有火源時，小車處于巡邏模式，單片機通過比較前面、右面和左面的距離控制小車的左轉、右轉、前進、后退進行巡邏和避障。當檢測到火源時，單片機采集火焰?zhèn)鞲衅鞯哪M電壓值并進行比較，使小車朝著最小值的方向走。當小車找到火源并距離火源10cm的時候，停車并滅火。流程圖如圖二。

4 實驗及結果

4.1 實驗測量數(shù)據(jù)

（1）火焰?zhèn)鞲衅髟跓o火的情況下，模擬電壓輸出值為3.35v；在弱火的情況下，模擬電壓輸出值為1.8v；在強火的情況下，模擬電壓輸出值為0.18v。

超聲波的反應時間為3s。

（3）實際場景測試情況

在無火源的情況下，小車處于巡邏模式，根據(jù)前面、左面、右面超聲波傳感器反饋給單片機的距離進行比較進而控制小車的前進、左轉、右轉以及后退。小車能成功在房間進行巡邏，如果遇到障礙物小車會根據(jù)距離的比較避開障礙物。試驗中，我們分別把腳和木板當做障礙物，有時小車前面的超聲波檢測距離反應時間比較長會撞到障礙物，所以小車具有后退功能，后退之后比較左右距離的大小自行調整行走方向。

一旦發(fā)現(xiàn)火源小車立即切換成滅火模式，小車將裝在車前的火焰?zhèn)鞲衅鞯妮敵瞿M電壓值反饋給單片機，單片機進行A/D轉換后比較6路輸出電壓值的最小值使小車朝著火焰?zhèn)鞲衅鬏敵龅淖钚∧M值的方向走。同時，小車通過前面的超聲波檢測小車與火源的距離使小車準確地停車并打開風扇滅火。滅火之后小車自動切換成巡邏模式。

4.2 消除太陽光對火焰?zhèn)鞲衅鞯挠绊?/p>

考慮到價格和效果，我們將黑色絕緣膠布貼在泡沫上，并將泡沫蓋在火焰?zhèn)鞲衅鞯纳戏健＿@樣火焰?zhèn)鞲衅骶椭荒軝z測到前方的光源，避免了太陽光從上方射進來影響小車判斷火源的方向。

5 結束語

小車的特點能實現(xiàn)自動尋路找到火源，但由于火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測角度為60度，超聲波測距模塊的性能不是很好，所以有時不能在場地準確確定火源的位置，比如直線駛向火源，再加上超聲波測距存在一定偏差并且反映給單片機都一定延時，導致小車有時不能在前正方停下并熄滅火源，而是先撞一下再避開然后啟動風扇滅火。為解決這一問題，目前是在左前右三面裝上了超聲波傳感器，利用軟件不斷調試，減小小車直行速度，加上延時，并增加小車停車時距離火源的距離。為了更精確找到火源的位置，考慮再加個煙霧傳感器或者多個紅外火焰?zhèn)鞲衅髋帕谐梢欢ń嵌龋瑢崿F(xiàn)對場地的所有方位巡邏。除此之外，還有小車轉彎速度過高，轉彎幅度太大而造成原地打轉，或者是小車在碰到墻面時不能及時避開造成偶爾的卡頓現(xiàn)象，通過更加細化轉彎的邏輯關系小車的行走路線的確改善了不少，未來在控制機器小車精確轉彎時可能利用相關硬件器件進行控制比如指南針，或者采用好的算法比如PID。我們通過不斷調試，解決了小車會卡在墻壁等問題。從最終綜合測試結果來看，本系統(tǒng)能夠很好的完成題目的設計要求，并結合我們自己的發(fā)散思維，進行了特色創(chuàng)新。

6 未來發(fā)展方向

目前，在技術的提高和國內外的合作的基礎上，智能小車已經(jīng)成為自動化軟性生產組織等系統(tǒng)的關鍵產品。智能小車是一個集環(huán)境感知，自動控制，自行規(guī)劃的一個綜合系統(tǒng)。這種小車可用于大型企業(yè)或大型倉庫中，當發(fā)生火災時能減少傷亡和損失。

參考文獻

[1]沈建華.楊艷琴. MSP430超低功耗單片機原理與應用第2版）.北京： 清華大學出版社，2013.9

[2]童詩白.華成英. 模擬電子技術基礎（第三版）. 北京：高等教育出版社，2003.12

[3]劉征宇. 大學生電子設計競賽指南.福州：福建科學技術出版社，2009.5

[4]馮成龍. 傳感器應用技術項目化教程.北京：清華大學出版 社；北京交通大學出版社，2009.7

[5]李全利.遲榮強. 單片機原理及接口技術. 北京：高等教育出版社，2004.1

作者簡介

張倩（1995-），女，本科，東南大學成賢學院 自動化。