智能消防小车.doc

1、智 能 消 防 电 动 车 的 设 计- -消 防 智 能 电 动 车 的 设 计作 者 ： 程 控 实 验 室 院 系 ： 电 信 学 院 指 导 教 师 ： 职 称 ： 副 教 授 吉 林 化 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书- I -摘 要本 智 能 车 是 以 自 制 车 架 ， C8051F410 单 片 机 为 控 制 核 心 ， 加 以 步 进 电 机 、 光 电 传 感 器 、火 焰 传 感 器 和 电 源 电 路 以 及 其 他 电 路 构 成 。 实 现 电 动 车 的 智 能 控 制 ， 包 括 路 面 寻 线 、 火 源检 测 、 智 能 避 障 、 路 程 测

2、量 、 智 能 灭 火 、 数 码 管 显 示 、 语 音 报 警 等 功 能 ， 寻 线 方 式 采 用反 射 式 光 电 传 感 器 感 知 与 地 面 颜 色 有 较 大 差 别 的 引 导 线 。 系 统 由 C8051F410 通 过 IO 口 控制 小 车 的 前 进 后 退 以 及 转 向 。 寻 迹 由 RPR220 型 光 电 对 管 完 成 ， 远 红 外 火 焰 传 感 器 进 行 火焰 扫 描 。 同 时 本 系 统 用 ZY25120 进 行 语 音 的 播 报 ， 以 提 示 当 前 状 态 。 本 系 统 同 时 通 过 DF无 线 数 据 收 发 模 块 进 行

3、 无 线 数 据 传 输 ， 将 该 车 当 前 的 状 态 远 程 传 送 给 显 示 台 。 显 示 台 由LCM128645ZK 液 晶 屏 和 2 个 按 键 进 行 实 时 状 态 显 示 和 启 动 控 制 。关 键 词 ： 单 片 机 步 进 电 机 传 感 器 智 能 消 防 电 动 车 的 设 计- II -AbstractBased on C8051F410 MCU ,the model car can race intelligently by detecting white lines on the blackground Including the road surf

4、ace hunting, the fire hazard examination, the intelligence evadebond, the distance survey, the intelligent fire fighting, the nixietube demonstrated, the alarm the fire and so on the functions.The hunting way uses the reflection type electro-optical sensor sensation and the ground color has the wide

5、 difference inlet line.The obstacle judgment uses the integrated infrared sensor.The fire hazard survey use infrared sensor adds the comparator. The electrical machinerycontrol core uses insults the ZY25120 monolithic integrated circuit, The control system andcircuit isolates completely with the pho

6、toelectricity coupler avoids disturbing. Far infrared flame sensor tracks the flame. In addition, the SCM system with Sunplus for voice broadcast can remind current status. The system transmits information through DF module. The cars status will be transmitted to the Remote Console. LCM128645ZK LCD

7、display and 2 keys for start control.Key words: C8051F410 Motor sensor吉 林 化 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书- III -目 录摘 要 IAbstractII第 1 章 绪 论 11.1 选 题 的 目 的 及 意 义 11.2 本 课 题 所 涉 及 的 内 容 国 内 外 研 究 现 状 综 述 11.3 本 文 的 研 究 内 容 2第 2 章 系 统 方 案 选 择 32.1 方 案 论 证 与 实 现 方 法 32.1.1 控 制 器 选 择 32.1.2 电 动 车 车 体 的 选 择 32.1.3

8、电 动 车 的 动 力 方 案 选 择 42.1.4 电 机 驱 动 电 路 方 案 选 择 42.1.5 交 点 及 行 进 黑 线 的 检 测 方 案 选 择 42.1.6 火 源 检 测 的 选 择 方 案 52.1.7 电 源 模 块 52.1.8 液 晶 显 示 模 块 62.1.9 避 障 模 块 62.1.10 车 载 语 音 模 块 和 控 制 台 语 音 模 块 62.1.11 无 线 收 发 模 块 72.2 最 终 方 案 72.3 测 速 计 程 计 算 72.4 系 统 设 计 与 结 构 框 图 8第 3 章 硬 件 实 现 及 单 元 电 路 设 计 93.1 C

9、8051F410 单 片 机 系 统 概 述 极 其 引 脚 功 能 介 绍 93.2.1 C8051F410 单 片 机 系 统 概 述 93.2.2 单 片 机 引 脚 功 能 93.3 光 电 对 管 电 路 的 设 计 113.4 火 焰 传 感 器 及 其 调 试 电 路 的 设 计 123.5 电 机 驱 动 电 路 的 设 计 133.6 灭 火 风 扇 驱 动 电 路 143.7 语 音 识 别 电 路 的 设 计 15智 能 消 防 电 动 车 的 设 计- IV -3.7.1 语 音 芯 片 ISD25120153.7.2 ZY25120 语 音 录 放 模 块 介 绍 1

10、53.7.3 ZY25120 的 应 用 方 法 163.7.4 LM386 功 率 放 大 器 模 块 183.8 无 线 收 发 及 显 示 模 块 的 实 现 193.8.1 无 线 收 发 模 块 193.8.2 显 示 模 块 设 计 20第 4 章 软 件 系 统 设 计 224.1 编 译 语 言 及 编 译 环 境 的 选 择 224.1.1 汇 编 语 言 概 述 224.1.2 C 语 言 概 述 224.1.3 编 译 语 言 及 编 译 环 境 综 述 224.2 程 序 流 程 图 23第 5 章 系 统 调 试 与 测 试 结 果 分 析 245.1. 系 统 资

11、源 使 用 情 况 245.2. 小 车 优 缺 点 分 析 245.2.1 优 点 245.2.2 缺 点 245.3 测 试 方 法 即 测 试 结 果 分 析 245.3.1 测 试 方 法 245.3.2 测 试 仪 器 及 设 备 245.3.3 测 试 结 果 分 析 24结 论 26参 考 文 献 27附 录 28致 谢 29智 能 消 防 电 动 车 的 设 计- 0 -第 1章 绪 论1.1选 题 的 目 的 及 意 义自从 1518 年世界上首辆消防车问世以来，随着科学技术的不断发展，消防车的发展迅速，但直到 1916 年我国才出现由汽车改装而成的消防车。从最初的马车拉水灭

12、火到现在的人工操控消防车自动灭火，消防车的发展经历了一个很长的历史，但是，无论是马车拉水灭火还是人工操控灭火，都无法完全脱离人工操作。在当代，人工智能已形成极广泛的研究领域，并且取得了许多令人瞩目的成就。人工智能也称机器智能，是一门研究人类智能机理和如何用计算机模拟人类智能活动的学科。智能机器人技术综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，集成了多学科的发展成果，代表高技术的发展前沿。智能机器的研究，大大促进了人工智能思想和技术的进步，渐渐成为一个备受关注的分支领域。在此次毕业设计中，本文考虑到成本、性能和可扩展性等多方面因素，研究并设计出基于 C

13、8051F410 单片机的智能消防电动车。重要的是，以本研究为基础，可以根据不同场地进行不同的拓展或者改进使之更为实用。我们相信终有一天在危险的火场，消防员可以不用身陷火中就能灭火。1.2本 课 题 所 涉 及 的 内 容 国 内 外 研 究 现 状 综 述传统的火灾探测器中感温探测器，感烟探测器，感火焰探测器其原理是基于火灾中温度变化或者利用火灾烟雾、火焰的电学、光学等物理特性来进行火灾识别。这种识别模式很难可靠地发现早期火灾，如感烟探测器不能探测到酒精火焰，感温探测器不易探测到阴燃火源。在现代高大空间建筑中，当存在遮挡和环境干扰的时候，常规的感烟、感温探测器由于火灾燃烧产物在空间传播受空间

14、高度和面积的影响，很难对火灾发生快速响应。据美国 80 年代中期 Coper 的研究报告发现，33的烟雾探测器不能正常工作，进一步研究发现 95的烟雾探测器由于噪声干扰而产生误报。因此若干年前就产生了检刷燃烧过程中化学生成物以期改善探剧性能实现早期火灾探测的想法，但是和其它气体传感器的应用场所不同，火灾探测使用的传感器一般都起着很重要的作用，由于对特定气体的可靠探测技术比对温升和烟尘的检测技术复杂，价格昂贵，因此火灾气体探测技术一直处于可望而不可及的境地。这就需要智能的自动装置进入人无法到达的地区进行火源探测。有关火源检测的智能产品已日趋成熟，很多成品自动化消防产品已经投入实用，吉 林 化 工

15、 学 院 毕 业 设 计 说 明 书- 1 -在大学生中也有很多研究及成功范例，如广东省江门市五邑大学信息工程学院通信工程专业的 3 名学生，发明了一辆可自动感应火源并成功灭火的消防小坦克。这辆消防小坦克主要由一个感应火焰的红外线传感器和一块控制坦克走向和指示喷水灭火的单片机组成，可自动感应火源并成功灭火。由于火焰发出的红外线有一个波长范围，经过计算，他们制定了一个对这一范围波长比较敏感的红外线火焰传感器，传感器对周围火焰作出反应和判断后，将方位、数据传递到整个坦克的中枢神经单片机，单片机控制坦克来到火源旁，并把信号传给前上方的水泵，就出现了准确喷水灭火的奇迹。在另外由美国三一学院于 1994

16、 年创办的智能机器人灭火比赛中，有人设计了基于 ARM9 嵌入式系统的一种智能灭火机器人，该机器人具有以下 5 个创新点：(1)采用了嵌入式系统内核，大大提高了机器人处理信号的能力；(2)双电源供电系统引入，使机器人的运行更加稳定可靠；(3)采用 PWM 信号控制大功率直流电机，在速度和精度方面有了很大的改进；(4)通过合理选择 PSD 测距传感器的个数和安放位置，既满足比赛要求，又能节约成本；(5)本文设计的远红外火焰传感器组，很好地完成了对火源的精确定位任务。这些都为电子智能系统在消防方面的实用化奠定了基础。1.3 本 文 的 研 究 内 容 设 计 制 作 一 个 消 防 智 能 小 车

17、 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 。基 本 要 求 ：1.智 能 小 车 从 安 全 区 域 启 动 ， 自 动 寻 找 到 火 源 并 显 示 。2.除 安 全 区 外 场 地 随 机 出 现 2 个 火 源 ， 要 求 智 能 小 车 能 够 发 现 其 中 一 个 火 焰 并 将其 完 全 扑 灭 。3.能 够 发 现 并 扑 灭 第 二 个 火 焰 ， 扑 灭 二 个 火 焰 的 总 时 间 不 超 过 5 分 钟 。4.能 够 自 动 计 算 和 显 示 扑 灭 的 火 源 数 ，

18、抢 险 完 毕 后 智 能 小 车 能 够 返 回 到 安 全 区 域 。5.能 够 自 动 计 算 和 显 示 路 程 ， 能 够 用 不 同 声 音 对 不 同 的 状 态 进 行 报 警 。为实现主要条件及技术指标，本文重点研究以下几个方面：消防车的动力系统：要能使小车准确的前进和转向，以确保火源检测系统更精确，且检测到火源后准确地到达火源位置。火源检测系统：如何能排除干扰，快速准确地检测到火源并定位。远程显示及语音报警系统：在小车运行过程中，如何将火源及灭火的情况及时传送回指挥部，还有对小车行进距离的掌握以便指挥部可以知道火源所在位置的深度情智 能 消 防 电 动 车 的 设 计- 2

19、 -况。第 2章 系 统 方 案 选 择2.1方 案 论 证 与 实 现 方 法2.1.1控 制 器 选 择方 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

20、 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 SST89C51 单 片 机 作 为 主 控 制 器 而 用 凌 阳 单 片 机 作 为 辅 助 控 制 器 。SST89C51 是 一 个 低 功 耗 ， 高 性 能 的 51 内 核 的 CMOS 8 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 256 bytes 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

21、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 。方 案 三 ： 属 C51 系 列 的 C8051F410 单 片 机 具 有 高 精 度 的 24.5MHz 内 部 震 荡 器 ， I/O口 可 达 24 个 ， 高 速 的 时 钟 频 率 和 丰 富 的 I/O， 低 功 耗 和 2.0 5.25 的 大 范 围 供 电 电 压 为我 们 实 现 各 种 电 路 功 能 提 供 了 非 常 有 利 的 条 件 ， 与 8051 兼 容 的 内 核 速 与 同 家 族 的 其 他

22、单 片 机 相 比 ， 其 模 拟 外 设 性 能 优 异 ， 除 有 8 路 10 位 ADC 外 ， 还 有 4 路 PWM。从 方 便 使 用 和 综 合 性 能 的 角 度 考 虑 ， 选 择 了 方 案 三 。2.1.2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

23、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 。 再 次 ， 玩 具 电 动 车 的 电 机 多 为 玩 具 直 流 电 机 ， 力 矩 小 ， 空 载转 速 快 ， 负 载 性 能 差 ， 不 易 调 速 。 而 且 这 种 电 动 车 一 般 都 价 格 不 扉 。 因 此 放 弃 了 此 方案 。吉 林 化 工 学 院 毕 业 设 计 说 明 书- 3 -方

24、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 力 矩 基 本 完 全 相 同 的 步 进 电 机 进 行 驱 动 ， 后面 装 一 个 万 向 轮 。 这 样 ， 当 两 个 步 进 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 ，

25、 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 。2.1.3电 动 车 的 动 力 方 案 选 择本 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

26、 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 。根 据 分 析 ， 本 题 要 求 车 子 必 须 具 备 精 度 高 ， 方 向 控 制 好

27、， 故 本 系 统 采 用 方 案 二 。2.1.4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 通 过 光 耦 芯 片 提 供 信 号 ； 电

28、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 ， 故 选 用 L298N 驱 动 电 机 。2.1.5交 点 及 行 进 黑 线 的 检 测 方 案 选 择方 案 一 ：

29、 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 。智 能 消 防 电 动 车 的 设 计- 4 -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