1、华侨大学 2012 暑期培训题1消防智能电动车设计摘要本设计以 STC89C52 单片机为控制核心，加以直流电机、舵机、光电传感器、火焰传感器和电源电路以及其他电路构成。系统由 89C52 通过 IO 口控制小车的前进后退以及转向。步进电机带动直流小电机带动灭火风扇左右转向摆动进行灭火。寻迹由 ST188 光电对管完成，远红外火焰传感器(红外接收管)进行火焰扫描。根据火焰所处位置选择不同路径灭火。关键词：AT89S52 直流电机、光电传感器、火焰传感器、消防智能电动车一、任务设计制作一个消防智能小车模型，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，场地如图所示：二、要求1、
2、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。华侨大学 2012 暑期培训题2（2）除安全区外，场地随机出现 3 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 2 个、第 3 个火焰。（4）灭火完毕后智能小车能够返回到安全区域（原位） 。（5）能够自动计算和显示扑灭的火源数。2、发挥部分（1）扑灭 3 个火焰的总时间不超过 5 分钟。（2）能够自动计算和显示路程。（3）能够用不同声音对不同的状态进行报警。（4）其他三、说明1、灭火方式不限，但不允许碰倒蜡烛。2、蜡烛高度：1520 厘米。蜡烛置于方框的中间位置。3、障碍物尺寸 15cm15cm15
3、cm，且位置固定。4、小车不能完全离开场地。5、控制电机类型不限，其安装位置及安装方式自定。6、网格线宽度为 2.53.0cm。7、允许一次重启动机会。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 1：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。但是蓄电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便。因此我们放弃了此方案。方案 2：采用 3 节 4.2V 可充电式锂电池串联共 12.6V 给直流电机供电，经过7805 的电压变换后为单片机，传感器和电机供电。经过实验验证，当电池为直流电机供电时，单片机、传感器的工作电压不够，性能
4、不稳定。因此我们放弃了此方案。方案 3：采用 8 节 1.2V 可充电电池为直流电机供电，经过 7805 的电压变换为单片机和传感器供电。经另一套 LM2576/LM2596 电压变换电路为电机供电。采用此种供电方式后，单片机和传感器工作稳定，电机工作不影响电路稳定性，且电池的体积较小，能够满足系统的要求。综上考虑，我们选择了方案 3。寻迹传感器模块华侨大学 2012 暑期培训题3方案 1：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
5、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。因此我们考虑其他更加稳定的方案。方案 2：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，因此我们放弃了这个方案。方案 3：用 ST188 型光电对管。ST188 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
6、，硅平面光电三极管。ST188 采用 DIP4 封装，其具有如下特点：（1） 塑料透镜可以提高灵敏度。（2） 内置可见光过滤器能减小离散光的影响。（3） 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。因此我们选择了方案 3。火焰传感器模块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。我们综合论证了这几种传感器，制定了如下几种方案。方案 1：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。试验验证用热电偶检测火焰精度不高，因此我们
7、放弃了此方案。方案 2：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，因此我们放弃了此方案。方案 3：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 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
8、积较大，不使用与本系统。方案 5：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。因此我们选择了方案 5。在火焰传感器模块的设计中，我们在车体的前头的两侧离地大约1520cm（相当于火焰高度）处安装远红外火焰传感器，且每一侧装有两个。由于火焰传感器的检测距离很远，为了避免错误检测远处火焰的情况的出现，我们华侨大学 2012 暑期培训题4把每一侧的较低的传感器用黑色塑料纸包住。经实验验证，这样处理过的火焰传感器只能检测到一个方格距离的火焰，而对远距离的火焰没有反应。我们把用黑塑料包住的传感器称为“近视”传感器，把没有处理过的称为“远视
9、”传感器。 “近视”传感器和“远视”传感器配合交替使用，可以更好的完成计划任务。避障模块方案 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。而用单片机来作方波发生器未免有些浪费资源。方案 2：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
10、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。方案 3:考虑到本次障碍物固定位置,我们可以采用预定路线行走来避开障碍物.这样可以免去避障模块.考为了使用方便，便于操作和调试，我们最终选择了方案 3。电机驱动模块方案 1：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，一片 L298N 可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片
11、作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。方案 2：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。因此我们选用了方案 1。最终方案经过反复论证，我们最终确定了如下方案：（1） 车体用电路板手工制作。（2） 采用 STC89C52 单片机作为主控制器。（3） 用 8 节电池,两路稳压供电,用 ST188 型光电对管进行寻迹。（4） 远红外火焰传感器作为本系统的火焰传感器。（5） L298N 作为直流电机的驱动芯片。（6） L1602 液晶屏显示小车当前状态。华侨大学 2012 暑期培训题5系统整体方案设计
12、对于本系统来说，要实现的目的是能够灭掉两个或更多的火源，并且能够返回启动区。由于场地为方格型场地，而我们的光电对管可以顺利的实现寻迹，转弯与方格的计数。而不能判断小车前进的方向。基于此，我们共设想了如下几种方案，并通过实验验证而最终选中一种最终方案。方案 1：小车由启动区启动，先沿第一列走到中间，同时检测第一列启动区到中间的 6 个黑方格中的火焰。然后返回到场地中间处径直往右走到场地的中间，在这个过程中并不检测小车的火焰传感器。走到中间后在向上走检测两次的 6 个黑方格中是否有火焰。如此这样每走半列就检测 6 个黑方格，一直扫描完所有的黑方格，图中标有 X 的黑方格即为每条路径扫描到的方格。一
13、旦检测到火焰小车即停下将火吹灭。小车行进路线的示意图如图 2-4 所示：图 2-4 小车行进路线示意图（方案 1）这样小车可以扫描到所有的黑方格来检测有没有火源。但是这种扫描方法有如下几种缺点：（1） 这种检测需要的时间太多。（2） 由于传感器可以检测到较远的距离，所以不容易实现小车只检测两侧的 6 个黑方格。当小车在列上进行扫描时，容易检测到比较远的距离的火焰而产生错误的判断。（3） 这种检测方法走的路程较多，小车略显不够智能。方案 2：小车出来启动区后首先沿竖直方向走到场地的边界，在这个过程中华侨大学 2012 暑期培训题6检测第一列 6 个黑方格中是否存在着火焰，一旦检测到火焰便停下将火
14、吹灭。走到边界后原地转弯 180 度后走到场地的中间再向右扫描，在向右的过程中检测路径的两侧是否有火焰。图 2-7 小车行进路线示意图（方案 4）我们在小车的两侧装两组火焰传感器，每组包含两个火焰传感器。每组火焰传感器都有一个报上了一层黑塑料薄膜以缩短其检测范围。这样在小车的每一侧就都有了一个“远视”传感器和一个“近视”传感器。在小车横向扫描时用“远视”传感器进行扫描。一旦扫描到火焰，就停下来，关闭“远视”传感器而打开“近视”传感器，然后转弯去灭火。由于障碍物的存在，当检测到偶数列上有火焰时，小车需要后退半个黑格的距离拐弯去灭火。当检测到奇数列上有火焰时，小车需要前进半个黑格的距离再拐弯去灭火
15、。我们用一个“远视”传感器和一个“近视”传感器是出于如下的考虑：小车转弯后火焰传感器可以检测到远列的火焰而停下灭火，使用这种“远近视”传感器交替使用可以较好的避免这种情况的出现。经试验验证，这种方案编程较容易实现，且工作稳定。因此我们选择方案 4 作为本系统的实现方案。华侨大学 2012 暑期培训题7第三章 硬件实现及单元电路设计光电对管电路的设计我们设计并论证了两种光电对管检测及调理电路，电路原理图分别如图 3-1和图 3-2 所示： 图 3-1 光电对管检测电路 1图 3-1 所示电路中，R1 起限流电阻的作用，当有光反射回来时，光电对管中的三极管导通，R2 的上端变为高电平，此时 VT1
16、 饱和导通，三极管集电极输出低电平。当没有光反射回来时，光电对管中的三极管不导通，VT1 截至，其集电极输出高电平。VT1 在该电路中起到滤波整形的作用。经试验和示波器验证，该电路工作性能一般，输出还有杂散干扰波的成分。如果输出加施密特触发器就可以实现良好的输出波形。但是这种电路用电量比较大，给此种传感器调理电路供电的电池压降较快。究其原因，是因为光敏三极管和三极管 VT1 导通时的导通电流较大。因此我们考虑用比较器的方案。华侨大学 2012 暑期培训题8图 3-2 光电对管检测电路 2在图 3-2 中，可调电阻 R3 可以调节比较器的门限电压，经示波器观察，输出波形相当规则，可以直接够单片机
17、查询使用。而且经试验验证给此电路供电的电池的压降较小。因此我们选择此电路作为我们的传感器检测与调理电路。火焰传感器及其调理电路的设计火焰传感器的好坏对于该系统的功能能否实现十分重要。我们设计制作的火焰传感器及其调理电路如图 3-5 所示。图 3-5 火焰传感器及其调理电路在该电路中，当火焰传感器没有检测到火焰时，火焰传感器不导通而使得火焰传感器的阳极上拉电阻 R1 上拉为高电平，经比较器滤波整形后输出高电平。当检测到火焰时，火焰传感器导通，比较器输出低电平。经试验验证，本电路工作性能稳定，能耗较低，能够较好的满足题目的需要。因此我们选择此电路作为我们的传感器检测与调理电路。华侨大学 2012
18、暑期培训题9火焰传感器的安装我们所设计的火焰传感器在每一侧都有一“近视”火焰传感器和“远视”火焰传感器。这样“远视”传感器和“近视”传感器的配合使用可以防止小车错误检测到火焰的情况的出现。我们只需要在相应的位置打开或关闭“近视”和“远视”传感器就可以对不同距离的火焰进行测量。在传感器上面加上铝合金的小管可以增加传感器的准确度。 “近视”传感器实现是通过在铝合金小管上加黑色塑料纸实现的。经过这样的改装， “近视”传感器可以只检测到一个方格而远视传感器可以检测到 3 个以上的方格。电机驱动电路的设计我们采用电机驱动芯片 L298N 作为电机驱动，驱动电路的设计如图 3-7 所示：图 3-7L298
19、 电机驱动电路L298N 的 5、7、10、12 四个引脚接到单片机上，通过对单片机的编程就可以实现两个直流电机的正反转。灭火风扇驱动电路灭火风扇的驱动电压为5V，为了增强驱动能力，我们用三极管 8550 做驱动电路以加大驱动电流。灭火风扇驱动电路如图 3-8 所示：华侨大学 2012 暑期培训题10图 3-8 灭火风扇驱动电路在 Uin 处接单片机的 IO 口，通过 IO 口输出高低电平可以实现三极管的导通与关断，从而就可以实现对灭火风扇的开关控制。图 3-10 灭火风扇前视图第四章 软件实现灭火子程序流程图当小车检测到火焰时，由于有障碍物的存在，需要对不同坐标上的火焰分别进行判断。灭火子程
20、序的流程图如图 4-1 所示：华侨大学 2012 暑期培训题11判断检测到火焰时的 Y 坐标关闭寻迹驱动Y 坐标为奇数更正坐标值后退至上一个交点处打开寻迹驱动等待车到交点处Y 坐标为偶数转弯仅使能“近视”火焰传感器查询中间传感器以计算坐标在火焰处停下，延时，灭火检测是否灭掉火返回 X3 处图 4-1 灭火子程序流程图华侨大学 2012 暑期培训题12结论本设计以铝合金为车架，stc89c52 单片机为控制核心，加以直流电机、舵机、光电传感器、火焰传感器和电源电路以及其他电路构成。系统由 89S52 通过IO 口控制小车的前进后退以及转向。步进电机带动灭火风扇左右转向摆动进行灭火。寻迹由 S188 型光电对管完成，远红外火焰传感器进行火焰扫描。 。测试表明，小车能够较好的完成题目要求的基本要求和发挥部分。附录 1:C 程序http:/ 2:小车视频http:/
