唐 琳

（赤峰學(xué)院 計算機與信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 智能消防滅火車模型結(jié)構(gòu)

智能滅火車模型以STCB89C52單片機為控制核心，加以直流電機、紅外線火焰?zhèn)鞲衅?、光電對管、光電傳感器、聲波測距傳感器和電源電路以及其他電路構(gòu)成.由STCB89C52單片機通過紅外線火焰?zhèn)鞲衅鲗ふ一鹪次恢貌⑶彝ㄟ^I/O口控制小車的前進后退以及轉(zhuǎn)向.直流電動機帶動滅火風(fēng)扇轉(zhuǎn)動進行滅火.尋跡模塊主要對小車導(dǎo)航前進；電源模塊用來給單片機和電機以及風(fēng)扇驅(qū)動供電；電機驅(qū)動模塊用來驅(qū)動兩個L9110直流電機實現(xiàn)小車的前進后退以及轉(zhuǎn)向等功能；風(fēng)扇驅(qū)動模塊用一路繼電器控制控制風(fēng)扇吹風(fēng)，實現(xiàn)小車的滅火功能；超聲測距模塊接口以超聲波反射方式測量小車與障礙物以及小車與小車之間的距離；光敏傳感器用于監(jiān)測火源的距離.

本文設(shè)計的智能滅火車主要由下面幾個模塊組成：主控制模塊、避障、循跡感測模塊、前進、轉(zhuǎn)彎控制電機以及紅外感測模塊.系統(tǒng)總體構(gòu)成圖如下所示.

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

2 智能滅火小車模型硬件組成

2.1 系統(tǒng)控制模塊

單片機兼容STC89C52等40腿51單片機，使用轉(zhuǎn)接板可兼容ATMEGA16等AVR.可支持3USB下載器，支持多種傳感器輸入（能直接插上使用）支持直流電機驅(qū)動和繼電器開關(guān)量輸出.智能小車模型采用的51單片機如圖所示.

圖2 智能小車模型采用的51單片機

STC89C52是STC公司生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（IT）的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度要快8—12倍.該型單片機內(nèi)部集成有MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(速度可達250K/S，即25萬次/秒)，專門針對電機控制，可用于強干擾場合.其最小系統(tǒng)原理圖如圖3所示.

圖3 系統(tǒng)控制模塊原理圖

2.2 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動采用2路L9110直流電機驅(qū)動，L9110是控制和驅(qū)動電機而設(shè)計的倆條通道推挽式功率放大專用集成電路，每個通道具有750-800mA的持續(xù)電流提供能力.每個L9110芯片可以實現(xiàn)1路直流電機的正反轉(zhuǎn)，調(diào)速和剎車.

2.3 電源模塊

四節(jié)電池提供6V電源VBAT，VBAT經(jīng)1117-5和開關(guān)轉(zhuǎn)換為單片機電源VCC,VBAT經(jīng)1117-5和開關(guān)轉(zhuǎn)換為電機電源VMOTOR.VCC經(jīng)1117-3.3和開關(guān)轉(zhuǎn)換為RFID電源VCC33.

2.4 四路循跡模塊

采用紅外反射傳感器，帶比較器功能，可以輸出數(shù)字量，小車循黑線或白線完成循跡.

2.5 檢測火源模塊

可檢測火苗獨有的紅外線波長，確定火焰的位置（如蠟燭）板載比較器輸出數(shù)字量.

2.6 避障模塊

反射式接近開關(guān)，當(dāng)在“射程”內(nèi)、外時輸出包不同的數(shù)字電平信號表明是否有障礙物體接近.

2.7 滅火模塊

采用繼電器控制小風(fēng)扇的形式進行滅火.

2.8 通訊模塊

采用RFID 24L01通信模塊實現(xiàn)倆車通信，尺寸：34*17*1mm，開闊地最遠距離80米工作頻率2.4GHZ.

3 智能小車模型設(shè)計

3.1 車體設(shè)計

經(jīng)反復(fù)論證，制定了左右兩輪可分別驅(qū)動帶動萬向輪轉(zhuǎn)向的設(shè)計方案，即左右輪分別用兩個轉(zhuǎn)速和力矩基本完全相同的直流電機進行驅(qū)動，車后底部裝萬向輪.這樣，當(dāng)兩個直流電機轉(zhuǎn)向相反同時轉(zhuǎn)速相同時就可以實現(xiàn)電動車的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松的實現(xiàn)小車坐標(biāo)不變的90度和180度的轉(zhuǎn)彎.設(shè)計時可采用單萬向輪也可安裝雙萬向輪，若采用雙萬向輪時，并不把兩個萬向輪裝在一個平面上.當(dāng)小車前進時，左右兩驅(qū)動輪與前萬向輪形成了三點結(jié)構(gòu).這種結(jié)構(gòu)使得小車在前進時比較平穩(wěn)，可以避免出現(xiàn)前后兩輪過低而使左右兩驅(qū)動輪驅(qū)動力不夠的情況.為了防止小車重心的偏移，后萬向輪起支撐作用.

3.2 模塊設(shè)計

Ⅰ 控制器模塊：采用STCB89C52單片機，具有體積小、驅(qū)動能力高、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、中斷處理能力強等特點.

Ⅱ 電源模塊：由于本系統(tǒng)需要電池供電，我們考慮了采用直流穩(wěn)壓電源為本系統(tǒng)供電，或者用四節(jié)1.5V的電池能滿足設(shè)計的需要.

Ⅲ 尋跡傳感器模塊：用TCRT5000型光電對管.TCRT5000是一種一體化反射型光電傳感器，其發(fā)射器是一個紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度的光電三極管.

TCRT5000采用DIP4封裝，其具有如下特點：

（1）靈敏度高，且它的有效檢測距離可以達到12mm,工作電壓為5V，最大電流可達10mA最大測試黑線區(qū)域為22.5mm，完全適合本設(shè)計的要求；

（2）體積小，結(jié)構(gòu)緊湊.3.當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來時，三極管導(dǎo)通輸出低電平.光電對管調(diào)理電路簡單，工作性能穩(wěn)定.為了工作穩(wěn)定，采用三個TCRT5000檢測獨立模塊檢測.使小氣車在行駛過程中，按照規(guī)定的路線行駛.

Ⅳ 電機模塊：本系統(tǒng)為智能消防車，對于電動車來說，其驅(qū)動輪的驅(qū)動電機的選擇就顯得十分重要.由于本題要實現(xiàn)對路徑的準(zhǔn)確定位和精確測量，我們綜合考慮采用直流減速電機.直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便.由于其內(nèi)部由高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生大扭力.

我們所選用的直流電機減速比為1：74，減速后電機的轉(zhuǎn)速為100r/min.我們的車輪直徑為6cm，因此我們的小車的最大速度可以達到 V=2πr·v=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s，能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求.

Ⅴ 電機驅(qū)動模塊：對于直流電機用分立元件構(gòu)成驅(qū)動電路.由分立元件構(gòu)成電機驅(qū)動電路，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，在實際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛.

Ⅵ 滅火風(fēng)扇驅(qū)動電路：滅火風(fēng)扇的驅(qū)動電壓為＋5V，為了增強驅(qū)動能力，我們用三極管8550做驅(qū)動電路以加大驅(qū)動電流.

4 程序算法實現(xiàn)

控制程序采用C語言設(shè)計，主程序算法流程如圖4所示.

圖4 主程序流程圖

5 基本功能測試

在場地上沒有放置蠟燭時，模型車從啟動區(qū)啟動，就會沿著設(shè)定的軌道前進，在沒有遇到火源的時候，它會一直沿著軌道行駛，該轉(zhuǎn)向時通過電機控制驅(qū)動輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，當(dāng)遇到火源時，它會對著火源前行，不再尋跡，走到合適位置時，原地180°轉(zhuǎn)向，啟動風(fēng)扇，將蠟燭火焰滅掉，然后退回到原來軌道上來，繼續(xù)順著軌道前進，在前進的過程中尋找下一個火源.