朱志平

(渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院,陜西渭南 714099)

【物理與電氣工程研究】

基于單片機(jī)智能滅火小車(chē)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱志平

(渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院,陜西渭南 714099)

設(shè)計(jì)了一種智能滅火小車(chē)控制系統(tǒng).系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為核心器件,通過(guò)C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)了小車(chē)自動(dòng)尋找火源、確定滅火路線(xiàn)、判斷并自動(dòng)躲避障礙物到達(dá)火災(zāi)發(fā)生地進(jìn)行滅火.通過(guò)實(shí)驗(yàn)智能滅火小車(chē)達(dá)到智能尋跡和自主滅火的功能,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、準(zhǔn)確度高,具有一定的實(shí)用價(jià)值.

智能小車(chē);STC89C52單片機(jī);火焰檢測(cè);避障;滅火

0 引言

現(xiàn)今社會(huì),火災(zāi)一次次地威脅著人類(lèi)生命財(cái)產(chǎn)的安全,帶來(lái)的危害已經(jīng)不止一次給人們敲響了警鐘.不論火災(zāi)發(fā)生的原因是什么,一旦有火災(zāi)發(fā)生,消防人員就應(yīng)及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行滅火,這就給消防人員自身安全帶來(lái)巨大威脅.而今,人工智能已在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,并且取得了令人矚目的成就.人工智能也稱(chēng)為機(jī)器智能[1],是一門(mén)研究人類(lèi)智能機(jī)理與如何用計(jì)算機(jī)模擬人類(lèi)智能活動(dòng)的學(xué)科.本文設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52單片機(jī)智能滅火小車(chē)控制系統(tǒng).該系統(tǒng)能自動(dòng)尋找火源并控制滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火,減少了人力所為,保障了人身的安全.

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 整體設(shè)計(jì)方案

圖1 硬件設(shè)計(jì)框圖

智能滅火控制系統(tǒng)電路分為電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、避障、火焰檢測(cè)、滅火和主控制器等6個(gè)模塊,如圖1所示.火焰檢測(cè)模塊將檢測(cè)到的火源信號(hào)送給主控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,主控制器將處理后的信號(hào)發(fā)送給驅(qū)動(dòng)模塊,驅(qū)動(dòng)模塊在接收到主控制器的命令后便驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制小車(chē)轉(zhuǎn)彎或直行.當(dāng)小車(chē)在前進(jìn)過(guò)程中遇到障礙物時(shí),避障模塊會(huì)檢測(cè)到障礙信號(hào),并將障礙信號(hào)及時(shí)送往主控制器,經(jīng)主控制器處理后發(fā)往驅(qū)動(dòng)電路控制小車(chē)左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)避開(kāi)障礙物繼續(xù)前行.到達(dá)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)時(shí),主控器(單片機(jī))通過(guò)晶閘管導(dǎo)通驅(qū)動(dòng)滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火.電源模塊是一個(gè)通用的9 V電源,用來(lái)向其他模塊供電.

1.2 主控芯片STC89C52

主控器采用STC89C52單片機(jī),具有如下特點(diǎn)[2]:40個(gè)引腳,8k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器,512 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM),32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)口,5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層嵌套中斷,2個(gè)16位可編程的定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行的通信口,看門(mén)狗(WDT)電路,片內(nèi)有時(shí)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(guò)軟件設(shè)置省電模式[3].在空閑模式下,CPU暫時(shí)停止工作,而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器串行口,外中斷系統(tǒng)仍可繼續(xù)工作,掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù),停止芯片其他功能直到外中斷激活或硬件復(fù)位[4].

1.3 避障模塊

小車(chē)車(chē)頭裝有3個(gè)光電開(kāi)關(guān),每個(gè)光電開(kāi)關(guān)的檢測(cè)范圍是60度,中間一個(gè)光電開(kāi)關(guān)正對(duì)前方,兩側(cè)光電開(kāi)關(guān)各分開(kāi)30度,正好完成180度的檢測(cè).小車(chē)在行進(jìn)中由光電開(kāi)關(guān)向前方發(fā)射出紅外線(xiàn)[5],當(dāng)紅外線(xiàn)遇到障礙時(shí)發(fā)生漫反射,反射光被光電開(kāi)關(guān)迅速接收.小車(chē)根據(jù)3個(gè)光電開(kāi)關(guān)接受信號(hào)的情況判斷前方障礙物的情況,然后做出相應(yīng)的動(dòng)作,光電開(kāi)關(guān)的平均探測(cè)距離為30 cm.該模塊在整個(gè)系統(tǒng)中起到很大的作用,小車(chē)能否避開(kāi)障礙物順利到達(dá)火源處全靠避障模塊的處理.光電檢測(cè)電路如圖2所示.可調(diào)電阻R3用于調(diào)節(jié)比較器的門(mén)限電壓,經(jīng)示波器檢測(cè),輸出波形相當(dāng)規(guī)則,可以直接滿(mǎn)足單片機(jī)查詢(xún)使用.

圖2 光電檢測(cè)電路

圖3 火焰?zhèn)鞲须娐?/p>

1.4 火焰檢測(cè)模塊

火焰檢測(cè)模塊的傳感器R2868是利用紅外敏感型元件對(duì)紅外信號(hào)強(qiáng)度的檢測(cè)并將其轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以識(shí)別的信號(hào),從而來(lái)檢測(cè)火焰信號(hào),電路如圖3所示.

在該電路中,當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鳑](méi)有檢測(cè)到火焰時(shí),火焰?zhèn)鞲衅鞑粚?dǎo)通而使火焰?zhèn)鞲衅鞯年?yáng)極上拉電阻R1上拉為高電平,經(jīng)比較器濾波整形后輸出高電平.當(dāng)檢測(cè)到火焰時(shí),火焰?zhèn)鞲衅鲗?dǎo)通,比較器輸出低電平.當(dāng)外界紅外越強(qiáng)時(shí),輸出的電壓值越小,反之則越大.單片機(jī)根據(jù)接收到火焰?zhèn)鞲衅鞯碾妷簲?shù)值就能判斷是否找到了火源,并決定是否停車(chē),發(fā)出警報(bào),驅(qū)動(dòng)滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火.

1.5 驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)用直流電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī),采用PWM(Pulse-Width Modulation)調(diào)速方法,通過(guò)改變方波的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié).與其他調(diào)速系統(tǒng)相比,PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)[6]:(1)PWM從處理器到被控制系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的,無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換;(2)對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn);(3)由于電力電子器件只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài),主電路損耗較小,裝置效率較高; (4)主電路簡(jiǎn)單,所用功率元件少;(5)低速性能好,穩(wěn)定精度高,調(diào)速范圍寬.

小車(chē)行走時(shí),當(dāng)左邊的傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí),使左輪轉(zhuǎn)動(dòng)右輪停止,控制小車(chē)向右偏轉(zhuǎn),避開(kāi)障礙物后,小車(chē)轉(zhuǎn)回繼續(xù)直行;當(dāng)右邊的傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí),使右輪轉(zhuǎn)動(dòng)左輪停止,控制小車(chē)向左偏轉(zhuǎn),避開(kāi)障礙物后,小車(chē)轉(zhuǎn)回繼續(xù)直行,驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示.

圖4 驅(qū)動(dòng)電路

圖5 系統(tǒng)功能流程圖

1.6 滅火控制系統(tǒng)

當(dāng)智能小車(chē)到達(dá)火場(chǎng)停車(chē)之后,主控器發(fā)出指令,晶閘管導(dǎo)通并驅(qū)動(dòng)滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火(在這里滅火系統(tǒng)用風(fēng)扇來(lái)代替).

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法,利用單片機(jī)適用的C語(yǔ)言分別設(shè)計(jì)頂層和各下層模塊[7],并通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)和調(diào)試確保電路設(shè)計(jì)的正確性,系統(tǒng)軟件流程如圖5所示.系統(tǒng)啟動(dòng)后,首先進(jìn)行上電配置,然后火焰檢測(cè)模塊尋找火源,如檢測(cè)到火源,主控器令驅(qū)動(dòng)模塊向火源方向前行.在前行過(guò)程中如有障礙物,避障模塊將檢測(cè)到的障礙信號(hào)發(fā)送給主控器,由主控器令驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)小車(chē)左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)避開(kāi)障礙物繼續(xù)前行.在檢測(cè)到達(dá)火源地的信號(hào)后,智能小車(chē)停止前進(jìn),并發(fā)出指令控制滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火.

3 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為核心,利用數(shù)字集成電路技術(shù)設(shè)計(jì)了智能小車(chē)滅火控制系統(tǒng).在實(shí)驗(yàn)室以蠟燭做火源,沿途設(shè)立各種障礙,小車(chē)均能自動(dòng)找到火源方向,沿著最短路線(xiàn)向火源發(fā)生地前行.在中途遇到各種障礙時(shí),能靈活避開(kāi),繞道而行.小車(chē)到達(dá)火源發(fā)生地時(shí)能迅速驅(qū)動(dòng)滅火系統(tǒng)滅火.智能滅火小車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗低、準(zhǔn)確度高,具有一定的實(shí)用價(jià)值.

[1]張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2006.11-15.

[2]翟玉文.電子設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京:中國(guó)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的新器件及應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2001. 56-88.

[4]何遐齡.微電子技術(shù)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微電子學(xué),1994,24(1):25-31.

[5]張景元.基于單片機(jī)的多用途定時(shí)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子工程師,2000,(8):22-31.

[6]沈蘭蓀.高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,1995.5-6.

[7]胥芳.MCS-52單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2007.268-273.

【責(zé)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(xué)院科研計(jì)劃項(xiàng)目:傳感器微弱信號(hào)檢測(cè)方法研究(13YKS013)

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