張倩 王逸琳 錢(qián)志麗 金徐冬 鄭英

摘 要：本設(shè)計(jì)主要是基于單片機(jī)對(duì)自動(dòng)滅火智能小車(chē)的控制與制作進(jìn)行研究。具體方案則是基于MSP430單片機(jī)下，加以電源電路、L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)、超聲波測(cè)距火焰?zhèn)鞲衅鳌缁痫L(fēng)扇以及其它電路構(gòu)成。本系統(tǒng)硬件配置合理經(jīng)濟(jì)，控制方案簡(jiǎn)易優(yōu)化，基本上實(shí)現(xiàn)了滅火小車(chē)在一般環(huán)境下的避障和滅火的控制。最后，小車(chē)能實(shí)現(xiàn)在模擬的場(chǎng)地內(nèi)自動(dòng)巡邏、自動(dòng)避障以及發(fā)現(xiàn)火源進(jìn)行自動(dòng)滅火的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：智能小車(chē)；滅火；傳感器；電機(jī)驅(qū)動(dòng)

1 系統(tǒng)方案及設(shè)計(jì)

如圖一所示，自動(dòng)智能滅火小車(chē)分為電源模塊、控制器模塊、火焰檢測(cè)模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、超聲波測(cè)距模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、風(fēng)扇及其驅(qū)動(dòng)模塊和顯示模塊總共8個(gè)模塊。小車(chē)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡邏、自動(dòng)避障以及自動(dòng)滅火這三個(gè)功能。

當(dāng)沒(méi)有火源時(shí)，小車(chē)處于巡邏模式，前面、左面和右面3個(gè)超聲波測(cè)量小車(chē)離障礙物的距離反饋給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行比較使小車(chē)實(shí)行左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)以及后退的動(dòng)作。當(dāng)發(fā)現(xiàn)火源時(shí)，小車(chē)切換成滅火模式，火焰?zhèn)鞲衅鲗⒛M電壓值反饋給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換控制小車(chē)的行走方向并通過(guò)前面的超聲波測(cè)量小車(chē)與火源的距離使小車(chē)準(zhǔn)確地停車(chē)并打開(kāi)風(fēng)扇滅火。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 超聲波測(cè)距模塊

本模塊最遠(yuǎn)測(cè)試距離是1500mm，測(cè)量周期10ms且性能穩(wěn)定，測(cè)量距離精確是專為小車(chē)設(shè)計(jì)的。該模塊采用IO觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào)，模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回，有信號(hào)返回，通過(guò)IO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離為（高電平時(shí)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(gè)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(kāi)定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就可以讀定時(shí)器的值，此時(shí)就為此次測(cè)距的時(shí)間，方可算出距離。如此不斷的周期測(cè)量，就可以算出小車(chē)移動(dòng)時(shí)距離物體的值了。4腳接GND電源負(fù)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(cè)范圍為180°；能夠輸出數(shù)字信號(hào)為T(mén)TL電平，也能夠輸出模擬信號(hào)，可以用ADC進(jìn)行采集，易于使用；能夠探測(cè)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(guò)電壓信號(hào)進(jìn)行輸出。該模塊工作的信息如下表1。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

L298N內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)2路直流電機(jī)。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(jī)M1；IN3、IN4控制電機(jī)M2。若 IN1 輸入高電平1，IN2 輸入低電平0，對(duì)應(yīng)電機(jī)M1 正轉(zhuǎn)；IN1 輸入低電平0，IN2輸入高電平1，對(duì)應(yīng)電機(jī)M1反轉(zhuǎn)，調(diào)速就是改變高電平的占空比。該芯片有2個(gè)使能端ENA，ENB且為高電平時(shí)有效，常態(tài)下用跳線帽接于 VCC，可通過(guò)這兩個(gè)端口實(shí)現(xiàn)PWM 調(diào)速，使用PWM控制原理簡(jiǎn)單，輸出波動(dòng)小，線性好，對(duì)鄰近電路干擾小。

對(duì)于簡(jiǎn)單的小車(chē)設(shè)計(jì)，用L298N芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。

2.4 其他模塊設(shè)計(jì)

（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(yīng)小車(chē)的行進(jìn)情形。

（3）A/D轉(zhuǎn)換模塊：采用單片機(jī)自帶模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)火焰?zhèn)鞲衅鞯哪M信號(hào)進(jìn)行采樣比較。

（4）滅火模塊：用MOS管對(duì)滅火電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，直流電機(jī)再驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇實(shí)現(xiàn)滅火。工作電壓范圍為3～7V，啟動(dòng)電流小于120mA，簡(jiǎn)單方便，易于使用，能夠很好的滿足要求。

3 軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)沒(méi)有火源時(shí)，小車(chē)處于巡邏模式，單片機(jī)通過(guò)比較前面、右面和左面的距離控制小車(chē)的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、后退進(jìn)行巡邏和避障。當(dāng)檢測(cè)到火源時(shí)，單片機(jī)采集火焰?zhèn)鞲衅鞯哪M電壓值并進(jìn)行比較，使小車(chē)朝著最小值的方向走。當(dāng)小車(chē)找到火源并距離火源10cm的時(shí)候，停車(chē)并滅火。流程圖如圖二。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

4.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)

（1）火焰?zhèn)鞲衅髟跓o(wú)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(qiáng)火的情況下，模擬電壓輸出值為0.18v。

超聲波的反應(yīng)時(shí)間為3s。

（3）實(shí)際場(chǎng)景測(cè)試情況

在無(wú)火源的情況下，小車(chē)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(jī)的距離進(jìn)行比較進(jìn)而控制小車(chē)的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及后退。小車(chē)能成功在房間進(jìn)行巡邏，如果遇到障礙物小車(chē)會(huì)根據(jù)距離的比較避開(kāi)障礙物。試驗(yàn)中，我們分別把腳和木板當(dāng)做障礙物，有時(shí)小車(chē)前面的超聲波檢測(cè)距離反應(yīng)時(shí)間比較長(zhǎng)會(huì)撞到障礙物，所以小車(chē)具有后退功能，后退之后比較左右距離的大小自行調(diào)整行走方向。

一旦發(fā)現(xiàn)火源小車(chē)立即切換成滅火模式，小車(chē)將裝在車(chē)前的火焰?zhèn)鞲衅鞯妮敵瞿M電壓值反饋給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后比較6路輸出電壓值的最小值使小車(chē)朝著火焰?zhèn)鞲衅鬏敵龅淖钚∧M值的方向走。同時(shí)，小車(chē)通過(guò)前面的超聲波檢測(cè)小車(chē)與火源的距離使小車(chē)準(zhǔn)確地停車(chē)并打開(kāi)風(fēng)扇滅火。滅火之后小車(chē)自動(dòng)切換成巡邏模式。

4.2 消除太陽(yáng)光對(duì)火焰?zhèn)鞲衅鞯挠绊?/p>

考慮到價(jià)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?。這樣火焰?zhèn)鞲衅骶椭荒軝z測(cè)到前方的光源，避免了太陽(yáng)光從上方射進(jìn)來(lái)影響小車(chē)判斷火源的方向。

5 結(jié)束語(yǔ)

小車(chē)的特點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋路找到火源，但由于火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測(cè)角度為60度，超聲波測(cè)距模塊的性能不是很好，所以有時(shí)不能在場(chǎng)地準(zhǔn)確確定火源的位置，比如直線駛向火源，再加上超聲波測(cè)距存在一定偏差并且反映給單片機(jī)都一定延時(shí)，導(dǎo)致小車(chē)有時(shí)不能在前正方停下并熄滅火源，而是先撞一下再避開(kāi)然后啟動(dòng)風(fēng)扇滅火。為解決這一問(wèn)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(diào)試，減小小車(chē)直行速度，加上延時(shí)，并增加小車(chē)停車(chē)時(shí)距離火源的距離。為了更精確找到火源的位置，考慮再加個(gè)煙霧傳感器或者多個(gè)紅外火焰?zhèn)鞲衅髋帕谐梢欢ń嵌?，?shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)地的所有方位巡邏。除此之外，還有小車(chē)轉(zhuǎn)彎速度過(guò)高，轉(zhuǎn)彎幅度太大而造成原地打轉(zhuǎn)，或者是小車(chē)在碰到墻面時(shí)不能及時(shí)避開(kāi)造成偶爾的卡頓現(xiàn)象，通過(guò)更加細(xì)化轉(zhuǎn)彎的邏輯關(guān)系小車(chē)的行走路線的確改善了不少，未來(lái)在控制機(jī)器小車(chē)精確轉(zhuǎn)彎時(shí)可能利用相關(guān)硬件器件進(jìn)行控制比如指南針，或者采用好的算法比如PID。我們通過(guò)不斷調(diào)試，解決了小車(chē)會(huì)卡在墻壁等問(wèn)題。從最終綜合測(cè)試結(jié)果來(lái)看，本系統(tǒng)能夠很好的完成題目的設(shè)計(jì)要求，并結(jié)合我們自己的發(fā)散思維，進(jìn)行了特色創(chuàng)新。

6 未來(lái)發(fā)展方向

目前，在技術(shù)的提高和國(guó)內(nèi)外的合作的基礎(chǔ)上，智能小車(chē)已經(jīng)成為自動(dòng)化軟性生產(chǎn)組織等系統(tǒng)的關(guān)鍵產(chǎn)品。智能小車(chē)是一個(gè)集環(huán)境感知，自動(dòng)控制，自行規(guī)劃的一個(gè)綜合系統(tǒng)。這種小車(chē)可用于大型企業(yè)或大型倉(cāng)庫(kù)中，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)能減少傷亡和損失。

參考文獻(xiàn)

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

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

[3]劉征宇. 大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽指南.福州：福建科學(xué)技術(shù)出版社，2009.5

[4]馮成龍. 傳感器應(yīng)用技術(shù)項(xiàng)目化教程.北京：清華大學(xué)出版 社；北京交通大學(xué)出版社，2009.7

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

作者簡(jiǎn)介

張倩（1995-），女，本科，東南大學(xué)成賢學(xué)院 自動(dòng)化。