朱文祥，金琦淳,，丁柏文，任俊，王琪,

(1. 江蘇科技大學 蘇州理工學院 機電與動力工程學院，江蘇 蘇州 215600；2. 江蘇科技大學 張家港校區(qū)機電與動力工程學院，江蘇 蘇州 215600)

0 引言

隨著現(xiàn)代社會快速的發(fā)展，各種未知危險的火災場所也頻繁出現(xiàn)，為了使救火人員的危險系數(shù)降到最低，高效智能的滅火裝置成為研究的熱點[1-2]。文獻[3-4]描述了利用8051單片機控制nRF24L01無線模塊的通信方式，確定按鍵控制器與小車之間的聯(lián)系，但芯片內部資源不夠豐富，最小系統(tǒng)電路復雜；文獻[5]中描述了火焰?zhèn)鞲衅鞯墓ぷ髟?，但其是固定點火源的探測，沒有提出靈活的尋火方式。為了解決上述文獻中的缺點，使用按鍵控制器通過無線模塊控制小車的方向，并且利用火焰?zhèn)鞲衅髂茉谝欢ǖ姆秶畠人褜さ交鹪?，然后啟動小車上的滅火裝置進行滅火。整個系統(tǒng)主要針對未知狀況和危險的火災場所進行滅火，此設計極大地減輕了火災對于救火人員的傷害。

1 系統(tǒng)設計原理

本設計是基于IAP15F2K61S2主控芯片的智能滅火小車，由控制系統(tǒng)和驅動系統(tǒng)2部分構成。控制系統(tǒng)包括：按鍵控制模塊、單片機、無線發(fā)送模塊；驅動系統(tǒng)包括：無線接收模塊、單片機、電機驅動模塊、滅火模塊。系統(tǒng)通過按鍵控制模塊將指令傳送給單片機處理，再利用無線發(fā)送模塊將處理好的指令信息發(fā)送出去；通過小車上的無線接收模塊接收信息指令，將其傳送給單片機，控制小車進入火災現(xiàn)場，再利用火焰?zhèn)鞲衅鲗鹪葱畔⑦M行收集，并把信息傳給單片機處理，從而控制滅火裝置的啟停，實現(xiàn)完整的滅火過程。系統(tǒng)的結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的結構圖

2 系統(tǒng)硬件電路設計

智能滅火小車系統(tǒng)硬件電路設計分為控制系統(tǒng)電路和驅動系統(tǒng)電路設計。在驅動系統(tǒng)電路設計中，小車需要用到兩路的脈寬調制和較大的存儲空間以及快速的處理數(shù)據(jù)的能力，所以選用IAP15F2K61S2單片機。該單片機具備高精度R/C時鐘，片內具有8～62KB Flash程序存儲器，3通道的捕獲/比較單元(PWM/PCA/CCP)和SPI高速同步串行接口。

1) 控制系統(tǒng)硬件電路設計包括：單片機系統(tǒng)設計、無線模塊系統(tǒng)設計、按鍵模塊系統(tǒng)設計、電源電路設計。如圖2所示。

2) 驅動系統(tǒng)硬件電路設計包括：單片機系統(tǒng)設計、無線模塊系統(tǒng)設計、驅動模塊設計、滅火模塊設計、電源模塊設計。如圖3所示。

圖2 控制系統(tǒng)電路圖

圖3 驅動系統(tǒng)電路圖

2.1 控制系統(tǒng)硬件電路設計

1) 無線發(fā)射模塊

設計采用nRF24L01無線模塊實現(xiàn)小車的遠程通訊。該無線模塊工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM頻段[6]，利用SPI串行總線協(xié)議對芯片內部的寄存器和數(shù)據(jù)進行寫入和讀取操作。通訊時利用IAP15F2K61S2單片機的SPI高速同步串行接口引腳模擬SPI時序，可以使用nRF24L01實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。模塊功耗低，在掉電模式和待機模式下效果更加顯著。

在控制系統(tǒng)中，無線模塊被配置為發(fā)射模式。利用SPI協(xié)議，通過程序的編寫，初始化好無線模塊的發(fā)射和接收節(jié)點地址、接收的通道和頻率、自動應答和重發(fā)數(shù)據(jù)的次數(shù)等。將CE置高，發(fā)送寄存器里面的數(shù)據(jù)，然后接收應答信號。如果接收應答信號成功，置位IRQ并轉為發(fā)送模式，繼續(xù)循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)。如果未接收到應答信號，則重新發(fā)送上一次數(shù)據(jù)包，工作圖如圖4所示。

圖4 無線發(fā)送工作圖

2) 按鍵模塊

采用2*4的非編碼矩陣鍵盤，該鍵盤結合程序編寫實現(xiàn)按鍵操作，與機械編碼鍵盤相比，結構簡單、應用方便。非編碼矩陣鍵盤的原理是行列掃描法[7]，將列線所接的單片機IO口作為輸入端，而行線所接的IO口則作為輸出端。將行線所接IO口置低，進行檢測。當沒有按鍵按下時，所有列線輸入端IO口為高電平，代表無鍵按下。一旦有按鍵按下，列線輸入是低電平，輸入端IO口就會被拉低。通過讀取輸入線IO的電平狀態(tài)就可知是否有按鍵按下。按鍵模塊的工作圖如圖5所示。

圖5 按鍵模塊工作圖

2.2 驅動系統(tǒng)硬件電路設計

1) 電機驅動模塊

智能小車采用型號為1A120-1812L直條單軸減速馬達。驅動芯片采用L298N，內含2個H橋的高電壓電流全橋式驅動器[8]，接收標準TTL邏輯電平信號。電源端分為邏輯控制電源和電機驅動電源，分別為5 V和9 V。

驅動電路原理圖如圖3所示，驅動電路有6路輸入和4路輸出通道，單片機通過I/0口接入IN1、IN2、IN3、IN4輸入端，控制電機的正轉、反轉。接入ENA、ENB 2個使能端，控制電機的停轉。再將其ENA、ENB 2個使能端和單片機中的PCA模塊相連接，實現(xiàn)PWM脈寬平滑調速，從而使小車兩輪差速，實現(xiàn)轉向的功能。L298N輸入輸出關系如表1所示。

表1 L298N輸入輸出邏輯關系表

2) 無線接收模塊

在驅動系統(tǒng)中，無線模塊被配置為接收模式。按照SPI時序寫入無線模塊的接收發(fā)射地址、信號通道、發(fā)射速率和數(shù)據(jù)長度。進入等待接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，讀取狀態(tài)寄存器來判斷是否有數(shù)據(jù)。若接收到數(shù)據(jù)，則CE置低并清除中斷標志，自動進入發(fā)射模式，回傳應答信號。若未接收到數(shù)據(jù)，則一直保持接收狀態(tài)。然后進入程序循環(huán)，使NRF24L01保持接收狀態(tài)。無線接收模塊的工作圖如圖6所示。

圖6 無線接收工作圖

3) 滅火模塊

驅動系統(tǒng)中滅火模塊采用火焰?zhèn)鞲衅鲗鹪催M行探測[9]，其檢測波長在760nm～1100nm范圍的光源，探測角度60°。滅火裝置采用的是簡單風扇模擬滅火，由于單片機的IO口輸出的電流不足以驅動帶動風扇的電機，所以就需要加驅動電路將單片機IO口的電流放大。L9110驅動芯片是一款為控制和驅動電機設計的兩通道推挽式功率放大器件，有較大的電流驅動能力。

當小車進入火源場地時，火焰?zhèn)鞲衅餮杆偈占車男畔?，若收集到火焰發(fā)出的紅外光，其通過LM393電壓比較器返回比較值，將火焰信息傳遞給單片機進行處理?；鹧?zhèn)鞲衅魇占瘉碜曰饒龅幕鹧婀獠ㄐ畔⒉?shù)據(jù)反饋給單片機，然后通過程序配置L9110驅動芯片接收來自單片機的火焰信號從而驅動電機的運轉，再由電機帶動扇葉進行滅火。當火場的火源被吹滅后，電機停止轉動。工作圖如圖7所示。

圖7 滅火模塊工作圖

3 系統(tǒng)軟件設計

程序編寫采用的是移植性較高、結構清晰的C語言[10]。在系統(tǒng)上電后單片機對各個模塊進行初始化，啟動按鍵模塊操作，傳輸按鍵指令給單片機。無線模塊配置地址、頻道、頻率等參數(shù)，判斷是否有相應的信號發(fā)射和接收。然后單片機利用無線模塊將按鍵指令發(fā)送出去。當智能滅火小車上的無線模塊接收到信號指令后，智能滅火小車驅動電機運轉進入火源現(xiàn)場尋找火源。在火源現(xiàn)場由火焰模塊檢測火焰波長，判斷是否檢測到火焰波并反饋給單片機控制滅火裝置的啟動和停止。在火源被撲滅后，再由按鍵模塊控制小車駛離現(xiàn)場。所以此次程序編寫中，火焰?zhèn)鞲衅鞯膬?yōu)先級最高，其次是無線模塊。系統(tǒng)軟件設計流程圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件設計流程圖

4 系統(tǒng)測試

智能滅火小車的實物圖如圖9所示。

圖9 實物圖

系統(tǒng)針對無線傳輸模塊、火焰?zhèn)鞲衅鳌缁鹧b置做了穩(wěn)定性測試，測試的地點選在實驗室，并用蠟燭模擬了火源的現(xiàn)場。智能滅火小車測試的次數(shù)為50次，實際數(shù)據(jù)

如表2所示。

表2 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試結果

測試結果分析：智能滅火小車的無線傳輸模塊在空曠的地帶傳輸?shù)男盘枏娪谠谑覂葌鬏?；火焰?zhèn)鞲衅髟诎滋鞕z測火源的強度弱于夜晚；滅火裝置在火焰?zhèn)鞲衅鞣€(wěn)定檢測時，工作性能非常穩(wěn)定。

5 結語

本文設計的智能滅火小車以IAP15F2K61S2單片機為核心，采用功能模塊化的設計，實現(xiàn)了按鍵利用無線通信控制小車進行尋火、滅火的功能。在多次模擬滅火現(xiàn)場的試驗中，智能滅火小車基本達到了預期的效果。經測試整個小車應用性強、系統(tǒng)穩(wěn)定性高、響應快，為危險的火災現(xiàn)場提供了一種安全、智能的滅火工具。

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