廣西民族師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 蘇三杰 陸炳先 凌永國

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)已經(jīng)在很多方面代替了人力資源，而火災(zāi)在現(xiàn)實(shí)生活是非常普遍的，它被稱為三大自然災(zāi)害之一，消防人員時(shí)時(shí)刻刻沖到第一線，面臨生命危險(xiǎn)，在這種背景下，智能滅火系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)了安全防護(hù)質(zhì)的提高，也大大地減低了消防人員的危險(xiǎn)。

1 智能滅火電動(dòng)小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本次設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)芯片作為核心設(shè)計(jì)芯片，通過超聲波測距模塊進(jìn)行測距，根據(jù)障礙物的距離與方向，控制小車進(jìn)行左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、后退等動(dòng)作實(shí)現(xiàn)避開障礙物，火焰?zhèn)鞲衅髂K采集火焰發(fā)出的紅外光，經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換、比較器電路識別是否發(fā)現(xiàn)火源。如發(fā)現(xiàn)火焰則調(diào)整電動(dòng)小車的位置使其噴水裝置對準(zhǔn)火源口，并啟動(dòng)噴水裝置進(jìn)行噴水滅火。

本次設(shè)計(jì)由TC89C52單片機(jī)主控模塊、超聲波傳感模塊、紅外傳感模塊、電動(dòng)小車驅(qū)動(dòng)模塊、滅火模塊、顯示模塊、電源模塊組成。其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 硬件模塊

（1）主系統(tǒng)模塊

單片機(jī)STC89C52型號是STC公司生產(chǎn)的一種高性能、低功耗的CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器。

STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖2所示，其包含了電源電路、晶振電路和復(fù)位電路。

（2）電源模塊

本次設(shè)計(jì)供電分為三部分供電，單片機(jī)工作電壓在5V，電動(dòng)小車電機(jī)工作電壓為5-8V。采用兩節(jié)3.6V可再充電鋰電池串聯(lián)的方式給小車電機(jī)供電。為了節(jié)省小車主板空間，采用7805芯片降壓方法對兩節(jié)鋰電池的電壓降壓至5V再給單片機(jī)供電。電源模塊電路圖如圖3所示。

圖2 AT89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)

圖3 電源模塊電路圖

（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

STC89C52單片機(jī)輸出電流低，不能滿足馬達(dá)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的條件需求，本次設(shè)計(jì)的馬達(dá)采用型號為HC01-48，規(guī)格為雙軸，減速比1:48，扭力為0.8KG.CM，要使電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)并能帶動(dòng)小車以及小車上的各個(gè)模塊，采用了L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片對小車電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。其小車驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示：

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

（4）尋火模塊

尋火模塊為紅外傳感器和LM393雙電壓比較器集成電路組成，尋火模塊的工作原理為紅外接傳感器采集火焰發(fā)出的紅外光信號，當(dāng)檢測到火焰發(fā)出的紅外光時(shí)，紅外傳感器做出反應(yīng)，尋火模塊將光信號轉(zhuǎn)換成單片可讀取的電信號，輸送給單片機(jī)進(jìn)行處理。當(dāng)靠近火焰或遠(yuǎn)離火焰時(shí)，紅外接收模塊在一定的壓值內(nèi)便會經(jīng)過LM393比較器輸出高或低電平。本次設(shè)計(jì)中，傳感器發(fā)現(xiàn)火焰模塊便輸出低電平到單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行處理后便進(jìn)行下一步動(dòng)作，停車報(bào)警或進(jìn)行滅火，這樣便實(shí)現(xiàn)了尋火功能。其模塊電路圖如圖5所示：

圖5 尋火模塊

為了精確判斷火源的位置，本次設(shè)計(jì)采用左中右三路紅外傳感器構(gòu)成三路尋火模塊，左右兩側(cè)傳感器發(fā)現(xiàn)火源時(shí)，便調(diào)整小車位置，直至中間的傳感器對準(zhǔn)火源即可進(jìn)行滅火動(dòng)作。

（5）滅火模塊

滅火模塊使用3D打印技術(shù)，制作整個(gè)滅火模具，使用的是12V鋰電池供電，12V噴水電機(jī)以及5V控制繼電器。滅火過程為：火焰?zhèn)鞲衅骼^電器發(fā)現(xiàn)火焰，輸送信號給單片機(jī)，單片機(jī)輸出信號給繼電器，繼電器控制12V鋰電池供電給抽水滅火電機(jī)工作，電機(jī)抽取水箱中的水對準(zhǔn)火焰進(jìn)行噴射，直至火焰熄滅不在感應(yīng)到火焰，則達(dá)到尋火滅火功能。滅火模塊采用3D打印技術(shù)，自行制作契合小車的模型，其模型如圖6所示：

圖6 滅火模塊

（6）避障模塊

避障模塊選用超聲波傳感器，其工作電壓在DC5V，靜態(tài)電流小于2mA，電平輸出為低0V，感應(yīng)角度不大于15度，探測距離在2cm至450cm，最高精度可達(dá)3mm。其工作原理是采用IO觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號；模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測是否有信號返回；有信號返回，通過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。其模塊原理圖如圖7所示：

圖7 超聲波測距模塊

該模塊的工作時(shí)序圖如圖8所示：

圖8 超聲波時(shí)序圖

其測試距離公式：測試距離=（高電平時(shí)間*聲速（340M/S）/2）；其模塊使用接線簡單，但效果明顯，一個(gè)控制口發(fā)一個(gè)10us以上的高電平，就可以在接受口等待高電平輸出。已有輸出就可以開定時(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)就為此次測距的時(shí)間，就可以算出距離。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)使用的是C語言編程技術(shù)，使用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法在keil平臺下完成。其主要軟件模塊分為小車驅(qū)動(dòng)模、避障模塊、尋火（滅火）模塊。其程序流程圖如圖6所示：

圖9 程序流程圖

4 結(jié)語

本次設(shè)計(jì)用STC89C52單片機(jī)芯片作為主要的控制芯片，用7.2V電源經(jīng)7805芯片降壓給單片機(jī)供電，硬件軟件均采用模塊化設(shè)計(jì)，分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，超聲波避障模塊，紅外傳感尋火模塊，滅火模塊，使用顯示模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，供給參考作用。首次結(jié)合使用3D打印技術(shù)，為小車制作模具，經(jīng)過調(diào)試和設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)出一臺滅火智能電動(dòng)小車，本次設(shè)計(jì)具有良好的避障功能，并可以很好的實(shí)現(xiàn)尋火，滅火功能，具有一定實(shí)用價(jià)值。

[1]魏鴻磊.單片機(jī)原理及應(yīng)用[J].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2015,5.

[2]四少無極.STC89C52百度百科[EB/OL].百度百科,2017-06-23.