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】

基于單片機智能滅火小車控制系統(tǒng)的設(shè)計

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)計了一種智能滅火小車控制系統(tǒng).系統(tǒng)采用STC89C52單片機作為核心器件,通過C語言編程實現(xiàn)了小車自動尋找火源、確定滅火路線、判斷并自動躲避障礙物到達火災(zāi)發(fā)生地進行滅火.通過實驗智能滅火小車達到智能尋跡和自主滅火的功能,結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、準(zhǔn)確度高,具有一定的實用價值.

智能小車;STC89C52單片機;火焰檢測;避障;滅火

0 引言

現(xiàn)今社會,火災(zāi)一次次地威脅著人類生命財產(chǎn)的安全,帶來的危害已經(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)及時到達現(xiàn)場進行滅火,這就給消防人員自身安全帶來巨大威脅.而今,人工智能已在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,并且取得了令人矚目的成就.人工智能也稱為機器智能[1],是一門研究人類智能機理與如何用計算機模擬人類智能活動的學(xué)科.本文設(shè)計了一種基于STC89C52單片機智能滅火小車控制系統(tǒng).該系統(tǒng)能自動尋找火源并控制滅火系統(tǒng)進行滅火,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

1.1 整體設(shè)計方案

圖1 硬件設(shè)計框圖

智能滅火控制系統(tǒng)電路分為電源、電機驅(qū)動、避障、火焰檢測、滅火和主控制器等6個模塊,如圖1所示.火焰檢測模塊將檢測到的火源信號送給主控制器進行實時處理,主控制器將處理后的信號發(fā)送給驅(qū)動模塊,驅(qū)動模塊在接收到主控制器的命令后便驅(qū)動電機控制小車轉(zhuǎn)彎或直行.當(dāng)小車在前進過程中遇到障礙物時,避障模塊會檢測到障礙信號,并將障礙信號及時送往主控制器,經(jīng)主控制器處理后發(fā)往驅(qū)動電路控制小車左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)避開障礙物繼續(xù)前行.到達火災(zāi)現(xiàn)場時,主控器(單片機)通過晶閘管導(dǎo)通驅(qū)動滅火系統(tǒng)進行滅火.電源模塊是一個通用的9 V電源,用來向其他模塊供電.

1.2 主控芯片STC89C52

主控器采用STC89C52單片機,具有如下特點[2]:40個引腳,8k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器,512 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM),32個外部雙向輸入/輸出(I/O)口,5個中斷優(yōu)先級2層嵌套中斷,2個16位可編程的定時計數(shù)器,2個全雙工串行的通信口,看門狗(WDT)電路,片內(nèi)有時鐘振蕩器.除此之外, STC89C52還配置了振蕩頻率可為0 Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式[3].在空閑模式下,CPU暫時停止工作,而RAM定時計數(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

小車車頭裝有3個光電開關(guān),每個光電開關(guān)的檢測范圍是60度,中間一個光電開關(guān)正對前方,兩側(cè)光電開關(guān)各分開30度,正好完成180度的檢測.小車在行進中由光電開關(guān)向前方發(fā)射出紅外線[5],當(dāng)紅外線遇到障礙時發(fā)生漫反射,反射光被光電開關(guān)迅速接收.小車根據(jù)3個光電開關(guān)接受信號的情況判斷前方障礙物的情況,然后做出相應(yīng)的動作,光電開關(guān)的平均探測距離為30 cm.該模塊在整個系統(tǒng)中起到很大的作用,小車能否避開障礙物順利到達火源處全靠避障模塊的處理.光電檢測電路如圖2所示.可調(diào)電阻R3用于調(diào)節(jié)比較器的門限電壓,經(jīng)示波器檢測,輸出波形相當(dāng)規(guī)則,可以直接滿足單片機查詢使用.

圖2 光電檢測電路

圖3 火焰?zhèn)鞲须娐?/p>

1.4 火焰檢測模塊

火焰檢測模塊的傳感器R2868是利用紅外敏感型元件對紅外信號強度的檢測并將其轉(zhuǎn)換為單片機可以識別的信號,從而來檢測火焰信號,電路如圖3所示.

在該電路中,當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鳑]有檢測到火焰時,火焰?zhèn)鞲衅鞑粚?dǎo)通而使火焰?zhèn)鞲衅鞯年枠O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)檢測到火焰時,火焰?zhèn)鞲衅鲗?dǎo)通,比較器輸出低電平.當(dāng)外界紅外越強時,輸出的電壓值越小,反之則越大.單片機根據(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,發(fā)出警報,驅(qū)動滅火系統(tǒng)進行滅火.

1.5 驅(qū)動電機系統(tǒng)方案設(shè)計

本設(shè)計用直流電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機,采用PWM(Pulse-Width Modulation)調(diào)速方法,通過改變方波的占空比實現(xiàn)對電機轉(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[6]:(1)PWM從處理器到被控制系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的,無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換;(2)對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另一個優(yōu)點;(3)由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài),主電路損耗較小,裝置效率較高; (4)主電路簡單,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.

小車行走時,當(dāng)左邊的傳感器檢測到障礙物時,使左輪轉(zhuǎn)動右輪停止,控制小車向右偏轉(zhuǎn),避開障礙物后,小車轉(zhuǎn)回繼續(xù)直行;當(dāng)右邊的傳感器檢測到障礙物時,使右輪轉(zhuǎn)動左輪停止,控制小車向左偏轉(zhuǎn),避開障礙物后,小車轉(zhuǎn)回繼續(xù)直行,驅(qū)動電路如圖4所示.

圖4 驅(qū)動電路

圖5 系統(tǒng)功能流程圖

1.6 滅火控制系統(tǒng)

當(dāng)智能小車到達火場停車之后,主控器發(fā)出指令,晶閘管導(dǎo)通并驅(qū)動滅火系統(tǒng)進行滅火(在這里滅火系統(tǒng)用風(fēng)扇來代替).

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本次設(shè)計采用自頂向下的設(shè)計方法,利用單片機適用的C語言分別設(shè)計頂層和各下層模塊[7],并通過反復(fù)的實驗和調(diào)試確保電路設(shè)計的正確性,系統(tǒng)軟件流程如圖5所示.系統(tǒng)啟動后,首先進行上電配置,然后火焰檢測模塊尋找火源,如檢測到火源,主控器令驅(qū)動模塊向火源方向前行.在前行過程中如有障礙物,避障模塊將檢測到的障礙信號發(fā)送給主控器,由主控器令驅(qū)動模塊驅(qū)動小車左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)避開障礙物繼續(xù)前行.在檢測到達火源地的信號后,智能小車停止前進,并發(fā)出指令控制滅火系統(tǒng)進行滅火.

3 結(jié)語

本設(shè)計以STC89C52單片機為核心,利用數(shù)字集成電路技術(shù)設(shè)計了智能小車滅火控制系統(tǒng).在實驗室以蠟燭做火源,沿途設(shè)立各種障礙,小車均能自動找到火源方向,沿著最短路線向火源發(fā)生地前行.在中途遇到各種障礙時,能靈活避開,繞道而行.小車到達火源發(fā)生地時能迅速驅(qū)動滅火系統(tǒng)滅火.智能滅火小車結(jié)構(gòu)簡單、體積小、功耗低、準(zhǔn)確度高,具有一定的實用價值.

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

[2]翟玉文.電子設(shè)計與實踐[M].北京:中國電力出版社,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.基于單片機的多用途定時器的設(shè)計與實現(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)院科研計劃項目:傳感器微弱信號檢測方法研究(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.