基于单片机的智能消防灭火车模型的原理及设计

唐 琳

（赤峰学院 计算机与信息工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

1 智能消防灭火车模型结构

智能灭火车模型以STCB89C52单片机为控制核心，加以直流电机、红外线火焰传感器、光电对管、光电传感器、声波测距传感器和电源电路以及其他电路构成.由STCB89C52单片机通过红外线火焰传感器寻找火源位置并且通过I/O口控制小车的前进后退以及转向.直流电动机带动灭火风扇转动进行灭火.寻迹模块主要对小车导航前进；电源模块用来给单片机和电机以及风扇驱动供电；电机驱动模块用来驱动两个L9110直流电机实现小车的前进后退以及转向等功能；风扇驱动模块用一路继电器控制控制风扇吹风，实现小车的灭火功能；超声测距模块接口以超声波反射方式测量小车与障碍物以及小车与小车之间的距离；光敏传感器用于监测火源的距离.

本文设计的智能灭火车主要由下面几个模块组成：主控制模块、避障、循迹感测模块、前进、转弯控制电机以及红外感测模块.系统总体构成图如下所示.

图1 系统构成框图

2 智能灭火小车模型硬件组成

2.1 系统控制模块

单片机兼容STC89C52等40腿51单片机，使用转接板可兼容ATMEGA16等AVR.可支持3USB下载器，支持多种传感器输入（能直接插上使用）支持直流电机驱动和继电器开关量输出.智能小车模型采用的51单片机如图所示.

图2 智能小车模型采用的51单片机

STC89C52是STC公司生产的单时钟/机器周期（IT）的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度要快8—12倍.该型单片机内部集成有MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(速度可达250K/S，即25万次/秒)，专门针对电机控制，可用于强干扰场合.其最小系统原理图如图3所示.

图3 系统控制模块原理图

2.2 电机驱动模块

电机驱动采用2路L9110直流电机驱动，L9110是控制和驱动电机而设计的俩条通道推挽式功率放大专用集成电路，每个通道具有750-800mA的持续电流提供能力.每个L9110芯片可以实现1路直流电机的正反转，调速和刹车.

2.3 电源模块

四节电池提供6V电源VBAT，VBAT经1117-5和开关转换为单片机电源VCC,VBAT经1117-5和开关转换为电机电源VMOTOR.VCC经1117-3.3和开关转换为RFID电源VCC33.

2.4 四路循迹模块

采用红外反射传感器，带比较器功能，可以输出数字量，小车循黑线或白线完成循迹.

2.5 检测火源模块

可检测火苗独有的红外线波长，确定火焰的位置（如蜡烛）板载比较器输出数字量.

2.6 避障模块

反射式接近开关，当在“射程”内、外时输出包不同的数字电平信号表明是否有障碍物体接近.

2.7 灭火模块

采用继电器控制小风扇的形式进行灭火.

2.8 通讯模块

采用RFID 24L01通信模块实现俩车通信，尺寸：34*17*1mm，开阔地最远距离80米工作频率2.4GHZ.

3 智能小车模型设计

3.1 车体设计

经反复论证，制定了左右两轮可分别驱动带动万向轮转向的设计方案，即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动，车后底部装万向轮.这样，当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的90度和180度的转弯.设计时可采用单万向轮也可安装双万向轮，若采用双万向轮时，并不把两个万向轮装在一个平面上.当小车前进时，左右两驱动轮与前万向轮形成了三点结构.这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现前后两轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况.为了防止小车重心的偏移，后万向轮起支撑作用.

3.2 模块设计

Ⅰ 控制器模块：采用STCB89C52单片机，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点.

Ⅱ 电源模块：由于本系统需要电池供电，我们考虑了采用直流稳压电源为本系统供电，或者用四节1.5V的电池能满足设计的需要.

Ⅲ 寻迹传感器模块：用TCRT5000型光电对管.TCRT5000是一种一体化反射型光电传感器，其发射器是一个红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度的光电三极管.

TCRT5000采用DIP4封装，其具有如下特点：

（1）灵敏度高，且它的有效检测距离可以达到12mm,工作电压为5V，最大电流可达10mA最大测试黑线区域为22.5mm，完全适合本设计的要求；

（2）体积小，结构紧凑.3.当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平.光电对管调理电路简单，工作性能稳定.为了工作稳定，采用三个TCRT5000检测独立模块检测.使小气车在行驶过程中，按照规定的路线行驶.

Ⅳ 电机模块：本系统为智能消防车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要.由于本题要实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合考虑采用直流减速电机.直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便.由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生大扭力.

我们所选用的直流电机减速比为1：74，减速后电机的转速为100r/min.我们的车轮直径为6cm，因此我们的小车的最大速度可以达到 V=2πr·v=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s，能够较好的满足系统的要求.

Ⅴ 电机驱动模块：对于直流电机用分立元件构成驱动电路.由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛.

Ⅵ 灭火风扇驱动电路：灭火风扇的驱动电压为＋5V，为了增强驱动能力，我们用三极管8550做驱动电路以加大驱动电流.

4 程序算法实现

控制程序采用C语言设计，主程序算法流程如图4所示.

图4 主程序流程图

5 基本功能测试

在场地上没有放置蜡烛时，模型车从启动区启动，就会沿着设定的轨道前进，在没有遇到火源的时候，它会一直沿着轨道行驶，该转向时通过电机控制驱动轮实现转向功能，当遇到火源时，它会对着火源前行，不再寻迹，走到合适位置时，原地180°转向，启动风扇，将蜡烛火焰灭掉，然后退回到原来轨道上来，继续顺着轨道前进，在前进的过程中寻找下一个火源.