智能灭火小车的设计与实现

张 博 邓治岗 巨永锋 吕建新

（1.长安大学电子与控制工程学院；2.西安思源学院工学院；3.西安航天动力试验技术研究所）

随着社会经济和科学技术的快速发展，化工行业危险化学品和放射性物质泄漏、燃烧及爆炸等事故的隐患逐渐增加，一旦发生火灾，往往会带来巨大的人员伤亡和财产损失，因此开发一款智能设备用于实时监测火灾隐患并代替人工进行灭火，具有重要的现实意义［1］。

1 总体方案设计

笔者设计了一个智能灭火小车，其总体方案设计如图1 所示。 发生火情后，火源检测模块发送信号给单片机，单片机判断后驱动电机前往火源处，途中遇到障碍物后会及时躲避，到达火源后驱动风扇进行灭火。

图1 智能灭火小车总体方案设计

2 系统硬件部分

2.1 电源电路

图2 电源电路

电源电路（图2）设计选用7805 芯片。 7805芯片有3 个引脚，分别为终端输入端、输出端和地面接地端［2］。通常情况下，该芯片可提供的最大电流为1.5A，输入电压可以为9、12、15V，输出电压为5V， 且误差不超过±0.2V［3］。 综合考虑后，7805 芯片采用电池供电，选择9V 的输入电压。

2.2 电机驱动电路

电机驱动电路（图3）采用L298 电机驱动芯片。电机调速采用PWM 调速原理，电机的速度与占空比成正比关系［4］，利用该比例关系可以控制电机的转速从而达到灭火的目的。

图3 电机驱动电路

2.3 火源检测电路

火源检测电路（图4）采用红外接收二极管，当检测到火源时火源传感器导通，电压比较器比较后输出高电平，LED 灯熄灭。

图4 火源检测电路

2.4 避障模块

避障模块（图5）采用E18-D50NK 型红外传感器。E18-D50NK 传感器是一种红外线反射式接近开关传感器，用于物体的反射式检测［5］。当发射的红外线反射回来时， 信号输出为0， 没有则为1。为了调整测量距离，需要外接1kΩ 的上拉电阻到信号输出端，这样在调整测量距离时只需调节电位器即可。

2.5 灭火模块

灭火模块（图6）选用B772 三极管驱动，与单片机的P1.1 端子连接。 当P1.1 为低电平时，三极管接通，电机的电源导通，风扇启动灭火。

图5 避障模块接口电路

图6 灭火模块电路

3 系统软件部分

3.1 系统主程序

系统主程序流程如图7 所示。

图7 系统主程序流程

3.2 火源检测子程序

火源检测子程序流程如图8 所示。 单片机不断检测火源信号，从而找到火源位置。 通过判断小车左右两个传感器接收到的信号，控制电机进行左转或右转；同时不断判断小车是否靠近火源，当到达预定的距离后采取灭火措施。

图8 火源检测子程序流程

3.3 避障子程序

单片机通过采集信号，判断附近是否有障碍物。 避障子程序流程如图9 所示，若没有障碍物，小车就继续寻火；若有障碍物，先判断是否为火源，若是则灭火，否则避障。

图9 避障子程序流程

4 调试过程

4.1 避障的实现

在车头左右各放置一个红外传感器，用来检测前方障碍物，单片机通过车头左右红外传感器的高低电平来控制小车的运动状态（表1）。 当前方遇到障碍物时，左右传感器都接收到反射回来的红外线，此时两传感器输出低电平，小车后退并右转90°；当小车左（右）传感器接收到反射回来的红外线时， 则输出低电平， 小车右 （左）转45°；当前方无障碍时，左右传感器都接收不到反射回来的红外线， 此时两传感器输出高电平，小车前进。

表1 避障时小车运动状态

4.2 寻找火源的实现

本着经济适用的原则，小车车头处设置4 个火源传感器：左右各1 个、正前方近距离1 个、远距离1 个。 近距离传感器的作用是判断小车是否到达灭火位置，从而开启风扇灭火。

小车根据火源传感器的高低电平来调整不同的运动状态（表2）。 当火源传感器检测到火灾后，小车将基于火源位置来控制其运动方向。 在没有火源的情况下，单片机控制电机正转；当左侧传感器检测到火源时， 单片机控制电机左转，直到中远距离传感器检测到火源，单片机控制电机开始直行，然后直到中近距离传感器检测到火源后小车停下。 右侧同理。

表2 寻找火源时小车运动状态

5 实验结果分析

模拟火灾现场，利用笔者设计的智能灭火小车进行避障灭火测试，实验结果见表3。在前5 次实验中， 小车成功避开3 个障碍物并完成灭火；在第6 次实验中，小车在完成第2 次灭火后后退撞到了障碍物，分析发现主要是因为小车后面没有安装避障模块。 在第10 次实验中，小车在完成第2 次灭火之后就再没有找到火源，分析可能是由于电源不足导致的。

表3 避障灭火测试实验结果

6 结束语

笔者设计并实现了一个智能灭火小车，该小车利用红外接收二极管和红外传感器实现基本的寻找火源和避障。 经测试，设计的灭火小车可以在预定的区域内完成智能灭火操作， 性能稳定，灭火准确。 同时，未来可以在小车系统中引入互联网端，使小车具有远程操控的功能以及更多样化的应用。