自动智能灭火小车设计与实现

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摘 要：本设计主要是基于单片机对自动灭火智能小车的控制与制作进行研究。具体方案则是基于MSP430单片机下，加以电源电路、L298电机驱动、超声波测距火焰传感器、灭火风扇以及其它电路构成。本系统硬件配置合理经济，控制方案简易优化，基本上实现了灭火小车在一般环境下的避障和灭火的控制。最后，小车能实现在模拟的场地内自动巡逻、自动避障以及发现火源进行自动灭火的目标。

关键词：智能小车；灭火；传感器；电机驱动

1 系统方案及设计

如图一所示，自动智能灭火小车分为电源模块、控制器模块、火焰检测模块、A/D转换模块、超声波测距模块、电机驱动模块、风扇及其驱动模块和显示模块总共8个模块。小车可实现自动巡逻、自动避障以及自动灭火这三个功能。

当没有火源时，小车处于巡逻模式，前面、左面和右面3个超声波测量小车离障碍物的距离反馈给单片机，单片机进行比较使小车实行左转、右转、前进以及后退的动作。当发现火源时，小车切换成灭火模式，火焰传感器将模拟电压值反馈给单片机，单片机进行A/D转换控制小车的行走方向并通过前面的超声波测量小车与火源的距离使小车准确地停车并打开风扇灭火。

2 硬件设计

2.1 超声波测距模块

本模块最远测试距离是1500mm，测量周期10ms且性能稳定，测量距离精确是专为小车设计的。该模块采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号，模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回，有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离为（高电平时间*声速（340M/S））/2。模块1脚VCC接电源正极，电压范围为3.8～5.5V，静态电流小于8mA 。2脚接控制端，3脚接接收端，从控制口发一个10us以上的高电平就可以在接收口等待高电平输出。一有输出就可以开定时器计时，当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此时就为此次测距的时间，方可算出距离。如此不断的周期测量，就可以算出小车移动时距离物体的值了。4脚接GND电源负极。

2.2 火焰传感器模块

该模块采用六路火焰传感器，探测范围为180°；能够输出数字信号为TTL电平，也能够输出模拟信号，可以用ADC进行采集，易于使用；能够探测火焰发出的波段范围分别为700～1100 nm的短波近红外线，通过电压信号进行输出。该模块工作的信息如下表1。

2.3 电机驱动模块

L298N内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动2路直流电机。该芯片工作电压是4.5～7V。逻辑输入端，为 IN1＼IN2＼IN3＼IN4，其中 IN1、IN2 控制电机M1；IN3、IN4控制电机M2。若 IN1 输入高电平1，IN2 输入低电平0，对应电机M1 正转；IN1 输入低电平0，IN2输入高电平1，对应电机M1反转，调速就是改变高电平的占空比。该芯片有2个使能端ENA，ENB且为高电平时有效，常态下用跳线帽接于 VCC，可通过这两个端口实现PWM 调速，使用PWM控制原理简单，输出波动小，线性好，对邻近电路干扰小。

对于简单的小车设计，用L298N芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。

2.4 其他模块设计

（1）电源模块：采用12V可冲电锂电池供电，节能环保，可持续使用。

（2）显示模块：采用1602液晶显示，工作电压为5V，能够很直观地反应小车的行进情形。

（3）A/D转换模块：采用单片机自带模数转换器对火焰传感器的模拟信号进行采样比较。

（4）灭火模块：用MOS管对灭火电机进行驱动，直流电机再驱动风扇实现灭火。工作电压范围为3～7V，启动电流小于120mA，简单方便，易于使用，能够很好的满足要求。

3 软件设计

当没有火源时，小车处于巡逻模式，单片机通过比较前面、右面和左面的距离控制小车的左转、右转、前进、后退进行巡逻和避障。当检测到火源时，单片机采集火焰传感器的模拟电压值并进行比较，使小车朝着最小值的方向走。当小车找到火源并距离火源10cm的时候，停车并灭火。流程图如图二。

4 实验及结果

4.1 实验测量数据

（1）火焰传感器在无火的情况下，模拟电压输出值为3.35v；在弱火的情况下，模拟电压输出值为1.8v；在强火的情况下，模拟电压输出值为0.18v。

超声波的反应时间为3s。

（3）实际场景测试情况

在无火源的情况下，小车处于巡逻模式，根据前面、左面、右面超声波传感器反馈给单片机的距离进行比较进而控制小车的前进、左转、右转以及后退。小车能成功在房间进行巡逻，如果遇到障碍物小车会根据距离的比较避开障碍物。试验中，我们分别把脚和木板当做障碍物，有时小车前面的超声波检测距离反应时间比较长会撞到障碍物，所以小车具有后退功能，后退之后比较左右距离的大小自行调整行走方向。

一旦发现火源小车立即切换成灭火模式，小车将装在车前的火焰传感器的输出模拟电压值反馈给单片机，单片机进行A/D转换后比较6路输出电压值的最小值使小车朝着火焰传感器输出的最小模拟值的方向走。同时，小车通过前面的超声波检测小车与火源的距离使小车准确地停车并打开风扇灭火。灭火之后小车自动切换成巡逻模式。

4.2 消除太阳光对火焰传感器的影响

考虑到价格和效果，我们将黑色绝缘胶布贴在泡沫上，并将泡沫盖在火焰传感器的上方。这样火焰传感器就只能检测到前方的光源，避免了太阳光从上方射进来影响小车判断火源的方向。

5 结束语

小车的特点能实现自动寻路找到火源，但由于火焰传感器的检测角度为60度，超声波测距模块的性能不是很好，所以有时不能在场地准确确定火源的位置，比如直线驶向火源，再加上超声波测距存在一定偏差并且反映给单片机都一定延时，导致小车有时不能在前正方停下并熄灭火源，而是先撞一下再避开然后启动风扇灭火。为解决这一问题，目前是在左前右三面装上了超声波传感器，利用软件不断调试，减小小车直行速度，加上延时，并增加小车停车时距离火源的距离。为了更精确找到火源的位置，考虑再加个烟雾传感器或者多个红外火焰传感器排列成一定角度，实现对场地的所有方位巡逻。除此之外，还有小车转弯速度过高，转弯幅度太大而造成原地打转，或者是小车在碰到墙面时不能及时避开造成偶尔的卡顿现象，通过更加细化转弯的逻辑关系小车的行走路线的确改善了不少，未来在控制机器小车精确转弯时可能利用相关硬件器件进行控制比如指南针，或者采用好的算法比如PID。我们通过不断调试，解决了小车会卡在墙壁等问题。从最终综合测试结果来看，本系统能够很好的完成题目的设计要求，并结合我们自己的发散思维，进行了特色创新。

6 未来发展方向

目前，在技术的提高和国内外的合作的基础上，智能小车已经成为自动化软性生产组织等系统的关键产品。智能小车是一个集环境感知，自动控制，自行规划的一个综合系统。这种小车可用于大型企业或大型仓库中，当发生火灾时能减少伤亡和损失。

参考文献

[1]沈建华.杨艳琴. MSP430超低功耗单片机原理与应用第2版）.北京： 清华大学出版社，2013.9

[2]童诗白.华成英. 模拟电子技术基础（第三版）. 北京：高等教育出版社，2003.12

[3]刘征宇. 大学生电子设计竞赛指南.福州：福建科学技术出版社，2009.5

[4]冯成龙. 传感器应用技术项目化教程.北京：清华大学出版 社；北京交通大学出版社，2009.7

[5]李全利.迟荣强. 单片机原理及接口技术. 北京：高等教育出版社，2004.1

作者简介

张倩（1995-），女，本科，东南大学成贤学院 自动化。