智能灭火小车的设计与实现

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
电源电路(图2)设计选用7805芯片。

7805
智能灭火小车的设计与实现
张
博1,2邓治岗3巨永锋1吕建新2
(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)
摘要设计了一个以单片机为核心的智能灭火小车,利用红外接收二极管实现对火源的检测,利用红
外传感器实现避障。

给出了智能灭火小车系统的软硬件部分和具体的调试过程。

实验结果表明,该小车通过检测火源,将采集到的数据传给单片机,驱动小车寻找火源并进行相应的避障,最后完成了灭火工作并返回。

关键词
灭火小车单片机
红外接收二极管
红外传感器避障
中图分类号
TH862
文献标识码
A
文章编号
1000⁃3932(2020)04⁃0341⁃05
作者简介:张博(1994⁃),硕士研究生,从事嵌入式系统的研究。

通讯作者:巨永锋(1962⁃),教授,从事自动控制、智能测控技术的研究,************.cn。

图2电源电路
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。

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3电机驱动电
路图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
图8火源检测子程序流程
源,当到达预定的距离后采取灭火措施。

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。

参考文献
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程与自动化,2019,(2):160~161,164.
(收稿日期:2019⁃12⁃16,修回日期:2020⁃06⁃01)
Design and Realization of Intelligent Firefighting Car ZHANG Bo1,2,DENG Zhi⁃gang3,JU Yong⁃feng1,LV Jian⁃xin2
(Continued on Page357)
Abstract Through analyzing technological process and stages in the process and considering functional re ⁃quirements of complex control asked by the process conditions ,a pressure swing adsorption (PSA )auto ⁃control system was developed (four control strategies ,i.e.the simple control system ,the complex program control system designed to realize the process stages ,the expert control system for the multi ⁃tower ⁃switchover based on the fault diagnosis ,and the adaptive control system adapted to materials variation and changes of product components ).Considering complex process and advanced control requirements of the project where difficulties exist in the operation compared with the similar PSA equipment ,the commission ⁃ing suggestions for PSA equipment based on the debugging data were proposed to provide the reference for complex control of the same types of equipment.
Key words PSA ,program control ,expert control ,adaptive control
(1.School of Electronics and Control Engineering ,Chang ’an University ;
2.College of Engineering ,Xi ’an Siyuan University ;
3.Xi ’an Aerospace Power Test Technology Institute )
Abstract A SCM ⁃cored intelligent firefighting car was designed ,which employs an infrared receiving diode to detect fire source and an infrared sensor to avoid obstacles ;meanwhile ,the car ’s hardware con ⁃figuration and software and its exact debugging process were presented.The experimental results showed that ,this car can detect the fire source and transmit the data collected to SCM ,and drive the car to find the fire source and conduct the corresponding obstacle avoidance and finally complete the firefighting.Key words firefighting car ,SCM ,infrared receiving diode ,infrared sensor ,obstacle avoidance
气缸开侧排气。

BO02为DCS 输出给12XV ⁃0122关电磁阀的控制,输出为“1”,气缸关侧进气,阀门
关闭;输出为“0”,电磁阀失电,气缸关侧排气[6]。

BI01、BI03为顺控程序12KS0001发出去阀
门12XV ⁃0122的开关指令,BI02、BI04为12XV ⁃0122阀位开关位置反馈。

从图5中可以看出,当
BI01发送开命令时BO01为“1”,当检测到开到
位信号时BI02为“1”,即阀门开到位延时5s 后,
RS 触发器复位,BO01输出变为“0”,开电磁阀失
电,开侧气缸排气,阀开保持;此状态下,BI03关,处于“0”,即12KS0001顺控程序未输出阀门关命令。

阀门12XV ⁃0122关逻辑控制同上,不再详细阐述。

4阀门气路控制改造的运行效果
Shell 气化装置煤粉加压输送单元有A 、B 两个
系列,涉及高差压放空的阀门有12XV ⁃0122、0222和12XV ⁃0118、0218这4台阀门,均已进行控制气路改造和DCS 控制程序重新编程,实现阀门开关信号到位后,在顺控程序中增加功能块,使对应电磁阀失电,将气缸的气排掉,防止螺杆备紧螺帽长时间处于受应力状态。

5结束语
笔者所在团队在生产中发现进口阀门气缸的设计缺陷,通过理论推算进行了验证。

同时在国内首次以创新理念对阀门气路进行改造,并通过DCS 控制系统实现控制方案的优化,解决制约阀门可靠运行的瓶颈问题,创造了较大经济效益。

对这些重要阀门气路控制改造以来,未再出现活塞脱开的故障,实现了装置的长周期运行。

参
考文献
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(收稿日期:2020⁃03⁃18,修回日期:2020⁃05⁃11)
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