基于单片机控制的多功能灭火车模型设计

基于单片机控制的多功能灭火车模型设计
[摘要]本设计中智能车采用c8051f020为核心单片机作为检测和控制的核心，实现电动车的智能控制，包括路面寻线、火源检测、智能避障、路程测量、智能灭火、数码管显示、语音报警等功能。

本系统可识别消防场地，避过障碍物，寻到场地中任意位置火源。

[关键词]火源探测路面寻线智能避障
中图分类号：th 文献标识码：a 文章编号：1009-914x（2013）20-005-01
1系统方案论证
本系统大体上分为九个基本模块，它们的关系可由如下方框图示意
方案一：小车两侧安装两个轮子由两个普通直流电机带动，前后各安装一个万向轮，方便小车拐弯并起平衡支撑作用。

在小车中间放一轴承，轴承上安装一个火焰传感器和一个红外探测器，通过轴承旋转来带动两传感器转动，以检测火源和障碍物，小车下方四个角上安装四个光电传感器寻线，检测小车压线的情况，小车前方安装风扇用以灭火。

小车在安全区时，轴承转动先对场地进行扫描寻找火源，找到后再确定灭火路线，在行进过程中再通过红外传感器来探测障碍物并避开，达到火源处后再确定火源的具体方向，小车转动使风扇对准火源吹风，灭火完毕后按照程序记录的路线回到安全区。

这种方案在传感器的探测方面比较精确，但情况太多，程序分支庞大，过于复杂，不易实现。

方案二：车身设计与方案一相同，在小车两侧各安装一个火焰传感器和一个风扇，传感器输出信号经比较器来判断火源的远近，左侧通过放大可探测到95cm以内的火源，右侧传感器没有接放大器，只可检测到近距离（25cm）内的火源。

小车下方四个角上安装四个光电传感器呈矩形分布，进行寻线，检测小车压线的情况，主要起导向功能。

另外在中间安装两个传感器，左右距离比前后两对传感器大一些，主要起定位功能。

小车从安全区出发后直走到达中线后左拐，开启左侧传感器探测左侧半个场地内火源的情况，发现火源则在下一路口左拐若此时正好在障碍物所处的两条线上则小车后
退到前一个路口再左拐，然后两侧传感器均开启，哪一侧检测到火源就开启哪一侧的风扇将火源吹灭。

然后回到中线上继续前行探测火源，到达边线后原地转180度对右侧的半个场地进行探测，程序与左半侧基本相同。

火源全部灭完后，小车沿中线返回安全区。

在此过程中遇到各种不同情况就调用不同语音程序，进行语音报警。

同时用数码管来显示扑灭火源的数目和总的路程。

这种方案硬件简单，软件实现起来思路也比较清晰，但并没有真正起到避障的效果，现在是已知障碍物的位置所以能避开，若临时改变障碍物的位置，则这一方案就不能实现避障，也就无法完成灭火任务。

2系统硬件设计
控制部分
（1）车身动力部分电机部分采用普通直流电机pwm模式控制，pwm模式易于控制电机转速和拐弯的角度，并且采用双电机驱动以
利于小车的原地转向、后退等动作的完成。

如原地左转则可通过控制左侧电机反转，右侧电机正传来实现。

（2）单片机控制部分单片机我们选用了两块陵阳61板，利用其自身携带的语音、显示等模块功能，并且其口资源比较丰富，使我们可以比较轻松得将题目中的发挥部分也一块完成。

一块单片机用来接收火焰探测和路面检测的信号以及红外探障信号并进行分析
后通过控制电机转动来控制小车的运动，最终避开障碍物到达火源处灭火，作为主要控制模块，另一块单片机负责语音播报、数码管显示和路程测量，分担第一块单片机的部分功能任务。

检测部分
这一部分是车身控制和功能实现部分的基础，单片机通过对传感器信号的处理来控制电机正转、反转或不转，从而控制小车前进、左转、右转、后退、原地转等动作，基本原理可用下图来表示（1）传感器检测部分又包括红外火焰传感器检测、红外障碍物检测和光电寻线传感器检测三大块。

火焰探测我们利用了温度变化对红外传感器电流的影响，同时距离远近对传感器输出也有明显的影响，再通过比较器与参考电压相比较，就可以判断火源的方向和大体距离。

障碍物探测我们用的是红外传感器。

原理与寻线传感器相仿，我们采用的是集成模块，直接将探测距离规定在10cm左右，进入10cm以内电平由低变高。

寻线前进我们采用的是光电类型的传感器，主要是考虑到场地和路径的颜色灰度相差很大，对光源的反射情况差别也很大，从而影响传感器输出的信号，单片机接收到
寻线传感器的信号后，就会控制电机作出相应的动作，避开障碍物，完成灭火任务。

（2）另外程序避障及路程测量属于智能检测。

这一部分没有用到硬件，而是纯粹利用软件编程记录格数来避开障碍物所在的线和计算路程，这样设计的主要考虑是为了降低硬件实现的难度。

功能实现部分
（1）灭火部分灭火我们采用的是两个风扇，分别安装在小车的两侧，这样设计小车停止后不用转向即可进行灭火，减少了再次寻找火源具体位置的繁琐。

（2）显示部分显示我们采用的是数码管动态显示，用一位数码管来显示扑灭的火源数，再用四位数码管来显示小车走过的路程。

另外在检测到火源时点亮一个二极管来表示
（3）语音部分我们事先利用陵阳61板子自身的语音模块进行录音，将各种报警信息存储在单片机内，然后在灭火过程中遇到什么样的情况就调用哪一部分报警语音程序。

（4）测量路程部分路程测量分为两部分：程序数格数记录整数部分，非整格数的部分采用透光式光电传感器来计算。

透光式光电传感器安装在车轮的一侧，通过遮光利用传感器在有无光照时输出电平高低变化的特性来记录遮光次数n，利用公式s=n*l/n来计算。

最后总的路程可表示为s=s1+s2= n1*30+ n*l/n
3系统软件设计
系统软件设计采用c语言，对单片机进行编程实现各项功能。

程序是在windows xp sp2 可以实现小车对光电传感器的查询，灭火电路的控制，电机方向的确定等功能。

4结论
本文设计的多功能灭火车，以c8051f020为核心，寻线方式采用反射式光电传感器感知与地面颜色有较大差别的引导线，障碍物判断采用集成红外传感器，火源探测利用红外传感器加比较器。

驱动电机采用直流电机，电机控制方式为pwm控制。

电机控制核心采用l298n，控制系统与电路用光电耦合器完全隔离以避免干扰。

能实现从安全区出发，自动检测火源并选择路线灭火，遇到障碍物能够实现智能躲避，三个火源均完全灭掉后按原路回到安全区。

在此过程中遇到不同情况会用不同声音报警，并显示灭火数目和小车的路程。

作者简介
闫胜海，男，1985年4月，毕业于佳木斯大学，助理工程师，电气工程及其自动化专业自动控制方向。