智能消防车设计与总结报告学校：参赛学生：学院：目录一、摘要 (2)二、比赛要求 (3)三、系统方案 (4)1.解决方案设计 (4)2.各部分设计 (4)1)车体设计 (4)2)控制器模块 (5)3)电机模块 (5)4)电机驱动模块 (5)5)循迹传感器模块 (5)6)火焰传感器模块 (5)7)电源模块 (5)8)显示模块 (6)9)报警声音模块 (6)10)灭火模块 (6)11)创新功能 (6)12)总体设计 (6)四、系统硬件设计 (7)1.控制器模块 (7)2.电机驱动模块 (7)3.循迹传感器模块 (8)4.火焰传感器模块 (8)5.电源模块 (9)6.显示模块 (10)7.报警声音模块 (10)8.灭火模块 (11)9.语音模块 (12)10.电池保护模块 (13)五、系统软件设计 (14)六、系统功能测试 (16)测试一：小车循迹 (16)测试二：直角处转弯 (16)测试三：液晶屏显示 (17)七、创新功能 (18)1.电源警报 (18)2.语音提示 (18)八、结语 (19)九、参考文献 (19)一、摘要本系统采用STC12C5A60S2单片机作为主控制芯片，以L298N作为直流电机驱动芯片，通过PWM控制智能消防车的驱动电机，本设计可实现智能消防车循迹进入场地，绕过障碍物，检测火焰，发出报警并将火焰熄灭返回仓库，以及在此过程中通过液晶屏显示提示信息等功能。
整个系统在设计中注意低功耗处理，同时力求高性价比等细节，电路结构简单，可靠性能高，在结构和技术上具有一定参考价值。
关键词：单片机循迹灭火液晶屏本设计主要特点：1.所用元器件简单，稳定性好2.低功耗电源设计，有效降低系统功耗。
3.信息采用LCD汉字显示，清晰、直观二、比赛要求注：图中A为车库，B为指定地点，C、I、J为点燃的蜡烛（模拟火源），D、E、F、G、H为5个障碍物，黑线为模拟街道。
1.在场地大面积黑色区域随机放置一只蜡烛和一个障碍物。
消防车从车库A出发至该区域，绕过障碍物，自动搜索火源，执行灭火任务。
灭火完成后，沿原路返回车库。
2.在场地大面积黑色区域随机放置两只蜡烛和两个障碍物（大致位置见示意图）。
消防车从车库A出发至该区域，绕过障碍物，自动搜索火源，执行灭火任务。
灭火完成后，沿原路返回车库。
3.显示消防车完成步骤（2）或（1）所用时间。
4.上述过程用时尽可能少。
5.其它特色与创新。
三、系统方案在全黑区域灭火需设计小车遇到障碍物后的避方案一：购买整体小车底盘。
这种车体质量好，设计比较合理，并留有合适的传感器安装位置，且稳定可靠。
成本较高。
方案二：采用玩具小车改装。
这种车体已安装电机等装置，外观比较好看，但是一般速度比较快，而且由于转弯方式等限制，不易用单片机控制。
并不适合此次设计。
方案三：自制小车底盘。
能够有效降低成本，而且能够根据需要设计车体，方便电路设计和传感器安装。
但精确度不高，比较粗糙，性能不太稳定。
综合各方案的优缺点，同时比较方便地找到了一个小车底盘，结合实际，采用方案二、方案三结合的方法，对现有小车底盘进行一定改装，能够较好满足此次设计要求。
2)控制器模块此部分为小车的核心部件，需对传感器进行信息处理，控制小车完成各种动作，同时驱动各个模块协同工作。
考虑到电机的驱动问题，至少需要两路PWM控制两个电机，同时考虑到51内核单片机具有价格低廉，简单易用，资料丰富等特点，决定采用STC公司的STC12C5A60S2单片机。
3)电机模块电机是小车一系列移动动作的基础，制定如下方案：方案一：采用步进电机。
实现物体的精确定位和方向控制，但成本较高，比较适合精度要求较高的场合。
方案二：采用直流电机。
直流电机加上合适的减速箱后，可以实现较为合适的速度，并通过PWM信号进行控制，完成加速减速。
但是无法实现较为精确的动作，可通过传感器实时反馈进行校正。
考虑到成本、体积等问题，决定采用方案二。
4)电机驱动模块由于单片机不能直接驱动直流电机，需要电机驱动模块。
方案一：采用分立元件焊接电机驱动模块。
此方案成本较低，但是稳定性不高，一旦出现故障，分立元件电路的检测和修理会极为繁琐。
方案二：采用集成驱动芯片L298N。
成本较高，但芯片外围电路焊接简单，性能较好，稳定性较高。
综上采用方案二。
5)循迹传感器模块虽可以采用“光敏电阻+发光二极管”的组合，但是自然光很容易对这样的组合造成干扰，影响效果。
于是此模块决定采用较为常用的红外反射式光传感器TCRT5000。
6)火焰传感器模块根据火焰处的红外线强度比较高，此模块采用5mm红外接收管，通过检测红外线强度，来确定火焰位置。
7)电源模块较为通常的方法是采用三端线性稳压器，但其工作方式不可避免地增大了电路的总功耗，并且需要安装散热片，造成模块体积较大。
因此此次决定采用效率更高的开关型降压稳压器。
LM2576应用时比较简单且外围元件较少，内置频率补偿电路和固定频率振荡器。
可以高效的取代一般的三端线性稳压器，它能够充分的减小散热片的面积，在一些应用条件下甚至可以不使用散热片。
因此主电源模块决定采用LM2576-5，稳压后5V电压除为大部分电路提供能源外，还通过AMS1117-3.3输出 3.3V电源，供 3.3V器件使用。
电机驱动采用LM2576-ADJ芯片，通过调整2576-ADJ的输出电压，对小车整体速度进行调整。
8)显示模块方案一：数码管显示。
采用数码管，价格比较低，显示效果明显醒目，但是显示信息量少，驱动程序较繁琐，端口太多，功耗也太大。
方案二：液晶屏显示。
液晶屏驱动较为简单，显示信息量大，功耗低。
综上以液晶屏为显示模块。
较常用的并行1602液晶屏，12864液晶屏虽然驱动简单，应用资料丰富，但是直接驱动占用端口资源较多，本系统宜采用串行LCD 模块，同时为了降低成本，采用LCD5110显示。
9)报警声音模块方案一：以录音芯片为基础组建。
采用单段录音芯片录音重复播放，从而实现连续的警笛声。
成本较高，外围电路较复杂。
方案二：以专用语音芯片为基础组建。
采用专门的语音芯片发出报警声。
一般此类型芯片价格较低，外围电路也较为简单。
综上，采用专用语音芯片，经筛选，以CK9561最合适，可以较为简单地发出警笛声。
10)灭火模块从简单、易控的角度出发，采用电机带动风扇的灭火方法，考虑到功耗问题，采用N20微型电机即可，由于风扇结构较为简单，可自己制作。
11)创新功能语音模块需采用多段语音芯片，考虑到性价比，易控性等因素，决定采用带SPI 控制模式的ISD1760多段芯片录放芯片。
电池保护模块能够实现电池电压监测即可，因此可采用电压比较器与基准电压比较，获得输出信号，传输到单片机，并由单片机控制采取相应措施保护电池。
12)总体设计a)通过改装小车底盘来制作合适的车体b)以STC12C5A60S2单片机为主控芯片c)以L298N驱动直流电机控制小车移动d)以TCRT5000红外反射管为基础设计循迹模块e)用红外接收管检测红外线实现火焰探测f)采用LCD5110显示信息g)以CK9561实现报警声h)基于N20微型直流电机设计灭火模块四、系统硬件设计1.控制器模块采用STC12C5A60S2单片机控制，其最小系统电路图如下：在实际制作中，为了充分利用空间，最小系统元件多采用贴片封装元件，且焊接在IC座内，充分利用了空间，为以后的扩展打下了良好的基础。
制作完成图片如下：2.电机驱动模块以集成驱动芯片L298N为核心的驱动模块，外围电路简单，其电路图如下：制作完成实物如下图：3.循迹传感器模块采用红外反射管的循迹传感器模块，通过电压比较器来调节触发电压，输出端接单片机I/O口。
单个传感器原理图如下：4.火焰传感器模块通过红外接收管感应红外线强度，经过电压比较器后将输出输入单片机，其原理图如下：完成实物如下：5.电源模块分为5.0V和3.3V及电机驱动6.0V三个模块，其原理图分别如下：5V电源：6V电源：3.3V电源模块：主电源模块体积可以有效缩小，实物如下：6.显示模块5110为串口不带字库48×84矩阵LCD，控制简单，共只需6条数据线和两条电源线，能有效节省单片机端口占用，降低硬件连接复杂程度，其实物如下：7.报警声音模块经测试CK9561在通电情况下不能停止发声，故通过一个三极管控制CK9561的电源通断来控制声音的开关，电路图如下:焊接完成后的模块正面：8.灭火模块用为降低功耗，采用场效应管驱动N20微型直流电机，经测试完全满足要求，其电路如下：制作完成的实物如下：9.语音模块本模块采用ISD1760语音芯片，单片机通过SPI与1760芯片进行通信，其电路图如下：实物如下：10.电池保护模块电池保护模块一LM393为核心芯片，通过检测电池电压，实现对电源的检测电路图如下：完成实物图如下：五、系统软件设计小车在工作中，依据规定流程分为几个不同的阶段，各个阶段中分别根据不同的传感器返回信息进行移动和操作，直到回到仓库后停止。
附:智能消防车完成图系统流程图如下：软件设计时，每个模块分别放在各自的头文件里，程序结构如下图：motor.h：电机驱动模块头文件，包括直行、左转、右转等基本电机动作函数。
sensor.h：传感器处理头文件，包括各种传感器信息的解码函数，返回译码后的无符号char型数值指示传感器的状态。
lcd5110.h：LCD5110驱动头文件，包括所需的初始化函数和显示函数等。
timer.h：定时器头文件，包括定时器的初始化等操作函数。
control.h：各种集成后的一系列动作的头文件，包含如循迹、绕边、灭火等单个完整动作的函数。
voice.h：语音文件头文件，包括语音芯片的SPI控制等功能。
isd1760.h：ISD命令定义头文件，包括对ISD1760芯片SPI控制模式下，各个命令的宏定义。
另附完整代码，见附件。
六、系统功能测试测试一：小车循迹测试场地：自制胶条跑道测试结果：小车基本可以循迹，但是左右摇摆严重，且转弯处容易冲出跑道。
问题分析：经仔细观察发现前动力轮，后万向轮的车体结构比较不稳定，同时高、低速差异过大，容易造成左右摇摆。
解决方案及结果：改良车体结构，对调减速电机与万向轮的前后位置，同时调整PWM方案，使小车行进更加平稳。
测试二：直角处转弯测试场地：自制黑色区域测试结果：小车可以及时产生转弯动作，但会冲出跑道黑色区域问题分析：由于黑色区域边角是直角，较常规转弯不能及时完成角度调整，导致冲出黑色区域解决方案及结果：不再采用常规转弯方式，而是采用两个电机以相反方向转动，进而实现原地旋转，旋转时不再前进，完全避免了冲出黑色区域的问题。
测试三：液晶屏显示测试模块：LCD5110液晶模块测试结果：液晶屏可以正常显示，但整体发黑，影响效果问题分析：资料表明，3.3V供电LCD5110模块在+5V供电的情况下，屏幕会出现发黑现象，于是推断，电源电压过高会导致屏幕发黑。
