自动巡航消防小车

自动巡航消防车长安大学参赛队员：昝超夏生健马淼目录第一章引言 (2)第二章系统方案 (2)第一节系统整体框图 (2)第二节控制核心CPU的选择 (3)第三节电机选择 (3)第四节终端显示 (4)第五节寻迹传感器的选择 (4)第六节温度传感器的选择 (5)第三章硬件设计 (5)第一节电源模块 (5)第二节电机驱动模块 (6)第三节通讯模块 (7)第四节避障模块 (8)第五节温度感测模块 (9)第六节报警模块 (10)第四章控制原理 (11)第一节控制原理简介： (11)第二节控制实现过程中的计算： (11)第三节电路测试 (11)第五章软件设计 (12)第六章整体测试 (13)第七章结束语 (14)参考文献 (14)附录 (15)1 引言1987年5月6日，黑龙江省大兴安岭地区的西林吉、图强、阿尔木和塔河4个林业局所属的几处林场，同时起火，引起建国以来最严重的一次特大森林火灾。

据初步统计，过火面积达101万公顷，其中有林面积近70％。

烧毁房舍61.4万平方米。

内含居民住房40万平方米，贮木场4处半，林场9处，存材85.5万立方米，烧毁各种设备2488台，粮食650万斤。

受灾群众5万多人，死亡193人，受伤226人。

这次森林火灾是由于黑河市组织点燃“防火线”跑火之后火势失控引起的。

防火线点燃以后工人需要撤离现场，所以当发现火势失控时，或是已经迅速蔓延，成为火灾。

如果当时已经具有成熟的自动巡航消防车能实时监测火灾，及时发现火情，发现出火警警报，将有可能使火灾损失减小到最小，避免人身财产的损害和环境危害。

近年来随着自动化产业的迅速发展，使得自动巡航车的实现成为可能。

很多企业都在研制开发智能自动无人驾驶车。

我们的自动巡航消防报警车就是基于无人驾驶的理念设计的。

如果这种车真正投放生产，将在森林、草场等火灾多发地点广泛应用，节省不少人力，保护林区居民的人身和生命财产。

2 系统方案本题设计的消防报警车，以光电引导系统实现自动巡航功能，来辨别消防报警车的路径，调整车的路径。

通过红外反射式传感器感测障碍物，进行调整行车状态。

用无线收发模块进行无线通讯，将火灾分析数据传输至终端设备。

通过温度传感器和光敏电阻模块来实现对火灾的探测，根据温度和火光的数据分析火情的大小。

实用单片机作为远程终端设备，并使用液晶显示屏做显示设备。

同时根据长期巡航的数据分析火灾易发点。

2.1系统整体框图图2-1 系统整体框图2.2控制核心CPU的选择方案一：采用STC89C52系列单片机来作为小车的控制模块和远程的终端设备，这种单片机控制方法简单、成熟，价格便宜，应用广泛，各种功能相对齐全，能实现题目中所要求的控制功能。

方案二: 采用MSP430系列单片机，这种单片机具有强大的处理能力，是一种16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（ 7 种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令。

但其供电电压为3.3V,且价格较为昂贵，性价比不高。

由于方案一已经足以满足本题要求，考虑到性价比，我们选择了方案一。

2.3电机选择方案一：采用步进电机。

步进电机具有快速启动和停止的能力，只要负荷不超过步进电机所提供的动态转矩，就能立即使其启动或反转，而且步进电机的转换灵敏度较高，正转、反转控制灵活，但是步进电机的价格比较昂贵，会降低系统总体的性价比。

方案二：采用直流电机。

直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便、调整范围广等诸多优点。

并且直流电机能实现本次设计的要求，价格适宜，硬件电路和软件控制都相对简单。

因此我们采用直流电机作为本系统的动力源。

2.4终端显示方案一：采用液晶屏做显示模块，液晶既可显示汉字信息又可显示字符信息，方便用户读取，并由终端设备控制所要显示内容如：“1号区着火了！”“2号区着火了！”。

方案二：采用七段数码管作显示模块，功耗小，价格低，但是不能全部显示出题目要求的内容。

因此我们选择方案一用液晶屏做显示模块。

图2-2 液晶12864电路连接图2.5 寻迹传感器的选择方案一：光电传感器做导航，通过感测黑线来判断小车的位置并反馈到单片机来控制小车的行进路线。

设计中我们采用两个光电传感器模块并将其放置在车体两边，实行同时检测。

图2-3光电传感器方案二：摄像头寻迹，探测距离远，但是其图像处理等对单片机的负荷大，调试比较复杂。

因此，我们采用光电传感器做导航。

2.6 温度传感器的选择方案一：采用热敏电阻来感受小车沿途的温度。

但是一般的热敏电阻不容易控制，并且不容易把温度的变化准确的转化为摄氏温度的数字量输出。

且一般的温度传感器没有那么精确，所以使用起来误差会比例较大，而且还要使用A/D转换。

A/D转换本身对算法的要求很高，会有较大的误差，从而不能可靠地对火灾现场的温度进行准确的反映。

方案二：采用数字温度传感器DS18B20。

DS18B20数字温度传感器提供9位温度读数,对应的可分辨温度为0.5°C。

并且其采用独特的单线接口方式，它与单片机连接时只需要一条口线即可实现单片机与DS18B20的双向通信。

测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给单片机，同时可传送CRC校验码，具有较强的抗干扰纠错能力。

因此，我们选用了DS1820作为本系统的温度传感器。

3 硬件设计3.1电源模块选用9V电池给系统供电，由于单片机和电机驱动模块都需要都需要5V电源，所以我们需要一个9V 转5V的电路。

我们采用的是7805稳压芯片，芯片外形如图所示：图3-1 7805芯片在芯片的1、3两脚分别对2脚地接一个220uF的电容，1、2脚之间输入9V输入电压，则在3、2脚之间即可得到5V输出电压。

电路图如图5所示：图3-2 电源转换模块3.2电机驱动模块3.2.1电机驱动方案的选择方案一：采用继电器对电动机的开关控制，通过控制开关的切换速度来对小车的速度进行调整。

这个方案的优点是实现电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易于损坏，寿命较短、可靠性低。

方案二：采用电路网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调整速度的目的，但是组织网络只能是先有极调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，且可能存在干扰，更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现相对困难方案三：采用芯片L298N集成的四个大功率晶体管组成的H桥式电路，四个大功率晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制使之工作在开关状态，进而控制电机的运行。

该控制电路效率非常高，并且大功率晶体管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的电路。

通过上述分析，我们选择了方案三。

3.2.2电机驱动电路L298是SGS公司的产品，内部同样包含4通道逻辑驱动电路，可以方便的驱动两个直流电机或一个两相步进电机。

L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。

L298可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4.5～7V电压。

4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2.5～46V。

输出电流可达2.5A，可驱动电感性负载。

1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。

L298可驱动2个电动机，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间可分别接电动机。

5、10脚接输入控制电平，控制电机的正反转。

EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。

L298芯片的使用方法为：11脚为高电平，当10脚电平高于12脚时，13脚、14脚端电机正转；12脚电平高于10脚时，电机倒转；11脚为低时，电机自由控制。

L298N的电路连线图如图6:图3-3 直流电机驱动电路两个直流电动机分别直接与小车的驱动轮相连，置于小车的底部，直流电机转动，则可以带动小车的轮子转动。

只要控制小车的两个轮子旋转的速度不同，便可以控制小车转弯。

直流电机的电压由单片机通过PWM供给，通过改变PWM的占空比可以直接控制小车的行驶速度和转向。

3.3通讯模块由于该设备用于移动的车上且移动距离较远（>50m），从而只能采用无线通讯设备。

我们使用的是编码解码芯片PT2262和SC2272。

PT2262和SC2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262和SC2272最多可有12位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平),任意组合可提供531441地址码,PT2262最多可有6位(D0-D5)数据端管脚,设定的地址码和数据码从Dout串行输出，可用于无线遥控发射电路。

图3-4 无线发送电路图3-5无线接收电路编码芯片PT2262发出的编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片SC2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直有高电平，编码芯片也会连续发射。

当发射机为低电平时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有高电平时，PT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号。

将编码芯片PT2262装于小车上，解码芯片PT2272装于终端设备，利用软件，当发现有火情时，小车发出携带火情的信号，是终端设备在接受到火情数据后报警鸣笛。

3.4 避障模块避障部分是用的红外对管，基本原理就是电路通过红外管发射红外线，接收管接收，当前面有障碍物的时候，红外线会被反射回来，同时就会被在一起的接收管接收到，并将相应单片机I/O口置为高电平，通过程序检测红外管的编号，来控制电机的转动情况（减速、停止等），从而实现避障。

红外对管的电路图如下：图3-6红外避障对管由于要求当障碍物距离小车1m时小车开始减速，并鸣笛报警报，当障碍物距小车距离小于0.5m时，小车停止，鸣笛警报声变快。

所以需要两个红外管。

通过外围电路的调节，使其中一个的测距距离为1m，另一个的测距距离为0.5m。

通过不同的接口将信号输入单片机，进而控制小车的动作。

3.5 温度感测模块温度感测模块应用DS18B20温度传感器,DS18B20是数字温度传感器，可以直接将与温度有关的数字量出入到单片机内部，而无需再使用A/D转换。

DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度范围在-10到+85°C范围内,精度为±0.5°C。