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智能消防电动车论文
智能消防电动车设计与制作
摘要
如今国内外对消防设备的研究越来越重视，投入也越来越多。
慢慢趋向于自动化、智能化。
实现灭火、火场侦察、危险物品泄漏探测、破拆等功能。
本文设计主要完成的功能是扑火救人。
本设计是基于STC89C52单片机对电动车进行控制的自动控制系统，研究的内容有：
主要方案论证、硬件设计、软件设计、系统实物调试。
硬件设计主要有电机驱动电路、热光源采集电路、声音采集电路、电风扇驱动电路、停车信号采集电路、LCD显示电路、电源电路及单片机最小系统。
本系统以STC89C52单片机作为控制核心，通过接受到热光源采集电路传送的信号和声音采集电路传送的信号，对电动车电机进行控制，从而实现对电动车的转向控制。
当两处着火，一处是物品，另一处是人着火；电动车通过声音识别，优先将人身上的火扑灭。
其所实现的功能相当于简易消防机器人。
【关键词】消防车热光源STC89C52单片机LM298ST178
IntelligentDesignandmanufactureofelectriccarsFire
Abstract
Today,fire-fightingequipmentathomeandabroadmoreandmoreemphasisonthestudy,inputmoreandmore.Slowlytendstoautomationandintelligence.Toachievefirefighting,firedetection,hazardousmaterialsleakdetection,ripperandotherfunctions.Thisfunctionisprimarilydesignedtocompletefirefightingtosavepeople.
ThedesignisbasedSTC89C52microcontrollertocontrolforelectricvehiclecontrolsystemtostudythecontentsofthefollowing:
themainprogramfeasibilitystudies,hardwaredesign,softwaredesign,systemdebugginginkind.Hardwaredesign,mainmotordrivecircuit,thermallightsourceacquisitioncircuit,thesoundcollectioncircuit,fandrivecircuit,stoppingthesignalacquisitioncircuit,LCDdisplaycircuit,powercircuitandmicrocontrollerminimumsystem.ThesystemSTC89C52microcomputerasthecontrolcore,throughtheacquisitioncircuitreceiveslighttransmittedthermalsignalandvoicesignalacquisitioncircuittransmissionofelectricvehiclemotorstobecontrolledinordertoachievesteeringcontrolforelectricvehicles.Whenthetwofire,oneistheitems,anotherisahumanonfire;electricvehiclethroughvoicerecognition,giveprioritytothehumanbodyfire.Theyachievethefunctionalequivalentofsimplefire-fightingrobot.
【Keywords】：
fireengine、hotlight、STC89C52MCU、LM298
ST178
绪论
随着电子技术的发展，计算机应用的领域越来越多。
科学计算、工业自动化控制、航空航天领域等。
同时也应用到了我们的实际生活中。
60年代的时候，我们国内的消费设备很简单，一个盆子或者一只桶子和几个扫把。
当森林着了火，房屋起了火，我们只能眼睁睁地看着。
光靠几个水桶起不了任何作用。
随着生活质量和需求的提高，90年代的时候我们有消费车，灭火器等简单的机械式的消防设备。
森林着火，建筑起火坍塌的时候我们依赖它。
但是在相当恶劣的坏境下，温度高达几百摄氏度和建筑随时都会坍塌的情况下，我们却无能为力了。
只能看着生命和财产化为灰烬。
随着科技的发展和提高，消防设备逐渐趋向于自动化和智能化的方向发展，消防机器人出现了。
消防机器人属于特种机器人范畴，它作为特种消防设备可以替代消防队员接近火灾现场实施有效的灭火救援作业，开展各项火场侦察任务，尤其是在危险性大或者消防队员不易接近的场合，消防机器人的应用将大大提高消防部门扑灭恶性火灾的能力，对减少国家财产损失和灭火救援人员的伤亡具有重要的作用。
一旦事故发生,假如没有有效的方法、装备及设施，救援人员将无法进入事故现场,而要冒然采取行动，往往只会造成无辜生命的牺牲,付出惨重代价，在我国消防部门配备消防机器人的问题非常迫切了。
消防机器人的应用将大大提高消防部门扑灭恶性火灾的能力。
国际上较早开展消防机器人研究的是美国和前苏联，稍后，英国、日本、法国、德国、等国家也纷纷开始研究该类技术。
目前已有很多种不同功能的消防机器人用于救灾现场。
国际上对消防机器人的研究可分为三个阶段（三代），第一代是程序控制消防机器人，第二代是具有感觉功能的消防机器人，第三代是智能化消防机器人。
目前，工业发达国家正在加快开发具有不同功能的实用型的第二代消防机器人和第三代低级智能化消防机器人，着手研究第三代高级智能机器人。
一些工业发达国家把研究开发消防机器人列入国家技术发展规划，将它作为经济发展的一个重要保证手段。
日本投入应用的消防机器人最多。
80年代，日本研制了不少于5种型号的自动行驶消防机器人，分别配备于大阪、东京、高石、太田、蒲田等消防部门，这类机器人以内燃机或电动机作为动力，配置驱动轮或履带式行驶机构，能爬坡、越障碍；装有较大喷射流量的消防枪炮，能作俯仰和左右回转；装有气体检测仪器和电视监视设备；通过电缆或无线控制，控制距离最大为100m。
另一类机器人为侦察、抢险机器人，除装有气体检测仪器和电视监视器设备外，还装有机械手，能通过遥控处理危险物品。
美国已研制出能依靠感觉信息控制的救灾智能化机器人，亚利桑诺州消防部门研制的消防机器人，装有破拆工具和消防水枪，能一边破拆，一边喷射灭。
美国的InRobTech公司生产的消防机器人FFR-1在高温环境中具有顽强的生命力，它的冷却系统可以在6000℃的高温环境下使机器人保持在600℃。
根据消防机器人的灭火要求，应具有的基本功能包括以下几个方面：
行驶电机的控制、消防喷枪位置的控制、现场信息的采集、数据处理与通信等等。
消防机器人往往需要在高温、强热辐射、浓烟、地形复杂、障碍物多、化学腐蚀、易燃易爆等恶劣环境中进行火场侦察,因此作为某种特定功能的消防机器人应该具备以下某项或几项行走和自卫功能:
爬坡、登梯及障碍物跨越功能,耐温和抗热辐射功能,防雨淋功能,防爆、隔爆功能,防化学腐蚀功能,防电磁干扰功能,遥控功能等。
本文设计的智能消防电动车实现的功能相当于简易消防机器人，它能同时实现就人和救火功能。
1、系统方案设计
1.1国内外发展情况及其研究意义
目前对消防电动车（消防机器人）达到一定水平，国内首台消防机器人亮相消防实战演练。
但尚未将其投入到实际应用中去。
一方面要求消防电动车越来越“聪明”，不仅仅要可以通过无线人工控制而且能够根据火灾现场的情况，而且要求在无人操控的情况下可以做出各种反应；另一方面消防电动车将更加专业化，因为火灾情况的多样性和复杂性。
各种危险复杂的环境下，在人力所不及之处可以充分发挥其作用，大大减少消防人员伤亡。
因此加大对消防电动车的研究，使其尽快投入到实际应用中去显得非常迫切了。
1.2选题意义及研究内容：
智能消防电动车涉及领域非常多，自动化仪表、智能控制、以及其它相关技术领域。
对研究智能消防电动车的研究显得尤为重要。
尤其是在消防方面，它可以替代消防队员接近火灾现场实施有效的灭火救援作业，开展各项火场侦察任务，尤其是在危险性大或者消防队员不易接近的场合，消防机器人的应用将大大提高消防部门扑灭恶性火灾的能力，对减少国家财产损失和灭火救援人员的伤亡具有重要的作用。
主要研究内容是：
1）智能消防电动车研究的实际意义
2）提出系统设计任务和要求，设计系统总体框架图
3）设计各单元电路的硬件和软件
4）系统实物制作的调试
5）系统效果分析和结论
1.3设计要求
功能要求:
设计一个智能消防电动小车模型，可以自动寻找识别用火灾地点或着火人体，并能优先将人身体火焰扑灭灯功能与动作。
设计要求
能够快速顺利地找到火焰地点，辨别着火点是人还是物，记录扑灭着火地点次数和设计出实物模型并加以演示。
电动车模型参数说明:
车体：
双电机两轮驱动
供电：
蓄电池6.8V
工作电压：
DC5V~6.8V
工作电流：
运动时约240mA
1.4智能消防电动车基本原理
智能消防电动车的基本原理是stc89c53MCU通过接受到热光源采集电路和声音采集电路传送的信号，经信号处理后，对电动车电机进行控制，从而实现对电动车的转向控制。
当两处着火，一处是物品，另一处是人着火；电动车通过分析采集的声音强度信号进行识别，优先将人身上的火扑灭。
在找到热光源时，电动车离热光源一定距离时，停车信号采集电路给单片机发送一个停车信号，从而立即停车，启动电风扇，将火扑灭。
1.5系统总体框图设计
根据设计功能要求本系统要完成关键任务是如何辨别热光源（着火点）是人还是物体并将火扑灭和记录显示所需时间。
其总体结构框图如图1所示。
它由主控制器、热光源采集电路、声音信号采集电路、停车信号采集电路、直流电机驱动控制电路、电风扇启动控制电路和液晶显示电路组成。
图1智能消防电动车系统设计总体结构框图
2、硬件设计
2.1四路热光源信号采集电路设计
方案1：
如图2所示即为利用光敏电阻采集热光源信号电路，其工作原理为：
图2利用光敏电阻采集热光源信号电路图
在无热光源照射的情况下光敏电阻呈高阻态，阻值在100千欧姆以上。
当光源照射时，随着光强增强，光敏电阻的阻值变小，约在2千欧姆以下；随着光强的减弱，光敏电阻的阻值变大，约100千欧姆以上。
因此通过串联电阻分压的原理，将光强的变化转换成电压的变化。
将该信号电压与LM311比较器的参考电压相比较，获得一个光源信号，即将模拟信号转换成了数字信号。
通过调节比较器的参考电压值即可调节信号采集的灵敏度。
输出高电平3.7V（为1）时表示没有采集到光源，输出低电平0.1V（为0）时表示采集到了光源信号。
此电路灵敏度高，但致命的缺陷就是受外部干扰较大，特别是在光比较强的环境容易出现误判的情况。
方案2：
如图3所示为利用红外对管（ST178），电压比较器LM311构成的热光源信号采集电路。
电路工作原理是：
利用红外对管的红外接收管采集热光源信号。
火焰的除了产生可见光之外，还能产生近红外光；红外对管的接收管可采集到火焰的近红外光，而不能采集到可见光。
如原理图所示，当红外对管的接收管采集到热光源信号时，通过电压比较器LM311的第3脚输入，与电压比较器第2脚的参考电压相比较，从而获得是否有热光源的电压信号。
此电路工作稳定，灵敏度高，可靠性强。
但由于器件本身性质，热光源信号采集距离短。
图3利用红外对管构成的热光源信号采集电路图
方案3：
如图4所示，采用红外接收二极管和电压比较器LM311构成的热光源信号采集电路。
电路原理如下：
图4红外接收二极管构成的热光源信号采集电路图
红外接收二极管工作原理是，作红外开关。
二极管和一电阻反向串联在电路中，当有红外光照射到红外接收二极管上时电路接通，红外接收二极管和电阻串联的中点电压相当于电源电压。
当无红外光照射到红外接收二极管上时电路截止，红外接收二极管和电阻串联的中点相当于接地。
该中点电压信号再通过电压比较器参考电压相比较，即可得到光源信号。
实验证明，电路工作时稳定可靠，灵敏度高，受外界环境影响小。
检测距离符合设计要求。
通过实验验证，发现方案3优于方案1和方案2。
方案3解决了方案1不稳定问题和方案二的检测距离的问题。
电路稳定性、可靠性、灵敏性都得到了一定的提高。
因此采用方案3。
如图5所示，电路由四路（左路、中左路、中右路、右路）热光源信号采集电路组成。
电压比较器采用LM393，它集成了四个比较器。
采集热光源信号的主要目的是，通过判断四路热光源信号（高低电平）来控制电动车的运动方向。
当左路采集到信号时（即为低电平0）电动车左转；当中左路或者中右路采集到信号时，电动车直走；当右路采集到信号时电动车右转。
此电路通过寻找热光源，将热光源信号转换成电动车控制信号，从而达到找到热光源。
图5四路热光源信号采集电路图
2.2声音信号采集电路
如图6所示，声音信号采集电路有麦克风（驻极话筒）、带通滤波电路和电压放大电路组成。
麦克风（驻极话筒）将声音信号转换成电压信号，转换后的电压信号经带通滤波放大器，选出音频范围信号20HZ--20KHZ的语音信号，带通滤波放大器又作为前置放大器使用。
音频信号经前置放大后再进行一次电压放大，得到所需的稳定的语音信号。
声音信号经10位串行A/Dtlc1549采集，转换成数字信号输入到主控器中进行数据处理。
图6声音信号采集电路图
2.3停车信号采集电路
方案一：
采用红外对管对火焰的红外光强进行检测，将光强电压信号和参考电压相比较，获得一个脉冲信号，在适当的距离停车。
方案二：
利用超声波，对消防车和火焰处进行距离测量。
超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。
方案一的优越性是能够精确地，在离火灾合适的地方给主控器发送停车信号。
但火势大小即热光源强度会对其产生一些误差。
方案二测量精度高，速度快，可靠性强，但不太适合火灾测距，不能精确地测出消防车离火灾点（火焰）的距离。
经比较该模块设计采用方案一，电路由st178红外对管和电压比较器lm311构成。
工作原理如下：
图7停车信号采集电路图
如果图7所示，红外对管是由红外发射管和红外接收管组成（或者也可以只由红外接收管组成）。
通过红外接收管，对红外光强度进行采集。
当接收管没有接收到红外光时，lm311的第3脚电压约等于电源电压，当接收管接收到红外光，并达到一定光强的时候，lm311的第3脚电压与电压比较器第2脚的参考电压相比较，从而得到强度信号。
通过调节RP2，得到灵敏度高，可靠性强的数字信号（高低电平）。
2.4电机驱动电路
如下图8所示，是以L298为核心组成的电机驱动电路。
采用专用芯片L298作为电机驱动芯片。
L298是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。
L298芯片是具有15个引出脚的多瓦数直插式封装的集成子芯片。
用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。
图8电机驱动电路图
2.5风扇驱动电路和液晶显示电路
如图9所示，电风扇驱动电路由9015NPN型三极管和继电器组成；液晶显示电路由SIP16单排针座和亮度调节电位器组成。
电风扇驱动电路由单片机发出的数字信号来控制9015三极管在截止和饱和两种状态下工作，从而控制继电器（5V\220V）闭合和断开。
从而实现对电风扇的控制。
图9电风扇驱动电路图和液晶显示电路图
选用液晶1602作为显示器件，电路简单可靠。
1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：
阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。
通过发送命令和发送所需要显示字符的代码，即可获得所需显示的字符。
1602液晶显示功能齐全，操作简单。
2.6电源电路
方案一：
通过变压器降压整流获得5V直流电压。
电源是整个系统的能量来源，它直接关系到系统能否正常工作。
在本系统中单片机、液晶显示电路等需要5V的直流电源，因此电路中选用集成稳压芯片7805。
电路如图10所示。
变压器220\18输出18V的交流电压，经全桥整流后输出直流电压，再经7805稳压得到所需的5V直流电压。
7805稳压芯片的最大输出电流为1.5A，能够满足系统的要求，但变压器笨重且和220V交流有连线，大大影响了电动车的正常工作。
图10电源电路1
方案二：
采用蓄电池供电。
采用蓄电池作为电源最大优点是蓄电池可安装在电动车上。
它无需将充当设备和蓄电瓶捆绑在一起，它们可以分离出来，当蓄电池需要充电时，可通过连线将蓄电池充电。
不需要充当时，断开连线。
如图11所示，只需一块7805芯片就可得到所需的5V直流电压，而且电路简单可靠，满足电路电路要求。
图11电源电路2
由方案比较可知，采用方案二可避免变压器笨重和连线等问题，使电路更加简单，操作更方便。
提高了电路的稳定性和安全性。
因此采用方案二。
2.7单片机最小系统电路
如图12所示，主控芯片采用STC89c52单片机，单片机最小系统由时钟电路、复位电路和单片机串口下载电路组成。
图12单片机最小系统
2.7.1时钟源电路
单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。
通常在引脚XTALl和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器。
可以根据情况选择6MHz、12MHz或24MHz等频率的石英晶体，补偿电容通常选择30pF左右的瓷片电容。
2.7.2复位电路
单片机小系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。
上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。
手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。
上电自动复位通过电容C1充电来实现。
手动按键复位是通过按键将10k电阻与VCC接通来实现。
2.7.3串口下载电路
串口下载电路由MAX232芯片和DB9构成。
MAX232芯片是美国美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路。
单片机中的UART和电脑串口RS232的区别仅在于电平的不同，电脑串口采用232电平,而单片机UART则采用TTL电平,RS232是UART的一种就意味着通信协议的格式是一样的,只要电平统一了，单片机跟电脑串口就能进行直接通信。
因此采用RS-232进行电平转换。
3、软件设计
3.1stc89c52的定时/计数器编程的相关寄存器介绍
3.1.1定时器/计数器方式控制寄存器TMOD
定时器工作方式寄存器TMOD用于选择定时器的工作方式，它的高4位控制定时器T1，低4位控制定时器T0。
TMOD
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
GATE
C/T
M1
M0
GATE
C/T
M1
M0
T1
T0
其中：
C/T为功能选择位，当C/T=1时为计数方式；当C/T=0时为计数方式。
M1M0：
T/C工作方式定义位，具体定义方式如下表：
M1
M0
工作方式
方式说明
0
0
0
13位定时/计数器
0
1
1
16位定时/计数器
1
0
2
可自动重装的8位定时/计数器
1
1
3
T0分为2个8位定时器，T1无此方式
3.1.2定时器控制寄存器TCON
TCON控制寄存器各位的定义如下：
TCON
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
其中：
TFO（TF1）:
为T0（T1）定时器溢出中断标志位。
当T0（T1）计数器溢出时，由硬件置位，并在允许中断的情况下，发出中断请求信号。
当CPU响应中断转向中断服务程序时，有硬件自动将该位清0.
TR0（TR1）:
运行控制位。
当TRO（TR1）=1时启动T0（T1）。
该位由软件进行设置。
IE1（IE0）：
外部中断1（外部中断0）请求标志位。
当外部中断到来时，IE1（IE0）由硬件置位。
当响应中断转向外部服务程序时由硬件将IE1（IE0）自动清0.
IT1（IT0）:
外部中断请求1（0）触发方式控制位。
当选择电平触发方式时，IT1（IT0）=0，此时INTx（x=1或0）为低电平有效；若选择为边沿触发方式时，IT0（IT1）=1，INTx则为负跳变有效。
3.1.3中断允许控制寄存器IE
IE控制寄存器各位的定义如下：
IE
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
EA
--
ET2
ES
ET1
EX1
ET0
EX0
EA:
中断允许控制位。
ET2：
定时器2中断允许控制位。
ES:
串行中断允许控制位
EX1（EX0）：
外部中断1（外部中断0）中断允许控制位。
ET1（ET0）:
定时器1（定时器0）中断允许控制位。
3.2系统软件框图设计
如图13所示为整个系统的软件框图，主要完成热光源信号采集、声音信号采集、电动车运动方向控制、液晶显示。
当MCU检测到热光源信号时，根据MCU根据四路不同的信号和声音采集来的信号控制电动车不同的方向运动。
液晶显示电路显示时间计时。
当MCU没有检测到停车信号时，电动车返回到热光源信号检测子程序中去，直到电动小车靠近火焰时，MCU会接受到一个停车信号。
此时停车，启动电风扇，将火扑灭。
是
否
是否停车
是否采集热光源信号和声音信号
图13系统软件框图
4、系统调试与结果分析
整个系统电路由多个独立的硬件模块组合而成，有电源电路、热光源采集模块、声音信号采集模块、驱动模块、显示模块等。
首先对各个独立的模块进行调试，调试成功后结合软件，对整机电路进行测试。
这样结构清晰，也比较容易发现问题所在，节约了大量调试时间，提高了调试效率。
4.1热光源信号采集电路调试
热光源采集电路分为四路，对四个方向的光强进行采集。
根据光强电压转换原理：
光越强，则电压越高；光强越弱，电压越低。
将热光源信号采集模块中的灵敏度调节到最佳状态。
将蜡烛火焰靠近红外接收二极管，调节对应的参考电压的可调电位器，使对应输出指示灯变亮（即接收到了热光源信号，输出低电平）。
再不断改变蜡烛与红外接收二极管之间的距离，将检测距离调节到最远时，达2.1米。
此时灵敏度也最佳。
但是在外界环境光比较强的地方，热光源信号采集电路常出现错误判断。
数据记录如下表1：
测量
输出
左路
中左路
中右路
右路
正确输出
左路
中左路
中右路
右路
测量1
0
1
1
1
0
1
1
1
测量2
1
0
0
1
1
0
1
1
测量3
1
0
1
1
1
0
升级会员 