基于单片机智能灭火电动小车设计

广西民族师范学院物理与电子工程学院 苏三杰 陆炳先 凌永国

0 引言

随着科学技术的发展，科学技术已经在很多方面代替了人力资源，而火灾在现实生活是非常普遍的，它被称为三大自然灾害之一，消防人员时时刻刻冲到第一线，面临生命危险，在这种背景下，智能灭火系统应运而生，实现了安全防护质的提高，也大大地减低了消防人员的危险。

1 智能灭火电动小车系统结构

本次设计以STC89C52单片机芯片作为核心设计芯片，通过超声波测距模块进行测距，根据障碍物的距离与方向，控制小车进行左转、右转、前进、后退等动作实现避开障碍物，火焰传感器模块采集火焰发出的红外光，经过电路转换、比较器电路识别是否发现火源。如发现火焰则调整电动小车的位置使其喷水装置对准火源口，并启动喷水装置进行喷水灭火。

本次设计由TC89C52单片机主控模块、超声波传感模块、红外传感模块、电动小车驱动模块、灭火模块、显示模块、电源模块组成。其系统框图如图1所示。

图1 系统结构

2 硬件模块

（1）主系统模块

单片机STC89C52型号是STC公司生产的一种高性能、低功耗的CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。

STC89C52单片机最小系统如图2所示，其包含了电源电路、晶振电路和复位电路。

（2）电源模块

本次设计供电分为三部分供电，单片机工作电压在5V，电动小车电机工作电压为5-8V。采用两节3.6V可再充电锂电池串联的方式给小车电机供电。为了节省小车主板空间，采用7805芯片降压方法对两节锂电池的电压降压至5V再给单片机供电。电源模块电路图如图3所示。

图2 AT89C52单片机最小系统

图3 电源模块电路图

（3）电机驱动模块

STC89C52单片机输出电流低，不能满足马达正常运转的条件需求，本次设计的马达采用型号为HC01-48，规格为双轴，减速比1:48，扭力为0.8KG.CM，要使电机正常运转并能带动小车以及小车上的各个模块，采用了L293D电机驱动芯片对小车电机进行驱动。其小车驱动电路如图4所示：

图4 电机驱动模块

（4）寻火模块

寻火模块为红外传感器和LM393双电压比较器集成电路组成，寻火模块的工作原理为红外接传感器采集火焰发出的红外光信号，当检测到火焰发出的红外光时，红外传感器做出反应，寻火模块将光信号转换成单片可读取的电信号，输送给单片机进行处理。当靠近火焰或远离火焰时，红外接收模块在一定的压值内便会经过LM393比较器输出高或低电平。本次设计中，传感器发现火焰模块便输出低电平到单片机，单片机进行处理后便进行下一步动作，停车报警或进行灭火，这样便实现了寻火功能。其模块电路图如图5所示：

图5 寻火模块

为了精确判断火源的位置，本次设计采用左中右三路红外传感器构成三路寻火模块，左右两侧传感器发现火源时，便调整小车位置，直至中间的传感器对准火源即可进行灭火动作。

（5）灭火模块

灭火模块使用3D打印技术，制作整个灭火模具，使用的是12V锂电池供电，12V喷水电机以及5V控制继电器。灭火过程为：火焰传感器继电器发现火焰，输送信号给单片机，单片机输出信号给继电器，继电器控制12V锂电池供电给抽水灭火电机工作，电机抽取水箱中的水对准火焰进行喷射，直至火焰熄灭不在感应到火焰，则达到寻火灭火功能。灭火模块采用3D打印技术，自行制作契合小车的模型，其模型如图6所示：

图6 灭火模块

（6）避障模块

避障模块选用超声波传感器，其工作电压在DC5V，静态电流小于2mA，电平输出为低0V，感应角度不大于15度，探测距离在2cm至450cm，最高精度可达3mm。其工作原理是采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号；模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。其模块原理图如图7所示：

图7 超声波测距模块

该模块的工作时序图如图8所示：

图8 超声波时序图

其测试距离公式：测试距离=（高电平时间*声速（340M/S）/2）；其模块使用接线简单，但效果明显，一个控制口发一个10us以上的高电平，就可以在接受口等待高电平输出。已有输出就可以开定时器计时，当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此时就为此次测距的时间，就可以算出距离。

3 系统软件设计

软件设计使用的是C语言编程技术，使用模块化的程序设计方法在keil平台下完成。其主要软件模块分为小车驱动模、避障模块、寻火（灭火）模块。其程序流程图如图6所示：

图9 程序流程图

4 结语

本次设计用STC89C52单片机芯片作为主要的控制芯片，用7.2V电源经7805芯片降压给单片机供电，硬件软件均采用模块化设计，分为电机驱动模块，超声波避障模块，红外传感寻火模块，灭火模块，使用显示模块对数据进行显示，供给参考作用。首次结合使用3D打印技术，为小车制作模具，经过调试和设计，最终设计出一台灭火智能电动小车，本次设计具有良好的避障功能，并可以很好的实现寻火，灭火功能，具有一定实用价值。

[1]魏鸿磊.单片机原理及应用[J].上海:同济大学出版社,2015,5.

[2]四少无极.STC89C52百度百科[EB/OL].百度百科,2017-06-23.