自动巡航消防小车(WORD)

自动巡航消防小车(WORD) 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 ............................................................ 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 ............................................................ 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 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 2 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。 3 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。 4 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: 5 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。 6 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。 7 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: 8 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。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。另外，DS18B20的规格较小，易于携带。DS18B20外观如下图所示: 图3-7 DS18B20引脚图 9 与单片机的接线图如下图所示 图3-8 DS18B20电路图 DS18B20的2号I/O引脚直接与单片机相连，通过软件可以用液晶显示屏直接显示当前温度。同时，通过软件设定临界值，可以进而由单片机确定是否着火，来控制小车动作。 3.6 报警模块 消防报警车处使用蜂鸣器报警，当避障传感器检测到障碍物在1m以内时，小车上的单片机给蜂鸣器一个频率为f1的信号，使其报警。当在0.5m以内时，小车上的单片机给蜂鸣器一个频率为f2(f2>f1)的信号，使其报警为方便识别报警声。 终端部分当检测到火时利用蜂鸣器发出警报。 图3-9 车载报警模块 图3-10 终端报警模块 10 4 控制原理 4.1控制原理简介: 在本系统中，采用闭环控制实现车道的准确定位。控制原理图如图6所示，单片机接收光电传感器的信号，产生一个误差信号，由该误差信号来控制电机的运行方式，进而控制小车的移动。 +误差规定位置控制小车位置输出信号 —反馈 图4-1 控制原理图 4.2 控制实现过程中的计算: 通过调节PWM的占空比来调节电机的转速，从而控制小车的速度。 经过反复试验，正常行驶时占空比为580:600，由于1m内有障碍物而减速时的占空比为500:600时效果最好。 蜂鸣器报警频率同样也是用PWM占空比来控制。当1m内有障碍物时，使用较低的占空比;0.5米内有障碍物时，占空比增大。并且，终端设备的报警蜂鸣器的PWM占空比外在此范围一外，以防止混淆。 识别火灾报警是通过对DS18B20的返回值进行比较计算来确定的。我们设置的火灾临界温度为50? 。当传感器检测到的温度大于50?时则系统认为该区域发生火灾。 4.3 电路测试 经过对每个模块的逐个调试，电机可以正常转动，液晶能够在确定的信号下显示确定的信息，无线接收和发射模块能实现远程通讯的功能，避障传感器可以对50cm和1m内的障碍物作出反应，蜂鸣器和发光二极管能够实现报警的功能。光电对管寻迹模块可以对黑线做出灵敏的电平反应。温度传感器可以对沿途的温度做出准确测量和实时显示。光敏电阻能够对外界明火做出准确反映。 11 5 软件设计 车载系统终端系统 开始开始 系统初始化系统初始化 接收握手信号发送握手信号 接收信号发送当前信息 NY温度采集着火, 显示到达区域显示着火区域显示温度 声光报警 行迹有偏差, NYN黑线在左边, Y区域标志, 右转左转 N Y有明火 前方有障碍,N Y 减速 声音报警 N 距离,=0.5m, Y 停车 图5-1 程序流程图 12 6 整体测试 将各个模块组装于车上之后将小车置于黑色轨道上，令其沿黑色轨道运行，在运行过程中用光源照 射或用某种方式升温后小车的火警报警灯亮，同时终端发出火警报警信号，液晶显示器显示出当前着火 地点的地区编号。在小车前行过程中，一米以内、0.5米以外有障碍物时，小车能够自动减速，0.5米 以内有障碍物时小车能够自动停车。 测试的结果记录: 情况 反应 自动寻迹 能够通过光电导航正确寻迹 小车的速度 4m/min左右 转弯半径 小于0.5m 偏航误差 小于5cm 遇到1m内障碍物 自动减速鸣笛 遇到0.5m内障碍物 停车，鸣笛警报声变快 障碍物离开时 小车继续行走报警声消除 沿途温度测试 数码管能实时准确显示当前温度 远程数据传输 正常准确的传输 探测到明火 结合其他信息分析火情后发送数据 遇到区域特征标识 能够正确识别小车所处区域 火灾时终端反应 存储记录火灾发生位置和时间 13 7 结束语 本题不仅要求传感器进行探测，将反馈信号传输给单片机对小车进行控制，而且需要终端根据存储数据进行分析，这就需要两块单片机控制单元。另外对于整车的设计，尽量要将传感器.电机.控制单元的位置设计安装恰当到位，做到物理结构最优。 实际测试中，我们完成了小车的自动导航功能，可以使小车按照事先规定的路径自动寻迹，直线和拐弯效果俱佳，小车可以根据航迹特征识别所走过路径的位置，并对火灾位置进行自动传输，终端液晶显示火灾位置。避障部分实现了1m减速报警，0.5m停止报警声加快，障碍物离开时小车继续行走，同时消除报警。小车能够实时探测温度和火光信息，利用无线将信息从车传送到终端，进行火情的综合分析，终端根据火情做出报警等措施。 由本车的功能，想到本车在实际中的应用。本车具有的自动巡航消防报警车功能不仅可以作为实际消防巡逻车模型，还可以直接将实物(电池改为可充电式)用于大型仓库，大型图书馆等场所的夜间无人巡逻监控，值班人员只需在总控台就可以监控所有地点有没有火灾，降低管理成本，并有效保证各场所的安全。 参考文献 【1】吴庆生.单片机原理与应用.成都: 电子科技大学出版社，1999 【2】黄智伟.全国大学生电子设计大赛丛书之电路设计.北京:北京航空航天大学出版社，2006 【3】刘征宇.大学生电子设计竞赛指南.福州:福建科学技术出版社，2009 14 附录 表1元器件清单 元器件名称 型号 数量 单片机 STC89C52 两块 自制小车 —— 一部 电池 9V 两套 电源转换模块 9V转5V 两套 无线收发模块 PT2262/SC2272 一对 红外对管 —— 两对 电机 直流电机 两个 光敏电阻 —— 若干 红外传感器 Tcrt5000 两个 电机驱动芯片 L298N 一块 蜂鸣器 —— 两个 放大器 LM324 若干 电阻 —— 若干 电容 —— 若干 排针 —— 若干 排线 —— 若干 15 附图?模拟场地图 火灾 ?号区 ?号区终端 ?号区?号区 消防站单行 出发障碍火灾 16