消防小车系统的设计.docx

消防小车系统的设计摘要：本设计以玩具小车为车体,LM3S811单片机为控制核心，加以电源电路、电机 驱动、光电传感器以及其他电路构成实现电动车的智能控制，包括路面寻线、火源检 测、智能避障、智能灭火等功能，寻线方式采用反射式光电对管感知与地面颜色有较大 差别的引导线系统由LM3S811通过PWM制小车的前进后退以及转向寻迹由光电对管 完成，避障用的传感器采用红外反射式继电器控制风扇从而完成灭火功能直至火源 温度降到控制范围内，消防小车回到出发点继续待命本设计结构简单，较容易实现， 但具有高度的智能化、人性化，一定程度体现了智能关键词 ：单片机；红外对管； LM3S811 微处理器；灭火小车The design of fire trolley systemAbstract ：The smart car takes the self-made frame, LM3S811 single-chip microcomputer as the control core, constitutes to power supply circuit, motor drive, photoelectric sensor and power circuit and other circuits. In order to achieve the intelligent control of electric vehicles, which includes road line, fire detection, intelligent obstacle avoidance, intelligent fire extinguishing function, hunting way uses the reflection type pho toelectric guide line ofdifference in perception and the ground color tube. The system controls the car' s forward backward and turn through LM3S811 by PWM. Tracing is done by the photoelectric tube, the sensor avoids obstacles by using the infrared reflection type. Relay controls fan to finish extinguishing function. Fire trolley returns to the starting point to wait until the fire temperature decreases into the controlled range. The design has simple structure, which is easy to realize, but intelligent and humane, partly reflects the intelligence.Key words: MCU ； I nfrared tube ； LM3S811 ； Fire fighting car1 引言1.1 选题的背景和意义火灾在现实生活中是非常普遍的，被称为三大自然灾害之一。

消防人员时时刻刻冲 到第一线，面临生命危险随着科学技术的不断发展，消防车的发展迅速，消防车的发 展经历了一个很长的历史，但是截止目前为止，消防车仍无法完全脱离人工操作随着时代的发展，智能化是以未来发展方向，它可以按照预先设定的模式在一个环 境里自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探等等的用途人工智能已形成 极广泛的研究领域，并且取得了许多令人瞩目的成就人工智能是一门研究人类智能机 理和如何用计算机模拟人类智能活动的学科智能控制技术综合了计算机、控制论、机 构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，集成了多学科 的发展成果，代表高技术的发展前沿智能机器的研究，大大促进了人工智能思想和技 术的进步，渐渐成为一个备受关注的分支领域［1］在这种背景下，智能消防小车就应运 而生实现了对安全防护质量的提高，大大减小了消防人员的危险在智能灭火系统中 通过单片机的控制，可以实现自动化控制，简化了灭火的工作流程，降低了危险此外 灭火小车控制系统的研究也是一个很好的教学平台通过它可以使学生将理论与实际结 合起来，提高了学生的动手能力、创造能力、合作能力和综合能力对我们在智能控制 领域的发展做出了积极的贡献。

在此次毕业设计中，以玩具小车为车体，硬件是以.M3S811为主控芯片，配合直流 电机、光电对管等器件构成，并通过C语言程序代码实现控制小车的各种动作，实现了 小车的自动循迹以及灭火等功能，本设计结构简单，可以根据不同场地进行不同的拓展 或者改进使之更为实用我们相信终有一天在危险的火场，消防员可以不用身陷火中就 能灭火1.2 本课题所涉及的国内外研究现状国际上较早对智能灭火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技术目前已经有很多种不同功能的消防机器人用于救灾现场国际上对智能灭火的研究可分为三个阶段（三代，）第一代是程序控制消防小车，第 二代是具有感觉功能的消防机器人，第三代是智能化机器人［1］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 而且高级智能化消防机器人已经被一些发达国家列入国家发展规划，成为其作为经济发 展的一个重要保证手段我国的智能研究开发开始于20 世纪70 年代初，现在已经历了30 年的历程前十年 处于研究单位自行开展研究工作状态，发展缓慢1985 年后开始列入国家有关计划，发 展比较快。

今年以来许多高校和单位都紧跟世界研究潮流，开展了很多领域的研究与开 发工作，并取得一系列的进展当前，我国已有数以万计的科研人员和大学师生从事不 同层次的人工智能研究与学习，人工智能研究已经在我国深入开展智能小车作为智能 控制的一个部分，也得到了迅速的发展我国智能控制科研事业从实验室走向生产车间 最终战斗在火场，为我国消防装备的发展产生了积极的影响消防装备作为一种重要的 灭火手段，在消防救援中显示出越来越重要的作用1.3 本文的研究内容设计制作一个消防智能小车模型，能到指定区域进行抢险灭火工作以蜡烛模拟火 源，随机分布在场地中基本要求：1) 小车从安全区域启动，自动沿着预设轨道行驶，在行驶过程中能够自动寻检测预设的 轨道，若有偏离，能够自动纠正，返回到预设轨道上来2) 当小车遇到障碍物时，可以自动避开障碍物，从无障碍区通过，通过后继续自动循迹3) 小车自动检测除安全区外场地随机出现火源，并且要求智能小车能够发现火焰并将其 完全扑灭4) 灭火完毕后小车能够返回到安全区域为实现主要条件及技术指标，本文重点研究以下几个方面：消防车的动力系统：要 能使小车准确的前进和转向，且检测到火源后准确地到达火源位置。

火源检测系统：如 何能排除干扰，快速准确地检测到火源并定位灭火控制系统：在精确定位到火源位置 后，如何控制风扇实现灭火功能，还有对小车完成灭火后，顺利回到安全区的情况 2.系统方案选择2.1 方案论证与实现方法2.1.1 控制器选择方案一：采用AT89C51单片机作为主控制器°AT89C51是一个低电压、高性能的CMOS 8位微处理器，软件编程自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制但是C51 需外接模数转换器来满足数据采样，硬件电路相对复杂其运算速度低，功能单一，RAM、 ROM空间小、不稳定等缺点本题目由于小车的颠簸和电机的干扰，需要比较稳定的系统， 若采用89C51需要做RAM，ROM来扩展其内存空间，其硬件工作量必然大大增多另外，51单片机无法仿真，需要用仿真器来实现软硬件调试，较为繁琐方案二：采用FPGA（现场可编辑门列阵）作为系统控制器°FPGA可以实现各种复杂 的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，并且可利用DA软件进行仿真和 调试FPGA采用并行工作方式，提高了系统的处理速度，常用于大规模实时性要求较高 的系统在本设计中小车速度不能过快，故FPGA的高速处理能力得不到充分发挥。

方案三：采用LM3S811单片机作为主控制器°Cortex-M3主要应用于低成本、管脚数 少和低功耗的场合，并且具有极高的运算能力和极强的中断响应能力本次设计需要利 用定时器计算时间，还要完成小车控制，设计到许多中断等复杂问题所以采用Stellaris 旗下Standstorm中系列最具代表的产品 M3S811作为系统的主控芯片，该芯片集成 了 PWM 端口，通过 StellarisWare 软件控制，更加易于上手开发， 能够更好地完 成对各个模块的控制从方便使用和综合性能的角度考虑，选择了方案三2.1.2 车体方案设计方案一：购买玩具电动车购买的玩具电动车具有完整地车架车轮、电机及其驱动 电路但是一般情况下，这种玩具电动车装备紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不 方便，此外，这种电机空载转速差，负载性能差，不易调速，且价格不菲因此我们放 弃了此方案方案二：改装电动车过反复思考论证，我制定了左右轮分别驱动的自制小车，即 左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机驱动这样可实现小车的任意转 弯在安装时确定两个驱动电机同轴，以保证小车平稳，且防止了小车重心偏移的情况 故选择了该方案2.1.3 电机驱动电路方案选择方案一：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。

L298N是一个具有高电压大电流的 全桥驱动芯片，它相应频率高，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5V，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 口通过光耦芯片提供信号；电路简单，抗干扰能力强方案二：对于直流电机用分立元件构成驱动电路由分立元件构成电机驱动电路， 结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛但是这种电路工作性能不够稳定方案三：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进 行调整，此方案设计电路比较简单，但是继电器的响应时间慢，易损耗，寿命较短，可 靠性不高通过比较，使用L298N芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动直流电机，且价格 不高，故选用L298N驱动电机2.1.4 行进黑线的检测方案选择方案一：用光敏电阻组成光敏探测器光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变 化而变化当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发 射较弱因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化将阻值的变化值 经过比较器就可以输出高低电平但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作 因此要考虑其他更加稳定的方案。

方案二：采用简易光电传感器结合外围电路探测，但实际效果并不理想，对行驶过 程中的稳定性要求很高，且误差几率较大，易受光线环境和路面情况的影响，在使用过 程中极易出现问题，而且容易因为该部件造成整个系统的不稳定故排除该方案方案三：采用三只红外对管，红外发射管发出红外线，当光线照射到下方场地上时 会发生反射，由于黑色胶皮和白色胶纸的反射系数不同，光电传感器可根据接收到的反 射光强弱来判断是否偏离白线当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收 管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线 则检测出黑线继而输出高电平这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求根据 传感器状态的变化来判断小车偏离胶纸的情况以及路口的不。