課程設(shè)計(jì)：智能消防車(chē)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、 校十期課題 題 目： 智能消防車(chē) 專(zhuān) 業(yè)： 電子信息工程 班 級(jí)： 電信061 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 06220312 指導(dǎo)老師： 成 績(jī)： ( 2009.3)智能消防車(chē)目錄摘要 2關(guān)鍵詞 21 設(shè)計(jì)任務(wù) 22 模塊設(shè)計(jì) 32.1 系統(tǒng)框圖32.2 模塊方案論證比較3 2.2.1車(chē)載控制器模塊32.2.2 尋跡模塊32.2.3 避障模塊42.2.4 尋火模塊42.2.5 滅火模塊42.2.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊52.2.7 測(cè)速計(jì)程模塊52.2.8 車(chē)載顯示模塊52.2.9 無(wú)線收發(fā)模塊52.2.10站臺(tái)顯示模塊 53 最終設(shè)計(jì)方案 6 4 硬件電路設(shè)計(jì) 64.1 主控制器模塊 64.2 尋跡模塊

2、64.3 車(chē)載顯示模塊 74.4 數(shù)據(jù)處理和風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)模塊 74.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 84.6 無(wú)線通信模塊 84.7 站臺(tái)控制模塊 85 軟件設(shè)計(jì)96 結(jié)論 97 結(jié)束語(yǔ) 98 參考文獻(xiàn)10附錄 實(shí)物圖片 11 智 能 消 防 車(chē)摘要：智能消防車(chē)是以stc單片機(jī)為控制核心，加以直流電機(jī)、尋跡模塊、避障模塊、尋火模塊、滅火模塊、顯示模塊、無(wú)線模塊以及其他電路構(gòu)成。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)，由stc89c58rd控制兩個(gè)直流電機(jī)來(lái)控制消防車(chē)的車(chē)速和運(yùn)行方向。在由控制平臺(tái)發(fā)出控制命令后，消防車(chē)開(kāi)始運(yùn)行，消防車(chē)找到火源后由滅火模塊滅火，再通過(guò)無(wú)線模塊將滅火數(shù)目和行駛路程以及其他信息遠(yuǎn)程傳送給顯示臺(tái)。在滅火完畢后，

3、消防車(chē)自動(dòng)返回到起點(diǎn)等待下一次命令。關(guān)鍵詞：stc89c58rd 直流電機(jī) 尋跡模塊 避障模塊 尋火模塊 滅火模塊 顯示模塊 無(wú)線模塊 無(wú)線通信 1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)制作一個(gè)消防智能小車(chē)模型，能到制定區(qū)域進(jìn)行搶險(xiǎn)滅火工作。以蠟燭模擬火源，隨機(jī)分布在場(chǎng)地中，場(chǎng)地如圖1-1所示： 圖1-1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地（1）智能小車(chē)從安全區(qū)域啟動(dòng)，自動(dòng)尋找到火源并顯示。（2）在火源區(qū)智能小車(chē)能夠發(fā)現(xiàn)其中火焰并將其撲滅。（3）能夠自動(dòng)計(jì)算和顯示撲滅的火源數(shù)。（4）能夠自動(dòng)計(jì)算和顯示路程。2 模塊設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)框圖根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)主要由直流電機(jī)、尋跡模塊、避障模塊、尋火模塊、滅火模塊、顯示模塊、無(wú)線模塊以及其他電路構(gòu)成本

4、系統(tǒng)的方框圖如圖2-1所示：圖2-1 系統(tǒng)方框圖2.2 模塊方案比較論證2.2.1車(chē)載控制器模塊方案1：采用可編程邏輯器件cpld作為控制器。cpld可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、io資源豐富、易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模控制系統(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經(jīng)濟(jì)的角度考慮我們放棄了此方案。方案2：采用atmel公司的at89c51單片機(jī)作為主控制器。at89c51是一個(gè)低功耗，高性能的51內(nèi)核的cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k空間的可反復(fù)擦些1000次的

5、flash只讀存儲(chǔ)器，具有256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram），32個(gè)io口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器。方案3：采用stc 89c58rd+單片機(jī)作為主控制器。stc單片機(jī)與atmel公司的單片機(jī)指令完全兼容，而且stc單片機(jī)內(nèi)部電源供電系統(tǒng)、時(shí)鐘和復(fù)位電路經(jīng)過(guò)特殊處理，解決了很多干擾從電源、時(shí)鐘和復(fù)位電路進(jìn)入單片機(jī)的憂慮。因此，stc單片機(jī)具有更強(qiáng)的抗干擾能力。在實(shí)際應(yīng)用中，由于外部的干擾，單片機(jī)的串口通信和無(wú)線通信可能會(huì)受到環(huán)境的干擾，從而導(dǎo)致信息的傳輸錯(cuò)誤，而stc單片機(jī)就具有超強(qiáng)的抗干擾能力，其功能齊全，內(nèi)部資源豐富，能夠滿足系統(tǒng)的要求。所以選擇stc單片機(jī)作為主控制器。

6、2.2.2 尋跡模塊方案1：用光敏電阻組成光敏探測(cè)器。光敏電阻的阻值可以跟隨周?chē)h(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時(shí)，阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過(guò)比較器就可以輸出高低電平。方案2：用紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對(duì)管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測(cè)出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測(cè)出黑線繼而輸出高電平。這樣自己制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求。由于光敏電阻受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。而用

7、紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對(duì)管尋跡傳感器，雖然也會(huì)受外界光線的影響，但是用過(guò)用黑色電工膠帶將接受管包住后可以大大減少外界干擾。所以選擇紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對(duì)管尋跡傳感器。2.2.3 避障模塊方案1：用超聲波傳感器進(jìn)行避障。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來(lái)，再被超聲波傳感器接收。然后將這信號(hào)放大后送入單片機(jī)。超聲波傳感器在避障的設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。方案2：用紅外光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行避障。光電開(kāi)關(guān)的工作原理是根據(jù)投光器發(fā)出的光束，被物體阻斷或部分反射，受光器最終據(jù)此作出判斷反應(yīng)，是利用被檢測(cè)物體對(duì)紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測(cè)物體的有無(wú)

8、，其物體不限于金屬，對(duì)所有能反射光線的物體均能檢測(cè)。超聲波傳感器工作時(shí)需要40khz的方波信號(hào)，而且它對(duì)工作頻率要求較高，偏差在1內(nèi)，所以用模擬電路來(lái)做方波發(fā)生器比較難以實(shí)現(xiàn)。若用單片機(jī)來(lái)作方波發(fā)生器就過(guò)多的占用了cpu時(shí)間。而光電開(kāi)關(guān)e3f-ds10c4操作簡(jiǎn)單，使用方便。當(dāng)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒(méi)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出高電平。所以選擇用紅外光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行避障。2.2.4 尋火模塊火焰檢測(cè)有溫度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器、紫外傳感器以及ccd圖像傳感器。我們綜合論證了這幾種傳感器，制定了如下幾種方案。方案1：用溫度傳感器如熱電偶，熱電偶在工業(yè)應(yīng)用上十分廣泛。但是熱電偶感應(yīng)的范圍太

9、廣，而且由于火焰只是周?chē)鷾囟壬愿咔曳秶^窄。試驗(yàn)驗(yàn)證用熱電偶檢測(cè)火焰精度不高，因此我們放棄了此方案。方案2：用煙霧傳感器作為尋火傳感器。煙霧傳感器廣泛應(yīng)用與火警檢測(cè)。但是由于此題目的火源是用蠟燭模擬的，沒(méi)有太大的煙霧，因此用煙霧傳感器作為此小型電動(dòng)車(chē)的火焰?zhèn)鞲衅饕膊粔驅(qū)嵱?，因此我們放棄了此方案。方?：用紅外傳感器作為尋火傳感器。紅外傳感器可以檢測(cè)到由蠟燭發(fā)出的紅外光，而且具有較遠(yuǎn)的檢測(cè)距離遠(yuǎn)和檢測(cè)準(zhǔn)確度。很適用于本題目的要求。因此我們選擇了方案5。在火焰?zhèn)鞲衅髂K的設(shè)計(jì)中，我們?cè)谲?chē)體的前頭的兩側(cè)離地大約1520cm（相當(dāng)于火焰高度）處安裝遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鳎颐恳粋?cè)裝有兩個(gè)。由于火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z

10、測(cè)距離很遠(yuǎn)，為了避免錯(cuò)誤檢測(cè)遠(yuǎn)處火焰的情況的出現(xiàn)，我們把每一側(cè)的較低的傳感器用黑色塑料紙包住。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這樣處理過(guò)的火焰?zhèn)鞲衅髦荒軝z測(cè)10cm以內(nèi)的火焰，而對(duì)遠(yuǎn)距離的火焰沒(méi)有反應(yīng)。2.2.5 滅火模塊方案1：用水滅火。滅火，大多數(shù)人首先想到的都是水，當(dāng)然這是無(wú)可厚非的，水可以很好的將蠟燭澆滅。但是，用水在機(jī)械結(jié)構(gòu)上就會(huì)較為復(fù)雜，而且操作復(fù)雜，在硬件制作和軟件設(shè)計(jì)上都有比較大的難度。方案2：用風(fēng)扇滅火。雖風(fēng)能助火勢(shì)，但是在火源較小時(shí)，也可以用風(fēng)扇將火吹滅。通過(guò)光耦隔離和驅(qū)動(dòng)電路帶動(dòng)直流電機(jī)，可以迅速地將蠟燭吹滅。風(fēng)扇滅火已經(jīng)可以滿足模擬滅火需求，而且風(fēng)扇在硬件制作和軟件編程上更簡(jiǎn)單、更容易操控

11、，所以選擇風(fēng)扇滅火。2.2.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案1：采用專(zhuān)用芯片l298n作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。l298n是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，一片l298n可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。方案2：對(duì)于直流電機(jī)用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。由分立元件構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。因此我們選用了方案1。2.2.7 測(cè)速計(jì)程模塊方案1：用霍耳傳感器進(jìn)行測(cè)速。利用霍耳效應(yīng)，在車(chē)輪的內(nèi)側(cè)裝上一條細(xì)磁鐵，把霍耳傳感器同樣裝在車(chē)輪的內(nèi)側(cè)，通過(guò)測(cè)量脈沖的個(gè)數(shù)就可以測(cè)得路程?；舳?/p>

12、傳感器是非接觸式測(cè)量，而且對(duì)灰塵、濕度、振動(dòng)等環(huán)境條件不敏感。特性也不隨時(shí)間而變化。方案2：用光電開(kāi)光進(jìn)行測(cè)速計(jì)程。在車(chē)輪的外側(cè)貼一個(gè)扇形碼盤(pán)，用光電對(duì)管對(duì)碼盤(pán)進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)不斷地遮擋接受管就會(huì)使輸出產(chǎn)生脈沖信號(hào)。將脈沖信號(hào)送給單片機(jī)進(jìn)行檢測(cè)就可以得到輪子的轉(zhuǎn)速。雖然霍耳傳感器具有眾多優(yōu)點(diǎn)，但是由于模型車(chē)較小，比較細(xì)小的磁鐵不易尋找。而且利用光電開(kāi)關(guān)具有更高的精度，所以采用光電開(kāi)光進(jìn)行測(cè)速計(jì)程。2.2.8 車(chē)載顯示模塊方案1：用8位數(shù)碼管進(jìn)行顯示小車(chē)走過(guò)的路程，滅火時(shí)間和數(shù)目。用8x8的led點(diǎn)陣顯示當(dāng)前的滅火狀態(tài)。方案2：用液晶1602進(jìn)行顯示。 1602是可以顯示32個(gè)字符，分成兩行每行1

13、6個(gè)字符，體積小巧，低功耗、使用方便。由于車(chē)載顯示模塊需要顯示路程、時(shí)間和滅火數(shù)目等較多的信息，若用數(shù)碼管則不能同時(shí)顯示如此多的數(shù)據(jù)，而用1602可以顯示更多的信息，所以采用液晶1602進(jìn)行顯示。而且液晶顯示需要占用較多的端口，所以通過(guò)串口與at89c2051之間通信來(lái)間接控制液晶顯示。2.2.9 無(wú)線收發(fā)模塊方案1：用df無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。df無(wú)線發(fā)射模塊通訊方式為調(diào)頻am，工作頻率為315mhz，為ism頻段，發(fā)射頻率500mw。df超再生式接收模塊通訊方式為調(diào)頻am，方案2：用rf2401b無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。rf2401b使用2.4g發(fā)射頻率，最高工作速率為1mbps具有很強(qiáng)的抗干擾能力

14、，而且功耗很低，不需要占用單片機(jī)的串口資源。由于df無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較小，傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性也沒(méi)有rf2401b無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊高，所以采用rf2401b無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊作為無(wú)線通信模塊。2.2.10 站臺(tái)顯示模塊方案1：采用cm320*240液晶作為站臺(tái)顯示模塊。cm320*240液晶是一個(gè)中英文與繪圖模式的點(diǎn)矩陣液晶顯示模塊，支持文字與繪圖兩種混合顯示模式。在文字模式中，可接收標(biāo)準(zhǔn)中文文字內(nèi)碼直接顯示中文提升液晶中文顯示效率。方案2：采用12864液晶作為站臺(tái)顯示模塊。液晶顯示模塊是12864點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置8192個(gè)中文漢字（16x16

15、點(diǎn)陣）、128個(gè)字符（8x16點(diǎn)陣）及64x256點(diǎn)陣顯示ram（gdram）?？膳ccpu直接接口，提供兩種界面來(lái)連接微處理機(jī)：8-位并行及串行兩種連接方式。具有多種功能：光標(biāo)顯示、畫(huà)面移位、睡眠模式等。cm320*240雖然具有更強(qiáng)的顯示功能，但是價(jià)格昂貴，而12864液晶足以滿足站臺(tái)信息顯示要求，所以采用12864液晶顯示。3 最終設(shè)計(jì)方案（1） 采用stc 89c58rd+單片機(jī)作為主控制器；（2） 用紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對(duì)管尋跡傳感器；（3） 用紅外光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行避障；（4） 用紅外傳感器作為尋火傳感器；（5） 采用風(fēng)扇滅火；（6） 采用專(zhuān)用芯片l298n作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片；（7

16、） 用光電開(kāi)光進(jìn)行測(cè)速計(jì)程；（8） 采用用液晶1602作為車(chē)載顯示；（9） 用rf2401b無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊；（10） 采用12864液晶作為站臺(tái)顯示模塊。4 硬件電路設(shè)計(jì)4.1 主控制器模塊stc89c58rd是51內(nèi)核的單片機(jī)。有與8051相同的指令系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的51最小系統(tǒng)板操作簡(jiǎn)單，使用方便?？梢酝ㄟ^(guò)專(zhuān)門(mén)的下載其向單片機(jī)中下載程序。最小系統(tǒng)板示意圖如圖4-1所示：圖4-1 主控制器4.2 尋跡模塊 尋跡模塊主要有光電對(duì)管組成，根據(jù)白色跑道與黑色軌跡反射光線性能不同。當(dāng)紅外光發(fā)射到跑道上時(shí)，經(jīng)反射后被接受管接收，輸出低電平；當(dāng)紅外光發(fā)射到軌跡上時(shí)，紅外光被吸收，輸出低電平。從而可以判斷和

17、控制消防車(chē)前進(jìn)的方向，同時(shí)通過(guò)led可以直觀地觀察出由那些傳感器檢測(cè)到軌跡。設(shè)計(jì)電路如圖4-1所示。圖4-2 尋跡模塊4.3 車(chē)載顯示模塊車(chē)載顯示由1602液晶完成，可以顯示路程、時(shí)間和滅火數(shù)目等信息，由于液晶由at89c2051直接控制，因此這些信息通過(guò)串口與主控制器通信。電路原理圖如圖4-3所示。圖4-3 車(chē)載顯示模塊4.4 數(shù)據(jù)處理和風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)模塊通過(guò)各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)處理后才能由單片機(jī)識(shí)別，路面監(jiān)測(cè)和火焰檢測(cè)通過(guò)lm393處理后可由單片機(jī)采集使用。而直流電機(jī)工作需要較大的電流，為了減少其對(duì)單片機(jī)的沖擊采用了光耦隔離。設(shè)計(jì)電路如圖4-4所示。圖4-4數(shù)據(jù)處理和風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)模塊4.5

18、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊消防車(chē)前進(jìn)動(dòng)力由兩個(gè)直流電機(jī)提供，可以通過(guò)調(diào)整兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)消防車(chē)的前進(jìn)，后退和原地打轉(zhuǎn)等動(dòng)作。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速由單片機(jī)提供的脈沖通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)芯片l298實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)電路如圖4-5所示。圖4-5電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊4.6 無(wú)線通信模塊無(wú)線通信模塊主要用于實(shí)現(xiàn)站臺(tái)與消防車(chē)之間的通信，站臺(tái)通過(guò)無(wú)線向消防車(chē)發(fā)送命令與控制信號(hào)。市場(chǎng)上能買(mǎi)到的無(wú)線模塊可以直接接到單片機(jī)端口，無(wú)需其他外圍電路。4.7 站臺(tái)控制模塊站臺(tái)可以通過(guò)無(wú)線控制消防車(chē)的工作情況，還可以顯示消防車(chē)行駛狀態(tài)與火焰狀態(tài)等信息，其設(shè)計(jì)電路如圖4-6所示。圖4-7站臺(tái)控制模塊5 軟件設(shè)計(jì)圖5-1 車(chē)載部分流程圖 圖5-2 站臺(tái)部分流程圖6 結(jié)論小車(chē)能夠較好地完成預(yù)期設(shè)想。同時(shí)作為我們的特色的遠(yuǎn)程顯示臺(tái)的工作正常，顯示內(nèi)容豐富，顯示效果良好。7 結(jié)束語(yǔ)經(jīng)過(guò)一個(gè)多月的奮戰(zhàn)，最終較為理想地完成了項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。通過(guò)站臺(tái)設(shè)置火焰數(shù)目以及消防車(chē)啟動(dòng)命令