智能灭火小车

襄 樊 学 院

毕 业 论 文（设计）

论文题目：基于AVR单片机的智能灭火小车的设计 EnglishTopic：The Design of Intelligent Fire-fighting Car Based on AVR MCU

系 别：物理与电子信息工程学院 专 业： 07自动化 班 级： 0711 学 号： 07111056 学生姓名： 章振保 指导教师： 贾 巍

2011年 月 日

基于AVR单片机的智能灭火小车的设计

摘要：随着社会与国家的发展，现代火灾及时补救已成为迫在眉睫需要解决的问题，救火早一刻就少一分损失，消防救援人员固然速度已经很快，但也需要一段不小的时间，而且进入救火现场还有生命危险的可能，于是灭火智能小车的理念诞生了。本设计主要就是针对消防智能技术的制作与研究，小车以ATMEGA128单片机为控制核心，加以电源电路、电机驱动、光电传感电路、火焰检测电路、灭火风扇以及其它电路构成。电源电路提供系统所需的工作电源，光电对管完成寻迹和避障，光敏电阻传感器检测火焰，采集到的数据通过ATMEGA128单片机处理传输到专用电机驱动芯片驱动电机控制小车的前进后退以及转向，最终启动灭火风扇进行灭火。本论文进行整体的硬件设计，并编写了软件程序框图，制作的消防小车具有简易灭火功能，达到了实现现场灭火的目的，设计较好地完成了课题目标。

关键词：ATMEGA128单片机；传感器；智能灭火小车；直流电机；寻迹

I

The Design of Intelligent Fire-fighting Car Based on AVR MCU

Abstract: With the social and national development, the inevitable fires a variety of dangerous places frequently, to the Social Security created a lot of hidden dangers, so the modern fire remedied in time, has become an urgent need to address the problem, the fire As early as the moment to curbing, fire rescue personnel of course, speed has been fast, but it also needs a big time, and enter the fire scene there is the possibility of life-threatening, so was born the concept of fire-fighting car, stupid design is mainly for the production of fire-fighting carr, car in order to ATMEGA128 microcontroller to control the core,

To power supply circuits, motor drives, photoelectric sensor circuit, the flame detection circuit, fire fans, and other circuit. Power circuit to provide the necessary working power supply systems, special-purpose motor driver chip drives car forward backward motor control, as well as steering, photoelectric tracing the completion of the tube and avoid obstacles, and photosensitive resistance sensor detects flame, fire-fighting fans put out the fire. This design produced a simple car fire extinguishing capabilities to achieve the realization of on-site fire-fighting purposes, the design goal of a better way to complete a task. Key words: ATMEGA128 MCU; Sensor; Smart car fire; DC; Tracing

II

目 录

1 绪论 ································· 1

1.1 智能灭火小车控制系统的设计背景和意义 ··························································· 1

1.2 智能灭火小车控制系统的目标 ··············································································· 1 1.3 主要内容 ··················································································································· 1 2 系统设计及方案比较 ·························· 2

2.1 整体方案设计 ··········································································································· 2 2.2 硬件实现方案 ··········································································································· 2 2.3 硬件总体设计方案 ··································································································· 6 2.4 软件总体设计方案 ··································································································· 7 3 硬件单元电路设计 ··························· 8

3.1 电源电路 ··················································································································· 8 3.2 微控制器模块的设计 ······························································································· 8 3.3 电机驱动电路的设计 ····························································································· 11 3.4 舵机转向模块设计 ································································································· 13 3.6 火焰检测电路的设计 ····························································································· 17 3.7 灭火与音报警系统的设计 ····················································································· 18 4 软件实现 ······························ 20

4.1 软件开发平台介绍 ································································································· 20 4.2 主程序流程图 ········································································································· 20 4.3 寻迹程序流程图 ····································································································· 21 4.4 灭火程序流程图 ····································································································· 22 5 系统功能调试 ···························· 25

5.1 测试仪器及设备 ····································································································· 25 5.2 功能测试 ················································································································· 25 5.3 调试心得 ················································································································· 27 结 论 ································· 28 [参 考 文 献] ····························· 29 附录 ·································· 30 致 谢 ································· 31

1 绪论

1.1 智能灭火小车控制系统的设计背景和意义

近几十年中，大量的高层、地下建筑与大型的石化企业不断涌现。由于这些建筑的特殊性，发生火灾时，不能快速高效的灭火。火灾在现实生活中是非常普遍的，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，智能寻迹灭火系统应运而生，实现了对安全防护的质的提高，也大大地减低了消防人员的危险。在智能寻迹灭火系统中应用单片机来代替人的思考，还可以实现自动化控制，简化了灭火的工作流程，使单片机代替多余的消防人员，节省了国家不必要的支出，减低了危险。

现今，单片机以其强大的控制能力已经被广泛应用于诸多领域，配以各种接口传感器可以实现系统的智能化。无论在安全防护领域、工业控制领域、医疗卫生领域、还是在国防军事领域、航天航空领域，微控制器都起着举足轻重的作用。从最初的8位控制器到现在的32位控制器都还有很大的发展和应用空间。

根据本设计的要求，将采用ATMEL公司生产的ATMEGA128型单片机 1.2 智能灭火小车控制系统的目标

本论文设计的智能寻迹灭火小车控制系统应用范围十分广泛，设计的智能寻迹灭火小车应该能够实现温度监控、报警、具有自动寻迹、吹风灭火、返回起始点等功能，可通过温度的监控来进行设定小车是否前进。本设计具有很好的开发前景，将会受到广大安全防护人员的欢迎。 1.3 主要内容

本论文设计了以ATMEGA128单片机作为主控制器，光敏电阻作为本系统的火焰传感器，用ST178型光电对管进行寻迹和避障，L298作为直流电机的驱动芯片。

本论文所包含的内容如下：

1、以单片机ATMEGA128为核心拟定了系统组成方案，完成了系统的电路硬件总体设计，包括供电模块、单片机系统、寻迹系统、电机驱动系统、壁障系统、火焰检测系统以及灭火系统和各个模块间接口。

2、完成主要功能模块的程序设计，分别完成对各个功能模块的程序进行调试工作。

1

2 系统设计及方案比较

根据课题设计的要求和课题目标，本论文制定出了系统的设计方案，并通过比较论证，选择合适的器件。最终确定手工制作小车，采用ATMEGA128单片机作为主控制器，用ST178型光电对管进行避障，TN9型热释电非接触式温度传感器作为本系统的火焰传感器，L298作为直流电机的驱动芯片的设计方案。 2.1 整体方案设计

课题要求设计一个简易智能灭火小车模型，能到指定区域进行灭火工作（以蜡烛模拟火源，分布在小车行走的场地中）。小车必须通过内部设备采集现场环境情况进行分析并做出相应的动作，以达到小车智能灭火的目的。

根据题目要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、直流电机及其驱动模块、避障传感器模块、避障模块、火焰传感器、灭火系统及其驱动模块等模块构成，本系统的方框图如图1所示。

图1 系统结构框图

为较好的实现各模块的功能，本论文分别设计了几种方案并分别进行了论证。 2.2 硬件实现方案 2.2.1 MCU的选择

近年来，单片机应用技术发展迅速，为智能装置的开发设计带来了很大的便利。但在开发设计中选择合适的MCU带来了很大的困难。

方案1：采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。

2

但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑本论文放弃了此方案。

方案2：采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。

本系统主要是进行避障和火焰传感器的检测以及电机的控制，兼有声音报警。如果单纯的使用凌阳单片机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，本论文放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。

方案3：采用Atmel公司的ATMEGA128单片机作为主控制器。ATMEGA128是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS 8位单片机，片内含8k空间的可反复擦些1000次的Flash只读存储器，具有256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个IO口，2个16位可编程定时计数器。且该系列的51单片机可以不用烧写器而直接用串口或并口就可以向单片机中下载程序。但是考虑到本系统要进行避障和火焰传感器的检测以及电机的控制、声音报警，若使用ATMEGA128可能在数据处理方面有一些不足。因此本论文不选择此方案。

方案4：采用Atmel公司的ATMEGA128高端单片机作为主控制器。ATMEGA128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。先进的 RISC 结构,133 条指令且大多数可以在一个时钟周期内完成。具有非易失性的程序和数据存储器，具有独立锁定位、可选择的启动代码区，通过片内的启动程序实现系统内编程。支持JTAG 接口同时与IEEE 1149.1 标准兼容。 两个具有独立的预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器，两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器。具有独立预分频器的实时时钟计数器，两路8 位PWM，6路分辨率可编程（2 到16 位）的PWM， 8路10 位ADC，可以方便的进行模数转换。

从方便使用和经济的角度考虑，本论文选择了方案4。 2.2.2 电机选择

本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动电机的选择就显得十分重要。下面本论文分析了几种常见电机。

步进电机由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确

3

定位。虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。

直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生大扭力。

舵机，顾名思义是控制舵面的电动机。舵机的出现最早是作为遥控模型控制舵面、油门等机构的动力来源，但是由于舵机具有很多优秀的特性，在制作智能技术时也时常能看到它的应用。舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围一般不能超过180 度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。比方说智能技术的关节、飞机的舵面等。

直流电机能够较好的满足系统的要求，控制方便，因此本论文选择以直流电机做为小车行进驱动电机，用舵机来做小车的驱动转向电机。 2.2.3 传感器的选择 （1）火焰传感器的选择

火焰检测有紫外传感器、烟雾传感器、温度传感器、红外传感器以及CCD图像传感器。本论文综合论证了这几种传感器，制定了如下几种方案。

方案1：用烟雾传感器。烟雾传感器广泛应用与火警检测。但是由于此题目的火源是用蜡烛模拟的，没有太大的烟雾，因此用烟雾传感器作为此小型电动车的火焰传感器也不够实用，因此本论文放弃了此方案

方案2：用紫外传感器检测火焰。紫外火焰传感器主要应用于火灾消防系统，尤其是一些易燃易爆场所，用来监测火焰的产生。紫外线火焰传感器的灵敏度高，相应速度快，抗干扰能力强，对明火特别敏感，能对火灾立即做出反应。但是紫外传感器检测的范围太大，不适用于本系统。

方案3：用光敏电阻作为传感器。所谓光敏，就是对光反应敏感。光敏电阻在光照条件下电阻值随外界光照强弱（明暗）变化而变化的组件，光越强阻值越小，光越弱阻值越大。CDS光敏电阻，灵敏度高，反应速度快，光谱特性及γ值一致性好等特点外，在高温、多湿的恶劣环境下，仍能保持其高度的稳定性和可靠性，广泛应用于光探测和光自控领域中。但自然光对光敏电阻影响较大，因此本论文不采用此方案。

方案4：用CCD图像传感器。用CCD图像传感器可以检测各种被检测量，适用于

4

各种量的检测。但是用CCD图像传感器需要处理的信号量太大，且体积较大，不适合用于本系统。

方案5：用热释电红外测温传感器，热释电红外传感器凌阳TN9系列是根据LiTaO3的热释电效应设计的，用作检测器的热释电材料具有自发极化，其晶面能俘获大气中的自由电荷，从而保持中性，当晶面温度稍有变化即引起自发极化强度的变化，从而使晶面电荷量发生相应的变化。由于它是非接触式测温，用于测量火焰温度非常方便。

从经济和方便的角度考虑，本论文选择了方案5。 （2）寻迹传感器

方案1：用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线，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。这样制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此本论文放弃了这个方案。

方案2：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。因此本论文考虑其他更加稳定的方案。

方案3：用ST178型光电对管。ST178为反射取样式红外线对管作为核心传感器件。它采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，以非接触检测方式，检测距离可调整范围大，4-10mm可用。ST178的示意图和特性曲线如图2所示。当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。因此本论文选择了方案3。

5

(a) ST178示意图

(b) ST178特性表

图2 ST178的示意图和特性曲线

（3）避障传感器的选择

方案1：用超声波传感器进行避障。超声波传感器的原理是：超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收。然后将这信号放大后送入单片机。超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。但是超声波传感器需要40KHz的方波信号来工作，因为超声波传感器对工作频率要求较高，偏差在1％内，所以用模拟电路来做方波发生器比较难以实现。而用单片机作为方波发生器未免有些浪费资源。因此本论文考虑其他的方案。

方案2：用红外光电开关ST178进行避障。光电开关的工作原理是根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射，受光器最终据此做出判断反应，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，当检测到有障碍物的时候，光电对管就能够接收到物体反射的红外光，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。光电对管ST178操作简单，使用方便。当有光线反射回来时，输出低电平。当没有光线反射回来时，输出高电平。

考虑到本系统只需要检测简单障碍物，没有十分复杂的环境。为了使用方便，便于操作和调试，本论文最终选择了方案2。 2.3 硬件总体设计方案

经过反复比较论证，本论文最终确定了如下方案：

6

1、采用ATMEGA128单片机作为主控制器。 2、用ST178型光电对管进行避障。

3、热释电红外测温传感器作为本系统的火焰传感器。 4、L298作为直流电机的驱动芯片。 5、使用蜂鸣器进行灭火报警。

图3系统结构框图

2.4 软件总体设计方案

传感器组把测得温度分别通过模数转换传给单片机，单片机通过一定的处理，比较得出温度最高的三个传感器，根据能量在自由空间的衰减规律可知，火源与传感器的距离与传感器测得温度的大小呈负相关，温度越高，距离火源越近，所以，火源即在这三个传感器所对的那个方向上。具体的方位可以通过相应的公式计算出来，调整小车方向并通过避障传感器避障前进到火源位置驱动灭火风扇进行灭火。

7

3 硬件单元电路设计

本章主要讲述了以ATMEGA128为主控制器，设计相关的硬件电路。主要硬件电路有：寻迹与控制电路、电机驱动模块、火焰检测电路、灭火风扇驱动电路以及声音报警电路。 3.1 电源电路

ATMEGA128需要4.5 - 5.5V直流电压、150mA的峰值电流，在考虑到其它外围芯片的供电电压和功耗，最终选择LM2940这种专为大功率供电使用的芯片提供5V供电，电源电路如图4。

图4 电源电路

3.2 微控制器模块的设计 3.2.1 ATMEGA128单片机介绍

Atmel公司的 8位系列单片机的最高配置的一款单片机，应用极其广泛 ATMEGA128主要特性如下：

· 高性能、低功耗的 AVR 8 位微处理器 · 先进的 RISC 结构

– 133 条指令 – 大多数可以在一个时钟周期内完成 – 32 x 8 通用工作寄存器 + 外设控制寄存器 – 全静态工作

– 工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS – 只需两个时钟周期的硬件乘法器 · 非易失性的程序和数据存储器

8

– 128K 字节的系统内可编程Flash 寿命: 10,000 次写/ 擦除周期

– 具有独立锁定位、可选择的启动代码区 – 通过片内的启动程序实现系统内编程

– 真正的读- 修改- 写操作 ：4K字节的EEPROM 寿命: 100,000 次写/ 擦除周期 – 4K 字节的内部SRAM

– 多达64K 字节的优化的外部存储器空间 – 可以对锁定位进行编程以实现软件加密 – 可以通过SPI 实现系统内编程

· JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容) – 遵循JTAG 标准的边界扫描功能 – 支持扩展的片内调试

– 通过JTAG 接口实现对Flash, EEPROM, 熔丝位和锁定位的编程 · 外设特点

– 两个具有独立的预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器 – 两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器 – 具有独立预分频器的实时时钟计数器 – 两路8 位PWM

– 6路分辨率可编程（2 到16 位）的PWM – 输出比较调制器

– 8路10 位ADC – 8 个单端通道 – 7 个差分通道

– 2 个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道 – 面向字节的两线接口 – 两个可编程的串行USART

– 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 – 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 – 片内模拟比较器

9

· 特殊的处理器特点

– 上电复位以及可编程的掉电检测 – 片内经过标定的RC 振荡器 – 片内/ 片外中断源

– 6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的Standby 模式 – 可以通过软件进行选择的时钟频率 – 通过熔丝位可以选择ATMEGA103 兼容模式 – 全局上拉禁止功能

· I/O 和封装

– 53个可编程I/O 口线

– 64引脚TQFP 与 64 引脚 MLF 封装 · 工作电压

– 2.7 - 5.5V ATMEGA128L – 4.5 - 5.5V ATMEGA128 · 速度等级

– 0 - 8 MHz ATMEGA128L – 0 - 16 MHz ATMEGA128

3.2.2 ATMEGA128单片机最小系统电路

ATMEGA128单片机最小系统电路如图5所示。主要包括复位电路、晶振电路、低通滤波器电路以及各种滤波电容。

10

图5 ATMEGA128单片机最小系统电路

3.3 电机驱动电路的设计

用L298芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良，从稳定性方面考虑，采用电机驱动芯片L298作为电机驱动。L298芯片的管脚图如图6所示：

11

图6 L298管脚图

L298是SGS公司的产品，是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，内部包含二个H桥的高电压大电流桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46伏、2安培以下的电机，工作温度范围从－25度到130度。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。其内部的H桥原理图如图7示。EnA是控制使能端，控制OUTl和OUT2之间电机的停转， IN1、IN2脚接入控制电平，控制OUTl和OUT2之间电机的转向。当使能端EnA有效，IN1为低电平IN2为高电平时，三极管2，3导通，1，4截止，电机反转。当IN1和IN2电平相同时，电机停转。

图7 内部H桥原理图

如表3.1是L298使能引脚、输入引脚和输出引脚之间的逻辑关系

12

表3.1电机运行逻辑关系

EnA H H H L IN1 H L 同IN2 X IN2 L H 同IN1 X 电机转向 正转 反转 停止 停止 驱动电路的设计如图8示。电池由VIN 接入，通过LM2940IMP-5.0转化为5V作为信号电源VCC。 电机由L298供电，由全桥进行泻流。 对电机的控制信号由ATMEGA128直接输入，M1_DIR与M1_PWM为M1电机的控制信号，M2_DIR与M2_PWM为M2电机的控制信号,其中INPUT 2与INPUT 4的信号是由输入INPUT 1、INPUT 3的信号反向后输入。通过对单片机的编程就可以实现两个直流电机的正反转。

图8 电机驱动电路

3.4 舵机转向模块设计 3.4.1 舵机的工作原理

一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成， 舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、控制电路板等。

工作原理：控制电路板接受来自信号线的控制信号（具体信号待会再讲），控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从

13

而达到目标停止。

舵机的基本结构是这样，但实现起来有很多种。例如电机就有有刷和无刷之分，齿轮有塑料和金属之分，输出轴有滑动和滚动之分，壳体有塑料和铝合金之分，速度有快速和慢速之分，体积有大中小三种之分等等，组合不同，价格也千差万别。例如，其中小舵机一般称作微舵，同种材料的条件下是中型的一倍多，金属齿轮是塑料齿轮的一倍多。需要根据需要选用不同类型。

舵机的输入线共有三条，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这辆根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有两种规格，一是4.8V，一是6.0V，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，6.0V对应的要大一些，具体看应用条件；另外一根线是控制信号线，Futaba的一般为白色，JR的一般为桔黄色。另外要注意一点，SANWA的某些型号的舵机引线电源线在边上而不是中间，需要辨认。但记住红色为电源，黑色为地线，一般不会搞错。

舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0－180度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围不能超过180度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。比方说机器人的关节、飞机的舵面等。 3.5 寻迹电路的设计

在实际设计中，本论文并没有选用ADC而是选用LM339电压比较器的方案，设计出来的电路紧凑且稳定性好。

LM339作为一款典型的电压比较器，内部有四个独立的电压比较器，其的特点是： 1、失调电压小，典型值为2mV；

2、电源电压范围宽，单电源为2 - 36V，双电源为±1V - ±18V； 3、对比较信号源的内阻限制较宽； 4、共模范围很大，为0 -（Vcc - 1.5V）Vo；

5、差动输入电压范围较大，最大可以等于电源电压值； 6、输出端电平可灵活方便地选用。

14

LM339 类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。一个称为同相输入端（+），另一个称为反相输入端（-）。用作两个电压的比较时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339 输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别超过10mV就可确保输出能够从一种状态可靠地转换到另一种状态。因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。

LM339 的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体管，在使用时输出端到正电源一般需接一只上拉电阻（选 3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。

LM339的单相比较器电路及传输特性如图9示。图a给出了一个基本单限比较器。输入信号Uin，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电平）Ur。当输入电压Uin>Ur时，输出为高电平UOH。图b为其传输特性。

图9 LM339的单相比较器电路及传输特性

红外线对管典型应用电路如图10所示：

VC C D R1 Vref Ie Vou R2 t

图10 红外线对管典型应用电路

其中，Ie是红外线接收管的导通后的发射极电流。输出电压为：Uout?Ie*R2 R1为发射管的限流电阻，R2是输出分压电阻，VCC是发射管供电电压，Vref是输出

15

信号的参考电压，Vout是输出信号。工作时，发射管D发射出的波长约为940nm的红外线信号经反射面传送到接收管上，反射信号的强度随反射面的材料和颜色的不同而不同，接收管的导通电阻RGB随接收到的反射信号强弱而改变，信号越强电阻越小，信号越弱电阻越大。导通电阻和下拉电阻对Vref分压之后输出Vout的模拟电压信号送至LM339电压比较器的输入端实现模数信号的转换。

设计出的电路原理图如图11所示：

图11 寻迹传感器模块原理图

小车位置示意图如图12所示：

图12 行进路径示意图

寻迹的原理：若小车在运动时，小车中轴线位于地面引导线上，位置状态=010，使小车前进；若小车中轴线位于地面引导线的右侧，位置状态=100，使小车左转；若小车

16

中轴线位于地面引导线的左侧，位置状态=001，使小车右转。

从上面的分析可得：在寻迹时，选用3只反射式红外传感器就可以实现小车沿曲线行走。当小车偏离白线时，根据在白线上光电管的分布情况来调整小车的行进姿态。 3.6 火焰检测电路的设计 3.6.1 红外测温传感器TN9

红外测温传感器选用凌阳科技公司生产的TN9红外测温传感器，可测量目标温度和环境温度。它采用非接触测温手段，解决了传统测温中需要接触的问题。红外测温模块根据大气状况最远测温距离约30m，测量回应时间大约为0.5s，而且，它具备SPI接口，可以很方便地与单片机传输数据。外型如图13所示：

图13 TN9红外测温传感器外形

3.6.2 红外测温传感器引脚

红外测温模块的引脚如图2所示。其中V为电源电压引脚VCC，VCC一般为3V到5V之间的电压；D为数据接收引脚，没有数据接收时D为高电平；C为2kHz Clock输出引脚（这里需要注意，只有为TN9供上电源，C脚就有2kHz的方波信号输出）；G为接地引脚；A为测温启动信号引脚，低电平有效。

TN9的基本特性如表3-2所示：

17

表3-2 TN9红外测温传感器特性

信号采集是系统通过红外测温传感器来测温度,左边为红外传感器组,是信号的原始采集部分，它由八个红外测温传感器组成。传感器测得的信号直接输入到ATMEGA128单片机A/D转换器的模拟信号输入端口。电路图如图14所示：

图14 红外测温电路

3.7 灭火与音报警系统的设计 3.7.1 灭火驱动电路

灭火风扇的驱动电路如图15所示。其中Port1，Port2分别接到单片机的P0.5、P0.6接口上。单片机输出Port1，Port2控制信号用以驱动灭火电机动作。由于选用的是增强型MOS管，所以，当Port信号为高时，MOS管在VGS下开始工作，MOS导通，风扇开

18

始动作，进行灭火；当Port信号为低时，由于增强型MOS管特点，VGS=0时，iD=0。此时，MOS截止，风扇不动作。

图15 灭火驱动电路

3.7.2 声音报警电路

声音报警电路如图16所示：

图16 声音报警电路

控制信号为“SPEAK”，接至单片机的I/O口的P1.6脚。当“SPEAK”为高电平时，三极管基级为高电平，此时，三极管处于截止状态，蜂鸣器不工作；当“SPEAK”为低电平时，三极管处于放大工作状态，驱动蜂鸣器，开始发声，蜂鸣器工作。

19

4 软件实现

本章介绍了此次毕业设计使用的编程工具μVision2 IDE，介绍了主要的控制模块程序，编写相应的控制程序，主要是寻迹控制程序和灭火控制程序。 4.1 软件开发平台介绍

编程语言选用C语言。汇编语言作为传统的嵌入式系统的编程语言，具有执行效率高的优点，但其本身是低级语言，编程效率较低，可移植性和可读性差，维护极不方便。而C语言以其结构化，容易维护，容易移植的优势满足开发的需要。

MCS-51是支持C语言编程的编译器，它主要有两种：Franklin C51编译器和Keil C51编译器，本论文简称C51。C51是专为MCS-51开发的一种高性能的C编译器。由C51产生的目标代码的运行速度极高，所需存储空间极小，完全可以和汇编语言媲美。

Keil软件公司提供的专用8051嵌入式应用开发工具套件，可以编译C源文件、汇编源文件、连接定位目标模块和库、生成并调试目标程序，为实际的每一种8051及其派生系列产品生成嵌入式应用系统。Keil C51交叉编译器兼容ANSI（美国国家标准协会）C编译器，专用于为8051微控制器系列生成快速紧凑的目标代码。使用Keil 8051开发工具套件，以工程的形式组织各种文件，工程开发周期与任何其他软件开发工程的周期大致相同。

μVision2 IDE是Keil公司提供的用于开发MCS-51系列芯片的汇编语言与C程序的集成开发环境，是标准的Windows应用程序，同其他Windows应用程序一样，μVision2 IDE环境包括菜单、工具条、编辑及显示多种窗口。μVision2 IDE支持使用的Keil C51工具，包括C编译器、宏汇编器、连接定位器、目标代码到HEX的转换器。 4.2 主程序流程图

主程序流程图如图17所示：

用左手法则搜索整个房间，可以容易地检测到房间各个角落，避免出现检测盲区。在小车行进过程中检测火焰，一旦发现火焰则切换到趋光程序，计算火焰位置，准确定位并启动风扇灭火，灭火后检测火焰是否被扑灭，确定火焰被扑灭后计数并回到发现火焰的位置继续搜索房间，直至扑灭所有火焰后启动回家程序，回到原始位置。

20

图17 主程序流程图

4.3 寻迹程序流程图

寻迹的程序流程图如图18所示：

小车寻迹时，由ST178红外对管检测地面引导线，反射光越强，值越大；发射光越弱，值越小。程序开始，先将小车放在引导线上，测得引导线与地面背景的值，求出平均值作为阀值。若检测值大于阀值，则对应的是白色引导线，若检测值小于阀值，则对应的是深色背景。通过比较三个寻迹传感器的结果，来得出小车的位置状态，从而控制

21

小车做出响应的动作，避免小车脱离引导线运动。

图18 寻迹子程序流程图

小车的控制：小车前进时，两个电机速度相同；小车左转，左轮速度降低，右轮保持不变；小车右转，右轮速度降低，左轮保持不变；小车后退，电机反转。电机的速度采用延时控制电机绕组电压接通与断开的时间，这样即可改变电机的平均电压达到调速的目的。

4.4 灭火程序流程图

灭火子程序的流程图如图19所示：

22

图19 灭火子程序流程图

23

当小车检测到火焰时，由于有障碍物的存在，需要对不同坐标上的火焰分别进行判断。

本设计中是将灭火风扇安装在可以旋转的舵机上，在检测到火焰的大致位置的情况下，不用调整小车的位置而通过舵机的旋转，使灭火风扇对准火焰，就可以轻松灭火，可以达到节约灭火时间，提高灭火效果。

24

5 系统功能调试

本章节介绍了系统调试所做的工作以及心得体会。 5.1 测试仪器及设备

表5.1 测试仪器设备清单

仪器名称 PC机 数字万用表 秒表 5.2 功能测试

先将底盘上的减速电机位置固定，连接L298电路，在给固定的TTL信号，使底盘能够向直线行走和转弯，分别调试红外寻迹板和红外避障电路，使有反射光接收到后使信号输出为一个高电平，供单片进行检测。在安装好以上模块后，再检查一次，保证位置合理，能正常得检测到外部情况。

然后是用开发板和电池来调整重心，使重心在中轴线上，在所有模块都安装好后，再布好线路。进行总体调试。 5.2.1 驱动电路部分

调试中遇到的问题和经验：加电调试时，无法正常运行，断电细查后，才发现，原来把稳压管方向接反。编制好程序调试时，出现2个电机一个能正常转动，但是另外一个电机却不按照程序控制，自行无规律乱动的情况，并且在检查软件程序无误的情况下，还是不能控制小车的右电机正常动作，后来细心的研读程序，一项一项的查找问题所在，最后，检查到，原来是在接线的时候，由于不够仔细，出现短路现象，造成了硬件电路的错误。 5.2.2 寻迹部分

将光电管ST178分别对准黑线和白线进行测试，所测结果如表5.2所示。从所测数据本论文可以看出，当光电管检测黑线时输出低电压，检测到白线时输出高电压，通过LM339电压比较器比较之后，分别输出低电平和高电平，供单片机作控制信号。

25

型号 联想 MASTECH my－65 用途 调试及下载程序 测量各电路工作情况 记录时间 数量 1 1 1

表5.2 光电管采样数据

寻黑线 第2次 1.74V 1.69V 1.66V 1.65V 1.74V 1.48V 1.51V 寻白线 第2次 4.31V 4.29V 4.25V 4.21V 4.31V 4.15V 4.15V 5.2.3 光源检测部分

TN9红外模块的工作SPI时序如图20所示。 从时序图可以看出：TN9红外传感器向单片机发

送一帧数据共有5个BYTE组成，每个BYTE位的含义如下： Item：如果为4CH代表此帧测量为目标温度，为 66H代表此帧测量为环境温度。 MSB：数据高八位。 LSB：数据低八位。

SUM：校验位SUM=Item+MSB+LSB。 CR：0DH为结束码。

单片机在CLOCK的下降沿接收数据，一次温度测量需接收5个字节的数据，这五个字节中：Item为0x4c表示测量目标温度，为0x66表示测量环境温度；MSB为接收温度的高八位数据；LSB为接收温度的低八位数据；Sum为验证码，接收正确时 Sum=Item+MSB+LSB；CR为结束标志，当CR为0x0dH时表示完成一次温度数据接收。

4.13V 第1次 4.35V 4.30V 4.26V 4.23V 4.35V 4.19V 4.21V 1.47V 4.16V ST178ST178ST178ST178ST178ST178ST178ST178-1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 1.43V 第1次 1.71V 1.69V 1.62V 1.61V 1.71V 1.45V 1.47V 26

图20 TN9红外测温传感器的工作时序

5.2.4 灭火效果部分

系统已经实现MOS管对灭火电机的驱动，可以在检测到光源的时候，电机动作，以表示灭火过程。同时，检测到火源的时候，蜂鸣器发声，完成“报警”功能。 5.3 调试心得

最好把驱动电机系统设计成可以承受智能技术预计最终重量的两倍，这样增加模块不会太影响控制性能。

黑线用作地线，红色用作电源(VCC)，白线用作马达馈线等等养成习惯, 如果不管什么颜色的电线都随手抓来，那么调试起来就会很困难。

硬件和软件开发应该同步进行，它们实际上只是同一个问题的两个不同面。先做硬件并进行硬件调试，然后依据设计要求和硬件来编写程序并进行软件调试。

27

结 论

本论文设计了以ATMEGA128为主控制器的简易智能灭火小车。所做工作和确定的成果如下：

1、以单片机ATMEGA128为核心拟定了系统组成方案，完成了系统的电路硬件总体设计，包括供电模块、单片机系统、寻迹系统、电机驱动系统、火焰检测系统以及灭火系统和各个模块间接口。

2、完成了各个功能模块硬件的设计。

3、完成主要功能模块的调试软件设计，分别完成对各个功能模块的调试工作。 本设计制作的智能灭火小车，具备智能技术的一般功能，“智能”（寻迹）行走，能够自主完成一些动作，找到“火源”，进行灭火。

工作展望：

使用下面一些设计，可以节约灭火时间，达到更好的灭火效果。

1、使用“复眼”技术。增加火焰检测传感器数量，同时遮蔽部分传感器，缩短传感器的检测距离，在检测火焰的时候先远距离搜索火焰的大致位置，然后近距离定位火焰，可以更有效的寻找火焰并能缩短时间，但是需要更多的硬件开销。

2、在寻迹模块中可以使用摄像头或者激光代替寻迹传感器，这样可以增强小车的使用范围和壁障能力，也扩大了小车的“视野”，实现更加理想的效果。

3、在灭火方式可以采用泡沫、干粉等灭火方式，这样可以增加灭火种类，且可以提高灭火效果和速度。

4、也可以将车轮改装为履带的形式，增加小车对地面的适应能力。

28

[参 考 文 献]

[1 ]蒋新松. 智能技术与工业自动化[M] . 石家庄: 河北教育出版社,2003. [2 ]王耀南. 智能技术智能控制工程[M] . 北京:科学出版社,2004.

[3 ]倪星元,等. 传感器敏感功能材料及应用[M] . 北京:化学工业出版社,2005. [4 ]雨宫好文. 传感器入门[M] . 北京:科学出版社,2000. [5]许大中等. 电机控制[M] . 杭州:浙江大学出版社,2002.

[6]黄玉清 梁靓 张玲霞 李想.智能技术的差分方向控制与实现[J].信息与电子工程.2004-9,2(3). [7]余国卫 谭延军.基于AT89S52单片机的火灾自动报警系统[J].微处理机.2006-10,5 [8]邓江.基于AT89S52的车用抬头显示系统研究[D].成都：电子科技大学,2006

[9]黄玉清 张江美等.模糊控制在移动智能技术中的应用[J].西南科技大学学报.2004-3,19(1). [10]姜志海. 单片机原理及应用[M]. 北京:电子工业出版社,2005.

[11]康华光. 电子技术基础模拟部分（第四版）[M].北京:高等教育出版社,1999.

[12]黄玉清 梁靓.智能技术导航系统中的路径规划算法[J].《微计算机信息》嵌入式SOC.2006.22(7-2). [13]万永伦 丁杰雄. 一种智能技术寻迹控制系统[J]. 电子科技大学学报,2003,32(1).

[14]黄玉清 梁靓. 基于嵌入式PC的智能技术光电寻迹系统[J].西南科技大学学报.2004-12,19(4). [15]Ahmed Elsham li, Hussein Abdullah. Shaky Arabic Genetic algorithm for dynamic path planning[J].

Electrical and computer Engineering 2004. Canadian Conference on Volume 2,2-5 May 2004. 0677-0680.

[16]Ersson T, Xiaoming Hu. Path planning and navigation of mobile robots in unknown environments [J].

Intelligent Robots and Systems, 2001.Proceedings 200IEEE/RSJ International Conference on, Volume: 2, 29 Oct-3 Nov.2001. 858-86.

29

附录

30

致 谢

本论文特别要感谢论文导师贾巍老师。贾老师作为本毕业设计的指导老师，引导我全面了解智能技术开发技术，悉心指导本论文所作项目。智能技术需要大量的自动化方面的知识，而我在这方面的知识有所欠缺，是贾老师的耐心教导，才使我能够顺利完成此次毕业设计。贾老师对工作认真负责的作风、严谨的治学态度、丰富的科研经验、精湛的专业知识和真诚的待人风格给我留下了深刻的印象，并将使我终生受益。同时感谢襄樊学院物理与电子工程学院为本论文提供实验室、实验设备以及计算机和机房，让我能够安静顺利地完成毕业设计。

同时感谢大学四年期间所有指导过我的老师，感谢他们对我无私的教诲和帮助。老师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神将永远激励着我。在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意!

感谢大学四年的同窗特别是伴随我四年的室友，是你们让我感受了大学的美好。和你们共同走过的这大学四年，我感到无比的快乐。在这四年里，我不仅在生活上、思想上成熟了许多，同时还培养了自己积极的心态、专业的兴趣和良好的沟通、协调、执行、应变能力，这些都是以后工作学习生活的动力源泉。

感谢父母二十多年来辛勤的养育,并让我获取了一定的知识并最终走向社会,为社会贡献自己!

最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位老师表示感谢！

31

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/lfz3.html