智能灭火小车论文 - 图文

单片机暑期培训(实训项目) 论文

基于STC89C52RC的智能避障灭火小车

学 院： 电子与控制工程学院 专 业： 自动化 姓名及学号：

201332010411 崔曜东 201332010413 毛宜酉

201332010416 廖正 指导教师： 龚贤武 李杰 雷旭 完成时间： 二

〇

一四年

十

月

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目录

中文摘要 ...................................................................................................................................... 1

一．工作目的 ....................................................................................................................... 1 二.研究方法 .......................................................................................................................... 1 三.成果 .................................................................................................................................. 2 四.结论 .................................................................................................................................. 2 English Abstract ........................................................................................................................... 2

A. Work purposes .................................................................................................................. 3 B.The research methods ........................................................................................................ 3 C.Results ............................................................................................................................... 3 D.Conclusions. ...................................................................................................................... 3 绪论 .............................................................................................................................................. 5

1.智能灭火小车控制系统的设计背景和意义 .................................................................... 5 2.智能灭火小车控制系统的目标 ........................................................................................ 6 3.主要内容 ............................................................................................................................ 6 论文主体 ...................................................................................................................................... 7

一．设计方案的确定 ........................................................................................................... 7

系统设计及方案 ............................................................................................................ 7 整体方案设计 ................................................................................................................ 7 2.2 硬件实现方案 .............................................................................................................. 8

2.2.1 MCU的选择 ....................................................................................................... 8 2.2.2 电机选择 ............................................................................................................ 9 2.2.3 传感器的选择 .................................................................................................... 9 2.3 硬件总体设计方案 ...................................................................................................... 12 2.4 软件总体设计方案 .................................................................................................... 12 3.硬件单元电路设计 ................................................................................................................. 13

3.1 电源电路 .................................................................................................................... 13 3.2 微控制器模块的设计 ................................................................................................ 13

3.2.1 STC89C52RC单片机介绍 ................................................................................... 13 3.3 电机驱动电路的设计 ................................................................................................ 15

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3.4 传感器电路的设计 ...................................................................................................... 16 3.5 火焰传感电路的设计 .................................................................................................. 18 3.7 灭火驱动电路 ............................................................................................................ 19 4.软件的实现 ............................................................................................................................. 23

4.1 软件开发平台介绍 ...................................................................................................... 23 4.2 主程序流程图 ............................................................................................................ 25 4.3 寻迹程序流程图 ........................................................................................................ 25 5 系统功能调试 ...................................................................................................................... 27

5.2 功能测试 .................................................................................................................... 27

5.2.1 驱动电路部分 .................................................................................................. 27 5.2.2 寻迹部分 .......................................................................................................... 28 5.2.4 灭火效果部分 .................................................................................................. 28 5.3 调试心得 .................................................................................................................... 28

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本

中文摘要

次设计CPU采用Atmel公司STC系列单片机中的89C52RC，完成的是暑期单片机培训结束后的实习项目。完成的作品基本功能要求是在规定时间内找出限定场地内的火源，从而采取灭火动作，同时用液晶显示屏显示小车的执行任务，使得我们对小车的运行状况有一个更好的了解。

一．工作目的

1.集成了几乎完善的8位中央处理单元 2.指令系统近乎完善

3.把微型计算机的主要部件集成在一块芯片上，使得传送距离大大缩 短、可靠性更高，运算速度更快

4.具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等特点，广泛应用与仪器仪表中，且功能比起电子或数字电路更加强大 因此，基于单片机的灭火机器人设计也具有重要的理论和实践意义，能够使自己在完成过程中学到许多知识和实践能力。从而引发了我组成员在单片机暑期培训之后产生设计智能灭火小车的设想。该小车能够在火源产生后作出反应，能利用超声波传感避障，利用火焰传感识别火源并作出灭火动作。

二.研究方法

小车以STC89C52RC型单片机为核心，加以电源电路、电机驱动、超声波传感电路、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，超声波完成避障，红外传感器寻找火源位置，火焰传感器识别火焰别采集到的数据通过STC89C52RC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，制作的灭火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。

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三.成果

1.组装小车能自动避障寻找火源

2.能启用灭火装置实施灭火动作 3.巡逻，检测是否有火源

四.结论

本论文设计了以STC89C52RC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STC89C52RC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。

English Abstract

The design of Atmel company on STC series single-chip microcomputer CPU 89 c52rc, is completed after the summer SCM training internship programs. Complete works of basic functional requirements are within the prescribed period of time to find a qualified field source, thus taking fire fighting action,

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with LCD display shows the car perform tasks at the same time, makes the operation condition of the car we have a better understanding.

A. Work purposes

1. Integration with almost perfect eight central processing unit 2. Instruction system is almost perfect

3. The main components of a microcomputer integrated on a chip, greatly shrink short transmission distance, higher reliability, computing speed is faster

4. With small volume, low power consumption, strong control function, flexible extension,

miniaturization, and convenient use, etc, are widely used and instrumentation, and more powerful functions than electronic or digital circuit

Therefore, fire-fighting robot based on single chip design also has the important theoretical and practical significance, can make oneself in learned much knowledge and practice ability to complete the process. Raising my group members on the single chip microcomputer after the summer training design idea of intelligent fire extinguishing the car. The car can react after the fire source to produce, can use ultrasonic sensor obstacle avoidance, using sensor identification of flame fire and make a fire.

B.The research methods

Car type STC89C52RC MCU as the core, to the power supply circuit, motor drive, ultrasonic sensing circuit, fire detection, fire fans, and other circuit. Work required by the system power source to provide power supply circuit, ultrasonic obstacle avoidance, infrared sensor for fire source position, the flame sensor identification don't transmit the collected data through STC89C52RC MCU processing to dedicated motor driver chip drive motor control the car forward back and turned, extinguishing fire fans finally started. The overall hardware design in this paper, and write the software program diagram, extinguishing the car has simple extinguishing function, to achieve the purpose of the site fire-fighting, design better completed the task goal.

C.Results

1. Assemble the car look for fire automatic obstacle avoidance

2. The equipment can enable the implementation of the fire fighting action 3. The patrol, if there is a fire detection

D.Conclusions.

In this paper the design is given priority to with STC89C52RC controller of simple intelligent fire extinguishing the car. Determine the work and results are as follows:

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1, STC89C52RC MCU as the core system of scheme is worked out, completed the overall design of system hardware circuit including power supply module, MCU system, tracing system, motor drive systems, fire detection system and fire extinguishing system and each module indirect mouth. 2, to complete the design of each functional module of hardware.

3, finish the adjustment of the main function module software design, completed the debugging of each function module.The design of intelligent fire vehicles, have the general function of smart

technology (\the fire.

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绪论

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。为了解决这一问题，尽快救助火灾中的受害者，最大限度的保证消防人员的安全，灭火机器人研究被提到了议事日程。而机器人技术的发展也为这一要求的实现提供了技术上的保证，使得灭火机器人应运而生。

从二十世纪八十年代开始，世界许多国家都进行了灭火机器人的研究，美国和苏联最早进行灭火机器人的研究，而后日本、英国、法国等国家都纷纷开展了灭火机器人的研究，目前已有多种不同类型的灭火机器人用于各种火灾场合。

我国从八十年代末期开始灭火机器人的研究，公安部上海消防研究所等单位在灭火机器人的研究中取得了大量成果，“自行式消防炮”已经投入市场，“履带轮式灭火侦查机器人”也于2000年6月通过了国家验收。但是，我国的灭火机器人的研究还处在初级阶段，还有许多有待研究的问题。比如，高层建筑发生火灾时，消防人员不可能在都短时间内到达高处的火灾发生地点，在地下建筑中，由于环境比较潮湿，烟气不易扩散，消防人员不容易快速的判定火源位置；而在石化企业发生火灾时，将产生大量的毒气，消防人员在灭火时极易中毒。研制能够用于这些场合的侦察灭火机器人，协助消防人员进行火灾的定位和灭火，将有极大的社会意义。 基于人工智能的不断发展，各项高兴技术的不断成熟，在可预见的将来，灭火机器人在功能上会更具多样特点，在较多危险区域可以完全代替消防员，避免消防员生命伤亡。同时也应该看到，我国在研究消防机器人方面较国外同行已落后太多，存在技术差异和代沟，消防机器人的不断研制、生产和装备过程，应坚持自主研制为主，引进辅，提高我国消防部队消防装备现代化的水平，并及时装备消防部队，提高部队打赢大仗、恶仗、硬仗和特殊战役的能力，提高消防部队在处置大型复杂火灾和应急救援的作战效能，提高消防部队的自我防护能力，减少消防指战员的人身伤亡，更好地保护我国经济发展

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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，将采用深圳宏晶公司生产的STC89C52RC型单片机

2.智能灭火小车控制系统的目标

制造一个自主控制的机器人小车找到一根蜡烛并尽快将它熄灭，这个工作受地面摩擦、机器人惯性、机器人电机的转数差、齿轮箱与轮子的摩擦、电压变化等多个因素影响，它模拟了现实家庭中机器人处理火警的过程，蜡烛代表家里燃起的火源，机器人必须找到并熄灭它。本设计的智能寻迹灭火小车控制系统应用范围十分广泛，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。

3.主要内容

本论文设计了以STC89C52RC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HC-SR04超声波传感器进行寻迹和避障，L298作为直流电机的驱动芯片。本论文所包含的内容如下：

3.1 以单片机STC89C52RC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。

3.2 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。

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论文主体

一．设计方案的确定

系统设计及方案

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STC89C52单片机作为主控制器，用HC-SR04超声波传感器进行避障，普通火焰传感器作为本系统的火焰传感器，L298D作为直流电机的驱动芯片的设计方案。

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。

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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(Complex Programmable Logic Device)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。 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：采用深圳宏晶公司的STC89C52高端单片机作为主控制器。STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。

从方便使用和经济的角度考虑，且STC系列是国产的，我们选择了方案4。

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2.2.2 电机选择

下面我们分析了几种常见电机：本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。由于本题要实现对路径的准确定位和精确测量，综合考虑有一下两种方案。 方案一：采用直流减速电机。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。 方案二：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的计数，实现小车前进路程和位置的精确定位，也能准确引导小车驶向火源。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

根据分析，直流电机能够较好的满足本题的要求，控制方便，因此选择以直流电机做为小车行进驱动电机，通过控制两个电机的工作状态来达到转向的效果。故本系统采用方案一

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。

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 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：

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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3，采用的火焰传感器主要芯片：LM393，红外接收头。工作电压：直流3-5V。 其特点为：1、具有信号输出指示。 2、单路信号输出。 3、输出有效信号为低电平。

4、用于检测波长在760纳米～1100纳米范围内的热源。 5、探测角度达60度。

6、电路板输出开关量(可直接接单片机)。

（2）避障传感器的选择 方案1：

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。因此本论文考虑其他的方案。 方案2：

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，较精确。

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。为了使用方便及更易理解，便于操作和调试，本论文最终选择了方案2。

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口通过光耦芯片提供信号；电路简单，使用比较方便。

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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。

通过比较，使用L298N芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动步进电机，且价格不高，故选用L298N驱动电机。

液晶显示模块

方案一：用数码管进行显示。数码管由于显示速度快，使用简单，显示效果简洁明了而得到了广泛应用。但是由于我们计划在显示台显示小车前进的路线、路程以及当前的灭火状态。用数码管无法显示如此丰富的内容，因此我们放弃了此方案。

方案二：用LCD液晶进行显示。LCD由于其显示清晰，显示内容丰富、清晰，显示信息量大，使用方便，显示快速而得到了广泛的应用。对于此系统选用LCM128645ZK的LCD能够很好的满足显示要求，因此选择了此方案。

电源模块

由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。

方案一：采用12V蓄电池为系统供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。

方案二：采用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6V给直流电机供电，经过7805的电压变换后为单片机，传感器和点击供电。经过实验验证，当电池为电机供电时，单片机、传感器的工作电压不够，性能不稳定。因此我们放弃了此方案。

方案三：用2节锂电池经另一套7805电压变换电路为电机供电。再用12V蓄电池为系统供电，蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。采用此种供电方式后，单片机和传感器工作稳定，电机工作互不影响，且电池的体积较小，能够满足系统的要求。

综上考虑，采用了方案三。

8数码管显示模块

在本设计中有两个需要显示的部分，即吹灭火源的数目和小车的路程

方案一：使用16位字符型液晶（LCD）显示。液晶显示屏具有低功耗、影像稳定不闪烁、、画面效果好、抗干扰能力强等特点。液晶动态显示功能强大，可以实现欢迎信息的显示，并提供了一个友好的用户界面，使系统更加直观，更趋智能化和人性化。

方案二：使用传统的数码管显示，采用动态扫描的方式。陵阳61板可同时驱动8个数码管，编程容易，硬件电路调试简单，显示两部分也比较好控制。缺点是显示的内容不够丰富，但能准确显示数据，能很好地达到我们所需要的显示路程，灭火数量的数据。故传统的数码管显示即可符合我们的要求。但液晶以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，本题中要显示两部分则需分屏显示，工作量就会更大，增加了不少难度，并且平时没有这方面的准备，规定时间内不可能做得很好，故排除了该方案。

综上所述，本设计采用了方案一。

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2.3 硬件总体设计方案

经过反复比较论证，本论文确定了如下方案 1. 采用STC89C52RC单片机作为主控制器. 2. 用HC-SR04超声波传感器进行避障. 3. 用光敏火焰传感器作为本系统的火焰传感器. 4. L298D作为直流电机的驱动芯片. 5. 使用蜂鸣器进行灭火报警. 6. LCD1602显示任务 7. 用手机蓝牙控制小车

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。

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3.硬件单元电路系统设计

3.1 电源电路

STC89C52需要正5V稳压直流电源，在考虑到其它外围芯片的供电电压和功耗，最终选择7805这种输出正5V直流电压稳压供电的三端稳压集成电路，电源电路如下图

3.2 微控制器模块的设计

3.2.1 STC89C52RC单片机介绍

简介

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。 特性

增强型8051单片机，6 时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意 选择，指令代码完全兼容传统8051, 工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V 单片机）,工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051 的0～80MHz，实际工作 频率可达48MHz,用户应用程序空间为8K字

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节,片上集成512 字节RAM,通用I/O 口（32 个），复位后为：P0/P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。

1.8K字节程序存储空间； 2.512字节数据存储空间； 3.内带4K字节EEPROM存储空间; 4.可直接使用串口下载； 6.8K字节程序存储空间； 7.256字节数据存储空间； 8.自带2KB的EEPROM存储空间;

7. ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无 需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程 序，数秒即可完成一片

8. 具有EEPROM 功能

9. 共3 个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2

10.外部中断4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒 11. 通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART 12. 工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）

13. PDIP封装

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3.3 电机驱动电路的设计

用L293D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L293D作为电机驱动。L293D芯片的管脚图如下图

概述

L293D是一款单片集成的高电压、高电流、4通道电机驱动，设计用于连接标准DTL或TTL逻辑电平，驱动电感负载（诸如继电线圈、DC和步进电机）和开关功率晶体管等等。为了简化为双桥应用，L293D每个通道对都配备了一个使能输入端。L293D逻辑电路具有独立的供电输入，可在更低的电压下工作。此外，L293D还内置了箝位二极管。L293D适用于频率达5 kHz的开关应用。L293D是ST公司生产的一种高电压、小电流电机驱动芯片。该芯片采用16脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达36V；输出电流大，瞬间峰值电流可达2A，持续工作电流为1A。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和继电器线圈等感性负载；该芯片可以驱动两台直流电机。

特性

?L293D每个通道的电流输出能力达600 mA ?L293D每个通道的峰值输出电流达1.2 A（非重复） ?便于使能

?L293D具有过温保护

?逻辑“0”输入电压高达1.5 V（高抗噪性） ?内置箝位二极管

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电机运行逻辑关系

3.4 传感器电路的设计

在实际设计中，本论文选用LM324放大器的方案，设计出来的电路紧凑且稳定性好。

LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是3.0V-32V或+16V. LM324的特点： 1.短跑保护输出 2.真差动输入级

3.可单电源工作：3V-32V

4.低偏置电流：最大100nA（LM324A）

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5.每封装含四个运算放大器。 6.具有内部补偿的功能。 7.共模范围扩展到负电源 8.行业标准的引脚排列 9.输入端具有静电保护功能 超声波传感器的选择

本模块性能稳定，测度距离精确。能和国外的SRF05,SRF02等超声波测距模块相媲美。

2 主要技术参数：

1：使用电压：DC5V 2：静态电流：小于2mA 3：电平输出：高5V 4：电平输出：底0V 5：感应角度：不大于 15度 6：探测距离：2cm-450cm 7:高精度：可达0.3cm

接线方式，VCC、trig（控制端）、 echo（接收端）、GND

本产品使用方法：一个控制口发一个10US以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出.

一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,

方可算出距离.如此不断的周期测,就可以达到你移动测量的值了~~ 模块工作原理：

(1)采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号;

(2)模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；

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(3)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．测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2;

3.5 火焰传感电路的设计

尺寸：35mm X 宽 11mm X 高 14mm 主要芯片：LM393、火焰检测探头 工作电压范围：DC 3-12V （默认 5V） 工作电流：<1.6mA（5V）

特点：

1、具有信号输出指示灯；

2、单路信号输出，输出信号可以直接接单片机 IO 口； 3、OUT 口输出高低电平信号，高电平为 3.8V，低电平为 0V； 4、灵敏度可调（精调），调节火焰检测范围； 5、带固定安装孔，方便安装调试

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3.7 灭火驱动电路

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 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。

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蓝牙模块电路

主机模块实物与从机一样，模块上有白点，主机模块会自动和从机模块配对，省却配对的麻烦，适合在需要两个设备间通过蓝牙串口无线通信的应用，无需电脑。

蓝牙透传模块可以让你原来使用串口的设备摆脱线缆的束缚在10米范围内实现无线串口通信。使用该模块无需了解复杂的蓝牙底层协议，只要简单的几个步骤即可享受到无线通信的便捷。蓝牙透传模块只有4个AT指令，分别是测试通讯，改名称，改波特率，改配对密码，AT指令必须从TXD,RXD信号脚设置，不能通过蓝牙信道设置。发送AT指令的设备可以是各种类型的MCU（比如51，avr，pic，msp430，arm等），也可以是电脑通过串口（PC串口接MAX232以后或者USB转串口）发送。 特别注意：

1、主机模块和从机模块均不能切换工作模式，只能是单一的工作模式（主或从）

2、主机模块只能配对HC06的从机模块，主机模块之间不能配对连接，主机模块也不能跟带蓝牙的电脑或者手机等其他蓝牙设备配对

3、从机模块可以跟带蓝牙的电脑或者部分带蓝牙的手机配对使用，从机模块之间不能连接，如果电脑没有蓝牙适配器，可以购买我们的蓝牙适配器

4、主机模块的AT指令比从机模块少了AT+NAME指令，其他指令相同

5、主机模块和从机模块的接口均为3.3V电平，可以直接连接各种TTL电平带串口MCU（5V的MCU请串联1K电阻）直接连接，设置参数可以用MCU或者本店的USB转串口，或者增加MAX232转换电路后的电脑串口

小常识：

TXD：发送端，一般表示为自己的发送端，正常通信的时候接另一个设备的RXD。 RXD：接收端，一般表示为自己的接收端，正常通信的时候接另一个设备的TXD。 正常通信时候本身的TXD永远接设备的RXD！

自收自发：顾名思义，也就是自己接收自己发送的数据，也就是自身的TXD接到自身的RXD，用来测试本身的发送和接收是否正常。也称回环测试。

由于蓝牙核心板不方便接线，因此我们把它焊接到底板上，底板上含3.3V LDO，为了方便再拆卸，仅焊接有用的引脚，引出VCC、GND、TXD、RXD（TXD、RXD均为3.3V电平）四根线方便接线，STATE为LED状态输出脚，未连接时输出脉冲，连接后输出高电平，可由MCU判断状态，需自行焊接插针，KEY接口对从机无效。该蓝牙模块可以接各种单片机，USB转串口等串口设备，输入电压3.6~6V（推荐5V，不得超过7V）， 模块尺寸：3.57cm*1.52cm（cm）

注意：所标价格为单个模块的价格，并非一对模块的价格！！！ 模块与单片机请遵循以下连接：

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LCD模块电路设计

本次实验选择的是 1602 型液晶屏，这是一种目前使用最为普遍的字符型液晶屏，1602 型液晶屏用 5x7 点阵图形来显示字符，可以显示两行，每行 16 个字符。

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4.软件系统的设计

暑期培训中介绍了此次设计使用的编程工具μVision3，但编程过程使用的是μVision4，介绍了主要的控制模块程序，编写相应的控制程序，主要是避障寻火源程序和灭火控制程序。

4.1 软件开发平台介绍4.1编译语言及编译环境的选择

4.1.1 汇编语言概述

为了克服机器语言的缺点，用英文字条来代替机器语言，这些英文字符被称为助记符，用助记符表示的指令称为符号语言或汇编语言。 汇编语言是面向机器的语言，程序设计人员必须对单片机的硬件有相当深入的了解。助记符指令和机器指令一一对应，所以用汇编语言编写的程序效率高，占用的存储空间小，运行速度快，因此用汇编语言能编写出最优化的程序。汇编语言程序能直接管理和控制硬件设备（功能部件），它能处理中断，也能直接访问存储器及I/O接口电路。但是，汇编语言和机器语言一样，都脱离不开具体机器的硬件，因此，这两种语言均是面向机器的语言，缺乏通用性。

4.1.2 C语言概述

C语言是国际上广泛流行的计算机高级语言，既可用来写系统软件，也可用来写应用软件。C语言功能丰富，表达能力强，使用灵活方便，应用面广，目标程序效率高，可移植性好，既具有高级语言的优点，又具有低级语言的许多特点。因此，C语言特别适合于编写系统软件。它的特点如下：

1、语言简洁、紧凑，使用方便、灵活。

2、运算符丰富，数据结构丰富，具有现代化语言的各种数据结构。 4、具有结构化的控制语句用函数作为程序的模块单位，便于实现程序的模块化。

5、语法限制不大严格，程序设计自由度大。 6、C语言允许直接访问物理地址。

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7、生成目标代码质量高，程序执行效率高，用C语言写的程序可移植性好。

4.1.3 编译语言及编译环境综述

兼于以上两种编译语言的优缺点，我选择了Keil软件。Keil软件是目前最流行开发MCS-51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持Keil即可看出。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。如果使用C语言编程，那么Keil几乎就是不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令事情变得事半功倍。

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。

μVision4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。μVision4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。

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4.2 主程序流程图

主程序流程图如下图所示：

自动搜索整个房间，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继续搜索房间，直至扑灭所有火焰后继续巡视。

4.3 寻迹程序流程图

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 小车做出响应的动作，避免小车脱离引导线运动。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。

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。

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寻迹的程序流程图如图所示：

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5 系统调试与测试结果分析

本章节介绍了系统调试所做的工作以及心得体会。

5.2 功能测试

先将底盘上的减速电机位置固定，连接L293D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。

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5.2.2 寻迹部分

将红外传感分别对准黑线和白线进行测试，所测结果如表所示。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。

5.2.3 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。

小车第一次在场地跑时，由于电池电量不足没能成功，当时使用的是若干节干电池串联组成的电池组构成的电源，后来改为3.7V锂电池板串联而成的电池组，为整个电路供电。但是小车的电机承受尖峰电流的能力太弱，所以烧坏了几个电机，只能降低PWM占空比，然后再进行调试。 在正式跑赛道时，车底盘上的传感器灵敏度太高，刚刚从出发点出发就显示检测到三根白线，开始进行灭火动作，后来经过调节传感器距离地面的高度，使得ST168只能够检测到纯白色的部分，其余灰色或非纯白色的部分LM324的输出电平都不会发生变化，经过调整后小车能够完成基本功能。同时诺基亚5110能够实时显示小车当下执行的操作。

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结论

经过设计和反复调试，整个实验中，火焰传感器对精度的高要求是最难部分，加入了一个LCD显示模块和蓝牙模块，又用了半个月时间调试，终于取得成功，完成了题目的基本要求，此电动车可以使用STC89C52RC单片机采集红外传感器及光电反射开关信号使小车能够顺利跑完全程。小车用自制方法做成，多用电路板也是手工完成，其中考虑了很多布线问题，尽量使其归整跳线少，车体整体布局考虑了的美观，完成后车体外观结实，不易出现接触不良等问题。

通过显示台的实时显示，能够直观的显示小车的状态。远程显示台只是起到远程显示监视的作用，而并没有遥控灭火电动车。远程显示监控只是应用了无线传输，并没有用摄像头就实现了机器人位置及状态的显示，节约了成本。

本设计采用最基础的功能器件实现各部分功能，可以根据不同情况进行不同的改装，已达到不同的消防或者检测效果。例如：起火场地较大，可以加大车体；若是通道较窄而崎岖，可以将车底检测黑线的部分设计成左右两边检测障碍物系统，就可以实现在类似仓库的场所里火焰没有蔓延的情况下提早发现并熄灭火源；也可以根据不同物质的火源更换不同的火焰传感器，以达到检测更准确的目的；更换大功率电源、电机和风扇，甚至可以携带小型灭火器，进入火源场地。

从买元件，模型再到焊接电路，组装小车，中间出现了诸多让人意料不到的事情，最开始的第一个模型车体太小，装上风扇以后重心不好平衡，硬件电路基本没有问题，但是小车的电机总是出现一些这样或那样的问题，最终第一辆小车的两个电机差速过大，很不好调节两轮的PWM占空比，从而使小车转过固定的角度，或者使小车走直线，无奈之下只好再寻一辆车模。

真正的调试程序时间并没有几天，大部分时间都花在了小车模型本身上面，小车的电机总是出现问题，所以这也让我们有了一个教训，下次再做智能小车时，模型一定要选好。

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通过这次智能小车的制作，我们将AVR系列单片机的资源以及一些基本功能掌握地比较牢固，另外在模块化编程方面也有了上些心得体会，有了一定的收获。

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附录

附录1 主要元器件清单

1. STC89C52RC单片机 1片

2. 光敏火焰传感器 2个 3. 红外寻线传感器 6个 4. 超声波传感器HC-06 1个

5. 红外传感器 1个 6. 减速电机直流电机 2台

7. 小风扇 1台 8. LCD1602液晶模块 1个 9. 蜂鸣器 1个

10. 锂电池 2个

11. 74HC573、AMS1117、AT24C02、MAX232 各1个 12. 电阻，变阻器，电容，三极管 若干 13. 蓝牙模块 1个 14. 数码管

15. 万向轮 1个

参 考 文 献

[1] 汪贵平,李登峰,龚贤武，雷旭.《新编单片机原理及应用》.机械工业出版社,2009.

[2] 谭浩强.《C程序设计》.北京:清华大学出版社,2010.

[3] 翟玉文,梁伟,艾学忠.《电子设计与实践》.北京:中国电力出版社,2005.

[4] 黄国兴,陶树平,丁岳伟.《计算机导论（第三版）》.北京：清华大学出版社，2013. [5] 周航慈著.《单片机程序设计基础》.北京:航天航空大学出版社,2004.

[6] 王忠飞，胥芳．《MCS-51 单片机原理及嵌入式系统应用》．西安：西安电子科技大学出版社，

2007．

[7] 汪贵平,雷旭,李登峰,闫茂德.《自动化实践初步》.北京：高等教育出版社,2012.

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附录2

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附录3

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