基于IAP15F2K61智能循跡滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙玲峰 張俊翔 許潮

摘? 要： 為了提高倉(cāng)庫(kù)、商場(chǎng)等固定場(chǎng)所的防火能力，智能循跡滅火車是消防系統(tǒng)不可缺少的助手，很大程度上減小了人力的投入。當(dāng)其發(fā)現(xiàn)有地方著火時(shí)會(huì)對(duì)火源進(jìn)行撲滅，文中設(shè)計(jì)分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，以IAP15F2K61芯片為核心，控制電路實(shí)現(xiàn)循跡、探測(cè)火源和滅火的功能，使用3路3線電路設(shè)計(jì)作為火源探測(cè)器，提高了探測(cè)面和抗干擾能力，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、設(shè)計(jì)成本低等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 循跡; 智能滅火; IAP15F2K61; 火源探測(cè); 路線探測(cè); 抗干擾

中圖分類號(hào)： TN02?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）13?0147?03

Design of intelligent tracking fire fighting system based on IAP15F2K61

ZHAO Lingfeng， ZHANG Junxiang， XU Chao

（Guangxi University Xingjian College of Science and Liberal Arts， Nanning 530005， China）

Abstract： The intelligent tracking fire fighting vehicle is taken as an indispensable assistant of fire prevention system to improve the fire prevention of permanent places like warehouses and shopping malls， which greatly reduces the manpower input. The vehicle will extinguish the fire by finding out the fire source when it finds a place being on fire. The proposed system is achieved by hardware circuit design and software design. Taking IAP15F2K61 chip as the core， the control circuit realizes the functions of tracing， detecting fire source and extinguishing fire. The detection surface and anti?interference ability are improved by taking 3?way 3?wire circuit design as the fire source detector， which has the characteristics of simple structure， excellent practicability and low design cost.

Keywords： tracking; intelligent fire fighting; IAP15F2K61; fire source detection; route detection; anti?interference

0? 引? 言

火災(zāi)事故具有不可預(yù)知性，預(yù)防火災(zāi)是治理火災(zāi)的最有效前提。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，消防員冒著極大的風(fēng)險(xiǎn)近距離作戰(zhàn)，迅速撲滅火源。隨著科技的不斷創(chuàng)新與發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)小型智能系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，種類也越來(lái)越多，如智能掃地機(jī)器人、智能廚房機(jī)器人等運(yùn)用逐漸普及[1]。消防安全的智能化也越來(lái)越受到人們的關(guān)注和重視，消防機(jī)器人可在高溫、強(qiáng)熱、濃煙等危險(xiǎn)環(huán)境下作業(yè)，可以代替消防人員承擔(dān)一部分危險(xiǎn)工作，避免人員傷亡。

關(guān)于智能消防機(jī)器人的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，最早在美國(guó)和日本開(kāi)展這方面的研究，目前已有多種不同功能的消防機(jī)器人用于救災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)[2]。本文設(shè)計(jì)的是一款以單片機(jī)為主控芯片，易操作、成本低的智能循跡消防小車，能自動(dòng)循跡的智能滅火機(jī)器人可以晝夜巡邏，具有探測(cè)火源、自動(dòng)循跡、滅火等功能，多應(yīng)用于儲(chǔ)物倉(cāng)庫(kù)等固定場(chǎng)所，按路線巡邏定點(diǎn)搜尋火源，起到了預(yù)防火災(zāi)發(fā)生的作用，在災(zāi)情發(fā)生時(shí)能及時(shí)處理，提高消防安全的智能化。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1? 系統(tǒng)總體框圖

本系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)由道路探測(cè)模塊、火源探測(cè)模塊、車模、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊及滅火模塊五部分組成[3]。主控模塊單片機(jī)會(huì)自動(dòng)發(fā)出兩個(gè)主要指令，分別控制小車驅(qū)動(dòng)模塊單元執(zhí)行小車前行狀態(tài)和控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行滅火工作[4]，主控模塊會(huì)不斷地對(duì)道路探測(cè)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，當(dāng)不同位置的探測(cè)器探測(cè)到黑線時(shí)，主控模塊會(huì)按照設(shè)定的程序?qū)298驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)送相應(yīng)的信號(hào)來(lái)改變兩個(gè)車輪的動(dòng)作，從而改變行駛路線，使得小車可以以最快的速度過(guò)彎，如圖1所示。

1.2? 總體方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的總體思路是以IAP15F2K61為主控芯片，利用紅外傳感器進(jìn)行火源探測(cè)，用L298控制車體左右兩個(gè)直流電機(jī)并接收單片機(jī)的指令，控制模型車的前進(jìn)、倒退、轉(zhuǎn)彎，當(dāng)紅外傳感器感應(yīng)到火源時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)滅火器對(duì)火源進(jìn)行撲滅[5]。主控芯片IAP15F2K61會(huì)定時(shí)地對(duì)火源探測(cè)器和道路探測(cè)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。火源探測(cè)器的設(shè)計(jì)有三路：第一路是探測(cè)右前方;第二路是探測(cè)正前方;第三路是探測(cè)左前方。每一路采用3個(gè)上下不同方向的紅外接收二極管采集數(shù)據(jù)，第一個(gè)為下方，第二為水平方向，第三個(gè)為第一和第二個(gè)的中間位置。當(dāng)三路探測(cè)器同時(shí)采集到火源信號(hào)時(shí)才會(huì)確認(rèn)存在火源，提高了火源探測(cè)的抗干擾能力，火源探測(cè)原理示意圖如圖2所示。

路線探測(cè)模塊采用紅外線的收發(fā)來(lái)識(shí)別路線，采用黑色跑道能使路線探測(cè)模塊有效識(shí)別路線[6]。設(shè)計(jì)中選用的IAP15F2K61單片機(jī)是一款低功率、性能強(qiáng)大、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)用性高的51單片機(jī)。采用L298電路作為驅(qū)動(dòng)電路，穩(wěn)定性能高，且可以為主控電路模塊提供5 V電壓。

2? 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1? 火源探測(cè)器的設(shè)計(jì)

火可以發(fā)出很強(qiáng)的紅外線，只要在一定的范圍內(nèi)可用紅外線的強(qiáng)度來(lái)判斷火源的位置。設(shè)計(jì)采用了多個(gè)紅外線接收二級(jí)管，為了增強(qiáng)抗干擾能力和提高探測(cè)范圍，采用三路紅外線探測(cè)，每一路的紅外探測(cè)又增加了三線，構(gòu)成了“三路三線”的線路設(shè)計(jì)，大大提高了抗干擾能力和探測(cè)范圍[7]。

2.2? 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用L298芯片驅(qū)動(dòng)左右兩個(gè)直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)勻速前行、轉(zhuǎn)向、停止等設(shè)定動(dòng)作，完成巡邏的目的。L298芯片作為一種能夠高效率驅(qū)動(dòng)強(qiáng)大功率電機(jī)的單元電路。能夠?qū)崿F(xiàn)46 V電壓峰值，3 A瞬時(shí)峰值電流，2 A持續(xù)工作電流。小車驅(qū)動(dòng)電路是由L298芯片和AMS1117?5穩(wěn)壓芯片組成，L298的邏輯輸入端IN1和IN2口分別接主控芯片的P2.0和P2.1;IN3口和IN4端口分別與P2.2與P2.3相連;ENABLE腳是使能端，當(dāng)插上跳線帽，為使能驅(qū)動(dòng);電路電機(jī)控制端 OUT4口和OUT3口都是控制左電機(jī)狀態(tài);OUT2口和OUT1口控制右電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)[8]。電機(jī)接收L298處理過(guò)的信號(hào)電流，電機(jī)相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

2.3? 路線探測(cè)模塊

本設(shè)計(jì)中小車按照給定的路線搜尋火源，采用紅外線收發(fā)尋找路線，當(dāng)紅外線照射到黑色物體上面時(shí)，黑色物體會(huì)把紅外線全部吸收，而顏色逐漸偏白色時(shí)，物體對(duì)紅外線的吸收能力逐漸減弱[9]，反射能力逐漸增強(qiáng)，為了加強(qiáng)探測(cè)能力，采用四路探測(cè)和LM339電壓比較器。檢測(cè)電路如圖4所示。

3? 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)道路的探測(cè)、火源的探測(cè)和滅火動(dòng)作這三個(gè)功能，程序設(shè)計(jì)包括主程序、延時(shí)子程序、驅(qū)動(dòng)子程序、道路探測(cè)子程序、定時(shí)器中斷子程序、火源探測(cè)子程序以及滅火程序[10]。主程序通過(guò)實(shí)現(xiàn)位地址、變量、溢出位等進(jìn)行初始化、驅(qū)動(dòng)條件執(zhí)行以及部分子程序的調(diào)用;中斷子程序提供PWM波形給驅(qū)動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以按照不同的速度前進(jìn)或倒退，當(dāng)火源探測(cè)程序有溢出則立即停止前進(jìn)，然后轉(zhuǎn)入滅火程序，滅火程序結(jié)束后再查看火源探測(cè)程序還有無(wú)溢出，當(dāng)沒(méi)有溢出，則進(jìn)入道路探測(cè)程序繼續(xù)前進(jìn)，如果還有溢出則繼續(xù)執(zhí)行滅火程序。程序流程圖如圖5所示。

4? 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果

系統(tǒng)調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩部分。根據(jù)實(shí)驗(yàn)證明，距離探測(cè)器有較好的抗干擾能力，探測(cè)范圍可調(diào)，但探測(cè)精度有待提高。路線探測(cè)模塊增加了一個(gè)電壓比較器，實(shí)現(xiàn)了靈敏度可調(diào)，在不同的環(huán)境下可以使用不同的靈敏度。功能測(cè)試方面，小車可向左右兩個(gè)方向轉(zhuǎn)大彎和小彎，探測(cè)到火源可自行停下并實(shí)施滅火，基本實(shí)現(xiàn)了智能循跡滅火的功能。實(shí)物圖如圖6所示。

5? 結(jié)? 語(yǔ)

本文以IAP15F2K61單片機(jī)為核心部件，制作智能循跡滅火車。在循跡方面由紅外線傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，紅外線傳感器與單片機(jī)之間的通信方式為4路并行傳輸方式，可以快速地傳送離線數(shù)據(jù)，大大提高了系統(tǒng)的可行性、可靠性和穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)硬件電路簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)、設(shè)計(jì)成本低，避免環(huán)境因素干擾，充分利用軟件編程，避免測(cè)量引起的誤差，但在探測(cè)范圍和探測(cè)精度方面的設(shè)計(jì)上還有待進(jìn)一步提高和完善。

注：本文通訊作者為張俊翔。

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