智能滅火小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 博 鄧治崗 巨永鋒 呂建新

（1.長(zhǎng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院；2.西安思源學(xué)院工學(xué)院；3.西安航天動(dòng)力試驗(yàn)技術(shù)研究所）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，化工行業(yè)危險(xiǎn)化學(xué)品和放射性物質(zhì)泄漏、燃燒及爆炸等事故的隱患逐漸增加，一旦發(fā)生火災(zāi)，往往會(huì)帶來(lái)巨大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，因此開(kāi)發(fā)一款智能設(shè)備用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)火災(zāi)隱患并代替人工進(jìn)行滅火，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義［1］。

1 總體方案設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)智能滅火小車，其總體方案設(shè)計(jì)如圖1 所示。 發(fā)生火情后，火源檢測(cè)模塊發(fā)送信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)判斷后驅(qū)動(dòng)電機(jī)前往火源處，途中遇到障礙物后會(huì)及時(shí)躲避，到達(dá)火源后驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)行滅火。

圖1 智能滅火小車總體方案設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)硬件部分

2.1 電源電路

圖2 電源電路

電源電路（圖2）設(shè)計(jì)選用7805 芯片。 7805芯片有3 個(gè)引腳，分別為終端輸入端、輸出端和地面接地端［2］。通常情況下，該芯片可提供的最大電流為1.5A，輸入電壓可以為9、12、15V，輸出電壓為5V， 且誤差不超過(guò)±0.2V［3］。 綜合考慮后，7805 芯片采用電池供電，選擇9V 的輸入電壓。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（圖3）采用L298 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。電機(jī)調(diào)速采用PWM 調(diào)速原理，電機(jī)的速度與占空比成正比關(guān)系［4］，利用該比例關(guān)系可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩_(dá)到滅火的目的。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.3 火源檢測(cè)電路

火源檢測(cè)電路（圖4）采用紅外接收二極管，當(dāng)檢測(cè)到火源時(shí)火源傳感器導(dǎo)通，電壓比較器比較后輸出高電平，LED 燈熄滅。

圖4 火源檢測(cè)電路

2.4 避障模塊

避障模塊（圖5）采用E18-D50NK 型紅外傳感器。E18-D50NK 傳感器是一種紅外線反射式接近開(kāi)關(guān)傳感器，用于物體的反射式檢測(cè)［5］。當(dāng)發(fā)射的紅外線反射回來(lái)時(shí)， 信號(hào)輸出為0， 沒(méi)有則為1。為了調(diào)整測(cè)量距離，需要外接1kΩ 的上拉電阻到信號(hào)輸出端，這樣在調(diào)整測(cè)量距離時(shí)只需調(diào)節(jié)電位器即可。

2.5 滅火模塊

滅火模塊（圖6）選用B772 三極管驅(qū)動(dòng)，與單片機(jī)的P1.1 端子連接。 當(dāng)P1.1 為低電平時(shí)，三極管接通，電機(jī)的電源導(dǎo)通，風(fēng)扇啟動(dòng)滅火。

圖5 避障模塊接口電路

圖6 滅火模塊電路

3 系統(tǒng)軟件部分

3.1 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)主程序流程如圖7 所示。

圖7 系統(tǒng)主程序流程

3.2 火源檢測(cè)子程序

火源檢測(cè)子程序流程如圖8 所示。 單片機(jī)不斷檢測(cè)火源信號(hào)，從而找到火源位置。 通過(guò)判斷小車左右兩個(gè)傳感器接收到的信號(hào)，控制電機(jī)進(jìn)行左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)；同時(shí)不斷判斷小車是否靠近火源，當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定的距離后采取滅火措施。

圖8 火源檢測(cè)子程序流程

3.3 避障子程序

單片機(jī)通過(guò)采集信號(hào)，判斷附近是否有障礙物。 避障子程序流程如圖9 所示，若沒(méi)有障礙物，小車就繼續(xù)尋火；若有障礙物，先判斷是否為火源，若是則滅火，否則避障。

圖9 避障子程序流程

4 調(diào)試過(guò)程

4.1 避障的實(shí)現(xiàn)

在車頭左右各放置一個(gè)紅外傳感器，用來(lái)檢測(cè)前方障礙物，單片機(jī)通過(guò)車頭左右紅外傳感器的高低電平來(lái)控制小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（表1）。 當(dāng)前方遇到障礙物時(shí)，左右傳感器都接收到反射回來(lái)的紅外線，此時(shí)兩傳感器輸出低電平，小車后退并右轉(zhuǎn)90°；當(dāng)小車左（右）傳感器接收到反射回來(lái)的紅外線時(shí)， 則輸出低電平， 小車右 （左）轉(zhuǎn)45°；當(dāng)前方無(wú)障礙時(shí)，左右傳感器都接收不到反射回來(lái)的紅外線， 此時(shí)兩傳感器輸出高電平，小車前進(jìn)。

表1 避障時(shí)小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

4.2 尋找火源的實(shí)現(xiàn)

本著經(jīng)濟(jì)適用的原則，小車車頭處設(shè)置4 個(gè)火源傳感器：左右各1 個(gè)、正前方近距離1 個(gè)、遠(yuǎn)距離1 個(gè)。 近距離傳感器的作用是判斷小車是否到達(dá)滅火位置，從而開(kāi)啟風(fēng)扇滅火。

小車根據(jù)火源傳感器的高低電平來(lái)調(diào)整不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（表2）。 當(dāng)火源傳感器檢測(cè)到火災(zāi)后，小車將基于火源位置來(lái)控制其運(yùn)動(dòng)方向。 在沒(méi)有火源的情況下，單片機(jī)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)左側(cè)傳感器檢測(cè)到火源時(shí)， 單片機(jī)控制電機(jī)左轉(zhuǎn)，直到中遠(yuǎn)距離傳感器檢測(cè)到火源，單片機(jī)控制電機(jī)開(kāi)始直行，然后直到中近距離傳感器檢測(cè)到火源后小車停下。 右側(cè)同理。

表2 尋找火源時(shí)小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

模擬火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，利用筆者設(shè)計(jì)的智能滅火小車進(jìn)行避障滅火測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。在前5 次實(shí)驗(yàn)中， 小車成功避開(kāi)3 個(gè)障礙物并完成滅火；在第6 次實(shí)驗(yàn)中，小車在完成第2 次滅火后后退撞到了障礙物，分析發(fā)現(xiàn)主要是因?yàn)樾≤嚭竺鏇](méi)有安裝避障模塊。 在第10 次實(shí)驗(yàn)中，小車在完成第2 次滅火之后就再?zèng)]有找到火源，分析可能是由于電源不足導(dǎo)致的。

表3 避障滅火測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)智能滅火小車，該小車?yán)眉t外接收二極管和紅外傳感器實(shí)現(xiàn)基本的尋找火源和避障。 經(jīng)測(cè)試，設(shè)計(jì)的滅火小車可以在預(yù)定的區(qū)域內(nèi)完成智能滅火操作， 性能穩(wěn)定，滅火準(zhǔn)確。 同時(shí)，未來(lái)可以在小車系統(tǒng)中引入互聯(lián)網(wǎng)端，使小車具有遠(yuǎn)程操控的功能以及更多樣化的應(yīng)用。