智能模擬消防車

新型智能模擬消防車安徽科技學(xué)院第十一批新課題電氣123葛朋朋內(nèi)容提要：本新型智能模擬消防車能夠及時(shí)的發(fā)現(xiàn)火源，并及時(shí)的撲滅，最大的特點(diǎn)是能夠自動(dòng)檢測到火災(zāi)坐標(biāo)，駕駛前往火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)，節(jié)省人力物力，反響速度較快。本消防車包括單片機(jī)控制電路、傳感器電路等。本系統(tǒng)同時(shí)通過無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，將該車當(dāng)前的狀態(tài)遠(yuǎn)程傳送給顯示臺(tái)，由液晶屏顯示小車運(yùn)行狀態(tài)。本論文以小區(qū)為典型代表，旨在通過模擬的模型驗(yàn)證原理的可行性。關(guān)鍵詞：自動(dòng)、單片機(jī)、坐標(biāo)、智能化一、研究背景及可行性〔一〕傳統(tǒng)消防車的特點(diǎn)及不便之處1.現(xiàn)如今小區(qū)的住宅面積變化〔1〕現(xiàn)如今隨著城市化的開展，小區(qū)住宅面積越來越小，小區(qū)住宅之間的通道越來越窄，不可否認(rèn)的事實(shí)就是小區(qū)的火災(zāi)隱患越拉越重，可想熱軋一旦發(fā)生火災(zāi)，普通的消防車將很難進(jìn)入小區(qū)進(jìn)行滅火，在發(fā)生火災(zāi)到消防車到達(dá)事發(fā)地時(shí)間很長，這樣的話不能夠最大限度的減少人民群眾的財(cái)產(chǎn)損失。2.傳統(tǒng)消防車的概述〔1〕傳統(tǒng)的消防車的體積較大，在小區(qū)或者學(xué)校等住房呈規(guī)律的住處，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，由于距離較遠(yuǎn)，撲滅火源的時(shí)間較長。在小區(qū)中因住宅面積緊張，再加上小區(qū)停車等問題，使得原有的過道變得比擬的狹窄，這樣使得傳統(tǒng)大型消防車進(jìn)出不便，而且從消防站點(diǎn)到事發(fā)點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間較長。〔2〕因此在小區(qū)中需要一種能夠隨時(shí)待命的、能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)火源、及時(shí)前往火源地、自動(dòng)滅火并返回、的消防車。這種消防車還可以節(jié)約人力物力?！捕承滦拖儡嚨奶厣皩?shí)現(xiàn)〔1〕本消防車可以實(shí)現(xiàn)自能夠自動(dòng)發(fā)現(xiàn)火源、及時(shí)前往火源地、自動(dòng)滅火并返回等功能，不需要人為的控制滅火的過程。本作品使得智能消防成為了可能，與現(xiàn)有的消防車的概念有所區(qū)別，本作品現(xiàn)將模型做出來，將核心的控制電路與電動(dòng)消防汽車相結(jié)合可以使得本消防車很快投入使用，方便應(yīng)用與推廣?！?〕本消防車著重針對小區(qū)，學(xué)校，等人口密集住宅區(qū)等而設(shè)計(jì)，在這些區(qū)域都可以使用本消防車。在這種情況下，大型的消防車的不方便與不夠及時(shí)就顯現(xiàn)的出來，此時(shí)假設(shè)使用新型智能消防車，將使得這些問題得到較大程度的解決?！?〕本消防車就有體積小，速度快，及時(shí)的特點(diǎn)，而且本消防車可實(shí)現(xiàn)性較強(qiáng)，運(yùn)用現(xiàn)有的成熟技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)此消防車功能，方案簡單實(shí)用性較強(qiáng)，技術(shù)可靠度較高，而且最大的特點(diǎn)是可以大大的節(jié)約本錢，這就使得方便推廣成為了可能。〔2〕消防車與傳統(tǒng)的消防車有著本質(zhì)的功能區(qū)別，智能化較高，可以無人自動(dòng)駕駛，節(jié)約人力資源，與傳統(tǒng)的消防車相比有著快速反響，自動(dòng)滅火的特點(diǎn)，自主化，智能化是其最大的創(chuàng)新點(diǎn)，而且他可以節(jié)約城市大型消防車的人力物力資源，這也是給其他地方的消防平安帶來了多的一份保障。二、新型消防車的實(shí)現(xiàn)原理〔一〕.小車的主控芯片及電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片〔1〕本車通過驗(yàn)證采用了Atmel公司的AT89S52單片機(jī)作為小車的控制芯片，此款單片機(jī)具有價(jià)格廉價(jià)，編程簡單，可靠性高的特點(diǎn)，采用Atmel公司的AT89S52單片機(jī)作為主控制器而用凌陽單片機(jī)作為輔助控制器。〔2〕AT89S52是一個(gè)低功耗，高性能的51內(nèi)核的CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k空間的可反復(fù)擦些1000次的Flash只讀存儲(chǔ)器，具有256bytes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?！?〕單片機(jī)電路：〔1〕本小車采用L9110作為前進(jìn)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片特點(diǎn)：寬電源電壓范圍：；每通道具有800mA連續(xù)電流輸出能力；較低的飽和壓降；TTL/CMOS輸出電平兼容，可直接連CPU；輸出內(nèi)置鉗位二極管，適用于感性負(fù)載；〔2〕L9110是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC之中，使外圍器件本錢降低，整機(jī)可靠性提高。該芯片有兩個(gè)TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，它具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，每通道能通過750～800mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá)～2.0A〔3〕L9110被廣泛應(yīng)用于玩具汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和開關(guān)功率管等電路上。下面是驅(qū)動(dòng)電路圖：〔二〕實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)火源的原理〔1〕由于小區(qū)房間的分布根本上是呈現(xiàn)規(guī)那么的坐標(biāo)排列，可以將其分為具體的坐標(biāo)；在每個(gè)房間安裝火焰?zhèn)鞲衅?，然后將每個(gè)火焰?zhèn)鞲衅骷羞B接在一臺(tái)從機(jī)上，從機(jī)上有一個(gè)無線發(fā)射模塊NRF24L01負(fù)責(zé)發(fā)送信號。主機(jī)小車上也有一個(gè)無線模塊NRF24L01，負(fù)責(zé)接收信號?！?〕當(dāng)有房間著火時(shí)，火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到火源，將信號(一個(gè)低電平)傳送到從機(jī)發(fā)送端的單片機(jī)里，由于每個(gè)火焰?zhèn)鞲衅鲗?yīng)一個(gè)坐標(biāo)，所以從機(jī)的單片機(jī)將對應(yīng)的位置坐標(biāo)信號發(fā)送到小車的接收端，然后小車根據(jù)坐標(biāo)自動(dòng)巡線，駛往火源地。24L01〔1〕功能強(qiáng)大、發(fā)射距離遠(yuǎn)，最大400-500米遠(yuǎn)，可靠性高，可以發(fā)射數(shù)字、視頻、文字、圖片等信號。nRF24.L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4GHz～2.5GHzISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流也只有9mA;接收時(shí)，工作電流只有12.3mA，多種低功率工作模式〔掉電模式和空閑模式〕使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。通過配置存放器可將nRF241L01配置為發(fā)射、接收、空閑及掉電四種工作模式，如下表所示。模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO存放器狀態(tài)接收模式111-發(fā)射模式101數(shù)據(jù)在TXFIFO存放器中發(fā)射模式101→0停留在發(fā)送模式，直至數(shù)據(jù)發(fā)送完待機(jī)模式2101TXFIFO為空待機(jī)模式11-0無數(shù)據(jù)傳輸?shù)綦?---〔2〕發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，首先將nRF24L01配置為發(fā)射模式：接著把接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR和有效數(shù)據(jù)TX_PLD按照時(shí)序由SPI口寫入nRF24L01緩存區(qū)，TX_PL必須在CSN為低時(shí)連續(xù)寫入，而TX_ADDR在發(fā)射時(shí)寫入一次即可，然后CE置為高電平并保持至少10μs，延遲130μs后發(fā)射數(shù)據(jù);假設(shè)自動(dòng)應(yīng)答開啟，那nRF24L01在發(fā)射數(shù)據(jù)后立即進(jìn)入接收模式，接收應(yīng)答信號〔自動(dòng)應(yīng)答接收地址應(yīng)該與接收節(jié)點(diǎn)地址TX_ADDR一致〕。如果收到應(yīng)答，那么認(rèn)為此次通信成功，TX_DS置高，同時(shí)TX_PLD從TXFIFO中去除;假設(shè)未收到應(yīng)答，那么自動(dòng)重新發(fā)射該數(shù)據(jù)(自動(dòng)重發(fā)已開啟)，假設(shè)重發(fā)次數(shù)(ARC)到達(dá)上限，MAX_RT置高，TXFIFO中數(shù)據(jù)保存以便再次重發(fā);MAX_RT或TX_DS置高時(shí)，使IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU。最后發(fā)射成功時(shí),假設(shè)CE為低那么nRF24L01進(jìn)入空閑模式1;假設(shè)發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)且CE為高，那么進(jìn)入下一次發(fā)射;假設(shè)發(fā)送堆棧中無數(shù)據(jù)且CE為高，那么進(jìn)入空閑模式2。接收數(shù)據(jù)時(shí),首先將nRF24L01配置為接收模式，接著延遲130μs進(jìn)入接收狀態(tài)等待數(shù)據(jù)的到來。當(dāng)接收方檢測到有效的地址和CRC時(shí)，就將數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)在RXFIFO中，同時(shí)中斷標(biāo)志位RX_DR置高，IRQ變低，產(chǎn)生中斷，通知MCU去取數(shù)據(jù)。假設(shè)此時(shí)自動(dòng)應(yīng)答開啟，接收方那么同時(shí)進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)回傳應(yīng)答信號。最后接收成功時(shí)，假設(shè)CE變低，那么nRF24L01進(jìn)入空閑模式1?！?〕SPI口為同步串行通信接口，最大傳輸速率為10Mb/s，傳輸時(shí)先傳送低位字節(jié)，再傳送高位字節(jié)。但針對單個(gè)字節(jié)而言，要先送高位再送低位。與SPI相關(guān)的指令共有8個(gè)，使用時(shí)這些控制指令由nRF24L01的MOSI輸入。相應(yīng)的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息是從MISO輸出給MCU。nRF24L0l所有的配置字都由配置存放器定義，這些配置存放器可通過SPI口訪問。nRF24L01的配置存放器共有25個(gè)，常用的配置存放器如下表地址〔H〕存放器名稱功能00CONFIG設(shè)置24L01工作模式01EN_AA設(shè)置接收通道及自動(dòng)應(yīng)答02EN_RXADDR使能接收通道地址03SETUP_AW設(shè)置地址寬度04SETUP_RETR設(shè)置自動(dòng)重發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)間和次數(shù)07STATUS狀態(tài)存放器，用來判定工作狀態(tài)0A~0FRX_ADDR_P0~P5設(shè)置接收通道地址10TX_ADDR設(shè)置發(fā)送地址〔先寫低字節(jié)〕11~16RX_PW_P0~P5設(shè)置接收通道的有效數(shù)據(jù)寬度〔三〕實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抵達(dá)火源地的原理〔1〕本小車采用四輪驅(qū)動(dòng)，通過控制左右前后四個(gè)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、原地轉(zhuǎn)等。〔2〕假設(shè)小車收到了一個(gè)坐的標(biāo)為(2,3,3)，就表示第3行，第2列的，3樓這個(gè)位置著火了。小車需要走過先走過3個(gè)橫過道，再在十字路口原地轉(zhuǎn)彎90度，再向前行駛2個(gè)過道，然后停車，就到達(dá)了著火房間的樓房的地點(diǎn)。然后將升降臺(tái)再升高到3樓的高度翻開噴頭直至將火熄滅升降臺(tái)收回；此時(shí)小車原地旋轉(zhuǎn)180度，原路返回。2.小車通過過道的數(shù)目統(tǒng)計(jì)〔1〕我們在小車的底盤左中右等距平行安裝了三個(gè)紅外循跡感器模塊(L,C,R)，使用運(yùn)算放大器lm358電路，在遇到白色的區(qū)域模塊指示燈滅，輸出高電平；檢測到黑線，指示燈亮，電路輸出一個(gè)低電平。設(shè)檢測到黑線為0，白色區(qū)域?yàn)?。 那么在全白111、全黑000、兩邊黑010、中間黑101時(shí)小車走直線；小車偏右時(shí)，表示左邊的傳感器檢測到了黑線為0；中間的、右邊的為1，沒檢測到黑線，那么小車應(yīng)向左轉(zhuǎn)?？梢允剐≤嚨淖筮吳昂蟮妮喿油酵＾D(zhuǎn)，右邊的前后輪子同步前轉(zhuǎn)，就可以是小車的位置自動(dòng)修正，到達(dá)循跡的效果?！?〕由于每個(gè)小區(qū)的過道都是橫豎交叉的十字路，所以在小車經(jīng)過十字路口時(shí)，三個(gè)傳感器同時(shí)檢測到了黑線對應(yīng)000，再讓小車前行一會(huì)，寫程序時(shí)設(shè)置一個(gè)變量，使其在000時(shí)自減。統(tǒng)計(jì)經(jīng)過的個(gè)數(shù)就可以知道前行經(jīng)過了幾個(gè)十字路口，然后再轉(zhuǎn)90度。我可以通過寫一個(gè)函數(shù)控制原地轉(zhuǎn)向(左右兩邊的輪子同步反向轉(zhuǎn)動(dòng))的時(shí)間就可以對應(yīng)旋轉(zhuǎn)的角度。設(shè)小車收到的坐標(biāo)為(2,3,3)，對應(yīng)上圖x=2、y=3、z=3；橫著的坐標(biāo)為X，豎著的為Y。設(shè)置一個(gè)變量為count，count=X+Y，然后count1在每經(jīng)過一次十字路口就減一次；count1=2時(shí)，表示經(jīng)過了3個(gè)十字路口，count=0時(shí)表示在左轉(zhuǎn)了90度后又經(jīng)過了2個(gè)十字路口最終到達(dá)目的地，然后停車。接下來進(jìn)行滅火?！菜摹硨?shí)現(xiàn)撲滅火及返回的原理及步進(jìn)電機(jī)〔1〕本小車采用了折疊式的機(jī)械升降臺(tái)，在升降臺(tái)的頂部安裝了一個(gè)消防噴頭和火焰?zhèn)鞲衅?，在抵達(dá)了著火點(diǎn)的坐標(biāo)后，由于火焰?zhèn)鞲衅饕恢北O(jiān)測到火焰信號，所以消防噴頭就一直翻開，直至火被撲滅，火焰?zhèn)鞲衅鳈z測不到信號，所以就停止噴水，就表示火源被撲滅，然后升降臺(tái)在不僅電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下收回，滅火結(jié)束?！?〕選擇步進(jìn)電機(jī)的原因：由于需要將折疊式升降臺(tái)升高，我們需要一個(gè)動(dòng)力強(qiáng)勁的電機(jī)，而且可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)任意的圈數(shù)。普通的直流電機(jī)雖然減速可以獲得較大動(dòng)力，但是不能夠做到保持停止不轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)可以做到這一點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)在其負(fù)載范圍內(nèi)可以轉(zhuǎn)動(dòng)任意角度圈數(shù)、不受負(fù)載的影響，只有在通電時(shí)步進(jìn)電機(jī)在會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而且可以通過控制脈沖的頻率控制轉(zhuǎn)速，鑒于步進(jìn)電機(jī)的這一優(yōu)點(diǎn)，所以我們采用步進(jìn)電機(jī)來帶動(dòng)升降臺(tái)，具體的型號28BYJ-48，該電機(jī)滿足模擬該消防車的需求?！?〕28BYJ48型四相八拍電機(jī)，電壓為DC5V—DC12V。當(dāng)對步進(jìn)電機(jī)施加一系列連續(xù)不斷的控制脈沖時(shí)，它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。每一個(gè)脈沖信號對應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的角度〔一個(gè)步距角〕。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距。四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運(yùn)行，常見的通電方式有單〔單相繞組通電〕四拍〔A-B-C-D-A。。?！常p〔雙相繞組通電〕四拍〔AB-BC-CD-DA-AB-。。?！?，八拍〔A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A...〕?！?〕小車在前往火源地和返回時(shí)所經(jīng)過的路程是一樣的，前面說到我們在前往火源地時(shí)，在編寫程序時(shí)設(shè)置了一個(gè)統(tǒng)計(jì)變量count1，由于count1的變量在抵到達(dá)了火源地時(shí)，count1變成了0。所以我們在設(shè)置一個(gè)變量為count2，count2=count1，count2的變化過程和count1變化類似，這樣的話就可以原路的返回到隨時(shí)待命點(diǎn)了?！?〕在回到了待命點(diǎn)后小車通過原地的旋轉(zhuǎn)180度掉頭后，就停在了原始待命地點(diǎn)，顯示屏顯示“等待信號中”，直至下一次有房間著火。小車自帶了顯示屏可以隨時(shí)的顯示小車的運(yùn)行狀態(tài)，小車安裝了蜂鳴器，在發(fā)現(xiàn)火源時(shí)小車的鳳鳴器報(bào)警以起到提示的作用。三、該模擬消防車的應(yīng)用前景及意義〔一〕將該技術(shù)與現(xiàn)有消防車結(jié)合1.目前國內(nèi)消防車現(xiàn)狀〔1〕消防車是裝備各種消防器材、消防器具的各類消防車輛的總稱，是目前消防部隊(duì)與火災(zāi)作斗爭的主要工具，是最根本的移動(dòng)式消防裝備。消防車的質(zhì)量水平，反映出一個(gè)國家消防裝備的水平，甚至表達(dá)該國整個(gè)消防事業(yè)的水平?！?〕我國的消防車產(chǎn)品種類比擬齊全，滅火車，登高車、專勤車等都有配置。但是，其中多以科技含量不高，功能單一的水罐消防車，泡沫消防車和干粉消防車為主，其中水罐車占總量的60%以上，而附加值高的特種消防車(除水罐、干粉、泡沫以外的車輛)僅占15%左右。云梯車等救援類消防車更是難得一見?！?〕我們做的模擬消防車驗(yàn)證了自動(dòng)化是可行的，實(shí)現(xiàn)了用消防噴頭噴出水滅火的可行性。其實(shí)消防車不僅可以用水來滅火，不僅有水罐消防車、還有高倍泡沫消防車、二氧化碳消防車車、舉高噴射消防車、等等，在今后的應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際的使用需求將該技術(shù)靈活的運(yùn)用。本消防車模擬的原理和現(xiàn)有的消防車結(jié)合起來將發(fā)揮巨大的作用。還可以將現(xiàn)有的消防車通過改造，變成自動(dòng)的無人駕駛的消防車，在今后的應(yīng)用中還可以講改技術(shù)加以完善?！捕硨F(xiàn)有的消防車智能化是今后的趨勢〔1〕現(xiàn)有的無人駕駛技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)與本論文技術(shù)結(jié)合運(yùn)用，將實(shí)現(xiàn)消防車的全自