智能模拟消防车

新型智能模拟消防车安徽科技学院第十一批新课题电气123葛朋朋内容提要：本新型智能模拟消防车能够及时的发现火源，并及时的扑灭，最大的特点是能够自动检测到火灾坐标，驾驶前往火灾发生地点，节省人力物力，反响速度较快。本消防车包括单片机控制电路、传感器电路等。本系统同时通过无线数据收发模块进行无线数据传输，将该车当前的状态远程传送给显示台，由液晶屏显示小车运行状态。本论文以小区为典型代表，旨在通过模拟的模型验证原理的可行性。关键词：自动、单片机、坐标、智能化一、研究背景及可行性〔一〕传统消防车的特点及不便之处1.现如今小区的住宅面积变化〔1〕现如今随着城市化的开展，小区住宅面积越来越小，小区住宅之间的通道越来越窄，不可否认的事实就是小区的火灾隐患越拉越重，可想热轧一旦发生火灾，普通的消防车将很难进入小区进行灭火，在发生火灾到消防车到达事发地时间很长，这样的话不能够最大限度的减少人民群众的财产损失。2.传统消防车的概述〔1〕传统的消防车的体积较大，在小区或者学校等住房呈规律的住处，发生火灾时，由于距离较远，扑灭火源的时间较长。在小区中因住宅面积紧张，再加上小区停车等问题，使得原有的过道变得比拟的狭窄，这样使得传统大型消防车进出不便，而且从消防站点到事发点所经历的时间较长。〔2〕因此在小区中需要一种能够随时待命的、能够自动发现火源、及时前往火源地、自动灭火并返回、的消防车。这种消防车还可以节约人力物力。〔二〕新型消防车的特色及实现〔1〕本消防车可以实现自能够自动发现火源、及时前往火源地、自动灭火并返回等功能，不需要人为的控制灭火的过程。本作品使得智能消防成为了可能，与现有的消防车的概念有所区别，本作品现将模型做出来，将核心的控制电路与电动消防汽车相结合可以使得本消防车很快投入使用，方便应用与推广。〔2〕本消防车着重针对小区，学校，等人口密集住宅区等而设计，在这些区域都可以使用本消防车。在这种情况下，大型的消防车的不方便与不够及时就显现的出来，此时假设使用新型智能消防车，将使得这些问题得到较大程度的解决。〔1〕本消防车就有体积小，速度快，及时的特点，而且本消防车可实现性较强，运用现有的成熟技术就可以实现此消防车功能，方案简单实用性较强，技术可靠度较高，而且最大的特点是可以大大的节约本钱，这就使得方便推广成为了可能。〔2〕消防车与传统的消防车有着本质的功能区别，智能化较高，可以无人自动驾驶，节约人力资源，与传统的消防车相比有着快速反响，自动灭火的特点，自主化，智能化是其最大的创新点，而且他可以节约城市大型消防车的人力物力资源，这也是给其他地方的消防平安带来了多的一份保障。二、新型消防车的实现原理〔一〕.小车的主控芯片及电机驱动芯片〔1〕本车通过验证采用了Atmel公司的AT89S52单片机作为小车的控制芯片，此款单片机具有价格廉价，编程简单，可靠性高的特点，采用Atmel公司的AT89S52单片机作为主控制器而用凌阳单片机作为辅助控制器。〔2〕AT89S52是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS8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256bytes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。〔3〕单片机电路：〔1〕本小车采用L9110作为前进的电机驱动芯片。该芯片特点：宽电源电压范围：；每通道具有800mA连续电流输出能力；较低的饱和压降；TTL/CMOS输出电平兼容，可直接连CPU；输出内置钳位二极管，适用于感性负载；〔2〕L9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片IC之中，使外围器件本钱降低，整机可靠性提高。该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过750～800mA的持续电流，峰值电流能力可达～2.0A〔3〕L9110被广泛应用于玩具汽车电机驱动、步进电机驱动和开关功率管等电路上。下面是驱动电路图：〔二〕实现发现火源的原理〔1〕由于小区房间的分布根本上是呈现规那么的坐标排列，可以将其分为具体的坐标；在每个房间安装火焰传感器，然后将每个火焰传感器集中连接在一台从机上，从机上有一个无线发射模块NRF24L01负责发送信号。主机小车上也有一个无线模块NRF24L01，负责接收信号。〔2〕当有房间着火时，火焰传感器检测到火源，将信号(一个低电平)传送到从机发送端的单片机里，由于每个火焰传感器对应一个坐标，所以从机的单片机将对应的位置坐标信号发送到小车的接收端，然后小车根据坐标自动巡线，驶往火源地。24L01〔1〕功能强大、发射距离远，最大400-500米远，可靠性高，可以发射数字、视频、文字、图片等信号。nRF24.L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4GHz～2.5GHzISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式〔掉电模式和空闲模式〕使节能设计更方便。通过配置存放器可将nRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如下表所示。模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO存放器状态接收模式111-发射模式101数据在TXFIFO存放器中发射模式101→0停留在发送模式，直至数据发送完待机模式2101TXFIFO为空待机模式11-0无数据传输掉电0---〔2〕发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PL必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据;假设自动应答开启，那nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号〔自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致〕。如果收到应答，那么认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TXFIFO中去除;假设未收到应答，那么自动重新发射该数据(自动重发已开启)，假设重发次数(ARC)到达上限，MAX_RT置高，TXFIFO中数据保存以便再次重发;MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时,假设CE为低那么nRF24L01进入空闲模式1;假设发送堆栈中有数据且CE为高，那么进入下一次发射;假设发送堆栈中无数据且CE为高，那么进入空闲模式2。接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RXFIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。假设此时自动应答开启，接收方那么同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，假设CE变低，那么nRF24L01进入空闲模式1。〔3〕SPI口为同步串行通信接口，最大传输速率为10Mb/s，传输时先传送低位字节，再传送高位字节。但针对单个字节而言，要先送高位再送低位。与SPI相关的指令共有8个，使用时这些控制指令由nRF24L01的MOSI输入。相应的状态和数据信息是从MISO输出给MCU。nRF24L0l所有的配置字都由配置存放器定义，这些配置存放器可通过SPI口访问。nRF24L01的配置存放器共有25个，常用的配置存放器如下表地址〔H〕存放器名称功能00CONFIG设置24L01工作模式01EN_AA设置接收通道及自动应答02EN_RXADDR使能接收通道地址03SETUP_AW设置地址宽度04SETUP_RETR设置自动重发数据时间和次数07STATUS状态存放器，用来判定工作状态0A~0FRX_ADDR_P0~P5设置接收通道地址10TX_ADDR设置发送地址〔先写低字节〕11~16RX_PW_P0~P5设置接收通道的有效数据宽度〔三〕实现实现自动抵达火源地的原理〔1〕本小车采用四轮驱动，通过控制左右前后四个电机来实现前进、后退、转弯、原地转等。〔2〕假设小车收到了一个坐的标为(2,3,3)，就表示第3行，第2列的，3楼这个位置着火了。小车需要走过先走过3个横过道，再在十字路口原地转弯90度，再向前行驶2个过道，然后停车，就到达了着火房间的楼房的地点。然后将升降台再升高到3楼的高度翻开喷头直至将火熄灭升降台收回；此时小车原地旋转180度，原路返回。2.小车通过过道的数目统计〔1〕我们在小车的底盘左中右等距平行安装了三个红外循迹感器模块(L,C,R)，使用运算放大器lm358电路，在遇到白色的区域模块指示灯灭，输出高电平；检测到黑线，指示灯亮，电路输出一个低电平。设检测到黑线为0，白色区域为1。 那么在全白111、全黑000、两边黑010、中间黑101时小车走直线；小车偏右时，表示左边的传感器检测到了黑线为0；中间的、右边的为1，没检测到黑线，那么小车应向左转。可以使小车的左边前后的轮子同步停转，右边的前后轮子同步前转，就可以是小车的位置自动修正，到达循迹的效果。〔2〕由于每个小区的过道都是横竖交叉的十字路，所以在小车经过十字路口时，三个传感器同时检测到了黑线对应000，再让小车前行一会，写程序时设置一个变量，使其在000时自减。统计经过的个数就可以知道前行经过了几个十字路口，然后再转90度。我可以通过写一个函数控制原地转向(左右两边的轮子同步反向转动)的时间就可以对应旋转的角度。设小车收到的坐标为(2,3,3)，对应上图x=2、y=3、z=3；横着的坐标为X，竖着的为Y。设置一个变量为count，count=X+Y，然后count1在每经过一次十字路口就减一次；count1=2时，表示经过了3个十字路口，count=0时表示在左转了90度后又经过了2个十字路口最终到达目的地，然后停车。接下来进行灭火。〔四〕实现扑灭火及返回的原理及步进电机〔1〕本小车采用了折叠式的机械升降台，在升降台的顶部安装了一个消防喷头和火焰传感器，在抵达了着火点的坐标后，由于火焰传感器一直监测到火焰信号，所以消防喷头就一直翻开，直至火被扑灭，火焰传感器检测不到信号，所以就停止喷水，就表示火源被扑灭，然后升降台在不仅电机的驱动下收回，灭火结束。〔2〕选择步进电机的原因：由于需要将折叠式升降台升高，我们需要一个动力强劲的电机，而且可以实现转动任意的圈数。普通的直流电机虽然减速可以获得较大动力，但是不能够做到保持停止不转。步进电机可以做到这一点，步进电机在其负载范围内可以转动任意角度圈数、不受负载的影响，只有在通电时步进电机在会转动，而且可以通过控制脉冲的频率控制转速，鉴于步进电机的这一优点，所以我们采用步进电机来带动升降台，具体的型号28BYJ-48，该电机满足模拟该消防车的需求。〔3〕28BYJ48型四相八拍电机，电压为DC5V—DC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度〔一个步距角〕。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单〔单相绕组通电〕四拍〔A-B-C-D-A。。。〕，双〔双相绕组通电〕四拍〔AB-BC-CD-DA-AB-。。。〕，八拍〔A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A...〕。〔1〕小车在前往火源地和返回时所经过的路程是一样的，前面说到我们在前往火源地时，在编写程序时设置了一个统计变量count1，由于count1的变量在抵到达了火源地时，count1变成了0。所以我们在设置一个变量为count2，count2=count1，count2的变化过程和count1变化类似，这样的话就可以原路的返回到随时待命点了。〔2〕在回到了待命点后小车通过原地的旋转180度掉头后，就停在了原始待命地点，显示屏显示“等待信号中”，直至下一次有房间着火。小车自带了显示屏可以随时的显示小车的运行状态，小车安装了蜂鸣器，在发现火源时小车的凤鸣器报警以起到提示的作用。三、该模拟消防车的应用前景及意义〔一〕将该技术与现有消防车结合1.目前国内消防车现状〔1〕消防车是装备各种消防器材、消防器具的各类消防车辆的总称，是目前消防部队与火灾作斗争的主要工具，是最根本的移动式消防装备。消防车的质量水平，反映出一个国家消防装备的水平，甚至表达该国整个消防事业的水平。〔2〕我国的消防车产品种类比拟齐全，灭火车，登高车、专勤车等都有配置。但是，其中多以科技含量不高，功能单一的水罐消防车，泡沫消防车和干粉消防车为主，其中水罐车占总量的60%以上，而附加值高的特种消防车(除水罐、干粉、泡沫以外的车辆)仅占15%左右。云梯车等救援类消防车更是难得一见。〔1〕我们做的模拟消防车验证了自动化是可行的，实现了用消防喷头喷出水灭火的可行性。其实消防车不仅可以用水来灭火，不仅有水罐消防车、还有高倍泡沫消防车、二氧化碳消防车车、举高喷射消防车、等等，在今后的应用中应根据实际的使用需求将该技术灵活的运用。本消防车模拟的原理和现有的消防车结合起来将发挥巨大的作用。还可以将现有的消防车通过改造，变成自动的无人驾驶的消防车，在今后的应用中还可以讲改技术加以完善。〔二〕将现有的消防车智能化是今后的趋势〔1〕现有的无人驾驶技术和机器人技术与本论文技术结合运用，将实现消防车的全自