引言

火災(zāi)是對(duì)公共安全和社會(huì)發(fā)展危害最大的災(zāi)害之一,人們有時(shí)無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患,導(dǎo)致原本可控的火情最后造成慘重的損失。因此,為預(yù)防火災(zāi),并能夠及時(shí)警示人們,本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一款智能消防小車。該方案基于LK32T102,利用溫度檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、紅外檢測(cè)、wi-Fi模塊外圍電路,完成智能消防小車信息采集,數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)。智能消防小車能讓人們第一時(shí)間知曉火情信息,預(yù)防火災(zāi),將火災(zāi)帶來(lái)的損失和危害降到最低。

本裝置主要包括驅(qū)動(dòng)電路、電源模塊(LM2596s)、紅外循跡模塊、溫度檢測(cè)模塊(Ds18B20,測(cè)溫范圍為-55~125℃,精度為±0.5℃)、煙霧檢測(cè)模塊(Mo-2,對(duì)天然氣、液化石油等煙霧氣體敏感)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、wi-Fi模塊。紅外循跡模塊通過(guò)判斷兩側(cè)接收的紅外線強(qiáng)度改變電阻,從而改變反饋給單片機(jī)Io口的電壓,判斷智能消防小車是否按照預(yù)設(shè)線路行進(jìn):溫度檢測(cè)模塊Ds18B20傳感器采集溫度,將環(huán)境的溫度信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,并以串行數(shù)據(jù)流的形式反饋給單片機(jī):煙霧檢測(cè)模塊Mo-2傳感器采集煙霧濃度,通過(guò)改變電路中的電導(dǎo)率,將環(huán)境氣體的濃度信息反饋給單片機(jī):電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用A4950控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)速度,實(shí)現(xiàn)小車的不同行進(jìn)姿態(tài):wi-Fi模塊將單片機(jī)處理完成的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī),用于提醒人們智能消防小車所處的環(huán)境信息。

1硬件電路設(shè)計(jì)

1.1電路架構(gòu)

智能消防小車主要由LK32T102單片機(jī)、電源電路、wi-Fi模塊、驅(qū)動(dòng)電路、煙霧檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、紅外模塊組成,如圖1所示。

電源降壓與穩(wěn)壓電路主要由兩塊12V鋰電池提供電壓,再由LM2596s和AMs1117-3.3芯片轉(zhuǎn)化為5V和3.3V電壓,為單片機(jī)和整個(gè)消防小車系統(tǒng)供電[5]:消防小車使用紅外模塊尋找路線軌跡:將傳感器的各類參數(shù)通過(guò)wi-Fi模塊顯示在上位機(jī)上:使用煙霧檢測(cè)傳感器和溫度傳感器模塊采集周圍煙霧濃度和環(huán)境溫度:驅(qū)動(dòng)電路用于控制消防小車運(yùn)動(dòng)。

1.2電源模塊

電源模塊為單片機(jī)最小系統(tǒng),為wi-Fi模塊、溫度傳感器模塊、紅外循跡模塊、煙霧檢測(cè)模塊提供直流電源。LM2596s與AMs1117模塊是業(yè)內(nèi)較為常用的電源變換芯片模塊,具有批量大、成本低的特點(diǎn),適合作為本智能消防小車的電源來(lái)使用。通過(guò)LM2596s與AMs1117模塊將12V電池降壓至5V和3.3V兩種電壓。

1.3紅外循跡模塊

傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線,當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒(méi)有被反射回來(lái)或被反射回來(lái)但強(qiáng)度不夠大時(shí),光敏三極管處于關(guān)斷狀態(tài),此時(shí)模塊輸出端為低電平,指示二極管處于熄滅狀態(tài):當(dāng)發(fā)射出的紅外線在檢測(cè)范圍內(nèi)遇到障礙物,紅外線被反射至傳感器接收頭,紅外循跡模塊TCRL5000接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理,通過(guò)斯密特反相器緩沖74HC14,經(jīng)過(guò)插針連接器傳遞到單片機(jī)引腳,由單片機(jī)獲取到的電壓值判斷智能消防小車的工作狀態(tài),調(diào)整移動(dòng)方向,規(guī)避障礙物。紅外循跡模塊電路如圖2所示。

1.4溫度檢測(cè)模塊

溫度檢測(cè)模塊使用Ds18B20傳感器,主要由溫度傳感器、配置寄存器、異常溫度觸發(fā)器等器件組成,相比于熱敏電阻、熱電偶等傳統(tǒng)的感溫元器件,它具有數(shù)值化、高精度、強(qiáng)穩(wěn)定性、體積小等特點(diǎn),僅需一個(gè)控制信號(hào)就可以和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行通信,能充分滿足本智能消防小車采集溫度的要求。采集溫度時(shí),模塊電路中R11上拉電阻給芯片Do引腳拉高電位,電容C5用于降低交流脈沖,提高平滑直流輸出,如圖3所示。

1.5煙霧檢測(cè)模塊

煙霧檢測(cè)模塊采用Mo-2型傳感器采集煙霧濃度,其電導(dǎo)率隨著氣體濃度的增大而增大,且能夠快速地響應(yīng)煙霧濃度的變化,不易受外界因素干擾。定義煙霧傳感器Mo-2輸出引腳為SMOKE,SMOKE引腳的電流輸出隨煙霧濃度變化而變化,讀取煙霧檢測(cè)模塊的輸出電壓值來(lái)判斷當(dāng)前的煙霧濃度,如圖4所示。

2控制程序設(shè)計(jì)

2.1主程序設(shè)計(jì)

主函數(shù)首先完成單片機(jī)的Io端口配置、模塊初始化、溫度信號(hào)采集、煙霧濃度采集,然后以循跡行進(jìn)為主體,在定時(shí)器中斷位溢出,進(jìn)程自增,完成相應(yīng)的進(jìn)程操作,傳感器獲取到數(shù)據(jù),判斷數(shù)據(jù)是否超出預(yù)設(shè)值并做出動(dòng)作,將數(shù)據(jù)通過(guò)EsP8266模塊傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。流程圖如圖5所示。

2.2方向控制程序

舵機(jī)控制需要20ms的時(shí)基脈沖,脈沖高電平部分為0.5~2.5ms范圍。通過(guò)對(duì)定時(shí)器時(shí)鐘源分頻計(jì)算得出定時(shí)器自動(dòng)重裝載值,計(jì)算得出單片機(jī)定時(shí)器計(jì)數(shù)寄存器捕獲值,計(jì)算公式如下:

式中:ARR為自動(dòng)重裝載值:7為輸入方波周期:CLK為該單片機(jī)時(shí)鐘頻率:PsC為預(yù)分頻值:CRRx為寄存器捕獲值:dulycircle為舵機(jī)輸入波形占空。

2.3溫度檢測(cè)程序

2s18B10獲取到的數(shù)據(jù)以補(bǔ)碼形式存儲(chǔ),單片機(jī)獲取到寄存器高8位,判斷高8位的值大于7,則表示為正溫度,若溫度為負(fù),則需先將補(bǔ)碼數(shù)據(jù)減一后取反,以獲取負(fù)溫度的絕對(duì)值。將寄存器高8位與低8位合并為一個(gè)16位數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)化為16位數(shù)據(jù)后,根據(jù)溫度換算公式轉(zhuǎn)化為攝氏溫度,對(duì)溫度保留兩位小數(shù)并四舍五入。

2.4煙霧濃度檢測(cè)程序

讀取Mo-1煙霧傳感模塊輸出引腳SMOKE的電壓值,分析氣體傳感器敏感體表面電阻變化,進(jìn)而計(jì)算得出當(dāng)前環(huán)境煙霧濃度值,計(jì)算公式如下:

式中:C為煙霧濃度:R為煙霧檢測(cè)模塊中氣體傳感器敏感體表面電阻:m、n為常量。

當(dāng)煙霧濃度超過(guò)預(yù)設(shè)煙霧濃度值的5%時(shí),蜂鳴器自動(dòng)報(bào)警。

3測(cè)試驗(yàn)證

通過(guò)電腦熱點(diǎn)與小車(圖6)配對(duì),連接網(wǎng)絡(luò),在上位機(jī)中設(shè)置對(duì)應(yīng)的1P地址與端口,若有數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡聊簧蟿t為成功。

圖6智能消防小車實(shí)物

對(duì)wi-Fi模塊EsP8166進(jìn)行測(cè)試,按照芯片手冊(cè)的指令集,通過(guò)TTL串口助手,發(fā)送指令給EsP8166,按照流程匹配,連接wi-Fi,測(cè)試與上位機(jī)之間的通信。溫度檢測(cè)模塊2s+8B10,測(cè)試時(shí)序邏輯是否可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。煙霧濃度檢測(cè)模塊,通過(guò)返回給1o口的電壓,經(jīng)過(guò)算法處理后讀取到數(shù)據(jù)。機(jī)械溫度計(jì)和便攜式氣體檢測(cè)儀器測(cè)量當(dāng)前環(huán)境溫度和煙霧氣體濃度,作為參照值來(lái)測(cè)試消防小車溫度系統(tǒng)與煙霧濃度采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。溫度轉(zhuǎn)化之后延時(shí)時(shí)間不夠,導(dǎo)致溫度保持在85℃。調(diào)整時(shí)序延時(shí),除去異常數(shù)據(jù)后,智能消防小車溫度系統(tǒng)與煙霧系統(tǒng)具有較高精度,相比測(cè)機(jī)械溫度計(jì)采集的溫度平均誤差在±0.5℃,煙霧系統(tǒng)濃度平均誤差在±10-5(±10ppm)以內(nèi)。測(cè)量結(jié)果如表1所示。

4結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)設(shè)計(jì)紅外循跡模塊、溫度檢測(cè)模塊、煙霧檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等電路模塊,研制了智能消防小車。智能消防小車能按照規(guī)劃路線正常行駛,且上位機(jī)可正常接收智能消防小車采集的煙霧、濃度等環(huán)境參數(shù),當(dāng)溫度和煙霧濃度存在異常時(shí),能迅速發(fā)出警報(bào),提醒人們及時(shí)對(duì)火災(zāi)進(jìn)行干預(yù)處理。智能消防小車可以根據(jù)場(chǎng)景規(guī)劃最優(yōu)路線,按照規(guī)定路線巡查,因而能廣泛應(yīng)用于倉(cāng)庫(kù)、工廠、車站等場(chǎng)所,具有良好的應(yīng)用推廣價(jià)值。