自动循迹避障灭火智能小车设计
Des i gn of Smart Car wi t h Automat i c Track i ag Obstacle Avo i dance and F i re F i ghti ag
苏晓峰王海涛程一平杨嵛媛肖又文黄旻璇
（西安建筑科技大学机电工程学院，陕西西安710055）
摘要：针对火场危险环境下火源搜寻难度大、人员伤亡程度高及灭火效率低的问题，设计了 一种基于单片机控制的自动 循迹避障灭火智能小车。小车以STC89C52单片机为控制核心，分别采用红外对管和超声波传感器实现自动循迹和避障, 采用直流电机作为运行驱动，采用火焰传感器与直流风扇模拟灭火。另外，小车还搭载了测速模块、显示模块、报警模块、通 信模块等，对小车运行状态和参数进行实时采集、显示和控制。经设计调试，小车完全能够满足火场环境下自动循迹、避障及 精准灭火等功能要求，且操作简单、响应迅速，运行稳定可靠，具有较高的实用性和推广价值。
关键词：单片机；循迹；避障；灭火；智能小车
Abstract :ln order to solve the problems of h i g h d iff i c ulty in fire source search i n g,h i g h degree of casualt i e s and low fire-
f i
g ht i ng eff ic iency in the dangerous env i r onment of fire s i t e,a smart car of automat ic track i ng,obstacle avo i d ance and fire fighting based on single chip m icrocomputer control is designed in this paper.The car takes STC89C52 microcontroller as
the control core,use infrared matching tube and ultrasonic sensor to realize automatic tracking and obstacle avoidance re-
spectively,use DC motor as the run drive,and use flame sensor and DC fan to simulate fire fighting .In addition,the cars al so equipped with speed measurement module, display module,alarm module, communication module and etc,which is used
for real-time acquisition,display and control of the running state and parameters of the car.After design and debugging,the
car can fully meet the requirements of function of automatic tracking,obstacle avoidance,accur
ate fire fighting and etc under the fire site,which operate simply,respond fast,run stably and reliably,and has the high practicability and promotion value.
Keywords :single chip microcomputer,tracking,obstacle avoidance,fire fighting,the smart car
火灾会给人民生命财产造成了巨大的损失，已成为社会共 同关注和亟待解决的问题。一般火灾现场具有烟雾浓度大、能见 度低、温度高、氧气稀薄的特征，这种恶劣的环境条件给消防救
援带来了极大的不便和危险咱1」。在此背景下，灭火机器人应用而 生。灭火机器人可以代替消防员进入火灾现场进行图像、数据采
集，并将火灾现场情况实时传送给火场外边的消防员，供消防和 专业人员决策，实施灭火。本文基于STC89C52单片机为控制 核心，设计了一种具有自动循迹、自主避障、精准灭火功能的智 能小车，分别对小车系统的软硬件进行了设计和选型，经调试,
小车能够满足功能要求，具有较高的实用性和推广价值。1系统总体设计
自动循迹避障灭火机器人以STC89C52单片机为控制核 心，主要包括循迹模块、避障模块、灭火模块、电源模块、测速模
块、显示模块、报警模块以及通信模块等，智能灭火小车的组成 框图如图1所示。循迹模块包括两路红外对管，分别安装在小车图1自动循迹避障灭火智能小车组成框图
前端底部的左右两侧，以实现小车的自动循迹；避障模块包括三
路超声波传感器，分别安装在小车前端及车身左右两侧，以实现 小车的自主避障；灭火模块包括火焰传感器与直流风扇，通过在 小车前端安装5路火焰传感器和直流风扇模拟小车灭火；电机 与驱动模块包括两个直流减速电机及L298N 电机驱动芯片，作 为小车的运行驱动，同时采用PWM 技术实现小车速度可调；电
源模块为5V 的直流电源，主要为单片机和其它各模块提供工作 电源；测速模块、显示模块、报警模块、通信模块，主要对小车运
行状态和参数进行实时采集、显示和控制。
2系统硬件选型2.1控制芯片
小车采用MCS-51内核的STC89C52单片机作为主控芯 片。STC89C52单片机具有功能强、效率高、速度高、功耗低、价格
低等优点。STC89C52内置8位中央处理单元,256字节的片内 RAM ,8kB 片内ROM ,32个双向I/O 口，3个16位定时/计数器 和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口孔采用STC80C52 单片机可直接实现ISP 串口在线下载程序，方便程序的编写和 调试。
2.2循迹模块
小车采用红外循迹模块实现自动寻迹。 该模块包括左右两
路红外对管，安装在小车前端底部的左右两侧。每路红外对管分
为发射端和接收端，当小车沿着地面预设的黑线前行时，两路红 外对管发射端不断向地面发射红外线，若小车未偏离轨道，红外
线会被接收端接收, 接收端输岀低电平给单片机, 小车直线行 驶。当小车运行某侧偏离轨道时，这一侧红外发射端发岀的红外
线会照射在黑线上，被黑线吸收，红外接收端接收不到反射回来
*西安建筑科技大学2019年一流专业建设子项目(YLZY0704Z09)；西安建筑科技大学2020年省级大学生创新创业训练计划项 目(X202010703113)；西安建筑科技大学第十五批大学本科生科研训练(SSRT )
计划项目
的红外线，输岀高电平给单片机，经单片机分析处理，调整小车左右两端车轮转速，实现小车转向，直到小车返回预设轨道遥2.3避障模块
小车采用HC-SR04超声波测距模块实现自主避障。该模块可提供2~400cm的非接触距离测量，测量精度可达到0.3cm遥HC-SR04避障模块包括超生波发射器，接收器与控制电路，包括VCC、GND、TRIG、ECHO4个端口［。超声波测距的工作原理是通过内部产生一定频率的信号，经发射器发射后接收器检测是否有信号被物体反射回来，以此来判断前方是否有障碍物及与障碍物的距离。为了提高避障精度和扩大检测范围，分别在小车前方、车身左右两侧各安装了1个超声波测距模块［4］。
2.4灭火模块
小车采用灭火模块实现精准灭火。灭火模块由火焰探测单元和风扇灭火单元组成，如图2所示。火焰探测单元包括5路对称分布的火焰传感器，可用于探测小车前方120°范围内的火源，数字量或模拟量输岀，对应5个不同方位。风扇灭火单元主要由直流风扇和L9110驱动芯片组成，采用直流电机驱动风扇旋转模拟小车灭火，风扇灭火单元如图2所示。
图2火焰探测与风扇灭火单元
2.5电机与驱动模块
小车采用直流电机及其驱动芯片实现行进功能遥小车采用两个直流减速电机作为后轮驱动，因为直流减速电机具有调速性好、转矩大、运行平稳等优点。电机驱动芯片采用ST公司生产的L298N双H桥驱动芯片［5］。L298N是一款高电压、高电流的双全桥驱动器，其输入端IN1~IN4直接和单片机的I/O口相连，输岀端OUT1~OUT4分别与两路直流电机相连。ENA和ENB为两个独立的使能信号，用于使能或禁能设备，高电平有效，在PWM调速时，和单片机的I/O口相连。小车在转向上采用左右后轮差速的方式实现，当右轮电机的转速高于左轮电机的转速时，小车左转，反之右转遥
2.6电源模块
电源模块用于给单片机和小车其它模块提供稳定电源，是小车正常工作的基础。为了减轻小车重量和后期维护调试方便，小车采用4节5号电池供电，输岀电压为5V遥
2.7测速模块
小车测速模块采用HC-020K测速传感器。HC-020K测速传感器是一款宽电压、高分辨率、短响应速度、开关量输岀的测速模组。通过在小车电机输岀轴上安装一组黑码盘，以光电脉冲输岀的形式可以测算小车当前转速。
2.8报警模块
小车报警模块由红发光二极管和蜂鸣器组成。报警模块用于小车在寻迹、避障、灭火等工作过程中产生声光报警。如在寻迹过程中小车前轮压到黑线时产生报警，在避障过程中遇到障碍物时产生报警，在灭火过程中到火源时产生报警等遥
2.9显示模块
小车显示模块采用LCD1602液晶显示器丄CD1602液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点。LCD1602工作电压为5V，可以显示2行，每行16个字符。采用LCD1602显示器对小车当前的运行模式、状态及速度等信息进行实时显示。
2.10通信模块
为了实现手机端对小车的控制，小车配备了BT08B蓝牙通信模块。该模块支持UART接口与V3.0蓝牙协议，具有成本低、体积小、功耗低、收发灵敏度高等优点。BT08D蓝牙模块有STATE、RXD、TXD、GND、VCC、EN共6个弓I脚。其中，STATE 为蓝牙状态引脚，未连接时输岀低电平，连接时输岀高电平。EN 为AT指令设置引脚。BT08D蓝牙通信模块的工作电压为5V，有效通信距离为10m遥通过在手机上安装该蓝牙模块的APP，可实现手机端对小车的无线控制。
3系统软件设计
自动寻迹避障灭火智能小车的软件设计主要是指小车自动寻迹、自主避障、精准灭火功能的编程与实现。采用Keil滋Vi-sion5开发平台与STC-ISP程序下载工具，对小车各功能进行编程与调试。整个开发过程包括工程的建立与配置、C51源程序的编写、编译和链接、修改程序错误、程序的下载与调试等步骤［6］。为了提高编程效率和后期维护方便，系统程序设计采用模块化的编程方法，分为一个系统运行主程序和自动寻迹、避障、灭火三个子程序。
3.1主程序设计
自动寻迹避障灭火智能小
车的主程序流程，如图3所示。
小车上电后，先进行系统初始
化，主要包括定时器、中断、串口
初始化，寻迹、避障、灭火、驱动
模块自检等⑺。初始化完成后，小
车开始与上位机通信，接收由遥
控器或手机等上位机发岀的工
作模式指令，分为寻迹模式、避
障模式及灭火模式。当小车接收
到寻迹、避障、灭火模式中的某
种工作模式指令时，转入执行对
应的子程序。
3.2自动寻迹子程序设计
小车自动寻迹子程序流
程，如图4所示。执行寻迹子程
序时，首先进行程序初始化，对
小车的各传感器、运行状态、报
警、延时函数等进行定义。然后电动小汽车
进入寻迹过程，判断小车前端
左右两路红外传感器所处的位
置，若小车位于黑线的中间，两
路红外传感器都未检测到黑
线，小车直行。若小车在前进时
左侧红外传感器检测到黑线,
红外接收端输岀高电平给单片
応二楼怎广：.■>--
灭*丁程序
图3小车主程序流程图
图4小车自动寻迹子程序流程图机，右侧红外传感器未检测到黑线，红外接收端输岀低电平给单片机，此时表明小车偏右，程序会以差速的方式控制小车左转，反之控制小车右转。在寻迹过程中，当小车某侧检测到黑线时，这一侧的发光二极管会亮，同时蜂鸣器产生报警。另外，小车寻迹过程中的状态和速度信息也会通过LCD1602液晶实时显示。
（下转第143页
）
岀最小损耗控制方法相较于传统i a=0控制方法的效率更高，且效率提升效果随着转速升高和负载转矩的降低变得越来越显著，验证了最小损耗控制方法的有效性。
图6不同转速和转矩情况下最小损耗控制方法
较传统I a=0控制方法的电机效率提升量
3结束语
本文介绍了考虑铁损的永磁同步电机等效电路模型的搭建方法，阐述了等效铁损电阻的实验测量方法和基于表贴式永磁同步电机等效数学模型的效率优化方法，精确得到电机在不同转速和负载情况下的最优a轴电流给定值，并在不同转速转矩
(上接第135页)
33避障子程序设计
小车自动避障子程序流程，如图5所示。执行避障程序时，首先进行程序初始化，对小车的各传感器、
运行状态、报警、延时函数进行定义。然后进入避障过程，判断小车运行前方是否有障碍物及小车与障碍物的距离，当小车距离障碍物的距离小于程序设定值时，蜂鸣器发出报警信号，并刹车。然后判断车身左右两侧哪侧没有障碍物，从而向没有障碍物的一侧左转或右转90。，继续前行，当避开障碍物时，再右转或左转90。，回到原来的路径上，继续行驶。小车避障过程中的状态和速度信息会通过LCD1602液晶实时显示。
34灭火子程序设计
小车自动灭火子程序流程如图6所示。执行灭火程序时，首先进行初始化，对小车的各传感器、运行状态、报警、延时函数进行定义。然后进入灭火程序，小车通过前端火焰探测单元的5路火焰传感器连续探测前方120。范围内是否有火源，同时超声波模块连续检测小车前方是否有障碍物，遇到障碍物时执行避障
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图6自动灭火子程序图5自动避障子程序流程图条件下仿真对比了最小损耗控制方法，相较于传统I a=0控制方法的效率的提升量，验证了该方法的有效性，并且寻优速度快，适用于负载变化频繁的情况下，且在电机低负载高速运行的情况下效率优化更加明显。
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[收稿日期：2021.1.18]
子程序，躲开障碍物。为了火源探测的精确性，火焰探测单元以模拟量的形式输岀到单片机。当小车前进过程中探测到某个方位有火源时，正对火源方向的火焰传感器输岀的模拟值最大。此时，小车产生报警，表示发现火源，并通过LCD1602液晶显示火源方位。然后，单片机根据火源方位驱动小车转向，向火源方位前进。当小车前进到一定距离，正对火焰方位的火焰传感器输岀值大于程序给定的阈值时，表明小车已接近火源的最小安全距离，小车运行停止，同时启动直流风扇，模拟小车灭火。灭火结束后，小车继续前进，搜索下一火源。
4结束语
以STC89C52单片机为控制核心，本文设计了一款具有自动循迹、避障、灭火功能的智能小车。对小车进行了硬件选型和软件设计，经设计调试，小车完全能够满足火场环境下自动循迹、自主避障、自动灭火等功能要求，且操作简单、实时性好、运行稳定可靠。在后续的研究过程中，还可以进一步扩展小车的功能，如加入视频拍摄与无线WI-FI或5G模块，将火场的图像信息传输至火场外的救援人员，供救援人员决策。
参考文献
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]
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