引言

火災是對公共安全和社會發(fā)展危害最大的災害之一,人們有時無法及時發(fā)現(xiàn)火災隱患,導致原本可控的火情最后造成慘重的損失。因此,為預防火災,并能夠及時警示人們,本項目設(shè)計了一款智能消防小車。該方案基于LK32T102,利用溫度檢測、煙霧檢測、紅外檢測、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。智能消防小車能讓人們第一時間知曉火情信息,預防火災,將火災帶來的損失和危害降到最低。

本裝置主要包括驅(qū)動電路、電源模塊(LM2596s)、紅外循跡模塊、溫度檢測模塊(Ds18B20,測溫范圍為-55~125℃,精度為±0.5℃)、煙霧檢測模塊(Mo-2,對天然氣、液化石油等煙霧氣體敏感)、電機驅(qū)動模塊、wi-Fi模塊。紅外循跡模塊通過判斷兩側(cè)接收的紅外線強度改變電阻,從而改變反饋給單片機Io口的電壓,判斷智能消防小車是否按照預設(shè)線路行進:溫度檢測模塊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:煙霧檢測模塊Mo-2傳感器采集煙霧濃度,通過改變電路中的電導率,將環(huán)境氣體的濃度信息反饋給單片機:電機驅(qū)動模塊使用A4950控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)速度,實現(xiàn)小車的不同行進姿態(tài):wi-Fi模塊將單片機處理完成的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機,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

1.1電路架構(gòu)

智能消防小車主要由LK32T102單片機、電源電路、wi-Fi模塊、驅(qū)動電路、煙霧檢測模塊、溫度檢測模塊、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,為單片機和整個消防小車系統(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wi-Fi模塊顯示在上位機上:使用煙霧檢測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)動電路用于控制消防小車運動。

1.2電源模塊

電源模塊為單片機最小系統(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,適合作為本智能消防小車的電源來使用。通過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,當發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來或被反射回來但強度不夠大時,光敏三極管處于關(guān)斷狀態(tài),此時模塊輸出端為低電平,指示二極管處于熄滅狀態(tài):當發(fā)射出的紅外線在檢測范圍內(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接收到的信號經(jīng)過處理,通過斯密特反相器緩沖74HC14,經(jīng)過插針連接器傳遞到單片機引腳,由單片機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溫度檢測模塊

溫度檢測模塊使用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、強穩(wěn)定性、體積小等特點,僅需一個控制信號就可以和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行通信,能充分滿足本智能消防小車采集溫度的要求。采集溫度時,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煙霧檢測模塊

煙霧檢測模塊采用Mo-2型傳感器采集煙霧濃度,其電導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,讀取煙霧檢測模塊的輸出電壓值來判斷當前的煙霧濃度,如圖4所示。

2控制程序設(shè)計

2.1主程序設(shè)計

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

2.2方向控制程序

舵機控制需要20ms的時基脈沖,脈沖高電平部分為0.5~2.5ms范圍。通過對定時器時鐘源分頻計算得出定時器自動重裝載值,計算得出單片機定時器計數(shù)寄存器捕獲值,計算公式如下:

式中:ARR為自動重裝載值:7為輸入方波周期:CLK為該單片機時鐘頻率:PsC為預分頻值:CRRx為寄存器捕獲值:dulycircle為舵機輸入波形占空。

2.3溫度檢測程序

2s18B10獲取到的數(shù)據(jù)以補碼形式存儲,單片機獲取到寄存器高8位,判斷高8位的值大于7,則表示為正溫度,若溫度為負,則需先將補碼數(shù)據(jù)減一后取反,以獲取負溫度的絕對值。將寄存器高8位與低8位合并為一個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,對溫度保留兩位小數(shù)并四舍五入。

2.4煙霧濃度檢測程序

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,進而計算得出當前環(huán)境煙霧濃度值,計算公式如下:

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

當煙霧濃度超過預設(shè)煙霧濃度值的5%時,蜂鳴器自動報警。

3測試驗證

通過電腦熱點與小車(圖6)配對,連接網(wǎng)絡(luò),在上位機中設(shè)置對應(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智能消防小車實物

對wi-Fi模塊EsP8166進行測試,按照芯片手冊的指令集,通過TTL串口助手,發(fā)送指令給EsP8166,按照流程匹配,連接wi-Fi,測試與上位機之間的通信。溫度檢測模塊2s+8B10,測試時序邏輯是否可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信。煙霧濃度檢測模塊,通過返回給1o口的電壓,經(jīng)過算法處理后讀取到數(shù)據(jù)。機械溫度計和便攜式氣體檢測儀器測量當前環(huán)境溫度和煙霧氣體濃度,作為參照值來測試消防小車溫度系統(tǒng)與煙霧濃度采集數(shù)據(jù)的準確性。溫度轉(zhuǎn)化之后延時時間不夠,導致溫度保持在85℃。調(diào)整時序延時,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,相比測機械溫度計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)。測量結(jié)果如表1所示。

4結(jié)語

本文通過設(shè)計紅外循跡模塊、溫度檢測模塊、煙霧檢測模塊、電機驅(qū)動模塊等電路模塊,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),當溫度和煙霧濃度存在異常時,能迅速發(fā)出警報,提醒人們及時對火災進行干預處理。智能消防小車可以根據(jù)場景規(guī)劃最優(yōu)路線,按照規(guī)定路線巡查,因而能廣泛應(yīng)用于倉庫、工廠、車站等場所,具有良好的應(yīng)用推廣價值。