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基于wifi的可遥控自动巡检火灾报警车.doc

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.34M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    2.2.1电机驱动方案的选择：
    2.2.1电机驱动方案的选择：
    L298是SGS公司的产品，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步
    基于 wifi 的可遥控自动巡检火灾报警车 设计人员：耿馨佚 崔鲁娜 刘玉婷 孟广伟 魏传龙 摘要：本系统以 AT89S52 单片机为控制中心，由可自动巡检火灾位置的报警车装置和 控制中心组成，由于车载系统的可移动性，通信系统选用无线信道传输火势信息以及实时视 频信息等。报警车通过温度传感器，烟雾传感器和光敏电阻来感测明火信息，自动巡查火源， 依靠 GPS 芯片与 google earth 来确定火源位置，车载有可 360°转向摄像头及时回传火势情 况。在具有 wifi 接入的大楼内，可通过无线通信由远端控制终端操纵报警车的部分功能。 目录 1.系统方案选择： 1.1 系统整体框图 1.2 控制核心单片机的选择 1.3 电机选择 1.4 传感器的选择 1.4.1 温度传感器的选择 1.4.2 烟雾传感器的选择 1.4.3 明火检测模块的选择 1.5 通信信道选择 1.6 附加功能选择 1.6.1 视频回传模块 1.6.2 定位模块 2.硬件设计 2.1 电源模块 2.2 电机驱动及单片机控制模块 2.2.1 电机驱动方案的选择： 2.2.2 单片机电路： 1
    2.2.3 串口处理： 2.3 避障模块 2.4 火势检测模块 2.4.1 温度传感模块 2.4.2 烟雾传感模块 2.4.3 明火检测模块 2.5 通信模块 2.6 附加模块 2.6.1 定位模块 2.6.2 视频模块 2.6.3 恒温散热模块 3.系统总体说明 4.结束语 5.参考文献 1.系统方案选择 本系统设计的火灾报警车，对于车体部分，以光电引导系统和温度测试系统实现自动巡 检功能，来辨别火势位置并调整报警车的路径。通过红外反射式传感器感测障碍物，进行调 整行车状态。用 GPS 模块与 google earth 软件相结合，跟踪报警车位置信息。为避免系统 因距离火源位置过近而引起系统的温度过高，使用温度检测模块的回传信息来控制报警车的 行进程度。通过温度传感器和光电传感器来实现对火灾的探测，根据温度和火光的数据分析 火情的大小。用 USB 摄像头记录火势信息并通过无线路由向控制终端回传视频数据。用无线 收发模块进行无线通信，将火灾分析数据传输至控制终端。 系统操作终端（PC）通过 wifi 无线网络连接到小车内置的无线路由器的 IP 地址，向路 由器发出指令，无线路由器将指令接收并传输到内置的单片机控制电路，单片机便会执行相 应的指令，同时，安装在小车上的各种传感器和摄像头可以通过单片机——无线路由器将数 据反向传递给操作终端，实现很好的交互式操作。 2
    1.1 系统整体框图 1.2 控制核心单片机的选择 方案一： 采用 ATmega16L 单片机作为核心处理器，Atmega16L 是基于增强的 AVR RISC（精简 指令集）结构的低功耗 8 位 CMOS MCU。其数据吞吐率可高达 1Mips/MHz,具有缓减系统 功耗与处理速度之间矛盾的优点。ATmega16L 具有 16K 字节的系统内可编程 Flash(具有 同时读写的能力，即 RWW)，512 字节 EEPROM，1K 字节 SRAM，32 个通用 I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的 JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较 模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行 USART，有起始条件检 测器的通用串行接口，8 路 10 位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的 ADC ， 具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个 SPI 串行端口，以及六个可以通过软件 进行选择的省电模式。 方案二： 采用 AT89S52 单片机作为核心处理器，AT89S52 同样由 Atmel 公司推出，是一种低 功耗，高性能的 8 位 CMOS MCU，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。与工业 C51 系列 3
    指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统 可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入 式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位 定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。 介于目前对单片机的掌握熟悉程度，本系统使用语 C51 系列兼容的 AT89S52 单片机 作为系统核心处理器。 1.3 电机选择 步进电机：系统采用步进电机控制 360°云台，带动摄像头全方位旋转。步进电机 的显著特点是其具有快速启动和停止的能力，只要负荷不超过步进电机所提供的动态转 矩，就能立即使其启动或反转，而且步进电机的转换灵敏度较高，正转、反转控制灵活。 直流电机：采用直流电机双轴驱动作为小车地盘装置的驱动设备，直流电机具有直 流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便、调整范围广等诸多优点。 1.4 传感器选择 1.4.1 温度传感器的选择 方案一： 采用热敏电阻来感受小车沿途的温度。但是一般的热敏电阻不容易控制，并 且不容易把温度的变化准确的转化成为摄氏温度的数字量输出。且一般的温度传 感器没有那么精确，所以使用起来误差会比例较大，而且还要使用 A/D 转换。A/D 转换本身对算法的要求很高，而且还会有较大的误差，从而不能可靠地对火灾现 场的温度进行反映。 方案二： 采用温度传感器 DS18B20。DS18B20 数字温度计提供 9 位温度读数,指示器件 的温度。信息经过单线接口送入 DS18B20 或从 DS18B20 送出因此从中央处理器到 DS18B20 仅需连接一条线和地读写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身 提供而不需要外部电源。因为每一个 DS18B20 有唯一的系列号 silicon serial number 。因此多个 DS18B20 可以存在于同一条单线总线上这允许在许多不同的地 方放置温度灵敏器件。DS18B20 不需要外部元件,可用数据线供电, 不需备份电源， 4
    使用方便，反应灵敏准确。 基于 DS18B20 的上述优点，我们选用了 DS18B20 作为本系统的温度传感器。 1.4.2 烟雾传感器的选择 采用火灾报警系统中常用的 MQ-2 烟雾传感器。其内部使用了 MQ-2 型气敏元件， 该元件的内电阻会随着烟雾的浓度增大而逐渐减小，灵敏度高且反应迅速，容易恢 复，稳定性好，使用寿命长。 1.4.3 明火检测模块的选择 采用光敏电阻进行明火探测和方位采集。光敏电阻是一种光电导效应半导体器 件。由于光敏电阻没有极性，工作是可加直流偏压或交流电压。当无光照时，光敏 电阻的阻值（暗电阻）很大，电路中电流很小。当它受到一定波长范围的光照射时， 其阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增加，利用电流的变化可以判断明火 位置。 1.5 通信信道选择 系统采用分离的采样端和控制终端两部分构成，由于用于数据采集的传感器是建构在运 动构件上的，其位置并不是固定在某一点，所以采用有线的信息传输模式无法实现采样端和 控制端两部分的通信，在这种情况下，系统选用无线数据传输技术，构架在基于 IEEE 802.11 的无线局域网中，实现在具有 WiFi 接入点处远程遥控数据采集端。 WiFi 是由 AP(Access Point)和无线网卡组成的无线网络。AP 一般称为网络桥接器或接 入点，它是当作传统的有线局域网络与无线局域网络之间的桥梁，因此任何一台装有无线网 卡的 PC 均可透过 AP 去分享有线局域网络甚至广域网络的资源，其工作原理相当于一个内置 无线发射器的 HUB 或者是路由， 而无线网卡则是负责接收由 AP 所发射信号的 CLIENT 端设 备。 WiFi 技术相比 802.15 系列来说，其信号覆盖范围广，传输速度快（54Mbps），“热点” 设置成本不高，适合在机场，车站，咖啡店，图书馆，办公大楼等人员密集的地方设置，用 户只需持有可支持 WLAN 的 PC 或 PDA 等设备便可实现高速接入因特网。 5
    1.6 附加功能选择 1.6.1 视频回传模块 考虑到由于所监测目标为火源，可能会因距离火源太近而产生设备运行危险，系统设计 过程中考虑使报警车在火源附近一定距离处停止继续靠近，为了可靠地观测火势信息，在报 警车上安装摄像头，通过“电子视觉”功能观察火势大小。系统利用带 USB 的无线路由器， 借助 openwrt 软件来挂载摄像头，在控制终端采用基于 Linux 的 Palantir 实现视频回传功 能。 1.6.2 定位模块 方 案一 ：采 用 GPS 芯 片 SiRF III 并 结合 google earth 等 软件 实现 设备 定位 。GPS 设备利用美国卫星系统。我们在地面用接收器接收来自卫星的坐标数据。接收装置与 这些卫星互相传送信号，确定接收器所在的位置，并且计算出经度、纬度、甚至高度。 凭借不断地与卫星进的信号传递，接收器能够在设定时间内采集数据，并计算出速度、 距离和达到 预设点的预计时间。GPS 模块主要由 GPS 接收机天线 单元、GPS 接收机 主机 和电 源三部 分组 成。可 以将 GPS 卫星 信号 微弱的 电磁 波转化 为电流 并对 信号进 行放大等处理实现对目标跟踪定位信息的处理。 方案二：采用 WiFi 定位报警车。利用 google earth 等软件，经由互联网直接对某 一固定 IP 的终端进行追踪。目前该技术处于发展过程中。 2.硬件设计 2.1 电源模块 使用锂电池为各个模块供电，安装电源导轨，通过不同的稳压单元进行变压稳压， 可得到 12V，9V,5V 的电压，根据需要连接供电。下图为使用 7805 芯片的电源电路： 6
    需要供电的设备： 微控制器及外围电路，电机电路，wifi 路由器，摄像头。 2.2 电机驱动及单片机控制模块 2.2.1 电机驱动方案的选择： 方案一：采用继电器对电动机的开关控制，通过控制开关的切换速度来对小车的速度进 行调整。这个方案的优点是实现电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易于损坏，寿 命较短、可靠性低。 方案二：采用电路网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调整速度的目的，但 是组织网络只能是先有极调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，且可能存在干扰，更主 要的问题在于一般电动机的电阻比较小但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现相对困 难 方案三：采用芯片 L298N 集成的四个大功率晶体管组成的 H 桥式电路，四个大功率晶体 管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制使之工作在开关状态，进而控制电机的运行。 该控制电路效率非常高，并且大功率晶体管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采 用的电路。 该系统选用方案三作电机驱动电路 L298 是 SGS 公司的产品，内部同样包含 4 通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直 流电机，或一个两相步进电机。L298N 芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电 机，输出电压最高可达 50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的 IO 口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。L298N 可接受标准 TTL 逻辑电平信号 VSS，VSS 可接 4．5～7 V 电压。4 脚 VS 接电源电压，VS 电压范围 VIH 为＋2．5～46 V。输出电流可 达 2．5 A，可驱动电感性负载。1 脚和 15 脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样 电阻，形成电流传感信号。L298 可驱动 2 个电动机，OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4 之间可分别 接电动机。5，7，10，12 脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB 接控制使能端， 控制电机的停转。 L298N芯片的使用方法为：11脚为高电平，当10脚电平高于12脚时，13脚、14脚端电机 正转；12脚电平高于10 脚时，电机倒转；11脚为低时，电机自由控制。L298N的电路连线图 如图4: 7
    图 4 直流电机驱动电路 两个直流电动机分别直接与小车的驱动轮的轴相连，置于小车的底部，直流电机转动， 则可以带动小车的轮子转动。只要控制小车的两个轮子旋转的速度不同，便可以控制小车转 弯。直流电机的电压由单片机通过 PWM 供给，通过改变 PWM 的占空比可以直接控制小车的行 驶速度和转向。 同样用一片 L298N 来连接控制云台的步进电机，将步进电机至于小车顶部，上置 USB 摄像头，控制步进电机带动摄像头 360°旋转。 2.2.2 单片机电路： 作为远端控制中心的单片机选用 AT89S52 AT89S52 的主要特性如下： 1 兼容 MCS51； 2 3 8K 字节可擦写 1000 次的在线可编程 ISP 闪存； 4.0V~5.5V 的工作电源范围 4 全静态工作：0Hz~24MHz 5 6 7 8 9 3 级程序存储器加密 256 字节内部 RAM 32 条可编程 I/O 线 3 个 16 位定时器/计数器 8 个中断源 10 UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步接收/发送装置）串行 通信 8
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