针对突发火灾问题，本文设计了一款基于单片机的智能灭火小车。小车软硬件均采用了模块化设计，系统以STC89C52单片机作为主控模块，应用循迹传感器、避障传感器、超声波传感器和火焰传感器等作为感知层，实现了小车的自动循迹行驶、自动避障、检测火焰、自动灭火和报警等功能。经调试，系统运行良好，具有良好的应用前景。
在各種灾害中，火灾是最危险、最常发、最难以解决的，火灾问题已是当今社会最关心、急需解决的问题。因此，针对突发火灾问题，为了避免消防人员陷于危险，设计一种智能灭火小车实施灭火任务是不错的选择。智能小车能够自动感知火焰并开启灭火装置，在行进过程中可以自动循迹、避障，精准到达预设目标，然后实施灭火任务。
1、系统总体设计
智能小车工作环境恶劣，设计上务必保证小车工作稳定可靠、鲁棒性强，如有故障，则可以快速更换部件，为此智能小车整车系统采取模块化设计。按照应用场合和应用目标，智能小车需要配备报警系统、动力驱动系统、灭火系统、避障系统、循迹系统和人机交互系统。系统的逻辑原理框图如图1所示。
当检测到火焰存在时，小车发出报警;系统采用蓄电池供电、直流电机驱动;灭火系统包括火焰检测和灭火器自动控制;避障系统包括障碍物识别、距离探测、驱动命令生成;循迹系统能够自动识别规划的行动轨迹和自动生成驱动命令;常规下，小车是自主运行的，人机交互系统提供手动控制和信息反馈功能，以便必要时对智能小车进行人工操作。
2、小车硬件系统设计
2.1主控模块的硬件设计
本设计选择STC89C52单片机作为系统主控模块，STC89C52单片机是一款低功耗、高性能的微控制器，具有8K系统可编程Flash存储器，拥有32个通用I/O口和3个16位定时器T0、T1、T2[1]。相较于STM32单片机，C52单片机不仅具有造价便宜的优势，也满足控制小车驱动和感知层各种传感器的基本需求。主控模块引脚连接原理如图2所示。
2.2动力驱动硬件原理设计
L293D是直流电机的驱动器，是小车系统的“动力芯片”。人们可以通过软件程序设计[PWM]（脉冲宽度调制）值的大小，改变L293D芯片的驱动频率，从而实现[PWM]调速功能。单片机P1.0～P1.3口与L293D的输入引脚连接，单片机P1.4和P1.5口与L293D的两个使能端连接，两个直流电机与驱动芯片的4个OUT输出口相连，从而驱动直流电机转动。L293D驱动芯片连接原理如图3所示。
2.3循迹系统硬件原理设计
循迹系统采用红外循迹法，即利用黑、白色对红外线的吸收作用不同的原理。红外发射管发射红外线，黑色跑道吸收红外线，红外型传感器接收不到返回的数据，经变电电路比较器后输出低电平。白色场地反射红外线，传感器可以接收返回的数据，经变电电路比较器后输出高电平，单片机处理循迹模块传输的高低电平实现循迹功能。红外型传感器检测原理示意图如图4所示。
循迹系统使用两个循迹传感器模块，其分别安装于小车车头左右两侧。其作用是判断黑色跑道是否在小车车头的左右侧，及时调整小车方向，以保证黑色跑道一直在小车正中间，从而实现自动循迹行驶功能。
2.4避障系统硬件原理设计
避障系统采用超声波避障法和红外避障法，小车车头正前方安装超声波传感器，精确计算小车与障碍物的垂直距离，驱动小车后退以保持合适距离。小车车头左右两侧安装超强稳定性的HJ-IR2红外避障模块，当左边模块检测到物体时，小车右转，当右边模块检测到物体时，小车左转。
避障模块使用红外光电传感器，检测到障碍物时输出低电平，单片机处理避障模块传输的高低电平完成避障功能[2]。
超声波传感器使用HC-SR04型号传感器，传感器采用I/0口触发测距方式，模块自动发送方波，检测信号返回时令I/O口输出高电平，高电平持续时间即为发送到返回的时间，测试距离=（高电平时间×声速）/2[3]。
2.5灭火系统硬件原理设计
灭火系统由火焰检测传感器和灭火装置组成，火焰传感器利用红外线对火焰敏感的特点，使用特制的红外线接收管来检测火焰，然后把火焰的亮度转化为高低电平信号[4]。当检测到火焰时，火焰传感器向单片机传入低电平，单片机驱动灭火装置打开。
2.6报警系统与人机交互系统设计
报警系统使用PNP型三极管驱动蜂鸣器，单片机P2.6输出低电平，三极管导通驱动蜂鸣器发声。
人机交互系统使用单片机按键与LCD1602显示屏显示，使用按键对小车进行手动控制，LCD1602显示屏显示小车行驶信息。
报警系统与人机交互系统的电路原理图如图5所示。
3、小车软件系统设计
软件主程序设计流程如图6所示。
3.1动力驱动软件设计
3.1.1小车方向转动设计。定义小车驱动模块输入I/O口，I/O口连接如图3所示。要想实现小车左转弯，就得令左电机向前转而右电机向后转，小车右转弯同理。左、右电机转动代码如下：
#define Left_go{IN1=0，IN2=1;}//左电机前转
#define Left_back{IN1=1，IN2=0;}//左电机后转
#define Left_Stop{EN2=0;}//左电机停转
#define Right_go{IN3=1，IN4=0;//右电机向前转
#define Right_back{IN3=0，IN4=1;}//右电机后转
#define Right_Stop{EN1=0;}//右电机停转
3.1.2小车调速设计。本设计利用延时函数和循环程序，令I/O口交替输出高低电平，延时不同，得到的PWM占空比就不同。T0定时器中断时，令I/O口输出高电平，并在中断中启动定时器T1，定时器T1令I/O口输出低电平，频率取决于定时器T0初值，占空比取决于定时器T1初值，改变定时器T0、T1初值即可改变频率和占空比，从而实现[PWM]调节电机转速功能[5]。
3.2循迹系统软件设计
首先定义循迹模块与单片机连接的I/O口，然后程序根据模块向单片机传输的高低电平进行逻辑处理。当左循迹模块向单片机传输低电平时，小车向左转弯;当右循迹模块向单片机传输低电平时，小车向右转弯;当两个循迹模块向单片机传输低电平时，小车停止。循迹系统软件设计流程如图7所示。
3.3避障系统软件设计
3.3.1避障模块避障設计。本设计定义好避障模块与单片机连接的I/O口，当左循迹模块向单片机传输低电平时，小车右转;当右循迹模块向单片机传输低电平时，小车左转;两模块同时向单片机传输低电平时，小车停止。避障模程序设计流程如图8所示。
3.3.2超声波模块避障设计。超声波传感器测距程序首先启动测距信号，关闭触发端，再给10μs的高电平触发信号，当接收端为0时等待，当接收端为1时开启计数并等待计数完成后关闭计数，读取脉冲长度并计算距离。
3.4灭火系统软件设计
本设计定义好火焰传感器、灭火装置与单片机连接的I/O口，当I/O口向单片机传输低电平时判断有火焰产生，单片机发出命令驱动报警系统与灭火装置，灭火系统软件代码如下：
if（Fire==0）{//检测到存在火焰
stop（）;//调用小车停止函数
delay（200）;//延时200 ms
Device=0;//打开灭火装置
}else{
Device=1;//关闭灭火装置
}
3.5报警与人机交互系统设计
本设计定义好蜂鸣器与单片机连接的I/O口，当单片机I/O口向蜂鸣器发出低电平信号时，蜂鸣器发声。定义按键与单片机连接的I/O口，经按键扫描程序处理后判断按键是否按下，然后根据判断结果按下调用报警系统、小车停止等程序的按键。
LCD1206显示屏经LcdInit（）函数初始化后，调用LcdWriteData（）函数显示相应内容，显示代码如下：
u8 Disp[]="Warning";//Disp字符数组存放字符串
for（i=0;i<7;i++）//通过循环将字符串显示
LcdWriteData（Disp<i>）;
4、试验过程与现象
试验需要准备的材料包括亚克力底板、直流电机、小车车轮、万向轮、L293D芯片、C52开发板、循迹传感器、两个避障传感器、火焰传感器、超声波传感器、灭火装置、电池盒以及若干螺丝铜柱杜邦线。
亚克力底板是支撑小车的框架，使用传感器作为小车的感知层，直流电机作为车轮驱动，STC89C52单片机作为小车的主控单元，按照提前构思的电路图连接单片机与传感器等外设，设计人员成功组装好智能灭火小车。其间使用黑色电工胶带在白纸上铺设小车“轨道”，并拧动滑动变阻器调节红外型传感器灵敏度。
设计人员按照设计好的思路对C52单片机进行程序设计，在程序无报错的前提下生成.hex文件。其间使用ST官方烧录软件将.hex文件下载至C52开发板，下载成功后观察试验现象：检测黑线在左侧循迹传感器下方时，小车左转;检测黑线在右侧循迹传感器下方时，小车右转;检测黑线在两侧循迹传感器中间时，小车直行;检测黑线在两个循迹传感器下面时，小车停止;当避障传感器前方有障碍物时，小车停止;当小车前方有直行运动物体时，小车后退;当小车前方有火焰时，小车停止并启动灭火装置和报警装置。
5、结论
智能小车的试验装置设计完成后，经调试运行，各功能系统运行状态良好，其很好地完成了轨迹巡行、障碍物的识别与绕行、火焰检测与灭火设备的开启控制等功能。经研发团队成员讨论，本研究认为，智能小车在未来的实际应用中在外界干扰、感知层范围等方面可能存在潜在问题，例如，红外型传感器容易受到太阳光的干扰、单个传感器感应范围比较容易受到局限等，这是后续研究和试验要解决的问题。
参考文献：
[1]郑岚，郑杨.基于单片机控制的灭火机器人[J].科教导刊，2011（10）：243-244.
[2]傅海军，段少飞，李炫君.复杂路况下智能小车的设计[J].电子产品世界，2018（10）：36-38.
[3]施超，陈爱华，杨本全，等.基于C8051F020的高精度超声波测距系统设计[J].现代电子技术，2012（16）：15-16.
[4]孟祥荔.基于智能灭火机器人硬件电路的设计探讨[J].科技经济导刊，2018（14）：11-12.
[5]陈荣坤.基于STC12C5A60S2单片机的智能家居环境监控系统的设计与实现[J].智能计算机与应用，2015（3）：105-107.