基于MSP430智能消防车设计

吴兴波，李明*，胡远*，贾彬彬*

（吉林化工学院 信息与控制工程学院，吉林 吉林 132022）

摘要：本文提出了基于MSP430单片机的智能消防车设计。本设计可实现通过智能消防车检测到火焰，发出报警并将火焰熄灭等功能。MSP430单片机具有超低功耗、强大处理能力、工作稳定等特点。智能消防车由直流电机、舵机、光电开关、火焰传感器，DF无线数据收发模块和电源电路以及辅助电路构成。通过DF无线数据收发模块将该车当前的状态远程传送给显示台。

关键词：MSP430F449；舵机；光电开关

中图分类号：TP23 概述

随着科技的不断发展， 智能化和人性化的设计在各领域都有广泛的应用。智能消防设备越来越受到人们的青睐。本设计将单片机原理通过硬件电路及外围机械部件有效的结合起来，使其能够自动找到火焰并将其熄灭。此模型可以在安全消防控制等领域得到广泛应用，例如城镇、工矿企业等扑救火灾、抢救人员、物资或其它方面的作业,它的出现已成为城市消防必不可少的灭火工具,是扑灭火灾的重要消防设备。具有广泛的市场场景。

1 系统结构及功能框图

本系统主要由控制器模块、电源模块、寻迹传感器模块、火焰传感器、直流电机及其驱动模块、灭火风扇及其驱动模块、舵机模块、语音模块、无线收发模块以及液晶显示模块等模块构成。本系统的方框图如图1所示：

4节锂电池（6V）火焰传感器舵机转向及风扇灭火L293D驱动直流电机语音模块MSP430F4492节锂电池（3V）光电对管寻迹DF无线发射模块光电对管测速光电开关避障DF无线接收模块LCM128显示MSP430F169语音模块

按键 图1 智能消防车的系统框图

MSP430F449单片机是该消防车的主系统，而MSP430F169单片机则是辅助系统，消防车通过光电对管进行寻迹及测速，在行进中依靠火焰传感器来探测火源，将测得信号发送给主系统，同时，主系统对不同的信号发出相应的命令，当发现火焰时，通过语音模块发出报

警声，与此同时由舵机和风扇组成的灭火模块进行灭火，并将火焰数和路程数通过DF无线模块将信号发送给辅助系统，并将收取的信息显示出来。

2 小车车体的设计

方案1：购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点：1，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。2，这种电动车一般都是前轮转向后轮驱动，不能适应该题目的方格地图，不能方便迅速的实现原地保持坐标转90度甚至180度的弯角。3，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。而且这种电动车一般都价格不扉。因此我们放弃了此方案。

方案2：自己制作电动车。经过反复考虑论证，我们制定了左右两轮分别驱动，后面放置万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动，后装一个万向轮。这样，当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的90度和180度的转弯。因此,我们选择方案2。

图2 小车车体简图

3 模块方案比较与论证 3.1控制器模块

方案1：采用可编程逻辑期间CPLD 作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑我们

放弃了此方案。

方案2：采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。

方案3：采用美国德州仪器公司（TI）的16位MSP430单片机，，它是16位超低功耗单片机，具有强大的处理能力，高性能的模拟技术及丰富的片上外围模块，5种低功耗模式（LPM0~LPM4），IO资源丰富，系统工作稳定等特点，

本系统主要是进行寻迹和火焰传感器的检测以及电机的控制，兼有语音的播报。如果选择使用凌阳单片机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，我们放弃了使用凌阳单片机而考虑使用方案3。

3.2 光电对管的设计

（1） （2） （3）

图3 （1）红外发射接收原理图（2）方案一电路图（3） 方案二电路图

红外发射接收原理是：发射管支路加固定电压，发射管发出的光强基本恒定。白纸与黑线对光的反射效果不同；有挡板和无挡板反射效果不同。接收管的吸收效果就不同，使接收管反向电流有较大变化，导致与其串联的电阻两端电压出现明显变化。

方案一：利用红外发射接收原理将接收管接收到的信号通过串联电阻转换成电压，利用MSP430单片机里的A/D转换功能将信号采集到，由于单片机A/D转换模块的采集引脚有限，所以我们放弃此方案。

方案二：同样利用红外发射接收原理将接收管接收到的信号通过串联电阻转换成电压，并将该电压送入运放器并与电位器提供的门限电压比较，使其输出高低电平。此方案可以通过调节电位器来改变门限电压，来调节发射管与接收管到反射面的距离，而高低电平则可以通过普通的I/O口将接收到的信号传给单片机，不会占用A/D转换端口，节省了资源。

3.3 火焰传感器的设计

火焰传感器工作原理：接收管接收火焰发出的红外光信号，通过单片机内的A/D转换转换成电压信号，以此来判断火焰的位置。

图4 火焰传感器电路图

3.4电机驱动的设计

图5 电机驱动电路图

电机驱动电路采用L293D双H桥驱动芯片，L293D的供电电压为6V，由单片机发控制信号来控制电机的正反转，以达到小车的转弯。L293D采用16引脚DIP封装，其内部集成了双极型H桥电路，这就意味着用1片芯片可以同时控制2个电机，通过改变控制引脚的高低电平可以达到电机的正、反转，调整PWM的占空比可以改变电机的速度。

3.5 DF无线模块的电路设计

图6 DF无线模块电路图

DF无线模块：DF无线发射模块通讯方式为调频AM，工作频率为315MHz，为ISM频段，发射频率<500mW。DF超再生式接收模块通讯方式为调频AM， 接收灵敏度高，用示波器观察

输出波形干净，抗干扰能力强。系统中为保证稳定，采用芯片PT2262,PT2272M4进行数据编解码，PT2262/2272特点：CMOS工艺制造，低功耗，外部元器件少，RC振荡电阻，工作电压范围宽：2.6～15v ，数据最多可达6位，地址码最多可达531441种。

3.6 语音模块系统（WTV020-SD）

图7 语音模块

WTV020-SD模块是一款可重复擦写语音内容的大容量存储类型的语音模块，可外挂最大容量为1GB的SD卡存储器。能加载WAV格式语音和AD4格式语音。

WTV020-SD模块以WTV020SD-20S语音芯片为主控核心，具有MP3控制模式，按键一对一控制模式（3段语音跟5段语音两种），上电循环播放控制模式以及二线串口控制模式。控制模式是在芯片制样时设置的，在操作过程中亦能切换各种控制模式。二线串口触发包括2 条通信线，即旪钟CLK 和数据DI。另外，还有一条复位线。假如芯片被复位后1S 内无仸何触发即迚入休眠。挄键部分中的，上一曲和下一曲具有断电记忆功能，假如断电前上一曲点播到第7 段语音，那么断电后再上电，挄上一曲，就可以直接点播第6 段语音。

图8 WTV020-SD 时序图

3.7 舵机的控制

舵机的工作原理是：PWM信号由接收通道进入信号解调电路BA66881的12脚进行解调，获得一个直流偏置电压。该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差由BA6688的3脚输出。该输出送人电机驱动集成电路BA6686，以驱动电机正反转。当电机转速一定时，通过级

联减速齿轮带动电位器R。，旋转，直到电压差为O，电机停止转动。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。

图9 舵机内部电路图和时序图

4程序设计

4.1 主系统程序设计

寻找蜡烛程序入口主系统系统初始化 X=0,Y=0，Z=0小车前进否前进并在行进中检测火焰及每过一个十字口计数Y++ Y=6？是左转90°是否检测到黑线否前进并在行进中检测火焰及每过一个十字口计数X++，Y=6；是否 X=2？是左转90°右转90°寻找蜡烛程序前进并在行进中检测火焰及每过一个十字口计数Y--否是否检测到火焰否 Y=0？是是右转90°停车，舵盘转向，灭火 ，Z++否前进并在行进中检测火焰及每过一个十字口计数，X++ X=4？是右转90°前进并在行进中检测火焰及每过一个十字口计数，Y++否Z是否等于2是以X Y为坐标，选择最优路径并将数据发送给辅助系统否 Y=6？是返回安全区 图10 主系统流程图 图11 寻找蜡烛流程图

退出MSP430F449作为主系统，负责小车的寻迹、计数、寻找和熄灭蜡烛、信息传送及报警。 3.2 辅助系统程序设计

辅助系统初始化进入低功耗等待是否接收到信息否是计算收到的信息否是否有按键按下是显示信息内容

图12 辅助系统程序流程图

MSP430F169作为辅助系统，将主系统发送的信息经计算显示出来。

5结论

经过实验样机验证，本系统可使消防车在规定的最少时间里，将发现的蜡烛火焰熄灭，同时发出蜂鸣警告，并将记录的时间和灭火个数发送到辅助系统将其显示。用光电对管设计的寻迹探头输出的高低电平非常稳定，且寻迹及计数准确。本系统达到了预期的实验目的， 通过改进该系统可应用于安全消防控制系统等领域。

参考文献：

【1】胡大可.MSP430系列—单片机C语言程序设计与开发.4版.北京航天航空出版社2003 【2】沈建华，杨艳琴，翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用.清华大学出版社

【3】童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第四版）.清华大学电子教研组 【4】俞志根 等编著. 传感器与检测技术(第二版). 科学出版社出版 【5】2008-11-10．谭永宏 张辉智能传感寻迹小车的研究与设计

Design of Intelligent Fire Fighting Truck Based on MSP430

(College of Information & Engeering,Jilin Institute of Chemical Technology,Jilin City 132022,China)

Abstract: The smart car’s core is MSP430 MCU, including motor and servo, plus photoelectric switch and photoelectric sensors, as well as other flame sensor and power circuit. L293D controls the car turning back forward or running on the white line. TCRT5000 reflective photo sensor seeks the trace. Far infrared flame sensor tracks the flame. In addition, WTV020-SD can remind current status. The system

transmits information through DF module. The car’s status will be transmitted to the Remote Console. LCM128 display and 2 keys for start control. Thus,the smart car can find zhe fire and put fire out. Keywords: MSP430；Motor Servo

作者简介：吴兴波（19-），男，吉林通化人，吉林化工学院讲师，主要从事电子技术应用方面的研究. *为吉林化工学院信控2008级学生