1、 1 新型消防 车 的 研 究 The Research of a new type of fire engine 摘 要 目前，火灾事故呈上升的趋势，给人们日常的生产和生活造成带来了巨大的损失，由于传统的消防车具有体积大，操作不灵活，带水量有限等缺点。因此，在现有消防车的基础上，设计出了一种新型的智能消防车，在实际应用中产生重大影响。 本作品设计的新型消防车采用 Atmega16 单片机作为主控芯片，采用自制的可控小车做车体，考虑到消防车升降臂和车体的比例关系，进而使两者有效合理的结合在一起。在升降臂的底盘转动上， 利用简单实用的四杆结构，通过控制电机实现升降臂的方向可调，而且具有良好的稳定
2、性。通过升降电梯的吊篮装置营救被困人员，不仅加快了救援的速度，还提高了救人的稳定性。传送带上等距的安装多个可承载四人的营救箱体，并且在箱内壁安装保险带，由电机提供动力，利用同轴传动原理将电机与皮带传动结合在一起。这样可以有效的传送被困人员，大大提高了救生的速度和效率。考虑到一些特定场所，消防人员难以进入到事故现场，在消防车上安装摄像头，不仅可以实时监测事故现场的状况，而且可以通过无线通讯模块实现对消防车的远程控制。 关键词 : 皮带 传动；电机；无线通讯模块 ；单片机 Atmega16 2 ABSRACT At present, the rising trend of fire acciden
3、t, give people daily life and production brought huge losses caused by fire, because of the large size is traditional, not flexible operating with water, limited shortcomings. Therefore, on the basis of the existing engines, designed a new type of intelligent engines, in actual application of impact
4、. This works design new engines using microcontroller as the main control chip, Atmega16 self-made controlled cars do bodywork, considering the truck hoist arms and body relation, and then make a reasonable effective both together. The chassis rotation in hoist arms, using a simple and practical fou
5、r poles structure, through the control motor to realize the direction of hoist arms adjustable, and has good stability. Through the lifts basket trapped device, not only accelerate the speed of the rescue, but also improve the stability of the rescue. The conveyor belt can carry more than offset the
6、 installation of four people in the box and rescue cabinet, wall installation seat belts by motors, using coaxial transmission principle and belt transmission together. This can be effective transmission trapped workers, greatly improving the life-saving speed and efficiency. Considering some specif
7、ic places, firefighters to enter to the scene of the accident, in fire truck installed cameras, not only can monitor the scene of the accident, but can be realized through wireless communication module of engines of remote control. Key words: Belt drive; motor; wireless communication module; MCU ATM
8、EGA16 3 1 引言 1.1 问题的提出 国家相关部门统计资料显示，我国的消防车保有量约为 2.3 万辆，近年新增和更新消防车近 3000 辆。但我国的消防车车型结构不尽合理，特种车比例过低，水罐消防车约占总量的 70，而特种车（除水罐、干粉、泡沫以外的车辆）仅占 10，且车型较老。 有专家预测：目前，我国消防车市场，从总体上看正处于一个高增长的阶段。在未来的 5 年之内，这种增长的势头一直不会减弱。每年平均增长量会维持在 2000 台左右。一方面我国的消防车有 待更新，市场前景看好；另一方面国内消防车生产厂家却在产量小、效益少的低谷中徘徊不 前。 现有消防车只是将少数人接救到车顶的平台处
9、，或者从车壁上的云梯下到地面，这种传统的解救方式有两大缺点，首先平台空间有限，不足以容纳太多的逃生人员，当遇到着火楼层逃生人员多时，解救速度太慢，势必会拖延时间，造成原本可以避免的伤亡。再者消防车高空作业，逃生人员通过云梯向下攀爬，可能产生晕厥现象，不仅逃生速度慢而且安全系数小。但遇到弱势群体时，比如老人，妇孺，残疾人等请况，会给营救工作带来很大困难。 经过改装后的消防车可以有效的解决上述问题，皮带传动装置和可升降逃生电梯的应用，不仅解决救生空间的问题，而且提高 了增强了消防车的救援速度。 因此设计了 新型消防车 系统。 1.2 课题研究的意义 本作品设计出了一种新型的消防车， 在 现有消防车
10、 的基础上 ， 设计 缓冲装置 以增加 消防车 的 救援 功能 。具体如下： 1 营救部分采用皮带传送和电梯装置。皮带上固定营救箱 ， 并箱内安装有保险 带；电梯装置类似吊篮装置，竖直上升和下降，加快了营救人员的速度，同时电梯门设计巧妙，通过一个简易阀门实现电梯的闭合和打开，大大的提高了工作效率。 2 消防车上安装有摄像头，在一些特定场所消防人员难以进入到事故现场，在 消防车上安装摄像头，不仅可以实时监测事故现场的状况 ，而且可以通过无线模块实现对消防车的远程控制。 4 2 系统概述 2.1 系统功能要求 1 设计并制作消防车的车体结构、车轮的制作、电机的选择安装等； 2 设计并制作可完成人机
11、交互工作的控制电路板 ； 3 消防车上安装有摄像头，在一些特定场所消防人员难以进入到事故现场，不仅可以实时监测事故现场的状况，而且可以通过无线模块实现对消防车的远程控制。 4 设计控制板的程序。 2.2 系统组成 经过 分析 系统功能 的 要求 ，可 以 将各 部分 功能 分别 由硬件完成，或硬件与软件共同完成 。 硬件部分应该包含：底盘电机控制电路，转盘 电机 和升降电机 控制电路 ，键盘输入电路， 电源电路。 M C U键 盘无 线 摄 像 头 无 线 模 块系 统 电 源步 进 电 机 驱 动直 流 电 机 驱 动步 进 电 机 直 流 电 机图 2-1 系统组成 5 软件部分应该实现：
12、键盘按键的捕捉识别，底盘电机的控制，转盘电机和升降电机的控制，无线数据发送与接收，电脑视频数据的显示，得出系统的框图如图 2-1所示。 6 3 方案 论证 3.1 控制 器 的方案论证与选择 方 案 1：采用可编程逻辑器件 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
13、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。但是当凌阳单片机在语音处理和辨识时，由于其占用的 CPU 资源较多而使得处理其它任务的速度和能力降低。 方案 3：采用 Atmel 公司的 ATmaga16 单片机作为主控制器。 ATmaga16 是一个低功耗，高性能的 8位单片机，片内含 16k 空间的可反复擦些 100,000 次的 Flash 只读存储器，具有 1Kbytes 的随机存取数据存储器（ RAM）， 32 个 IO口， 2个 8位可编程定时计数器， 1个 16 位可编程定时计数器，
14、四通道 PWM，内置 8 路 10 位 ADC。且 maga系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。 从 各 个角度考虑，方案 3的可行性高。 3.2 无线通讯芯片 的选择 方案 1： nRF905 功能特点： nRF905是挪威 Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为 1.9 3.6V，32引脚 QSON封装 (5 5mm)，工作于 433/868/915MHz三个 ISM(工业、科学和医学 )频道，频道之间的转换时间小于 650us。 nRF905支持多点间通信，最高传输速率可达 100Kb/s，有 125个频道可供选择，可满足多频及跳频需要，
15、主要工作参数大都可通过芯片状态字由用户根据需要自行配置，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。 nRF905没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。所以 nRF905是业界体积最小、功 耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片之一。 此外，其功耗非常低，以 -10dBm的输出功率发射时电流只有 11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。 nRF905适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。 方案 2：也可选用 nRF2401 以及其他收发芯片，但它们有的需要外围元件过多，有的协
16、议复杂，不易实现，有的费用较高，增加了成本，有的传输距离较短。 7 根据以上两种方案的比较，因此在本电路设计时采用的是 nRF905 芯片。 8 4 系统硬件设计 4.1 单片机电路 4.1.1 AVR 单片机内部结构 AVR 单片机内部 资源非常丰富， 集成了各种常用的外围设备， 主要由以下部分组成： 16K 字节擦写寿命 10000 次的系统内可编程 Flash 具有独立锁定位的可选 Boot 代码区 片上 Boot 程序实现系统内编程 可 同时读写操作 的 512 字节擦写寿命 100000 次的 EEPROM 1K 字节的片内 SRAM 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 JTA
17、G 接口 ， 标准的边界扫描功能支 持扩展的片内调试功能 通过 JTAG 接口实现对 Flash、 EEPROM、熔丝位和锁定位的编程 两个具有独立预分频器和比较器功能的 8 位定时器 / 计数器 一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16 位定时器 / 计数器 具有独立振荡器的实时计数器 RTC 四通道 PWM 8 路 10 位 ADC 2 个具有可编程增益（ 1x, 10x, 或 200x）的差分通道 面向字节的两线接口 IIC 两个可编程的串行 USART 可工作于主机 / 从机模式的 SPI 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 TWI 片内模拟比较器 上电复 位以及可编
18、程的掉电检测 BOD 片内经过标定的 RC 振荡器 片内 / 片外中断源 6 种睡眠模式 : 空闲、 ADC 噪声抑制、省电、掉电、 Standby 模式 32 个可编程的 I/O 口 AVR 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元 (ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍9 的数据吞吐率。 AVR的 ATmega16 有如下特点 :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， 1
19、K 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。 工作于空闲模式时 CPU 停止工作，而 USART、两 线接口、A/D 转换器、 SRAM、 T/C、 SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡
20、器停 止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止 CPU 和除了异步定时器与 ADC 以外所有 I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展 Standby 模式下则允 许振荡器和异步定时器继续工作。是以 Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内 ISP Flash 允许程序存储器通过 ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于 AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用 Flash 存储区 (ApplicationFlash Memory)。在更新应用 Flash 存储区时引导 Flash 区 (Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了 RWW 操作。 通过将 8 位 RISC CPU 与系统内可编程的 Flash 集成在一 个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为 本系统的 应用提供了灵活的解决方案。 10 图 4-1 单片机内部结构
