基于CCD的火灾探测智能车设计

摘要：本文以建筑环境检测为研究对象，设计了以STC12C5A60S2单片机为系统控制处理器的对建筑内环境进行自主循环检测的智能模型车，研究了传感器、探测器在建筑环境检测中的应用，实现了智能车的自主调速、避障的功能以及建筑环境的火灾情况检测、显示、报警，工作人员通过CCD传感器采集到的视频图像实时监测检测情况并进行智能车自动/手动选择以及相应情况的处理。

关键词：建筑环境；单片机；CCD；图像采集

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.1.002

引言

本次设计的智能模型车通过温湿度传感器和感烟探测器检测建筑物空间内是否存在火灾隐情[1]，报警时工作人员通过CCD传感器采集到的视频图像确认火灾是否发生，确认火灾情况后，定位智能车位置并手动控制智能车离开事故现场，然后进行卷帘门开启的命令。智能车灵活方便，而且循环检测，提高火灾检测的效率性、火灾报警的实时性以及火灾位置检测的精确性。

系统总体设计

总体功能设计

本次设计的智能车通过红外传感器和超声波传感器检测建筑物内环境的信息，控制器做出合理、快速、准确的决策，使得智能车能够自主地避障和进行新路径的选择，实现智能车在建筑物内自主地对每个房间进行逐一排查，通过温湿度传感器对建筑物空间的温度和湿度进行检测，然后与预置的参数临界值进行比较，并与声光报警装置配合，同时结合感烟探测器的检测结果，从而做出报警/继续检测的判断，并将采集到的数据以及CCD传感器采集的视频图像实时传送给控制中心[2]。

总体方案设计

根据应用环境对智能车的简单敏捷型的要求，且硬件系统是智能车成败的关键，是智能车能够安全、稳定运行的基础，硬件的选择十分重要[3]。在硬件的初步选型后确定此系统硬件实现的可行方案，确定了以STC12系列单片机为该系统的核心，并选择低功耗和低成本的功能器件。图1是该系统的总体结构框图。

由温湿度传感器、感烟探测器和CCD传感器组成的监测部分主要检测建筑环境的温度和湿度，查找建筑环境的火灾安全隐情，控制部分主要由驱动电路来控制卷帘门的开/关，当智能车发现采集的数据超过预制的参数临界值时，启动报警器，发出声光报警信号，通过无线传输模块[4]将现场的实时数据发送到物业中心，工作人员通过视频图像进行确认，情况属实时，定位智能车位置，开启卷帘门，并且智能车手动功能开启，由工作人员控制离开事故现场，进行火灾隔离。由于建筑所在区域以及季节的不同，可以通过键盘设置系统的相关参数，并且检测的各项数据都会通过液晶显示器显示。

系统主要功能模块设计

本设计系统控制核心部分采用了可靠性高、功能强、灵活性以及性价比高的STC12C5A60S2单片机，同时还采用了软/硬件的“看门狗”技术等抗干扰措施，提高系统的准确性。

监测模块电路设计

监测模块是系统功能得以完成的先决力量，主要以传感器为核心，采集建筑物内空间的信息，完成环境的监测任务。本文主要介绍超声波传感器、温湿度传感器以及CCD传感器三种传感器的电路设计。

超声波传感器电路设计

智能车实现自身智能的一个关键就是其能够自主避障以及对于新的路径进行选择和规划[5]，除了红外线传感器做出中要贡献之外，超声波传感器也起到了无可比拟的作用。超声波传感器在工业、国防、生物医学等方面都得到了广泛的应用，而且超声波具有工作可靠、安装方便、防水型、发射夹角较小、灵敏度高等优点，所以在本设计中，为了实现智能，使小车能够在遇到障碍物时自主寻找新的路径。本设计使用了由步进电机驱动的超声波传感器，步进电机与直流电机相比，具有瞬时启动和极速停止的优越特性，过载性好，控制方便，整机结构简单。此外超声波传感器可以向左向右各旋转90度来测量小车与障碍物的距离，将距离信息传送给单片机，单片机发送命令控制小车朝离障碍物距离远的地方前进，超声波传感器随时检测，小车就随时调整运动方向，也弥补了红外传感器在工作中的某些缺陷，实现真正意义上的自主优化路径的目的。超声波测距的电路图如图2所示。

温湿度传感器电路设计

用来检测建筑物空间温度和湿度的是一款含有已校准数字信号输出的数字温湿度传感器DHT11[6]，其在暖通空调、气象站、汽车等多领域都有应用价值，且具有体积小、响应快、传输距离远、功耗极低、抗干扰能力强、性价比极高等优点，当测量的温湿度超过设定的临界值时，报警电路发送报警信息，通知控制中心。

DHT11的湿度量程范围是10%—90%RH，温度量程范围是-30℃—130℃，测湿精度为±5%RH，测温精度为±2℃，测量分辨率均为8bit。DHT11的供电电压为3-5.5V，与单片机和其他传感器需要的供电电压基本相同，增加智能车的简约性，而且DHT11的各项指标均满足本次火灾检测的要求。

DHT11采用串行接口，采用单总线数据格式，使DATA与单片机进行同步通信，其中与单片机的连接图如图3所示。DHT11的一次通信时间为4ms左右，DATA为串行数据，单总线，在不工作时，总线为高电平，在单片机发送开始信号后，总线被拉低等待DHT11响应，此时DHT11从低功耗模式转换到高速模式，接收到主机发送的开始信号后，等待状态结束，DHT11发送相应信号，并触发一次采集温湿度信号，通过显示器显示采集的信号供用户读取[7]。DHT11只在接受到开始信号后才开始采集温湿度信号，并在采集后转换到低速模式，简化系统。

CCD传感器设计

智能车的图像传输功能由CCD图像传感器来完成实现。CCD是一种半导体器件，其上的电容能够感应光线，CCD把光学影像转变成电荷，再转换成“0”或“1”的数字信号，就像胶片一样[8]。数字信号经过压缩和程序排列后，再转换成电子图像信号输入到计算机中，进行图像的保存、处理以及分析等工作。CCD的工作原理分为微型镜头、分色滤色片、感光层等三层，其中感光层是CCD的核心部分，主要的任务是将光源转换成电子信号，并传送给影像处理芯片，还原影像。

智能车的路径信息主要由面阵CCD器件进行检测，面阵CCD的输出信号为标准的模拟复合视频信号，该信号中主要包括了同步信号和图像信号。为了避免由于单片机A/D转换速度而带来的采集图像分辨率低的问题，该信号直接通过外部的电压比较器，将模拟视频信号变成高/低电平信号，通过单片机的I/O口输入到计算机。此外，还需要专门的视频同步分离电路提供行、场同步信号，这些同步信号一般送到单片机的外部中断端口[9]。本智能车采用IA1881作为视频信号同步分离芯片。IA1881视频同步信号分离芯片可以从混合的源视频信号里分离同步信号，产生四路同步信号。单片机采集图像系统框图如图4所示。

传输模块电路设计

为了保证传输的实时性和精准性，同时满足智能车的简约灵活的要求，我们采用了具有高抗干扰能力、高传输能力、高灵敏度、较低的电流消耗、低误码率等优点的RFD5800多通道微功率嵌入式无线数传模块[10]，其最远传输距离为1000米（1200bps），本设计则充分利用此传输模块的优点，让单片机与控制室更畅通地连接，其电路原理图如图5所示。

结论

火灾的检测在建筑环境以及人们的日常生活中都非常重要，火灾的成功预知可以大大减少人员生命财产的损失。基于此，设计了可移动的智能车，智能车在建筑物内循环检测其空间的烟雾浓度、温度以及湿度。单片机根据三种数据同时判定是否存在火灾隐患，以防香烟烟雾或厨房烟雾等导致判断错误，产生误报等情况。智能车具有移动方便、稳定性高、通信灵敏等优点，同时可燃气体检测、建筑环境检测等其他功能可以拓展，其具有很大的发展和应用空间。

参考文献：

[1] 姚胜兴.面向智能建筑的火灾探测与自动化系统[J].中国仪器仪表，1999（12）：36-39

[2] 胡长晖，叶梦君，张先鹤.基于视觉技术智能车系统的设计[J].湖北师范学院学报，2012，32（2）：17-21

[3] 费琛，杨会成，杨惠.基于图像传感器的智能车硬件系统设计[J].工业控制计算机，2012，25（5）：107-108

[4] 戴圣伟，陈白帆，范绍成.无线遥控智能车的控制研究[J].计算机测量与控制，2011，19（9）：2125-2127

[5] 王瀛洲.智能车自主循迹系统硬件的设计分析[J].仪器仪表用户，2011（1）：60-62

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[10] 戴志强.基于单片机控制的短距离无线传输[J].大众科技，2009（12）：54-55