毕业设计-基于at89c51单片机的矿井救灾机器人的设计与制作

基于AT89C51单片机的营救机器人的设计与制作摘要本论文提出了一种煤矿井下环境探测与搜救机器人系统设计方案，该机器人集先进的机械、电子、信息、控制工程等技术于一身，采用仿生学原理，综合蛇形机器人、履带式机器人和轮式机器人的优点，采用履带和轮胎、伸缩结构的有机结合，能适应崎岖不平的地形环境，可以轻松爬上较高楼梯、跨越壕沟，用于搜索幸存者、探测检测井下环境，具有体积小、成本低、可控性强等特点。本论文重点研究了信息采集系统的设计、电机驱动模块的设计以及单片机串口通信的设计。本论文的主要成果包括采用AT89C51单片机作为机器人小车的数据处理核心；采用温度、湿度一体式的数字智能传感器DHT11实现矿井内温度、湿度的测定；采用红外气体传感器MH44OV/D用作矿井瓦斯浓度的测定；在单片机与PC机的通信方面，采用了内部集成了NRF401的无线数据传输模块PTR2000，可靠地实现了远距离通信；还采用了L298作为直流电机驱动芯片，用以控制机器人小车的前进、转向、后退。关键词矿井环境探测；机器人；信息采集；无线传输；电机驱动目录第一章引言111选题背景与意义112课题研究内容1第二章系统总体方案设计221单片机AT89C51简介222温湿度传感器DHT11简介523瓦斯浓度传感器MH440V/D简介724直流电机驱动模块简介10241直流电动机简介10242电机驱动芯片L298简介1025无线传输模块PTR2000简介11251NRF401芯片说明11252PTR2000模块简介13第三章系统硬件设计与实现1531温湿度传感器电路设计1532瓦斯浓度传感器电路设计1733电机驱动电路设计2234无线传输模块电路设计22第四章系统软件设计与实现2641软件开发环境简介2642软件的总体设计思路2743主要功能模块软件设计28431温湿度传感器模块软件设计28432瓦斯浓度传感器模块软件设计30433电机驱动模块软件设计30434无线传输模块软件设计31第五章系统调试3351温湿度数据采集模块调试3352电机驱动模块调试3353整体调试35第六章总结与展望4161总结4162技术展望41致谢43参考文献44附录A小车端硬件设计原理图45附录BPC端硬件设计原理图46附录CPCB板图47附录DPC端VB操作代码48第一章引言11选题背景与意义中国是一个产煤大国，在未来相当长的时间内，煤炭仍是主要能源结构。中国煤炭产量占世界35，但矿难死亡人数却占世界的80。我国煤矿矿井灾害事故频繁发生，人员伤亡十分惨重。在灾难救援中，救援人员只有非常短的时间约48小时用于在倒塌的废墟中寻找幸存者，否则发现幸存者的几率几乎为零。参与救援工作的救护队员在深入井下，会遇到二次爆炸等各种危险状况。我国煤矿大多数为井工开采，不安全因素很多，瓦斯煤尘和火灾等灾害事故频繁发生，灾害事故危害严重，伤害人员多，中断生产时间长，损毁井巷工程或生产设备。然而，煤矿事故发生的原因极为复杂，是偶然性和必然性的结合，各类灾害事故存在突发性、灾难性、破坏性和继发性特点。因此，研究煤矿救灾新装备是一项紧迫任务。目前，救灾方式只是根据事故的类型确定救灾的方案，一般救护人员无法进入危险区域，只能通过提升绞车、移动式风车等设备清除垃圾，向井下通风，然后再搜救遇险矿工。这种方式危险性大，伤亡人数多，救灾周期长，往往效率低。救灾机器人利用自身的优点，能迅速找到井下遇险矿工的位置，降低事故危害性，对提高救灾效率具有重大意义。救灾机器人系统的优势决定了机器人能广泛地应用到一切可能对人员生命、健康构成威胁的场所，如煤矿救灾、解救人质、处理化学危险品泄漏等等。救灾机器人的研究内容广泛，包括移动机构、探测技术、多传感器信息融合技术、导航和定位技术、自适应控制技术、仿生技术等方面。它既借鉴危险作业机器人的理论和方法，又拓宽新的研究领域，具有相当的研究和应用前景。在当今社会，研究有自己特色的救灾机器人，无疑具有巨大的社会效益和经济效益。12课题研究内容本次课题的设计主要完成以下内容1、基于传感器的矿井环境数据采集单元设计2、基于直流电机以及电机驱动芯片的电机驱动模块设计3、在单片机以及PC机之间实现无线传输模块设计第二章系统总体方案设计21单片机AT89C51简介51单片机集成度高、功能强大、结构简单、可靠性高、价格低廉，因此本设计采用51单片机作为系统的中央处理器。在51单片机众多的系列产品中，我选择了美国ATMEL公司生产的AT89C51单片机。它是一款低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4KBYTES的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128BYTES的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。其外观如图22所示。图22AT89C51单片机外观AT89C51主要性能参数与MCS51产品指令系统完全兼容4K字节可重擦写FLASH闪速存储器1000次擦写周期全静态操作0HZ24MHZ三级加密程序存储器1288字节内部RAM32个可编程IO口线2个16位定时计数器6个中断源可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电模式AT89C51提供以下标准功能4K字节FLASH闪速存储器，128字节内部RAM，32个IO口线，两个16位定时计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。其引脚分布如图23所示。图23AT89C51引脚分布图AT89C51引脚功能说明VCC电源电压GND地P0口P0口是一组8位漏极开路型双向IO口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在FIASH编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1口P1是一个带内部上拉电阻的8位双向IO口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。FIASH编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。P2口P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向IO口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。FLASH编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3口P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向IO口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的IO口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表21所示端口引脚第二功能P30RXD（串行输入口）P31TXD（串行输出口）P32/INT0（外中断0）P33/INT1（外中断1）P34T0（定时计数器0外部输入）P35T1（定时计数器1外部输入）P36/WR（外部数据存储器写选通）P37/RD（外部数据存储器读选通）表21P3口第二功能表P3口还接收一些用于FLASH闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的L6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（/PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的DO位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。/PSEN程序储存允许（/PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次/PSEN有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的/PSEN信号不出现。EAVPP外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上12V的编程允许电源VPP，当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。XTAL1振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端。22温湿度传感器DHT11简介在系统数据采集设计方面，我选择了具有温度、湿度一体检测的智能数字式传感器DHT11，因为它不仅能稳定可靠地检测出温度、湿度这两种环境参数，而且输出的信号是数字信号，可以直接被单片机识别，且与单片机的通信简单，易于实现。DHT11产品概述DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。外形如图24所示。图24DHT11外形图DHT11的性能优点相对湿度和温度测量全部校准，数字输出卓越的长期稳定性无需额外部件超长的信号传输距离超低能耗4引脚安装完全互换DHT11的应用领域暖通空调测试及检测设备汽车数据记录器消费品自动控制气象站家电湿度调节器医疗除湿器封装信息图25DHT11的封装图DHT11引脚说明PIN名称注释1VDD供电355VDC2DATA串行数据，单总线3NC空脚，悬空4GND接地，电源负极表22DHT11引脚说明DHT11性能说明参数条件MINTYPMAX单位湿度111RH分辨率8BIT重复性1RH254RH精度0505RH互换性可完全互换03090RH252090RH量程范围502080RH响应时间1/E6325，1M/S空气61015S迟滞1RH长期稳定值典型值1RH/YR温度111分辨率888BIT重复性1精度12量程范围050响应时间1/E63630S表23DHT11性能说明23瓦斯浓度传感器MH440V/D简介本设计采用的是NDIR红外气体传感器MH440V/D，设计原理如图26所示瓦斯浓度传感器A/D转换芯片单片机图26瓦斯浓度传感器硬件连接原理框图由于设计中采用的是MH440V/D的模拟数据传输方式，因此，在信号被单片机识别前，需要将模拟信号转换成数字信号。图27MH440V/D外观图MH440V/D红外气体传感器是通用型、智能型、微型传感器，其外观如图27所示。该传感器利用非色散红外（NDIR）原理对空气中存在的CH4进行探测，具有很好的选择性，无氧气依赖性，性能稳定、寿命长。MH440V/D内置温度传感器，可进行温度补偿，是将成熟的红外吸收气体检测技术与微型机械加工、精良电路设计紧密结合，制作出的小巧型红外气体传感器。该传感器使用方便，可直接用来替代催化燃烧元件，广泛应用于存在可燃性、爆炸性气体的各种场合。MH440V/D的特点1高灵敏度2兼备标准输出与数字输出3外形小巧4快速响应、恢复5温度补偿6优异的稳定性7使用寿命长8抗水汽干扰9可即刻将催化燃烧原理仪表转换成红外检测仪表MH440V/D工作环境条件工作电压35VDC温度范围2060湿度范围095RHMH440V/D主要技术参数工作电压35VDC工作电流7585MA接口电平3V测量范围05VOL（0100VOL范围内可选）输出信号范围042VDC分辨率1FSD预热时间90S响应时间T905年防爆等级EXDMIICT4防护等级IP6尺寸20166重量15G表24MH440V/D主要技术参数MH440V/D结构特征1结构原理图图28MH440V/D结构原理图2管脚定义1GND2VCC3RXD4VOUT5TXD24直流电机驱动模块简介241直流电动机简介本设计中使用的直流电机型号为RS380SH，外观如图29所示。电机的基本参数如表25所示。图29RS380SH型直流电机电压空载时电流工作范围稳定电压R/MINA39V72V固定的16200050表25RS380SH型直流电机基本参数242电机驱动芯片L298简介根据本设计中的小电机而言，其控制逻辑电平为5V，电机驱动电压为72V，据此选择L298这款电机驱动芯片。外形如图210所示。图210L298驱动芯片外观L298N为SGSTHOMSONMICROELECTRONICS所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片DUALFULLBRIDGEDRIVER，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个HBRIDGE的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号。L298N管脚定义如图211所示，PIN1和PIN15可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路；OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个直流电机；INPUT1INPUT4输入控制电位来控制电机的正反转；ENABLE则控制电机停转。图211L298管脚定义图25无线传输模块PTR2000简介PTR2000是基于NRF401的无线收发数据传送MODEM模块，该器件为超小型模块器件，具有超低功耗、高速率（192KBIT/S）无线收发数据传送功能，且性能优异，使用方便，可广泛应用于无线数据传输产品的设计领域。无线收发一体数传模块MODEM芯片PTR2000芯片性能优异，在业界居领先水平。它的显著特点是所需外围元件少，因而设计非常方便，该模块在内部集成了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制/解调、参量放大、功率放大、频道切换等功能，因而是目前集成度较高的无线数传产品。该器件采用抗干扰能力较强的调制解调方式、其工作频率稳定可靠、功耗极低且便于生产设计，这些优异特性使得PTR2000非常适合于单片机短距离的数据通信设计。另外，由于它采用了低发射功率、高灵敏度设计，因而可满足无线管制的要求且无需使用许可证，是目前低功率无线数传的理想选择。251NRF401芯片说明NRF401是挪威NORDIC公司推出的射频收发芯片，NRF401在一个20脚的芯片中集成了高频发射/接收、PLL合成、FSK调制/解调和多频道切换等功能，在低成本数字无线通信应用中具有突出的技术优势。工作在国际通用的ISM数传频段的两个频道（43392MHZ和43432MHZ），采用高接收敏度（105DBM）和小发射功率（510DBM）设计策略。在发射功率为8DBM时，室内通信距离大于20M，室外开阔地大于100M，对环境影响极小，无需进行频道申请即可使用。采用DSSPLL频率合成技术，外接元件仅一个晶振和几个阻容、电感，基本无需调试就能工作，且稳定性良好。它要求非常少的外围元件（约10个）。无需进行初始化和配置，不需要对数据进行曼切斯特编码。数字通信采用具有高抗干扰能力的FSK调制方式，支持直接数据输入输出操作，可直接与MPU的UART串行口连接。NRF401的天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB天线。NRF401有两个可选择的工作频道，采用半双工工作模式，最高数据传输速率可达20KBIT/S。工作电压为275V，待机状态耗电仅为8A，能满足低功耗的设计要求。芯片的特点如下工作频率为国际通用的数传频段采用FSK调制，直接数据输入输出，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合采用DSSPLL频率合成技术，频率稳定性极好灵敏度高，达到105DBM功耗小，接收状态250A，接收待机状态仅为8A最大发射功率达10DBM低工作电压（27V），可满足低功耗设备的要求具有多个频道，可方便地切换工作频率，特别满足需要多信道工作的特殊场合工作速率最高可达20KBIT/S，也可支持低波特率的数据通信，如9600BAUD仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件，基本无需调试由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的使用距离最远可达1000米NRF401集成度高，工作频率稳定可靠，外围元器件少，功耗极低，适合便携式产品的设计。NRF401使用20引脚的SSOCI封装，其引脚如图所示。NRF401的引脚功能如下图212NRF401引脚分布图XC1、XC2连接外部频率，其中XC1为晶振输入，XC2为晶振输出。VDD电源输入端，电压范围为2752V。VSS电源地。FILT1滤波器输入端。VCO1、VCO2外界压控振荡电感。DIN发射数据输入端，该引脚用于接收单片机要发送的数据。DOUT接收数据输出端，该引脚将无线模块接收的数据输出给单片机。RF_PWR发射功率设置。CS频道选择。CS0时，芯片工作在频道1；CS1时，芯片工作在频道2。ANT1、ANT2天线接口。PWR低功耗控制。PWR1时，芯片处于工作状态；PWR0时，芯片待机状态。TXEN模式切换。TXEN1时，芯片处于发送状态；TXEN0时，芯片处于接收状态。NRF401为PTR2000的内置芯片，其外围电路为PTR2000模块集成。当芯片工作在频道1时，芯片的工作频率为43392MHZ；当芯片工作在频道2时，芯片的工作频率为43433MHZ。DIN与DOUT引脚输出的是TTL电平信号，可以与单片机的RXD和TXD直接相连；当其与PC连接时，则需要添加RS232电平转换电路。芯片引脚CS、PWR、TXEN的状态直接影响芯片的工作方式。252PTR2000模块简介PTR2000模板的引脚排列如图213所示。各引脚的功能说明如下图213PTR2000引脚分布图VCC电源输入端，电压范围为2752V。CS频道选择。CS0时，芯片工作在频道1；CS1时，芯片工作在频道2。DO接收数据输出端，该引脚将无线模块接收的数据输出给单片机。DI发射数据输入端，该引脚用于接收单片机要发送的数据。GND电源地。PWR节能控制。PWR1时，芯片处于正常工作状态；PWR0时，芯片处于待机状态。TXEN模式切换。TXEN1时，芯片处于发送状态；TXEN0时，芯片处于接收状态。在软件编程过程中，对PTR2000的工作模式和工作频道的选择尤为重要，对于PTR2000模块而言，它的工作模式设置主要包括工作频道设置和发送、接收、待机状态的设置。表给出了该模块的工作频道以及工作模式控制的选择方式。模块引脚数输入电平模块状态TXENCSPWR工作频道号模块状态0011接收0112接收1011发射1112发射0待机表26PTR2000工作频道及工作模式控制的选择方式PTR2000可与单片机（如80C31、2051、68HC08、PIC、Z8等）配合使用，可直接接单片机的串口或者I/O口，也可与计算机串口进行通信，此时需要在中间简单地接一个RS232电平转换芯片，如MAX232等。在使用模块之前可以使用以下介绍的PTR2000简单测试方法，判定模块是否正常工作。将发射端芯片设置为发射方式，使得TXEN为高电平，PWR为高电平，并通过单片机串口向PTR2000不断发送数据。建议直接发送ASCII码，如A，这样上位机更容易检测到接收的数据是否正确。将接收端芯片设置为接收方式，使得TXEN为低电平，PWR为高电平，并将接收到的数据经RS232电平转换后送给计算机串口，用计算机终端程序（如串行调试助手）即可监视到接收到的ASCII数据。通过以上简单测试方法，可以直接判定PTR2000模块是否可以正常工作。在实际使用过程中有以下几点需要注意PTR2000通过RS232电平转换后可以直接与PC机相连，但是占用计算机资源比较大，建议在PTR2000与计算机之间增加一个单片机。供电电源会直接影响PTR2000通信性能，如果使用开关电源会使通信误码率增大。有条件的话，可使用独立的直流电源供电，与其他数字电路的供电分开，并在PTR电源两端增加去耦电容，且尽量靠近模块。PTR2000在空旷场地下，传输距离可达100M以上。在不超过最大供电电压的情况下，适当地增加电压，可增加传输距离。第三章系统硬件设计与实现31温湿度传感器电路设计DHT11引脚说明PIN名称注释1VDD供电355VDC2DATA串行数据，单总线3NC空脚，悬空4GND接地，电源负极表31DHT11引脚说明DHT11接口说明建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。图31DHT11典型应用DHT11的电源引脚DHT11的供电电压为355V。传感器上电后，要等待1S以越过不稳定状态，在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100NF的电容，用以去耦滤波。DHT11的串行接口单线双向DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间4MS左右，数据分小数部分和整数部分，具体格式在软件设计部分说明，当前小数部分用于以后扩展，现读出为零。DHT11的测量分辨率测量分辨率分别为8BIT（温度）、8BIT（湿度）DHT11的电气特性VDD5V，T25参数条件MINTYPMAX单位供电DC3555V测量0525MA平均021MA供电电流待机100150A采样周期秒1次注采样周期间隔不得低于1秒钟。表32DHT11的电气特性表DHT11的应用信息工作与贮存条件超出建议的工作范围可能导致高达3RH的临时性漂移信号。返回正常工作条后，传感器会缓慢地向校准状态恢复。要加速恢复进程/可参阅“恢复处理”。在非正常工作条件下长时间使用会加速产品的老化过程。暴露在化学物质中电阻式湿度传感器的感应层会受到化学蒸汽的干扰，化学物质在感应层中的扩散可能导致测量值漂移和灵敏度下降。在一个纯净的环境中，污染物质会缓慢地释放出去。下文所述的恢复处理将加速实现这一过程。高浓度的化学污染会导致传感器感应层的彻底损坏。恢复处理置于极限工作条件下或化学蒸汽中的传感器，通过如下处理程序，可使其恢复到校准时的状态。在5060和70RH的湿度条件下保持5小时以上。温度影响气体的相对湿度，在很大程度上依赖于温度。因此在测量湿度时，应尽可能保证湿度传感器在同一温度下工作。如果与释放热量的电子元件共用一个印刷线路板，在安装时应尽可能将DHT11远离电子元件，并安装在热源下方，同时保持外壳的良好通风。为降低热传导，DHT11与印刷电路板其它部分的铜镀层应尽可能最小，并在两者之间留出一道缝隙。光线长时间暴露在太阳光下或强烈的紫外线辐射中，会使性能降低。配线注意事项DATA信号线材质量会影响通讯距离和通讯质量，推荐使用高质量屏蔽线。硬件连接原理图图32温湿度传感器硬件电路原理图32瓦斯浓度传感器电路设计本设计采用的是NDIR红外气体传感器MH440V/D，设计原理如图33所示瓦斯浓度传感器A/D转换芯片单片机图33瓦斯浓度传感器硬件连接原理框图由于设计中采用的是MH440V/D的模拟数据传输方式，因此，在信号被单片机识别前，需要将模拟信号转换成数字信号。MH440V/D管脚定义1GND2VCC3RXD4VOUT5TXDMH440V/D使用说明传感器上电开始，传器感在前10S输出01V表示传感器“自检”，在此期间传感器的通讯端口不可用，禁止一上电就立即开始建立和传感器通讯。从第11S开始到70S结束为传感器预热时间，在此期间读出的气体浓度值不准确，要获得准确的浓度值需要等传感器预热结束。其通信方式如下1模拟方式将传感器VCC端接5V，GND端接电源地，VOUT端接ADC的输入端。传感器经过预热时间后从VOUT端输出表征气体浓度的电压值，0420V代表气体浓度值0满量程。2数字方式将传感器VCC端接5V，GND端接电源地，RXD端接探测器的TXD，TXD端接探测器的RXD。探测器可以直接通过传感器的UOUT接口读出气体浓度值，不需要计算。通讯协议如下波特率9600，8位数据，1位停止位，无校验位每帧数据9个字节，0XFF开头，校验值结尾校验值（取反（DATA1DATA2DATA7）11读传感器浓度值与温度值主机在发送读传感器浓度值时发送命令如下012345678起始位0XFF探测器编号命令0X860000000000校验值从机返回数据格式为12345678起始位0XFF探测器编号通道高位通道低位温度通道校验值气体浓度值通道高位256通道低位，气体浓度值为有符号数。传感器编号为0X01。环境温度值温度通道40。2零点校准时发送0XFF,0X87,0X87,0X00,0X00,0X00,0X00,0X00,0XF2第一个字节0XFF为起始字节，第二个字节0X87为重复命令，第三个字节0X87为命令,后五个字节为任意值,最后一个字节0XF2为校验和。没有返回信息。3SPAN点校准时发送012345678起始位0XFF探测器编号命令0X88SPAN高位SPAN低位000000校验值第一个字节0XFF为起始字节，第二个字节为探测器编号，第三个字节0X88为命令，第四个字节为SPAN高位值，第五个字节为SPAN低位值，后三个字节为任意值,最后一个字节为校验和。没有返回信息。MH440V/D维护保养应注意的事项传感器应定期标定，建议不大于3个月。不要在粉尘密度大的环境长期使用传感器。请在传感器供电范围内使用传感器。禁止直接焊接传感器管脚。禁止剪断传感器管脚。ADC0809芯片介绍ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。其外观如图34所示。图34ADC0809外观图ADC0809对输入模拟量要求信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线4条ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表所示CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表33ADC模拟通道选择表数字量输出及控制线11条ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（），VREF（）为参考电压输入。ADC0809的引脚分布如图35所示图35ADC0809的引脚分布图各脚功能如下D7D08位数字量输出引脚。IN0IN78位模拟量输入引脚。VCC5V工作电压。GND地。REF（）参考电压正端。REF（）参考电压负端。STARTA/D转换启动信号输入端。ALE地址锁存允许信号输入端。（以上两种信号用于启动A/D转换）EOC转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。OE输出允许控制端，用以打开三态数据输出锁存器。CLK时钟信号输入端（一般为500KHZ）。A、B、C地址输入线。ADC0809的内部逻辑结构由图36可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图36ADC0809的内部逻辑结构图ADC0809应用说明（1）ADC0809内部带有输出锁存器，可以与AT89S51单片机直接相连。（2）初始化时，使ST和OE信号全为低电平。（3）送要转换的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（4）在ST端给出一个至少有100NS宽的正脉冲信号。（5）是否转换完毕，我们根据EOC信号来判断。（6）当EOC变为高电平时，这时给OE为高电平，转换的数据就输出给单片机了。硬件连接图图37瓦斯浓度传感器硬件电路原理图33电机驱动电路设计1由于救灾机器人的行走机构包括两条履带，这两条履带不仅能完成小车的前进和后退，还能完成小车的转弯，因此，需要不同的逻辑分别控制驱动这两条履带的电机；2机器人小车为了提高越障能力，还分别装有前、后摆臂，因此，也需要不同的逻辑分别控制驱动前、后摆臂的电机；3机器人小车还安装有实时监测的摄像设备，摄像头必须是全角度能拍摄，因此，也需要一个独立的逻辑控制驱动摄像头的直流电机；根据以上分析，设计硬件电路如下图38直流电机驱动硬件电路原理图由硬件图可知1单片机的P00和P01端口控制左履带电机，改变P00和P01端口的逻辑状态可以实现左履带电机的正传、反转和停止。2单片机的P02和P03端口控制右履带电机，改变P02和P03端口的逻辑状态可以实现右履带电机的正传、反转和停止。3单片机的P04和P05端口控制前摆臂电机，改变P04和P05端口的逻辑状态可以实现前摆臂电机的正传、反转和停止。4单片机的P06和P07端口控制后摆臂电机，改变P06和P07端口的逻辑状态可以实现后摆臂电机的正传、反转和停止。5单片机的P20和P21端口控制摄像头电机，改变P20和P21端口的逻辑状态可以实现摄像头电机的正传、反转和停止。34无线传输模块电路设计本设计实现了一种基于无线通信模块的短距离曲线传输。其原理框图如图39所示，实现流程如下单片机通过无线传输模块向PC端发送数据，另一端的无线传输模块接收数据。通过RS232电平转换后，模块将数据传送给计算机，进行相应处理。单片机无线传输模块无线通道无线传输模块电平转换电路PC图39无线传输模块的硬件设计框图本设计的系统主要实现下面3个功能1单片机作为终端进行现场数据采集。单片机在此起着数据采集器的作用，它一方面实时进行数据采集，另一方面通过无线通道和PC交换数据。2单片机将采集的数据通过无线传输模块传送到PC。3PC通过无线传输模块向单片机发送命令。如图310所示，本设计无线数据传输部分的硬件设计包括单片端和PC端两部分，两部分的重点都是如何实现基于PTR2000模块的无线接口。PTR2000模块和单片机的串行口直接连接。数据采集单片机PTR2000PTR2000MAX3232PC图310无线传输模块的硬件连接框图就PC而言，由于PTR2000模块支持TTL电平，而计算机串口串行输入、输出的信号满足RS232标准，因此需要在PTR2000模块和计算机串口之间进行RS232和TTL电平转换。总之，本设计硬件电路设计的主要在于PTR2000模块的正确应用。MAX3232芯片说明实现电平转换可用分立元件，也可用集成电路芯片。使用三极管进行电平转换，能够用于简单的通信，其优点是成本低廉。然而对于通信稳定性要求较高的应用，不建议使用分立元件，分立元件电路的稳定性差，误码率较高，不能完全满足RS232C的全部技术指标。现在最常用芯片是RS232与TTL双向电平转换芯片。本设计采用的芯片是MAXIM公司的MAX3232芯片，该芯片的特点如下符合所有的RS232C技术规范。低电压供电，最低在33V电压下，芯片即可工作。片载电荷泵，具有升压、电压极性反转能力，能够产生10V和10V电压V、V。功耗非常低，典型供电电流为03MA。内部集成两个RS232C驱动器和两个接收器。图311MAX3232引脚分布图MAX3232的引脚（SO/DIP封装）如图311所示。其引脚功能说明如下1C1、C1（1、3脚）电压加倍充电泵电容的正、负端。2V、V（2、6脚）充电泵产生的55V、55V电压。3C2、C2（4、5脚）转换充电泵电容的正、负端。4T2OUT、T1OUT（7、14脚）RS232接收器输入。5R2IN、R1IN（8、13脚）RS232接收器输入。6T2IN、T1IN（9、12脚）TTL/CMOS发送器输出。7GND（15脚）接地。8VCC（16脚）电源端，供电电压为3055V。单片机接口电路设计图312所示为单片机与PTR2000接口电路。本设计采用的是ATMEL公司的AT89C51，它通过自己的并口控制模块的发射接收控制、频道转换和待机模式。图312单片机与PTR2000连接硬件电路原理图AT89C51主要完成数据采集和数据发送两个功能。AT89C51收到数据采集模块传来的数据后，根据通信协议将数据传输给无线传输模块。发送时，与单片机相连的PTR2000主要功能是将单片机传来的数据信号调制成射频信号，并通过内置天线发送给PC端的PTR2000模块。接收时，PTR2000将PC端传来的射频信号转换成单片机可以识别的TTL电平并发送给单片机。图中，S1为复位按键，它和C3、R1共同构成了单片机的复位电路；在本设计中，PC与单片机的波特率均为9600BAUD；单片机的RXD与PTR2000的DO引脚相连，TXD与PTR2000的DI引脚相连，实现串行数据传输；决定PTR2000模块工作模式的是TXEN、CS、PWR三个引脚。它们分别由单片机的P20、P21、P22控制，其状态直接决定了PTR2000的工作方式。RS232电平转换电路设计PC与PTR2000的接口电路比较简单，需要注意的是PTR2000为TTL电平，因此在和计算机连接的时候需要加电平转换电路。本设计选用的是低功耗RS232电平转换芯片MAX3232。图313所示为PTR2000与计算机串口进行连接的典型应用电路。PTR2000的DO和DI分别与MAX3232的T1IN和R1OUT相连。PTR2000的低功耗控制端PWR直接接VCC高电平，即固定在正常的工作状态；CS直接接GND低电平，PTR2000工作频段选择频道1；TXEN引脚通过MAX3232电平转换后接DB9的RTS端，用于控制PTR2000发送和接收状态。图313PTR2000与计算机串口连接硬件电路原理图MAX3232具有两路收发器，图中只使用了一路。C1、C2、C3、C4是电荷泵升压及电压反转部分电路。电容C1C4安装时必须尽量靠近MAX3232芯片引脚，以提高抗干扰能力。PC端的窗口传输速率也需设定为9600BIT/S，与单片机段保持一致，这由PC端的软件设置。第四章系统软件设计与实现41软件开发环境简介KEILC51是美国KEILSOFTWARE公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。KEIL软件是目前最流行开发MCS51系列单片机的软件，这从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持KEIL即可看出。KEIL提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（UVISION）将这些部分组合在一起。KEILC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全WINDOWS界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KEILC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。C51工具包的整体结构，UVISION与ISHELL分别是C51FORWINDOWS和FORDOS的集成开发环境IDE，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件OBJ。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件ABS。ABS文件由OH51转换成标准的HEX文件，以供调试器DSCOPE51或TSCOPE51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。使用独立的KEIL仿真器时，应该注意的事项1仿真器标配110592MHZ的晶振，但用户可以在仿真器上的晶振插孔中换插其他频率的晶振。2仿真器上的复位按钮只复位仿真芯片，不复位目标系统。3仿真芯片的31脚（/EA）已接至高电平，所以仿真时只能使用片内ROM，不能使用片外ROM；但仿真器外引插针中的31脚并不与仿真芯片的31脚相连，故该仿真器仍可插入到扩展有外部ROM（其CPU的/EA引脚接至低电平）的目标系统中使用。当使用KEILSOFTWARE工具时，项目开发流程与其他软件开发项目的流程极其相似。具体流程如下1创建一个项目从器件库中选择目标器件配置工具设置；2用C语言或汇编语言创建源程序；3用项目管理器生成应用；4修改源程序中的错误；5测试，连接应用。42软件的总体设计思路首先，单片机与PC机之间需要建立通信，因此无线收发模块PTR2000需要相应的程序支持它工作，最关键的是频道选择与控制方式选择的设置；单片机跟传感器之间有数据的交换，因此传感器DHT11以及MH440方面也需要相应的驱动程序，能顺利驱动传感器获得数据信息；单片机还要通过改变输出脚的电平来控制直流电机的运动方式，因此，L298也需要相应的程序运行。43主要功能模块软件设计431温湿度传感器模块软件设计DHT11的DATA引脚用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间4MS左右，数据分小数部分和整数部分，当前小数部分用于以后扩展，现读出为零。操作流程如下一次完整的数据传输为40BIT，高位先出。数据格式8BIT湿度整数数据8BIT湿度小数数据8BI温度整数数据8BIT温度小数数据8BIT校验和数据传送正确时校验和数据等于“8BIT湿度整数数据8BIT湿度小数数据8BIT温度整数数据8BIT温度小数数据”所得结果的末8位。用户MCU发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40BIT的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集。采集数据后转换到低速模式。通讯过程如图41所示图41DHT11的通讯过程图1总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束，然后发送80US低电平响应信号。主机发送开始信号结束后，延时等待2040US后，读取DHT11的响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。图42DHT11的通讯过程图2总线为低电平，说明DHT11发送响应信号，DHT11发送响应信号后，再把总线拉高80US，准备发送数据，每一BIT数据都以50US低电平时隙开始，高电平的长短定了数据位是0还是1。格式见下面图示。如果读取响应信号为高电平，则DHT11没有响应，请检查线路是否连接正常。当最后一位数据传送完毕后，DHT11拉低总线50US，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。数字0信号表示方法如图43所示图43DHT11数字0信号表示方法数字1信号表示方法如图44所示图44DHT11数字1信号表示方法温湿度传感器模块程序流程图开始初始化单片机发送数据传输命令开始数据传输数据传输是否结束结束YN图45温湿度传感器模块程序流程图432瓦斯浓度传感器模块软件设计在瓦斯浓度传感器MH440V/D的使用上，我采用了其模拟输出的通信方式，即将传感器VCC端接5V，GND端接电源地，VOUT端接ADC的输入端。传感器经过预热时间后从VOUT端输出表征气体浓度的电压值，0420V代表气体浓度值0满量程。瓦斯浓度传感器模块程序流程图开始A/D转换芯片接收传感器模拟信号转换后的数据传送到单片机结束A/D转换图46瓦斯浓度传感器模块程序流程图433电机驱动模块软件设计采用单片机以及直流电机驱动模块L298分别控制左、右履带电机，前、后摆臂电机以及摄像机驱动电机的正传、反转和停止。电机驱动模块程序流程图开始初始化电机正转电机反转置高低逻辑电平置高低反逻辑电平置零YYNN图47电机驱动模块程序流程图434无线传输模块软件设计本设计的软件应该包括单片机端和PC端两个部分。两部分软件相互配合，对各自的PTR2000模块的工作状态进行设置。PTR2000模块具体设置的主要内容包括发送设置、接收设置、待机模式设置。1发送设置PTR2000的通信速率最高为20KBIT/S，也可工作在其他速率如4800BIT/S、9600BIT/S下，无需设置PTR2000的工作速率。在发送数据之前，应将模块先置于发射模式，即TXEN1。然后在等待至少5MS后（接收到发射的转换时间），才可以发送任意长度的数据。发送结束后应将模块置于接收状态，即TXEN0。发射到接收的转换时间为5MS。2接收设置接收时应将PTR2000置于