遥控消防车设计_毕业论文带开题报告.doc

湖北工程学院新技术学院 本科毕业论文（设计）开题报告题 目 智能消防车 院 系 信息工程系 专 业 电子信息工程 学生姓名 学 号 2101234145 指导教师 职 称 副教授 2013 年 10 月 10 日1、 本课题的研究目的及意义 研究目的近代的消防车必须要消防人员在现场操作，从而致使消防过程中的危险程度非常之高，为了消防员救人时自身的安全，我们设计了这一款可以智能控制的消防车来降低危险系度，同时提高控制消防车救火时的灵活和开车时的稳定。它是无人员投入火灾现场必备的终端设备，是一种代替人员进入火灾现场灭火的设备。研究的意义 我们设计的智能消防车选用坦克作为底盘通过性好， 利用nrf无线收发模块远程控制小车。可以实现无人员投入灭火，作品设计过程中将电子设计与化学相结合，达到最终的灭火目的。采用无线控制，减少人员投入火灾中减少伤亡。二、已了解的本课题国内外研究现状 长期以来，我国城市消防车多以普通商用底盘改装，普遍存在肢解式改装严重破坏原底盘完整性，安全性、可靠性明显下降，改装适应性差、驾乘室狭小、上下车不便等诸多问题。我国自行研制消防车虽然取得了一定的进展，但与发达国家相比，我们现代技术和新型材料在消防车中的应用还比较少其技术含量、功能和效率均落后于发达国家。 三、本课题的研究内容 本消防小车应用电子信息等高科技技术，提高小车的可靠性，采用c语言编程，对小车进行精确控制，使小车能够灵活进入火灾现场；各个模块分工明确使其控制和维修方便。选用坦克作为底盘一遍适应各种环境。 利用无线收发模块远程控制小车减少人员投入和伤亡。 作品设计过程中将电子设计与化学相结合，达到高效灭火目的。四、 本课题研究的步骤、方法及进度安排（一）研究步骤及方法 第一，提出研究本阐明本文课题目的和意义，研究的主要内容。第二，基础理论，主要研究一款能够灵活控制，无线指导，能够适应各种环境，实现无人员投入火灾现场的消防车。第三，方案的选择，选择一种可行性方案进行设计。第四，根据设计方案进行实际电路的连接和软件的调试。第五，设计的改进思想和收获。第六部分，论文的最终撰写、修改、定稿及答辩。（二）研究进度和安排 1、2013年7月2330号：收集与阅读整理材料。2、2013年7月9月：论文开题。3、2013年10月120号：仿真、软件调试和模型设计。4、2013年10月2130号：焊接电路，搭建模型平台。5、2013年11月19号：撰写论文。6、2013年11月1012月15号：论文修改定稿。7、2013年12月16号-12月20号：论文定稿，准备答辩五、 主要参考文献1 林伸茂.8051单片机彻底研究基础篇m.北京:人民邮电出版社，2003：24-153.2华成英，童诗白.模拟电子技术基础m 北京：高等教育出版社，20063 康华光等.电子技术基础第2版m.北京:高等教育出版社，2004：10-156.4 胡汉才.单片机原理及其接口技术m. 北京：清华大学出版社，2006.5 曹巧媛.单片机原理及应用m.北京:电子工业出版社，2002.6 牛翌光.单片机原理及接口技术m.北京:电子工业出版社，2008：32-79.7 杨路明.c语言程序设计m.北京:北京邮电大学出版社，2005:52-268.8 麦山，皮佑国.基于单片机的协议红外遥控系统j.1998.9 陆东旭，甄钊博. 自制简单的51开发板j. 电子制作, 2008,(01) 10 吴金戌.8051单片机实践与应用研究m .北京：清华大学出版社，2002.11 彭军 传感器与检测技术 西安电子科技大学出版社 2003.11 12化学反应原理 人民教育出版社 isbn编号: 9787107176456 200713麦山，皮佑国.基于单片机的协议红外遥控系统j.1998.14 黄耀军,周云,严国萍.计算机红外无线互连的设计几实现j.2000.15谭浩强 c程序设计 清华大学出版社 2012 07.六、 指导教师意见： 签名： 年 月 日七、 院系或教研室审核意见：1.通过 2.完善后通过 3.不通过 负责人： 年 月 日教学单位 信息工程系 学生学号 2101234145本科毕业论文（设计）题目 遥控消防车 学生姓名 专业名称电子信息工程 指导教师 2014年03月18日35遥控消防车摘要：本系统采用工业级stc89c52单片机为主控核心，功耗低，性能稳定，系统各部分均采用模块稳定性高，系统给每个模块单独供电，保证了运行时的可靠性。系统各模块与主机的通信距离短，故此系统采用综合布线，减少了无线模块的使用，降低了成本。且本系统采用c语言编程，无线遥控模式，可远程控制消防车的行走路线，灭火喷头的旋转，水泵的上水等进行无人员投入远距离灭火。关键字：遥控消防车；nrf24l01；stc89c52。design of remote control fire truckabstract: in this design, the system using industrial grade stc89c52 micro controller to control the core, low power consumption, stable performance, each part of the system adopts the module of high stability, system to each module power alone, to ensure the reliability of the runtime. the communication distance of each module in the system and the host of the short, so the system uses the integrated wiring, reducing the use of wireless module, reduces the cost. and this system uses the c language programming, wireless remote control mode, routes to remote control fire truck, fire fighting sprinkler rotation, pump water, no one into the remote fire extinguishment.key：remote control fire truck；nrf24l01；stc89c52。目 录1引言12相关技术22.1 stc89c52单片机22.2步进电机22.2.1供电模块32.2.2供电模块32.3 nrf24l01无线收发模块33系统分析44 系统的硬件电路设计54.1 主控制器模块的设计54.2 nrf24l01无线模块的设计54.3 按键控制模块的设计84.4 晶振电路与复位电路设计84.4.1 晶振电路84.4.2 复位电路84.5 电源模块的设计104.6 l298n电机驱动模块设计104.7 uln2003114.8 lm2596114.9 lm7805125 系统软件设计135.1设计软件简介135.2软件设计应用环境简介135.3 总体设计155.4 nrf24l01模块程序设计156 调试结果与分析176.1 测试仪器176.2 测试方法176.3 调试过程与分析17参考文献18附录1 源程序清单19附录2 总体实物图351引言 近年来随着科技的飞速发展，单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测技术日益更新。遥控消防车，是无人员投入火灾现场必备的终端设备，是一种代替人员进入火灾现场灭火的设备。智能消防车系统主要由：stc89c52单片机，nrf24l01无线收发模块，左右减速电机，步进电机，水泵，风扇等部件组成。可进行远程控制灭火。使用时，以stc89c52系列单片机为控制核心设计摇控系统的发射器与接收器。摇控器由单片机、六个按键和nrf24l01模块等组成.六个按键分别代表车的前进和后退、左转和右转、启动灭火风扇和启动二氧化碳。摇控器通过nrf24l01发射出去，接收器接收后，辨别发射传输的信息，对车发出命令进行灭火。2相关技术2.1 stc89c52单片机stc89c52是一种8k字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压高性能的cmos8的微处理器，该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造。与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。主控芯片内部电路图如图1所示。图1 stc89c52内部电路图2.2步进电机步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的计数，实现小车前进路程和位置的精确定位，也能准确引导小车驶向火源。采用专用芯片l298n作为电机驱动芯片。l298n是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，输出电压最高可达50v，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的io口通过光耦芯片提供信号。2.2.1供电模块用航空锂电池经7805电压变换电路为电机供电。再用12v蓄电池为系统供电，蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。采用此种供电方式后，单片机和传感器工作稳定，电机工作互不影响，能够满足系统的要求。2.2.2供电模块 lm2596-adj把锂电池输出的16.8v电压降为9v来为l298n电机驱动供电驱动小车运行。lm2596转换效率高，输出电压可高达40v，输出电流可高达3a，具有过流保护作用。uln2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500ma所以用来驱动步进电机盐酸和碳酸钠反应产生二氧化碳气体，排出空气使包围在蜡烛周围的氧浓度降低进而产生窒息，起到了灭火的作用。 2.3 nrf24l01无线收发模块 采用nrf24l01芯片无线控制小车的前进后退及转弯。它rf24l01b微功率无线通讯模块，采用nordic公司的nrf24l01芯片，2.4g全球开发ism频段免许可证使用，最高工作速率达2mbps，125频道满足多点通信和跳频通信需要，内置pcb天线体积小巧约37*17mm，高效gfsk调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制、无线音视频传输等领域。nrf24l01是一款低成本无线收发器。它内置频率合成器，功率放大器，晶体振荡器、调制器等功能模块。3系统分析本系统包括电机驱动、步进电机、无线收发等模块。系统结构图如图2所示。图2 系统结构图 供电系统包括可调的lm2596芯片、lm7805芯片、ams1117等。供电系统结构图如图3所示。图3供电系统结构图4 系统的硬件电路设计4.1 主控制器模块的设计 本设计采用了stc89c52芯片为主控制器，该芯片的应用电路于其他51单片机完全一样。介于小车各部分功能均为模块实现，所以，将单片机最小系统布局好后，其余各i/o口用排针引出。stc单片机支持串口下载功能，所以省去了调试时不住地插拔片子的麻烦，也保证了片子的完好。单片机引脚分布图及最小系统图如图4如所示。 图4单片机最小系统4.2 nrf24l01无线模块的设计 nrf24l01 是 nordic 公司最近生产的一款无线通信通信芯片，采用 fsk 调制，内部集成nordi自己的 enhanced short burst 协议。可以实现点对点或是 1 对 6 的无线通信。无线通信速度可以达到 2m（bps）。nordic 公司提供通信模块的 gerber 文件，可以直接加工生产。嵌入式工程师或是单片机爱好者只需要为单片机系统预留 5个gpio，1个中断输入引脚，就可以很容易实现无线通信的功能，非常适合用来为 mcu 系统构建无线通信功能。发射数据时，首先将nrf24l01配置为发射模式：接着把接收节点地址tx_addr和有效数据tx_pld按照时序由spi口写入nrf24l01缓存区，tx_pld必须在csn为低时连续写入，而tx_addr在发射时写入一次即可，然后ce置为高电平并保持至少10s，延迟130s后发射数据;若自动应答开启，那么nrf24l01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址tx_addr一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，tx_ds置高，同时tx_pld从tx fifo中清除;若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(arc)达到上限，max_rt置高，tx fifo中数据保留以便在次重发;max_rt或tx_ds置高时，使irq变低，产生中断，通知mcu。最后发射成功时,若ce为低则nrf24l01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且ce为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且ce为高，则进入空闲模式2。接收数据时,首先将nrf24l01配置为接收模式，接着延迟130s进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和crc时，就将数据包存储在rx fifo中，同时中断标志位rx_dr置高，irq变低，产生中断，通知mcu去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若ce变低，则nrf24l01进入空闲模式1。nrf24l01模块电路图如图5图6所示。图5 nrf24l01结构图图6 nrf24l01模块电路nrf24l01的指令列表如表1所示。 表1 nrf24l01令列表4.3 按键控制模块的设计 本设计中，采用独立按键对单片机核心芯片stc89c52rc进行输入控制。各按键分别一端接地，一端接单片机引脚。实现功能：六个键分别表示不按代表不控制车，按下代表控制。4.4 晶振电路与复位电路设计4.4.1 晶振电路晶振电路为单片机at89c51工作提供时钟信号，芯片中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚xtal1和xtal2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振荡器一起构成自激振荡器。电路中的外接石英晶体及电容c5、c6接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。由于外接电容c5、c6的容量大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，电容的容量大小范围为20pf40pf；如果使用陶瓷谐振，则电容容量大小为30 pf50 pf。本设计中使用石英晶体，电容的容值设定为30pf。4.4.2 复位电路本设计采用的是手动按钮复位。手动按钮复位需要人为在复位输入端rest上加入高电平,采用的办法是在rest端和正电源vcc之间接一个按钮。当人为按下按钮时，则vcc的+5v电平就会直接加到rest端，系统复位。由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，设计完全能够满足复位的时间要求。复位电路中sw-pb为手动复位开关，电容ch1可避免高频谐波对电路的干扰。 因为 mcs-51系列单片机采用高电平复位方式，其内部复位电路如图3-15所示，高电平复位脉冲rst引脚输入到内部施密特触发器整形后，送cpu内部复位电路。cpu在每一个机器周期的s5p2相采样施密特触发器的输出端，若为高电平，则强迫机器进入复位状态。为了保证cpu内部各个单元电路可靠复位，rst引脚复位脉冲高电平维持时间必须大于等于2个机器周期（即24个振荡周期）。内部复位电路如图7所示。 图 7 复位电路可以使用rc分立元件或微处理器监控芯片构成mcs-51单片机的外部复位电路。本设计中采用rc分立元件构成mcs-51外部复位电路，外部复位电路图电路如图8所示。图8 外部复位电路按下复位按键k20时，电容c3通过r1放电，当电容放电结束后，rst引脚电位由r1、r2分压比决定。由于r2r1,因此rst引脚为高电平，cpu进入复位状态。松开复位按键后，电容c3充电，rst引脚电位下降，使cpu脱离复位状态。r1的作用在于限制复位按钮瞬间电容c3的放电电流，避免产生火花，以保护按钮的触点。单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的rst引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使rst保持高电平。只要rst保持高电平，则单片机就循环复位。4.5 电源模块的设计电源是整个系统稳定运行的基本要求，所以，制作一个小巧的可靠的电源就必须对电力资源合理分配。由于本次设计中电源分动力供电和逻辑供电两部分，为了减小干扰，两部分电源应相互独立。其中，电机的动力供电有2596输出，7805稳压供电为单片机提供电源，而nrf24l01工作电压为3.3v所以用asm1117为其供电。4.6 l298n电机驱动模块设计双电机驱动芯片l298n，性能可以满足小车的电机控制要求，而且外围电路比较简单，稳定性较好，驱动能力够强。能够很好的保证两电机的同步。实物图及接线图如图9和图10所示。 图9 l298n电机驱动模块图10 l298n电机驱动电路图其内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个h桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准ttl逻辑电平信号，可驱动46v、2a以下的电机。4.7 uln2003其具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点。在系统中为步进电机供电。原理图如图11所示。 图11 uln2003原理图4.8 lm2596此芯片具有输出电压、电流大，输出线性好且负载可调，具有过流保护作用等特点。在系统中为步进电机供电。实物图和原理图如图12所示。图 12 lm2596lm2596的线路图如图13所示。图13 lm25964.9 lm7805lm7805是一片最经典的三端线性稳压芯片，具有较好的线性稳压效果，外围电路十分简单，所以在本次设计中选为逻辑供电稳压芯片。为了得到理想的电压，在输出端用大的滤波电容和小电容并联的方式进行整波。电路图如图14所示。图14 lm78055 系统软件设计5.1设计软件简介keil c51的v8. xx是目前世界上最好的51单片机的汇编和c语言的开发工具。它支持汇编、c语言以及混合编程，同时具备强大的软件仿真和硬件仿真功能。在此次设计中采用开发环境的正是此项。3 （1）创建项目：执行project|newvision project菜单命令，将新创建一个项目。为项目建一个单独的文件夹，然后选择子文件夹并键入项目的名称。在项目创建之前，需要为新建的项目选择一个cpu。在命名项目名称后，弹出的对话框，其中显示的是器件数据库，用户只要选择所需要的mcu就可以了。选择at89s52之后，右边一栏是对这个单片机的基本的说明，然后单击确定按钮。2、添加配置启动代码：启动文件startup.c中包含了目标启动代码，可在每个project中加入这个文件。 （2）项目设置：vision 3允许用户为目标硬件设置选项，可以通过工具条图标打开，也可以用鼠标右击项目窗口中的files标签页中的target1，在右键菜单中选择options for targe1命令： output：定义keil工具的输出文件，并定义生成处理后的执行用户程序；listing：定义keil工具输出的所有列表文件；c51：设置c51编译器的特别工具选项；a51：设置汇编器的特殊工具选项；bl51 locate：定义不同类型的存储器和存储器的不同段位置；bl51 misc：其他的与连接器相关的设置，如警告或存储器指示；debug：vision 3的debugger设置；utilities：文件及其group的特别选项。5.2软件设计应用环境简介（1）target标签：单击target标签，其中各参数设置如下：xtal(mhz)：设置单片机的工作的频率，默认值是24.0mhz。use on-chip rom(0x00x1fff)： flash rom。单片机的ea引脚接高电平，则一定需要选中这个选项。memory model：变量存储空间。（2）output标签：select folder for objects：选择编译之后的目标文件存储在哪个目录。name of executable：设置生成的目标文件的名字。create executable：生成omf以及hex文件。create hex file：要生成hex文件一定要选中该选项。create library：生成lib库文件。（3）listing标签：keil c51在编译之后除了声称目标文件之外，还生成*.lst、*.m51的文件。用户可以在listing标签中设置*.lst、*.m51文件的各种选项。（4）c51标签：用户通过c51标签来设置c51编译器的特别的工具选项。（5）a51标签：a51标签用来设置汇编器的特别工具选项，如宏处理和条件汇编等。（6）bl51 locate标签：bl51是具有代码分段功能的连接器/重定位器，它组合一个或多个目标模块成一个mcs-51的执行程序。此连接器处理外部和全局数据，并将可重定位的段分配到固定的地址上。连接器自动选择适当的运行库并连接那些用到的模块。也可以在命令行上输入相应的目标模块的名字的组合来运行本连接器。（7）bl51 misc标签：misc标签是对bl51 locate标签的补充设置。（8）debug 标签：该标签对vision 3的调试器进行设置。（9）项目编译：项目一旦设置完成，就可以开始编译。单击调试工具条上的图标，编译项目中所有的源文件并生成应用。当应用中有语法错误时，vision 3将在output window的build标签页显示这些错误和告警信息。双击一个信息将打开此信息对应的文件并定位到语法错误处。在编译项目时，会在输出窗口中出现错误信息，单击其中一条错误信息，将在源代码窗口中出现错误的地方出现一个小箭头。（10）列表文件（c语言）：如果在对话框中选中了c compiler listing选项下的各种复选框和assembler listing 选项下的各种复选框，vision 3在编译时将产生c语言和汇编语言的列表文件，该文件中包含了源代码文件中的各种指示信息，这些信息对分析源代码非常重要。5.3 总体设计该系统包括无线发送和接收、步进电机控制系统、水泵控制系统和灭火风扇和喷头的控制系统等。流程图如图15所示。图15 系统总流程图5.4 nrf24l01模块程序设计该射频模块集成了nordic公司生产的无线射频芯片nrf24l01。其发射部分流程图如图16所示。图16发射部分的流程其核心代码如下：settx_mode(); /设置为发送模式txbuf1 = 1; nrf24l01_txpacket(txbuf);/发送buffer 里的数据txbuf1 = 0x00;接收部分流程图如图17所示。图17 接收部分的流程其核心代码如下：setrx_mode(); /设置为接收模式nrf24l01_rxpacket(rxbuf); /将接收到的数据存到rxbuf中if(rxbuf1=1) in1=0; in2=1;in3=0; in4=1;rxbuf1=0; led1 = 1;6 调试结果与分析6.1 测试仪器万用表，软件protues。6.2 测试方法 先接通电源，看看系统能否正常工作，如果不能，可以在系统供电情况下，用万用表检测发射板和接收板各个模块的电压，如果出现电压为0或者无限大的情况，则为短路或者断路，一一排查之后可以确定是哪个地方的问题，检修后再次接通电源调试，使用protues软件事先调试按键逻辑与显示逻辑观察是否正常。6.3 调试过程与分析 在本次设计过程中，由于使用的是宏晶的stc89c52rc芯片，这个系列的程序下载只需通过max232下载接口就可以。使得本次设计中硬件仿真变的就比较简单，因为有了硬件仿真工具就可以随时修改程序，通过一步一步的调试来达到最后的目的，同时尤其学会了分部调试的思想，这就使得当遇到问题时不会觉得无从下手，不会觉得那么迷茫，使调试变得比较有条理。 在检查完硬件电路没有短路、断路的情况下，接通电源，并且测试各个集成片的电源电压是否符合要求，以及单片机晶振是否起振，只有晶振正常起振单片机才能工作，通过检测，上述情况均正常。在protues软件当中以单步联调的方法，测试按键逻辑与lcd1602现实逻辑 在实际电路调试过程中，由于没有深入的了解24l01的收发机制，导致第一次试验接收器，经常接受到乱码，系统不能正常工作。在查阅相关资料和优化代码后，以多次检测接受数据的方法，成功解决了该问题。参考文献1郭天祥 新概念51单片机c语言教程 北京： 电子工业出版社 20092 谭浩强.c程序设计(第二版) m .北京：清华大学出版社，2006-013 潘永雄.新编单片机原理与应用m.西安电子科技大学出版社，2007-02,1925,65664祁伟，杨婷 单片机c51程序设计教程与实验 北京：航空航天出版社 20065cnki数据库 /6无线电杂志 刊号 issn 0512-4174 北京盛通印刷股份有限公司7 英庆，王代华，张志杰.基于nrf24l01的无线数据传输系统j.现代电子技术，2008，31（7）：68-82.8 丁永红，孙运强.基于nrf2401的无线数传系统设计j.国外电子测量技术，2008，27（4）：45-47.9 时志云，盖建平，王代华，等新型高速无线射频器件nrf24l01及其应用j国外电子元器件，2007(8)：42-4410 康华光.电子技术基础数字部分m.第四版,北京:高等教育出版社,2000.附录1 源程序清单#include #include nrf.hsbit key1=p33;sbit key2=p34;sbit key3=p35;sbit key4=p36;sbit key5=p24;sbit key6=p26;sbit key7=p25;sbit key8=p27;sbit led1=p20;void left();void right();unsigned char rxbuf20=0,flag,flag1,flag2;void delay(unsigned int ms)unsigned int i,j;for(i=0; ims; i+)for(j=0; i110; i+);unsigned char txbuf20=0; void main()init_nrf24l01();p2 = 0xff;p3 = 0xff;led1 = 0;flag1 = 0;flag3 = 0;flag4 = 0;while(1)flag1 = 0;if(key1 = 0 ) /前进delay(5);if(key1 = 0) txbuf1 = 1;nrf24l01_txpacket(txbuf);/ transmit tx buffer datatxbuf1 = 0x00;led1 = 1;do if(key1=1) txbuf2 = 1;nrf24l01_txpacket(txbuf);/ transmit tx buffer datatxbuf2 = 0x00;led1 = 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