红外灭火机器人的设计--毕业论文.docVIP

齐齐哈尔大学毕业设计（论文） 齐 齐 哈 尔 大 学毕业设计（论文）题 目 红外灭火机器人的设计学 院 通信与电子工程学院 专业班级 电子XXX班 学生姓名 XXXX 指导教师 XXXX 成 绩 2016年 6 月 20 日摘 要本论文是一篇关于红外消防机器人设计的论文。设计是用单片机做为系统的控制器，外加六路红外接收二极管用于火源的探测，左右两路红外光电开关用来检测前方的障碍物，直流电机驱动车轮正反转使小车完成寻火和避障功能，字符液晶会在灭火器行驶中显示出工作的状态。 本设计火源的检测使用了六路红外接收二极管，分别是正前方一路近红外和相隔45度安置在小车前方的五路远红外。对比与其他的烟雾或者温度传感器，由于是采用蜡烛作为模拟火源，烟雾和温度的效果很不明显，所以依靠光线检测火源的效果更加明显，此外，红外接收二极管价格低，安装调试极为简单。本设计避障采用的是红外光电开关，它的优势在于：受其它光线的干扰影响小、检测距离较远、成本低、安装调试简单。本设计数电模电的理论知识为基础，以单片机应用技术为核心，依靠各种红外传感器作为指令的发起者，同时液晶显示提高人机交互，使得设计不仅实用，而且更具有人性化的特点。设计成果表明，此设计符合毕业设计的基本要求，完成了从寻火到灭火的基本功能。设计检测火源能力强、灭火效率高、安装调试简单、成本低。具有很好的市场应用前景。关键词：红外传感器；单片机；直流电机；液晶显示1Abstract窗体底端 This paper is a model of fire-fighting robot based on infrared design. System with STC89C52RC MCU as control core, innovation homemade six-way flame sensor used for flame detection, infrared sensor is used to avoid obstacles, L298 drive motor drive wheel rotation, before and after the LCD1602 is used to display working state and the number of fire fighting. The flame detection system adopts the homemade six-way flame sensor, by the five road far infrared receiving diode plus all the way in the near infrared receiving diode, relative to the other flame detector, with high flame detection accuracy, low cost, simple structure, reliable performance and other advantages. Obstacle avoidance the E18-D50NK type photoelectric sensor, the sensor detecting distance, small interference by visible light, low price, easy to install, easy to use. The design is based on digital integrated circuit, microcontroller technology as the core, based on sensor signal detection to implement SCM processing all kinds of instructions. System to join the LCD, makes the system have to view human features such as the working state of the fire. Design results show that this design is low cost, high accuracy, fast extinguishing, easy installation and debugging and so on characteristics, very suitable for large fire danger coefficient area, has a good application prospect.Key words: infrared photoelectric switch;MCU ; photosensitive transistor; LCD目 录摘要IAbstractII第1章 绪论1 1.1 课题背景1 1.2 课题的研究现状1 1.3 课题的研究意义2 1.4 课题目标2第2章 系统总体设计方案3 2.1 灭火机器人的基本原理3 2.2 灭火机器人的整体方案设计3 2.3 灭火机器人模型的数据采集4 2.3.1 避障模块4 2.3.2 寻火模块5第3章 系统硬件电路设计7 3.1 驱动电路7 3.1.1 车轮驱动7 3.1.2 灭火驱动电路8 3.2 火焰检测电路9 3.3 避障模块11 3.4 液晶显示模块12 3.5 直流电源设计14 3.6 单片机系统15 3.6.1 单片机选型15 3.6.2 单片机晶振电路和复位电路18第4章 软件程序设计19 4.1 主程序设计19 4.2 寻火模块程序设计20 4.3 避障模块程序设计21 4.4 显示模块程序设计22第5章 系统调试23 5.1 硬件调试23 5.2 软件调试23 5.3 避障的实现24 5.4 寻火的实现24 5.5 遇到的问题25 5.6 实验现象与结果分析26结论27参考文献28附录130附录231致谢41第1章 绪 论1.1 课题背景火灾作为自然界三大灾害之一，现实生活中无处不在。由于经济的高速增长，电的应用可以说是遍布生活的每个角落，而用电带来的安全隐患无疑是增加了火灾的发生频率。而火灾一旦发生，给社会和个人的生命财产安全都会造成巨大的危害，与此同时，消防员也将面对艰巨的救火救援任务。在高温、浓烟的火灾现场，若是不配备相应的安全设施进入火场，将难以完成将难以完成救援任务，还有可能对救援人员的生命安全带来极大的危害，此方面，公安和消防部门已经历了多次血的教训。而对于广大救援官兵来说，这又是一项势在必行的任务，即使充满了艰难和危险。因此，虽然我们不能避免火灾的发生，但是我们可以为广大消官兵防配备一些智能化的产品来保障消防员的人身安全，同时也能提高救援效率。经思考研究，若是在火灾现场配备一些智能化的灭火机器人来代替消防员进入火场，机器人可以降低高温、浓烟复杂情况的影响，而消防人员只需对灭火机器人进行操作，不仅不会威胁到生命安全，还大大减少人员的出动。因此，为消防官兵配备一款智能的灭火机器人的任务将变得极为迫切1。1.2 课题的研究现状国外消防机器人：呈现出百花齐放之势，而且在往更加人形化、智能化的方向发展更。目前，已经有很多国家研制出消防机器人并投入使用。其中，日本是消防机器人投入使用最多的国家；美国则主要研发多功能的人形机器人，主要用于军事方面，例如：海军舰队。欧洲的消防机器人以非仿人形机器人为主，应用在森林火源的侦察，并且在防爆式机器人技术上的研究位于世界前列。国内消防机器人：以履带式智能消防车为主，实用性和发展空间巨大。1995年,我国研制出了第一台消防机器人，之后由上海消防研究所、上海消防局着手开始主要研发，并且上海交通大学给予技术支持。经公安部及消防研究所等单位的研究，灭火机器人取得巨大研究成果，其中“自行式消防炮”被投入市场，“履带式灭火侦查机器人”于2000年通过国家验收。但是，我国的灭火机器人的研究还处在初级阶段，还有许多有待研究的问题。机器人技术方面：目前机器人研究的重点是开发新结构功能的机器人，已经研发的机器人类型有很多种，主要分为垂直关节型和平面关节型。研究目标提高机器人的柔性、功能和目的性。如今，机器人的结构逐渐模块化、可重构，控制方式已实现数字化控制，尤其是用各种传感器作为机器人的触发技术已取得重大突破。目前机器人的研究重点是开放式、标准化、模块化、实用性，拥有更加简单的编程语言控制，以及利用上位机的无线传输控制。如今的研究成果已基本实现全数字交流的伺服驱动控制。目前正在研究利用上位机，探索一种更加高效的控制驱动的算法，以此来提高系统的响应速度和控制精度2，同时也要研究利用现场总线的技术，实现分布化控制。1.3 课题的研究意义智能避障灭火机器人不仅能实现在恶劣环境下高效率灭火功能，同时也保障了消防人员的人身安全。在此系统中，采用传感器作为人的感官，芯片控制作为人的大脑，直流电机和灭火风扇作为人的肢体，同步模拟了人的灭火流程，减少了人员支出，降低了危险性，提高了工作效率。灭火机器人是机器人的一种，它可以通过预设程序来实现想要的功能。与比较高端的机器人相比制作成本较低、功能性强、安装调试简单。本次毕业设计是在前人研究的基础上进行技术的创新与研究，通过调研阶段资料的查找和相关知识的学习，达到对消防机器人相关知识的深入了解。经调查研究，消防机器人在实际现场的应用，对火灾当中的消防工作有极大的促进作用，同时，对整个社会发展而言也具有极大地研究和学术价值。1.4 课题目标根据毕业设计的基本要求，智能灭火机器人可以在正常情况下，依靠控制器的自动处理完成所有系统的要求的功能。通过红外接收二极管检测到火源的位置，控制器控制电机驱动小车行驶到蜡烛前方并吹灭蜡烛。本次设计的具体要求如下：（1）利用直流电机的正反转动控制车轮前后，左右行驶；（2）直流电机速度可调，车轮运行速度达到最理想效果；（3）单片机供电电压稳定，电机转速稳定；（4）小车能自动灵活的躲避障碍物；（5）能在火源存在的情况下，快速到达到火源位置；（6）单片机控制小车智能灭火；（7）液晶显示小车实时的运行状态；（8）自主完成系统的模块化编程；41第2章 系统总体设计方案2.1 灭火机器人的基本原理 小车灭火基本原理如图2-1所示。单片机通过采集寻火模块和避障模块传递过来的信号，然后控制电机驱动小车避障寻找火源，找到火源后，单片机控制小车停下，启动风扇灭火，液晶显示显示器会实时显示小车的工作状态及灭掉火源的个数，这就是整个设计的工作流程。电机驱动模块 火焰检测模块 单 片 机显示模块 避障模块灭火模块图2-1 系统原理方框图 2.2 灭火机器人的整体方案设计 灭火机器人的组成模块：（1）数据采集模块，由寻火和避障模块组成，它们是控制器发出控制指令的主要依据，这一部分是本设计功能性的体现，也是设计的核心所在。（2）控制单元，采用单片机来处理数据采集模块传递过来的信号，并对信号进行数据处理，之后发出控制指令作用于执行模块。（3）液晶显示单元，液晶显示所显示的部分，可以通过视觉传递给大脑，让人对整个灭火的工作状态进行了解。（4）执行单元，执行单元主要由直流电机驱动模块和灭火模块组成，驱动模块主要实现小车的行驶，而灭火模块是整个系统的最终目的。图2-2中，火源位置、障碍物位置经过传感器信号接收之后，传感器并将数据信号传递至单片机，单片机根据采集到的数据发出所对应的控制指令，控制小车避障寻找火源或风扇进行灭火工作，显示单元可显示当小车的工作状态。 信息处理单元 单 片 机 执行模块 人机交换单元数据采集摸块图2-2 灭火机器人系统框图2.3 灭火机器人模型的数据采集 避障及火焰检测是整个控制器发出控制指令的感官，是设计功能性的体现，也是设计的核心，所以设计一款成本低、检测精度高、控制简单、调试方便的数据采集模块是非常重要的。2.3.1 避障模块 方案1：超声波避障。避障原理如图2-3所示，接通电源，当超声波传感器发出的声波经障碍物阻挡反射回来，再次被传感器接收。然后传感器将信号经由运放放大后送入控制器，控制器会根据接收到的信息作出相应的处理，这就是超声波传感器的工作原理。由于超声波传感器检测效果好、安装也较为方便，因此被广泛用于智能车避障。但是，超声波传感器只能接收40KHz的方波信号来工作，而且对工作频率的要求很高，采用普通的电路来做方波发生器很难实现。采用高级电路作为方波发生器未免又有些浪费资源。因此我们需要考虑其它的设计方案3。 超声波传感器 障 碍 物发射波 单 片 机回 波 图2-3 超声波避障原理图 方案2: 采用红外传感器避障。红外传感器避障原理如图2-4所示，发射管所发出的红外光线，被障碍物阻挡会发生反射，接收管会接收到反射回来的光线，然后根据接收到的光线作出判断，利用障碍物对光线的反射，从而接通电路来检测障碍物是否存在。由于一切可以反射光线的物体均会被检测，所以红外传感器检测面广。此外，红外传感器检测距离远，操作简单，当有障碍物反射光线，给控制器输入低电平，当无光线被反射，给控制器输入高电平。由于本设计只需要能检测到障碍物，并且实际的操作环境也是比较平坦的地面。考虑到实用性，简单性和灵活性，最终选择了第二种方案。红外光电对管电路电位比较器比较电压 单片机 图2-4 红外避障原理图2.3.2 寻火模块 方案1：采用热敏和光敏电阻测量。其工作原理如图2-5所示，利用光敏电阻随亮度而变化，或热敏电阻阻值随温度变化的特性，外加线性电阻构成分压电路，当外界温度或亮度发生变化，光敏热敏电阻会随之变化，从而导致系统电压变化，电压变化经运放处理，再由A/D转换器转换为数字信号传给控制器。但在白天，阳光的干扰会影响光敏电阻的判断，而且如果采用蜡烛模拟火源，室内环境温度的变化并不会很大，所以这两种方式均不适合用来寻火。 AD转换电路 单 片 机 热敏电阻 光敏电阻图2-5 热敏光敏电阻工作原理图 方案2：采用紫外线传感器检测。经查找资料表明，紫外线对可见光的响应范围在200300nm，且对其它频率内的光线不产生响应，因此可以根据这一特性检测火源。但由于紫外线传感器的价格非常昂贵，考虑到设计的成本，此方案也不适用。方案3：如图2-6所示是采用红外接收二极管检测原理图，红外接收二极管对红外光线波长的检测频率在700 1000nm，可以检测前方60范围内的红外光，检测距离最大可达10m.其工作原理是，当外界红外光线传入二极管，探头将光线的明亮度转变成电压变化，从而控制接入单片机IO口高低电平的变化。有光进入，向控制器传入低电平；无光进入，向控制器传入高电平。由于红外接收二极管检测距离远，且可通过调节电位器调节检测距离，体积小，安装调试简单，价格便宜。所以综合考虑最终选择此方案作为火源检测方案。考虑到每个接收二极管的检测角度只有60，想要快速准确地找到火源，实际安装时在车体的前方安装了六个接收二极管，五个远红外和一个近红外。远红外相隔45安装，近红外安装在车体的正前方。近红外主要作为灭火模块的触发器，只要一路近红外检测到火源，控制器就会启动灭火模块灭火。经实际测试，此方案实际可行，工作稳定。 单 片 机 电位器比较电压红外接收二极管与电阻分压电路图2-6 火焰传感器原理图第3章 系统硬件电路设计3.1 驱动电路 电机是整个设计的动力来源，但要根据实际完成对火源的快速寻找和完美避开障碍物，本系统采用直流减速电机。直流减速电机速度可调，编程控制较为容易，其内部由高速转动电机提供动力，带动车轮正反转。此设计选用的直流电机的减速比为1：74，电机转速为100r/min。车轮的半径为3cm，所以行驶速度v可以达到： (3-1)由于本次设计采用蜡烛模拟火源，所以为了设计的简单和直观性，采用5V直流电机带动风扇进行灭火，经试验研究，5V电机带动风扇可以再两秒内完成灭火。3.1.1 车轮驱动 车轮驱动主要由L298驱动模块完成，其实物如图3-1所示。主要由L298电机驱动芯片、7805芯片等组成。图3-1 L298驱动模块L298电机驱动芯片是SGS公司产品，是二相和四相电机的专用驱动器，可驱动46V、2A以下的直流电机4。电机驱动模块的四个输出分别接两个直流电机的控制端，四个输入引脚接单片机的IO口，具体的接线原理图如图3-2所示，单片机可通过编程控制四个输入引脚的高低电平来控制电机的正反转，ENA、ENB可接单片机IO口，用来对电机的转速进行调节，L298驱动电机转动状态如表3-1所示。图3-2 电机驱动原理图对于电机的调速，本设计采用PWM调速方法，其原理是电机两端电压与控制波形的占空比成正比，而电机转速与两端电压成正比，所以电机的转速与控制波形的占空比成正比，也就是说，控制波形的占空比越大，电机转动速度越快。在实际连接上，将ENA、ENB接入单片机IO口，用来对电机的转速进行调节。同时，单片机可编程控制电机驱动模块输入引脚的高低电平来控制电机正的反转，两个车轮同时控制就可以控制小车的行驶方向8。表3-1 电机转动状态表输入（左）输入（右）左电机右电机运行方向IN1IN2IN3IN41010正转正转前行1001正转反转左转1011正转停止右电机不动，小车右转0110反转正转右转1110停止正转左电机不动，小车左转0101反转反转后退另外本设计在直流电机电枢的两端并联一个0.1uF瓷片电容，以稳定电机，不会对单片机造成干扰，实际的应用效果良好，省掉通过光耦隔离实现电机驱动信号与单片机输出信号隔离的环节，节约了设计成本。3.1.2 灭火驱动电路灭火模块如图3-3所示，灭火模块同样采用直流减速电机提供动力，同时外接一个B772三极管，三极管的基极接单片机IO口，当单片机给此IO口提供低电平时，三极管导通，灭火电机驱动风扇灭火。图3-3 灭火电机驱动电路3.2 火焰检测电路火焰检测模块用来确定火源的位置，它是整个设计的功能体现。红外接收二极管对红外光线波长的检测范围在700nm 1000nm，可以检测前方60范围内的红外光，检测距离最大可达10m.其工作原理是，当外界红外光线传入二极管，探头将光线的强弱转化为电压的变化，再经由电位比较器转化为高低电平的变化。有光进入，向控制器传入低电平；无光进入，向控制器传入高电平。红外接收二极管结构如图3-4所示： 图3-4 红外接收二极管红外接收二极管在现实生活当中的应用极为广泛，各种家用电器当中的遥控接收器，如空调器、音响、彩色电视机、DVD视盘机、VCD视盘机以及录像机等。红外接收二极管能接收红外发光二极管发射波长为940nm的红外信号，对于其它波长的光线不能接收。从而保证了接收信号的准确性12。 火焰检测电路结构如图3-5所示。 图3-5 火焰测量电路原理图红外接收二级管属于光敏二极管的一种。在实际应用当中，由于红外接收二极管在电路当中是反向工作的，所以需要给二极管加反向工作电压。这也是它能够获得较高的灵敏度的原因。如表3-2所示，是在正常日光灯的环境下，根据不同距离，测试到的火焰传感器的实时电压。表3-2 火焰传感器实测结果无火源时，对着日光灯0.35V-0.12V10cm4.98V20cm4.88V30cm4.72V40cm3.77V50cm2.89V60cm2.34V70cm1.92V80cm1.45V90cm1.15V100cm0.96V经分析，当有火源信号传入时，红外接收二极管导通，电压比较器给单片机传入低电平；当红外接收二极管没有接收到信号时，传感器的阳极上拉电阻为高电平，电压比较器给单片机传入高电平。经测试发现，此电路稳定有效，并且容易操控。3.3 避障模块 如图3-6所示，本设计避障采用的是红外光电传感器。此传感器利用了光的红外反射原理，用来检测障碍物。此传感器具有体积小，安装方便，编程控制简单等优点。它检测到的信号可直接传递给控制器，不需要进行模数转换。当检测到障碍物时信号线输出低电平，指示灯点亮，正常状态时输出高电平，信号灯熄灭。为了能对检测的距离进行调节，在信号的输出端外接了一个1K的上拉电阻，通过调节电位器，来调节检测的距离。图3-6 E18-D50NK红外传感器以下是红外传感器E18-D50NK的技术参数: （1）输出电流 DC直流 供电情况：100mA/5V供电； （2）反应时间 2ms；消耗电流 25mA；（3）检测物体：透明或不透明体； （4）指向角：15,有效距离:3-50cm；原理分析如图3-7所示，当E18-D50NK红外光电开关发射出的红外线被物体阻断或部分反射时，红外光电开关内部红外接收管会接收到障碍物反的光线，在此过程中，传感器内部会产生一个电压由高到低的变化，内部电压比较器会根据这个电压的变化输出数字信号给单片机处理。当发射的光线被反射回来时，E18-D50NK信号脚输出低电平16。避障模块实际接线如图3-8所示。图3-7 避障原理图 图3-8 避障模块接口电路在避障模块的设计中，在车体底盘的前端装有二个分开一定角度的红外传感器，用来避开障碍物。两个传感器的安装角度微微向两边倾斜一点，防止有障碍物时检测不到而导致撞车。具体的安装实物图如图3-9所示。图3-9 避障传感器安装实物图3.4 液晶显示模块液晶显示模块是灭火机器人与用户交互的关键，用户通过液晶显示来观察小车行进状态和灭火次数。为了设计的人性化和美观化，选择液晶LCD1602，工业字符型液晶，能够同时显示32个字符，足够本设计使用。同时它体积小、微功耗、价格低廉，常用在小型仪表的系统显示中。1602液晶是一种专门用来显示小型字符的液晶，如字母、数字、符号等，它不能显示复杂的汉字5。每个液晶由若干个点阵字符位组成，每个点阵字符位均可以显示一个字符，一共可以显示16X2个字符，每行16个，可以显示两行。同时由于每个字符之间都有一定距离，行与行之间也有一定的距离，所以，它不能很好地显示图行。目前市面上大多流通的字符液晶均是基于同一种控制芯片，因此，所依据的原理也大致相同，也就是说，市面上大多数的字符液晶都是通用的，而且编程方式基本相同6。液晶LCD1602如图3-10所示。 图3-10 1602液晶连接实物图LCD1602液晶基本参数如下：（1）3.3V或5V工作电压，对比度可调；（2）包含复位电路；（3）可提供各种控制命令,如：显示、闪烁、移位等；（4）含有80个字节数据显示存储器DDRAM；（5）192个点阵字符发生器CGROM；（6）8个可由用户自定义的5X7字符发生器CGRAM。1602液晶引脚功能表如表3-3所示。表3-3 引脚接口说明表引脚简称说明引脚简称说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极如图3-11所示，为液晶1602的接线图，采用电位器来调节液晶的辉度可以使显示的字符更加清晰。单片机的IO口分别接液晶的D0D7总线，及RS、RW、EN的读写使能端。图3-11 液晶接口原理图3.5 直流电源设计直流电源的设计主要采用7805芯片，7805芯片所搭建电路具有简单、实用的优点，78系列由三端稳压IC组成的稳压电源所需外围元件极少，电路的内部有过压、高温及相应的安全保障电路，使用起来更加安全有保障，并且价格也很低。并且能够完全满足单片机控制系统控制的避障小车和L298N驱动芯片所需的逻辑供电供电需求。7805芯片共有3个引脚，分别是输入端IN、输出端OUT和GND端，通常情况下，可提供1.5A的直流电，但在散热充足的情况下，可提供大于1.5A的直流电。7805芯片输入电压可为9V或12V或15V不等，但输出电压稳定在5V，误差正负不超过0.2V。基于上述情况再结合电机的实际工作电压，本设计选取了9V的直流电源作为7805的供电电源，构建的直流电源部分电路如图3-12所示。 图3-12 直流电源输出电路3.6 单片机系统单片机也叫单片微型计算机或者单片微电脑，它是将中央处理器（CPU）、只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、输入输出端口（I/0）等功能部件集成在了一块芯片上的微型计算机7。3.6.1 单片机选型现在的单片机类型是多种多样的，位数从8位、16位到32位不等，世界上的各大主流的芯片制造公司均推出了自己的单片机。大部分都与主流C51系列芯片兼容，但也有不兼容的，它们各具特色，也各有优势，为单片机的实际应用环境扩大了范围7。本设计采用的是宏晶公司的通用系列单片机：STC89C52，其引脚图如图3-13所示。STC89C52系列单片机是一种包含4K字节的闪烁可编程，程序可擦除、内含存储器，具有高性能CMOS的8位微处理器9。该单片机的控制指令与工业标准化MCS-51的指令集和输出管脚兼容10。由于包含多种功能多功能和强大的数据存储器，STC89C52在微型控制领域做出了极大的贡献。它为多种控制系统提供了一种灵活高效、价格低廉的选择方案。STC89C52单片机技术参数：（1）与MCS-51相兼容；（2）内部RAM128*8位；（3）5个中断源；（4）8K字节的可编程闪烁存储器； （5）三级程序锁定存储器；（6）两个16位定时计数器；（7）32个可编程I/O口；（8）全静态工作频率：0Hz-40Hz；（9）低功耗闲置和掉电模式；（10）使用寿命：1000次循环擦写；（11）数据可保留时间：10年；（12）可编程串行通道；（13）片内时钟电路和振荡器。图3-13 STC89C52引脚图引脚说明：（1）VCC：接电源正；（2）GND：接地；（3）P0口：单片机P0口是一个8位双向I/O，它由锁存器、缓冲器、场效应管及相应的与非门组成。当P0口作为地址或数据总线使用时，在读取数据之前，自动向锁存器输入高电平。在编程过程中，P0口是程序的输入口，在进行FIASH校验时，P0口输出原程序，此时P0口的外部电阻被拉高11。（4）P1口：P1口是一个8位双向I/O口，并且内部提供上拉电阻。P1口的缓冲器能接收输出的4TTL门电流12。当在单片机的P1口写入1时，内部上拉电阻会提供高电平，用作系统的输入信号；当P1口被外部下拉至低电平，由于内部提供上拉电阻，系统会直接输出电流。 （5）P2口：P2口也是一个8位双向I/O口，内部提供上拉电阻。当P2口被写高电平时，其引脚被内部上拉至高电平，作为输入。作为输入时，由于内部上拉的缘故，P2口引脚会被拉至低电平，同样输出电流。当P2口用于外部程序存储器时，P2口输出地址高八位。当P2口对外部程序存储器进行读写操作时，它会利用内部的上拉电阻，输出存储在殊功能寄存器里的内容。（6）P3口：P3口同样是一个8位双向I/O口，内部提供上拉电阻。当给P3口写入1时，内部上拉电阻会将IO拉至高电平，用作系统的输入。当用作系统输入时，外部会下拉至低电平，P3口同样输出电流。同时P3口也是单片机唯一的特殊功能口，其所包含的第二功能如下表3-4所示。表3-4 P3口的第二功能引 脚第二功能信 号 名 称P3.0RXD串行数据接收P3.1TXD串行数据发送P3.2INT0外部中断0请求P3.3INT1外部中断1请求P3.4T0定时器/计数器0计数输入P3.5T1定时器/计数器1计数输入P3.6WR外部RAM写选通P3.7RD外部RAM读选通（7）RST：复位输入。它是单片机重新执行一次完整程序的输入。但若要是单片机完成复位操作，则需要保持本引脚两个机器周期以上的时间方可完成复位功能13。（8）ALE/PROG：当控制器访问外部存储器时，地址锁存器允许输出电平来锁存地址的字节14。在程序执行过程中，ALE引脚会为程序的执行提供正弦脉，此脉冲的周期和频率都是不变的，大约为振荡器频率的1/6，所以它可用于定时功能。在用于数据存储时，单片机会自动跳过一个ALE脉冲。如果想要禁止ALE输出，可以将SFR8EH的地址置0。此时， ALE只有在执行MOVX指令、MOVC指令是ALE的情况下，才起作用。此外，该引脚会被略微拉高。（9）PSEN：作为外部程序存储器的选通信号。（10）EA/VPP：当EA保持低电平时，在此期间外部程序存储范围从0000H到 FFFFH，不论内部程序存储器存不存在15。（11）XTAL1：内部时钟工作电路输入及反向振荡放大器输入。（12）XTAL2：反向振荡放大器的输出。3.6.2 单片机晶振电路和复位电路（1）晶振电路晶振是一种能把机械能和电能相互转化的晶体，在共振状态下工作，能给单片机提供工作所需的时钟信号，本设计采用12 MHZ的晶振。如图3-14所示为晶振时钟电路。（2）复位电路本设计采用硬件手动复位，STC89C52RC复位为高电平有效，有效复位至少需保证RST端100 ms的高电平，其中电容的作用就是使RST端保持一段时间的高电平，以达到有效的复位，且电容越大，保持的时间也就越长。单片机的复位需要保证至少两个机器周期以上的高电平，因此在开始上电的时候给电容充电，如图3-15所示，当单片的复位引脚RST上出现大于2个机器周期的高电平时，单片机就会复位，即在单片机运行过程中单片机会自动复位。 图3-14 晶振电路 图3-15 复位电路第4章 软件程序设计一个系统设计要完成预设功能，完整的硬件保障是基础。其次，还需要给硬件搭载实现相应功能的程序，尤其在当今社会，软件编程语言快速发展，各种控制器的软件编程可以有多种语言编程完成。许多功能本需要复杂的硬件才能完成，如今只需要一个控制器，再加上简单的软件编程就可以实现。这样大大减少了设计的成本，应用和调试也变得简单许多。因此，本次设计充分利用了控制器内部的硬件和软件资源，采用相应控制器编程语言，软硬结合，将设计的集成度和功能性提到最高。硬件程序编程语言主要有三种：机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言是处理器唯一能自行处理的语言，用汇编或者高级语言所编写的程序，最终都必须经过软件处理成机器语言，然后烧入控制器，从而实现相应的功能。硬件编程语言中的高级语言主要是C语言，C语言主要是针对控制器计算处理过程的语言，它处理过程非常简单，容易理解，而且适应于不同的软件环境和计算机。用C语言进行编程时，不需要刻意理解或者记忆机器的指令系统，只需要完成相应功能性的编程，控制器就能快速对应指令集并作出相应的处理。往往一句简单的C程序就可以包含很多条计算机控制指令。选用高级编程语言完成相应的程序设计，思路清晰，便于学习和交流。综上，本设计选用C语言来编写51单片机的控制程序。程序的处理采用Keil编程软件，电路原理图采用Protues，经验证，本套方案方便可行。灭火机器人的设计在软件编程部分主要分为主程序、寻火模块程序、避障模块程序、液晶显示模块程序、控制模块程序等。4.1 主程序设计主程序是整个编程思路的核心，它是整个系统设计功能的逻辑实现。因此，本次软件部分的编程思路是先根据逻辑功能的执行确定主程序，然后完善主程序当中应用到的子程序，最终进行程序的整合，进行调试。此种编程方式思路清晰、便于理解和调试。主程序的软件流程图如图4-1所示，小车在完成初始化后，首先判断近红外二极管是否检测到火源，若检测到，灭火风扇开启灭火；若没有检测到，小车执行寻找火源，行进过程中避障程序开启，直到找到火源完成灭火为止。 开 始 小车初始化是否有 火源否 前进 无障碍物 寻找火源有灭 火 避障程序结 束图4-1 主程序执行流程图4.2 寻火模块程序设计寻火模块程序流程如图4-2所示，当六路红外二极管没有检测到火源信号时，小车会直行；若有任何一路检测到火源信号，程序会根据接收二极管的位置来控制车轮转向。当小车左边的两个传感器任何一路接收到信号，车轮左转；当小车右边两个传感器任何一路接收到信号时，小车右转；但会根据不同条件，转动不同角度。当中间一路的远红外检测到信号时，小车直行；当中间一路近红外检测到信号时，主程序将调用灭火程序驱动风扇灭火。 开 始 红外接收二极管信号存在火源N 右左火源位置Y前远 距离左转右转前进 近灭 火 结 束图4-2 寻火模块程序流程图4.3 避障模块程序设计避障模块程序流程如图4-3所示，避障传感器导通，首先判断近红外是否检测到火源，若检测到，调用灭火程序灭火；若没有检测到，其它远红外是否检测到，也没有的话小车直行，直行过程中完成避障；若其它远红外检测到火源，会先寻火，在寻火过程中完成避障。避障的处理过程如下：（1）当左右两个红外避障传感器都检测到障碍物信号时，小车停止，然后后退之后右转90；（2）当右边传感器接收到障碍物信号时，就停下小车，然后左转45；（3）当左边传感器接收到障碍物信号时，小车停下再右转45。开 始 传感器接收信号有无障碍物N 寻 火YY近二极管是否响应灭 火N结 束左右障碍位置都有左转45后退右转90右转45图4-3 避障模块流程图4.4 显示模块程序设计1602液晶显示器D0D7接入单片机的P0口，EN接入单片机P2.5口，RW接入单片机P2.6口，RS接入单片机口P2.7口。液晶程序开始时，先对液晶显示进行初始化设置，设置背光时间、显示格式、背光等级等。简单延时过后，先设置第一行显示的位置，再设置第一行显示的字符，完成之后进行第二行内容和格式的显示。第5章 系统调试5.1 硬件调试硬件电路调试主要是针对寻火模块、避障模块以及直流电机驱动模块的调试。一方面调试能否正常工作，另一方面调试寻火和避障模块的检测距离，直流电机的速度调节。为了避免硬件的损耗，将调试主要分为以下两步：上电前调试：由于短路会对硬件造成致命的损耗，而断路会导致某部分不会有电流通过。因此，上电之前进行相应的短路或断路检测是非常有必要的。而检测所用到的仪器是万用表，通过欧姆档的通断来检测。上