矿井救灾机器人的研制毕业论文

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陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文题目：基于单片机的营救机器人的设计与制作专业：电气自动化技术班级：自控3102作者：指导教师：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MH-44OV/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II陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文II 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文目录第一章引言11.1选题背景与意义11.2课题研究内容1第二章系统总体方案设计22.1单片机AT89C51简介22.2温湿度传感器DHT11简介52.3瓦斯浓度传感器MH-440V/D简介72.4直流电机驱动模块简介102.4.1直流电动机简介102.4.2电机驱动芯片L298简介102.5无线传输模块PTR2000简介112.5.1nRF401芯片说明112.5.2PTR2000模块简介13第三章系统硬件设计与实现153.1温湿度传感器电路设计153.2瓦斯浓度传感器电路设计173.3电机驱动电路设计223.4无线传输模块电路设计22第四章系统软件设计与实现264.1软件开发环境简介264.2软件的总体设计思路274.3主要功能模块软件设计284.3.1温湿度传感器模块软件设计284.3.2瓦斯浓度传感器模块软件设计304.3.3电机驱动模块软件设计304.3.4无线传输模块软件设计31第五章系统调试335.1温湿度数据采集模块调试335.2电机驱动模块调试335.3整体调试35第六章总结与展望41II 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文6.1总结416.2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B：PC端硬件设计原理图46附录C：PCB板图47附录D：PC端VB操作代码48II 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文第一章　引言1.1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。1.2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48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文第二章　系统总体方案设计2.1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MCS-51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2.2所示。图2.2AT89C51单片机外观AT89C51主要性能参数：Ø与MCS-51产品指令系统完全兼容Ø4k字节可重擦写Flash闪速存储器Ø1000次擦写周期Ø全静态操作：0Hz－24MHzØ三级加密程序存储器Ø128×8字节内部RAMØ32个可编程I／O口线Ø2个16位定时／计数器Ø6个中断源Ø可编程串行UART通道Ø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I／O48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文口线，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2.3所示。图2.3AT89C51引脚分布图AT89C51引脚功能说明ØVCC：电源电压ØGND：地ØP0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I／O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。ØP1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I／O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。ØP2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I／O口，P248 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文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MOVX@DPTR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MOVX@RI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。ØP3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I／O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I／O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2.1所示：端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外中断0）P3.3/INT1（外中断1）P3.4T0（定时／计数器0外部输入）P3.5T1（定时／计数器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）表2.1P3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。ØRST：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。ØALE//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l／6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。48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文Ø/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。ØEA／VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），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。ØXTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。ØXTAL2：振荡器反相放大器的输出端。2.2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2.4所示。图2.4DHT11外形图48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文DHT11的性能优点Ø相对湿度和温度测量Ø全部校准，数字输出Ø卓越的长期稳定性Ø无需额外部件Ø超长的信号传输距离Ø超低能耗Ø4引脚安装Ø完全互换DHT11的应用领域Ø暖通空调Ø测试及检测设备Ø汽车Ø数据记录器Ø消费品Ø自动控制Ø气象站Ø家电Ø湿度调节器Ø医疗Ø除湿器封装信息图2.5DHT11的封装图DHT11引脚说明Pin名称注释1VDD供电3-5.5VDC2DATA串行数据，单总线3NC空脚，悬空4GND接地，电源负极48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文表2.2DHT11引脚说明DHT11性能说明参数条件MinTypMax单位湿度分辨率111%RH8Bit重复性±1%RH精度25℃±4%RH0-50℃±5%RH互换性可完全互换量程范围0℃3090%RH25℃2090%RH50℃2080%RH响应时间1/e(63%)25℃，1m/s空气61015S迟滞±1%RH长期稳定值典型值±1%RH/yr温度分辨率111℃888Bit重复性±1℃精度±1±2℃量程范围050℃响应时间1/e(63%)630S表2.3DHT11性能说明2.3瓦斯浓度传感器MH-440V/D简介本设计采用的是NDIR红外气体传感器MH-440V/D，设计原理如图2.6所示：图2.6瓦斯浓度传感器硬件连接原理框图由于设计中采用的是MH-440V/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。48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文图2.7MH-440V/D外观图MH-440V/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2.7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。MH-440V/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。MH-440V/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MH-440V/D工作环境条件工作电压：3~5VDC温度范围：-20℃~60℃湿度范围：0~95%RHMH-440V/D主要技术参数工作电压3~5VDC48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文工作电流75~85mA接口电平3V测量范围0~5%vol（0~100%vol范围内可选）输出信号范围0.4~2VDC分辨率1%FSD预热时间90s响应时间T90<30s重复性零点<±100ppmSPAN<±500ppm长期漂移零点<±300ppm/月SPAN<±500ppm/月温度范围-20℃~60℃湿度范围0~95%RH寿命>5年防爆等级ExdmIICT4防护等级IP6尺寸20*16.6重量15g表2.4MH-440V/D主要技术参数MH-440V/D结构特征1.结构原理图图2.8MH-440V/D结构原理图2．管脚定义1．GND2．VCC3．RXD4．VOUT48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文5．TXD2.4直流电机驱动模块简介2.4.1直流电动机简介本设计中使用的直流电机型号为RS-380SH，外观如图2.9所示。电机的基本参数如表2.5所示。图2.9RS-380SH型直流电机电压空载时工作范围稳定电压电流r/minA3~9V7.2V固定的162000.50表2.5RS-380SH型直流电机基本参数2.4.2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7.2V，据此选择L298这款电机驱动芯片。外形如图2.10所示。图2.10L298驱动芯片外观L298N为SGS-THOMSONMicroelectronics所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片(DualFull-BridgeDriver)，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H-Bridge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2.11所示，Pin1和Pin1548 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文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；input1~input4输入控制电位来控制电机的正反转；Enable则控制电机停转。图2.11L298管脚定义图2.5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（19.2kbit/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。2.5.1nRF401芯片说明48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文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（433.92MHz和434.32MHz），采用高接收敏度（-105dBm）和小发射功率（5~10dBm）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DSS+PLL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2.7~5V，待机状态耗电仅为8μA，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DSS+PLL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250μA，接收待机状态仅为8μA最大发射功率达+10dBm低工作电压（2.7V），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2.12nRF401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2.7~5.2V。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。48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文RF_PWR：发射功率设置。CS：频道选择。CS=0时，芯片工作在频道1；CS=1时，芯片工作在频道2。ANT1、ANT2：天线接口。PWR：低功耗控制。PWR=1时，芯片处于工作状态；PWR=0时，芯片待机状态。TXEN：模式切换。TXEN=1时，芯片处于发送状态；TXEN=0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433.92MHz；当芯片工作在频道2时，芯片的工作频率为434.33MHz。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RS-232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。2.5.2PTR2000模块简介PTR2000模板的引脚排列如图2.13所示。各引脚的功能说明如下：图2.13PTR2000引脚分布图VCC：电源输入端，电压范围为2.7~5.2V。CS：频道选择。CS=0时，芯片工作在频道1；CS=1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。PWR=1时，芯片处于正常工作状态；PWR=0时，芯片处于待机状态。TXEN：模式切换。TXEN=1时，芯片处于发送状态；TXEN=0时，芯片处于接收状态。48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文在软件编程过程中，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2.6PTR2000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RS-232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RS-232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RS-232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。48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文第三章　系统硬件设计与实现3.1温湿度传感器电路设计DHT11引脚说明Pin名称注释1VDD供电3-5.5VDC2DATA串行数据，单总线3NC空脚，悬空4GND接地，电源负极表3.1DHT11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3.1DHT11典型应用DHT11的电源引脚DHT11的供电电压为3－5.5V。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48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文VDD=5V，T=25℃参数条件mintypmax单位供电DC355.5V供电电流测量0.52.5mA平均0.21mA待机100150μA采样周期秒1次注:采样周期间隔不得低于1秒钟。表3.2DHT11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3%RH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50-60℃和<10%RH的湿度条件下保持2小时（烘干）；随后在20-30℃和>70%RH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：48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文图3.2温湿度传感器硬件电路原理图3.2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MH-440V/D，设计原理如图3.3所示：图3.3瓦斯浓度传感器硬件连接原理框图由于设计中采用的是MH-440V/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。MH-440V/D管脚定义1．GND2．VCC3．RXD4．VOUT5．TXDMH-440V/D使用说明传感器上电开始，传器感在前10s输出0.1V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48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文将传感器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，0.4~2.0V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（DATA1+DATA2+……+DATA7））+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。3)SPAN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。MH-440V/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。48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文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3.4所示。.图3.4ADC0809外观图ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是0－5V，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IN0－IN7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3.3ADC模拟通道选择表数字量输出及控制线：11条48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文 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。OE＝1，输出转换得到的数据；OE＝0，输出数据线呈高阻状态。D7－D0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3.5所示：图3.5ADC0809的引脚分布图各脚功能如下：D7-D0：8位数字量输出引脚。IN0-IN7：8位模拟量输入引脚。VCC：+5V工作电压。GND：地。REF（+）：参考电压正端。REF（-）：参考电压负端。START：A/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48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文 由图3.6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3.6ADC0809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3.7瓦斯浓度传感器硬件电路原理图48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文3.3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3.8直流电机驱动硬件电路原理图由硬件图可知：1.单片机的P0.0和P0.1端口控制左履带电机，改变P0.0和P0.1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P0.2和P0.3端口控制右履带电机，改变P0.2和P0.3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P0.4和P0.5端口控制前摆臂电机，改变P0.4和P0.5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P0.6和P0.7端口控制后摆臂电机，改变P0.6和P0.7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P2.0和P2.1端口控制摄像头电机，改变P2.0和P2.1端口的逻辑状态可以实现摄像头电机的正传、反转和停止。3.4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3.948 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文所示，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RS-232电平转换后，模块将数据传送给计算机，进行相应处理。图3.9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。3.PC通过无线传输模块向单片机发送命令。如图3.10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。图3.10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RS-232标准，因此需要在PTR2000模块和计算机串口之间进行RS-232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RS-232C的全部技术指标。现在最常用芯片是RS-232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RS-232C技术规范。48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文低电压供电，最低在3.3V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0.3mA。内部集成两个RS-232C驱动器和两个接收器。图3.11MAX3232引脚分布图MAX3232的引脚（SO/DIP封装）如图3.11所示。其引脚功能说明如下：1.C1+、C1-（1、3脚）：电压加倍充电泵电容的正、负端。2.V+、V-（2、6脚）：充电泵产生的+5.5V、-5.5V电压。3.C2+、C2-（4、5脚）：转换充电泵电容的正、负端。4.T2OUT、T1OUT（7、14脚）：RS-232接收器输入。5.R2IN、R1IN（8、13脚）：RS-232接收器输入。6.T2IN、T1IN（9、12脚）：TTL/CMOS发送器输出。7.GND（15脚）：接地。8.VCC（16脚）：电源端，供电电压为3.0~5.5V。单片机接口电路设计图3.12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。48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文图3.12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P2.0、P2.1、P2.2控制，其状态直接决定了PTR2000的工作方式。RS-232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RS-232电平转换芯片MAX3232。图3.13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。48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文图3.13PTR2000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C1~C4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4.1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。48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文Keil软件是目前最流行开发MCS-51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11.0592MHz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。4.2软件的总体设计思路48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文首先，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MH-440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。4.3主要功能模块软件设计4.3.1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4.1所示图4.1DHT11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20-40us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。48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文图4.2DHT11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4.3所示图4.3DHT11数字0信号表示方法数字1信号表示方法如图4.4所示图4.4DHT11数字1信号表示方法温湿度传感器模块程序流程图：48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文图4.5温湿度传感器模块程序流程图4.3.2瓦斯浓度传感器模块软件设计在瓦斯浓度传感器MH-440V/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，0.4~2.0V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：图4.6瓦斯浓度传感器模块程序流程图4.3.3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：48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文图4.7电机驱动模块程序流程图4.3.4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TXEN=1。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TXEN=0。发射到接收的转换时间为5ms。2.接收设置接收时应将PTR2000置于接收状态，即TXEN=0。然后将接收到的数据直接送到单片机串口或经电平转换后送到计算机。3.待机模式设置当PWR=0时，PTR2000进入节电待机模式，此时的功耗大约为8μA，但在待机模式下不能接收和发射数据。PTR2000除了应该注意在发送、接收和待机模式下的编程外，还需要注意在无信号时，PTR2000的串口输出的是随机数据。此时，可定义一个简单的通信协议。如在发送时，在有效数据前加两个字节的固定标志，以便在接收一方的软件中检测该固定标志并将其作为正式数据的开始。通信协议48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文通信协议是一种规则，简单的说，就是为了能相互理解，必须用同一种语言说话。在简单的数据传输中，通信只朝一个方向进行，从发射端到接收端。通信可能在发射端和接收端之间受到外界环境的干扰而使数据发生错误，通常无线数据误码率较高。因此需要协议来保证接收端能正确接收到从发射端发送来的数据，并确定所接收数据是否是真实数据。简单的无线数据协议的目的如下：1.最小的杂项开销无线数传协议应该是有效。协议必须增加一些信息到主要信息中，包括识别代码、错误检验等，增加信息的数量必须是所需信息中最少的。2.有效性协议必须能可靠地将有用数据从错误数据中分离出来。通常是在数据流中嵌入检验格式来实现。奇偶校验、校验和、CRC都是检错码的常用格式。3.可靠性一个协议如果能纠正数据的错误，则认为该协议时可靠的。4.优化的无线功能一个无线协议应该以一种能充分利用发射和接收机的方式工作。通信协议的设计对保证通信质量尤为重要。通信协议中错误的校验检测方式可采用奇偶校验方式、校验和方式或更好的CRC校验方式等。本设计中采用了方式的通信协议。无线传输模块程序流程图单片机接收端程序设计流程如图4.8所示。单片机端一开始将无线数据传输模块PTR2000设置成接收状态，通过窗口中断来判别由PC通过无线信道传输过来的发送指令。根据指令的内容，单片机决定采集数据并且启动发送。发送之前需将PTR2000模块设置为发送状态，然后等待至少5ms的时间后，再进行发送。发送完毕后，重新进入等待命令状态，然后将PTR2000模块重新设置为接收状态。如果PC机接到数据后，校验错误，会向单片机端发送重新发送指令。单片机接到该指令后，会重新采集并且发送数据。图4.8单片机接收端程序设计流程48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文第五章　系统调试在完成硬件电路设计以及初步的软件设计后，为了得出直观的设计结果，调试是非常重要的过程。调试的过程不仅仅是一个检验设计结果的过程，更重要的是，在调试的过程中，一些细节上的问题会显得很突出，调试过程更为重要的意义就在于此，它促使设计者不断完善设计，不断调整、修正，不仅获得了正确的调试结果，还获得了大量设计经验，让设计者获益匪浅。在此设计的调试中，由于各方面原因，我重点调试了在串口通信模式下的温湿度数据采集以及直流电动机驱动系统。5.1温湿度数据采集模块调试温湿度数据采集使用了串口通信的方式，将温湿度传感器DHT11的信号输出脚连接至单片机，单片机获得数据后，将数据传送给PC机。在PC机上，我采用了较为熟悉的VB程序开发工具生成界面，设计的界面如图5.1所示。图5.1VB设计的温湿度数据采集界面在VB的程序界面输入程序，向单片机中下载程序，运行，经过调试，能较准确获得设计结果，运行后的情况如图5.2所示。图5.2程序运行后采集到的温度、湿度值5.2电机驱动模块调试设计中采用的直流电机是RS-380H，采用这款电机是因为考虑到机器人的自重，需要功率较大的直流电机才能驱动机器人的行走，保证它的越障能力和通过性。48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文在电机模块调试阶段，我使用了LED灯来代替了直流电机，因为逻辑上是一样的，只需要逻辑正确，直流电机的驱动就不会有问题。在VB程序中设计的电机控制界面如图5.3所示。图5.3VB设计的直流电机控制界面通过RS-232连接至PC，在VB中输入控制程序，向单片机中下载程序后，运行结果如图所示。1.直流电机正转逻辑图5.4电机正转时的控制界面图5.5电机正转时的逻辑电平显示在VB控制界面上按下“电机正转”按钮，会看到单片机开发板上的LED1灯亮，而LED2灯灭，说明了P2.7和P2.6的逻辑电平分别是1和0。这样的逻辑电平送给电机驱动模块L298，正好控制直流电机的正转。2.直流电机反转逻辑图5.6电机反转时的控制界面图5.7电机反转时的逻辑电平显示在VB控制界面上按下“电机反转”按钮，会看到单片机开发板上的LED1灯灭，而LED2灯亮，说明了P2.7和P2.6的逻辑电平分别是0和1。这样的逻辑电平送给电机驱动模块L298，正好控制直流电机的反转。3.直流电机停止逻辑48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文图5.8电机停止时的控制界面图5.9电机停止时的逻辑电平显示在VB控制界面上按下“电机停止”按钮，会看到单片机开发板上的LED1、LED2灯都灭，说明了P2.7和P2.6的逻辑电平都是0。这样的逻辑电平送给电机驱动模块L298，正好控制直流电机的停止。5.3整体调试在串口通信的技术基础上，已经能够实现在PC机上读取单片机获得的传感器测量结果以及通过PC机控制直流电机的正反转，接下来的工作就是将这两块系统做在一起，在一个界面中实现。采用单片机开发板进行设计模拟，PC机上的操作界面依然是VB。在PC机上设计的VB操作界面如图：图5.10VB程序设计的系统整体操作界面向单片机中下载进运行程序，给单片机上电，再运行VB，首先调试温湿度传感器方面，VB界面中能获得温度值以及湿度值，情况如图：图5.11VB程序中获得的温度、湿度值48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文为了验证传感器的灵敏性以及单片机与PC机之间通信的实时性，进行了进一步的拓展实验，首先向温湿度传感器喷洒水雾，PC机上的操作界面紧接着出现湿度值的变化，情况记录如下：图5.12喷洒水雾后的湿度值接着使用吹风机向温湿度传感器吹风，使其干燥并且温度上升，吹风后的操作界面如图所示：图5.13使用吹风机后的温度值、湿度值接下来应该调试的就是电机控制部分了，其中P0.0和P0.1控制小车的左履带电机；P0.2和P0.3控制小车的右履带电机；P0.4和P0.5控制小车的前摆臂电机；P0.6和P0.7控制小车的后摆臂电机。其调试过程如下：首先，点击“小车前进”按钮，操作界面如下：图5.14小车前进时的操作界面在单片机开发板上，LED灯的情况如图：图5.15小车前进时的电平显示由LED灯的亮灭可知，P0.0和P0.2为高电平，而P0.1和P0.3为低电平，这表示左履带电机和右履带电机都是正转，这样的逻辑电平正好控制小车的前进。点击“小车后退”按钮，操作界面如图：48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文图5.16小车后退时的操作界面在单片机开发板上，LED灯的情况如图：图5.17小车后退时的电平显示由LED灯的亮灭可知，P0.0和P0.2为低电平，而P0.1和P0.3为高电平，这表示左履带电机和右履带电机都是反转，这样的逻辑电平正好控制小车的后退。点击“小车左转”按钮，操作界面如图：图5.18小车左转时的操作界面在单片机开发板上，LED灯的情况如图：图5.19小车左转时的电平显示由LED灯的亮灭可知，P0.0和P0.1为低电平，P0.2为高电平，P0.3为低电平，这表示左履带电机停止，右履带电机正转，这样的逻辑电平正好控制小车的左转。点击“小车右转”按钮，操作界面如图：图5.18小车右转时的操作界面在单片机开发板上，LED灯的情况如图：48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文图5.19小车右转时的电平显示由LED灯的亮灭可知，P0.2和P0.3为低电平，P0.0为高电平，P0.1为低电平，这表示左履带电机正转，右履带电机停止，这样的逻辑电平正好控制小车的右转。点击“小车停止”按钮，操作界面如图：图5.20小车停止时的操作界面在单片机开发板上，LED灯的情况如图：图5.21小车停止时的电平显示由LED灯的亮灭可知，P0.0、P0.1、P0.2、P0.3都为低电平，这表示小车的左履带电机和右履带电机都停止，这样的逻辑电平正好控制小车的停止。点击“前臂升起”按钮，操作界面如图：图5.22小车前臂升起时的操作界面在单片机开发板上，LED灯的情况如图：图5.23小车前摆臂升起时的电平显示由LED灯的亮灭可知，P0.4为高电平，P0.5为低电平，这表示前摆臂电机正转，这样的逻辑电平正好控制小车的前摆臂升起。点击“前臂下降”按钮，操作界面如图：48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文图5.24小车前臂下降时的操作界面在单片机开发板上，LED灯的情况如图：图5.25小车前摆臂下降时的电平显示由LED灯的亮灭可知，P0.4为低电平，P0.5为高电平，这表示前摆臂电机反转，这样的逻辑电平正好控制小车的前摆臂下降。点击“前臂停止”按钮，操作界面如图：图5.26小车前摆臂停止时的操作界面在单片机开发板上，LED灯的情况如图：图5.27小车前摆臂停止时的电平显示由LED灯的亮灭可知，P0.4为低电平，P0.5也为低电平，这表示前摆臂电机停止，这样的逻辑电平正好控制小车的前摆臂停止。点击“后臂升起”按钮，操作界面如图：图5.28小车后摆臂升起时的操作界面在单片机开发板上，LED灯的情况如图：图5.27小车后摆臂升起时的电平显示由LED灯的亮灭可知，P0.6为高电平，P0.7为低电平，这表示后摆臂电机正转，这样的逻辑电平正好控制小车的后摆臂升起。48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文点击“后臂下降”按钮，操作界面如图：图5.28小车后摆臂下降时的操作界面在单片机开发板上，LED灯的情况如图：图5.29小车后摆臂下降时的电平显示由LED灯的亮灭可知，P0.6为低电平，P0.7为高电平，这表示后摆臂电机反转，这样的逻辑电平正好控制小车的后摆臂下降。48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文第六章　总结与展望6.1总结本课题完成的机器人集煤矿井下环境探测和人员搜救功能于一身，配备了瓦斯检测仪，温、湿度传感器等，进行井下环境信息的收集，并能为具有为井下遇险矿工投放小包食品、药物和通讯装置等辅助功能，能有效地减少遇险矿工的伤亡人数。遥控机器人进行工作，远程工作人员可以遥控机器人在高低不平的废墟上前进，在废墟里寻找幸存者。传感器获取的现场环境参数通过无线电传播设备与控制终端通信，控制者在PC机上可以轻松控制机器人的移动，避免了线缆很容易被现场锋利的金属片划破、刺穿，甚至割断问题，操作方便，行动灵活。精巧的运动机构设计，越障是救灾机器人完成任务的前提，该创新结构采用履带和轮胎、伸缩结构的有机结合，能适应崎岖不平的地形环境，轻松完成爬坡、上下楼梯、跨越壕沟等相当复杂的动作，通过性优越。主要完成的工作如下：1）实现了基于51单片机以及温湿度传感器DHT11的矿井温、湿度检测，单片机发送检测命令以及数据传送命令后，DHT11将温度、湿度测量值发送到单片机，实现温湿度的检测。2）实现了基于51单片机以及红外可燃气体传感器MH-440的矿井瓦斯浓度检测，MH-440以模拟信号方式将瓦斯浓度值输出，经过A/D转换后，数据被单片机识别。3）实现了基于直流电机驱动模块L298的电机驱动模块设计，通过改变单片机输出端的电平控制直流电机的启停以及转向，实现机器人小车的前进、转向以及后退、攀爬等复杂动作。4）实现了基于无线传输模块PTR2000的单片机与PC机之间的无线通信，线缆机器人在救灾距离上有很大的局限性，而本设计的机器人是一款无线遥控机器人，在救灾距离、抗干扰、可靠性以及通过性上有卓越的优势。6.2技术展望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。48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文当前，许多研究单位正致力于救灾机器人的多方面研究，以期救灾机器人的技术更加完善。但救灾机器人的研究应先易后难，边研制边推广，循序渐进，不断提高。在救灾机器人的研制中不应过分追求技术的先进性，而应把针对有限目标的实际应用放在首位。在今后的一段时间内，救灾机器人的发展主要表现为：（1）移动机构在灾难事故中，现场地理环境比较恶劣，要求救灾机器人具有多种灵活的移动机构，能适应不同的环境。移动机构从轮履式结构向仿生结构方向发展，尺寸上向微小型化方向发展。（2）导航与定位避障、越障是救灾机器人完成任务的前提，在完全未知或部分未知环境下，自然路标导航与定位技术、视觉导航中路标的识别、图像处理的快速算法以及专用数字信号处理器(DSP)的开发与研制等方面的研究，也可使救灾机器人的导航与定位取得突破性进展。（3）控制方式救灾机器人的控制方式是机器人的性能指标之一。研究操作平台的视、听感知遥控操作技术，与实时探测结合，实现遥控控制。进一步研究用于处理复杂环境的计算机视觉技术，实现自适应多功能救灾机器人。（4）组建机器人救灾队随着科技高速发展，机器人的自动化程度不断提高，将由机器人组成一支真正的救灾队伍。实现这一目标，可分为3个阶段：第一阶段，开发用于探测和嗅觉检测的搜救机器人，以寻找灾难现场的幸存者；第二阶段，开发用于挖掘的救护机器人，让幸存者脱离危险环境；第三阶段，开发用于急救的救援机器人，把幸存者搬运到安全地点进行急救。48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文致　谢本课题在选题及研究过程中得到冯老师的悉心指导。冯老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。冯老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时三载，却给以终生受益无穷之道。对冯老师的感激之情是无法用言语表达的。感谢冯向莉老师对我的教育培养。她细心指导我的学习与研究，在此，我要向老师深深地鞠上一躬。机电工程学院修院长、学生干事牛老师、殷书记、崔老师、晏老师等老师为我提供了良好的研究条件，谨向各位同仁表示诚挚的敬意和谢忱。感谢我的同学周超、王成杰、孙明、胡锐、张拓三年来对我学习、生活的关心和帮助。最后，向我的父亲、母亲致谢，感谢他们对我的理解与支持。48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文参考文献[1]徐敏，周心权，赵红泽，邢书仁.灾变期井下遇难人员搜寻定位方法初探[J].煤炭科学技术.2003.31.12.114-117.[2]戴先中.危险作业机器人——人类的好帮手[J].机器人技术与应用.2003.3.3-5.[3]郑超，赵言正，付庄.一种小型履带机器人结构设计与实现[J].机电一体化.2007.4.70-72.[4]侯宪伦，葛兆斌，李向东，孙洁，张东.井下探险救援机器人的设计[J].煤矿机械.2009.8.30.8.18-20.[5]王勇，朱华，王永胜等.煤矿救灾机器人研究现状及需要重点解决的技术问题[J].煤矿机械.2007.28(4).107-109．[6]李允旺等．摇杆式履带悬架的构型推衍及其在煤矿救灾机器人上的应用[J].机器人.2010.32.1.25-33．[7]钱善华，葛世荣，王永胜，王勇，柳昌庆.救灾机器人的研究现状与煤矿救灾的应用[J].机器人.2006.28.3.350-354.[8]陈云生，谢国勇，谌海云.无线通信技术在直流电机控制中的应用[J].仪器仪表用户.2010.4.36-37.[9]孙宝元，杨宝清.传感器及其应用手册[M].北京:机械工业出版社.2004.[10]何友.多传感器信息融合及应用[M].北京.电子工业出版社.2000.[11]尹秋艳，黄勇，熊颖霞.人体心脏运动信号的微波检测方法研究[J].电子技术.2004.1.[12]林柏泉，常建华，翟成．我国煤矿安全现状及应当采取的对策分析[J]．中国安全科学学报.2006.5.42-46．[13]梅国栋，刘璐，文虎.关于我国矿山应急救援体系的探讨[J].矿业安全与环保.2006.33.02.79-81[14]陈云生，谢国勇，谌海云.无线通信技术在直流电机控制中的应用[J].仪器仪表用户.2010.4.36-37.[15]XueshanGao,KejieLi,JunyaoGao.AMobileRobotPlatformwithDoubleAngle-ChangeableTracks[J].AdvancedRobotics.2009.23.1085–110248 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文附录A：小车端硬件设计原理图48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文附录B：PC端硬件设计原理图48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文附录C：PCB板图48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文附录D：PC端VB操作代码PrivateSubCommand10_Click()//*后臂下降按钮*//MSComm1.Output="9"Text1.Text="后臂下降"EndSubPrivateSubCommand11_Click()//*前臂停止按钮*//MSComm1.Output="7"Text1.Text="前臂停止"EndSubPrivateSubCommand12_Click()//*后臂停止按钮*//MSComm1.Output=":"Text1.Text="后臂停止"EndSubPrivateSubCommand5_Click()//*小车左转按钮*//MSComm1.Output="3"Text1.Text="小车左转"EndSubPrivateSubCommand6_Click()//*小车右转按钮*//MSComm1.Output="4"Text1.Text="小车右转"EndSubPrivateSubCommand7_Click()//*前臂升起按钮*//MSComm1.Output="5"Text1.Text="前臂升起"EndSubPrivateSubCommand8_Click()//*前臂下降按钮*//MSComm1.Output="6"Text1.Text="前臂下降"EndSubPrivateSubCommand9_Click()//*后臂升起按钮*//MSComm1.Output="8"Text1.Text="后臂升起"EndSubPrivateSubForm_Load()MSComm1.CommPort=3//*设置串口号为3*//MSComm1.Settings="9600,n,8,1"//*设置波特率等传输参数*//MSComm1.OutBufferCount=0//*发送寄存器清零*//MSComm1.InBufferCount=0//*接收寄存器清零*//48 陕西国防学院机电工程学院毕业设计论文MSComm1.PortOpen=True//*允许数据传送*//MSComm1.InputMode=comInputModeBinary//*通信数据方式为二进制*//MSComm1.InputLen=0//*触发oncomm事件*//EndSubPrivateSubCommand1_Click()//*小车前进按钮*//Text1.Text="小车前进"MSComm1.Output="0"EndSubPrivateSubCommand2_Click()//*小车后退按钮*//Text1.Text="小车后退"MSComm1.Output="1"EndSubPrivateSubCommand3_Click()//*小车停止按钮*//MSComm1.Output="2"Text1.Text="小车停止"EndSubPrivateSubCommand4_Click()MSComm1.Output=";"EndEndSubPrivateSubMSComm1_OnComm()a=MSComm1.Inputb=Left(a,1)c=Right(a,1)d=Asc(b)e=Asc(c)Text2.Text=eText3.Text=dEndSub48