【正文】 陜西國防學院機電工程學院畢業(yè)設計論文 I 基于 AT89C51 單片機的營救機器人的設計與制作 摘 要 本論文 提出了 一種煤礦井下環(huán)境探測與搜救機器人系統(tǒng)設計方案，該機器人 集先進的機械、電子、信息、控制工程等技術于一身， 采用仿生學原理，綜合蛇形機器人、履帶式機器人和輪式機器人的優(yōu)點，采用履帶和輪胎、伸縮結構的有機結合，能適應崎嶇不平的地形環(huán)境，可以輕松爬上較高樓梯、跨越壕溝， 用于搜索幸存者、探測檢測井下環(huán)境 ， 具有體積小、成本低、可控性強等特點。 本論文重點 研究 了信息采集系統(tǒng)的設計、電機驅動模塊的設計以及單片機串口通信的設計。本論文的主要成果包括 :采用 AT89C51 單片機作為機器人小車的數(shù)據(jù)處理核心；采用溫度、濕度一體式的數(shù)字智能傳感器 DHT11 實現(xiàn)礦井內溫度、濕度的測定；采用紅外氣體傳感器 MH44OV/D 用作礦井瓦斯?jié)舛鹊臏y定；在單片機與 PC 機的通信方面，采用了內部集成了 nRF401 的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊 PTR2022，可靠地實現(xiàn)了遠距離通信；還采用了 L298作為直流電機驅動芯片，用以控制 機器人小車的前進、轉向、后退 。 關鍵詞：礦井環(huán)境探測 ； 機器人；信息采集；無線傳輸；電機驅動 陜西國防學院機電工程學院畢業(yè)設計論文 II 目 錄 第一章 引言 ............................................................... 1 選題背景與意義 ........................................................ 1 課題研究內容 .......................................................... 1 第二章 系統(tǒng)總體方案設計 ................................................... 2 單片機 AT89C51 簡介 .................................................... 2 溫濕度傳感器 DHT11 簡介 ................................................ 5 瓦斯?jié)舛葌鞲衅?MH440V/D 簡介 .......................................... 7 直流電機驅動模塊簡介 ................................................. 10 直流電動機簡介 .................................................... 10 電機驅動芯片 L298 簡介 ............................................. 10 無線傳輸模塊 PTR2022 簡介 ............................................. 11 nRF401 芯片說明 ................................................... 11 PTR2022 模塊簡介 .................................................. 13 第三章 系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn) ................................................ 15 溫濕度傳感器電路設計 ................................................. 15 瓦斯?jié)舛葌鞲衅麟娐吩O計 ............................................... 17 電機驅動電路設計 ..................................................... 22 無線傳輸模塊電路設計 ................................................. 22 第四章 系統(tǒng)軟件設計與實現(xiàn) ................................................ 26 軟件開發(fā)環(huán)境簡介 ..................................................... 26 軟件的總體設計思路 ................................................... 27 主要功能模塊軟件設計 ................................................. 28 溫濕 度傳感器模塊軟件設計 .......................................... 28 瓦斯?jié)舛葌鞲衅髂K軟件設計 ........................................ 30 電機驅動模塊軟件設計 .............................................. 30 無線傳輸模塊軟件設計 .............................................. 31 第五章 系統(tǒng)調試 ........................................................ 33 溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊調試 ............................................... 33 電機驅動模塊調試 ..................................................... 33 陜西國防學院機電工程學院畢業(yè)設計論文 III 整體調試 ............................................................. 35 第六章 總結與展望 ........................................................ 41 總結 ................................................................. 41 技術展望 ............................................................. 41 致 謝 .................................................................... 43 參 考 文 獻 .............................................................. 44 附錄 A：小車端硬件設計原理圖 ............................................. 45 附錄 B： PC 端硬件設計原理圖 ............................................... 46 附錄 C： PCB 板圖 .......................................................... 47 附錄 D： PC 端 VB 操作代碼 .................................................. 48 陜西國防學院機電工程學院畢業(yè)設計論文 1 第一章 引言 選題背景與意義 中國是一個產(chǎn)煤大國，在未來相當長的時間內，煤炭仍是主要能源結構。中國煤炭產(chǎn)量占世界 35%，但礦難死亡人數(shù)卻占世界的 80%。我國煤礦礦井災害事故頻繁發(fā)生，人員傷亡十分慘重。在災難救援中，救援人員只有非常短的時間 (約 48 小時 )用于在倒塌的廢墟中尋找幸存者，否則發(fā)現(xiàn)幸存者的幾率幾乎為零。參與救援工作的救護隊員在深入井下，會遇到二次爆炸等各種危險狀況。 我國煤礦大多數(shù)為井工開采，不安 全因素很多，瓦斯煤塵和火災等災害事故頻繁發(fā)生，災害事故危害嚴重，傷害人員多，中斷生產(chǎn)時間長，損毀井巷工程或生產(chǎn)設備。然而，煤礦事故發(fā)生的原因極為復雜，是偶然性和必然性的結合，各類災害事故存在突發(fā)性、災難性、破壞性和繼發(fā)性特點。因此，研究煤礦救災新裝備是一項緊迫任務。 目前，救災方式只是根據(jù)事故的類型確定救災的方案，一般救護人員無法進入危險區(qū)域，只能通過提升絞車、移動式風車等設備清除垃圾，向井下通風，然后再搜救遇險礦工。這種方式危險性大，傷亡人數(shù)多，救災周期長，往往效率低。救災機器人利用自身的優(yōu)點，能迅速找到 井下遇險礦工的位置，降低事故危害性，對提高救災效率具有重大意義。 救災機器人系統(tǒng)的優(yōu)勢決定了機器人能廣泛地應用到一切可能對人員生命、健康構成威脅的場所，如煤礦救災、解救人質、處理化學危險品泄漏等等。救災機器人的研究內容廣泛，包括移動機構、探測技術、多傳感器信息融合技術、導航和定位技術、自適應控制技術、仿生技術等方面。它既借鑒危險作業(yè)機器人的理論和方法，又拓寬新的研究領域，具有相當?shù)难芯亢蛻们熬啊Ｔ诋斀裆鐣?，研究有自己特色的救災機器人，無疑具有巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。 課題研究內容 本次課題的設計 主要完成以下內容： 基于傳感器的礦井環(huán)境數(shù)據(jù)采集單元設計 基于直流電機以及電機驅動芯片的電機驅動模塊設計 在單片機以及 PC 機之間實現(xiàn)無線傳輸模塊設計 陜西國防學院機電工程學院畢業(yè)設計論文 2 第二章 系統(tǒng)總體方案設計 單片機 AT89C51 簡介 51 單片機集成度高、功能強大、結構簡單、可靠性高、價格低廉 ，因此本設計采用51 單片機作為系統(tǒng)的中央處理器。 在 51 單片機眾多的系列產(chǎn)品中，我選擇了 美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51 單片機。它是一款 低電壓，高性能 CMOS8 位單片機，片內含 4k bytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器（ PEROM）和 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)，片內置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲單元，功能強大 AT89C51 單片機可提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域 。其外觀如圖 所示。 圖 AT89C51 單片機外觀 AT89C51 主要性能參數(shù)： ? 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 ? 4k 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲器 ? 1000 次擦寫周期 ? 全靜態(tài)操作： 0Hz－ 24MHz ? 三級加密程序存儲器 ? 1288 字節(jié)內部 RAM ? 32 個可編程 I／ O 口線 ? 2 個 16 位定時／計數(shù)器 ? 6 個中斷源 ? 可編程串行 UART 通道 ? 低功耗空閑和掉電模式 AT89C51 提供以下標準功能： 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲器， 128 字節(jié)內部 RAM， 32個 I／ O 口線，兩個 16 位定時／計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信陜西國防學院機電工程學院畢業(yè)設計論文 3 口，片內振蕩器及時鐘電路。同時， AT89C51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止 CPU 的工作，但允 許 RAM，定時／計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。 其引腳分布如圖 所示。 圖 AT89C51 引腳分布圖 AT89C51 引腳功能說明 ? VCC：電源電壓 ? GND：地 ? P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I／ O 口，也即地址／數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫 ―1‖可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時， 這組口線分時轉換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。 在 FIash 編程時， P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。 ? P1 口： P1 是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O 口， P1 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫 ―1‖，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ IIL）。 FIash 編程和程序校驗期間， P1 接收低 8 位地址。 ? P2 口： P2 是一個帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 I／ O 口， P2 的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫 ―1‖，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內部存在上拉