【正文】 以及單片機串口通信的設(shè)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(nèi)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(nèi)部集成了 nRF401 的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊 PTR2021，可靠地實現(xiàn)了遠距離通信；還采用了 L298作為直流電機驅(qū)動芯片，用以控制 機器人小車的前進、轉(zhuǎn)向、后退 。在災(zāi)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。因此，研究煤礦救災(zāi)新裝備是一項緊迫任務(wù)。 救災(zāi)機器人系統(tǒng)的優(yōu)勢決定了機器人能廣泛地應(yīng)用到一切可能對人員生命、健康構(gòu)成威脅的場所，如煤礦救災(zāi)、解救人質(zhì)、處理化學(xué)危險品泄漏等等。 課題研究內(nèi)容 本次課題的設(shè)計主要完成以 下內(nèi)容： 基于傳感器的礦井環(huán)境數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計 基于直流電機以及電機驅(qū)動芯片的電機驅(qū)動模塊設(shè)計 在單片機以及 PC 機之間實現(xiàn)無線傳輸模塊設(shè)計 陜西國防學(xué)院機電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 2 第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 單片機 AT89C51 簡介 51 單片機集成度高、功能強大、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、價格低廉 ，因此本設(shè)計采用51 單片機作為系統(tǒng)的中央處理器。 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(nèi)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(biāo)準功能： 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲器， 128 字節(jié)內(nèi)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(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信陜西國防學(xué)院機電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 3 口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。 其引腳分布如圖 所示。 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。 FIash 編程和程序校驗期間， P1 接收低 8 位地址。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行 MOVXRI 指令）時， P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功 能寄存器（ SFR）區(qū)中 R2 寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。對 P3 口寫入 ―1‖時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。當(dāng)振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位 。 對 Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ /PROG）。 陜西國防學(xué)院機電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 5 ? /PSEN：程序儲存允許（ /PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng) AT89C51 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次 /PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復(fù)位時內(nèi) 部會鎖存 EA 端狀態(tài)。 ? XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個 NTC 測溫元件，并與一個高性能 8 位單片機相連接。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。外形如圖 所示。5 %RH 互換性 可完全互換 量程范圍 0℃ 30 90 %RH 25℃ 20 90 %RH 50℃ 20 80 %RH 響應(yīng)時間 1/e(63%)25℃， 1m/s 空氣 6 10 15 S 遲滯 177。1 177。 MH440V/D 內(nèi)置溫度傳感器，可進行溫度補償，是將成熟的紅外吸收氣體檢測技術(shù)與微型機械加工、精良電路設(shè)計緊密結(jié)合，制作出的小巧型紅外氣體傳感器。500ppm 長期漂移 零點 177。 圖 RS380SH 型直流電機 電 壓 空 載 時 工作范圍 穩(wěn)定電壓 電 流 r/min A 3~9V 固定的 16200 表 RS380SH 型直流電機基本參數(shù) 電機驅(qū)動芯片 L298 簡介 根據(jù)本設(shè)計中的小電機而言，其控制邏輯電平為 5V，電機驅(qū)動電壓為 ，據(jù)此選擇 L298 這款 電機驅(qū)動芯片。 圖 L298 管腳定義圖 無線傳輸模塊 PTR2021 簡介 PTR2021是基于 nRF401的無線收發(fā)數(shù)據(jù)傳送 Modem模塊，該器件為超小型模塊器件，具有超低功耗、高速率（ ）無線 收發(fā)數(shù)據(jù)傳送功能，且性能優(yōu)異，使用方便，可廣泛應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品的設(shè)計領(lǐng)域。另外，由于它 采用了低發(fā)射功率、高靈敏度設(shè)計，因而可滿足無線管制的要求且無需使用許可證，是目前低功率無線數(shù)傳的理想選擇。采用 DSS+PLL 頻率合成技術(shù)，外接元件僅一個晶振和幾個阻容、電感，基本無需調(diào)試就能工作，且穩(wěn)定性良好。 nRF401 的天線接口設(shè)計為差分天線，以便于使用低成本的 PCB 天線。 nRF401 使用 20 引腳的 SSOCI 封裝，其引腳如圖所示。 FILT1：濾波器輸入端。 陜西國防學(xué)院機電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 13 RF_PWR：發(fā)射功率設(shè)置。 PWR：低功耗控制。 nRF401 為 PTR2021 的內(nèi)置芯片，其外圍電路為 PTR2021 模塊集成。 PTR2021 模塊簡介 PTR2021 模板的引腳排列如圖 所示。 DO：接收數(shù)據(jù)輸出端，該引腳將無線模塊接收的數(shù)據(jù)輸出給單片機。 PWR=1 時，芯片處于正常工作狀態(tài)； PWR=0 時，芯片處于待機狀態(tài)。表給出了該模塊的工作頻道以及工作模式控制的選擇方式。建議直接發(fā)送 ASCII 碼，如 a，這樣上位機更容易檢測到接收的數(shù)據(jù)是否正確。 供電電源會直接影響 PTR2021 通信性能，如果使用開關(guān)電源會使通信誤碼率增大。 陜西國防學(xué)院機電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 15 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn) 溫濕度傳感器電路設(shè)計 DHT11 引腳說明 Pin 名稱 注釋 1 VDD 供電 DC 2 DATA 串行數(shù)據(jù)，單總線 3 NC 空腳，懸空 4 GND 接地，電源負極 表 DHT11 引腳說明 DHT11 接口說明 建議 連接線長度短于 20 米時用 5K 上拉電阻 ,大于 20 米時根據(jù)實際情況使用合適的上拉電阻。 DHT11 的串行接口 (單線雙向 ) DATA 用于微處理器與 DHT11 之間的通訊和同步，采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時間 4ms 左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，具體格式在軟件設(shè)計部分說明，當(dāng)前 小數(shù)部分用于以后擴展，現(xiàn)讀出為零。要加速恢復(fù)進程 /可參閱 “恢復(fù)處理”。下文所述的恢復(fù)處理將加速實現(xiàn)這一過程。 溫度影響 氣體的相對濕度，在很大程度上依賴于溫度。 光線 長時間暴露在太陽光下或強烈的紫外線輻射中，會使性能 降低。從第 11s 開始到 70s 結(jié)束為傳感器預(yù)熱時間，在此期間讀出的氣體濃度值不準確，要獲得準確的濃度值需要等傳感器預(yù)熱結(jié)束。探測器可以直接通過傳感器的 UOUT 接口讀出氣體濃度值，不需要計算。 2)零點校準時發(fā)送 :0xff,0x87,0x87,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0xf2 第一個字節(jié) (0xff)為起始 字節(jié)，第二個字節(jié) (0x87)為重復(fù)命令，第三個字節(jié) (0x87)為命令 ,后五個字節(jié)為任意值 ,最后一個字節(jié) (0xf2)為校驗和。 MH440V/D 維護保養(yǎng)應(yīng)注意的事項 陜西國防學(xué)院機電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 19 傳感器應(yīng)定期標(biāo)定，建議不大于 3 個月。 禁止剪斷傳感器管腳。 . 圖 ADC0809 外觀圖 ADC0809 對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是 0－ 5V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。通道選擇表如下表所示 ： C B A 選擇的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN7 表 ADC 模擬通道選擇表 數(shù)字量輸出及控制線： 11 條 陜西國防學(xué)院機電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 20 ST 為轉(zhuǎn)換啟動信號。 OE 為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。因 ADC0809 的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為 500KHZ， VREF（＋）， VREF（－）為參考電壓輸入。 GND：地。 ALE：地址鎖存允許信號輸入端。 A、 B、 C：地址輸入線。 圖 ADC0809 的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu) 圖 ADC0809 應(yīng)用說明 （ 1）． ADC0809 內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與 AT89S51 單片機直接相連。 （ 5）． 是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù) EOC 信號來判斷。 3. 單片機的 和 端口控制前擺臂電機，改變 和 端口的邏輯狀態(tài)可以實現(xiàn)前擺臂電機的正傳、反轉(zhuǎn)和停止。其原理框圖如圖 所示，陜西國防學(xué)院機電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 23 實現(xiàn)流程如下：單片機通過無線 傳輸模塊向 PC 端發(fā)送數(shù)據(jù)，另一端的無線傳輸模塊接收數(shù)據(jù)。 PC。 數(shù) 據(jù) 采 集單 片 機P T R 2 0 0 0 P T R 2 0 0 0M A X 3 2 3 2P C 圖 無線傳輸模塊的硬件連接框圖 就 PC 而言，由于 PTR2021 模塊支持 TTL電平，而計算機串口串行輸入、輸出的信號滿足 RS232 標(biāo)準，因此需要在 PTR2021 模塊和計算機串口之間進行 RS232 和 TTL電平轉(zhuǎn)換。然而對于通信穩(wěn)定性要求較高的應(yīng)用，不建議使用分立元件，分立元件電路的穩(wěn)定性差，誤碼率較高，不能完全滿足 RS232C 的全部技術(shù)指標(biāo)。 片載電荷泵，具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力 ，能夠產(chǎn)生 +10V 和 10V 電壓 V+、 V。其引腳功能說明如下： 1. C1+、 C1（ 3 腳）：電壓加倍充電泵電容的正、負端。 5. R2IN、 R1IN（ 13 腳）： RS232 接收器輸入。 單片機接口電路設(shè)計 圖 所示為單片機與 PTR2021 接口電路。發(fā)送時，與單片機相連的 PTR2021 主要功能是將單片機傳來的數(shù)據(jù)信號調(diào)制成射頻信號，并通過內(nèi)置天線發(fā)送給 PC 端的PTR2021 模塊。 RS232 電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 PC 與 PTR2021 的接口電路比較簡單，需要注意的是 PTR2021 為 TTL 電平，因此在和計算機連接的時候需要加電平轉(zhuǎn)換電路。 PTR2021 的低功耗控制端 PWR 直接接 VCC高電平，即固定在正常的工作狀態(tài)； CS 直接接 GND 低電平， PTR2021 工作頻段選擇頻道1； TXEN 引腳通過 MAX3232 電平轉(zhuǎn)換后接 DB9 的 RTS 端，用于控制 PTR2021 發(fā)送和接收狀態(tài)。 PC 端的窗口傳輸速率也需設(shè)定為 9600bit/s，與單片機段保持一致，這由 PC 端的軟件設(shè)置。 Keil C51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強 大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面。開發(fā)人員可用 IDE本身或其它 編輯器 編輯 C 或匯編源文件。 使用獨立的 Keil 仿真器時， 應(yīng)該 注意 的 事項 ： 的晶振，但用戶可以在仿真器上的晶振插孔中換插其他頻率的晶振。具體流程如下： ； C 語言或匯編語言創(chuàng)建源程序； ； ； ，連接應(yīng)用。 數(shù)據(jù)格式 :8bit 濕度整數(shù)數(shù)據(jù) +8bit 濕度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bi 溫度整數(shù)數(shù)據(jù) +8bit 溫度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bit 校驗和 數(shù)據(jù)傳送正確時校驗和數(shù)據(jù)等于“ 8bit 濕度整數(shù)數(shù)據(jù) +8bit 濕度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bit 溫度整數(shù)數(shù)據(jù) +8bit 溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末 8 位。 通訊過 程如圖 所示 圖 DHT11 的通訊過程圖 1 總線空閑狀態(tài)為高電平，主機把總線拉低等待 DHT11 響應(yīng)，主機把總線拉低必須大于 18 毫秒，保證 DHT11 能檢測到起始信號。格式見下面圖示。傳感器經(jīng)過預(yù)熱時間后從 VOUT 端輸出表征氣體濃度的電壓值， ~ 代表氣體濃度值 0~滿量程。 PTR2021 模塊具體設(shè)置的主要內(nèi)容包括發(fā)送設(shè)置、接收設(shè)置、待機模式設(shè)置。發(fā)送結(jié)束后應(yīng)將模塊置于接收狀態(tài)，即 TXEN=0。 當(dāng) PWR=0 時， PTR2021 進入節(jié)電待機模式，此時的功耗大約為 8μ A，但在待機模式下不能接收和發(fā)射數(shù)據(jù)。 通信協(xié)議 通信協(xié)議是一種規(guī)則，簡單的說，就是為了能相互理解，必須用同一種語言說話。 簡單的無線數(shù)據(jù)協(xié)議的目的如下： 無線數(shù)傳協(xié)議應(yīng)該是有效。奇偶校驗、校