滅火機器人的設計實現(xiàn)畢業(yè)論文

1、<p>　　本科生畢業(yè)論文(設計)</p><p>　　題目（中文）： 滅火機器人的設計實現(xiàn)（硬件）</p><p>　?。ㄓ⑽模?Design and Implementation of </p><p>　　Fire Fighting Robot ( Hardware ) </p><p>　　學生姓名：　　　

2、 　　　　 </p><p>　　學　　號：　　　 　　　 </p><p>　　系　　別：　 物理與信息工程系　　</p><p>　　?！　I(yè)：　 電子信息科學與技術　</p><p>　　指導教師：　　 　　</p><p>　　起止日期： 2011.10

3、.18—2012.5.18 </p><p>　　2012年 5 月 18日</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p><b>　　關鍵詞I</b></p><p>　　Abstrac

4、tI</p><p>　　Key wordsI</p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　1.1 機器人產生的背景1</p><p>　　1.2 滅火機器人3</p><p>　　1.3 本文的主要內容4</p><p>　　2 系統(tǒng)

5、設計及方案比較5</p><p>　　2.2 硬件實現(xiàn)方案5</p><p>　　2.2.1 MCU的選擇5</p><p>　　2.2.2 電機選擇7</p><p>　　2.3 傳感器的選擇8</p><p>　　2.3.1 火焰?zhèn)鞲衅鞯倪x擇8</p><p>　　2.3.2 尋

6、跡傳感器的選擇9</p><p>　　2.3.3 硬件總體設計方案11</p><p>　　2.4 軟件總體設計方案11</p><p>　　2.4.1 軟件設計思路11</p><p>　　2.4.2 軟件開發(fā)平臺介紹12</p><p>　　3 硬件單元電路設計12</p><p&g

7、t;　　3.1 電源電路13</p><p>　　3.2 微控制器模塊的設計13</p><p>　　3.2.1 STC89C52單片機介紹13</p><p>　　3.2.2 STC89C52單片機最小系統(tǒng)電路15</p><p>　　3.3 電機驅動電路的設計16</p><p>　　3.4 尋線電路的設

8、計18</p><p>　　3.4.1 運放LM32419</p><p>　　3.4.2 紅外對管ST18820</p><p>　　3.5 滅火驅動電路設計22</p><p>　　3.6 聲音報警電路的設計23</p><p>　　3.7 火焰溫度傳感電路23</p><p>

9、　　3.7.1 工作原理24</p><p>　　3.7.2 DS18B20的主要特性26</p><p><b>　　4 軟件實現(xiàn)27</b></p><p><b>　　5 調試28</b></p><p><b>　　6 結論31</b></p>

10、<p><b>　　參考文獻32</b></p><p><b>　　致 謝34</b></p><p>　　附錄A 主要程序35</p><p>　　滅火機器人的設計實現(xiàn)（硬件）</p><p><b>　　摘 要</b></p><p&

11、gt;　　本設計主要就是針對滅火機器人的制作與研究，機器人以STC89C52單片機為控制核心，加以電源電路、電機驅動、光電傳感電路、溫度傳感電路、滅火風扇以及其他電路構成。專用電機驅動芯片驅動電機控制機器人的前進后退以及轉向，紅外對管完成尋跡，DS18B20溫度傳感器實現(xiàn)風扇對準火源，滅火風扇進行滅火。本設計制作的滅火機器人具有簡易滅火功能，達到實現(xiàn)現(xiàn)場滅火的目的。</p><p><b>　　關鍵詞&

12、lt;/b></p><p>　　機器人；滅火；電機驅動；傳感器;硬件</p><p>　　Design and Implementation of Fire Fighting Robot（Hardware）</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This design is m

13、ainly for the production and research fire robot, robot with STC89C52 SCM as control core and power circuit, motor drive, flame detection circuit, fan and other circuits. Special motor drive chip motor control of the rob

14、ot, forward and backward and turned on the photoelectric complete tracing, Infra-red sensor detection flame, fire extinguishing fan. The design of the fire extinguishing function, simple robot to achieve the goal.</p&

15、gt;<p><b>　　Key words</b></p><p>　　robot；extinguishing；motor driver；sensor；hardware</p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　1.1 機器人產生的背景</p><p>　　

16、機器人技術的發(fā)展，它應該說是一個科學技術發(fā)展共同的一個綜合性的結果，同時也是為社會經濟發(fā)展產生了一個重大影響的一門科學技術，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國加強了經濟的投入，就加強了本國的經濟的發(fā)展。</p><p>　　那么什么是機器人呢？人們一般的理解來看，機器人是具有一些類似人的功能的機械電子裝置，或者叫自動化裝置，它仍然是個機器，它有三個特點，一個是有類人的功能，比如說作業(yè)功能，感知功能，行走功能；

17、還能完成各種動作，它還有一個特點是根據(jù)人的編程能自動的工作，這里一個顯著的特點，就是它可以編程，改變它的工作、動作的對象，和工作的一些要求，它是人造的機器或機械電子裝置。但從完整的更為深遠的機器人定義來看，應該更強調機器人智能，所以人們又提出來機器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學習、情感和對外界一種邏輯判斷思維的這種機器。這給機器人提出了更高層次的要求，展望21世紀，機器人將是一個與20世紀計算機的普及一樣，會深入地應用到各個領域，在2

18、1世紀的前20年是機器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個重要時期，也是智能機器人發(fā)展的一個關鍵時期。</p><p>　　那么總結一下，我們認為，機器人有三個發(fā)展階段，那么也就是說，我們習慣于把機器人分成三類，一種是第一代機器人，那么也叫示教再現(xiàn)型機器人，它是通過一個計算機，來控制一個多自由度的一個機械，通過示教存儲程序和信息，工作時把信息讀取出來，然后發(fā)出指令，這樣的話機器人可以重復的根據(jù)人當時示教的結果，再現(xiàn)出

19、這種動作，比方說汽車的點焊機器人，它只要把這個點焊的過程示教完以后，它總是重復這樣一種工作，它對于外界的環(huán)境沒有感知，這個力操作力的太小，這個工件存在不存在，焊的好與壞，它并不知道，那么實際上這種第一代機器人，也就存在缺陷，因此，在20世紀70年代后期，人們開始研究第二代機器人，叫帶感覺的機器人，這種帶感覺的機器人具有類似人在某種功能的感覺，比如說力覺、觸覺、滑覺、視覺、聽覺和人進行相類比，有了各種各樣的感覺，比方說在機器人抓一個物體的

20、時候，它實際上力的大小能感覺出來，它能夠通過視覺，能夠去感受和識別它的形狀、大小、顏色。抓一個雞蛋，它能通過一個觸覺，知道它的力的大小和滑動的情況[1]。</p><p>　　那么第三代機器人，也是我們機器人學中一個理想的所追求的最高級的階段，叫智能機器人，那么只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運動，感知思維和人機通訊的這種功能和機能，那么這個目前的發(fā)展還是相對的只是在局部有這種智能的概念和含義，但

21、真正完整意義的智能機器人實際上并沒有存在，而只是隨著我們不斷的科學技術的發(fā)展，智能的概念越來越豐富，它內涵越來越寬。</p><p>　　那么從三代機器人發(fā)展過程中，從另一個方面，我們對機器人從應用的角度進行了分類，比如說工業(yè)機器人，它包括點焊、弧焊、噴漆、搬運、碼垛，在工業(yè)現(xiàn)場中工作的這種機器人，我們統(tǒng)稱為工業(yè)機器人，那么從不同的應用中，到水下去作業(yè)的叫水下機器人，到空間作業(yè)的叫空間機器人，同時又存在農業(yè)、林業(yè)

22、、牧業(yè)，還包括娛樂機器人，建筑和居室上用的機器人。</p><p><b>　　1.2 滅火機器人</b></p><p>　　近幾十年中，大量的高層、地下建筑與大型的石化企業(yè)不斷涌現(xiàn)。由于這些建筑的特殊性，發(fā)生火災時，不能快速高效的滅火。為了解決這一問題，盡快救助火災中的受害者，最大限度的保證消防人員的安全，滅火機器人研究被提到了議事日程。而機器人技術的發(fā)展也為這一

23、要求的實現(xiàn)提供了技術上的保證，使得滅火機器人應運而生。</p><p>　　從二十世紀八十年代開始，世界許多國家都進行了滅火機器人的研究。美國和蘇聯(lián)最早進行滅火機器人的研究，而后日本、英國、法國等國家都紛紛開展了滅火機器人的研究，目前已有多種不同類型的滅火機器人用于各種火災場合。 </p><p>　　我國從八十年代末期開始滅火機器人的研究，公安部上海消防研究所等單位在滅火機器人的研究中取

24、得了大量的成果，“自行式消防炮”已經投入市場，“履帶輪式滅火偵察機器人”也于2000年6月通過了國家驗收。但是，我國滅火機器人的研究還處在初級階段，還有許多有待研究的問題。比如，高層建筑發(fā)生火災時，消防人員不可能在短時間內到達高處的火災發(fā)生地點，在地下建筑中，由于環(huán)境比較潮濕，煙氣不易擴散，消防人員不容易快速的判定火源位置；而在石化企業(yè)發(fā)生火災時，將產生大量的毒氣，消防人員在滅火時極易中毒。研制能夠用于這些場合的偵察滅火機器人，協(xié)助消防

25、人員進行火災的定位和滅火，將有極大的社會意義。 </p><p>　　基于人工智能的不斷發(fā)展，各項高新技術的不斷成熟，在可預見的將來，滅火機器人在功能上會更具多樣特點，在較多危險區(qū)域可以完全代替消防員，避免消防員生命傷亡。同時也應該看到，我國在研究消防機器人方面較國外同行已落后太多，存在技術差異和代溝，消防機器人的不斷研制、生產和裝備過程，應堅持自主研制為主，引進為輔，提高我國消防部隊消防裝備現(xiàn)代化的水平,并及時

26、裝備消防部隊，提高消防部隊打贏大仗、惡仗、硬仗和特殊戰(zhàn)役的能力，提高消防部隊在處置大型復雜火災和應急救援的作戰(zhàn)效能, 提高消防部隊的自我防護能力,減少消防指戰(zhàn)員的人身傷亡，更好地保衛(wèi)我國經濟發(fā)展。</p><p>　　1.3 本文的主要內容</p><p>　　本論文設計了以STC89C52單片機作為主控制器，DS18B20作為本系統(tǒng)的火焰?zhèn)鞲衅鳎肧T188型光對管進行尋跡，L298N作

27、為直流電機的驅動芯片。所做工作和確定成果如下：</p><p>　　1、以單片機STC89C52為核心擬定了系統(tǒng)的組成方案，完成了系統(tǒng)的電路硬件總體設計，包括供電模塊、單片機最小系統(tǒng)、紅外對管尋跡模塊、電機驅動模塊、溫度傳感模塊以及滅火系統(tǒng)和各個模塊間的接口。</p><p>　　2、完成主要功能模塊的程序設計，分別完成對各個功能模塊的程序進行調試工作。</p><p&

28、gt;　　2 系統(tǒng)設計及方案比較</p><p>　　根據(jù)課題設計的要求和課題目標，我制定了系統(tǒng)的設計方案，并通過比較論證，選擇合適的器件。采用STC89C52單片機作為主控制器，用ST188型光對管進行尋跡，DS18B20作為火焰的溫度傳感器，L298N作為直流電機的驅動芯片的設計方案。</p><p>　　根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)主要由控制器模塊、電源模塊、直流電機及其驅動模塊、溫度傳感

29、器模塊、尋跡模塊、滅火系統(tǒng)及其驅動模塊構成，本系統(tǒng)的方框圖如圖2.1。</p><p>　　圖2.1 系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　2.2 硬件實現(xiàn)方案</p><p>　　2.2.1 MCU的選擇</p><p>　　近年來，單片機的應用技術發(fā)展迅速，為智能裝置的開發(fā)設計帶來了很大的便利。但在開發(fā)設計中選擇合適的的MCU帶來了很大的困難

30、。</p><p>　　方案1：采用可編程邏輯器件CPLD作為控制器。CPLD可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、I/O資源豐富、易于進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)處理速度的要求也不是很高。且從使用及經濟的角度考慮我放棄了此方案。</p><p>　　方案2：采用凌

31、陽公司的16位單片機，它是16位控制器，具有體積小、驅動能力高、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結構簡單、中斷處理能力強等特點。處理速度高，尤其使用于語音處理和識別等領域。但是當凌陽單片應用語音處理和辨識時，由于其占用的CPU自源較多而使得凌陽單片機同時處理其他任務的速度和能力降低。</p><p>　　本系統(tǒng)主要進行尋跡和火焰?zhèn)鞲衅鳈z測以及電機控制，兼有聲音報警。如果單純的使用凌陽單片機，在語音播報的同時機

32、器人的控制容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。從系統(tǒng)的穩(wěn)定和編程的間接性考慮，我放棄單純使用凌陽單片機而考慮其他方案。</p><p>　　方案3：采用Atmel公司的AT89S52單片機作為主控制器。AT89S52是一個低功耗，高性能的51內核的CMOS 8位單片機，片內含8K空間的可反復擦寫1000次的Flash只讀存儲器，具有256bytes的隨機存儲數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個I/O口，2個16位可編程定時計數(shù)器。且該

33、系列的51單片機可以不用燒寫器而直接用串口或并口就可以像單片機中下載程序但是考慮到本系統(tǒng)要進行火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測以及電機驅動控制、聲音報警，但使用AT89S52可能在數(shù)據(jù)處理方面有一些不足。因此我不選擇此方案。</p><p>　　方案4：采用Atmel公司的STC89C52單片機作為主控制器。STC89C52單片機是宏晶科技推出的新一代告訴/低功耗超強抗干擾能力的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機，12

34、時鐘機器周期和6時鐘機器周期可以任意選擇。片內含8K空間可反復擦寫10000次的Flash只讀存儲器（RAM），32個I/O口，2個16位可編程定時計數(shù)器。</p><p>　　從方便使用和經濟角度的考慮，我選擇了方案4[2]。</p><p>　　2.2.2 電機選擇</p><p>　　本系統(tǒng)為智能機器人，對于機器人來說，其驅動電機的選擇就顯得十分重要。下面我分

35、析了幾種常見的電機。</p><p>　　步進電機由于其轉過的角度可以精確地定位，可以實現(xiàn)機器人前進的路程和位置的精確定位。雖然采用步進電機有諸多優(yōu)點，步進電機的輸出力矩較低，隨轉速的升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，但其轉速較低，不適用于機器人等有一定速度要求的系統(tǒng)。</p><p>　　直流減速電機轉動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內部由高速電動機提供原始動力，

36、帶動變速（減速）齒輪組，可以產生大扭力。</p><p>　　舵機，顧名思義是控制舵面的電動機。舵機的出現(xiàn)最早是作為遙控模型控制舵面、油門等機構的動力來源，但是由于舵機具有很多優(yōu)秀的特性，在制作機器人時常能看到它的應用。舵機是一種位置可伺服的驅動器。驅動范圍一般不能超過180度，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的驅動當中。比方說機器人的關節(jié)、飛機的舵面等。</p><p>　　直流電機

37、能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求，控制方便，因此我選擇了直流電機作為機器人行進驅動電機[3]。</p><p>　　2.3 傳感器的選擇</p><p>　　2.3.1 火焰?zhèn)鞲衅鞯倪x擇</p><p>　　火焰檢測有紫外傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器、紅外傳感器以及CCD圖像傳感器和DS18B20溫度傳感器。我綜合論證了這幾種傳感器，制定了如下幾種方案。</p>

38、;<p>　　方案1：用煙霧傳感器。煙霧傳感器廣泛應用與火警檢測。但是由于此題目的火源是用蠟燭模擬的，沒有太大的煙霧，因此用煙霧傳感器作為此小型機器人的火焰?zhèn)鞲衅饕膊粔驅嵱?，因此我放棄了此方案?lt;/p><p>　　方案2：用紫外傳感器檢測火焰。紫外火焰?zhèn)鞲衅髦饕獞糜诨馂南老到y(tǒng)，尤其是一些易燃易爆場所，用來監(jiān)測火焰的產生。紫外線火焰?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度高，反應速度快，抗干擾能力強，對明火特別敏感，能對

39、火災立即做出反應。但是紫外傳感器檢測的范圍太大，不適用于本系統(tǒng)。</p><p>　　方案3：用光敏電阻作為傳感器。所謂光敏，就是對光反應敏感。光敏電阻在光照條件下電阻值隨外界光照強弱（明暗）變化而變化的組件，光越強阻值越小，光越弱阻值越大。CDS光敏電阻，靈敏度高，反應速度快，光譜特性及γ值一致性好等特點外，在高溫、多濕的惡劣環(huán)境下，仍能保持其高度的穩(wěn)定性和可靠性，廣泛應用于光探測和光自控領域中。但自然光對光敏

40、電阻影響較大，因此我沒有采用此方案。</p><p>　　方案4：用CCD圖像傳感器。用CCD圖像傳感器可以檢測各種被檢測量，適用于各種量的檢測。但是用CCD圖像傳感器需要處理的信號量太大，且體積較大，不適合用于本系統(tǒng)。</p><p>　　方案5：用DS18B20做溫度傳感器，DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號

41、多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。主要根據(jù)應用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機房測溫，農業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數(shù)字測溫和控制領域[4]。</p><p>　　從經濟和方便的角度考慮，我選擇了方案5。</p><p>　　

42、2.3.2 尋跡傳感器的選擇</p><p>　　方案1：用紅外發(fā)射管和接收管自己制作紅外對管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收能接收到反射回的光線，則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。這樣自己制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求，但是工作不夠穩(wěn)定，且容易受外界光線的影響，因此我放棄了這個方案。</p>&

43、lt;p>　　方案2：用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經過比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。</p><p>　　方案3：用ST188型紅外對管。ST188

44、為反射取樣式紅外線對管作為核心傳感器件。它采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，以非接觸檢測方式，檢測距離可調整范圍大，4-13mm可用。ST188的硬件示意圖和工作特性曲線如圖2.3。當發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來時，三極管導通輸出低電平。此光電對管調理電路簡單，工作性能穩(wěn)定[5]。因此我選擇了方案3。</p><p>　　(a)ST188示意圖 （b）S

45、T188特性表</p><p>　　圖2.3 ST188的示意圖和特性曲線</p><p>　　2.3.3 硬件總體設計方案</p><p>　　經過反復比較論證，我最終確定了如下方案：</p><p>　　1、手工制作模擬機器人。</p><p>　　2、采用STC89C52單片機作為主控制器。</p>

46、<p>　　3、用ST188型光對管進行尋跡。</p><p>　　4、DS18B20作為本系統(tǒng)的火焰?zhèn)鞲衅鳌?lt;/p><p>　　5、L298作為直流電機的驅動芯片。</p><p>　　6、使用蜂鳴器進行滅火報警。</p><p>　　2.4 軟件總體設計方案</p><p>　　2.4.1 軟件設計思

47、路</p><p>　　DS18B20把測得的溫度傳遞給單片機，單片機經過處理之后，比較得出溫度最高的地方，然后調整機器人的方向，將安置在上面的風扇對準火源，然后驅動風扇滅火。</p><p>　　2.4.2 軟件開發(fā)平臺介紹</p><p>　　MCS-51是支持C語言編程的編譯器，它主要有兩種：Franklin C51編譯器和Keil C51編譯器，我們簡稱C5

48、1。C51是專為MCS-51開發(fā)的一種高性能的C編譯器。由C51產生的目標代碼的運行速度極高，所需存儲空間極小，完全可以和匯編語言媲美。</p><p>　　Keil軟件公司提供的專用8051嵌入式應用開發(fā)工具套件，可以編譯C源文件、匯編源文件、連接定位目標模塊和庫、生成并調試目標程序，為實際的每一種8051及其派生系列產品生成嵌入式應用系統(tǒng)。Keil C51交叉編譯器兼容ANSI（美國國家標準協(xié)會）C編譯器，專

49、用于為8051微控制器系列生成快速緊湊的目標代碼。使用Keil 8051開發(fā)工具套件，以工程的形式組織各種文件，工程開發(fā)周期與任何其他軟件開發(fā)工程的周期大致相同。</p><p>　　µVision2 IDE是Keil公司提供的用于開發(fā)MCS-51系列芯片的匯編語言與C程序的集成開發(fā)環(huán)境，是標準的Windows應用程序，同其他Windows應用程序一樣，µVision2 IDE環(huán)境包括菜單、工

50、具條、編輯及顯示多種窗口。µVision2 IDE支持使用的Keil C51工具，包括C編譯器、宏匯編器、連接定位器、目標代碼到HEX的轉換器。</p><p>　　3 硬件單元電路設計</p><p>　　這里主要講述了以STC89C52為主要控制器，設計相關的硬件電路。主要硬件電路有：尋跡與控制電路、電機驅動模塊、溫度傳感電路、滅火風扇驅動電路以及聲音報警電路。</p&

51、gt;<p><b>　　3.1 電源電路</b></p><p>　　STC89C52需要5V的正電源供電，而電機需要用到7V的電源，這里我是用兩塊手機電池，容量都在1000mA/h以上，之所以要這么大的容量是為了保證機器人有足夠的電量走完全程并完成滅火[6]。電源電路如圖3.1。</p><p><b>　　圖3.1 電源電路</b&

52、gt;</p><p>　　3.2 微控制器模塊的設計</p><p>　　3.2.1 STC89C52單片機介紹</p><p>　　STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決

53、方案。具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內置4KB EEPROM，MAX810復位電路，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止

54、，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率35MHZ，6T/12T可選。其硬件圖如圖3.2。</p><p>　　圖3.2 STC89C52引腳圖</p><p><b>　　具體引腳介紹如下：</b></p><p>　?、僦麟娫匆_(2根)</p><p>　　VCC(Pin40)：電源輸入，接+5V電源</

55、p><p>　　GND(Pin20):接地線</p><p>　　②外接晶振引腳(2根)</p><p>　　XTAL1(Pin19):片內震蕩電路的輸入端</p><p>　　XTAL2(Pin18):片內震蕩電路的輸出端</p><p><b>　?、劭刂埔_(4根)</b></p>

56、<p>　　RST/VPP(Pin9):復位電路，引腳上出現(xiàn)2個機器周期的高電平將使單片機復位</p><p>　　ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號</p><p>　　PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號</p><p>　　EA/VPP(Pin31):程序存儲器的內外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內部

57、程序存儲器讀指令。</p><p>　　④可編程輸入/輸出引腳(32根)</p><p>　　STC89C52單片機油4組8位的可編程I/O口，分別是P0、P1、P2、P3口，每個口有8位(8根引腳)，共32根。</p><p>　　P0口(Pin32-Pin39):8位雙向I/O口線，名稱為P0.0-P0.7</p><p>　　P1口(P

58、in1-Pin8)：8位準雙向I/O口線，名稱為P1.0-P1.7</p><p>　　P2口(Pin21-Pin28)：8位準雙向I/O口線，名稱為P2.0-P2.7</p><p>　　P3口(Pin10-Pin17)：8位準雙向I/O口線，名稱為P3.0-P3.7</p><p>　　3.2.2 STC89C52單片機最小系統(tǒng)電路</p><

59、;p>　　STC89C52單片機最小系統(tǒng)電路如圖3.3。主要包括復位電路、晶振電路、以及各種濾波電容。</p><p>　　圖3.3 單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　3.3 電機驅動電路的設計</p><p>　　L298N有Mutiatt和PowerSO20兩種不同封裝，在本設計中我采用的是第一種封裝，其管腳部分圖如圖3.4。</p>&l

60、t;p>　　圖3.4 L298N引腳示意圖</p><p>　　用L298N芯片作為電機驅動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良，穩(wěn)定好。L298N是SGS公司的產品，是一個具有高電壓大電流的全橋驅動芯片，內部包含二個H橋的高電壓大電流橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46伏、2安培以下的電機，工作溫度范圍從－25度到130度。它相應頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端

61、。其內部的H橋原理圖如</p><p>　　圖3.4所示。ENA是控制使能端，控制OUT l和OUT2之間電機的停轉， IN1、IN2腳接入控制電平，控制OUT l和OUT2之間電機的轉向。當使能端ENA有效，IN1為低電平IN2為高電平時，三極管2，3導通，1，4截止，電機反轉；IN1為高電平IN2為低電平時，三極管2,3截止，1,4導通，電機正轉；當IN1和IN2電平相同時，電機停轉[7]。</p>

62、;<p>　　圖3.4 L298N內部H橋原理圖</p><p>　　如表3-1是L298使能引腳、輸入引腳和輸出引腳之間的邏輯關系。</p><p>　　表3-1 L298N各引腳邏輯關系</p><p>　　在實際應用中，我所用到的L298N控制電機電路圖如圖3.5。</p><p>　　圖3.5 L298控制電機電路圖&l

63、t;/p><p>　　用L298N可以同時驅動兩個直流電機的。引腳6，9可用于PWM控制。如果機器人項目只要求直行前進，則可將5，10和7，12兩對引腳分別接高電平和低電平，僅用單片機的兩個端口給出PWM信號控制6，11即可實現(xiàn)直行、轉彎、加減速等動作。ENA,IN1,IN2的輸入信號與電機的轉動情況在表3-1中已經列出，ENB，IN3,IN4的輸入信號與電機的轉動情況和ENA,IN1,IN2的輸入信號一致，通過單片

64、機輸入信號就可以實現(xiàn)對電機正反轉、前進以及停止的控制。另外在直流電機的兩端并聯(lián)一個瓷片電容104，以穩(wěn)定電機的電壓不致對單片機造成干擾，實際使用的效果也不錯，省掉了通過光耦隔離TPL521實現(xiàn)單片機輸出信號與電機驅動信號隔離的環(huán)節(jié)，節(jié)約了成本。D1～D8為二級管IN4007，它能保護電路中的其他器件因突然斷線的反向電流過大而被燒壞，即起到續(xù)流保護的作用[8]。</p><p>　　3.4 尋線電路的設計</

65、p><p>　　3.4.1 運放LM324</p><p>　　在實際設計中我并沒有使用ADC而是直接用LM324四運放集成芯片，加以紅外對管ST188，對采集到的信號進行放大直接傳輸給單片機處理。LM324四運放放大器是內含4個特性近似相同的高增益、內補償放大器的單電源（也可以是雙電源）運算放大器。芯片可以在+5V或雙電源±15V下工作，功耗低。每個運放靜態(tài)功耗約0.8mA，但驅動

66、電流可達40mA。LM324采用14腳雙列直插塑料封裝[9]。</p><p>　　LM324特性參數(shù)如下所述。雙電源工作電壓：±5～±15V。</p><p>　　單電源工作范圍：3～30V DC。電壓增益：l00dB。單位增益帶寬：1MHz。</p><p>　　輸入失調電壓：2mV(最大值7mV)。輸入偏置電壓：2.0～5.0mV。

67、輸入偏置電流：50～150nA。輸入失調電流：5～50nA。放大器間隔離度：-120dB （f0為1～20kHz）。共模抑制比：典型值為80dB。</p><p>　　LM324引腳圖如圖3.6。</p><p>　　圖3.6 LM324引腳圖</p><p>　　3.4.2 紅外對管ST188</p><p>　　紅外對管的在本設計

68、中的實際應用電路如圖3.8所示。之所以在這里選擇了10K這么大的電阻是為了提高輸出信號的靈敏度，在這里，由于紅外對管反饋回來的信號很小，這個電阻主要是起一個上拉的作用，能將這個反饋回來的微弱信號轉化一個稍強的信號送至LM324的輸入端口與基準電壓進行比較，從而得出正確的邏輯電平[10]。</p><p>　　圖3.8 紅外對管典型應用電路</p><p>　　ST188的內部電路圖如圖3.

69、9。</p><p>　　圖3.9 ST188內部電路圖</p><p>　　當沒有物體反射紅外線時，ce之間截止，無電流流過，輸出電壓為電源電壓，高電平。當有物體反射紅外線時，be飽和導通ce也就導通了，輸出端就相當于接地。輸出電壓為低電平。將這些高低電平信號輸入至單片機的I/O口就可以實現(xiàn)對小車前進方向的控制。在理論上我們是把5V的電壓判別為高電平1,0V判別為低電平0，但是在實際應用

70、中，不能做到這么精確，為了在實際應用中，做到正確的區(qū)分高低電平，在這里，特別做如下區(qū)分：0-1.5V判為0；2-3V為判決門限；3.5-5V判為1；1.5-2V和3-3.5V為保險區(qū)，這也被稱為“電路中的和諧設計”。當出現(xiàn)錯誤的時候，我們可以加入奇偶糾錯電路，當電壓超出保險區(qū)域，也可以采用糾錯電路。</p><p>　　機器人位置示意圖如圖3.10。尋線的原理如下：若機器人在運動時，機器人中軸線位于地面引導線上，

71、位置狀態(tài)010，使機器人前進；若機器人中軸線位于地面引導線的左側，位置狀態(tài)100，使機器人右轉；若機器人中軸線位于地面引導線的右側，位置狀態(tài)001，使機器人左轉[11]。</p><p>　　圖3.10 機器人位置示意圖</p><p>　　從上面的分析可得：在尋線時，選用3只反射式紅外傳感器就可以實現(xiàn)機器人沿給定線路行走。3只對管擺成一條直線，中間的始終對準黑線，兩遍的對準旁邊的白線，當

72、出現(xiàn)偏差時，反饋到單片機I/O口的電平將出現(xiàn)跳變，然后通過軟件進行調整機器人到正確的行進位置。</p><p>　　3.5 滅火驅動電路設計</p><p>　　本設計中的火源，我是用蠟燭代替的，另外，采用電機驅動一個小風扇進行滅火。電機為直流電機，這是因為這樣的電機轉速較快，從而能驅動風扇較快轉動，在較短的時間內把模擬火源熄滅。具體電路如圖3.11。</p><p&g

73、t;　　圖3.11 滅火驅動電路</p><p>　　當檢測到的溫度為預定設定的溫度時，通過軟件控制，給給定的單片機I/O高電平，從而驅動風扇轉動，達到滅火的目的[12]。</p><p>　　3.6 聲音報警電路的設計</p><p>　　設計一個報警電路，是在小車檢測到火源開始滅火的時候，便啟動報警系統(tǒng)，蜂鳴器持續(xù)發(fā)出蜂鳴聲，直至滅火結束。具體的電路如圖3.12

74、。</p><p>　　圖3.12報警驅動電路</p><p>　　控制FM電平高低的單片機I/O口是P2.3，未開始滅火的時候，F(xiàn)M始終保持低電平，三極管截止，蜂鳴器不工作；開始滅火的時候，給FM接上高電平，三極管9013導通，從而驅動蜂鳴器發(fā)聲，蜂鳴器開始工作，滅火結束后，立即將I/O口P2.3置為低電平，蜂鳴器停止報警[13]。</p><p>　　3.7 火

75、焰溫度傳感電路</p><p>　　機器人尋跡到終點的時候，先停止。這個時候，關鍵就需要把機器人上的風扇對準火源，才能啟動風扇滅火。在這里，用到的溫度傳感器是DS18B20，它能很好的感應溫度高的地方。機器人在到達終點后，不斷的調整機器人的位置，找到一個溫度的最高點，然后調整機器人的位置，將機器人上的風扇對準火源，最后，啟動安裝在機器人前面的風扇滅火。DS18B20與單片機接口的具體電路圖如圖3.13。</

76、p><p>　　圖3.13 DS18B20溫度傳感電路</p><p>　　在這個電路圖中可以看出，DS18B20和單片機的連接非常簡單，單片機只需要一個I/O口就可以控制DS18B20。DS18B20的工作原理及主要特性特性如下所述[14]。</p><p>　　3.7.1 工作原理</p><p>　　硬件電路接好以后，單片機需要怎樣工作才能

77、將DS18B20中的溫度數(shù)據(jù)讀取出來呢？下面給出詳細的分析。</p><p>　　首先來看它的一些指令：</p><p>　?、?3H，讀ROM。讀DS18B20溫度傳感器ROM中的編碼（即64位地址）。</p><p>　　②55H，匹配ROM。發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出64位ROM編碼，訪問單總線上與該編碼相對應的DS18B20并使之做出響應，為下一步對該DS18

78、B20的讀/寫做準備。</p><p>　?、跢0H，搜索ROM。用于確定掛接在同一總線上DS18B20的個數(shù)，識別64位ROM地址，為操作各器件做好準備。</p><p>　?、蹸CH，跳過ROM。忽略64位ROM地址，直接向18B20發(fā)溫度變換命令，適用于一個從機工作。</p><p>　?、軪CH，告警搜索命令。執(zhí)行后只有溫度超過設定值上限或下限的芯片才能做出

79、響應。</p><p>　?、?4H，溫度轉換。啟動DS18B20進行溫度轉換，12位轉換時最長為750ms（9位為93.75ms）。結果存入內部9字節(jié)的RAM中。</p><p>　?、連EH，讀暫存器。讀內部RAM中9個字節(jié)的數(shù)據(jù)。</p><p>　?、?EH，寫暫存器。發(fā)出向內部RAM的第2,3字節(jié)寫上、下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟該命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)。

80、</p><p>　?、?8H，復制暫存器。將RAM中第2,3字節(jié)的內容復制到E2PROM中。</p><p>　　⑩B8H，重調E2PROM。將E2PROM中內容恢復到RAM中的第3,4字節(jié)。</p><p>　　DS18B20在出廠時默認配置設置為12位，其中最高位為符號位，即溫度值共有11位，單片機在讀取數(shù)據(jù)時，一次會讀2字節(jié)共16位，讀完后將低11位的二進制

81、數(shù)轉化為十進制數(shù)后再乘以0.0625便為所測的實際溫度值。另外，還需要判斷溫度的正負。前5個數(shù)字為符號位，這5位同時變化，所以我們只需要判斷11位即可。前5位為1時，讀取的溫度為負值，且測到的數(shù)值需要取反加1再乘以0.0625才可得到實際溫度值。前5位為0時，讀取的溫度為正值，且溫度為正值時，只要將測得的數(shù)值乘以0.0625即可得到實際溫度值。</p><p>　　3.7.2 DS18B20的主要特性</p

82、><p>　?、龠m應電壓范圍寬，電壓范圍：3.0V～5.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電；</p><p>　?、讵毺氐膯尉€接口方式，DS18B20在于微處理器連接時僅需要一條接口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊；</p><p>　?、跠S18B20支持多點組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫；</p>&

83、lt;p>　?、蹹S18B20在使用時不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內；</p><p>　?、轀囟确秶?55℃～+125℃，在-10℃～85℃時的精度為±0.5℃；</p><p>　?、蘅删幊痰姆直媛蕿?～12位，對應的分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃，可實現(xiàn)高精度測溫；</p>&

84、lt;p>　?、咴?位分辨率時最多在93.75ms內把溫度轉換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內把溫度值轉換為數(shù)字，速度更快；</p><p>　?、鄿y量結果直接輸出數(shù)字溫度信號，以“一線總線”串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力；</p><p>　　⑨負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作[15]。</p>

85、<p><b>　　4 軟件實現(xiàn)</b></p><p>　　4.1 軟件設計流程圖</p><p>　　軟件流程圖如圖4.1。具體操作過程是，機器人在一定的范圍內，按照給定的線路前進。前進線路是由黏在白色平面內的黑色膠帶給定。中間的紅外對管對準黑線，兩邊的紅外對管對準白線，當偏離給定位置后，通過軟件控制，調整機器人的位置，到達終點后，首先，機器人停止，然

86、后尋找火源，找到火源后，將機器人機身上的風扇對準火源，進行滅火，程序運行至此結束，機器人也停止[16]。</p><p><b>　　5 調試</b></p><p>　　經過整體整體的硬件方案設計，我制作出來的硬件電路圖如圖5.1a和圖5.1b。</p><p>　　圖5.1a單片機核心控制部分</p><p>　　這

87、部分電路主要包括單片機的最小系統(tǒng)和電源輸入模塊以及蜂鳴器報警、DS18B20溫度傳感器模塊、風扇電機驅動模塊、與單片機40個管腳連接的排針幾個部分，之所以在單片機的40個管腳都連上排針就可以通過杜邦線直接連接各個單片機的I/O口與直流電機的輸入I/O口，方便控制。</p><p>　　圖5.1b電機驅動模塊</p><p>　　本部分是電機驅動的核心部分，J9為六個排針，通過連接這六個排針

88、到單片機的I/O口，就可以通過軟件來控制電機的正轉與反轉了。</p><p>　　根據(jù)上述原理圖，我最后制成的硬件實物如圖5.2。</p><p>　　a 整體俯視圖 b 硬件俯視圖</p><p>　　c 左側視圖 d 右側視圖</

89、p><p>　　圖5.2 硬件總體實物圖</p><p>　　在調試的過程中，最開始，由于硬件制作過程的疏忽，電機驅動芯片的一個接地的管腳忘記接上，導致把8V的電機驅動電壓一接上去就被拉低到1V左右，輸出只有0.6V左右，這根本就無法驅動電機。首先我以為是電機驅動模塊的續(xù)流二極管由于接反而被燒壞或者是濾波電容被擊穿，所以我把這些元件都換了，結果還是原來一樣。接著我檢查了各點的導通性以及是否有短

90、路的點，但是電路連接正常。后來，我仔細看了原理圖才發(fā)現(xiàn)，我在給電路板覆銅的時候，選擇的是覆地，而L298N有三個管腳是要接地的，覆地之后，有一個管腳被覆成了死區(qū)銅，沒有和外界的地連接到一起，這才導致了電平被拉[17]。</p><p>　　在解決了上述問題后，機器人的前進、后退、左轉、右轉等基本功能便得到了實現(xiàn)。然后就是解決尋跡。在焊接好紅外對管實現(xiàn)尋跡的相關元件，上電后，我首先在靜態(tài)模式下旋轉10K精密可調電位

91、器，將比較電平調好，在有光線反射回來（對管對著白紙）的情況下，輸出為高電平，無光線反射（對管對著黑紙）的時候為低電平。剛開始，我以為是錯的，以為對管對著白線的話，光被反射回來，應該輸出為低電平，而對著黑線的時候，光被吸收，輸出為高電平，后來才發(fā)現(xiàn)，它是經過LM324反相運放輸出的信號，恰好把信號求了一次反，這便與我該開始的理論分析是一致的。</p><p>　　最后是尋找火源。用溫度傳感器DS18B20檢測。因為

92、DS18B20檢測的溫度只有125℃的樣子，而火焰的溫度在400℃左右，所以我設定了當時的一個室內溫度，當檢測到的溫度與室溫的差值大于某個特定的值時，便停止檢測，啟動風扇滅火。至此整個的執(zhí)行過程結束[18]。</p><p>　　如圖5.3，為滅火的整個過程。</p><p>　　a 起點 b中點</p>&l

93、t;p>　　c終點 d滅火完成</p><p>　　圖5.3 滅火整個過程圖</p><p>　　在滅火調試的過程中我還碰到了幾個問題，我首先是用一個NPN的三極管9013來驅動電機，在實際中，由于單片機需要驅動的模塊過多，無法給滅火電機提供足夠大的電流來驅動風扇完成滅火，后來我采用了一種專門用來驅動那種功率稍微大的芯片UL

94、N2003，重新加入電路圖中，很好的解決了滅火這個問題。在另一方面，在設計報警電路的時候，我忘記給單片機的I/O口加上上拉電阻，導致雖然用軟件控制給單片機的I/O口高點平，但是一接上蜂鳴器電平就被拉低到0.5V左右，這根本就無法驅動三極管導通，分析了電路原理圖后我給蜂鳴器控制I/O口加上了一個10K的上拉電阻，問題也就解決了，最終滅火的時候能正常啟動蜂鳴器報警，風扇也能在給定的時間內把火熄滅[19]。</p><p&

95、gt;<b>　　6 結論</b></p><p>　　本設計從構思設計方案開始到硬件的制作，以及軟件的調試花了很長的一段時間。總體而言，我本人對自己的這個項目研究結果還算滿意。經過上述分析設計，并且在將程序下載進去進行反復調試后，機器人能正確的完成前進、后退、左轉、右轉等基本動作，并能按照預先設定的路線前進，偏離路線之后能自動調整過來，到達終點之后能順利地找到火源的位置，將機身上的風扇對準

96、火源，完成滅火，指導老師提出的基本功能都可以得到實現(xiàn)，。但還有一種思路，即直接用火焰?zhèn)鞲衅鲗ふ乙欢ǚ秶幕鹪矗@種方案省去了尋跡模塊，值得去嘗試。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 蔡自興.《機器人學》[M].清華大學出版社，2009. </p><p>　　[2] 童詩白.模擬電子技術基礎（上、下冊）[

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104、elligent Control and Automation, June 15-19,2004.HangZhou,P.R.China. 4937-4941.</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　經過一個多月的奮斗，我的畢業(yè)設計終于宣告完成。由于制作經驗方面的欠缺，作為一個本科生的我，完成這樣一個設計難免有一些考慮不周的地方，但得益于很多幫

105、助我的同學和老師，我的畢業(yè)設計才能順利完成。</p><p>　　隨著畢業(yè)設計的遞交，我的大學生涯即將結束。在這即將踏上社會的時刻，我要感謝很多人，我要感謝我的敬愛的老師，是你們辛勤培養(yǎng)了我，教給我知識和做人的道理；我要感謝我親愛的同學，是你們的關心和支持讓我走到了今天；我要感謝我熱愛的母校是你給了我這個放飛夢想的舞臺。</p><p>　　這次畢業(yè)設計的制作是在許多人的支持和幫助下完成的

106、，在此我首先要感謝我的指導老師，正是在他的指導下，我的設計才能得以展開，還有我的搭檔，他給了我很多啟發(fā)和建議，正是有他們的幫助我的制作才能最終完成，最后我向所有關心我、支持我、幫助我的老師同學表示衷心的感謝！</p><p><b>　　附錄A 主要程序</b></p><p>　　#include<reg52.h></p><p&g

107、t;　　#include<intrins.h></p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　　#define shiwen 27 //室溫</p><p>　　sbit SDA=P2^0; //

108、風扇</p><p>　　sbit DS18_DATA=P2^2;//ds18b20數(shù)據(jù)口</p><p>　　sbit FM=P2^3; //蜂鳴器</p><p>　　sbit MOTOR_L=P2^4;//馬達左</p><p>　　sbit MOTOR_R=P2^5;//馬達右</p><p>

109、　　sbit ST188_L=P0^2;//對管左</p><p>　　sbit ST188_M=P0^1;//對管中</p><p>　　sbit ST188_R=P0^0;//對管右</p><p>　　sbit INT_1=P1^5;</p><p>　　sbit INT_2=P1^4;</p><p&g

110、t;　　sbit INT_3=P1^3;</p><p>　　sbit INT_4=P1^2;</p><p>　　sbit EN_A =P1^1;</p><p>　　sbit EN_B =P1^0;</p><p>　　uchar temp;</p><p>　　float f_temp;</p&g

111、t;<p>　　uchar wendu;//溫度</p><p>　　void delay_1ms(uchar z)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uint x,y;</b></p><p>　　for(x=z;x>0;x--)<