1、 PAGE40 / NUMPAGES46 常 州 大 學 畢業設計（論文）（2013屆）題 目 基于單片機的滅火機器人模型的設計學 生 學 院 信息科學與工程學院 專 業 班 級 校指導教師 專業技術職務 校外指導老師 專業技術職務 二一三年六月基于單片機的滅火機器人模型的設計摘要:該文設計了一款基于單片機的滅火機器人模型的設計。系統以STC89C52單片機為控制核心，創新自制火焰傳感器用于火焰探測，紅外光電傳感器用于探測障礙物，L298驅動電機前后轉動，LCD1602液晶顯示器用于顯示滅火個數。 該系統火焰探測采用自制六路火焰傳感器，是由五路遠紅外接收二極管和一路近紅外接收二極管構成，它相對

2、于目前其他火焰探測器，具有火焰探測精確度高、結構簡單，性能可靠等優點。避障采用E18-D50NK型號的光電傳感器，該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點。此設計以數字集成電路技術為基礎并以單片機技術為核心，依據傳感器的信號傳入單片機實現各種指令處理。系統加入液晶顯示器，使得系統具有可查看滅火的次數的人性化特點。 實驗結果表明，該設計具有成本低、可靠性高、滅火速度快、安裝調試方便等特征，非常適用于危險系數較大的火場，具有較好的應用前景。關鍵詞：STC89C52單片機、光敏晶體管、紅外光電開關、1602液晶模塊、L298NDESIGN OF THE FIREFI

3、GHTING ROBOT BASED ON THE MICROCONTROLLERABSTRACT :In this paper, the design model for the design of a microcontroller-based fire-fighting robot. System to STC89C52RC microcontroller for control core, innovation homemade flame sensor is used to measure the source of fire, use infrared receiverdiode

4、to detect the roadblock ,the L298 drive motor rotation LCD1602 display the number of fires which are put out.The system use six innovation homemade flame sensors which consist of five remote Infrared receiverdiodes and one close Infrared receiverdiode to measure the source of fire,which compare othe

5、r measurements with high precision, simple structure, reliable performance characteristics. Obstacle avoidance usesthe E18 - D50NK models of photoelectric sensor, the sensor has a long detection distance, small interference by visible light, the price is cheap, easy to assemble and convenient use, e

6、tc.This design is based on digital integrated circuit technology and single-chip microcomputer technology as the core, according to the sensor signal to microcontroller processing all kinds of instructions. Add liquid crystal display, making the system in extinguishing View extinguishing the number

7、of user-friendly features.The experimental results show that the design of low cost, high reliability, fire fast, easy installation features, very suitable for large fire risk coefficient, has a good application prospect.Key words:STC89C52 microcontroller, photosensitive transistor, infrared photoel

8、ectric switch, 1602 LCD module, L298N目錄 TOC o 1-3 u 摘要 PAGEREF _Toc23507 I目錄 PAGEREF _Toc9482 III1引 言 PAGEREF _Toc8933 11.1課題的開發背景 PAGEREF _Toc5378 11.2課題的研究現狀 PAGEREF _Toc21263 11.3 課題的研究意義 PAGEREF _Toc5487 11.4 課題任務 PAGEREF _Toc27558 22系統基本原理與總體方案設計 PAGEREF _Toc6186 32.1滅火機器人的基本原理 PAGEREF _Toc1218

9、2 32.2滅火機器人的整體設計 PAGEREF _Toc21273 32.3滅火機器人模型的測量方案 PAGEREF _Toc10540 42.3.1避障模塊 PAGEREF _Toc11088 42.3.2 火焰檢測方案 PAGEREF _Toc1342 53系統硬件電路設計 PAGEREF _Toc3867 73.1控制電路 PAGEREF _Toc14815 73.1.1電機控制電路 PAGEREF _Toc7531 73.1.2滅火驅動電路 PAGEREF _Toc27439 83.2火焰測量電路 PAGEREF _Toc27867 93.3避障模塊 PAGEREF _Toc2722

10、6 113.4液晶顯示模塊 PAGEREF _Toc24584 133.5 直流電源設計 PAGEREF _Toc4975 153.6單片機系統 PAGEREF _Toc24348 153.6.1單片機選型 PAGEREF _Toc8410 153.6.2單片機晶振電路和復位電路 PAGEREF _Toc10746 184 軟件設計 PAGEREF _Toc11645 194.1系統主程序設計 PAGEREF _Toc26748 194.2尋火模塊的設計 PAGEREF _Toc16474 204.3 避障模塊設計 PAGEREF _Toc20963 214.4顯示模塊的設計 PAGEREF

11、_Toc30412 215 系統的調試 PAGEREF _Toc19641 235.1 硬件的調試 PAGEREF _Toc18792 235.2軟件調試 PAGEREF _Toc12967 235.3避障的實現 PAGEREF _Toc2294 235.4 尋找火源的實現 PAGEREF _Toc14 245.5遇到的問題 PAGEREF _Toc23592 255.6實驗現象與結果分析 PAGEREF _Toc13673 266實物展示 PAGEREF _Toc3052 277結束語 PAGEREF _Toc8384 29致 PAGEREF _Toc7067 30參考文獻 PAGEREF

12、_Toc14262 31附件一 PAGEREF _Toc21328 32附件二 PAGEREF _Toc12020 331引 言1.1課題的開發背景 火災在現實生活中是非常普遍的，它被稱為三大自然災害之一。隨著經濟的迅速增長，各種危險場所不可避免的火災頻繁出現，給社會安全造成了很多隱患。一旦發生災害事故，消防員面對高溫、黑暗、有毒和濃煙等危害環境時，若沒有相應的設備貿然沖進現場，不僅不能完成任務，還會徒增人員傷亡，這方面公安消防部隊已歷經諸多血的教訓。尤其是當新消防法出臺后，搶險救援已成為公安消防部隊的法定任務，面對新時期面臨的新情況新任務，也為了更好地解決前述難題，消防機器人的配備顯得日益重

13、要。消防部隊將面對的火災和應急救援的形勢相當復雜。尤其是在高溫、有毒、易燃易爆等復雜環境中，為切實增強消防部隊撲救大火的能力，也為更好地保護廣大官兵的生命安全，配備消防機器人已勢在必行。1.2課題的研究現狀智能小車方面：智能小車，也稱輪式機器人，是一種以汽車電子為背景，涵蓋控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械等多學科的科技創意性設計。智能汽車作為一種智能化的交通工具，體現了車輛工程、人工智能、自動控制、計算機等多個學科領域理論技術的交叉和綜合，是未來汽車發展的趨勢。機器人技術方面：目前已經開發出了多種類型機器人機構，其結構有串聯、并聯與垂直關節和平面關節多種。目前研究重點是機器人

14、新的結構、功能與可實現性，其目的是使機器功能更強、柔性更大、滿足不同目的的需求。同時機器人機構向著模塊化、可重構方向發展。機器人控制技術現已實現了機器人的全數字化控制，基于傳感器的控制技術已取得了重大進展。目前重點研究開放式、模塊化控制系統，人機界面更加友好，具有良好的語言與圖形編輯界面。同時機器人的控制器的標準化和網絡化以與基于PC機網絡式控制器已成為研究熱點。機器人已經實現了全數字交流伺服驅動控制，絕對位置反饋。目前正研究利用計算機技術，探索高效的控制驅動算法，提高系統的響應速度和控制精度；同時利用現場總線技術，實現的分布式控制1。1.3 課題的研究意義智能避障滅火機器人實現了對安全防護的

15、質的提高，也大減低了消防人員的危險。在智能滅火系統中應用單片機來代替人的思考，還可以實現自動化控制，簡化了滅火的工作流程，使單片機代替多余的消防人員，節省了國家不必要的支出，降低了危險。自動滅火避障智能小車可以理解為機器人的一種特例，它是一種能夠通過編程手段完成特定任務的小型化機器人。與普遍意義上的機器人相比該智能小車制作成本低廉，電路結構簡單，程序調試方便，此設計在前人研究的基礎上，通過不斷地學習相關的知識，力求對消防機器人設計達到更深的了解和研究，促進消防機器人在火災中的應用并推廣在相關領域的研究，使消防研究工作不斷向前發展，具有很大的學術價值。1.4 課題任務根據自動控制的基本要求，自動

16、滅火避障智能小車必須在無人干預的情況下依靠處理器自動完成所有的系統設計要求。滅火通過火焰檢測傳感器找到蠟燭，控制電機引導小車走向蠟燭附近并吹滅蠟燭。自動避障通過紅外光電開關感應前方的障礙物，程序判斷處理控制小車轉彎避開障礙物。系統具體設計要求如下：實現直流減速電機的啟、停、正、反控制；利用直流減速電機實現對小車的運動控制；利用穩壓芯片為單片機電路系統提供穩定電壓；利用紅外線光電開關對障礙物的檢測；利用光敏晶體管對火源的檢測;通過單片機控制小車運動狀態實現小車的滅火避障；利用1602液晶的工作狀態顯示；通過編程實現系統程序的模塊化設計；2系統基本原理與總體方案設計2.1滅火機器人的基本原理滅火機

17、器人滅火原理如圖1所示。單片機采集火焰檢測模塊和避障模塊的信號，通過控制電機驅動模塊使小車避障行駛去找尋火源，在找到火源之后，單片機控制電機停止，開啟風扇滅火，液晶顯示小車行進狀態和總撲滅火源個數，從而實現對整個火災點滅火的過程。圖1 系統原理方框圖2.2滅火機器人的整體設計滅火機器人由四部分組成：1、數據采集模塊，主要由火焰采集模塊和避障模塊構成，實現了滅火機器人的對各類參數的采集，是控制器核心部分。2、信息處理單元，用單片機作為信息處理單元，實現對數據的采樣與數據分析運算，并發出控制指令。3、人機交互單元，由按鍵與顯示單元組成。按鍵實現人機交互；顯示采用LCD1602液晶模塊，可以提供豐富

18、、直觀、友好的信息界面。4、控制模塊，控制模塊主要由電機驅動電路、滅火模塊等組成，實現對驅動電機運轉與開啟風扇滅火。圖2滅火機器人系統框圖圖2中，數據采集模塊對障礙物方位、火焰數據進行采集，并將數據送給MCU進行數據處理。MCU根據接收的信息發出控制指令控制電機或風扇工作，顯示單元可顯示當前滅火的次數和行進狀態。按鍵用于用戶啟動滅火機器人。2.3滅火機器人模型的測量方案避障與火焰測量是滅火機器人最重要部分之一，它是實現其他功能的基本條件，這一部分性能好壞將關系到整個系統的性能，所以設計一個成本低、可靠性高、滅火效率高、調試簡便的測量方案是該設計的關鍵。2.3.1避障模塊方案1：用超聲波傳感器進

19、行避障。超聲波傳感器的原理如圖3所示：超聲波由壓電瓷超聲波傳感器發出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收。然后將這信號放大后送入單片機。超聲波傳感器在避障的設計中被廣泛應用2。但是超聲波傳感器需要40KHz的方波信號來工作，因為超聲波傳感器對工作頻率要求較高，偏差在1，所以用模擬電路來做方波發生器比較難以實現。而用單片機來作方波發生器未免有些浪費資源。因此我們考慮其他的方案。 圖3超聲波傳感器原理圖方案2: 用紅外光電開關進行避障。光電開關的工作原理如圖4所示：根據投光器發出的光束，被物體阻斷或部分反射，受光器最終據此作出判斷反應，是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，由同步回路選

20、通而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均能檢測。紅外光電開關操作簡單，使用方便。當有光線反射回來時，輸出低電平。當沒有光線反射回來時，輸出高電平47。考慮到本系統只需要檢測簡單障礙物，沒有十分復雜的環境。為了使用方便，便于操作和調試，我們最終選擇了方案2。圖4 紅外光電對管測量系統圖2.3.2 火焰檢測方案火焰檢測有溫度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器、紫外傳感器以與CCD傳感器。綜合論證這幾種傳感器，因本設計使用蠟燭模擬火源，對環境溫度影響小，煙霧少，排除了煙霧傳感器。考慮到易用性，排除了CCD傳感器，從而主要考慮以下三種方案。NTC熱敏電阻和光敏晶體管測量方案圖5 NT

21、C熱敏電阻和光敏電阻測量系統圖如圖5所示，利用熱敏或光敏電阻的阻值隨溫度光亮變化的特性，將熱敏或光敏電阻與線性電阻構成分壓電路，當溫度光亮變化時其阻值變化，進而分壓變化，然后將這電壓信號經過運放放大調理成05V的電壓信號，經A/D轉換變成數字信號送給單片機。實驗中發現在一定距離圍，空氣溫度變化非常小，熱敏電阻幾乎不發生任何變化。光敏電阻在燈光下，易受干擾在一定圍空氣溫度變化非常小，熱敏電阻幾乎不發生變化，光敏電阻受外界干擾比較大，抗干擾能力極差，誤差偏大，不能準確測定火源位置56。使用紫外傳感器識別火焰方案圖6 紫外線傳感器識別方案紫外線傳感器只對185260nm狹窄圍的紫外線進行響應，而對其

22、它頻譜圍的光線不敏感，利用它可以對火焰中的紫外線進行檢測。具有靈敏度高，檢測與時準確、抗干擾性強的特點。主要缺點是價格是紅外傳感器的8-10倍。紅外接收二極管識別火焰方案圖7 紅外接收二極管原理圖紅外接收二極管可以用來探測波長在700nm 1000nm圍的紅外線，探測角度為60；，其中紅外線波長在880nm附近時，其靈敏度達到最大。紅外火焰探頭將外界紅外光的強弱變化轉化為電壓的變化，通過電位比較器來反應高低電平的變化。外界紅外光越強，數值越小；紅外光越弱，數值越大。經驗證紅外接受二極管檢測距離遠，線性度好，檢測準確，且體積較小在機器人設計中，紅外火焰探頭起著非常重要的作用，它可以用作機器人的眼

23、睛來尋找火源或其他物體。利用它可以制作滅火機器人、足球機器人等。綜合考慮此處選用紅外接受二極管。同時在火焰傳感器模塊的設計中，在車體的前頭離地大約1520cm（相當于火焰高度）處安裝5個遠紅外火焰傳感器，各個傳感器之間呈45度角隔開。由于火焰傳感器的檢測距離很遠，為了避免小車判斷不了火焰的遠近的情況出現，我們設計了一路近距離火焰傳感器。只有當這路檢測到火焰，滅火電機才啟動。經實驗驗證，系統工作穩定。3系統硬件電路設計3.1控制電路本設計要實現對路徑的準確定位和精確測量采用直流減速電機。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。由于其部由高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）

24、齒輪組，可以產生大扭力。我們所選用的直流電機減速比為1：74，減速后電機的轉速為100r/min。我們的車輪直徑為6cm，因此我們的小車的最大速度可以達到V=2rv=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s能夠較好的滿足系統的要求；實現滅火工作的是采用12V直流風扇，試驗所采用的火源為小蠟燭產生的火焰，火勢較小，直流風扇產生的風力足夠在幾秒滅火。3.1.1電機控制電路電機控制電路由L298電機驅動芯片、7805芯片、電機等組成。L298驅動芯片結構如圖8所示。圖8 L298驅動芯片 L298N是SGS公司的產品，部包含4通道邏輯驅動電路，是一種二相和四相電機的專用驅動器，即含二個

25、H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接受標準TTL邏輯電平信號，即可驅動46V、2A以下的電機。圖9 電機控制原理圖如圖9所示，OUT1和OUT2，OUT3和OUT4分別接2個直流電機，IN1、IN2、IN3、IN4引腳從單片機接輸入控制電平，控制電機的正反轉，ENA、ENB接控制器使能端，控制電機的停轉，L298的邏輯功能表如表1所示：表1電機轉動狀態編碼左電機右電機左電機右電機電動車運行狀態IN1IN2IN3IN41010正轉正轉前行1001正轉反轉左轉1011正轉停以左電機為中心原地左轉0110反轉正轉右轉1110停正轉以右電機為中心原地左轉0101反轉反轉后退對于電機的調速，我們采用PW

26、M調速的方法，其原理就是開關管在一個周期的導通時間為t，周期為T，則電機兩端的平均電壓U=Vcc*(t/T)=aVcc。其中，a=t/T（占空比），Vcc是電源電壓，電機的轉速與電機兩端的電壓成正比例，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉的越快。在硬件電路的連接上，我們將單片機的IO口分別連接到L298的IN1和IN2上，通過改變單片機IO口上的高低電平變化以控制小車的前進方向，通過改變單片機IO口上的高低電平的占空比以控制電機的轉速8。PWM配合橋式驅動電路L298N實現直流電機調速，非常簡單，且調速圍大。另外本設計特別在直流電機的電樞兩

27、端并聯一個0.1uF的瓷片電容，以穩定電機，不至于對單片機造成干擾，實際的使用效果不錯，省掉了通過光耦隔離TPL521實現單片機輸出信號與電機驅動信號隔離的環節，節約了成本。3.1.2滅火驅動電路 如圖10所示，滅火電機驅動采用B772三極管驅動，單片機P1.1口接三極管Q1基極，當單片機給低電平信號時，三極管導通，接通滅火電機的電源，開啟風扇滅火。圖10 滅火電機驅動滅火風扇的安裝滅火風扇固定一根彎曲的鋁合金長條上，可以上下搬動控制滅火風扇的角度。滅火風扇的安裝實物圖如圖11和圖12所示：圖11 滅火風扇安裝實物前視圖圖12 滅火風扇俯視圖3.2火焰測量電路火焰測量電路用來檢測火源點，該設計

28、采用紅外接收二極管，它能夠探測到波長在700納米1000納米圍的紅外光，探測角度為60，其中紅外光波長在880納米附近時，其靈敏度達到最大。紅外接收二極管將外界紅外光的強弱變化轉化為電流的變化，通過電壓反應數值的變化。外界紅外光越強，數值越小；紅外光越弱，數值越大。紅外接收二極管結構如圖13所示：圖13 紅外接收二極管紅外接收二極管又叫紅外光電二極管，也可稱紅外光敏二極管,英文名Infrared receiverdiode。它廣泛用于各種家用電器的遙控接收器中，如音響、 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1095025.htm t _blank 彩色電視機、空調器、

29、HYPERLINK :/baike.baidu /view/7313.htm t _blank VCD視盤機、 HYPERLINK :/baike.baidu /view/6066.htm t _blank DVD視盤機以與錄像機等。它廣泛用于各種家用電器的遙控接收器中，如 HYPERLINK :/baike.baidu /view/68529.htm t _blank 音響、彩色電視機、空調器、VCD視盤機、DVD視盤機以與錄像機等。紅外接收二極管能很好地接收 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1381541.htm t _blank 紅外發光二極管發射的波長為94

30、0nm的紅外光信號，而對于其他波長的光線則不能接收。因而保證了接收的準確性和靈敏度12。 紅外接收二極管的結構如圖13所示。最常用的型號為RPM-301B。紅外接收管是一種光敏二極管。在實際應用中要給紅外接收二極管加反向偏壓，它才能正常工作，亦即紅外接收二極管在電路中應用時是反向運用，這樣才能獲得較高的靈敏度。紅外接收二極管一般有圓形和方形兩種。由于紅外發光二極管的發射功率一般都較小（100mW左右），所以 HYPERLINK :/baike.baidu /view/4335011.htm t _blank 紅外接收二極管接收到的信號比較微弱，因此就要增加高增益放大電路。前些年常用PC1373

31、H、CX20106A等紅外接收專用放大電路。最近幾年不論是業余制作還是正式產品，大多都采用成品 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1284692.htm t _blank 紅外接收頭。如表2所示，下面為紅外接收二極管實測數據，一根蠟燭為火源，室正常日光燈環境實測結果。表2 火焰傳感器實測結果無火源時，對著日光燈0.35V-0.12V10cm4.98V20cm4.88V30cm4.72V40cm3.77V50cm2.89V60cm2.34V70cm1.92V80cm1.45V90cm1.15V100cm0.96V圖14 火焰測量電路原理圖在該電路中，當火焰傳感器沒有檢測

32、到火焰時，火焰傳感器不導通而使得火焰傳感器的陽極上拉電阻R4上拉為高電平，經電壓器比較器比較后輸出低電平，LED燈亮。當檢測到火焰時，火焰傳感器導通，電壓比較器輸出高電平，LED燈滅。經試驗驗證，本電路工作性能穩定，能耗較低，能夠較好的滿足題目的需要。因此我們選擇此電路作為我們的傳感器檢測與調理電路。3.3避障模塊如圖15所示，本設計對障礙物的檢測采用E18-D50NK型號的紅外傳感器。E18-D50NK傳感器是一種紅外線反射式接近開關傳感器，用于物體的反射式檢測，該傳感器具有體積小，功耗低，應用方便，穩定可靠等優點。輸出信號為數字量，不需要進行A/D轉換，可直接與單片機的I/O口相連，檢測到

33、目標時信號線輸出是低電平，正常狀態時為高電平。為能讓對測量距離的調節，在信號輸出端需外接一個1K上拉電阻，調節電位器，即可調節測量的距離。圖15 E18-D50NK紅外傳感器光電開關E18-D50NK的技術參數:1、輸出電流 DC/SCR/繼電器 Control output：100mA/5V供電2、消耗電流 DC25mA3、響應時間 2ms4、指向角：15,有效距離3-50CM可調5、檢測物體：透明或不透明體6、工作環境溫度：-25+557、標準檢測物體：太10000LX以下 白熾燈3000LX以下圖16 避障原理原理分析如圖16所示，E18-D50NK紅外光電開關發射出紅外線，被物體阻斷或

34、部分反射，E18-D50NK部紅外接收管接收到反射回來的紅外線，然后有一個由高到低的電壓變化，E18-D50NK部電壓比較器根據這個電壓的變化輸出數電信號給單片機處理。當有光線反射回來時E18-D50NK信號腳輸出低電平11。避障模塊接口電路如圖17。圖17 避障模塊接口電路避障模塊的安裝在避障傳感器的設計中，我們在車體底盤的前端裝有二個避障傳感器，用來起到避開障礙物的作用。兩個傳感器微微向兩邊傾斜一點，防止有障礙物時擦邊。具體的安裝位置實物圖如圖18所示：圖18 避障傳感器安裝實物圖3.4液晶顯示模塊顯示電路是滅火機器人與用戶交互的接口，用戶通過顯示來觀察滅火次數和小車行進狀態。為了顯示更人

35、性化和美觀化，選擇LCD1602液晶，工業字符型液晶，能夠同時顯示16*02即32個字符，微功耗、體積小、顯示容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應用系統中。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的 HYPERLINK :/baike.baidu /view/545607.htm t _blank 點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等 HYPERLINK :/baike.baidu /view/545607.htm t _blank 點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和

36、行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。1602LCD是指顯示的容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個字符液晶模塊（顯示字符和數字）。目前市面上字符液晶絕大多數是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全一樣的，因此基于HD44780寫的控制程序可以很方便地應用于市面上大部分的字符型液晶。液晶結構如圖19圖20所示：圖19 1602液晶結構圖圖20 HYPERLINK :/baike.baidu /picview/5881209/5943668/0/7acb0a46f21fbe090bc813a86b600c338644adfc.html o

37、 查看圖片 t _blank LCD1602引腳圖管腳功能如表3所示：表3引腳接口說明表編號符號引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地9D2數據2VDD電源正極10D3數據3VL液晶顯示偏壓11D4數據4RS數據/命令選擇12D5數據5R/W讀/寫選擇13D6數據6E使能信號14D7數據7D0數據15BLA背光源正極液晶特性如下：3.3V或5V工作電壓，對比度可調含復位電路提供各種控制命令,如：清屏、字符閃爍、光標閃爍、顯示移位等多種功能有80 HYPERLINK :/baike.baidu /view/60408.htm t _blank 字節顯示數據存儲器DDRAM建有192個5X7 HY

38、PERLINK :/baike.baidu /view/545607.htm t _blank 點陣的字型的字符發生器 HYPERLINK :/baike.baidu /view/3365733.htm t _blank CGROM8個可由用戶自定義的5X7的字符發生器CGRAM圖21 液晶接口原理圖如圖21所示，采用電位器調節液晶的輝度，單片機的IO口分別接液晶的D0D7總線，與RS、RW、EN的讀寫使能端。3.5 直流電源設計電源部分的設計主要采用7805芯片，使用7805芯片搭建的電路的優點是簡單、實用，78系列三端穩壓IC組成穩壓電源所需的外圍元件極少，電路部還有過流、過熱與調整管的保

39、護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。并且完全能夠滿足壁障小車單片機控制系統和L298N芯片的邏輯供電的供電需要。7805芯片有3個引腳，分別為輸入IN端、輸出OUT端和接地GND端，通常情況下可以提供1.5A的電流，在散熱足夠的情況下可以提供大于1.5A的電流。7805芯片的輸入電壓可以為9V、12V、15V不等，輸出電壓穩定在5V，正負誤差不超過0.2V10。基于這樣的情況再結合電機的工作電壓，本設計選取了6節干電池9V作為7805的輸入電源，搭建的電源部分電路如圖22所示。圖22 直流電源輸出電路3.6單片機系統單片機亦稱單片微電腦或單片微型計算機，它是把中央處理器（CPU）、隨機存

40、取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、輸入/輸出端口（I/0）等主要計算機功能部件集成在一塊電路芯片上的微型計算機。3.6.1單片機選型現在可以說單片機是百花齊放，百家爭鳴的時期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的單片機，從8位、16位到32位，數不勝數，應有盡有，有與主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它們各具特色，相輔相成，為單片機的應用提供廣闊的天地。本設計采用宏晶公司的增強型系列的STC89C52(其引腳圖如圖23所示)。STC89C52是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only M

41、emory）的低電壓，高性能CMOS的8位微處理器，俗稱單片機。該器件與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，STC89C52是一種高效微控制器， STC89C52單片機為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案。圖23 STC89C52引腳圖主要特性：與MCS-51 兼容 8K字節可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環數據保留時間：10年全靜態工作：0Hz-40Hz三級程序存儲器鎖定128*8位部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數器5個中斷源 可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片振蕩器和時鐘電路管腳說明：1

42、、VCC：供電電壓；2、GND：接地；3、P0口：P0口為一個8位漏極開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 4、P1口：P1口是一個部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 5、P2

43、口：P2口為一個部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。6、P3口：P3口管腳是8個帶部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被部上拉為高

44、電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為STC89C52的一些特殊功能口，如下表4所示：表4 P3口的第二功能引 腳第二功能信 號 名 稱P3.0RXD串行數據接收P3.1TXD串行數據發送P3.2INT0外部中斷0請求P3.3INT1外部中斷1請求P3.4T0定時器/計數器0計數輸入P3.5T1定時器/計數器1計數輸入P3.6WR外部RAM寫選通P3.7RD外部RAM讀選通P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。7、RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。8、ALE/PROG：

45、當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置位無效。9、/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存

46、儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。10、/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。11、XTAL1：反向振蕩放大器的輸入與部時鐘工作電路的輸入。12、XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.6.2單片機晶振電路和復位電路（1）晶振電路晶振用一種能把電能和機械能相互轉化的晶體在共振的狀態下工作，給單片機提供工作所需要的時鐘信號，本設計中采用了12 MHZ的晶振。如圖2

47、4所示。（2）復位電路系統采用硬件復位，STC89C52RC復位高電平有效，有效復位要保證RST端至少100ms的高電平，電容的作用就是緩沖使RST端保持高電平一段時間，以達到有效復位，電容越大，保持的時間就越久。圖24 時鐘電路圖25 復位電路單片機的復位需要至少持續兩個機器周期以上的高電平的時間，所以在剛開始上電的時候圖25中的電容充電，所以在單片的復位引腳RST上會出現大于2個機器周期的高電平，給單片機復位，在單片機的運行過程中上電單片機就會自動復位。4 軟件設計一個應用系統要完成各項功能，首先必須有較完善的硬件作保證。同時還必須得到相應設計合理的軟件的支持，尤其是微機應用高速發展的今天

48、，許多由硬件完成的工作，都可通過軟件編程而代替。甚至有些必須采用很復雜的硬件電路才能完成的工作，用軟件編程有時會變得很簡單，如數字濾波，信號處理等。因此需充分利用其部豐富的硬件資源和軟件資源，采用與S51系列單片機相對應的程序設計語言和結構化程序設計方法進行軟件編程。程序設計語言有三種：機器語言、匯編語言和高級語言。機器語言是機器唯一能“懂”的語言，用匯編語言或高級語言編寫的程序（稱為源程序）最終都必須翻譯成機器語言的程序（成為目標程序），計算機才能“看懂”，然后逐一執行。高級語言是面向問題和計算過程的語言，它可通過于各種不同的計算機，用戶編程時不必仔細了解所用的計算機的具體性能與指令系統，而

49、且語句的功能強，常常一個語句已相當于很多條計算機指令，于是用高級語言編制程序的速度比較快，也便于學習和交流。13本系統就選用了C語言來編制本設計的程序。使用C語言，大大減少程序的指令，可以快速地完成本設計的程序。滅火機器人的軟件部分可以分成主程序設計、尋火模塊、避障模塊、液晶顯示模塊、控制模塊等。4.1系統主程序設計該方案的編程思路是先確定主程序，之后根據各硬件電路功能來設計子程序模塊，最后再將各模塊嵌入主程序中。這樣編程結構簡單，由于子程序模塊與硬件電路一一對應，所以調試起來十分方便。本設計軟件方框圖如圖27所示，小車初始化后主程序開始判斷是否有火源，若沒有火，小車直線行駛，進行避障，繼續尋

50、找火源；若有火就調用尋火程序模塊，找到火源并滅火。圖27 滅火小車系統總體流程圖4.2尋火模塊的設計圖28尋火模塊程序框圖 如圖28所示，單片機不斷讀火焰傳感器的信號,當有火時，單片機判斷火源位置。當左邊的兩個傳感器有信號時，單片機控制電機左轉；當右邊的兩個傳感器有信號時，單片機控制直流電機右轉；當中間的遠紅外接收二極管有信號時，單片機控制電機直行；當中間的近紅外接收二極管有信號時，主程序調用滅火模塊熄滅火焰。4.3 避障模塊設計圖29避障模塊流程圖如圖29所示，單片機采集紅外光電對管的信號，判斷障礙的位置。沒有障礙，小車就直行尋光。有障礙時，首先判斷前面有無火源，如果有火源就進行避障，會影響

51、滅火。在判定沒有火源時，（1）兩個傳感器都有信號，小車停止，后退之后右轉90；（2）右邊傳感器有信號時，就停下來再左轉45；（3）當左邊傳感器有信號時，小車停下并右轉45。4.4顯示模塊的設計1602顯示控制程序框圖如圖30所示，液晶的數據接口是P0，P2.5定義為EN使能信號口，每次對液晶的操作必須先拉高EN信號，P2.6和定義為1602的讀寫選擇口，P2.7定義為RS數據/命令選擇口。開始先對液晶顯示初始化，功能主要是對液晶的背光時間，背光等級，字符顯示格式，漢字顯示格式，和界面的初始化。初始化完畢，下一步對各項參數顯示。圖30 液晶顯示控制流程圖5 系統的調試5.1 硬件的調試硬件調試主

52、要是對紅外接收二極管、紅外光電對管、直流電機進行調試。這一部分硬件調試主要分成兩大塊：上電前的調試和上電后的調試。上電前的調試在上電前，必須確保電路中不存在斷路或短路情況，這一工作是整個調試工作的第一步，也是非常重要的一個步驟。在這部分調試中主要使用的工具是萬用表，用來完成檢測電路中是否存在斷路或者短路情況等。上電后的調試在確保硬件電路正常，無異常情況(斷路或短路)方可上電調試，上電調試的目的是檢驗電路是否接錯，還要檢驗原理是否正確。同時針對以下各部分進行特別調試。1、紅外接收部分硬件調試：這一部分調試主要是檢查測量環境光線與火源的輸出電壓等一系列問題。2、光電管部分硬件調試：這部分調試主要是

53、檢查測量當光電管檢測到障礙物后的輸出信號。 3、電機部分硬件調試：這部分調試時檢查電機驅動部分是否正確。5.2軟件調試單片機程序調試主要針對電機驅動模塊、避障模塊、尋火模塊、顯示模塊的調試，小車進行模塊化設計之后，非常容易調試，易于發現問題。調試各模塊主要實現一下各功能：（1）電機驅動模塊：主要用來控制兩個直流電機，實現前進、后退、左轉，右轉，停止等功能，這個模塊是實現避障和尋火模塊的基本條件；（2）避障模塊：通過檢測P1.6和P1.7口的紅外光電對管輸出的信號，實現小車的左避障、右避障和后退右轉避障；（3）尋火模塊：通過檢測P1.0P1.5口的紅外接收二極管輸出的信號，單片機控制電機行進到火

54、源的位置；（4）顯示模塊：在LCD1602上分別顯示小車的滅火次數和行進狀態5.3避障的實現根據紅外傳感器工作原理，當檢測到前方障礙物時信號線將被置為低電平，信號線均與單片機相連，提供單片機檢測。本系統共使用兩個紅外傳感器，放置在小車車頭，左右各一個，用來判斷前方障礙物；表5 小車運動狀態表左避障頭右避障頭小車運動狀態傳感器狀態00后退，右轉9001右轉4510左轉4511前進如表5所示，紅外傳感器檢測到障礙時，小車將根據障礙物的方向控制轉向；在無障礙的情況下，單片機控制電機向前走；當右側光電開關檢測到障礙時，單片機控制電機向左轉；當左側光電開關檢測到障礙時，單片機控制電機向右轉；當左、右兩側

55、光電開關都檢測到障礙物時，單片機控制電動機使其后退，再右轉90；當兩側光電開關都沒檢測到障礙物時，單片機控制電動機直走。為了簡化算法，本系統對傳感器的檢測都使用軟件查詢的方式。5.4 尋找火源的實現根據前面介紹的火源檢測電路工作原理，當檢測到前方火源信號時將輸出低電平，這里將6個信號線均與單片機相連，提供單片機檢測。本系統共使用6個火焰傳感器，裝在小車車頭，每隔45度角裝載一個，正前方裝有兩個，一個近距離的，一個遠距離的。近距離火焰傳感器用來判斷是否啟動滅火風扇；表6 小車檢測到火焰運動狀態表傳感器狀態左1左2中近中遠右2右1小車運動狀態111111前進011111左轉101111左轉1110

56、11前進110011停止111110右轉111101右轉111011前進001111左轉111100右轉如表6所示，火焰傳感器檢測到火源時，小車將根據火源的方向控制轉向；在無火源的情況下，單片機控制電機向前走；當右側火焰傳感器檢測到火源時，單片機控制電機向右轉；直到中間火源傳感器檢測到火源，然后前進到中間近距離火源傳感器檢測到火源。當左側火源檢測到火源時，單片機控制電機向左轉；直到中間火源傳感器檢測到火源，然后前進到中間近距離火源傳感器檢測到火源。5.5遇到的問題1、電路焊接完后進行進行上電測試，發現電源指示燈都沒有亮，然后就聞到一股焦味，用手一摸穩壓電源芯片發現很燙，于是趕緊拔掉電源。用外用

57、表測量電源的正負極，發現電阻很小。仔細檢查一看原來是單片機供電的穩壓芯片7805接反了。1腳本來是電壓輸入端，結果接成了1腳輸出端。把穩壓芯片取下，換上新的，并且把引腳接對后，通電電源指示燈也亮了，測量電壓符合要求5.01V，并且芯片也不發熱。2、如圖31所示，滅火傳感器的安裝，開始設計的時候，只設計了4個火焰檢測傳感器，分別是前面裝兩個，一個近距離的一個遠距離的，然后左右各裝一個。這樣做發現小車在尋找火源的時候很容易出現偏差，因為火焰傳感器之間是相隔90度，檢測的圍廣但是不夠細，在90度中間的檢測不到，在車子行走很長一段路后才能找到，這樣導致車頭對不準蠟燭，也就不好吹滅蠟燭。最后把電路重新設

58、計，采用5個遠距離的火焰檢測傳感器，一個近距離檢測傳感器的方案。這樣就把180度的平面劃分為45度一個火焰檢測傳感器。小車在行駛過程中就很容易發現火源。圖31六路火焰傳感器圖32 電機安裝的小電容3、在小車吹蠟燭的過程中發現只要滅火電機一轉動，單片機就會復位，然后小車就會碰上蠟燭，開始以為是電源電壓太低，于是把電源模塊的濾波電容加大些，防止滅火電機啟動時瞬間拉低電源，這樣處理后沒有效果，還是和之前一樣。于是用示波器測量，滅火電機在啟動的時候，沒火電機兩端電壓有什么變化。用示波器測量發現滅火電機啟動的時候，有很大的雜波出來，于是懷疑是電機轉動的時候產生的高頻電磁波干擾了電源，導致單片機復位。于是

59、在滅火電機的電源端加了0.1UF的瓷片濾波電容，如圖32所示。把電容接上后，發現雜波明顯減少。然后再測試小車，沒有出現復位的情況了。避障傳感器調試，開始的時候避障傳感器只安裝了一個，發現一個避障時遇到障礙物不知道是左邊遇到的還是右邊遇到的，程序里無法判斷，也就沒法控制小車準確的避開障礙物。經過調試發現兩個避障頭可以解決這個問題，在小車車頭左右各裝一個。5.6實驗現象與結果分析圖33測試場地 在如圖33所示的場地放置小車、兩個障礙物和三個火源，總共進行了6次實驗，實驗結果如表7所示。在前三次的實驗中，小車全部實現無碰撞滅火，在第四次的實驗中小車在滅了第二個火源之后倒車撞倒了中間的障礙物，之后小車

60、沒有檢測到第三個火源。在第六次實驗中，小車滅掉第二個火源倒車右轉之后就沒有找到火源。在第四次實驗中，小車缺少后面缺少避障。在第六次實驗中，小車在滅掉第二個火源之后，可能是電量不足，沒有檢測到火源。表7滅火測試結果實驗組別滅火個 數未撲滅火源位置碰撞障礙物個數13無023無033無042左上153無062左上06實物展示L298N驅動板圖34小車的底層圖圖35背面焊接圖STC89C52主控器圖36俯視小車圖小車行進狀態第一行顯示已經撲滅火源個數圖37液晶顯示圖圖38小車側視圖圖39小車正視圖7結束語本次畢業設計按照課題 “基于單片機的滅火機器人模型的設計”的要求設計了所需的硬件電路，以STC89