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1、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AT89C5
2、1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
3、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112.5.1 nRF401芯片说明112.5.2 PTR2000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
4、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416.1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48 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，
5、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
6、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
7、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4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件
8、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2.2 AT89C51单片机外观AT89C51主要性能参数： 与MCS-51产品指令系统完全兼容 4k字节可重擦写 Flash 闪速存储器 1000次擦写周期 全静态操作：0Hz24MHz 三级加密程序存储器 1288 字节内部 RAM 32个可编程IO口线 2个16位定时计数器 6个中断源 可编程串行UART通道 低功耗空闲和掉电模式AT89C51
9、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IO 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2.3 AT89C51引脚分布图AT89C51引脚功能说明 VCC：电源电压 GND：地 P0 口：P0 口是一组 8
10、 位漏极开路型双向 IO 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。 P1 口：P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 IO 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
11、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。 P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 IO 口，P2 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 MOVXDPTR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MOVXRI 指令）时，P2口线上的内容（
12、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。 P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 IO 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 IO 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.
13、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2.1 P3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。 RST：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。 ALE/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 l6 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
14、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。 /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。 EAVP
15、P：外部访问允许。欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为 0000HFFFFH），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。 XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：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
