基于单片机的营救机器人的设计与制作.docx

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1、基于单片机的营救机器人的设计与制作学生潘瑞平专业电气自动化技术本文主要讲述的是一种能够在地下矿井中对工作环境进行检测和在危险时对人员进行搜救的一种机器人的系统设计和轮式的能够进行移动的机器人。它最主要的优点是履带、轮胎和伸缩结构的有机结合，可以适应恶劣的地形环境，可以轻松爬上更高的楼梯，穿越战壕，寻找幸存者，识别和检查地下环境，体积小，成本低，并且能控制力强。本篇论文主要讲述的是对信息的采集上的系统的设计、电机在驱动这一模块上的设计、单片机在串口上的关于通信的设计。本论文里最主要的取得的成就就是：在机器人的小车上使用单片机AT89C51来作为数据处理的核心；使用集成的DHTll智能数字温湿度传

2、感器测量矿井内的温湿度；使用红外气体传感器MH-44OV/D作为矿井瓦斯浓度的量度；内置nRF401的PTR2000无线数传模块用于PC之间的通讯，可以可靠地进行远程通讯01.298还用作直流电机驱动芯片，控制机器人小车前进、转弯和倒车。关键词：私营式企业；可持续发展；二次创业I1. 绪论41.1 选题背景与意义41.1.l选题背景41.1.2研究意义41.2本文的框架结构62 .系统,ix、体万案设l-72. 1单片机AT89C51简介73. 2温湿度传感器DHTll简介74. 3瓦斯浓度传感器MH-440V/D简介83 .系统硬件设计与实现101 .1温湿度传感器电路设计102 .2瓦斯浓

3、度传感器电路设计123 .3电机驱动电路设计144 .4无线传输模块电路设计164 .系统软件设计与实现224.1 1软件开发环境简介224.2 软件的总体设计思路224.3 主要功能模块软件设计224. 3.1温湿度传感器模块软件设计235. 3.2瓦斯浓度传感器模块软件设计266. 3.3电机驱动模块软件设计277. 3.4无线传输模块软件设计275 .系统调试315. 1温湿度数据采集模块调试316. 2电机驱动模块调试326 .总结与展望366. 1总结367. 2技术展望37参考文献401 .绪论1.1 选题背景与意义1.1.1 选题背景我国是煤炭生产大国，未来很长一段时间煤炭仍将是

4、最重要的能源结构。在世界上中国开采煤炭的数量占总数量的百分之三十五，不过在开采的过程中由于煤矿的开采所死亡的开采人员占全球总人数的百分之八十。在我国，经常发生煤矿事故，伤亡惨重。万一发生自然灾害，所到达现场的对受灾人员进行救援的过程中只有在四十八个小时内找到还有生命体征的人们，如果不能再48小时之内被找到，那么还有生命体征的人将很难生存下来。在进行救援的过程中救援的人员进入矿井的同时也会遇到很多的，各种各样的危险，比如说：第二次爆炸。1.1.2研究意义我们的大部分煤矿均由地下工人经营。有很多不确定性。瓦斯、煤尘和火灾等灾害并不少见。由于自然灾害，造成严重破坏，多人受伤，生产长期停产，矿山或生产

5、设备受损。但是，煤矿事故的成因极其复杂。它们是事故和不可避免的组合。各种自然灾害和事故都是突发的、灾难性的、破坏性的、微不足道的。因此，开发新型煤矿辅助设备迫在眉睫。就至今天来说，在确定救灾的方法时候仅仅是根据事故发生的种类来进一步的确定救灾的方案。在一般的情况下救灾的人员是不能够再一次进入到危险的区域之中的。那么在救援人员不能够进去进行救援的情况下只能够通过移动风车以及其他相关的设备来为地下通风增加氧气，随后搜寻找到和救助遇到危险的的人员和清理东西。相对来说这种救援的方法是比较危险的，当遇到大的灾害的时候遇难的人数比较多的情况下，抢救周期长，效果通常较低。救援的机器人主要是通过自身所特有的优

6、势能够迅速地定位出被困在地底下的受灾人员，大大的增加了受灾人员的生还的几率，这对于减少人员的伤亡是非常重要的一个存在。机器人在就在方面的系统上的设置也就决定了机器人是可以在就在方面广泛的应用的、拯救被困的人质、等一些有可能对人们的健康甚至是生命造成一定量上的威胁的领域。对于在灾害上拥有很多研究的机器人在很多方面要研究，其中就包括对移动相关设备上、技术上的研究，传感技术、多传感器融合技术、导航定位技术、自适应控制技术、仿生技术等，它不仅基于危险机器人的理论和方法.，但也拓宽了新的研究领域，具有重要的研究和实施视角。1.2 本文的框架结构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

7、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2 ,系统总体方案设计2.1 单片机AT89C51简介51单片机不仅仅在集成度上十分的高而且它的功能也十分的强大并且它的结构十分的简单易懂还有它的价格相对来说比较低廉适合大规模的应用等，所以在此次项目上本人基于51单片机的优势采用的是51单片机。在十分众多的51单片机的系列中我选择用美狗的ATEM1.公司所生产的AT89C51的单片机。它是一种128义8的一种内部RAM。其外观如图2.2所示。图2.2AT89C51单片机外观2.2 温湿度传感器DHT11简介对于开发系统数据采集，我选择了

8、内置温湿度传感器的DHTll智能数字传感器，因为它不仅可以稳定可靠地检测温湿度两个环境参数，还可以输出信号。数字信号。符号。由单片机直接识别，与单片机通讯简单易行。产品概述DHTllDHTll数字温湿度传感器是一种带有校准数字输出信号的复合温湿度传感器。采用特殊的数字模块数据采集技术和温湿度测量技术，确保产品具有极高的可靠性和优异的长期稳定性。外观如图2.4所示。图2.4DHT11外形图2.3瓦斯浓度传感器MH-440V/D简介机器人的设计采用的主要是MH-440VDNDIR红外气体的传感器，它的构造的理论基础如图2.5所示：图2.5瓦斯浓度传感器硬件连接原理框图由于本设计采用MH-440V/

9、D模拟数据传输方式，需要将模拟信号转换为数字信号，单片机才能识别该信号。图2.7MH-440V/D外观图MH-440V/D红外气体传感器是一款微型通用型智能气体传感器，如图2.7所示。该传感器利用非色散红外辐射（NDlR）原理检测空气中的CH4o具有选择性好、厌氧依赖性、性能稳定、使用寿命长等特点。3.系统硬件设计与实现3.1 温湿度传感器电路设计DHTll引脚说明表3.1DHTll引脚说明Pin名称注释1VDD供电3-5.5VDC2DATA串行数据，单总线3NC空脚，悬空4CND接地，电源负极DHTll接口说明建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电

10、阻。图3.1DHTIl典型应用HTll的电源引脚DATA用于微处理器和DHTll之间的通信和同步。它使用统一的总线数据格式。通信时间约为4mso数据分为小数部分和整数部分。现在读数为零。DHTll的测量分辨率测量分辨率分别为8bit（温度）、8bit（湿度）DHTll的电气特性VDD=5V,T=25表3.2DHTIl的电气特征性表参数条件mintypmax单位供电DC355.5V供电电流测量0.52.5mA平均0.2ImA待机100150A采样周期秒1次DHTll的应用信息超出推荐操作范围的操作和存储条件可能会导致信号暂时漂移高达3%的相对湿度。RTD的传感层在与化学品接触时会受到化学蒸汽的干

11、扰。检测层中化学物质的扩散会导致测量值漂移并降低灵敏度。高浓度的化学污染物会完全破坏传感器的检测器层。温度影响气身体的相对湿度高度依赖于温度。因此，在测量空气湿度时,必须注意确保湿度传感器在尽可能相同的温度下工作。为了降低热导率，DHnl和PCB其他部分的铜层应该尽可能小，并且它们之间应该有间隙。光线长时间暴露在阳光下或强烈的紫外线辐射下会降低性能设备连接图：DHTI*TWC5i图3.2温湿度传感器硬件电路原理图3.2 瓦斯浓度传感器电路设计本设计采用的是NDIR红外气体传感器MH-440V/D,设计原理如图3.3所示:瓦斯浓度传感器单片机A/D转换芯片图3.3瓦斯浓度传感器硬件连接原理框图由

12、于本设计采用MH-440V/D模拟数据传输方式，需要将模拟信号转换为数字信号，单片机才能识别该信号。MH-440V/D管脚定义1. GND2. VCC3. RXD4. VOUT5. TXD预热结束。其通信方式如下：1.模拟方式传感器的VCC端接5V,GND端接地，VoUT端接ADC的输入端。2 .数字方式传感器的VCC端接5V,GND端接电源地。检测器可直接通过传感器的UOUT接口读取气体浓度值，无需计算。通讯协议如下：波特率：校验值结尾校验值=（取反（DATAl+DATA2+DATA7)+11）读传感器浓度值与温度值:浓度值发送命令如下：012345678起始位OXFF探测器编号命令0X86

13、0000000000校验值从机返回数据格式为:12345678起始位OXFF探测器编号通道高位通道地位温度通道校验值气体浓度值=通道高位*256+通道低位，气体浓度值为有符号数。传感器编号为：OxOl环境温度值二温度通道-40。2）零点校准时发送:0xff,0x87,0x87,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0xf2SPAN点校准时发送：012345678起始位OXFF探测器编号命令0X88位Span高位Span地位000000校验值3 .3电机驱动电路设计1、由于救援机器人的行走机构包括两条履带，两条履带不仅可以前后移动转向架，还可以完成转向架的转动，因此需要不同的逻辑电路

14、来控制驱动电机。分开两条轨道；2、为提高越障能力，机器人车还配备了前后旋转臂，因此需要不同的逻辑来控制分别驱动前后旋转臂的电机；3、机器人车还配备了摄像头进行实时监控，摄像头必须能够从各个角度进行记录，因此需要单独的逻辑控制器来控制摄像头的直流电机。根据以上分析设计硬件电路如下:图3.4直流电机驱动硬件电路原理图由硬件图可知:1、单片机P0.0、P0.1端口控制左履带电机。改变端口POO和P0.1的逻辑状态，可以实现左履带电机的正转反转和停止。2.微控制器上的端口P0.6和P0.7控制后摇臂电机。改变P0.6和P0.7端口的逻辑状态，可以实现正转、反转和后摆臂电机停止。3.微控制器上的端口P2.0和P2.1控制相机电机。改变端口P2.0和P2.1的逻辑状态可以使相机电机正转、反转和停止。3.4无线传输模块电路设计本设计基于无线通信模块实现短距离传输曲线。主要框图如图3.5所示。实现过程如下：单片机通过无线传输模块向PC发送数据，另一端的无线传输模块接收数据。RS-232电平转换后，模块将数据发送到计算机进行适当的处理。图3.5无线传输模块的