畢業(yè)設(shè)計-基于at89c51單片機(jī)的礦井救災(zāi)機(jī)器人的設(shè)計與制作

基于AT89C51單片機(jī)的營救機(jī)器人的設(shè)計與制作摘要本論文提出了一種煤礦井下環(huán)境探測與搜救機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計方案，該機(jī)器人集先進(jìn)的機(jī)械、電子、信息、控制工程等技術(shù)于一身，采用仿生學(xué)原理，綜合蛇形機(jī)器人、履帶式機(jī)器人和輪式機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，采用履帶和輪胎、伸縮結(jié)構(gòu)的有機(jī)結(jié)合，能適應(yīng)崎嶇不平的地形環(huán)境，可以輕松爬上較高樓梯、跨越壕溝，用于搜索幸存者、探測檢測井下環(huán)境，具有體積小、成本低、可控性強(qiáng)等特點(diǎn)。本論文重點(diǎn)研究了信息采集系統(tǒng)的設(shè)計、電機(jī)驅(qū)動模塊的設(shè)計以及單片機(jī)串口通信的設(shè)計。本論文的主要成果包括采用AT89C51單片機(jī)作為機(jī)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(shí)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(jī)與PC機(jī)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PTR2000，可靠地實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離通信；還采用了L298作為直流電機(jī)驅(qū)動芯片，用以控制機(jī)器人小車的前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、后退。關(guān)鍵詞礦井環(huán)境探測；機(jī)器人；信息采集；無線傳輸；電機(jī)驅(qū)動目錄第一章引言111選題背景與意義112課題研究內(nèi)容1第二章系統(tǒng)總體方案設(shè)計221單片機(jī)AT89C51簡介222溫濕度傳感器DHT11簡介523瓦斯?jié)舛葌鞲衅鱉H440V/D簡介724直流電機(jī)驅(qū)動模塊簡介10241直流電動機(jī)簡介10242電機(jī)驅(qū)動芯片L298簡介1025無線傳輸模塊PTR2000簡介11251NRF401芯片說明11252PTR2000模塊簡介13第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)1531溫濕度傳感器電路設(shè)計1532瓦斯?jié)舛葌鞲衅麟娐吩O(shè)計1733電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計2234無線傳輸模塊電路設(shè)計22第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)2641軟件開發(fā)環(huán)境簡介2642軟件的總體設(shè)計思路2743主要功能模塊軟件設(shè)計28431溫濕度傳感器模塊軟件設(shè)計28432瓦斯?jié)舛葌鞲衅髂K軟件設(shè)計30433電機(jī)驅(qū)動模塊軟件設(shè)計30434無線傳輸模塊軟件設(shè)計31第五章系統(tǒng)調(diào)試3351溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊調(diào)試3352電機(jī)驅(qū)動模塊調(diào)試3353整體調(diào)試35第六章總結(jié)與展望4161總結(jié)4162技術(shù)展望41致謝43參考文獻(xiàn)44附錄A小車端硬件設(shè)計原理圖45附錄BPC端硬件設(shè)計原理圖46附錄CPCB板圖47附錄DPC端VB操作代碼48第一章引言11選題背景與意義中國是一個產(chǎn)煤大國，在未來相當(dāng)長的時間內(nèi)，煤炭仍是主要能源結(jié)構(gòu)。中國煤炭產(chǎn)量占世界35，但礦難死亡人數(shù)卻占世界的80。我國煤礦礦井災(zāi)害事故頻繁發(fā)生，人員傷亡十分慘重。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。參與救援工作的救護(hù)隊員在深入井下，會遇到二次爆炸等各種危險狀況。我國煤礦大多數(shù)為井工開采，不安全因素很多，瓦斯煤塵和火災(zāi)等災(zāi)害事故頻繁發(fā)生，災(zāi)害事故危害嚴(yán)重，傷害人員多，中斷生產(chǎn)時間長，損毀井巷工程或生產(chǎn)設(shè)備。然而，煤礦事故發(fā)生的原因極為復(fù)雜，是偶然性和必然性的結(jié)合，各類災(zāi)害事故存在突發(fā)性、災(zāi)難性、破壞性和繼發(fā)性特點(diǎn)。因此，研究煤礦救災(zāi)新裝備是一項緊迫任務(wù)。目前，救災(zāi)方式只是根據(jù)事故的類型確定救災(zāi)的方案，一般救護(hù)人員無法進(jìn)入危險區(qū)域，只能通過提升絞車、移動式風(fēng)車等設(shè)備清除垃圾，向井下通風(fēng)，然后再搜救遇險礦工。這種方式危險性大，傷亡人數(shù)多，救災(zāi)周期長，往往效率低。救災(zāi)機(jī)器人利用自身的優(yōu)點(diǎn)，能迅速找到井下遇險礦工的位置，降低事故危害性，對提高救災(zāi)效率具有重大意義。救災(zāi)機(jī)器人系統(tǒng)的優(yōu)勢決定了機(jī)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。救災(zāi)機(jī)器人的研究內(nèi)容廣泛，包括移動機(jī)構(gòu)、探測技術(shù)、多傳感器信息融合技術(shù)、導(dǎo)航和定位技術(shù)、自適應(yīng)控制技術(shù)、仿生技術(shù)等方面。它既借鑒危險作業(yè)機(jī)器人的理論和方法，又拓寬新的研究領(lǐng)域，具有相當(dāng)?shù)难芯亢蛻?yīng)用前景。在當(dāng)今社會，研究有自己特色的救災(zāi)機(jī)器人，無疑具有巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。12課題研究內(nèi)容本次課題的設(shè)計主要完成以下內(nèi)容1、基于傳感器的礦井環(huán)境數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計2、基于直流電機(jī)以及電機(jī)驅(qū)動芯片的電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計3、在單片機(jī)以及PC機(jī)之間實(shí)現(xiàn)無線傳輸模塊設(shè)計第二章系統(tǒng)總體方案設(shè)計21單片機(jī)AT89C51簡介51單片機(jī)集成度高、功能強(qiáng)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(jī)作為系統(tǒng)的中央處理器。在51單片機(jī)眾多的系列產(chǎn)品中，我選擇了美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)。它是一款低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4KBYTES的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128BYTES的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和FLASH存儲單元，功能強(qiáng)大AT89C51單片機(jī)可提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。其外觀如圖22所示。圖22AT89C51單片機(jī)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0HZ24MHZ三級加密程序存儲器1288字節(jié)內(nèi)部RAM32個可編程IO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(zhǔn)功能4K字節(jié)FLASH閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個IO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口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0HZ的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。其引腳分布如圖23所示。圖23AT89C51引腳分布圖AT89C51引腳功能說明VCC電源電壓GND地P0口P0口是一組8位漏極開路型雙向IO口，也即地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在FIASH編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時，要求外接上拉電阻。P1口P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。FIASH編程和程序校驗(yàn)期間，P1接收低8位地址。P2口P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVXDPTR指令）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。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。FLASH編程或校驗(yàn)時，P2亦接收高位地址和其它控制信號。P3口P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。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。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的IO口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表21所示端口引腳第二功能P30RXD（串行輸入口）P31TXD（串行輸出口）P32/INT0（外中斷0）P33/INT1（外中斷1）P34T0（定時計數(shù)器0外部輸入）P35T1（定時計數(shù)器1外部輸入）P36/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P37/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）表21P3口第二功能表P3口還接收一些用于FLASH閃速存儲器編程和程序校驗(yàn)的控制信號。RST復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的L6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（/PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的DO位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令A(yù)LE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE無效。/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(jī)器周期兩次/PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的/PSEN信號不出現(xiàn)。EAVPP外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。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)。如EA端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。FLASH存儲器編程時，該引腳加上12V的編程允許電源VPP，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓VPP。XTAL1振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2振蕩器反相放大器的輸出端。22溫濕度傳感器DHT11簡介在系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設(shè)計方面，我選擇了具有溫度、濕度一體檢測的智能數(shù)字式傳感器DHT11，因?yàn)樗粌H能穩(wěn)定可靠地檢測出溫度、濕度這兩種環(huán)境參數(shù)，而且輸出的信號是數(shù)字信號，可以直接被單片機(jī)識別，且與單片機(jī)的通信簡單，易于實(shí)現(xiàn)。DHT11產(chǎn)品概述DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。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(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選則。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。外形如圖24所示。圖24DHT11外形圖DHT11的性能優(yōu)點(diǎn)相對濕度和溫度測量全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出卓越的長期穩(wěn)定性無需額外部件超長的信號傳輸距離超低能耗4引腳安裝完全互換DHT11的應(yīng)用領(lǐng)域暖通空調(diào)測試及檢測設(shè)備汽車數(shù)據(jù)記錄器消費(fèi)品自動控制氣象站家電濕度調(diào)節(jié)器醫(yī)療除濕器封裝信息圖25DHT11的封裝圖DHT11引腳說明PIN名稱注釋1VDD供電355VDC2DATA串行數(shù)據(jù)，單總線3NC空腳，懸空4GND接地，電源負(fù)極表22DHT11引腳說明DHT11性能說明參數(shù)條件MINTYPMAX單位濕度111RH分辨率8BIT重復(fù)性1RH254RH精度0505RH互換性可完全互換03090RH252090RH量程范圍502080RH響應(yīng)時間1/E6325，1M/S空氣61015S遲滯1RH長期穩(wěn)定值典型值1RH/YR溫度111分辨率888BIT重復(fù)性1精度12量程范圍050響應(yīng)時間1/E63630S表23DHT11性能說明23瓦斯?jié)舛葌鞲衅鱉H440V/D簡介本設(shè)計采用的是NDIR紅外氣體傳感器MH440V/D，設(shè)計原理如圖26所示瓦斯?jié)舛葌鞲衅鰽/D轉(zhuǎn)換芯片單片機(jī)圖26瓦斯?jié)舛葌鞲衅饔布B接原理框圖由于設(shè)計中采用的是MH440V/D的模擬數(shù)據(jù)傳輸方式，因此，在信號被單片機(jī)識別前，需要將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。圖27MH440V/D外觀圖MH440V/D紅外氣體傳感器是通用型、智能型、微型傳感器，其外觀如圖27所示。該傳感器利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中存在的CH4進(jìn)行探測，具有很好的選擇性，無氧氣依賴性，性能穩(wěn)定、壽命長。MH440V/D內(nèi)置溫度傳感器，可進(jìn)行溫度補(bǔ)償，是將成熟的紅外吸收氣體檢測技術(shù)與微型機(jī)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。該傳感器使用方便，可直接用來替代催化燃燒元件，廣泛應(yīng)用于存在可燃性、爆炸性氣體的各種場合。MH440V/D的特點(diǎn)1高靈敏度2兼?zhèn)錁?biāo)準(zhǔn)輸出與數(shù)字輸出3外形小巧4快速響應(yīng)、恢復(fù)5溫度補(bǔ)償6優(yōu)異的穩(wěn)定性7使用壽命長8抗水汽干擾9可即刻將催化燃燒原理儀表轉(zhuǎn)換成紅外檢測儀表MH440V/D工作環(huán)境條件工作電壓35VDC溫度范圍2060濕度范圍095RHMH440V/D主要技術(shù)參數(shù)工作電壓35VDC工作電流7585MA接口電平3V測量范圍05VOL（0100VOL范圍內(nèi)可選）輸出信號范圍042VDC分辨率1FSD預(yù)熱時間90S響應(yīng)時間T905年防爆等級EXDMIICT4防護(hù)等級IP6尺寸20166重量15G表24MH440V/D主要技術(shù)參數(shù)MH440V/D結(jié)構(gòu)特征1結(jié)構(gòu)原理圖圖28MH440V/D結(jié)構(gòu)原理圖2管腳定義1GND2VCC3RXD4VOUT5TXD24直流電機(jī)驅(qū)動模塊簡介241直流電動機(jī)簡介本設(shè)計中使用的直流電機(jī)型號為RS380SH，外觀如圖29所示。電機(jī)的基本參數(shù)如表25所示。圖29RS380SH型直流電機(jī)電壓空載時電流工作范圍穩(wěn)定電壓R/MINA39V72V固定的16200050表25RS380SH型直流電機(jī)基本參數(shù)242電機(jī)驅(qū)動芯片L298簡介根據(jù)本設(shè)計中的小電機(jī)而言，其控制邏輯電平為5V，電機(jī)驅(qū)動電壓為72V，據(jù)此選擇L298這款電機(jī)驅(qū)動芯片。外形如圖210所示。圖210L298驅(qū)動芯片外觀L298N為SGSTHOMSONMICROELECTRONICS所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動芯片DUALFULLBRIDGEDRIVER，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動器，可同時驅(qū)動2個二相或1個四相步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)含二個HBRIDGE的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯準(zhǔn)位信號，可驅(qū)動46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機(jī)的IO端口來提供模擬時序信號。L298N管腳定義如圖211所示，PIN1和PIN15可與電流偵測用電阻連接來控制負(fù)載的電路；OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個直流電機(jī)；INPUT1INPUT4輸入控制電位來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)；ENABLE則控制電機(jī)停轉(zhuǎn)。圖211L298管腳定義圖25無線傳輸模塊PTR2000簡介PTR2000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（192KBIT/S）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。無線收發(fā)一體數(shù)傳模塊MODEM芯片PTR2000芯片性能優(yōu)異，在業(yè)界居領(lǐng)先水平。它的顯著特點(diǎn)是所需外圍元件少，因而設(shè)計非常方便，該模塊在內(nèi)部集成了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制/解調(diào)、參量放大、功率放大、頻道切換等功能，因而是目前集成度較高的無線數(shù)傳產(chǎn)品。該器件采用抗干擾能力較強(qiáng)的調(diào)制解調(diào)方式、其工作頻率穩(wěn)定可靠、功耗極低且便于生產(chǎn)設(shè)計，這些優(yōu)異特性使得PTR2000非常適合于單片機(jī)短距離的數(shù)據(jù)通信設(shè)計。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。251NRF401芯片說明NRF401是挪威NORDIC公司推出的射頻收發(fā)芯片，NRF401在一個20腳的芯片中集成了高頻發(fā)射/接收、PLL合成、FSK調(diào)制/解調(diào)和多頻道切換等功能，在低成本數(shù)字無線通信應(yīng)用中具有突出的技術(shù)優(yōu)勢。工作在國際通用的ISM數(shù)傳頻段的兩個頻道（43392MHZ和43432MHZ），采用高接收敏度（105DBM）和小發(fā)射功率（510DBM）設(shè)計策略。在發(fā)射功率為8DBM時，室內(nèi)通信距離大于20M，室外開闊地大于100M，對環(huán)境影響極小，無需進(jìn)行頻道申請即可使用。采用DSSPLL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。它要求非常少的外圍元件（約10個）。無需進(jìn)行初始化和配置，不需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼切斯特編碼。數(shù)字通信采用具有高抗干擾能力的FSK調(diào)制方式，支持直接數(shù)據(jù)輸入輸出操作，可直接與MPU的UART串行口連接。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有兩個可選擇的工作頻道，采用半雙工工作模式，最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)20KBIT/S。工作電壓為275V，待機(jī)狀態(tài)耗電僅為8A，能滿足低功耗的設(shè)計要求。芯片的特點(diǎn)如下工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段采用FSK調(diào)制，直接數(shù)據(jù)輸入輸出，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場合采用DSSPLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好靈敏度高，達(dá)到105DBM功耗小，接收狀態(tài)250A，接收待機(jī)狀態(tài)僅為8A最大發(fā)射功率達(dá)10DBM低工作電壓（27V），可滿足低功耗設(shè)備的要求具有多個頻道，可方便地切換工作頻率，特別滿足需要多信道工作的特殊場合工作速率最高可達(dá)20KBIT/S，也可支持低波特率的數(shù)據(jù)通信，如9600BAUD僅外接一個晶體和幾個阻容、電感元件，基本無需調(diào)試由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計，使用無需申請許可證，開闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000米NRF401集成度高，工作頻率穩(wěn)定可靠，外圍元器件少，功耗極低，適合便攜式產(chǎn)品的設(shè)計。NRF401使用20引腳的SSOCI封裝，其引腳如圖所示。NRF401的引腳功能如下圖212NRF401引腳分布圖XC1、XC2連接外部頻率，其中XC1為晶振輸入，XC2為晶振輸出。VDD電源輸入端，電壓范圍為2752V。VSS電源地。FILT1濾波器輸入端。VCO1、VCO2外界壓控振蕩電感。DIN發(fā)射數(shù)據(jù)輸入端，該引腳用于接收單片機(jī)要發(fā)送的數(shù)據(jù)。DOUT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(jī)。RF_PWR發(fā)射功率設(shè)置。CS頻道選擇。CS0時，芯片工作在頻道1；CS1時，芯片工作在頻道2。ANT1、ANT2天線接口。PWR低功耗控制。PWR1時，芯片處于工作狀態(tài)；PWR0時，芯片待機(jī)狀態(tài)。TXEN模式切換。TXEN1時，芯片處于發(fā)送狀態(tài)；TXEN0時，芯片處于接收狀態(tài)。NRF401為PTR2000的內(nèi)置芯片，其外圍電路為PTR2000模塊集成。當(dāng)芯片工作在頻道1時，芯片的工作頻率為43392MHZ；當(dāng)芯片工作在頻道2時，芯片的工作頻率為43433MHZ。DIN與DOUT引腳輸出的是TTL電平信號，可以與單片機(jī)的RXD和TXD直接相連；當(dāng)其與PC連接時，則需要添加RS232電平轉(zhuǎn)換電路。芯片引腳CS、PWR、TXEN的狀態(tài)直接影響芯片的工作方式。252PTR2000模塊簡介PTR2000模板的引腳排列如圖213所示。各引腳的功能說明如下圖213PTR2000引腳分布圖VCC電源輸入端，電壓范圍為2752V。CS頻道選擇。CS0時，芯片工作在頻道1；CS1時，芯片工作在頻道2。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(jī)。DI發(fā)射數(shù)據(jù)輸入端，該引腳用于接收單片機(jī)要發(fā)送的數(shù)據(jù)。GND電源地。PWR節(jié)能控制。PWR1時，芯片處于正常工作狀態(tài)；PWR0時，芯片處于待機(jī)狀態(tài)。TXEN模式切換。TXEN1時，芯片處于發(fā)送狀態(tài)；TXEN0時，芯片處于接收狀態(tài)。在軟件編程過程中，對PTR2000的工作模式和工作頻道的選擇尤為重要，對于PTR2000模塊而言，它的工作模式設(shè)置主要包括工作頻道設(shè)置和發(fā)送、接收、待機(jī)狀態(tài)的設(shè)置。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。模塊引腳數(shù)輸入電平模塊狀態(tài)TXENCSPWR工作頻道號模塊狀態(tài)0011接收0112接收1011發(fā)射1112發(fā)射0待機(jī)表26PTR2000工作頻道及工作模式控制的選擇方式PTR2000可與單片機(jī)（如80C31、2051、68HC08、PIC、Z8等）配合使用，可直接接單片機(jī)的串口或者I/O口，也可與計算機(jī)串口進(jìn)行通信，此時需要在中間簡單地接一個RS232電平轉(zhuǎn)換芯片，如MAX232等。在使用模塊之前可以使用以下介紹的PTR2000簡單測試方法，判定模塊是否正常工作。將發(fā)射端芯片設(shè)置為發(fā)射方式，使得TXEN為高電平，PWR為高電平，并通過單片機(jī)串口向PTR2000不斷發(fā)送數(shù)據(jù)。建議直接發(fā)送ASCII碼，如A，這樣上位機(jī)更容易檢測到接收的數(shù)據(jù)是否正確。將接收端芯片設(shè)置為接收方式，使得TXEN為低電平，PWR為高電平，并將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)RS232電平轉(zhuǎn)換后送給計算機(jī)串口，用計算機(jī)終端程序（如串行調(diào)試助手）即可監(jiān)視到接收到的ASCII數(shù)據(jù)。通過以上簡單測試方法，可以直接判定PTR2000模塊是否可以正常工作。在實(shí)際使用過程中有以下幾點(diǎn)需要注意PTR2000通過RS232電平轉(zhuǎn)換后可以直接與PC機(jī)相連，但是占用計算機(jī)資源比較大，建議在PTR2000與計算機(jī)之間增加一個單片機(jī)。供電電源會直接影響PTR2000通信性能，如果使用開關(guān)電源會使通信誤碼率增大。有條件的話，可使用獨(dú)立的直流電源供電，與其他數(shù)字電路的供電分開，并在PTR電源兩端增加去耦電容，且盡量靠近模塊。PTR2000在空曠場地下，傳輸距離可達(dá)100M以上。在不超過最大供電電壓的情況下，適當(dāng)?shù)卦黾与妷海稍黾觽鬏斁嚯x。第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)31溫濕度傳感器電路設(shè)計DHT11引腳說明PIN名稱注釋1VDD供電355VDC2DATA串行數(shù)據(jù)，單總線3NC空腳，懸空4GND接地，電源負(fù)極表31DHT11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(shí)際情況使用合適的上拉電阻。圖31DHT11典型應(yīng)用DHT11的電源引腳DHT11的供電電壓為355V。傳感器上電后，要等待1S以越過不穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個100NF的電容，用以去耦濾波。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(kuò)展，現(xiàn)讀出為零。DHT11的測量分辨率測量分辨率分別為8BIT（溫度）、8BIT（濕度）DHT11的電氣特性VDD5V，T25參數(shù)條件MINTYPMAX單位供電DC3555V測量0525MA平均021MA供電電流待機(jī)100150A采樣周期秒1次注采樣周期間隔不得低于1秒鐘。表32DHT11的電氣特性表DHT11的應(yīng)用信息工作與貯存條件超出建議的工作范圍可能導(dǎo)致高達(dá)3RH的臨時性漂移信號。返回正常工作條后，傳感器會緩慢地向校準(zhǔn)狀態(tài)恢復(fù)。要加速恢復(fù)進(jìn)程/可參閱“恢復(fù)處理”。在非正常工作條件下長時間使用會加速產(chǎn)品的老化過程。暴露在化學(xué)物質(zhì)中電阻式濕度傳感器的感應(yīng)層會受到化學(xué)蒸汽的干擾，化學(xué)物質(zhì)在感應(yīng)層中的擴(kuò)散可能導(dǎo)致測量值漂移和靈敏度下降。在一個純凈的環(huán)境中，污染物質(zhì)會緩慢地釋放出去。下文所述的恢復(fù)處理將加速實(shí)現(xiàn)這一過程。高濃度的化學(xué)污染會導(dǎo)致傳感器感應(yīng)層的徹底損壞。恢復(fù)處理置于極限工作條件下或化學(xué)蒸汽中的傳感器，通過如下處理程序，可使其恢復(fù)到校準(zhǔn)時的狀態(tài)。在5060和70RH的濕度條件下保持5小時以上。溫度影響氣體的相對濕度，在很大程度上依賴于溫度。因此在測量濕度時，應(yīng)盡可能保證濕度傳感器在同一溫度下工作。如果與釋放熱量的電子元件共用一個印刷線路板，在安裝時應(yīng)盡可能將DHT11遠(yuǎn)離電子元件，并安裝在熱源下方，同時保持外殼的良好通風(fēng)。為降低熱傳導(dǎo)，DHT11與印刷電路板其它部分的銅鍍層應(yīng)盡可能最小，并在兩者之間留出一道縫隙。光線長時間暴露在太陽光下或強(qiáng)烈的紫外線輻射中，會使性能降低。配線注意事項DATA信號線材質(zhì)量會影響通訊距離和通訊質(zhì)量，推薦使用高質(zhì)量屏蔽線。硬件連接原理圖圖32溫濕度傳感器硬件電路原理圖32瓦斯?jié)舛葌鞲衅麟娐吩O(shè)計本設(shè)計采用的是NDIR紅外氣體傳感器MH440V/D，設(shè)計原理如圖33所示瓦斯?jié)舛葌鞲衅鰽/D轉(zhuǎn)換芯片單片機(jī)圖33瓦斯?jié)舛葌鞲衅饔布B接原理框圖由于設(shè)計中采用的是MH440V/D的模擬數(shù)據(jù)傳輸方式，因此，在信號被單片機(jī)識別前，需要將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。MH440V/D管腳定義1GND2VCC3RXD4VOUT5TXDMH440V/D使用說明傳感器上電開始，傳器感在前10S輸出01V表示傳感器“自檢”，在此期間傳感器的通訊端口不可用，禁止一上電就立即開始建立和傳感器通訊。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(zhǔn)確，要獲得準(zhǔn)確的濃度值需要等傳感器預(yù)熱結(jié)束。其通信方式如下1模擬方式將傳感器VCC端接5V，GND端接電源地，VOUT端接ADC的輸入端。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，0420V代表氣體濃度值0滿量程。2數(shù)字方式將傳感器VCC端接5V，GND端接電源地，RXD端接探測器的TXD，TXD端接探測器的RXD。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。通訊協(xié)議如下波特率9600，8位數(shù)據(jù)，1位停止位，無校驗(yàn)位每幀數(shù)據(jù)9個字節(jié)，0XFF開頭，校驗(yàn)值結(jié)尾校驗(yàn)值（取反（DATA1DATA2DATA7）11讀傳感器濃度值與溫度值主機(jī)在發(fā)送讀傳感器濃度值時發(fā)送命令如下012345678起始位0XFF探測器編號命令0X860000000000校驗(yàn)值從機(jī)返回數(shù)據(jù)格式為12345678起始位0XFF探測器編號通道高位通道低位溫度通道校驗(yàn)值氣體濃度值通道高位256通道低位，氣體濃度值為有符號數(shù)。傳感器編號為0X01。環(huán)境溫度值溫度通道40。2零點(diǎn)校準(zhǔn)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(yàn)和。沒有返回信息。3SPAN點(diǎn)校準(zhǔn)時發(fā)送012345678起始位0XFF探測器編號命令0X88SPAN高位SPAN低位000000校驗(yàn)值第一個字節(jié)0XFF為起始字節(jié)，第二個字節(jié)為探測器編號，第三個字節(jié)0X88為命令，第四個字節(jié)為SPAN高位值，第五個字節(jié)為SPAN低位值，后三個字節(jié)為任意值,最后一個字節(jié)為校驗(yàn)和。沒有返回信息。MH440V/D維護(hù)保養(yǎng)應(yīng)注意的事項傳感器應(yīng)定期標(biāo)定，建議不大于3個月。不要在粉塵密度大的環(huán)境長期使用傳感器。請在傳感器供電范圍內(nèi)使用傳感器。禁止直接焊接傳感器管腳。禁止剪斷傳感器管腳。ADC0809芯片介紹ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。其外觀如圖34所示。圖34ADC0809外觀圖ADC0809對輸入模擬量要求信號單極性，電壓范圍是05V，若信號太小，必須進(jìn)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。地址輸入和控制線4條ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表所示CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7表33ADC模擬通道選擇表數(shù)字量輸出及控制線11條ST為轉(zhuǎn)換啟動信號。當(dāng)ST上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7D0為數(shù)字量輸出線。CLK為時鐘輸入信號線。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。ADC0809的引腳分布如圖35所示圖35ADC0809的引腳分布圖各腳功能如下D7D08位數(shù)字量輸出引腳。IN0IN78位模擬量輸入引腳。VCC5V工作電壓。GND地。REF（）參考電壓正端。REF（）參考電壓負(fù)端。STARTA/D轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端。ALE地址鎖存允許信號輸入端。（以上兩種信號用于啟動A/D轉(zhuǎn)換）EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出引腳，開始轉(zhuǎn)換時為低電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時為高電平。OE輸出允許控制端，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器。CLK時鐘信號輸入端（一般為500KHZ）。A、B、C地址輸入線。ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)由圖36可知，ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。圖36ADC0809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(jī)直接相連。（2）初始化時，使ST和OE信號全為低電平。（3）送要轉(zhuǎn)換的哪一通道的地址到A，B，C端口上。（4）在ST端給出一個至少有100NS寬的正脈沖信號。（5）是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。（6）當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖綍r，這時給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。硬件連接圖圖37瓦斯?jié)舛葌鞲衅饔布娐吩韴D33電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計1由于救災(zāi)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)包括兩條履帶，這兩條履帶不僅能完成小車的前進(jìn)和后退，還能完成小車的轉(zhuǎn)彎，因此，需要不同的邏輯分別控制驅(qū)動這兩條履帶的電機(jī)；2機(jī)器人小車為了提高越障能力，還分別裝有前、后擺臂，因此，也需要不同的邏輯分別控制驅(qū)動前、后擺臂的電機(jī)；3機(jī)器人小車還安裝有實(shí)時監(jiān)測的攝像設(shè)備，攝像頭必須是全角度能拍攝，因此，也需要一個獨(dú)立的邏輯控制驅(qū)動攝像頭的直流電機(jī)；根據(jù)以上分析，設(shè)計硬件電路如下圖38直流電機(jī)驅(qū)動硬件電路原理圖由硬件圖可知1單片機(jī)的P00和P01端口控制左履帶電機(jī)，改變P00和P01端口的邏輯狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)左履帶電機(jī)的正傳、反轉(zhuǎn)和停止。2單片機(jī)的P02和P03端口控制右履帶電機(jī)，改變P02和P03端口的邏輯狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)右履帶電機(jī)的正傳、反轉(zhuǎn)和停止。3單片機(jī)的P04和P05端口控制前擺臂電機(jī)，改變P04和P05端口的邏輯狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)前擺臂電機(jī)的正傳、反轉(zhuǎn)和停止。4單片機(jī)的P06和P07端口控制后擺臂電機(jī)，改變P06和P07端口的邏輯狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)后擺臂電機(jī)的正傳、反轉(zhuǎn)和停止。5單片機(jī)的P20和P21端口控制攝像頭電機(jī)，改變P20和P21端口的邏輯狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)攝像頭電機(jī)的正傳、反轉(zhuǎn)和停止。34無線傳輸模塊電路設(shè)計本設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種基于無線通信模塊的短距離曲線傳輸。其原理框圖如圖39所示，實(shí)現(xiàn)流程如下單片機(jī)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)。通過RS232電平轉(zhuǎn)換后，模塊將數(shù)據(jù)傳送給計算機(jī)，進(jìn)行相應(yīng)處理。單片機(jī)無線傳輸模塊無線通道無線傳輸模塊電平轉(zhuǎn)換電路PC圖39無線傳輸模塊的硬件設(shè)計框圖本設(shè)計的系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)下面3個功能1單片機(jī)作為終端進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。單片機(jī)在此起著數(shù)據(jù)采集器的作用，它一方面實(shí)時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，另一方面通過無線通道和PC交換數(shù)據(jù)。2單片機(jī)將采集的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊傳送到PC。3PC通過無線傳輸模塊向單片機(jī)發(fā)送命令。如圖310所示，本設(shè)計無線數(shù)據(jù)傳輸部分的硬件設(shè)計包括單片端和PC端兩部分，兩部分的重點(diǎn)都是如何實(shí)現(xiàn)基于PTR2000模塊的無線接口。PTR2000模塊和單片機(jī)的串行口直接連接。數(shù)據(jù)采集單片機(jī)PTR2000PTR2000MAX3232PC圖310無線傳輸模塊的硬件連接框圖就PC而言，由于PTR2000模塊支持TTL電平，而計算機(jī)串口串行輸入、輸出的信號滿足RS232標(biāo)準(zhǔn)，因此需要在PTR2000模塊和計算機(jī)串口之間進(jìn)行RS232和TTL電平轉(zhuǎn)換。總之，本設(shè)計硬件電路設(shè)計的主要在于PTR2000模塊的正確應(yīng)用。MAX3232芯片說明實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換可用分立元件，也可用集成電路芯片。使用三極管進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，能夠用于簡單的通信，其優(yōu)點(diǎn)是成本低廉。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)。現(xiàn)在最常用芯片是RS232與TTL雙向電平轉(zhuǎn)換芯片。本設(shè)計采用的芯片是MAXIM公司的MAX3232芯片，該芯片的特點(diǎn)如下符合所有的RS232C技術(shù)規(guī)范。低電壓供電，最低在33V電壓下，芯片即可工作。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。功耗非常低，典型供電電流為03MA。內(nèi)部集成兩個RS232C驅(qū)動器和兩個接收器。圖311MAX3232引腳分布圖MAX3232的引腳（SO/DIP封裝）如圖311所示。其引腳功能說明如下1C1、C1（1、3腳）電壓加倍充電泵電容的正、負(fù)端。2V、V（2、6腳）充電泵產(chǎn)生的55V、55V電壓。3C2、C2（4、5腳）轉(zhuǎn)換充電泵電容的正、負(fù)端。4T2OUT、T1OUT（7、14腳）RS232接收器輸入。5R2IN、R1IN（8、13腳）RS232接收器輸入。6T2IN、T1IN（9、12腳）TTL/CMOS發(fā)送器輸出。7GND（15腳）接地。8VCC（16腳）電源端，供電電壓為3055V。單片機(jī)接口電路設(shè)計圖312所示為單片機(jī)與PTR2000接口電路。本設(shè)計采用的是ATMEL公司的AT89C51，它通過自己的并口控制模塊的發(fā)射接收控制、頻道轉(zhuǎn)換和待機(jī)模式。圖312單片機(jī)與PTR2000連接硬件電路原理圖AT89C51主要完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)發(fā)送兩個功能。AT89C51收到數(shù)據(jù)采集模塊傳來的數(shù)據(jù)后，根據(jù)通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸給無線傳輸模塊。發(fā)送時，與單片機(jī)相連的PTR2000主要功能是將單片機(jī)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PTR2000模塊。接收時，PTR2000將PC端傳來的射頻信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以識別的TTL電平并發(fā)送給單片機(jī)。圖中，S1為復(fù)位按鍵，它和C3、R1共同構(gòu)成了單片機(jī)的復(fù)位電路；在本設(shè)計中，PC與單片機(jī)的波特率均為9600BAUD；單片機(jī)的RXD與PTR2000的DO引腳相連，TXD與PTR2000的DI引腳相連，實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸；決定PTR2000模塊工作模式的是TXEN、CS、PWR三個引腳。它們分別由單片機(jī)的P20、P21、P22控制，其狀態(tài)直接決定了PTR2000的工作方式。RS232電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計PC與PTR2000的接口電路比較簡單，需要注意的是PTR2000為TTL電平，因此在和計算機(jī)連接的時候需要加電平轉(zhuǎn)換電路。本設(shè)計選用的是低功耗RS232電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232。圖313所示為PTR2000與計算機(jī)串口進(jìn)行連接的典型應(yīng)用電路。PTR2000的DO和DI分別與MAX3232的T1IN和R1OUT相連。PTR2000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，PTR2000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PTR2000發(fā)送和接收狀態(tài)。圖313PTR2000與計算機(jī)串口連接硬件電路原理圖MAX3232具有兩路收發(fā)器，圖中只使用了一路。C1、C2、C3、C4是電荷泵升壓及電壓反轉(zhuǎn)部分電路。電容C1C4安裝時必須盡量靠近MAX3232芯片引腳，以提高抗干擾能力。PC端的窗口傳輸速率也需設(shè)定為9600BIT/S，與單片機(jī)段保持一致，這由PC端的軟件設(shè)置。第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計與實(shí)現(xiàn)41軟件開發(fā)環(huán)境簡介KEILC51是美國KEILSOFTWARE公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。KEIL軟件是目前最流行開發(fā)MCS51系列單片機(jī)的軟件，這從近年來各仿真機(jī)廠商紛紛宣布全面支持KEIL即可看出。KEIL提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（UVISION）將這些部分組合在一起。KEILC51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全WINDOWS界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到KEILC51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。C51工具包的整體結(jié)構(gòu)，UVISION與ISHELL分別是C51FORWINDOWS和FORDOS的集成開發(fā)環(huán)境IDE，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。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。然后分別由C51及C51編譯器編譯生成目標(biāo)文件OBJ。目標(biāo)文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng)L51連接定位生成絕對目標(biāo)文件ABS。ABS文件由OH51轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的HEX文件，以供調(diào)試器DSCOPE51或TSCOPE51使用進(jìn)行源代碼級調(diào)試，也可由仿真器使用直接對目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM中。使用獨(dú)立的KEIL仿真器時，應(yīng)該注意的事項1仿真器標(biāo)配110592MHZ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。2仿真器上的復(fù)位按鈕只復(fù)位仿真芯片，不復(fù)位目標(biāo)系統(tǒng)。3仿真芯片的31腳（/EA）已接至高電平，所以仿真時只能使用片內(nèi)ROM，不能使用片外ROM；但仿真器外引插針中的31腳并不與仿真芯片的31腳相連，故該仿真器仍可插入到擴(kuò)展有外部ROM（其CPU的/EA引腳接至低電平）的目標(biāo)系統(tǒng)中使用。當(dāng)使用KEILSOFTWARE工具時，項目開發(fā)流程與其他軟件開發(fā)項目的流程極其相似。具體流程如下1創(chuàng)建一個項目從器件庫中選擇目標(biāo)器件配置工具設(shè)置；2用C語言或匯編語言創(chuàng)建源程序；3用項目管理器生成應(yīng)用；4修改源程序中的錯誤；5測試，連接應(yīng)用。42軟件的總體設(shè)計思路首先，單片機(jī)與PC機(jī)之間需要建立通信，因此無線收發(fā)模塊PTR2000需要相應(yīng)的程序支持它工作，最關(guān)鍵的是頻道選擇與控制方式選擇的設(shè)置；單片機(jī)跟傳感器之間有數(shù)據(jù)的交換，因此傳感器DHT11以及MH440方面也需要相應(yīng)的驅(qū)動程序，能順利驅(qū)動傳感器獲得數(shù)據(jù)信息；單片機(jī)還要通過改變輸出腳的電平來控制直流電機(jī)的運(yùn)動方式，因此，L298也需要相應(yīng)的程序運(yùn)行。43主要功能模塊軟件設(shè)計431溫濕度傳感器模塊軟件設(shè)計DHT11的DATA引腳用于微處理器與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，當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展，現(xiàn)讀出為零。操作流程如下一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40BIT，高位先出。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(yàn)和數(shù)據(jù)傳送正確時校驗(yàn)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。用戶MCU發(fā)送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉(zhuǎn)換到高速模式，等待主機(jī)開始信號結(jié)束后，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，送出40BIT的數(shù)據(jù)，并觸發(fā)一次信號采集，用戶可選擇讀取部分?jǐn)?shù)據(jù)。從模式下，DHT11接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機(jī)發(fā)送開始信號，DHT11不會主動進(jìn)行溫濕度采集。采集數(shù)據(jù)后轉(zhuǎn)換到低速模式。通訊過程如圖41所示圖41DHT11的通訊過程圖1總線空閑狀態(tài)為高電平，主機(jī)把總線拉低等待DHT11響應(yīng)，主機(jī)把總線拉低必須大于18毫秒，保證DHT11能檢測到起始信號。DHT11接收到主機(jī)的開始信號后，等待主機(jī)開始信號結(jié)束，然后發(fā)送80US低電平響應(yīng)信號。主機(jī)發(fā)送開始信號結(jié)束后，延時等待2040US后，讀取DHT11的響應(yīng)信號，主機(jī)發(fā)送開始信號后，可以切換到輸入模式，或者輸出高電平均可，總線由上拉電阻拉高。圖42DHT11的通訊過程圖2總線為低電平，說明DHT11發(fā)送響應(yīng)信號，DHT11發(fā)送響應(yīng)信號后，再把總線拉高80US，準(zhǔn)備發(fā)送數(shù)據(jù)，每一BIT數(shù)據(jù)都以50US低電平時隙開始，高電平的長短定了數(shù)據(jù)位是0還是1。格式見下面圖示。如果讀取響應(yīng)信號為高電平，則DHT11沒有響應(yīng)，請檢查線路是否連接正常。當(dāng)最后一位數(shù)據(jù)傳送完畢后，DHT11拉低總線50US，隨后總線由上拉電阻拉高進(jìn)入空閑狀態(tài)。數(shù)字0信號表示方法如圖43所示圖43DHT11數(shù)字0信號表示方法數(shù)字1信號表示方法如圖44所示圖44DHT11數(shù)字1信號表示方法溫濕度傳感器模塊程序流程圖開始初始化單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸命令開始數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)傳輸是否結(jié)束結(jié)束YN圖45溫濕度傳感器模塊程序流程圖432瓦斯?jié)舛葌鞲衅髂K軟件設(shè)計在瓦斯?jié)舛葌鞲衅鱉H440V/D的使用上，我采用了其模擬輸出的通信方式，即將傳感器VCC端接5V，GND端接電源地，VOUT端接ADC的輸入端。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，0420V代表氣體濃度值0滿量程。瓦斯?jié)舛葌鞲衅髂K程序流程圖開始A/D轉(zhuǎn)換芯片接收傳感器模擬信號轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)結(jié)束A/D轉(zhuǎn)換圖46瓦斯?jié)舛葌鞲衅髂K程序流程圖433電機(jī)驅(qū)動模塊軟件設(shè)計采用單片機(jī)以及直流電機(jī)驅(qū)動模塊L298分別控制左、右履帶電機(jī)，前、后擺臂電機(jī)以及攝像機(jī)驅(qū)動電機(jī)的正傳、反轉(zhuǎn)和停止。電機(jī)驅(qū)動模塊程序流程圖開始初始化電機(jī)正轉(zhuǎn)電機(jī)反轉(zhuǎn)置高低邏輯電平置高低反邏輯電平置零YYNN圖47電機(jī)驅(qū)動模塊程序流程圖434無線傳輸模塊軟件設(shè)計本設(shè)計的軟件應(yīng)該包括單片機(jī)端和PC端兩個部分。兩部分軟件相互配合，對各自的PTR2000模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置。PTR2000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(jī)模式設(shè)置。1發(fā)送設(shè)置PTR2000的通信速率最高為20KBIT/S，也可工作在其他速率如4800BIT/S、9600BIT/S下，無需設(shè)置PTR2000的工作速率。在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，應(yīng)將模塊先置于發(fā)射模式，即TXEN1。然后在等待至少5MS后（接收到發(fā)射的轉(zhuǎn)換時間），才可以發(fā)送任意長度的數(shù)據(jù)。發(fā)送結(jié)束后應(yīng)將模塊置于接收狀態(tài)，即TXEN0。發(fā)射到接收的轉(zhuǎn)換時間為5MS。2接收設(shè)置接收時應(yīng)將PTR2000置于