甲烷檢測機(jī)器人

1、湖 南 科 技 大 學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計（ 論 文 ）題 目作 者學(xué) 院專 業(yè)學(xué) 號指導(dǎo)教師二 年 月 日目錄摘要IIIAbstractIV第一章 緒論11.1課題的背景意義11.2甲烷檢測機(jī)器人的研究前景21.3現(xiàn)場環(huán)境氣體的成分與氣體的爆炸極限21.4國家關(guān)于煤礦安全濃度的規(guī)定31.5甲烷檢測機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)及工作原理介紹：3第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計52.1系統(tǒng)總體設(shè)計方案5系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)62.2.2 系統(tǒng)防爆防潮要求62.2行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動方案72.3電機(jī)驅(qū)動方案72.4顯示方案選擇82.5甲烷檢測方案82.6系統(tǒng)控制芯片選擇92.7 A/D轉(zhuǎn)換芯片選擇92.8避障模塊選擇10第三章 甲烷檢測機(jī)器

2、人硬件設(shè)計113.1單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件設(shè)計113.1.1 AT98C51概述113.1.2 單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)113.2電機(jī)驅(qū)動電路硬件設(shè)計12兩相四線步進(jìn)電機(jī)概述12恒壓恒流橋式2A驅(qū)動芯片L298N工作原理133.3現(xiàn)場氣體數(shù)據(jù)采集模塊14 MQ-214簡介143.3.2 MQ-214工作條件參數(shù)143.3.3 MQ-214典型測量電路15模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片A/D574A與單片機(jī)接口電路163.4甲烷檢測機(jī)器人電源設(shè)計183.5避障模塊硬件設(shè)計18第四章 甲烷檢測機(jī)器人現(xiàn)場控制系統(tǒng)軟件設(shè)計214.1 軟件總流程圖214.2 步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動軟件設(shè)計214.3 現(xiàn)場氣體檢測模塊流程圖224.4 程

3、序調(diào)試23結(jié)論25參考文獻(xiàn)28附錄A29附錄B30摘要甲烷檢測機(jī)器人是將移動機(jī)器人技術(shù)和甲烷檢測技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，實現(xiàn)對固定甲烷氣體源的自動搜索，已經(jīng)成為國內(nèi)外的研究熱門之一。作為智能移動機(jī)器人的一個特殊應(yīng)用，甲烷檢測機(jī)器人比較具體地體現(xiàn)了移動機(jī)器人的多項關(guān)鍵技術(shù)。在具體的實現(xiàn)環(huán)境如煤礦，甲烷生產(chǎn)工廠中都能得到很好的應(yīng)用。因此，甲烷檢測機(jī)器人既具有科研上的挑戰(zhàn)性，又具有廣闊的市場前景。本文在研究了基于MQ-214光化學(xué)傳感器的基礎(chǔ)上，設(shè)計了甲烷檢測模塊，最后設(shè)計出智能甲烷檢測機(jī)器人的硬件電路，該硬件電路實現(xiàn)了對甲烷氣體的采樣，并給出了詳細(xì)的電路設(shè)計方案。此外，以AT89C51的單片機(jī)作為智能搜

4、索機(jī)器人的檢測和控制核心，甲烷檢測模塊將采集到的甲烷信號送到單片機(jī)進(jìn)行處理。電機(jī)驅(qū)動模塊L298N通過使電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止實現(xiàn)小車的移動。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；甲烷檢測；移動機(jī)器人；MQ-214AbstractRobot for Methane Detection unite the Methane Detection technology and robotics organic fusion together to achieve the automatic search of the Methane Detection has been received domestic and forei

5、gn research attention in recent years. From a technical perspective, as a special application of intelligent mobile robot, the robot for Methane Detection more specifically reflect the number of key technologies of mobile robots and has a strong representation. From the perspective of market prospec

6、ts, the Methane Detection system is widely used in teleconferencing,. Therefore, the development of independent research on sound Methane Detection system not only has research challenges, but also has a broad market prospect.First this paper gives the hardware design of s Methane Detection module b

7、ased on MQ-214 Sensor. Finally, the detection of methane intelligent robot designed hardware circuitry, the hardware circuit of the methane gas sample, and gives a detailed circuit design. In addition, AT89C51 microcontroller as the core of detection and control of intelligent search robot, Methane

8、Detection Sensor installed above the car a to collect the Methane signal for SCM processing. The motor drive module L298N makes the motor forward, reverse and stop. Keywords: Microprocessor; Methane Detection; robotics organize; MQ-214 Sensor第一章 緒論1.1課題的背景意義近年來，全國煤氣行業(yè)發(fā)展迅猛，液化氣、天然氣、煤制氣等城市燃?xì)庾鳛榍鍧嵞茉匆言诠ど虡I(yè)

9、和城鎮(zhèn)居民用戶中得到廣泛應(yīng)用，特別是隨著“西氣東輸”工程的快速進(jìn)展，燃?xì)庑袠I(yè)發(fā)展?jié)摿薮?。城市燃?xì)獾钠占芭c應(yīng)用無疑對改善城市的環(huán)境質(zhì)量和提高居民的生活質(zhì)量發(fā)揮了巨大的作用。但是隨著燃?xì)獾膹V泛應(yīng)用，由于燃?xì)庑孤端l(fā)的爆炸、中毒和火災(zāi)事故也時有發(fā)生，這在某種程度上增加了城市的不安全和不穩(wěn)定因素。這些氣體在使用過程中一旦發(fā)生泄漏，且與空氣混合后將會引發(fā)火災(zāi)。由于氣體本身存在的擴(kuò)散性，發(fā)生泄漏之后，在外部風(fēng)力作用下，可燃性氣體會沿地表面迅速擴(kuò)散，擴(kuò)大危害區(qū)域。一旦發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏事故，及時可靠地檢測空氣中可燃?xì)怏w的含量，及時采取有效措施進(jìn)行補(bǔ)救，采取正確的處置方法，減少泄漏引發(fā)的事故，是避免造成重大

10、財產(chǎn)和人員傷亡的必要條件。家庭使用液化氣、燃?xì)獾瓤扇細(xì)怏w作燃料的越來越多，但是這些氣體有害、易爆炸，隱患事故多，如氣體泄漏時不能及時發(fā)現(xiàn)和處理，會給家庭及鄰居帶來災(zāi)難性危害。同時中國煤炭產(chǎn)量高居世界第一，國家一直把煤礦的安全生產(chǎn)作為重中之重，給予高度的關(guān)注。在我國的煤礦生產(chǎn)事故中，瓦斯爆炸，透水事故造成的傷亡和損失成為實現(xiàn)安全生產(chǎn)的最大障礙，及時準(zhǔn)確地檢測瓦斯?jié)舛龋V井的溫度濕度和報告危險在安全生產(chǎn)中具有重要意義1。一方面在我國，煤炭行業(yè)中的瓦斯爆炸事故以及礦井透水事故始終是煤礦安全生產(chǎn)的大敵，目前己成為制約煤礦安全生產(chǎn)的主要因素。因此，實時檢測現(xiàn)場環(huán)境瓦斯氣體的濃度變化、溫濕度的變化對礦井安

11、全運(yùn)行，人身安全及環(huán)境保護(hù)有著十分重要的作用。而目前國內(nèi)礦井中用于環(huán)境檢測的設(shè)備比較落后，這些設(shè)備探測范圍小，反應(yīng)時間長，數(shù)據(jù)傳輸采用有線方式，且具有成本高、功耗高和設(shè)備龐大等特點(diǎn)，不適應(yīng)大多數(shù)煤礦的需求，因此需要研制一種集成化、智能化、小型化、無線化的新型環(huán)境檢測顯示報警設(shè)備，以增強(qiáng)礦井的安全監(jiān)測能力。為了確保礦井的生產(chǎn)安全，防止瓦斯爆炸，國內(nèi)外煤礦研究所在此領(lǐng)域進(jìn)行了很長時間的研究，開發(fā)出很多種類型的環(huán)境檢測儀，但目前已有的現(xiàn)場環(huán)境檢測設(shè)備都普遍存在著體積較大、安裝復(fù)雜、操作不便、智能化程度低等缺點(diǎn)。因此開發(fā)研制便于攜帶、多功能、精度高的環(huán)境檢測小車對促進(jìn)煤炭行業(yè)的安全生產(chǎn)具有重要的現(xiàn)實意

12、義。另一方面隨著天然氣的大量使用,每一座居民大樓都被天然氣所“籠罩”。天然氣的普及給公共生活帶來了極大方便,減少了城市的污染,提高了生活質(zhì)量和效率,但是同時,天然氣也是潛在的“危險品”,一旦發(fā)生大面積泄漏,處置不及時就可能引發(fā)大爆炸,給居民的生命財產(chǎn)安全帶來巨大的威脅。面對燃?xì)庑孤┒斐傻姆N種事故威脅，為使燃?xì)飧玫卦旄Ｓ诿?，造福于社會，減少并杜絕各種因燃?xì)庑孤抖l(fā)的爆炸及火災(zāi)事故我們需要一個解決辦法。使用智能環(huán)境檢測小車是對付燃?xì)鉄o形殺手的重要手段之一2。1.2甲烷檢測機(jī)器人的研究前景據(jù)不完全統(tǒng)計，1998年我國環(huán)境檢測儀器儀表及監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)值僅11.7億元左右，到2005年這一數(shù)值就增加到

13、了42億元，而到2010年將增至110億元，其市場增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同期經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度，環(huán)境檢測設(shè)備行業(yè)已成為環(huán)保產(chǎn)業(yè)新的增長點(diǎn)。隨著環(huán)境監(jiān)管力度的加大，國家要求全國1.8萬個重點(diǎn)污染企業(yè)要逐步安裝在線連續(xù)自動檢測系統(tǒng)。這一領(lǐng)域內(nèi)成熟國產(chǎn)儀器本身就少，而這部分產(chǎn)品的需求量比環(huán)境質(zhì)量檢測設(shè)備的需求量要大得多，其產(chǎn)品主要由污染企業(yè)購買，其潛在的市場有數(shù)十億至數(shù)百億元。當(dāng)前，我國環(huán)境檢測儀器儀表行業(yè)的主要需求集中在：環(huán)境質(zhì)量檢測、污染源檢測和遙感遙測儀器儀表等領(lǐng)域。大氣環(huán)境質(zhì)量檢測儀器及自動監(jiān)測系統(tǒng)、以燃煤電站或鍋爐為代表的煙氣分析儀表監(jiān)控系統(tǒng)；地面水環(huán)境質(zhì)量檢測儀表及監(jiān)控系統(tǒng)；以城市污水處理廠和高濃

14、度有機(jī)廢水為代表的污染源監(jiān)測儀表及自控系統(tǒng)等儀器儀表在我國出現(xiàn)需求漸旺的勢頭3。其中面向礦業(yè)的集成化、智能化、小型化、無線化的新型智能環(huán)境檢測小車報警設(shè)備，增強(qiáng)礦井的安全監(jiān)測能力，以及能更好的滿足我國生產(chǎn),宜居環(huán)境的強(qiáng)烈需求。1.3現(xiàn)場環(huán)境氣體的成分與氣體的爆炸極限瓦斯氣體礦業(yè)開采過程中的一種有害氣體的總稱，它有自己的性質(zhì)和特點(diǎn)，是可以被認(rèn)識的，也是可以被控制和利用的。礦井瓦斯是指從煤體和圍巖中逸出的以及在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的多成分的混合氣體，包括 H2、CO 等氣體。主要成分是甲烷、一氧化碳和二氧化碳、硫化氫等。甲烷是礦井瓦斯的主要成分，是一種無色無味的氣體，不助燃，但當(dāng)與空氣混合到一定濃度時，

15、遇火能燃燒或爆炸，爆炸界限為516%;空氣中甲烷濃度超過40%時，空氣中的氧含量將下降到12%以下，此時空氣與甲烷的混合氣體不再發(fā)生爆炸，但將使人窒息4。瓦斯爆炸須具備3個條件：濃度、濃度及引爆溫度。瓦斯在煤體和圍巖中以游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)存在，一般情況下處于動態(tài)平衡，當(dāng)外界溫度、壓力變化時，幾種狀態(tài)會互相轉(zhuǎn)化，煤層在開采過程中，瓦斯被逸散出來，在井下積聚，造成瓦斯?jié)舛仍黾?，?dāng)濃度達(dá)5%16%時具有爆炸性,濃度為9.5%時，爆炸威力最大，當(dāng)濃度小于5%或大于16%時，一般不會爆炸，遇明火只會燃燒，瓦斯爆炸的上下限是可變的，當(dāng)現(xiàn)場混合氣體的溫度和壓力發(fā)生變化或混入煤塵及其它可燃?xì)怏w時，可影響瓦斯爆

16、炸的上下限，如空氣中的煤塵含量為1012濃度達(dá)到4%時，遇火就會爆炸。要消除引爆火源，必須嚴(yán)禁明電、明火下井，禁止明火放炮，要求井下電器設(shè)備必須防爆。所以控制瓦斯?jié)舛仁欠乐雇咚贡ǖ母?，實時掌握瓦斯?jié)舛葼顩r是煤礦安全的頭等大事。1.4國家關(guān)于煤礦安全濃度的規(guī)定國家煤礦安全規(guī)程對井下各點(diǎn)瓦斯?jié)舛纫?guī)定如下：礦井總回風(fēng)巷或一翼回風(fēng)巷風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸^0.75%，礦總工程師必須立即查明原因，進(jìn)行處理，并報告礦務(wù)局總工程師。 采區(qū)回風(fēng)巷、采掘工作面回風(fēng)巷風(fēng)流中瓦斯?jié)舛瘸^1%時，必須停止工作，撤出人員，并由礦總工程師負(fù)責(zé)采取措施，進(jìn)行處理。 綜合機(jī)械化、水采和煤層厚度小于8米的保護(hù)層的采煤工作面，經(jīng)抽

17、放瓦斯和增加風(fēng)量已達(dá)到最高允許風(fēng)速后，其回風(fēng)巷風(fēng)流中瓦斯?jié)舛热圆荒芙档偷?%以下時，經(jīng)礦務(wù)局局長批準(zhǔn)，瓦斯?jié)舛茸罡卟坏贸^1.5%，并應(yīng)符合下列要求：工作面的風(fēng)流控制必須可靠；通風(fēng)巷必須保持設(shè)計斷面；必須制定安全措施，配有專職瓦斯檢查員并安設(shè)瓦斯自動檢測報警、斷電裝置。采掘工作面風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1%時，必須停止用電鉆打眼;放炮地點(diǎn)附近20 米以內(nèi)風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1%時，嚴(yán)禁放炮。采掘工作面風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1.5%時，必須停止工作，撤出人員，切斷電源，進(jìn)行處理;電動機(jī)或其開關(guān)地點(diǎn)附近20米以內(nèi)風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1.5%時，必須停止運(yùn)轉(zhuǎn)，撤出人員，切斷電源，進(jìn)行處理5。 采掘工作面內(nèi)，體積

18、大于0.5立方米的空間，局部積聚瓦斯?jié)舛冗_(dá)到2%時，附近20米內(nèi)，必須停止工作，撤出人員，切斷電源，進(jìn)行處理。 綜合機(jī)械化采掘工作面，應(yīng)在采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)上安設(shè)機(jī)載式斷電儀，當(dāng)其附近瓦斯?jié)舛冗_(dá)到1%時報警，達(dá)到1.5%時必須停止工作，切斷采煤機(jī)和掘進(jìn)機(jī)的電源。1.5甲烷檢測機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)及工作原理介紹：甲烷檢測機(jī)器人控制部分，采用AT89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，進(jìn)行數(shù)學(xué)邏輯運(yùn)算、對瓦斯傳感器、溫度傳感器模塊、避障模塊送來的信號進(jìn)行處理，通過模擬SPI總線連接NRF2401將經(jīng)過處理的信號發(fā)送到遠(yuǎn)程的手持單片機(jī)，以此同時現(xiàn)場的單片機(jī)通過接收到的遠(yuǎn)程的遙控信號控制前兩輪驅(qū)動的小車行進(jìn);紅外

19、避障模塊,通過紅外一體化接收頭接收紅外線檢測障礙物位置，進(jìn)而調(diào)整小車的轉(zhuǎn)向！第二章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計為了更好地實現(xiàn)無線遙控智能環(huán)境檢測小車的功能本章主要進(jìn)行系統(tǒng)的總體分析，根據(jù)要實現(xiàn)的功能，綜合比較幾種設(shè)計方法，提出了實現(xiàn)系統(tǒng)功能的最佳方案。2.1系統(tǒng)總體設(shè)計方案本設(shè)計采用甲烷傳感器MQ214、溫濕度傳感器DHT11、無線收發(fā)芯片NRF2401、避障模塊、數(shù)碼顯示模塊與單片機(jī)智能控制相結(jié)合的技術(shù),對現(xiàn)場環(huán)境的甲烷濃度、空氣溫度、空氣濕度、障礙物位置進(jìn)行實時拾取，并把相關(guān)環(huán)境信息送入單片機(jī),通過單片機(jī)CPU 運(yùn)算處理后,再發(fā)出相應(yīng)的控制指令,由現(xiàn)場的NRF2401無線收發(fā)模塊發(fā)送到手持的NRF2

20、401接收器中并且送給單片機(jī)進(jìn)行處理，在控制數(shù)碼管顯示現(xiàn)場采集到的甲烷濃度、溫濕度信號，同時手持的控制系統(tǒng)通過按鍵產(chǎn)生控制信號，按鍵信號通過NRF2401發(fā)送到現(xiàn)場控制小車最終實現(xiàn)小車往返，轉(zhuǎn)彎，減速行駛，全速前進(jìn)等功能,以達(dá)到設(shè)計目的。采用智能化方案具有軟件編程靈活性、運(yùn)算控制精確度高、自由度大、可靠性高、電路簡單、體小量輕、成本低、功能易于擴(kuò)展，顯示直觀,智能化程度高等優(yōu)點(diǎn)。為此，采用基于AT89C51智能化方案6?，F(xiàn)場控制系統(tǒng)溫濕度檢測模塊電機(jī)驅(qū)動模塊無線收發(fā)模塊瓦斯檢測模塊避障模塊手持控制系統(tǒng)顯示模塊無線收發(fā)模塊按鍵系統(tǒng)總體框圖如下：圖2-1 無線智能環(huán)境檢測小車體系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)技術(shù)

21、指標(biāo)無線智能環(huán)境檢測小車主要完成數(shù)據(jù)采集、避障處理和無線傳輸，瓦斯?jié)舛取F(xiàn)場環(huán)境溫濕度功能，并且具有體積小、攜帶方便、多功能、精度高等特點(diǎn)，其具體技術(shù)指標(biāo)上的要求如下表：表2-1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)表指標(biāo)項目無線智能環(huán)境檢測小系統(tǒng)性能指標(biāo)應(yīng)用環(huán)境煤礦氣體溫濕度檢測環(huán)境工作溫度范圍-20+70C檢測對象甲烷氣體空氣溫濕度環(huán)境下作濕度范圍<95%RH檢測范圍甲烷0.12%濕度測量范圍2090RH靈敏度0.6%溫度測量范圍050響應(yīng)時間<30s工作電壓范圍功耗150mw工作電流平均0.5mA2.2.2 系統(tǒng)防爆防潮要求 煤礦井下工作環(huán)境特殊，空間狹窄，溫度高，濕度大，有易燃易爆的瓦斯以及煤塵，

22、所以，煤礦環(huán)境檢測設(shè)備同一般電器設(shè)備有較大的區(qū)別。這就對煤礦檢測設(shè)備有特殊要求，如體積要小，易于搬運(yùn)、堅固、防潮、防水、防爆。屬于煤礦安全標(biāo)志管理目錄內(nèi)的礦用產(chǎn)品應(yīng)有安全標(biāo)志，電氣設(shè)備必須符合防爆要求，應(yīng)有接地、過流、漏電保護(hù)裝置。隔爆型儀表的主要特點(diǎn)是有一個可靠的隔爆外殼，它將把可能產(chǎn)生火花和危險溫度的儀表傳感器、電阻電路及接線端子等，都放在隔爆外殼里，達(dá)到外殼內(nèi)可能發(fā)生的爆炸不影響周圍的易燃易爆物質(zhì)，它的設(shè)計方法與隔爆型電器和電機(jī)基本相似。隔爆型儀表設(shè)計必須注意如下幾個方面：根據(jù)車體的特點(diǎn)，專門設(shè)計與智能環(huán)境檢測小車結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的外殼，達(dá)到既不損害檢測設(shè)備原有使用特征又經(jīng)濟(jì)合理的外殼，外殼腔

23、內(nèi)有細(xì)長通道，避免腔內(nèi)發(fā)生壓力重疊現(xiàn)象,外殼的材質(zhì)采用新型的工程塑料和優(yōu)質(zhì)輕合金，結(jié)構(gòu)輕巧。隔爆型智能環(huán)境檢測小車儀表設(shè)計帶有接線盒的隔爆外殼，且接線盒的防爆類型為隔爆型。由于隔爆型儀表具有低電壓、小電流特點(diǎn)，隔爆型儀表的主腔和接線盒貫通部分，可以盡量采取橡膠密封結(jié)構(gòu)，使隔爆型儀表結(jié)構(gòu)簡單，加工方便。2.2行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動方案作為無線智能環(huán)境檢測小車的行走驅(qū)動機(jī)構(gòu)可以采用普通電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)作為動力。以下為二者的應(yīng)用原理以及應(yīng)用方法的優(yōu)越性能分析： 方案一：普通電機(jī)普通直流電動機(jī)具有調(diào)速性能好、起動容易、能夠載重起動等優(yōu)點(diǎn)，直流電動機(jī)因其轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)比較靈活，方法簡單，易于大范圍平滑調(diào)速，控制性能好等特

24、點(diǎn)，一直在傳動領(lǐng)域占有統(tǒng)治地位。它廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人等工廠自動化設(shè)備中。調(diào)速采用單片機(jī)通過程序控制輸出占空比可調(diào)的PWM波控制驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)，實現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。方案二：步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，它實際上是一種單相或多相同步電動機(jī)。單相步進(jìn)電動機(jī)有單路電脈沖驅(qū)動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動。多相步進(jìn)電動機(jī)有多相方波脈沖驅(qū)動，用途很廣。步進(jìn)電機(jī)的特點(diǎn)：一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的3-5%，角位移與輸入脈沖個數(shù)嚴(yán)格成正比，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性。步進(jìn)電機(jī)的動態(tài)響應(yīng)快，易于啟停，正反轉(zhuǎn)及變速。步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制

25、系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)的措施。經(jīng)以上分析比較采用步進(jìn)精度高的兩相四線步進(jìn)電機(jī)，作為行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動動力。2.3電機(jī)驅(qū)動方案電動機(jī)驅(qū)動模塊可以采用的方法有分立元件組成的橋驅(qū)動電路，以及集成驅(qū)動芯片。H橋式驅(qū)動電路包括四個三極管和一個電動機(jī)，要使電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管根據(jù)不同對三極管的導(dǎo)通而控制電機(jī)轉(zhuǎn)向。下為二者比較：方案一：集成驅(qū)動芯片采用專門的電機(jī)驅(qū)動芯片L298 N，L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應(yīng)頻率高，靜態(tài)電流小，輸出電流大，電路簡單，散熱效果好，不容易燒壞，而且還帶有控制使能端。具有以下特點(diǎn)：1、具有信號指示，2、轉(zhuǎn)速可調(diào)， 3、抗干擾能力強(qiáng)，4、具

26、有續(xù)流保護(hù)5、可單獨(dú)控制兩臺直流電機(jī)，6、可單獨(dú)控制一臺步進(jìn)電機(jī)，7、PWM脈寬平滑調(diào)速（可使用PWM信號對直流電機(jī)調(diào)速）8、可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)9、采用光電隔離。采用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。方案二：分立元件組成驅(qū)動電路用三極管分立元件來驅(qū)動，用分立元件電路較復(fù)雜，靜態(tài)電流較大，需要調(diào)試參數(shù)，功率小，散熱性能差，飽和導(dǎo)通壓降小。但是對于直流電機(jī)用分立元件構(gòu)成驅(qū)動電路。由分立元件構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動電路，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，在實際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。經(jīng)過比較，我們發(fā)現(xiàn)使用分立元件組成驅(qū)動H橋電路需要相應(yīng)的功率管驅(qū)動電路與之配套，雖然功率較大，但電路復(fù)雜不符合本

27、次應(yīng)用的要求，故本系統(tǒng)采用集成電機(jī)驅(qū)動芯片L298N。2.4顯示方案選擇LED數(shù)碼顯示屏。LED就是light emitting diode ，發(fā)光二極管的英文縮寫，簡稱LED。它是一種通過控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，用來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。LED顯示屏按顯示器件可分為LED數(shù)碼顯示屏和LED點(diǎn)陣圖顯示屏。其中，LED數(shù)碼顯示屏為八段數(shù)碼管，適于制作時鐘屏、利率屏等，顯示數(shù)字的電子顯示屏。LED數(shù)碼管顯示的優(yōu)點(diǎn)：單片機(jī)對其進(jìn)行編程控制簡單，數(shù)碼管亮度夠，功耗小，小型化，壽命長，耐沖擊和性能穩(wěn)定7。缺點(diǎn)：數(shù)碼管的顯示符號單一，僅為09和幾個字

28、母；當(dāng)需要顯示的內(nèi)容較多時，需要用到較多的數(shù)碼管，對于單片機(jī)對其進(jìn)行控制時，會浪費(fèi)I/O口的資源。2.5甲烷檢測方案由于氣體傳感器的類繁多，有半導(dǎo)體是的氣體傳感器以及催化燃燒室氣體傳感器，以下為氣體傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)比較分析：方案一：半導(dǎo)體式氣體傳感器它是利用一些金屬氧化物半導(dǎo)體材料，一定溫度下，電導(dǎo)率隨環(huán)境氣體成份變化而變化原理制造。半導(dǎo)體式氣體傳感器可以有效用于：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、酒精、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔、氯乙烯、苯乙烯、丙烯酸等很多氣體檢測。尤其是，這種傳感器成本低廉，適宜于民用氣體檢測需求。缺點(diǎn)：穩(wěn)定性較差，受環(huán)境影響較大；尤其，每一種傳感器選擇性都唯一，輸出參數(shù)能

29、確定。MQ-214可燃性氣體傳感器作為半導(dǎo)體甲烷傳感，MQ-214可燃性氣體傳感器作為甲烷傳感，是催化氧化型的一種氣體傳感器，具有抗氣體干擾能力強(qiáng)、選擇性好、反應(yīng)速度快、靈敏度高、線性和穩(wěn)定性好、功耗低、壽命長、體積小等特點(diǎn)。適用于煤礦井下作業(yè)環(huán)境測量空氣中的甲烷氣體濃度。方案二：催化燃燒式氣體傳感器這種傳感器是白金電阻表面制備耐高溫催化劑層，一定溫度下，可燃性氣體其表面催化燃燒，燃燒是白金電阻溫度升高，電阻變化，變化值是可燃性氣體濃度函數(shù)。催化燃燒式氣體傳感器選擇性檢測可燃性氣體：凡是可以燃燒的氣體，都能夠檢測；凡是不能燃燒，傳感器都沒有任何響應(yīng)。催化燃燒式氣體傳感器計量準(zhǔn)確，響應(yīng)快速，壽命

30、較長。傳感器輸出與環(huán)境爆炸危險直接相關(guān)，安全檢測領(lǐng)域是一類主導(dǎo)位傳感器。 缺點(diǎn)：可燃性氣體范圍內(nèi)，無選擇性。暗火工作，有引燃爆炸危險。由于大部分元素有機(jī)蒸汽對傳感器都有中毒作用，所以該傳感器容易失靈。經(jīng)過分析比較選擇針對性強(qiáng)的半導(dǎo)體式氣體傳感器MQ-214。2.6系統(tǒng)控制芯片選擇隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)因具有集成度高、體積小、速度快、價格低等特點(diǎn)而在許多領(lǐng)域如過程控制、數(shù)據(jù)采集、機(jī)電一體化、智能化儀表、家用電器以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等方面得到廣泛應(yīng)用。從而使這些領(lǐng)域的技術(shù)水平、自動化程度。其中最為著名的當(dāng)數(shù)INTEL公司生產(chǎn)的MCS-51系列單片機(jī)。由于51系列在我國使用最廣且該系列的資料和能夠兼容

31、的外圍芯片也比較多，特別是ATMEL公司推出的AT89C51單片機(jī)，其具有較高的性能價格比和較高的抗干擾能力。AT89C51單片機(jī)是ATMEL公司89系列單片機(jī)中的一種，它現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制等各領(lǐng)域，是80C51的增強(qiáng)型并且指令完全兼容8。其工作溫度范圍寬，能夠適應(yīng)礦井下惡劣的環(huán)境，且具有較高的可靠性，和抗干擾能力，所以此處選用此單片機(jī)作為控制器。2.7 A/D轉(zhuǎn)換芯片選擇A/D轉(zhuǎn)換器（ADC）的作用就是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，以便于計算機(jī)進(jìn)行處理。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，A/D轉(zhuǎn)換器的新設(shè)計思想和制造技術(shù)層出不窮。為了滿足各種不同的檢測及控制任務(wù)的需要，大量結(jié)構(gòu)不同、性能各異的

32、A/D轉(zhuǎn)換器芯片應(yīng)運(yùn)而生。對于A/D轉(zhuǎn)換芯片可以采用ADC0809以及美國數(shù)模公司的AD574A。下面對二者進(jìn)行比較分析：采用ADC0809是采樣分辨率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。采用AD574A是美國模擬數(shù)字公司(Analog)推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個完整的A/D轉(zhuǎn)換器。由于AD574A具有外接元件少，功耗低

33、，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，所以選擇AD574A芯片。2.8避障模塊選擇方案一：采用超聲波避障，超聲波受環(huán)境影響較大，電路復(fù)雜，而且地面對超聲波的反射，會影響系統(tǒng)對障礙物的判斷。方案二：采用紅外線避障，利用單片機(jī)來產(chǎn)生38KHz信號對紅外線發(fā)射管進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，發(fā)射出去的紅外線遇到避障物時反射回來，紅外線接收管對反射回來信號進(jìn)行解調(diào)，輸出比較電平。外界對紅外信號的干擾比較小，且易于實現(xiàn)，價格也比較便宜，故采用方案二。第三章 甲烷檢測機(jī)器人硬件設(shè)計為了更好的實現(xiàn)無線智能環(huán)境檢測現(xiàn)場的功能，根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，本章進(jìn)行了設(shè)計，涉及單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)，MQ214傳感器、DHT1

34、1溫濕度、紅外避障模塊、無線發(fā)射模塊的硬件設(shè)計。3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1.1 AT98C51概述AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。同時AT89C51的時鐘頻率可以為零，即具備可用軟件設(shè)置的睡眠省電功能，系統(tǒng)的喚醒方式有RAM、定時/計數(shù)器、串行口

35、和外中斷口，系統(tǒng)喚醒后即進(jìn)入繼續(xù)工作狀態(tài)。省電模式中，片內(nèi)RAM將被凍結(jié)，時鐘停止振蕩，所有功能停止工作，直至系統(tǒng)被硬件復(fù)位方可繼續(xù)運(yùn)行。3.1.2 單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng),是指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。 一般對51系列單片機(jī)來說，單片機(jī)+晶振電路+復(fù)位電路便組成了一個最小應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)內(nèi)部具有一個高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器。通常在引腳XTALl1和XTAL2跨接石英晶體和兩個補(bǔ)償電容構(gòu)成自激振蕩器，系統(tǒng)時鐘電路結(jié)構(gòu)如下圖：圖3-1 系統(tǒng)時鐘電路原理圖單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)采用上電自動復(fù)位和手動按鍵復(fù)位兩種方式實現(xiàn)系統(tǒng)的復(fù)位操作。上電復(fù)位要求接通

36、電源后，自動實現(xiàn)復(fù)位操作。手動復(fù)位要求在電源接通的條件下，在單片機(jī)運(yùn)行期間，用按鈕開關(guān)操作使單片機(jī)復(fù)位。復(fù)位電路結(jié)構(gòu)如下圖所示。上電自動復(fù)位通過電容充電來實現(xiàn)。手動按鍵復(fù)位是通過按鍵將電阻R2與VCC接通來實現(xiàn)。圖3-2 系統(tǒng)復(fù)位電路原理圖3.2電機(jī)驅(qū)動電路硬件設(shè)計兩相四線步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的機(jī)電元件，它實際上是一種單相或多相同步電動機(jī)。單相步進(jìn)電動機(jī)有單路電脈沖驅(qū)動，輸出功率一般很小，其用途為微小功率驅(qū)動。多相步進(jìn)電動機(jī)有多相方波脈沖驅(qū)動，用途很廣。正常情況下，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度和輸入的脈沖數(shù)成正比；連續(xù)輸入一定頻率的脈沖時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈

37、沖的頻率保持嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，不受電壓波動和負(fù)載變化的影響。由于步進(jìn)電動機(jī)能直接接收數(shù)字量的輸入，所以特別適合于微機(jī)控制。同時一下優(yōu)缺點(diǎn)：1、不需要反饋，控制簡單。2、與微機(jī)的連接、速度控制（啟動、停止和反轉(zhuǎn)）及驅(qū)動電路的設(shè)計比較簡單。3、沒有角累積誤差。4、停止時也可保持轉(zhuǎn)距。5、沒有轉(zhuǎn)向器等機(jī)械部分，不需要保養(yǎng)，故造價較低。6、即使沒有傳感器，也能精確定位。7、根椐給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉(zhuǎn)動。但是，這種電機(jī)也有自身的缺點(diǎn)。8、難以獲得較大的轉(zhuǎn)矩9、不宜用作高速轉(zhuǎn)動10、在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。11、超過負(fù)載時會破壞同步，工作時會發(fā)出振動和噪聲。恒壓恒流橋式2A驅(qū)動芯片L

38、298N工作原理L298N是SGS公司的產(chǎn)品，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動電路?？梢苑奖愕尿?qū)動兩個直流電機(jī)，或一個兩相步進(jìn)電機(jī)。L298N芯片可以驅(qū)動兩個二相電機(jī)，也可以驅(qū)動一個四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接457 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為2546 V。輸出電流可達(dá)2 A，可驅(qū)動電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L

39、298N可驅(qū)動2個電動機(jī)，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之間可分別接電動機(jī)，本實驗裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機(jī)9。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。EnA，EnB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。內(nèi)部原理圖如下所示：圖3-3 L298N內(nèi)部原理圖圖3-4 L298N控制兩相四線步進(jìn)電機(jī)原理圖3.3現(xiàn)場氣體數(shù)據(jù)采集模塊3.3.1 MQ-214簡介MQ-214可燃性氣體傳感器由兩個引腳構(gòu)成，一正一負(fù)，正端接6V電源，此電源要求有較高穩(wěn)定性，否則對測量結(jié)果會產(chǎn)生誤差。負(fù)端串接一電阻后，通過其在不同的瓦斯氣體中的電阻值的變化來確定瓦斯?jié)舛鹊拇笮?，是催化氧化型的一種氣體傳感器，具有

40、抗氣體干擾能力強(qiáng)、選擇性好、反應(yīng)速度快、靈敏度高、線性和穩(wěn)定性好、功耗低、壽命長、體積小等特點(diǎn)。3.3.2 MQ-214工作條件參數(shù)表3-1標(biāo)準(zhǔn)工作條件表符號參數(shù)名稱技術(shù)條件備注V回路電壓6V±0.1VDCRH取樣電阻50±1室溫PH功耗約150毫瓦表3-2 環(huán)境條件符號參數(shù)名稱技術(shù)條件備注Tao使用溫度-1050Tas儲存溫度-2070RH相對濕度小于95% RHO2氧氣濃度21%(標(biāo)準(zhǔn)條件)氧氣濃度會影響靈敏度特性表3-3 靈敏度特性符號參數(shù)名稱技術(shù)參數(shù)備注Rs敏感體表面電阻20-100(5000ppm甲烷)探測濃度范圍500ppm-10000ppm液化氣和丙烷1000

41、ppm-20000ppm 甲烷500ppm-10000ppm 氫氣(5000/3000)甲烷濃度斜率0.6標(biāo)準(zhǔn)工作條件溫度： 20±2 Vc:6V±0.1相對濕度： 65%±5%預(yù)熱時間不少于24s3.3.3 MQ-214典型測量電路圖3-5 MQ-214測量電路MQ-214氣敏元件對不同種類、不同濃度的氣體有不同的電阻值。 因此，在使用此類型氣敏元件時，靈敏度的調(diào)整是很重要的。此處使用1000ppm液化氣或5000ppm甲烷校準(zhǔn)傳感器。設(shè)計采用用AT89C51的P2.5口，當(dāng)?shù)竭_(dá)加熱或恢復(fù)時間后，由CH4_IN端輸入的控制電平，切換2種工作狀態(tài)。信號采集及調(diào)理電

42、路圖如圖3-4-1所示。圖圖3-4-1中，T2是瓦斯傳感器MQ-214，當(dāng)CH4_IN輸入低電平時，處于加熱狀態(tài)，加熱通路為T2、Q1、R4。加熱時，加熱電路串入51電阻，以限制通過傳感器的電流。MQ-214的加熱電阻為20100，因此，T2第2腳的電壓最大為51/(51+20)×64.32V，最小為51/(51+100)×62V； 選擇A/D轉(zhuǎn)換器AD574A的最高輸入電壓為10V的模擬輸入端，范圍為010V，為了使調(diào)理電路輸出電壓在合理的范圍內(nèi)，電路使用了反向放大2倍的放大電路；同時，為了保持相位與輸入信號相同，在后一級使用反向放大倍數(shù)為1的放大器。因此，輸入A/D轉(zhuǎn)換

43、器的電壓范圍是48.64V。當(dāng)控制電平端輸入高電平時，電路處于恢復(fù)狀態(tài)(Q1三極管關(guān)斷)，輸入電壓略小于3V10。整個電路的輸出電壓與瓦斯傳感器電阻之間的運(yùn)算關(guān)系如下式所示。 其測量電路如下圖所示。圖3-6 數(shù)據(jù)采集調(diào)理電路3.3.4模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片A/D574A與單片機(jī)接口電路AD574A是美國模擬數(shù)字公司(Analog)推出的單片高速12位逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點(diǎn)，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容器件即可構(gòu)成一個完整的A/D轉(zhuǎn)換器。接口電路如下：圖3-7 AD574A與單片機(jī)連接原理圖圖3-7是AT

44、89C51單片機(jī)與AD574A 的接口電路，其中還使用了三態(tài)鎖存器74LS373 和74LS00 與非門電路，邏輯控制信號由AT89C51的數(shù)據(jù)口P0發(fā)出，并由三態(tài)鎖存器74LS373 鎖存到輸出端Q0、Q1 和Q2 上，Q0、Q1、Q2分別連接到AD574A的CS、A0和R/C端，用于控制AD574A 的工作過程。AD 轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出也通過P0口數(shù)據(jù)總線連至AT89C51，由于我們只使用了8 位數(shù)據(jù)口，12 位數(shù)據(jù)分兩次讀進(jìn)AT89C51，所以當(dāng)AT89C51的P2.0 查詢到STS 端轉(zhuǎn)換結(jié)束信號后，先將轉(zhuǎn)換后的12 位A/D 數(shù)據(jù)的高8 位讀進(jìn)單片機(jī)，然后再將低4 位讀進(jìn)單片機(jī)。這里不

45、管AD574A 是處在啟動、轉(zhuǎn)換和輸出結(jié)果，使能端CE 都必須為1，因此將AT89C51的寫控制線和讀控制線通過與非門74LS00 與AD574A 的使能端CE 相連11。在A/D574A中使用CE：芯片允許信號，高電平有效。只有CS和CE同時有效，AD574A才能工 作。RC讀出或轉(zhuǎn)換控制信號，用于控制ADC574A是轉(zhuǎn)換還是讀出。當(dāng)為低電平時，啟動AD轉(zhuǎn)換；當(dāng)為高電平時，將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出。128：數(shù)據(jù)輸出方式控制信號。當(dāng)為高電平時，輸出數(shù)據(jù)為12位；當(dāng)為 低電平時，數(shù)據(jù)是作為兩個8位字輸出。A0轉(zhuǎn)換位數(shù)控制信號。當(dāng)為高電平是，進(jìn)行8位轉(zhuǎn)換，為低電平進(jìn)行12位轉(zhuǎn)換。在CE=1、CS =0同時滿

46、足時，AD574A才會正常工作，在AD574處于工作狀態(tài)時，當(dāng)RC =0時A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng) RC=1是進(jìn)行數(shù)據(jù)讀出。 A0端用來控制啟動轉(zhuǎn)換的方式和數(shù)據(jù)輸出格式。A0=0時，啟動的是按完整12位數(shù)據(jù)方式進(jìn)行的。當(dāng)A0=1時，按8位A/D轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行12。A0和RC 控制數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)的格式。當(dāng)128 =1時，數(shù)據(jù)以12位并行輸出，當(dāng) 128=0時，數(shù)據(jù)以8位分兩次輸出。而當(dāng)A0=0時，輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的高8位，A0=1時輸出A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的低4位，這四位占一個字節(jié)的高半字節(jié)，低半字節(jié)補(bǔ)零。3.4甲烷檢測機(jī)器人電源設(shè)計根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境含有大量的可燃性氣體不宜引入潛在危險的高壓電源，為了安全起見現(xiàn)場部分電源設(shè)

47、計采用南孚電池組成的18V經(jīng)過變壓穩(wěn)壓之后形成15V，6V，5V, 3V電壓給系統(tǒng)供電，電路設(shè)計下圖：圖3-8 現(xiàn)場檢測系統(tǒng)電源原理圖用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元器件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負(fù)9V。在實際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當(dāng)然小功率的條件下不用）。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。當(dāng)制作中需要一個能輸出1.5A以上電流的穩(wěn)壓電源，通常采

48、用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來，使其最大輸出電流為N個1.5A，但應(yīng)用時需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同一廠家、同一批號的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致13。另外在輸出電流上留有一定的余量，以避免個別集成穩(wěn)壓電路失效時導(dǎo)致其他電路的連鎖燒毀。在三端固定集成穩(wěn)壓器的應(yīng)用過程中，輸入與輸出之間的電壓不能超過3 V。三端固定集成穩(wěn)壓器前端電容的作用為：用來抵消輸入端接線較長時的電感效應(yīng)，防止自激振蕩，即用改善波形。電容值范圍：0.1-1UF。三端固定集成穩(wěn)壓器后端電容的作用為：為了瞬時增減伏在電路時，不致引起輸出電壓的較大波動，即用來改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。電容值為：1uF。3.5避障模塊硬件設(shè)計紅外線避障方

49、法，利用一管發(fā)射另一管接收，接收管對外界紅外線的接收強(qiáng)弱來判斷障礙物的遠(yuǎn)近，由于紅外線受外界可見光的影響較大，因此通過調(diào)制信號產(chǎn)生38KHz的載波來減少外界的一些干擾。只要障礙物在限定范圍內(nèi)就會產(chǎn)生相對的電平供單片機(jī)控制，實現(xiàn)避障功能。紅外線避障電路是小汽車的“眼睛”，其性能的好壞和抗干擾能力的強(qiáng)弱，就定了避障的準(zhǔn)確性和靈活性。由于紅外線受外界可見光的影響較大，因此用250Hz的信號對38KHz的載波進(jìn)行調(diào)制，這樣能減少外界的一些干擾14。 接收管采用HS0038型號，輸出TTL電平，有利于單片機(jī)對信號的處理。避障電路采用紅外線發(fā)射與接收原理，利用單片機(jī)產(chǎn)生250HZ、 38KHz信號，并利用

50、單片機(jī)的中斷對紅外線發(fā)射管進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，發(fā)射距離遠(yuǎn)近由RW調(diào)節(jié)，由于本設(shè)計的小汽車行駛速度較快，所以調(diào)節(jié)避障距離為20CM左右。發(fā)射出去的紅外線遇到避障物的時候反射回來，紅外線接收管對反射回來信號進(jìn)行解調(diào)，輸出TTL電平。利用單片機(jī)的中斷系統(tǒng)，在遇障礙物時控制電機(jī)并使小車轉(zhuǎn)彎。如圖3-9所示AT89C51紅外發(fā)射頭紅外接收頭 圖3-9 紅外避障原理示意圖1、紅外線發(fā)射部分紅外線發(fā)射電路通過單片機(jī)的控制，輸出調(diào)制信號向前方發(fā)射，如果遇到障礙物后，紅外光線被障礙物返回，被紅外接收頭接收，在其3腳輸出250HZ方波信號，而其3腳和單片機(jī)的ITN0連接在一起，故當(dāng)遇到障礙物后，會給單片機(jī)一個外部中斷0

51、信號，通過外部中斷0程序，來控制小汽車的左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)。從而實現(xiàn)避障功能15。圖3-10所示為紅外線發(fā)射原理圖。P2.1輸入的是250HZ的方波，P2.0輸入的是38K的載波，D0處發(fā)射的就是調(diào)制好的發(fā)射信號。圖3-10 紅外發(fā)射原理圖2、紅外線接收部分紅外線接收頭在沒有接收到紅外信號時，INT0輸出高電平，單片機(jī)不中斷。在接收到信號時輸出低電平，單片機(jī)中斷。接收頭采用HS0038A2型一體化接收探頭，其內(nèi)部集成了輸入部分、自動增益控制部分、控制電路、帶通濾波器和解調(diào)電路 。 第四章 甲烷檢測機(jī)器人現(xiàn)場控制系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 軟件總流程圖我設(shè)計的軟件總流程圖如圖4-1：開始傳感器初始化數(shù)據(jù)處理電

52、機(jī)驅(qū)動結(jié)束圖4-1 軟件總框圖顯示傳感器的初始化，初始化傳感器后，傳感器處于運(yùn)行狀態(tài)，實時地把采集到的信息返回給單片機(jī)，由單片機(jī)對不同濃度的方向選擇調(diào)整方向，方向的調(diào)整由電機(jī)控制。4.2 步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動軟件設(shè)計根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的工作電壓波形圖可以得到步進(jìn)電機(jī)的輸出字表，顯然要控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)想低位口和高位口送輸出字即可，若要控制步進(jìn)電機(jī)發(fā)轉(zhuǎn)的按相反地順序送控制。Code unsigned char runz8=0x05,0x01,0x09,0x08,0x0a,0x02,0x06,0x04; /兩相四線八拍工作方式，正轉(zhuǎn)數(shù)組code unsigned char runf8=0x04,0x06,0x

53、02,0x0a,0x08,0x09,0x01,0x05; /兩相四線八拍工作方式，反轉(zhuǎn)數(shù)組4.3 現(xiàn)場氣體檢測模塊流程圖傳感器初始化開始單片機(jī)P2.1置1MQ214加熱30S數(shù)據(jù)采集單片機(jī)P2.1置0傳感器恢復(fù)45S根據(jù)MQ-214數(shù)據(jù)手冊規(guī)定，加熱電壓為+6V，瓦斯測量單元的工作是周期性的加熱30s后進(jìn)行測量，然后經(jīng)過45s進(jìn)行恢復(fù)，因此電路具有“6V電壓加熱”和“自然恢復(fù)”2種狀態(tài)。因此現(xiàn)場系統(tǒng)控制檢測模塊流程圖如下圖：圖4-2 MQ214傳感器檢測流程圖MQ214傳感器檢測子程序：#include<reg51.h> #define uchar unsigned charsbi

54、t P2_1=P21void delay(i)/延時函數(shù) ucharj,k; for(j=0;j<i;j+) for(k=0;k<250;k+); Main()uchar i;P2_1=0; /控制初始化置為低電平doP2_1=1;void delay(30);/30秒MQ214加熱void delay（10）;/A/D574A讀取模擬量P2_1=0;void delay(45);/ MQ-214恢復(fù)時間為45秒a=1;While(a)/循環(huán)檢測現(xiàn)場氣體濃度4.4 程序調(diào)試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

55、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16。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。 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。KEILC51標(biāo)準(zhǔn)C編譯器為80C51微控制器的軟件開發(fā)提供了C語言環(huán)境,同時保留了匯編代碼高效,快速的特點(diǎn)。C51編譯器的功能不斷增強(qiáng)，更加貼近CPU本身，及其它的衍生產(chǎn)品。C51已被完全集成到uVision4的集成開

56、發(fā)環(huán)境中，這個集成開發(fā)環(huán)境包含：編譯器，匯編 器，實時操作系統(tǒng)，項目管理器，調(diào)試器。UVision4IDE可為它們提供單一而靈活的開發(fā)環(huán)境17。      程序調(diào)試的步驟(1) 源文件的建立：使用菜單 “File-New”或者點(diǎn)擊工具欄的新建文件按鈕，即可在項目窗口的右側(cè)打開一個新的文本編輯窗口，在該窗口中輸入?yún)R編語言源程序。保存該文件，加上擴(kuò)展名（.c），這里將文件保存為CH4.c。（2）建立工程文件：點(diǎn)擊“Project-New Project”菜單，出現(xiàn)一個對話框，要求給工程起一個名字，我們輸入CH4,不需要擴(kuò)展名，點(diǎn)擊保存按鈕，出現(xiàn)第二個對話框。這個對話框要求選擇目標(biāo)CPU（即我們所使用的芯片型號AT89C51）點(diǎn)擊ATMEL前面的“+”號，展開該層，點(diǎn)擊其中的89C51，然后點(diǎn)擊確定按鈕。回到主界面，此時，在工程窗口的文件頁中，出現(xiàn)了“Targ et1”，前面有 “+”號，點(diǎn)擊“+”展開，可以看到下一層的“Source Group1”,這時的工程還是一個空工程，里面什么文件也沒有，需要手動把剛才編寫好的源程序加入，點(diǎn)擊“Sou