基于單片機的滅火機器人模型的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 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：，對比度可調內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字節顯示數據存儲器DDRAM內建有192個5X7點陣的字型的字符發生器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D0~D7總線，及RS、RW、EN的讀寫使能端。 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，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，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。7805芯片的輸入電壓可以為9V、12V、15V不等，輸出電壓穩定在5V，[10]?；谶@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?，F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（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）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MCS51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MCS51 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：0Hz40Hz三級程序存儲器鎖定128*8位內部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內振蕩器和時鐘電路管腳說明：VCC：供電電壓；GND：接地；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。 P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的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，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內部上拉電阻的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，其管腳被內部上拉電阻拉高，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。這是由于內部上拉的緣故。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，它利用內部上拉優勢，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內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，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RXD串行數據接收TXD串行數據發送INT0外部中斷0請求INT1外部中斷1請求T0定時器/計數器0計數輸入T1定時器/計數器1計數輸入WR外部RAM寫選通RD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。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。ALE/PROG：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。/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儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000HFFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。1XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。1XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。（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24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100 ms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，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。因此需充分利用其內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。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。 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90176。；（2）右邊傳感器有信號時，就停下來再左轉45176。；（3）當左邊傳感器有信號時，小車停下并右轉45176。1602顯示控制程序框圖如圖30所示，液晶的數據接口是P0，每次對液晶的操作必須先拉高EN信號。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 硬件的調試硬件調試主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。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。光電管部分硬件調試：這部分調試主要是檢查測量當光電管檢測到障礙物后的輸出信號。 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。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：，實現小車的左避障、右避障和后退右轉避障；（3）尋火模塊：~，單片機控制電機行進到火源的位置；（4）顯示模塊：在LCD1602上