甲烷检测机器人

1、湖 南 科 技 大 学毕 业 设 计（ 论 文 ）题 目作 者学 院专 业学 号指导教师二 年 月 日目录摘要IIIAbstractIV第一章 绪论11.1课题的背景意义11.2甲烷检测机器人的研究前景21.3现场环境气体的成分与气体的爆炸极限21.4国家关于煤矿安全浓度的规定31.5甲烷检测机器人的整体结构及工作原理介绍：3第二章 系统总体方案设计52.1系统总体设计方案5系统技术指标62.2.2 系统防爆防潮要求62.2行走机构驱动方案72.3电机驱动方案72.4显示方案选择82.5甲烷检测方案82.6系统控制芯片选择92.7 A/D转换芯片选择92.8避障模块选择10第三章 甲烷检测机器

2、人硬件设计113.1单片机最小系统硬件设计113.1.1 AT98C51概述113.1.2 单片机最小应用系统113.2电机驱动电路硬件设计12两相四线步进电机概述12恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N工作原理133.3现场气体数据采集模块14 MQ-214简介143.3.2 MQ-214工作条件参数143.3.3 MQ-214典型测量电路15模数转换芯片A/D574A与单片机接口电路163.4甲烷检测机器人电源设计183.5避障模块硬件设计18第四章 甲烷检测机器人现场控制系统软件设计214.1 软件总流程图214.2 步进电机控制驱动软件设计214.3 现场气体检测模块流程图224.4 程

3、序调试23结论25参考文献28附录A29附录B30摘要甲烷检测机器人是将移动机器人技术和甲烷检测技术有机结合起来，实现对固定甲烷气体源的自动搜索，已经成为国内外的研究热门之一。作为智能移动机器人的一个特殊应用，甲烷检测机器人比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术。在具体的实现环境如煤矿，甲烷生产工厂中都能得到很好的应用。因此，甲烷检测机器人既具有科研上的挑战性，又具有广阔的市场前景。本文在研究了基于MQ-214光化学传感器的基础上，设计了甲烷检测模块，最后设计出智能甲烷检测机器人的硬件电路，该硬件电路实现了对甲烷气体的采样，并给出了详细的电路设计方案。此外，以AT89C51的单片机作为智能搜

4、索机器人的检测和控制核心，甲烷检测模块将采集到的甲烷信号送到单片机进行处理。电机驱动模块L298N通过使电机正转、反转和停止实现小车的移动。关键词：单片机；甲烷检测；移动机器人；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 绪论1.1课题的背景意义近年来，全国煤气行业发展迅猛，液化气、天然气、煤制气等城市燃气作为清洁能源已在工商业

9、和城镇居民用户中得到广泛应用，特别是随着“西气东输”工程的快速进展，燃气行业发展潜力巨大。城市燃气的普及与应用无疑对改善城市的环境质量和提高居民的生活质量发挥了巨大的作用。但是随着燃气的广泛应用，由于燃气泄露所引发的爆炸、中毒和火灾事故也时有发生，这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。这些气体在使用过程中一旦发生泄漏，且与空气混合后将会引发火灾。由于气体本身存在的扩散性，发生泄漏之后，在外部风力作用下，可燃性气体会沿地表面迅速扩散，扩大危害区域。一旦发生可燃气体泄漏事故，及时可靠地检测空气中可燃气体的含量，及时采取有效措施进行补救，采取正确的处置方法，减少泄漏引发的事故，是避免造成重大

10、财产和人员伤亡的必要条件。家庭使用液化气、燃气等可燃气体作燃料的越来越多，但是这些气体有害、易爆炸，隐患事故多，如气体泄漏时不能及时发现和处理，会给家庭及邻居带来灾难性危害。同时中国煤炭产量高居世界第一，国家一直把煤矿的安全生产作为重中之重，给予高度的关注。在我国的煤矿生产事故中，瓦斯爆炸，透水事故造成的伤亡和损失成为实现安全生产的最大障碍，及时准确地检测瓦斯浓度，矿井的温度湿度和报告危险在安全生产中具有重要意义1。一方面在我国，煤炭行业中的瓦斯爆炸事故以及矿井透水事故始终是煤矿安全生产的大敌，目前己成为制约煤矿安全生产的主要因素。因此，实时检测现场环境瓦斯气体的浓度变化、温湿度的变化对矿井安

11、全运行，人身安全及环境保护有着十分重要的作用。而目前国内矿井中用于环境检测的设备比较落后，这些设备探测范围小，反应时间长，数据传输采用有线方式，且具有成本高、功耗高和设备庞大等特点，不适应大多数煤矿的需求，因此需要研制一种集成化、智能化、小型化、无线化的新型环境检测显示报警设备，以增强矿井的安全监测能力。为了确保矿井的生产安全，防止瓦斯爆炸，国内外煤矿研究所在此领域进行了很长时间的研究，开发出很多种类型的环境检测仪，但目前已有的现场环境检测设备都普遍存在着体积较大、安装复杂、操作不便、智能化程度低等缺点。因此开发研制便于携带、多功能、精度高的环境检测小车对促进煤炭行业的安全生产具有重要的现实意

12、义。另一方面随着天然气的大量使用,每一座居民大楼都被天然气所“笼罩”。天然气的普及给公共生活带来了极大方便,减少了城市的污染,提高了生活质量和效率,但是同时,天然气也是潜在的“危险品”,一旦发生大面积泄漏,处置不及时就可能引发大爆炸,给居民的生命财产安全带来巨大的威胁。面对燃气泄漏而造成的种种事故威胁，为使燃气更好地造福于民，造福于社会，减少并杜绝各种因燃气泄露而引发的爆炸及火灾事故我们需要一个解决办法。使用智能环境检测小车是对付燃气无形杀手的重要手段之一2。1.2甲烷检测机器人的研究前景据不完全统计，1998年我国环境检测仪器仪表及监控系统产值仅11.7亿元左右，到2005年这一数值就增加到

13、了42亿元，而到2010年将增至110亿元，其市场增长速度远远高于同期经济发展的速度，环境检测设备行业已成为环保产业新的增长点。随着环境监管力度的加大，国家要求全国1.8万个重点污染企业要逐步安装在线连续自动检测系统。这一领域内成熟国产仪器本身就少，而这部分产品的需求量比环境质量检测设备的需求量要大得多，其产品主要由污染企业购买，其潜在的市场有数十亿至数百亿元。当前，我国环境检测仪器仪表行业的主要需求集中在：环境质量检测、污染源检测和遥感遥测仪器仪表等领域。大气环境质量检测仪器及自动监测系统、以燃煤电站或锅炉为代表的烟气分析仪表监控系统；地面水环境质量检测仪表及监控系统；以城市污水处理厂和高浓

14、度有机废水为代表的污染源监测仪表及自控系统等仪器仪表在我国出现需求渐旺的势头3。其中面向矿业的集成化、智能化、小型化、无线化的新型智能环境检测小车报警设备，增强矿井的安全监测能力，以及能更好的满足我国生产,宜居环境的强烈需求。1.3现场环境气体的成分与气体的爆炸极限瓦斯气体矿业开采过程中的一种有害气体的总称，它有自己的性质和特点，是可以被认识的，也是可以被控制和利用的。矿井瓦斯是指从煤体和围岩中逸出的以及在生产过程中产生的多成分的混合气体，包括 H2、CO 等气体。主要成分是甲烷、一氧化碳和二氧化碳、硫化氢等。甲烷是矿井瓦斯的主要成分，是一种无色无味的气体，不助燃，但当与空气混合到一定浓度时，

15、遇火能燃烧或爆炸，爆炸界限为516%;空气中甲烷浓度超过40%时，空气中的氧含量将下降到12%以下，此时空气与甲烷的混合气体不再发生爆炸，但将使人窒息4。瓦斯爆炸须具备3个条件：浓度、浓度及引爆温度。瓦斯在煤体和围岩中以游离状态和吸附状态存在，一般情况下处于动态平衡，当外界温度、压力变化时，几种状态会互相转化，煤层在开采过程中，瓦斯被逸散出来，在井下积聚，造成瓦斯浓度增加，当浓度达5%16%时具有爆炸性,浓度为9.5%时，爆炸威力最大，当浓度小于5%或大于16%时，一般不会爆炸，遇明火只会燃烧，瓦斯爆炸的上下限是可变的，当现场混合气体的温度和压力发生变化或混入煤尘及其它可燃气体时，可影响瓦斯爆

16、炸的上下限，如空气中的煤尘含量为1012浓度达到4%时，遇火就会爆炸。要消除引爆火源，必须严禁明电、明火下井，禁止明火放炮，要求井下电器设备必须防爆。所以控制瓦斯浓度是防止瓦斯爆炸的根本，实时掌握瓦斯浓度状况是煤矿安全的头等大事。1.4国家关于煤矿安全浓度的规定国家煤矿安全规程对井下各点瓦斯浓度规定如下：矿井总回风巷或一翼回风巷风流中瓦斯浓度超过0.75%，矿总工程师必须立即查明原因，进行处理，并报告矿务局总工程师。 采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中瓦斯浓度超过1%时，必须停止工作，撤出人员，并由矿总工程师负责采取措施，进行处理。 综合机械化、水采和煤层厚度小于8米的保护层的采煤工作面，经抽

17、放瓦斯和增加风量已达到最高允许风速后，其回风巷风流中瓦斯浓度仍不能降低到1%以下时，经矿务局局长批准，瓦斯浓度最高不得超过1.5%，并应符合下列要求：工作面的风流控制必须可靠；通风巷必须保持设计断面；必须制定安全措施，配有专职瓦斯检查员并安设瓦斯自动检测报警、断电装置。采掘工作面风流中瓦斯浓度达到1%时，必须停止用电钻打眼;放炮地点附近20 米以内风流中的瓦斯浓度达到1%时，严禁放炮。采掘工作面风流中瓦斯浓度达到1.5%时，必须停止工作，撤出人员，切断电源，进行处理;电动机或其开关地点附近20米以内风流中瓦斯浓度达到1.5%时，必须停止运转，撤出人员，切断电源，进行处理5。 采掘工作面内，体积

18、大于0.5立方米的空间，局部积聚瓦斯浓度达到2%时，附近20米内，必须停止工作，撤出人员，切断电源，进行处理。 综合机械化采掘工作面，应在采煤机和掘进机上安设机载式断电仪，当其附近瓦斯浓度达到1%时报警，达到1.5%时必须停止工作，切断采煤机和掘进机的电源。1.5甲烷检测机器人的整体结构及工作原理介绍：甲烷检测机器人控制部分，采用AT89C51单片机作为系统的控制核心，进行数学逻辑运算、对瓦斯传感器、温度传感器模块、避障模块送来的信号进行处理，通过模拟SPI总线连接NRF2401将经过处理的信号发送到远程的手持单片机，以此同时现场的单片机通过接收到的远程的遥控信号控制前两轮驱动的小车行进;红外

19、避障模块,通过红外一体化接收头接收红外线检测障碍物位置，进而调整小车的转向！第二章 系统总体方案设计为了更好地实现无线遥控智能环境检测小车的功能本章主要进行系统的总体分析，根据要实现的功能，综合比较几种设计方法，提出了实现系统功能的最佳方案。2.1系统总体设计方案本设计采用甲烷传感器MQ214、温湿度传感器DHT11、无线收发芯片NRF2401、避障模块、数码显示模块与单片机智能控制相结合的技术,对现场环境的甲烷浓度、空气温度、空气湿度、障碍物位置进行实时拾取，并把相关环境信息送入单片机,通过单片机CPU 运算处理后,再发出相应的控制指令,由现场的NRF2401无线收发模块发送到手持的NRF2

20、401接收器中并且送给单片机进行处理，在控制数码管显示现场采集到的甲烷浓度、温湿度信号，同时手持的控制系统通过按键产生控制信号，按键信号通过NRF2401发送到现场控制小车最终实现小车往返，转弯，减速行驶，全速前进等功能,以达到设计目的。采用智能化方案具有软件编程灵活性、运算控制精确度高、自由度大、可靠性高、电路简单、体小量轻、成本低、功能易于扩展，显示直观,智能化程度高等优点。为此，采用基于AT89C51智能化方案6。现场控制系统温湿度检测模块电机驱动模块无线收发模块瓦斯检测模块避障模块手持控制系统显示模块无线收发模块按键系统总体框图如下：图2-1 无线智能环境检测小车体系统总体框图系统技术

21、指标无线智能环境检测小车主要完成数据采集、避障处理和无线传输，瓦斯浓度、现场环境温湿度功能，并且具有体积小、携带方便、多功能、精度高等特点，其具体技术指标上的要求如下表：表2-1 系统技术指标表指标项目无线智能环境检测小系统性能指标应用环境煤矿气体温湿度检测环境工作温度范围-20+70C检测对象甲烷气体空气温湿度环境下作湿度范围<95%RH检测范围甲烷0.12%湿度测量范围2090RH灵敏度0.6%温度测量范围050响应时间<30s工作电压范围功耗150mw工作电流平均0.5mA2.2.2 系统防爆防潮要求 煤矿井下工作环境特殊，空间狭窄，温度高，湿度大，有易燃易爆的瓦斯以及煤尘，

22、所以，煤矿环境检测设备同一般电器设备有较大的区别。这就对煤矿检测设备有特殊要求，如体积要小，易于搬运、坚固、防潮、防水、防爆。属于煤矿安全标志管理目录内的矿用产品应有安全标志，电气设备必须符合防爆要求，应有接地、过流、漏电保护装置。隔爆型仪表的主要特点是有一个可靠的隔爆外壳，它将把可能产生火花和危险温度的仪表传感器、电阻电路及接线端子等，都放在隔爆外壳里，达到外壳内可能发生的爆炸不影响周围的易燃易爆物质，它的设计方法与隔爆型电器和电机基本相似。隔爆型仪表设计必须注意如下几个方面：根据车体的特点，专门设计与智能环境检测小车结构相适应的外壳，达到既不损害检测设备原有使用特征又经济合理的外壳，外壳腔

23、内有细长通道，避免腔内发生压力重叠现象,外壳的材质采用新型的工程塑料和优质轻合金，结构轻巧。隔爆型智能环境检测小车仪表设计带有接线盒的隔爆外壳，且接线盒的防爆类型为隔爆型。由于隔爆型仪表具有低电压、小电流特点，隔爆型仪表的主腔和接线盒贯通部分，可以尽量采取橡胶密封结构，使隔爆型仪表结构简单，加工方便。2.2行走机构驱动方案作为无线智能环境检测小车的行走驱动机构可以采用普通电机和步进电机作为动力。以下为二者的应用原理以及应用方法的优越性能分析： 方案一：普通电机普通直流电动机具有调速性能好、起动容易、能够载重起动等优点，直流电动机因其转速调节比较灵活，方法简单，易于大范围平滑调速，控制性能好等特

24、点，一直在传动领域占有统治地位。它广泛应用于数控机床、工业机器人等工厂自动化设备中。调速采用单片机通过程序控制输出占空比可调的PWM波控制驱动器驱动电机，实现电机调速。方案二：步进电机步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。步进电机的特点：一般步进电机的精度为步进角的3-5%，角位移与输入脉冲个数严格成正比，没有累计误差，具有良好的跟随性。步进电机的动态响应快，易于启停，正反转及变速。步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制

25、系统和机械负载采取相应的措施。经以上分析比较采用步进精度高的两相四线步进电机，作为行走机构的驱动动力。2.3电机驱动方案电动机驱动模块可以采用的方法有分立元件组成的桥驱动电路，以及集成驱动芯片。H桥式驱动电路包括四个三极管和一个电动机，要使电动机运转必须导通对角线上的一对三极管根据不同对三极管的导通而控制电机转向。下为二者比较：方案一：集成驱动芯片采用专门的电机驱动芯片L298 N，L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，静态电流小，输出电流大，电路简单，散热效果好，不容易烧坏，而且还带有控制使能端。具有以下特点：1、具有信号指示，2、转速可调， 3、抗干扰能力强，4、具

26、有续流保护5、可单独控制两台直流电机，6、可单独控制一台步进电机，7、PWM脉宽平滑调速（可使用PWM信号对直流电机调速）8、可实现正反转9、采用光电隔离。采用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。方案二：分立元件组成驱动电路用三极管分立元件来驱动，用分立元件电路较复杂，静态电流较大，需要调试参数，功率小，散热性能差，饱和导通压降小。但是对于直流电机用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定。经过比较，我们发现使用分立元件组成驱动H桥电路需要相应的功率管驱动电路与之配套，虽然功率较大，但电路复杂不符合本

27、次应用的要求，故本系统采用集成电机驱动芯片L298N。2.4显示方案选择LED数码显示屏。LED就是light emitting diode ，发光二极管的英文缩写，简称LED。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。LED显示屏按显示器件可分为LED数码显示屏和LED点阵图显示屏。其中，LED数码显示屏为八段数码管，适于制作时钟屏、利率屏等，显示数字的电子显示屏。LED数码管显示的优点：单片机对其进行编程控制简单，数码管亮度够，功耗小，小型化，寿命长，耐冲击和性能稳定7。缺点：数码管的显示符号单一，仅为09和几个字

28、母；当需要显示的内容较多时，需要用到较多的数码管，对于单片机对其进行控制时，会浪费I/O口的资源。2.5甲烷检测方案由于气体传感器的类繁多，有半导体是的气体传感器以及催化燃烧室气体传感器，以下为气体传感器的优缺点比较分析：方案一：半导体式气体传感器它是利用一些金属氧化物半导体材料，一定温度下，电导率随环境气体成份变化而变化原理制造。半导体式气体传感器可以有效用于：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、丙烯酸等很多气体检测。尤其是，这种传感器成本低廉，适宜于民用气体检测需求。缺点：稳定性较差，受环境影响较大；尤其，每一种传感器选择性都唯一，输出参数能

29、确定。MQ-214可燃性气体传感器作为半导体甲烷传感，MQ-214可燃性气体传感器作为甲烷传感，是催化氧化型的一种气体传感器，具有抗气体干扰能力强、选择性好、反应速度快、灵敏度高、线性和稳定性好、功耗低、寿命长、体积小等特点。适用于煤矿井下作业环境测量空气中的甲烷气体浓度。方案二：催化燃烧式气体传感器这种传感器是白金电阻表面制备耐高温催化剂层，一定温度下，可燃性气体其表面催化燃烧，燃烧是白金电阻温度升高，电阻变化，变化值是可燃性气体浓度函数。催化燃烧式气体传感器选择性检测可燃性气体：凡是可以燃烧的气体，都能够检测；凡是不能燃烧，传感器都没有任何响应。催化燃烧式气体传感器计量准确，响应快速，寿命

30、较长。传感器输出与环境爆炸危险直接相关，安全检测领域是一类主导位传感器。 缺点：可燃性气体范围内，无选择性。暗火工作，有引燃爆炸危险。由于大部分元素有机蒸汽对传感器都有中毒作用，所以该传感器容易失灵。经过分析比较选择针对性强的半导体式气体传感器MQ-214。2.6系统控制芯片选择随着计算机技术的发展，单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用。从而使这些领域的技术水平、自动化程度。其中最为著名的当数INTEL公司生产的MCS-51系列单片机。由于51系列在我国使用最广且该系列的资料和能够兼容

31、的外围芯片也比较多，特别是ATMEL公司推出的AT89C51单片机，其具有较高的性能价格比和较高的抗干扰能力。AT89C51单片机是ATMEL公司89系列单片机中的一种，它现已广泛应用于工业控制等各领域，是80C51的增强型并且指令完全兼容8。其工作温度范围宽，能够适应矿井下恶劣的环境，且具有较高的可靠性，和抗干扰能力，所以此处选用此单片机作为控制器。2.7 A/D转换芯片选择A/D转换器（ADC）的作用就是把模拟量转换成数字量，以便于计算机进行处理。随着超大规模集成电路技术的飞速发展，A/D转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。为了满足各种不同的检测及控制任务的需要，大量结构不同、性能各异的

32、A/D转换器芯片应运而生。对于A/D转换芯片可以采用ADC0809以及美国数模公司的AD574A。下面对二者进行比较分析：采用ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。采用AD574A是美国模拟数字公司(Analog)推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。由于AD574A具有外接元件少，功耗低

33、，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，所以选择AD574A芯片。2.8避障模块选择方案一：采用超声波避障，超声波受环境影响较大，电路复杂，而且地面对超声波的反射，会影响系统对障碍物的判断。方案二：采用红外线避障，利用单片机来产生38KHz信号对红外线发射管进行调制发射，发射出去的红外线遇到避障物时反射回来，红外线接收管对反射回来信号进行解调，输出比较电平。外界对红外信号的干扰比较小，且易于实现，价格也比较便宜，故采用方案二。第三章 甲烷检测机器人硬件设计为了更好的实现无线智能环境检测现场的功能，根据系统的设计要求，本章进行了设计，涉及单片机最小应用系统，MQ214传感器、DHT1

34、1温湿度、红外避障模块、无线发射模块的硬件设计。3.1单片机最小系统硬件设计3.1.1 AT98C51概述AT89C51是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。同时AT89C51的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口

35、和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。3.1.2 单片机最小应用系统单片机最小系统或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。 一般对51系列单片机来说，单片机+晶振电路+复位电路便组成了一个最小应用系统。单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。通常在引脚XTALl1和XTAL2跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，系统时钟电路结构如下图：图3-1 系统时钟电路原理图单片机最小应用系统采用上电自动复位和手动按键复位两种方式实现系统的复位操作。上电复位要求接通

36、电源后，自动实现复位操作。手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。复位电路结构如下图所示。上电自动复位通过电容充电来实现。手动按键复位是通过按键将电阻R2与VCC接通来实现。图3-2 系统复位电路原理图3.2电机驱动电路硬件设计两相四线步进电机概述步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件，它实际上是一种单相或多相同步电动机。单相步进电动机有单路电脉冲驱动，输出功率一般很小，其用途为微小功率驱动。多相步进电动机有多相方波脉冲驱动，用途很广。正常情况下，步进电机转过的总角度和输入的脉冲数成正比；连续输入一定频率的脉冲时，电动机的转速与输入脉

37、冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化的影响。由于步进电动机能直接接收数字量的输入，所以特别适合于微机控制。同时一下优缺点：1、不需要反馈，控制简单。2、与微机的连接、速度控制（启动、停止和反转）及驱动电路的设计比较简单。3、没有角累积误差。4、停止时也可保持转距。5、没有转向器等机械部分，不需要保养，故造价较低。6、即使没有传感器，也能精确定位。7、根椐给定的脉冲周期，能够以任意速度转动。但是，这种电机也有自身的缺点。8、难以获得较大的转矩9、不宜用作高速转动10、在体积重量方面没有优势，能源利用率低。11、超过负载时会破坏同步，工作时会发出振动和噪声。恒压恒流桥式2A驱动芯片L

38、298N工作原理L298N是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2546 V。输出电流可达2 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L

39、298N可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机9。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。内部原理图如下所示：图3-3 L298N内部原理图图3-4 L298N控制两相四线步进电机原理图3.3现场气体数据采集模块3.3.1 MQ-214简介MQ-214可燃性气体传感器由两个引脚构成，一正一负，正端接6V电源，此电源要求有较高稳定性，否则对测量结果会产生误差。负端串接一电阻后，通过其在不同的瓦斯气体中的电阻值的变化来确定瓦斯浓度的大小，是催化氧化型的一种气体传感器，具有

40、抗气体干扰能力强、选择性好、反应速度快、灵敏度高、线性和稳定性好、功耗低、寿命长、体积小等特点。3.3.2 MQ-214工作条件参数表3-1标准工作条件表符号参数名称技术条件备注V回路电压6V±0.1VDCRH取样电阻50±1室温PH功耗约150毫瓦表3-2 环境条件符号参数名称技术条件备注Tao使用温度-1050Tas储存温度-2070RH相对湿度小于95% RHO2氧气浓度21%(标准条件)氧气浓度会影响灵敏度特性表3-3 灵敏度特性符号参数名称技术参数备注Rs敏感体表面电阻20-100(5000ppm甲烷)探测浓度范围500ppm-10000ppm液化气和丙烷1000

41、ppm-20000ppm 甲烷500ppm-10000ppm 氢气(5000/3000)甲烷浓度斜率0.6标准工作条件温度： 20±2 Vc:6V±0.1相对湿度： 65%±5%预热时间不少于24s3.3.3 MQ-214典型测量电路图3-5 MQ-214测量电路MQ-214气敏元件对不同种类、不同浓度的气体有不同的电阻值。 因此，在使用此类型气敏元件时，灵敏度的调整是很重要的。此处使用1000ppm液化气或5000ppm甲烷校准传感器。设计采用用AT89C51的P2.5口，当到达加热或恢复时间后，由CH4_IN端输入的控制电平，切换2种工作状态。信号采集及调理电

42、路图如图3-4-1所示。图图3-4-1中，T2是瓦斯传感器MQ-214，当CH4_IN输入低电平时，处于加热状态，加热通路为T2、Q1、R4。加热时，加热电路串入51电阻，以限制通过传感器的电流。MQ-214的加热电阻为20100，因此，T2第2脚的电压最大为51/(51+20)×64.32V，最小为51/(51+100)×62V； 选择A/D转换器AD574A的最高输入电压为10V的模拟输入端，范围为010V，为了使调理电路输出电压在合理的范围内，电路使用了反向放大2倍的放大电路；同时，为了保持相位与输入信号相同，在后一级使用反向放大倍数为1的放大器。因此，输入A/D转换

43、器的电压范围是48.64V。当控制电平端输入高电平时，电路处于恢复状态(Q1三极管关断)，输入电压略小于3V10。整个电路的输出电压与瓦斯传感器电阻之间的运算关系如下式所示。 其测量电路如下图所示。图3-6 数据采集调理电路3.3.4模数转换芯片A/D574A与单片机接口电路AD574A是美国模拟数字公司(Analog)推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换芯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容器件即可构成一个完整的A/D转换器。接口电路如下：图3-7 AD574A与单片机连接原理图图3-7是AT

44、89C51单片机与AD574A 的接口电路，其中还使用了三态锁存器74LS373 和74LS00 与非门电路，逻辑控制信号由AT89C51的数据口P0发出，并由三态锁存器74LS373 锁存到输出端Q0、Q1 和Q2 上，Q0、Q1、Q2分别连接到AD574A的CS、A0和R/C端，用于控制AD574A 的工作过程。AD 转换器的数据输出也通过P0口数据总线连至AT89C51，由于我们只使用了8 位数据口，12 位数据分两次读进AT89C51，所以当AT89C51的P2.0 查询到STS 端转换结束信号后，先将转换后的12 位A/D 数据的高8 位读进单片机，然后再将低4 位读进单片机。这里不

45、管AD574A 是处在启动、转换和输出结果，使能端CE 都必须为1，因此将AT89C51的写控制线和读控制线通过与非门74LS00 与AD574A 的使能端CE 相连11。在A/D574A中使用CE：芯片允许信号，高电平有效。只有CS和CE同时有效，AD574A才能工 作。RC读出或转换控制信号，用于控制ADC574A是转换还是读出。当为低电平时，启动AD转换；当为高电平时，将转换结果读出。128：数据输出方式控制信号。当为高电平时，输出数据为12位；当为 低电平时，数据是作为两个8位字输出。A0转换位数控制信号。当为高电平是，进行8位转换，为低电平进行12位转换。在CE=1、CS =0同时满

46、足时，AD574A才会正常工作，在AD574处于工作状态时，当RC =0时A/D转换，当 RC=1是进行数据读出。 A0端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。A0=0时，启动的是按完整12位数据方式进行的。当A0=1时，按8位A/D转换方式进行12。A0和RC 控制数据输出状态的格式。当128 =1时，数据以12位并行输出，当 128=0时，数据以8位分两次输出。而当A0=0时，输出转换数据的高8位，A0=1时输出A/D转换数据的低4位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零。3.4甲烷检测机器人电源设计根据现场环境含有大量的可燃性气体不宜引入潜在危险的高压电源，为了安全起见现场部分电源设

47、计采用南孚电池组成的18V经过变压稳压之后形成15V，6V，5V, 3V电压给系统供电，电路设计下图：图3-8 现场检测系统电源原理图用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元器件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采

48、用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致13。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。在三端固定集成稳压器的应用过程中，输入与输出之间的电压不能超过3 V。三端固定集成稳压器前端电容的作用为：用来抵消输入端接线较长时的电感效应，防止自激振荡，即用改善波形。电容值范围：0.1-1UF。三端固定集成稳压器后端电容的作用为：为了瞬时增减伏在电路时，不致引起输出电压的较大波动，即用来改善负载的瞬态响应。电容值为：1uF。3.5避障模块硬件设计红外线避障方

49、法，利用一管发射另一管接收，接收管对外界红外线的接收强弱来判断障碍物的远近，由于红外线受外界可见光的影响较大，因此通过调制信号产生38KHz的载波来减少外界的一些干扰。只要障碍物在限定范围内就会产生相对的电平供单片机控制，实现避障功能。红外线避障电路是小汽车的“眼睛”，其性能的好坏和抗干扰能力的强弱，就定了避障的准确性和灵活性。由于红外线受外界可见光的影响较大，因此用250Hz的信号对38KHz的载波进行调制，这样能减少外界的一些干扰14。 接收管采用HS0038型号，输出TTL电平，有利于单片机对信号的处理。避障电路采用红外线发射与接收原理，利用单片机产生250HZ、 38KHz信号，并利用

50、单片机的中断对红外线发射管进行调制发射，发射距离远近由RW调节，由于本设计的小汽车行驶速度较快，所以调节避障距离为20CM左右。发射出去的红外线遇到避障物的时候反射回来，红外线接收管对反射回来信号进行解调，输出TTL电平。利用单片机的中断系统，在遇障碍物时控制电机并使小车转弯。如图3-9所示AT89C51红外发射头红外接收头 图3-9 红外避障原理示意图1、红外线发射部分红外线发射电路通过单片机的控制，输出调制信号向前方发射，如果遇到障碍物后，红外光线被障碍物返回，被红外接收头接收，在其3脚输出250HZ方波信号，而其3脚和单片机的ITN0连接在一起，故当遇到障碍物后，会给单片机一个外部中断0

51、信号，通过外部中断0程序，来控制小汽车的左转或者右转。从而实现避障功能15。图3-10所示为红外线发射原理图。P2.1输入的是250HZ的方波，P2.0输入的是38K的载波，D0处发射的就是调制好的发射信号。图3-10 红外发射原理图2、红外线接收部分红外线接收头在没有接收到红外信号时，INT0输出高电平，单片机不中断。在接收到信号时输出低电平，单片机中断。接收头采用HS0038A2型一体化接收探头，其内部集成了输入部分、自动增益控制部分、控制电路、带通滤波器和解调电路 。 第四章 甲烷检测机器人现场控制系统软件设计4.1 软件总流程图我设计的软件总流程图如图4-1：开始传感器初始化数据处理电

52、机驱动结束图4-1 软件总框图显示传感器的初始化，初始化传感器后，传感器处于运行状态，实时地把采集到的信息返回给单片机，由单片机对不同浓度的方向选择调整方向，方向的调整由电机控制。4.2 步进电机控制驱动软件设计根据步进电机的工作电压波形图可以得到步进电机的输出字表，显然要控制步进电机正转想低位口和高位口送输出字即可，若要控制步进电机发转的按相反地顺序送控制。Code unsigned char runz8=0x05,0x01,0x09,0x08,0x0a,0x02,0x06,0x04; /两相四线八拍工作方式，正转数组code unsigned char runf8=0x04,0x06,0x

53、02,0x0a,0x08,0x09,0x01,0x05; /两相四线八拍工作方式，反转数组4.3 现场气体检测模块流程图传感器初始化开始单片机P2.1置1MQ214加热30S数据采集单片机P2.1置0传感器恢复45S根据MQ-214数据手册规定，加热电压为+6V，瓦斯测量单元的工作是周期性的加热30s后进行测量，然后经过45s进行恢复，因此电路具有“6V电压加热”和“自然恢复”2种状态。因此现场系统控制检测模块流程图如下图：图4-2 MQ214传感器检测流程图MQ214传感器检测子程序：#include<reg51.h> #define uchar unsigned charsbi

54、t P2_1=P21void delay(i)/延时函数 ucharj,k; for(j=0;j<i;j+) for(k=0;k<250;k+); Main()uchar i;P2_1=0; /控制初始化置为低电平doP2_1=1;void delay(30);/30秒MQ214加热void delay（10）;/A/D574A读取模拟量P2_1=0;void delay(45);/ MQ-214恢复时间为45秒a=1;While(a)/循环检测现场气体浓度4.4 程序调试KEILC51是美国KEILSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言

55、在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用16。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。 KEILC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KEILC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。KEILC51标准C编译器为80C51微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C51编译器的功能不断增强，更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。C51已被完全集成到uVision4的集成开

56、发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编 器，实时操作系统，项目管理器，调试器。UVision4IDE可为它们提供单一而灵活的开发环境17。      程序调试的步骤(1) 源文件的建立：使用菜单 “File-New”或者点击工具栏的新建文件按钮，即可在项目窗口的右侧打开一个新的文本编辑窗口，在该窗口中输入汇编语言源程序。保存该文件，加上扩展名（.c），这里将文件保存为CH4.c。（2）建立工程文件：点击“Project-New Project”菜单，出现一个对话框，要求给工程起一个名字，我们输入CH4,不需要扩展名，点击保存按钮，出现第二个对话框。这个对话框要求选择目标CPU（即我们所使用的芯片型号AT89C51）点击ATMEL前面的“+”号，展开该层，点击其中的89C51，然后点击确定按钮。回到主界面，此时，在工程窗口的文件页中，出现了“Targ et1”，前面有 “+”号，点击“+”展开，可以看到下一层的“Source Group1”,这时的工程还是一个空工程，里面什么文件也没有，需要手动把刚才编写好的源程序加入，点击“Sou