《基于单片机的智能安防小车设计》13000字（论文）

PAGEI基于单片机的智能安防小车设计摘要这次毕业设计主要是设计一款自主研发的智能安防小车。智能小车系统主要包括自主巡逻、防火、防盗、防煤气泄漏四大模块。智能安防小车的工作流程就是小车在一个地点进行自主巡逻，假如小车检测到了有人，就会触发报警装置进行报警；如果小车检测到火情，也会触发报警器；检测到空气中煤气的浓度达到一定程度时也会报警来提醒主人，以此来保证安全。小车基于STC89C52单片机。在自主巡逻时，可通过红外或者超声波进行避障；通过温度传感器以及烟雾传感器进行火情的检测；通过MQ-5传感器来检测空气中天然气的浓度来防止煤气泄漏。该小车功能齐全，体型小，在外来市场上会占据一席之地。关键词：自主巡逻；防火；防盗；防煤气泄漏目录TOC\o"1-2"\h\u30685目录 I124781绪论 13191.1智能安防小车研究的意义 1211881.2安防与人工智能 1142832设计任务及方案 6214772.1设计任务及要求 6220712.2本设计方案思路 6252983硬件设计 9317373.1系统工作原理及功能简介 9180603.2电机驱动模块 10276263.3红外避障模块 12222653.4防火模块 1312843.5防煤气泄露模块 15274383.6防盗模块 16281563.7报警模块 16294694软件设计 17293874.1总体方案 17244454.2自主巡逻流程 18193004.3防火模块流程 19210324.4防煤气泄露模块流程 19320354.5防盗模块流程 2087775制作与调试 21216985.1硬件电路的组装 21233065.2软件程序的编写 2194215.3调试 21206436结论 221790参考文献 24 -PAGE1-1绪论1.1智能安防小车研究的意义当今社会，安防逐渐成为一个非常重要的问题，各种场合都需要安防。商场需要安防，家庭需要安防，仓库需要安防等等。比如商场，仓库这些地方，晚上如果没有安防人员在，可能就会面临盗窃、失火等问题。再者，家里要是没人，也会遇到小偷，失火，煤气泄露的隐患。但是如果要一天二十四小时安排人员进行安防，就过于耗费人力。因此，设计出一款能代替安防人员进行安防活动的小车就显得比较重要了。本课题将设计一种智能安防小车，具有自主巡逻、防火、防盗、防煤气泄露的功能。可应用于商场、饭店、仓库、家庭等等。小车可以自己在商场内巡逻，检测到有人出现后会发出警报，当检测到火情时，能第一时间向服务器发送火灾情报，可以大大减少不必要的损失；当家里只有老人在的时候，煤气泄露可能会导致老人在屋子内晕厥，如果不能得到及时治疗，甚至会威胁到生命安全，这时候如果有智能安防小车，它就可以远程发送煤气泄漏的警报，可以让家人第一时间知道房子内的情况，可以及时挽救老人的生命。尤其是现在的年轻人更多的是白天在外上班，老人在家带孩子，所以煤气泄露是一个不可忽视的问题，有了安防小车，能将这一隐患尽可能降到最低。所以我觉得安防小车设计出来是十分有意义的，也能在未来的智能安防市场上占据一席之地。1.2安防与人工智能近年来，人工智能以飞快的发展速度、猛烈的发展势头，受到国内外专家、学者、研究人员的青睐，对人工智能的深入研究已然成为必然趋势。为何人工智能在现代如此受大众欢迎，不外乎以下这几个原因：人工智能与人们社会生活的各个方面息息相关，加速了整个社会的发展，为各个生活水平的人群都带来了不同程度的便利，使得社会生活更为多姿多彩，变复杂为简单，化低效为高效。基于人工智能的发展，有助于整个社会发展水平的提高，对于解决社会中存在的不平等问题、处理全球气候变化、消灭落后贫困的问题是百利而无一害的，对人类应对突发状况能力的提高也有着不可替代的积极作用，在处于倡导可持续发展新理念的当今世界，人工智能更是凸显了其重要的推动作用，因此，发展人工智能无疑是绝对的；另外，基于人工智能，可以发展出更为便利、更为人性化、能力更为突出的安防产品，例如本论文所研究的智能安防小车就是在人工智能的基础上发展而来的。1.2.1用于设计智能安防小车的人工智能的发展背景和现状人工智能的发展大致可分为三个阶段：起步阶段、专家推广阶段、深度学习阶段。其中，第一阶段大致在二十世纪五十年代到二十世纪八十年代，在此阶段，技术上屡有突破，但实际应用没有获得突破；第二阶段在二十世纪八十年代到二十世纪末，在此阶段出现了专家系统和代表性事件：DeepBlue（深蓝）战胜了世界国际象棋冠军；第三阶段在2000年至今，这个阶段各种基于人工智能的产物已经随处可见。人工智能出现的具体时间已经很难考证，大致在1940年左右，在当时，图灵研制出了人类历史上首台可操作计算机，这台机器是为二战时期的密码破译工作而生的，其工作能力如此强大以至于当时的任何人都不能与其相提并论。大约在1956年，“人工智能”（ArtificialInteligent）才终于诞生，简称为AI，在同一年里，美国的达特茅斯学院基于其AI项目开展了研讨会，此会议接连召开了两个月，是一次关于人工智能领域交流探讨的大事件，自此，人工智能的发展有了较为温和的环境。自此之后到二十世纪七十年代，人工智能飞速的发展并取得了不少突破，ELIZA程序就是其中一个典型案例。无可置疑，这个程序通过了标准检测的“图灵测试”，它的功能包括对人类语言的识别和应答，具有和人类进行语言交互的能力，这在当时是一个巨大的突破，引起了社会各界的广泛关注，这种突破往往能带来更好的经济效益，更好的经济效益又能引来资金的投入，人工智能正是在这种良性循环下迅速发展起来的。但，任何事物的发展都不是一帆风顺的，大概只过了三年左右，人工智能就因为其巨大的经济费用支出引发各国政府的强烈不满，最终导致各国相继停止对人工智能的研究的经济支持，人工智能进入步履维艰的局面，就算几年后人们开始重新重视人工智能的发展转而增加资金投入和政策支持也于事无补，此后几年，人工智能领域的发展仍保持萎靡状态，并没有取得有效进展。人们对此感到沮丧，因为它们并没有实现真正的“人工智能”，只不过是形式上的呆板的“智能”罢了。早期的系统在强调规则化和形式化的领域的表现是无可挑剔的，但在非规则化的方面的表现是不适用人们的需要的，例如在对人脸的识别过程中十分艰难，更令人嗤之以鼻的是甚至难以辨别饼干和小熊的图像，这跟我们所理解的智能是严重不符的。原因就在于，专家系统是一条一条的诸如“如果，就”的陈述性法则的统一合集，这些法则通过拷贝人类智能的固定方法并将其形式化来实现，基于此专家系统在国际象棋等形式化相对比较简单的领域显露出十分亮眼的能力，最具代表性的就是IBM的“深蓝”；相反，必须要通过学习一些外部数据并加以处理和适应才能达到的规定性要求的能力是专家系统所缺乏的。虽然很早的时候也有人尝试着利用拷贝人脑神经细胞的整个过程给机器赋予“智能”，但是受限于当时计算机的发展程度，其有限的计算能力不足以应付高度繁琐的神经网络任务，这种方法也没有得以实现；但是令人吃惊的是它在2015年重新回到人们的视野中，也就是现在炙手可热的深度学习，代表性事件就是阿尔法狗战胜围棋冠军李世石，阿尔法狗正是利用深度学习实现了其强大的性能，最终，伴随着统计学取得的成就，人工智能才进入了飞速发展的黄金时期，才有了如今渗透进生活的方方面面。从安防出现智能化开始，智能化安防已经发展了十多年，但是发展水平还是有限的，依旧停留在比较初级的阶段。这些年来，随着国家的相关政策不断发布及支持之下，智能化安防产业的发展速度还是十分迅速的。2012年以来的六年里，我国智能化安防市场的规模年复合增长率高达26.8%。到2019年，我国智能化安防市场规模达到了455亿元左右。从地区来看，当前我国智能化安防产业主要聚集在三个国内比较发达的地区：珠三角地区、长三角地区、环渤海地区。从企业来看，当前智能安防企业可以分成三大梯队。第一梯队为海康威视和大华股份，这两家企业是目前国内最具代表性的企业；第二梯队则主要以宇世、天地伟业、苏州科达、旷世等企业为主；而第三梯队就是其他中小型安防企业。2020年，由于受到的疫情影响，国内外的经济收到不同程度的影响，而“新基建”成为目前市场经济的一大“热词”。从“新基建”实施的相关范围可以看出，5G、人工智能、云计算、智能交通等领域与智能化安防行业密切相关。因此在“新基建”拉动市场需求的过程中，智能化安防行业的产业结构也必将进行升级。在全世界范围内，全世界智能安防市场规模预计在五年内从2018年的120亿美元增长到2023年的450亿美元，年复合率可以达到30.26%。2018年，美国安防行业收入可以达到952亿美元，与此同时其智能安防的市场渗透率在5%左右。2018年美国智能安防行业规模在47.6亿美元左右。2013年以来的五年中，美国智能安防行业规模年复合增长率可以达到18%，而2019年美国智能安防市场规模在56亿美元左右。从全世界安防行业的市场结构组成看，可以分成两个板块：实体安防板块和信息技术安防板块，就当前的市场发展状况水平，实体安防在市场中占据更为重要的位置。目前，在全世界安防产业中，实体安防业可以占到安防行业总收入的65%，而信息技术安防业只能占到35%左右。在智能安防发展过程中，除了新的应用领域在利用智能安防相关产品外，其对传统安防的替代也是一个比较重要的方向。1.2.2智能安防的发展概述在当今时代，安防问题受到人们越来越多的重视，特别是不少公司对安防产业的投入愈加的大以及国家对安防的高度重视使得智能安防的发展势头愈加不可阻挡，国内兴起较早的安防企业在智能安防小车方面已经有了长足的发展，与此有关的安防产品更新换代频繁，特别是集轻巧、便利、性价比高的安防小车更是占有越来越重要的地位，安防小车已经悄悄渗透进人们生活的许多方面。由于人工智能突飞猛进式的发展速度给诸多方面都提供了便利，基于人工智能的安防小车便有了用武之地，AI与安防的融合，给安防产业应用上带来的将不仅仅是功能、便利程度上的一点点改变，而是质的提升，将是贯穿产业始终的真正的“智慧安防”。在我国现代化的发展进程中，高新技术产业的发展受到广泛关注和大量投入，在此之中，AI有着举足轻重的地位。在当今时代，没有人工智能的安防就不叫安防，其实早在5年前人工智能就已经在安防领域遍地开花了，并且在当年北京安博会是亮眼的存在。到了2017年，国务院发布“新一代人工智能发展规划”，人工智能已上升到国家战略层面。各龙头安防公司提高在人工智能领域的资金开支，生产一系列高端智能产品。2017年在深圳举办的安博会，每一个展品，每一个服务人员都有着人工智能的影子。人工智能的核心要素分为三个部分：算力、算法和数据。将人工智能当做一架飞机，那么算力就是引擎，算法就是方向盘，数据就是燃油，对于人工智能来说，三者相辅相成，不可或缺。芯片是算法运行的载体，芯片主要分为三方面：GPU、FPGA、ASIC，其中GPU已占据主导地位，但这并不意味着GPU就是智能安防芯片架构的未来，人工智能芯片已经出现百花争鸣的局面，各种芯片各有优缺。我国安防产业的规模逐年增加，在去年已经达到一千亿元人民币，在全国安防领域内的所有公司中，智能安防占据了五分之一的份额，处于领头位置的是海康威视和大华两家大企业，在世界占有不可小觑的地位，AI与安防的互融提供了很多新产品的出现如智能安防小车、智能门锁、监控等。安防产业面临新一轮角色转换成功的企业将拥有更多增长机遇。未来的制造业将融入更多的理念，其中“互联网+”和“人工智能”将是两大最为主要的主导理念。“互联网＋”直接影响产品的设计和研发理念，使得未来产品的用户体验进入到新的时代。这项技术将不断地兴建起多功能的产品使用平台，从数据采集、分析、执行、预测到实时传输、互动，不断扩展平台的使用功能。链接领域也会从单体设备拓展到区域设备集群、云平台再到地区综合安防系统。而智能化的技术和设计不仅能增加产品人机互动、产品智能化服务等多项功能,更主要的是还能将使用者的意愿加入到产品之中。安防产品不再是需要用户学习使用、适应用户环境的标准化产品，而是由用户掌控，可以体现用户产品使用习惯的“私人定制安防顾问”。将用户需求转化成可操作的执行解决方案赋予实施，并不断修正，更具有颠覆性的是智能化的安防产品会不断地“向人们学习”，将个人的使用习愦和思主工过BigData技术分析预测出消费者使用趋势，指导未来产品技术研发与生产。凭借以上两大技术的应用，安防产业将会为人们的生活打造出完整的“安防生态圈”，人们的衣食住行、社交、生活都会被包括其中。要想做到这一点，就要求安防企业提升自身的技术研发水平和能力，不断创造领先的安防生活理念，通过高水准的标准来规范行业发展，通过企业能力的提升最终完成中国安防产业在价值链中地位的提升。对于行业内优秀的企业来讲，核心技术输出是未来发展的战略核心，依靠丰富的资源和技术支持，进一步地完成核心技术的创新和研发体系，以核心技术为竞争力，通过专利技术的许可、出售不断拓展产品应用领域和市场范围，最终成为国际安防产业的“中国标准”。当中国的安防产品技术和标准辐射到一定的范围和行业领域之后，中国安防将会在世界安防产业中拥有一席之地，为打造“中国安防”品牌打下基础。通过技术的输出不仅能积累丰厚的资金,更主要的是掌控了消费者的使用资源,使用户最大限度地信任和依赖中国安防技术。2设计任务及方案2.1设计任务及要求本设计是制作一个以单片机为控制核心的智能安防小车。设计方案要求如下所示：（1）实现小车自主巡逻功能。（2）实现盗窃报警功能，当检测到有人闯入时自动报警。（3）实现火灾报警功能，当检测到火灾时自动报警。（4）实现煤气泄露报警功能，当检测到煤气泄露时自动报警。2.2本设计方案思路2.2.1控制器选择采用STC89C52单片机，STC89C52单片机具有低功耗、高性能的优点，是一种CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash的存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率为35MHz，6T/12T可选。因此，本次设计决定采用STC89C52单片机。2.2.2驱动电机的选择采用直流电机作为该系统的驱动电机。因为直流电机控制起来相对于简单，只要在电机的两条控制线上加上一定的电压，就可以使电机转动起来。电机的转速会随着电压的改变而改变，电压越高，电机的转速就越快；反之，电压越低，电机的转速越低。而且改变电机的转动方向也十分方便，只需把电源的正负极改变，就能改变电机的转动方向，从而改变小车的行进方向。改变电机转速的方法除了改变电压大小外，还可以采用PWM调速方法。PWM调速方法就是以方波的形式往直流电机两端施加电压，通过改变方波的占空比来控制电机的转速。与其他调速系统相比，PWM调速系统具有许多优点：PWM从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换；对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另一个优点；由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高；主电路简单，所用功率原件少；低速性能好，稳定精度高，调速范围宽。因此在驱动电机上面选择较为简单方便的直流电机。2.2.3电源模块的选择本系统采用干电池为系统进行供电。采用干电池进行供电相对来说更加方便，更加稳定。2.2.4避障模块的选择本系统采用红外避障的方式。红外线避障模块的应用是以红外线发射反射为原理，小车在运行过程中，该模块会不断地向外发射红外线，当红外线接触到障碍物时，红外线会被反射回小车，红外接收管会根据反馈回的信息将其转化为电子信号传输至小车的主控制器，主控制器则根据电子信号，判断小车周边的障碍物分布情况，做出相应躲避障碍物运行的指令，并且主控制器模块将该指令传输至电机驱动模块，从而改变智能小车的运行轨迹，进而达到躲避障碍物的效果。2.2.5防火模块的选择本系统采用温度传感器DS18B20和烟雾传感器MQ-2相结合。MQ-2烟雾传感器的工作原理：采用的SnO2半导体材料在清洁空气中电阻率较低，当与烟雾接触时，其导电率会随之变化，因此可以检测是否产生了烟雾，烟雾浓度越高，传感器导电率越大，电阻越低，输出的模拟信号也就越大。将环境的外部设备情况转换为模拟信号的强弱，再通过此传递的电信号的强弱，传递至单片机控制系统时，单片机就会做出相应的反应，驱动报警设备达到报警的效果。温度传感器DS18B20由两个温度晶振，两个计数器，一个寄存器构成。低温晶振用于产生恒定的脉冲给计数器1，因为高温晶振易受温度影响，所以其产生的脉冲信号作为计数器2输入。计数器1对低温晶振产生的信号减计数，当计数器1的中的数值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1重新装入，重新开始计数低温晶振产生的信号，如此直到计数器2计数到0时，停止寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。温度传感器DS18B20采用前沿的单总线的接口方式，能轻易实现微处理器与传感器之间的相互通讯。其测量温度范围宽，可测量零下50至零上125摄氏度而且测量精度高。采用64位光刻ROM，方便多机挂接。采用全数字温度转换及输出。温度传感器DS18B20存储的温度值是以补码的形式存储的，所以读出来的温度值是实际温度值的补码，要进行变换。正值：实际值=读数*0.0625负值：实际值=-(读数-1并取反)*0.06252.2.6防煤气泄漏模块的选择本系统采用MQ-5气敏传感器检测燃气浓度，MQ-5气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡。当传感器所处环境中存在甲烷等可燃气体时，传感器的电导率随空气中天然气浓度的增加而增大。由于这个特性，所以只需简单的电路就可以把电导率的变化转换为与气体浓度相对应的电信号。MQ-5传感器对甲烷等气体的灵敏度较高，同时对甲烷和丙烷有着较好的兼顾。2.2.7防盗模块的选择小车通过超声波实时进行监测，当外来人员入侵时会发出警报。由于小车是在运动的，所以可以通过运动控制算法来计算前方障碍物是否在移动，若检测出是移动的障碍物，及可判断为外来入侵人员。

3硬件设计3.1系统工作原理及功能简介本系统利用单片机STC89C52作为本系统的主控模块，采用红外传感器进行避障；采用MQ-2烟雾传感器以及DS18B20温度传感器来检测火源；采用超声波来检测是否有人员入侵以实现防盗；采用MQ-5气敏传感器来检测空气中的天然气浓度是否达到威胁生命安全的程度。系统工作原理框图如图3.1所示。图3-1系统工作原理框图3.2电机驱动模块直流电机驱动具有十分稳定，结构简单的特点，目前已广泛应用于智能小车。电机驱动单元的电路图如图3-2所示。图3-2电机驱动模块电路图如图3-3为ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅NPN复合晶体管组成，每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻，在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。因此选择使用ULN2003芯片。下面给出ULN2003芯片的相关数据手册。图3-3ULN2003芯片图主要特点：（1）500mA额定集电极电流（单个输出）。（2）高电压输出：50V。（3）输入和各种逻辑类型兼容。（4）继电器驱动器。（5）ULN2003采用DIP-16或SOP-16塑料封装。ULN2003内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列16脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTLCOMS,由达林顿管组成驱动电路。ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE约1V左右，耐压BVCEO约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2003时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。ULN2003是一个非门电路，包含7个单元，单独每个单元驱动电流最大可达500mA，9脚可以悬空。比如1脚输入，16脚输出，你的非感性负载(灯泡、电阻、电容等)接在VCC与16脚之间，不用9脚。若接感性负载(电机、电感等)，在原来的电路基础上把第9脚接到负载的电源正极即可。(不接电路也能工作，不过会有一定几率损坏芯片)引脚介绍：引脚1:CPU脉冲输入端，端口对应一个信号输出端。引脚2:CPU脉冲输入端。引脚3:CPU脉冲输入端。引脚4:CPU脉冲输入端。引脚5:CPU脉冲输入端。引脚6:CPU脉冲输入端。引脚7:CPU脉冲输入端。引脚8:接地。引脚9:该脚是内部7个续流二极管负极的公共端，各二极管的正极分别接各达林顿管的集电极。用于感性负载时，该脚接负载电源正极，实现续流作用。如果该脚接地,实际上就是达林顿管的集电极对地接通。引脚10:脉冲信号输出端，对应7脚信号输入端。引脚11:脉冲信号输出端，对应6脚信号输入端。引脚12:脉冲信号输出端，对应5脚信号输入端。引脚13:脉冲信号输出端，对应4脚信号输入端。引脚14:脉冲信号输出端，对应3脚信号输入端。引脚15:脉冲信号输出端，对应2脚信号输入端。引脚16:脉冲信号输出端，对应1脚信号输入端。3.3红外避障模块这个单元模块的工作主要由红外传感器来完成。红外线避障模块的应用是以红外线发射反射为原理，小车在运行过程中，该模块会不断地向外发射红外线，当红外线接触到障碍物时，红外线会被反射回小车，红外接收管会根据反馈回的信息将其转化为电子信号传输至小车的主控制器，主控制器则根据电子信号，判断小车周边的障碍物分布情况，做出相应躲避障碍物运行的指令，并且主控制器模块将该指令传输至电机驱动模块，从而改变智能小车的运行轨迹，进而达到躲避障碍物的效果。图3-4红外接收模块电路图 图3-5红外发射模块电路图如图3-4为红外接收头，如图3-5为红外发射模块电路图。红外接收头采用HS0038红外接收头，HS0038红外接收头接收红外信号频率为38kHz，周期约26μs。PIN二极管和前置放大器是组装引线框架，环氧包装设计为IR过滤器，是标准IR遥控接收器系列，支持所有主要的传输码。红外接收头实物图如图3-6所示。图3-6HS0038红外接收头实物图特点：（1）光检测器及前置放大器集成在同一封装上。（2）内带PCM频率滤波器。（3）输出电平兼容TTL和CMOS。（4）输出低电平。（5）改进对电场的屏蔽和干扰。（6）电源电压5V，低功耗。（7）对自然光的抗干扰能力强。（8）数据可以连续传输。（800比特/秒）3.4防火模块这个单元模块主要由温度传感器DS18B20以及烟雾传感器MQ-2来完成。如图3-8为传感器实物图。MQ-2烟雾传感器的工作原理：采用的SnO2半导体材料在清洁空气中电阻率较低，当与烟雾接触时，其导电率会随之变化，因此可以检测是否产生了烟雾，烟雾浓度越高，传感器导电率越大，电阻越低，输出的模拟信号也就越大。将环境的外部设备情况转换为模拟信号的强弱，再通过此传递的电信号的强弱，传递至单片机控制系统时，单片机就会做出相应的反应，驱动报警设备达到报警的效果。烟雾传感器利用火灾发生初期，燃料急剧氧化释放的气溶胶粒子及烟雾进入检测电离室后，吸附并中和正负离子，使电离电流急剧减少，改变了离子电流平衡状态，在中问电极产生一个与被测烟雾浓度呈正比的电压增量，通过分析电压增量的变化进行火灾的预警。如图3-7所示，温度传感器DS18B20由两个温度晶振，两个计数器，一个寄存器构成低温晶振用于产生恒定的脉冲给计数器1，因为高温晶振易受温度影响，所以其产生的脉冲信号作为计数器2输入。计数器1对低温晶振产生的信号减计数，当计数器1的中的数值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1重新装入，重新开始计数低温晶振产生的信号，如此直到计数器2计数到0时，停止寄存器的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3-7DS18B20温度传感器接口 图3-8MQ-2烟雾传感器实物图DS18B20是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。每片DS18B20都有一个独一无二的64位序列号，所以一个1-Wire总线上可连接多个DS18B20设备。因此，在一个分布式的大环境里用一个微控制器控制多个DS18B20是非常简单的。这些特征使得其在HVAC环境控制，在建筑、设备及机械的温度监控设备，以及温度过程控制系统中有着很大的优势。特点：独特的1-Wire总线接口仅需要一个管脚来通信。每个设备的内部ROM上都烧写了一个独一无二的64位序列号。多录采集能力使得分布式温度采集应用更加简单。无需外围元件。能够采用数据线供地；供电范围为3.0V至5.5V。温度可测量范围为：-55℃至+125℃。（-67℉至257℉）温度范围超过-10℃至85℃之外时具有±0.5℃的精度。内部温度采集精度可以由用户自定义为9-Bits至12-Bits。温度转换时间在转换精度为12-Bits时达到最大值750ms。用户自定义非易失性的温度报警装置。定义了温度报警搜索命令和当温度超过用户自定义的设定值时。与DS1822程序兼容。应用于温度控制系统，工业系统，民用产品，温度传感器，或者任何温度检测系统中。MQ-2的4脚输出随烟雾浓度变化的直流信号，被加到比较器U1A的2脚，RP构成比较器的门槛电压。当烟雾浓度较高输出电压高于门槛电压时，比较器输出低电平（0V），此时LED亮报警；当浓度降低传感器的输出电压低于门槛电压时，比较器翻转输出高电平（VCC），LED熄灭。调节RP，可以调节比较器的门槛电压，从而调节报警输出的灵敏度。R1串入传感器的加热回路，可以保护加热丝免受冷上电时的冲击。特点：具有信号输出指示。双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）。TTL输出有效信号为低电平（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机）。模拟量输出0-5V电压，浓度越高电压越高。对液化气、天然气，城市煤气有较好的灵敏度。具有长期的使用寿命和可靠的稳定性。快速的响应恢复特性。3.5防煤气泄露模块这个模块单元的主要功能主要由气敏传感器MQ-5来实现。MQ-5气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。当传感器所处环境中存在甲烷等可燃气体时，传感器的电导率随空气中天然气浓度的增加而增大。由于这个特性，所以只需简单的电路就可以把电导率的变化转换为与气体浓度相对应的电信号。MQ-5传感器对甲烷等气体的灵敏度较高，同时对甲烷和丙烷有着较好的兼顾。这个传感器在较宽的浓度范围内对可燃气体有良好的灵敏度，具有长寿命，低成本，驱动电路简单等特点。主要参数如图3-9所示。图3-9MQ-5气敏传感器主要参数图为3-10为MQ-5传感器的基本测试电路。该传感器需要施加2个电压：加热器电压（VH）和测试电压（VC）。其中VH用于为传感器提供特定的工作温度，可用直流电源或交流电源。VRL是传感器串联的负载电阻RL上的电压。VC是为负载电阻RL提供测试的电压，需用直流电源。图3-10 MQ-5气敏传感器基本测试电路3.6防盗模块本模块单元的主要功能主要依靠超声波来实现。对入侵人员的检测依靠超声波传感器HC-SR04实现，超声波测距是一种有效的非接触式测距方法，其原理是超声波传感器可以发生一定频率的超声波并借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，通过计算传输时问得出距离。将其与360°旋转舵机连接实现对四周的监测，超声波模块将在每个方位上连续扫描，将超声波扫描到的前一周期的位置信息与后一周期的位置信息相比较，实现对动态物体的检测。图3-11HC-SR04超声波传感器实物图如图3-11所示，VCC供5V电源，GND为地线，TRIG触发控制信号输入，ECHO回响信号输出。HC-SR04超声波传感器工作原理：采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号。模块自动发送8个40kHz的方波，自动检测是否有信号返回。有信号返回，通过IO输出一个高电平，高电平持续时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平时间*声速）/2。声速为340m/s。3.7报警模块如图3-12所示，本模块单元的主要功能主要依靠蜂鸣器来实现。所用的报警模块是市面上常见的蜂鸣器，蜂鸣器主要有蜂鸣片以及多谐振荡器构成，蜂鸣器通过三级管放大电路可以连接到单片机的IO口。所选用的蜂鸣器是自激式蜂鸣器，通过5V直流电源就可以驱动达到鸣响的目的。图3-12蜂鸣器模块电路图

4软件设计4.1总体方案在进行微机系统设计时，我们根据单片机的具体情况使用keil4进行软件部分的设计，其语言环境与C语言别无二致十分适合该项目的设计，由于该语言集多功能、高效率、易表达和可移植为一体，展示了高级语言的优势又综合了低级语言的特色，在软件设计中获得了编程者的青睐。图4-1程序总流程图如图4-1所示，系统总体流程是：小车进入驱动后，先判断有无检测到障碍物，若检测到物体存在就进行避障；如果没碰到障碍物就继续行驶。然后再判断是否有移动的东西，如果检测到存在移动的东西，就发出警报；如果没有检测到移动的东西，就继续巡逻，并检测是否存在火源。若检测到有火源存在，就发出警报；如果没有检测到火源，就继续巡逻，并检测是否有煤气泄露。若检测到有煤气泄露的情况，就发出警报，如果没有检测到煤气泄露，就返回到开始的时候，重新检测巡逻。4.2自主巡逻流程图4-2自主巡逻流程图小车上配备有左右两个对称的红外管，这一对红外对管同发射红外线检测前方是否存在障碍物。如图4-2所示当两个红外传感器未对前方存在障碍物做出正判断时，两个直流电机都正常运作，小车正常行进。当左边的红外传感器检测到障碍物时，而右边的红外传感器没有检测到障碍物，那么小车的右轮的直流电机将会停止运作，仅剩下左轮的直流电机运作，下车便会往右转躲避开左边的红外传感器检测到的障碍物。同理，当左边的检测系统未做出障碍判断时，而右边的红外传感器做出正判断，那么左边的直流电机将会停止运作，而右轮的直流电机继续正常运作，小车就会左转以此来躲避右边的红外传感器检测到的障碍物。当小车左右两个传感器都对前方物体做出障碍检测判断时，单片机对两个电机都做翻转指令，先让小车后退一段距离，然后再转弯躲避正前方的障碍物。4.3防火模块流程图4-3自主巡逻流程图 小车上配备有DS18B20温度传感器以及MQ-2烟雾传感器。如图4-3所示，小车在自主巡逻过程中会通过温度传感器进行温度检测，如对温度的判断达到阈值时，小车会将信号发送到处理器，然后通过蜂鸣器达到报警的效果。而MQ-2烟雾传感器是一种对烟雾比较敏感的传感器，当空气中烟雾浓度过高时，小车就会将信号传到处理器，并通过蜂鸣器来报警。4.4防煤气泄露模块流程小车上配备有MQ-5气敏传感器。MQ-5传感器是对CH4有高灵敏度的气敏传感器，对丙烷也有一定的兼顾。小车在行进过程中，会对空气中的甲烷浓度进行监测，假如空气中甲烷的浓度过高时，小车会将信号发送到处理器，并通过蜂鸣器发出报警信号。4.5防盗模块流程小车上配备有HC-S