測控技術(shù)與儀器畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的自動(dòng)救生圈設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　基于單片機(jī)的自動(dòng)救生圈設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 測控技術(shù)與儀器

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b><

3、/p><p>　　基于單片機(jī)的自動(dòng)救生圈屬于智能救生圈的一種，不同于市面上只有漂浮功能的普通救生圈，這種救生圈通過人體紅外感應(yīng)器定位人的位置，并且可以迅速準(zhǔn)確無誤的行駛到落水的人旁邊，使溺水的人獲救，為救援溺水等突發(fā)事故爭取寶貴的搶救時(shí)間，可以展望以后可以廣泛應(yīng)用在突發(fā)洪水救援、大型湖泊江河救生設(shè)備等領(lǐng)域。本課題是自動(dòng)救生的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，涉及到傳感器技術(shù)、程序設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、控制理論等多方面的知識(shí)，是一項(xiàng)綜合了多門大學(xué)

4、課程的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的目標(biāo)是讓自動(dòng)救生圈自動(dòng)感應(yīng)并且往人的方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)發(fā)出警報(bào)。主要內(nèi)容包括基于單片機(jī)的自動(dòng)救生圈的軟硬件的設(shè)計(jì)、搭建和實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　本文首先介紹了自動(dòng)救生圈的研究背景、國內(nèi)外的研究情況、研究方法；隨后介紹了自動(dòng)救生圈的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)，該自動(dòng)救生圈的核心硬件平臺(tái)采用的是低功耗高性能CMOS 8位微控制器，具有8K的系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器的STC89C52作為控制核心。硬件模塊包括

5、電源模塊、人體感應(yīng)模塊、運(yùn)動(dòng)模塊（包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)和螺旋槳）、MCU最小系統(tǒng)模塊、警報(bào)模塊。其次該自動(dòng)救生圈的軟件平臺(tái)為keil uvision3開發(fā)環(huán)境。軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)初始化程序，熱釋電人體紅外傳感器的感應(yīng)人的策略程序，電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向程序等，其功能主要實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的基本輸入和輸出配置。在本課題中，硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)都采用模塊化結(jié)構(gòu)，整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。在實(shí)際調(diào)試中，救生圈能適應(yīng)水中的運(yùn)行環(huán)境，有著良好的防水作用，并且能智能控

6、制運(yùn)動(dòng)方向，發(fā)出警報(bào)，達(dá)到自動(dòng)救生圈的設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：自動(dòng)救生圈 熱釋電人體紅外感應(yīng)器 自主定位 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 螺旋槳</p><p>　　注：本項(xiàng)目（論文）來源于教師的國家級(jí)（或部級(jí)、省級(jí)、廳級(jí)、市級(jí)、校級(jí)、企業(yè)）科研項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)為： 。</p><p><b>　　Abstract<

7、/b></p><p>　　Based on SCM automatic life buoy is a kind of intelligent buoy, which is different fromordinary life buoy in the market.Besides, through the human body infrared sensor, the life ring posit

8、ioning the position quickly and accurately running next to the drowning man, the drowning man rescued, strive for the precious rescue time for the rescue of drowning. A sudden accident, can look forward to the future can

9、 be widely used in emergency rescue, flood rescue equipment in areas such as large lakes </p><p>　　The main contents include the design, construction and implementation of the hardware and software of the au

10、tomatic life buoy based on mcu.First introduced the design and development of hardware structure of automatic life buoy, the hardware platform of the automatic buoy is used in low power and high performance CMOS 8 bit mi

11、crocontroller system with 8K programmable Flash memory STC89C52 as the control core. The hardware module includes the power module, the human body induction module, the mot</p><p>　　Keyword: Automatic life b

12、uoy ,Pyroelectric infrared sensor, Autonomous positioning, motor drive, Propeller</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 選題的背景和意義1</p

13、><p>　　1.2 國內(nèi)外的研究狀況1</p><p>　　1.3 題目的研究方法3</p><p>　　1.4 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容3</p><p>　　2 自動(dòng)救生圈的整體方案設(shè)計(jì)5</p><p>　　2.1 自動(dòng)救生圈的運(yùn)行環(huán)境介紹5</p><p>　　2.2 傳感器的方案的選

14、定6</p><p>　　2.3 設(shè)計(jì)方案的選定8</p><p>　　2.4 系統(tǒng)各部分的主要功能9</p><p>　　3硬件電路的設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1 自動(dòng)救生圈硬件設(shè)計(jì)相關(guān)概念11</p><p>　　3.1.1 MCU11</p><p>　　3.1.2 P

15、CB15</p><p>　　3.2 熱釋電人體紅外傳感器的工作原理及特點(diǎn)16</p><p>　　3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)20</p><p>　　3.3.1 L298N驅(qū)動(dòng)電路邏輯真值表21</p><p>　　3.3.2 L298N驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖22</p><p>　　3.3.3 L298N集成

16、H橋芯片,引腳圖22</p><p>　　3.3.4 L298N引腳功能表23</p><p>　　3.3.5 L298N驅(qū)動(dòng)電路運(yùn)行參數(shù)24</p><p>　　3.4 微控制器的接口設(shè)計(jì)24</p><p>　　3.5 系統(tǒng)主板電路的設(shè)計(jì)25</p><p>　　4軟件算法設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析27<

17、/p><p>　　4.1 軟件開發(fā)平臺(tái)27</p><p>　　4.2 軟件的整體算法設(shè)計(jì)27</p><p>　　5 自動(dòng)救生圈的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析29</p><p>　　5.1 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果29</p><p>　　5.2 自動(dòng)救生圈的實(shí)驗(yàn)分析29</p><p><b>　

18、　結(jié) 論31</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)32</b></p><p><b>　　致謝33</b></p><p><b>　　附錄A34</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p>

19、<p>　　1.1 選題的背景和意義</p><p>　　古往今來，受季風(fēng)氣候影響的中國是洪災(zāi)多發(fā)國家。每當(dāng)發(fā)生險(xiǎn)情或意外溺水事件，緊迫的搶險(xiǎn)救援時(shí)間關(guān)乎著每一個(gè)受災(zāi)人民的生命。然而目前如果突發(fā)洪水，受限于當(dāng)前救生設(shè)備不夠先進(jìn)，我們往往很難及時(shí)迅速有效率的把落水人救起。只有漂浮作用的救生圈難有作為。據(jù)統(tǒng)計(jì)中國每年因溺水而身亡的人數(shù)為34/10萬(不記因洪災(zāi)遇難的人數(shù))。除此之外，在一些江河湖泊都有安全措

20、施預(yù)防游客下水，放置一些救生圈。傳統(tǒng)的救生圈在面對(duì)一些比較緊急的情況，依靠個(gè)人的操作去拋放，難免有失誤，耽誤搶救時(shí)間，并且在這江湖湖泊不一定每時(shí)每刻都有人在，當(dāng)有人溺水，就相當(dāng)?shù)臒o助。 </p><p>　　隨著人工智能時(shí)代的到來，自動(dòng)化、智能化是一種潮流，而基于單片機(jī)的自動(dòng)救生圈可以很好地解決這個(gè)問題。本課題主要目的設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的自動(dòng)救生圈，當(dāng)有人溺水，自動(dòng)救生圈可以立馬感應(yīng)，并向溺水者游去。并發(fā)出警報(bào)。

21、功能包括：人體紅外線感應(yīng)模塊，警報(bào)模塊，采集模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。單片機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，發(fā)出聲光等報(bào)警。運(yùn)動(dòng)模塊，通過人體紅外線感應(yīng)定位人的位置，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，向溺水者方向移動(dòng)。</p><p>　　可以想象，在未來智能時(shí)代，搶險(xiǎn)救災(zāi)必然需要這種類型的救生圈，所以對(duì)于該題目的研究很有意義。此外，對(duì)救生圈的軟件系統(tǒng)搭建還有軟件系統(tǒng)調(diào)試，在一定程度上增強(qiáng)自身的動(dòng)手能力，思考能力，解決問題的能

22、力，更好的將理論和實(shí)踐聯(lián)系起來，學(xué)以致用。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外的研究狀況 </p><p>　　自動(dòng)救生圈屬于智能救生圈的一種，目前我國國內(nèi)的救生圈發(fā)展在往著自動(dòng)化、智能化、便攜等方向在發(fā)展著，已經(jīng)有不少的智能救生圈被發(fā)明出來，并申請了專利，但目前還沒有大范圍投產(chǎn)應(yīng)用。影響投產(chǎn)的原因有市場的不明朗、技術(shù)上仍然不夠成熟、應(yīng)用還不夠廣泛等。目前對(duì)于智能救生圈的研發(fā)方向有自動(dòng)救生

23、圈、自動(dòng)充氣救生圈、便攜式自動(dòng)充氣救生圈、遙控救生圈等。關(guān)于自動(dòng)救生圈這一方面的研究，已經(jīng)有好幾個(gè)申請專利了，比較典型的是鄭州大學(xué)學(xué)生設(shè)計(jì)的一種自動(dòng)救生圈。該自動(dòng)救生圈是一種新型救生圈，可以自動(dòng)尋找意外落水者的位置并行駛過去，第一時(shí)間救起落水者。打開電源，救生圈就能感應(yīng)方圓十米范圍內(nèi)的落水者。它可以為搶救落水者節(jié)約一定時(shí)間并解放部分救援人力。</p><p>　　在國外，對(duì)于智能救生圈的研究的進(jìn)展和國內(nèi)相差無幾，

24、有許多新穎的想法，但是仍然還沒有大范圍的應(yīng)用在生活中。國外的研究的方向和國內(nèi)大體一致，都往著智能化、自動(dòng)化、便攜等方向發(fā)展。例如圖1-1所示：</p><p>　　圖1-1國外關(guān)于自動(dòng)救生圈的新穎設(shè)計(jì)想法</p><p>　　如上圖所示，這是來自2015年IF國際設(shè)計(jì)的學(xué)生得獎(jiǎng)作品。此設(shè)計(jì)概念針對(duì)在海上遭遇意外事故的人們，提供即時(shí)有效的救援協(xié)助，以拯救寶貴的生命。該系統(tǒng)一旦偵測到海面的生命

25、跡象，即能通過GPS功能精準(zhǔn)地定位溺水者的即時(shí)位置，然后發(fā)送信號(hào)給當(dāng)?shù)刈罱乃丫?。接著?duì)溺水者傳出出救生圈，同時(shí)標(biāo)記其位置，若在黑暗中，也會(huì)投射出紅色指示燈號(hào)，以此引導(dǎo)搜救團(tuán)隊(duì)前往溺水者的位置進(jìn)行救援。每次當(dāng)太空中的衛(wèi)星定位系統(tǒng)環(huán)繞地球時(shí)，這些智能救援系統(tǒng)也與它們保持連線，提供24小時(shí)全天候的海洋狀況即時(shí)監(jiān)控功能，有效把握黃金救援時(shí)刻，提高海上相關(guān)活動(dòng)的安全性。雖然該系統(tǒng)目前仍處于設(shè)計(jì)概念階段，但其發(fā)展價(jià)值的重要性不言而喻。此概念的主要

26、挑戰(zhàn)來自如何精確地偵測溺水者的技術(shù)，而在其它相關(guān)技術(shù)條件都已成熟的情況下，也讓我們期待這項(xiàng)概念能及早落實(shí)在實(shí)物的應(yīng)用上，進(jìn)而提升全人類的福祉。</p><p>　　雖然目前智能救生還沒有大范圍的應(yīng)用，但筆者相信，在不久的將來，人工智能發(fā)展迅猛、救生設(shè)備的需求增長下的情況下，智能救生圈將是許多江河湖泊的安全措施設(shè)備的標(biāo)配，是突發(fā)情況搶險(xiǎn)救災(zāi)的得力助手。</p><p>　　1.3 題目的研究

27、方法</p><p>　　本文設(shè)計(jì)目標(biāo)是完成一個(gè)自動(dòng)救生圈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為了完成這個(gè)目標(biāo)，本人主要通過文獻(xiàn)研究法在網(wǎng)上、知網(wǎng)查閱文獻(xiàn)去提出問題、發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。通過查找文獻(xiàn)，我得到目前主流自動(dòng)救生圈的設(shè)計(jì)方案，如下圖1-2：</p><p>　　圖1-2文獻(xiàn)中主流的自動(dòng)救生圈設(shè)計(jì)方案</p><p>　　圖中圈體1為救生圈，當(dāng)有人溺水時(shí)，紅外感應(yīng)器3將信號(hào)傳遞給單

28、片機(jī)2，單片機(jī)2根據(jù)定位信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)螺旋槳5向溺水者處運(yùn)動(dòng)。7為兩個(gè)左右對(duì)稱的蓄電池，除了給圈體提供電源，還起了平衡圈體的作用。以上這些內(nèi)容來自于文獻(xiàn)“[5] 魏得全，李逸，宋秦.關(guān)于一種自主定位救生圈的討論[M]”，通過閱讀該文獻(xiàn)，使本人對(duì)自動(dòng)救生圈的設(shè)計(jì)有一個(gè)主要的參考設(shè)計(jì)思路，以更好地完成該題目的各方面的設(shè)計(jì)要求。除此之外，本文的參考文獻(xiàn)還有許多來自于中國專利數(shù)據(jù)庫和歐洲專利數(shù)據(jù)庫的專利文獻(xiàn)，通過這些內(nèi)容我了解到了國內(nèi)外智能救生圈

29、的研究背景和發(fā)展趨勢和發(fā)展情況。本論文的撰寫也離不開其中一篇碩士論文的幫助，它為本人撰寫論文提供了一定的參考價(jià)值。</p><p>　　1.4 論文構(gòu)成及研究內(nèi)容</p><p>　　本文的第一章為緒論，主要介紹了項(xiàng)目背景，選題的意義，國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀和本文的主要究內(nèi)容。第二章介紹本自動(dòng)救生圈的工作環(huán)境和設(shè)計(jì)方案以及所使用的軟硬件開發(fā)工具和相關(guān)技術(shù)。第三章介紹該自動(dòng)救生圈電路的搭建。包括電

30、源模塊，人體紅外感應(yīng)模塊，動(dòng)力裝置模塊，警報(bào)模塊，MCU最小系統(tǒng)模塊等的電路，分別實(shí)現(xiàn)不同的輸入信號(hào)和輸出執(zhí)行等功能。第四章論述軟件系統(tǒng)的算法和總體設(shè)計(jì)。包括系統(tǒng)初始化程序，人體紅外感應(yīng)開關(guān)程序，輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力裝置的程序，聲光警報(bào)程序，主要實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)的基本的輸入輸出與配置，如預(yù)防個(gè)別硬件失效的開機(jī)自檢程序等等；在本章中，對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和可行測試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的自動(dòng)救生圈的可靠性和可行性。其后對(duì)自動(dòng)救生圈的設(shè)計(jì)工作和論文撰寫

31、進(jìn)行總結(jié)。</p><p>　　2 自動(dòng)救生圈的整體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　本文所設(shè)計(jì)的是一種自動(dòng)救生圈系統(tǒng)，該智能救生圈能夠在七米的范圍內(nèi)感應(yīng)到落水的人并且向落水者游去。自動(dòng)救生圈頭部的熱釋電人體感應(yīng)器識(shí)別移動(dòng)的人體，通過信號(hào)處理芯片輸出高電平反饋給微處理器，微處理器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析，發(fā)出控制信號(hào)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和警報(bào)電路，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)救生圈的基本功能。本自動(dòng)救生圈的控制系統(tǒng)采用

32、STC89C52的8位單片機(jī)微處理器作為核心控制單元，選用熱釋電人體紅外傳感器添加一個(gè)檢查程序來負(fù)責(zé)采集信號(hào)，并將信號(hào)送至核心控制單元進(jìn)行判斷處理后，由單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和警報(bào)電路，控制自動(dòng)救生圈的運(yùn)動(dòng)方向和蜂鳴器的警報(bào)聲。本自動(dòng)救生圈主要由以下幾部分構(gòu)成：MCU最小系統(tǒng)模塊、人體感應(yīng)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、警報(bào)模塊、電源模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊。本章主要介紹自動(dòng)救生圈的總體設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)思路，在后面的章節(jié)中，本人將分為硬件電路設(shè)計(jì)

33、和軟件算法設(shè)計(jì)對(duì)自動(dòng)救生圈的構(gòu)建進(jìn)行分析。</p><p>　　2.1 自動(dòng)救生圈的運(yùn)行環(huán)境介紹</p><p>　　在實(shí)際生活中，救生圈的搶救現(xiàn)場環(huán)境比較復(fù)雜，在實(shí)驗(yàn)中很難模擬出溺水環(huán)境的真實(shí)情況，為了演示方便，采用小救生圈模型和簡化的水環(huán)境來模擬。</p><p>　　救生圈小模型如下圖2-1所示：</p><p>　　圖2-1 自動(dòng)救生

34、圈的圈體模型</p><p>　　如上圖所示，該救生圈的圈體模型是個(gè)長方體的塑料盒，長寬高分別16cm、11cm、7cm。最大負(fù)載重量為1.23kg。自動(dòng)救生圈運(yùn)行時(shí)的簡化水環(huán)境如下圖2-2所示，是一個(gè)直徑為45cm的塑料盆。</p><p>　　圖2-2自動(dòng)救生圈的運(yùn)行環(huán)境</p><p>　　2.2 傳感器的方案的選定</p><p>　

35、　傳感器的作用是把現(xiàn)場的人體發(fā)出的特定波長紅外線轉(zhuǎn)化電信號(hào)，經(jīng)過一系列的處理轉(zhuǎn)化為單片機(jī)能夠讀取的數(shù)字信號(hào)。目前，感應(yīng)人體紅外線的傳感器比較流行的是利用熱釋電效應(yīng)的熱釋電人體紅外傳感器，它由敏感單元、阻抗變換器和濾光窗等三大部分組成，本課題也是采用這種類型的傳感器。熱釋電紅外傳感器的型號(hào)主要有：P228、LHI958、LHI778、LHI878、LHI954、RE200B、KDS209、PIS209、PD632等。熱釋電紅外傳感器通常采

36、用3引腳金屬封裝，各引腳分別為：電源供電端（內(nèi)部開關(guān)管D極，DRAIN）、信號(hào)輸出端（內(nèi)部開關(guān)管S極，SOURCE）、接地端（GROUND）。給予3v到15v的工作電壓，該傳感器在感應(yīng)到人體波長（通常為7.5-14um）的時(shí)候，其信號(hào)輸出端輸出高電平（通常大于2.0v）。其實(shí)物圖2-3如下所示：</p><p>　　圖2-3主流的熱釋電人體傳感器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　但是此類傳感器信

37、號(hào)輸出端輸出的信號(hào)不能直接被MCU讀取，所以要配以相關(guān)外部配件和BISS0001芯片處理然后送至微處理器處理，然后還需要加上菲涅爾透鏡增加傳感器的探測距離。實(shí)驗(yàn)證明，不使用菲涅爾透鏡時(shí)傳感器的探測半徑不足2米，只有配合菲涅爾透鏡使用才能發(fā)揮最大作用。配上菲涅爾透鏡時(shí)傳感器的探測半徑可達(dá)到10米。菲涅爾透鏡采用塑料片制作而成，透鏡在水平方向上分寸成3個(gè)部分，每一部分在豎直方向上又等分成若干不同的區(qū)域。最上面部分的每一等份為一個(gè)透鏡單元，它

38、們由一個(gè)個(gè)同心圓構(gòu)成，同心圓圓心在透鏡單元內(nèi)。中間和下半部分的每一等份也為分別一個(gè)透鏡單元，同樣由同心圓構(gòu)成，但同心圓圓心不在透鏡單元內(nèi)。當(dāng)光線通過這些透鏡單元后，就會(huì)形成明暗相間的可見區(qū)和盲區(qū)。由于每一個(gè)透鏡單元只有一個(gè)很小的視角，視角內(nèi)為可見區(qū)，視角外為盲區(qū)。任何兩個(gè)相鄰?fù)哥R單元之間均以一個(gè)盲區(qū)和可見區(qū)相間隔，它們斷續(xù)而不重疊和交叉，這樣，當(dāng)把透鏡放在傳感器正前方的適當(dāng)位置時(shí)，運(yùn)動(dòng)的人體一旦出現(xiàn)在透鏡的前方，人體輻射出的紅外線通過透

39、鏡后在傳感器上形成不斷交替變化的陰影區(qū)（盲區(qū)）和明亮區(qū)（可見區(qū)），使傳感器表面的溫度不斷發(fā)生變化，從而輸</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，從實(shí)際情況出發(fā)，我們采用HC-SR501熱釋電傳感器模塊，該模塊采用熱釋電傳感器LHI778探頭、配以BISS0001和少量外接元器件、菲涅爾透鏡構(gòu)成。其簡圖如下：</p><p>　　圖2-4 HC-SR501結(jié)構(gòu)簡圖</p><p

40、>　　2.3 設(shè)計(jì)方案的選定</p><p>　　本設(shè)計(jì)電路整體架構(gòu)如下圖所示：</p><p>　　圖2-5 自動(dòng)救生圈的整體設(shè)計(jì)架構(gòu)</p><p>　　從結(jié)構(gòu)圖我們看到，自動(dòng)救生圈系統(tǒng)采集人體紅外傳感器的信號(hào)，然后輸出三組io口的控制信號(hào)。人體紅外傳感器是自動(dòng)救生圈的導(dǎo)航系統(tǒng)，警報(bào)系統(tǒng)和電機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)受人體紅外傳感器影響控制其警報(bào)聲和運(yùn)動(dòng)的方向。因此自動(dòng)救

41、生圈運(yùn)行的關(guān)鍵就是結(jié)合人體紅外傳感器獲取前方水面是否有人落水的信息，通過放大調(diào)制等處理送至MCU控制器，通過MCU的控制運(yùn)動(dòng)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)方向和警報(bào)器的控制。</p><p>　　我們把單片機(jī)最小系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電源電路、警報(bào)電路、傳感器驅(qū)動(dòng)電路集成在救生圈模型圈體的頂部，成為系統(tǒng)的主板電路。人體紅外傳感器架在圈體頂部前方處，MCU最小系統(tǒng)放在圈體中部，前面有電源電路，左邊是電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，兩個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電機(jī)和

42、螺旋槳）經(jīng)過防水處理粘在圈體的后下方，為自動(dòng)救生圈提供前進(jìn)的動(dòng)力。如圖所示，搭建后的實(shí)際模型如下圖2-6所示：</p><p>　　圖2-6 自動(dòng)救生圈設(shè)計(jì)實(shí)物圖</p><p>　　根據(jù)以上方案，我們將自動(dòng)救生圈系統(tǒng)分為六大模塊：MCU最小系統(tǒng)模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、人體感應(yīng)模塊、警報(bào)模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊。每個(gè)模塊都包括硬件和軟件兩部分。硬件為實(shí)驗(yàn)中提供硬件實(shí)體，軟件為硬件運(yùn)行提供算

43、法支持，各模塊的作用將在下文一一詳述。</p><p>　　我們希望自動(dòng)救生圈能夠以較為精準(zhǔn)的準(zhǔn)度感應(yīng)人的方向，所以微處理器必須能夠?qū)λ媲闆r進(jìn)行快速的判斷和分析，并發(fā)出正確的指令來控制相應(yīng)的直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向和警報(bào)器的工作情況，否則前進(jìn)方向會(huì)偏離人體的正確方向，因?yàn)槿梭w傳感器的感應(yīng)角度為120度，需要延時(shí)來控制前進(jìn)方向的準(zhǔn)度。</p><p>　　2.4 系統(tǒng)各部分的主要功能</p&g

44、t;<p>　　系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：中央處理器MCU：采用8位單片機(jī)STC89C52，性能高，功耗低，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)讀入人體紅外傳感器的輸出信號(hào)，進(jìn)行判斷分析，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和警報(bào)電路；電源電路：采用兩節(jié)18650電池，輸出電壓可達(dá)7.4v，為單片機(jī)STC89C52、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N、人體紅外感應(yīng)模塊HC-SR501、警報(bào)模塊提供工作電壓和為直流電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)電壓；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊:采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)

45、模塊驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī),該模塊工作電壓為5.0v，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓為7.4v。實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)輸出的高電平放大處理，讓救生圈的運(yùn)動(dòng)性能顯著提升；人體感應(yīng)模塊：采用熱釋電人體紅外傳感器HC-SR501模塊，采用德國進(jìn)口探頭，具有雙元探測，感應(yīng)角度小于120度，靈敏度調(diào)到最大可以感應(yīng)七米之內(nèi)活動(dòng)的人體。作為自動(dòng)救生圈系統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)，該模塊負(fù)責(zé)采集水面上的人體紅外信號(hào)，經(jīng)過一系列處理成為單片機(jī)可接受的信號(hào)送至微處理器判斷分析進(jìn)而發(fā)出準(zhǔn)確的控制信號(hào)；警報(bào)

46、模塊：采用5V蜂鳴器，當(dāng)有人下水，發(fā)出警報(bào)聲；執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊：有兩個(gè)直流電機(jī)和兩個(gè)螺旋槳組成，采用防水AB膠粘在救生圈圈體后下方，并在關(guān)鍵部位涂膠水以防</p><p><b>　　3硬件電路的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本自動(dòng)救生圈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是讓自動(dòng)救生圈對(duì)水面上的情況判斷分析，根據(jù)此對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和警報(bào)模塊進(jìn)行控制，讓其自動(dòng)尋人并向溺水人運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)按照各

47、部分區(qū)域在功能上的不同采用模塊化設(shè)計(jì)方案，其中最主要包括：MCU最小系統(tǒng)、人體感應(yīng)模塊、警報(bào)模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊。本章將詳述各個(gè)系統(tǒng)塊間的硬件設(shè)計(jì)方法和電路鋪設(shè)，其中微控制芯片為STC89C52。</p><p>　　3.1 自動(dòng)救生圈硬件設(shè)計(jì)相關(guān)概念</p><p><b>　　3.1.1 MCU</b></p><p>

48、;　　MCU(Micro Control Unit)中文名叫位控制單元，又名單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microcoputer）或者單片機(jī)。MCU是把計(jì)算機(jī)上的CPU、RAM、ROM、定時(shí)計(jì)數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級(jí)計(jì)算機(jī)為不同的應(yīng)用場合做不同組合的控制。</p><p>　　MCU按存儲(chǔ)器類型可分為無片內(nèi)ROM型和帶片內(nèi)ROM型兩種。對(duì)于無片內(nèi)ROM型的芯片，必須外接EPR

49、OM才能應(yīng)用（典型芯片為8031）。帶片內(nèi)ROM型的芯片又分為片內(nèi)EOROM型（典型芯片為87C51)、MASK片內(nèi)掩飾ROM型（典型芯片為8051）、片內(nèi)FLASH型(典型芯片為89C51）等類型，一些公司還推出帶有片內(nèi)一次性可編程ROM（One Time Programing,OTP）的芯片（典型芯片為97C51）。</p><p>　　MASKROM的MCU價(jià)格便宜，但其程序無法自己編寫，適用場合非常固定；

50、FLASHROM的MCU產(chǎn)品程序靈活性很強(qiáng)，可以重復(fù)修改，但其價(jià)格相對(duì)較高，適合用于開發(fā)或高投入產(chǎn)品產(chǎn)品的研發(fā)；OTPROM的MCU價(jià)格適中，同時(shí)具備一次性可編程的能力，符合商業(yè)化的低成本并要求有靈活性的需求，尤其針對(duì)不斷更新?lián)Q代而且需要量產(chǎn)的電子產(chǎn)品。</p><p>　　微控制器近幾年來發(fā)展迅猛，處理器的位數(shù)從最初的4位，到現(xiàn)在的32位，甚至64位，產(chǎn)品不斷成熟，生產(chǎn)廠家不斷增多，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，目前，國外

51、公司因開發(fā)時(shí)間較長，技術(shù)相對(duì)領(lǐng)先，但價(jià)格也相對(duì)較高；而國內(nèi)公司則是以價(jià)格優(yōu)勢和功能齊全等特點(diǎn)和國外廠家競爭。</p><p>　　由于技術(shù)上的突破，8位MCU與4位MCU價(jià)格相差無幾，8為MCU已逐漸成為市場主流。目前4位MCU大部分應(yīng)用在計(jì)算器、兒童玩具、磅秤、車用儀表、車用防盜裝置、呼叫器、無線電話、CD播放器、LCD驅(qū)動(dòng)控制器、溫濕度計(jì)、LCD游戲機(jī)、充電器、胎壓計(jì)、遙控器及傻瓜相機(jī)等；8位MCU大部分應(yīng)用

52、在電表、電話錄音機(jī)、馬達(dá)控制機(jī)器、傳真機(jī)、電動(dòng)玩具機(jī)、變頻式冷氣機(jī)、呼叫器、來電辨識(shí)器（CallerID)、CRT顯示器、鍵盤、及USB等；16位MCU大部分應(yīng)用在行動(dòng)電話、數(shù)字相機(jī)及攝錄放映機(jī)等；32位MCU大部分應(yīng)用Modem、PDA、GPS、Hub、HPC、STB、Bridge、Router、ISDN電話、工作站、激光打印機(jī)和彩色傳真機(jī)；64位MCU大部分應(yīng)用在高階工作站、多媒體互動(dòng)系統(tǒng)、高級(jí)電視游樂器（如SEGA的Dreamca

53、st及Nintendo的GameBoy)及高級(jí)終端機(jī)等。</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中采用的單片機(jī)是宏晶公司生產(chǎn)的STC89C52，其片內(nèi)帶有8K字節(jié)閃速可編程、可擦除壽命1000次程序存儲(chǔ)器。該產(chǎn)品與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051中單片機(jī)完全兼容，并且還可支持兩種軟件可選的省電模式，工作時(shí)鐘最高可達(dá)到24MHz。使實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)處理的功能更加完善，簡化了硬件配置。與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容 、8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flas

54、h存儲(chǔ)器、 1000次擦寫周期、全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz 、三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 、 32個(gè)可編程I/O口線、三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器八個(gè)中斷源、全雙工UART串行通道、 低功耗空閑和掉電模式 、掉電后中斷可喚醒 、看門狗定時(shí)器 、雙數(shù)據(jù)指針、掉電標(biāo)識(shí)符 。</p><p>　　STC89C52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制

55、造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在線系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 STC89C52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口

56、，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。8 位微控制器 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash。其芯片引腳圖如下圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 芯片引腳圖</p>

57、<p>　　P0 口：P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時(shí)，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。</p><p>　　P1 口：P1 口是一個(gè)具

58、有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì)P1 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。</p><p>　　此外，P1.0和P1.2分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和時(shí)器/計(jì)數(shù)器2 的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如下表所示。 在flash編

59、程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。</p><p><b>　　引腳號(hào)第二功能</b></p><p>　　P1.0 T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出</p><p>　　P1.1 T2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制）</p><p>　　P1.5 MOSI（在線系統(tǒng)編程用）

60、</p><p>　　P1.6 MISO（在線系統(tǒng)編程用）</p><p>　　P1.7 SCK（在線系統(tǒng)編程用）</p><p>　　P2 口：P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì)P2 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原

61、因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR） 時(shí)，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用 8位地址（如MOVX @RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。</p><p>　　P3 口：P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙

62、向I/O 口，p2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì)P3 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 P3口亦作為STC89C52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P3口也接收一些控制信號(hào)。</p><p><b>　　端口引腳 第二功能</b></

63、p><p>　　P3.0 RXD(串行輸入口)</p><p>　　P3.1 TXD(串行輸出口)</p><p>　　P3.2 INTO(外中斷0)</p><p>　　P3.3 INT1(外中斷1)</p><p>　　P3.4 TO(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0)</p><p>　　P3.5 T1(定時(shí)/

64、計(jì)數(shù)器1)</p><p>　　P3.6 WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通)</p><p>　　P3.7 RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)</p><p>　　此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。</p><p>　　RST——復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。</p&g

65、t;<p>　　ALE/PROG——當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。</p><p>　　對(duì)FLASH存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。</p><

66、;p>　　如有必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。</p><p>　　PSEN——程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)STC89C52由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即

67、輸出兩個(gè)脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過兩次PSEN信號(hào)。</p><p>　　EA/VPP——外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H-FFFFH），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(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。</p><p>　　如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的指令。</p>

68、<p>　　FLASH存儲(chǔ)器編程時(shí)，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。</p><p><b>　　3.1.2 PCB</b></p><p>　　PCB(Printed Circuit Board)中文名稱為印刷電路板，又稱為印刷線路板。PCB是電子部件中必不可少的部分，各電子元器件通過焊接在PCB板上互

69、相連接，作為各電子元器件之間連接的載體。由于它是采用電子印刷術(shù)制作而成的，故稱為“印刷”電路板。</p><p>　　PCB之所以能得到越來越廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樗泻芏嗒?dú)特的優(yōu)點(diǎn)，集體概括如下：</p><p>　　可高密度化： 100多年來，印制板高密度能夠隨著集成電路程度提高和安裝技術(shù)進(jìn)步而發(fā)展著。</p><p>　　高可靠性： 通過一系列檢查、測試和老化試驗(yàn)等

70、可保證PCB長期(使用期一般可達(dá)20年)而可靠地工作著。</p><p>　　可設(shè)計(jì)性： 對(duì)PCB各種性能（電氣、物理、化學(xué)、機(jī)械等）要求，可以通過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化等實(shí)現(xiàn)印制板設(shè)計(jì)，時(shí)間短、效率高。</p><p>　　可生產(chǎn)性： 采用現(xiàn)代化管理，可標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化、自動(dòng)化等生產(chǎn)、保證產(chǎn)品質(zhì)量一致性。</p><p>　　可測試性：建立了比較完整測試方法、測試標(biāo)準(zhǔn)、

71、各種測試設(shè)備與儀器等來檢測并鑒定PCB產(chǎn)品合格性和使用壽命。</p><p>　　可組裝性： PCB產(chǎn)品既便于各種元件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化組裝，又可以進(jìn)行自動(dòng)化、規(guī)模化批量生產(chǎn)。同時(shí)，PCB和各種元件組裝部件還可組裝成更大部件、系統(tǒng)，直至整機(jī)。</p><p>　　可維護(hù)性： 由于PCB產(chǎn)品和各種元件組裝部件是以標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)?；a(chǎn)，因而，這些部件也是標(biāo)準(zhǔn)化。所以，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，可以快速、方便、靈

72、活地進(jìn)行更換，迅速恢復(fù)系統(tǒng)工作。</p><p>　　3.2 熱釋電人體紅外傳感器的工作原理及特點(diǎn)</p><p>　　本自動(dòng)救生圈的人體感應(yīng)模塊電路采用熱釋電人體紅外傳感器HC-SR501模塊，它是一種能檢測人或動(dòng)物（和人體體溫一樣的動(dòng)物或發(fā)熱體）發(fā)射的10um波長紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器模塊。它由LHI778探頭、配以紅外傳感信號(hào)處理器BISS0001、少量外接元器件和菲涅爾透鏡構(gòu)成

73、。熱釋電人體紅外傳感器（PIR）廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器等各類自動(dòng)感應(yīng)電器設(shè)備，尤其是干電池供電的自動(dòng)控制產(chǎn)品。它可以作為紅外激光的一種較理想的探測器。它的優(yōu)點(diǎn)是檢測范圍廣，反應(yīng)速度快，靈敏度高，可靠性強(qiáng)，超低電壓工作模式，LHI778探頭采用雙元探頭，有溫度補(bǔ)償，抗溫度變化干擾，抗光、電干擾能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離檢測人體。</p><p>　　熱釋電人體傳感器模塊工作時(shí)，先由菲涅爾透鏡把人

74、體發(fā)出的10um波長紅外線聚焦給LHI778探頭里面的雙元探頭，產(chǎn)生的電流信號(hào)經(jīng)過外部元件和BISS0001芯片的處理送至單片機(jī)讀取，MCU據(jù)此產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和警報(bào)模塊。其電路原理圖如下圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2 HC-SR501電路結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　結(jié)構(gòu)簡圖如下圖3-3所示：</p><p>　　圖3-3 HC-SR5

75、01模塊結(jié)構(gòu)簡圖</p><p>　　實(shí)物圖如下圖3-4所示：</p><p>　　圖3-4 HC-SR501實(shí)物圖</p><p>　　熱釋電傳感器的工作原理：熱釋電效應(yīng)同壓電效應(yīng)類似，是指由于溫度的變化而引起晶體表面荷電的現(xiàn)象。熱釋電傳感器是對(duì)溫度敏感的傳感器。它由陶瓷氧化物或壓電晶體元件組成，在元件 兩個(gè)表面做成電極，在傳感器監(jiān)測范圍內(nèi)溫度有ΔT的變化時(shí)，熱釋

76、電效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生電荷ΔQ，即在兩電極之間產(chǎn)生一微弱的電壓ΔV。由于它的輸出 阻抗極高，在傳感器中有一個(gè)場效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷ΔQ會(huì)被空氣中的離子所結(jié)合而消失，即當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時(shí)，ΔT=0，則傳感 器無輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測區(qū)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生ΔT，則有ΔT輸出；若人體進(jìn)入檢測區(qū)后不動(dòng)，則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出了。所以 這種傳感器檢測人體或者動(dòng)物的活動(dòng)傳感。 由實(shí)驗(yàn)證明，傳感器不加

77、光學(xué)透鏡(也稱菲涅爾透鏡)，其檢測距離小于2m，而加上光學(xué)透鏡后，其檢測距離可大于7m。</p><p>　　熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動(dòng)物發(fā)射的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器。早在1938年，有人提出過利用熱釋電效應(yīng)探測紅外輻射，但并未受到重視，直到 六十年代，隨著激光、紅外技術(shù)的迅速發(fā)展，才又推動(dòng)了對(duì)熱釋電效應(yīng)的研究和對(duì)熱釋電晶體的應(yīng)用。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測 器，它可以作為

78、紅外激光的一種較理想的探測器。它目標(biāo)正在被廣泛的應(yīng)用到各種自動(dòng)化控制裝置中。除了在我們熟知的樓道自動(dòng)開關(guān)、防盜報(bào)警上得到應(yīng)用外，在 更多的領(lǐng)域應(yīng)用前景看好。比如：在房間無人時(shí)會(huì)自動(dòng)停機(jī)的空調(diào)機(jī)、飲水機(jī)。電視機(jī)能判斷無人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺后自動(dòng)關(guān)機(jī)的機(jī)構(gòu)。開啟監(jiān)視器或自動(dòng)門鈴上 的應(yīng)用。結(jié)合攝影機(jī)或數(shù)碼照相機(jī)自動(dòng)記錄動(dòng)物或人的活動(dòng)等等……。</p><p>　　HC-SR501的工作特點(diǎn)：全自動(dòng)感應(yīng)：當(dāng)有人進(jìn)入其感

79、應(yīng)范圍則輸入高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平；光敏控制(可選）：模塊預(yù)留有位置，可設(shè)置光敏控制，白天或光線強(qiáng)時(shí)不感應(yīng)。光敏控制為可選功能,出廠時(shí)未安裝光敏電阻。如果需要，請另行購買光敏電阻自己安裝；兩種觸發(fā)方式：L不可重復(fù)，H可重復(fù)。可跳線選擇，默認(rèn)為H。A.不可重復(fù)觸發(fā)方式：即感應(yīng)輸出高電平后，延時(shí)時(shí)間一結(jié)束，輸出將自動(dòng)從高電平變?yōu)榈碗娖健?B.可重復(fù)觸發(fā)方式： 即感應(yīng)輸出高電平后，在延時(shí)時(shí)間段內(nèi)，如果有人體在其

80、感應(yīng)范圍內(nèi)活動(dòng)，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時(shí)將高電平變?yōu)榈碗娖?感應(yīng)模塊檢測到人 體的每一次活動(dòng)后會(huì)自動(dòng)順延一個(gè)延時(shí)時(shí)間段，并且以最后一次活動(dòng)的時(shí)間為延時(shí)時(shí)間的起始點(diǎn))；具有感應(yīng)封鎖時(shí)間(默認(rèn)設(shè)置：3-4秒)：感應(yīng) 模塊在每一次感應(yīng)輸出后(高電平變?yōu)榈碗娖?，可以緊跟著設(shè)置一個(gè)封鎖時(shí)間，在此時(shí)間段內(nèi)感應(yīng)器不接收任何感應(yīng)信號(hào)。此功能可以實(shí)現(xiàn)(感應(yīng)輸出時(shí)間和封鎖 時(shí)間)兩者的間隔工作，可應(yīng)用于間隔探測產(chǎn)品；同時(shí)此功能可有效抑制

81、負(fù)載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾;工作電壓范圍寬：默認(rèn)工作電壓DC5V</p><p>　　綜上所述，在本自動(dòng)救生圈將該模塊的靈敏度設(shè)置到最高（約七米），延時(shí)時(shí)間約為3.4秒，并且為其提供7.4v的工作電壓，為了更好的感應(yīng)人，將該模塊的長方形窗口豎立綁定放置在圈體正前方，并將其信號(hào)輸出端接到STC89C52的P1.0口，供單片機(jī)讀取信號(hào)。</p><p>　　3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)<

82、/p><p>　　電機(jī)是自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要元件，其性能的好壞直接影響整個(gè)自動(dòng)救生圈的工作性能。為了讓救生圈的直流電機(jī)在水中阻力大、螺旋槳的重量影響的情況下有更好的性能，我們需要一個(gè)內(nèi)阻比較小的、性能穩(wěn)定度高，使用簡單的驅(qū)動(dòng)芯片。因此我們采用ST公司生產(chǎn)的L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、發(fā)熱量低、抗感擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，采用15腳的封裝。L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，最高工作電源

83、電壓可達(dá)46v，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A。它可以用來驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)或一個(gè)步進(jìn)電機(jī)、繼電器感性線圈等負(fù)載，采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；它具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯部分在低電壓下工作。模塊使用大容量濾波電容，續(xù)流保護(hù)二極管，可以提高可靠性。該芯片有四個(gè)邏輯輸入端，分別是IN1、IN2、IN3、IN4，它們分別對(duì)應(yīng)著四個(gè)輸出接口OUT1、OUT2、OUT3、

84、OUT4.</p><p>　　該驅(qū)動(dòng)芯片的實(shí)物圖如下圖3-5所示：</p><p>　　圖3-5 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊</p><p>　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：該部位采用L298N驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制，該驅(qū)動(dòng)板可驅(qū)動(dòng)2路直流電機(jī)，使能端ENA、ENB為高電平時(shí)有效，控制方式及直流電機(jī)狀態(tài)表。該電機(jī)的直流電機(jī)狀態(tài)表如下圖3-6所示：</p><p>

85、　　圖3-6 直流電機(jī)狀態(tài)圖</p><p>　　若要對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行 PWM 調(diào)速，需設(shè)置 IN1 和 IN2，確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，然后對(duì)使能端輸出 PWM 脈沖，即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速。注意當(dāng)使能信號(hào)為 0 時(shí)，電機(jī)處于自由停止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)使能信號(hào)為 1，且 IN1 和 IN2 為 00 或 11 時(shí)，電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)，阻止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　3.3.1 L298N驅(qū)動(dòng)電路邏輯真值表<

86、;/p><p>　　L298N的邏輯控制見如下表。其中C、D分別為IN1、IN2或IN3、IN4；L為低電平，H為高電平，※為不管是低電平還是高電平。</p><p>　　圖3-7 L298N直流電機(jī)控制的邏輯真值表</p><p>　　3.3.2 L298N驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖</p><p>　　圖3-8 L298N驅(qū)動(dòng)模塊原理圖</p&

87、gt;<p>　　3.3.3 L298N集成H橋芯片,引腳圖</p><p>　　圖3-9 L298N驅(qū)動(dòng)電路引腳圖</p><p>　　3.3.4 L298N引腳功能表</p><p>　　表3-10 L298N引腳功能表</p><p>　　3.3.5 L298N驅(qū)動(dòng)電路運(yùn)行參數(shù)</p><p>　　

88、表3-11 L298N的運(yùn)行參數(shù)</p><p>　　本題目的設(shè)計(jì)目標(biāo)是制作一個(gè)自動(dòng)救生圈的雛形，受限于模型過小，排水量不大，所以要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行重量控制，所以采用兩節(jié)18650電池，供電電壓7.4v,為整個(gè)系統(tǒng)的所有模塊工作提供電源，包括人體感應(yīng)模塊、警報(bào)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和MCU最小系統(tǒng)模塊。由于負(fù)載稍多，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試自動(dòng)救生圈的運(yùn)動(dòng)速度不算很快，從整個(gè)系統(tǒng)的需求和負(fù)載性能考慮出發(fā)，并沒有對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制

89、，所以本自動(dòng)救生圈模型的驅(qū)動(dòng)芯片利用四個(gè)邏輯輸入口分別接入到單片機(jī)的P2.1、P2.2、P2.3、P2.4口以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向來控制自動(dòng)救生圈的運(yùn)動(dòng)方向。</p><p>　　3.4 微控制器的接口設(shè)計(jì)</p><p>　　本自動(dòng)救生圈的微控制器采用國產(chǎn)的8位STC89C52單片機(jī)，采用11.0592M晶振、40P封裝，具有性能高、功耗低和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，有豐富的I/0接口和通信接口。&

90、lt;/p><p>　　除此之外我們還要給單片機(jī)配上晶振電路和復(fù)位電路等，以構(gòu)成MCU最小控制系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)采用的MCU最小系統(tǒng)購自網(wǎng)上，其實(shí)物圖如下圖3-12所示：</p><p>　　圖3-12 MCU最小系統(tǒng)模塊</p><p>　　最小系統(tǒng)板以2.54mm的間距的排針形式固定在板上，因此在相應(yīng)的主板上應(yīng)該設(shè)置匹配的接口。其工作電源采用兩節(jié)18650電池供電，電壓可

91、達(dá)7.4v，加上其他負(fù)載，其工作電壓穩(wěn)定5v。</p><p>　　3.5 系統(tǒng)主板電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　由于硬件是分模塊設(shè)計(jì)的，所以最終要結(jié)合在一起才能相互工作。該自動(dòng)救生圈圈體頂部的主板電路上有電源接口、單片機(jī)最小系統(tǒng)母座、人體紅外傳感器接口、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接口和警報(bào)模塊接口。</p><p>　　該自動(dòng)救生圈的主板電路設(shè)計(jì)如下圖3-13所示：</

92、p><p>　　圖3-13 自動(dòng)救生圈主板電路實(shí)物圖</p><p>　　該自動(dòng)救生圈的主板架構(gòu)整體如上圖所示，左上方帶有菲涅爾透鏡是熱釋電人體紅外傳感器模塊，我們將它與單片機(jī)共地連接，采用與單片機(jī)一樣的電源，輸出的信號(hào)線連接單片機(jī)的P1.0;而圈體的中上部就是該自動(dòng)救生圈的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N，本人將其四條邏輯輸入口分別與STC89C52的的P2.1、P2.2、P2.3、P2.4口連接，通

93、過單片機(jī)的控制信號(hào)來控制該驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出A和輸出B,而該電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的輸出A與輸出B與分別與兩個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接；每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)由一個(gè)5V直流電機(jī)和一個(gè)螺旋槳構(gòu)成，螺旋槳的轉(zhuǎn)向不同，其產(chǎn)生的推力方向也不同，以此原理來控制救生圈的前進(jìn)或旋轉(zhuǎn)；該自動(dòng)救生圈的警報(bào)模塊是一個(gè)5v蜂鳴器，將其長腳處與電源線連接，短腳接口接在單片機(jī)的P2.7口，當(dāng)單片機(jī)P2.7口輸出低電平，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲。為了防止電機(jī)進(jìn)水，本人在電機(jī)的底部涂抹上AB膠水，其電機(jī)也是通

94、過AB膠水與救生圈圈體粘貼在盒子后下方。</p><p>　　4軟件算法設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析</p><p>　　本課題的自動(dòng)救生圈的軟件開發(fā)平臺(tái)采用keil Uvision2，其軟件及算法設(shè)計(jì)主要由以下幾部分組成：程序初始化算法、延時(shí)算法、開關(guān)量控制算法、死循環(huán)算法等。</p><p>　　4.1 軟件開發(fā)平臺(tái) </p><p>　　本設(shè)計(jì)課

95、題的軟件開發(fā)平臺(tái)是Keil Uvision3，它是美國Keil Software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提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)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(gè)集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。運(yùn)行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系

96、統(tǒng)。</p><p>　　在2006年1月30日，ARM推出全新的針對(duì)各種嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具，集成Keil μVision3的RealView MDK開發(fā)環(huán)境。RealView MDK開發(fā)工具Keil μVision3源自Keil公司。RealView MDK集成了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的技術(shù)，包括Keil μVision3集成開發(fā)環(huán)境與RealView編譯器。支持ARM7、ARM9和最新的Cortex-M3核處理器，

97、自動(dòng)配置啟動(dòng)代碼，集成Flash燒寫模塊，強(qiáng)大的Simulation設(shè)備模擬，性能分析等功能，與ARM之前的工具包ADS等相比，RealView編譯器的最新版本可將性能改善超過20%。</p><p>　　采用該軟件平臺(tái)開發(fā)該自動(dòng)救生圈的優(yōu)點(diǎn)是：其Keil C51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(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語言的優(yōu)勢。與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、

98、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會(huì)更加深刻。因此在本課題中，我們從實(shí)際出發(fā)，選擇了這一軟件開發(fā)平臺(tái)。</p><p>　　4.2 軟件的整體算法設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)是一個(gè)自動(dòng)救生圈的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)目標(biāo)是：當(dāng)該自動(dòng)救生圈沒有感應(yīng)到人體的時(shí)候，人體感應(yīng)模塊輸出低電平，據(jù)此單片機(jī)發(fā)出四個(gè)邏輯控制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，讓兩個(gè)螺旋槳轉(zhuǎn)向不一樣，產(chǎn)生大小相同

99、，方向相反的一對(duì)推力。自動(dòng)救生圈在這力偶矩的作用下緩慢的一直逆時(shí)針的旋轉(zhuǎn)，直到轉(zhuǎn)到有人的方向，人體感應(yīng)模塊立馬感應(yīng)采集信息輸出高電平給單片機(jī)，單片機(jī)據(jù)此發(fā)出控制信號(hào)給警報(bào)模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，讓警報(bào)模塊發(fā)出警報(bào)和讓電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊輸出兩個(gè)正轉(zhuǎn)信號(hào)，使兩個(gè)螺旋槳正轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向前的推力，而自動(dòng)救生圈也會(huì)因此向前運(yùn)動(dòng)，一直走到溺水者的旁邊。根據(jù)本課題的設(shè)計(jì)目標(biāo)，本人設(shè)計(jì)了軟件算法的整體架構(gòu)圖，如下圖4-1所示：</p><p>

100、;　　圖4-1 自動(dòng)救生圈的整體算法結(jié)果圖</p><p>　　根據(jù)此程序框圖的結(jié)構(gòu)，本人編寫了該自動(dòng)救生圈的運(yùn)行程序，詳見附錄A。至此軟硬件的設(shè)計(jì)工作基本完成，完成了實(shí)驗(yàn)之前的準(zhǔn)備工作，本論文將在下面的章節(jié)詳述實(shí)驗(yàn)過程、結(jié)果、分析。</p><p>　　5 自動(dòng)救生圈的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析</p><p>　　5.1 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果</p><p&g

101、t;　　做好準(zhǔn)備工作之后，首先運(yùn)行軟件開發(fā)平臺(tái)Keil Uvision3，建立工程文件，命名為demo01,選擇STC89C52作為cpu，然后建立c文件并添加到工程目錄。把附錄A的程序編寫在c文件中，生成hex文件后并把它燒寫進(jìn)實(shí)驗(yàn)所用的單片機(jī)。在HC-SR501模塊上調(diào)節(jié)兩個(gè)電位器，把延時(shí)調(diào)到最短，靈敏度調(diào)到最高，然后把自動(dòng)救生圈模型放入水中，模型的盒子高約七厘米，放入水中后下沉約3厘米。一開始的四秒鐘救生圈在緩慢的旋轉(zhuǎn)，直到轉(zhuǎn)到本

102、人的旁邊，自動(dòng)救生圈改變方向，往本人的方向運(yùn)動(dòng)并且發(fā)出警報(bào)，本人離開該自動(dòng)救生圈的檢測范圍后（檢測角度范圍為120度），該自動(dòng)救生圈繼續(xù)前行3.6秒，然后改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，開始旋轉(zhuǎn)，警報(bào)聲消失。本人立馬把手放在人體感應(yīng)模塊一直揮動(dòng)，直到3.4秒后，該自動(dòng)救生圈改變旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，開始前行。當(dāng)本人走至6.8米處，救生圈一直旋轉(zhuǎn)，感應(yīng)不到人人體。</p><p>　　5.2 自動(dòng)救生圈的實(shí)驗(yàn)分析</p><

103、p>　　本課題的設(shè)計(jì)目標(biāo)是救生圈一開始在不斷的旋轉(zhuǎn)尋找水面上溺水的人，當(dāng)有人落水，立馬往溺水者的方向運(yùn)動(dòng)，給予援助。從上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，本人基本完成這一個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，本自動(dòng)救生圈最大的檢測范圍為6.8米，人體感應(yīng)模塊可以持續(xù)檢測人體并持續(xù)輸出高電平，當(dāng)人體離開檢測范圍，自動(dòng)救生圈在延時(shí)3.6秒后改為旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，而在其后的3.4秒的封鎖時(shí)間內(nèi)不再接收任何信號(hào)。由于救生圈的感應(yīng)角度為120度，在感應(yīng)到人救往前走容易偏

104、離了一定的角度，所以在本設(shè)計(jì)中當(dāng)救生圈感應(yīng)到人體的那一刻會(huì)延時(shí)0.3秒，旋轉(zhuǎn)多0.3秒然后前向，確保了運(yùn)動(dòng)方向的精確度。</p><p>　　本課題設(shè)計(jì)的是自動(dòng)救生圈的雛形，所以它也有一些局限性，如需應(yīng)用在生活中還需要全方面的提高。本自動(dòng)救生圈的設(shè)計(jì)可以適用于一些湖泊的救生設(shè)備領(lǐng)域，尚不能適用搶險(xiǎn)救援的領(lǐng)域。搶險(xiǎn)救災(zāi)的現(xiàn)場環(huán)境惡劣，需要設(shè)計(jì)抗干擾能力更強(qiáng)、防水性能更好、運(yùn)動(dòng)性能強(qiáng)勁的自動(dòng)救生圈。本自動(dòng)救生圈的局限

105、性：容易受大風(fēng)、射頻干擾，抗干擾能力有待提高；檢測距離最大為6.8m，在救生領(lǐng)域來說檢測距離不夠；運(yùn)動(dòng)速度過慢，運(yùn)動(dòng)性能不夠好，需配以能量密度更大的電池減輕重量和加強(qiáng)運(yùn)動(dòng)性能；感應(yīng)角度過大，檢測人體方向還不夠精確。對(duì)于救生圈未來的發(fā)展，本人的看法是：理想的救生圈是便攜式的自動(dòng)充氣自動(dòng)救生圈，它有便攜、自動(dòng)化程度更高、抗干擾能力更強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)性能更強(qiáng)勁、檢測人體方向更加精確的特點(diǎn)。此類救生圈可以提高當(dāng)前救生設(shè)備的運(yùn)輸效率、救援現(xiàn)場的救援速度