基于單片機(jī)的自動救生圈設(shè)計

本科畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機(jī)的自動救生圈設(shè)計學(xué)生學(xué)院 信息工程學(xué)院專業(yè) 測控技術(shù)與儀器（光機(jī)電一體化方向）年級班別 20級（1）班學(xué)號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 20年月摘要基于單片機(jī)的自動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。本課題是自動救生的設(shè)計與實現(xiàn)，涉及到傳感器技術(shù)、程序設(shè)計、電路設(shè)計、控制理論等多方面的知識，是一項綜合了多門大學(xué)課程的設(shè)計。設(shè)計的目標(biāo)是讓自動救生圈自動感應(yīng)并且往人的方向運(yùn)動，同時發(fā)出警報。主要內(nèi)容包括基于單片機(jī)的自動救生圈的軟硬件的設(shè)計、搭建和實現(xiàn)。本文首先介紹了自動救生圈的研究背景、國內(nèi)外的研究情況、研究方法；隨后介紹了自動救生圈的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā)，該自動救生圈的核心硬件平臺采用的是低功耗高性能CMOS8位微控制器，具有8K的系統(tǒng)可編程Flash存儲器的STC89C52作為控制核心。硬件模塊包括電源模塊、人體感應(yīng)模塊、運(yùn)動模塊（包括電機(jī)驅(qū)動和螺旋槳）、MCU最小系統(tǒng)模塊、警報模塊。其次該自動救生圈的軟件平臺為keiluvision3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)動轉(zhuǎn)向程序等，其功能主要實現(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)，整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高。在實際調(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，并且能智能控制運(yùn)動方向，發(fā)出警報，達(dá)到自動救生圈的設(shè)計目標(biāo)和要求。關(guān)鍵詞：自動救生圈熱釋電人體紅外感應(yīng)器自主定位電機(jī)驅(qū)動螺旋槳注：本項目（論文）來源于教師的國家級（或部級、省級、廳級、市級、校級、企業(yè)）科研項目，項目編號為：。Abstract BasedonSCMautomaticlifebuoyisakindofintelligentbuoy,whichisdifferentfromordinarylifebuoyinthemarket.Besides,throughthehumanbodyinfraredsensor,theliferingpositioningthepositionquicklyandaccuratelyrunningnexttothedrowningman,thedrowningmanrescued,striveforthepreciousrescuetimefortherescueofdrowning.Asuddenaccident,canlookforwardtothefuturecanbewidelyusedinemergencyrescue,floodrescueequipmentinareassuchaslargelakesandrivers.Thistopicisthedesignandimplementationofautomaticlifesaving,whichinvolvestheknowledgeofsensortechnology,programdesign,circuitdesign,controltheoryandsoon.Thegoalofthedesignistoenabletheautomaticlifebuoytoautomaticallysenseandmoveinthedirectionofthehumanbody,whilegivinganalarm. Themaincontentsincludethedesign,constructionandimplementationofthehardwareandsoftwareoftheautomaticlifebuoybasedonmcu.Firstintroducedthedesignanddevelopmentofhardwarestructureofautomaticlifebuoy,thehardwareplatformoftheautomaticbuoyisusedinlowpowerandhighperformanceCMOS8bitmicrocontrollersystemwith8KprogrammableFlashmemorySTC89C52asthecontrolcore.Thehardwaremoduleincludesthepowermodule,thehumanbodyinductionmodule,themotionmodule(includingthemotordriveandpropeller),theMCUminimumsystemmodule,thealarmmodule.Secondly,thesoftwareplatformoftheautomaticlifebuoyisthedevelopmentenvironmentofKeiluvision3.Thesoftwaresystemincludesthesysteminitializationprogram,thepyroelectricinfraredsensorofthehumanbodyoftheinductionofthestrategicprocedures,motordrivesteeringprocedures,themainfunctionofthesoftwaresystemtoachievethebasicinputandoutputconfiguration.Inthispaper,thehardwaresystemandthesoftwaresystemalladoptthemodularstructure,thecircuitstructureofthewholesystemissimple,thereliabilityishigh.Intheactualdebugging,thelifebuoycanadapttotheoperatingenvironmentofthewater,hasagoodwaterproofeffect,andcanintelligentlycontrolthedirectionofmovement,alarm,toachievethedesigngoalsandrequirementsofautomaticlifebuoy. Keyword:Automaticlifebuoy,Pyroelectricinfraredsensor,Autonomouspositioning,motordrive,Propeller目錄TOC\o"1-3"\h\u145521緒論 1204731.1選題的背景和意義 1215481.2國內(nèi)外的研究狀況 1170901.3題目的研究方法 3157761.4論文構(gòu)成及研究內(nèi)容 342472自動救生圈的整體方案設(shè)計 5180902.1自動救生圈的運(yùn)行環(huán)境介紹 5272572.2傳感器的方案的選定 6297312.3設(shè)計方案的選定 8251662.4系統(tǒng)各部分的主要功能 9304693硬件電路的設(shè)計 11228273.1自動救生圈硬件設(shè)計相關(guān)概念 11225333.1.1MCU 1164023.1.2PCB 15217883.2熱釋電人體紅外傳感器的工作原理及特點(diǎn) 16154983.3電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計 20103013.3.1L298N驅(qū)動電路邏輯真值表 21244773.3.2L298N驅(qū)動模塊電路原理圖 22268203.3.3L298N集成H橋芯片,引腳圖 2290623.3.4L298N引腳功能表 2313873.3.5L298N驅(qū)動電路運(yùn)行參數(shù) 24115353.4微控制器的接口設(shè)計 247023.5系統(tǒng)主板電路的設(shè)計 25150564軟件算法設(shè)計及實驗結(jié)果分析 27190514.1軟件開發(fā)平臺 2727074.2軟件的整體算法設(shè)計 27312065自動救生圈的實驗結(jié)果與分析 29262395.1實驗過程與結(jié)果 29212905.2自動救生圈的實驗分析 293891結(jié)論 3118604參考文獻(xiàn) 3214451致謝 339656附錄A 34PAGEPAGE301緒論1.1選題的背景和意義古往今來，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)生險情或意外溺水事件，緊迫的搶險救援時間關(guān)乎著每一個受災(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)的救生圈在面對一些比較緊急的情況，依靠個人的操作去拋放，難免有失誤，耽誤搶救時間，并且在這江湖湖泊不一定每時每刻都有人在，當(dāng)有人溺水，就相當(dāng)?shù)臒o助。隨著人工智能時代的到來，自動化、智能化是一種潮流，而基于單片機(jī)的自動救生圈可以很好地解決這個問題。本課題主要目的設(shè)計一個基于單片機(jī)的自動救生圈，當(dāng)有人溺水，自動救生圈可以立馬感應(yīng)，并向溺水者游去。并發(fā)出警報。功能包括：人體紅外線感應(yīng)模塊，警報模塊，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)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，發(fā)出聲光等報警。運(yùn)動模塊，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?？梢韵胂螅谖磥碇悄軙r代，搶險救災(zāi)必然需要這種類型的救生圈，所以對于該題目的研究很有意義。此外，對救生圈的軟件系統(tǒng)搭建還有軟件系統(tǒng)調(diào)試，在一定程度上增強(qiáng)自身的動手能力，思考能力，解決問題的能力，更好的將理論和實踐聯(lián)系起來，學(xué)以致用。1.2國內(nèi)外的研究狀況自動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。目前對于智能救生圈的研發(fā)方向有自動救生圈、自動充氣救生圈、便攜式自動充氣救生圈、遙控救生圈等。關(guān)于自動救生圈這一方面的研究，已經(jīng)有好幾個申請專利了，比較典型的是鄭州大學(xué)學(xué)生設(shè)計的一種自動救生圈。該自動救生圈是一種新型救生圈，可以自動尋找意外落水者的位置并行駛過去，第一時間救起落水者。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)約一定時間并解放部分救援人力。在國外，對于智能救生圈的研究的進(jìn)展和國內(nèi)相差無幾，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、自動化、便攜等方向發(fā)展。例如圖1-1所示：圖1-1國外關(guān)于自動救生圈的新穎設(shè)計想法如上圖所示，這是來自2015年IF國際設(shè)計的學(xué)生得獎作品。此設(shè)計概念針對在海上遭遇意外事故的人們，提供即時有效的救援協(xié)助，以拯救寶貴的生命。該系統(tǒng)一旦偵測到海面的生命跡象，即能通過GPS功能精準(zhǔn)地定位溺水者的即時位置，然后發(fā)送信號給當(dāng)?shù)刈罱乃丫?。接著對溺水者傳出出救生圈，同時標(biāo)記其位置，若在黑暗中，也會投射出紅色指示燈號，以此引導(dǎo)搜救團(tuán)隊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，這些智能救援系統(tǒng)也與它們保持連線，提供24小時全天候的海洋狀況即時監(jiān)控功能，有效把握黃金救援時刻，提高海上相關(guān)活動的安全性。雖然該系統(tǒng)目前仍處于設(shè)計概念階段，但其發(fā)展價值的重要性不言而喻。此概念的主要挑戰(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，也讓我們期待這項概念能及早落實在實物的應(yīng)用上，進(jìn)而提升全人類的福祉。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)情況搶險救災(zāi)的得力助手。1.3題目的研究方法本文設(shè)計目標(biāo)是完成一個自動救生圈系統(tǒng)的設(shè)計，為了完成這個目標(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救生圈的設(shè)計方案，如下圖1-2：圖1-2文獻(xiàn)中主流的自動救生圈設(shè)計方案圖中圈體1為救生圈，當(dāng)有人溺水時，紅外感應(yīng)器3將信號傳遞給單片機(jī)2，單片機(jī)2根據(jù)定位信號驅(qū)動兩個螺旋槳5向溺水者處運(yùn)動。7為兩個左右對稱的蓄電池，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)，使本人對自動救生圈的設(shè)計有一個主要的參考設(shè)計思路，以更好地完成該題目的各方面的設(shè)計要求。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值。1.4論文構(gòu)成及研究內(nèi)容本文的第一章為緒論，主要介紹了項目背景，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。第二章介紹本自動救生圈的工作環(huán)境和設(shè)計方案以及所使用的軟硬件開發(fā)工具和相關(guān)技術(shù)。第三章介紹該自動救生圈電路的搭建。包括電源模塊，人體紅外感應(yīng)模塊，動力裝置模塊，警報模塊，MCU最小系統(tǒng)模塊等的電路，分別實現(xiàn)不同的輸入信號和輸出執(zhí)行等功能。第四章論述軟件系統(tǒng)的算法和總體設(shè)計。包括系統(tǒng)初始化程序，人體紅外感應(yīng)開關(guān)程序，輸出信號驅(qū)動動力裝置的程序，聲光警報程序，主要實現(xiàn)軟件系統(tǒng)的基本的輸入輸出與配置，如預(yù)防個別硬件失效的開機(jī)自檢程序等等；在本章中，對本系統(tǒng)進(jìn)行實驗和可行測試，驗證了設(shè)計基于單片機(jī)的自動救生圈的可靠性和可行性。其后對自動救生圈的設(shè)計工作和論文撰寫進(jìn)行總結(jié)。2自動救生圈的整體方案設(shè)計本文所設(shè)計的是一種自動救生圈系統(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。自動救生圈頭部的熱釋電人體感應(yīng)器識別移動的人體，通過信號處理芯片輸出高電平反饋給微處理器，微處理器對采集的信號進(jìn)行分析，發(fā)出控制信號到電機(jī)驅(qū)動電路和警報電路，從而實現(xiàn)自動救生圈的基本功能。本自動救生圈的控制系統(tǒng)采用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檢查程序來負(fù)責(zé)采集信號，并將信號送至核心控制單元進(jìn)行判斷處理后，由單片機(jī)發(fā)出控制信號給電機(jī)驅(qū)動電路和警報電路，控制自動救生圈的運(yùn)動方向和蜂鳴器的警報聲。本自動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)動模塊、警報模塊、電源模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊。本章主要介紹自動救生圈的總體設(shè)計方案和設(shè)計思路，在后面的章節(jié)中，本人將分為硬件電路設(shè)計和軟件算法設(shè)計對自動救生圈的構(gòu)建進(jìn)行分析。2.1自動救生圈的運(yùn)行環(huán)境介紹在實際生活中，救生圈的搶救現(xiàn)場環(huán)境比較復(fù)雜，在實驗中很難模擬出溺水環(huán)境的真實情況，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。救生圈小模型如下圖2-1所示：圖2-1自動救生圈的圈體模型如上圖所示，該救生圈的圈體模型是個長方體的塑料盒，長寬高分別16cm、11cm、7cm。最大負(fù)載重量為1.23kg。自動救生圈運(yùn)行時的簡化水環(huán)境如下圖2-2所示，是一個直徑為45cm的塑料盆。圖2-2自動救生圈的運(yùn)行環(huán)境2.2傳感器的方案的選定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，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。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主要有：P228、LHI958、LHI778、LHI878、LHI954、RE200B、KDS209、PIS209、PD632等。熱釋電紅外傳感器通常采用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）的時候，其信號輸出端輸出高電平（通常大于2.0v）。其實物圖2-3如下所示：圖2-3主流的熱釋電人體傳感器結(jié)構(gòu)圖但是此類傳感器信號輸出端輸出的信號不能直接被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。實驗證明，不使用菲涅爾透鏡時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透鏡單元，它們由一個個同心圓構(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，就會形成明暗相間的可見區(qū)和盲區(qū)。由于每一個透鏡單元只有一個很小的視角，視角內(nèi)為可見區(qū)，視角外為盲區(qū)。任何兩個相鄰?fù)哥R單元之間均以一個盲區(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，運(yùn)動的人體一旦出現(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，從而輸出電信號。也可以這樣理解，人體在檢測區(qū)內(nèi)活動時，一離開一個透鏡單元的視場，又會立即進(jìn)入另一個透鏡單元的視場，（因為相鄰?fù)哥R單元之間相隔很近），傳感器上就出現(xiàn)隨人體移動的盲區(qū)和可見區(qū)，導(dǎo)致傳感器的溫度變化，而輸出電信號。菲涅爾透鏡不僅可以形成可見區(qū)和盲區(qū)，還有聚焦作用，其焦點(diǎn)一般為5厘米左右，實際應(yīng)用時，應(yīng)根據(jù)實際情況或資料提供的說明調(diào)整菲涅爾透鏡與傳感器之間的距離，一般把透鏡固定在傳感器正前方1~5厘米的地方。菲涅爾透鏡一般采用聚乙烯塑料片制成，顏色為乳白色或黑色，呈半透明狀，但對波長為10um左右的紅外線來說卻是透明的。在本設(shè)計中，從實際情況出發(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：圖2-4HC-SR501結(jié)構(gòu)簡圖2.3設(shè)計方案的選定本設(shè)計電路整體架構(gòu)如下圖所示：圖2-5自動救生圈的整體設(shè)計架構(gòu)從結(jié)構(gòu)圖我們看到，自動救生圈系統(tǒng)采集人體紅外傳感器的信號，然后輸出三組io口的控制信號。人體紅外傳感器是自動救生圈的導(dǎo)航系統(tǒng)，警報系統(tǒng)和電機(jī)運(yùn)動系統(tǒng)受人體紅外傳感器影響控制其警報聲和運(yùn)動的方向。因此自動救生圈運(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)動算法實現(xiàn)對運(yùn)動方向和警報器的控制。我們把單片機(jī)最小系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動電路、電源電路、警報電路、傳感器驅(qū)動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)動電路，兩個執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電機(jī)和螺旋槳）經(jīng)過防水處理粘在圈體的后下方，為自動救生圈提供前進(jìn)的動力。如圖所示，搭建后的實際模型如下圖2-6所示：圖2-6自動救生圈設(shè)計實物圖根據(jù)以上方案，我們將自動救生圈系統(tǒng)分為六大模塊：MCU最小系統(tǒng)模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、人體感應(yīng)模塊、警報模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊。每個模塊都包括硬件和軟件兩部分。硬件為實驗中提供硬件實體，軟件為硬件運(yùn)行提供算法支持，各模塊的作用將在下文一一詳述。我們希望自動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)向和警報器的工作情況，否則前進(jìn)方向會偏離人體的正確方向，因為人體傳感器的感應(yīng)角度為120度，需要延時來控制前進(jìn)方向的準(zhǔn)度。2.4系統(tǒng)各部分的主要功能系統(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)實時讀入人體紅外傳感器的輸出信號，進(jìn)行判斷分析，輸出相應(yīng)的控制信號給電機(jī)驅(qū)動電路和警報電路；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)動模塊L298N、人體紅外感應(yīng)模塊HC-SR501、警報模塊提供工作電壓和為直流電機(jī)提供驅(qū)動電壓；電機(jī)驅(qū)動模塊:采用L298N電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動兩個直流電機(jī),該模塊工作電壓為5.0v，電機(jī)驅(qū)動電壓為7.4v。實現(xiàn)對單片機(jī)輸出的高電平放大處理，讓救生圈的運(yùn)動性能顯著提升；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)活動的人體。作為自動救生圈系統(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，經(jīng)過一系列處理成為單片機(jī)可接受的信號送至微處理器判斷分析進(jìn)而發(fā)出準(zhǔn)確的控制信號；警報模塊：采用5V蜂鳴器，當(dāng)有人下水，發(fā)出警報聲；執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊：有兩個直流電機(jī)和兩個螺旋槳組成，采用防水AB膠粘在救生圈圈體后下方，并在關(guān)鍵部位涂膠水以防水。該模塊接受電機(jī)驅(qū)動模塊的驅(qū)動信號，以控制救生圈的運(yùn)動方向。3硬件電路的設(shè)計本自動救生圈系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是讓自動救生圈對水面上的情況判斷分析，根據(jù)此對電機(jī)驅(qū)動模塊和警報模塊進(jìn)行控制，讓其自動尋人并向溺水人運(yùn)動。本設(shè)計按照各部分區(qū)域在功能上的不同采用模塊化設(shè)計方案，其中最主要包括：MCU最小系統(tǒng)、人體感應(yīng)模塊、警報模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊。本章將詳述各個系統(tǒng)塊間的硬件設(shè)計方法和電路鋪設(shè)，其中微控制芯片為STC89C52。3.1自動救生圈硬件設(shè)計相關(guān)概念3.1.1MCUMCU(MicroControlUnit)中文名叫位控制單元，又名單片機(jī)微型計算機(jī)（SingleChipMicrocoputer）或者單片機(jī)。MCU是把計算機(jī)上的CPU、RAM、ROM、定時計數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級計算機(jī)為不同的應(yīng)用場合做不同組合的控制。MCU按存儲器類型可分為無片內(nèi)ROM型和帶片內(nèi)ROM型兩種。對于無片內(nèi)ROM型的芯片，必須外接EPROM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（OneTimePrograming,OTP）的芯片（典型芯片為97C51）。MASKROM的MCU價格便宜，但其程序無法自己編寫，適用場合非常固定；FLASHROM的MCU產(chǎn)品程序靈活性很強(qiáng)，可以重復(fù)修改，但其價格相對較高，適合用于開發(fā)或高投入產(chǎn)品產(chǎn)品的研發(fā)；OTPROM的MCU價格適中，同時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，尤其針對不斷更新?lián)Q代而且需要量產(chǎn)的電子產(chǎn)品。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，國外公司因開發(fā)時間較長，技術(shù)相對領(lǐng)先，但價格也相對較高；而國內(nèi)公司則是以價格優(yōu)勢和功能齊全等特點(diǎn)和國外廠家競爭。由于技術(shù)上的突破，8位MCU與4位MCU價格相差無幾，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)動控制器、溫濕度計、LCD游戲機(jī)、充電器、胎壓計、遙控器及傻瓜相機(jī)等；8位MCU大部分應(yīng)用在電表、電話錄音機(jī)、馬達(dá)控制機(jī)器、傳真機(jī)、電動玩具機(jī)、變頻式冷氣機(jī)、呼叫器、來電辨識器（CallerID)、CRT顯示器、鍵盤、及USB等；16位MCU大部分應(yīng)用在行動電話、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、多媒體互動系統(tǒng)、高級電視游樂器（如SEGA的Dreamcast及Nintendo的GameBoy)及高級終端機(jī)等。在本設(shè)計中采用的單片機(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，工作時鐘最高可達(dá)到24MHz。使實時控制、實時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Flash存儲器、1000次擦寫周期、全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz、三級加密程序存儲器、32個可編程I/O口線、三個16位定時器/計數(shù)器八個中斷源、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、看門狗定時器、雙數(shù)據(jù)指針、掉電標(biāo)識符。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存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，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，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。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、定時器/計數(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：圖3-1芯片引腳圖P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，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，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。P1口：P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，p1輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如下表所示。在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。引腳號第二功能P1.0T2（定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出P1.1T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制）P1.5MOSI（在線系統(tǒng)編程用）P1.6MISO（在線系統(tǒng)編程用）P1.7SCK（在線系統(tǒng)編程用）P2口：P2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX@DPTR）時，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)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。P3口：P3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，p2輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，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編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。端口引腳第二功能P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD(串行輸出口)P3.2INTO(外中斷0)P3.3INT1(外中斷1)P3.4TO(定時/計數(shù)器0)P3.5T1(定時/計數(shù)器1)P3.6WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗的控制信號。RST——復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG——當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，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仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（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，該引腳會被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。PSEN——程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)STC89C52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。EA/VPP——外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（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)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。FLASH存儲器編程時，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。3.1.2PCBPCB(PrintedCircuitBoard)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。PCB之所以能得到越來越廣泛的應(yīng)用，因為它有很多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，集體概括如下：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。高可靠性：通過一系列檢查、測試和老化試驗等可保證PCB長期(使用期一般可達(dá)20年)而可靠地工作著?？稍O(shè)計性：對PCB各種性能（電氣、物理、化學(xué)、機(jī)械等）要求，可以通過設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化等實現(xiàn)印制板設(shè)計，時間短、效率高。可生產(chǎn)性：采用現(xiàn)代化管理，可標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化、自動化等生產(chǎn)、保證產(chǎn)品質(zhì)量一致性?？蓽y試性：建立了比較完整測試方法、測試標(biāo)準(zhǔn)、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?？山M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)行自動化、規(guī)?；可a(chǎn)。同時，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)?？删S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)模化生產(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、靈活地進(jìn)行更換，迅速恢復(fù)系統(tǒng)工作。3.2熱釋電人體紅外傳感器的工作原理及特點(diǎn)本自動救生圈的人體感應(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物（和人體體溫一樣的動物或發(fā)熱體）發(fā)射的10um波長紅外線而輸出電信號的傳感器模塊。它由LHI778探頭、配以紅外傳感信號處理器BISS0001、少量外接元器件和菲涅爾透鏡構(gòu)成。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感應(yīng)電器設(shè)備，尤其是干電池供電的自動控制產(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)，實現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離檢測人體。熱釋電人體傳感器模塊工作時，先由菲涅爾透鏡把人體發(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)的控制信號給電機(jī)驅(qū)動模塊和警報模塊。其電路原理圖如下圖3-2所示：圖3-2HC-SR501電路結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)簡圖如下圖3-3所示：圖3-3HC-SR501模塊結(jié)構(gòu)簡圖實物圖如下圖3-4所示：圖3-4HC-SR501實物圖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，熱釋電效應(yīng)會在兩個電極上會產(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，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，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物的活動傳感。由實驗證明，傳感器不加光學(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。熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。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，才又推動了對熱釋電效應(yīng)的研究和對熱釋電晶體的應(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)用到各種自動化控制裝置中。除了在我們熟知的樓道自動開關(guān)、防盜報警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域應(yīng)用前景看好。比如：在房間無人時會自動停機(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)睡覺后自動關(guān)機(jī)的機(jī)構(gòu)。開啟監(jiān)視器或自動門鈴上的應(yīng)用。結(jié)合攝影機(jī)或數(shù)碼照相機(jī)自動記錄動物或人的活動等等……。HC-SR501的工作特點(diǎn)：全自動感應(yīng)：當(dāng)有人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸入高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動延時關(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)時不感應(yīng)。光敏控制為可選功能,出廠時未安裝光敏電阻。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，延時時間一結(jié)束，輸出將自動從高電平變?yōu)榈碗娖?。B.可重復(fù)觸發(fā)方式：即感應(yīng)輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍內(nèi)活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖?感應(yīng)模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次活動的時間為延時時間的起始點(diǎn))；具有感應(yīng)封鎖時間(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)置一個封鎖時間，在此時間段內(nèi)感應(yīng)器不接收任何感應(yīng)信號。此功能可以實現(xiàn)(感應(yīng)輸出時間和封鎖時間)兩者的間隔工作，可應(yīng)用于間隔探測產(chǎn)品；同時此功能可有效抑制負(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至20V6.微功耗：靜態(tài)電流65微安，特別適合干電池供電的電器產(chǎn)品；輸出高電平信號：可方便與各類電路實現(xiàn)對接。感應(yīng)模塊通電后有一分鐘左右的初始化時間，在此時間模塊會間隔地輸出0-3次，一分鐘后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)；感應(yīng)模塊采用雙元探頭，探頭的窗口為長方形，雙元（A元B元）位于較長方向的兩端，當(dāng)人體從左到右或從右到左走過時,紅外光譜到達(dá)雙元的時間、距離有差值，差值越大，感應(yīng)越靈敏，當(dāng)人體從正面走向探頭或從上到下或從下到上方向走過時，雙元檢測不到紅外光譜距離的變化，無差值，因此感應(yīng)不靈敏或不工作；所以安裝感應(yīng)器時應(yīng)使探頭雙元的方向與人體活動最多的方向盡量相平行，保證人體經(jīng)過時先后被探頭雙元所感應(yīng)。為了增加感應(yīng)角度范圍，本模塊采用圓形透鏡，也使得探頭四面都感應(yīng)，但左右兩側(cè)仍然比上下兩個方向感應(yīng)范圍大、靈敏度強(qiáng)，安裝時仍須盡量按以上要求。綜上所述，在本自動救生圈將該模塊的靈敏度設(shè)置到最高（約七米），延時時間約為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，并將其信號輸出端接到STC89C52的P1.0口，供單片機(jī)讀取信號。3.3電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計電機(jī)是自動控制系統(tǒng)的重要元件，其性能的好壞直接影響整個自動救生圈的工作性能。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，我們需要一個內(nèi)阻比較小的、性能穩(wěn)定度高，使用簡單的驅(qū)動芯片。因此我們采用ST公司生產(chǎn)的L298N作為電機(jī)驅(qū)動芯片，具有驅(qū)動能力強(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)動芯片內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，最高工作電源電壓可達(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)動兩個直流電機(jī)或一個步進(jìn)電機(jī)、繼電器感性線圈等負(fù)載，采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制；它具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，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。該芯片有四個邏輯輸入端，分別是IN1、IN2、IN3、IN4，它們分別對應(yīng)著四個輸出接口OUT1、OUT2、OUT3、OUT4.該驅(qū)動芯片的實物圖如下圖3-5所示：圖3-5L298N電機(jī)驅(qū)動模塊電機(jī)驅(qū)動模塊：該部位采用L298N驅(qū)動電路進(jìn)行控制，該驅(qū)動板可驅(qū)動2路直流電機(jī)，使能端ENA、ENB為高電平時有效，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：圖3-6直流電機(jī)狀態(tài)圖若要對直流電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速，需設(shè)置IN1和IN2，確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，然后對使能端輸出PWM脈沖，即可實現(xiàn)調(diào)速。注意當(dāng)使能信號為0時，電機(jī)處于自由停止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)使能信號為1，且IN1和IN2為00或11時，電機(jī)處于制動狀態(tài)，阻止電機(jī)轉(zhuǎn)動。3.3.1L298N驅(qū)動電路邏輯真值表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。輸入輸出Ven=HC=H；D=L正轉(zhuǎn)C=L；D=H反轉(zhuǎn)C=D制動Ven=LC=※；D=※沒有輸出，電機(jī)不工作圖3-7L298N直流電機(jī)控制的邏輯真值表3.3.2L298N驅(qū)動模塊電路原理圖圖3-8L298N驅(qū)動模塊原理圖3.3.3L298N集成H橋芯片,引腳圖圖3-9L298N驅(qū)動電路引腳圖3.3.4L298N引腳功能表引腳符號功能1SENSINGA與地連接電流檢測電阻，并向驅(qū)動芯片反饋檢測到的信號15SENSINGB與地連接電流檢測電阻，并向驅(qū)動芯片反饋檢測到的信號2OUT1此腳是全橋式驅(qū)動器A的兩個輸出端，用來連接負(fù)載3OUT2此腳是全橋式驅(qū)動器A的兩個輸出端，用來連接負(fù)載4Vs電機(jī)驅(qū)動電源輸入端5IN1輸入標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號，控制全橋式驅(qū)動器A的開關(guān)7IN2輸入標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號，控制全橋式驅(qū)動器A的開關(guān)611891012ENABLEA使能控制端.輸入標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號；低電平時全橋式驅(qū)動器禁工作。ENABLEB使能控制端.輸入標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號；低電平時全橋式驅(qū)動器禁止工作。GND接地端，芯片本身的散熱片與8腳相通Vss邏輯控制部分的電源輸人端口IN3輸入標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號，控制全橋式驅(qū)動器B的開關(guān)IN4輸入標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號，控制全橋式驅(qū)動器B的開關(guān)OUT3此腳是全橋式驅(qū)動器B的兩個輸出端，用來連接負(fù)載OUT4此腳是全橋式驅(qū)動器B的兩個輸出端，用來連接負(fù)載表3-10L298N引腳功能表3.3.5L298N驅(qū)動電路運(yùn)行參數(shù)參數(shù)測試環(huán)境最小值最大值驅(qū)動電源電壓Vs邏輯電源電壓Vss輸入低電平電壓 ViL輸入高電平電壓 ViH使能端低電平電壓Ven=L使能端高電平電壓Ven=H全橋式驅(qū)動電壓Vce（sat）持續(xù)工作時IL=1AIL=2A2.5V4.5V0.3V2.3V0.3V2.3V1.8V46V7V1.5VVss1.5VVss4.9V表3-11L298N的運(yùn)行參數(shù)本題目的設(shè)計目標(biāo)是制作一個自動救生圈的雛形，受限于模型過小，排水量不大，所以要對整個系統(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、警報模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊和MCU最小系統(tǒng)模塊。由于負(fù)載稍多，經(jīng)過實驗測試自動救生圈的運(yùn)動速度不算很快，從整個系統(tǒng)的需求和負(fù)載性能考慮出發(fā)，并沒有對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，所以本自動救生圈模型的驅(qū)動芯片利用四個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)向來控制自動救生圈的運(yùn)動方向。3.4微控制器的接口設(shè)計本自動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。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)。本實驗采用的MCU最小系統(tǒng)購自網(wǎng)上，其實物圖如下圖3-12所示：圖3-12MCU最小系統(tǒng)模塊最小系統(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，電壓可達(dá)7.4v，加上其他負(fù)載，其工作電壓穩(wěn)定5v。3.5系統(tǒng)主板電路的設(shè)計由于硬件是分模塊設(shè)計的，所以最終要結(jié)合在一起才能相互工作。該自動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)動模塊接口和警報模塊接口。該自動救生圈的主板電路設(shè)計如下圖3-13所示：圖3-13自動救生圈主板電路實物圖該自動救生圈的主板架構(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，輸出的信號線連接單片機(jī)的P1.0;而圈體的中上部就是該自動救生圈的電機(jī)驅(qū)動模塊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，通過單片機(jī)的控制信號來控制該驅(qū)動信號的輸出A和輸出B,而該電機(jī)驅(qū)動模塊的輸出A與輸出B與分別與兩個執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接；每個執(zhí)行機(jī)構(gòu)由一個5V直流電機(jī)和一個螺旋槳構(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)；該自動救生圈的警報模塊是一個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)也是通過AB膠水與救生圈圈體粘貼在盒子后下方。4軟件算法設(shè)計及實驗結(jié)果分析本課題的自動救生圈的軟件開發(fā)平臺采用keilUvision2，其軟件及算法設(shè)計主要由以下幾部分組成：程序初始化算法、延時算法、開關(guān)量控制算法、死循環(huán)算法等。4.1軟件開發(fā)平臺本設(shè)計課題的軟件開發(fā)平臺是KeilUvision3，它是美國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等操作系統(tǒng)。在2006年1月30日，ARM推出全新的針對各種嵌入式處理器的軟件開發(fā)工具，集成KeilμVision3的RealViewMDK開發(fā)環(huán)境。RealViewMDK開發(fā)工具KeilμVision3源自Keil公司。RealViewMDK集成了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的技術(shù)，包括KeilμVision3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，自動配置啟動代碼，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%。采用該軟件平臺開發(fā)該自動救生圈的優(yōu)點(diǎn)是：其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。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。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。因此在本課題中，我們從實際出發(fā)，選擇了這一軟件開發(fā)平臺。4.2軟件的整體算法設(shè)計本設(shè)計是一個自動救生圈的設(shè)計，設(shè)計目標(biāo)是：當(dāng)該自動救生圈沒有感應(yīng)到人體的時候，人體感應(yīng)模塊輸出低電平，據(jù)此單片機(jī)發(fā)出四個邏輯控制信號給電機(jī)驅(qū)動模塊，讓兩個螺旋槳轉(zhuǎn)向不一樣，產(chǎn)生大小相同，方向相反的一對推力。自動救生圈在這力偶矩的作用下緩慢的一直逆時針的旋轉(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)出控制信號給警報模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊，讓警報模塊發(fā)出警報和讓電機(jī)驅(qū)動模塊輸出兩個正轉(zhuǎn)信號，使兩個螺旋槳正轉(zhuǎn)，產(chǎn)生向前的推力，而自動救生圈也會因此向前運(yùn)動，一直走到溺水者的旁邊。根據(jù)本課題的設(shè)計目標(biāo)，本人設(shè)計了軟件算法的整體架構(gòu)圖，如下圖4-1所示：圖4-1自動救生圈的整體算法結(jié)果圖根據(jù)此程序框圖的結(jié)構(gòu)，本人編寫了該自動救生圈的運(yùn)行程序，詳見附錄A。至此軟硬件的設(shè)計工作基本完成，完成了實驗之前的準(zhǔn)備工作，本論文將在下面的章節(jié)詳述實驗過程、結(jié)果、分析。5自動救生圈的實驗結(jié)果與分析5.1實驗過程與結(jié)果做好準(zhǔn)備工作之后，首先運(yùn)行軟件開發(fā)平臺KeilUvision3，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)實驗所用的單片機(jī)。在HC-SR501模塊上調(diào)節(jié)兩個電位器，把延時調(diào)到最短，靈敏度調(diào)到最高，然后把自動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)到本人的旁邊，自動救生圈改變方向，往本人的方向運(yùn)動并且發(fā)出警報，本人離開該自動救生圈的檢測范圍后（檢測角度范圍為120度），該自動救生圈繼續(xù)前行3.6秒，然后改變運(yùn)動狀態(tài)，開始旋轉(zhuǎn)，警報聲消失。本人立馬把手放在人體感應(yīng)模塊一直揮動，直到3.4秒后，該自動救生圈改變旋轉(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。5.2自動救生圈的實驗分析本課題的設(shè)計目標(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，給予援助。從上面的實驗結(jié)果可得，本人基本完成這一個設(shè)計目標(biāo)。根據(jù)實驗結(jié)果的分析，本自動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，自動救生圈在延時3.6秒后改為旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，而在其后的3.4秒的封鎖時間內(nèi)不再接收任何信號。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離了一定的角度，所以在本設(shè)計中當(dāng)救生圈感應(yīng)到人體的那一刻會延時0.3秒，旋轉(zhuǎn)多0.3秒然后前向，確保了運(yùn)動方向的精確度。本課題設(shè)計的是自動救生圈的雛形，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。本自動救生圈的設(shè)計可以適用于一些湖泊的救生設(shè)備領(lǐng)域，尚不能適用搶險救援的領(lǐng)域。搶險救災(zāi)的現(xiàn)場環(huán)境惡劣，需要設(shè)計抗干擾能力更強(qiáng)、防水性能更好、運(yùn)動性能強(qiáng)勁的自動救生圈。本自動救生圈的局限性：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)動速度過慢，運(yùn)動性能不夠好，需配以能量密度更大的電池減輕重量和加強(qiáng)運(yùn)動性能；感應(yīng)角度過大，檢測人體方向還不夠精確。 對于救生圈未來的發(fā)展，本人的看法是：理想的救生圈是便攜式的自動充氣自動救生圈，它有便攜、自動化程度更高、抗干擾能力更強(qiáng)、運(yùn)動性能更強(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、從而提高搶險救災(zāi)的效率。在以后的智能時代，一定會廣泛應(yīng)用在緊急危險惡劣的救生情景中。結(jié)論 在全球每年不容樂觀的洪災(zāi)、溺水事故頻發(fā)的背景下，本人對自動救生圈的運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和實現(xiàn)。本系統(tǒng)利用熱釋電人體紅外傳感器采集水面上人體紅外信號，以STC89C52微控制器作為主控制芯片。利用軟件平臺KeilUvision3開發(fā)控制軟件算法，通過延時控制算法、開關(guān)量控制算法、死循環(huán)算法等算法實現(xiàn)對直流電機(jī)和警報模塊的控制。 本課題圍繞著以上目標(biāo)開展了以下幾方面的工作：1.介紹了自動救生圈的研究背景和意義、國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和本課題研究內(nèi)容、研究方法。2.介紹了本課題所需要的軟硬件技術(shù)參數(shù)以及這些技術(shù)的優(yōu)劣性，并介紹其發(fā)展過程和發(fā)展趨勢。3.對自動救生圈的各模塊安裝搭建，完成自動救生圈的組裝，并完成實驗環(huán)境和工具的鋪設(shè)工作。4.圍繞著自動救生圈的設(shè)計目標(biāo)，進(jìn)行了硬件電路平臺的設(shè)計，其中包括：人體紅外傳感器電路的設(shè)計、電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計、微控制器及電源設(shè)計、系統(tǒng)主板電路的設(shè)計。系統(tǒng)硬件采用模塊化結(jié)構(gòu)，整個設(shè)計電路簡答，可靠性高。5.為了適合硬件平臺運(yùn)行，進(jìn)行了軟件及算法設(shè)計，其中包括：延時控制算法、開關(guān)量控制算法、死循環(huán)算法等。軟件算法方便直觀，靈活性強(qiáng)和便于修改。 在整個自動救生圈控制系統(tǒng)的設(shè)計過程中，本人首先從理論上對該系統(tǒng)進(jìn)行分析，完成系統(tǒng)的總體架構(gòu)。然后把自動救生圈控制系統(tǒng)分成幾大模塊，分別從軟、硬件兩方面進(jìn)行設(shè)計。在論文完成過程中，對于每個模塊的設(shè)計都查閱了大量的參考資料，對于每一個模塊的功能都進(jìn)行了反復(fù)的論證和實驗，從而完成硬件電路的制作和軟件系統(tǒng)的編程和調(diào)試工作。自動救生圈的硬件制作完成后，不斷的對軟件的設(shè)計進(jìn)行調(diào)整，使每個模塊的功能更加具體化和完善。在設(shè)計過程中本人對具體問題具體分析，采用了一系列措施，如電機(jī)的選擇換了三次，從笨重的電機(jī)到防水性能好的小電機(jī)；再如防水的問題，在關(guān)鍵的元件都涂抹上了防水AB膠水。參考文獻(xiàn)[1]袁海濤，陳北.一種智能救生圈[M].中國專利數(shù)據(jù)庫.2016.08.10[2]張貫京、陳興明、高偉明.用于海上搜救的智能救生圈[P].中國專利數(shù) 據(jù)庫.2010-5-18[3]陳智.海洋工程飽和潛水高壓救生艇設(shè)計研究[D].上海交通大學(xué)，碩士 論文.2014.11.01[4]袁海濤，陳北.一種便攜式的救生工具[P].中國專利數(shù)庫.2015.05.06[5]魏得全，李逸，宋秦.關(guān)于一種自主定位救生圈的討論[M].期刊 2014.12.25.[6]黃穎.智能救生圈[J].課堂內(nèi)外.2007年4月15日.[7]佚名.紅外線感應(yīng)互動式電子白板[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2010年06期.[8]孫華，李揚(yáng).熱釋電紅外傳感器的原理及應(yīng)用[M].期刊，2015.12.25[9]丁力.一種智能救生圈[P].中國專利數(shù)據(jù)庫：2016.09.07.[10]佚名.自動充氣救生圈[J].文體用品與科技，期刊.2013.03.01.[11]張志杰、李雨璐、張?zhí)婆d.智能安全游泳救生裝置[P]中國專利數(shù)據(jù) 庫.2010.05.26[12]HYPERLINK"/kns/popup/knetsearc