1、本科毕业设计（20 届）基于单片机的自动救生圈设计所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 1摘 要基于单片机的自动救生圈属于智能救生圈的一种，不同于市面上只有漂浮功能的普通救生圈，这种救生圈通过人体红外感应器定位人的位置，并且可以迅速准确无误的行驶到落水的人旁边，使溺水的人获救，为救援溺水等突发事故争取宝贵的抢救时间，可以展望以后可以广泛应用在突发洪水救援、大型湖泊江河救生设备等领域。本课题是自动救生的设计与实现，涉及到传感器技术、程序设计、电路设计、控制理论等多方面的知识，是一项综合了多门大学课程的设计。设计的目标是让自动救生圈自动感应并且往人的
2、方向运动，同时发出警报。主要内容包括基于单片机的自动救生圈的软硬件的设计、搭建和实现。本文首先介绍了自动救生圈的研究背景、国内外的研究情况、研究方法；随后介绍了自动救生圈的硬件结构设计开发，该自动救生圈的核心硬件平台采用的是低功耗高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 的系统可编程 Flash 存储器的 STC89C52 作为控制核心。硬件模块包括电源模块、人体感应模块、运动模块（包括电机驱动和螺旋桨）、MCU 最小系统模块、警报模块。其次该自动救生圈的软件平台为 keil uvision3 开发环境。软件系统包括系统初始化程序，热释电人体红外传感器的感应人的策略程序，电机驱动转向程序等
3、，其功能主要实现软件系统的基本输入和输出配置。在本课题中，硬件系统和软件系统都采用模块化结构，整个系统的电路结构简单，可靠性高。在实际调试中，救生圈能适应水中的运行环境，有着良好的防水作用，并且能智能控制运动方向，发出警报，达到自动救生圈的设计目标和要求。关键词：自动救生圈 热释电人体红外感应器 自主定位 电机驱动 螺旋桨注：本项目（论文）来源于教师的国家级（或部级、省级、厅级、市级、校级、企业）科研项目，项目编号为： 。2AbstractBased on SCM automatic life buoy is a kind of intelligent buoy, which is diffe
4、rent fromordinary life buoy in the market.Besides, through the human body infrared sensor, the life ring positioning 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
5、look forward to the future can be widely used in emergency rescue, flood rescue equipment in areas such as large lakes and rivers. This topic is the design and implementation of automatic lifesaving, which involves the knowledge of sensor technology, program design, circuit design, control theory an
6、d so on. The goal of the design is to enable the automatic life buoy to automatically sense and move in the direction of the human body, while giving an alarm. The main contents include the design, construction and implementation of the hardware and software of the automatic life buoy based on mcu.F
7、irst 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 microcontroller system with 8K programmable Flash memory STC89C52 as the control core. The hardware module include
8、s the power module, the human body induction module, the motion module (including the motor drive and propeller), the MCU minimum system module, the alarm module.Secondly, the software platform of the automatic life buoy is the development environment of Keil uvision3. The software system includes t
9、he system initialization program, the pyroelectric infrared sensor of the human body of the induction of the strategic procedures, motor drive steering procedures, the main function of the software system to achieve the basic input and output configuration. In this paper, the hardware system and the
10、 software system all adopt the modular structure, the circuit structure of the whole system is simple, the reliability is high. In the actual debugging, the life buoy can adapt to the operating environment of the water, has a good waterproof effect, and can intelligently control the direction of mov
11、ement, alarm, to achieve the design goals and requirements of automatic life buoy.Keyword: Automatic life buoy ,Pyroelectric infrared sensor, Autonomous positioning, motor drive, Propeller3目 录1 绪论 .11.1 选题的背景和意义 .11.2 国内外的研究状况 .11.3 题目的研究方法 .31.4 论文构成及研究内容 .32 自动救生圈的整体方案设计 .52.1 自动救生圈的运行环境介绍 .52.2 传
12、感器的方案的选定 .62.3 设计方案的选定 .82.4 系统各部分的主要功能 .93 硬件电路的设计 .113.1 自动救生圈硬件设计相关概念 .113.1.1 MCU.113.1.2 PCB.153.2 热释电人体红外传感器的工作原理及特点 .163.3 电机驱动电路的设计 .203.3.1 L298N 驱动电路逻辑真值表 .213.3.2 L298N 驱动模块电路原理图 .223.3.3 L298N 集成 H 桥芯片,引脚图 .223.3.4 L298N 引脚功能表 .233.3.5 L298N 驱动电路运行参数 .243.4 微控制器的接口设计 .243.5 系统主板电路的设计 .25
13、4 软件算法设计及实验结果分析 .274.1 软件开发平台 .274.2 软件的整体算法设计 .275 自动救生圈的实验结果与分析 .2945.1 实验过程与结果 .295.2 自动救生圈的实验分析 .29结 论 .31参考文献 .32致谢 .33附录 A.3411 绪论1.1 选题的背景和意义古往今来，受季风气候影响的中国是洪灾多发国家。每当发生险情或意外溺水事件，紧迫的抢险救援时间关乎着每一个受灾人民的生命。然而目前如果突发洪水，受限于当前救生设备不够先进，我们往往很难及时迅速有效率的把落水人救起。只有漂浮作用的救生圈难有作为。据统计中国每年因溺水而身亡的人数为 34/10 万(不记因洪灾
14、遇难的人数)。除此之外， 在一些江河湖泊都有安全措施预防游客下水，放置一些救生圈。传统的救生圈在面对一些比较紧急的情况，依靠个人的操作去抛放，难免有失误，耽误抢救时间，并且在这江湖湖泊不一定每时每刻都有人在，当有人溺水，就相当的无助。 随着人工智能时代的到来，自动化、智能化是一种潮流，而基于单片机的自动救生圈可以很好地解决这个问题。本课题主要目的设计一个基于单片机的自动救生圈，当有人溺水，自动救生圈可以立马感应，并向溺水者游去。并发出警报。功能包括：人体红外线感应模块，警报模块，采集模块将采集到的数据传输到单片机。单片机对采集的数据进行分析处理，发出声光等报警。运动模块，通过人体红外线感应定位
15、人的位置，控制电机转速和转向，向溺水者方向移动。可以想象，在未来智能时代，抢险救灾必然需要这种类型的救生圈，所以对于该题目的研究很有意义。此外，对救生圈的软件系统搭建还有软件系统调试，在一定程度上增强自身的动手能力，思考能力，解决问题的能力，更好的将理论和实践联系起来，学以致用。1.2 国内外的研究状况 自动救生圈属于智能救生圈的一种，目前我国国内的救生圈发展在往着自动化、智能化、便携等方向在发展着，已经有不少的智能救生圈被发明出来，并申请了专利，但目前还没有大范围投产应用。影响投产的原因有市场的不明朗、技术上仍然不够成熟、应用还不够广泛等。目前对于智能救生圈的研发方向有自动救生圈、自动充气救
16、生圈、便携式自动充气救生圈、遥控救生圈等。关于自动救生圈这一方面的研究，已经有好几个申请专利了，比较典型的是郑2州大学学生设计的一种自动救生圈。该自动救生圈是一种新型救生圈，可以自动寻找意外落水者的位置并行驶过去，第一时间救起落水者。打开电源，救生圈就能感应方圆十米范围内的落水者。它可以为抢救落水者节约一定时间并解放部分救援人力。在国外，对于智能救生圈的研究的进展和国内相差无几，有许多新颖的想法，但是仍然还没有大范围的应用在生活中。国外的研究的方向和国内大体一致，都往着智能化、自动化、便携等方向发展。例如图 1-1 所示：图 1-1 国外关于自动救生圈的新颖设计想法如上图所示，这是来自 201
17、5 年 IF 国际设计的学生得奖作品。此设计概念针对在海上遭遇意外事故的人们，提供即時有效的救援协助，以拯救宝贵的生命。该系統一旦侦测到海面的生命迹象，即能通过 GPS 功能精准地定位溺水者的即时位置，然后发送信号给当地最近的搜救。接着对溺水者传出出救生圈，同时标记其位置，若在黑暗中，也会投射出红色指示灯号，以此引导搜救团队前往溺水者的位置进行救援。每次当太空中的卫星定位系統环绕地球时，這些智能救援系統也与它们保持连线，提供 24 小時全天候的海洋状况即時监控功能，有效把握黄金救援時刻，提高海上相关活动的安全性。虽然该系統目前仍处于设计概念阶段，但其发展价值的重要性不言而喻。此概念的主要挑戰來
18、自如何精确地侦测溺水者的技术，而在其它相关技术条件都已成熟的情況下，也让我们期待这项概念能及早落实在实物的应用上，进而提升全人类的福祉。3虽然目前智能救生还没有大范围的应用，但笔者相信，在不久的将来，人工智能发展迅猛、救生设备的需求增长下的情况下，智能救生圈将是许多江河湖泊的安全措施设备的标配，是突发情况抢险救灾的得力助手。1.3 题目的研究方法本文设计目标是完成一个自动救生圈系统的设计，为了完成这个目标，本人主要通过文献研究法在网上、知网查阅文献去提出问题、发现问题、解决问题。通过查找文献，我得到目前主流自动救生圈的设计方案，如下图 1-2：图 1-2 文献中主流的自动救生圈设计方案图中圈体
19、 1 为救生圈，当有人溺水时，红外感应器 3 将信号传递给单片机2，单片机 2 根据定位信号驱动两个螺旋桨 5 向溺水者处运动。7 为两个左右对称的蓄电池，除了给圈体提供电源，还起了平衡圈体的作用。以上这些内容来自于文献“5 魏得全，李逸，宋秦.关于一种自主定位救生圈的讨论M”，通过阅读该文献，使本人对自动救生圈的设计有一个主要的参考设计思路，以更好地完成该题目的各方面的设计要求。除此之外，本文的参考文献还有许多来自于中国专利数据库和欧洲专利数据库的专利文献，通过这些内容我了解到了国内外智能救生圈的研究背景和发展趋势和发展情况。本论文的撰写也离不开其中一篇硕士论文的帮助，它为本人撰写论文提供了
20、一定的参考价值。1.4 论文构成及研究内容本文的第一章为绪论，主要介绍了项目背景，选题的意义，国内外发展的4现状和本文的主要究内容。第二章介绍本自动救生圈的工作环境和设计方案以及所使用的软硬件开发工具和相关技术。第三章介绍该自动救生圈电路的搭建。包括电源模块，人体红外感应模块，动力装置模块，警报模块，MCU 最小系统模块等的电路，分别实现不同的输入信号和输出执行等功能。第四章论述软件系统的算法和总体设计。包括系统初始化程序，人体红外感应开关程序，输出信号驱动动力装置的程序，声光警报程序，主要实现软件系统的基本的输入输出与配置，如预防个别硬件失效的开机自检程序等等；在本章中，对本系统进行实验和可
21、行测试，验证了设计基于单片机的自动救生圈的可靠性和可行性。其后对自动救生圈的设计工作和论文撰写进行总结。52 自动救生圈的整体方案设计本文所设计的是一种自动救生圈系统，该智能救生圈能够在七米的范围内感应到落水的人并且向落水者游去。自动救生圈头部的热释电人体感应器识别移动的人体，通过信号处理芯片输出高电平反馈给微处理器，微处理器对采集的信号进行分析，发出控制信号到电机驱动电路和警报电路，从而实现自动救生圈的基本功能。本自动救生圈的控制系统采用 STC89C52 的 8 位单片机微处理器作为核心控制单元，选用热释电人体红外传感器添加一个检查程序来负责采集信号，并将信号送至核心控制单元进行判断处理后，由单片机发出控制信号给电机驱动电路和警报电路，控制自动救生圈的运动方向和蜂鸣器的警报声。本自动救生圈主要由以下几部分构成：MCU 最小系统模块、人体感应模块、电机驱动模块、警报模块、电源模块、执行机构模块。本章主要介绍自动救生圈的总体设计方案和设计思路，在后面的章节中，本人将分为硬件电路设计和软件算法设计对自动救生圈的构建进行分析。2.1 自动救生圈的运行环境介绍在实际生活中，救生圈的抢救现场环境比较复杂，在实验中很难模拟出溺水环境的真实情况，为了演示方便，采用小救生圈模型和简化的水环境来模拟。救生圈小模型如下图 2-1 所示：图 2-1 自动救生圈的圈体模型
