灭火小车论文 - 图文

灭火机器人的单片机控制

摘要

随着社会与国家的发展，在经济迅速增长的同时，各种危险场所不可避免的火灾频繁出现，给社会安全造成了很多隐患，于是现代火灾及时补救已成为迫在眉睫需要解决的问题，救火早一刻就少一分损失，消防救援人员固然速度已经很快，但也需要一段不小的时间，而且进入救火现场还有生命危险的可能，于是消防机器人的理念诞生了。

本设计主要就是针对灭火机器人的单片机控制与制作进行研究。通过对灭火机器人国内外研究现状的分析，进行了灭火机器人包括硬件方案和软件方案的整体方案设计，具体就灭火机器人底盘、驱动电机、传感器和微控制器的选择进行了分析比较；单片机80C51的I/O口控制灭火机器人转向，在单片机80C51监控下实现机器人精确控制，加以电源电路、电机驱动、光电传感电路、火焰检测电路、灭火风扇以及其它电路构成。电源电路提供系统所需的工作电源，专用电机驱动芯片驱动电机控制灭火机器人的前进后退以及转向，光电对射式电路模块完成寻迹和避障，红外传感器检测火焰，灭火风扇进行灭火。本系统硬件配置合理，控制方案优化，实现了灭火机器人在不同的外部坏境下的避障和灭火的准确控制。

本设计制作的灭火机器人具有简易灭火功能，达到了实现现场灭火的目的，设计较好地完成了课题目标。

关键词：灭火机器人；传感器；直流电机；寻迹

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Single-chip Microcomputer Control of Fire-fighting Robot Abstract

With the development of society and the state, in the rapid economic growth, a variety of dangerous places inevitable frequent fires to cause a lot of social safety hazards, so the modern fire in a timely manner has become an urgent need to remedy the problem, the fire early moment on curbing losses, fire rescue personnel certainly already fast, but it does take some small time, and enter the fire scene there may be life-threatening, so the fire-fighting robot concept was born.

This design is mainly devoted to fighting robot MCU control and production was studied. By fighting robot research situation analysis, carried out fighting robot solutions including hardware and software solutions for the overall program design, specifically for fire-fighting robot chassis, drive motors, sensors and microcontrollers choices are analyzed and compared; 80C51 microcontroller's I/O port control car steering, under the supervision of the 80C51 microcontroller to achieve precise control of the robot, to the power supply circuit, motor drive, optical sensing circuit, the flame detection circuit, fire fans, and other circuits. Power supply circuit provides operating power required by the system, dedicated motor driver chip drive motor to control the car forward and back as well as steering, photoelectric beam tracing circuit module to complete and obstacle avoidance, infrared sensor detects flame, fire fan the fire. The system hardware configuration and reasonable control scheme optimized to achieve a car in bad environment under different external obstacle avoidance and accurate control of fire.The design has a simple car fire extinguishing function, to achieve the purpose of fighting scene, design well done subject objectives. Keywords: sensor; fire-fighting robot; DC motor; tracing

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目录

摘要 ...................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................... II

第1章 绪论 ........................................................................................................ 1 1.1 课题背景 ................................................................................................... 1 1.2 课题研究的意义 ....................................................................................... 1 1.3 国内外技术的发展现状 ........................................................................... 2 1.4 研究内容 ................................................................................................... 4 第2章 系统设计及方案比较 ............................................................................ 5 2.1 整体方案设计 ........................................................................................... 5 2.2 硬件方案设计 ........................................................................................... 5 2.2.1 小车底盘的选择 ................................................................................ 5 2.2.2 电机选择 ............................................................................................ 8 2.2.3 传感器选择 ........................................................................................ 9 2.2.4 MCU的选择 .................................................................................... 12 2.2.5 软件总体设计方案 .......................................................................... 13 2.3 本章小结 ................................................................................................. 14 第3章 主要单元电路设计实现 ...................................................................... 15 3.1 电动机PWM驱动电路 ......................................................................... 15 3.2 障碍物检测模块电路 ............................................................................. 16 3.3 火源探测模块电路 ................................................................................. 17 3.4 寻迹模块电路 ......................................................................................... 17 3.5 风扇灭火原理及实现 ............................................................................. 18 3.6 灭火机器人驱动电机的选择 ................................................................. 20 3.7 灭火机器人的组装 ................................................................................. 21 3.7.1 万向轮安装 ...................................................................................... 21 3.7.2 万向轮部分与小车底盘下板的安装 .............................................. 22 3.7.3 电机支架与下底盘组装 .................................................................. 22 3.8 电机安装 ................................................................................................. 23 3.9 本章小结 ................................................................................................. 24 第4章 软件的实现 .......................................................................................... 25 4.1 软件开发平台介绍 ................................................................................. 25 4.2 主程序流程图 ......................................................................................... 26 4.3 寻迹程序流程图 ..................................................................................... 26 4.4 灭火程序流程图 ..................................................................................... 28

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4.5 本章小结 ................................................................................................. 28 第5章 系统功能调试 ...................................................................................... 29 5.1 测试仪器及设备 ..................................................................................... 29 5.2 功能测试 ................................................................................................. 29 5.2.1 驱动电路部分 .................................................................................. 29 5.2.2 寻迹部分 .......................................................................................... 29 5.2.3 火源检测部分 .................................................................................. 30 5.2.4 灭火效果部分 .................................................................................. 30 5.3 调试总结 ................................................................................................. 30 5.4 本章小结 ................................................................................................. 31 结论 .................................................................................................................... 32 致谢 .................................................................................................................... 33 参考文献 ............................................................................................................ 34 附录A ................................................................................................................ 36 附录B ................................................................................................................ 56

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第1章 绪论

1.1 课题背景

首先我们了解一下机器人产生的背景，机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于第二次世界大战，各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展[1]。

另一方面机器人也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。

那么什么是机器人呢？人们一般的理解来看，机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置，或者叫自动化装置，它仍然是个机器，它有三个特点，一个是有类人的功能，比如说作业功能，感知功能，行走功能，还能完成各种动作，它还有一个特点是根据人的编程能自动的工作，这里一个显著的特点，就是它可以编程，改变它的工作、动作、工作的对象，和工作的一些要求，它是人造的机器或机械电子装置[2]。但从完整的更为深远的机器人定义来看，应该更强调机器人智能，所以人们又提出来机器人的定义是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的这种机器。

那么这给机器人提出来更高层次的要求，展望21世纪，机器人将是一个与20世纪计算机的普及一样，会深入地应用到各个领域，在21世纪的前20年是机器人从制造业走向非制造业的发展一个重要时期，也是智能机器人发展的一个关键时期。

1.2 课题研究的意义

刚才我们用了短暂的时间，讲了机器人的发展以及我们对机器人的看法，进行了简单地介绍，下面我们来介绍一下灭火机器人的基本情况。

近几十年中，大量的高层、地下建筑与大型的石化企业不断涌现。由于这些建筑的特殊性，发生火灾时，不能快速高效的灭火。为了解决这一问题，尽快救助火灾中的受害者，最大限度的保证消防人员的安全，消防机器人研究被提到了议事日程。而机器人技术的发展也为这一要求的实现提供了技术上的保证，使得消防机器人应运而生。

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从二十世纪八十年代开始，世界许多国家都进行了消防机器人的研究。美国和苏联最早进行消防机器人的研究，而后日本、英国、法国等国家都纷纷开展了消防机器人的研究，目前已有多种不同类型的消防机器人用于各种火灾场合。

基于人工智能的不断发展，各项高新技术的不断成熟，在可预见的将来，消防机器人在功能上会更具多样特点，在较多危险区域可以完全代替消防员，避免消防员生命伤亡

1.3 国内外技术的发展现状

进入二十一世纪后，机器人技术的不断发展使得机器人的应用领域不断扩展，从以往多应用于工业领域而渐渐融入人们的生活。消防机器人作为消防部队中的新兴力量，加入了抢险救灾的行列。从1986年日本东京消防厅首次在灭火中采用了“彩虹5号”机器人后，消防机器人就逐渐在灭火救灾领域得到广泛的应用，消防机器人技术也得到快速的发展。

国际上消防机器人的研制主要可分为三代，第一代是程序控制消防机器人，第二代是具有感觉功能的消防机器人，第三代是智能化消防机器人。目前发达国家正在加快开发具有不同功能的实用型的第二代消防机器人和第三代低级智能化消防机器人，着手研究第三代高级智能机器人[4]。一些工业发达国家把研究开发消防机器人列入国家技术发展规划，将它作为经济发展的一个重要保证手段。

国际上日本和美国是消防机器人技术先进的国家，日本投入应用的消防机器人最多。80年代，日本研制了不少于5种型号的自动行驶灭火机器人，分别配备于大贩、东京、高石、太田、蒲田等消防部门，这类机器人以内燃机或电动机作为动力，配置驱动轮或履带式行驶机构，能爬坡、越障碍；装有较大喷射流量的消防枪炮。能作俯仰和左右回转；装有气体检测仪器和电视监视设备；通过电缆或无线控制，控制距离最大为100－150m。另一类机器人为侦察、抢险机器人，除装有气体检测仪器和电视监视器设备外，还装有机械手，能通过遥控处理危险物品[3]。

日本东京消防厅研制的用于掌握火灾现场情况的侦察机器人装有红外电视摄像机、温度传感器、浓烟中摄像装置、烟气浓度分析装置、温度传感器、收音和扩音装置等。具有爬楼梯和打开房门等功能，机器人长2.3m，宽0.75m，能够上下楼梯（倾斜度不超过42°），在楼梯台阶上能自由转向；具体侦察内容包括火灾内部情况、是否有人、着火点位置、周围温度、烟气浓度和发出的各种声响等。

美国Automatic，Inc.公司与Carnegie Mellon University联合研制的侦察机器人Pandora是根据城市地形所设计的侦察机器人，该机器人采用履带车轮驱动平台，可以越过大的障碍物、沟、台阶和路阶等；其通讯方式为无线通讯，通过射频传递视频和音频信号的反馈。Pandora建立在一个中枢环

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境密封的外壳上，外部执行系统驱动独立联接履带车轮模块，顶部具有碳纤维外壳保护。系统可以上下驱动以及自复位，可替换部件包括了轮子、履带或脚等，以适应不同的复杂地形。机器人装备的传感器为微型摄像机和立体声系统[4]。

图1-1 我国研制的第一代灭火机器人

图1-2 工作中的灭火机器人

二十世纪九十年代，我国在消防机器人领域也获得了可喜的成果，由国家科学技术委员会正式立项的国家863高科技计划研究发展项目——“消防机器人”研究课题，在公安部上海消防科学研究所通过专家组验收[4]

。这一历时三年的研制项目的顺利完成，标志着我国第一代消防机器人正式诞生。该机器人本体由行走部分、遥控消防炮、防爆系统、图像传输系统、探测系统和冷却自卫系统等构成，其探测系统根据消防机器人正压防爆控制、安全自卫、化学检验、火情侦察的要求，共设计使用了13路外部

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和3路内部传感器，分别用于探测火灾现场的可燃气体浓度、有毒有害气体种类及浓度、机器人前后及侧向辐射热、机器人内外部的温度等参数，其信号传输是通过电缆的方式进行。

我国消防机器人技术的发展不但是对消防部队抢险救灾能力的提高，起到减少国家财产损失和灭火救援人员伤亡的作用，同时也对我国机器人技术、通信控制技术、计算机技术等多学科领域技术的发展起到积极的作用和深远的影响。

1.4 研究内容

本设计主要就是针对消防机器人的制作与研究，底盘采用结构简单，编程控制方便的两轮驱动，同时配合万向轮，驱动轮由电机驱动。灭火步骤主要依靠供电方便可调节高度、方向的风扇来实现。所做工作和确定的成果如下：

1，查阅相关资料，了解灭火机器人的主要结构和运动原理。

2，学习并掌握VC++或者VB软件的结构、编程方式、与单片机的通讯方式等有关知识，了解和掌握灭火机器人的单片机控制器的结构和通讯原理，完成方案设计。

3，完成灭火机器人的设计及加工制作，并分析其运动方式，进行运动规划。

4、开发可视化窗口程序，实现灭火机器人的程序控制。 5、对程序进行调试和实验。

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第2章 系统设计及方案比较

2.1 整体方案设计

课题要求设计一个简易灭火机器人模型，能到指定区域进行灭火工作（以蜡烛模拟火源，放置在小车行走的场地中）。小车必须通过内部设备采集现场环境情况进行分析并做出相应的动作，以达到小车智能灭火的目的。

根据题目要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、直流电机及其驱动模块、避障传感器模块、循迹传感器模块、火焰传感器、灭火系统及其驱动模块等模块构成，本系统的方框图如图2-1所示。

图2-1 系统方框图

为较好的实现各模块的功能，我分别设计了几种方案并分别进行了论证。

2.2 硬件方案设计

2.2.1 小车底盘的选择

2.2.1.1 月球车式

月球车是一种能够在月球表面行驶并完成月球探测、考察、收集和分析样品等复杂任务的专用车辆，由于其每一个轮子各有一个电机驱动，可向前、向后、转弯和爬坡，稳定性强，如今已经应用于生活中各个方面。如图2-2为月球车式底盘的模型。

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图2-2 月球车式底盘实物及示意图

优点：月球车式底盘适合于崎岖不平的路面和复杂的地形的行走和作业。

缺点：造价较高，结构复杂，多个轮子的编程控制复杂。 2.2.1.2 履带式

履带是由主动轮驱动、围绕着主动轮、负重轮、诱导轮和托带轮的柔性链环。履带由履带板和履带销等组成。履带销将各履带板连接起来构成履带链环。履带板的两端有孔，与主动轮啮合，中部有诱导齿，用来规正履带，并防止坦克转向或侧倾行驶时履带脱落，在与地面接触的一面有加强防滑筋（简称花纹），以提高履带板的坚固性和履带与地面的附着力。如图2-3，为履带式底盘的模型。

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图2-3 履带式底盘实物图

优点：越障碍能力强，行进稳定。

缺点：行进速度慢，行走需要较大的驱动力。

2.2.1.3 两轮驱动式

因为其简单的结构和廉价的造价被广泛应用于小型模型车辆的比赛中。如图2-4、2-5，为两轮驱动式底盘示意及实物图。

图2-4 两轮驱动式底盘示意图

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图2-5 两轮驱动式底盘实物图

底盘采用两轮驱动，驱动轮由电机驱动，适当添加1到2个轮子或1个万向轮作为从动轮。

优点：两轮驱动结构简单十分简单，需要控制的只有两个驱动轮，编程控制的时候十分方便。

缺点：稳定能力不强，路上有障碍时或高速行进时转弯容易倾倒。

2.2.2 电机选择

本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动电机的选择就显得十分重要。下面我们对步进电机、直流减速电机、舵机这几种车类模型中常用的几种常见电机进行了分析。

1、步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的[9]。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

步进电机由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。

2、舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。舵机最早应用在航模与车模运动中，它的控制信号是一个脉宽调制信号，所以很方便与数字系统进行接口[5]。只要能产生标准的控制信号的数字设备都可以用来控制舵机。比如：PLC、单片机等。

一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成：舵盘、齿轮减速组、位置反馈电位计、直流电机、控制电路板等。控制电路板接收来自信号线的控

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制信号（脉宽调制信号），控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后

[6]

传动至输出舵盘。电机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵机转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，达到目标停止。所以采用舵机驱动，可以利用舵机本身的闭环特性，而不需要另外的设计反馈电路，而且舵机非常适合接收单片机的控制信号。此类电机结构紧凑，便于安装，输出力矩大，稳定性好，控制简单，所以舵机已经广泛应用于机器人领域。

3、直流电机是机器人平台用标准电机，它有着很宽的功率调节范围、适应性强、具有很高的性价比。直流电机适用范围很广，很多轮式机器人都采用直流电机，如金工基地的能力风暴机器人。到目前为止，直流电机仍是输出功率最强劲的电机，数十年的研究使得直流电机变得更快、更强、更高效，优质的直流电机效率可过90%。直流电机可以运行在8000~20000r/min之间，甚至更高[7]。因此需要安装齿轮减速器，来降低电机转速，同时也增大了电机转矩，在机器人上可以直接使用减速电机。

微型减速电机系列产品是由JB系列微型齿轮减速器、电子调速器、可正反向运行的微型电动机三部分组成的机电一体化产品。整机通过对三大部分的不同组合，可获得不同使用性能的产品。整机既可利用齿轮减速箱获得任意固定转速，也可通过电子调速器达到无级调速的目的。

几种电机的优缺点横向对比如下表2-1。

表2-1 电机选择的横向对比 电机 步进电机 直流减速电机 舵机 优点 转动角度精确 转动力矩大，体积小，重量轻，装配件单，使用方便 位置伺服驱动器，适用于需要角度不断变化并可以保持的驱动当中 缺点 输出力矩不足，转速升高时下降，转速较高事急剧下降 需要变速齿轮组，可以产生大扭力 转动范围一般不能超过180 度 直流电机能够较好的满足系统的要求，控制方便，所以本次设计选择以直流电机作为小车行进驱动电机，通过左右直流电机正反转实现小车的转向。

2.2.3 传感器选择

2.2.3.1 火焰传感器的选择

火焰检测有紫外传感器、烟雾传感器、温度传感器、红外传感器以及光敏电阻传感器。我们对几种常见的火焰传感器进行了横向的对比，具体信息见下表2-2。

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传感器 紫外传感器 烟雾传感器 红外传感器 光敏电阻传感器 表2-2 火焰传感器的横向对比 适用条件 是否采用以及原因 应用于火灾消防系统，灵敏度高，反检测的范围太大，适用于应速度快，抗干扰能力强，对明火特实际生活 别敏感 比赛中用蜡烛，烟雾不广泛应用于实际生活中的火警检测 大，舍去 非接触式测温，用于测量火焰温度非适用于比赛用灭火机器人 常方便，经济，实用 光敏电阻，灵敏度高，反应速度快，适用于高温、湿度大等恶劣环境下 自然光对光敏电阻影响较大，此处也不合适 经过对比，红外传感器能够较好的满足系统的要求，所以本次设计选择适用于比赛灭火常用的红外传感器，作为灭火机器人的火焰传感器。

图2-6 火焰传感器模块

2.2.3.2 避障传感器的选择

避障传感器用于感应行走路线上的障碍。以便灭火小车在行走中避开前方的障碍，减少碰撞以及碰撞带来的零部件的损坏，节省寻迹的时间。

1.用超声波传感器进行避障。

工作原理：超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收。然后将这信号放大后送入单片机。

优点：超声波传感器在避障的设计中广泛应用，有很大的使用基础以及适用范围。

缺点：但超声波传感器需要工作频率要求较高，偏差在1%内，所以用模拟电路来做方波发生器比较难以实现。并且造价较高。因此考虑其他的方案。

2.红外对射式传感器进行避障。

工作原理：根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射，受光器最终据此做出判断反应，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，当检测到有障碍物的时候，光电对管就能够接收到物体反射的红外光，对所有能反射光线的物体均能检测。

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优点：光电对管操作简单，使用方便。有光线反射回来时，输出低电平。没有光线反射回来时，输出高电平。

因为本系统只需要检测简单障碍物，没有十分复杂的环境。为了使用方便，便于操作和调试，所以用大功率红外对射式传感器模块来作为小车的避障传感器，见图2-7。

图2-7避障传感器

2.2.3.3 寻迹传感器的选择

方案1：用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此我放弃了这个方案。

方案2：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其他更加稳定的方案。

方案3：用ST178型光电对管。ST178为反射取样式红外线对管作为核心传感器件。它采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，以非接触检测方式，检测距离可调整范围大，4-10mm可用。ST178的示意图和特性曲线如图2-8、2-9所示，实物图如图2-10当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。因此我选择了方案3。

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3.3 火源探测模块电路

本设计只选取tcrt5000红外对管传感器的接收管部分。电路原理图见图3-4。

图3-4火源探测模块电路原理图

当tcrt5000的接收管发现火源时，接收管的电阻会发生变化，在电路上常体现在电压的变化进而经过LM339等电路整形后会输出高低电平信号，没有检测到光源为低电平，检测到光源为高电平。单片机采集到高低电平信号，实现对小车灭火的控制。

tcrt5000红外对管本身检测光源距离不大，但经过此改装电路改进后，通过调节电路图中的电 位器，检测范围可达到从5厘米左右到2米左右。

3.4 寻迹模块电路

ST系列集成红外探头价格便宜、体积小、使用方便、性能可靠、用途广泛，所以该系统中最终选择了ST178反射传感器作为红外光的发射和接收器，电路原理图见图3-5、3-6。

图3-5 ST178检测电路发射部分

ST178采用高发射功率红外光、电二极管和高灵敏光电晶体管组成，采用非接触式检测方式。ST178的检测距离很小，一般为8~15毫米，因为

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8毫米以下是它的检测盲区，而大于15毫米则很容易受干扰。笔者经过多次测试、比较，发现把传感器安装在距离检测物表面10毫米时，检测效果最好。可变电阻R可限制接收电路的电流，一方面保护接收红外管；另一方面可调节检测电路的灵敏度。因为传感器输出端得到的是模拟电压信号，所以在输出端增加了比较器，先将ST178输出电压与VCC进行比较，再送给单片机处理和控制。车体前置3组ST178传感器，红外对管的方向向下，一字排列。调整传感器之间的间距，使得在某一时刻只有一个传感器位于黑线上。当左边的ST168位于黑线上时，单片机控制小车右转弯直到中间的ST168位于黑线。当右边的ST178位于黑线上时，单片机控制小车左转弯直到中间的ST168位于黑线。当中间的ST168位于黑线时，单片机控制小车前进。如此，小车便可沿黑线前进，并确保行驶姿态始终向前。

图3-6 ST178检测电路接收部分

3.5 风扇灭火原理及实现

在生活中，我们常常看到一些似乎是相互矛盾的常识，比如，我们可以一口气吹灭蜡烛，但是我们也知道一个成语叫“风助火势”，这是为什么会出现这种情况呢？

这是由于燃烧过程中积蓄的热量多少不同造成的。对于烛火来说，燃烧过程平缓，产生和积蓄的热量都较少，有风的时候，风会带走火焰的大部分热量，使可燃物的温度降低到着火点以下，从而破坏燃烧三角。而较大的火势，比如森林大火，由于可燃物很多，燃烧过程剧烈，产生和积蓄了大量热量，大风也不能使可燃物温度降到着火点以下，反而带来更多的助燃物??空气（氧气），所以使得燃烧过程更加剧烈，火势的扩散也更快。

我们可以对用嘴吹气的风速做一个估算。成年男的正常肺活量约是3500毫升，我们在吹气的时候，嘴唇形成的出气口约是0.5平方厘米。那么3500毫升（立方厘米）的气体全部通过0.5平方厘米的小孔的时候，会形成一个长度为7000厘米，也就是70米的气柱，一般一口气会在3秒左右吹完，所以有计算公式如下：

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3500吹灭蜡烛的风速V?0.5*100?23.33m

s3那么每秒的风速大约是23.33米，可以对比风力等级表3-1，风速已经相当于9级大风。即使缓慢的呼出（5秒左右），风速也可能远大于室外的5级大风。

风级 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 名称 无风 软风 轻风 微风 和风 劲风 强风 疾风 大风 烈风 狂风 表3-1风力等级表 风速(m/s) 风速(km/h) 0.0-0.2 <1 0.3-1.5 1-5 1.6-3.3 6-11 3.4-5.4 12-19 5.5-7.9 20-28 8.0-10.7 29-38 10.8-13.8 39-49 13.9-17.1 50-61 17.2-20.7 62-74 20.8-24.4 75-88 24.5-28.4 89-102 陆地地面物象 静，烟直上 烟示风向 感觉有风 旌旗展开 吹起尘土 小树摇摆 电线有声 步行困难 折毁树枝 小损房屋 拔起树木 根据上文提到的风力大于5级的风都可以吹灭蜡烛，所以我选用台式机CPU散热器上的风扇，外接继电器电路控制风扇的启停。使用一个I/O口控制一个电磁继电器从而进行风扇启停的控制。

虽然电机的转速已知，但风速的计算十分复杂，根据不同的扇叶有不同的结果，所以我们用风速风向仪对组装好的风扇进行测试，得出风扇电机的瞬时风速和平均风速，所以风速在5级左右既符合要求。

实物见图3-7。

图3-7风扇实物图

继电器电路见图3-8。

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图3-8继电器电路

本实验选用的马达主要数据： 转速：1000-2000转, 轴长：38mm, 外径：20mm， 重量：24g， 电压：3V~6V。

3.6 灭火机器人驱动电机的选择

直流电机是机器人平台有标准电机，它有着很宽的功率调节范围、适应性强、具有很高的性价比[9]。直流电机适用范围很广，很多轮式机器人都采用直流电机，如金工基地的能力风暴机器人。到目前为止，直流电机仍是输出功率最强劲的电机，数十年的研究使得直流电机变得更快、更强、更高效，优质的直流电机效率可过90%。直流电机可以运行在8000~20000r/min之间，甚至更高。因此需要安装齿轮减速器，来降低电机转速，同时也增大了电机转矩，在机器人上可以直接使用减速电机。

本实验采用直流电机作为小车的驱动电机，小车由双H桥直流电机控制，输出电压6V。电机实物如图3-9，尺寸见图3-10。

图3-9直流电机

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图3-10直流电机零件图

产品参数：

1. 齿轮齿数比：100:1， 2. 无负载转速（3V）：120RPM， 3. 无负载转速（6V）：240RPM， 4. 无负载时电流（3V）：40mA， 5. 无负载时电流（6V）：70mA， 6. 堵转电流（3V）：390mA， 7. 堵转电流（3V）：680mA， 8. 扭矩大小 (3V):3200mg*cm， 9. 扭矩大小(6V):5500mg*cm， 10. 尺寸大小：70.50mm×27.00mm×23.00mm（长×宽×高）， 11. 重量大小:约40g。

3.7 灭火机器人的组装

3.7.1 万向轮安装

万向轮在2轮驱动的小车中作为用螺钉和螺母将万向轮固定在其安装板上。如图3-11所示。

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图3-11万向轮部分安装

3.7.2 万向轮部分与小车底盘下板的安装

将万向轮组件安装至灭火小车底盘下板上，用螺丝螺母固定。如图3-12所示。

图3-12 万向轮组件与小车下板固定

3.7.3 电机支架与下底盘组装

电机支架由4个螺钉螺母固定在小车下板中间预留出来的孔位上，用来固定直流电机，下板上设计了3个不同的位置安装电机支架，方便调整灭火小车的重心以及适应不同直径的轮子，如图3-13所示。

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图3-13 直流电机安装版与小车下板安装

3.8 电机安装

电机在灭火小车的行走中起着驱动的作用，直流减速电机的安装如图所示，图3-14所示。

图3-14用长螺钉将直流减速电机固定在安装板上

上板风扇主要有自制的风扇支架、扇叶以及购买的风扇电机组装而成，整个风扇高76mm，扇叶大小长50mm，最宽处25mm。风扇由4个螺钉固定在上板的铜螺柱上，由单片机控制电机的启动和停止，通过马达启动时瞬间的高转速吹灭蜡烛。

实验采用和直流减速电机配套的车轮，下板安装完成后将车轮和直流减速电机的轴用胶固定，将传感器与下板前端用短铜螺柱和螺钉、螺母固定，再将上板与下板用长铜螺柱和螺钉、螺母固定好即完成灭火小车底盘的组装。并将小车的灭火风扇安装到底盘上板上。灭火小车的小车最终机械部分总装备图的设计如图3-15所示。

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图3-15灭火小车机械结构的组装图

3.9 本章小结

通过以上的陈述，本章主要对小车的各个模块进行了原理分析设计，并对需要外购的原件进行了一定量得数据分析，通过对比选取最适合本实验的原件。完成了小车零件的型号选择，并将小车进行了实物装配。

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第4章 软件的实现

4.1 软件开发平台介绍

编程语言选用C语言。汇编语言作为传统的嵌入式系统的编程语言，具有执行效率高的优点，但其本身是低级语言，编程效率较低，可移植性和可读性差，维护极不方便。而C语言以其结构化，容易维护，容易移植的优势满足开发的需要。

MCS-51是支持C语言编程的编译器，它主要有两种：Franklin C51编译器和Keil C51编译器，我们简称C51。C51是专为MCS-51开发的一种高性能的C编译器。由C51产生的目标代码的运行速度极高，所需存储空间极小，完全可以和汇编语言媲美。

Keil软件公司提供的专用8051嵌入式应用开发工具套件，可以编译C源文件、汇编源文件、连接定位目标模块和库、生成并调试目标程序，为实际的每一种8051及其派生系列产品生成嵌入式应用系统。Keil C51交叉编译器兼容ANSI（美国国家标准协会）C编译器，专用于为8051微控制器系列生成快速紧凑的目标代码。使用Keil 8051开发工具套件，以工程的形式组织各种文件，工程开发周期与任何其他软件开发工程的周期大致相同。

μVision4 IDE是Keil公司提供的用于开发MCS-51系列芯片的汇编语言与C程序的集成开发环境，是标准的Windows应用程序，同其他Windows应用程序一样，μVision4 IDE环境包括菜单、工具条、编辑及显示多种窗口。μVision4 IDE支持使用的Keil C51工具，包括C编译器、宏汇编器、连接定位器、目标代码到HEX的转换器。

工程文件结构如图4-1、编译调试界面如图4-2。

图4-1 keil工程文件结构

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图4-2 编译调试界面

4.2 主程序流程图

主程序流程图如图4-3所示。用左手法则搜索整个房间，可以容易地检测到房间各个角落，避免出现检测盲区。

在小车行进过程中检测火焰，一旦发现火焰则切换到趋光程序，计算火焰位置，准确定位并启动风扇灭火，灭火后检测火焰是否被扑灭，确定火焰被扑灭后计数并回到发现火焰的位置继续搜索房间，直至扑灭所有火焰后启动回家程序，回到原始位置。

4.3 寻迹程序流程图

小车寻线时，由ST178红外对管检测地面引导线，反射光越强，值越大；发射光越弱，值越小。程序开始，先将小车放在引导线上，测得引导线与地面背景的值，求出平均值作为阀值。若检测值大于阀值，则对应的是白色引导线，若检测值小于阀值，则对应的是深色背景。通过比较三个寻线传感器的结果，来得出小车的位置状态，从而控制小车做出响应的动作，避免小车脱离引导线运动。

小车的控制：小车前进时，两个电机速度相同；小车左转，左轮速度降低，右轮保持不变；小车右转，右轮速度降低，左轮保持不变；小车后退，电机反转。

电机的速度采用延时控制电机绕组电压接通与断开的时间，这样即可改变电机的平均电压达到调速的目的。

寻迹程序流程图如图4-4所示。

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图4-3 主程序流程图

图4-4 寻迹子程序流程图

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4.4 灭火程序流程图

灭火子程序的流程图如图4-5所示。

当小车检测到火焰时，由于有障碍物的存在，需要对不同坐标上的火焰分别进行判断。由于设计中使用一个风扇，安装在小车的前方，没有使用舵机的方案，风扇只能朝前方吹风。为了提高灭火准确度，我们要让机器人正面对准火焰，否则，可能会出现长时间灭不了火的现象。对火时让机器人走到火焰附近，判断左右两边火焰强度，左边火焰强，左转一点，右边火焰强，右转一点，每对一次火，前进一点。图4-5如下：

图4-5 灭火子程序的流程

4.5 本章小结

本章介绍主程序设计思路与流程图，寻线程序流程图，灭火程序的流程图，编制了相关调试程序，为下一章做系统的调试工作打下基础。

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第5章 系统功能调试

5.1 测试仪器及设备

仪器名称 PC机 数字万用表 秒表 表5-1 测试仪器设备清单 型号 用途 联想 调试及下载程序 MASTECH my－65 测量各电路工作情况 记录时间 数量 1 1 1 5.2 功能测试

先将底盘上的减速电机位置固定，连接L298电路，在给固定的TTL信号，使底盘能够向直线行走和转弯，分别调试红外寻线板和红外避障电路，使有反射光接收到后使信号输出为一个高电平，供单片进行检测。在安装好以上模块后，再检查一次，保证位置合理，能正常得检测到外部情况。

然后是用开发板和电池来调整重心，使重心在中轴线上，在所有模块都安装好后，再布好线路。进行总体调试。

5.2.1 驱动电路部分

调试中遇到的问题和经验：由于急于求成，很快的速度焊好电路，但加电调试时，无法正常运行，断电细查后，才发现，原来把稳压管方向接反。在电路焊接好，编制好程序调试时，出现2个电机一个能正常转动，但是另外一个电机却不按照程序控制，自行无规律乱动的情况，并且在检查软件程序无误的情况下，还是不能控制小车的右电机正常动作，后来细心的研读程序，一项一项的查找问题所在，最后，检查到，原来是在焊接的时候，由于不够仔细，把一路线走来与焊盘焊点短路，造成了硬件电路的错误。

5.2.2 寻迹部分

将光电管ST178分别对准黑线和白线进行测试，所测结果如表5-2所示。从所测数据我们可以看出，当光电管检测黑线时输出低电压，检测到白线时输出高电压，通过LM338电压比较器比较之后，分别输出低电平和高电平，供单片机作控制信号。

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寻黑线 第1次 第2次 寻白线 第1次 第2次 ST178-1 1.71V 1.74V 4.35V 4.31V 表5-2 光电管采样数据

ST178-ST178-ST178-ST178-2 3 4 5 1.69V 1.69V 4.30V 4.29V 1.62V 1.66V 4.26V 4.25V 1.61V 1.65V 4.23V 4.21V 1.71V 1.74V 4.35V 4.31V ST178-6 1.45V 1.48V 4.19V 4.15V ST178-7 1.47V 1.51V 4.21V 4.15V ST178-8 1.43V 1.47V 4.16V 4.13V 5.2.3 火源检测部分

光电二极管的一些调试数据如表5-3所示，调试数据单位均为电压国际

单位（V）。

被测对象 光电二极管左 光电二极管右 被测对象 LM324调试数据 LM324调试数据 LM324调试数据 表5-3 光敏电阻调试数据 普通光强 强光 1.46 1.94 调节前阈值/输出普通光 2.21/4.96 2.89/4.97 2.56/4.86 0.3 0.5 调节后阈值/输出强光 0.82/0 1.01/0.06 0.96/0.02 无光线时 0.02 0.15 调节后阈值/输出暗光 0.82/4.96 1.01/4.96 0.96/4.96 5.2.4 灭火效果部分

系统已经实现MOS管对灭火电机的驱动，可以在检测到光源的时候，

电机动作，以表示灭火过程。同时，检测到火源的时候，蜂鸣器发声，完成“报警”功能。

5.3 调试总结

最好把驱动电机系统设计成可以承受机器人预计最终重量的两倍，这样增加模块不会太影响控制性能。

黑线用作地线，红色用作电源(VCC)，白线用作马达馈线等等养成习惯, 如果不管什么颜色的电线都随手抓来，那么调试起来就会很困难。

硬件和软件开发应该同步进行，它们实际上只是同一个问题的两个不

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同面。如果一开始就编写软件，我们就会避免很多挫折和麻烦。

调试过程如图5-1、5-2、5-3。

图5-1 起始点 图5-2 灭火机器人避障

图5-3 终点

5.4 本章小结

本章介绍了主要功能模块的调试工作，特别是驱动电路模块、寻线电路模块、光源检测电路模块的详细调试工作，并对调试工作中的心得体会做了总结。

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结论

本论文设计了以STC12C5A60S2单片机为主控制器的简易灭火机器人。所做工作和确定的成果如下：

1、以单片机STC12C5A60S2为核心拟定了系统组成方案，完成了系统的电路硬件总体设计，包括供电模块、单片机系统、寻线系统、电机驱动系统、火焰检测系统以及灭火系统和各个模块间接口。

2、完成了各个功能模块PCB板的制作，手工焊制了电路板。

3、完成主要功能模块的调试软件设计，分别完成对各个功能模块的调试工作。

本设计制作的灭火机器人，具备机器人的一般功能，“智能”（寻线）行走，能够自主完成一些动作，找到“火源”，进行灭火。

工作展望：

使用下面一些设计，可以节约灭火时间，达到更好的灭火效果。

1、增加舵机方案。为小车安装一个舵机，将灭火风扇安装在可以旋转的舵机上，在检测到火焰的大致位置的情况下，可以不用调节车体位置而通过舵机的旋转就可以轻松灭火，可以达到节约时间的效果。

2、使用“复眼”技术。增加火焰检测传感器数量，同时遮蔽部分传感器，缩短传感器的检测距离，在检测火焰的时候先远距离搜索火焰的大致位置，然后近距离定位火焰，可以更有效的寻找火焰并能缩短时间，但是需要更多的硬件开销。

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致谢

本论文是在哈尔滨理工大学机械动力工程学院智能机械研究所中完成的。我特别要感谢我的指导教师姜金刚老师。姜老师作为我毕业设计的指导老师，引导我全面了解机器人开发技术，悉心指导我作项目开发。机器人技术需要大量的自动化方面的知识，而我在这方面的知识有所欠缺，是姜老师的努力教导，才使我能够顺利完成此次毕业设计。姜老师对工作认真负责的作风、严谨的治学态度、丰富的科研经验、精湛的专业知识和真诚的待人风格给我留下了深刻的印象，并将使我终生受益。同时感谢哈尔滨理工大学智能机械研究所为我提供实验室、实验设备以及计算机和机房，让我能够安静顺利地完成毕业设计。

在此也感谢智能机械研究所张永德教授在毕业设计过程中给予的悉心指导。我也要感谢大学四年期间所有指导过我的老师，感谢他们对我无私的教诲和帮助。老师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神将永远激励着我。在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意!

感谢我大学四年的同窗特别是伴随我四年的室友，是你们让我感受了大学的美好。和你们共同走过的这大学四年，我感到无比的快乐。在这四年里，我不仅在生活上、思想上成熟了许多，同时还培养了自己积极的心态、专业的兴趣和良好的沟通、协调、执行、应变能力，这些都是以后工作学习生活的动力源泉。

感谢父母对我二十多年来辛勤的养育,并让我获取了一定的知识并最终走向社会,为社会贡献自己!

最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位老师表示感谢！

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参考文献

[1] 蒋新松. 机器人与工业自动化[M]. 石家庄: 河北教育出版社, 2003. [2] 王耀南. 机器人智能控制工程[M]. 北京: 科学出版社, 2004.

[3] 倪星元. 传感器敏感功能材料及应用[M]. 北京: 化学工业出版社, 2005. [4] 雨宫好文. 传感器入门[M]. 北京: 科学出版社, 2000. [5] 许大中. 电机控制[M]. 杭州: 浙江大学出版社, 2002.

[6] 黄玉清, 梁靓, 张玲霞, 等. 机器人的差分方向控制与实现[J]. 信息与电

子工程, 2004, 2(3): 26-30.

[7] 余国卫, 谭延军. 基于AT89S52单片机的火灾自动报警系统[J]. 微处理

机, 2006-10,5

[8] 邓江. 基于AT89S52的车用抬头显示系统研究[D]. 成都: 电子科技大学,

2006.

[9] 黄玉清, 张江美. 模糊控制在移动机器人中的应用[J]. 西南科技大学学报,

2004-3,19(1): . [10] 姜志海. 单片机原理及应用[M]. 北京:电子工业出版社,2005. [11] [11]康华光. 电子技术基础模拟部分（第四版）[M].北京:高等教育出版

社,1999. [12] 黄玉清 梁靓.机器人导航系统中的路径规划算法[J].《微计算机信息》嵌

入式SOC.2006.22(7-2). [13] 万永伦,丁杰雄.一种机器人寻线控制系统[J]. 电子科技大学学

报,2003,32(1). [14] 黄玉清 梁靓.基于嵌入式PC的机器人光电寻线系统[J].西南科技大学学

报.2004-12,19(4). [15] Li Wei. Behavior based control of a mobile robot in unknown environment

using fuzzy logic[J].控制理论与应用,1996,13(2). [16] Ahmed Elsham li, Hussein Abdullah. Shaky Arabic Genetic algorithm for

dynamic path planning[J]. Electrical and computer Engineering 2004. Canadian Conference on Volume 2,2-5 May 2004. 0677-0680. [17] Ersson T, Xiaoming Hu. Path planning and navigation of mobile robots in

unknown environments [J]. Intelligent Robots and Systems, 2001.Proceedings 200IEEE/RSJ International Conference on, Volume: 2, 29 Oct-3 Nov.2001. 858-86. [18] ]Jiangping Tu and Simon X. Yang Genetic Algorithm Based Path Planning

for a Mobile Robot[J]. Processing of the 2003 IEEE International conference on Robotics & Automation. 1221-1226. [19] Peng Yang, Yi Yang, He Chen, Xin Guo, Zhiyu Wang. A Study of Path

Planning Algorithm of Mobile Robot[J].Proceedings of the 5th Word

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Congress on Intelligent Control and 19,2004.HangZhou,P.R.China. 4937-4941.

Automation, June 15-

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附录A

#ifndef _STC_NEW_8051_H_ #define _STC_NEW_8051_H_

//-------------------------------------------------------------------------------- //新一代 1T 8051系列 单片机内核特殊功能寄存器 C51 Core SFRs //7 6 5 4 3 2 1 0 Reset Value sfr ACC = 0xE0;

//Accumulator 0000,0000 sfr B = 0xF0; //B Register 0000,0000 sfr PSW = 0xD0;

//Program Status Word CY AC F0 RS1 RS0 OV F1 P 0000,0000 //----------------------------------- sbit CY = PSW^7; sbit AC = PSW^6; sbit F0 = PSW^5; sbit RS1 = PSW^4; sbit RS0 = PSW^3; sbit OV = PSW^2; sbit P = PSW^0;

//-----------------------------------

sfr SP = 0x81; //Stack Pointer 0000,0111

sfr DPL = 0x82; //Data Pointer Low Byte 0000,0000 sfr DPH = 0x83; //Data Pointer High Byte 0000,0000

//-------------------------------------------------------------------------------- //新一代 1T 8051系列 单片机系统管理特殊功能寄存器 //7 6 5 4 3 2 1 0 Reset Value

sfr PCON = 0x87; //Power Control SMOD SMOD0 LVDF POF GF1 GF0 PD IDL 0001,0000

// 7 6 5 4 3 2 1 0 Reset Value

sfr AUXR = 0x8E; //Auxiliary Register T0x12 T1x12 UART_M0x6 BRTR S2SMOD BRTx12 EXTRAM S1BRS 0000,0000

//-----------------------------------

sfr AUXR1 = 0xA2; //Auxiliary Register 1 - PCA_P4 SPI_P4 S2_P4 GF2 ADRJ - DPS 0000,0000

/*PCA_P4:0, 缺省PCA 在P1 口1，PCA/PWM 从P1 口切换到P4 口: ECI 从P1.2 切换到P4.1 口，

PCA0/PWM0 从P1.3 切换到P4.2 口 PCA1/PWM1 从P1.4 切换到P4.3 口

SPI_P4:0, 缺省SPI 在P1 口1，SPI 从P1 口切换到P4 口: SPICLK 从P1.7 切换到P4.3 口

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/91z7.html