家庭巡視機(jī)器人環(huán)境感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要:結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù),以STM32F103系列單片機(jī)為控制中心,設(shè)計(jì)家用機(jī)器人環(huán)境感知系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)各類傳感器模塊(主要包括煙霧氣敏傳感器模塊、超聲波測(cè)距傳感器模塊、溫度傳感器模塊)對(duì)家庭環(huán)境進(jìn)行感知,將感知到的信息傳輸至控制中心,后者發(fā)出指令,控制家庭巡視機(jī)器人的相應(yīng)動(dòng)作。

關(guān)鍵詞:家庭巡視機(jī)器人;環(huán)境感知系統(tǒng);STM32F103

1機(jī)器人系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

機(jī)器人系統(tǒng)整體設(shè)計(jì):由中央處理器、環(huán)境感知系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)共同組成家庭巡視機(jī)器人。中央處理器是整個(gè)機(jī)器人的核心,它對(duì)接收的信息進(jìn)行處理,然后轉(zhuǎn)換為指令信號(hào);環(huán)境感知系統(tǒng)是機(jī)器人的感官部分,它對(duì)家庭內(nèi)部環(huán)境信息進(jìn)行數(shù)據(jù)信息采集,然后將信息傳送到中央處理器;運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu),它將中央處理器發(fā)出的指令轉(zhuǎn)換為動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所需要的功能。

2環(huán)境感知系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

環(huán)境感知系統(tǒng)幫助機(jī)器人對(duì)家庭環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息采集,處理器接受到信息后,完成對(duì)障礙物的躲避、火災(zāi)煙霧報(bào)警反饋、家庭環(huán)境溫度實(shí)時(shí)顯示等功能,將家庭內(nèi)部環(huán)境情況實(shí)時(shí)呈現(xiàn)出來(lái)。系統(tǒng)以STM32F103系列單片機(jī)為主控芯片,驅(qū)動(dòng)MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊、HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器模塊和DS18B20溫度傳感器。模塊感知家庭環(huán)境,將數(shù)據(jù)和報(bào)警顯示在LED屏上[3]。

3環(huán)境感知系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

環(huán)境感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)是家用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)家庭巡視功能的重要組成部分,是實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭環(huán)境監(jiān)控與報(bào)警的中心環(huán)節(jié)。硬件電路以STM32F103為控制中心,將感知家庭環(huán)境的各個(gè)傳感器串聯(lián)組合在一起,形成一個(gè)反饋系統(tǒng)[4]。主要由煙霧氣敏傳感器感應(yīng)電路、超聲波測(cè)距傳感器電路、溫度傳感器檢測(cè)電路、LED顯示電路、電源電路、報(bào)警電路等組成[5]。

3.1CPU芯片電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)過(guò)程中采用的STM32F103系列單片機(jī)芯片是包括7個(gè)定時(shí)器、9個(gè)通信接口、2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、80個(gè)快速I/O端口的低功耗微型單片機(jī)[6]。工作電壓為2.0~3.6V,CPU最高頻率為72MHz。內(nèi)嵌復(fù)位和電源控制模塊,內(nèi)置嵌套的向量式中斷控制器,能夠處理43個(gè)可屏蔽中斷通道和16個(gè)優(yōu)先級(jí)。在定時(shí)器和看門狗功能方面,每個(gè)定時(shí)器都有獨(dú)立的DMA請(qǐng)求機(jī)制,通過(guò)選項(xiàng)字節(jié)可以配置硬件或軟件啟動(dòng)看門狗。相對(duì)于較為簡(jiǎn)單的51單片機(jī)而言,STM32F103系列單片機(jī)程序?yàn)槟K化設(shè)計(jì),接口簡(jiǎn)單,自身附帶功能強(qiáng),采用庫(kù)函數(shù)開(kāi)發(fā)。單片機(jī)核心為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的ARMCortex-M3內(nèi)核,這些功能都是51系列單片機(jī)所不能比的[7]。

3.2電源電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)為接入式12V直流電,通過(guò)MP4560芯片配置相對(duì)應(yīng)的電容、電感,將12V電壓降到5V直流電。因電壓較低,無(wú)需適配5V的電源。通過(guò)電路來(lái)替代電源電壓轉(zhuǎn)換,能節(jié)省空間和成本。通過(guò)穩(wěn)壓電路得到3.3V電壓,提供給主控單元電路。在5~3.3V的過(guò)程中加入穩(wěn)壓電路,保證電路正常穩(wěn)定的工作[8]。

3.3煙霧氣敏傳感器模塊電路設(shè)計(jì)

用于家庭防火的MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊通過(guò)二氧化錫(SnO2)氣敏材料電導(dǎo)率的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)可燃?xì)怏w濃度的檢測(cè),并將轉(zhuǎn)換信號(hào)發(fā)送給CPU,CPU控制器件發(fā)出報(bào)警信息,其工作電壓為5V,采用兩路信號(hào)輸出(DO/AO)[9]。阻值R與空氣中被測(cè)氣體濃度c的計(jì)算公式為:LogR=mLogc+n(m、n均為常數(shù))

3.4超聲波測(cè)距傳感器模塊電路設(shè)計(jì)

家庭巡視機(jī)器人室內(nèi)障礙物躲避功能通過(guò)HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器模塊實(shí)現(xiàn)。HC-SR04超聲波傳感器以總線的方式與CPU之間通信,實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)信息,其工作電壓為3.3~5.0V,采用I/O觸發(fā)測(cè)距[9],探測(cè)距離為2~400cm,精度可達(dá)0.3cm。其測(cè)距公式為(聲速=340m/s):

3.5溫度傳感器模塊電路設(shè)計(jì)

溫度傳感器模塊以單總線通信,將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺貑卧?經(jīng)程序化后將數(shù)據(jù)發(fā)送到液晶顯示屏上,顯示室內(nèi)溫度。此過(guò)程以DS18B20芯片完成電路設(shè)計(jì)。芯片工作電壓為3.0~5.0V,有一個(gè)單線接口,主要應(yīng)用于數(shù)字信息采集和溫度傳感。電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

4環(huán)境感知系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在研發(fā)過(guò)程中,軟件設(shè)計(jì)分為兩部分:傳感器數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分和單片機(jī)處理接收部分。傳感器數(shù)據(jù)采集發(fā)送部分采用煙霧氣敏傳感器模塊、超聲波測(cè)距傳感器模塊、溫度傳感器模塊進(jìn)行支持,利用C程序語(yǔ)言編寫各個(gè)模塊的信息采集程序,然后依據(jù)各個(gè)模塊的時(shí)序圖寫出控制程序[10]。當(dāng)測(cè)量濃度大于設(shè)定的濃度時(shí),煙霧氣敏傳感器模塊單片機(jī)的I/O輸出為低電平,LED燈亮起報(bào)警。在超聲波測(cè)距傳感器模塊中,一個(gè)10μs以上的脈沖觸發(fā)信號(hào),傳感器內(nèi)部就會(huì)發(fā)出8個(gè)40kHz周期電平并檢測(cè)回波。當(dāng)檢測(cè)到回波信號(hào)時(shí),會(huì)輸出回響信號(hào)?；仨懶盘?hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。通過(guò)發(fā)射信號(hào)到收到回響信號(hào)的時(shí)間間隔可以計(jì)算出實(shí)際的距離[11]。在溫度傳感器模塊中,總線控制器會(huì)拉低總線并保持一定時(shí)間,然后發(fā)出一個(gè)復(fù)位脈沖,接著釋放總線,單總線利用上拉電阻拉到高電平。當(dāng)DS18B20探測(cè)到I/O引腳的上升沿后,等待一定時(shí)間后以拉低總線的方式發(fā)出存在脈沖,實(shí)現(xiàn)初始化。主機(jī)寫時(shí)隙向DS18B20寫入數(shù)據(jù),其中分為寫“0”時(shí)隙和寫“1”時(shí)隙,所有的寫時(shí)隙必須至少有60μs的持續(xù)時(shí)間,相鄰兩個(gè)寫時(shí)隙必須要有最少1μs的恢復(fù)時(shí)間。所有的寫時(shí)隙(寫0和寫1)都由拉低總線產(chǎn)生,以實(shí)現(xiàn)寫相應(yīng)的控制指令。當(dāng)總線控制器把數(shù)據(jù)線從高電平拉到低電平時(shí),讀時(shí)序開(kāi)始,數(shù)據(jù)線必須至少保持1μs,然后總線才會(huì)被釋放。DS18B20通過(guò)拉高或拉低總線上來(lái)傳輸“1”或“0”。當(dāng)傳輸邏輯“0”結(jié)束后,總線將被釋放,通過(guò)上拉電阻回到上升沿狀態(tài)。從DS18B20輸出的數(shù)據(jù)在讀時(shí)序下降沿出現(xiàn)后15μs內(nèi)有效,完成讀取DS18B20所采集到的數(shù)據(jù)后,把采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的溫度,展現(xiàn)在LED顯示屏上。

5結(jié)論

通過(guò)對(duì)家庭巡視機(jī)器人環(huán)境感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì),深入理解了環(huán)境感知系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)。對(duì)煙霧氣敏傳感器模塊、超聲波測(cè)距傳感器模塊、溫度傳感器模塊,從工作原理到硬件設(shè)計(jì)均進(jìn)行了深入研究。在軟件設(shè)計(jì)中詳細(xì)介紹了編程原理,對(duì)后來(lái)研究者針對(duì)嵌入式系統(tǒng)編程具有較好的借鑒意義。

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作者：潘光良 李軍 單位：齊魯工業(yè)大學(xué)