畢業(yè)設(shè)計(jì)基于ARM的家庭安防智能機(jī)器人設(shè)計(jì)終版

1、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（畢業(yè)論文）題目：基于ARM的家庭安防智能機(jī)器人學(xué)生姓名：學(xué)號：專業(yè)：測控技術(shù)與儀器班級：指導(dǎo)教師：講師基于ARM的家庭安防智能機(jī)器人摘要隨著電子信息業(yè)的不斷發(fā)展，智能移動(dòng)機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)研究已經(jīng)成為熱門。本論文以智能家居為背景，設(shè)計(jì)出了一種基于ARM9處理器的家庭安防智能監(jiān)控系統(tǒng)。在ARM上移植了Linux操作系統(tǒng)，通過USB攝像頭獲取監(jiān)控圖像，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將采集到的圖像傳送到PC機(jī)上，友好的人機(jī)界面，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控家居環(huán)境，使得家庭安全檢測與防患成為可能。并對控制系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，有利于智能小車的功能擴(kuò)展和升級?！癙C+運(yùn)動(dòng)控制器”是目前開放式數(shù)控系統(tǒng)最常見的形式，主

2、PC機(jī)用于人機(jī)界面、存儲和通訊，運(yùn)動(dòng)控制器部分作從屬CPU來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制、I/O中斷和計(jì)算等。本設(shè)計(jì)中的智能機(jī)器人在巡航過程中有如下功能，紅外避障功能、溫度采集功能、煤氣檢測和火焰檢測功能、圖像采集功能、圖像傳輸功能。機(jī)器人小車可以自由在房屋內(nèi)行進(jìn)，在行進(jìn)過程中如遇到障礙物體，則可以通過紅外避障模塊探測到障礙物的具體方位并避開障礙物。同時(shí)小車上安裝了各類傳感器，可以動(dòng)態(tài)監(jiān)測家居環(huán)境參數(shù)，最重要的是，利用攝像頭實(shí)時(shí)采集家居環(huán)境圖像，并通過wifi傳送到上位機(jī)的監(jiān)控界面，即使遠(yuǎn)在千里也可以隨時(shí)查看家居環(huán)境。關(guān)鍵詞：嵌入式；ARM處理器；智能家居；USB攝像頭ARM-based home secur

3、ity intelligent robotAbstractWith the development of electronic information industry, the research of intelligent robot and related technology has become more and more popular. With the intelligent home furnishing as background, we designed a kind of home security monitoring system based on ARM9 pro

4、cessor. First of all, we transplanted the Linux operating system on ARM, acquiring the image by USB camera, and transmits the images to the PC via wireless network. Then, we design a friendly man-machine interface, real-time monitoring of home furnishing environment, making the detection and prevent

5、ion of family security become possible. At the same time, we adopt modularization design of the control system, which contributes to the functional expansion and upgrading of the smart car.PC+ motion controller mode is the most common form of open CNC system currently. PC machine is used for man-mac

6、hine interface control, data storage and communication; motion controller is used to realize the real-time control and I/O interrupt. Intelligent robot in this design has the following functions during cruise, including avoidance function, temperature acquisition system, gas detection, flame detecti

7、on and image acquisition and transmission function obstacle infrared. Robot can freely moving in the house, if encountered obstacles in the process of running, it can through the infrared sensor to detect the specific range of obstacles, and steer clear of obstacles. At the same time, all kinds of s

8、ensors installed on the vehicle, dynamic monitoring home furnishing environment parameters. Most importantly, the camera can image real-time acquisition of home furnishing environment, through WiFi transmitted to the computer, even we are thousands of miles away can always see the home furnishing en

9、vironment.Keywords:Embedded system; ARM processor; intelligent home furnishing; USB camera目 錄摘要IAbstractII目錄III第一章緒論1嵌入式系統(tǒng)概述及發(fā)展現(xiàn)狀11.2 ARM系列微處理器簡介11.3 嵌入式Linux操作系統(tǒng)及特點(diǎn)2研究背景和意義3研究目標(biāo)、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題4第二章家庭安防智能機(jī)器人的方案設(shè)計(jì)52.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路5系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案選擇5系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選擇5小車底盤選擇62.3 系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)7核心模塊8直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊10紅外避障模塊10圖像采集模塊11無線傳輸模塊

10、11環(huán)境參數(shù)采集模塊13第三章家庭安防智能機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)153.1 核心模塊硬件設(shè)計(jì)153.1.1 主控制芯片S3C2440153.1.2 輔控制芯片STC15F2K61S217輔助系統(tǒng)183.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)193.2.1 電機(jī)概述193.2.2 驅(qū)動(dòng)芯片L293簡介203.3 紅外避障模塊設(shè)計(jì)223.3.1 方案比較和論證223.3.2 紅外避障模塊223.4 無線傳輸模塊設(shè)計(jì)233.4.1 Wi-Fi無線傳輸技術(shù)簡介233.4.2 無線數(shù)傳模塊243.4.3 無線網(wǎng)卡273.5 環(huán)境參數(shù)采集模塊設(shè)計(jì)27溫度傳感器模塊27煙霧傳感器模塊28火焰?zhèn)鞲衅髂K283.5.4 紅外熱釋電

11、模塊29第四章 ARM9上的Linux系統(tǒng)移植以及網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的設(shè)計(jì)314.1 Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的裝載314.2 linux交叉編譯及移植334.2.1 建立Linux交叉編譯環(huán)境334.2.2 linux移植344.3 Linux操作系統(tǒng)下網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的實(shí)現(xiàn)36準(zhǔn)備工作374.3.2 編譯組件374.3.3 測試網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)37第五章家庭安防智能機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)405.1 軟件設(shè)計(jì)總體方案40小車驅(qū)動(dòng)模塊軟件設(shè)計(jì)41紅外避障模塊軟件設(shè)計(jì)43環(huán)境監(jiān)測模塊軟件設(shè)計(jì)43無線傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)44上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)45上位機(jī)軟件界面程序設(shè)計(jì)465.6.2 上位機(jī)軟件數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)47第六章家庭安防智能機(jī)

12、器人的聯(lián)合調(diào)試496.1 系統(tǒng)調(diào)試與測試496.2 系統(tǒng)功能及前景展望49總結(jié)51參考文獻(xiàn)52附錄A 實(shí)物圖54附錄B 程序56致謝65第一章 緒論嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，且軟硬件可剪裁，是對功能、可靠性、成本、功耗和應(yīng)用環(huán)境有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。是將應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)硬件集成在一起的系統(tǒng)。它一般由以下幾部分組成：嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)及特定的應(yīng)用程序1。嵌入式系統(tǒng)有如下共同點(diǎn)：（1）功能專一：專門為某一特定應(yīng)用系統(tǒng)而設(shè)計(jì)；（2）結(jié)構(gòu)緊湊：嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須特別的緊湊，從而達(dá)到小體積，高性能，低成本，低功耗；（3）智能靈活及實(shí)時(shí)性：即要

13、對不同的情況做出不同的反應(yīng)，同時(shí)必須實(shí)時(shí)地給出計(jì)算的結(jié)果并進(jìn)行實(shí)時(shí)控制2。嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)至今已經(jīng)有30多年的歷史，近幾年來，計(jì)算機(jī)、通信、消費(fèi)電子的一體化趨勢日益明顯，嵌入式技術(shù)已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。目前根據(jù)其發(fā)展現(xiàn)狀，嵌入式計(jì)算機(jī)可以分成下面幾類：嵌入式微處理器(Embedded Microprocessor Unit，EMPU)嵌入式微控制器(Microcontroller Unit，MCU)，又稱單片機(jī) 嵌入式DSP處理器(Embedded Digital Signal Processor，EDSP)DSP嵌入式片上系統(tǒng)(System On Chip)3目前，中國嵌入式系統(tǒng)市場處于快速

14、增長時(shí)期。在近幾年以及未來的幾年內(nèi)，嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展為幾乎所有的電子設(shè)備注入了新的活力，由于迅速發(fā)展的Internet和非常廉價(jià)的微處理器的出現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)將在我們的日常生活里形成一個(gè)更大的領(lǐng)域。中國嵌入式系統(tǒng)的主要客戶分布在消費(fèi)類電子、通信、醫(yī)療、安全等行業(yè)。當(dāng)前中國嵌入式系統(tǒng)市場上的幾大熱點(diǎn)應(yīng)用有4:汽車與電力系統(tǒng)的電源管理、高清數(shù)字電視以及數(shù)字機(jī)頂盒、智能手機(jī)和具有聯(lián)網(wǎng)功能的智能化工業(yè)設(shè)備、終端。嵌入式工業(yè)設(shè)備則將集成進(jìn)更多的通信與聯(lián)網(wǎng)等智能化功能，并將在汽車電子市場、醫(yī)療電子市場、機(jī)械電子市場、視頻電子市場和數(shù)碼電子市場得到更為廣泛的應(yīng)用。1.2 ARM系列微處理器簡介ARM（Adva

15、nced RISC Machine）是英國ARM公司設(shè)計(jì)開發(fā)的通用32位RISC（Reduced Instruction Set Computer）微處理器體系結(jié)構(gòu)，其主要優(yōu)勢在于簡單的設(shè)計(jì)和高效的指令集。ARM的設(shè)計(jì)目標(biāo)是微型化、低功耗、高性能的微處理器實(shí)現(xiàn)。目前，ARM微處理器家族在嵌入式系統(tǒng)、掌上電腦、智能卡和GSM終端控制器等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，幾乎占據(jù)了嵌入式處理器的半壁河山。作為一種RISC體系結(jié)構(gòu)的微處理器，ARM微處理器具有RISC體系結(jié)構(gòu)的典型特征。還具有以下特點(diǎn)5：（1）在每條數(shù)據(jù)處理指令當(dāng)中，都控制算術(shù)邏輯單元（ALU）和移位器，以使ALU和移位器獲得最大的利用率；（2

16、）自動(dòng)遞增和自動(dòng)遞減的尋址模式，以優(yōu)化程序中的循環(huán)；（3）同時(shí)Load和Store多條指令，以增加數(shù)據(jù)吞吐量；（4）所有指令都條件執(zhí)行，以增大執(zhí)行吞吐量。這些都是對基本RISC體系結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)，使得ARM處理器可以再高性能、小代碼尺寸、低功耗和小芯片面積之間獲得好的平衡。ARM處理器的應(yīng)用領(lǐng)域到目前為止,ARM處理器及技術(shù)的應(yīng)用幾乎已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng)域：1、工業(yè)控制領(lǐng)域：作為32的RISC架構(gòu),基于ARM核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場的大部分市場份額，同時(shí)也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展，ARM微控制器的低功耗、高性價(jià)比，向傳統(tǒng)的8位/16位微控制器提出了挑戰(zhàn)。2、無線通訊領(lǐng)域：目前已

17、有超過85%的無線通訊設(shè)備采用了ARM技術(shù)， ARM以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。3、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用：隨著寬帶技術(shù)的推廣，采用ARM技術(shù)的ADSL芯片正逐步獲得競爭優(yōu)勢。此外，ARM在語音及視頻處理上行了優(yōu)化,并獲得廣泛支持，也對DSP的應(yīng)用領(lǐng)域提出了挑戰(zhàn)。4、消費(fèi)類電子產(chǎn)品：ARM技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛采用。5、成像和安全產(chǎn)品：現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用ARM技術(shù)。手機(jī)中的32位SIM智能卡也采用了ARM技術(shù)6。1.3 嵌入式Linux操作系統(tǒng)及特點(diǎn)Linux系統(tǒng)是包含內(nèi)核、系統(tǒng)工具、完整的開發(fā)環(huán)境和應(yīng)用的類UNIX操作系統(tǒng)。這個(gè)操

18、作系統(tǒng)是由全世界各地的成千上萬的程序員設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的，它誕生于1991 年的10 月5 日（這是第一次正式向外公布的時(shí)間）。其目的是建立不受任何商品化軟件的版權(quán)制約的、全世界都能自由使用的UNIX兼容產(chǎn)品。由于Linux內(nèi)核及多數(shù)應(yīng)用程序都基于GPL（GNU公共許可協(xié)議），且具有結(jié)構(gòu)清晰、功能簡捷等特點(diǎn)，逐漸成為一個(gè)穩(wěn)定可靠、功能完善的操作系統(tǒng)。Linux為嵌入式操作系統(tǒng)提供了一個(gè)極有吸引力的選擇。將Linux應(yīng)用于嵌入式環(huán)境，是基于其具有以下特點(diǎn)：（1）Linux操作系統(tǒng)是層次結(jié)構(gòu)，并且內(nèi)核源代碼完全開放。不同領(lǐng)域和不同層次的用戶可以根據(jù)自己應(yīng)用的需要，對內(nèi)核進(jìn)行修改，能夠低成本的開發(fā)出滿足自

19、己需要的嵌入式系統(tǒng)。（2）其具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能。Linux誕生于Internet時(shí)代，并具有Unix的特性，這保證了它支持所有標(biāo)準(zhǔn)Internet協(xié)議，并且可以利用Linux的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，將其開發(fā)成為嵌入式的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。此外，Linux還支持ext2、fat16、fat32、romfs等文件系統(tǒng)，為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)打下了很好的基礎(chǔ)。（3）Linux具備一整套工具鏈，容易自行建立嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境和交叉運(yùn)行環(huán)境，可以跨越嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中仿真工具的障礙。而且，Linux也符合IEEE POSIX.1標(biāo)準(zhǔn)，使應(yīng)用程序具有較好的可移植性7。研究背景和意義當(dāng)前，人類進(jìn)入信息爆炸的時(shí)代

20、，各類信息極度豐富，數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，只有借助于各種計(jì)算機(jī)，才能夠?qū)Ω黝愋畔⑦M(jìn)行處理，它們已不再局限于以前的PC，而是由形態(tài)各異、性能千差萬別的嵌入式系統(tǒng)來完成。ARM處理器是世界上最流行的嵌入式處理器，廣泛應(yīng)用于個(gè)人通信等嵌入式領(lǐng)域。而隨著智能科技和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，未來機(jī)器人進(jìn)入家庭已成為必然。其中，智能服務(wù)機(jī)器人進(jìn)入家庭提供家庭安防尤為重要，但事實(shí)上在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行家居環(huán)境的檢測和控制這一技術(shù)還并未進(jìn)入千家萬戶?；谶@種思想，本設(shè)計(jì)提出了家庭安防智能機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過ARM處理器與PC機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境的異地監(jiān)視、控制，并可以實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境多個(gè)參數(shù)的檢測。本設(shè)計(jì)

21、符合家電上網(wǎng)的設(shè)計(jì)概念，實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制，并能將家居環(huán)境中溫度、濕度、煤氣濃度等環(huán)境信息以網(wǎng)頁的形式顯示在遠(yuǎn)程主機(jī)上。本設(shè)計(jì)可以應(yīng)用于家居、教室或醫(yī)院病房等環(huán)境的檢測和控制，稍加改進(jìn)也可以應(yīng)用于無人環(huán)境、危險(xiǎn)環(huán)境基于web 網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制。總之，如果本設(shè)計(jì)能夠加以完善利用，將會有很大的商業(yè)價(jià)值8。1.5研究目標(biāo)、研究內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題研究目標(biāo)結(jié)合ARM、Linux操作系統(tǒng)、無線通訊等技術(shù)手段，設(shè)計(jì)一種比較完善的嵌入式家居監(jiān)控系統(tǒng)，并完成其系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)、軟硬件設(shè)計(jì)等工作，使其在可靠性、適應(yīng)性、實(shí)時(shí)性等方面獲得盡可能多的實(shí)用價(jià)值。研究內(nèi)容本設(shè)計(jì)以ARM9為中央控制核心，STC15

22、F2K61S2為輔處理芯片，L293驅(qū)動(dòng)二個(gè)直流電機(jī)控制小車的運(yùn)動(dòng)，采用ZC301攝像頭采集圖像，通過網(wǎng)絡(luò)把采集到的圖像傳送給PC機(jī)監(jiān)控界面，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)可以通過傳感器采集環(huán)境參數(shù)并上傳到上位機(jī)監(jiān)控界面。為了實(shí)現(xiàn)該目的，本課題所研究的主要內(nèi)容如下：系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)。攝像頭驅(qū)動(dòng)的安裝及調(diào)試。Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的裝載及S3C2440芯片上程序的交叉編譯和移植。PC與ARM核心處理器之間的無線通信、PC與增強(qiáng)型51單片機(jī)之間的串口通信的實(shí)現(xiàn)。擬解決的關(guān)鍵問題Linux嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn)用及其Linux的移植方法。ARM板、MCU與PC機(jī)之間的無線通信實(shí)現(xiàn)方法。網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的實(shí)現(xiàn)方

23、法、上位機(jī)監(jiān)控界面的制作方法和控制命令的傳送途徑。第二章 家庭安防智能機(jī)器人的方案設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)的核心思想就是機(jī)器人小車在家居環(huán)境中可以自由行進(jìn)，行進(jìn)過程中攝像頭可以實(shí)時(shí)采集環(huán)境圖像，并通過無線網(wǎng)絡(luò)上傳到PC機(jī)上，這樣可以保證家居主人可以隨時(shí)隨地清楚地知曉家居環(huán)境狀況，保證家居環(huán)境安全?？傮w設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。S3C2440為主控制芯片，主要負(fù)責(zé)對攝像頭采集到的信息進(jìn)行處理與發(fā)送；51單片機(jī)為輔控制芯片，主要通過控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)小車的運(yùn)動(dòng)，通過傳感器實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境參數(shù)的采集。值得注意的是，在本設(shè)計(jì)中51單片機(jī)與S3C2440嵌入式處理器芯片分別通過無線網(wǎng)與PC機(jī)通訊，

24、他們之間互不關(guān)聯(lián)。圖2.1 總體設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)框圖本設(shè)計(jì)在選題之后，確定了三個(gè)總體設(shè)計(jì)方案,具體如下：方案一：ARM，即只用一塊嵌入式開發(fā)板完成整個(gè)設(shè)計(jì)的所有任務(wù)。方案二：ARM+普通51單片機(jī)，即通過ARM處理器與普通51單片機(jī)聯(lián)調(diào)，共同完成設(shè)計(jì)任務(wù)。方案三：ARM+增強(qiáng)型51單片機(jī)，即ARM處理器和增強(qiáng)型51單片機(jī)共同作用，實(shí)現(xiàn)整個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)。在經(jīng)過反復(fù)的比較論證之后，首先排除了第一種方案，因?yàn)槲椰F(xiàn)在只處于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)入門階段，很多具體問題都不能自己解決，特別是本設(shè)計(jì)中的許多程序需要在Linux系統(tǒng)上進(jìn)行移植，大大增加了設(shè)計(jì)的難度，這是其一；其二是本設(shè)計(jì)中的很多任務(wù)在51單片機(jī)上就可以完成，

25、比如各種環(huán)境參數(shù)采集，并且這方面程序在網(wǎng)上很多，可移植性強(qiáng)，執(zhí)行效率也較高。隨后又排除了第二種方案，普通51單片機(jī)雖然可實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)中的部分任務(wù)，但是因?yàn)槠淦瑑?nèi)RAM較小，而本設(shè)計(jì)涉及參數(shù)較多，在程序方面要求會更高；而增強(qiáng)型51單片機(jī)的內(nèi)存較普通51單片機(jī)有較大提高，并且芯片響應(yīng)速率高，性能良好。在硬件方面能解決的問題盡量不要放到軟件部分解決，這樣可以提高程序的可讀性及可行性，故綜合比較之后選擇方案三，即選擇ARM處理器與增強(qiáng)型51單片機(jī)共同完成設(shè)計(jì)9。驅(qū)動(dòng)小車有三種方案。 方案一：普通玩具小車是使用兩個(gè)電機(jī)，且兩個(gè)電極均為玩具直流電機(jī)。前面兩個(gè)輪為一個(gè)電機(jī)控制，用來控制方向，后面兩個(gè)輪由一個(gè)電

26、機(jī)控制，用來驅(qū)動(dòng)小車，這就是傳統(tǒng)的控制小車方向的方式，但是一般的說來，玩具電動(dòng)車具有如下缺點(diǎn)：一方面，這種玩具電動(dòng)車由于裝配緊湊，使得各種所需傳感器的安裝十分不方便。另一方面，玩具直流電機(jī)，力矩小，空載轉(zhuǎn)速快，負(fù)載性能差，不易調(diào)速。而且這種電動(dòng)車一般都價(jià)格不扉。因此放棄了此方案。方案二：四電機(jī)四輪驅(qū)動(dòng)小車，這種方案適合對小車靈活性要求高，完成任務(wù)較多，功能比較強(qiáng)大的競賽類項(xiàng)目使用，如實(shí)現(xiàn)尋跡，避障，測速，走迷宮，搬運(yùn)，遙控等功能，因?yàn)檫@種方案可以更加靈活的控制小車，而且轉(zhuǎn)向性好，可以實(shí)現(xiàn)原地360轉(zhuǎn)向。但是本設(shè)計(jì)中對小車靈活性要求不是特別高，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)側(cè)重點(diǎn)不在于此，為節(jié)約成本，故排除此方案。

27、方案三：購買的智能小車底盤采用兩電機(jī)三輪驅(qū)動(dòng)，即前面安裝一個(gè)萬向輪，可360自由轉(zhuǎn)動(dòng)，后面兩輪由兩個(gè)電機(jī)控制，這種驅(qū)動(dòng)方式轉(zhuǎn)向性也較好，且外部輔助電路也比較簡單。最重要的是，本次設(shè)計(jì)的小車驅(qū)動(dòng)部分是用單片機(jī)作為總控制中心，這種小車底盤做工優(yōu)良，載重能力強(qiáng)，預(yù)留的小孔便于進(jìn)行模塊擴(kuò)展，能夠達(dá)到運(yùn)行靈活平穩(wěn)，安全高效的效果10。綜合比較之后，最終選擇方案三。下面著重介紹一下該小車底盤的優(yōu)點(diǎn)：中型車體架構(gòu)，前輪是萬向輪支撐。車身尺寸：22cm*17cm；車高：48mm。亮點(diǎn)一：有機(jī)玻璃作車身，鋁合金電機(jī)固定座，堅(jiān)固輕便。亮點(diǎn)二：車前端留有很多傳感器安裝孔，方便安裝；另留有槽形固定孔，適合不同大小的控

28、制板電路模塊的固定。亮點(diǎn)三：專業(yè)橡膠輪胎，摩擦力大，抓地性能好，耐磨。亮點(diǎn)四：電機(jī)和輪子之間為黃銅聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)，穩(wěn)固，強(qiáng)度高。亮點(diǎn)五：全金屬齒輪減速電機(jī)，壽命長，扭力大，轉(zhuǎn)速高。車的底盤是用4mm厚的進(jìn)口有機(jī)玻璃雕刻而成，CNC精加工，留有很多固定孔，用于固定電機(jī)板和電機(jī)驅(qū)動(dòng)板以及各類傳感器；可擴(kuò)展性好，有機(jī)玻璃可輕松使用各種手鉆，小電鉆來鉆出安裝孔。可方便搭載二層或三層建筑。車后輪為橡膠輪胎，和電機(jī)通過聯(lián)軸器（黃銅材質(zhì)），電機(jī)固定座（鋁合金材料）緊密結(jié)合在一起。承載能力很強(qiáng)，負(fù)重5KG左右。車體的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括萬向輪、兩個(gè)后輪、車底盤、兩個(gè)電機(jī)固定座、兩個(gè)聯(lián)軸器，兩個(gè)電機(jī)、銅柱螺絲等，小車底盤實(shí)

29、物圖如圖2.2所示。圖 智能小車底盤2.3 系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)所謂的模塊化設(shè)計(jì)，簡單地說就是將產(chǎn)品的某些要素組合在一起，構(gòu)成一個(gè)具有特定功能的子系統(tǒng)，將這個(gè)子系統(tǒng)作為通用性的模塊與其他產(chǎn)品要素進(jìn)行多種組合，構(gòu)成新的系統(tǒng)。根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思路和整個(gè)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，可以將此系統(tǒng)分為六大主要模塊來設(shè)計(jì)，核心模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外避障模塊、圖像采集模塊、無線傳輸模塊、環(huán)境參數(shù)采集模塊11。核心模塊ARM處理器S3C2440本設(shè)計(jì)采用的ARM開發(fā)板是廣州天嵌計(jì)算機(jī)科技有限公司生產(chǎn)的TQ2440系列，該開發(fā)板的微控制器采用三星公司的S3C2440AL，它主要負(fù)責(zé)處理攝像頭采集回來的圖像信息，并對其進(jìn)行

30、處理，再通過無線網(wǎng)絡(luò)將圖像信號遠(yuǎn)傳到上位機(jī)。TQ2440開發(fā)板采用核心板實(shí)驗(yàn)底板設(shè)計(jì)，更便于開發(fā)學(xué)習(xí)。插針式核心板, 采用六層軍工布線設(shè)計(jì), 名廠PCB板, 沉金工藝, 具備了較好的電氣連接能力,以及較強(qiáng)的抗震性能, 比市面上某些四層板運(yùn)行程序更加穩(wěn)定高效。接口豐富，功能強(qiáng)大，適用于各種手持設(shè)備，消費(fèi)電子和工業(yè)控制設(shè)備的開發(fā)。TQ2440開發(fā)板實(shí)物圖如所示：圖2.3 TQ2440開發(fā)板實(shí)物圖增強(qiáng)型51單片機(jī)STC15F2K61S2這是STC最新的增強(qiáng)型51，相比較傳統(tǒng)51，有以下優(yōu)點(diǎn)：1T STC-Y5 內(nèi)核，比傳統(tǒng)51快6-12倍，內(nèi)部RAM擴(kuò)大，傳統(tǒng)51為128字節(jié)或256字節(jié)，它達(dá)到了2

31、.25KB，內(nèi)部高精準(zhǔn)可調(diào)RC振蕩器，有一個(gè)16位自動(dòng)重載定時(shí)器，串口波特率設(shè)置更靈活，有片內(nèi)SPI控制器，速度可達(dá)1/4主頻速度，有片內(nèi)PWM/PCA控制器，可捕獲外部緩沖或者產(chǎn)生PWM，有片內(nèi)AD，分辨率10位，8通道12。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中51單片機(jī)的主要任務(wù)之一便是通過PWM控制步進(jìn)電機(jī)，故自身能產(chǎn)生PWM的STC15F2K61S2便作為首選，并且本設(shè)計(jì)采集參數(shù)較多，對內(nèi)部RAM的要求也較高，這款芯片無論在運(yùn)算速度還是在內(nèi)部資源上均可勝任系統(tǒng)的性能要求，所以本設(shè)計(jì)用這款增強(qiáng)型51單片機(jī)取代了傳統(tǒng)的STC89C51系列單片機(jī)。圖2.4 STC15單片機(jī)開發(fā)板實(shí)物圖本系統(tǒng)中STC15F2K61S

32、2單片機(jī)作為輔控制芯片，主要負(fù)責(zé)：通過L293驅(qū)動(dòng)控制直流電機(jī)以實(shí)現(xiàn)小車的運(yùn)動(dòng)。通過無線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)通訊。通過紅外避障模塊實(shí)現(xiàn)小車的避障功能。通過各個(gè)傳感器采集家居環(huán)境參數(shù)。為了更好的控制電機(jī)，我們采用L293專用芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。L293 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，每一路L293 輸出引出了兩個(gè)并聯(lián)的端口，以便控制四輪的小車，左右兩邊的電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的。本驅(qū)動(dòng)板，也可以控制D42 步進(jìn)電機(jī)，四線制的步進(jìn)電機(jī)。每個(gè)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)門做成一路控制電機(jī)的信號，這樣可以使電機(jī)在四個(gè)象限運(yùn)行，即正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，停車，自由滑行。本設(shè)計(jì)采用PWM對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，因?yàn)镋NA 與ENB 的使能的控制，在EN

33、A與ENB中分別接入PWM信號，IN1與IN2，和IN3 與IN4，分別可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)13。圖2.5 L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)板2.3.3紅外避障模塊本模塊采用一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，檢測距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。該傳感器具有探測距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、流水線計(jì)件等眾多場合14。為使小車能夠做出正確的判斷我們要先調(diào)節(jié)紅外光電傳感器的探測距離，這樣可以避免小車探測到過遠(yuǎn)的物體而做出錯(cuò)誤的判斷。光電開關(guān)傳感器有三條線，分別為電源、地、輸出。本設(shè)計(jì)在機(jī)器人小車上安裝了三個(gè)紅外避障模塊，分別檢測小車行進(jìn)過程中前方、左側(cè)和右

34、側(cè)是否有障礙物。圖2.6 紅外避障模塊2.3.4圖像采集模塊因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)的限制，在linux-2.6.30.4的內(nèi)核中，沒有從外部移植USB攝像頭的驅(qū)動(dòng)，而是直接采用了內(nèi)核自帶的USB攝像頭驅(qū)動(dòng)。考慮到系統(tǒng)提供的默認(rèn)配置單中只添加了對ZC301系列攝像頭的配置，故在本設(shè)計(jì)中直接采用了該系列攝像頭。2.3.5無線傳輸模塊在本設(shè)計(jì)中兩塊開發(fā)板獨(dú)立與PC機(jī)進(jìn)行通信，故該模塊分為兩部分，一部分是ARM處理器S3C2440通過無線網(wǎng)卡與PC機(jī)通訊，另一部分是增強(qiáng)型51單片機(jī)STC15F2K61S2通過無線數(shù)傳模塊與PC機(jī)通訊。無線網(wǎng)卡無線網(wǎng)卡是終端無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，是不通過有線連接，采用無線信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳

35、輸?shù)慕K端。從速度來看，無線上網(wǎng)卡現(xiàn)在主流的速率為54M和108M，該性能和環(huán)境有很大的關(guān)系。本設(shè)計(jì)采用的是54Mbps，其WLAN傳輸速度一般在16-30Mbps之間，換算成MB也就是每秒傳輸速度在2MB-4MB左右。取其中間值3MB，這樣的速度要傳輸100MB的文件需要35秒左右，要傳輸1GB的文件，則需要至少4分鐘以上15。雖然較比108M要慢上許多，但對于本設(shè)計(jì)來說，已經(jīng)足夠滿足設(shè)計(jì)要求。圖2.7 無線網(wǎng)卡無線數(shù)傳模塊采用無線數(shù)據(jù)傳輸是本設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)。無線傳輸較比有線傳輸有成本低廉、適應(yīng)性好、擴(kuò)展性好、設(shè)備維護(hù)更容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，是日后通信領(lǐng)域發(fā)展的重要方向16。本設(shè)計(jì)采用APC200A

36、-43無線數(shù)傳模塊來實(shí)現(xiàn)51單片機(jī)與PC機(jī)之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。APC200A-43模塊是高度集成半雙工微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，其嵌入高速單片機(jī)和高性能射頻芯片。創(chuàng)新的采用高效的循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高，最大可以糾24bits連續(xù)突發(fā)錯(cuò)誤，達(dá)到業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先水平。 APC200A-43模塊提供了多個(gè)頻道的選擇，課在線修改串口速率，發(fā)射功率，射頻速率等各種參數(shù)。APC220模塊能夠透明傳輸任何大小的數(shù)據(jù)，而用戶無須編寫復(fù)雜的設(shè)置與傳輸程序，并提供UART/TTL，RS485以及RS232三種接口。同時(shí)小體積，寬電壓運(yùn)行，較遠(yuǎn)傳輸距離，豐富便捷的軟件編程設(shè)置功能，使之能夠應(yīng)用于非常廣

37、泛的領(lǐng)域17。圖2.8 無線數(shù)傳模塊2.3.6環(huán)境參數(shù)采集模塊本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人小車不僅采集家居環(huán)境圖像，同時(shí)還采集環(huán)境參數(shù)，主要包括溫度、煤氣、火焰三部分。從精度、體積、成本等方面考慮，使用的傳感器分別是溫度傳感器DS18B20、MQ-2煙霧傳感器和火焰?zhèn)鞲衅?。此外，本機(jī)器人還裝有紅外熱釋電傳感器模塊，當(dāng)有人接近機(jī)器人小車時(shí)，也會在上位機(jī)上有顯示，可以起到安全防盜的作用18。1.溫度傳感器本模塊主要作用是進(jìn)行溫度采集，然后經(jīng)采集的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)STC15F2K61S2里進(jìn)行分析處理。在本次設(shè)計(jì)中采用了DS18B20作為數(shù)據(jù)采集器，它的精度最少可以精確到0.0625，完全可以用來進(jìn)行環(huán)境溫度的測

38、量。因?yàn)镈S18B20 這一特點(diǎn)，非常適合于多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)，且硬件結(jié)構(gòu)簡單，方便聯(lián)網(wǎng)，故在倉儲管理、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)制造、氣象觀測、科學(xué)研究以及日常生活中被廣泛應(yīng)用。2.煙霧傳感器本設(shè)計(jì)采用的是MQ-2型號的煙霧傳感器模塊，該模塊在較寬的濃度范圍內(nèi)對液化氣、丙烷、氫氣等可燃?xì)怏w有良好的靈敏度，在本設(shè)計(jì)中主要作用是監(jiān)測家居環(huán)境中煤氣含量是否超標(biāo)。火焰?zhèn)鞲衅鲗鹧孀蠲舾?，對普通光也有反?yīng)，一般用做火焰報(bào)警等用途。該模塊可用于各種火焰、火源探測，用在本設(shè)計(jì)中，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)家居環(huán)境中出現(xiàn)的火災(zāi)隱患。本模塊基于熱釋電紅外感應(yīng)技術(shù)，可以應(yīng)用于人體感應(yīng)全部產(chǎn)品。當(dāng)人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則立即輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍

39、則延時(shí)關(guān)閉輸出，即變?yōu)榈碗娖剑瑥亩鴮?shí)現(xiàn)智能控制。模塊靈敏度高，性能穩(wěn)定，超低電壓工作模式?；谶@些功能，當(dāng)有人接近機(jī)器人小車時(shí)，該模塊就會有感應(yīng)，并通過單片機(jī)將信息傳給上位機(jī)監(jiān)控界面。第三章 家庭安防智能機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)3.1 核心模塊硬件設(shè)計(jì)3.1.1 主控制芯片S3C2440本設(shè)計(jì)采用的是TQ2440系列ARM開發(fā)板，其核心板型號是2440V2，S3C2440AL CPU，主頻400MHz(最高可達(dá)533MHz)，板載64MB SDRAM、256MB Nand Flash和2MB Nor Flash。S3C2440A微處理器是一款由Samsung半導(dǎo)體公司推出的高性能、低功耗、高集成度并具

40、有工業(yè)級溫度范圍和性能的16/32位RISC微處理器, 為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了低價(jià)格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。 S3C2440采用了ARM920t的內(nèi)核，0.13um 的CMOS 標(biāo) 宏單元和存儲器單元。其低功耗，簡單，優(yōu)雅，且全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適合于對成本和功率敏感型的應(yīng)用。它采用了新的總線架構(gòu)Advanced Micro controller Bus Architecture (AMBA)。S3C2440A 的杰出的特點(diǎn)是其核心處理器(CPU)，是一個(gè)由Advanced RISC Machines 有限公司設(shè)計(jì)的16/32位ARM920T的RISC處理器。ARM920T實(shí)

41、現(xiàn)了MMU，AMBA BUS 和Harvard 高速緩沖體系結(jié)構(gòu)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立的16KB 指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache。每個(gè)都是由具有8字長的行組成。通過提供一套完整的通用系統(tǒng)外設(shè)，S3C2440A 減少整體系統(tǒng)成本和無需配置額外的組件。圖3.1 S3C2440內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖綜合對芯片的功能描述介紹S3C2440A集成的以下片上功能：外部存儲控制器(SDRAM 控制和片選邏輯) LCD 控制器（最大支持4K 色STN 和256K 色TFT）提供1 通道LCD 專用DMA 4通道DMA 并有外部請求引腳 3通道UART(IrDA1.0, 64字節(jié)Tx FIFO，和64字節(jié)Rx FI

42、FO) 2通道SPI 1通道IIC-BUS接口（多主支持） 1通道IIS-BUS音頻編解碼器接口 AC97 解碼器接口 兼容SD 主接口協(xié)議1.0 版和MMC 卡協(xié)議2.11 兼容版 2端口USB 主機(jī)/1 端口USB 設(shè)備（1.1 版） 4通道PWM 定時(shí)器和 1 通道內(nèi)部定時(shí)器 / 看門狗定時(shí)器 8通道10 比特ADC 和觸摸屏接口 具有日歷功能的RTC 相機(jī)接口（最大4096 4096像素的投入支持。 2048 2048像素的投入，支持縮放） 130 個(gè)通用I/O 口和24 通道外部中斷源 具有普通，慢速，空閑和掉電模式具有PLL 片上時(shí)鐘發(fā)生器。型號是2440V2核心板，采用S3C24

43、40AL CPU，主頻400MHz（最高可達(dá)533MHz）,板載64MB SDRAM、256MB Nand Flash和2MB Nor Flash型號是2440V2核心板，采用S3C2440AL CPU，主頻400MHz（最高可達(dá)533MHz）,板載64MB SDRAM、256MB Nand Flash和2MB Nor Flash型號是2440V2核心板，采用S3C2440AL CPU，主頻400MHz（最高可達(dá)533MHz）,板載64MB SDRAM、256MB Nand Flash和2MB Nor Flash3.1.2 輔控制芯片STC15F2K61S2設(shè)計(jì)中采用STC15F2K61S2芯

44、片作為輔助芯片，用來完成小車驅(qū)動(dòng)以及家居環(huán)境采集等功能。芯片描述：SC15F2K61S2單片機(jī)是STC生產(chǎn)的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的51單片機(jī)，超強(qiáng)抗干擾，高速，高可靠，低功耗，速度比平常單片機(jī)快812倍。 特點(diǎn)：(1)大容量2048字節(jié)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲器 (2)在線編程，無需編程器和仿真器 (3)用戶可在用戶區(qū)直接編輯修改用戶程序 (4)增強(qiáng)型8051內(nèi)核，速度比平常的8051單片機(jī)快7 12倍 (5)高速ADC，共8通道10位 (6)USB線可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電，程序下載，通信功能 (7)接口擴(kuò)展齊全 (8)不需要外部晶振和復(fù)位電路 (9)低功耗 ，但價(jià)格要比普通51單片機(jī)

45、高圖3.2 STC15F2K61S2引腳圖3.1.3輔助系統(tǒng)輔助系統(tǒng)主要包括小車的供電和外圍輔助電路。 小車供電有三種方案： 方案一：采用實(shí)驗(yàn)室有線電源通過穩(wěn)壓芯片供電。 方案二：采用4節(jié)1.5V電池供電。方案三：采用網(wǎng)上購買的大容量聚合物防爆鋰電池供電（8VDC 3500mAh）。綜合三種方案：方案一可以提供穩(wěn)定的5V電壓，但本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的機(jī)器人小車是要能夠自由行進(jìn)的，而采用有線電源則限制了小車的運(yùn)動(dòng)，占用資源過大，不簡便。方案二簡便易操作，從經(jīng)濟(jì)角度講，應(yīng)當(dāng)采用可充電電池。但在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)因?yàn)樯婕皟蓧K開發(fā)板以及直流電機(jī)和各種傳感器模塊，硬件電路龐大且復(fù)雜，該種方案的電源因功率過小

46、，無法驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。方案三采用的鋰電池電壓穩(wěn)定，最大瞬間電流達(dá)5A，長時(shí)間工作電流可達(dá)3A或以下，完全可以滿足本系統(tǒng)的需要，缺點(diǎn)是成本偏高。最后采用方案三。外圍輔助電路主要是指小車硬件電路的焊接，單片機(jī)與各模塊之間的電路的連接。本設(shè)計(jì)中的電源除了給兩塊開發(fā)板供電之外，還要驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，故需要一個(gè)穩(wěn)壓電路板即外圍輔助電路，將8V的電源轉(zhuǎn)換成5V來給開發(fā)板上電。圖 外圍輔助電路本次設(shè)計(jì)通過以上各模塊結(jié)合可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控、智能避障、環(huán)境監(jiān)測等功能，基本實(shí)現(xiàn)智能化。我們還可以通過增加模塊實(shí)現(xiàn)其他的特定功能。 3.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)機(jī)器人小車的驅(qū)動(dòng)模塊主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以采用兩種方

47、式:采用H橋式電路驅(qū)動(dòng)或采用專用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)芯片。H橋式電路是一種最基本的的電路結(jié)構(gòu)，在微型直流電機(jī)控制中得到廣泛的應(yīng)用。3.2.1 電機(jī)概述電機(jī)（英文：Electric machinery，俗稱“馬達(dá)”）是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，作為用電器或各種機(jī)械的動(dòng)力源。直流電機(jī)（direct current machine）是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能（直流電動(dòng)機(jī)）或?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機(jī)）的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。它是能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換的電機(jī)。作為電機(jī)執(zhí)行元部件，直流電機(jī)內(nèi)部有一個(gè)閉合的主磁路。主磁通在主磁路中流動(dòng)，同時(shí)與兩個(gè)電路

48、交聯(lián)，其中一個(gè)電路是用以產(chǎn)生磁通的，稱為激磁電路；另一個(gè)電路是用來傳遞功率的，稱為功率回路或電樞回路?，F(xiàn)行的直流電機(jī)都是旋轉(zhuǎn)電樞式，即激磁繞組及其所包圍的鐵芯組成的磁極為定子，帶換向單元的電樞繞組和電樞鐵芯結(jié)合構(gòu)成直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子。直流電機(jī)有以下四方面的優(yōu)點(diǎn)：調(diào)速范圍廣，且易于平滑調(diào)節(jié)過載、起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大易于控制，可靠性高調(diào)速時(shí)的能量損耗小。所以，在調(diào)速要求高的場所直流電機(jī)得到了廣發(fā)的應(yīng)用。電機(jī)是移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力源泉，目前常用的控制電機(jī)有:電壓控制感應(yīng)電動(dòng)機(jī)(制動(dòng)電動(dòng)機(jī)或兩相伺服電動(dòng)機(jī))、電壓控制直流電動(dòng)機(jī)(DC伺服電動(dòng)機(jī))、頻率控制同步(SM)電動(dòng)機(jī)(步進(jìn)型伺服電動(dòng)機(jī))、頻率控制感應(yīng)(IM)

49、電動(dòng)機(jī)(感應(yīng)型伺服電動(dòng)機(jī))、頻率控制磁阻電動(dòng)機(jī)(步進(jìn)電動(dòng)機(jī))等，每種電機(jī)又衍生出不同的小類型，不同的電機(jī)控制方式、特點(diǎn)和應(yīng)用場合也不相同。目前移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用較多的是直流電機(jī)。直流電機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。長期以來，直流電動(dòng)機(jī)一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。由于它具有良好的線性調(diào)速特性，簡單的控制性能，高的效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性。盡管近年來不斷受到其它電動(dòng)機(jī)(如交流變頻電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等)的挑戰(zhàn)，但目前為止，它仍然是大多數(shù)調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)的優(yōu)先選擇。其調(diào)速方法有多種，如果采用PWM控制，只需要通過軟件改變PWM波的占空比就可實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這對提高移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)中的靈活性非常

50、有用。另外，隨著PWM輸出在機(jī)器人控制器中的廣泛應(yīng)用，采用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的應(yīng)用也越來越多21。 3.2.2 驅(qū)動(dòng)芯片L293簡介專用的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其驅(qū)動(dòng)原理與H橋式電路原理是一致的，本次設(shè)計(jì)選擇的是L293直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L293是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、小電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用16腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)36V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)2A，持續(xù)工作電流為1A。內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和繼電器線圈等感性負(fù)載。該芯片可以驅(qū)動(dòng)兩臺直流電機(jī)。在L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中控制每一路電機(jī)，有三個(gè)信號，分別是ENA，I

51、N1，IN2；ENB，IN3，IN4。L293的驅(qū)動(dòng)方式比較簡單，這里簡略說明，L293有兩個(gè)電壓輸入，一個(gè)是給電機(jī)的電壓，一個(gè)是給芯片工作與控制邏輯的參考電壓。L293相當(dāng)于有四個(gè)驅(qū)動(dòng)門，每個(gè)IN1，對應(yīng)一個(gè)OUT1，當(dāng)IN1為高電平時(shí)，OUT1輸出高電平，電壓為VSS，也就是給這個(gè)芯片的供電電壓。圖3.4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路該驅(qū)動(dòng)板每個(gè)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)門做成一路控制電機(jī)的信號，這樣可以使電機(jī)在四個(gè)象限運(yùn)行，即正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，停車，自由滑行。ENA 與ENB 的使能的控制，如果采用PWM對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，可以在ENA與ENB中分別接入PWM信號，IN1與IN2，和IN3 與IN4，分別可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)與

52、不轉(zhuǎn)。如果利用本電路板去控制步進(jìn)電機(jī)，就把步進(jìn)的線接到OUT1，OUT2，OUT3，OUT413。 芯片的控制邏輯如表3.1所示。表3.1 L293控制邏輯ENA(B)INl(IN3)IN2(IN4)電機(jī)運(yùn)行情況HHL正轉(zhuǎn)HLH反轉(zhuǎn)H同IN2(IN4)同INl(IN3)快速停止LXX停止L293D可直接的對電機(jī)進(jìn)行控制，無須隔離電路。通過單片機(jī)的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，停止的操作，非常方便，亦能滿足直流減速電機(jī)的大電流要求。調(diào)試時(shí)在依照上表，用程序輸入對應(yīng)的碼值，若能夠?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)的動(dòng)作，調(diào)試通過。另外本設(shè)計(jì)采用由STC15F2K61S2單片機(jī)自帶的定時(shí)器提供脈沖的

53、PWM脈沖調(diào)速，即軟件調(diào)速。給單片機(jī)的定時(shí)器賦初值，使其產(chǎn)生一定周期的脈沖，不斷調(diào)整占空比，就可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。而且此種方法不用外加電路，使外圍成本降低。3.3 紅外避障模塊設(shè)計(jì)3.3.1 方案比較和論證方案1：用超聲波傳感器進(jìn)行避障。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒

54、效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收。然后將這信號放大后送入單片機(jī)。超聲波傳感器在避障的設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。但是超聲波傳感器需要40KHz的方波信號來工作，因?yàn)槌暡▊鞲衅鲗ぷ黝l率要求較高，偏差在1內(nèi)，所以用模擬電路來做方波發(fā)生器比較難以實(shí)現(xiàn)。而用單片機(jī)來做方波發(fā)生器未免有些浪費(fèi)資源22。因此考慮其他的方案。方案2：用紅外光電開關(guān)進(jìn)行避障。光電開關(guān)可以被用作物位檢測、液位控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、寬度判別、速度檢測、定長剪切、孔洞識別、信號延時(shí)、自動(dòng)門傳感、色標(biāo)檢出、沖床和剪切機(jī)以及

55、安全防護(hù)等諸多領(lǐng)域。此外，利用紅外線的隱蔽性，還可在銀行、倉庫、商店、辦公室以及其它需要的場合作為防盜警戒之用。光電開關(guān)的工作原理是根據(jù)投光器發(fā)出的光束，被物體阻斷或部分反射，受光器最終據(jù)此做出判斷反應(yīng)，是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均能檢測。紅外避障模塊操作簡單，使用方便。當(dāng)有光線反射回來時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒有光線反射回來時(shí)，輸出高電平?？紤]到本系統(tǒng)只需要檢測簡單障礙物，沒有十分復(fù)雜的環(huán)境。為了使用方便，便于操作和調(diào)試，最終選擇了方案2，并且從網(wǎng)上直接購買現(xiàn)成的紅外避障模塊。 紅外避障模塊此模塊是為智能小車、機(jī)

56、器人等自動(dòng)化、智能化和數(shù)字化自動(dòng)裝置提供一種距離探測的解決方案。該傳感器模塊對環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)，其具有一對紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，綠色指示燈會亮起，同時(shí)信號輸出接口輸出數(shù)字信號（一個(gè)低電平信號）。可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距離，有效距離范圍5cm-100cm，工作電壓為3.8V-5V，最大工作電流(5V時(shí))電流14mA。該傳感器的探測距離可以通過電位器調(diào)節(jié)、具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、避障小車、流水線計(jì)數(shù)及黑白線循跡等眾多場合14。其原理圖如下圖所

57、示3.5：l圖3.5 紅外避障模塊原理圖當(dāng)模塊檢測到前方障礙物信號時(shí)，電路板上綠色指示燈點(diǎn)亮，同時(shí)OUT端口持續(xù)輸出低電平信號。該模塊檢測距離5100cm，檢測角度35，檢測距離可以通過電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，順時(shí)針調(diào)電位器，檢測距離增加；逆時(shí)針調(diào)電位器，檢測距離減少。光電開關(guān)為數(shù)字傳感器， NPN常開型光電開關(guān)；輸出狀態(tài)是0、1，即數(shù)字電路中的低電平和高電平，正常狀態(tài)輸出高電平，檢測到目標(biāo)輸出低電平。它可以直接接在單片機(jī)I/O口上使用,如果加上拉電阻，上拉電阻的阻值一般在10K左右。3.4 無線傳輸模塊設(shè)計(jì) Wi-Fi無線傳輸技術(shù)簡介Wi-Fi技術(shù) Wi-Fi(Wireless Fidelity,無線高保真)是一種無線通信協(xié)議，正式名稱是 IEEE802.11b，屬于短距離無線通信技術(shù)。Wi-Fi速率最高可達(dá)11Mb/s。雖然在數(shù)據(jù)安全性方面比藍(lán)牙技術(shù)要差一些，但在電波的覆蓋范圍方面卻略勝一籌，可達(dá)100 m左右。Wi-Fi是以太網(wǎng)的一種無線擴(kuò)展，理論上只要用戶位于一個(gè)接入點(diǎn)四周的一定區(qū)域內(nèi)，就能以