趙瑋 代軍 郭雷

摘要：本文設計了一種管道機器人的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機為主控制器，采用NRF24L01芯片通信，然后通過74HC245D芯片增加單片機的驅(qū)動能力，驅(qū)動直流電機來控制管道機器人的行動。該系統(tǒng)成本低，性能穩(wěn)定，適用于小型的管道機器人控制系統(tǒng)。

關鍵詞：管道機器人；控制系統(tǒng)；74HC245D；直流電機

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）05-0001-03

在城市建設和發(fā)展的過程中，管道是一種重要的基礎設施，為人們的生活提供便利。但是由于管道本身特殊的條件，當管道的內(nèi)部出現(xiàn)例如灰塵堆積、管道內(nèi)壁損壞、管道內(nèi)存在異物等情況時，維修人員無法進行管道內(nèi)的人工作業(yè)，這時候管道的日常保養(yǎng)和維修就成為了相關部門的一大難題[1]。而管道機器人的出現(xiàn)能夠在很大程度上解決此類問題，因為管道機器人可以攜帶各種清理、維修設備進入管道內(nèi)進行作業(yè)，對管道內(nèi)部的情況進行檢測、清理以及維修[2]。

本文設計了一種履帶式管道機器人的控制系統(tǒng)，它由直流電機進行控制。工作人員可以通過控制機器人控制器來控制繼電器的通斷進而控制直流電機的啟停，達到控制管道機器人的目的。

1 系統(tǒng)總體框架

履帶式管道機器人在管道中行走時，需要用電機控制其行走機構(gòu)，因此就需要有電機的驅(qū)動部分來驅(qū)動電機。但是由于單片機的I/O驅(qū)動能力有限，因此需要在單片機和電機之間增加驅(qū)動模塊。整個系統(tǒng)工作時，由機器人控制器發(fā)出控制命令傳送到無線通信模塊，然后由單片機產(chǎn)生驅(qū)動信號，經(jīng)過驅(qū)動電路將電流提升到能夠驅(qū)動電機的電流，然后驅(qū)動電機工作來帶動履帶式管道機器人在管道中行走。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)

本文設計的控制系統(tǒng)硬件部分分為電源模塊、單片機模塊、電機驅(qū)動模塊與無線通信模塊。硬件電路采用Altium Designer繪圖軟件進行原理圖與PCB板的繪制。

2.1 電源模塊

由于本系統(tǒng)采用的芯片為5V和3.3V供電，因此系統(tǒng)采用24V電池組為供電電源，在系統(tǒng)中選用F2405S-2WR2（24V轉(zhuǎn)5V）芯片與AMS1117（+5V轉(zhuǎn)+3.3V）芯片[3]來進行電壓轉(zhuǎn)換。電源模塊原理圖如圖2所示。

2.2 單片機模塊

由于管道機器人在管道內(nèi)部行走時，需要與外界進行穩(wěn)定的通訊，因此本系統(tǒng)采用了STM32F103C8T6單片機。STM32主控芯片是意法半導體公司推出的一款以ARM Cortex-M3為內(nèi)核處理器的高速、低功耗的芯片，它在整個系統(tǒng)中起到了接受外部信號，發(fā)送控制指令的功能。當單片機模塊接收到無線通信模塊傳遞來的信息，它會根據(jù)信息的種類來輸出相應的驅(qū)動信號。假設機器人控制器上的搖桿向前扳動，則無線通信模塊會發(fā)送給單片機一個相應的指示信號，單片機就會輸出驅(qū)動信號來控制向前移動的電機來啟動，使得管道機器人在管道內(nèi)部向前移動。

2.3 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊是整個控制系統(tǒng)的重要組成部分，它由兩部分組成：一個三態(tài)八路輸出的收發(fā)器74HC245D和12個繼電器。電機驅(qū)動模塊的電路圖如圖3所示。

（1）74HC245D。74HC245D是兼容TTL器件引腳的高速CMOS總線收發(fā)器[4]，是典型的CMOS型三態(tài)緩沖門電路，八路信號收發(fā)器，在單片機的I/O口驅(qū)動能力有限的情況下，增加該器件可以使得驅(qū)動電路的驅(qū)動能力增強。其中DIP為方向引腳，當DIP為1時，信號由A端輸入，B端輸出；當DIP為0時，信號由B端輸入，A端輸出。第2～9引腳和11～18引腳均為信號的輸入輸出端，輸入輸出類型由DIP引腳控制。第19引腳為信號使能端，當OE引腳為1時，A/B端信號截止，無法導通；當OE引腳為0時，A/B端信號可以導通，該引腳起到了開關的作用。74HC245D的真值表如表1所示。

（2）繼電器。整個系統(tǒng)是通過控制繼電器的閉合和斷開來控制直流電機的轉(zhuǎn)動與停止，達到控制小車行進與停止的目的。本套控制系統(tǒng)采用HRS1H-S-DC5V型號的電磁繼電器，只要在繼電器線圈的兩端加上一定的電壓，線圈中就會通過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當線圈斷電的時候，電磁力消失，使得動觸點與原來的靜觸點（常閉觸電）吸合。這樣由開到閉，可以使得電路的狀態(tài)由導通到斷開，從而控制電機的轉(zhuǎn)動與停止。HRS1H-S-DC5V電磁繼電器的內(nèi)部原理圖如圖4所示。

其中2腳和5腳是線圈的兩端，其中一個接74HC245D的輸入端，也就是控制端，另一個接高電平。通過控制端的高低電平改變來控制繼電器，從而達到控制電機的目的。

2.4 無線通信模塊

為了使管道機器人在管道內(nèi)能夠接收到機器人控制器發(fā)來的控制信號，必須要在控制電路中增加無線通信模塊。無線通信模塊選擇NRF24L01芯片為主芯片[5]，它是一款能夠工作在2.4-2.5GHz的單片收發(fā)芯片，支持六路通道的數(shù)據(jù)接收，能夠在1.9-3.6V的低電壓下工作，并且當芯片工作在應答模式通訊時，它的空中傳輸及啟動時間很快，大大降低了電流的消耗。

當發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先要將NRF24L01芯片配置為發(fā)送模式，然后將CE管腳置高并且保持至少10us，然后延遲130us發(fā)送數(shù)據(jù)。如果開啟自動應答模式，則收到應答后，就認為此次通信成功；若未收到應答，則重新發(fā)送數(shù)據(jù)。最后發(fā)送成功時，若CE為低電平，則芯片自動進入空閑模式；若CE為高電平，代表發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)未發(fā)送成功，進行下一次發(fā)送。

當接收數(shù)據(jù)時，首先要將NRF24L01芯片配置為接收模式，接著延遲130us等待數(shù)據(jù)的到來。當接收到有效的地址和校驗后，將數(shù)據(jù)暫時存在RXFIFO中，并且產(chǎn)生中斷，等到單片機去取數(shù)據(jù)。若自動應答開啟，則芯片進入發(fā)送狀態(tài)，并且回傳應答信號，代表接收成功。

3 軟件設計

該系統(tǒng)采用STM322F103C8T6單片機為主控制器，實驗程序在keil uvision5編程環(huán)境下由C語言編寫[6]。

系統(tǒng)上電后，單片機首先要對各I/O口進行初始化，然后等待無線通信模塊的指令。當接收到機器人控制器發(fā)出控制信號后，單片機產(chǎn)生中斷，來控制驅(qū)動模塊產(chǎn)生相應的驅(qū)動信號來驅(qū)動直流電機控制行走機構(gòu)。軟件流程圖如圖5所示。

4 結(jié)語

本文從實際出發(fā)，分析了目前管道內(nèi)保養(yǎng)和維護出現(xiàn)的問題，提出了管道機器人控制系統(tǒng)的總體框架，用單片機技術對管道機器人控制系統(tǒng)進行了設計。該系統(tǒng)主要包括單片機模塊、電機驅(qū)動模塊與無線通信模塊。通過該系統(tǒng)，工作人員可以在管道外對管道內(nèi)的機器人進行自由控制，實現(xiàn)管道機器人對管道的日常清理和維護。該系統(tǒng)體積小、成本低、控制簡單靈活、操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)機器人行走裝置的自動控制，較好的適應了管道內(nèi)的作業(yè)要求，具有很高的推廣應用價值。

參考文獻

[1]邵琦，謝哲東.管道機器人的發(fā)展與展望[J].農(nóng)業(yè)與技術，2016，36（05）：173-175.

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[3] 鄭曉慶，楊日杰，楊立永，等.多路輸出DC-DC電路設計[J]. 國外電子測量技術，2012， 31（9）：31-33.

[4]王力，薛紅喜.多路開關狀態(tài)檢測[J].電子設計工程，2011，19（14）：111-113.

[5]李探元.基于STM32和nRF24L01的Web監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].國外電子測量技術，2018，37（01）：93-96.

[6]張非凡，周志賓.基于單片機控制的電子秤設計[J].數(shù)字技術與應用，2018，36（01）：15-16.