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(江蘇信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇無(wú)錫，214153)

1 引言

目前，人類(lèi)社會(huì)處于和平年代，人們的生命財(cái)產(chǎn)安全得到了極大的保障，但是有時(shí)發(fā)生的地震，礦難,火災(zāi)等災(zāi)害時(shí)，搜救人員無(wú)法直接進(jìn)入，常常用其他搜救工具代替人們進(jìn)入廢墟或者災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)，幫助外面人員了解內(nèi)部情況。隨著藍(lán)牙技術(shù)的日趨成熟，作為一種穩(wěn)定的數(shù)字無(wú)線(xiàn)電技術(shù)，藍(lán)牙在工程上得到了廣泛應(yīng)用 。

該系統(tǒng)完成了一個(gè)基于藍(lán)牙的生命探測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)，主要功能是用移動(dòng)手機(jī)端App為控制平臺(tái)，控制小車(chē)的運(yùn)動(dòng)，包括前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、加速、減速，以及探測(cè)物體的移動(dòng)；該控制系統(tǒng)四輪小車(chē)為載體，以藍(lán)牙為通訊方式，以HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊為感知單元，以Android端App為控制平臺(tái)。因?yàn)橐陨闲酒杀镜?、電路?jiǎn)單，運(yùn)行可靠，實(shí)現(xiàn)了以低成本完成高要求的智能化設(shè)備控制要求 。

2 系統(tǒng)概述

生命探測(cè)機(jī)器人以STM32F103C8T6單片機(jī) 為核心，系統(tǒng)具有紅外探測(cè)，煤氣檢測(cè)，一氧化碳檢測(cè)，煙霧檢測(cè)，濕度檢測(cè)，溫度檢測(cè)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，顯示參數(shù)功能。

1)當(dāng)發(fā)現(xiàn)附近有動(dòng)物時(shí)，紅外檢測(cè)單元檢測(cè)到后，單片機(jī)會(huì)輸出會(huì)紅燈閃爍，表示周?chē)猩E象，傳給手機(jī)APP并進(jìn)行顯示。

2)濕度傳感器檢測(cè)事故現(xiàn)場(chǎng)的濕度情況，傳給手機(jī)APP并進(jìn)行顯示。

3)如果溫度過(guò)高時(shí)，把溫度信息傳給手機(jī)APP并進(jìn)行顯示，藍(lán)燈閃爍。

4)當(dāng)室內(nèi)可燃性氣體煤氣等超過(guò)一定的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，紅燈長(zhǎng)亮同時(shí)報(bào)警器也會(huì)響起來(lái)提醒危險(xiǎn)的存在，防止煤氣中毒或火災(zāi)事故的發(fā)生，，傳給手機(jī)APP并進(jìn)行顯示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

機(jī)器人的硬件電路由電源電路、控制器電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、傳感器接口電路，以及通信模塊電路組成。

電源部分使用7.2V可充電電池提供電能，然后對(duì)輸入的7.2V電壓進(jìn)行穩(wěn)壓并轉(zhuǎn)換為5V給藍(lán)牙模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外人體檢測(cè)模塊供電，然后再將5V進(jìn)行穩(wěn)壓并轉(zhuǎn)化為3.3V給單片機(jī)供電。電源部分是整個(gè)硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵，它的穩(wěn)定性直接決定機(jī)器人的可靠性。系統(tǒng)需要用到7.2V、5V、3.3V，所以需要對(duì)電池電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓，常用的穩(wěn)壓芯片有LM系列、1117系列。這里使用LM7805穩(wěn)定5V電壓、AMS1117-3.3穩(wěn)定3.3V電壓。

控制器電路主要包括：芯片電源電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等，如圖1所示。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用L298N直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，它可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)或者一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，每路最大輸出2A電流。采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源和邏輯控制電源分開(kāi)的供電方法，使用7.2V給電機(jī)供電，使用5V作為邏輯電源輸入。系統(tǒng)選擇車(chē)輪式機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖2所示。車(chē)輪式機(jī)器人有四個(gè)車(chē)輪，每個(gè)車(chē)輪由一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流電機(jī)具有轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速易調(diào)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)，使得車(chē)輪式機(jī)器人具有強(qiáng)機(jī)動(dòng)性和高負(fù)載能力。

圖1 STM32整體電路

圖2 四輪車(chē)模

傳感器HC-SR501模塊，如圖3所示，使用5V供電，當(dāng)模塊檢測(cè)到有人時(shí)，輸出端會(huì)輸出一個(gè)高電平，通過(guò)單片機(jī)的IO引腳來(lái)讀取輸出端電壓即可感知周?chē)h(huán)境是否有人。氣敏元件MQ-2檢測(cè)煤氣等可燃性氣體煙霧。

HC-SR501使用的是雙元探頭，探頭的窗口為長(zhǎng)方形，雙元(A 元B 元)位于較長(zhǎng)方向的兩端，當(dāng)人從左到右或從右到左走過(guò)時(shí),紅外光譜到達(dá)雙元的時(shí)間、距離有差值，差值越大，感應(yīng)越大。HC-SR501模塊。它具有三個(gè)接線(xiàn)端，一個(gè)VCC，一個(gè)GND，一個(gè)信號(hào)輸出端。當(dāng)有人體靠近時(shí)，信號(hào)輸出端輸出高電平，并保持大概3s鐘，如果沒(méi)有人靠近時(shí)，信號(hào)輸出端則輸出低電平。單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)信號(hào)輸出端的電平就可以知道小車(chē)周?chē)欠裼腥耍驗(yàn)槿绻腥?，它肯定?huì)有輕微的運(yùn)動(dòng)，此時(shí)傳感器就可以檢測(cè)出這種微小的運(yùn)動(dòng)。

圖3 HC-SR501人體紅外檢測(cè)模塊

藍(lán)牙模塊藍(lán)牙通信具有成本低、功耗低、傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn) ,使用3.3-6V電源供電，為了保證模塊的穩(wěn)定性，系統(tǒng)使用5V電源為藍(lán)牙模塊供電。系統(tǒng)使用的藍(lán)牙模塊為HC-05，它具有4個(gè)端口，一個(gè)VCC，一個(gè)GND，一個(gè)RX，用于接收串口數(shù)據(jù)、一個(gè)TX，用于發(fā)送串口數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 程序概況

程序部分是搜救機(jī)器人系統(tǒng)的靈魂，硬件部分只是作為程序的載體。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的機(jī)器人軟件部分主要包括：電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、藍(lán)牙通信程序、傳感器檢測(cè)程序以及APP上位機(jī)程序 。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序主要是控制PWM波的輸出，直流電機(jī)通過(guò)L298N模塊驅(qū)動(dòng)，通過(guò)給該模塊信號(hào)硬件不同占空比的脈沖就可以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速。系統(tǒng)只需要使用4路PWM波。

藍(lán)牙通信程序 主要是編寫(xiě)串口通信程序，由于模塊以及將底層的藍(lán)牙協(xié)議封裝好了，用戶(hù)只需把它當(dāng)作一個(gè)無(wú)線(xiàn)串口來(lái)使用就可以。STM32具有豐富的串口資源，有3個(gè)USART。系統(tǒng)使用USART1。

傳感器檢測(cè)程序檢測(cè)HC-SR501傳感器輸出腳的高電平信號(hào)，只需將單片機(jī)的一個(gè)IO口配置為下拉輸入，然后循環(huán)讀取該IO口的狀態(tài)即可檢測(cè)是否有人。

當(dāng)傳感器輸出高電平時(shí)，說(shuō)明周?chē)h(huán)境有人，此時(shí)需要點(diǎn)亮板載LED指示燈，并向上位機(jī)發(fā)送有人指令，若輸出為低電平，則向上位機(jī)發(fā)送無(wú)人指令，然后返回到第二步，依次類(lèi)推，不斷循環(huán)。生命探測(cè)流程圖如圖4所示。

傳感器輸出的是數(shù)字信號(hào)，即只有高低電平之分，為了使讀取的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定，減小誤判，需要將單片機(jī)硬件配置為下拉輸入。即當(dāng)外部沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，讀取單片機(jī)硬件為低電平，當(dāng)外部輸入高電平時(shí)，此時(shí)讀取單片機(jī)硬件為高電平。

圖4 生命探測(cè)流程圖

4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序

電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序完成的是PWM波的產(chǎn)生，以及PWM波占空比的調(diào)節(jié)。STM32具有多個(gè)TIM定時(shí)器，除了最高定時(shí)器之外，其它都可以輸出PWM波，系統(tǒng)選用TIM3，TIM3定時(shí)器一共產(chǎn)生4路PWM，正好滿(mǎn)足要求。

4.3 藍(lán)牙通信程序

藍(lán)牙通信程序主要是編寫(xiě)串口通信程序。STM32具有豐富的串口資源，系統(tǒng)使用的STM32F103C8T6具有三個(gè)串口，但系統(tǒng)只用到了一個(gè)串口。

4.4 傳感器檢測(cè)程序

傳感器檢測(cè)程序:首先，生命探測(cè)傳感器信號(hào)通過(guò)單片機(jī)IO引腳電平讀取程序來(lái)判斷，高電平表示有生命跡象，低電平表示沒(méi)有生命跡象。其次溫度檢測(cè)傳感器檢測(cè)出溫度傳給手機(jī)App直接顯示，當(dāng)超過(guò)設(shè)定值，藍(lán)燈閃爍報(bào)警。濕度傳感器檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的濕度情況，傳給手機(jī)App并進(jìn)行顯示。氣敏傳感器檢測(cè)出可燃性氣體，傳給手機(jī)App，如果超限，紅燈長(zhǎng)亮并且報(bào)警器響起來(lái)報(bào)警 。

4.5 App上位機(jī)程序

在生命探測(cè)的過(guò)程中，外部人員需要控制機(jī)器人的前進(jìn)、回退、轉(zhuǎn)彎、速度等，以及監(jiān)測(cè)廢墟里的各種情況，這就需要一個(gè)控制平臺(tái)。該控制平臺(tái)有兩個(gè)作用：一個(gè)是操作人員用于控制機(jī)器人，二是機(jī)器人將傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)的方式傳給外面的人員，讓搜救人員了解廢墟內(nèi)部的情況，以及時(shí)的制定搜救計(jì)劃，縮短搜救時(shí)間。移動(dòng)手機(jī)端上位機(jī)，即基于手機(jī)平臺(tái)開(kāi)發(fā)一款上位機(jī)軟件，每個(gè)人都會(huì)隨身攜帶一部手機(jī)，這樣就不用額外再攜帶一個(gè)控制設(shè)備了?？梢詼p小制作成本，方便使用。

5 結(jié)束語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)已經(jīng)完成對(duì)生命探測(cè)機(jī)器人的控制功能實(shí)現(xiàn)，完全可以作為一套簡(jiǎn)易系統(tǒng)投入使用，可以進(jìn)行生命探測(cè)，溫度檢測(cè)、濕度檢測(cè)，煤氣等可燃性氣體煙霧檢測(cè)，各種功能于一體，成為人類(lèi)的好助手，為生命護(hù)航。