家庭巡視機器人環境感知系統設計
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摘要:結合物聯網和傳感器技術,以STM32F103系列單片機為控制中心,設計家用機器人環境感知系統。該系統通過各類傳感器模塊(主要包括煙霧氣敏傳感器模塊、超聲波測距傳感器模塊、溫度傳感器模塊)對家庭環境進行感知,將感知到的信息傳輸至控制中心,后者發出指令,控制家庭巡視機器人的相應動作。
1機器人系統整體設計
機器人系統整體設計:由中央處理器、環境感知系統、運動系統共同組成家庭巡視機器人。中央處理器是整個機器人的核心,它對接收的信息進行處理,然后轉換為指令信號;環境感知系統是機器人的感官部分,它對家庭內部環境信息進行數據信息采集,然后將信息傳送到中央處理器;運動系統是機器人的執行機構,它將中央處理器發出的指令轉換為動作,實現機器人所需要的功能。
2環境感知系統方案設計
環境感知系統幫助機器人對家庭環境進行實時數據信息采集,處理器接受到信息后,完成對障礙物的躲避、火災煙霧報警反饋、家庭環境溫度實時顯示等功能,將家庭內部環境情況實時呈現出來。系統以STM32F103系列單片機為主控芯片,驅動MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊、HC-SR04超聲波測距傳感器模塊和DS18B20溫度傳感器。模塊感知家庭環境,將數據和報警顯示在LED屏上[3]。
3環境感知系統硬件設計
環境感知系統設計是家用機器人實現家庭巡視功能的重要組成部分,是實現對家庭環境監控與報警的中心環節。硬件電路以STM32F103為控制中心,將感知家庭環境的各個傳感器串聯組合在一起,形成一個反饋系統[4]。主要由煙霧氣敏傳感器感應電路、超聲波測距傳感器電路、溫度傳感器檢測電路、LED顯示電路、電源電路、報警電路等組成[5]。
3.1CPU芯片電路設計
設計過程中采用的STM32F103系列單片機芯片是包括7個定時器、9個通信接口、2個12位模數轉換器、80個快速I/O端口的低功耗微型單片機[6]。工作電壓為2.0~3.6V,CPU最高頻率為72MHz。內嵌復位和電源控制模塊,內置嵌套的向量式中斷控制器,能夠處理43個可屏蔽中斷通道和16個優先級。在定時器和看門狗功能方面,每個定時器都有獨立的DMA請求機制,通過選項字節可以配置硬件或軟件啟動看門狗。相對于較為簡單的51單片機而言,STM32F103系列單片機程序為模塊化設計,接口簡單,自身附帶功能強,采用庫函數開發。單片機核心為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計的ARMCortex-M3內核,這些功能都是51系列單片機所不能比的[7]。
3.2電源電路設計
系統設計為接入式12V直流電,通過MP4560芯片配置相對應的電容、電感,將12V電壓降到5V直流電。因電壓較低,無需適配5V的電源。通過電路來替代電源電壓轉換,能節省空間和成本。通過穩壓電路得到3.3V電壓,提供給主控單元電路。在5~3.3V的過程中加入穩壓電路,保證電路正常穩定的工作[8]。
3.3煙霧氣敏傳感器模塊電路設計
用于家庭防火的MQ-2煙霧氣敏傳感器模塊通過二氧化錫(SnO2)氣敏材料電導率的變化實現對可燃氣體濃度的檢測,并將轉換信號發送給CPU,CPU控制器件發出報警信息,其工作電壓為5V,采用兩路信號輸出(DO/AO)[9]。阻值R與空氣中被測氣體濃度c的計算公式為:LogR=mLogc+n(m、n均為常數)
3.4超聲波測距傳感器模塊電路設計
家庭巡視機器人室內障礙物躲避功能通過HC-SR04超聲波測距傳感器模塊實現。HC-SR04超聲波傳感器以總線的方式與CPU之間通信,實時反饋數據信息,其工作電壓為3.3~5.0V,采用I/O觸發測距[9],探測距離為2~400cm,精度可達0.3cm。其測距公式為(聲速=340m/s):
3.5溫度傳感器模塊電路設計
溫度傳感器模塊以單總線通信,將數據傳輸到主控單元,經程序化后將數據發送到液晶顯示屏上,顯示室內溫度。此過程以DS18B20芯片完成電路設計。芯片工作電壓為3.0~5.0V,有一個單線接口,主要應用于數字信息采集和溫度傳感。電路設計如圖6所示。
4環境感知系統軟件設計
系統在研發過程中,軟件設計分為兩部分:傳感器數據采集發送部分和單片機處理接收部分。傳感器數據采集發送部分采用煙霧氣敏傳感器模塊、超聲波測距傳感器模塊、溫度傳感器模塊進行支持,利用C程序語言編寫各個模塊的信息采集程序,然后依據各個模塊的時序圖寫出控制程序[10]。當測量濃度大于設定的濃度時,煙霧氣敏傳感器模塊單片機的I/O輸出為低電平,LED燈亮起報警。在超聲波測距傳感器模塊中,一個10μs以上的脈沖觸發信號,傳感器內部就會發出8個40kHz周期電平并檢測回波。當檢測到回波信號時,會輸出回響信號?；仨懶盘柕拿}沖寬度與所測的距離成正比。通過發射信號到收到回響信號的時間間隔可以計算出實際的距離[11]。在溫度傳感器模塊中,總線控制器會拉低總線并保持一定時間,然后發出一個復位脈沖,接著釋放總線,單總線利用上拉電阻拉到高電平。當DS18B20探測到I/O引腳的上升沿后,等待一定時間后以拉低總線的方式發出存在脈沖,實現初始化。主機寫時隙向DS18B20寫入數據,其中分為寫“0”時隙和寫“1”時隙,所有的寫時隙必須至少有60μs的持續時間,相鄰兩個寫時隙必須要有最少1μs的恢復時間。所有的寫時隙(寫0和寫1)都由拉低總線產生,以實現寫相應的控制指令。當總線控制器把數據線從高電平拉到低電平時,讀時序開始,數據線必須至少保持1μs,然后總線才會被釋放。DS18B20通過拉高或拉低總線上來傳輸“1”或“0”。當傳輸邏輯“0”結束后,總線將被釋放,通過上拉電阻回到上升沿狀態。從DS18B20輸出的數據在讀時序下降沿出現后15μs內有效,完成讀取DS18B20所采集到的數據后,把采集到的數據轉化為實際的溫度,展現在LED顯示屏上。
5結論
通過對家庭巡視機器人環境感知系統的設計,深入理解了環境感知系統整體結構。對煙霧氣敏傳感器模塊、超聲波測距傳感器模塊、溫度傳感器模塊,從工作原理到硬件設計均進行了深入研究。在軟件設計中詳細介紹了編程原理,對后來研究者針對嵌入式系統編程具有較好的借鑒意義。
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作者：潘光良 李軍 單位：齊魯工業大學
