【正文】 考文獻(xiàn) ................................................................... 57 致謝 ....................................................................... 58 1 1 緒論 智能移動(dòng)探測裝置的意義及作用 自從第一個(gè)機(jī)器人的誕生，便標(biāo)志著人類在智能方面的探索將是一個(gè)新的開始，是人類探索智能方面的偉大突破， 也是人類新 思想的呈現(xiàn)之作。 這個(gè)目標(biāo)也是人類的一個(gè)長期的目標(biāo)。 現(xiàn)如今，較為先進(jìn)的 機(jī)器人 會(huì)攜帶各種類型的 傳感器 ，其中視覺傳感器更為突出，它的攜帶 讓 機(jī)器人 如同有了人類的眼睛 。 而這些信息的傳遞將會(huì)為人類探索機(jī)器人所在環(huán)境提供 方便。 機(jī)器人要代替人類就必須完成最基本的兩個(gè)功能自動(dòng)行走和避障的功能，這兩個(gè)功能的實(shí)現(xiàn) 將會(huì)是機(jī)器人完成其他功能的前提。 智能移動(dòng)探測裝置的前景 隨著現(xiàn)代科技和 工業(yè) 以及 各行業(yè)發(fā)展的需求，智能探測裝置的發(fā)展迫在眉睫，尤其在石油，煤炭開采，海洋探索，太空探索等高壓危險(xiǎn)環(huán)境這種智能探測裝置更是尤為重要的。 智能探測移動(dòng)裝置 可以運(yùn)用于事故現(xiàn)場，有毒有害現(xiàn)場等，人短時(shí)間 無法進(jìn)入或無法判斷現(xiàn)場是否存在對(duì)人體有害的物質(zhì) 。然后將現(xiàn)場環(huán)境檢測的數(shù)據(jù)和 現(xiàn)場的圖像資料傳回到 安全位置的指揮員手中，方便指揮員評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)以及實(shí)施救援。特別在一些惡劣的環(huán)境中，如在南北極 極 地環(huán)境 。 科學(xué)家 都不適宜長期 冒著高風(fēng)險(xiǎn) 工作 ，就可以使用類似的 智能移動(dòng)探測裝置 ，帶著相關(guān)探測的傳感器 工作，將有價(jià)值的信息通過無線通信傳回便可。本智能移動(dòng)探測裝置采用四輪小車為主體，為了控制方便，左方前后兩輪用同一 PWM 波控制，右方前后 2 兩輪用另 一 路 PWM 波控制。 三個(gè)超聲 波測距模塊分別配合紅外 模塊更好的實(shí)現(xiàn)避障功能 。一氧化碳檢測，溫度檢測分別通過一氧化碳模塊， DS18B20 模塊完成。圖像的傳輸部分使用 了 藍(lán)牙技術(shù) ，將 所測得 圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上。智能移動(dòng)探測裝置的動(dòng)力 系統(tǒng)，是由直流電機(jī)充當(dāng)，主要控制小車的行駛速度。本設(shè)計(jì) 選擇直接擁 有 PWM 功能的 STC12C5A60S2 單片機(jī)， 不但 不需占用單片機(jī)資源，而且可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速。 其中單片機(jī) A（車載系統(tǒng)）負(fù)責(zé)檢測車身周圍的環(huán)境。將AD 用于采集 MQ7 一氧化碳檢測模塊輸出的電壓。然后，驅(qū)動(dòng)超聲波檢測小車到周圍障礙物的距離，將數(shù)據(jù)處理后，通過驅(qū)動(dòng)L298 芯片和調(diào)制 PWM 控制小車的動(dòng)作和車速。基于系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)，我們將紅外避障模塊和接近開關(guān)添加到單片機(jī)的外部擴(kuò)展中斷中。 單片機(jī) B（手柄顯示系統(tǒng)）主要負(fù)責(zé)處理無線模塊 NRF24L01 接收到數(shù)據(jù)。并對(duì)溫度值和 CO 濃度值與設(shè)定值進(jìn)行比較，如果超過預(yù)定值，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行聲音報(bào)警。其中包括 AD 功能寄存器配置，溫度采集元件 DS18B20 復(fù)位， PWM 寄存器配置，無線通信模塊初始化，最后打開外部中斷 0 和外部中斷 1 及總中斷。將前方超聲波模塊測得值，與設(shè)定值進(jìn)行 5 比較，看屬于哪個(gè)區(qū)間范圍，從而控制小車的速度，以及下一步是否前進(jìn)。最后將測得的所有數(shù)據(jù)裝在無線傳輸模塊數(shù)組中，進(jìn)行發(fā)送。當(dāng)外部中斷觸發(fā)后，單片機(jī)會(huì)檢測與之引腳相連的的電平。如果是紅外避障模塊觸發(fā)的中斷，判斷其三個(gè)的組合。 手柄顯示系統(tǒng)主流程圖及中斷流程圖 開 始系 統(tǒng) 初 始 化打 開 中 斷判 斷 標(biāo) 志 是 否 接 收 到 數(shù) 據(jù)整 理 接 收 數(shù) 據(jù)顯 示 溫 度顯 示 小 車 到 障 礙 物 的 距 離顯 示 C O 濃 度判 斷 溫 度 及 C O 濃 度 是 否 超 過 預(yù) 定 值聲 音 報(bào) 警YNYN中 斷 響 應(yīng)關(guān) 閉 中 斷讀 取 無 線 模 塊 寄 存 器 數(shù) 據(jù)判 斷 是 否 接 收 到 無 線 數(shù) 據(jù)讀 取 接 收 到 的 數(shù) 據(jù)將 成 功 接 收 標(biāo) 志 位 置 1打 開 中 斷返 回 主 程 序YN圖 24 手柄顯示系統(tǒng)主流程圖 圖 25 手柄顯示系統(tǒng) 中斷流程 圖 圖 24 手柄系統(tǒng)顯示系統(tǒng)主流程圖： 單片機(jī)上電后，先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，其中包括LCD12864 初始化設(shè)置，和無線通訊模塊的初始化。將接收到的數(shù)據(jù)處理，接收到的數(shù)組是一個(gè) 8 位的字符型，而我們要顯示的數(shù)據(jù)都是 16 位的無符號(hào)的短整型。最終將原始數(shù)據(jù)通過驅(qū)動(dòng) LCD12864 7 顯示出來。 圖 25 手柄顯示系統(tǒng)的中斷流程圖： 當(dāng)無線模塊接收到數(shù)據(jù)后，無線模塊 IRQ 引腳拉低，觸發(fā)單片機(jī)外部中斷 0。 開發(fā)環(huán)境簡介 在本設(shè)計(jì)中，由于采用 是 C 語言編程，所以本設(shè)計(jì) 軟件開發(fā)環(huán)境 選擇了 美國 Keil SOFTWARE 公司出品的兼容 51系列 單片機(jī) 的 Keil4。 目前 最新版的 KEIL 系統(tǒng)提供了包括于 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的一整套完善的開發(fā)方案，并可以通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（ UVISION）將這些部分嚴(yán)密的組合在一起共同工作。 實(shí)際使用 KEIL 51 時(shí)，該 集成環(huán)境既可用于 C 語言開發(fā)也可用于匯編語言開發(fā)。用戶可以在 這里用文件編輯器編寫自己的程序，用多種方法來調(diào)試和修改程序。 Keil 操作頁面如下圖 26 開發(fā)環(huán)境頁面所示： 圖 2 6 開發(fā)環(huán)境頁面 菜單欄 編輯窗口 工程管理窗口 輸出信息窗口 8 軟件設(shè)計(jì)子程序模塊及流程圖 小車驅(qū)動(dòng)模塊 小車 動(dòng)力裝置 直流 電機(jī) 的 驅(qū)動(dòng) ， 使用 了 ST 公司生產(chǎn)的 L298 芯片 。此 驅(qū)動(dòng) 芯片 主要 有以下幾個(gè)特點(diǎn) ： a 該芯片使 用標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào) 作為 控制 信號(hào) ； b 該芯片 擁 有兩個(gè)使能端，使其 可以在 不受輸入信號(hào)變化 的情況下 就 允許或禁止器件工作； c 該芯片有 一個(gè)邏輯電源輸入端，容許其 內(nèi)部 部分邏輯電路 可以 在低電壓 環(huán)境 下工作。 表 21 L298 引腳功能表 引腳 符號(hào) 功能 1 15 SENSING A SENSING B 此兩端與地連接電流檢測電阻，并向驅(qū)動(dòng)芯片反饋檢測到的信號(hào) 2 3 OUT1 OUT2 此兩腳是連接負(fù)載的全橋式驅(qū)動(dòng)器 A的兩個(gè)輸出端 4 Vs 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源輸入端 5 7 IN 1 IN 2 全橋式驅(qū)動(dòng)器 A開關(guān)的輸入控制端，采用標(biāo)準(zhǔn)的 TTL邏輯電平信號(hào)。 8 GND 接地端，芯片本身的散熱片與 8腳相通 9 Vss 邏輯控制部分的電源輸人端口 10 12 IN 3 IN 4 全橋式驅(qū)動(dòng)器 B開關(guān)的輸入控制端，采用 標(biāo)準(zhǔn)的 TTL邏輯電平信號(hào)。通過控制 P2 口的輸出值與編碼值相匹配，控制四個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而控制小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 PWM 控制小車車速的基本原理如下：通過調(diào)節(jié) PWM 波的占空 比 來調(diào)節(jié)直流電兩端的平均電壓，兩端的平均 電壓越高 則 車速越快。 根 據(jù) 編 碼 建 立 小 車運(yùn) 動(dòng) 狀 態(tài) 子 程 序開 始端 口 定 義配 置 PW M特 殊 寄 存器設(shè) 置 占 空 比調(diào) 運(yùn) 小 車 運(yùn) 動(dòng) 子 程序結(jié) 束 圖 27 小車動(dòng)作及調(diào)速 圖 27 小車動(dòng)作及調(diào)速流程圖： 首先開始對(duì)與單片機(jī)相連的 P2 口進(jìn)行 I/O 口定義，方便后面的操作。然后，對(duì)小車可能用到的動(dòng)作做進(jìn)行預(yù)先的判斷，并 按表 22 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)編碼 將這些 會(huì)出現(xiàn)的 動(dòng)作 編成相對(duì)應(yīng)的 子函數(shù)，方便 之后 調(diào)用。通過更改 PWM 特殊寄存器的初值調(diào)整單片機(jī)的輸出 PWM 的占空比，從而達(dá)到改變車速， 再 調(diào)用相應(yīng)的動(dòng)作 子函數(shù)，使小車實(shí)現(xiàn)躲避障礙物的功能。該模塊主要由超聲波發(fā)射器，超聲波接收器和控制電路組成。 b. 此 模塊 內(nèi)部會(huì) 自動(dòng)生成 8 個(gè) 40KHz 的方波，作為響應(yīng)。 c. 當(dāng) 有 回響 信號(hào)返回 時(shí) ，通過 單片機(jī) I/O 口 檢測 ECHO 引腳輸出 高電平 所持續(xù)的時(shí)間T， T 也就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。 實(shí)物圖如圖 28所示： 圖 28 超聲波實(shí)物引腳圖 如 圖 28 超聲波實(shí)物引腳圖 所示 ， VCC 接 5V 電源， GND 為地線， TRIG 為 觸發(fā)控制信號(hào) 的 輸入 端 ， ECHO 是 回響信號(hào) 的 輸出 接口 。當(dāng)單片機(jī) 檢測到有回波信號(hào) 后開始計(jì)時(shí)，回響信號(hào)的所持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。 11 將單片機(jī) , ECHO， TRIG引腳。此時(shí)開始 檢測與超聲波模塊 ECHO 引腳相連 I/O 是否為高電平，根據(jù)圖 29 時(shí)序圖可知，回響信號(hào)的脈沖寬度與所測的距離成正比。當(dāng)檢測到 ECHO 為低電平是我們關(guān)閉定時(shí)器 TRO=0。由公式： S=（ 340*t） /2 可以計(jì)算出距離。此時(shí)我們完成了一個(gè)方向的距離的測試，重復(fù)以上的流程，獲取小車前方，左方和右方的距離。該模塊主要有以下特點(diǎn)： a 該模塊內(nèi)部 氣敏材料， 在潔凈 空氣中電導(dǎo)率 較 低 ； b 可以使用 高低溫循環(huán)檢測 的方法 。 主要用于清除吸附在傳感器上的雜亂氣體。 主要用于檢測一氧化碳 的濃度 。我們只需檢測輸出電壓的變化即可 測得 一氧氣體 的 濃度。通過數(shù)學(xué)計(jì)算將采集到的電壓轉(zhuǎn)化為 CO 的濃度。我們只需要配置 P1 模擬模擬功能控制寄存 器 P1ASF， ADC 控制寄存器ADC_CONTR， AD 轉(zhuǎn)化結(jié)果寄存器即可。我們選擇其默認(rèn)格式 ADRJ=0， 10 位 AD 轉(zhuǎn)化結(jié)果的高 8 位存放在 ADC_RES 中，低兩位存放在 ADC_RESL 中的低兩位中。上電 復(fù)位后 P1 口默認(rèn)為 弱上拉型 I/0 口，需要通過軟件賦值操作來設(shè)置 為 A/D 轉(zhuǎn)換 通道 ，不需要作為 A/D 功能 使用的 13 P1 口 將 繼續(xù)作為 普通 I/O 口 。 P1ASF 寄存器的格式在表 24 P1ASF 寄存器 和表 25 說明所示 。 表 25 P1ASF 寄存器位說明 P1ASF[7:0] 的功能 其中 PIASF 寄存器地址為： [9DH]不能夠進(jìn)行位尋址 =1 口 用作 A/D 功能 使用 =1 口 用作 A/D 功能 使用 =1 口 用作 A/D 功能使用 =1 口 用作 A/D 功能使用 =1 口 用作 A/D 功能使用 =1 口 用作 A/D 功能使用 =1 口 用作 A/D 功能使用 =1 口 用作 A/D 功能使用 根據(jù)表 24 P1ASF 寄存器和表 25 P1ASF 寄存器說明，本設(shè)計(jì) 需要 口為 AD 采集通道即可，除 , 作為 PWM 輸出外其他還是用做普通 I/O 口，由表 24 可知，模擬功能控制寄存器 P1ASF 應(yīng)該為 0x02。 0：關(guān)閉 A/D 轉(zhuǎn)換器電源； 1：打開 A/D 轉(zhuǎn)換器電源； 在寫 A/D 轉(zhuǎn)化程序的初始化過程中就要開啟電源 ADC_POWER=1 準(zhǔn)備隨時(shí)采集 CO 模塊 AO 輸出的電壓值。 ADC_START:模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換啟動(dòng)控制位，設(shè)置“ 1”時(shí)，開始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后為 0。 表 28 CHS0, CHS1， CHS2 位組合功能說明 CHS2 CHS1 CHS0 模擬輸入通道選擇 0 0 0 選擇 用作 A/D輸入來用 0 0 1 選擇 用作 A/D輸入來用 0 1 0 選擇 用 作 A/D輸入來用 0 1 1 選擇 用 作 A/D輸入來用 1 0 0 選擇 用 作 A/D輸入來用 1 0 1 選擇 用 作 A/D輸入來用 1 1 0 選擇 用 作 A/D輸入來用 1 1 1 選擇 用 作 A/D輸入來用 根據(jù)表 28 組合功能說明，當(dāng)選 作 為 A/D 輸入時(shí)，配置為： CHS2=0,CHS1=0,CHS0=1。然后通過 給 ADC_START 特殊功能寄存器 賦值 1，開始轉(zhuǎn)換。 開 始配 置 寄 存 器 P 1 A S F選 擇 P 1 口 模 擬 通 道打 開 電 源A D C _ P O W E R = 1選 擇 A / D 轉(zhuǎn) 換 時(shí) 間S P E E D 1 = 0 ； S P E E D 1 = 0選 擇 A / D 輸 入 通 道配 置 A D C _ S T A R T = 1開 始 轉(zhuǎn) 換檢 測 A D C _ F L A G 位 = 1A D C _ F L A G = 0 軟 件 清 0處 理 測 得 數(shù) 據(jù)返 回 測 得 A / D 值NY 圖 211 AD 采集流程圖 15 顯示模塊 本設(shè)計(jì)人機(jī)交互設(shè)備選用內(nèi)部帶有中華字庫的 LCD12864 模塊。由于其內(nèi)部是由 128x64 個(gè)點(diǎn)陣組成，每行有寫 8 個(gè) 16x16 的點(diǎn)陣，其每個(gè) 16x16 的點(diǎn)陣可以顯示一個(gè)漢字 ， 所以說 LCD12864 同時(shí) 可以顯示 32 個(gè)漢字。也可以同時(shí)顯示 ASCII 和漢字，所以說 LCD1286