基于智能机器人平台的远程温湿度测量系统

基于智能机器人平台的远程温湿度测量系统设计与总结报告学院：孙越崎学院姓名：杨久龙葛垚张嘉睿二零一一年六月目录摘要.........................................................................................................................................................11.设计任务............................................................................................................................................................11.1命题设计要求.........................................................................................................................11.2自主创新要求.........................................................................................................................21.3系统功能................................................................................................................................32.系统硬件设计.....................................................................................................................................42.1总体设计............................................................................................................................................42.2上位机——人机交互控制面板........................................................................................................42.3下位机——智能机器人平台...................................................................................................53.系统软件设计...................................................................................................................................113.1软件总体功能.......................................................................................................................113.2软件流程图..........................................................................................................................114.系统调试...........................................................................................................................................155.总结..................................................................................................................................................167.附录..................................................................................................................................................17附录I系统原理图.................................................................................................................................17附录II程序清单........................................................................................................................181基于智能机器人平台的远程温湿度测量系统摘要：在本次的电子设计训练中，我们采用智能机器人系统，搭载温湿度检测系统，以完成远程温湿度测量的需求。可实现自主导航与自助避障的机器人系统为温湿度测量装置提供了多点测量的能力，同时，智能机器人系统对用户控制操作模式的支持，也为该检测系统的运行提供了更大的灵活度。1.设计任务：制作一个远程温湿度测量仪，该测试仪具有温湿度测量和远程显示等功能。其结构框图如下：1.1命题设计要求a.基本要求Ⅰ、通过可编程控制器或单片机、变换器和温湿度传感器采集温湿度数据并用LED上显示；Ⅱ、温度误差1℃，湿度误差1%，温度测量范围0℃～120℃，湿度测量范围1%～99%；Ⅲ、可用电池供电；b.发挥部分Ⅰ、设计红外二极管发射电路和红外接收电路，实现温湿度数据的准确可靠发送和接收；Ⅱ、设计射频发射电路和接收电路，实现温湿度数据的准确可靠发送和接收；Ⅲ、最好采用微型化的温湿度传感器，无线传输距离5米；Ⅳ、采用外构发射电路和接收电路，实现温湿度数据的准确可靠发送和接收；1.2自主创新要求Ⅰ、机器人平台可实现自主引导功能，即能够快速准确地跟随引导线运动；2Ⅱ、机器人平台可实现自主避障功能；Ⅲ、机器人平台可实现对周围空间距离的探测，要求有效探测区为车体前方的半球面；Ⅳ、提供一个友好的操作环境，使操作者可通过上位机完成机器人自主检测与人工操作双模式的切换，同时有效显示现场温湿度的采集信息。1.3系统功能本系统目前设计有以下功能：1）智能机器人车载的温湿度检测系统能有效完成温湿度的采集；2）智能机器人能完成自主导航，自主避障，同时可对现场障碍环境进行有效的检测，提高机器人对复杂环境的适应能力；3）上下位机之前可通过射频模块实现信息的有效传输。上位机在显示温湿度信息的同时，亦支持用户的自由操作，包括机器人系统人工操作与自主巡航模式的切换，以及机器人运行状态信息的实时检测。32.系统硬件设计2.1总体设计系统的硬件构成总体上包括两大部分：上位机——人机交互控制面板与下位机——智能机器人平台，两模块通过无线通信，完成下位机检测信号的传输与上位机控制命令的接收。示意框图如下：图1系统总体框图人机交互控制面板可提供键盘输入与控制信息的实时显示，同时拥有与下位机交互的通信接口；智能机器人平台由采用直流电机为驱动单元，使用经过扩展的双89S52为控制核心，携带多种传感器以完成现场参数检测与自保护功能，同时装备无线通信模块以完成与上位机的交互。2.2上位机——人机交互控制面板总图参见后附——系统原理图部分。2.2.1键盘模块键盘模块的原理图如下：图2键盘模块原理图考虑到上位机MCU需同时驱动液晶单元与无线通信单元，故键盘扫描采用专用ICCH452。采用4线串行接口的通信方式，完成5×5按键扫描。下位机智能机器人平台上位机人机交互控制面板42.2.2信息显示模块信息显示模块的原理图如下：图3信息显示模块原理图我们采用带有汉字字库的128X64液晶显示器为我们的信息显示单元。BLA引脚上串接可调电阻器以完成显示亮度的调节。2.2.3无线通信模块无线通信模块的原理图如下：图4无线通信模块原理图我们选用最大有效距离1000m，低功耗的APC-220集成无线传输模块，为我们的数据通信单元。该模块集成了专用的MCU单元，以完成信息编解码与纠错，其采用UART完成数据的输入与输出，可直接与51单片机的串行通信接口相连接，从而方便地实现上、下位机的透明通信连接。2.3下位机——智能机器人平台总图参见后附——系统原理图部分。52.3.1控制核心板模块控制核心板模块的原理图如下：图5控制核心板模块原理图考虑到下位机可能的控制复杂度，我们采用双89S52为我们的控制单元。1)为了完成两片MCU之间高速有效的通信，同时兼顾硬件调试与模块未来的应用扩展，我们选择没有复用能力的P1口为两片MCU的内部并行总线，双向I/O口P1通过拨码开关实现物理连接，开关打开时，两片MCU之间可以通过并行端口，建立数据的联系，完成协同工作，开关断开时，两片MCU恢复相对独立性，以便于组装测试时的分别调试。2)在硬件实现时，我们将两片MCU的P0~P3引脚全部引出，同时在核心板上加入了8位的LED指示单元，以便于其他模块控制信号的分立测试。2.3.2动力模块动力模块的原理图如下：图6动力模块原理图由于车体的有效载荷较大，我们选择带有减速箱的直流电机为我们的动力单元。1）我们采用两节3.6V,500mAh的镍氢充电电池串联供电的方式，为电机提供约为6.0V的驱动电压，6从而在允许的空间约束范围内为电机提供足够的动力。2)为了简化机械结构与控制方式，我们采用2WD+万向轮的机械布局，采用差速的控制的方式实现机器人的灵活转向。3)我们采用可支持高电压，大电流，内部集成双H桥的专用驱动芯片L298N完成电机的驱动。考虑到电机工作对电源供电质量的影响，我们在动力电源的进线侧并联330uF+104的电容组，以减小电池供电电压的波动，同时采用3A的快速恢复二极管FR307为H桥提供续流通路，以保证电机拥有良好的四象限运行能力。4)为了使电机具有较高的动态性能，我们才用转速闭环控制的方式，使用霍尔传感器完成转速的检测。我们在电机轮缘上均匀布置4片磁钢，从而为转速检测提供足够的分辨率。传感器接口电路参见后述“传感器模块”。2.3.3无线通信模块参见上位机设计中，关于无线通信模块的介绍。2.3.4传感器模块下位机智能机器人平台拥有的传感器可划分为以下几个部分：距离检测与避障单元、循迹单元、温度检测单元、速度检测单元。2.3.4.1距离检测与避障单元我们采用超声波测距与红外接触开关避障的组合检测方案，实现在中等距离(10~80cm)上的精确距离检测与检测盲区内的智能避障。1)超声波测距单元超声波测距单元的原理图如下：7图7超声波测距单元原理图我们使用压电式超声波换能器完成超声波的发射与接收。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。作为超声波发生换能器，当它的两极外加频率等于压电晶片的固有振荡频率的脉冲信号时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波；作为超声波接收换能器，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，在换能器两端