李辰迪　王艷新　馬立婧　藺鶴　余虹

摘 要：就人力安防而言，機(jī)器人安防更具實(shí)時(shí)性和可靠性。本文提出了一種智能安防機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，機(jī)器人以51單片機(jī)為核心，使用輪子進(jìn)行移動(dòng)，利用各類傳感器對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)傳輸。除了固有的險(xiǎn)情報(bào)警、環(huán)境檢測(cè)、自動(dòng)巡邏等功能外還預(yù)留接口供日后功能的拓展。該方案成本低，易維護(hù)，應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：安防機(jī)器人；51單片機(jī)；傳感器

引言

智能安防機(jī)器人是現(xiàn)今智能安防技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向，相較于傳統(tǒng)的人力安防，智能安防機(jī)器人更具有實(shí)時(shí)性和可靠性，在各種危險(xiǎn)場(chǎng)所（如化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)等）尤為突出。智能安防機(jī)器人基本組成是一套傳感器系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，針對(duì)定點(diǎn)放置報(bào)警器使用范圍小和不靈活的缺點(diǎn)，安防機(jī)器人能夠自由移動(dòng)，任意設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。這使其具有了很廣闊的研發(fā)和應(yīng)用前景。

目前市面上已有的安防機(jī)器人大都進(jìn)口于國(guó)外，價(jià)格十分昂貴，維護(hù)也比較困難。故設(shè)計(jì)一個(gè)成本低，維護(hù)簡(jiǎn)易的安防機(jī)器人很有意義。本文所提供的方案采用了51單片機(jī)為核心，模塊化的傳感器和驅(qū)動(dòng)裝置。這使得軟硬件制作和維護(hù)成本控制在了很低的范圍內(nèi)，性能價(jià)格比十分突出。

1 硬件方案

1.1 控制器

機(jī)器人的控制器使用型號(hào)為STC12C5A60S2的51單片機(jī)。其主要特性是一個(gè)時(shí)鐘指令周期，除了具備傳統(tǒng)51單片機(jī)所有的功能外還集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、脈沖寬度調(diào)制輸出（PWM）、同步串行外圍接口（SPI）和片內(nèi)電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）等拓展功能。

1.2 驅(qū)動(dòng)器

機(jī)器人采用輪子進(jìn)行移動(dòng)，由兩個(gè)差速輪和兩個(gè)萬向輪（用作支撐）組成，主動(dòng)輪直接用42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)使用型號(hào)為L(zhǎng)298的雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片和型號(hào)為L(zhǎng)297步進(jìn)電機(jī)控制芯片組成。其具有外圍元件和控制信號(hào)線少的優(yōu)點(diǎn)。

1.3 傳感器

擬采用溫度、濕度、氣壓、光敏傳感器來檢測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)，熱釋電紅外、火焰、煙霧傳感器作為報(bào)警依據(jù)，紅外、地磁、超聲波傳感器用來控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)和避障。

為了使制作和數(shù)據(jù)處理方便，上述傳感器大都選用數(shù)字式輸出的器件或模塊。如DHT11傳感器可提供溫濕度數(shù)據(jù)，BMP085提供溫度和氣壓數(shù)據(jù)，MQ系列傳感器提供煙霧報(bào)警功能，US-100模塊可產(chǎn)生超聲波進(jìn)行測(cè)距，還有HMC5883指南模塊為機(jī)器人辨別方向。

1.4 遠(yuǎn)程控制器

使用者要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制除了直接通過機(jī)器人身上的按鍵外還可利用無線通信來控制。近距離控制可采用紅外來遙控，遠(yuǎn)距離控制擬采用2.4G無線傳輸模塊。目前較為常見的型號(hào)有NRF24L01，其具有體積小、功耗低、傳輸速率快、性價(jià)比搞的優(yōu)點(diǎn)，很適合用來連接用戶的電腦和機(jī)器人進(jìn)行通訊。

1.5 電源

使用鋰電池提供能源，分兩組7.2V供電，一組8000mAh直接給驅(qū)動(dòng)部分供電，另外一組5000mAh經(jīng)降壓至5V后給控制部分和傳感器供電。

2 系統(tǒng)方案

機(jī)器人電氣結(jié)構(gòu)如下圖所示

3 軟件方案

由于機(jī)器人由兩塊單片機(jī)聯(lián)合控制，之間靠串口通訊，所以需要編寫兩套程序。1號(hào)單片機(jī)用來操作行走、避障和無線收發(fā)，2號(hào)單片機(jī)用來操作傳感器、顯示器和存儲(chǔ)器等。由于一一列出程序流程圖比較復(fù)雜，故簡(jiǎn)化為以下單一流程圖。

4 總結(jié)

本方案設(shè)計(jì)的智能安防機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠實(shí)用，價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。日常生活中可實(shí)地用于倉(cāng)庫(kù)、檔案室、圖書館和實(shí)驗(yàn)室等地，通過加裝遠(yuǎn)程攝像頭還能兼作移動(dòng)監(jiān)控站。本設(shè)計(jì)的提出給企業(yè)提供了降低勞動(dòng)成本的選擇方案，同時(shí)能推進(jìn)智能化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，有廣闊的應(yīng)用前景。

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