李衛(wèi)兵，張傳卓

（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院 北京100176；2.北京雷客天地科技有限公司 北京100029）

智能探測機器人設(shè)計

李衛(wèi)兵1，張傳卓2

（1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院 北京100176；2.北京雷客天地科技有限公司 北京100029）

針對未知地下通道探測需要，基于AT89S52單片機和無線路由技術(shù)，設(shè)計了一種無線監(jiān)控智能探測機器人。通過超聲傳感器和光電開關(guān)實現(xiàn)自動避障行進，通過溫度傳感器、濕度傳感器、氣體傳感器等探測現(xiàn)場的溫度、濕度、可燃氣體情況，通過攝像頭探測視頻信息，利用無線路由器實現(xiàn)信息傳輸，實現(xiàn)在上位機遠程查看視頻、控制機器人移動、顯示環(huán)境測量信息。

上位機；視頻監(jiān)控；智能車；自動避障；溫濕度檢測。

煤礦的礦井探測以及未知地下通道的探測是了解現(xiàn)狀，進行生產(chǎn)和開發(fā)利用的重要前提。而礦井和未知通道存在各種危險，例如沼氣、缺氧、溫度、濕度等情況，在未探明的情況下不適應(yīng)人員進入，探測機器人可以幫助人們探測未知環(huán)境信息，提供有價值的參考數(shù)據(jù)[1-2]。國內(nèi)外積極開展了相關(guān)機器人的設(shè)計研究，探索實現(xiàn)信息的采集與救援[3-5]，側(cè)重了機械機構(gòu)、控制系統(tǒng)的設(shè)計，但信息采集不全面，沒有實現(xiàn)遠程控制。針對這些問題，設(shè)計制作了智能探測機器人，它可以自動避障行進，通過溫度傳感器、濕度傳感器、可燃氣體傳感器等探測現(xiàn)場的溫度、濕度、甲烷可燃氣體等情況，并可通過攝像頭探測視頻信息，利用無線路由器信息傳輸，在上位機（單片機或計算機）查看探測視頻、控制機器人移動、顯示環(huán)境測量信息，根據(jù)上位機獲取的信息掌握通道內(nèi)的情況，進而判斷需要開展的工作。

1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)主要模塊：主控制器模塊、無線通信模塊、視頻采集控制模塊、電機驅(qū)動模塊、顯示模塊、上位機模塊、避障模塊、溫濕度檢測模塊、可燃氣體檢測模塊和電源模塊組成。系統(tǒng)總體方案框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體方案框圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 主控制器模塊

AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS的8位微控制器，具有8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，3個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口[6]。AT89S52應(yīng)用場合廣泛，價格低，性能穩(wěn)定可靠，主控制器AT89S52的電路圖如圖2所示。

圖2 主控制器模塊

2.2 視頻無線傳輸模塊

把無線路由器通過刷入開源的Openwrt系統(tǒng)，使之運行Linux系統(tǒng)，安裝各種程序、驅(qū)動，以路由為平臺，加載USB攝像頭[7]。利用路由器上的程序把USB攝像頭的視頻進行編碼，通過wifi返回給上位機，通過上位機看到來自攝像頭的視頻。同時將路由器預(yù)留的TTL串口引出來，通過安裝在里面的Ser2net軟件，把來自wifi信道的指令轉(zhuǎn)到串口輸出，與單片機通信實現(xiàn)控制[8-9]。

2.3 電機驅(qū)動模塊設(shè)計

采用L298N雙H橋電機驅(qū)動芯片，是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。最高工作電壓可達46 V，輸出電流大瞬間峰值電流可達3 A，持續(xù)工作電流為2 A，額定功率25 W，內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機。電機驅(qū)動電路圖如圖3所示，控制信號通過光耦與L298連接，可有效消除干擾。

圖3 電機驅(qū)動模塊電路

2.4 避障模塊電路

避障模塊電路采用了超聲波傳感器和光電開關(guān)相結(jié)合的方式。車體前方放置超聲傳感器，可探測距離較遠，車體兩側(cè)各放置兩個光電開關(guān)，實現(xiàn)探測機器人行進過程自主避障。

采用反射式光電開關(guān)E3F-DS30C4，其測量距離在5～30 cm可調(diào)，采用寄生電源工作方式，與單片機接線少，占用CPU的資源少，輸出的是邏輯電平，便于信號的處理[10]。采用HC-SR04超聲波傳感器。由發(fā)射電路和接收電路組成，發(fā)射電路發(fā)射一組40～45 kHz的高頻聲波，當聲波遇到物體后，就會被反彈回，并被介紹電路接收。通過計算聲波從發(fā)射到返回的時間，再乘以聲波在空氣中的傳播速度，獲得物體相對于傳感器的距離[11-12]。超聲波傳感器電路如圖4所示。

圖4 超聲波傳感器的電路圖

2.5 溫濕度檢測模塊

采用AM2301數(shù)字溫濕度傳感器，它是一種含有已校準數(shù)字信號輸出的復(fù)合傳感器[13]。采用單線制串行接口，極低的功耗，使得信號傳輸距離可達20米以上。此傳感器為單總線工作方式。電路如圖5所示。

圖5 溫濕度傳感器模塊

2.6 可燃氣體檢測電路

采用MQ-4氣體傳感器，它的氣敏材料采用電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。當傳感器所處環(huán)境中存在可燃氣體時，其電導(dǎo)率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大，將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的輸出信號。MQ-4氣體傳感器對甲烷的靈敏度高，對丙烷、丁烷、天然氣也有較好的靈敏度[14-15]。MQ-4氣體傳感器電路如圖6所示。H為加熱電路，A、B為檢測電路。

圖6 MQ-2氣體傳感器

2.7 電源模塊電路

系統(tǒng)采用3個容量為3 000 mAh，額定電壓為3.7 V鋰電池串聯(lián)直接給L298N電機驅(qū)動模塊供電，經(jīng)過L7809穩(wěn)壓至9 V給路由器供電，經(jīng)過L7805穩(wěn)壓至5 V給單片機和各類傳感器供電。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

主流程序圖如圖7所示。

圖7 主流程圖

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)設(shè)計的機器人在自動模式下利用光電開關(guān)和超聲波傳感器，實現(xiàn)自動避障行進，并將所處地點的溫濕度、可燃氣體等情況，通過WIFI傳輸至上位機實時顯示。根據(jù)上位機獲取的信息掌握通道內(nèi)的情況，進而判斷需要開展的工作，提高了工作效率，保障了人身安全，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Design of intelligent detection robot

LI Wei-bing1，ZHANG Chuan-zhuo2
（1.Beijing Polytechnic,Beijing 100176，China；2.SKYROCKER,Beijing 100029，China）

In accordance with the need of unknown underground passage detection,based on AT89S52 MCU and wireless routing technology,we design a wireless monitoring intelligent detecting robot.By ultrasonic sensors and photoelectric switch to realize automatic obstacle avoidance,marching through the temperature sensor,humidity sensor and gas sensor to detect the situation of temperature,humidity, combustible gas,through the camera detecting video information,and use of the information transmission on the wireless router,to realize in PC remote viewing video,control the robot movement,display environment measurement information.

upper computer；video monitoring；intelligent car；automatic obstacle-avoid；temperature and humidity measurement

TN98

：A

：1674-6236（2017）02-0121-04

2016-01-25稿件編號：201601234

李衛(wèi)兵（1971—），男，山東濱州人，碩士，副教授。研究方向：電子技術(shù)應(yīng)用、電磁兼容。