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(江蘇信息職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，江蘇無錫，214153)

1 引言

目前，人類社會處于和平年代，人們的生命財產(chǎn)安全得到了極大的保障，但是有時發(fā)生的地震，礦難,火災等災害時，搜救人員無法直接進入，常常用其他搜救工具代替人們進入廢墟或者災難現(xiàn)場，幫助外面人員了解內(nèi)部情況。隨著藍牙技術(shù)的日趨成熟，作為一種穩(wěn)定的數(shù)字無線電技術(shù)，藍牙在工程上得到了廣泛應用 。

該系統(tǒng)完成了一個基于藍牙的生命探測機器人設(shè)計，主要功能是用移動手機端App為控制平臺，控制小車的運動，包括前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、加速、減速，以及探測物體的移動；該控制系統(tǒng)四輪小車為載體，以藍牙為通訊方式，以HC-SR501人體紅外感應模塊為感知單元，以Android端App為控制平臺。因為以上芯片成本低、電路簡單，運行可靠，實現(xiàn)了以低成本完成高要求的智能化設(shè)備控制要求 。

2 系統(tǒng)概述

生命探測機器人以STM32F103C8T6單片機 為核心，系統(tǒng)具有紅外探測，煤氣檢測，一氧化碳檢測，煙霧檢測，濕度檢測，溫度檢測，電機驅(qū)動，顯示參數(shù)功能。

1)當發(fā)現(xiàn)附近有動物時，紅外檢測單元檢測到后，單片機會輸出會紅燈閃爍，表示周圍有生命跡象，傳給手機APP并進行顯示。

2)濕度傳感器檢測事故現(xiàn)場的濕度情況，傳給手機APP并進行顯示。

3)如果溫度過高時，把溫度信息傳給手機APP并進行顯示，藍燈閃爍。

4)當室內(nèi)可燃性氣體煤氣等超過一定的標準時，紅燈長亮同時報警器也會響起來提醒危險的存在，防止煤氣中毒或火災事故的發(fā)生，，傳給手機APP并進行顯示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

機器人的硬件電路由電源電路、控制器電路、電機驅(qū)動電路、傳感器接口電路，以及通信模塊電路組成。

電源部分使用7.2V可充電電池提供電能，然后對輸入的7.2V電壓進行穩(wěn)壓并轉(zhuǎn)換為5V給藍牙模塊，電機驅(qū)動模塊、紅外人體檢測模塊供電，然后再將5V進行穩(wěn)壓并轉(zhuǎn)化為3.3V給單片機供電。電源部分是整個硬件系統(tǒng)的關(guān)鍵，它的穩(wěn)定性直接決定機器人的可靠性。系統(tǒng)需要用到7.2V、5V、3.3V，所以需要對電池電壓進行轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓，常用的穩(wěn)壓芯片有LM系列、1117系列。這里使用LM7805穩(wěn)定5V電壓、AMS1117-3.3穩(wěn)定3.3V電壓。

控制器電路主要包括：芯片電源電路、時鐘電路、復位電路等，如圖1所示。

電機驅(qū)動使用L298N直流電機驅(qū)動芯片，它可以同時驅(qū)動兩個直流電機或者一個步進電機，每路最大輸出2A電流。采用電機驅(qū)動電源和邏輯控制電源分開的供電方法，使用7.2V給電機供電，使用5V作為邏輯電源輸入。系統(tǒng)選擇車輪式機械結(jié)構(gòu)，如圖2所示。車輪式機器人有四個車輪，每個車輪由一個直流電機驅(qū)動。直流電機具有轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速易調(diào)節(jié)等優(yōu)點，使得車輪式機器人具有強機動性和高負載能力。

圖1 STM32整體電路

圖2 四輪車模

傳感器HC-SR501模塊，如圖3所示，使用5V供電，當模塊檢測到有人時，輸出端會輸出一個高電平，通過單片機的IO引腳來讀取輸出端電壓即可感知周圍環(huán)境是否有人。氣敏元件MQ-2檢測煤氣等可燃性氣體煙霧。

HC-SR501使用的是雙元探頭，探頭的窗口為長方形，雙元(A 元B 元)位于較長方向的兩端，當人從左到右或從右到左走過時,紅外光譜到達雙元的時間、距離有差值，差值越大，感應越大。HC-SR501模塊。它具有三個接線端，一個VCC，一個GND，一個信號輸出端。當有人體靠近時，信號輸出端輸出高電平，并保持大概3s鐘，如果沒有人靠近時，信號輸出端則輸出低電平。單片機通過檢測信號輸出端的電平就可以知道小車周圍是否有人，因為如果有人，它肯定會有輕微的運動，此時傳感器就可以檢測出這種微小的運動。

圖3 HC-SR501人體紅外檢測模塊

藍牙模塊藍牙通信具有成本低、功耗低、傳輸速率高、抗干擾能力強等特點 ,使用3.3-6V電源供電，為了保證模塊的穩(wěn)定性，系統(tǒng)使用5V電源為藍牙模塊供電。系統(tǒng)使用的藍牙模塊為HC-05，它具有4個端口，一個VCC，一個GND，一個RX，用于接收串口數(shù)據(jù)、一個TX，用于發(fā)送串口數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 程序概況

程序部分是搜救機器人系統(tǒng)的靈魂，硬件部分只是作為程序的載體。系統(tǒng)設(shè)計的機器人軟件部分主要包括：電機驅(qū)動程序、藍牙通信程序、傳感器檢測程序以及APP上位機程序 。

電機驅(qū)動程序主要是控制PWM波的輸出，直流電機通過L298N模塊驅(qū)動，通過給該模塊信號硬件不同占空比的脈沖就可以實現(xiàn)直流電機的調(diào)速。系統(tǒng)只需要使用4路PWM波。

藍牙通信程序 主要是編寫串口通信程序，由于模塊以及將底層的藍牙協(xié)議封裝好了，用戶只需把它當作一個無線串口來使用就可以。STM32具有豐富的串口資源，有3個USART。系統(tǒng)使用USART1。

傳感器檢測程序檢測HC-SR501傳感器輸出腳的高電平信號，只需將單片機的一個IO口配置為下拉輸入，然后循環(huán)讀取該IO口的狀態(tài)即可檢測是否有人。

當傳感器輸出高電平時，說明周圍環(huán)境有人，此時需要點亮板載LED指示燈，并向上位機發(fā)送有人指令，若輸出為低電平，則向上位機發(fā)送無人指令，然后返回到第二步，依次類推，不斷循環(huán)。生命探測流程圖如圖4所示。

傳感器輸出的是數(shù)字信號，即只有高低電平之分，為了使讀取的數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定，減小誤判，需要將單片機硬件配置為下拉輸入。即當外部沒有輸入信號時，讀取單片機硬件為低電平，當外部輸入高電平時，此時讀取單片機硬件為高電平。

圖4 生命探測流程圖

4.2 電機驅(qū)動程序

電機驅(qū)動程序完成的是PWM波的產(chǎn)生，以及PWM波占空比的調(diào)節(jié)。STM32具有多個TIM定時器，除了最高定時器之外，其它都可以輸出PWM波，系統(tǒng)選用TIM3，TIM3定時器一共產(chǎn)生4路PWM，正好滿足要求。

4.3 藍牙通信程序

藍牙通信程序主要是編寫串口通信程序。STM32具有豐富的串口資源，系統(tǒng)使用的STM32F103C8T6具有三個串口，但系統(tǒng)只用到了一個串口。

4.4 傳感器檢測程序

傳感器檢測程序:首先，生命探測傳感器信號通過單片機IO引腳電平讀取程序來判斷，高電平表示有生命跡象，低電平表示沒有生命跡象。其次溫度檢測傳感器檢測出溫度傳給手機App直接顯示，當超過設(shè)定值，藍燈閃爍報警。濕度傳感器檢測現(xiàn)場的濕度情況，傳給手機App并進行顯示。氣敏傳感器檢測出可燃性氣體，傳給手機App，如果超限，紅燈長亮并且報警器響起來報警 。

4.5 App上位機程序

在生命探測的過程中，外部人員需要控制機器人的前進、回退、轉(zhuǎn)彎、速度等，以及監(jiān)測廢墟里的各種情況，這就需要一個控制平臺。該控制平臺有兩個作用：一個是操作人員用于控制機器人，二是機器人將傳感器的數(shù)據(jù)通過無線的方式傳給外面的人員，讓搜救人員了解廢墟內(nèi)部的情況，以及時的制定搜救計劃，縮短搜救時間。移動手機端上位機，即基于手機平臺開發(fā)一款上位機軟件，每個人都會隨身攜帶一部手機，這樣就不用額外再攜帶一個控制設(shè)備了。可以減小制作成本，方便使用。

5 結(jié)束語

本次設(shè)計已經(jīng)完成對生命探測機器人的控制功能實現(xiàn)，完全可以作為一套簡易系統(tǒng)投入使用，可以進行生命探測，溫度檢測、濕度檢測，煤氣等可燃性氣體煙霧檢測，各種功能于一體，成為人類的好助手，為生命護航。