地下隧道消防巡检机器人设计Word文档格式.docx

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MSP430F149是一款16位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评，它是第三代单片机的代表。

二、地下隧道消防巡检机器人总体设计方案

2.1地下隧道消防巡检机器人系统组成

地下隧道消防巡检机器人由传感器信息单元、运动控制单元和后场显示终端三部分组成。

传感器信息单元具有传感器信息采集与传输功能，负责将各个检测传感器采集的信息打包，经过无线传输至后场显示终端；

现实终端具有信息接收、信息处理、信息存储、信息上传、命令控制、操作输入和图形显示等功能。

传感器信息单元可灵活删减，操作简捷。

运动控制单元主要用于巡检机器人运动控制，并具有控制音视频信息采集启动和关闭功能。

后场显示终端具有现场信息采集、处理和存储功能，运动控制功能和现场音视频信息显示功能。

系统组成如图1所示：

图1地下隧道消防巡检机器人系统组成图

2.2传感器信息单元

地下隧道消防巡检机器人涉及传感器类型和数量较多，系统检测可分为环境、音视频、危险气体和辅助等四大类信息，数量多达10余个，详细信息见表1。

环境类信息包含温度、气压、湿度和烟感四种传感器，温度和烟感传感器用于周边环境火灾探测，气压传感器可检测环境气压变化，可以通过学习法进行高度测量，推估巡检机器人所处的高度信息；

音视频类信息包括自然光视频、红外视频和现场音频信息，自然光和红外视频信息实时传输巡检视频，采用独立传输方式，仅由运动控制单元进行开关控制；

危险气体信息包括可燃气体、氧气和二氧化碳浓度信息，用于检测周边环境气体安全性，预测爆炸危险的可能性。

表1传感器信息单元参数表

检测源

传感器类型

数量

用途

环境

信息

温度

4个

探测环境温度信息

气压

1个

探测气压变化信息

湿度

探测环境湿度信息

烟感

1个

探测环境烟雾信息

音视频信息

自然光

捕获周边自然光视频信息

红外

捕获红外自然光视频信息

拾音器

捕获现场声音信息

危险

气体

可燃气体

获取现场可燃气体浓度信息

氧气

获取现场氧气浓度信息

二氧化碳

获取现场二氧化碳浓度信息

辅助

超声波

探测行进障碍距离信息

加速度

探测巡检机构运动状态

图2传感器信息单元结构图

2.3运动控制单元

整个系统运动机构是在现有玩具电动车的基础上改造，即采用凌阳科技大学计划简易智能电动车和控制板改造。

简易智能电动车自带80C51单片机进行智能控制。

开始由手动启动小车，并复位，当经过规定的起始黑线，由超声波传感器和红外光电传感器检测，通过单片机控制小车开始记数显示并避障、调速；

系统的自动避障功能通过超声波传感器正前方检测和红外光电传感器左右侧检测，由单片机控制实现；

在电动车进驶过程中，采用双极式H型PWM脉宽调制技术，以提高系统的静动态性能；

采用动态共阴显示行驶时间和里程。

系统原理图如图3所示。

图3简易智能电动车系统原理图

运动控制单元MSP430F149与80C51单片机之间通过串口通信并结合驱动电路，控制H桥的工作进而控制电机的正反转，进而控制小车后轮正转、小车后轮反转、小车前轮左偏和小车前轮右偏，实现小车的前后左右四方向动作。

图4简易智能电动车实物

三、地下隧道消防巡检机器人硬件设计

由于采用现场具有智能控制运动机构改造，传感器信息单元和运动控制单元实际上可由一块电路板设计，主控单片机采用MSP430F149，它有6组I/O口，可以作为数据地址总线。

这里，把P3口扩展为与蓝牙芯片CC2540相连的地址总线，P5口扩展为数据和控制总线。

P6口扩展为与传感器相连的数据总线。

串口RXD和TXD组成与智能电动车80C51模块相连的数据总线，并且扩展了与各传感器相连的总线信号和一些模块的使能信号。

3.1蓝牙模块CC2540

CC2540是一个超低消耗功率的真正系统单晶片，它整合了包含微控制器、主机端及应用程式在一个元件上。

CC2540结合一个优异的无线射频传送接收器及一个工业标准的加强型8051微控制器，它包括连接类比及数位感应器的周边，内建可程式的快闪记忆体，精确的无线射频讯号强度指示，全速USB2.0界面，内建AES-128加密引擎。

CC2540可让强固的主控或从属式节点以很低的成本建立起来，它具有很低的睡眠模式功率消耗及不同工作模式间短暂的转换时间，适用于需要超低消耗功率的系统。

数字信号存储在RAM（容量为32KB）中，供MSP430F149处理器调用和处理，MSP430F149将处理后的数据从编码接口输出到其他设备，信号发过程是信号收的逆过程，此外，还包括时钟和电源管理模块以及多个通用I/O口，供不同的外设使用。

的主机接口可以提供双工的通用串口。

CC2540蓝牙低能耗片上系统的外围电路图和蓝牙模块图分别如图5和图6所示。

图5外围电路图

图6蓝牙模块图

3.2系统时钟设计

本系统采用了2个时钟，MSP430F149的晶振电路主要提供给MSP430F149两个时钟源，这两个时钟分别供单片机工作在待机低功耗模式和报警工作状态。

—个为3.6864MHz的高频时钟，用于报警状态下的信息高速处理，以及串口波特率时钟源。

另—个为32.768KHz的低频时钟，用于内部定时器的时钟源，并且同时提供给实时时钟模块作为基准时钟。

当系统处于活动状态时，采用高频时钟作为主时钟，可以缩短消息处理时间，减小数据包的延时。

单片机处理完消息后转入低功耗状态，高步时钟关闭，此时低频时钟仍旧工作，并且提供给定时器作为定时时钟源，以保证不会因为进入低功耗而且定时器停止。

采用两个时钟协调工作可以使单片机的功耗降得更低，使单片机在绝大部分时间内均处于低功耗模式下，大大降低了单片机以及系统的功耗，加大了本系统在地下隧道巡检独立供电应用时长。

MSP430单片机使用3.3V电压供电，外接高速时钟（8MHz）和低速晶体（32.768KHz）以满足不同的功耗应用。

单片机的P6.6和P6.7端口模拟I2C接口，连接湿度传感器HYT-271；

P6端口连接数字温度传感器TSic-506F，用来采集数字量的温度信息；

另外带有中断功能的P4.0和P4.1两个端口连接两个按键，通过按键可以模拟中断事件的发生来触发报警信息的发送。

单片机其余的I/O口分别连接串口电平转换芯片MAX3232、时钟芯片DSl302、FLASH存储器、声光报警电路等；

暂时未使用的I/O引脚通过扩展头引出，方便系统的功能扩展。

MSP430单片机内部有上电探测复位电路，可以在上电时产生一个POR信号使系统复位。

本系统设计的复位电路可以实现系统掉电自动复位和手动复位两种功能，而且使上电复位更加可靠。

由于MSP430单片机是低电平复位，所以在正常工作时需要将复位引脚通过上拉电阻R4上拉成高电平。

电容C2是利用电容电压不能突变，硬件上电后形成一个较宽的低电平脉冲以保证有效复位，增加了上电复位的可靠性。

电源稳定后要经过一定时间的延时，复位信号才被撤销，防止电源开关或电源插头分合过程中引起抖动而影响复位。

当电源电压瞬间下降时，为了保证系统有效复位，增加二极管Dl保证电容迅速放电，产生低电平复位信号。

当程序跑飞而看门狗又失效时可以通过按键KEYRST手动复位。

3.3传感器信息单元设计

MSP430F148芯片自带12位模数转换模块，通过其P6数据管脚复用可以直接最为A/D转换器模拟输入通道。

由于传感器数量较多，在输入前通过多路开关芯片CD4051进行通道选择。

其中湿度传感器输出为I2C接口数字信号，应用较为简洁。

通过数据线、地址线和控制线与蓝牙芯片CC2540相连。

其中双向的系统数据线用于在CC2540和微控制器间传递数据。

系统地址总线的低8位用于解析到达CC2540的I/O、存储器空间和附属的BOOTPROM的传输路径。

P4.0口连接可燃气体探测器、氧气、二氧化碳和烟雾传感器，以上传感器均自带AD转换电路，只需少需外围电路改造即可直接读数使用，实际工作中四种传感器接口预留，受智能小车载重能力所限，仅选用烟雾传感器。

P1口连接FLASH存储器AT45DB021，所有的编程操作都是针对于页的，擦除操作可以作用于芯片、扇区、块或页，该存储空间用于地下隧道消防巡检机器人存储数据使用。

P2口用于运动驱动电路控制和与简易智能电动车自带80C51单片机通信使用，实现隧道消防巡检机器人运动机构控制。

因视频传输电路通信链路与控制链路独立，视频传输延迟较大，同步问题突出，方案后期添加了加速度传感器和超声波测距传感器，用于地下隧道消防巡检机器人碰撞检测，超声波探障原理如图7、图8和图9所示所示。

图7超声波探障碍反射波接收

图8坑道障碍反射波接收

图8墙体障碍反射波接收

在实践中发现，为了适应应用环境的电磁干扰问题，系统设计中，应充分考虑提高系统抗干扰能力，从而避免在设计完成后再进行抗干扰补救措施。

系统抗干扰设计的基本原则是：

抑制干扰源，切断干扰传播路径，提高敏感器件的抗干扰性能。

具体设计措施如下：

1）对于各接口电路部分均采用了光耦隔离器件；

2）对于模拟电路和数字电路部分均进行了地隔离；

3）对于电源部分，我们采用了几组电源模块，这样就从源头上进行了隔离；

4）进行了良好的接地处理，也增强了系统的抗干扰能力和测量精度。

核心电路系统框图见图9所示。

图9隧道消防巡检机器人控制电路图

四、地下隧道消防巡检机器人软件设计

4.1地下隧道消防巡检机器人软件设计原则

如果说硬件电路设计是整个系统的基础，那软件设计则是整个控制系统的灵魂。

本论文软件采用模块化设计思想，对各个模块进行分析，并给出具体流程图。

如何设计一套完整的、可靠的监控与操作系统是变电站巡检机器人能否正常工作的关键，在设计软件过程中必须遵循以下原则：

1）可靠性。

系统功能模块越多，本系统仅传感器单元共有四类，涉及10余个传感器，其可靠性越难保证。

在设计整个系统的软件时，必须保证系统的可靠性，尽可能避免一切故障，防止程序发生＂跑飞＂和＂死机＂的现象。

2）可移