教學機器人多路傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

黃鋒

摘要：該文設(shè)計了教學機器人感知系統(tǒng)中的多路傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包含溫度檢測模塊、濕度檢測模塊、氣體濃度檢測模塊和角位移檢測模塊。系統(tǒng)以C8051F020單片機為控制核心，將多路傳感器對位移、溫度、濕度、氣體濃度測量數(shù)據(jù)顯示在操作臺液晶面板進行顯示，對教學機器人所處實際環(huán)境進行監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：教學機器人；傳感器；數(shù)據(jù)采集；C8051F020

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）33-0275-02

1 教學機器人的功能和機構(gòu)

在教學移動機器人系統(tǒng)中，機器人要通過傳感器采集所處位置的數(shù)據(jù)信息，來完成避障和規(guī)劃路徑等工作。為了在復雜的環(huán)境中獲得更多的有效信息，因此機器人上需安裝不同類型的傳感器。

無線可視教學機器人由救援車、偵察車和操作臺三部分組成。偵察車放在救援車上面，在救援車不能到達的地方，通過操作臺控制救援車的升降臺降落放下偵察車進行偵查。 救援車和偵察車上裝載有多角度的無線攝像頭，實驗人員可以在可視范圍內(nèi)通過操作臺對救援車、偵察車進行操作和控制。操作臺上有一個和救援車機械手1：1比例的模擬機械手，通過手動操作模擬機械手，通過無線通訊模塊發(fā)出指令對救援車機械手會做出同樣的動作，控制機器人現(xiàn)場動作。

2 系統(tǒng)的硬件組成

數(shù)據(jù)采集模塊包含溫度檢測模塊、濕度檢測模塊、氣體濃度檢測模塊和角位移檢測模塊。教學機器人在工作的過程中，通過溫度、濕度和氣體傳感器采集救援現(xiàn)場的溫度、濕度和氣體濃度情況，同時，操作臺上的模擬機械手要遠程同步控制救援車的機械手，需要通過位移傳感器采集模擬機械手移動的位移數(shù)據(jù)。

2.1 溫度檢測模塊

本設(shè)計需要對教學機器人救援環(huán)境的溫度進行檢測，將測量的溫度數(shù)據(jù)送給操作臺液晶12864上顯示，為了減小教學機器人的外圍電路和自身的重量，使溫度檢測模塊簡單化，用數(shù)字濾波方法來抑制隨機噪聲的影響。結(jié)合外圍電路設(shè)計、測量結(jié)構(gòu)以及抗干擾能力綜合考慮，溫度檢測模塊使用DS18B20溫度傳感器。

DS18B20輸出的是數(shù)字信號，可以直接和單片機C8051F020的輸入/輸出端相連。如圖1所示。救援車的溫度傳感器DS18B20采集的數(shù)字信號通過發(fā)送端口P3.3發(fā)送給C8051F020進行處理，最后在液晶模塊12864顯示。

2.2 濕度檢測模塊

濕度傳感器的工作原理是利用它的濕度敏感元件吸收空氣中的水蒸氣，改變了它的物理或化學特性，檢測出被測環(huán)境中的濕度。我國相對濕度測量范圍20%-89.9%之間，測量精度控制在[±]1.99%，本設(shè)計采用Humirel公司生產(chǎn)的HS1101濕度傳感器，具有輸出信號強，可以輸出與相對濕度呈比例關(guān)系的伏特級電壓信號，有較快的響應速度和較強的抗干擾和抗污染能力，可用于輸出回路當中。

該傳感器把電容傳感器和NE555一起連接到電路中，測濕電路圖如圖2所示。NE555電路原理的基本包括為：當THR端和TRIG端同時輸入為高電平時，OUT端輸出為低電平；當THR端和TRIG端同時輸入低電平時，OUT端輸出為高電平。在這個電路中，555定時器利用這個功能輸出頻率信號的。

2.3 氣體濃度檢測模塊

氣體傳感器是將被測氣體體積百分比轉(zhuǎn)化成對應電壓、頻率或電流信號的檢測裝置，它主要用來測量氣體的成份和濃度。它一般由氣敏元件和測量轉(zhuǎn)換電路組成。工作過程中，通常都需要加熱，氣體有很多種類，有的能使人中毒，有的容易發(fā)生燃燒和爆炸。MQ系列氣體傳感器能夠檢測出各種不同種類氣體的濃度。本設(shè)計氣體濃度檢測模塊選用的MQ-2傳感器，MQ-2氣體傳感器通常用于對天然氣和其他可燃蒸汽的檢測，特別對液化氣（LPG）、丙烷（C3H8）、氫氣（H2）的靈敏度比較高。該傳感器可檢測多種可燃氣體，成本低，使用廣泛。

該傳感器的基本測量電路需要施加兩個電動勢：加熱器電壓[VH]和測量電壓[Vc]。當中的[VH]是用來為MQ-2提供具體的工作溫度，[Vc]是用來確定與MQ-2負載電阻[RL]上的壓降[VRL]，這種傳感器具有很小的直流電源。如果不形象傳感器的輸入輸出性能，在滿足傳感器電性能要求的前提下，加熱器電壓[VC]和測量電壓[VH]能夠共用一個電源線路。為更好地利用傳感器的性能，需要選擇適當?shù)闹档腫RL]。如圖3所示的基本測試電路。

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2.4 角位移檢測模塊

通過手動控制控制臺模擬機械手來實現(xiàn)對救援車機械手臂的控制，需要傳感器對模擬機械手的動作進行數(shù)據(jù)采集，從而對機械手臂進行實時控制。我們選用6個角位移傳感器來實現(xiàn)對模擬機械手的動作采集，為了獲得較高的控制精度，角位移傳感器選用具有高精度的WDD35D4。

本設(shè)計模擬機械手由6個WDD35D4位移傳感器組成，工作人員控制模擬機械手時，6個WDD35D4位移傳感器滑動臂隨著移動，電阻值隨之發(fā)生變化，由分壓電路將輸出電壓送給C8051F020 P1口的六個通道，單片機進行數(shù)據(jù)采集時，首先對P1口的六個通道進行初始化，然后采集6個WDD35D4的輸出電壓數(shù)據(jù)，加密后經(jīng)過操作臺無線傳輸器NRF905發(fā)送。然后由救援車無線傳輸器NRF905接收解密，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，使救援車機械手與模擬機械手動作角度1：1對應，6個WDD35D4的測量轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

3 結(jié)束語

教學機器人數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，主要通過多路傳感器的應用達到對數(shù)據(jù)采集的目的，并通過無線模塊將數(shù)據(jù)傳送給下位機，使其數(shù)據(jù)顯示在液晶12864上，，已達到數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)倪^程，使工作人員在監(jiān)控顯示器上觀測到采集的數(shù)據(jù)，并通過C8051F020單片機指示機器人進行搜救工作，方便工作人員對機器人的控制。

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