毕业设计基于ARM的家庭安防智能机器人设计(终版)

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于ARM的家庭安防智能机器人学生姓名：学 号：专 业：测控技术与仪器班 级：指导教师： 讲师70基于ARM的家庭安防智能机器人摘 要随着电子信息业的不断发展，智能移动机器人及相关技术研究已经成为热门。本论文以智能家居为背景，设计出了一种基于ARM9处理器的家庭安防智能监控系统。在ARM上移植了Linux操作系统，通过USB摄像头获取监控图像，并通过无线网络将采集到的图像传送到PC机上，友好的人机界面，便于实时监控家居环境，使得家庭安全检测与防患成为可能。并对控制系统进行模块化设计，有利于智能小车的功能扩展和升级。“PC+运动控制器”是目前开放式数控系统最常见的形式，主PC机用于人机界面、存储和通讯，运动控制器部分作从属CPU来实现实时控制、I/O中断和计算等。本设计中的智能机器人在巡航过程中有如下功能，红外避障功能、温度采集功能、煤气检测和火焰检测功能、图像采集功能、图像传输功能。机器人小车可以自由在房屋内行进，在行进过程中如遇到障碍物体，则可以通过红外避障模块探测到障碍物的具体方位并避开障碍物。同时小车上安装了各类传感器，可以动态监测家居环境参数，最重要的是，利用摄像头实时采集家居环境图像，并通过wifi传送到上位机的监控界面，即使远在千里也可以随时查看家居环境。关键词：嵌入式；ARM处理器；智能家居；USB摄像头ARM-based home security intelligent robotAbstractWith the development of electronic information industry, the research of intelligent robot and related technology has become more and more popular. With the intelligent home furnishing as background, we designed a kind of home security monitoring system based on ARM9 processor. First of all, we transplanted the Linux operating system on ARM, acquiring the image by USB camera, and transmits the images to the PC via wireless network. Then, we design a friendly man-machine interface, real-time monitoring of home furnishing environment, making the detection and prevention of family security become possible. At the same time, we adopt modularization design of the control system, which contributes to the functional expansion and upgrading of the smart car.PC+ motion controller mode is the most common form of open CNC system currently. PC machine is used for man-machine interface control, data storage and communication; motion controller is used to realize the real-time control and I/O interrupt. Intelligent robot in this design has the following functions during cruise, including avoidance function, temperature acquisition system, gas detection, flame detection and image acquisition and transmission function obstacle infrared. Robot can freely moving in the house, if encountered obstacles in the process of running, it can through the infrared sensor to detect the specific range of obstacles, and steer clear of obstacles. At the same time, all kinds of sensors installed on the vehicle, dynamic monitoring home furnishing environment parameters. Most importantly, the camera can image real-time acquisition of home furnishing environment, through WiFi transmitted to the computer, even we are thousands of miles away can always see the home furnishing environment.Keywords: Embedded system; ARM processor; intelligent home furnishing; USB camera目 录摘要IAbstractII目 录III第一章 绪论11.1嵌入式系统概述及发展现状11.2 ARM系列微处理器简介11.3 嵌入式Linux操作系统及特点21.4研究背景和意义31.5研究目标、研究内容和拟解决的关键问题4第二章 家庭安防智能机器人的方案设计52.1 系统总体设计思路52.2系统总体设计方案选择52.2.1系统设计方案选择52.2.2小车底盘选择62.3 系统模块化设计72.3.1核心模块82.3.2直流电机驱动模块102.3.3红外避障模块102.3.4图像采集模块112.3.5无线传输模块112.3.6环境参数采集模块13第三章 家庭安防智能机器人的硬件设计153.1 核心模块硬件设计153.1.1 主控制芯片S3C2440153.1.2 辅控制芯片STC15F2K61S2173.1.3辅助系统183.2 直流电机驱动模块设计193.2.1 电机概述193.2.2 驱动芯片L293简介203.3 红外避障模块设计223.3.1 方案比较和论证223.3.2 红外避障模块223.4 无线传输模块设计233.4.1 Wi-Fi无线传输技术简介233.4.2 无线数传模块243.4.3 无线网卡273.5 环境参数采集模块设计273.5.1温度传感器模块273.5.2烟雾传感器模块283.5.3火焰传感器模块283.5.4 红外热释电模块29第四章 ARM9上的Linux系统移植以及网络摄像机的设计314.1 Linux操作系统内核的装载314.2 linux交叉编译及移植334.2.1 建立Linux交叉编译环境334.2.2 linux移植344.3 Linux操作系统下网络摄像机的实现364.3.1准备工作374.3.2 编译组件374.3.3 测试网络摄像机37第五章 家庭安防智能机器人的软件设计405.1 软件设计总体方案405.2小车驱动模块软件设计415.3红外避障模块软件设计435.4环境监测模块软件设计435.5无线传输模块软件设计445.6上位机软件设计455.6.1上位机软件界面程序设计465.6.2 上位机软件数据处理程序设计47第六章 家庭安防智能机器人的联合调试496.1 系统调试与测试496.2 系统功能及前景展望49总 结51参考文献52附录A 实物图54附录B 程序56致 谢65第一章 绪论1.1嵌入式系统概述及发展现状嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，且软硬件可剪裁，是对功能、可靠性、成本、功耗和应用环境有严格要求的专用计算机系统。是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统。它一般由以下几部分组成：嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统及特定的应用程序1。嵌入式系统有如下共同点：（1）功能专一：专门为某一特定应用系统而设计；（2）结构紧凑：嵌入式系统结构必须特别的紧凑，从而达到小体积，高性能，低成本，低功耗；（3）智能灵活及实时性：即要对不同的情况做出不同的反应，同时必须实时地给出计算的结果并进行实时控制2。嵌入式系统的出现至今已经有30多年的历史，近几年来，计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已经成为一个研究热点。目前根据其发展现状，嵌入式计算机可以分成下面几类：嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit，EMPU)嵌入式微控制器(Microcontroller Unit，MCU)，又称单片机 嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor，EDSP)DSP嵌入式片上系统(System On Chip)3目前，中国嵌入式系统市场处于快速增长时期。在近几年以及未来的几年内，嵌入式系统的发展为几乎所有的电子设备注入了新的活力，由于迅速发展的Internet和非常廉价的微处理器的出现，嵌入式系统将在我们的日常生活里形成一个更大的领域。中国嵌入式系统的主要客户分布在消费类电子、通信、医疗、安全等行业。当前中国嵌入式系统市场上的几大热点应用有4:汽车与电力系统的电源管理、高清数字电视以及数字机顶盒、智能手机和具有联网功能的智能化工业设备、终端。嵌入式工业设备则将集成进更多的通信与联网等智能化功能，并将在汽车电子市场、医疗电子市场、机械电子市场、视频电子市场和数码电子市场得到更为广泛的应用。1.2 ARM系列微处理器简介ARM（Advanced RISC Machine）是英国ARM公司设计开发的通用32位RISC（Reduced Instruction Set Computer）微处理器体系结构，其主要优势在于简单的设计和高效的指令集。ARM的设计目标是微型化、低功耗、高性能的微处理器实现。目前，ARM微处理器家族在嵌入式系统、掌上电脑、智能卡和GSM终端控制器等领域获得了广泛的应用，几乎占据了嵌入式处理器的半壁河山。作为一种RISC体系结构的微处理器，ARM微处理器具有RISC体系结构的典型特征。还具有以下特点5：（1）在每条数据处理指令当中，都控制算术逻辑单元（ALU）和移位器，以使ALU和移位器获得最大的利用率；（2）自动递增和自动递减的寻址模式，以优化程序中的循环；（3）同时Load和Store多条指令，以增加数据吞吐量；（4）所有指令都条件执行，以增大执行吞吐量。这些都是对基本RISC体系结构的增强，使得ARM处理器可以再高性能、小代码尺寸、低功耗和小芯片面积之间获得好的平衡。ARM处理器的应用领域到目前为止,ARM处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域：1、工业控制领域：作为32的RISC架构,基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。2、无线通讯领域：目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术， ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。3、网络应用：随着宽带技术的推广，采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM在语音及视频处理上行了优化,并获得广泛支持，也对DSP的应用领域提出了挑战。4、消费类电子产品：ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏机中得到广泛采用。5、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术6。1.3 嵌入式Linux操作系统及特点 Linux系统是包含内核、系统工具、完整的开发环境和应用的类UNIX操作系统。这个操作系统是由全世界各地的成千上万的程序员设计和实现的，它诞生于1991 年的10 月5 日（这是第一次正式向外公布的时间）。其目的是建立不受任何商品化软件的版权制约的、全世界都能自由使用的UNIX兼容产品。由于Linux内核及多数应用程序都基于GPL（GNU公共许可协议），且具有结构清晰、功能简捷等特点，逐渐成为一个稳定可靠、功能完善的操作系统。Linux为嵌入式操作系统提供了一个极有吸引力的选择。将Linux应用于嵌入式环境，是基于其具有以下特点：（1）Linux操作系统是层次结构，并且内核源代码完全开放。不同领域和不同层次的用户可以根据自己应用的需要，对内核进行修改，能够低成本的开发出满足自己需要的嵌入式系统。（2）其具有强大的网络支持功能。Linux诞生于Internet时代，并具有Unix的特性，这保证了它支持所有标准Internet协议，并且可以利用Linux的网络协议栈，将其开发成为嵌入式的TCP/IP网络协议栈。此外，Linux还支持ext2、fat16、fat32、romfs等文件系统，为嵌入式系统应用开发打下了很好的基础。（3）Linux具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。而且，Linux也符合IEEE POSIX.1标准，使应用程序具有较好的可移植性7。1.4研究背景和意义当前，人类进入信息爆炸的时代，各类信息极度丰富，数字技术和网络技术的高速发展，只有借助于各种计算机，才能够对各类信息进行处理，它们已不再局限于以前的PC，而是由形态各异、性能千差万别的嵌入式系统来完成。ARM处理器是世界上最流行的嵌入式处理器，广泛应用于个人通信等嵌入式领域。而随着智能科技和机器人技术的发展，未来机器人进入家庭已成为必然。其中，智能服务机器人进入家庭提供家庭安防尤为重要，但事实上在网络环境下进行家居环境的检测和控制这一技术还并未进入千家万户。基于这种思想，本设计提出了家庭安防智能机器人系统，该系统可以通过ARM处理器与PC机的网络通信实现对家居环境的异地监视、控制，并可以实现家居环境多个参数的检测。本设计符合家电上网的设计概念，实现对家居环境的远程监测与控制，并能将家居环境中温度、湿度、煤气浓度等环境信息以网页的形式显示在远程主机上。本设计可以应用于家居、教室或医院病房等环境的检测和控制，稍加改进也可以应用于无人环境、危险环境基于web 网络的远程控制。总之，如果本设计能够加以完善利用，将会有很大的商业价值8。1.5研究目标、研究内容和拟解决的关键问题研究目标结合ARM、Linux操作系统、无线通讯等技术手段，设计一种比较完善的嵌入式家居监控系统，并完成其系统原理设计、软硬件设计等工作，使其在可靠性、适应性、实时性等方面获得尽可能多的实用价值。研究内容本设计以ARM9为中央控制核心，STC15F2K61S2为辅处理芯片，L293驱动二个直流电机控制小车的运动，采用ZC301摄像头采集图像，通过网络把采集到的图像传送给PC机监控界面，可以实现远程视频实时监控，同时可以通过传感器采集环境参数并上传到上位机监控界面。为了实现该目的，本课题所研究的主要内容如下：系统软硬件的设计。摄像头驱动的安装及调试。Linux操作系统内核的装载及S3C2440芯片上程序的交叉编译和移植。PC与ARM核心处理器之间的无线通信、PC与增强型51单片机之间的串口通信的实现。拟解决的关键问题Linux嵌入式操作系统的运用及其Linux的移植方法。ARM板、MCU与PC机之间的无线通信实现方法。网络摄像机的实现方法、上位机监控界面的制作方法和控制命令的传送途径。 第二章 家庭安防智能机器人的方案设计2.1 系统总体设计思路本设计的核心思想就是机器人小车在家居环境中可以自由行进，行进过程中摄像头可以实时采集环境图像，并通过无线网络上传到PC机上，这样可以保证家居主人可以随时随地清楚地知晓家居环境状况，保证家居环境安全。总体设计方案结构框图如图2.1所示。S3C2440为主控制芯片，主要负责对摄像头采集到的信息进行处理与发送；51单片机为辅控制芯片，主要通过控制电机实现小车的运动，通过传感器实现家居环境参数的采集。值得注意的是，在本设计中51单片机与S3C2440嵌入式处理器芯片分别通过无线网与PC机通讯，他们之间互不关联。图2.1 总体设计方案结构框图2.2系统总体设计方案选择2.2.1系统设计方案选择本设计在选题之后，确定了三个总体设计方案,具体如下：方案一：ARM，即只用一块嵌入式开发板完成整个设计的所有任务。方案二：ARM+普通51单片机，即通过ARM处理器与普通51单片机联调，共同完成设计任务。方案三：ARM+增强型51单片机，即ARM处理器和增强型51单片机共同作用，实现整个设计任务。 在经过反复的比较论证之后，首先排除了第一种方案，因为我现在只处于嵌入式系统开发入门阶段，很多具体问题都不能自己解决，特别是本设计中的许多程序需要在Linux系统上进行移植，大大增加了设计的难度，这是其一；其二是本设计中的很多任务在51单片机上就可以完成，比如各种环境参数采集，并且这方面程序在网上很多，可移植性强，执行效率也较高。随后又排除了第二种方案，普通51单片机虽然可实现本设计中的部分任务，但是因为其片内RAM较小，而本设计涉及参数较多，在程序方面要求会更高；而增强型51单片机的内存较普通51单片机有较大提高，并且芯片响应速率高，性能良好。在硬件方面能解决的问题尽量不要放到软件部分解决，这样可以提高程序的可读性及可行性，故综合比较之后选择方案三，即选择ARM处理器与增强型51单片机共同完成设计9。2.2.2小车底盘选择驱动小车有三种方案。 方案一：普通玩具小车是使用两个电机，且两个电极均为玩具直流电机。前面两个轮为一个电机控制，用来控制方向，后面两个轮由一个电机控制，用来驱动小车，这就是传统的控制小车方向的方式，但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点：一方面，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。另一方面，玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。而且这种电动车一般都价格不扉。因此放弃了此方案。方案二：四电机四轮驱动小车，这种方案适合对小车灵活性要求高，完成任务较多，功能比较强大的竞赛类项目使用，如实现寻迹，避障，测速，走迷宫，搬运，遥控等功能，因为这种方案可以更加灵活的控制小车，而且转向性好，可以实现原地360转向。但是本设计中对小车灵活性要求不是特别高，因为本设计侧重点不在于此，为节约成本，故排除此方案。方案三：购买的智能小车底盘采用两电机三轮驱动，即前面安装一个万向轮，可360自由转动，后面两轮由两个电机控制，这种驱动方式转向性也较好，且外部辅助电路也比较简单。最重要的是，本次设计的小车驱动部分是用单片机作为总控制中心，这种小车底盘做工优良，载重能力强，预留的小孔便于进行模块扩展，能够达到运行灵活平稳，安全高效的效果10。综合比较之后，最终选择方案三。下面着重介绍一下该小车底盘的优点： 中型车体架构，前轮是万向轮支撑。车身尺寸：22cm*17cm；车高：48mm。亮点一：有机玻璃作车身，铝合金电机固定座，坚固轻便。亮点二：车前端留有很多传感器安装孔，方便安装；另留有槽形固定孔，适合不同大小的控制板电路模块的固定。亮点三：专业橡胶轮胎，摩擦力大，抓地性能好，耐磨。亮点四：电机和轮子之间为黄铜联轴器结构，稳固，强度高。亮点五：全金属齿轮减速电机，寿命长，扭力大，转速高。车的底盘是用4mm厚的进口有机玻璃雕刻而成，CNC精加工，留有很多固定孔，用于固定电机板和电机驱动板以及各类传感器；可扩展性好，有机玻璃可轻松使用各种手钻，小电钻来钻出安装孔。可方便搭载二层或三层建筑。车后轮为橡胶轮胎，和电机通过联轴器（黄铜材质），电机固定座（铝合金材料）紧密结合在一起。承载能力很强，负重5KG左右。车体的机械结构包括万向轮、两个后轮、车底盘、两个电机固定座、两个联轴器，两个电机、铜柱螺丝等，小车底盘实物图如图2.2所示。图2.2 智能小车底盘2.3 系统模块化设计所谓的模块化设计，简单地说就是将产品的某些要素组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统，将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合，构成新的系统。根据模块化设计思路和整个系统所要实现的功能，可以将此系统分为六大主要模块来设计，核心模块、直流电机驱动模块、红外避障模块、图像采集模块、无线传输模块、环境参数采集模块11。2.3.1核心模块ARM处理器S3C2440本设计采用的ARM开发板是广州天嵌计算机科技有限公司生产的TQ2440系列，该开发板的微控制器采用三星公司的S3C2440AL，它主要负责处理摄像头采集回来的图像信息，并对其进行处理，再通过无线网络将图像信号远传到上位机。TQ2440开发板采用核心板实验底板设计，更便于开发学习。插针式核心板, 采用六层军工布线设计, 名厂PCB板, 沉金工艺, 具备了较好的电气连接能力,以及较强的抗震性能, 比市面上某些四层板运行程序更加稳定高效。接口丰富，功能强大，适用于各种手持设备，消费电子和工业控制设备的开发。TQ2440开发板实物图如2.3所示：图2.3 TQ2440开发板实物图增强型51单片机STC15F2K61S2这是STC最新的增强型51，相比较传统51，有以下优点：1T STC-Y5 内核，比传统51快6-12倍，内部RAM扩大，传统51为128字节或256字节，它达到了2.25KB，内部高精准可调RC振荡器，有一个16位自动重载定时器，串口波特率设置更灵活，有片内SPI控制器，速度可达1/4主频速度，有片内PWM/PCA控制器，可捕获外部缓冲或者产生PWM，有片内AD，分辨率10位，8通道12。因为本设计中51单片机的主要任务之一便是通过PWM控制步进电机，故自身能产生PWM的STC15F2K61S2便作为首选，并且本设计采集参数较多，对内部RAM的要求也较高，这款芯片无论在运算速度还是在内部资源上均可胜任系统的性能要求，所以本设计用这款增强型51单片机取代了传统的STC89C51系列单片机。图2.4 STC15单片机开发板实物图本系统中STC15F2K61S2单片机作为辅控制芯片，主要负责：通过L293驱动控制直流电机以实现小车的运动。 通过无线数传模块实现与PC机通讯。通过红外避障模块实现小车的避障功能。通过各个传感器采集家居环境参数。2.3.2直流电机驱动模块 为了更好的控制电机，我们采用L293专用芯片驱动直流电机。L293 电机驱动板，可以驱动两个直流电机，每一路L293 输出引出了两个并联的端口，以便控制四轮的小车，左右两边的电机并联运行的。本驱动板，也可以控制D42 步进电机，四线制的步进电机。每个两个驱动门做成一路控制电机的信号，这样可以使电机在四个象限运行，即正转，反转，停车，自由滑行。本设计采用PWM对电机进行调速，因为ENA 与ENB 的使能的控制，在ENA与ENB中分别接入PWM信号，IN1与IN2，和IN3 与IN4，分别可以控制电机的正反转与不转13。图2.5 L293D电机驱动板2.3.3红外避障模块本模块采用一种集发射与接收于一体的光电传感器，检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合14。为使小车能够做出正确的判断我们要先调节红外光电传感器的探测距离，这样可以避免小车探测到过远的物体而做出错误的判断。光电开关传感器有三条线，分别为电源、地、输出。本设计在机器人小车上安装了三个红外避障模块，分别检测小车行进过程中前方、左侧和右侧是否有障碍物。图2.6 红外避障模块2.3.4图像采集模块因为操作系统的限制，在linux-2.6.30.4的内核中，没有从外部移植USB摄像头的驱动，而是直接采用了内核自带的USB摄像头驱动。考虑到系统提供的默认配置单中只添加了对ZC301系列摄像头的配置，故在本设计中直接采用了该系列摄像头。2.3.5无线传输模块在本设计中两块开发板独立与PC机进行通信，故该模块分为两部分，一部分是ARM处理器S3C2440通过无线网卡与PC机通讯，另一部分是增强型51单片机STC15F2K61S2通过无线数传模块与PC机通讯。无线网卡无线网卡是终端无线网络的设备，是不通过有线连接，采用无线信号进行数据传输的终端。从速度来看，无线上网卡现在主流的速率为54M和108M，该性能和环境有很大的关系。本设计采用的是54Mbps，其WLAN传输速度一般在16-30Mbps之间，换算成MB也就是每秒传输速度在2MB-4MB左右。取其中间值3MB，这样的速度要传输100MB的文件需要35秒左右，要传输1GB的文件，则需要至少4分钟以上15。虽然较比108M要慢上许多，但对于本设计来说，已经足够满足设计要求。图2.7 无线网卡无线数传模块采用无线数据传输是本设计的一大亮点。无线传输较比有线传输有成本低廉、适应性好、扩展性好、设备维护更容易实现等优点，是日后通信领域发展的重要方向16。本设计采用APC200A-43无线数传模块来实现51单片机与PC机之间的无线数据传输。APC200A-43模块是高度集成半双工微功率无线数据传输模块，其嵌入高速单片机和高性能射频芯片。创新的采用高效的循环交织纠检错编码，抗干扰和灵敏度都大大提高，最大可以纠24bits连续突发错误，达到业内的领先水平。 APC200A-43模块提供了多个频道的选择，课在线修改串口速率，发射功率，射频速率等各种参数。APC220模块能够透明传输任何大小的数据，而用户无须编写复杂的设置与传输程序，并提供UART/TTL，RS485以及RS232三种接口。同时小体积，宽电压运行，较远传输距离，丰富便捷的软件编程设置功能，使之能够应用于非常广泛的领域17。图2.8 无线数传模块2.3.6环境参数采集模块本设计中的机器人小车不仅采集家居环境图像，同时还采集环境参数，主要包括温度、煤气、火焰三部分。从精度、体积、成本等方面考虑，使用的传感器分别是温度传感器DS18B20、MQ-2烟雾传感器和火焰传感器。此外，本机器人还装有红外热释电传感器模块，当有人接近机器人小车时，也会在上位机上有显示，可以起到安全防盗的作用18。1.温度传感器本模块主要作用是进行温度采集，然后经采集的数据送入单片机STC15F2K61S2里进行分析处理。在本次设计中采用了DS18B20作为数据采集器，它的精度最少可以精确到0.0625，完全可以用来进行环境温度的测量。因为DS18B20 这一特点，非常适合于多点温度检测系统，且硬件结构简单，方便联网，故在仓储管理、工农业生产制造、气象观测、科学研究以及日常生活中被广泛应用。2.烟雾传感器本设计采用的是MQ-2型号的烟雾传感器模块，该模块在较宽的浓度范围内对液化气、丙烷、氢气等可燃气体有良好的灵敏度，在本设计中主要作用是监测家居环境中煤气含量是否超标。3.火焰传感器火焰传感器对火焰最敏感，对普通光也有反应，一般用做火焰报警等用途。该模块可用于各种火焰、火源探测，用在本设计中，可以及时发现家居环境中出现的火灾隐患。4.红外热释电传感器本模块基于热释电红外感应技术，可以应用于人体感应全部产品。当人进入其感应范围则立即输出高电平，人离开感应范围则延时关闭输出，即变为低电平，从而实现智能控制。模块灵敏度高，性能稳定，超低电压工作模式。基于这些功能，当有人接近机器人小车时，该模块就会有感应，并通过单片机将信息传给上位机监控界面。第三章 家庭安防智能机器人的硬件设计3.1 核心模块硬件设计3.1.1 主控制芯片S3C2440本设计采用的是TQ2440系列ARM开发板，其核心板型号是2440V2，S3C2440AL CPU，主频400MHz(最高可达533MHz)，板载64MB SDRAM、256MB Nand Flash和2MB Nor Flash。S3C2440A微处理器是一款由Samsung半导体公司推出的高性能、低功耗、高集成度并具有工业级温度范围和性能的16/32位RISC微处理器, 为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。 S3C2440采用了ARM920t的内核，0.13um 的CMOS 标 宏单元和存储器单元。其低功耗，简单，优雅，且全静态设计特别适合于对成本和功率敏感型的应用。它采用了新的总线架构Advanced Micro controller Bus Architecture (AMBA)。S3C2440A 的杰出的特点是其核心处理器(CPU)，是一个由Advanced RISC Machines 有限公司设计的16/32位ARM920T的RISC处理器。ARM920T实现了MMU，AMBA BUS 和Harvard 高速缓冲体系结构构。这一结构具有独立的16KB 指令Cache和16KB数据Cache。每个都是由具有8字长的行组成。通过提供一套完整的通用系统外设，S3C2440A 减少整体系统成本和无需配置额外的组件。图3.1 S3C2440内部结构框图综合对芯片的功能描述介绍S3C2440A集成的以下片上功能：1.2V内核供电,1.8V/2.5V/3.3V存储器供电，3.3V外部I/O供电具备16KB的I-Cache和16KB DCache/MMU微处理器 外部存储控制器(SDRAM 控制和片选逻辑) LCD 控制器（最大支持4K 色STN 和256K 色TFT）提供1 通道LCD 专用DMA 4通道DMA 并有外部请求引脚 3通道UART(IrDA1.0, 64字节Tx FIFO，和64字节Rx FIFO) 2通道SPI 1通道IIC-BUS接口（多主支持） 1通道IIS-BUS音频编解码器接口 AC97 解码器接口 兼容SD 主接口协议1.0 版和MMC 卡协议2.11 兼容版 2端口USB 主机/1 端口USB 设备（1.1 版） 4通道PWM 定时器和 1 通道内部定时器 / 看门狗定时器 8通道10 比特ADC 和触摸屏接口 具有日历功能的RTC 相机接口（最大4096 4096像素的投入支持。 2048 2048像素的投入，支持缩放） 130 个通用I/O 口和24 通道外部中断源 具有普通，慢速，空闲和掉电模式 具有PLL 片上时钟发生器。型号是2440V2核心板，采用S3C2440AL CPU，主频400MHz（最高可达533MHz）,板载64MB SDRAM、256MB Nand Flash和2MB Nor Flash型号是2440V2核心板，采用S3C2440AL CPU，主频400MHz（最高可达533MHz）,板载64MB SDRAM、256MB Nand Flash和2MB Nor Flash型号是2440V2核心板，采用S3C2440AL CPU，主频400MHz（最高可达533MHz）,板载64MB SDRAM、256MB Nand Flash和2MB Nor Flash3.1.2 辅控制芯片STC15F2K61S2设计中采用STC15F2K61S2芯片作为辅助芯片，用来完成小车驱动以及家居环境采集等功能。芯片描述：SC15F2K61S2单片机是STC生产的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的51单片机，超强抗干扰，高速，高可靠，低功耗，速度比平常单片机快812倍。 特点：(1)大容量2048字节片内RAM数据存储器 (2)在线编程，无需编程器和仿真器 (3)用户可在用户区直接编辑修改用户程序 (4)增强型8051内核，速度比平常的8051单片机快7 12倍 (5)高速ADC，共8通道10位 (6)USB线可实现系统供电，程序下载，通信功能 (7)接口扩展齐全 (8)不需要外部晶振和复位电路 (9)低功耗 ，但价格要比普通51单片机高 图3.2 STC15F2K61S2引脚图3.1.3辅助系统辅助系统主要包括小车的供电和外围辅助电路。 小车供电有三种方案： 方案一：采用实验室有线电源通过稳压芯片供电。 方案二：采用4节1.5V电池供电。方案三：采用网上购买的大容量聚合物防爆锂电池供电（8VDC 3500mAh）。综合三种方案：方案一可以提供稳定的5V电压，但本设计要实现的机器人小车是要能够自由行进的，而采用有线电源则限制了小车的运动，占用资源过大，不简便。方案二简便易操作，从经济角度讲，应当采用可充电电池。但在实验过程中发现，本设计因为涉及两块开发板以及直流电机和各种传感器模块，硬件电路庞大且复杂，该种方案的电源因功率过小，无法驱动系统。方案三采用的锂电池电压稳定，最大瞬间电流达5A，长时间工作电流可达3A或以下，完全可以满足本系统的需要，缺点是成本偏高。最后采用方案三。外围辅助电路主要是指小车硬件电路的焊接，单片机与各模块之间的电路的连接。本设计中的电源除了给两块开发板供电之外，还要驱动两个直流电机，故需要一个稳压电路板即外围辅助电路，将8V的电源转换成5V来给开发板上电。 图3.3 外围辅助电路本次设计通过以上各模块结合可实现远程遥控、智能避障、环境监测等功能，基本实现智能化。我们还可以通过增加模块实现其他的特定功能。 3.2 直流电机驱动模块设计机器人小车的驱动模块主要包括电机驱动小车前进，电机驱动可以采用两种方式:采用H桥式电路驱动或采用专用直流电机驱动电机芯片。H桥式电路是一种最基本的的电路结构，在微型直流电机控制中得到广泛的应用。3.2.1 电机概述电机（英文：Electric machinery，俗称“马达”）是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置。它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。直流电机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。作为电机执行元部件，直流电机内部有一个闭合的主磁路。主磁通在主磁路中流动，同时与两个电路交联，其中一个电路是用以产生磁通的，称为激磁电路；另一个电路是用来传递功率的，称为功率回路或电枢回路。现行的直流电机都是旋转电枢式，即激磁绕组及其所包围的铁芯组成的磁极为定子，带换向单元的电枢绕组和电枢铁芯结合构成直流电机的转子。直流电机有以下四方面的优点：调速范围广，且易于平滑调节过载、起动、制动转矩大易于控制，可靠性高调速时的能量损耗小。所以，在调速要求高的场所直流电机得到了广发的应用。电机是移动机器人的动力源泉，目前常用的控制电机有:电压控制感应电动机(制动电动机或两相伺服电动机)、电压控制直流电动机(DC伺服电动机)、频率控制同步(SM)电动机(步进型伺服电动机)、频率控制感应(IM)电动机(感应型伺服电动机)、频率控制磁阻电动机(步进电动机)等，每种电机又衍生出不同的小类型，不同的电机控制方式、特点和应用场合也不相同。目前移动机器人领域应用较多的是直流电机。直流电机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高的效率，优异的动态特性。尽管近年来不断受到其它电动机(如交流变频电动机、步进电动机等)的挑战，但目前为止，它仍然是大多数调速控制电动机的优先选择。其调速方法有多种，如果采用PWM控制，只需要通过软件改变PWM波的占空比就可实现调速，这对提高移动机器人运动中的灵活性非常有用。另外，随着PWM输出在机器人控制器中的广泛应用，采用直流电机作为驱动电机的应用也越来越多21。 3.2.2 驱动芯片L293简介专用的直流电机驱动芯片，其驱动原理与H桥式电路原理是一致的，本次设计选择的是L293直流电机驱动芯片。L293是ST公司生产的一种高电压、小电流电机驱动芯片。该芯片采用16脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达36V；输出电流大，瞬间峰值电流可达2A，持续工作电流为1A。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和继电器线圈等感性负载。该芯片可以驱动两台直流电机。在L293D电机驱动模块中控制每一路电机，有三个信号，分别是ENA，IN1，IN2；ENB，IN3，IN4。L293的驱动方式比较简单，这里简略说明，L293有两个电压输入，一个是给电机的电压，一个是给芯片工作与控制逻辑的参考电压。L293相当于有四个驱动门，每个IN1，对应一个OUT1，当IN1为高电平时，OUT1输出高电平，电压为VSS，也就是给这个芯片的供电电压。图3.4 直流电机驱动电路该驱动板每个两个驱动门做成一路控制电机的信号，这样可以使电机在四个象限运行，即正转，反转，停车，自由滑行。ENA 与ENB 的使能的控制，如果采用PWM对电机进行调速，可以在ENA与ENB中分别接入PWM信号，IN1与IN2，和IN3 与IN4，分别可以控制电机的正反转与不转。如果利用本电路板去控制步进电机，就把步进的线接到OUT1，OUT2，OUT3，OUT413。 芯片的控制逻辑如表3.1所示。表3.1 L293控制逻辑ENA(B)INl(IN3)IN2(IN4)电机运行情况HHL正转HLH反转H同IN2(IN4)同INl(IN3)快速停止LXX停止L293D可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，亦能满足直流减速电机的大电流要求。调试时在依照上表，用程序输入对应的码值，若能够实现对应的动作，调试通过。另外本设计采用由STC15F2K61S2单片机自带的定时器提供脉冲的PWM脉冲调速，即软件调速。给单片机的定时器赋初值，使其产生一定周期的脉冲，不断调整占空比，就可实现无级调速。而且此种方法不用外加电路，使外围成本降低。3.3 红外避障模块设计3.3.1 方案比较和论证方案1：用超声波传感器进行避障。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声波传感器的原理是：超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收。然后将这信号放大后送入单片机。超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。但是超声波传感器需要40KHz的方波信号来工作，因为超声波传感器对工作频率要求较高，偏差在1内，所以用模拟电路来做方波发生器比较难以实现。而用单片机来做方波发生器未免有些浪费资源22。因此考虑其他的方案。方案2：用红外光电开关进行避障。光电开关可以被用作物位检测、液位控制、产品计数、宽度判别、速度检测、定长剪切、孔洞识别、信号延时、自动门传感、色标检出、冲床和剪切机以及安全防护等诸多领域。此外，利用红外线的隐蔽性，还可在银行、仓库、商店、办公室以及其它需要的场合作为防盗警戒之用。光电开关的工作原理是根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射，受光器最终据此做出判断反应，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。红外避障模块操作简单，使用方便。当有光线反射回来时，输出低电平。当没有光线反射回来时，输出高电平。考虑到本系统只需要检测简单障碍物，没有十分复杂的环境。为了使用方便，便于操作和调试，最终选择了方案2，并且从网上直接购买现成的红外避障模块。3.3.2 红外避障模块此模块是为智能小车、机器人等自动化、智能化和数字化自动装置提供一种距离探测的解决方案。该传感器模块对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，绿色指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号（一个低电平信号）。可通过电位器旋钮调节检测距离，有效距离范围5cm-100cm，工作电压为3.8V-5V，最大工作电流(5V时)电流14mA。该传感器的探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、避障小车、流水线计数及黑白线循迹等众多场合14。其原理图如下图所示3.5：l图3.5 红外避障模块原理图当模块检测到前方障碍物信号时，电路板上绿色指示灯点亮，同时OUT端口持续输出低电平信号。该模块检测距离5100cm，检测角度35，检测距离可以通过电位器进行调节，顺时针调电位器，检测距离增加；逆时针调电位器，检测距离减少。光电开关为数字传感器， NPN常开型光电开关；输出状态是0、1，即数字电路中的低电平和高电平，正常状态输出高电平，检测到目标输出低电平。它可以直接接在单片机I/O口上使用,如果加上拉电阻，上拉电阻的阻值一般在10K左右。3.4 无线传输模块设计3.4.1 Wi-Fi无线传输技术简介Wi-Fi技术 Wi-Fi(Wireless Fidelity,无线高保真)是一种无线通信协议，正式名称是 IEEE802.11b，属于短距离无线通信技术。Wi-Fi速率最高可达11Mb/s。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100 m左右。Wi-Fi是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定区域内，就能以最高约11Mb/s的速度接入Web 。但实际上，如果有多个用户同时通过一个点接入，带宽被多个用户分享，Wi-Fi的连接速度一般将只有几百kb/s的信号，虽不受墙壁阻隔，但在建筑物内的有效传输距离小于户外。WLAN未来最具潜力的应用将主要在SOHO（Small Office Home Office，家居办公）、家庭无线网络以及不便安装电缆的建筑物或场所。目前这一技术的用户主要来自机场、酒店、商场等公共热点场所。Wi-Fi技术可将Wi-Fi与基于XML或Java的Web服务融合起来，可以大幅度减少企业的成本。例如企业选择在每一层楼或每一个部门配备802.11b的接入点，而不是采用电缆线把整幢建筑物连接起来。这样一来，可以节省大量铺设电缆所需花费的资金。最初的IEEE802.11规范是在1997年提出的，称为802.11b，主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技术标准，它的工作频率也是 2.4GHz，与无绳电话、蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共享同一频段。随着Wi-Fi协议新版本 如802.11a和802.11g 的先后推出，Wi-Fi的应用将越来越广泛。速度更快的802.11g使用与802.11b相同的正交频分多路复用调制技术。它工作在2.4GHz频段，速率达54Mb/s。根据最近国际消费电子产品的发展趋势判断，802.11g将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准。微软推出的桌面操作系统WindowsXP和嵌入式操作系统WindowsCE，都包含了对Wi-Fi的支持23。本设计中的机器人小车就是通过wifi无线网络与PC机进行通信的，因为两块开发板独立通信，故采用了无线数传模块和无线网卡两种无线传输模块。3.4.2 无线数传模块因为无线数据传输具有很多有线传输不具备的优点，其应用范围越来越广。本设计采用的是最普遍的一种无线数传模块APC220A-43，该模块是新一代的多通道嵌入式无线数传模块，其可设置众多的频道，步进精度为1KHz，发射功率高达20 mW，而仍然具有较低的功耗，体积37mm x 17mm x6.5mm（不含天线座和引脚插头），为业内目前最小体积，非常方便客户嵌入系统之内。APC220A-43 模块创新的采用了高效的循环交织纠检错编码，最大可以纠24bits 连续突发错误，其编码增益高达近3dBm，纠错能力和编码效率均达到业内的领先水平，远远高与一般的前向纠错编码，抗突发干扰和灵敏度都较大的改善。同时编码也包含可靠检错能力，能够自动滤除错误及虚假信息，真正实现了透明的连接。所以APC220A-43 模块特别适合与在工业领域等强干扰的恶劣环境中使用。256bytes 超大容量缓冲区，意味着用户在任何状态下都可以1 次传输256bytes 的数据，当设置空中波特率大于串口波特率时，可1 次传输无限长度的数据，同时SDT-APC220A-43 模块提供标准的UART/TTL接口， 1200/2400/4800/9600、19200bps 五种速率，和三种接口校验方式。在数据传输方式上，APC220A-43模块外部接口采用透明数据传输方式。透明数据传输能适应任何标准或非标准的用户协议，所收的数据就是所发的数据17。APC220A-43 模