傳感技術在救援機器人中的應用研究

摘要：在災難救援中，救援人員只有非常短的時間來尋找幸存者，采用救援機器人可以有效避免二次傷害并為救援人員提供幫助，通過救援機器人對救援環境的基本情況進行檢測是必須的。本文從救援機器人中傳感技術的角度開展了有針對性的研究，選擇了合適的溫度、濕度、氣體傳感器，并進行了軟硬件設計。

關鍵詞：傳感技術；救援機器人；軟硬件設計

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）15-0150-02

在世界各地，由于自然災害、恐怖活動和各種突發事故等原因，災難經常發生。在災難救援中，救援人員要在48小時內在倒塌的廢墟中尋找幸存者，否則發現幸存者的幾率幾乎為零。在這種緊急而危險的情況下，無線可視救援機器人的應用可以有效避免二次傷害并為救援人員提供幫助。因此，開展無線可視救援機器人相關技術的開發和應用研究具有非常重要的意義，本文從無線可視救援機器人中傳感技術的角度開展了有針對性的研究。

一、溫度傳感器的選型和設計

無線可視救援機器人在工作現場，可以感受到救援現場的溫度，對救援現場的溫度進行實時監測，需要溫度傳感器來實現。

1.溫度傳感器簡介。溫度傳感器是利用物質各種物理性質隨溫度變化的規律把溫度轉換為電量的傳感器。溫度傳感器按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。隨著電子技術的不斷發展，將溫度敏感元件和有關的測量轉換電路集成在一個芯片上，形成一個一體化、小型化、多功能化的專用集成電路芯片。

2.溫度傳感器選擇。在本設計中，溫度測量主要是對機器人所處的環境進行溫度檢測，同時把檢測到的溫度送給操作臺的液晶顯示塊進行數字顯示。根據我國的具體氣候情況，溫度測量范圍在-50℃～60℃即可滿足室外溫度檢測需求，測量精度要求達到±0.5℃，要求在粉塵、噪音比較大的工作環境中能夠正常工作。為了減小機器人自身的重量，盡可能地減少外圍電路，減少系統設計的復雜性，增加系統設計的抗干擾性，從測量范圍、測量精度以及抗干擾能力綜合考慮，本設計選用溫度傳感器DS18B20。

3.溫度采集軟硬件設計。DS18B20輸出的是數字信號，可以直接和單片機的I/O口相連，DS18B20在本系統中與發送端單片機的P3.3連接。通過單片機控制，溫度傳感器DS18B20采集的數字信號最后顯示在控制臺的液晶顯示塊上。DS18B20的輸出DQ端和救援車的控制單片機STC15F2K61S2的P3.3口相連。工作時，先對DS18B20初始化。首先對DQ端復位，稍作延時（大約80US）后，將DQ端拉低，精確延時（大于480US），拉高總線，再稍做延時（大約100US），DS18B20初始化成功。然后，讀取溫度寄存器（共可讀9個寄存器，前兩個就是溫度）中的數據，對溫度數據處理后，通過液晶模塊12864顯示。

二、濕度傳感器的選型和設計

1.濕度傳感器簡介。濕度傳感器一般分為電阻式和電容式兩種。隨著現代電子技術的發展，出現了集成濕度傳感器。它是將濕敏元件和它的測量轉換電路集成在一個小芯片上，構成一個一體化、小型化、多功能的專用集成電路芯片。集成濕度傳感器的測量范圍一般可以達到0%～100%。

2.濕度傳感器選擇。本設計需要檢測救援車所處實際環境的相對濕度，根據我國的具體氣候情況，測量范圍在20%～90%之間即可，測量精度要達到±2%，對粉塵和惡劣環境的抗干擾能力強，因此采用線性頻率輸出式濕度傳感器HS1101，它是基于獨特工藝設計的電容元件，具有可靠性高、穩定性好、反應時間快等優點。

3.濕度采集軟硬件設計。電容傳感器HS1101在電路中可以等效成一個可變電容（它的電容值會隨著被測空氣濕度變化而變化）。本設計中，將HS1101放在555振蕩電路中，將HS1101電容值的變化轉變為可直接和單片機相連的頻率信號，測量電路如圖1所示。

測濕電路的輸出是頻率信號，可以直接和單片機的I/O口相連，一開始，單片機判斷I/O口是否發生變化，如果變化了，就打開定時器計數，當I/O再次發生變化，停止計數，然后把定時器變化的值乘2取倒數就是它的頻率了，單片機再根據濕度與輸出頻率的關系，求得環境的濕度，顯示在操作臺液晶顯示塊12864上。

三、氣體傳感器的選型和設計

1.氣體傳感器簡介。目前，在民用氣體檢測方面使用比較普遍的是電阻式半導體氣體傳感器，主要是指半導體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器，是一種用金屬氧化物薄膜（例如：SN02，ZNO，FE203，TI02等）制成的阻抗器件，它的電阻值會隨著被測氣體濃度的變化而變化。

2.氣體傳感器選擇。在地震、火災或礦難現場，一般會產生有害氣體和可燃氣體。MQ系列氣敏元件可以實現對不同氣體濃度的檢測。本設計是在災難現場檢測可燃氣體或者有害氣體的濃度，可以根據實際情況選擇對不同氣體敏感的傳感器。在這里，選擇檢測可燃氣體的MQ-2氣敏元件。在實際應用中，可根據災難現場的實際情況選擇MQ系列的其他元件。

3.氣體濃度采集軟硬件設計。MQ-2測量轉換電路如圖2所示。本模塊設計具有雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出），TTL輸出有效信號為低電平（當輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機），模擬量輸出0-5V電壓，濃度越高電壓越高，對液化氣、天然氣、城市煤氣、煙霧有較好的靈敏度。

選擇MQ-2的測量裝換電路DOUT（TTL高低電平）端直接接救援車單片機SC15F2K61S2的P1.0口，初始化后，采集MQ-2測量轉換電路DOUT端輸出的TTL數字信號，采集數據經處理后顯示在液晶顯示塊12864上。

救援機器人在工作中要對其所處的環境進行反饋，即對環境的溫度、濕度和空氣狀況進行監測，本文通過對溫度、濕度和氣體檢測手段進行分析，選擇了合適的傳感器，對其檢測模塊所需傳感器進行選型和軟硬件設計，設計經過實際調試已成功，工作安全可靠，抗干擾能力較強。

作者簡介：喬崢（1984-），女，鄂東職業技術學院講師，碩士，研究方向：傳感器的開發和應用。endprint

摘要：在災難救援中，救援人員只有非常短的時間來尋找幸存者，采用救援機器人可以有效避免二次傷害并為救援人員提供幫助，通過救援機器人對救援環境的基本情況進行檢測是必須的。本文從救援機器人中傳感技術的角度開展了有針對性的研究，選擇了合適的溫度、濕度、氣體傳感器，并進行了軟硬件設計。

關鍵詞：傳感技術；救援機器人；軟硬件設計

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）15-0150-02

在世界各地，由于自然災害、恐怖活動和各種突發事故等原因，災難經常發生。在災難救援中，救援人員要在48小時內在倒塌的廢墟中尋找幸存者，否則發現幸存者的幾率幾乎為零。在這種緊急而危險的情況下，無線可視救援機器人的應用可以有效避免二次傷害并為救援人員提供幫助。因此，開展無線可視救援機器人相關技術的開發和應用研究具有非常重要的意義，本文從無線可視救援機器人中傳感技術的角度開展了有針對性的研究。

一、溫度傳感器的選型和設計

無線可視救援機器人在工作現場，可以感受到救援現場的溫度，對救援現場的溫度進行實時監測，需要溫度傳感器來實現。

1.溫度傳感器簡介。溫度傳感器是利用物質各種物理性質隨溫度變化的規律把溫度轉換為電量的傳感器。溫度傳感器按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。隨著電子技術的不斷發展，將溫度敏感元件和有關的測量轉換電路集成在一個芯片上，形成一個一體化、小型化、多功能化的專用集成電路芯片。

2.溫度傳感器選擇。在本設計中，溫度測量主要是對機器人所處的環境進行溫度檢測，同時把檢測到的溫度送給操作臺的液晶顯示塊進行數字顯示。根據我國的具體氣候情況，溫度測量范圍在-50℃～60℃即可滿足室外溫度檢測需求，測量精度要求達到±0.5℃，要求在粉塵、噪音比較大的工作環境中能夠正常工作。為了減小機器人自身的重量，盡可能地減少外圍電路，減少系統設計的復雜性，增加系統設計的抗干擾性，從測量范圍、測量精度以及抗干擾能力綜合考慮，本設計選用溫度傳感器DS18B20。

3.溫度采集軟硬件設計。DS18B20輸出的是數字信號，可以直接和單片機的I/O口相連，DS18B20在本系統中與發送端單片機的P3.3連接。通過單片機控制，溫度傳感器DS18B20采集的數字信號最后顯示在控制臺的液晶顯示塊上。DS18B20的輸出DQ端和救援車的控制單片機STC15F2K61S2的P3.3口相連。工作時，先對DS18B20初始化。首先對DQ端復位，稍作延時（大約80US）后，將DQ端拉低，精確延時（大于480US），拉高總線，再稍做延時（大約100US），DS18B20初始化成功。然后，讀取溫度寄存器（共可讀9個寄存器，前兩個就是溫度）中的數據，對溫度數據處理后，通過液晶模塊12864顯示。

二、濕度傳感器的選型和設計

1.濕度傳感器簡介。濕度傳感器一般分為電阻式和電容式兩種。隨著現代電子技術的發展，出現了集成濕度傳感器。它是將濕敏元件和它的測量轉換電路集成在一個小芯片上，構成一個一體化、小型化、多功能的專用集成電路芯片。集成濕度傳感器的測量范圍一般可以達到0%～100%。

2.濕度傳感器選擇。本設計需要檢測救援車所處實際環境的相對濕度，根據我國的具體氣候情況，測量范圍在20%～90%之間即可，測量精度要達到±2%，對粉塵和惡劣環境的抗干擾能力強，因此采用線性頻率輸出式濕度傳感器HS1101，它是基于獨特工藝設計的電容元件，具有可靠性高、穩定性好、反應時間快等優點。

3.濕度采集軟硬件設計。電容傳感器HS1101在電路中可以等效成一個可變電容（它的電容值會隨著被測空氣濕度變化而變化）。本設計中，將HS1101放在555振蕩電路中，將HS1101電容值的變化轉變為可直接和單片機相連的頻率信號，測量電路如圖1所示。

測濕電路的輸出是頻率信號，可以直接和單片機的I/O口相連，一開始，單片機判斷I/O口是否發生變化，如果變化了，就打開定時器計數，當I/O再次發生變化，停止計數，然后把定時器變化的值乘2取倒數就是它的頻率了，單片機再根據濕度與輸出頻率的關系，求得環境的濕度，顯示在操作臺液晶顯示塊12864上。

三、氣體傳感器的選型和設計

1.氣體傳感器簡介。目前，在民用氣體檢測方面使用比較普遍的是電阻式半導體氣體傳感器，主要是指半導體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器，是一種用金屬氧化物薄膜（例如：SN02，ZNO，FE203，TI02等）制成的阻抗器件，它的電阻值會隨著被測氣體濃度的變化而變化。

2.氣體傳感器選擇。在地震、火災或礦難現場，一般會產生有害氣體和可燃氣體。MQ系列氣敏元件可以實現對不同氣體濃度的檢測。本設計是在災難現場檢測可燃氣體或者有害氣體的濃度，可以根據實際情況選擇對不同氣體敏感的傳感器。在這里，選擇檢測可燃氣體的MQ-2氣敏元件。在實際應用中，可根據災難現場的實際情況選擇MQ系列的其他元件。

3.氣體濃度采集軟硬件設計。MQ-2測量轉換電路如圖2所示。本模塊設計具有雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出），TTL輸出有效信號為低電平（當輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機），模擬量輸出0-5V電壓，濃度越高電壓越高，對液化氣、天然氣、城市煤氣、煙霧有較好的靈敏度。

選擇MQ-2的測量裝換電路DOUT（TTL高低電平）端直接接救援車單片機SC15F2K61S2的P1.0口，初始化后，采集MQ-2測量轉換電路DOUT端輸出的TTL數字信號，采集數據經處理后顯示在液晶顯示塊12864上。

救援機器人在工作中要對其所處的環境進行反饋，即對環境的溫度、濕度和空氣狀況進行監測，本文通過對溫度、濕度和氣體檢測手段進行分析，選擇了合適的傳感器，對其檢測模塊所需傳感器進行選型和軟硬件設計，設計經過實際調試已成功，工作安全可靠，抗干擾能力較強。

作者簡介：喬崢（1984-），女，鄂東職業技術學院講師，碩士，研究方向：傳感器的開發和應用。endprint

摘要：在災難救援中，救援人員只有非常短的時間來尋找幸存者，采用救援機器人可以有效避免二次傷害并為救援人員提供幫助，通過救援機器人對救援環境的基本情況進行檢測是必須的。本文從救援機器人中傳感技術的角度開展了有針對性的研究，選擇了合適的溫度、濕度、氣體傳感器，并進行了軟硬件設計。

關鍵詞：傳感技術；救援機器人；軟硬件設計

中圖分類號：G712 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）15-0150-02

在世界各地，由于自然災害、恐怖活動和各種突發事故等原因，災難經常發生。在災難救援中，救援人員要在48小時內在倒塌的廢墟中尋找幸存者，否則發現幸存者的幾率幾乎為零。在這種緊急而危險的情況下，無線可視救援機器人的應用可以有效避免二次傷害并為救援人員提供幫助。因此，開展無線可視救援機器人相關技術的開發和應用研究具有非常重要的意義，本文從無線可視救援機器人中傳感技術的角度開展了有針對性的研究。

一、溫度傳感器的選型和設計

無線可視救援機器人在工作現場，可以感受到救援現場的溫度，對救援現場的溫度進行實時監測，需要溫度傳感器來實現。

1.溫度傳感器簡介。溫度傳感器是利用物質各種物理性質隨溫度變化的規律把溫度轉換為電量的傳感器。溫度傳感器按測量方式可分為接觸式和非接觸式兩大類。隨著電子技術的不斷發展，將溫度敏感元件和有關的測量轉換電路集成在一個芯片上，形成一個一體化、小型化、多功能化的專用集成電路芯片。

2.溫度傳感器選擇。在本設計中，溫度測量主要是對機器人所處的環境進行溫度檢測，同時把檢測到的溫度送給操作臺的液晶顯示塊進行數字顯示。根據我國的具體氣候情況，溫度測量范圍在-50℃～60℃即可滿足室外溫度檢測需求，測量精度要求達到±0.5℃，要求在粉塵、噪音比較大的工作環境中能夠正常工作。為了減小機器人自身的重量，盡可能地減少外圍電路，減少系統設計的復雜性，增加系統設計的抗干擾性，從測量范圍、測量精度以及抗干擾能力綜合考慮，本設計選用溫度傳感器DS18B20。

3.溫度采集軟硬件設計。DS18B20輸出的是數字信號，可以直接和單片機的I/O口相連，DS18B20在本系統中與發送端單片機的P3.3連接。通過單片機控制，溫度傳感器DS18B20采集的數字信號最后顯示在控制臺的液晶顯示塊上。DS18B20的輸出DQ端和救援車的控制單片機STC15F2K61S2的P3.3口相連。工作時，先對DS18B20初始化。首先對DQ端復位，稍作延時（大約80US）后，將DQ端拉低，精確延時（大于480US），拉高總線，再稍做延時（大約100US），DS18B20初始化成功。然后，讀取溫度寄存器（共可讀9個寄存器，前兩個就是溫度）中的數據，對溫度數據處理后，通過液晶模塊12864顯示。

二、濕度傳感器的選型和設計

1.濕度傳感器簡介。濕度傳感器一般分為電阻式和電容式兩種。隨著現代電子技術的發展，出現了集成濕度傳感器。它是將濕敏元件和它的測量轉換電路集成在一個小芯片上，構成一個一體化、小型化、多功能的專用集成電路芯片。集成濕度傳感器的測量范圍一般可以達到0%～100%。

2.濕度傳感器選擇。本設計需要檢測救援車所處實際環境的相對濕度，根據我國的具體氣候情況，測量范圍在20%～90%之間即可，測量精度要達到±2%，對粉塵和惡劣環境的抗干擾能力強，因此采用線性頻率輸出式濕度傳感器HS1101，它是基于獨特工藝設計的電容元件，具有可靠性高、穩定性好、反應時間快等優點。

3.濕度采集軟硬件設計。電容傳感器HS1101在電路中可以等效成一個可變電容（它的電容值會隨著被測空氣濕度變化而變化）。本設計中，將HS1101放在555振蕩電路中，將HS1101電容值的變化轉變為可直接和單片機相連的頻率信號，測量電路如圖1所示。

測濕電路的輸出是頻率信號，可以直接和單片機的I/O口相連，一開始，單片機判斷I/O口是否發生變化，如果變化了，就打開定時器計數，當I/O再次發生變化，停止計數，然后把定時器變化的值乘2取倒數就是它的頻率了，單片機再根據濕度與輸出頻率的關系，求得環境的濕度，顯示在操作臺液晶顯示塊12864上。

三、氣體傳感器的選型和設計

1.氣體傳感器簡介。目前，在民用氣體檢測方面使用比較普遍的是電阻式半導體氣體傳感器，主要是指半導體金屬氧化物陶瓷氣體傳感器，是一種用金屬氧化物薄膜（例如：SN02，ZNO，FE203，TI02等）制成的阻抗器件，它的電阻值會隨著被測氣體濃度的變化而變化。

2.氣體傳感器選擇。在地震、火災或礦難現場，一般會產生有害氣體和可燃氣體。MQ系列氣敏元件可以實現對不同氣體濃度的檢測。本設計是在災難現場檢測可燃氣體或者有害氣體的濃度，可以根據實際情況選擇對不同氣體敏感的傳感器。在這里，選擇檢測可燃氣體的MQ-2氣敏元件。在實際應用中，可根據災難現場的實際情況選擇MQ系列的其他元件。

3.氣體濃度采集軟硬件設計。MQ-2測量轉換電路如圖2所示。本模塊設計具有雙路信號輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出），TTL輸出有效信號為低電平（當輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機），模擬量輸出0-5V電壓，濃度越高電壓越高，對液化氣、天然氣、城市煤氣、煙霧有較好的靈敏度。

選擇MQ-2的測量裝換電路DOUT（TTL高低電平）端直接接救援車單片機SC15F2K61S2的P1.0口，初始化后，采集MQ-2測量轉換電路DOUT端輸出的TTL數字信號，采集數據經處理后顯示在液晶顯示塊12864上。

救援機器人在工作中要對其所處的環境進行反饋，即對環境的溫度、濕度和空氣狀況進行監測，本文通過對溫度、濕度和氣體檢測手段進行分析，選擇了合適的傳感器，對其檢測模塊所需傳感器進行選型和軟硬件設計，設計經過實際調試已成功，工作安全可靠，抗干擾能力較強。

作者簡介：喬崢（1984-），女，鄂東職業技術學院講師，碩士，研究方向：傳感器的開發和應用。endprint