基于藍牙的生命探測機器人控制系統設計

，

(江蘇信息職業技術學院機電工程學院，江蘇無錫，214153)

1 引言

目前，人類社會處于和平年代，人們的生命財產安全得到了極大的保障，但是有時發生的地震，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場，幫助外面人員了解內部情況。隨著藍牙技術的日趨成熟，作為一種穩定的數字無線電技術，藍牙在工程上得到了廣泛應用 。

該系統完成了一個基于藍牙的生命探測機器人設計，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、右轉、加速、減速，以及探測物體的移動；該控制系統四輪小車為載體，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，實現了以低成本完成高要求的智能化設備控制要求 。

2 系統概述

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

1)當發現附近有動物時，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生，，傳給手機APP并進行顯示。

3 系統硬件設計

機器人的硬件電路由電源電路、控制器電路、電機驅動電路、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電壓進行穩壓并轉換為5V給藍牙模塊，電機驅動模塊、紅外人體檢測模塊供電，然后再將5V進行穩壓并轉化為3.3V給單片機供電。電源部分是整個硬件系統的關鍵，它的穩定性直接決定機器人的可靠性。系統需要用到7.2V、5V、3.3V，所以需要對電池電壓進行轉換穩壓，常用的穩壓芯片有LM系列、1117系列。這里使用LM7805穩定5V電壓、AMS1117-3.3穩定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。

電機驅動使用L298N直流電機驅動芯片，它可以同時驅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。系統選擇車輪式機械結構，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動。直流電機具有轉矩大、轉速易調節等優點，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，為了保證模塊的穩定性，系統使用5V電源為藍牙模塊供電。系統使用的藍牙模塊為HC-05，它具有4個端口，一個VCC，一個GND，一個RX，用于接收串口數據、一個TX，用于發送串口數據。

4 系統軟件設計

4.1 程序概況

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

電機驅動程序主要是控制PWM波的輸出，直流電機通過L298N模塊驅動，通過給該模塊信號硬件不同占空比的脈沖就可以實現直流電機的調速。系統只需要使用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，然后循環讀取該IO口的狀態即可檢測是否有人。

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

傳感器輸出的是數字信號，即只有高低電平之分，為了使讀取的數據更加穩定，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 電機驅動程序

電機驅動程序完成的是PWM波的產生，以及PWM波占空比的調節。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，系統選用TIM3，TIM3定時器一共產生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，系統使用的STM32F103C8T6具有三個串口，但系統只用到了一個串口。

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，當超過設定值，藍燈閃爍報警。濕度傳感器檢測現場的濕度情況，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、轉彎、速度等，以及監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據通過無線的方式傳給外面的人員，讓搜救人員了解廢墟內部的情況，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備了。可以減小制作成本，方便使用。

5 結束語

本次設計已經完成對生命探測機器人的控制功能實現，完全可以作為一套簡易系統投入使用，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。