教学机器人多路传感器数据采集系统

黄锋

摘要：该文设计了教学机器人感知系统中的多路传感器数据采集系统，包含温度检测模块、湿度检测模块、气体浓度检测模块和角位移检测模块。系统以C8051F020单片机为控制核心，将多路传感器对位移、温度、湿度、气体浓度测量数据显示在操作台液晶面板进行显示，对教学机器人所处实际环境进行监测。

关键词：教学机器人；传感器；数据采集；C8051F020

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）33-0275-02

1 教学机器人的功能和机构

在教学移动机器人系统中，机器人要通过传感器采集所处位置的数据信息，来完成避障和规划路径等工作。为了在复杂的环境中获得更多的有效信息，因此机器人上需安装不同类型的传感器。

无线可视教学机器人由救援车、侦察车和操作台三部分组成。侦察车放在救援车上面，在救援车不能到达的地方，通过操作台控制救援车的升降台降落放下侦察车进行侦查。 救援车和侦察车上装载有多角度的无线摄像头，实验人员可以在可视范围内通过操作台对救援车、侦察车进行操作和控制。操作台上有一个和救援车机械手1：1比例的模拟机械手，通过手动操作模拟机械手，通过无线通讯模块发出指令对救援车机械手会做出同样的动作，控制机器人现场动作。

2 系统的硬件组成

数据采集模块包含温度检测模块、湿度检测模块、气体浓度检测模块和角位移检测模块。教学机器人在工作的过程中，通过温度、湿度和气体传感器采集救援现场的温度、湿度和气体浓度情况，同时，操作台上的模拟机械手要远程同步控制救援车的机械手，需要通过位移传感器采集模拟机械手移动的位移数据。

2.1 温度检测模块

本设计需要对教学机器人救援环境的温度进行检测，将测量的温度数据送给操作台液晶12864上显示，为了减小教学机器人的外围电路和自身的重量，使温度检测模块简单化，用数字滤波方法来抑制随机噪声的影响。结合外围电路设计、测量结构以及抗干扰能力综合考虑，温度检测模块使用DS18B20温度传感器。

DS18B20输出的是数字信号，可以直接和单片机C8051F020的输入/输出端相连。如图1所示。救援车的温度传感器DS18B20采集的数字信号通过发送端口P3.3发送给C8051F020进行处理，最后在液晶模块12864显示。

2.2 湿度检测模块

湿度传感器的工作原理是利用它的湿度敏感元件吸收空气中的水蒸气，改变了它的物理或化学特性，检测出被测环境中的湿度。我国相对湿度测量范围20%-89.9%之间，测量精度控制在[±]1.99%，本设计采用Humirel公司生产的HS1101湿度传感器，具有输出信号强，可以输出与相对湿度呈比例关系的伏特级电压信号，有较快的响应速度和较强的抗干扰和抗污染能力，可用于输出回路当中。

该传感器把电容传感器和NE555一起连接到电路中，测湿电路图如图2所示。NE555电路原理的基本包括为：当THR端和TRIG端同时输入为高电平时，OUT端输出为低电平；当THR端和TRIG端同时输入低电平时，OUT端输出为高电平。在这个电路中，555定时器利用这个功能输出频率信号的。

2.3 气体浓度检测模块

气体传感器是将被测气体体积百分比转化成对应电压、频率或电流信号的检测装置，它主要用来测量气体的成份和浓度。它一般由气敏元件和测量转换电路组成。工作过程中，通常都需要加热，气体有很多种类，有的能使人中毒，有的容易发生燃烧和爆炸。MQ系列气体传感器能够检测出各种不同种类气体的浓度。本设计气体浓度检测模块选用的MQ-2传感器，MQ-2气体传感器通常用于对天然气和其他可燃蒸汽的检测，特别对液化气（LPG）、丙烷（C3H8）、氢气（H2）的灵敏度比较高。该传感器可检测多种可燃气体，成本低，使用广泛。

该传感器的基本测量电路需要施加两个电动势：加热器电压[VH]和测量电压[Vc]。当中的[VH]是用来为MQ-2提供具体的工作温度，[Vc]是用来确定与MQ-2负载电阻[RL]上的压降[VRL]，这种传感器具有很小的直流电源。如果不形象传感器的输入输出性能，在满足传感器电性能要求的前提下，加热器电压[VC]和测量电压[VH]能够共用一个电源线路。为更好地利用传感器的性能，需要选择适当的值的[RL]。如图3所示的基本测试电路。

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2.4 角位移检测模块

通过手动控制控制台模拟机械手来实现对救援车机械手臂的控制，需要传感器对模拟机械手的动作进行数据采集，从而对机械手臂进行实时控制。我们选用6个角位移传感器来实现对模拟机械手的动作采集，为了获得较高的控制精度，角位移传感器选用具有高精度的WDD35D4。

本设计模拟机械手由6个WDD35D4位移传感器组成，工作人员控制模拟机械手时，6个WDD35D4位移传感器滑动臂随着移动，电阻值随之发生变化，由分压电路将输出电压送给C8051F020 P1口的六个通道，单片机进行数據采集时，首先对P1口的六个通道进行初始化，然后采集6个WDD35D4的输出电压数据，加密后经过操作台无线传输器NRF905发送。然后由救援车无线传输器NRF905接收解密，经过数据处理，使救援车机械手与模拟机械手动作角度1：1对应，6个WDD35D4的测量转换电路如图4所示。

3 结束语

教学机器人数据采集系统，主要通过多路传感器的应用达到对数据采集的目的，并通过无线模块将数据传送给下位机，使其数据显示在液晶12864上，，已达到数据采集和传输的过程，使工作人员在监控显示器上观测到采集的数据，并通过C8051F020单片机指示机器人进行搜救工作，方便工作人员对机器人的控制。

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