以单片机为控制系统的爬杆机器人设计

钟明珠，贺雪峰

国网福建省电力有限公司惠安县供电公司，福建 泉州 362100

0 引言

电力线路在输电、配电、供电过程中起着重要的作用，电线杆对电力线路起着支持、承载作用。日常巡检或检修电力线路时，人工攀爬电线杆不但费时费力，而且容易受伤，因此，文章研究设计了一种单片机控制的爬杆机器人，对于电力线路的维护及发展很有意义。

1 系统总体设计

1.1 总体设计方案

系统采用STC12单片机作为控制芯片，主要由STC12单片机最小系统模块、蓝牙传输模块、电机驱动模块、液晶显示模块、超声波传感器模块组装成具有爬杆功能的机器人，最终实现对杆上线路情况的分析及维护。在给机器人上电时，单片机发出方波信号来启动超声波，这时超声波发射出信号，直到声波反射回来超声波接收次反射信号，应用相关公式转换成距离显示出来[1-2]。单片机控制OLED液晶屏显示距离，保证了时刻记录爬杆机器人的行程。使用HC-05蓝牙通信模块将机器人的爬行及停止通过地面的指令进行控制，让机器人自由地向上、向下及停止行走，实现机器人自由行程的功能。

1.2 单片机的选择

单片机是主要的控制芯片，可以读取外部输入进来的信号，通过一系列处理，从而输出对应的电平来实现相关控制，综合考虑各方面条件和因素，文章在设计时选择了性价比较高的STC12单片机。

1.3 无线通信模块的论证与选择

方案一：使用HC-05蓝牙模块。该蓝牙模块价格合适，虽检测范围小，但是足够此次设计使用。方案二：使用NRF24L01无线通信模块。此模块可以在200 m的范围内精确传输，一次性可以传输32字节的数据。使用时，将其内部寄存器配置好地面手机蓝牙串口，写入相应的指令就可以控制单片机，然后驱动相应的元器件工作，使用方便简单。

综上，蓝牙模块可以满足此次机器人爬杆，定点及向上、向下爬行的控制，而且这个模块价格适当，可以用手机下载串口，与之建立通信模式。故选择方案一。

1.4 显示屏方案选择

方案一：采用LCD1602。用此液晶显示屏来显示机器人对地的距离。该款液晶屏具有体积小、操作简单、能耗低、价格相对便宜等优点，其缺点是由于体积不大，可以显示的内容不多，分辨率也不够高，显示出来的字体是固定不变的，不可以调整。方案二：采用TFTLCD。用此液晶显示屏来显示机器人对地的距离。这个液晶显示屏的优点是分辨率高，显示的内容非常清晰，而且它反应灵敏，显示速度快，还可以显示彩色的内容；缺点是因为分辨率高，耗电快，价格也相对高昂。

对比以上两种方案，结合经济情况，综合考虑后选择了第一种方案。

1.5 传感器的方案选择

方案一：采用红外传感器。用此传感器对爬杆机器人对地的距离进行测量时，传感器对信号回应速度很快，在没有干扰的情况下所测量的结果比较准确。但是它抗干扰的能力较差，容易受到周围光线的影响，如果机器人所测地点光线太强或者在测量过程中有其他光线照进来，都会造成很大影响。而且其价格也相对较高。方案二：采用超声波传感器。用此传感器对爬杆机器人对地的距离进行测量时，可测距离更远，测量结果准确性较高，价格也比较合适，测量时几乎不受外界环境的干扰。但是，如果距离较近，发射和接收也会受到较大影响。

对比以上两种方案，结合经济情况，综合考虑后选择了第二种方案。

2 系统的硬件设计

2.1 单片机主控制电路设计

主要控制芯片选用STC12C5A60S2，单片机的最小系统就是以此芯片作为基础。该控制电路主要由以下三个部分构成[3]。（1）电源部分：电源部分为整个系统提供能量，第40脚接电源+5 V是VCC脚，第20脚是GND，通常接地。（2）复位电路部分：单片机的初始化任务都由此来完成。它由第9脚引出，接一个10 uF的电容和一个10 K的电阻即可。（3）晶振电路部分：分别由第18脚XTAL2和第19脚XTAL1引出，晶振采用频率为11.059 2 MHz的，保证了单片机的工作节拍。

2.2 超声波模块的电路设计

此次设计使用最常见到的超声波传感器HC-SR04模块，整个模块使用简单，扩展出来就四个引脚，分别是电源引脚VCC和GND，需要提供5 V的直流电，TRIG脚和ECHO脚分别为控制脚和信号接收脚。TRIG脚是触发引脚，当单片机控制HC-SR04模块开始工作时，此脚被激活。其工作原理是两个孔通过发射和接收声波然后使用公式（s=340t/2）来测量距离。声波信号由于空气阻力等干扰在传播过程中可能会被慢慢削弱，为了避免削弱较多，设计了放大电路，安装在超声波的接收电路上，用来放大信号。为了保证发射端口可以产生12 us的方波信号且每组有12个脉冲宽度，可以选择一块压电晶片（也叫超声波探头）来完成这两项工作，其超声波特性较好，有理想的折反射性能，并产生多普勒效应，被广泛应用于医学方面。

2.3 显示模块电路设计

测距仪采用OLED液晶屏，OLED有机发光二极管又被称为有机电激光显示。OLED显示技术具有自发光的特性，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时，这些有机材料就会发光。而且OLED显示屏幕可视角度大，功耗低，相比于LCD屏的功耗大、需要背光，OLED屏的显示效果更佳，更加适合小系统。其模块供电电压可以是3.3 V，也可以是5 V，不需要修改模块电路，包含控制OLED的亮度及对比度、开关升压电路等多种指令，操作方便，功能丰富，可显示汉字、ASCII、图案等。

3 系统软件设计

3.1 系统主程序设计

系统一旦启动，首先要完成程序初始化，包括定时器和液晶显示器的初始化。定时器0工作时，将ET0设置为低电平，TR设置为高电平。初始化LCD1602时，首先将指令写入1602，显示模式为2行32位，端口输出设置为8位。同时，还要做一些基本设置，包括光标不显示、整屏不移动等。初始化完成后，系统开始执行主循环，它是被中断控制的。中断控制一共有3个时间标志位，具体的实施方案是当初始值被定时器0设置好后，每次中断大概间隔为10 us，一次中断就让其值加1。

3.2 超声波模块程序设计

工作原理：先控制单片机发送一个10 us的高电平给HC-SR04的TRIG引脚，超声波模块被启动后，其发射端发射出8个40 kHz的声波信号，一旦定时器开始工作，接收头就开始寻找回波，此时电平从低电平转向高电平的Echo引脚开始工作。如果发射的声波信号碰到地面，且接收头检测到返回波，Echo引脚的电平发生相反的转化。从发出到接收的时间都会被定时器记录，单片机会记录此时间并换成具体时间数值。

3.3 显示模块程序设计

在I2C总线传输过程中，将两种特定的情况定义为开始和停止条件。当SCL保持“高”时，SDA由“高”变为“低”为开始条件；当SCL保持“高”且SDA由“低”变为“高”时为停止条件。开始和停止条件均由主控制器产生。使用硬件接口可以很容易地检测到开始和停止条件，没有这种接口的微机必须以每时钟周期至少2次对SDA取样，以检测这种变化。

开始和停止条件SDA线上的数据在时钟“高”期间必须是稳定的，只有当SCL线上的时钟信号为低时，数据线上的“高”或“低”状态才可以改变。输出到SDA线上的每个字节必须是8位，每次传输的字节不受限制，但每个字节必须有一个应答ACK。如果一接收器件在完成其他功能（如一内部中断）前不能接收另一数据的完整字节时，它可以保持时钟线SCL为“低”，以促使发送器进入等待状态；当接收器准备好接收数据的其他字节并释放时钟SCL后，数据传输继续进行。

数据传送必须具有应答。与应答对应的时钟脉冲由主控制器产生，发送器在应答期间必须下拉SDA线。当寻址的被控器件不能应答时，数据保持为“高”并使主控器产生停止条件而终止传输。在传输的过程中，在用到主控接收器的情况下，主控接收器必须发出一数据结束信号给被控发送器，从而使被控发送器释放数据线，以允许主控器产生停止条件。

4 结束语

基于单片机控制的爬杆机器人设计中实现了预期的功能，包括超声波准确测距，LCD1602液晶显示机器人爬杆距离，以及无线通信模块控制机器人的移动与定位等。设计还待实现另外的功能：增加摄像头模块，可以随时随地拍照，检测杆上的各个细节，并立即返回手机，这样可以清晰地看到线路损坏程度；设计自己的手机App，应用功能强大的Wi-Fi模块与手机建立通信，其目的是实现远程操控；设置多个按键来控制机器人爬行速度，速度可以任意调控，既可以更加清楚地了解线路的损坏情况，又能节省时间。