A. 畢業設計：基於嵌入式系統的無線環境監測機器人的硬體電路設計
摘要 在工業上，自動控制系統有著廣泛的應用，如工業自動化機床控制，計算機系統，機器人等。而工業機器人是相對較新的電子設備，它正開始改變現代化工業面貌。本設計為三自由度圓柱坐標型工業機器人，其工作方向為兩個直線方向和一個旋轉方向。在控制器的作用下，它執行將工件從一條流水線拿到另一條流水線這一簡單的動作,本文是對整個設計工作較全面的介紹和總結。關鍵詞：三自由度，圓柱坐標，工業機器人第一章 緒論 機器人工程是近二十多年來迅速發展起來的綜合學科。它集中了機械工程、電子工程、計算機工程、自動控制工程以及人工智慧等多種學科的最新研究成果，是當代科學技術發展最活躍的領域之一，也是我 國科技界跟蹤國際高科技發展的重要方面。工業機器人的研究、製造和應用水平，是一個國家科技水平和經濟實力的象徵，正受到許多國家的廣泛重視。目前，工業機器人的定義，世界各國尚未統一，分類也不盡相同。最近聯合國國際標准化組織採納了美國機器人協會給工業機器人下的定義：工業機器人是一種可重復編程的多功能操作裝置，可以通過改變動作程序，來完成各種工作，主要用於搬運材料，傳遞工件。參考國外的定義，結合我國的習慣用語，對工業機器人作如下定義：工業機器人是一種機體獨立，動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動化程度高的自動操作機械。主要用於加工自動線和柔性製造系統中傳遞和裝卸工件或夾具。工業機器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運動速度，可以搬運更重的東西，而且定位精度相當高，它可以根據外部來的信號，自動進行各種操作。工業機器人的發展，由簡單到復雜，由初級到高級逐步完善，它的發展過程可分為三代：第一代工業機器人就是目前工業中大量使用的示教再現型工業機器人，它主要由手部、臂部、驅動系統和控制系統組成。它的控制方式比較簡單，應用在線編程，即通過示教存貯信息，工作時讀出這些信息，向執行機構發出指令，執行機構按指令再現示教的操作。第二代機器人是帶感覺的機器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進行反饋的能力。其控制方式較第一代工業機器人要復雜得多，這種機器人從1980年開始進入了實用階段，不久即將普及應用。第三代工業機器人即智能機器人。這種機器人除了具有觸覺、視覺等功能外，還能夠根據人給出的指令認識自身和周圍的環境，識別對象的有無及其狀態，再根據這一識別自動選擇程序進行操作，完成規定的任務。並且能跟蹤工作對象的變化，具有適應工作環境的功能。這種機器人還處於研製階段，尚未大量投入工業應用。 第2章 工業機器人的總體設計 2.1 工業機器人的組成及各部分關系概述 圖2-1 工業機器人的組成圖 它主要由機械繫統(執行系統、驅動系統)、控制檢測系統及智能系統組成。A、執行系統：執行系統是工業機器人完成抓取工件，實現各種運動所必需的機械部件，它包括手部、腕部、機身等。（1） 手部：又稱手爪或抓取機構，它直接抓取工件或夾具。（2） 腕部：又稱手腕，是連接手部和臂部的部件，其作用是調整或改變手部的工作方位。（3） 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的負荷，並把它傳遞到預定的位置。（4） 機身：是支承手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉、升降或俯仰運動。B、 驅動系統：為執行系統各部件提供動力，並驅動其動力的裝置。常用的機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。C、 控制系統：通過對驅動系統的控制，使執行系統按照規定的要求進行工作，當發生錯誤或故障時發出報警信號。D、檢測系統：作用是通過各種檢測裝置、感測裝置檢測執行機構的運動情況，根據需要反饋給控制系統，與設定進行比較，以保證運動符合要求。 2.2工業機器人的設計分析2.2.1 設計要求綜合運用所學知識,搜集有關資料獨立完成三自由度圓柱坐標型工業機器人操作機和驅動單元的設計工作。原始數據：自動線上有Ａ，Ｂ兩條輸送帶之間距離為1.5m，需設計工業機器人將一零件從A帶送到B帶。零件尺寸：內孔 ￠100，壁厚 10，高 100。零件材料：45鋼。2.2.2 總體方案擬定 在工業機器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現的技術基礎是精巧的機械結構設計和良好的伺服控制驅動。本次設計就是在這一思維下展開的。根據設計內容和需求確定圓柱坐標型工業機器人，利用步進電機驅動和諧波齒輪傳動來實現機器人的旋轉運動；利用另一台步進電機驅動滾珠絲杠旋轉，從而使與滾珠絲杠螺母副固連在一起的手臂實現上下運動；考慮到本設計中的機器人工作范圍不大，故利用液壓缸驅動實現手臂的伸縮運動；末端夾持器則採用內撐連桿杠桿式夾持器，用小型液壓缸驅動夾緊。圖2-3 機器人外形圖2.2.3工業機器人主要技術性能參數工業機器人的技術參數是說明其規格和性能的具體指標。主要技術參數有如下：A、抓取重量：抓取重量是用來表明機器人負荷能力的技術參數，這是一項主要參數。這項參數與機器人的運動速度有關，一般是指在正常速度下所抓取的重量。B、 抓取工件的極限尺寸：抓取工件的極限尺寸是用來表明機器人抓取功能的技術參數，它是設計手部的基礎。C、 坐標形式和自由度：說明機器人機身、手部、腕部等共有的自由度數及它們組成的坐標系特徵。D、運動行程范圍：指執行機構直線移動距離或回轉角度的范圍，即各運動自由度的運動量。根據運動行程范圍和坐標形式就可確定機器人的工作范圍。E、 運動速度：是反映機器人性能的重要參數。通常所指的運動速度是機器人的最大運動速度。它與抓取重量、定位精度等參數密切有關，互相影響。目前，國內外機器人的最大直線移動速度為1000mm/s左右，一般為200～400mm/s；回轉速度最大為180
B. 基於熱釋電紅外感測器的無線監控報警系統設計 熱釋電紅外感測器
本設計旨在製作出一種功能強大的報警系統，在出現緊急情況時能及時通知當事人，即便其不在現場附近，並自動呼叫報警。相比普通的報警器，本設計將重點放在遠程語音報警上，只要接上適當的感測器就可組成防盜報警、火災報警、煤氣泄露報警等多功能報警系統，並附加實現一些智能控制功能，賦予報警系統更強大和完整的功能，以滿足人們對安全報警的需求。本系統基於電話網路但是與電話互相獨立不會影響電話的正常使用，並通過語音提示操作，人機交互友好。
系統原理及系統框圖
本系統主要包括電話自動摘機和掛機電路，DTMF信號收發電路，語音提示電路，報警電路，鍵盤顯示電路，人體信號檢測電路，編碼電路，無線發射電路，以及作為主核心的單片機控制電路，系統結構框圖如圖1所示。我們設定報警部分為本系統主體工作部分，即實時監控房內安全情況，在軟體上表現為主循環，當有振鈴信號或設定信號時才中斷去執行相應操作。在此我們需要對人體的紅外輻射敏感並且抗干擾(如小動物等)的感測器，為此我們選用被動式熱釋電紅外探測器，並在它的輻射照面覆蓋特殊的菲尼爾濾光片，使環境的干擾受到明顯的控製作用。設定部分的功能是存儲報警時需要撥打的號碼，並設定主人身份驗證密碼。為了系統的簡潔採用液晶屏顯示。
當紅外線人體檢測電路檢測到有人體入侵時，編碼電路將該檢測探頭的地址編碼，並且經過無線發射電路將檢測到有人體入侵的探頭的地址發送給無線接收電路，經CPU解碼後，LED顯示報警地址，同時發出聲光報警或者向主任撥打預先設定的電話進行報警。
信號檢測電路
信號檢測電路主要由熱釋電紅外檢測探頭SD02和BISS0001信號處理電路組成。
信號檢測電路如圖2所示。配以濾波鏡片和阻抗匹配用場效應管組成的熱釋電紅外感測器，以非接觸方式檢測出來自人體的紅外輻射並將其轉換成電信號，經BISS0001中的運放N1的前置放大、運算放大器N2的第二級放大，將直流電位抬高為內置電壓Um後送到由比較器N4、N5組成的雙向鑒幅器，檢出有效觸發信號Us。由於內置電壓UH≈0.7UDD、UL≈0.3UDD，當UDD=5V時，可有效地抑制±1V的雜訊干擾。N3作為條件比較器，當輸入電壓Uc小於內置電壓UR(≈0.2UDD)時，N3輸出衡拆為低電平封住了Us向下級遞送。而當Uc>UR時，N3輸出為高電平，打開與門N7，此時若有觸發信號Us的上跳變前沿到來，則可啟動延時定時器，同時Uo輸出為高電平。比較器的域值選取很重要，域值太低易誤報，太高則靈敏度低。
在定時周期Tx內，BISS0001的輸出端2為高電位，則晶體管VT1飽和導通，其集電極為低電位，將這一信號送到由單片機及無線發射電路組成的編碼及無線發射電路，接到編碼用的單片機的P0.0口，單片機將該探頭編碼後通過無線發射；在Tx結束時，BISS0001進入封鎖周期Ti，其輸出端變為低電平，晶體管截止，其集電極為高電平。BISS0001的1腳(A端)與電源相連，使信號檢測電路處於重復觸發。Tx定時間隔可由BISS0001的3腳和4腳上咐緩棗所接的電阻和電容來確定。信號檢測探頭仰角可在120。范圍內調節，並通過改變仰角來進行實際探測距離的調節，我們可通過實際測試來調整，也可以調整信號檢測電路中的可調電阻RP來調整探頭的檢測距離，本設計電路可探測距離為30m。
編碼電路島無線收發射模塊
編碼電路和無線發射電路由單片機和收發一體晶元nRF401組成，其電路外圍元件少，電路簡單。
本設計中採用挪威Nordic公司新推出的集發射接收為一體的nRF401無線數傳晶元，它是一個為433MHz ISM頻段設計的真正哪穗單片機UHF無線收發晶元，採用FSK調制解調技術。採用高增益天線的情況下傳輸距離可達3000m。
編碼及無線收發射電路如圖3所示。通過AT89C5l的P2.0口控制射頻晶元的PWR_UP，使其為「1」時表示進入正常工作模式，為「0」時表示進入待機模式；P2.2接射頻晶元的CS，控制發送接收頻率，為「1」表示工作頻率為434.32MHz。為「0」表示工作頻率為433.92MHz。P2.1控制射頻晶元的TXEN端，使其為「1」表示進入發送模式，為「0」表示進入接收模式。
MT8880與AT89C51及語音電路的介面
DTMF信號發送/接收電路採用MITEL公司推出的專門用於處理DTNF信號的專用集成電路MT8880晶元，不僅具有接收和發送DTMF信號的自動撥號功能，還可以檢測電話干線上撥號音、回鈴音和忙音等信號音。適合與單片機介面，外圍電路簡單。
MT8880內部有5個寄存器，分別為接收數據寄存器、發送數據寄存器、收發控制寄存器CRA和CRB以及收發狀態寄存器。在本設計中，僅採用發送數據寄存器、收發控制寄存器CRA和CRB發送DTMF信號實現自動撥號功能。發送數據寄存器中的數據決定要發送的雙音頻信號的頻率，因此只能向發送數據寄存器寫入數據。兩個收發控制寄存器佔用同一個地址，因此根據CRA中的寄存器選擇位的值決定是否對CRB進行操作。
ISDl420語音晶元採用直接模擬存儲技術，且錄放音質極好，並有一定的混響效果；它的外圍元件簡單，僅需簡單的阻、容器件即可組成簡單的錄、放音電路；無須後備電源，信息存儲時間長，不需要專用的編程器及語音開發器；具有較強的選址能力，可把存儲器分成160段來管理，形成最小的錄放時間為125ms。在本設計中，因需要四段報警提示語音，因此在語音分段方法設計時均將每段語音設為5s，其起始地址分別為00000000B、00101000B、01010000B、01111000B。
ISDl402的數據口A3、A4、A5、A6分別接單片機埠擴展晶元8255的PB0、PB1、PB2、PB3口，A0、A1、A2、A7接地，PLAYL接8255的PB5腳，SP經電容C14將語音信號偶合後送去電話介面電路。當按下開關SB1，錄音指示LED發光並同時開始錄音。當有警情時，單片機控制DTMF信號發送/接收電路自動撥打電話，電話接通後單片機根據不同的探測器送來的信號向ISDl420發送要放哪一段錄音的指令和 放音指令。ISD 1420則將語音信號送到電話介面電路，等待放音完畢以後，單片機發送掛機命令，報警完畢。
MT8880的DO～D3口分別接8255的PA0～PA3口，CLK2接PA4口，R/W接PA5口，RSO接PA6口，CS接PA7口，IRQ接主控電路處理器89C51的TO口，用來記錄各種脈沖的個數。來自語音電路的信號經過R44送到電話線上去。繼電器K用來控制摘掛機，晶體管的B極接主控電路處理器89C51的P1.2口，當P1.2為「1」時，V2導通，繼電器K閉合，電話接通，當P1.2為「0」時，V2截止，電話掛機。
主控電路處理器89C51的P0口分別接8255的DO～D7口和74HC373的DO～D7口，74HC373的Q0和Q1分別接8255的A0和A1，89C51的P2.5、P2.6、P2.7分別接74HCl38的A、B、C口，74HCl38的YO接8255的CS端。
軟體設計
1.信號音的識別方法
系統在巡檢到警情信號後就模擬摘機。為了識別模擬摘機後電話系統是否處於可撥號的狀態、電話撥完號碼後電話是否接通以及對方是否摘機接聽電話等幾種狀態，系統必須進行信號音的識別。為了識別信號音，必須知道各種信號音的特性。各種信號音特性如下。
撥號音：450±25Hz連續蜂音。
忙音：0.35s斷0.35s通的450±25Hz蜂音，音段周期為0.7s。
回鈴音：4s斷ls通的450±25Hz蜂音，音段周期為5s。
這些電話信號均是模擬信號，然而單片機是無法識別模擬信號的，故必須先將模擬信號轉換為脈沖信號，然後再根據脈沖信號的脈沖個數進行識別。這些電話音頻信號的脈沖個數計算公式為N=tm/T。其中，N為每音段周期的脈沖個數；T為電話音頻信號的音頻周期，單位為s；tm為信號音段周期的導通時間，單位為s。
在實際使用中，主要需要識別撥號音、忙音和回鈴音。分析這3種信號的特性可以看出，在一定的計數時間內，其脈沖個數是不一樣的。在本設計中採用2s計數判斷撥號音，採用2.8s(即4個忙音周期)判斷是否為忙音。隨後採用1s為一個計數單元，採用計五次後的累加脈沖數來判斷對方是否接聽電話。若有，則放相應的報警提示語音；否則再計1s，然後計算最後5s內的脈沖數，再次判斷對方是否摘機。如此反復。直到超過等待時間仍沒有人接聽電話就掛機。由於干擾和一些其他因素的存在，難免會有誤判的現象而導致漏報警情。因此採取在所有預先設定的電話至少有一個撥通就只撥一遍。如果全部投撥通或者沒人接聽則把所有預存電話重撥一遍，這樣漏報報警的概率就非常低以致可忽略不計。
2.軟體流程圖及撥號程序
自動撥號程序的流程圖如圖4所示。
3.編程過程中應注意的幾點
首先，MT8880的DTMF產生器是發送部分的主體，它產生全部16種失真小、精度高的標准雙音頻信號，這些頻率均由3.579545MHz晶體振盪器分頻產生。電路由數字頻率合成器、行/列可編程分頻器、開關電容式D/A變換器組成。行和列單音正弦波經混合、濾波後產生雙音頻信號。通過DTMF編解碼表把編碼數據寫入MT8880發送寄存器產生單獨的fLOW和fHIGH，一旦編碼錯誤就會導致撥號失敗，故在編程過程中要十分小心。
其次，在摘機後應延時一段時間再去判斷摘機音，因為本系統採用機械繼電器實現自動摘機，故應考慮繼電器的響應時間。 最後，一個電話號碼撥完後不能立即撥下一個電話號碼，應保證掛機的最短有效時間以確保前一電話號碼確實已掛機，否則撥下一個電話號碼時會沒有撥號音。
結論
該系統編碼解碼都用軟體方式實現，傳輸方式採用雙向傳輸。如果發生警情，則向主機發送一數據串，該數據串由以下幾個部分組成：4位地址碼，8位數據碼，1位起始位，1位奇偶校驗位。主機接收到數據後首先進行校驗，如果數據有錯則要求重新發送剛才的數據，直到正確。接收到正確的數據信息後，接下來的工作就是核對地址碼，如果地址碼與主機設置的地址相同則表明該數據可能是來自本系統外的設備發送的數據，不進行解碼，收到與主機設置地址相同的數據才進行解碼。
C. 無線感測器網路節點硬體的模塊化設計
無線感測器網路節點硬體的模塊化設計
隨著人們對於環境監測要求的不斷提高，無線感測器網路技術以其投資成本低、架設方便、可靠性高的性能優勢得到了比較廣泛的應用。由於無線感測器網路節點需要實現採集、處理、通信等多個功能，因此硬體上採用模塊化設計可以大大提高網路節點的穩定性和安全性。那麼下面我就來討論一下無線感測器網路節點硬體的模塊化設計。
1 CC2430晶元簡介
CC2430是一款工作在2.4 GHz免費頻段上，支持IEEE 802.15.4標準的無線收發晶元。該晶元具有很高的集成度，體積小功耗低。單個晶元上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器。CC2430擁有1個8位MCU(8051)，8 KB的RAM，32 KB、64 KB或128 KB的Flash，還包含模擬數字轉換器(ADC)，4個定時器(Timer)，AESl28協處理器，看門狗定時器(Watchdog-timer)，32.768 kHz晶振的休眠模式定時器，上電復位電路(Power-on-Reset)，掉電檢測電(Brown-out-Detection)，以及21個可編程I/O介面。
CC2430晶元採用0.18μm CMOS工藝生產，工作時的電流損耗為27 mA;在接收和發射模式下，電流損耗分別為26.7 mA和26.9 mA;休眠時電流為O.5 μA。CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。
2 無線感測器網路系統結構
整個無線感測器網路由若干採集節點、1個匯聚節點、1個中轉器、1個上位機控制中心組成，系統結構如圖1所示。無線感測器網路採集節點完成數據採集、預處理和通信工作;匯聚節點負責網路的發起和維護，收集並上傳數據，將中轉器下發的命令通告採集節點;中轉器負責上傳收集到的數據並將控制中心發出的命令信息傳遞給匯聚節點;控制中心負責處理最終上傳數據，並且可以由用戶下達網路的操作命令。
採集節點和匯聚節點由CC2430作為控制核心，採集節點可採集並傳遞數據，匯聚節點負責收集所有採集節點採集到的數據。中轉器採用ARM處理器作為控制核心，和匯聚節點採用串口通信，以GPRS通信方式和上位機控制中心進行交互。上位機控制中心實現人機交互，可以處理、顯示上傳的數據並且可以直接由客戶下達網路動作執行命令。
3 節點模塊化設計
匯聚節點和採集節點在硬體配置上基本相同，採用模塊化設計使得設計通用性更好。
每個節點主要由控制模塊、無線模塊、採集模塊、電源模塊4部分構成。
3.1 控制模塊
控制模塊主要由CC2430及其外圍電路構成，完成對採集數據的處理、存儲以及收發工作，並對電源模塊進行管理。晶元CC2430包括21個可編程I/0口，其中8路A/D介面，可滿足多路感測器的採集、處理需求。CC2430自帶了一個復位介面，外接一個復位按鍵可以實現硬體初始化系統。32 MHz晶振提供系統時鍾，32.768 kHz晶振供系統休眠時使用。
節點選用晶元FM25L256作為存儲設備，這是一款256 Kb鐵電存儲器，其SPI介面頻率高達25 MHz，低功耗運行以及10年的數據保持力保證了節點數據存儲的低成本以及可靠性。
3.2 無線模塊
無線模塊負責節點間數據和命令的傳輸，因此，合理設計無線模塊是節點穩定、高效通信的重要保證。
TI公司提供了一個適用於CC2430的微帶巴倫電路，這個設計把無線電RF引腳差分信號的阻抗轉換為單端50 Ω。由於該電路直接影響節點的通信質量，在使用前必須對其進行模擬驗證。設計中選用ADS模擬軟體進行模擬，採用了版圖和原理圖的聯合模擬方法。模擬電路圖如圖5所示，微帶電路為TI提供的微帶巴倫電路，分立元件均選自村田公司元件庫內的模型，嚴格保證了模擬數據的`真實性和可靠性。巴倫電路在工作頻段內(2.400～2.4835 GHz)信號傳輸特性高效、穩定。
3.3 採集模塊
採集模塊負責採集數據並調理數據信號。本設計中，監測的是土壤的溫度和濕度數據，採用的感測器是PTWD-3A型土壤溫度感測器以及TDR-3型土壤水分感測器。
PTWD-3A型土壤溫度感測器採用精密鉑電阻作為感應部件，其阻值隨溫度變化而變化。為了准確地進行測量，採用四線法測量電阻原理，將電阻信號調理成CC2430晶元A/D通道能采樣的電壓信號。由P354運算放大器、高精度精密貼片電阻以及2.5 V電源構成10 mA恆流源。10 mA的電流環流經感測器電阻R1、R2將電阻信號轉換成為電壓信號，由差分放大器LT1991一倍增益將信號轉換為單端輸出送入CC2430晶元的ADC通道進行采樣。
TDR-3型土壤水分感測器輸出信號即為電壓信號。感測器輸出信號通過P354運算放大器送入CC2430晶元的ADC通道進行采樣。
3.4 電源模塊
電源模塊負責調理電壓、分配能量，分為充電管理模塊、雙電源切換管理模塊、電壓轉換模塊3個模塊。本設計中採用額定電壓12 V、電容量3 Ah的鉛酸電池供電。
作為環境監測的無線感測器網路應用，節點需要在野外無人看守的情況下進行工作，能量補給是系統持續工作的重要保證。本設計採用太陽能電池板為節點在野外工作時進行電能的補給，充電管理模塊則是根據日照情況以及電池能量狀態對鉛酸電池進行合理、有效的充電。光電耦合器TLP521-100和場效應管Q共同構成了充電模塊的開關電路，可以由CC2430晶元的I/0口很方便地進行控制。
在太陽能電池板對電池充電時，電池不能對系統進行供電，因此設計中採用了雙電源供電方式，保持“一充一供”的工作狀態，雙電源切換管理模塊負責電源的安全、快速切換。如圖10所示，採用了兩個開關電路對兩塊電源進行切換。
在電源進行切換時，總是先打開處於閑置狀態的電源，再關閉正在為系統供電的電源，因此會在一段短暫的時間內同時有兩個電源對系統供電，這是為了防止系統出現掉電情況。
電源模塊需提供5 V、3.3 V、2.5 V等多組電源以滿足節點各模塊的供能需求。由於系統電源組較多，電壓轉換模塊採用了開關型降壓穩壓器以及低壓差線性穩壓器等多種電壓轉換晶元來對電源進行電壓轉換，同時要確保電源模塊供能的高效性。
結語
節點的設計對整個無線感測器網路系統至關重要。本設計採用了功能強大的射頻晶元CC2430作為核心管理晶元，能較好地完成數據採集、分析、傳輸等多個功能。硬體的模塊化設計大大加強了節點的穩定性、可靠性和通用性，在野外無人值守的情況下無線感測器網路系統可以長期、穩定地進行環境方面的監測。
;D. 監控的設計實現
基於GPS-GSM車輛監控系統伺服器設計與實現
基於GPS-GSM車輛監控系統伺服器設計與實現
來自知網
作者
宋薇
摘要
車輛監控系統是智能型交通系統(ITS)的重要組成部分,是集提高車輛使用效率、調度指揮、安全監控、協調運營等功能於一體的指揮、控制管理體系。上述功能的實現不僅要依...
出版源《吉林大學》, 2006