A. 毕业设计：基于嵌入式系统的无线环境监测机器人的硬件电路设计
摘要 在工业上，自动控制系统有着广泛的应用，如工业自动化机床控制，计算机系统，机器人等。而工业机器人是相对较新的电子设备，它正开始改变现代化工业面貌。本设计为三自由度圆柱坐标型工业机器人，其工作方向为两个直线方向和一个旋转方向。在控制器的作用下，它执行将工件从一条流水线拿到另一条流水线这一简单的动作,本文是对整个设计工作较全面的介绍和总结。关键词：三自由度，圆柱坐标，工业机器人第一章 绪论 机器人工程是近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，是当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我 国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，是一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。目前，工业机器人的定义，世界各国尚未统一，分类也不尽相同。最近联合国国际标准化组织采纳了美国机器人协会给工业机器人下的定义：工业机器人是一种可重复编程的多功能操作装置，可以通过改变动作程序，来完成各种工作，主要用于搬运材料，传递工件。参考国外的定义，结合我国的习惯用语，对工业机器人作如下定义：工业机器人是一种机体独立，动作自由度较多，程序可灵活变更，能任意定位，自动化程度高的自动操作机械。主要用于加工自动线和柔性制造系统中传递和装卸工件或夹具。工业机器人以刚性高的手臂为主体，与人相比，可以有更快的运动速度，可以搬运更重的东西，而且定位精度相当高，它可以根据外部来的信号，自动进行各种操作。工业机器人的发展，由简单到复杂，由初级到高级逐步完善，它的发展过程可分为三代：第一代工业机器人就是目前工业中大量使用的示教再现型工业机器人，它主要由手部、臂部、驱动系统和控制系统组成。它的控制方式比较简单，应用在线编程，即通过示教存贮信息，工作时读出这些信息，向执行机构发出指令，执行机构按指令再现示教的操作。第二代机器人是带感觉的机器人。它具有寻力觉、触觉、视觉等进行反馈的能力。其控制方式较第一代工业机器人要复杂得多，这种机器人从1980年开始进入了实用阶段，不久即将普及应用。第三代工业机器人即智能机器人。这种机器人除了具有触觉、视觉等功能外，还能够根据人给出的指令认识自身和周围的环境，识别对象的有无及其状态，再根据这一识别自动选择程序进行操作，完成规定的任务。并且能跟踪工作对象的变化，具有适应工作环境的功能。这种机器人还处于研制阶段，尚未大量投入工业应用。 第2章 工业机器人的总体设计 2.1 工业机器人的组成及各部分关系概述 图2-1 工业机器人的组成图 它主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制检测系统及智能系统组成。A、执行系统：执行系统是工业机器人完成抓取工件，实现各种运动所必需的机械部件，它包括手部、腕部、机身等。（1） 手部：又称手爪或抓取机构，它直接抓取工件或夹具。（2） 腕部：又称手腕，是连接手部和臂部的部件，其作用是调整或改变手部的工作方位。（3） 臂部：是支承腕部的部件，作用是承受工件的负荷，并把它传递到预定的位置。（4） 机身：是支承手臂的部件，其作用是带动臂部自转、升降或俯仰运动。B、 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的机械传动、液压传动、气压传动和电传动。C、 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。D、检测系统：作用是通过各种检测装置、传感装置检测执行机构的运动情况，根据需要反馈给控制系统，与设定进行比较，以保证运动符合要求。 2.2工业机器人的设计分析2.2.1 设计要求综合运用所学知识,搜集有关资料独立完成三自由度圆柱坐标型工业机器人操作机和驱动单元的设计工作。原始数据：自动线上有Ａ，Ｂ两条输送带之间距离为1.5m，需设计工业机器人将一零件从A带送到B带。零件尺寸：内孔 ￠100，壁厚 10，高 100。零件材料：45钢。2.2.2 总体方案拟定 在工业机器人的诸多功能中，抓取和移动是最主要的功能。这两项功能实现的技术基础是精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动。本次设计就是在这一思维下展开的。根据设计内容和需求确定圆柱坐标型工业机器人，利用步进电机驱动和谐波齿轮传动来实现机器人的旋转运动；利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转，从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂实现上下运动；考虑到本设计中的机器人工作范围不大，故利用液压缸驱动实现手臂的伸缩运动；末端夹持器则采用内撑连杆杠杆式夹持器，用小型液压缸驱动夹紧。图2-3 机器人外形图2.2.3工业机器人主要技术性能参数工业机器人的技术参数是说明其规格和性能的具体指标。主要技术参数有如下：A、抓取重量：抓取重量是用来表明机器人负荷能力的技术参数，这是一项主要参数。这项参数与机器人的运动速度有关，一般是指在正常速度下所抓取的重量。B、 抓取工件的极限尺寸：抓取工件的极限尺寸是用来表明机器人抓取功能的技术参数，它是设计手部的基础。C、 坐标形式和自由度：说明机器人机身、手部、腕部等共有的自由度数及它们组成的坐标系特征。D、运动行程范围：指执行机构直线移动距离或回转角度的范围，即各运动自由度的运动量。根据运动行程范围和坐标形式就可确定机器人的工作范围。E、 运动速度：是反映机器人性能的重要参数。通常所指的运动速度是机器人的最大运动速度。它与抓取重量、定位精度等参数密切有关，互相影响。目前，国内外机器人的最大直线移动速度为1000mm/s左右，一般为200～400mm/s；回转速度最大为180
B. 基于热释电红外传感器的无线监控报警系统设计 热释电红外传感器
本设计旨在制作出一种功能强大的报警系统，在出现紧急情况时能及时通知当事人，即便其不在现场附近，并自动呼叫报警。相比普通的报警器，本设计将重点放在远程语音报警上，只要接上适当的传感器就可组成防盗报警、火灾报警、煤气泄露报警等多功能报警系统，并附加实现一些智能控制功能，赋予报警系统更强大和完整的功能，以满足人们对安全报警的需求。本系统基于电话网络但是与电话互相独立不会影响电话的正常使用，并通过语音提示操作，人机交互友好。
系统原理及系统框图
本系统主要包括电话自动摘机和挂机电路，DTMF信号收发电路，语音提示电路，报警电路，键盘显示电路，人体信号检测电路，编码电路，无线发射电路，以及作为主核心的单片机控制电路，系统结构框图如图1所示。我们设定报警部分为本系统主体工作部分，即实时监控房内安全情况，在软件上表现为主循环，当有振铃信号或设定信号时才中断去执行相应操作。在此我们需要对人体的红外辐射敏感并且抗干扰(如小动物等)的传感器，为此我们选用被动式热释电红外探测器，并在它的辐射照面覆盖特殊的菲尼尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。设定部分的功能是存储报警时需要拨打的号码，并设定主人身份验证密码。为了系统的简洁采用液晶屏显示。
当红外线人体检测电路检测到有人体入侵时，编码电路将该检测探头的地址编码，并且经过无线发射电路将检测到有人体入侵的探头的地址发送给无线接收电路，经CPU译码后，LED显示报警地址，同时发出声光报警或者向主任拨打预先设定的电话进行报警。
信号检测电路
信号检测电路主要由热释电红外检测探头SD02和BISS0001信号处理电路组成。
信号检测电路如图2所示。配以滤波镜片和阻抗匹配用场效应管组成的热释电红外传感器，以非接触方式检测出来自人体的红外辐射并将其转换成电信号，经BISS0001中的运放N1的前置放大、运算放大器N2的第二级放大，将直流电位抬高为内置电压Um后送到由比较器N4、N5组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Us。由于内置电压UH≈0.7UDD、UL≈0.3UDD，当UDD=5V时，可有效地抑制±1V的噪声干扰。N3作为条件比较器，当输入电压Uc小于内置电压UR(≈0.2UDD)时，N3输出衡拆为低电平封住了Us向下级递送。而当Uc>UR时，N3输出为高电平，打开与门N7，此时若有触发信号Us的上跳变前沿到来，则可启动延时定时器，同时Uo输出为高电平。比较器的域值选取很重要，域值太低易误报，太高则灵敏度低。
在定时周期Tx内，BISS0001的输出端2为高电位，则晶体管VT1饱和导通，其集电极为低电位，将这一信号送到由单片机及无线发射电路组成的编码及无线发射电路，接到编码用的单片机的P0.0口，单片机将该探头编码后通过无线发射；在Tx结束时，BISS0001进入封锁周期Ti，其输出端变为低电平，晶体管截止，其集电极为高电平。BISS0001的1脚(A端)与电源相连，使信号检测电路处于重复触发。Tx定时间隔可由BISS0001的3脚和4脚上咐缓枣所接的电阻和电容来确定。信号检测探头仰角可在120。范围内调节，并通过改变仰角来进行实际探测距离的调节，我们可通过实际测试来调整，也可以调整信号检测电路中的可调电阻RP来调整探头的检测距离，本设计电路可探测距离为30m。
编码电路岛无线收发射模块
编码电路和无线发射电路由单片机和收发一体芯片nRF401组成，其电路外围元件少，电路简单。
本设计中采用挪威Nordic公司新推出的集发射接收为一体的nRF401无线数传芯片，它是一个为433MHz ISM频段设计的真正哪穗单片机UHF无线收发芯片，采用FSK调制解调技术。采用高增益天线的情况下传输距离可达3000m。
编码及无线收发射电路如图3所示。通过AT89C5l的P2.0口控制射频芯片的PWR_UP，使其为“1”时表示进入正常工作模式，为“0”时表示进入待机模式；P2.2接射频芯片的CS，控制发送接收频率，为“1”表示工作频率为434.32MHz。为“0”表示工作频率为433.92MHz。P2.1控制射频芯片的TXEN端，使其为“1”表示进入发送模式，为“0”表示进入接收模式。
MT8880与AT89C51及语音电路的接口
DTMF信号发送/接收电路采用MITEL公司推出的专门用于处理DTNF信号的专用集成电路MT8880芯片，不仅具有接收和发送DTMF信号的自动拨号功能，还可以检测电话干线上拨号音、回铃音和忙音等信号音。适合与单片机接口，外围电路简单。
MT8880内部有5个寄存器，分别为接收数据寄存器、发送数据寄存器、收发控制寄存器CRA和CRB以及收发状态寄存器。在本设计中，仅采用发送数据寄存器、收发控制寄存器CRA和CRB发送DTMF信号实现自动拨号功能。发送数据寄存器中的数据决定要发送的双音频信号的频率，因此只能向发送数据寄存器写入数据。两个收发控制寄存器占用同一个地址，因此根据CRA中的寄存器选择位的值决定是否对CRB进行操作。
ISDl420语音芯片采用直接模拟存储技术，且录放音质极好，并有一定的混响效果；它的外围元件简单，仅需简单的阻、容器件即可组成简单的录、放音电路；无须后备电源，信息存储时间长，不需要专用的编程器及语音开发器；具有较强的选址能力，可把存储器分成160段来管理，形成最小的录放时间为125ms。在本设计中，因需要四段报警提示语音，因此在语音分段方法设计时均将每段语音设为5s，其起始地址分别为00000000B、00101000B、01010000B、01111000B。
ISDl402的数据口A3、A4、A5、A6分别接单片机端口扩展芯片8255的PB0、PB1、PB2、PB3口，A0、A1、A2、A7接地，PLAYL接8255的PB5脚，SP经电容C14将语音信号偶合后送去电话接口电路。当按下开关SB1，录音指示LED发光并同时开始录音。当有警情时，单片机控制DTMF信号发送/接收电路自动拨打电话，电话接通后单片机根据不同的探测器送来的信号向ISDl420发送要放哪一段录音的指令和 放音指令。ISD 1420则将语音信号送到电话接口电路，等待放音完毕以后，单片机发送挂机命令，报警完毕。
MT8880的DO～D3口分别接8255的PA0～PA3口，CLK2接PA4口，R/W接PA5口，RSO接PA6口，CS接PA7口，IRQ接主控电路处理器89C51的TO口，用来记录各种脉冲的个数。来自语音电路的信号经过R44送到电话线上去。继电器K用来控制摘挂机，晶体管的B极接主控电路处理器89C51的P1.2口，当P1.2为“1”时，V2导通，继电器K闭合，电话接通，当P1.2为“0”时，V2截止，电话挂机。
主控电路处理器89C51的P0口分别接8255的DO～D7口和74HC373的DO～D7口，74HC373的Q0和Q1分别接8255的A0和A1，89C51的P2.5、P2.6、P2.7分别接74HCl38的A、B、C口，74HCl38的YO接8255的CS端。
软件设计
1.信号音的识别方法
系统在巡检到警情信号后就模拟摘机。为了识别模拟摘机后电话系统是否处于可拨号的状态、电话拨完号码后电话是否接通以及对方是否摘机接听电话等几种状态，系统必须进行信号音的识别。为了识别信号音，必须知道各种信号音的特性。各种信号音特性如下。
拨号音：450±25Hz连续蜂音。
忙音：0.35s断0.35s通的450±25Hz蜂音，音段周期为0.7s。
回铃音：4s断ls通的450±25Hz蜂音，音段周期为5s。
这些电话信号均是模拟信号，然而单片机是无法识别模拟信号的，故必须先将模拟信号转换为脉冲信号，然后再根据脉冲信号的脉冲个数进行识别。这些电话音频信号的脉冲个数计算公式为N=tm/T。其中，N为每音段周期的脉冲个数；T为电话音频信号的音频周期，单位为s；tm为信号音段周期的导通时间，单位为s。
在实际使用中，主要需要识别拨号音、忙音和回铃音。分析这3种信号的特性可以看出，在一定的计数时间内，其脉冲个数是不一样的。在本设计中采用2s计数判断拨号音，采用2.8s(即4个忙音周期)判断是否为忙音。随后采用1s为一个计数单元，采用计五次后的累加脉冲数来判断对方是否接听电话。若有，则放相应的报警提示语音；否则再计1s，然后计算最后5s内的脉冲数，再次判断对方是否摘机。如此反复。直到超过等待时间仍没有人接听电话就挂机。由于干扰和一些其他因素的存在，难免会有误判的现象而导致漏报警情。因此采取在所有预先设定的电话至少有一个拨通就只拨一遍。如果全部投拨通或者没人接听则把所有预存电话重拨一遍，这样漏报报警的概率就非常低以致可忽略不计。
2.软件流程图及拨号程序
自动拨号程序的流程图如图4所示。
3.编程过程中应注意的几点
首先，MT8880的DTMF产生器是发送部分的主体，它产生全部16种失真小、精度高的标准双音频信号，这些频率均由3.579545MHz晶体振荡器分频产生。电路由数字频率合成器、行/列可编程分频器、开关电容式D/A变换器组成。行和列单音正弦波经混合、滤波后产生双音频信号。通过DTMF编解码表把编码数据写入MT8880发送寄存器产生单独的fLOW和fHIGH，一旦编码错误就会导致拨号失败，故在编程过程中要十分小心。
其次，在摘机后应延时一段时间再去判断摘机音，因为本系统采用机械继电器实现自动摘机，故应考虑继电器的响应时间。 最后，一个电话号码拨完后不能立即拨下一个电话号码，应保证挂机的最短有效时间以确保前一电话号码确实已挂机，否则拨下一个电话号码时会没有拨号音。
结论
该系统编码解码都用软件方式实现，传输方式采用双向传输。如果发生警情，则向主机发送一数据串，该数据串由以下几个部分组成：4位地址码，8位数据码，1位起始位，1位奇偶校验位。主机接收到数据后首先进行校验，如果数据有错则要求重新发送刚才的数据，直到正确。接收到正确的数据信息后，接下来的工作就是核对地址码，如果地址码与主机设置的地址相同则表明该数据可能是来自本系统外的设备发送的数据，不进行解码，收到与主机设置地址相同的数据才进行解码。
C. 无线传感器网络节点硬件的模块化设计
无线传感器网络节点硬件的模块化设计
随着人们对于环境监测要求的不断提高，无线传感器网络技术以其投资成本低、架设方便、可靠性高的性能优势得到了比较广泛的应用。由于无线传感器网络节点需要实现采集、处理、通信等多个功能，因此硬件上采用模块化设计可以大大提高网络节点的稳定性和安全性。那么下面我就来讨论一下无线传感器网络节点硬件的模块化设计。
1 CC2430芯片简介
CC2430是一款工作在2.4 GHz免费频段上，支持IEEE 802.15.4标准的无线收发芯片。该芯片具有很高的集成度，体积小功耗低。单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。CC2430拥有1个8位MCU(8051)，8 KB的RAM，32 KB、64 KB或128 KB的Flash，还包含模拟数字转换器(ADC)，4个定时器(Timer)，AESl28协处理器，看门狗定时器(Watchdog-timer)，32.768 kHz晶振的休眠模式定时器，上电复位电路(Power-on-Reset)，掉电检测电(Brown-out-Detection)，以及21个可编程I/O接口。
CC2430芯片采用0.18μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA;在接收和发射模式下，电流损耗分别为26.7 mA和26.9 mA;休眠时电流为O.5 μA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。
2 无线传感器网络系统结构
整个无线传感器网络由若干采集节点、1个汇聚节点、1个中转器、1个上位机控制中心组成，系统结构如图1所示。无线传感器网络采集节点完成数据采集、预处理和通信工作;汇聚节点负责网络的发起和维护，收集并上传数据，将中转器下发的命令通告采集节点;中转器负责上传收集到的数据并将控制中心发出的命令信息传递给汇聚节点;控制中心负责处理最终上传数据，并且可以由用户下达网络的操作命令。
采集节点和汇聚节点由CC2430作为控制核心，采集节点可采集并传递数据，汇聚节点负责收集所有采集节点采集到的数据。中转器采用ARM处理器作为控制核心，和汇聚节点采用串口通信，以GPRS通信方式和上位机控制中心进行交互。上位机控制中心实现人机交互，可以处理、显示上传的数据并且可以直接由客户下达网络动作执行命令。
3 节点模块化设计
汇聚节点和采集节点在硬件配置上基本相同，采用模块化设计使得设计通用性更好。
每个节点主要由控制模块、无线模块、采集模块、电源模块4部分构成。
3.1 控制模块
控制模块主要由CC2430及其外围电路构成，完成对采集数据的处理、存储以及收发工作，并对电源模块进行管理。芯片CC2430包括21个可编程I/0口，其中8路A/D接口，可满足多路传感器的采集、处理需求。CC2430自带了一个复位接口，外接一个复位按键可以实现硬件初始化系统。32 MHz晶振提供系统时钟，32.768 kHz晶振供系统休眠时使用。
节点选用芯片FM25L256作为存储设备，这是一款256 Kb铁电存储器，其SPI接口频率高达25 MHz，低功耗运行以及10年的数据保持力保证了节点数据存储的低成本以及可靠性。
3.2 无线模块
无线模块负责节点间数据和命令的传输，因此，合理设计无线模块是节点稳定、高效通信的重要保证。
TI公司提供了一个适用于CC2430的微带巴伦电路，这个设计把无线电RF引脚差分信号的阻抗转换为单端50 Ω。由于该电路直接影响节点的通信质量，在使用前必须对其进行仿真验证。设计中选用ADS仿真软件进行仿真，采用了版图和原理图的联合仿真方法。仿真电路图如图5所示，微带电路为TI提供的微带巴伦电路，分立元件均选自村田公司元件库内的模型，严格保证了仿真数据的`真实性和可靠性。巴伦电路在工作频段内(2.400～2.4835 GHz)信号传输特性高效、稳定。
3.3 采集模块
采集模块负责采集数据并调理数据信号。本设计中，监测的是土壤的温度和湿度数据，采用的传感器是PTWD-3A型土壤温度传感器以及TDR-3型土壤水分传感器。
PTWD-3A型土壤温度传感器采用精密铂电阻作为感应部件，其阻值随温度变化而变化。为了准确地进行测量，采用四线法测量电阻原理，将电阻信号调理成CC2430芯片A/D通道能采样的电压信号。由P354运算放大器、高精度精密贴片电阻以及2.5 V电源构成10 mA恒流源。10 mA的电流环流经传感器电阻R1、R2将电阻信号转换成为电压信号，由差分放大器LT1991一倍增益将信号转换为单端输出送入CC2430芯片的ADC通道进行采样。
TDR-3型土壤水分传感器输出信号即为电压信号。传感器输出信号通过P354运算放大器送入CC2430芯片的ADC通道进行采样。
3.4 电源模块
电源模块负责调理电压、分配能量，分为充电管理模块、双电源切换管理模块、电压转换模块3个模块。本设计中采用额定电压12 V、电容量3 Ah的铅酸电池供电。
作为环境监测的无线传感器网络应用，节点需要在野外无人看守的情况下进行工作，能量补给是系统持续工作的重要保证。本设计采用太阳能电池板为节点在野外工作时进行电能的补给，充电管理模块则是根据日照情况以及电池能量状态对铅酸电池进行合理、有效的充电。光电耦合器TLP521-100和场效应管Q共同构成了充电模块的开关电路，可以由CC2430芯片的I/0口很方便地进行控制。
在太阳能电池板对电池充电时，电池不能对系统进行供电，因此设计中采用了双电源供电方式，保持“一充一供”的工作状态，双电源切换管理模块负责电源的安全、快速切换。如图10所示，采用了两个开关电路对两块电源进行切换。
在电源进行切换时，总是先打开处于闲置状态的电源，再关闭正在为系统供电的电源，因此会在一段短暂的时间内同时有两个电源对系统供电，这是为了防止系统出现掉电情况。
电源模块需提供5 V、3.3 V、2.5 V等多组电源以满足节点各模块的供能需求。由于系统电源组较多，电压转换模块采用了开关型降压稳压器以及低压差线性稳压器等多种电压转换芯片来对电源进行电压转换，同时要确保电源模块供能的高效性。
结语
节点的设计对整个无线传感器网络系统至关重要。本设计采用了功能强大的射频芯片CC2430作为核心管理芯片，能较好地完成数据采集、分析、传输等多个功能。硬件的模块化设计大大加强了节点的稳定性、可靠性和通用性，在野外无人值守的情况下无线传感器网络系统可以长期、稳定地进行环境方面的监测。
;D. 监控的设计实现
基于GPS-GSM车辆监控系统服务器设计与实现
基于GPS-GSM车辆监控系统服务器设计与实现
来自知网
作者
宋薇
摘要
车辆监控系统是智能型交通系统(ITS)的重要组成部分,是集提高车辆使用效率、调度指挥、安全监控、协调运营等功能于一体的指挥、控制管理体系。上述功能的实现不仅要依...
出版源《吉林大学》, 2006