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作者：郑州轻工业学院 曹预建 任志远 蔡晓单
指导教师：韩雪琴

　　作品简介　　

　　接收装置组成结构：　　

 　　功能说明：
　　本设计产品集家庭服务和智能安防与一体，主要有六种工作模式：家庭环境检测模式，家庭煤气监测模式，家庭防盗模式，家庭婴儿、老人看护模式，家庭消防模式，家庭娱乐模式。用户可以通过遥控器在不同场合选择不同的工作模式以满足不同的需求。　　

　　主要模块介绍：

• 语音模块：可以录放语音，在特定情况下播放来提醒用户发生了突发情况，例如倒车、家庭防盗、婴儿掉床等。
• 超声波避障模块：配合舵机测量前方障碍物的距离，实现自动避障循迹功能。
• 声音检测模块：通过声音来控制机器人的启动、停止等。
• 无线通信模块：机器人和接收装置分别装有无线通信模块，可以把机器人采集到的数据发送到接收装置上显示。
• 红外遥控：用户可以通过遥控器选择机器人的工作模式来控制机器人工作。
• 热释电红外传感器：能检测出运动的生命迹象，通过语音模块和声光模块实现防盗报警、看护婴儿等功能。
• 温湿度传感器：用于检测室内温湿度，通过无线通信模块传送给接收装置，提醒用户开启空调、加湿器等，以改善室内环境。
• 火焰传感器：能够检测火源，并控制风扇实现自动灭火功能。
• 烟雾气体传感器：当检测到煤气泄漏时，通过语音模块提醒用户检查煤气管道等设备。

　　使用说明：
　　1. 接通电源。
　　2. 按下遥控器上的按键选择机器人的工作模式，进入相应的工作状态。
　　3. 完成相应的工作后，关闭电源。

　　平台选型说明

　　平台说明：
　　本设计产品采用大赛指定的以STC15F2K60S2芯片为控制核心的单片机开发板，它是高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，采用第八代加密技术，加密性超强，完全兼容普通8051，且速度提高7-12倍。
　　该系列单片机共拥有40个标准数字输入输出接口，可设置四种工作模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏。其内部集成了高可靠上电复位电路与高精准R/C振荡器，给单片机芯片加上电源就可跑程序;集成了大容量的程序存储器、数据存储器、EEPRM及看门狗、6个定时/计数器、3路CCP/PWM/PCA、8路高速10位A/D转换、2组高速异步串行口通信端口，1组高速同步串行通信端口SPI等高功能接口部件，可大大地简化单片机应用系统的外围电路，使单片机应用系统的设计更加简捷，系统性能更加高效、可靠。

　　设计说明

　　设计方案：

　　1. 电机选择方案
　　方案一：采用直流电机。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无数快速启动、制动和反转。
　　方案二：采用步进电机。步进电机的一个显著特点是具有快速的启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。
　　考虑到时间的限制，同时普通的直流电机电路设计相对简单且容易获得，所以在设计小车行走过程中采用方案一的直流电机作为动力驱动。

　　2. 电源供电方案
　　方案一：采用双电源供电。用两个电源分别给控制系统和电机系统供电，将两个系统完全隔离，利用光电耦合器传输信号，将电机驱动所造成的干扰彻底消除，这样就提高了系统的稳定性。
　　方案二：用电机驱动模块给控制系统供电。用7.2V的蓄电池给电机驱动模块供电，可以直接驱动两路3-16V直流电机，该模块内带稳压芯片，提供了5V电源输出接口，可以给5V单片机控制系统供电。
　　考虑到小车所能承受的压力有限，所以采用方案二，通过电机驱动模块给单片机控制系统提供稳定电压，性能稳定。

　　3. 探测障碍物的方案
　　方案一：采用超声波测距。超声波测距模块利用其测距原理判断小车前方是否有障碍物。传感器放射头发射超声波，当接收头接收到障碍物反射回来的超声波时，单片机通过计时计算障碍物的距离并控制小车自动避障循迹。
　　方案二：采用红外对管。利用单片机产生信号对红外线发射管进行调制发射，发射出去的红外线遇到障碍物时反射回来，红外线接收管对反射回来的信号进行解调，输出TTL电平。
　　由于超声波测距模块比较便宜，且能精确测量到障碍物的距离，配合舵机可以实现转向测距，灵活避障。

　　4. 显示方案
　　方案一：采用LED点阵显示。通过控制行列二极管的电平高低来控制亮灭，显示出字符和数字，但占用较多I/O口，且字符的显示程序比较繁琐。
　　方案二：采用12864液晶显示，工作电流比LED小，功耗低，不仅可以显示数字，而且可以显示汉字和图象，效果非常直观。故本设计采用液晶显示。

　　5. 声音提示方案
　　方案一：利用蜂鸣器，由单片机产生不同的频率信号来完成声音提示，此方案易于实现，成本低，能完成声音报警功能。本设计中声光报警采用此方案。
　　方案二：采用ISD4004语音模块，可单片录放8至10分钟，音质好，片内信息可在断电情况下保存100年，反复录音10万次。本设计中语音提示功能采用此方案，提醒用户发生特殊情况，如“倒车请注意”、“请检查煤气泄漏”、“小偷止步”等。

　　设计原理：

　　1. 机器人控制电路：
　　机器人控制系统以STC15F2K6032为核心来控制语音模块、超声波避障模块、电机驱动模块、无线通信模块、声音检测模块、温湿度传感器、热释电红外传感器、火焰传感器等外围电路，控制系统的原理图为：　　

 　　2.接收系统电路：
　　用户接收装置以AT89C52为控制核心，通过无线通信模块接收机器人发送来的数据，如室内温湿度等，在12864液晶屏上显示，用以提醒用户开启空调、加湿器等，实现对环境的实时检测，以改善室内环境。其原理图为：　　

 　　3.电机驱动电路：
　　以集成芯片L298N和二极管组成的电路作为驱动，利用晶体管的导通与截止来驱动电机的转动。L298N内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。其原理图为：　　

　　4.语音提示电路：
　　该语音模块以ISD4004芯片为核心，可反复录音10万次。ISD4004采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样值直接存储在片内闪烁存储器中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调，避免了一般固体录音因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。其原理图为：　　

 　　5.超声波避障电路：
　　其工作方式简单，模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回，若有信号返回，通过IO输出高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，从而计算出到障碍物的距离。此模块性价比高，拥有超宽的电压输入范围，功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPIO，串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠。其原理图为：

 　　6.无线通信电路：
　　nRF24L01是一款工作在2.4GHz-2.5GHz的世界通用ISM 频段的单片无线收发器芯片，内部包括：频率发生器、增强型“SchockBurst”模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器和解调器。其输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置，而且能连接到各种单片机芯片，完成无线数据传送工作。其原理图为：　　

 　　7.温湿度传感器电路：
　　该传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，应用数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性，品质优越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。

　　8.烟雾气体传感器：
　　烟雾气体传感器对环境液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、烟雾等较敏感，当上述气体浓度未超过设定阈值时，数字接口输出高电平，模拟接口电压基本为0v左右，当气体浓度超过设定阈值时，模块数字接口输出低电平，模拟接口输出的电压会随着气体的影响慢慢增大。广泛应用于家庭和工厂的气体泄漏监测装置。

　　9.声音震动传感器：
　　声音震动模块对环境强度最敏感，一般用来检测周围环境的声音强度，当环境声音强度达不到设定阈值时，输出高电平，当外界环境声音强度超过设定阈值时，模块输出低电平。可以用于声控灯，配合光敏传感器做声光报警，以及声音放大、声音检测的场合。

　　10.火焰传感器：

　　火焰传感器根据红外线接收管接收到的红外光线强弱区分是否为火焰，然后把火焰的亮度转化为高低变化的电平信号，输入到单片机中央处理器中，单片机根据信号的变化做出相应的程序处理。

　　11.热释电红外传感器：
　　热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器，人进入其感应范围则输出高电平，人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。其灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式，广泛应用于各类自动感应电器设备。

　　作品特色

　　本项目主要完成智能家庭服务机器人的设计与制作，用户能够通过遥控器上不同的按键选择机器人的工作模式。机器人能够利用温湿度传感器完成对室内环境的检测，并通过无线通信模块发送到接收装置液晶屏上显示来提示用户开启空调、加湿器等，以改善室内环境;利用烟雾气体传感器完成对室内煤气浓度监测，超标时通过语音提示用户检查煤气管道等设备;利用热释电传感器完成人体生命检测，应用于家庭防盗和婴儿、老人看护等功能;利用超声波避障模块自动循迹;利用火焰传感器检查火源并自动灭火达到预防火灾的发生;机器人自带的救援箱在灭火过程中可以对受伤人员实施一定的救治。智能家庭服务机器人是集控制器、电机、传感器、语音、无线收发等多学科交叉的一个设计，将多个模块进行系统的整合，实现多功能与一体，具备科学性与先进性。
　　本设计的创新性在于集家庭服务与家居智能安防多功能与一体，从而可以弥补一定的市场空白。利用遥控器选择工作模式，使用灵活、方便，适合大多数家庭使用，并且成本比较低，如果批量生产，所带来的经济利益将会十分乐观。

系统演示视频：http://v.eepw.com.cn/video/play/id/2296