以單片機為控制系統的爬桿機器人設計

鐘明珠，賀雪峰

國網福建省電力有限公司惠安縣供電公司，福建 泉州 362100

0 引言

電力線路在輸電、配電、供電過程中起著重要的作用，電線桿對電力線路起著支持、承載作用。日常巡檢或檢修電力線路時，人工攀爬電線桿不但費時費力，而且容易受傷，因此，文章研究設計了一種單片機控制的爬桿機器人，對于電力線路的維護及發展很有意義。

1 系統總體設計

1.1 總體設計方案

系統采用STC12單片機作為控制芯片，主要由STC12單片機最小系統模塊、藍牙傳輸模塊、電機驅動模塊、液晶顯示模塊、超聲波傳感器模塊組裝成具有爬桿功能的機器人，最終實現對桿上線路情況的分析及維護。在給機器人上電時，單片機發出方波信號來啟動超聲波，這時超聲波發射出信號，直到聲波反射回來超聲波接收次反射信號，應用相關公式轉換成距離顯示出來[1-2]。單片機控制OLED液晶屏顯示距離，保證了時刻記錄爬桿機器人的行程。使用HC-05藍牙通信模塊將機器人的爬行及停止通過地面的指令進行控制，讓機器人自由地向上、向下及停止行走，實現機器人自由行程的功能。

1.2 單片機的選擇

單片機是主要的控制芯片，可以讀取外部輸入進來的信號，通過一系列處理，從而輸出對應的電平來實現相關控制，綜合考慮各方面條件和因素，文章在設計時選擇了性價比較高的STC12單片機。

1.3 無線通信模塊的論證與選擇

方案一：使用HC-05藍牙模塊。該藍牙模塊價格合適，雖檢測范圍小，但是足夠此次設計使用。方案二：使用NRF24L01無線通信模塊。此模塊可以在200 m的范圍內精確傳輸，一次性可以傳輸32字節的數據。使用時，將其內部寄存器配置好地面手機藍牙串口，寫入相應的指令就可以控制單片機，然后驅動相應的元器件工作，使用方便簡單。

綜上，藍牙模塊可以滿足此次機器人爬桿，定點及向上、向下爬行的控制，而且這個模塊價格適當，可以用手機下載串口，與之建立通信模式。故選擇方案一。

1.4 顯示屏方案選擇

方案一：采用LCD1602。用此液晶顯示屏來顯示機器人對地的距離。該款液晶屏具有體積小、操作簡單、能耗低、價格相對便宜等優點，其缺點是由于體積不大，可以顯示的內容不多，分辨率也不夠高，顯示出來的字體是固定不變的，不可以調整。方案二：采用TFTLCD。用此液晶顯示屏來顯示機器人對地的距離。這個液晶顯示屏的優點是分辨率高，顯示的內容非常清晰，而且它反應靈敏，顯示速度快，還可以顯示彩色的內容；缺點是因為分辨率高，耗電快，價格也相對高昂。

對比以上兩種方案，結合經濟情況，綜合考慮后選擇了第一種方案。

1.5 傳感器的方案選擇

方案一：采用紅外傳感器。用此傳感器對爬桿機器人對地的距離進行測量時，傳感器對信號回應速度很快，在沒有干擾的情況下所測量的結果比較準確。但是它抗干擾的能力較差，容易受到周圍光線的影響，如果機器人所測地點光線太強或者在測量過程中有其他光線照進來，都會造成很大影響。而且其價格也相對較高。方案二：采用超聲波傳感器。用此傳感器對爬桿機器人對地的距離進行測量時，可測距離更遠，測量結果準確性較高，價格也比較合適，測量時幾乎不受外界環境的干擾。但是，如果距離較近，發射和接收也會受到較大影響。

對比以上兩種方案，結合經濟情況，綜合考慮后選擇了第二種方案。

2 系統的硬件設計

2.1 單片機主控制電路設計

主要控制芯片選用STC12C5A60S2，單片機的最小系統就是以此芯片作為基礎。該控制電路主要由以下三個部分構成[3]。（1）電源部分：電源部分為整個系統提供能量，第40腳接電源+5 V是VCC腳，第20腳是GND，通常接地。（2）復位電路部分：單片機的初始化任務都由此來完成。它由第9腳引出，接一個10 uF的電容和一個10 K的電阻即可。（3）晶振電路部分：分別由第18腳XTAL2和第19腳XTAL1引出，晶振采用頻率為11.059 2 MHz的，保證了單片機的工作節拍。

2.2 超聲波模塊的電路設計

此次設計使用最常見到的超聲波傳感器HC-SR04模塊，整個模塊使用簡單，擴展出來就四個引腳，分別是電源引腳VCC和GND，需要提供5 V的直流電，TRIG腳和ECHO腳分別為控制腳和信號接收腳。TRIG腳是觸發引腳，當單片機控制HC-SR04模塊開始工作時，此腳被激活。其工作原理是兩個孔通過發射和接收聲波然后使用公式（s=340t/2）來測量距離。聲波信號由于空氣阻力等干擾在傳播過程中可能會被慢慢削弱，為了避免削弱較多，設計了放大電路，安裝在超聲波的接收電路上，用來放大信號。為了保證發射端口可以產生12 us的方波信號且每組有12個脈沖寬度，可以選擇一塊壓電晶片（也叫超聲波探頭）來完成這兩項工作，其超聲波特性較好，有理想的折反射性能，并產生多普勒效應，被廣泛應用于醫學方面。

2.3 顯示模塊電路設計

測距儀采用OLED液晶屏，OLED有機發光二極管又被稱為有機電激光顯示。OLED顯示技術具有自發光的特性，采用非常薄的有機材料涂層和玻璃基板，當有電流通過時，這些有機材料就會發光。而且OLED顯示屏幕可視角度大，功耗低，相比于LCD屏的功耗大、需要背光，OLED屏的顯示效果更佳，更加適合小系統。其模塊供電電壓可以是3.3 V，也可以是5 V，不需要修改模塊電路，包含控制OLED的亮度及對比度、開關升壓電路等多種指令，操作方便，功能豐富，可顯示漢字、ASCII、圖案等。

3 系統軟件設計

3.1 系統主程序設計

系統一旦啟動，首先要完成程序初始化，包括定時器和液晶顯示器的初始化。定時器0工作時，將ET0設置為低電平，TR設置為高電平。初始化LCD1602時，首先將指令寫入1602，顯示模式為2行32位，端口輸出設置為8位。同時，還要做一些基本設置，包括光標不顯示、整屏不移動等。初始化完成后，系統開始執行主循環，它是被中斷控制的。中斷控制一共有3個時間標志位，具體的實施方案是當初始值被定時器0設置好后，每次中斷大概間隔為10 us，一次中斷就讓其值加1。

3.2 超聲波模塊程序設計

工作原理：先控制單片機發送一個10 us的高電平給HC-SR04的TRIG引腳，超聲波模塊被啟動后，其發射端發射出8個40 kHz的聲波信號，一旦定時器開始工作，接收頭就開始尋找回波，此時電平從低電平轉向高電平的Echo引腳開始工作。如果發射的聲波信號碰到地面，且接收頭檢測到返回波，Echo引腳的電平發生相反的轉化。從發出到接收的時間都會被定時器記錄，單片機會記錄此時間并換成具體時間數值。

3.3 顯示模塊程序設計

在I2C總線傳輸過程中，將兩種特定的情況定義為開始和停止條件。當SCL保持“高”時，SDA由“高”變為“低”為開始條件；當SCL保持“高”且SDA由“低”變為“高”時為停止條件。開始和停止條件均由主控制器產生。使用硬件接口可以很容易地檢測到開始和停止條件，沒有這種接口的微機必須以每時鐘周期至少2次對SDA取樣，以檢測這種變化。

開始和停止條件SDA線上的數據在時鐘“高”期間必須是穩定的，只有當SCL線上的時鐘信號為低時，數據線上的“高”或“低”狀態才可以改變。輸出到SDA線上的每個字節必須是8位，每次傳輸的字節不受限制，但每個字節必須有一個應答ACK。如果一接收器件在完成其他功能（如一內部中斷）前不能接收另一數據的完整字節時，它可以保持時鐘線SCL為“低”，以促使發送器進入等待狀態；當接收器準備好接收數據的其他字節并釋放時鐘SCL后，數據傳輸繼續進行。

數據傳送必須具有應答。與應答對應的時鐘脈沖由主控制器產生，發送器在應答期間必須下拉SDA線。當尋址的被控器件不能應答時，數據保持為“高”并使主控器產生停止條件而終止傳輸。在傳輸的過程中，在用到主控接收器的情況下，主控接收器必須發出一數據結束信號給被控發送器，從而使被控發送器釋放數據線，以允許主控器產生停止條件。

4 結束語

基于單片機控制的爬桿機器人設計中實現了預期的功能，包括超聲波準確測距，LCD1602液晶顯示機器人爬桿距離，以及無線通信模塊控制機器人的移動與定位等。設計還待實現另外的功能：增加攝像頭模塊，可以隨時隨地拍照，檢測桿上的各個細節，并立即返回手機，這樣可以清晰地看到線路損壞程度；設計自己的手機App，應用功能強大的Wi-Fi模塊與手機建立通信，其目的是實現遠程操控；設置多個按鍵來控制機器人爬行速度，速度可以任意調控，既可以更加清楚地了解線路的損壞情況，又能節省時間。