趙瑋 代軍 郭雷

摘要：本文設(shè)計了一種管道機(jī)器人的控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32F103C8T6單片機(jī)為主控制器，采用NRF24L01芯片通信，然后通過74HC245D芯片增加單片機(jī)的驅(qū)動能力，驅(qū)動直流電機(jī)來控制管道機(jī)器人的行動。該系統(tǒng)成本低，性能穩(wěn)定，適用于小型的管道機(jī)器人控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：管道機(jī)器人；控制系統(tǒng)；74HC245D；直流電機(jī)

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）05-0001-03

在城市建設(shè)和發(fā)展的過程中，管道是一種重要的基礎(chǔ)設(shè)施，為人們的生活提供便利。但是由于管道本身特殊的條件，當(dāng)管道的內(nèi)部出現(xiàn)例如灰塵堆積、管道內(nèi)壁損壞、管道內(nèi)存在異物等情況時，維修人員無法進(jìn)行管道內(nèi)的人工作業(yè)，這時候管道的日常保養(yǎng)和維修就成為了相關(guān)部門的一大難題[1]。而管道機(jī)器人的出現(xiàn)能夠在很大程度上解決此類問題，因為管道機(jī)器人可以攜帶各種清理、維修設(shè)備進(jìn)入管道內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，對管道內(nèi)部的情況進(jìn)行檢測、清理以及維修[2]。

本文設(shè)計了一種履帶式管道機(jī)器人的控制系統(tǒng)，它由直流電機(jī)進(jìn)行控制。工作人員可以通過控制機(jī)器人控制器來控制繼電器的通斷進(jìn)而控制直流電機(jī)的啟停，達(dá)到控制管道機(jī)器人的目的。

1 系統(tǒng)總體框架

履帶式管道機(jī)器人在管道中行走時，需要用電機(jī)控制其行走機(jī)構(gòu)，因此就需要有電機(jī)的驅(qū)動部分來驅(qū)動電機(jī)。但是由于單片機(jī)的I/O驅(qū)動能力有限，因此需要在單片機(jī)和電機(jī)之間增加驅(qū)動模塊。整個系統(tǒng)工作時，由機(jī)器人控制器發(fā)出控制命令傳送到無線通信模塊，然后由單片機(jī)產(chǎn)生驅(qū)動信號，經(jīng)過驅(qū)動電路將電流提升到能夠驅(qū)動電機(jī)的電流，然后驅(qū)動電機(jī)工作來帶動履帶式管道機(jī)器人在管道中行走。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)

本文設(shè)計的控制系統(tǒng)硬件部分分為電源模塊、單片機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊與無線通信模塊。硬件電路采用Altium Designer繪圖軟件進(jìn)行原理圖與PCB板的繪制。

2.1 電源模塊

由于本系統(tǒng)采用的芯片為5V和3.3V供電，因此系統(tǒng)采用24V電池組為供電電源，在系統(tǒng)中選用F2405S-2WR2（24V轉(zhuǎn)5V）芯片與AMS1117（+5V轉(zhuǎn)+3.3V）芯片[3]來進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。電源模塊原理圖如圖2所示。

2.2 單片機(jī)模塊

由于管道機(jī)器人在管道內(nèi)部行走時，需要與外界進(jìn)行穩(wěn)定的通訊，因此本系統(tǒng)采用了STM32F103C8T6單片機(jī)。STM32主控芯片是意法半導(dǎo)體公司推出的一款以ARM Cortex-M3為內(nèi)核處理器的高速、低功耗的芯片，它在整個系統(tǒng)中起到了接受外部信號，發(fā)送控制指令的功能。當(dāng)單片機(jī)模塊接收到無線通信模塊傳遞來的信息，它會根據(jù)信息的種類來輸出相應(yīng)的驅(qū)動信號。假設(shè)機(jī)器人控制器上的搖桿向前扳動，則無線通信模塊會發(fā)送給單片機(jī)一個相應(yīng)的指示信號，單片機(jī)就會輸出驅(qū)動信號來控制向前移動的電機(jī)來啟動，使得管道機(jī)器人在管道內(nèi)部向前移動。

2.3 電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)驅(qū)動模塊是整個控制系統(tǒng)的重要組成部分，它由兩部分組成：一個三態(tài)八路輸出的收發(fā)器74HC245D和12個繼電器。電機(jī)驅(qū)動模塊的電路圖如圖3所示。

（1）74HC245D。74HC245D是兼容TTL器件引腳的高速CMOS總線收發(fā)器[4]，是典型的CMOS型三態(tài)緩沖門電路，八路信號收發(fā)器，在單片機(jī)的I/O口驅(qū)動能力有限的情況下，增加該器件可以使得驅(qū)動電路的驅(qū)動能力增強(qiáng)。其中DIP為方向引腳，當(dāng)DIP為1時，信號由A端輸入，B端輸出；當(dāng)DIP為0時，信號由B端輸入，A端輸出。第2～9引腳和11～18引腳均為信號的輸入輸出端，輸入輸出類型由DIP引腳控制。第19引腳為信號使能端，當(dāng)OE引腳為1時，A/B端信號截止，無法導(dǎo)通；當(dāng)OE引腳為0時，A/B端信號可以導(dǎo)通，該引腳起到了開關(guān)的作用。74HC245D的真值表如表1所示。

（2）繼電器。整個系統(tǒng)是通過控制繼電器的閉合和斷開來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動與停止，達(dá)到控制小車行進(jìn)與停止的目的。本套控制系統(tǒng)采用HRS1H-S-DC5V型號的電磁繼電器，只要在繼電器線圈的兩端加上一定的電壓，線圈中就會通過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當(dāng)線圈斷電的時候，電磁力消失，使得動觸點與原來的靜觸點（常閉觸電）吸合。這樣由開到閉，可以使得電路的狀態(tài)由導(dǎo)通到斷開，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動與停止。HRS1H-S-DC5V電磁繼電器的內(nèi)部原理圖如圖4所示。

其中2腳和5腳是線圈的兩端，其中一個接74HC245D的輸入端，也就是控制端，另一個接高電平。通過控制端的高低電平改變來控制繼電器，從而達(dá)到控制電機(jī)的目的。

2.4 無線通信模塊

為了使管道機(jī)器人在管道內(nèi)能夠接收到機(jī)器人控制器發(fā)來的控制信號，必須要在控制電路中增加無線通信模塊。無線通信模塊選擇NRF24L01芯片為主芯片[5]，它是一款能夠工作在2.4-2.5GHz的單片收發(fā)芯片，支持六路通道的數(shù)據(jù)接收，能夠在1.9-3.6V的低電壓下工作，并且當(dāng)芯片工作在應(yīng)答模式通訊時，它的空中傳輸及啟動時間很快，大大降低了電流的消耗。

當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先要將NRF24L01芯片配置為發(fā)送模式，然后將CE管腳置高并且保持至少10us，然后延遲130us發(fā)送數(shù)據(jù)。如果開啟自動應(yīng)答模式，則收到應(yīng)答后，就認(rèn)為此次通信成功；若未收到應(yīng)答，則重新發(fā)送數(shù)據(jù)。最后發(fā)送成功時，若CE為低電平，則芯片自動進(jìn)入空閑模式；若CE為高電平，代表發(fā)送堆棧中有數(shù)據(jù)未發(fā)送成功，進(jìn)行下一次發(fā)送。

當(dāng)接收數(shù)據(jù)時，首先要將NRF24L01芯片配置為接收模式，接著延遲130us等待數(shù)據(jù)的到來。當(dāng)接收到有效的地址和校驗后，將數(shù)據(jù)暫時存在RXFIFO中，并且產(chǎn)生中斷，等到單片機(jī)去取數(shù)據(jù)。若自動應(yīng)答開啟，則芯片進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)，并且回傳應(yīng)答信號，代表接收成功。

3 軟件設(shè)計

該系統(tǒng)采用STM322F103C8T6單片機(jī)為主控制器，實驗程序在keil uvision5編程環(huán)境下由C語言編寫[6]。

系統(tǒng)上電后，單片機(jī)首先要對各I/O口進(jìn)行初始化，然后等待無線通信模塊的指令。當(dāng)接收到機(jī)器人控制器發(fā)出控制信號后，單片機(jī)產(chǎn)生中斷，來控制驅(qū)動模塊產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動信號來驅(qū)動直流電機(jī)控制行走機(jī)構(gòu)。軟件流程圖如圖5所示。

4 結(jié)語

本文從實際出發(fā)，分析了目前管道內(nèi)保養(yǎng)和維護(hù)出現(xiàn)的問題，提出了管道機(jī)器人控制系統(tǒng)的總體框架，用單片機(jī)技術(shù)對管道機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。該系統(tǒng)主要包括單片機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊與無線通信模塊。通過該系統(tǒng)，工作人員可以在管道外對管道內(nèi)的機(jī)器人進(jìn)行自由控制，實現(xiàn)管道機(jī)器人對管道的日常清理和維護(hù)。該系統(tǒng)體積小、成本低、控制簡單靈活、操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人行走裝置的自動控制，較好的適應(yīng)了管道內(nèi)的作業(yè)要求，具有很高的推廣應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

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