传感技术在救援机器人中的应用研究
2014-09-01 14:29乔峥
教育教学论坛 2014年15期
摘要：在灾难救援中，救援人员只有非常短的时间来寻找幸存者，采用救援机器人可以有效避免二次伤害并为救援人员提供帮助，通过救援机器人对救援环境的基本情况进行检测是必须的。本文从救援机器人中传感技术的角度开展了有针对性的研究，选择了合适的温度、湿度、气体传感器，并进行了软硬件设计。
关键词：传感技术；救援机器人；软硬件设计
中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）15-0150-02
在世界各地，由于自然灾害、恐怖活动和各种突发事故等原因，灾难经常发生。在灾难救援中，救援人员要在48小时内在倒塌的废墟中寻找幸存者，否则发现幸存者的几率几乎为零。在这种紧急而危险的情况下，无线可视救援机器人的应用可以有效避免二次伤害并为救援人员提供帮助。因此，开展无线可视救援机器人相关技术的开发和应用研究具有非常重要的意义，本文从无线可视救援机器人中传感技术的角度开展了有针对性的研究。
一、温度传感器的选型和设计
无线可视救援机器人在工作现场，可以感受到救援现场的温度，对救援现场的温度进行实时监测，需要温度传感器来实现。
1.温度传感器简介。温度传感器是利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。温度传感器按测量方式可分为接触式和非接触式两大类。随着电子技术的不断发展，将温度敏感元件和有关的测量转换电路集成在一个芯片上，形成一个一体化、小型化、多功能化的专用集成电路芯片。
2.温度传感器选择。在本设计中，温度测量主要是对机器人所处的环境进行温度检测，同时把检测到的温度送给操作台的液晶显示块进行数字显示。根据我国的具体气候情况，温度测量范围在-50℃～60℃即可满足室外温度检测需求，测量精度要求达到±0.5℃，要求在粉尘、噪音比较大的工作环境中能够正常工作。为了减小机器人自身的重量，尽可能地减少外围电路，减少系统设计的复杂性，增加系统设计的抗干扰性，从测量范围、测量精度以及抗干扰能力综合考虑，本设计选用温度传感器DS18B20。
3.温度采集软硬件设计。DS18B20输出的是数字信号，可以直接和单片机的I/O口相连，DS18B20在本系统中与发送端单片机的P3.3连接。通过单片机控制，温度传感器DS18B20采集的数字信号最后显示在控制台的液晶显示块上。DS18B20的输出DQ端和救援车的控制单片机STC15F2K61S2的P3.3口相连。工作时，先对DS18B20初始化。首先对DQ端复位，稍作延时（大约80US）后，将DQ端拉低，精确延时（大于480US），拉高总线，再稍做延时（大约100US），DS18B20初始化成功。然后，读取温度寄存器（共可读9个寄存器，前两个就是温度）中的数据，对温度数据处理后，通过液晶模块12864显示。
二、湿度传感器的选型和设计
1.湿度传感器简介。湿度传感器一般分为电阻式和电容式两种。随着现代电子技术的发展，出现了集成湿度传感器。它是将湿敏元件和它的测量转换电路集成在一个小芯片上，构成一个一体化、小型化、多功能的专用集成电路芯片。集成湿度传感器的测量范围一般可以达到0%～100%。
2.湿度传感器选择。本设计需要检测救援车所处实际环境的相对湿度，根据我国的具体气候情况，测量范围在20%～90%之间即可，测量精度要达到±2%，对粉尘和恶劣环境的抗干扰能力强，因此采用线性频率输出式湿度传感器HS1101，它是基于独特工艺设计的电容元件，具有可靠性高、稳定性好、反应时间快等优点。
3.湿度采集软硬件设计。电容传感器HS1101在电路中可以等效成一个可变电容（它的电容值会随着被测空气湿度变化而变化）。本设计中，将HS1101放在555振荡电路中，将HS1101电容值的变化转变为可直接和单片机相连的频率信号，测量电路如图1所示。
测湿电路的输出是频率信号，可以直接和单片机的I/O口相连，一开始，单片机判断I/O口是否发生变化，如果变化了，就打开定时器计数，当I/O再次发生变化，停止计数，然后把定时器变化的值乘2取倒数就是它的频率了，单片机再根据湿度与输出频率的关系，求得环境的湿度，显示在操作台液晶显示块12864上。
三、气体传感器的选型和设计
1.气体传感器简介。目前，在民用气体检测方面使用比较普遍的是电阻式半导体气体传感器，主要是指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器，是一种用金属氧化物薄膜（例如：SN02，ZNO，FE203，TI02等）制成的阻抗器件，它的电阻值会随着被测气体浓度的变化而变化。
2.气体传感器选择。在地震、火灾或矿难现场，一般会产生有害气体和可燃气体。MQ系列气敏元件可以实现对不同气体浓度的检测。本设计是在灾难现场检测可燃气体或者有害气体的浓度，可以根据实际情况选择对不同气体敏感的传感器。在这里，选择检测可燃气体的MQ-2气敏元件。在实际应用中，可根据灾难现场的实际情况选择MQ系列的其他元件。
3.气体浓度采集软硬件设计。MQ-2测量转换电路如图2所示。本模块设计具有双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出），TTL输出有效信号为低电平（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机），模拟量输出0-5V电压，浓度越高电压越高，对液化气、天然气、城市煤气、烟雾有较好的灵敏度。
选择MQ-2的测量装换电路DOUT（TTL高低电平）端直接接救援车单片机SC15F2K61S2的P1.0口，初始化后，采集MQ-2测量转换电路DOUT端输出的TTL数字信号，采集数据经处理后显示在液晶显示块12864上。
救援机器人在工作中要对其所处的环境进行反馈，即对环境的温度、湿度和空气状况进行监测，本文通过对温度、湿度和气体检测手段进行分析，选择了合适的传感器，对其检测模块所需传感器进行选型和软硬件设计，设计经过实际调试已成功，工作安全可靠，抗干扰能力较强。
作者简介：乔峥（1984-），女，鄂东职业技术学院讲师，硕士，研究方向：传感器的开发和应用。endprint
摘要：在灾难救援中，救援人员只有非常短的时间来寻找幸存者，采用救援机器人可以有效避免二次伤害并为救援人员提供帮助，通过救援机器人对救援环境的基本情况进行检测是必须的。本文从救援机器人中传感技术的角度开展了有针对性的研究，选择了合适的温度、湿度、气体传感器，并进行了软硬件设计。
关键词：传感技术；救援机器人；软硬件设计
中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）15-0150-02
在世界各地，由于自然灾害、恐怖活动和各种突发事故等原因，灾难经常发生。在灾难救援中，救援人员要在48小时内在倒塌的废墟中寻找幸存者，否则发现幸存者的几率几乎为零。在这种紧急而危险的情况下，无线可视救援机器人的应用可以有效避免二次伤害并为救援人员提供帮助。因此，开展无线可视救援机器人相关技术的开发和应用研究具有非常重要的意义，本文从无线可视救援机器人中传感技术的角度开展了有针对性的研究。
一、温度传感器的选型和设计
无线可视救援机器人在工作现场，可以感受到救援现场的温度，对救援现场的温度进行实时监测，需要温度传感器来实现。
1.温度传感器简介。温度传感器是利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。温度传感器按测量方式可分为接触式和非接触式两大类。随着电子技术的不断发展，将温度敏感元件和有关的测量转换电路集成在一个芯片上，形成一个一体化、小型化、多功能化的专用集成电路芯片。
2.温度传感器选择。在本设计中，温度测量主要是对机器人所处的环境进行温度检测，同时把检测到的温度送给操作台的液晶显示块进行数字显示。根据我国的具体气候情况，温度测量范围在-50℃～60℃即可满足室外温度检测需求，测量精度要求达到±0.5℃，要求在粉尘、噪音比较大的工作环境中能够正常工作。为了减小机器人自身的重量，尽可能地减少外围电路，减少系统设计的复杂性，增加系统设计的抗干扰性，从测量范围、测量精度以及抗干扰能力综合考虑，本设计选用温度传感器DS18B20。
3.温度采集软硬件设计。DS18B20输出的是数字信号，可以直接和单片机的I/O口相连，DS18B20在本系统中与发送端单片机的P3.3连接。通过单片机控制，温度传感器DS18B20采集的数字信号最后显示在控制台的液晶显示块上。DS18B20的输出DQ端和救援车的控制单片机STC15F2K61S2的P3.3口相连。工作时，先对DS18B20初始化。首先对DQ端复位，稍作延时（大约80US）后，将DQ端拉低，精确延时（大于480US），拉高总线，再稍做延时（大约100US），DS18B20初始化成功。然后，读取温度寄存器（共可读9个寄存器，前两个就是温度）中的数据，对温度数据处理后，通过液晶模块12864显示。
二、湿度传感器的选型和设计
1.湿度传感器简介。湿度传感器一般分为电阻式和电容式两种。随着现代电子技术的发展，出现了集成湿度传感器。它是将湿敏元件和它的测量转换电路集成在一个小芯片上，构成一个一体化、小型化、多功能的专用集成电路芯片。集成湿度传感器的测量范围一般可以达到0%～100%。
2.湿度传感器选择。本设计需要检测救援车所处实际环境的相对湿度，根据我国的具体气候情况，测量范围在20%～90%之间即可，测量精度要达到±2%，对粉尘和恶劣环境的抗干扰能力强，因此采用线性频率输出式湿度传感器HS1101，它是基于独特工艺设计的电容元件，具有可靠性高、稳定性好、反应时间快等优点。
3.湿度采集软硬件设计。电容传感器HS1101在电路中可以等效成一个可变电容（它的电容值会随着被测空气湿度变化而变化）。本设计中，将HS1101放在555振荡电路中，将HS1101电容值的变化转变为可直接和单片机相连的频率信号，测量电路如图1所示。
测湿电路的输出是频率信号，可以直接和单片机的I/O口相连，一开始，单片机判断I/O口是否发生变化，如果变化了，就打开定时器计数，当I/O再次发生变化，停止计数，然后把定时器变化的值乘2取倒数就是它的频率了，单片机再根据湿度与输出频率的关系，求得环境的湿度，显示在操作台液晶显示块12864上。
三、气体传感器的选型和设计
1.气体传感器简介。目前，在民用气体检测方面使用比较普遍的是电阻式半导体气体传感器，主要是指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器，是一种用金属氧化物薄膜（例如：SN02，ZNO，FE203，TI02等）制成的阻抗器件，它的电阻值会随着被测气体浓度的变化而变化。
2.气体传感器选择。在地震、火灾或矿难现场，一般会产生有害气体和可燃气体。MQ系列气敏元件可以实现对不同气体浓度的检测。本设计是在灾难现场检测可燃气体或者有害气体的浓度，可以根据实际情况选择对不同气体敏感的传感器。在这里，选择检测可燃气体的MQ-2气敏元件。在实际应用中，可根据灾难现场的实际情况选择MQ系列的其他元件。
3.气体浓度采集软硬件设计。MQ-2测量转换电路如图2所示。本模块设计具有双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出），TTL输出有效信号为低电平（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机），模拟量输出0-5V电压，浓度越高电压越高，对液化气、天然气、城市煤气、烟雾有较好的灵敏度。
选择MQ-2的测量装换电路DOUT（TTL高低电平）端直接接救援车单片机SC15F2K61S2的P1.0口，初始化后，采集MQ-2测量转换电路DOUT端输出的TTL数字信号，采集数据经处理后显示在液晶显示块12864上。
救援机器人在工作中要对其所处的环境进行反馈，即对环境的温度、湿度和空气状况进行监测，本文通过对温度、湿度和气体检测手段进行分析，选择了合适的传感器，对其检测模块所需传感器进行选型和软硬件设计，设计经过实际调试已成功，工作安全可靠，抗干扰能力较强。
作者简介：乔峥（1984-），女，鄂东职业技术学院讲师，硕士，研究方向：传感器的开发和应用。endprint
摘要：在灾难救援中，救援人员只有非常短的时间来寻找幸存者，采用救援机器人可以有效避免二次伤害并为救援人员提供帮助，通过救援机器人对救援环境的基本情况进行检测是必须的。本文从救援机器人中传感技术的角度开展了有针对性的研究，选择了合适的温度、湿度、气体传感器，并进行了软硬件设计。
关键词：传感技术；救援机器人；软硬件设计
中图分类号：G712 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）15-0150-02
在世界各地，由于自然灾害、恐怖活动和各种突发事故等原因，灾难经常发生。在灾难救援中，救援人员要在48小时内在倒塌的废墟中寻找幸存者，否则发现幸存者的几率几乎为零。在这种紧急而危险的情况下，无线可视救援机器人的应用可以有效避免二次伤害并为救援人员提供帮助。因此，开展无线可视救援机器人相关技术的开发和应用研究具有非常重要的意义，本文从无线可视救援机器人中传感技术的角度开展了有针对性的研究。
一、温度传感器的选型和设计
无线可视救援机器人在工作现场，可以感受到救援现场的温度，对救援现场的温度进行实时监测，需要温度传感器来实现。
1.温度传感器简介。温度传感器是利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。温度传感器按测量方式可分为接触式和非接触式两大类。随着电子技术的不断发展，将温度敏感元件和有关的测量转换电路集成在一个芯片上，形成一个一体化、小型化、多功能化的专用集成电路芯片。
2.温度传感器选择。在本设计中，温度测量主要是对机器人所处的环境进行温度检测，同时把检测到的温度送给操作台的液晶显示块进行数字显示。根据我国的具体气候情况，温度测量范围在-50℃～60℃即可满足室外温度检测需求，测量精度要求达到±0.5℃，要求在粉尘、噪音比较大的工作环境中能够正常工作。为了减小机器人自身的重量，尽可能地减少外围电路，减少系统设计的复杂性，增加系统设计的抗干扰性，从测量范围、测量精度以及抗干扰能力综合考虑，本设计选用温度传感器DS18B20。
3.温度采集软硬件设计。DS18B20输出的是数字信号，可以直接和单片机的I/O口相连，DS18B20在本系统中与发送端单片机的P3.3连接。通过单片机控制，温度传感器DS18B20采集的数字信号最后显示在控制台的液晶显示块上。DS18B20的输出DQ端和救援车的控制单片机STC15F2K61S2的P3.3口相连。工作时，先对DS18B20初始化。首先对DQ端复位，稍作延时（大约80US）后，将DQ端拉低，精确延时（大于480US），拉高总线，再稍做延时（大约100US），DS18B20初始化成功。然后，读取温度寄存器（共可读9个寄存器，前两个就是温度）中的数据，对温度数据处理后，通过液晶模块12864显示。
二、湿度传感器的选型和设计
1.湿度传感器简介。湿度传感器一般分为电阻式和电容式两种。随着现代电子技术的发展，出现了集成湿度传感器。它是将湿敏元件和它的测量转换电路集成在一个小芯片上，构成一个一体化、小型化、多功能的专用集成电路芯片。集成湿度传感器的测量范围一般可以达到0%～100%。
2.湿度传感器选择。本设计需要检测救援车所处实际环境的相对湿度，根据我国的具体气候情况，测量范围在20%～90%之间即可，测量精度要达到±2%，对粉尘和恶劣环境的抗干扰能力强，因此采用线性频率输出式湿度传感器HS1101，它是基于独特工艺设计的电容元件，具有可靠性高、稳定性好、反应时间快等优点。
3.湿度采集软硬件设计。电容传感器HS1101在电路中可以等效成一个可变电容（它的电容值会随着被测空气湿度变化而变化）。本设计中，将HS1101放在555振荡电路中，将HS1101电容值的变化转变为可直接和单片机相连的频率信号，测量电路如图1所示。
测湿电路的输出是频率信号，可以直接和单片机的I/O口相连，一开始，单片机判断I/O口是否发生变化，如果变化了，就打开定时器计数，当I/O再次发生变化，停止计数，然后把定时器变化的值乘2取倒数就是它的频率了，单片机再根据湿度与输出频率的关系，求得环境的湿度，显示在操作台液晶显示块12864上。
三、气体传感器的选型和设计
1.气体传感器简介。目前，在民用气体检测方面使用比较普遍的是电阻式半导体气体传感器，主要是指半导体金属氧化物陶瓷气体传感器，是一种用金属氧化物薄膜（例如：SN02，ZNO，FE203，TI02等）制成的阻抗器件，它的电阻值会随着被测气体浓度的变化而变化。
2.气体传感器选择。在地震、火灾或矿难现场，一般会产生有害气体和可燃气体。MQ系列气敏元件可以实现对不同气体浓度的检测。本设计是在灾难现场检测可燃气体或者有害气体的浓度，可以根据实际情况选择对不同气体敏感的传感器。在这里，选择检测可燃气体的MQ-2气敏元件。在实际应用中，可根据灾难现场的实际情况选择MQ系列的其他元件。
3.气体浓度采集软硬件设计。MQ-2测量转换电路如图2所示。本模块设计具有双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出），TTL输出有效信号为低电平（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机），模拟量输出0-5V电压，浓度越高电压越高，对液化气、天然气、城市煤气、烟雾有较好的灵敏度。
选择MQ-2的测量装换电路DOUT（TTL高低电平）端直接接救援车单片机SC15F2K61S2的P1.0口，初始化后，采集MQ-2测量转换电路DOUT端输出的TTL数字信号，采集数据经处理后显示在液晶显示块12864上。
救援机器人在工作中要对其所处的环境进行反馈，即对环境的温度、湿度和空气状况进行监测，本文通过对温度、湿度和气体检测手段进行分析，选择了合适的传感器，对其检测模块所需传感器进行选型和软硬件设计，设计经过实际调试已成功，工作安全可靠，抗干扰能力较强。
作者简介：乔峥（1984-），女，鄂东职业技术学院讲师，硕士，研究方向：传感器的开发和应用。endprint
