摘要：随着现代科学技术与工业现代化的飞速发展，环境污染对人们日常的生产生活造成了很大的影响，在各种环境污染中，甲醛、PM2.5的污染受到了全社会的关注。本文设计了一种环境检测机器人，包括基础硬件电路与软件系统的设计，借助灰度检测电路，使得环境检测机器人能够实现对外界环境中甲醛、PM2.5、温度、紫外线进行不定点不定时的检测。
关键词：环境检测,STC51,检测系统
1 引言
科学技术的不断发展，使得对环境状况进行检测与分析已经成为人们生产生活中不可或缺的重要任务。如果环境出现问题，人们将无法保证正常的生产生活，近年来我国对环境的污染及治理问题越来越重视。
本文针对环境问题的检测与分析，提出了一种环境检测机器人[1],即以车为载体[2-5]的环境检测系统。该系统以车为载体，车体搭载了PM2.5检测系统、温度检测系统、紫外线检测系统、甲醛检测系统、路径识别系统、报警及显示系统、电源状态显示模块，以此实现对环境中某个指标的检测与分析处理，并通过该系统所检测的数据对环境状况进行治理。本设计以STC51微处理器为核心控制器，通过把各个系统采集的参数指标进行处理计算，最终得到环境的评价状况，处理器所得到的数据也通过存储器进行实时存储。通过实验，该系统可以实现对环境状况的实时检测和记录，而且能够将环境的检测情况直观的呈现在观测者面前，具有很好的应用前景。
2 整体设计思路
环境检测机器人以移动平台即带有轮子的机械结构为基本依托，其外形如一个车的形状，装设各种环境状况检测传感器，可
以使其在各种环境中自由运动，以此实现不定点不定时的环境检测。将单片机、数据传输、数模转换、信息采集、实时显示报警综合到一起，具有很强的实用性，同时还设计有电机驱动电路实现机器人的自由移动，路径识别系统实现机器人的准确定位避免发生碰撞。通过人工给定机器人环境检测的路径，利用机器人中配有的路径识别系统获取相应的检测地点的位置信息，实现对环境中某个点的检测。更关键的是即使在很恶劣的环境下，机器人仍然可以正常工作。通过数据转换模块将实时检测得到的数据送到处理中心，实现数据的连续采集、连续处理、连续记录，这样就避免了偶然性，能够更好的通过采集得到的数据反映出环境质量中某一指标的变化情况。最终通过显示屏显示出当前的信息采集处理结果，以便采取更好的处理办法及时治理环境问题。如图1-a所示为环境质量检测机器人的系统结构设计图。
图1
3 环境检测机器人的硬件设计
3.1 主控芯片的选择
本次总体设计以STC90C516RD+为核心控制器，包括外部信息采集系统、灰度检测电路、电源电路、电源状态显示系统、电机驱动电路、报警电路及显示电路等模块。STC89C516RD+单片机为40引脚双列直插芯片，有四个I/O口P0、P1、P2、P3，每条I/O线都可以独立地作输入或输出接口使用。如图1-b为系统的设计框图。
3.2路径识别系统的设计
本文所设计的环境检测机器人需要按照预先设置的路线进行检测，因此为了实现机器人检测系统对外部环境状况的检测时设置了模拟的外部环境，使得机器人在所模拟的环境中进行检测。路径识别系统采用的是灰度检测电路，主要用来实现机器人的准确定位。在灰度检测电路中设计有8个LED，利用最右边的LED进行判断是否需要进行检测，因为在本设计中采用的是在十字交叉点处进行该环境中的定点检测。工作时，首先由发光二极管发出白色的光，照射在被检测面上，被检测面将会反射部分光线，此时光敏电阻会检测出该反射光线的强度并将此光线的强度转换为机器人控制器可以识别的信号进行处理，如图1-c所示为灰度检测电路的设计。
3.3数据转换器的设计
为了实现多路数据的模数转换过程，信息采集转换模块采用的是PCF8591芯片，该芯片为4路A/D转换输入、1路D/A模拟输出，所采集的外部信息通过SDA、SCL数据传输总线进行传输。该采集电路中所采用的IIC总线的数据线SDA和时钟线SCL均为双向数据传输线，当SCL和SDA未被使用时，则需要一直保持高电平状态，只要关闭该总线时SCL才会处于低电位，如图1-d所示为PCF8591数据转换电路的设计。 。
3.4 电机驱动电路的设计
为了使机器人能够在环境中自由运动设计有电机驱动电路通过电机的动作使得机器人自由前进、转弯。为了使供电电路简单且供电稳定，直接通过电池电源供电，如图1-e所示电机驱动控制电路图。
4环境检测机器人的软件设计
本文采用的主控制器为STC90C516RD+,该芯片为8位处理器。该款芯片可以使用内部振荡器作为时钟源，在该智能控制系统中选择12MHz的晶振，因此决定了它的时钟周期为1/12us，则其机器周期为1us。同时该课题设计中采用Keil4 编程环境来编写程序。
系统中通过处理器的A/D外设采集甲醛采集系统、PM2.5采集系统、温湿度采集系统、紫外线采集系统的电压或电流信号，通过采集到的模拟电压或电流值利用计算公式得出相对应的数据量。由于采集模块系统中涉及的外部采集变量比较多，为了节省外设接口同时也为了处理方便，采PCF8591作为核心转换芯片。
在本文中为了准确检测，路径识别系统的设计很重要。通过灰度传感器采集外部信号传入控制器中，由机器人主控制器进行识别处理。在该系统中设计简单的比较器，对采集信号和设置信号进行比较并输出处理结果。
本文中主要是借用单片机输出电机所需要的PWM信号，设计有两路电机驱动信号，其中一路共用信号控制电路对机器人的前后行走进行控制，另一路共用输出调速的PWM波来实现对电机的调速，这样便可以控制机器人的行驶速度。这里PWM波信号采用单片机内部的定时器实现，通过设置不同的定时初始值，改变电机的占空比，进而实现对电机转速的控制。
5 实验验证
本设计基本完成，硬件与软件设计总体能够实现基本功能，硬件搭建也已基本完成，整体结构如图3-a所示。
为了很好的检测环境中各种影响质量的相关因子，本文主要对环境中的温度、PM2.5、甲醛、紫外线进行不定点不定时的检测，检测结果如图2（b）、（c）所示，分别针对三个不同的地点和同一地点的不同时间点进行检测。
6 总结
本文设计了一种环境检测机器人，通过由甲醛浓度检测传感器、光学灰尘浓度检测传感器、DS18B20型智能温度传感器、UVM-30紫外线传感器模块等组成数据信息采集系统进行采集外部的环境信息，通过PF8591数据转换中心将数据转换后传递到控制器，并通过OLED显示出检测结果。通过制定的检测路径，借助灰度检测电路可以实现不同地点不同时间点的检测，具有一定的实用价值。
图2
参考文献
[1] 李磊，叶涛，谭民.移动机器人技术研究现状与未来[J].机器人，2002,24（5）：475-480
[2] 杨桂林.基于AT89S52的智能小车的设计[J].微计算机信息，2010，26（7）：124-125.
[3] 李新科，高潮.基于语音识别和红外光电传感器的自循迹智能小车设计[J].传感器与微系统，2011，30（12）：105-108.
[4] 胡媛媛，邓世建.基于红外光电传感器的智能寻迹小车设计[J].电子设计工程，2011，19（7）：141-147.
[5] 孔令荣，王昊.基于STC89C52的智能寻迹小车设计[J].自动化技术与应用，2015，34（2）：92-96.
论文作者:刘泽,宋娟娟,杨歆豪
论文发表刊物:《电力设备》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/23
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