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1、内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于ARM的家庭安防智能机器人学生姓名：学 号：专 业：测控技术与仪器班 级：指导教师： 讲师基于ARM的家庭安防智能机器人摘 要随着电子信息业的不断发展，智能移动机器人及相关技术研究已经成为热门。本论文以智能家居为背景，设计出了一种基于ARM9处理器的家庭安防智能监控系统。在ARM上移植了Linux操作系统，通过USB摄像头获取监控图像，并通过无线网络将采集到的图像传送到PC机上，友好的人机界面，便于实时监控家居环境，使得家庭安全检测与防患成为可能。并对控制系统进行模块化设计，有利于智能小车的功能扩展和升级。“PC+运动控制器”是目前开放
2、式数控系统最常见的形式，主PC机用于人机界面、存储和通讯，运动控制器部分作从属CPU来实现实时控制、I/O中断和计算等。本设计中的智能机器人在巡航过程中有如下功能，红外避障功能、温度采集功能、煤气检测和火焰检测功能、图像采集功能、图像传输功能。机器人小车可以自由在房屋内行进，在行进过程中如遇到障碍物体，则可以通过红外避障模块探测到障碍物的具体方位并避开障碍物。同时小车上安装了各类传感器，可以动态监测家居环境参数，最重要的是，利用摄像头实时采集家居环境图像，并通过wifi传送到上位机的监控界面，即使远在千里也可以随时查看家居环境。关键词：嵌入式；ARM处理器；智能家居；USB摄像头ARM-bas
3、ed home security intelligent robotAbstractWith the development of electronic information industry, the research of intelligent robot and related technology has become more and more popular. With the intelligent home furnishing as background, we designed a kind of home security monitoring system base
4、d on ARM9 processor. First of all, we transplanted the Linux operating system on ARM, acquiring the image by USB camera, and transmits the images to the PC via wireless network. Then, we design a friendly man-machine interface, real-time monitoring of home furnishing environment, making the detectio
5、n and prevention of family security become possible. At the same time, we adopt modularization design of the control system, which contributes to the functional expansion and upgrading of the smart car.PC+ motion controller mode is the most common form of open CNC system currently. PC machine is use
6、d for man-machine interface control, data storage and communication; motion controller is used to realize the real-time control and I/O interrupt. Intelligent robot in this design has the following functions during cruise, including avoidance function, temperature acquisition system, gas detection,
7、flame detection and image acquisition and transmission function obstacle infrared. Robot can freely moving in the house, if encountered obstacles in the process of running, it can through the infrared sensor to detect the specific range of obstacles, and steer clear of obstacles. At the same time, a
8、ll kinds of sensors installed on the vehicle, dynamic monitoring home furnishing environment parameters. Most importantly, the camera can image real-time acquisition of home furnishing environment, through WiFi transmitted to the computer, even we are thousands of miles away can always see the home
9、furnishing environment.Keywords: Embedded system; ARM processor; intelligent home furnishing; USB camera目 录摘要IAbstractII目 录III第一章 绪论11.1嵌入式系统概述及发展现状11.2 ARM系列微处理器简介11.3 嵌入式Linux操作系统及特点21.4研究背景和意义31.5研究目标、研究内容和拟解决的关键问题4第二章 家庭安防智能机器人的方案设计52.1 系统总体设计思路52.2系统总体设计方案选择52.2.1系统设计方案选择52.2.2小车底盘选择62.3 系统模块化设
10、计72.3.1核心模块82.3.2直流电机驱动模块102.3.3红外避障模块102.3.4图像采集模块112.3.5无线传输模块112.3.6环境参数采集模块13第三章 家庭安防智能机器人的硬件设计153.1 核心模块硬件设计153.1.1 主控制芯片S3C2440153.1.2 辅控制芯片STC15F2K61S2173.1.3辅助系统183.2 直流电机驱动模块设计193.2.1 电机概述193.2.2 驱动芯片L293简介203.3 红外避障模块设计223.3.1 方案比较和论证223.3.2 红外避障模块223.4 无线传输模块设计233.4.1 Wi-Fi无线传输技术简介233.4.2
11、 无线数传模块243.4.3 无线网卡273.5 环境参数采集模块设计273.5.1温度传感器模块273.5.2烟雾传感器模块283.5.3火焰传感器模块283.5.4 红外热释电模块29第四章 ARM9上的Linux系统移植以及网络摄像机的设计314.1 Linux操作系统内核的装载314.2 linux交叉编译及移植334.2.1 建立Linux交叉编译环境334.2.2 linux移植344.3 Linux操作系统下网络摄像机的实现364.3.1准备工作374.3.2 编译组件374.3.3 测试网络摄像机37第五章 家庭安防智能机器人的软件设计405.1 软件设计总体方案405.2小车
12、驱动模块软件设计415.3红外避障模块软件设计435.4环境监测模块软件设计435.5无线传输模块软件设计445.6上位机软件设计455.6.1上位机软件界面程序设计465.6.2 上位机软件数据处理程序设计47第六章 家庭安防智能机器人的联合调试496.1 系统调试与测试496.2 系统功能及前景展望49总 结51参考文献52附录A 实物图54附录B 程序56致 谢65第一章 绪论1.1嵌入式系统概述及发展现状嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，且软硬件可剪裁，是对功能、可靠性、成本、功耗和应用环境有严格要求的专用计算机系统。是将应用程序、操作系统和计算机硬件集成在一起的系统。它一
13、般由以下几部分组成：嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统及特定的应用程序1。嵌入式系统有如下共同点：（1）功能专一：专门为某一特定应用系统而设计；（2）结构紧凑：嵌入式系统结构必须特别的紧凑，从而达到小体积，高性能，低成本，低功耗；（3）智能灵活及实时性：即要对不同的情况做出不同的反应，同时必须实时地给出计算的结果并进行实时控制2。嵌入式系统的出现至今已经有30多年的历史，近几年来，计算机、通信、消费电子的一体化趋势日益明显，嵌入式技术已经成为一个研究热点。目前根据其发展现状，嵌入式计算机可以分成下面几类：嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor Unit，EMP
14、U)嵌入式微控制器(Microcontroller Unit，MCU)，又称单片机 嵌入式DSP处理器(Embedded Digital Signal Processor，EDSP)DSP嵌入式片上系统(System On Chip)3目前，中国嵌入式系统市场处于快速增长时期。在近几年以及未来的几年内，嵌入式系统的发展为几乎所有的电子设备注入了新的活力，由于迅速发展的Internet和非常廉价的微处理器的出现，嵌入式系统将在我们的日常生活里形成一个更大的领域。中国嵌入式系统的主要客户分布在消费类电子、通信、医疗、安全等行业。当前中国嵌入式系统市场上的几大热点应用有4:汽车与电力系统的电源管理、
15、高清数字电视以及数字机顶盒、智能手机和具有联网功能的智能化工业设备、终端。嵌入式工业设备则将集成进更多的通信与联网等智能化功能，并将在汽车电子市场、医疗电子市场、机械电子市场、视频电子市场和数码电子市场得到更为广泛的应用。1.2 ARM系列微处理器简介ARM（Advanced RISC Machine）是英国ARM公司设计开发的通用32位RISC（Reduced Instruction Set Computer）微处理器体系结构，其主要优势在于简单的设计和高效的指令集。ARM的设计目标是微型化、低功耗、高性能的微处理器实现。目前，ARM微处理器家族在嵌入式系统、掌上电脑、智能卡和GSM终端控制
16、器等领域获得了广泛的应用，几乎占据了嵌入式处理器的半壁河山。作为一种RISC体系结构的微处理器，ARM微处理器具有RISC体系结构的典型特征。还具有以下特点5：（1）在每条数据处理指令当中，都控制算术逻辑单元（ALU）和移位器，以使ALU和移位器获得最大的利用率；（2）自动递增和自动递减的寻址模式，以优化程序中的循环；（3）同时Load和Store多条指令，以增加数据吞吐量；（4）所有指令都条件执行，以增大执行吞吐量。这些都是对基本RISC体系结构的增强，使得ARM处理器可以再高性能、小代码尺寸、低功耗和小芯片面积之间获得好的平衡。ARM处理器的应用领域到目前为止,ARM处理器及技术的应用几乎
17、已经深入到各个领域：1、工业控制领域：作为32的RISC架构,基于ARM核的微控制器芯片不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，ARM微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8位/16位微控制器提出了挑战。2、无线通讯领域：目前已有超过85%的无线通讯设备采用了ARM技术， ARM以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。3、网络应用：随着宽带技术的推广，采用ARM技术的ADSL芯片正逐步获得竞争优势。此外，ARM在语音及视频处理上行了优化,并获得广泛支持，也对DSP的应用领域提出了挑战。4、消费类电子产品：ARM技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶
18、盒和游戏机中得到广泛采用。5、成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用ARM技术。手机中的32位SIM智能卡也采用了ARM技术6。1.3 嵌入式Linux操作系统及特点 Linux系统是包含内核、系统工具、完整的开发环境和应用的类UNIX操作系统。这个操作系统是由全世界各地的成千上万的程序员设计和实现的，它诞生于1991 年的10 月5 日（这是第一次正式向外公布的时间）。其目的是建立不受任何商品化软件的版权制约的、全世界都能自由使用的UNIX兼容产品。由于Linux内核及多数应用程序都基于GPL（GNU公共许可协议），且具有结构清晰、功能简捷等特点，逐渐成为一个稳定可靠、功能
19、完善的操作系统。Linux为嵌入式操作系统提供了一个极有吸引力的选择。将Linux应用于嵌入式环境，是基于其具有以下特点：（1）Linux操作系统是层次结构，并且内核源代码完全开放。不同领域和不同层次的用户可以根据自己应用的需要，对内核进行修改，能够低成本的开发出满足自己需要的嵌入式系统。（2）其具有强大的网络支持功能。Linux诞生于Internet时代，并具有Unix的特性，这保证了它支持所有标准Internet协议，并且可以利用Linux的网络协议栈，将其开发成为嵌入式的TCP/IP网络协议栈。此外，Linux还支持ext2、fat16、fat32、romfs等文件系统，为嵌入式系统应用
20、开发打下了很好的基础。（3）Linux具备一整套工具链，容易自行建立嵌入式系统的开发环境和交叉运行环境，可以跨越嵌入式系统开发中仿真工具的障碍。而且，Linux也符合IEEE POSIX.1标准，使应用程序具有较好的可移植性7。1.4研究背景和意义当前，人类进入信息爆炸的时代，各类信息极度丰富，数字技术和网络技术的高速发展，只有借助于各种计算机，才能够对各类信息进行处理，它们已不再局限于以前的PC，而是由形态各异、性能千差万别的嵌入式系统来完成。ARM处理器是世界上最流行的嵌入式处理器，广泛应用于个人通信等嵌入式领域。而随着智能科技和机器人技术的发展，未来机器人进入家庭已成为必然。其中，智能服
21、务机器人进入家庭提供家庭安防尤为重要，但事实上在网络环境下进行家居环境的检测和控制这一技术还并未进入千家万户。基于这种思想，本设计提出了家庭安防智能机器人系统，该系统可以通过ARM处理器与PC机的网络通信实现对家居环境的异地监视、控制，并可以实现家居环境多个参数的检测。本设计符合家电上网的设计概念，实现对家居环境的远程监测与控制，并能将家居环境中温度、湿度、煤气浓度等环境信息以网页的形式显示在远程主机上。本设计可以应用于家居、教室或医院病房等环境的检测和控制，稍加改进也可以应用于无人环境、危险环境基于web 网络的远程控制。总之，如果本设计能够加以完善利用，将会有很大的商业价值8。1.5研究目
22、标、研究内容和拟解决的关键问题研究目标结合ARM、Linux操作系统、无线通讯等技术手段，设计一种比较完善的嵌入式家居监控系统，并完成其系统原理设计、软硬件设计等工作，使其在可靠性、适应性、实时性等方面获得尽可能多的实用价值。研究内容本设计以ARM9为中央控制核心，STC15F2K61S2为辅处理芯片，L293驱动二个直流电机控制小车的运动，采用ZC301摄像头采集图像，通过网络把采集到的图像传送给PC机监控界面，可以实现远程视频实时监控，同时可以通过传感器采集环境参数并上传到上位机监控界面。为了实现该目的，本课题所研究的主要内容如下：系统软硬件的设计。摄像头驱动的安装及调试。Linux操作系
23、统内核的装载及S3C2440芯片上程序的交叉编译和移植。PC与ARM核心处理器之间的无线通信、PC与增强型51单片机之间的串口通信的实现。拟解决的关键问题Linux嵌入式操作系统的运用及其Linux的移植方法。ARM板、MCU与PC机之间的无线通信实现方法。网络摄像机的实现方法、上位机监控界面的制作方法和控制命令的传送途径。 第二章 家庭安防智能机器人的方案设计2.1 系统总体设计思路本设计的核心思想就是机器人小车在家居环境中可以自由行进，行进过程中摄像头可以实时采集环境图像，并通过无线网络上传到PC机上，这样可以保证家居主人可以随时随地清楚地知晓家居环境状况，保证家居环境安全。总体设计方案结
24、构框图如图2.1所示。S3C2440为主控制芯片，主要负责对摄像头采集到的信息进行处理与发送；51单片机为辅控制芯片，主要通过控制电机实现小车的运动，通过传感器实现家居环境参数的采集。值得注意的是，在本设计中51单片机与S3C2440嵌入式处理器芯片分别通过无线网与PC机通讯，他们之间互不关联。图2.1 总体设计方案结构框图2.2系统总体设计方案选择2.2.1系统设计方案选择本设计在选题之后，确定了三个总体设计方案,具体如下：方案一：ARM，即只用一块嵌入式开发板完成整个设计的所有任务。方案二：ARM+普通51单片机，即通过ARM处理器与普通51单片机联调，共同完成设计任务。方案三：ARM+增
25、强型51单片机，即ARM处理器和增强型51单片机共同作用，实现整个设计任务。 在经过反复的比较论证之后，首先排除了第一种方案，因为我现在只处于嵌入式系统开发入门阶段，很多具体问题都不能自己解决，特别是本设计中的许多程序需要在Linux系统上进行移植，大大增加了设计的难度，这是其一；其二是本设计中的很多任务在51单片机上就可以完成，比如各种环境参数采集，并且这方面程序在网上很多，可移植性强，执行效率也较高。随后又排除了第二种方案，普通51单片机虽然可实现本设计中的部分任务，但是因为其片内RAM较小，而本设计涉及参数较多，在程序方面要求会更高；而增强型51单片机的内存较普通51单片机有较大提高，并
26、且芯片响应速率高，性能良好。在硬件方面能解决的问题尽量不要放到软件部分解决，这样可以提高程序的可读性及可行性，故综合比较之后选择方案三，即选择ARM处理器与增强型51单片机共同完成设计9。2.2.2小车底盘选择驱动小车有三种方案。 方案一：普通玩具小车是使用两个电机，且两个电极均为玩具直流电机。前面两个轮为一个电机控制，用来控制方向，后面两个轮由一个电机控制，用来驱动小车，这就是传统的控制小车方向的方式，但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点：一方面，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。另一方面，玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。而且这种电动车
27、一般都价格不扉。因此放弃了此方案。方案二：四电机四轮驱动小车，这种方案适合对小车灵活性要求高，完成任务较多，功能比较强大的竞赛类项目使用，如实现寻迹，避障，测速，走迷宫，搬运，遥控等功能，因为这种方案可以更加灵活的控制小车，而且转向性好，可以实现原地360转向。但是本设计中对小车灵活性要求不是特别高，因为本设计侧重点不在于此，为节约成本，故排除此方案。方案三：购买的智能小车底盘采用两电机三轮驱动，即前面安装一个万向轮，可360自由转动，后面两轮由两个电机控制，这种驱动方式转向性也较好，且外部辅助电路也比较简单。最重要的是，本次设计的小车驱动部分是用单片机作为总控制中心，这种小车底盘做工优良，载
28、重能力强，预留的小孔便于进行模块扩展，能够达到运行灵活平稳，安全高效的效果10。综合比较之后，最终选择方案三。下面着重介绍一下该小车底盘的优点： 中型车体架构，前轮是万向轮支撑。车身尺寸：22cm*17cm；车高：48mm。亮点一：有机玻璃作车身，铝合金电机固定座，坚固轻便。亮点二：车前端留有很多传感器安装孔，方便安装；另留有槽形固定孔，适合不同大小的控制板电路模块的固定。亮点三：专业橡胶轮胎，摩擦力大，抓地性能好，耐磨。亮点四：电机和轮子之间为黄铜联轴器结构，稳固，强度高。亮点五：全金属齿轮减速电机，寿命长，扭力大，转速高。车的底盘是用4mm厚的进口有机玻璃雕刻而成，CNC精加工，留有很多固
29、定孔，用于固定电机板和电机驱动板以及各类传感器；可扩展性好，有机玻璃可轻松使用各种手钻，小电钻来钻出安装孔。可方便搭载二层或三层建筑。车后轮为橡胶轮胎，和电机通过联轴器（黄铜材质），电机固定座（铝合金材料）紧密结合在一起。承载能力很强，负重5KG左右。车体的机械结构包括万向轮、两个后轮、车底盘、两个电机固定座、两个联轴器，两个电机、铜柱螺丝等，小车底盘实物图如图2.2所示。图2.2 智能小车底盘2.3 系统模块化设计所谓的模块化设计，简单地说就是将产品的某些要素组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统，将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合，构成新的系统。根据模块化设计思路和整
30、个系统所要实现的功能，可以将此系统分为六大主要模块来设计，核心模块、直流电机驱动模块、红外避障模块、图像采集模块、无线传输模块、环境参数采集模块11。2.3.1核心模块ARM处理器S3C2440本设计采用的ARM开发板是广州天嵌计算机科技有限公司生产的TQ2440系列，该开发板的微控制器采用三星公司的S3C2440AL，它主要负责处理摄像头采集回来的图像信息，并对其进行处理，再通过无线网络将图像信号远传到上位机。TQ2440开发板采用核心板实验底板设计，更便于开发学习。插针式核心板, 采用六层军工布线设计, 名厂PCB板, 沉金工艺, 具备了较好的电气连接能力,以及较强的抗震性能, 比市面上某
31、些四层板运行程序更加稳定高效。接口丰富，功能强大，适用于各种手持设备，消费电子和工业控制设备的开发。TQ2440开发板实物图如2.3所示：图2.3 TQ2440开发板实物图增强型51单片机STC15F2K61S2这是STC最新的增强型51，相比较传统51，有以下优点：1T STC-Y5 内核，比传统51快6-12倍，内部RAM扩大，传统51为128字节或256字节，它达到了2.25KB，内部高精准可调RC振荡器，有一个16位自动重载定时器，串口波特率设置更灵活，有片内SPI控制器，速度可达1/4主频速度，有片内PWM/PCA控制器，可捕获外部缓冲或者产生PWM，有片内AD，分辨率10位，8通道
32、12。因为本设计中51单片机的主要任务之一便是通过PWM控制步进电机，故自身能产生PWM的STC15F2K61S2便作为首选，并且本设计采集参数较多，对内部RAM的要求也较高，这款芯片无论在运算速度还是在内部资源上均可胜任系统的性能要求，所以本设计用这款增强型51单片机取代了传统的STC89C51系列单片机。图2.4 STC15单片机开发板实物图本系统中STC15F2K61S2单片机作为辅控制芯片，主要负责：通过L293驱动控制直流电机以实现小车的运动。 通过无线数传模块实现与PC机通讯。通过红外避障模块实现小车的避障功能。通过各个传感器采集家居环境参数。2.3.2直流电机驱动模块 为了更好的
33、控制电机，我们采用L293专用芯片驱动直流电机。L293 电机驱动板，可以驱动两个直流电机，每一路L293 输出引出了两个并联的端口，以便控制四轮的小车，左右两边的电机并联运行的。本驱动板，也可以控制D42 步进电机，四线制的步进电机。每个两个驱动门做成一路控制电机的信号，这样可以使电机在四个象限运行，即正转，反转，停车，自由滑行。本设计采用PWM对电机进行调速，因为ENA 与ENB 的使能的控制，在ENA与ENB中分别接入PWM信号，IN1与IN2，和IN3 与IN4，分别可以控制电机的正反转与不转13。图2.5 L293D电机驱动板2.3.3红外避障模块本模块采用一种集发射与接收于一体的光
34、电传感器，检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合14。为使小车能够做出正确的判断我们要先调节红外光电传感器的探测距离，这样可以避免小车探测到过远的物体而做出错误的判断。光电开关传感器有三条线，分别为电源、地、输出。本设计在机器人小车上安装了三个红外避障模块，分别检测小车行进过程中前方、左侧和右侧是否有障碍物。图2.6 红外避障模块2.3.4图像采集模块因为操作系统的限制，在linux-2.6.30.4的内核中，没有从外部移植USB摄像头的驱动，而是直接采用了内核自带的USB摄像头驱
35、动。考虑到系统提供的默认配置单中只添加了对ZC301系列摄像头的配置，故在本设计中直接采用了该系列摄像头。2.3.5无线传输模块在本设计中两块开发板独立与PC机进行通信，故该模块分为两部分，一部分是ARM处理器S3C2440通过无线网卡与PC机通讯，另一部分是增强型51单片机STC15F2K61S2通过无线数传模块与PC机通讯。无线网卡无线网卡是终端无线网络的设备，是不通过有线连接，采用无线信号进行数据传输的终端。从速度来看，无线上网卡现在主流的速率为54M和108M，该性能和环境有很大的关系。本设计采用的是54Mbps，其WLAN传输速度一般在16-30Mbps之间，换算成MB也就是每秒传输
36、速度在2MB-4MB左右。取其中间值3MB，这样的速度要传输100MB的文件需要35秒左右，要传输1GB的文件，则需要至少4分钟以上15。虽然较比108M要慢上许多，但对于本设计来说，已经足够满足设计要求。图2.7 无线网卡无线数传模块采用无线数据传输是本设计的一大亮点。无线传输较比有线传输有成本低廉、适应性好、扩展性好、设备维护更容易实现等优点，是日后通信领域发展的重要方向16。本设计采用APC200A-43无线数传模块来实现51单片机与PC机之间的无线数据传输。APC200A-43模块是高度集成半双工微功率无线数据传输模块，其嵌入高速单片机和高性能射频芯片。创新的采用高效的循环交织纠检错编
37、码，抗干扰和灵敏度都大大提高，最大可以纠24bits连续突发错误，达到业内的领先水平。 APC200A-43模块提供了多个频道的选择，课在线修改串口速率，发射功率，射频速率等各种参数。APC220模块能够透明传输任何大小的数据，而用户无须编写复杂的设置与传输程序，并提供UART/TTL，RS485以及RS232三种接口。同时小体积，宽电压运行，较远传输距离，丰富便捷的软件编程设置功能，使之能够应用于非常广泛的领域17。图2.8 无线数传模块2.3.6环境参数采集模块本设计中的机器人小车不仅采集家居环境图像，同时还采集环境参数，主要包括温度、煤气、火焰三部分。从精度、体积、成本等方面考虑，使用的
38、传感器分别是温度传感器DS18B20、MQ-2烟雾传感器和火焰传感器。此外，本机器人还装有红外热释电传感器模块，当有人接近机器人小车时，也会在上位机上有显示，可以起到安全防盗的作用18。1.温度传感器本模块主要作用是进行温度采集，然后经采集的数据送入单片机STC15F2K61S2里进行分析处理。在本次设计中采用了DS18B20作为数据采集器，它的精度最少可以精确到0.0625，完全可以用来进行环境温度的测量。因为DS18B20 这一特点，非常适合于多点温度检测系统，且硬件结构简单，方便联网，故在仓储管理、工农业生产制造、气象观测、科学研究以及日常生活中被广泛应用。2.烟雾传感器本设计采用的是M
39、Q-2型号的烟雾传感器模块，该模块在较宽的浓度范围内对液化气、丙烷、氢气等可燃气体有良好的灵敏度，在本设计中主要作用是监测家居环境中煤气含量是否超标。3.火焰传感器火焰传感器对火焰最敏感，对普通光也有反应，一般用做火焰报警等用途。该模块可用于各种火焰、火源探测，用在本设计中，可以及时发现家居环境中出现的火灾隐患。4.红外热释电传感器本模块基于热释电红外感应技术，可以应用于人体感应全部产品。当人进入其感应范围则立即输出高电平，人离开感应范围则延时关闭输出，即变为低电平，从而实现智能控制。模块灵敏度高，性能稳定，超低电压工作模式。基于这些功能，当有人接近机器人小车时，该模块就会有感应，并通过单片机
40、将信息传给上位机监控界面。第三章 家庭安防智能机器人的硬件设计3.1 核心模块硬件设计3.1.1 主控制芯片S3C2440本设计采用的是TQ2440系列ARM开发板，其核心板型号是2440V2，S3C2440AL CPU，主频400MHz(最高可达533MHz)，板载64MB SDRAM、256MB Nand Flash和2MB Nor Flash。S3C2440A微处理器是一款由Samsung半导体公司推出的高性能、低功耗、高集成度并具有工业级温度范围和性能的16/32位RISC微处理器, 为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。 S3C2440采用了AR
41、M920t的内核，0.13um 的CMOS 标 宏单元和存储器单元。其低功耗，简单，优雅，且全静态设计特别适合于对成本和功率敏感型的应用。它采用了新的总线架构Advanced Micro controller Bus Architecture (AMBA)。S3C2440A 的杰出的特点是其核心处理器(CPU)，是一个由Advanced RISC Machines 有限公司设计的16/32位ARM920T的RISC处理器。ARM920T实现了MMU，AMBA BUS 和Harvard 高速缓冲体系结构构。这一结构具有独立的16KB 指令Cache和16KB数据Cache。每个都是由具有8字长的
42、行组成。通过提供一套完整的通用系统外设，S3C2440A 减少整体系统成本和无需配置额外的组件。图3.1 S3C2440内部结构框图综合对芯片的功能描述介绍S3C2440A集成的以下片上功能：1.2V内核供电,1.8V/2.5V/3.3V存储器供电，3.3V外部I/O供电具备16KB的I-Cache和16KB DCache/MMU微处理器 外部存储控制器(SDRAM 控制和片选逻辑) LCD 控制器（最大支持4K 色STN 和256K 色TFT）提供1 通道LCD 专用DMA 4通道DMA 并有外部请求引脚 3通道UART(IrDA1.0, 64字节Tx FIFO，和64字节Rx FIFO)
43、2通道SPI 1通道IIC-BUS接口（多主支持） 1通道IIS-BUS音频编解码器接口 AC97 解码器接口 兼容SD 主接口协议1.0 版和MMC 卡协议2.11 兼容版 2端口USB 主机/1 端口USB 设备（1.1 版） 4通道PWM 定时器和 1 通道内部定时器 / 看门狗定时器 8通道10 比特ADC 和触摸屏接口 具有日历功能的RTC 相机接口（最大4096 4096像素的投入支持。 2048 2048像素的投入，支持缩放） 130 个通用I/O 口和24 通道外部中断源 具有普通，慢速，空闲和掉电模式 具有PLL 片上时钟发生器。用S3C2440AL CPU，主频400MHz
44、（最高可达533MHz）,板载64MB SDRAM、256MB Nand Flash和2MB Nor Flash型号是2440V2核心板，采用S3C2440AL CPU，主频400MHz（最高可达533MHz）,板载64MB SDRAM、256MB Nand Flash和2MB Nor Flash型号是2440V2核心板，采用S3C2440AL CPU，主频400MHz（最高可达533MHz）,板载64MB SDRAM、256MB Nand Flash和2MB Nor Flash3.1.2 辅控制芯片STC15F2K61S2设计中采用STC15F2K61S2芯片作为辅助芯片，用来完成小车驱动以
45、及家居环境采集等功能。芯片描述：SC15F2K61S2单片机是STC生产的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的51单片机，超强抗干扰，高速，高可靠，低功耗，速度比平常单片机快812倍。 特点：(1)大容量2048字节片内RAM数据存储器 (2)在线编程，无需编程器和仿真器 (3)用户可在用户区直接编辑修改用户程序 (4)增强型8051内核，速度比平常的8051单片机快7 12倍 (5)高速ADC，共8通道10位 (6)USB线可实现系统供电，程序下载，通信功能 (7)接口扩展齐全 (8)不需要外部晶振和复位电路 (9)低功耗 ，但价格要比普通51单片机高 图3.2 STC15F2K61
46、S2引脚图3.1.3辅助系统辅助系统主要包括小车的供电和外围辅助电路。 小车供电有三种方案： 方案一：采用实验室有线电源通过稳压芯片供电。 方案二：采用4节1.5V电池供电。方案三：采用网上购买的大容量聚合物防爆锂电池供电（8VDC 3500mAh）。综合三种方案：方案一可以提供稳定的5V电压，但本设计要实现的机器人小车是要能够自由行进的，而采用有线电源则限制了小车的运动，占用资源过大，不简便。方案二简便易操作，从经济角度讲，应当采用可充电电池。但在实验过程中发现，本设计因为涉及两块开发板以及直流电机和各种传感器模块，硬件电路庞大且复杂，该种方案的电源因功率过小，无法驱动系统。方案三采用的锂电
47、池电压稳定，最大瞬间电流达5A，长时间工作电流可达3A或以下，完全可以满足本系统的需要，缺点是成本偏高。最后采用方案三。外围辅助电路主要是指小车硬件电路的焊接，单片机与各模块之间的电路的连接。本设计中的电源除了给两块开发板供电之外，还要驱动两个直流电机，故需要一个稳压电路板即外围辅助电路，将8V的电源转换成5V来给开发板上电。 图3.3 外围辅助电路本次设计通过以上各模块结合可实现远程遥控、智能避障、环境监测等功能，基本实现智能化。我们还可以通过增加模块实现其他的特定功能。 3.2 直流电机驱动模块设计机器人小车的驱动模块主要包括电机驱动小车前进，电机驱动可以采用两种方式:采用H桥式电路驱动或采
