家庭遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計

第1章引言1.1課題研究的背景和意義現(xiàn)如今人們的生活需求水平越來越高，對智能化舒適化的環(huán)境的向往與日俱增。因此，針對家庭生活服務(wù)研究一款家庭智能服務(wù)機(jī)器人就十分有必要了。智能家庭服務(wù)機(jī)器人在國外已經(jīng)并不新鮮，已經(jīng)廣泛運(yùn)用于國外很多平常百姓家中，所以有必要在國內(nèi)進(jìn)行推廣[1]?，F(xiàn)在社會普遍是家中老人獨(dú)居，或者孩子跟著老人在家的現(xiàn)象，所以此設(shè)計對這種家庭來說帶來了便利。目前機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛,幾乎滲透到所有領(lǐng)域。有了這款機(jī)器人就可以幫助客戶提前預(yù)警家里的危害，協(xié)助看護(hù)家里的小孩與老人等等。伴隨著如今科技的不斷提升，各種各樣的技術(shù)都在飛速發(fā)展，包括單片機(jī)控制技術(shù)在內(nèi)也是如此。以如今的技術(shù)，實現(xiàn)一款較為簡單的基于單片機(jī)的智能家庭服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)，并不是一件十分困難的事情。這款智能家居服務(wù)機(jī)器人不僅能夠解決大量的數(shù)據(jù)收集問題，而且還能夠提供大量的數(shù)據(jù)[2]，還可以提高服務(wù)場景的準(zhǔn)確性、安全性和工作效率，同時還可以免由于人的主觀因素導(dǎo)致的誤判，同時，由于常規(guī)機(jī)械式鎖具的監(jiān)控程序繁瑣，也可避免其工作效率低的窘境。隨著家庭機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，以后社會研發(fā)設(shè)計智能家庭服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)的趨勢必然很大。隨著無線物聯(lián)網(wǎng)的大趨勢，WiFi、ZIGBEE、NBIOT等各類無線通信技術(shù)的成熟，智能家庭服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展也必將產(chǎn)生極大的社會意義[3]。1.2研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景從上世紀(jì)50年代后期開始，于是全世界都在研究機(jī)器人，后來美國的Unimation公司開發(fā)了世界上的第一個工業(yè)機(jī)器人[4]，從此標(biāo)志著進(jìn)入了機(jī)器人飛速發(fā)展的時代。剛開始系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化、隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，機(jī)器人系統(tǒng)以其靈活性、效率、質(zhì)量和工作環(huán)境的改善，被越來越多的應(yīng)用。進(jìn)入本世紀(jì)以來，隨著我國國內(nèi)電子信息控制行業(yè)也發(fā)展迅速，我國在機(jī)器人領(lǐng)域的研究才開始起步。近十年以來，我國國內(nèi)智能化家庭機(jī)器人行業(yè)才開始發(fā)展等等[5]。但是，因為我國在這一方面的研究相對滯后，所以在技術(shù)和設(shè)計上，我們可以對國外的一些成功的經(jīng)驗和技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，所以，它將大大加快智能家居機(jī)器人產(chǎn)業(yè)在智能家居服務(wù)機(jī)中的迅速發(fā)展，也出現(xiàn)了許多在智能家庭服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域的智能研發(fā)公司[6]，從當(dāng)前的情況來看，我國的整體實力已經(jīng)逐漸接近發(fā)達(dá)國家，在當(dāng)今的世界經(jīng)濟(jì)市場上，在激烈的競爭中，國家從人力、物力、財力等各方面都增加了對現(xiàn)代科技的投資，特別注重將新興科技技術(shù)運(yùn)用到各個產(chǎn)業(yè)中的成熟度和實用性。因此本設(shè)計擁有一定的市場前景與實際應(yīng)用意義[7]。近年來5G技術(shù)快速發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及嵌入式技術(shù)的迭代也給智能家庭服務(wù)機(jī)器人的多功能智能化帶來更多無限的可能，也是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，我國早年在智能服務(wù)機(jī)器人行業(yè)進(jìn)展不足主要原因在于傳統(tǒng)落后的安全觀念以及技術(shù)創(chuàng)新的不足[8]?，F(xiàn)在以單片機(jī)為微控器主導(dǎo)的系統(tǒng)越來越多，也越來越完善，現(xiàn)階段則更需要利用單片機(jī)技術(shù)結(jié)合5G物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等先進(jìn)科技技術(shù)，實現(xiàn)智能家庭服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)各項需求的智能化、數(shù)字化，還要智能家庭服務(wù)機(jī)器人的更多功能。第2章總體設(shè)計與方案選型2.1系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)在西方發(fā)達(dá)國家的市場上，目前，在家用遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)機(jī)器人的設(shè)計中，主要采用單一的微處理器芯片對各個功能模塊進(jìn)行控制。經(jīng)過制作前期的對比分析，本設(shè)計也采用這種控制設(shè)計方式。整個單片機(jī)家庭遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)的整體框架圖如下圖2.1所示。設(shè)計思路為利用核心處理器對家庭遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)的各二級信息采集模塊的信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理從而驅(qū)動后端控制設(shè)備響應(yīng)。最終完成一個基于單片機(jī)的家庭遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)。圖2.SEQ圖2-\*ARABIC1系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖2.2主要模塊的選型2.2.1主控制器的選型方案一：主控制芯片選擇了目前國際上比較流行的51系列單片機(jī)AT89C52型。AT89C52單片機(jī)是一種采用40pin管腳等高線顯示的芯片形式，其內(nèi)部集成有Flash存儲器，能對控制程序進(jìn)行寫、調(diào)。AT89C52單片機(jī)的芯片封裝非常小，因此在PCB設(shè)計上無需考慮位置空間的約束，工作時的功耗很低，并且能夠保持穩(wěn)定的性能[10]，可作為配置在室外長期運(yùn)行的監(jiān)測設(shè)備，不僅節(jié)能，還能確保功能執(zhí)行到位。但51系列單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)20余年了，已經(jīng)和現(xiàn)在新技術(shù)的模塊有些差距。方案二：主控制芯片選擇了MSP系列中最受歡迎的MSP430型單片機(jī)。這款微處理器是由美國德州電子TI公司推出的一款低功耗微處理器，它具有非常低的待機(jī)電壓，并且在被叫醒后可以迅速地進(jìn)入計算狀態(tài)，從而可以很好地完成待機(jī)與運(yùn)行之間的轉(zhuǎn)換[11]，在MSP430芯片的特點(diǎn)下，它表現(xiàn)出了超強(qiáng)的計算能力，可以輕松地完成各種不同層次的控制指令。很少出現(xiàn)卡頓和錯誤，這也是因為MSP430擁有縮短計算周期和低功耗的優(yōu)點(diǎn)，因此，MSP430被廣泛用于許多要求高反應(yīng)速度、工作時間長的室外基站等裝置。方案三：論文中使用的主控芯片是當(dāng)前ARM市場上最流行的STM32型主控芯片。STM32單片機(jī)的接口也很多，可以在很多方面進(jìn)行擴(kuò)充，在當(dāng)前的智能設(shè)備市場上，STM32在智能家居、智能無線傳感器采集系統(tǒng)、智能小車驅(qū)動、人臉識別等領(lǐng)域的應(yīng)用中[12]，所占的比重都超過了90%，這樣一個龐大的市場，將會給我們帶來很多的經(jīng)驗，同時也會改正一些錯誤，以STM32為核心的開發(fā)系統(tǒng)，其功能會越來越完善，能夠?qū)Ω鞣N新的應(yīng)用程序進(jìn)行適應(yīng)性和兼容性，并且，目前已有大量生產(chǎn)的STM32芯片，其開發(fā)費(fèi)用已被回收，所以其性能性能表現(xiàn)更佳。本次設(shè)計有許多類型的主控制方案可供選擇，每種主控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)也是相關(guān)的。所以在選擇本部分方案時，有必要充分考慮本設(shè)計的設(shè)計要求和要預(yù)期所實現(xiàn)的功能目標(biāo)與需要外接接口的數(shù)量。在設(shè)計階段，無需發(fā)現(xiàn)接口不足以處理整個設(shè)計系統(tǒng)的低錯誤，而且還應(yīng)首先考慮整個項目的兼容性。由于后期功能器件的選擇也是基于主控模塊的適應(yīng)性，最終所有的設(shè)計成本都必須在可控范圍內(nèi)，否則就不具備量產(chǎn)和推廣的能力?；诋a(chǎn)品的兼容性、接口數(shù)量和成本效益，最終選擇方案三STM32微控制器處理器。圖2.2STM32單片機(jī)最小系統(tǒng)實物圖2.2.2報警信息發(fā)送方案選擇方案一：在本次家庭機(jī)器人服務(wù)系統(tǒng)中，局域網(wǎng)與遠(yuǎn)域網(wǎng)之間使用Bluetooth信號模式的無線通訊，利用HC-05藍(lán)牙模塊與單片機(jī)進(jìn)行串口通信連接，完成數(shù)據(jù)的上傳，并接收和響應(yīng)遠(yuǎn)程端下達(dá)的串口指令。Bluetooth信號是一種處于2.4G固定頻段的電磁波形式，通常，無線數(shù)據(jù)由字符信號和音頻信號組成[13]，至今，尚未實現(xiàn)過視頻信號，Bluetooth的模組有單的聲頻信號，也有一個聲頻+字符的雙信號。大多數(shù)的BluetoothCommunications都是采用點(diǎn)對點(diǎn)的方式進(jìn)行，這樣就不會出現(xiàn)信號串音。但其通訊范圍僅適用于小范圍內(nèi)的通訊。藍(lán)牙從1.0到3.0，在連接和信號兼容方面也在逐步改進(jìn)。與此同時，極低的待機(jī)功耗也有利于將藍(lán)牙模塊應(yīng)用在很多需要長期運(yùn)行的設(shè)備和應(yīng)用上。方案二：本智能家庭服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)的采用無線wifi信號方式進(jìn)行通信，使用ESP8266wifi模塊，與MCU進(jìn)行串行通訊，完成了數(shù)據(jù)的上傳，并接收并響應(yīng)遠(yuǎn)程端下達(dá)的串口指令。經(jīng)過幾年的改進(jìn)，現(xiàn)在人們很容易在網(wǎng)上和論壇上找到ESP8266無線wifi模塊，并得到更多用戶的青睞。ESP8266WiFi模塊的尺寸很小，放置在各種主控系統(tǒng)的接口上時很方便。因此，現(xiàn)在許多共享智能家居、智能家電等工業(yè)智能化產(chǎn)品也都集成了這種無線WiFi功能，以遠(yuǎn)程控制無線網(wǎng)絡(luò)社區(qū)。但是wifi模塊有一個明顯的缺點(diǎn)就是二十四小時都需要網(wǎng)絡(luò)，若果家庭發(fā)生斷電等特殊情況下，路由器無法工作時，設(shè)備也將無法運(yùn)行來發(fā)送信息。方案三：選擇GSM短信發(fā)送模塊來進(jìn)行發(fā)送信息本版塊需要5V的電源，在計算機(jī)調(diào)試的初期，計算機(jī)的USB電源就能滿足需求。該模塊具有大容量100歐姆。長時間傳輸數(shù)據(jù)需要的電量比較大，建議使用1A以上的直流，TTL電平串口自適應(yīng)與3.3V和5V單片機(jī)相兼容?？芍苯优cMCU相連[14]。待機(jī)時間大約為8個馬赫，睡眠時間可以設(shè)定為10馬赫，低功率消耗。美國-232和美國-TTL計算機(jī)調(diào)試都可以，按個人配件不同。支持短消息，數(shù)據(jù)，彩信，網(wǎng)絡(luò)等功能。重置排針器，可以在不需要人員的情況下進(jìn)行遠(yuǎn)距離重置，并具有DTMF遠(yuǎn)程遙控功能，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離重置。支持2,3,4G手機(jī)卡。通過對上述信息發(fā)送方案的分析，考慮到本次設(shè)計系統(tǒng)所需顯示的內(nèi)容為信息遠(yuǎn)程發(fā)送，因藍(lán)牙自身發(fā)送距離較近。選用方案三GSM短信發(fā)送模塊來實現(xiàn)報警信息發(fā)送功能。第3章硬件設(shè)計3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計為了使單片機(jī)能夠有效地實現(xiàn)其控制的核心功能，對最低限度的要求是必須的。STM32單片機(jī)的最小系統(tǒng)主要由四個部分組成，它們分別是：單片機(jī)芯片、電源電路、復(fù)位電路和時鐘電路。但是，要確保STM32單片機(jī)的正常工作，還必須配置一個接口電路和一個啟動電路，它的最小系統(tǒng)的電路原理見圖3.1。圖3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖1.單片機(jī)核心，在MCU的核心部分，我們選擇了基于ARMCortex-M3內(nèi)核的STM32F103C8T6單片機(jī)。通過對各傳感器采集到的信息進(jìn)行處理，并發(fā)出相應(yīng)的定位命令，同時對外部電路進(jìn)行控制。2.外設(shè)時鐘電路，外設(shè)時鐘環(huán)是微控制器的“心臟”，它是微控制器的核心部件。雖然STM32單片機(jī)可以使用內(nèi)部時鐘，但是一般情況下，還需要增加一個外部的更精確的時鐘電路。一般情況下，電容一般會選擇30pF左右兩個相等的電容。該系統(tǒng)采用了一種新型的自激發(fā)式振蕩方式，并利用該方法實現(xiàn)了一種新型的自激發(fā)式振蕩控制系統(tǒng)。3.復(fù)位電路，復(fù)位電路是用來對單片機(jī)進(jìn)行初始化，或者在程序跑飛時可以有動作使單片機(jī)恢復(fù)正常工作。一般情況下，最常用的復(fù)位方法是外部復(fù)位，即在RST引腳的外面，連接一個由一個電阻、一個電容和一個按鍵組成的復(fù)位電路。當(dāng)按鍵按下之后，并通過RST管腳的輸出，實現(xiàn)了MCU的初始化。另外一種必須的重置方法是上電重置，當(dāng)單片機(jī)一上電后，電源的電容就會迅速充電，使單片機(jī)的RST引腳產(chǎn)生一個時間很短的低電平信號，單片機(jī)就可以進(jìn)行初始化了。3.2信息發(fā)送模塊電路的設(shè)計為了實現(xiàn)系統(tǒng)的無線遠(yuǎn)程報警發(fā)送信息功能，在硬件方面，以GSM短消息發(fā)送模塊為載體，本系統(tǒng)采用的是GSMGPRS短消息發(fā)送模塊，其標(biāo)準(zhǔn)工作電壓為3.5-5.5V，其功耗很低工作電流最高也只有80MA，有USB和TTL兩種兩種調(diào)試方式，此外還有兩路天線即SMA天線和IPXMINI天線。信號強(qiáng)度大，兼容性極強(qiáng)，2G、3G、4G手機(jī)卡均可支持。本系統(tǒng)中單片機(jī)與GSM模塊的連接控制方式為串口方案，使用AT指令配置對待發(fā)送的無線數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送操作處理。GSM短信發(fā)送模塊的實物圖如圖3.2所示。圖3.2GSM短信發(fā)送模塊實物圖3.3天然氣濃度檢測電路的設(shè)計MP4是最常見的氣體濃度采集模塊，MP系列氣體探測器的管腳數(shù)一共有4個，在設(shè)計時，除了VCC電源腳和GND地腳，3腳VCC還可以被拉到電源供電信號，1位GND與母板上的地線相連，從而完成了氣體濃度檢測模組的設(shè)計，并完成了電路的聯(lián)接。氣體濃度獲取模組的簡圖如圖3.3所示，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。圖3.3氣體濃度傳感器模塊原理圖3.4蜂鳴器報警電路的設(shè)計系統(tǒng)當(dāng)煙霧濃度超標(biāo)等指標(biāo)達(dá)到上限后會進(jìn)行報警，警報聲，就是蜂鳴器的聲音。當(dāng)電源接通到蜂鳴器時，弛張振蕩器就會開始振動，并將其加載到一個1.5-2.5千赫的音頻信號中，這樣就會引起壓電蜂鳴芯片的發(fā)聲。發(fā)明涉及一種電磁蜂鳴器，它包括振子，繞線，磁鐵，振動隔膜，外殼。當(dāng)通電時，振動器發(fā)出的是一種聲學(xué)訊號，經(jīng)過銅線線圈，產(chǎn)生磁場。振動光圈是由于兩種磁性物質(zhì)的相互影響而產(chǎn)生的周期性振動。在這個設(shè)計中，使用了一個電磁蜂鳴器，見圖3.4。因為選用的是PNP類型的晶體管，所以MCU上與I/O總線相連的器件的I/O地址都是自帶的高電平，因此當(dāng)MCU上電源時，不會發(fā)出任何聲音。圖3.4蜂鳴器報警電路3.5微波雷達(dá)電路的設(shè)計LD1020微波雷達(dá)是—款工作在10.525GHz的X波段雷達(dá)模型。感知范圍可調(diào)等功能。本模塊工作電流16MA、工作電壓3.3V-12V，其特點(diǎn)是抗干擾、體積小、穩(wěn)定性高、一致性好。不受溫度、濕度、油煙、水霧等的影響，可用于局部非接觸感知控制領(lǐng)域。圖3.5微波雷達(dá)實物圖3.6紅外避障電路的設(shè)計在這個設(shè)計中，自動掃地部分是利用紅外反射鏡來完成的，紅外反射鏡中集成了一個發(fā)射器和一個接收器，當(dāng)紅外對射鏡碰到障礙時，發(fā)射鏡發(fā)射出的紅外光會穿過障礙返回到接收器，接收器輸出高電平，供MCU接收。本傳感器為三線制式，具有數(shù)字輸出功能，在有干擾的情況下，均為高電平，沒障礙時，輸出低電平。圖3.6紅外避障模塊電路圖3.7L298N電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計這個電動機(jī)驅(qū)動模組為雙溝道的橋型電動機(jī)驅(qū)動，采用兩臺H型橋型，可以一次驅(qū)動兩個電機(jī)。它的工作電壓在7V-18V，能夠驅(qū)動1.5A以下的直流電機(jī)，4線步進(jìn)電機(jī)，并具有過流保護(hù)、欠壓閉鎖、短路保護(hù)等功能，以及低功耗睡眠模式，如圖3.7。圖3.7電機(jī)驅(qū)動電路圖它們的管腳定義在下面的表格中：表STYLEREF1\s3.SEQ圖\*ARABIC\s11L298N電機(jī)驅(qū)動引腳定義引腳名稱引腳定義AIN2AO2的邏輯輸入控制端口，電平0-5VBIN2BO2的邏輯輸入控制端口，電平0-5VAO1、AO21路H橋輸出端口，接一個直流電機(jī)的兩個腳BO1、BO22路H橋輸出端口，接另一個外直接電機(jī)的兩個腳GND接地VM芯片和電機(jī)供電腳，電壓范圍7

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VSTBY接地或懸空芯片不工作，無輸出，接5V工作；電平0-5V從表中我們能夠得知，STBY口能夠與單片機(jī)的IO口相連，在拉低為零時，所有電機(jī)將全部停止，而在拉高至高電平時，我們利用AIN1,AIN2,BIN1,BIN2來對正反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制。3.8指紋采集電路的設(shè)計本系統(tǒng)有防盜系統(tǒng)，使用了指紋識別技術(shù)，使用的方法有：集成指紋采集模塊，集成半導(dǎo)體指紋模組，集成彩色環(huán)繞燈帶，主要包括了集成指紋傳感器，指紋法等。實現(xiàn)指紋的注冊，對比，刪除等功能、低功耗。這個模塊采用了UART的標(biāo)準(zhǔn)通訊模式。圖3.8指紋采集模塊實物圖第4章軟件設(shè)計一個系統(tǒng)的實現(xiàn)需要軟硬件的協(xié)調(diào)，上面已經(jīng)介紹了該系統(tǒng)的硬件，下面將設(shè)計該系統(tǒng)的軟件：4.1Keil軟件簡介C語言作為一種被廣泛采用的通用編程語言，被認(rèn)為是一種被廣泛認(rèn)可的、有效且簡潔的、適用于單片機(jī)的編程語言。C語言可以直接操縱MCU的硬件，兼具了高級語言和匯編語言的特性，C語言在單片機(jī)的程序設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。在Keiluvision5中，使用C來編寫單片機(jī)的軟件，與單片機(jī)具有良好的兼容能力。在這個平臺上，可以實現(xiàn)從51MCU到ARMMCU到STM32MCU的編譯與開發(fā)。該系統(tǒng)的接口很簡單，從項目的創(chuàng)建入手，再到每個子程序的調(diào)用，最后通過一個主函數(shù)來實現(xiàn)對各個功能子程序的調(diào)用。在編譯的方式上，使用了模塊化的方式，使得整個系統(tǒng)的程序不再那么復(fù)雜，并且在查找問題時，也能夠方便的找到具體執(zhí)行錯誤的子程序。在編譯完畢后，如果運(yùn)行正確，就能夠生成hex文件，然后通過串口燒入工具，將其下載到單片機(jī)的Flash中，然后驅(qū)動單片機(jī)來執(zhí)行預(yù)設(shè)的功能。4.2系統(tǒng)主程序設(shè)計本次智能單片機(jī)家庭遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)機(jī)器人的主程序設(shè)計中顯示函數(shù)等將預(yù)置的顯示字符段通過調(diào)用呈現(xiàn)，在以上系統(tǒng)準(zhǔn)備階段結(jié)束之后，處于等待采集信號輸入或?qū)ψ兓碾娖叫盘栕R別的數(shù)據(jù)處理過程，本次遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)機(jī)器人系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入主要包括了天然氣濃度數(shù)據(jù)參數(shù)，指紋數(shù)據(jù)參數(shù)。圖4.1主程序流程圖4.3系統(tǒng)子程序設(shè)計4.3.1自動掃地子程序設(shè)計在本設(shè)計中，還需要完成一項自動掃地的功能，在自動掃地系統(tǒng)中，最重要的就是紅外線障礙規(guī)避。它的原理是：發(fā)射出一個紅外光波信號，在遇到障礙時，它會將一個紅外信號反饋回來。因為前面有無障礙，光線的反射角度是不一樣的，而黑無障礙，它不會反射紅外光波信號。所以，如果沒有接收到紅外返回的光波信號，那么就意味著目前沒有障礙，如果有返回信號，那么就意味著前面有墻壁。圖4.2掃地驅(qū)動子程序流程圖4.3.2信息發(fā)送子程序設(shè)計在本設(shè)計中，信息發(fā)送功能也是必不可少的，當(dāng)達(dá)到要求時，要將信息通過短信的形式發(fā)送給手機(jī)。其具體流程如下，在系統(tǒng)上電初始化后連接當(dāng)前設(shè)備端，判斷單片機(jī)與信息發(fā)送模塊通信是否正常。如果連接成功，則開啟傳輸模式，開始發(fā)送短信。如果不成功則等待連接完成后才可以發(fā)送短信；具體流程圖如下圖4.3。圖4.3信息發(fā)送子程序流程圖4.3.3天然氣濃度采集子程序設(shè)計在該系統(tǒng)中，天然氣濃度數(shù)據(jù)的獲取部分，必須根據(jù)天然氣濃度傳感器返回的數(shù)值，才能實現(xiàn)對天然氣濃度的辨識。在編程前，先對傳感器進(jìn)行初始化，然后對傳感器的位置和位置做出判斷。在此基礎(chǔ)上，給出了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集流程。如圖4.4所示。圖4.4天然氣采集子程序流程圖4.3.4報警子程序設(shè)計同時，它還擁有一個門檻警報功能，當(dāng)環(huán)境出現(xiàn)變化（超出門檻）時，就會發(fā)出警報，提醒使用者盡快處理好室內(nèi)環(huán)境的變化。具體的工作流程如下：開機(jī)以后，蜂鳴器開始初始化，然后對各個數(shù)值進(jìn)行初始化，如果超過了，蜂鳴器發(fā)出聲音，若沒有，蜂鳴器就不會發(fā)出聲音。電報機(jī)流程圖：圖4.5報警子程序流程圖4.3.5微波雷達(dá)子程序設(shè)計首先主機(jī)通電后，從模塊與主機(jī)相連接，微波雷達(dá)模塊與手機(jī)進(jìn)行藍(lán)牙連接，連接成功后手機(jī)界面將會顯示是否檢測到人體，將會發(fā)送數(shù)據(jù)。具體流程圖如下圖4.6所示。圖4.6微波雷達(dá)子程序流程圖4.3.6電機(jī)驅(qū)動子程序設(shè)計機(jī)器人想要完成行走，就必須要進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動。自然而然就要給驅(qū)動電路發(fā)送驅(qū)動命令程序。第一步也是進(jìn)行初始化。當(dāng)初始化完成后，根據(jù)單片機(jī)的指令進(jìn)行驅(qū)動操控，主要有左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)與停車。具體流程圖如下圖4.7所示。圖4.7電機(jī)驅(qū)動子程序流程圖第5章實物制作與系統(tǒng)調(diào)試5.1實物制作過程在硬件電路的生產(chǎn)過程中，經(jīng)常會遇到一些元件不能工作的問題。原因是在單片機(jī)電源旁邊有一塊陶瓷的電容，因為在焊接的過程中，過多的焊料會造成在上電時很容易發(fā)生短路。因此在電路板的繪圖過程中，盡量按照元件的特點(diǎn)進(jìn)行排版和布線。在實物制作的過程中，首先要確定主控的中心位置，再在外圍逐步焊下最小系統(tǒng)等功能模塊，用飛線將原理圖相應(yīng)的導(dǎo)電管腳連接起來，要避免打結(jié)或堆積過多，否則將會影響信號和焊接可靠性，把每個組件的插針都插在孔里，把太長的插針剪去，以免與其它干擾源短接，引起短路。在進(jìn)行焊接的時候，首先要把原理圖打印出來，然后按照每個模塊封裝相應(yīng)的管腳連接，在焊接結(jié)束之后，必須要檢查在電路板上有沒有錫珠等雜質(zhì)，并且在焊接過程中，不能確定是否已經(jīng)被正確連接的信號兩端，用萬用表進(jìn)行導(dǎo)通檔測試，看有沒有蜂鳴聲來確認(rèn)，這其中最重要的一點(diǎn)，就是實物系統(tǒng)的制作完好，這也是調(diào)試部分的一個良好開始。最后一套系統(tǒng)的實際接線圖5.1所示。圖5.1系統(tǒng)實物圖5.2系統(tǒng)調(diào)試調(diào)試就是在實物做完后進(jìn)行實物的故障排除。這是一項非常有耐心的工作，因為如果在前期沒有做好測試就直接上電，那么將會造成難以承受的損失，甚至?xí)屩八龅囊磺卸记肮ΡM棄。在上電前的電路測試中，可能會出現(xiàn)一些很小的問題，而且還很隱蔽，這就要求我們要有足夠的耐心，持續(xù)的排查。5.2.1硬件調(diào)試在本次設(shè)計中，硬件調(diào)試主要從以下幾個方面展開。硬件上電前測試，開機(jī)前的測試是非常重要的，如果能在開機(jī)之前找到問題所在，就能節(jié)省大量的時間。按照設(shè)計的電路圖紙，認(rèn)真排查并對照，查找出電路中出現(xiàn)的故障以及設(shè)備的選用是否正確。硬件上電后測試，在上電前的測試全部完成后，即可開始上電并觀察測試結(jié)果。當(dāng)然，在上電測試中，也要講究方式與方法，若是一次性上電，一旦發(fā)生故障，難以找出故障所在。所以，我們必須一個一個地測試每一個模塊，這樣才能對錯誤產(chǎn)生的問題進(jìn)行有效的定位，防止由于模塊損壞而造成的無法啟動的問題。首先主機(jī)接通電源，將指紋模塊用CH340模塊與電腦相連接，進(jìn)行錄入指紋，識別指紋，指紋識別不正確不予開門，發(fā)光管藍(lán)燈亮表示指紋識別正確，如圖5.2所示；圖5.2指紋模塊實物圖其次將主機(jī)與CH340連接對主機(jī)進(jìn)行時間設(shè)置與監(jiān)護(hù)人手機(jī)設(shè)置，主要有打掃時間設(shè)置，到達(dá)設(shè)置時間時機(jī)器會自行進(jìn)行打掃衛(wèi)生；吃藥時間設(shè)置，到達(dá)吃藥時間時會進(jìn)行語音提醒“該吃藥了”，吃藥之后可通過主機(jī)“吃藥”按鍵來結(jié)束提醒，如圖5.3所示；圖5.3主機(jī)模塊實物圖手機(jī)卡設(shè)置，通過CH340進(jìn)行監(jiān)護(hù)人手機(jī)號設(shè)置，如家里發(fā)生意外家人可通過“求救”按鍵來發(fā)送短信達(dá)到向監(jiān)護(hù)人求救的效果，如圖5.4所示；圖5.4短信發(fā)送成功界面圖最后將主機(jī)通電微波雷達(dá)模塊通電，手機(jī)下載HLK軟件，將與雷達(dá)模塊進(jìn)行藍(lán)牙連接可以識別人體，未檢測到人體將會進(jìn)行報警，如圖5.5所示，微波雷達(dá)實物如圖5.6所示。圖5.5檢測人體圖圖5.6微波雷達(dá)實物圖5.2.2軟件調(diào)試在編寫程序的時候，在程序的開頭，就把每一個定時器斷續(xù)的地址寫下來。此外，還應(yīng)注意添加釋線或分割線，不然，在程式過長的情況下，將引起混淆，難于查找及修改。為了避免上下命令的隨意調(diào)用，需要對程序進(jìn)行合理的設(shè)計，這樣才能保證程序的清晰。在你開始編程前，先加入一些流程圖，這樣你就能更清楚地思考問題了。軟件編譯過程中主要出現(xiàn)次數(shù)較多的錯誤有以下幾種：1."nosource":Error:command-line:#564:cannotopenpreprocessingoutputout這種情況是因為C文件的命名中含有中文字符，換成英文就可以了。2.Error:L6200E:Symbolxxxmultiplydefined(byxxx.oandxxx.o)出現(xiàn)重定義，在使用了全局變量時有可能出現(xiàn)。我們在兩個文件使用中都給變量賦初值，會出現(xiàn)該錯誤。改正方法，在引用此變量的時候取消賦初值就可以。3.Error:L6218E:UndefinedsymbolDelay(referredfrommain.o).錯誤L6218E未定義符號enet_delay“出現(xiàn)這種情況的原因多半是使用了未定義或者定義錯了的函數(shù)。解決辦法:檢查—下調(diào)用函數(shù)的時候函數(shù)名稱是否正確。圖5.6軟件調(diào)試圖第6章總結(jié)本次設(shè)計是一個基于單片機(jī)的家庭遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)服務(wù)機(jī)器人。家庭機(jī)器人是是未來家庭智能服務(wù)行業(yè)發(fā)展的趨勢，是科技進(jìn)步的一個重要體現(xiàn)，通過對系統(tǒng)整體方案的研究，分別對設(shè)計系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行設(shè)計，最終做出了一個家庭遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)服務(wù)機(jī)器人。經(jīng)過調(diào)試，系統(tǒng)預(yù)期的功能均已得到一一驗證，符合設(shè)計方案的功能要求。總結(jié)以來就是利用STM32單片機(jī)作為核心模塊，接入了信息發(fā)送模塊。天然氣濃度傳感器。微波雷達(dá)電路。利用紅外避障傳感器進(jìn)行避障來模擬掃地機(jī)器人。利用L298N雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動板進(jìn)行車輪電機(jī)的驅(qū)動與控制。利用指紋采集區(qū)完成門禁系統(tǒng)的識別開關(guān)。利用蜂鳴器進(jìn)行到達(dá)閾值后的報警。在此次設(shè)計基礎(chǔ)上，本人對單片機(jī)原理，C語言程序，模擬電路基礎(chǔ)，數(shù)字電路基礎(chǔ)，電路原理基礎(chǔ)等方面進(jìn)行了詳盡的學(xué)習(xí)和設(shè)計。通過具體的分析與應(yīng)用，我個人可以更好地了解這些基本的知識。此外，在系統(tǒng)需求、方案論證、功能模塊劃分、原理圖繪制、PCB板制作、程序設(shè)計、軟件及軟件的調(diào)試等方面具有較強(qiáng)的實踐能力。在這次的畢業(yè)設(shè)計中，我深深體會到了學(xué)好專業(yè)知識的重要性，同時也明白了“理論與實踐”的涵義。雖然在本次的設(shè)計中，對于知識的使用與連接還不足夠成熟，但我會在今后的工作與學(xué)習(xí)中繼續(xù)努力，不斷的去完善自己。這段時間的畢業(yè)設(shè)計是對以往的所學(xué)的各種專業(yè)知識進(jìn)行系統(tǒng)的提升和擴(kuò)展，使自己的理論知識和實際操作能力得到進(jìn)一步的提升。參考文獻(xiàn)[1]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計（第四版）[M].北京：清華大學(xué)出版社,2017.[2]何希才.傳感器及其應(yīng)用實例[M].徐州：機(jī)械工業(yè)出版社,2003.[3]毛玉星，郭珂.單片機(jī)原理及接口技術(shù)—基于ARMCorte-M3的ST[M].重慶：重慶大學(xué)出版社,2020.[4]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社,2009.[5]馬忠梅.單片機(jī)的C語言應(yīng)用程序設(shè)計[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,2017(1).[6]孫利超.探究孩童趣味生活的產(chǎn)品設(shè)計[D].東南大學(xué),2019.[7]孔德力.基于STC52單片機(jī)GSM短信上報GPS經(jīng)緯度信息的設(shè)計[J].南方農(nóng)機(jī),2019,50(24):130-131.[8]曹雪,楊思航,張?zhí)祛?一種基于Arduino單片機(jī)系統(tǒng)的智能清潔機(jī)器人[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇,2022,21(04):32-33.[9]吳昱寧.基于STM32的老人跌倒預(yù)防與監(jiān)測報警裝置設(shè)計[J].電子元器件與信息技術(shù),2021,5(06):201-202.[10]劉長虹.基于單片機(jī)的掃地機(jī)器人設(shè)計[J].電子制作,2022,30(15):26-29.[11]吳鵬浩,徐夢如,竇浩鵬,戈忠義,吳寶春.基于STM32單片機(jī)的掃地機(jī)器人設(shè)計[J].智能計算機(jī)與應(yīng)用,2019,9(06):248-250.[12]張曉虎.低成本家居智能機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].湖南大學(xué),2007.[13]方向.基于單片機(jī)的GSM智能家庭監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[D].武漢輕工大學(xué),2015.[14]郭建軍,林麗君,陳紅斌,王克