基于51單片機(jī)的油氣管道檢測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)

向小康，羅繼文，許晨義，李西蒙

（西北大學(xué)，陜西西安，710000）

0 引言

本文針對(duì)中小型口徑無(wú)流體油氣管道，基于STC89C52RC單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款在能夠在彎管，直管中穩(wěn)定行走并且通過(guò)藍(lán)牙與手機(jī)連接該位置的溫濕度參數(shù)實(shí)時(shí)被外面的手機(jī)接收的油氣管道檢測(cè)機(jī)器人。通過(guò)安裝在機(jī)器人前端的監(jiān)控?cái)z像頭，同時(shí)也能觀察到管道的內(nèi)部真實(shí)環(huán)境。使得檢測(cè)人員不必親自進(jìn)入危險(xiǎn)環(huán)境中就能通過(guò)系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)據(jù)看到管道內(nèi)部的環(huán)境并得到想要的溫濕度數(shù)據(jù)。相比于傳統(tǒng)的人工檢測(cè)，在一定程度上提高了檢測(cè)人員的安全性。減少了檢測(cè)過(guò)程中事故的發(fā)生幾率。

1 探測(cè)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

1.1 外部機(jī)械結(jié)構(gòu)框架

針對(duì)管道探測(cè)機(jī)器人的特殊工作環(huán)境，最終采用三角形桁架的外部框架和支撐輪式的行走方式。機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。三角形桁架相比于傳統(tǒng)方形框架有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。在油氣管道這種密閉且情況多變的環(huán)境中，三角形桁架結(jié)構(gòu)在遭到?jīng)_擊，翻倒的情況下能更好的保持車(chē)體的完好性，使框架內(nèi)的控制系統(tǒng)更加安全。同時(shí)三角形框架也具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本相對(duì)較低的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 探測(cè)機(jī)器人外部機(jī)械結(jié)構(gòu)展示

管道探測(cè)機(jī)器人主流的運(yùn)動(dòng)方式主要有蠕動(dòng)式，履帶式，和支撐輪式。支撐輪式具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，適用于常見(jiàn)中小口徑的管道，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。所以選擇運(yùn)動(dòng)方式為支撐輪式。

由于實(shí)際生產(chǎn)生活中管道口徑多樣性，就要求管道探測(cè)機(jī)器人在面臨不同管徑的管道有一定的自適應(yīng)性。為解決這一問(wèn)題本文采取了彈簧變徑，如圖2所示。當(dāng)機(jī)器人進(jìn)入不同管徑管道或在同一管道中經(jīng)過(guò)不同直徑區(qū)域時(shí)，通過(guò)滑塊壓縮彈簧力度的改變，使得機(jī)器人的徑向尺寸變化到適應(yīng)管徑的大小。

圖2 管道探測(cè)機(jī)器人的彈簧變徑結(jié)構(gòu)

1.2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

此設(shè)計(jì)的核心控制系統(tǒng)主要基于搭載STC89C52RC單片機(jī)的最小系統(tǒng)板。由其連接一個(gè)L208N驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制6個(gè)電機(jī)的工作狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)油氣管道探測(cè)機(jī)器人在各種管道環(huán)境如彎管，直管，十字管的穩(wěn)定行走。在機(jī)器人前進(jìn)的過(guò)程中DHT11溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)，單片機(jī)將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，暫存在寄存器SBUF，最后再由HC06藍(lán)牙模塊發(fā)送給手機(jī)APP，通過(guò)藍(lán)牙串口助手實(shí)時(shí)顯示。除此之外在在探測(cè)機(jī)器人前端安裝一個(gè)獨(dú)立的微型攝像頭，使得內(nèi)部的真實(shí)環(huán)境通過(guò)WIFI發(fā)送到手機(jī)?？刂葡到y(tǒng)流程圖見(jiàn)圖3。STC89C52RC單片機(jī)與各元件的詳細(xì)連接情況硬件電路見(jiàn)圖4。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖4 油氣管道探測(cè)機(jī)器人硬件電路

1.2.1 控制器的選擇

油氣管道探測(cè)機(jī)器人的控制器采用STC89C52RC單片機(jī)，它與復(fù)位電路，時(shí)鐘電路等集成在一塊最小開(kāi)發(fā)板上。所用的晶振頻率為11.0592MHz。

單片機(jī)發(fā)揮的作用是接收來(lái)自手機(jī)藍(lán)牙發(fā)送的指令，處理指令，并給L298N送去信號(hào)控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)要定時(shí)處理DTH11采集到的溫濕度數(shù)據(jù)，并通過(guò)藍(lán)牙模塊發(fā)送給手機(jī)。對(duì)比市面上各類(lèi)單片機(jī)，最終控制器選擇了STC89C52RC這一款單片機(jī)。它是由中國(guó)STC公司生產(chǎn)的低電位，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含有8K的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和512字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）。功能強(qiáng)大，靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域，能夠滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的要求，而且價(jià)格相對(duì)較低。它的編程語(yǔ)言主要有匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言，本設(shè)計(jì)是使用C語(yǔ)言編寫(xiě)。

1.2.2 無(wú)線通信方式

在對(duì)探測(cè)小車(chē)的控制方式的選擇上，主要有紅外，藍(lán)牙，WIFI三種常見(jiàn)的控制，進(jìn)行整理得出如下分析如表1所示。

表1 三種無(wú)線技術(shù)比較

紅外技術(shù)成本低，速度快，但是容易受環(huán)境影響，且小車(chē)快速行駛中不易控制，需要遙控器正對(duì)紅外接收器；WIFI技術(shù)雖然傳輸距離遠(yuǎn)，成本低，但是控制相對(duì)復(fù)雜，需要一對(duì)一模塊進(jìn)行傳輸；藍(lán)牙技術(shù)則可以在PC或手機(jī)端進(jìn)行控制，控制難度一般，環(huán)境影響不大。通過(guò)對(duì)比分析，最終采用藍(lán)牙通信，使用HC-06主從一體藍(lán)牙串口模塊。HC06采用CSR公司的BC417143芯片，有四個(gè)引腳， VCC和GND接單片機(jī)電源端和地，TXD和RXD接單片機(jī)的RXD和TXD。工作模式選擇。

1.2.3 控制系統(tǒng)的傳感器

基于采集油氣管道內(nèi)部溫濕度的目的，控制系統(tǒng)使用DTH11溫濕度傳感器。溫濕度傳感器DTH11主要是由一個(gè)NTC測(cè)溫元件和一個(gè)電阻式感濕元件組成，系統(tǒng)采用含有DTH11的集成電路板，使得電路整體變得簡(jiǎn)潔。只需要它的三個(gè)引腳VCC,DATA,GND與單片機(jī)相連接。DHT11傳感器的生產(chǎn)中都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。在管道的環(huán)境下，能夠起到測(cè)量的作用。

1.2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

本設(shè)計(jì)采用L298N驅(qū)動(dòng)模塊。它的作用是根據(jù)單片機(jī)發(fā)出的指令控制6個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)從而控制探測(cè)小車(chē)的前進(jìn)和轉(zhuǎn)向。L298N是一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；可以外界檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。

2 油氣管道探測(cè)機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

首先，手機(jī)app藍(lán)牙串口助手，向藍(lán)牙模塊發(fā)送讓探測(cè)小車(chē)驅(qū)動(dòng)的指令，藍(lán)牙模塊接收指令，并發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)接收指令并做出反應(yīng)對(duì)L298N下達(dá)指令，L298N于是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)探測(cè)器小車(chē)的驅(qū)動(dòng)。

系統(tǒng)的溫濕度自上電就開(kāi)始工作每隔一段時(shí)間就將采集到的溫濕度變化的信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理由藍(lán)牙模塊發(fā)送到手機(jī)app。以下圖5，圖6為系統(tǒng)軟件的控制流程（圖5為溫濕度采集，圖6右為控制電機(jī)），圖7、圖8為手機(jī)app接收數(shù)據(jù)后的界面以及控制小車(chē)驅(qū)動(dòng)的界面。

圖5 溫濕度采集系統(tǒng)流程

圖6 電機(jī)控制系統(tǒng)流程

圖7 溫濕度傳回

圖8 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)控制

3 結(jié)束語(yǔ)

本研究是以STC89C52RC單片機(jī)為核心控制系統(tǒng)，結(jié)合適用于油氣管道環(huán)境的機(jī)械結(jié)構(gòu)的油氣管道探測(cè)器。它能夠完成一定的溫濕度檢測(cè)工作并通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)。主要應(yīng)用于中小口徑無(wú)流體非工作狀態(tài)下的油氣管道的內(nèi)部環(huán)境檢測(cè)。在一定程度上，本設(shè)計(jì)還可以廣泛應(yīng)用于石油化工企業(yè)、機(jī)械制造業(yè)、和城市管道檢測(cè)。