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排水管道 检测 机器人 机械 结构设计

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排水管道检测机器人云台机械结构设计,排水管道,检测,机器人,机械,结构设计

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【摘要】 近年来,视频监控得到了迅速发展,其应用范围越来越广。为扩大监控范围,改善监控视野,可以借助于云台,即把摄像机装在云台上,通过云台转动带动摄像机旋转,同时可以控制摄像机镜头的参数。云台在监控系统中起着关键的作用,它直接反映监控系统的监控指标,在一些危险系数较高的监控场合,通常是采用一台安全防爆级别的云台。本文设计了一种基于AVR单片机的电动云台控制器,应用于防爆云台系统中。该控制器能够接收控制台的控制命令,控制云台的垂直运动和水平运动,以及摄像机的聚焦/散焦,变倍近/远、光圈变大/小,以调整摄像机的视野。同时还能预置存储当前摄像机的位置参数,以备下次调用。论文首先介绍了课题的应用背景,云台的分类以及云台控制器的发展现状,重点分析了云台所具备的功能,并针对这些功能提出了本设计的实现方案。其次论文详细介绍了本设计从硬件到软件开发的全过程,给出云台每个功能模块的具体硬件电路,并加以分析。在软件程序设计中,论文简要介绍了串行通讯的基本知识,详细说明了应用于云台中的通讯协议PELCO-D协议,给出主控制电路,运动控制电路,雨刷镜头控制电路的软件流程图,最后阐述了本设计所采用的有关硬件、软件可靠性方面的措施。通过调试、系统的实际运行,验证了本设计运行稳定,实现了云台的上下左右旋转,实现了对镜头聚焦、变倍、光圈的控制,实现了预置位功能,达到了预期的应用目标。目前,本设计已被应用于实际的云台系统中,具有良好的运行效果。 第一章 概述1.1 研究背景和意义 目前，我国有各种气管道、石油管道、下水道、自来水管道等很多管道，由于年久失修，每年都要出现大量故障，可是这些管道大多都埋在地下，因而一但出现泄漏就很难查找，而在这方面管道机器人却可以发挥很大的作用，有着很大的市场。 管道机器人系统由行走机构、用于管内壁观察和检测装置、控制和通讯等组成。若需要，还可以加上管内缺陷的修补装置。 云台是监控系统中不可缺少的配套设备之一，它与摄像机配合使用能达到扩大监控范围的目的提高摄像机的使用价值。全方位电动云台是以电动机为驱动使云台具有水平和垂直两个独立的旋转自由度，做为排水管道机器人为适应不同管道直径需要还应具备升降对心功能。是摄像机具有搜寻所在监控范围内的任意景物的能力。电动云台主要由微型步进电动机和减速器组成。当电动机接通电源时，电机通过减速器加速使输出轴获得所需的转矩和转速，带动摄像机进行寻像。电动云台的工作角度有了可调节限位的开关做限位，当旋转角度达到限位时，微动开关切断电源，使电动机停止旋转。1.2、发展状况和现有产品简介Pearpoint P600摄摄像头：360度连续摇动和旋转，提高摄像头的移动速度和确保高分辨率图像的快速定位。内置离合器用于保护摇动和旋转马达。高分辨率摇动和旋转光学装置所提供的极优图像直接进入数字录像机中。640Hz信号发射器，极易确定摄像头的位置。 光源：对于更大管径的管道，加装20W灯泡（选件），提供更明亮、精确的图像。1.3、研究内容本课题研究的主要任务是完成城市主排水管道(直径1000mm)堵塞、腐蚀、裂纹、塌陷等情况的直行检测作业。作为在管道内运行的机器人云台，首先应根据机器人的行走速度（10m/min）具有良好的姿态调整能力，;其次，考虑到作业环境和作业性质的特殊性，需要云台质量尽可能的小、防水能力、照明能力、;最后，云台的可调节范围应尽可能的大，以适应于在不同的排水管径内作业。 排水管道机器人云台机电控制系统设计主要包括机械结构设计、硬件系统和软件系统的设计。机械结构部分摄像头云台机构带动摄像头俯仰于旋转、升降，增大摄像头的可视范围。硬件部分主要包括电机驱动器和摄像头云台控制器的研究与制作、机器人控制系统硬件，摄像头，电源以及机械结构执行部分的选型。系统软件设计包括PC机控制面板Lab view或 Visual Basic设计；直流电机驱动器的51单片机设计；RS485上位机与下位机之间的相互通信。第二章排水管道检测机器人云台机械结构设计排水管道检测机器人云台机械结构是承载摄像头以完成摄像头在空间三自由度的运动，从而保证摄像头全方位可视。提出新的设计方法摄像头可根据使用情况更换。电机在空间须完成沿Z轴的移动、沿Y轴的转动、沿Z轴的转动所以共需要三个电机以实现转动、摆动、和升降运动。如图所示： 图2.1 云台整体外观图2.1、摄像头夹持部分设计 考虑到防水性和重量，外壳整体为塑料。摄像头装在壳体内部。为满足可更换摄像头的要求摄像头固定部分应具有对中功能，所以采用仿机床卡具卡盘 的设计。采用三爪卡盘，内部卡盘结构草图： 图2 .2卡盘外观图卡盘体的计算：采用直齿圆锥齿轮，因为采用圆锥齿轮传动主要目的是使卡爪上下移动以夹紧摄像头。所以对齿轮齿数无传动比要求。模数取1 齿根高1.2m=1.2mm 齿顶高m=1mm分锥角度取1=101=arctan(Z1/Z2) 即Z1/Z2=0.168/48则分度圆直径d2=mz1=48mm D1=mz2=8mm齿根圆直径：df2=d2-2hfcos2=45.6mm Df1=d1-2hfcos1=7.6mm齿顶圆直径：da1=d1+2hacos1=8.4mm Da2=d2+2hacos2=50.4锥距：R=m(z12+z22)/2=25.59齿宽：BTjmax可以满足要求。型 号 相数 步距角 相电流 转距 惯性矩4910 2 1.8 0.75 0.15 0.03 图2.6 转动电机外观图校核步进电机转矩传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J（kg.cm2） J=JM+J1+(Z1/Z2)2(J2+JS)+G/g(l0/2)22.3.2、云台摆动电机计算折算到电机轴上的负载转矩可由下列公式计算 Tl=(F*L/2)+T0式中,Tl:折算到电机轴上的负载转矩(N.M)F:轴向移动工作台时所需要的力L:电机轴每转的机械位移量(M)To:轴承部分摩擦转矩折算到伺服电机轴上的值(N.M):驱动系统的效率即电机的最大静转矩T1=364Ncm选步进电机型号为选用山洋0411（2相）最大静转矩为440N CMTjmax可以满足要求。型 号 相数 步距角 相电流 转距 惯性矩4910 2 1.8 2 4.4 2.9图2.7 摆动电机外观图校核步进电机转矩传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J（kg.cm2） J=JM+J1+ (J2+JS)+G/g(l0/2)2JM=810-3Kg cm2 J1 =1.5610-3Kg cm2 J2=2.310-3Kg cm2 G=200N代入上式： J=JM+J1+(J2+JS)+G/g(l0/2)2 =25.452 10-3Kg cm2 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 JM/ J=0.3532.3、升降机构设计：2.3.1、升降方式的选择：假设有三种以不同推力方式作用的电动剪叉升降台，如下图 所示，我们以此为例来定性分析这三种电动剪叉升降台运行时，所需要的外加推力的变化。 图2.8 三种剪式升降方式图（a）表示外加推力始终水平作用于运行在电动剪叉升降台固定机座轨道上的撑臂活动端，推动剪叉机构，带动升降平台升降。类似设备结构参见下图2.9所示。 图2.9 工业应用图（b）表示外加推力始终水平作用于滚轮，滚轮夹在电动剪叉升降台固定机座上的轨道与剪叉机构单组撑臂之间运行（水平方向），推动剪叉机构，带动升降平台升降。图（c）表示外加推力始终水平作用于滚轮，滚轮夹在电动剪叉升降台剪叉机构两组撑臂之间（水平方向），并沿剪叉机构的撑臂运行，推动剪叉机构，带动升降平台升降。类似设备结构参见下图2.10所示。 图2.10剪叉升降平台的工业应用 假设在载荷相同、时间相同的条件下，三种电动剪叉升降台升降了同一高度（暂且忽略磨擦力等一些因素的影响），依据在不同外加推力的作用下剪叉机构形成的几何关系进行力学推导运算，我们可以得出所需要的外加推力F的计算式。使用虚位移法、解析法两种方法同时进行推导，得出所需要的外加推力计算式如下： 图（a）表示的电动剪叉升降台式中：F 所需要的外加推力，NW 作用于升降平台的载荷，Na 撑臂与水平面的夹角，度以下各式中相同符号所代表的定义相同。 图（b）表示的电动剪叉升降台式中：R0撑臂半臂的长度，mmr 滚轮半径，mm 图（c）表示的电动剪叉升降台分析比较：假设作用在三种电动剪叉升降台升降平台上的载荷均为W=100N，撑臂与水平面的夹角在860之间变化，利用计算式、，计算各电动剪叉升降台受力处于平衡状态时，所需要的外加推力F。计算结果以及相应的外加推力曲线见表1。 表1 三种方式力变化分析表1 中曲线1、2、3表示图（a）、（b）、（c）所示的电动剪叉升降台所需要的外加推力F 随角度变化的关系。曲线1 表明图（a）所示的电动剪叉升降台所需要的外加推力F随角度的增大而快速减小，最佳操作角度范围为3060；曲线2 表明图（b）所示的电动剪叉升降台所需要的外加推力F随角度的增大而缓慢加大，最佳操作角度范围为825；曲线3 表明图（c）所示的电动剪叉升降台，所需要的外加推力F随角度的增大而急剧加大，最佳操作角度范围为815。根据表1 中列出的计算数据，求解需要的外加推力。当电动剪叉升降台承受的载荷为W=100N ，撑臂与水平面的夹角为a=15，各电动剪叉升降台维持平衡状态时，从表1 中查得：图（a）所示的电动剪叉升降台需要373.2N；图（b） 所示的电动剪叉升降台需要65.8 N；图（c）所示的电动剪叉升降台需要134.0N。数据表明：三种不同外加推力方式的电动剪叉升降台，在相同的条件下，所需要的推力F 相差数倍。所以本云台升降机构采用图a与图b的组合结构 图2.11 综合升降原理图我们可以在升降平台的结构框架内增设固定滚轮，将水平设置始终相向运行的带斜面的楔块处理成凸轮曲面，借助凸轮机构运动的特性，从而形成能够综合两种不同外加推力方式剪叉升降台特点的新型电动剪叉升降台。设计结果如图1下部2.3.2、云台升降部分设计丝杠体外形仿照机床c6150设计1、 丝杠选型11计算进给牵引力FmFm=KFx+f(Fz+G)Fx=0 Fz=0 G-云台重力 f-滑动导轨摩擦系数取0.2 =0.2*200 = 40N1.2最大负载C C=3LFwFm L=60nT/106 n=1000Vs/L0L0-滚珠丝杠导程，选3mmVs-最大力的进给速度，取最高的1/2-1/3，此处Vs取0.5m/minT-使用寿命，按15000HFm 运转系数 ，一般取1.2-1.5L 寿命以 106转为1单位 n=1000Vs/L0=10000.5/33=55.5r/min L=60nT/106=6055.515000/106=49.95 C=349.951.210=44.19N2.3.3、丝杠电机计算： 计算负载转距Tm选取脉冲当量（mm/step）0.01进给牵引力 Fm=200NTm=36pFm/2b 脉冲当量0.01mm/sep电机-丝杠的传动效率齿轮、丝杠之积，分别为：0.3,0.94a步距角1.8Tm=1.13N CM采用四通电机42BYG250A-SAAAML-0151两相混合式步进电机相数2步距角1.8电压24V相电流1.5A保持转距：23N CM定位转矩：1.2N CM电感2.1Mh电阻：1.3外形尺寸（轴径）/mm:重量：0.21kg 图4 丝杠电机外观图齿轮传动比计算：已确定进给脉冲当量0.01滚珠丝杠导程4mm，步距角是1.8度。可计算传动比为：i=360p/bL0=0.5=21/42选定模数1压力角20分度圆直径：d1=mz1=21mm d2=mz2=42mm齿顶高系数：ha=1顶隙系数：c=0.25齿顶圆直径：da1=(z1+2ha)m=23mm da2=44mm齿根圆直径：df1=18.5 mm df2=39.5mm齿宽：B=5校核步进电机转矩传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J（kg.cm2） J=JM+J1+(Z1/Z2)2(J2+JS)+G/g(l0/2)2式中： JM-步进电机转子转动惯量 J1 、J2 -齿轮Z1、Z2的转动惯量 JS-丝杠的转动惯量 JM=1010-10Kg cm2 J1 =0.7810-3d14L1 =0.7810-3 （2110-3）42=3.0310-10Kg cm2 J2=6.410-10Kg cm2 G=200N代入上式： J=JM+J1+(Z1/Z2)2(J2+JS)+G/g(l0/2)2 =35.452 10-10Kg cm2 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 JM/ J=0.253丝杠的拉伸或压缩变形量根据Fm=833.81N，Do=30mmL=700由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量（mm）为：=0.0072因进行了预紧，支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形采用推力球轴承，d1=32mm Z=15因施加预紧力，故根据以上计算：定位精度第三章硬件部分设计3.1、原理方框图单片机通过串行通信方式接收上位机的控制命令, 对云台、镜头进行控制。电路主要有电源电路、通信电路、看门狗电路、云台镜头控制电路等4部分组成, 图1 为电路原理图。图3.1 硬件电路原理方框图3.2单片机的选择选用80C51单片机图3.2 8051单片机外观图1主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 2管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3振荡器特性： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。3.3、单片机与pc机串行通信的实现 系统采用RS2485 串行通信协议与主机进行通信. RS2485 串行总线接口标准以差分平衡方式传输信号, 具有很强的抗共模干扰能力, 最远通信距离1 200m. 系统采用RS2485 通信接口, 采用半全工通信方式,接收主机发送的命令, 包括地址号、云台镜头控制命令硬件接口电路如下图 所示。图3.3 串行通信电路图数据传送经过RS485收发器MAX485,由单片机的TXD和RXD串行口发送与接受。为了提高传输的抗干扰性，采用高速光耦6N137与其他电源完全隔离，不共地。虽然RS-485 接口采用的是差分传输方式，具有一定的抗共模干扰的能力，但当共模电压超过RS-485 接收器的极限接收电压，即大于+12V 或小于7V 时，接收器就再也无法正常工作了，严重时甚至会烧毁芯片和仪器设备。解决此类问题的方法是通过DC-DC 将系统电源和RS-485 收发器的电源隔离；通过光耦将信号隔离，彻底消除共模电压的影响。1、RS-485 接口标准传输方式：差分传输介质：双绞线标准节点数：32最远通信距离：1200m 共模电压最大、最小值：+12V；-7V差分输入范围：-7V+12V接收器输入灵敏度：200mV接收器输入阻抗：12k2、光耦6N137介绍高速光电耦合器6N137 由磷砷化镓发光二极管和光敏集成检测电路组成。通过光敏二极管接收信号并经内部高增益线性放大器把信号放大后,由集电极开路门输出。该光电器件高、低电平传输延迟时间短,典型值仅为48ns ,已接近TTL 电路传输延迟时间的水平。,6N137 还具有一个控制端,通过对该端的控制, 可使光耦输出端呈现高阻状态。6N137 引脚及内部结构如图1 中所示。图3.4、6N137 引脚及内部结构3.4、看门狗电路设置看门狗是防止单片机死机、提高单片机系统抗干扰性的一种重要途径.常见的有三种看门狗电路。1软件看门狗软件看门狗是利用单片机片内闲置的定时器计数器单元作为看门狗, 在单片机程序中适当地插入“喂狗”指令, 当程序运行出现异常或进入死循环时, 利用软件将程序计数器PC 赋予初始值, 强制性地使程序重新开始运行。具体实现方法如下。1) 首先在初始化程序中设置好定时器计数器的方式控制寄存器(TMOD) 和定时时间的初值, 并开中断。2) 根据定时器的定时时间, 在主程序中按一定的间隔插入复位定时器的指令, 即插入“喂狗”指令, 两条“喂狗”指令间的时间间隔(可由系统时钟和指令周期计算出来) 应小于定时时间, 否则看门狗将发生误动作。3) 在定时器的中断服务程序中设置一条无条件转移指令, 将程序计数器PC 转移到初始化程序的入口。当程序正常运行时, 定时器不会发生溢出; 而程序运行异常时, 定时器超时溢出并产生中断, 通过中断服务程序强行使PC 回到起始位置, 从而恢复程序的正常运行。但这里必须注意一点, 由于定时器溢出产生中断时, CPU 所执行的中断服务程序是一条无条件转移指令, PC 被强行从中断服务程序中拉出, 而中断服务程序并未真正结束, 即未执行中断返回指令RET I。此时片内的中断优先级触发器仍处于置位状态, 这将使同级的其他中断请求被屏蔽, 为此应在初始化程序结束前放置一条RET I 指令,并对堆栈和堆栈指针SP 作相应的处理(在堆栈的栈顶预留两个字节单元, 用来存放主程序的入口地址) , 以保证初始化程序结束后, 优先级触发器被复位, 使中断系统正常工作, 并开始顺序执行主程序。软件看门狗的最大特点是无需外加硬件电路, 经济性好。当然, 如果片内的定时器计数器被占用时, 就需寻求其他的设计方式了。2专用硬件看门狗专用硬件看门狗是指一些集成化的或集成在单片机内的专用看门狗电路, 它实际上是一个特殊的定时器, 当定时时间到时, 发出溢出脉冲。从实现角度上看, 该方式是一种软件与片外专用电路相结合的技术, 硬件电路连接好以后, 在程序中适当地插入一些看门狗复位的指令(即“喂狗”指令) , 保证程序正常运行时看门狗不溢出; 而当程序运行异常时, 看门狗超时发出溢出脉冲, 通过单片机的RESET 引脚使单片机复位。在这种方式中, 看门狗能否可靠有效地工作, 与硬件组成及软件的控制策略都有密切的关系。目前常用的集成看门狗电路很多, 如MAX705 708、MAX791、MAX813L、X5043、5045 等。X5045是X ICOR 公司的产品, 它是一种可编程的专用看门狗定时器, 定时时间可通过软件进行选择(200m s,600 m s, 114 s) , 内部包含看门狗电路、电压监控电路和4 KB E2PROM 等。X5045 的工作时序如图1所示, 图中T CST是定时器触发脉冲(负脉冲) 的宽度, TWDO 是定时器的溢出周期(可编程) , T RST是定时器溢出脉冲的宽度。下面以X5045 为例介绍两种硬件看门狗的实现方法。2、1单时限看门狗硬件电路如图2 所示, 图中单片机的P110 为X5045 提供片选信号和看门狗复位信号, P111 接收X5045 的串行数据, P112 提供串行时钟, P113 向X5045 发送串行数据, X5045 的RST 引脚(漏极开路) 输出看门狗溢出信号, 与单片机的RESET 引脚相连, 用于复位单片机。单片机程序中, 每隔一定的时间间隔放置一条“喂狗”指令(即在P110 输出一个下降沿) , 该时 图3.5X5045 触发和溢出时序图 F ig3.5 X5045 T rigger and out t im ing 图3.6 单时限看门狗电路 F ig3.6 Single period watch2dog circuit间隔应小于X5045 预制的定时时间, 以保证程序正常运行时X5045 不会溢出; 而一旦程序出现异常,X5045 将超时溢出, 并通过RST 引脚送出一个复位信号使单片机复位, 重新开始运行程序。该方法硬件电路简单、控制方便, 因此最为常用。在大多数情况下, 由于某种干扰使程序计数器PC 跳出有效的程序区, 造成死机现象, 此时看门狗是起作用的。但有一种情况, 如果程序进入了某个死循环, 而这个死循环中又含有“喂狗”指令, 此时单片机将无法复位, 看门狗也就失效了。也就是说, 采用此种方法并不能保证看门狗百分之百可靠有效。22 、双时限看门狗为弥补单时限看门狗的缺陷, 可采用双时限看门狗。硬件上采用两个独立的看门狗电路WD1和WD2, 利用单片机的P110 P113 控制WD1, 用P114 P117 控制WD2, 每片看门狗超时溢出均可导致单片机复位。单片机程序中将WD1 和WD2 的定时时间设置为两个不同的时限: 一个短定时, 一个长定时。例如将WD1和WD2 的定时时间分别设为200m s 和114 s。其中短时限看门狗WD1 的控制方式与前述的单时限看门狗相同, 即在程序中每隔一段时间(应小于200m s) 插入一条“喂狗”指令, 循环程序中也可以包含“喂狗”指令。对于长时限看门狗WD2, 在整个程序中只插入一条喂狗指令, 但不要放在循环程序中, 且保证其定时时间大于整个程序的运行周期。当出现一般异常情况时, 短时限看门狗WD1 能够有效工作, 且具有较快的反应速度, 而当程序进入含有WD1 的“喂狗”指令的死循环时, WD1 将失效, 而长时限看门狗WD2 终将超时溢出使单片机复位。此种方式以增加硬件投入为代价来提高看门狗工作的可靠性。2.3、强制复位看门狗要保证硬件看门狗有效地工作, 在硬件电路可靠工作的前提下, 还要在单片机程序中合理地放置“喂狗”指令, 也就是说, 被保护者能否得到有效的保护, 还要依赖其本身的行为。引起单片机死机的因素往往很多, 情况也比较复杂, 设计者在编程时难免有考虑不周的地方, 即使加了专用硬件看门狗,也不能完全杜绝单片机死机的现象。在一些绝对不允许死机的单片机应用场合, 可采用一种不依赖于单片机程序控制的定时复位看门狗。如图所示, 在单片机外放置一个以N E555 为核心的振荡器, 每隔一定时间间隔从N E555 的OU T引脚输出一个正脉冲, 无论系统是否死机, 都强行使单片机复位。 图3.7 强制复位电路看门狗电路原理图图3.8 看门狗电路图关于斯密特触发器：图3.9 斯密特触发器 用两个CMOS非门就可以组成一个施密特触发器。非门的输出端作为非门的输入端，非门的输出又通过电阻R2接在非门的输入端，形成一个正反馈的闭合环路。当输入信号Ui=0时，门截止，Uo为高电平，门导通，输出Uo=0。随着Ui逐渐升高，根据电阻分压原理Ui=UiR2/ (R1+R2)，Ui也随之升高，只要Ui小于非门的开门电平Uk，电路仍保持在Uo=0的稳定状态。当输入信号Ui上升到使Ui等于或大于门的开门电平Uk时，则门导通，门截止，输出Uo跳变为高电平。由此可以得出施密特触发器的接通电位为VT+=(R1+R2)/R2 Uk当Ui由最大值逐渐下降时，只要满足UiUk，电路就保持输出高电平的稳定状态。当Ui继续下降，使Ui等于或小于Uk时，门截止、门导通，电路又翻回Uo=0的初始稳态。回差电压VT的大小取决于R1与R2的比值，改变R1和R2就可以调整回差电压。只有一个输入端的施密特触发器，在组成多谐振荡器时，接通电源后就会振荡不停，要想使它停振，就必须切断电源。CD4093是一种有两个输入端的施密特触发器，它增加了一个选通输入端，用它组成多谐振荡器(图10)时，就可以方便地控制它振荡或停振。当选通控制端为低电平“0”时，输出将保持高电平不变，多谐振荡器不能起振；只有在选通输入端为高电平“1”时，多谐振荡器才能产生振荡。一片四一二输入“与非门”施密特触发器74HC132的门a、b、c、d与C3 、C4、 R4 、R5、 D3、 D2等组成看门狗电路。该看门狗无震荡电路。图中门c、C3起隔离作用，门c输入端接p3.7。在主循环程序中加上一条取反端口的程序指令（如CPLp3.7）就可以了，使门c输出端3脚电平不断变化C4就充不上而使终处于低电平，加到门b，使门b的11脚输出高电平，这样，由于D1、D2被封，门b对整个电路不起作用，整个系统正常运行 。如果系统受干扰而出现死机或程序跑飞，足循环不能正常运行了，即I/O口（P3.7）不再变化，这时门c 的输入端，不管是高还是低电平，因电容C3的隔离，门d的输入端4、5 脚有电阻R4的下拉，其6脚输出高电平，C4通过R5充电，约经500ms后，使门b11脚输出低电平：一方面C1经D1 很快放电，使门a的10脚为低电平，门a的8脚输出高电平，使CPU复位。另一方面C4经D2 、R3放电，当C4放电至VL阈值电平时，门b斯密特触发器翻转，使11脚输出高电平，封住了D1 D2 。这样电容C1 C2又经过R1 R5 开始充电。由于R1 C1的充放电时间常数比R5 C4 小了几倍，因而门a先翻转，其8脚输出低电平，从而CPU复位后重新开始正常工作。一旦主循环正常运行，门c的输入不断变化，门b的输出也不断变化，c4又充不上电了。图中，门a与电阻R1 R2 电容C1 C2 及稳压二极管DW 构成了电压监控电路。门a10脚上的R1 C1主要用于“上电自动复位”， 即在系统上电初始阶段，门a10 脚处于低电平，使其8脚输出相当的高电平复位脉冲，促使CPU复位。门a的9脚上的C2 、R2、 DW则起掉电保护作用，在上电瞬间，由于C2的存在，使9脚处于高电平，当电源电压稳定时，由于2.4v的稳压管DW的存在，使9脚电位钳位在VDD-2.4=5-2.4=2.6V,根据斯密特触发器的特性，9脚仍然保持在高电平，不会影响门a 的原有状态。当系统电源掉电或欠压时，如VDD掉至4V时，则9脚电位VDD-2.4=1.6V，9脚算是低电平了，这时门a翻转其8脚输出高电平，使CPU 处于复位状态，避免了系统在掉电欠压过程中产生误操作，直到电源恢复正常，复位保户才撤销，CPU正常工作。3.5、照明控制电路 由于下水管道内缺乏光源，因此必须通过增加照明设备才能使机器人正常工作。为了使摄像头能够观察，比如说5米以外的物体，照明灯必须有足够的亮度与汇聚能力，但是与此同时汇聚的光被近处管壁反射后，会导致管道局部过亮，而导致摄像头图像饱和问题因此照明灯必须是亮度可调的。本系统采用光源亮度三级可调。原理图： 图3.10照明电路图3.6、镜头控制电路一般情况 , 电控三可变镜头的光圈、焦距和聚焦的控制要求直流控制。不同型号的镜头要求的电压值也不同。我们选用的镜头要求初定 12 V 对光圈、焦距和聚焦进行双方向的调整。为此我们也设计了相应的镜头三可变参数控制电路 ,如图 3 所示。图3.11 镜头控制电路当 控 制端 1 为低电平、控制端 2为 高 电 平时 , 光 耦4 N 35 ( 1) 导通 ,4 N 35 (2) 则 截 止 , 此时 Uout 输出 + 12 V ;当控制端 1 为高电平 , 控制端 2 为低电平 时 , 4 N 35 ( 2) 导 通 , 而4 N 35 (1) 截止 , 此时 Uout 输出 - 12 V 。单片机通过对两个控制端的正常控制 ,便可完成对镜头参数的双方向调整。3.7、步进电机驱动电路图3.12 步进电机驱动电路工作原理：1、 电压隔离接口 电压隔离接口用于把控制的低电压与驱动电机的高电压隔离开，也即将逻辑电路与模拟电路的电源分开，预防损坏单片机。电路中D1及D2用于隔离单片机的控制信号D3隔离步进电机驱动的反馈信号。2、点路的恒波斩流驱动原理 单片机输入低电平信号，则反向器T2 、T3 都同时输出低电平，光耦D1 D2的光敏三极管导通。T4 T5为达林顿反相驱动阵列，并在此时输出高电平，从而使前级推动管N1N2N3导通，进而使大功率管N4N5导通，电机绕组得电。由于回路阻抗值很小，电流迅速上升，直至采样电阻Rf上的压降达一定值使光耦D3 得发光二极管导通，从而使其光敏三极管的输出产生从高电平到低电平的跳变。这时与非门T2输出高电平D1截止，T4输出低电平，N1 N2 N3 截止，回路断电，是电机绕组中的电流又下降，从而使电机绕组中的电流恒定在额定值附近，实现恒波斩流驱动。 当斩波管截止时，电路有两个电流泻放回路。一个是V5 u 和地构成的续流回路，另一个是由N4 V6构成的，V3 V4 在电路中对大功率管起到反向电压保护作用。3 、采样电阻Rf的确定 电路的恒流额定值Im主要取决于采样电阻Rf值得大小。采样电阻上的压降Vf R12为光耦D3中发光二极管的压流电阻。光电耦合器的电流传输比受发光二极管工作电流If大小的影响，一般If在15mA左右时电流传输比最大，取R14=50.显然 uf=Im * Rf If=0.015=u14/R14=u14/50 所以 u14=0.75V 光耦发光二极管导通时压降为1.2V uf=u12+1.2=1.95V Rf=uf/Im=1.95/Im 这样由恒流值可算得Rf值第四章 软件设计4.1、程序流程图图4.1 程序了流程图系统的软件主要有两部分组成, 一部分是89C51 单片机与主机的通信软件, 另一部分是实现对云台镜头的控制软件. 89C51 单片机与主机的通信波特率为9 600 bits, 采用串口方式1, 字符格式为1 位起始位, 8 位数据位, 1 位停止位. 单片机采用串行口中断方式半双工进行接收。4.2、串口通信程序设计从根本上来讲单片机控制系统与计算机之间的通信就是串行通信，在Windows xp环境下无论以何种方式实现串行通信，一般的都可以划分为3个步骤：1）初始化通信端口 具体工作为操作系统申请通信端口资源，设置通信波特率以及配置通信格式（如起始位个数、数据位长度、停止位个数、校验方式等）。2）串口通信的读写操作 实现计算机发送和接收数据。3）关闭通信端口 在完成所有的串行通信操作后，将串行通信端口的资源归还给操作系统。在串行通信中，可以采用硬握手和软握手两种方式，目前教学常用的是软握手的三线制方式，亦即通常人们所说的“交叉技术”的TXD，RXD，信号地三条线并行通信。但是，在软握手方式中，对于采用BIOS调用的串行通信程序设计，必须对BIOS对串行通信的特殊的握手要求进行深入地研究，BIOS对握手信号的要求是：（1）调用初始化函数时不需要握手信号；（2）调用接收函数时要求DTR打开且RTS关闭；（3）调用发送函数时则要求DTR和RTS都打开，并等待其他设备来设置DTS和RTS，如果DTS和RTS没有变化，则在超时后退回。因此，在采用BIOS调用时，务必使串口工作于自握手方式，即将DSR与DRT短接成环路，RTS和CTS短接，否则不能进行正常串行通信。基于Windows环境的串行通信方法概括起来说有4种方式；（1）利用DLL动态链接库直接操作串行端口；（2）利用DDVT（动态分区虚拟表技术）来实现；（3）利用WIN32API接口函数实现；（4）对于RAD开发系统（如VB等），可利用ActiveX控件。四种方法各有特点。1、利用Win32API进行串行通信这种方式最大的优点是可实现多线程编程，从而可以实现用一个通信程序完成对多个串行通信口的通信。利用Win32API通信函数可以设计和开发出各种通信软件，可以根据自己的需要编写满足各种要求的通信程序，可以充分发挥Windows的特性，如实现多任务、多进程、多线程的工作方式等。进程是由CreateFile函数打开通信资源的句柄，当调用CreateFile打开通信资源句柄时，系统将上次打开资源时设置的数据初始化和配置资源，包括设备控制块DCB结构，设置和用于I/O操作中的超时值自动添加到系统中，如果设备从未打开过，那么它使用系统默认配置，要确定串行通信资源的初始配置，进程调用GetCommState函数，它用当前配置设定填充串行口的DCB结构，要修改此配置可以调用GetCommState函数中指定DCB结构。DCB结构成员指定如波特率，每字节数据位数的字节和停止位数的配置设定，其他DCB成员指定特殊字符并进行奇偶校验流程控制。当进程只需要修改一部分配置设定时，它首先应调用GetCommState用当前配置填充DCB结构，然后进程可以调整DCB结构中的重要之并通过调用GetCommState和指定修改过的DCB结构重新配置设备。BuildCommDCB函数提供修改DCB结构的另一种方法，BuildCommDCB使用与MS-DOS Mode命令行参数一样形式的字符串指定波特率，奇偶校验，停止位数和字符长度，DCB中的其他成员不能由此函数改变，只是适当的成员设置能使XON/XOFF和硬件流程控制无效。BuildCommDCB函数值修改DCB结构，它并不重新配置设备。2、利用MSComm通信控件进行串口通信VB6.0提供了MSComm通信控件为应用程序进行串行通信，该空间屏蔽通信过程中的底层操作。应用使用只需设置、监视MSComm通信控件属性和事件即可完成对串行口的初始化和数据的输入输出工作。这种方法是上面介绍的四种方中最容易实现，使用起来也是最方便的一种。MSComm通信控件的基本属性 正确的设置通信控件的属性是利用通信控件编程的关键。MSComm空间提供了很多属性，其中最主要的7个属性为：1） CommPort设置并返回串口序号。在设计时，可以根据使用那个串口设置从116的人和数。如：MSComm. CommPort=1，即设置当前通信端口为COM1。但是必须在打开端口之前设置CommPort属性。2）Settings设置并返回波特率、奇偶校验、数据位、停止位。格式为MSComm.Settings=String,String是一个包含四部分的字符串。第一部分为波特率；第二部分为奇偶校验，N表示不校验，E表示偶校验，O表示奇校验，S表示空格校验，M表示符号校验。第三部分为数据位数，其可选值为：1，1.6，2。Seting属性的缺省值为“9600，N，8，1”。3）PortOpen设置并返回通信端口的状态，也可以打开和关闭端口，设置PortOpen属性为True打开端口；设置为False关闭端口并清除接收和输出缓冲区。4）Input从接收缓冲区读取并删除字符，该属性在运行时为只读。5）InputLen设置并返回Input属性一次冲接收缓冲区读取字符数，缺省值是0。设置InputLen为0时，使用Input将使用MSComm控件读取接收缓冲区中的全部内容。6）Output向传送缓冲区写一个字符串，要传送的数据可以是文本数据或二进制数据。7）CommEvent返回最近的通信事件或错误。该属性在运行时为只读。只要有通信错误或通信事件发生时都会产生OnComm事件，CommEvent事件存有该错误或事件的数值代码。 通信方式1） 事件驱动方式 这是一种功能很强的处理串口通信方式，OnComm事件的触发可对串口的通信事件和错误进行处理。通过分别对每个CommEvent属性值进行编程就完成了对各个错误和事件的处理，可跟踪的事件及出错代码表如表1所示。表1 MSCOMM32控件的事件及出错代码设 置返加值说明ComEvSent1可以发送ComEvReceive2接收缓冲区中的字符数大于RthresholdComEvCTS3CTS发生变化ComEvDSR4DSR发生变化ComEvCD5CD发生变化ComEvRing6检测到振铃ConEvEOF7文件结束ComBreak1001收到终止信号ComCTSTO1002清除发送超时ComDSRTO1003数据等待超时ComFrame1004桢出错2）查询方式 通过检查CommEvent属性值来查询通信事件或错误的发生，并做出相应的处理。这种方式常用于应用程序较简单和相对独立的应用程序设计中。3、控制命令发送程序需要发送给单片机的数据为8个控制命令，可先将8个控制命令通过加权加法运算合成为一个八位二进制数据，这样就只需发送一个字节的二进制数据。值得注意的是，Output属性可以传输文本数据或二进制数据。发送二进制数据，必须传递一个包含字节数组的Variant到Output属性。Sub TranButton-Click（）/点击Trans按钮启动发送 Dim Transdata as Variant Transdate=Val（TextI.Text）/将文本数据转化为二进制数据 MSCommI.Output=Chr（Transdata）/二进制数据装入发送缓冲区，启动发送End Sub4、接收数据程序系统在每个周期内接收5个字节的二进制数据。第1个字节是状态信号量；第2、第3个字节时电压值；最后两个字节时电流值。VB6.0允许用户以查询或终端方式，进行串行通信，采用接收中断方式，每收到5个字节就响应OnComm事件，从接收缓冲区中取出数据并存入一个Byte型数组。对于数组的分析和处理可以放在用户子程序中，按照约定的通信规约进行处理。