单片机的变电站巡检机器人设计硬件部分(附件)
本文研究的是基于单片机的变电站巡检机器人，主要是进行相应的硬件设计，设计包括STC89C52单片机模块、稳压电源模块、红外避障检测模块、超声波避障检测模块、红外循迹检测模块、电压比较模块、电机驱动模块、电机模块、检测提示补充模块、蓝牙串口模块。本文所设计的巡检机器人带有避障和循迹两个基础功能，其中红外避障和超声波避障各有优缺点，将两者进行取长补短，可以达到最好的避障效果；该巡检机器人还通过蓝牙串口模块，以手机为上位机，巡检机器人作为下位机，操作者可以运用手机对巡检机器人远程控制以及避障、循迹切换。此外，为了丰富巡检机器人性能，巡检机器人还加入温度检测功能，当其检测温度达到临界时，启动蜂鸣器报警。关键词 机器人，STC89C52芯片，PWM技术，Proteus仿真
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的研究背景与意义 1
1.2 国内外变电站巡检机器人发展现状 1
1.3 研究内容及工作安排 3
2 巡检机器人系统结构及循迹控制方法 3
2.1 巡检机器人系统结构设计 3
2.2 巡检机器人循迹控制方法及PWM技术 5
3 巡检机器人硬件设计 6
3.1 STC89C52单片机模块 6
3.2 稳压电源模块 8
3.3 红外避障检测模块 9
3.4 超声波避障检测模块及舵机 11
3.5 红外循迹检测模块 15
3.6 电压比较模块（包括避障检测模块同循迹检测模块的整合） 16
3.7 电机驱动模块与电机模块 19
3.8 检测提示补充模块 21
3.9 蓝牙串口模块 23
4 硬件调试 24
4.1 电源测试 25
4.2 避障、循迹检测灵敏度调试 25
4.3 蓝牙串口调试 26
结论 28
致谢 29
参考文献 30
附录 巡检机器人硬件连接图 31
1 绪论
本论文研究内容为基于单片机的变电站巡检机器人设计的硬件部分。巡检机器人配有循迹 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
、避障两个基础功能；该巡检机器人还通过蓝牙串口模块，以手机为上位机，巡检机器人作为下位机，操作者可以运用手机对巡检机器人远程控制以及避障、循迹切换。此外，为了丰富巡检机器人性能，巡检机器人还加入温度检测功能，当其检测温度达到临界时，启动蜂鸣器报警。
1.1 课题的研究背景与意义
当前之中国已经步入了信息时代，对电力系统及其质量的要求日趋增高。电力系统已然关系到国计民生，并与社会的经济发展和繁荣紧密联结。作为电力保障的守门员，定期的变电站巡检在电力行业中开始成为其中的一个关键点。变电站巡检工作是随着变电站的发展而发展的，在早期，变电站所要记录的数据有限，且规模相较于现在要小得多，因此通过人工可以基本满足巡检要求。那时候巡检人员人手一本纸质标准巡视作业手册，对一些变电站仪表读书进行抄录并分析，如果排查出来有一些安全隐患，巡检人员才会叫来维修工人对其进行维修，整个过程周期较长，如果出现了一些突如其来的变故，很可能会对变电站安全形成威胁。
其中安全漏洞多多，甚至可以说传统人工巡检本身就是火电站维护的一大安全隐患。新世纪以来，电力系统的发展一日千里，巡检工作本身也该与时俱进，智能巡检机器人的引入以及相关巡检工作工程的日益完善大大提高了巡检质量，并且降低了人工成本；智能巡检机器人既具有人工排查的灵活智能性，又通过替代传统人工排查的智能巡检方式克服了传统巡检方式中巡检效率低下，数据不能实时上传、不能有效分析，时常出现漏检错检等人为因素引起的工作纰漏，另外在夜检、极端天气排查等方面智能巡检机器人更是拥有人工难以达到的优势。
1.2 国内外变电站巡检机器人发展现状
近年来，国家电网对变电站巡检机器人的投入逐步加大，经过大量推广工作以及技术攻克创新，国内变电站巡检机器人的产量及市场都有增长进步。据报道，2015年国内变电站巡检机器人产量为240台，国内市场需求量为236台，需求规模为1.58亿元，其实可以说是一个不俗的成绩；但自2016年以来，总体规模都得到大幅度攀升，2017年我国国内变电站巡检机器人产量更是高达806台，国内市场规模更是上升至5.17亿元，发展喜人，前景广阔。
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?图1.1 近年来我国变电站设备巡检机器人供需及市场规模统计
今年年初，中国通号研究设计院集团参与研发的铁路牵引变电站智能巡检机器人投入试运行，如图1.2，巡检机器人的行径路线周围白雪皑皑，如果按照传统的人工变电站巡检，像在这种极端环境下，工人可能在巡检过程中摔倒。而该巡检机器人准确自主规划巡检路线，并不受天气影响，在变电站部分代替人工进行巡检工作，进行有效、安全检查。据报道，该变电站巡检机器人可本领不小：不仅能识别变电站设备仪表的读数、温度、外观状态等信息后进行记录并上传数据，还能对异常数据在后台报警，对故障设备反复监测，做到万无一失，为铁路牵引变电站安全再加一层保障。此外，该变电站巡检机器人能24小时随时进行巡检工作，省去了人工加值夜班的烦恼，不会疲劳，时刻高效完成日常巡检工作[1]。
图1.2 铁路牵引变电站智能巡检机器人
放眼全球，在上世纪90年代，国际上的巡检机器人就有较为显眼的发展，2002年后发展更为瞩目，目前发展潜力巨大，多国将其列入前瞻产业。就专利申请以及市场前景方面进行分析，国际上尤以日本为该行业巨头。可见，尽管中国尽管在近期内发展不错，和邻国日本还是有相当大的距离。
1.3 研究内容及工作安排
本论文研究的变电站巡检机器人主要是利用单片机来分析处理传感器模块接收到的信息，以达到白线循迹、红外避障、超声波避障、温度报警功能，同时可以通过手机来对巡检机器人进行手动控制以及循迹、避障切换。
本巡检机器人需要解决的问题包括：
（1）根据机器人巡检控制原理制定机器人总体硬件设计方案。
（2）在硬件设计方案基础上具体选择器件并制定模块控制方案。
（3）运用Keil软件进行C语言软件编程，对每个模块进行整合。
（4）在进行传感器误差校准、蓝牙连接调试后，最后完成试验。
2 巡检机器人系统结构及循迹控制方法
2.1 巡检机器人系统结构设计
目 录
1 绪论 1
1.1 课题的研究背景与意义 1
1.2 国内外变电站巡检机器人发展现状 1
1.3 研究内容及工作安排 3
2 巡检机器人系统结构及循迹控制方法 3
2.1 巡检机器人系统结构设计 3
2.2 巡检机器人循迹控制方法及PWM技术 5
3 巡检机器人硬件设计 6
3.1 STC89C52单片机模块 6
3.2 稳压电源模块 8
3.3 红外避障检测模块 9
3.4 超声波避障检测模块及舵机 11
3.5 红外循迹检测模块 15
3.6 电压比较模块（包括避障检测模块同循迹检测模块的整合） 16
3.7 电机驱动模块与电机模块 19
3.8 检测提示补充模块 21
3.9 蓝牙串口模块 23
4 硬件调试 24
4.1 电源测试 25
4.2 避障、循迹检测灵敏度调试 25
4.3 蓝牙串口调试 26
结论 28
致谢 29
参考文献 30
附录 巡检机器人硬件连接图 31
1 绪论
本论文研究内容为基于单片机的变电站巡检机器人设计的硬件部分。巡检机器人配有循迹 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
、避障两个基础功能；该巡检机器人还通过蓝牙串口模块，以手机为上位机，巡检机器人作为下位机，操作者可以运用手机对巡检机器人远程控制以及避障、循迹切换。此外，为了丰富巡检机器人性能，巡检机器人还加入温度检测功能，当其检测温度达到临界时，启动蜂鸣器报警。
1.1 课题的研究背景与意义
当前之中国已经步入了信息时代，对电力系统及其质量的要求日趋增高。电力系统已然关系到国计民生，并与社会的经济发展和繁荣紧密联结。作为电力保障的守门员，定期的变电站巡检在电力行业中开始成为其中的一个关键点。变电站巡检工作是随着变电站的发展而发展的，在早期，变电站所要记录的数据有限，且规模相较于现在要小得多，因此通过人工可以基本满足巡检要求。那时候巡检人员人手一本纸质标准巡视作业手册，对一些变电站仪表读书进行抄录并分析，如果排查出来有一些安全隐患，巡检人员才会叫来维修工人对其进行维修，整个过程周期较长，如果出现了一些突如其来的变故，很可能会对变电站安全形成威胁。
其中安全漏洞多多，甚至可以说传统人工巡检本身就是火电站维护的一大安全隐患。新世纪以来，电力系统的发展一日千里，巡检工作本身也该与时俱进，智能巡检机器人的引入以及相关巡检工作工程的日益完善大大提高了巡检质量，并且降低了人工成本；智能巡检机器人既具有人工排查的灵活智能性，又通过替代传统人工排查的智能巡检方式克服了传统巡检方式中巡检效率低下，数据不能实时上传、不能有效分析，时常出现漏检错检等人为因素引起的工作纰漏，另外在夜检、极端天气排查等方面智能巡检机器人更是拥有人工难以达到的优势。
1.2 国内外变电站巡检机器人发展现状
近年来，国家电网对变电站巡检机器人的投入逐步加大，经过大量推广工作以及技术攻克创新，国内变电站巡检机器人的产量及市场都有增长进步。据报道，2015年国内变电站巡检机器人产量为240台，国内市场需求量为236台，需求规模为1.58亿元，其实可以说是一个不俗的成绩；但自2016年以来，总体规模都得到大幅度攀升，2017年我国国内变电站巡检机器人产量更是高达806台，国内市场规模更是上升至5.17亿元，发展喜人，前景广阔。
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?图1.1 近年来我国变电站设备巡检机器人供需及市场规模统计
今年年初，中国通号研究设计院集团参与研发的铁路牵引变电站智能巡检机器人投入试运行，如图1.2，巡检机器人的行径路线周围白雪皑皑，如果按照传统的人工变电站巡检，像在这种极端环境下，工人可能在巡检过程中摔倒。而该巡检机器人准确自主规划巡检路线，并不受天气影响，在变电站部分代替人工进行巡检工作，进行有效、安全检查。据报道，该变电站巡检机器人可本领不小：不仅能识别变电站设备仪表的读数、温度、外观状态等信息后进行记录并上传数据，还能对异常数据在后台报警，对故障设备反复监测，做到万无一失，为铁路牵引变电站安全再加一层保障。此外，该变电站巡检机器人能24小时随时进行巡检工作，省去了人工加值夜班的烦恼，不会疲劳，时刻高效完成日常巡检工作[1]。
图1.2 铁路牵引变电站智能巡检机器人
放眼全球，在上世纪90年代，国际上的巡检机器人就有较为显眼的发展，2002年后发展更为瞩目，目前发展潜力巨大，多国将其列入前瞻产业。就专利申请以及市场前景方面进行分析，国际上尤以日本为该行业巨头。可见，尽管中国尽管在近期内发展不错，和邻国日本还是有相当大的距离。
1.3 研究内容及工作安排
本论文研究的变电站巡检机器人主要是利用单片机来分析处理传感器模块接收到的信息，以达到白线循迹、红外避障、超声波避障、温度报警功能，同时可以通过手机来对巡检机器人进行手动控制以及循迹、避障切换。
本巡检机器人需要解决的问题包括：
（1）根据机器人巡检控制原理制定机器人总体硬件设计方案。
（2）在硬件设计方案基础上具体选择器件并制定模块控制方案。
（3）运用Keil软件进行C语言软件编程，对每个模块进行整合。
（4）在进行传感器误差校准、蓝牙连接调试后，最后完成试验。
2 巡检机器人系统结构及循迹控制方法
2.1 巡检机器人系统结构设计
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