机械设计中的嵌入式系统与控制

第２４卷第９期　２００７年９月　机　电　工　程　ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ＆ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＭＡＧＡＺＩＮＥ　Ｖｏ１．２４　ＮＯ．９　Ｓｅｐ．２００７　

开放式移动机器人嵌入式控制系统的设计与实现　

刘其峰，朱世强，刘松国，罗利佳　（浙江大学机械电子控制工程研究所，浙江杭州３１００２７）　

摘　要：为了解决封闭式移动机器人控制系统存在的诸多问题，提出并实现了一种基于３２位嵌入式系　

统的开放式移动机器人控制系统。开放式控制器集成了友好的人机界面、两种无线通讯接口和多种串　

行接口，通过串口与本体控制器通讯。系统软件采用嵌入式Ｉ￣Ｃ／ＧＵＩ、轻量级ＴＣＰ／ＩＰ协议栈ＬｗｌＰ和实　时多任务操作系统内核￣Ｃ／ＯＳ—ＩＩ，以多任务和多任务通讯机制管理移动机器人各应用功能模块。讨论　

了命令控制台和无线通讯等开放式应用方法。将提出的控制系统应用于吸尘机器人平台，实验表明，该　

系统具有良好的开放性，为功能扩展、多机协调、远程控制和人机混合控制提供了解决方案。　关键词：移动机器人；控制系统；开放式；多任务　

中图分类号：ＴＰ２４２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—４５５１（２００７）０９—００５６—０４　

Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｏｐｅｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｍｏｂｉｌｅ　ｒｏｂｏｔ　

ＬＩＵ　Ｑｉ—ｆｅｎｇ，ＺＨＵ　Ｓｈｉ—ｑｉａｎｇ，ＬＩＵ　Ｓｏｎｇ－ｇｕｏ，ＬＵＯ　Ｌｉ—ｊｉａ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３　１００２７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｏｖｅｒｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｉｎｈｅｒｅｎｔ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｉｎ　ｃｌｏｓｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｍｏｂｉｌｅ　ｒｏｂｏｔ，ａｎ　ｏｐｅｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　３２一ｂｉｔｓ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａｎｄ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｏｐｅｎ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｅｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｃｏｎ—　ｔｒｏｌｌｅｒ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ＵＡＲＴ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｓ　ｆｒｉｅｎｄｌｙ　ｕｓｅｒ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ｔｗｏ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　ｓｏｍｅ　ｓｅｒｉａｌ　ｐｏｒｔｓ．　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ＩｘＣ／ＧＵＩ，ｌｉｇｈｔ　ｗｅｉｇｈｔ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ＴＣＰ／ＩＰ　ｐｒｏｔｏｃｏｌ　ａｎｄ　ＩｘＣ／ＯＳ—ＩＩ，ｗｈｉｃｈ　ｐｏｓｓｅｓｓｅｄ　ａ　ｇｏｏｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｉｎ　ｒｅａｌ　ｔｉｍｅ　ａｎｄ　ｍｕｈｉｔａｓｋ，ｗｅｒｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ、ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉｔａｓｋ　ａｎｄ　ｍｕｈｉｔａｓｋ—ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｏｐｅｎ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｆｏｃｕｓｉｎｇ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｏｌｅ　ａｎｄ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ　ｃｌｅａｎｉｎｇ　ｒｏｂｏｔ　ｉｎｄｉｃａｔｅ　ｔｈａｔ，ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ａ　ｏｐｅｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ａｎｄ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ａ　ｇｏｏｄ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｆｏｒ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ｅｘｐａｎｄｉｎｇ，ｍｕｌｔｉ—ｒｏｂｏｔ　ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｎｇ，ｒｅｍｏｔｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ｍａｎ—ｍａｃｈｉｎｅ—ｂａｓｅｄ　ｈｙｂｒｉｄ　ｃｏｎｔｒｏ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｍｏｂｉｌｅ　ｒｏｂｏｔ；ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ；ｏｐｅｎ；ｍｕｌｔｉｔａｓｋ　

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基于嵌入式宠物智能喂食器控制系统的设计

作者：赵淑萍 朱振兴

来源：《科学与财富》2020年第18期

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摘 要：随着人们生活水平的逐步提高，越来越多的人选择在家养宠物，但同样很多人因为养宠物需要时时想着喂食。因此在自动化程度越来越繁荣的今日，我们考虑是否可以使用单片机结合一些外设实现喂食的自动化，这样能够大大减轻养宠物主人的工作量，也能避免一些特殊事情无法喂食的情况。基于以上种种情况，我做了本次设计。本设计是基于STM32的宠物喂食器，可以实现提前投放实物于储物盘内，通过矩阵键盘设定投喂转盘与投喂时间，当时间到达设定时间时，由语音模块发出信号吸引宠物进食。

关键词：STM32;定时;自动喂养;语音播报

1.引言

随着人们生活水平的不断提高，人们对情感精神生活的追求也越来越多。养宠物是很多家庭选择的方式。对于宠物的喂食和照顾，如今还是费时费力，但很多人由于学习与工作，时间并不充裕。当人们出差或外出旅游的时候，如何放心地照看宠物，成为了一大问题。

而本设计就是用于服务养宠物的家庭，使得他们不管是日常喂食还是外出游玩都能够更高效，更放心。而本篇论文主要从硬件方面介绍系统所包含的内容与原理说明。 龙源期刊网

2.系统整体设计

系统采用STM32F103C8T6为控制器，由矩阵按键、TFT显示模块、DS1302定时模块、语音模块、步进电机模块组成。系统整体结构框图如图2-1所示。

主要功能是矩阵按键设置完成喂食时间过后，达到设定时间，步进电机驱动转盘使其转到有食物的盘格，并发出语音，提示宠物进食。

3.硬件模块设计

3.1单片机选择

STM32F103C8T6单片机其内核是ARMCortex-M3，拥有高速存储器，最高工作频率为75MHZ，单片机运行速度更快。共有48个管脚，除了作为普通的IO口，还可复用[1]。同时还包含ADC模块，定时器模块，PWM输出模块，也包括常见的IIC、SPI、USART等协议接口。

嵌入式系统设计与应用

嵌入式系统是指在某种特定应用领域中快速、高效地完成某一指定任务的计算机系统。这种系统通常由特殊的硬件、软件和操作系统组成，因此与一般的计算机系统有所不同。嵌入式系统设计与应用已经在诸多领域中得到了广泛的应用，比如工业自动化、智能家居、安防监控等领域，成为现代生活中不可或缺的一部分。

一、嵌入式系统的基本特点

嵌入式系统的设计和应用有以下几个基本特点：

1.紧凑设计：由于嵌入式系统的应用场景通常有着特定的环境和特殊的需求，因此系统需要在性能、体积、功耗等方面做到最优化的平衡。这就要求嵌入式系统在设计过程中必须考虑到最小化系统资源占用的问题，以便在满足功能要求的同时，同时能够保证嵌入式系统的稳定性和可靠性。

2.高实时性：嵌入式系统的绝大部分应用都要求在短时间内完成特定的任务，比如在毫秒级内采集、处理和传输数据，这就要求系统软件必须有着高实时性的要求。这一点常常因为设计上的失误而导致系统故障。

3.节约功耗：嵌入式系统通常需要在低功耗条件下完成任务，因此需要在设计时充分考虑节能的要求。此外，硬件的可设计性也是嵌入式系统功耗得以优化的一个重要因素。 二、嵌入式系统的应用领域

1.工业自动化：嵌入式控制技术是现代工业自动化技术中不可或缺的一部分。通过精细的嵌入式系统设计，可以实现自动化设备的智能化控制、监测和管理。比如在冶金、电力、输变电等领域中，嵌入式系统已经广泛应用，可以有效地提高生产效率、降低成本、提高产品质量。

2.智能家居：智能家居系统是指通过控制系统、感知系统、联网系统及可视化界面，实现智能化家居设备控制、环境监测、安防监控等多个功能的系统。嵌入式芯片作为其核心技术之一，使得智能家居得以实现远程遥控、联网互动，实现更便利、智能的生活。

3.安防监控：嵌入式技术在安防监控领域中也发挥了重要的作用，不仅可以实现视频图像的高清晰度显示和编解码，还可以进行自动控制、远程操作、智能分析、数据存储等功能。这些功能大大提高了安防监控的效率和可靠性，保障了人民的生命和财产安全。

摘 要

嵌入式系统开始于20世纪80年代单片机的使用。嵌入式技术已经渗透到各个领域，且与人们的日常生活密不可分，给人们生活和工业生产带来极大方便。

本文论述了嵌入式系统概念、嵌入式处理器、嵌入操作系统和嵌入软件开发环境，解释了嵌入式系统组成中的各个部分。

嵌入式操作系统具有良好的可移植性，能够用在根据应用要求选择的微处理器中。嵌入式系统设计带来了与传统系统设计全然不同的挑战。

嵌入式系统已成为计算机领域的一个重要组成部分。广泛讲，凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统。嵌入式系统可以通过各种无线形式和有线形式的网络连接方式实现它们之间的相互连接。因此，在网络通信市场上极具生命力。

关键词 嵌入式系统，嵌入式操作系统，μC/OS-Ⅱ

ABSTRACT

The Embedded system commenced with the use of SCM in 1980’s. The

embedded technology has penetrated in every field. It’s inseparable with

our daily life and it brings great convenience to people’s life and the

industry.

This paper discusses the concept of the embedded system, the

embedded processor, the embedded operating system and the embedded

software developing environment, explains the components of the

embedded system.

The embedded system has great compatibility. It can be used in