環(huán)境信息采集智能小車發(fā)展的硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u8479第1章硬件設(shè)計(jì) 1298771.2藍(lán)牙無線遙控模塊設(shè)計(jì) 2254761.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì) 2228641.4信息采集模塊的設(shè)計(jì) 4298131.5紅外避障功能模塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 491731.6吸塵清掃模塊的設(shè)計(jì) 528664第2章軟件設(shè)計(jì) 699152.1KeilC51開發(fā)平臺(tái)介紹 6294722.2系統(tǒng)循跡功能的實(shí)現(xiàn) 6136522.3紅外避障功能實(shí)現(xiàn) 7195232.4藍(lán)牙功能實(shí)現(xiàn) 8第1章硬件設(shè)計(jì)1.1主控芯片芯片雖然是一個(gè)新興產(chǎn)品，但是它的發(fā)展十分迅速。根據(jù)前文所述，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)沙漠智能小車要使用的主控芯片是STC89C52RC，它是STC公司在傳統(tǒng)8051單片機(jī)基礎(chǔ)上更新的一種功率損耗低、速度快、抗干擾能力強(qiáng)的單片機(jī)，它具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。在原有基礎(chǔ)上新加入了許多功能，例如EEPROM功能。其工作頻率范圍是0~40MHz，相當(dāng)于普通8051單片機(jī)的兩倍。STC89C52RC系統(tǒng)電路圖如圖1.1所示，STC89C52RC實(shí)物圖如圖1.2所示。圖1.1STC89C52RC系統(tǒng)電路圖圖1.2STC89C52RC實(shí)物圖1.2藍(lán)牙無線遙控模塊設(shè)計(jì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的無線遙控模塊采用的是Android藍(lán)牙技術(shù)對(duì)智能小車進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控的。安卓系統(tǒng)應(yīng)用多年，簡(jiǎn)單好用，能夠滿足支持手機(jī)APP藍(lán)牙串口的設(shè)計(jì)，并且系統(tǒng)會(huì)留存用來實(shí)現(xiàn)設(shè)置藍(lán)牙通信的開關(guān)、搜索連接設(shè)備等相應(yīng)功能的接口函數(shù)。本次設(shè)計(jì)所使用的HC-05藍(lán)牙模塊實(shí)物圖如圖1.3所示。圖1.3HC-05藍(lán)牙模塊圖1.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)單片機(jī)的IO口輸出的電壓較小，無法帶動(dòng)吸塵機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等較大功率的元器件，所以要另外引入一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)來控制小車的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)前文所選擇的那樣，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)將采用L298N作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，它擁有四個(gè)驅(qū)動(dòng)輸出口，主要優(yōu)勢(shì)在于可以進(jìn)行內(nèi)部穩(wěn)壓，不管外界的輸入電壓如何，電機(jī)內(nèi)部始終會(huì)穩(wěn)壓到5V左右，再將穩(wěn)壓后的電壓輸出驅(qū)動(dòng)其他模塊設(shè)備。相當(dāng)適合于慢速或勻速的智能小車驅(qū)動(dòng)。以下為驅(qū)動(dòng)模塊芯片相關(guān)引腳圖，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路圖，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊安裝實(shí)物圖，如圖1.4、1.5、1.6所示：圖1.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的芯片引腳圖圖1.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電路原理圖圖1.6電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊安裝實(shí)物圖1.4信息采集模塊的設(shè)計(jì)DHT11數(shù)字溫濕度傳感器和光強(qiáng)傳感器是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)環(huán)境信息采集模塊需要使用到的信息傳感器。DHT11是一款非單一型傳感器，DHT11內(nèi)部具有的數(shù)字信號(hào)專用于將數(shù)字模塊收集到的信息以數(shù)字信號(hào)的形式輸出，該產(chǎn)品在惡劣的環(huán)境中也能準(zhǔn)確測(cè)量信息。該傳感器中的感濕器件和測(cè)溫器件與8位單片機(jī)相連接。因此該元器件優(yōu)勢(shì)在于穩(wěn)定性強(qiáng)、抵抗外界環(huán)境干擾能力高、性價(jià)比高。每個(gè)DHT11傳感器在廠家出口時(shí)后都要進(jìn)行專業(yè)的濕度性能指標(biāo)能力測(cè)試。而且其體積較小、耗能小，接收信號(hào)傳輸距離范圍在20米以內(nèi)，該產(chǎn)品為4針單排引腳封裝。DHT11數(shù)字溫濕度傳感器和光強(qiáng)傳感器的示意圖如圖1.7所示。圖1.7DHT11數(shù)字溫濕度傳感器和光強(qiáng)傳感器1.5紅外避障功能模塊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)前文所述，本次設(shè)計(jì)的沙漠智能監(jiān)測(cè)小車上所安裝的避障手段采用紅外避障方式，所要用到的器件是E18-D80NK光電傳感器。這種傳感器采用漫反射光的形式進(jìn)行光電傳播，對(duì)前方不間斷的一邊發(fā)射一邊接收，比傳統(tǒng)的紅外避障所探測(cè)的范圍更大，但也犧牲了少量靈敏度。這種傳感器的避障范圍可以根據(jù)設(shè)備要求對(duì)傳感器進(jìn)行人工手動(dòng)調(diào)節(jié)，但較為有效的調(diào)節(jié)距離一般為80厘米以內(nèi)，該傳感器優(yōu)勢(shì)為硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝容易，不會(huì)影響其他電子元器件的輸出。E18-D80NK光電傳感器及其電路原理圖如圖1.8所示。圖1.8E18-D80NK光電傳感器及其電路原理圖1.6吸塵清掃模塊的設(shè)計(jì)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的沙漠智能監(jiān)測(cè)小車所在監(jiān)測(cè)環(huán)境大多為戈壁沙漠地區(qū)，故吸塵模塊只是一個(gè)附加模塊，其原理主要是利用吸塵電機(jī)帶動(dòng)扇葉反向高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生較大吸力，從而以氣流的形式帶動(dòng)塵土達(dá)到吸塵的最終目的。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的吸塵模塊中，吸塵器機(jī)單獨(dú)配置的電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)的情況下，將從智能小車底座附近的吸入口吸入空氣，使得吸塵容器中壓強(qiáng)降低，從而產(chǎn)生一定的真空，而塵埃則通過吸塵器的吸塵口進(jìn)入吸塵容納器中。本次設(shè)計(jì)為了擴(kuò)大吸附面積，在小車底座吸塵口處特地安裝一個(gè)吸盤，能較好地吸塵。具體的實(shí)際效果圖如圖1.9所示。圖1.9吸塵清掃模塊第2章軟件設(shè)計(jì)2.1KeilC51開發(fā)平臺(tái)介紹Keiluvision是目前使用較多的單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)。Keiluvision開發(fā)軟件為開發(fā)者提供了大量的數(shù)據(jù)和功能齊全有效的集成開發(fā)調(diào)試工具。它支持所有主流的微控制器芯片的開發(fā)，從8位的MCS51到32位的ARM；C語言編程和匯編語言編程都可進(jìn)行編程。編譯器效率較高，很多語句生成匯編代碼后十分緊湊，容易被人們理解，便于新人學(xué)習(xí)；在安裝軟件時(shí)，它對(duì)系統(tǒng)要求很低，一般的電腦系統(tǒng)都可以支持。它的軟件調(diào)試功能十分強(qiáng)大，可利用軟件仿真功能調(diào)試程序。人機(jī)界面友好，容易上手，是開發(fā)者使用的必備工具。若是單片機(jī)已經(jīng)在電路板上焊接完成，這種情況下，可以不用取下放到直接編程器上編程即可，通過單片機(jī)的串行口將程序代碼燒錄到FLASH存儲(chǔ)器中完成燒錄，如果不小心程序?qū)戝e(cuò)也可以進(jìn)行多次修改并進(jìn)行調(diào)試。2.2系統(tǒng)循跡功能的實(shí)現(xiàn)紅外循跡是智能小車的基本功能，在實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境平面上粘貼寬約1.5cm的黑色膠帶，設(shè)置一定程度的彎道，總長(zhǎng)設(shè)為4-5米。將智能小車放在起點(diǎn)處開始，黑色膠帶與沙漠智能監(jiān)測(cè)小車前方的循跡傳感器中心線平行，要求小車沿黑色膠帶勻速行駛，在拐彎時(shí)慢速直至終點(diǎn)處結(jié)束調(diào)試。紅外循跡主要就是保證沙漠智能監(jiān)測(cè)小車能夠沿黑色膠帶中心線勻速行駛，小車前置的循跡傳感器的距離和黑膠帶寬度是如何進(jìn)行編寫算法的重要原因，一般有兩種解決方案。當(dāng)傳感器距離比黑線寬度小，說明小車與黑膠帶平行行駛，則不用調(diào)整方向；當(dāng)一邊檢測(cè)不到黑膠帶時(shí)說明小車已經(jīng)偏離黑膠帶，則要朝另一邊轉(zhuǎn)彎;當(dāng)傳感器距離比黑線寬度大，則智能小車前方安裝的循跡傳感器均應(yīng)檢測(cè)不到黑色膠帶，這種情況說明智能小車與黑色膠帶平行行駛，則繼續(xù)沿直線前進(jìn)，而當(dāng)循跡傳感器一邊檢測(cè)到黑線則說明智能小車已經(jīng)與黑色膠帶偏離行駛，就要朝這邊轉(zhuǎn)彎。本程序針對(duì)后一種情況編程。在沙漠智能監(jiān)測(cè)小車的軟件設(shè)計(jì)中，調(diào)用主程序?qū)ρE功能進(jìn)行檢測(cè)。完成后在智能小車總開關(guān)后打開Mode1進(jìn)入循跡模式后，可直接進(jìn)行調(diào)用循跡函數(shù)。從而實(shí)現(xiàn)沙漠智能監(jiān)測(cè)小車的循跡功能。通過函數(shù)算法實(shí)時(shí)判斷小車與黑色膠帶之間的相對(duì)位置信息，看智能小車是否已跑出黑色膠帶范圍從而自動(dòng)調(diào)整小車的行駛方向。沙漠智能監(jiān)測(cè)小車的循跡功能實(shí)現(xiàn)的流程圖如圖2.2所示。初始化初始化偏離黑線偏離黑線前進(jìn)哪邊有輸入前進(jìn)哪邊有輸入左轉(zhuǎn)彎右轉(zhuǎn)彎后退左轉(zhuǎn)彎右轉(zhuǎn)彎后退圖2.2無線遙控小車的循跡功能實(shí)現(xiàn)流程2.3紅外避障功能實(shí)現(xiàn)避障程序的結(jié)構(gòu)與循跡程序大體類似，通過調(diào)用沙漠智能監(jiān)測(cè)小車主程序中的防撞程序完成智能小車的避障功能。當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到在前方有障礙物的時(shí)候，智能小車內(nèi)部的避障程序會(huì)通過調(diào)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊函數(shù)來控制沙漠智能監(jiān)測(cè)小車的運(yùn)行方向，向左或向右或后退進(jìn)而控制智能小車的運(yùn)行軌跡。避障功能模塊的流程圖如圖2.3所示。開始開始初始化初始化前方有障礙前方有障礙否是轉(zhuǎn)彎前進(jìn)轉(zhuǎn)彎前進(jìn)結(jié)束結(jié)束圖2.3無線遙控小車的避障功能流程圖2.4藍(lán)牙功能實(shí)現(xiàn)手機(jī)設(shè)置打開藍(lán)牙，搜索智能小車所屬編號(hào)與手機(jī)進(jìn)行配對(duì)，連接完成后則可通過手機(jī)對(duì)智能小車直接控制完成一系