基于STC 單片機(jī)智能探測(cè)機(jī)器車的設(shè)計(jì)

劉永鋒

(山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，山西 太原 030006)

本文來(lái)源于全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽，任務(wù)要求制作一臺(tái)智能探測(cè)機(jī)器車，能實(shí)現(xiàn)在特定軌道上行駛一周，在設(shè)定的任務(wù)點(diǎn)精準(zhǔn)停車，完成超聲波測(cè)距，溫濕度測(cè)量，顏色識(shí)別，360°轉(zhuǎn)身等任務(wù)，同時(shí)要求將測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線通信的方式傳輸?shù)搅硗庖慌_(tái)設(shè)備上，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示［1］。在原有任務(wù)的基礎(chǔ)上新增轉(zhuǎn)向燈，模擬真實(shí)汽車行走狀態(tài)，左轉(zhuǎn)時(shí)左前和左后轉(zhuǎn)向燈亮，右轉(zhuǎn)時(shí)右前和右后轉(zhuǎn)向燈亮，遇到黑線時(shí)燈全亮。每次任務(wù)完成會(huì)有蜂鳴器提示，同時(shí)在液晶顯示系統(tǒng)有任務(wù)完成的語(yǔ)音提示。

圖1 智能小車行駛軌跡及任務(wù)示意圖

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要有兩大部分構(gòu)成:智能探測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。主控芯片是智能小車智能探測(cè)系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的核心，小車的控制、探測(cè)、數(shù)據(jù)發(fā)送、接收都是通過(guò)主控芯片連接外圍電路實(shí)現(xiàn)智能探測(cè)車的各系統(tǒng)功能。采用的是宏晶科技生產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)單片機(jī)IAP15F2K61S2，此款芯片具有高速、高可靠、低功耗、超強(qiáng)干擾等優(yōu)點(diǎn)，能夠完全支持智能探測(cè)車實(shí)現(xiàn)任務(wù)要求的所有功能［2］。

1.2 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)總體框圖由智能探測(cè)系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。

1.2.1 智能探測(cè)系統(tǒng)

智能探測(cè)系統(tǒng)由核心板和任務(wù)版兩部分組成。核心板主要部分是IAP15F2K61S2 芯片、電壓轉(zhuǎn)換模塊、藍(lán)牙發(fā)送模塊以及外設(shè)和驅(qū)動(dòng)電路。任務(wù)板主要包括波模塊、顏色識(shí)別、溫濕度模塊等電路，如圖2 所示。

圖2 智能探測(cè)系統(tǒng)框圖

1.2.2 接收系統(tǒng)

接收系統(tǒng)主要由IAP15F2K61S2 芯片，語(yǔ)音模塊、LCD12864 顯示模塊，藍(lán)牙接收模塊組成，如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)

1.3 軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)同樣分為智能探測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)兩個(gè)部分。智能探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖4 所示。數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)流程圖略。

圖4 智能探測(cè)系統(tǒng)程序流程圖

2 理論分析與計(jì)算

2.1 循跡電路分析

循跡電路采用8 路紅外對(duì)管進(jìn)行循跡線、定位點(diǎn)、轉(zhuǎn)身區(qū)、起點(diǎn)終點(diǎn)線進(jìn)行循，循跡燈順序從左到右是0 到7 八個(gè)紅外對(duì)管，紅外對(duì)管照在黑線輸出高電平，遇到全黑(2 cm)時(shí)全滅;照到白色部分輸出低電平，遇到全白部分時(shí)全亮。

當(dāng)紅外對(duì)管4、5 遇到黑線時(shí)，全速前進(jìn)，當(dāng)循跡是其他對(duì)管，都要進(jìn)行不同程度的微調(diào)(向左或向右)，越靠近兩邊，調(diào)的幅度越大。小車電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片是L298N，該芯片內(nèi)部是H 橋電路，可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。小車驅(qū)動(dòng)板的PWM 驅(qū)動(dòng)是實(shí)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向的必要條件，通過(guò)PWM 控制小車的速度，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

2.2 精確定位和360 度轉(zhuǎn)身模塊分析與計(jì)算

小車精確定位中，需要實(shí)現(xiàn)90°、360°轉(zhuǎn)身，小車是通過(guò)光電碼盤(pán)實(shí)現(xiàn)小車的精確定位和轉(zhuǎn)身。根據(jù)小車旋轉(zhuǎn)一周碼盤(pán)計(jì)數(shù)值與實(shí)際測(cè)量相結(jié)合進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)360°精確轉(zhuǎn)身。

2.3 溫度、濕度檢測(cè)模塊分析

任務(wù)中要完成定點(diǎn)1 的溫度檢測(cè)和定點(diǎn)4 的濕度檢測(cè)，這里使用的是DHT11 溫濕度傳感器。此模塊的傳感器有VCC、DATA、NC、GND 四個(gè)管腳，NC 是懸空狀態(tài)，這里將NC和VCC 連接在一起，DHT 和核心板上的P1.3 連接，GND 引腳接地。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度的檢測(cè)，然后將檢測(cè)到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)［3］。然后送到單片機(jī)進(jìn)行分析處理，從而得到定位點(diǎn)1 的溫度值和定位點(diǎn)4 的濕度值。

2.4 超聲波檢測(cè)模塊分析

定位點(diǎn)2 要完成超聲波對(duì)距離進(jìn)行檢測(cè)，我們利用ICL7555 振蕩產(chǎn)生一個(gè)40 kHz 的方波信號(hào)發(fā)射，然后通過(guò)CX20106 芯片處理信號(hào)接收。當(dāng)CX20106 芯片1 管腳超聲波信號(hào)輸入端接收到40 kHz 的信號(hào)時(shí)，會(huì)在第7 管腳遙控命令輸出端產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖，這個(gè)信號(hào)可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號(hào)輸入，用于計(jì)算時(shí)間差。通過(guò)單片機(jī)來(lái)計(jì)算發(fā)射信號(hào)到收到信號(hào)時(shí)產(chǎn)生下降沿的這段時(shí)間的長(zhǎng)度，再通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，轉(zhuǎn)化為距離，顯示在液晶顯示器上。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

3.1 溫度、濕度數(shù)據(jù)采集

測(cè)試條件是:在定位點(diǎn)1 一側(cè)，放置圓柱形容器直徑6 cm，高度25 cm，內(nèi)裝液體水，用于調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，對(duì)溫度進(jìn)行采集，測(cè)試結(jié)果與溫度計(jì)比較如表1 所示。在定位點(diǎn)4 一側(cè)，放置一個(gè)加濕器，加濕器可前后移動(dòng)10 cm～30 cm，用于調(diào)節(jié)環(huán)境濕度，并對(duì)溫度進(jìn)行采集，測(cè)試結(jié)果和濕度計(jì)比較如表2 所示。

表1 溫度數(shù)據(jù)分析表

表2 濕度數(shù)據(jù)分析

3.2 超聲波測(cè)距數(shù)據(jù)采集

測(cè)試條件:在定位點(diǎn)2 處放置長(zhǎng)方體尺寸長(zhǎng)度20 cm，高度25 cm，2 cm 左右，長(zhǎng)方體可前后移動(dòng)10 cm～20 cm，測(cè)試結(jié)果與卷尺測(cè)量結(jié)果比較結(jié)果如表3 所示。

表3 距離數(shù)據(jù)分析表

4 小結(jié)

通過(guò)多次的模塊單獨(dú)調(diào)試和整體軟硬件結(jié)合調(diào)試，不斷地對(duì)系統(tǒng)、程序進(jìn)行優(yōu)化，小車能比較流暢的沿著黑線循跡，完成4 個(gè)定位點(diǎn)的精確定位，并在轉(zhuǎn)身區(qū)內(nèi)完成360°轉(zhuǎn)身;完成溫濕度、超聲波、顏色等數(shù)據(jù)采集及顯示，并通過(guò)藍(lán)牙串口通信實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送，上位機(jī)無(wú)線接收數(shù)據(jù)，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和語(yǔ)音播報(bào)。

［1］全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì).2011 年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選編［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2012.

［2］阿莫電子論壇http://www.amobbs.com/index.php

［3］王靜霞.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)(C 語(yǔ)言版)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.