基于Android手機(jī)控制的智能小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邢靜+龔啟智+李春梅

摘 要：該設(shè)計(jì)以小車為控制對(duì)象，以Android手機(jī)APP為控制平臺(tái)，通過藍(lán)牙通信協(xié)議，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制，其中移動(dòng)小車由控制器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，藍(lán)牙通信模塊等硬件電路組成，手機(jī)APP以基于Android系統(tǒng)的APP Inventor在線平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)；該系統(tǒng)通過軟硬件調(diào)試結(jié)果表明：小車可以接收手機(jī)APP的遙控信號(hào)并實(shí)時(shí)響應(yīng)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)或停止命令，而且還有避障功能，為未來智能控制提供了一定的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：Android 手機(jī)APP 藍(lán)牙通信 智能小車

中圖分類號(hào)：TP242.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）02（c）-0027-02

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速崛起，手機(jī)客戶端應(yīng)用軟件（Application，簡稱APP）為代表的智能終端應(yīng)用的快速普及，給人們的工作和生活帶來了更多的便捷，也加快了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展步伐[1]。Android系統(tǒng)作為手機(jī)的主流操作系統(tǒng)，由于其操作性和開源性，為手機(jī)應(yīng)用程序控制系統(tǒng)的開發(fā)提供了很大的優(yōu)勢，并將各類控制系統(tǒng)融為一體提供了可能[2]。該文以Android手機(jī)應(yīng)用程序APP為客戶端，借助藍(lán)牙無線通信技術(shù)，移動(dòng)小車作為服務(wù)器端接收手機(jī)的控制信號(hào)并驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)靈活做出命令動(dòng)作，小車遇到前方障礙物時(shí)，自動(dòng)測量離障礙物的距離，并將實(shí)時(shí)距離值上傳手機(jī)APP顯示，當(dāng)和障礙物的距離達(dá)到一定值時(shí)小車停車等待指令，具有自動(dòng)避障功能。該設(shè)計(jì)為智能控制方式提供一種新的設(shè)計(jì)思路。

1 總體方案設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)主要由小車和手機(jī)控制平臺(tái)組成，小車由控制器部分，直流電機(jī)模塊，超聲波測距模塊，藍(lán)牙通信模塊，電源模塊及相應(yīng)的硬件電路組成，手機(jī)控制平臺(tái)是開發(fā)該控制系統(tǒng)的APP軟件，安裝在Android手機(jī)上，兩者的通信采用無線藍(lán)牙技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示；系統(tǒng)操作流程：首先啟動(dòng)手機(jī)APP控制端，由手機(jī)和移動(dòng)小車上的藍(lán)牙模塊建立通信鏈接，鏈接成功后觸碰手機(jī)端的動(dòng)作按鈕發(fā)出前進(jìn)，后退，左右轉(zhuǎn)彎命令，移動(dòng)小車接收到指令并進(jìn)行分析，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作，在行進(jìn)過程中由超聲波模塊自動(dòng)檢測前方是否有障礙物，當(dāng)前方有障礙物時(shí)將測得障礙物的距離數(shù)值通過藍(lán)牙模塊上傳至手機(jī)APP端實(shí)時(shí)顯示，距離值超過20 cm時(shí)，移動(dòng)小車停車等待手機(jī)指令，做到自動(dòng)避障。為了保證小車的穩(wěn)定性，采用四輪驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)的控制范圍在0～10 m之間。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

移動(dòng)小車硬件電路主要單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，藍(lán)牙模塊電路，超聲波測距電路和電源電路組成；單片機(jī)最小系統(tǒng)電路包括控制芯片，時(shí)鐘電路，復(fù)位電路，控制器采用STC89C52芯片，STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗，高性能的COMS8位微控制器，8K字節(jié)FLASH，512字節(jié)RAM，32位I/O口，3個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，全雙工串行口，滿足系統(tǒng)需求；時(shí)鐘采用內(nèi)部時(shí)鐘，晶振規(guī)格為11.0592 MHz，機(jī)器周期為1μs；復(fù)位電路采用手動(dòng)按鍵復(fù)位，將各元器件各引腳數(shù)值恢復(fù)到初始狀態(tài)[3-4]。

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

該系統(tǒng)采用4WD電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用雙L298N芯片驅(qū)動(dòng)，雙L298N由兩個(gè)大功率的L298N芯片組成，能提供8路最大2 A的電流輸出，供電電壓0～24 V，能夠獨(dú)立驅(qū)動(dòng)4個(gè)直流電機(jī)，采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)控制；具有四個(gè)使能控制端和四組邏輯控制輸入端，分別控制四個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)；采用6 V電源為該電路供電，值得注意的是驅(qū)動(dòng)電路的GND端要和單片機(jī)的GND共地。

2.2 超聲波測距模塊

該模塊利用超聲波的發(fā)射到接收的時(shí)間差來檢測障礙物和計(jì)算障礙物距離，超聲波測距模塊選用HC-SR04芯片，探測距離2～450 cm，感應(yīng)角度不大于15°，測距精度可達(dá)高到3 mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。芯片TRIG端口加上大于10 us高電平來觸發(fā)測距功能，然后在ECHO端口等待高電平出現(xiàn)，一有輸出開定時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)ECHO端口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)讀取定時(shí)器的值，該值就是由開始發(fā)送超聲波到接收到返回超聲波時(shí)間之和。故可以得到距離=高電平持續(xù)時(shí)間×聲速/2 ，如此不斷測量前方障礙物距離。

2.3 藍(lán)牙通信模塊

該模塊的主要功能是完成手機(jī)APP和控制器之間數(shù)據(jù)和命令的傳輸，手機(jī)內(nèi)置的藍(lán)牙為主機(jī)，移動(dòng)小車的藍(lán)牙模塊作為從機(jī)，主機(jī)發(fā)起呼叫，尋找附近藍(lán)牙設(shè)備，和從機(jī)配對(duì)成功后，主機(jī)從兩端可以傳輸數(shù)據(jù)。

藍(lán)牙模塊選用HC-06芯片，該芯片的RXD，TXD端口為接收和發(fā)送端，其中RXD端口負(fù)責(zé)接收外來數(shù)據(jù)，芯片接口電平3.3 V，可以與控制器STC89C52的TXD端口直接相連，通過該接口STC89C52將需要發(fā)的數(shù)據(jù)傳給HC-06；通路芯片的TXD端口可以和STC89C52的RXD相連接，負(fù)責(zé)向控制器傳遞數(shù)據(jù)。

2.4 電源部分

系統(tǒng)電源采用干電池供電，小車單片機(jī)外接3節(jié)1.5 V的干電池供電，由于藍(lán)牙模塊配對(duì)后的電流約為8 mA，超聲波模塊的靜態(tài)電流大約為2 mA，不大于單片機(jī)允許的最大電流，該電源可同時(shí)為藍(lán)牙模塊和超聲波模塊供電；電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分外接4節(jié)1.5 V干電池供電。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 主控程序設(shè)計(jì)

主控程序采用C語言針對(duì)單片機(jī)開發(fā)，首先程序參數(shù)初始化，觸發(fā)超聲波模塊開始工作，檢測藍(lán)牙模塊相連接的串口是否有命令輸入，如有進(jìn)行命令解析，跳轉(zhuǎn)到不同的子程序驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，否則一直在循環(huán)檢測，運(yùn)行中超聲波模塊檢測到前方有障礙物，程序計(jì)算距離值并發(fā)送至串口，如果距離值小于20 cm，觸發(fā)中斷，調(diào)用停車程序，等待用戶指令輸入[5]。

3.2 手機(jī)APP程序設(shè)計(jì)

手機(jī)APP的開發(fā)采用APP Inventor在線開發(fā)平臺(tái)，APP Inventor是由谷歌公司和一些程序愛好者聯(lián)合開發(fā)的一款完全開放源代碼的在線開發(fā)的Android編程環(huán)境，使用邏輯模塊和界面設(shè)計(jì)就能完成用戶Android程式針對(duì)控制要求，操作性強(qiáng)易開發(fā)[6-7]。該設(shè)計(jì)手機(jī)APP主要任務(wù)是：（1）界面設(shè)計(jì)；（2）藍(lán)牙通信和后臺(tái)邏輯程序設(shè)計(jì)。

首先在開發(fā)平臺(tái)上“新建項(xiàng)目”，填寫項(xiàng)目名稱，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)建立一個(gè)應(yīng)用工程，在Screen工作面板添加相應(yīng)的控件并進(jìn)行布局，其中五個(gè)按鈕分別為前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止按鈕，一個(gè)列表選擇框用來顯示附件藍(lán)牙設(shè)備地址，兩個(gè)標(biāo)簽顯示障礙物距離值和連接狀態(tài)，并添加藍(lán)牙客戶端控件。藍(lán)牙客戶端的通信協(xié)議和HC06的通信協(xié)議設(shè)置一致， “搜索設(shè)備”按鈕搜索手機(jī)附近已開啟的藍(lán)牙設(shè)備，配對(duì)成功后，五個(gè)運(yùn)動(dòng)按鈕可用，同時(shí)藍(lán)牙客戶端將接受的數(shù)據(jù)在距離標(biāo)簽中顯示。

4 實(shí)驗(yàn)測試和結(jié)果分析

（1）在開闊平整的場地，給小車上電，啟動(dòng)手機(jī)APP，點(diǎn)擊“搜索設(shè)備”按鈕，程序顯示可匹配的設(shè)備的地址，選擇HC06藍(lán)牙地址，進(jìn)行配對(duì)，配對(duì)成功后觸碰命令按鈕，小車按照命令正常行駛，小車前方障礙物距離值實(shí)時(shí)更新顯示，小車運(yùn)行圖和手機(jī)APP控制界面如圖2所示。

（2）小車前方范圍內(nèi)放置障礙物，當(dāng)小車運(yùn)行接近障礙物距離至20 cm左右時(shí)，小車停車，手機(jī)APP上只有“后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)”按鈕可用。

（3）受到制作工藝和環(huán)境等因素影響，小車測距存在4 cm左右的誤差，小車遇到避障物停車時(shí)的距離值的誤差在4～6 cm之間。

5 結(jié)語

該設(shè)計(jì)基于Android手機(jī)APP，通過藍(lán)牙通信技術(shù)，控制移動(dòng)小車的運(yùn)動(dòng)以及實(shí)現(xiàn)避障功能的軟硬件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，小車可以接收手機(jī)APP命令并靈活地實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)彎功能，小車檢測前方障礙物并實(shí)時(shí)發(fā)送與障礙物距離值，做到了自動(dòng)避障，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果，為智能控制方式提供了一個(gè)范例，并為智能家居控制以及物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用提供了一定的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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