基于STC單片機智能探測機器車(chē)的設計

摘要：介紹一種智能探測機器車(chē)，該車(chē)由智能探測系統和數據接收系統兩部分組成。探測系統分為核心板和任務(wù)板，核心板采用STC單片機 IAP15F2K61S2為控制單元，完成循跡、定位、碼盤(pán)測速、360度轉身，采用藍牙模塊實(shí)現與接收系統無(wú)線(xiàn)通信;任務(wù)板由溫度和濕度傳感器、超聲波傳感器、顏色傳感器構成，完成測距、溫度檢測、濕度檢測和顏色識別。接收系統同樣以IAP15F2K61S2為核心，由藍牙模塊、12864液晶顯示模塊、語(yǔ)音播報部分組成，完成無(wú)線(xiàn)數據的接收、數據的實(shí)時(shí)顯示、同步語(yǔ)音播報的功能。

本文來(lái)源于全國大學(xué)生電子設計競賽，任務(wù)要求制作一臺智能探測機器車(chē)，能實(shí)現在特定軌道上行駛一周，在設定的任務(wù)點(diǎn)精準停車(chē)，完成超聲波測距，溫濕度測量，顏色識別，360°轉身等任務(wù)，同時(shí)要求將測得的數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信的方式傳輸到另外一臺設備上，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。在原有任務(wù)的基礎上新增轉向燈，模擬真實(shí)汽車(chē)行走狀態(tài)，左轉時(shí)左前和左后轉向燈亮，右轉時(shí)右前和右后轉向燈亮，遇到黑線(xiàn)時(shí)燈全亮。每次任務(wù)完成會(huì )有蜂鳴器提示，同時(shí)在液晶顯示系統有任務(wù)完成的語(yǔ)音提示。

1 系統設計

1.1 硬件設計

本系統主要有兩大部分構成：智能探測系統和數據接收系統。主控芯片是智能小車(chē)智能探測系統和接收系統的核心，小車(chē)的控制、探測、數據發(fā)送、接收都是通過(guò)主控芯片連接外圍電路實(shí)現智能探測車(chē)的各系統功能。采用的是宏晶科技生產(chǎn)的國產(chǎn)單片機IAP15F2K61S2，此款芯片具有高速、高可靠、低功耗、超強干擾等優(yōu)點(diǎn)，能夠完全支持智能探測車(chē)實(shí)現任務(wù)要求的所有功能。

1.2 系統框圖

系統總體框圖由智能探測系統和接收系統兩部分構成。

1.2.1 智能探測系統

智能探測系統由核心板和任務(wù)版兩部分組成。核心板主要部分是IAP15F2K61S2芯片、電壓轉換模塊、藍牙發(fā)送模塊以及外設和驅動(dòng)電路。任務(wù)板主要包括波模塊、顏色識別、溫濕度模塊等電路，如圖2所示。

1.2.2 接收系統

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

1.3 軟件設計

程序設計同樣分為智能探測系統和數據接收系統兩個(gè)部分。智能探測系統設計流程圖如圖4所示。數據接收系統流程圖略。

2 理論分析與計算

2.1 循跡電路分析

循跡電路采用8路紅外對管進(jìn)行循跡線(xiàn)、定位點(diǎn)、轉身區、起點(diǎn)終點(diǎn)線(xiàn)進(jìn)行循，循跡燈順序從左到右是0到7八個(gè)紅外對管，紅外對管照在黑線(xiàn)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。

當紅外對管4、5遇到黑線(xiàn)時(shí)，全速前進(jìn)，當循跡是其他對管，都要進(jìn)行不同程度的微調(向左或向右)，越靠近兩邊，調的幅度越大。小車(chē)電機的驅動(dòng)芯片是 L298N，該芯片內部是H橋電路，可以控制電機的正反轉。小車(chē)驅動(dòng)板的PWM驅動(dòng)是實(shí)現小車(chē)轉向的必要條件，通過(guò)PWM控制小車(chē)的速度，從而實(shí)現轉向。

2.2 精確定位和360度轉身模塊分析與計算

小車(chē)精確定位中，需要實(shí)現90°、360°轉身，小車(chē)是通過(guò)光電碼盤(pán)實(shí)現小車(chē)的精確定位和轉身。根據小車(chē)旋轉一周碼盤(pán)計數值與實(shí)際測量相結合進(jìn)行調節實(shí)現360°精確轉身。

2.3 溫度、濕度檢測模塊分析

任務(wù)中要完成定點(diǎn)1的溫度檢測和定點(diǎn)4的濕度檢測，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)現對溫度、濕度的檢測，然后將檢測到的信號轉換成數字信號。然后送到單片機進(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 超聲波檢測模塊分析

定位點(diǎn)2要完成超聲波對距離進(jìn)行檢測，我們利用ICL7555振蕩產(chǎn)生一個(gè)40 kHz的方波信號發(fā)射，然后通過(guò)CX20106芯片處理信號接收。當CX20106芯片1管腳超聲波信號輸入端接收到40 kHz的信號時(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)信號可以接到單片機的外部中斷引腳作為中斷信號輸入，用于計算時(shí)間差。通過(guò)單片機來(lái)計算發(fā)射信號到收到信號時(shí)產(chǎn)生下降沿的這段時(shí)間的長(cháng)度，再通過(guò)數學(xué)計算，轉化為距離，顯示在液晶顯示器上。

3 測試數據及分析

3.1 溫度、濕度數據采集

測試條件是：在定位點(diǎn)1一側，放置圓柱形容器直徑6 cm，高度25 cm，內裝液體水，用于調節環(huán)境溫度，對溫度進(jìn)行采集，測試結果與溫度計比較如表1所示。在定位點(diǎn)4一側，放置一個(gè)加濕器，加濕器可前后移動(dòng)10 cm～30 cm，用于調節環(huán)境濕度，并對溫度進(jìn)行采集，測試結果和濕度計比較如表2所示。

3.2 超聲波測距數據采集

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

4 小結

通過(guò)多次的模塊單獨調試和整體軟硬件結合調試，不斷地對系統、程序進(jìn)行優(yōu)化，小車(chē)能比較流暢的沿著(zhù)黑線(xiàn)循跡，完成4個(gè)定位點(diǎn)的精確定位，并在轉身區內完成 360°轉身;完成溫濕度、超聲波、顏色等數據采集及顯示，并通過(guò)藍牙串口通信實(shí)現了數據無(wú)線(xiàn)發(fā)送，上位機無(wú)線(xiàn)接收數據，能夠進(jìn)行數據顯示和語(yǔ)音播報。