基于STC單片機智能探測機器車的設計

摘要：介紹一種智能探測機器車，該車由智能探測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)兩部分組成。探測系統(tǒng)分為核心板和任務板，核心板采用STC單片機 IAP15F2K61S2為控制單元，完成循跡、定位、碼盤測速、360度轉身，采用藍牙模塊實現(xiàn)與接收系統(tǒng)無線通信;任務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(tǒng)同樣以IAP15F2K61S2為核心，由藍牙模塊、12864液晶顯示模塊、語音播報部分組成，完成無線數(shù)據(jù)的接收、數(shù)據(jù)的實時顯示、同步語音播報的功能。

本文來源于全國大學生電子設計競賽，任務要求制作一臺智能探測機器車，能實現(xiàn)在特定軌道上行駛一周，在設定的任務點精準停車，完成超聲波測距，溫濕度測量，顏色識別，360°轉身等任務，同時要求將測得的數(shù)據(jù)通過無線通信的方式傳輸?shù)搅硗庖慌_設備上，進行實時顯示。在原有任務的基礎上新增轉向燈，模擬真實汽車行走狀態(tài)，左轉時左前和左后轉向燈亮，右轉時右前和右后轉向燈亮，遇到黑線時燈全亮。每次任務完成會有蜂鳴器提示，同時在液晶顯示系統(tǒng)有任務完成的語音提示。

1 系統(tǒng)設計

1.1 硬件設計

本系統(tǒng)主要有兩大部分構成：智能探測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。主控芯片是智能小車智能探測系統(tǒng)和接收系統(tǒng)的核心，小車的控制、探測、數(shù)據(jù)發(fā)送、接收都是通過主控芯片連接外圍電路實現(xiàn)智能探測車的各系統(tǒng)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，能夠完全支持智能探測車實現(xiàn)任務要求的所有功能。

1.2 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)總體框圖由智能探測系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩部分構成。

1.2.1 智能探測系統(tǒng)

智能探測系統(tǒng)由核心板和任務版兩部分組成。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電路。任務板主要包括波模塊、顏色識別、溫濕度模塊等電路，如圖2所示。

1.2.2 接收系統(tǒng)

接收系統(tǒng)主要由IAP15F2K61S2芯片，語音模塊、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(tǒng)和數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)兩個部分。智能探測系統(tǒng)設計流程圖如圖4所示。數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)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路紅外對管進行循跡線、定位點、轉身區(qū)、起點終點線進行循，循跡燈順序從左到右是0到7八個紅外對管，紅外對管照在黑線輸出高電平，遇到全黑(2 cm)時全滅;照到白色部分輸出低電平，遇到全白部分時全亮。

當紅外對管4、5遇到黑線時，全速前進，當循跡是其他對管，都要進行不同程度的微調(diào)(向左或向右)，越靠近兩邊，調(diào)的幅度越大。小車電機的驅動芯片是 L298N，該芯片內(nèi)部是H橋電路，可以控制電機的正反轉。小車驅動板的PWM驅動是實現(xiàn)小車轉向的必要條件，通過PWM控制小車的速度，從而實現(xiàn)轉向。

2.2 精確定位和360度轉身模塊分析與計算

小車精確定位中，需要實現(xiàn)90°、360°轉身，小車是通過光電碼盤實現(xiàn)小車的精確定位和轉身。根據(jù)小車旋轉一周碼盤計數(shù)值與實際測量相結合進行調(diào)節(jié)實現(xiàn)360°精確轉身。

2.3 溫度、濕度檢測模塊分析

任務中要完成定點1的溫度檢測和定點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。主要實現(xiàn)對溫度、濕度的檢測，然后將檢測到的信號轉換成數(shù)字信號。然后送到單片機進行分析處理，從而得到定位點1的溫度值和定位點4的濕度值。

2.4 超聲波檢測模塊分析

定位點2要完成超聲波對距離進行檢測，我們利用ICL7555振蕩產(chǎn)生一個40 kHz的方波信號發(fā)射，然后通過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，會在第7管腳遙控命令輸出端產(chǎn)生一個低電平下降脈沖，這個信號可以接到單片機的外部中斷引腳作為中斷信號輸入，用于計算時間差。通過單片機來計算發(fā)射信號到收到信號時產(chǎn)生下降沿的這段時間的長度，再通過數(shù)學計算，轉化為距離，顯示在液晶顯示器上。

3 測試數(shù)據(jù)及分析

3.1 溫度、濕度數(shù)據(jù)采集

測試條件是：在定位點1一側，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，對溫度進行采集，測試結果與溫度計比較如表1所示。在定位點4一側，放置一個加濕器，加濕器可前后移動10 cm～30 cm，用于調(diào)節(jié)環(huán)境濕度，并對溫度進行采集，測試結果和濕度計比較如表2所示。

3.2 超聲波測距數(shù)據(jù)采集

測試條件：在定位點2處放置長方體尺寸長度20 cm，高度25 cm，2 cm左右，長方體可前后移動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

通過多次的模塊單獨調(diào)試和整體軟硬件結合調(diào)試，不斷地對系統(tǒng)、程序進行優(yōu)化，小車能比較流暢的沿著黑線循跡，完成4個定位點的精確定位，并在轉身區(qū)內(nèi)完成 360°轉身;完成溫濕度、超聲波、顏色等數(shù)據(jù)采集及顯示，并通過藍牙串口通信實現(xiàn)了數(shù)據(jù)無線發(fā)送，上位機無線接收數(shù)據(jù)，能夠進行數(shù)據(jù)顯示和語音播報。