唐佐俠，孫春志

(1.商丘工學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河南 商丘 476000；2.商丘師范學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，河南 商丘 476000)

智能測控小車運(yùn)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

唐佐俠1，孫春志2

(1.商丘工學(xué)院 計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河南 商丘 476000；2.商丘師范學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，河南 商丘 476000)

研究了智能測控小車的運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，本設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2作為整個(gè)系統(tǒng)的主控芯片，搭載多種用于數(shù)據(jù)采集的傳感裝置，通過無線傳輸方式把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給無線接收端，小車采用履帶式底盤解決了爬坡問題，車上安裝了可旋轉(zhuǎn)高清攝像頭用于對環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控.文中給出了部分硬件電路設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)和小車制作實(shí)物圖，通過實(shí)際測試小車運(yùn)行穩(wěn)定.

智能小車；環(huán)境；傳感器裝置；硬件

0 引 言

當(dāng)今社會的發(fā)展越來越趨向于智能化，智能產(chǎn)品逐漸被應(yīng)用在社會的各個(gè)領(lǐng)域，并在不斷進(jìn)一步推廣，智能產(chǎn)品大到太空中航空航天器，小到智能玩具.近些年，加上物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)和相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展，車輛智能控制系統(tǒng)逐漸進(jìn)入人們的視野，無人駕駛系統(tǒng)就是最為鮮明的代表[1].智能作為現(xiàn)代社會的新產(chǎn)物，是今后發(fā)展的重要方向，智能微型車輛在給我們生活帶來舒適和便利的同時(shí)，也被應(yīng)用在很多重要領(lǐng)域，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上也極大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量；在一些特殊環(huán)境下同樣也得到了應(yīng)用，它可以按照預(yù)先設(shè)定的模式或者無線控制的模式在一個(gè)特定的環(huán)境里運(yùn)行，可以完成很多我們?nèi)祟悷o法完成的事情[2].

本設(shè)計(jì)是一套以智能小車作為承載體，可以搭載各種測量和檢測裝置，對一些不適合人進(jìn)入的復(fù)雜環(huán)境實(shí)時(shí)測量或檢測，并把檢測數(shù)據(jù)通過無線方式傳輸給外界.智能小車有兩種不同的運(yùn)行模式，一種是自動模式，完全不需要人控制；另一種是通過無線遠(yuǎn)程遙控操作[3].在設(shè)計(jì)系統(tǒng)過程中，掌握了主控制器的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，同時(shí)在外圍電路的設(shè)計(jì)也不斷優(yōu)化，最終完成了小車檢測電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動和顯示電路設(shè)計(jì)以及尋跡和避障電路的設(shè)計(jì)[4].

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以目前較為主流的8051作為主控制器，主要因?yàn)檫@種控制器廉價(jià)，工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn).在原有小車基礎(chǔ)上加裝避障模塊、循跡模塊和紅外接收模塊以及數(shù)據(jù)傳輸模塊，使系統(tǒng)增加了多種工作模式和功能[5].且可以與現(xiàn)有筆記本電腦、手機(jī)等設(shè)備互聯(lián)互通，使其方便的實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙或nRF24l01遙控功能和顯示功能.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

2 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 主控制器

本設(shè)計(jì)主控制器采用加強(qiáng)型51單片機(jī)STC12C5A60S2單片機(jī)，這種單片機(jī)不但可以和市場中的51系列的指令兼容，而且和現(xiàn)有51單片機(jī)的管腳完全兼容.內(nèi)部可以有高達(dá)60 K閃存空間，支持常用的串口燒寫程序功能.最為重要的是這種控制器對開發(fā)設(shè)備要求非常低，還可以對各種程序?qū)崿F(xiàn)加密功能.除了具有52單片機(jī)的全部功能外，還有豐富的外設(shè)，使用非常方便.單片機(jī)共有7路外部中斷接口，一般中斷方式采用的是上升沿中斷，本處理器支持中斷的PCA模塊，內(nèi)部包含8路10位精度A/D轉(zhuǎn)換模塊，具有250K/S轉(zhuǎn)換速度，共有4個(gè)16位定時(shí)器同時(shí)具有外部掉電檢測功能.

2.2 避障及電機(jī)驅(qū)動單元

由于在進(jìn)入障礙區(qū)后，只要判斷小車的前方和偏左、偏右的方向有無障礙即可，所以障礙物的檢測采用反射式光電傳感器，該傳感器的原理與循跡模塊大致相同，不同的是：當(dāng)檢測到?jīng)]有障礙物，傳感器檢測不到信號時(shí)傳感器輸出為高電平，當(dāng)檢測到有障礙物，傳感器檢測到信號時(shí)傳感器輸出為低電平.在本設(shè)計(jì)中障礙物的檢測也采用兩只光電傳感器[6].

采用L298N專用驅(qū)動芯片.用單片機(jī)控制占空比即產(chǎn)生可調(diào)的PWM波，從而精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速.L298N內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋驅(qū)動器，這種電路效率非常高；并可方便地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制.穩(wěn)定性高，是一種應(yīng)用廣泛的PWM調(diào)速技術(shù).

圖2 LCD1602液晶顯示驅(qū)動電路

2.3 顯示模塊

本系統(tǒng)的液晶顯示的驅(qū)動電路，為LCD1602型號字符液晶顯示器，供電電壓為DC5V.LCD字符液晶顯示器選用顯示容量為16*2個(gè)字符，LCD1602分為帶背光和不帶背光兩種，其控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別，在電路中連接有10 kΩ的電位器，通過電位器可以調(diào)節(jié)顯示字符的亮度[7].

由于此處液晶顯示的是實(shí)時(shí)溫度和狀態(tài)信息，所以本系統(tǒng)采用的是LCD1602型號的靜態(tài)顯示器.液晶顯示模塊是一個(gè)慢顯示器件，所以在執(zhí)行每條指令之前一定要確認(rèn)模塊的忙標(biāo)志為低電平，表示不忙，否則此指令失效.要顯示字符時(shí)要先輸入顯示字符地址，也就是告訴模塊在哪里顯示字符.LCD1602液晶顯示驅(qū)動電路原理圖如圖2所示.

2.4 循跡模塊

系統(tǒng)在尋跡電路設(shè)計(jì)時(shí)采用了四路TRCT5000紅外對管，主要安裝在小車兩側(cè)，利用一對光電開關(guān)來接受黑色線和白色線的反射光線不同使系統(tǒng)自動調(diào)整小車的運(yùn)行軌跡，進(jìn)過實(shí)際測試表明，只要把光電傳感器位置安裝合適，就完全可以實(shí)現(xiàn)尋跡功能，本系統(tǒng)所使用的尋跡部分硬件電路原理圖如圖3所示.

圖3 四路循跡程序圖

2.5 數(shù)據(jù)采集及發(fā)送

數(shù)據(jù)采集的目的是為了測量電壓、電流、溫度、壓力或聲音等物理現(xiàn)象.基于多種傳感器：光強(qiáng)、氣體、溫度、空氣濕度等多種傳感器對陌生環(huán)境或者人不能到達(dá)的區(qū)域進(jìn)行實(shí)地勘察測量，把數(shù)據(jù)直接傳回到控制器.傳感器所采集的數(shù)據(jù)很多都是瞬態(tài)值，通過一些計(jì)算方法可以轉(zhuǎn)化成一些特征值[8].對于很多數(shù)據(jù)測量都會采用直接測量和間接測量兩種方法，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)要根據(jù)具體測量的物理量不同去選擇合適的傳感器.通過采集非電量或者電量信號，送到單片機(jī)中進(jìn)行分析，處理，可通過pcf8591進(jìn)行模擬量與數(shù)字量的相互轉(zhuǎn)化，所得數(shù)據(jù)通過nRF24l01實(shí)時(shí)把傳輸?shù)揭苿咏K端.數(shù)據(jù)采集電路如圖4所示.

圖4 數(shù)據(jù)采集電路

2.6 數(shù)據(jù)接收及控制部分

數(shù)據(jù)接收板一方面用于控制小車的行駛，另一方面作為數(shù)據(jù)接收的終端，便于觀察和記錄，其中用藍(lán)牙和nRF24l01兩種方式去實(shí)現(xiàn)這一目的，在距離短的情況下可以用手機(jī)通過藍(lán)牙來控制小車，用24l01進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收.由于nRF24l01本身具有五路數(shù)據(jù)傳輸部分，如果在長遠(yuǎn)距離時(shí)可以用nRF24l01的一路通道實(shí)現(xiàn)對小車的控制用其他四路進(jìn)行信息的接收，另外如果對nRF24l01加裝天線之后可以在幾公里范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸.而且24l01具有自動重發(fā)功能，自動檢測和重發(fā)丟失的數(shù)據(jù)包，重發(fā)時(shí)間及重發(fā)次數(shù)可軟件控制，內(nèi)置硬件CRC檢錯(cuò)和點(diǎn)對多點(diǎn)通信地址控制[9].數(shù)據(jù)接收之后通過單片機(jī)的進(jìn)一步細(xì)化處理用1602顯示屏或LCD12864顯示屏實(shí)現(xiàn)信息的顯示，1602比較輕巧，可滿足幾種信息的顯示，在數(shù)據(jù)很多的情況下可選擇LCD12864液晶屏.數(shù)據(jù)接收電路圖如圖5所示.

圖5 數(shù)據(jù)接收板電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)再設(shè)計(jì)過程中，硬件電路設(shè)計(jì)是在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，硬件電路的設(shè)計(jì)算是整個(gè)系統(tǒng)的骨架，系統(tǒng)要想正常運(yùn)行還要有與之配套的軟件支撐.在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中大量的數(shù)據(jù)處理都由程序完成，但凡涉及到微機(jī)控制系統(tǒng)的產(chǎn)品都會涉及到軟件設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)中軟件設(shè)計(jì)占有非常重要的地位.

本設(shè)計(jì)過程中軟件設(shè)計(jì)采用的方法主要是模塊化設(shè)計(jì)，所謂的模塊化設(shè)計(jì)是指系統(tǒng)要完成一個(gè)功能中，可以拆分成很多的子系統(tǒng)，每一個(gè)子系統(tǒng)就成為一個(gè)模塊，每個(gè)模塊都可以獨(dú)立運(yùn)行，在進(jìn)行整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中主要分過程控制和數(shù)據(jù)處理兩個(gè)方面.其中，數(shù)據(jù)處理主要是實(shí)現(xiàn)濾波變換功能，而過程控制主要是讓控制器按照一定的算法實(shí)現(xiàn)計(jì)算.

4 結(jié) 語

設(shè)計(jì)制作測控小車實(shí)物圖如圖7所示.

圖6 程序流程圖

圖7 測控小車實(shí)物圖

通過對最終的測試，實(shí)現(xiàn)了對一些數(shù)據(jù)的采集及傳輸和智能藍(lán)牙小車的自主行駛和人為控制，預(yù)期的結(jié)果和現(xiàn)有的結(jié)果仍然存在著少許差距.智能測控小車在功能方面有了很大的改善，成功實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙遙控小車和迷你化設(shè)計(jì).小車各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)都采用集成化模塊，在實(shí)現(xiàn)更多功能的同時(shí)有效地減少了小車的體積.

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[責(zé)任編輯：徐明忠]

Thedesignandimplementationofthemotioncontrolsystemoftheintelligentmeasurementandcontrolsystem

TANG Zuoxia1，SUN Chunzhi2

(1.College of Computer Science and Technology，Shangqiu Institute of Technology，Shangqiu 476000，China；2.School of Electronic and Electrical Engineering，Shangqiu Normal University，Shangqiu 476000，China)

This paper studies the intelligent car’s motion control system design and implementation method，this design uses STC12C5A60S2 as the main control chip of the whole system，equipped with a variety of sensor device for data acquisition，through the wireless transmission of the collected data is transmitted to the wireless receiver，the car uses crawler chassis to solve the problem of climbing on the car to install.The rotatable high-definition camera for real-time monitoring of the environment.Some hardware circuit design and software design are given in this paper.The system is stable through the actual test.

smart car；environment；sensor device；hardware

2016-10-02；

2016-11-08

河南省科技廳項(xiàng)目(142300410322)；河南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(152102410057)

唐佐俠(1986—)，女，河南商丘人，商丘工學(xué)院助教，碩士，主要從事嵌入式研究.

TM571

A

1672-3600(2017)12-0019-05