袁銘

摘 ?要：該設(shè)計(jì)主要由計(jì)算機(jī)控制端和太陽(yáng)能小車組成，計(jì)算機(jī)控制端利用nRF24L01無(wú)線控制小車運(yùn)動(dòng)。小車以STC89C52單片機(jī)為主控芯片，由太陽(yáng)能鋰電池充電控制模塊提供電源。同時(shí)，小車能夠測(cè)量工作電壓和環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊發(fā)送給計(jì)算機(jī)端并在C#開(kāi)發(fā)的界面上顯示。

關(guān)鍵詞：STC89C52 ?nRF24L01 ?太陽(yáng)能 ?C#

中圖分類號(hào)：TN99 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1672-3791（2019）06（a）-0004-02

該小車基于人和物交流的物聯(lián)網(wǎng)思想設(shè)計(jì)制作，利用太陽(yáng)能這種清潔能源驅(qū)動(dòng)小車運(yùn)行，達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的可持續(xù)發(fā)展理念。該文基于nRF24L01和單片機(jī)開(kāi)發(fā)了一款具有無(wú)線通信能力的太陽(yáng)能供電小車，在PC端遠(yuǎn)距離控制小車的運(yùn)行，并且在PC端實(shí)時(shí)顯示小車采集到的環(huán)境溫濕度信息和其他相關(guān)參數(shù)。

1 ?系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)方案

整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)控制端（上位機(jī)）和太陽(yáng)能小車（下位機(jī)）兩部分組成。上位機(jī)部分由PC機(jī)、單片機(jī)和無(wú)線收發(fā)模塊組成。上位機(jī)控制端通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊向小車發(fā)射控制命令，控制小車運(yùn)行，同時(shí)該無(wú)線模塊接收來(lái)自小車的各種參數(shù)發(fā)送至PC控制端顯示。下位機(jī)小車部分由單片機(jī)系統(tǒng)、無(wú)線通信模塊、太陽(yáng)能控制模塊、電機(jī)控制模塊、溫濕度模塊等組成。無(wú)線通信模塊接收上位機(jī)發(fā)出的指令，通過(guò)和單片機(jī)的通信，由單片機(jī)模塊控制電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)控制小車運(yùn)動(dòng)。AD轉(zhuǎn)換電路用于采集太陽(yáng)能充電電流等工作參數(shù)，和溫濕度參數(shù)一起通過(guò)無(wú)線模塊發(fā)送至計(jì)算機(jī)控制端。系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。

2 ?下位機(jī)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 太陽(yáng)能充電電路

該設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能充電控制模塊采用CN3722，具有恒流恒壓充電模式，適合對(duì)單節(jié)或多節(jié)鋰電池或磷酸鐵鋰電池的充電管理。恒壓充電電壓由外部電阻分壓網(wǎng)絡(luò)設(shè)置;在恒流充電模式，充電電流通過(guò)一個(gè)外部電阻設(shè)置。對(duì)于深度放電的電池，當(dāng)電池電壓低于所設(shè)置的恒壓充電電壓的66.7%時(shí)，CN3722用所設(shè)置的恒流充電電流的15%對(duì)電池進(jìn)行涓流充電。在恒壓充電階段，充電電流逐漸減小，充電過(guò)程持續(xù)直到充電電流減小到零，這樣即使太陽(yáng)能電池輸出很小的功率，也能對(duì)電池充電;因?yàn)榇藭r(shí)電池連接端BAT管腳電壓保持不變，所以不會(huì)對(duì)電池過(guò)充電。該小車采用3節(jié)鋰電池串聯(lián)充電，每節(jié)鋰電池最大充電電壓為4.2V，總充電電壓最大為12.6V。

2.2 無(wú)線通信模塊電路

無(wú)線通信模塊采用nRF24L01，是一款工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM頻段的低功耗單片無(wú)線收發(fā)器芯片。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置。3腳使能端由單片機(jī)P2.0口控制，4、5、6、7腳為SPI引腳，分別由單片機(jī)P2.3、P2.1、P2.4、P2.2配置，8腳中斷標(biāo)志位由單片機(jī)P3.2控制。

2.3 電量采集電路

電量采集電路采用典型的儀表放大電路，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換芯片PCF8591采集到單片機(jī)端，用于測(cè)量太陽(yáng)能電流。

放大倍數(shù)：U=（R20/R17）×（1+2（R18/R21））×（（in1+）- （in1-））=10（1+2（10/R21））

當(dāng)R21=2.2222K時(shí)，放大倍數(shù)為100倍。

2.4 電機(jī)控制電路

電機(jī)控制模塊采用L298N，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。其是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含2個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。

2.5 溫濕度測(cè)量電路

溫濕度測(cè)量模塊采用DHT11，是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，使其成為各類應(yīng)用甚至是最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。

2.6 上位機(jī)端電路

上位機(jī)和單片機(jī)采用RS232總線連接，為了使PC機(jī)與MCS-51單片機(jī)之間能可靠地進(jìn)行串行通信，需要用電平轉(zhuǎn)換芯片，該設(shè)計(jì)采用MAXIM公司生產(chǎn)的專用芯片MAX232。MAX232是一種把電腦的串行口RS-232信號(hào)電平（-10V，+10V）轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所用到的TTL信號(hào)點(diǎn)平（0V，+5V）的芯片。

3 ?軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)編程采用模塊化編程思想，主流程圖如圖2所示，主流程圖在完成一些初始化后進(jìn)入while（1）循環(huán)中，進(jìn)行標(biāo)志位的檢測(cè)及電壓等參數(shù)檢測(cè)，并控制小車運(yùn)動(dòng)，在外部中斷子程序中執(zhí)行NRF24L01的IRQ觸發(fā)中斷，在中斷服務(wù)程序中主要是對(duì)一些標(biāo)志位的設(shè)置。

3.2 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

3.2.1 串口通信協(xié)議制定

上位機(jī)控制臺(tái)要對(duì)上位接收機(jī)端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，分離出有效數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)格式如下：$--溫度--？--濕度--@--電池電壓--<--輸入電流--/--輸出電流--*。

其中：

$為一幀數(shù)據(jù)開(kāi)始符號(hào);

？為溫度與濕度隔離符號(hào);

@為濕度與電池電壓隔離符號(hào);

<為電池電壓與輸入電流隔離符號(hào);

/為輸入電流與輸出電流隔離符號(hào);

*為結(jié)束標(biāo)志。

3.2.2 控制臺(tái)界面設(shè)計(jì)

控制臺(tái)程序設(shè)計(jì)的目的是接收串口數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，通過(guò)串口發(fā)射控制數(shù)據(jù)。

界面主要功能區(qū)有：串口設(shè)置區(qū)、數(shù)據(jù)顯示區(qū)、指令發(fā)射區(qū)。

串口設(shè)置區(qū)功能：端口號(hào)、波特率選擇、串口打開(kāi)與關(guān)閉。數(shù)據(jù)顯示區(qū)：原始數(shù)據(jù)顯示文本、解析后數(shù)碼管顯示。指令發(fā)射：按鍵指令發(fā)射、串口文本框指令發(fā)送。

3.2.3 串口通信

串口數(shù)據(jù)的讀取采用事件觸發(fā)的方式，在SerialPort類中有DataReceived事件，當(dāng)串口的讀緩存有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)則觸發(fā)DataReceived事件，其中SerialPort.ReceivedBytesThreshold屬性決定了當(dāng)串口讀緩存中數(shù)據(jù)多少個(gè)時(shí)才觸發(fā)DataReceived事件，默認(rèn)為1。從SerialPort對(duì)象接收數(shù)據(jù)時(shí)，將在輔助線程上引發(fā)DataReceived事件。由于此事件在輔助線程而非主線程上引發(fā)，因此嘗試修改主線程中的一些元素（如UI元素）時(shí)會(huì)引發(fā)線程異常。如果有必要修改主Form或Control中的元素，必須使用Invoke回發(fā)更改請(qǐng)求，這將在正確的線程上執(zhí)行。進(jìn)而要想將輔助線程中所讀到的數(shù)據(jù)顯示到主線程的Form控件上時(shí)，只有通過(guò)Invoke方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4 ?結(jié)語(yǔ)

該小車采用太陽(yáng)能供電，主控芯片采用STC89C52單片機(jī)控制，利用nRF24L01無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，在PC計(jì)算機(jī)上位機(jī)端控制界面上操作控制小車的運(yùn)行，同時(shí)可以采集溫濕度、電流電壓等相關(guān)參數(shù)并顯示在PC端界面上，實(shí)現(xiàn)了人-車之間的遠(yuǎn)程交互控制。該太陽(yáng)能無(wú)線控制小車具有功耗低、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李曉麗.單片機(jī)與上位機(jī)串行通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2010（7）：45-47.

[2] 韓毅，楊天.基于HCS12單片機(jī)的智能尋跡模型車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].學(xué)術(shù)期刊，2008，29（18）：1535-1955.

[3] Yamato. New conversion system for UPS using high fre 2 quency link[A].IEEE PESC[C].1988：210-320.

[4] 儲(chǔ)江偉，郭克友，王榮本，等.自動(dòng)導(dǎo)向車導(dǎo)向技術(shù)分析與評(píng)價(jià)[J].起重運(yùn)輸機(jī)，2002（11）：1-5.

[5] 王朝盛.基于16單片機(jī)MC9S12DG128B智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].天津工業(yè)大學(xué)，2007.