基于无线控制的智能小车系统的设计.doc

基于无线控制的智能小车摘 要：本文针对基于无线控制的智能小车的设计和研究，首先对系统的总体设计加以介绍，概括了智能小车的主要作用及其工作模式，并介绍了智能小车的主要元器件；然后详细介绍了系统的硬件以及软件设计，硬件方面，重点研究了温度采集模块、红外避障模块和无线收发模块，软件方面详细讲解了上位机人机交互界面的设计、避障设计以及无线通信的数据处理；最后，总结了系统测试结果并对本设计的发展前景做了概述。关键词：单片机；上位机；红外线；避障；温度检测；无线通信The intelligent car Based on wireless controlAbstract: In this paper, the overall description of the smart car, which is base on the wireless control, is introduced its design and research. First introduced is the overall design of the system, and describes the major function, operating mode and the main components of the smart car; then analyses the systems hardware and software design in detail. Hardware side, the focus is on the temperature acquisition module, infrared obstacle avoidance module and wireless transceiver module; The software has a detailed account of the host-computer interactive interface design, the design of the obstacle avoidance and wireless communications data processing; Finally summaries up the test results of this system and has an overview of the prospects for the development of this design.Keywords: MCU; upper computer; Infrared ray; Obstacle avoidance; Temperature detection; Wireless communication1. 绪论1.1课题的背景及意义1.1.1课题背景未来是充满科学技术的新时代，而智能化1正是科学技术的重要体现。在一定程度上，智能化的发展能够带动一些相关领域的发展。因此，智能化将是新世纪的一个重要前进方向。随着科学技术的不断发展，应运而生的是各种机器人的更新换代。至今，机器人从示教型机器人，发展到可离线编程的工业机器人，再到如今的智能机器人。机器人的发展步伐不断加快。从上个世纪六十年代起，关于机器人的移动问题，人类做了很多研究设计。主要有以下几方面：1) 机器人移动方式；2) 机器人驱动控制方式；3) 机器人行走的路径规划。从机器人移动方式方面来分类，主要有模拟人类行走的腿式机器人、有模拟坦克的履式机器人、以及模拟汽车行驶的轮式机器人。作为轮式机器人，智能小车是智能系统23的一个典型代表，它综合了自动控制技术、驱动技术、传感器技术和信息处理技术等多学科知识，具有实用性强和应用范围广的特点。随着技术的发展，智能小车4的应用范围在不断扩大，遍及工业、抢险救灾、海洋开发、宇宙空间以及人类生活的各个方面，对人类生活产生巨大影响。1.1.2研究意义智能技术改变了人类的社会生活，对人类生活生产方式产生了巨大影响。近年来，随着人类社会现代化的步伐不断加快，人类迫切需求更多智能化产品的出现，以改善人类现有的生活和生产方式。进一步提高生活质量，提升生产效率。智能小车的出现从实际上改变了工业生产面貌，使人类生产从手工化逐步过渡到机械化、智能化。智能小车，能够适应各种恶劣环境，通过远程控制的方式，可以在完全不需要人类实际参与的情况下，安装预期目标完成作业。本课题所研究的智能小车，可以应用到多个领域如粮库检测，矿下探测，危险未知区域的信息采集等。这里以信息采集为例，主要采集温度信息。运用智能小车，可以减少劳动力、提高工作效率并避免一些安全事故。1.2 基于无线控制的智能小车系统概述1.2.1基于无线控制的智能小车系统组成本系统主要组成部分包括：上位机、单片机、电机驱动、温度采集、红外避障等部分。其总体框架见图1。图1 系统总体框架图1) 电机驱动模块该模块主要完成小车驱动功能。根据接受到的单片机控制信号，变动输出电平，控制电机转向，从而实现对小车运动的控制。2) 温度采集模块该模块主要负责采集温度，并将转换后的温度信息传给单片机，进行温度显示和传输。3) 红外避障模块此模块主要功能是是小车在行驶过程中避开障碍物。通过检测小车前方的障碍物，并将检测信息发送给单片机，从而控制小车转向，达到避障效果。4) 单片机模块这是系统下位机的核心模块。它能接受上位机的信息，控制小车的行驶。同时，将检测到的信息反馈给上位机，进行实时显示。5) 上位机模块此模块是主要功能是对小车进行远程控制，并接受小车反馈的信息，进行实时显示。1.2.2基于无线控制的智能小车系统特点本系统融合了信息采集、无线传输、远程控制等技术，设计出了无线控制的智能小车。该系统成本低，实用性强，具有广泛的应用前景。1.3本课题主要研究内容本课题的主要研究内容包括: (1)小车的硬件设计。主要介绍小车所选取的硬件及其功能和详细参数。在下位机控制方面，以STC89C52单片机作为控制中心。此外，还介绍了避障模块、信息采集模块、小车驱动模块的硬件设计。(2)避障设计。采用红外传感器5来识别障碍物。利用红外避障，对近距离障碍物反应灵敏，障碍物感应距离可以调节，而且不会有造成信号干扰。当遇到障碍物时，能够很快发出低电平信号，传送给单片机，控制小车转向，到达避障目的。(3)无线通信67。整个系统由上位机和下位机组成，上位机和下位机的信息交流是通过无线形式的方式进行的。上位机要控制小车，必须通过无线形式发送控制命令，小车要发送温度信息到上位机也必须通过无线信息。因此，实现无线通信时系统控制实现的关键。通过无线收发模块，可以实现信息的无线发送和接受，只要按照预先设定好的通信协议进行数据传输，就能实现上位机和下位机的信息交换。(4)人机交互界面。小车是通过PC终端来控制的，要想让小车按照人的意愿进行运行，就要设置好人与计算机的信息交流。通过LabVIEW8编程环境，建立人机交互界面，实现这一功能。(5)进行实车实验，对小车进行调试。2系统硬件电路的设计2.1系统总体设计本系统以小车模型为平台，通过控制小车的运动，让小车到达预期的目的地，从而对该地区进行信息采集，并将采集到的信息以无线传输的方式，发送到PC终端。小车可四轮独立驱动，车体上搭载有51单片机最小系统910、温度传感器、红外避障模块、电机驱动模块以及无线收发模块。系统可分为两种工作模式：（1）远程控制模式该模式下，PC终端通过无线发送模块，将对小车的控制信息发送给小车，小车通过无线接受模块接受到信息后，按照收到的运动信号运动到目的地，小车行驶的同时，进行采集信息，并通过无线发送模块将信息回发给PC终端。 （2）自动模式选择自动模式后，小车的运动将不会受到PC终端的控制，小车将以51单片机最小系统为“大脑”，进行自行运动。在该模式下，小车能够自行的向前运动，由于车体上搭载有红外避障模块，小车可以随时检测障碍物。当遇到障碍物时，红外避障传感器能够检测到障碍物具体位置，并将障碍物位置信息传送给小车“大脑”，单片机按照给定程序进行分析判断，控制小车转向，从而避开障碍物。与此同时，小车不断采集信息，并将采集到得信息通过无线发送模块，发给PC终端。总体方案设计如图2图2 系统总体方案图本课题采用ZK-4WD小车模型，为竞技比赛常用车型。该模型主要包括四个轮子、四个电机、一个底盘。小车模型如图3图3 ZK-4WD小车模型图ZK-4WD小车模型有以下几个优点：1) 机械结构简单，非常方便安装。2) 采用四个减速直流电机转弯灵活，方向性好。四轮电机驱动，马力实足，使在斜坡、凹凸不平的路面上也能够行驶。3) 小车自带测速码盘，可以迅速组成一套测速系统。可以测速，测距。4) 底盘大而稳，并且有很多小孔，可直接安装其他模块，非常容易扩展。5) 车体几乎全为塑料，质量很轻，而且车体较小。整体轻便小巧，运动灵活，方便控制，对电量损耗小，能够持久工作。2.2电源模块本系统采用可充电电池为电源，保证系统正常工作。小车模型系统中，需要供电的模块有：电机及其驱动模块、温度传感器模块、单片机最小系统模块、红外避障模块、无线收发模块。整个系统由全部硬件电路的电源由6V、1300mA的可充电镍镉电池提供。各个硬件所需电源最终都由电池供电，其中由于各个硬件所需电源参数不同，所以需要经过电机驱动模块进行转换后才能使用。在本系统中，电机驱动模块的电源是直接取自电池，而电机模块，温度传感器模块，红外避障模块，以及单片机都是经过电机驱动模块将电压转换才能供电。整个电源模块的电路结构如图4所示图4 电源模块的电路结构2.3 电机及其驱动模块2.3.1电机模块小车的运动时靠直流电机11来实现的，通过控制直流电机的转动方向来控制小车的运动方向。直流电机的工作原理是直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生洛伦兹力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。当流入电机的直流电流方向改变时，相应地电机转向也改变。本课题采用的是小型直流电机，其额定电压为3V6V，空载时转速为100240转/分，额定电流100120mA。电机的具体参数如表1。表1 电机参数属性参数工作电压DC 3VDC 5VDC 6V工作电流100mA100mA120mA空载100转/分190转/分240转/分空载速度20转/分39转/分48转/分轮胎直径6.6cm重量50kg外形尺寸70mm*22mm*18mm噪声0;i-)DQ = 0; dat=1;DQ = 1; if(DQ)dat|=0x80;Delay(4);return(dat);void WriteOneChar(unsigned char dat)/写一个字节unsigned char i=0;for (i=8; i0; i-)DQ = 0;DQ = dat&0x01;Delay(5);DQ = 1;dat=1;unsigned int ReadTemperature(void)/读取温度unsigned char a=0;unsigned char b=0;unsigned int t=0;float tt=0;Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); / 跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0x44); / 启动温度转换Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); /跳过读序号列号的操作WriteOneChar(0xBE); /读取温度寄存器a=ReadOneChar(); /读低8位b=ReadOneChar(); /读高8位t=b;t0 & point=3) /判断是否接收够4bit receive_bufferpoint+=receive_temp; else if (point=4) /判断是否接收够4bit if(receive_temp=#) receive_data0=receive_buffer3; if(receive_buffer1=y & receive_buffer2=c) Car_mode=1; /远程控制模式 if(receive_buffer1=z & receive_buffer2=d) Car_mode=2; /自动灭火模式 point=0; else point=0; else point=0; /缓冲区已满,清除缓冲区内数据,重新接收 /*串口发送一个数字*/void send_int(int txd) SBUF = txd;while(!TI);/ 等特数据传送TI = 0;/ 清除数据传送标志/*串口发送一个字符*/void send_char(unsigned char txd) SBUF = txd;while(!TI);/ 等特数据传送TI = 0;/ 清除数据传送标志/*串口发送字符串*/void send_str(unsigned char str)unsigned char i = 0;while(stri != 0