智能無(wú)線控制小車(chē)設(shè)計(jì)

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學(xué)士學(xué)位論文I智能無(wú)線控制小車(chē)設(shè)計(jì)摘要智能作為現(xiàn)代社會(huì)的新產(chǎn)物，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)特定的環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，無(wú)需人為管理，便可以完成預(yù)期所要達(dá)到的或是更高的目標(biāo)。隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)械電子、信息、自動(dòng)化以及人工智能等技術(shù)的飛速發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人的研究進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。目前，智能移動(dòng)機(jī)器人，無(wú)人自主車(chē)等領(lǐng)域的研究進(jìn)入了應(yīng)用的階段，隨著研究的深入，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的自主導(dǎo)航能力，實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，動(dòng)態(tài)避障策略和時(shí)間等方面提出了更高的要求。本次設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易智能小車(chē)，采用 AT89C51 單片機(jī)作為小車(chē)的檢測(cè)和控制核心；采用無(wú)線藍(lán)牙來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)的控制；采用霍爾元件來(lái)測(cè)量小車(chē)運(yùn)行速度，旋轉(zhuǎn)角度；采用智能手機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的視頻傳輸模塊。無(wú)線控制模塊使小車(chē)具備啟動(dòng)停止，加減速、轉(zhuǎn)向等功能;視頻傳輸模塊使小車(chē)具備實(shí)時(shí)監(jiān)控，定位等功能；最后將兩者通過(guò)單片機(jī)聯(lián)系到一起，實(shí)現(xiàn)所智能無(wú)線控制小車(chē)的基本功能。本設(shè)計(jì)的智能小車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，技術(shù)發(fā)展成熟，較容易實(shí)現(xiàn)，但各模塊之間的聯(lián)系、軟件設(shè)計(jì)以及整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化都具有很大的靈活性。不管采用什么思路，智能化、人性化，一定程度在小車(chē)上得以體現(xiàn)。關(guān)鍵詞 藍(lán)牙控制模塊；霍爾元件；太陽(yáng)能電池板；單片機(jī)學(xué)士學(xué)位論文IIThe research on Intelligent Wareless Robot Car AbstractAs a new product of modern society, intelligence is the trend in future development. It can work in some specific environment according to the mode which sets in advance. Dispensing with behavior adjustment management,but it can achieve the expected, even higher goal.With the rapid development of computer, network, mechanical, electronic, information, automation and artificial intelligence technology, the mobile robot has entered a new stage. Currently, the study about intelligent mobile robot,unmanned autonomous car and some relevant areas are reaching a application stage.With further research, the mobile robot autonomous navigation capabilities, real-time monitoring, dynamic obstacle avoidance strategies and time put forward higher requirements.The design takes micro control unit AT89C51 as center control unit,use the Bluetooth to control the moving status,use Hall Element to measure the speed of the car and the angle of rotation; use intelligent mobile phone as the Video transmission module. Combine wireless unit and video transmission module together, the the car become the so called mobile robot. It can be controlled to move forward, move backward, turning, speed up and slow down. We can also read this moving status,watch the robot’s surroundings through computer or intelligent mobile phone.The design of the smart car structure is simple and the technology is developed, thus making it easy to achieved. But the combination of all modules,the Bluetooth unit is still challengeable. Besides, the software design,optimization of the entire system is also flexibility. No matter what ideas, artificial Intelligence can be applied with the intelligent toy car.Keywords Bluetooth control module; Hall Element; solar panel; MCU學(xué)士學(xué)位論文III目錄摘要 IAbstract.II第 1 章 緒論 1 1.1 課題背景 11.2 智能小車(chē)的研究現(xiàn)狀 21.3 本章小節(jié) 2第 2 章 智能小車(chē)的可行性分析 .42.1 題目分析 42.2 方案選擇 .4 2.3 總體方框圖 .5 2.4 本章小節(jié) .6 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) 7 3.1 主控模塊的設(shè)計(jì) .7 3.1.1 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) .8 3.1.2 單片機(jī)的引腳功能 83.1.3 單片機(jī)最小系統(tǒng) 93.2 無(wú)線通訊模塊設(shè)計(jì) 123.2.1 藍(lán)牙模塊的選擇 .133.2.2 藍(lán)牙模塊 BF10 133.3 小車(chē)車(chē)體設(shè)計(jì) 163.3.1 小車(chē)車(chē)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 163.3.2 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)的選用 173.4 攝像頭云臺(tái)設(shè)計(jì) 203.4.1 云臺(tái)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)的選擇 213.4.2 云臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .23 3.5 無(wú)線視頻傳輸模塊設(shè)計(jì) 24 3.6 電源模塊設(shè)計(jì) 263.6.1 太陽(yáng)能電池板 .26 3.6.2 電源測(cè)試 273.6.3 實(shí)際應(yīng)用 323.7 轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制 333.7.1 霍爾元件 343.7.2 轉(zhuǎn)速測(cè)量方法 .35 學(xué)士學(xué)位論文IV3.8 本章小節(jié) .36 第 4 章 軟件設(shè)計(jì) .374.1 模糊控制算法 374.1.1 模糊理論的發(fā)展和原理 .37 4.1.2 智能小車(chē)中的模糊算法 .37 4.2 軟件設(shè)計(jì)框圖 374.3 軟件程序設(shè)計(jì)的部分原程序 .39 4.4 程序的燒寫(xiě)過(guò)程 40 4.5 本章小節(jié) .42 第 5 章 制作和調(diào)試 43 5.1 使用的儀表和軟件 435.2 系統(tǒng)制作 43 5.3 系統(tǒng)調(diào)試 .43 5.3.1 硬件調(diào)試 435.3.2 軟件調(diào)試 445.3.3 聯(lián)合調(diào)試 .45 5.4 本章小節(jié) 45致謝 46 參考文獻(xiàn) .47附錄 A 翻譯文獻(xiàn) 48 附錄 B 小車(chē)機(jī)械結(jié)構(gòu)三維模型圖 .61附錄 C 智能小車(chē)控制電路圖 62 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 1 -第 1 章 緒論1.1 課題背景隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、機(jī)械電子、信息、自動(dòng)化以及人工智能等技術(shù)的飛速發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人的研究進(jìn)入了一個(gè)嶄新的階段。同時(shí)，太空資源、海洋資源的開(kāi)發(fā)與利用為移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展提供了廣闊的空間。目前，智能移動(dòng)機(jī)器人，無(wú)人自主車(chē)等領(lǐng)域的研究進(jìn)入了應(yīng)用的階段，隨著研究的深入，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的自主導(dǎo)航能力，實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，動(dòng)態(tài)避障策略和時(shí)間等方面提出了更高的要求。地面智能機(jī)器人路徑規(guī)劃，是行駛在復(fù)雜動(dòng)態(tài)自然環(huán)境中的全自主機(jī)器人系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，而地面智能機(jī)器人全地域全自主技術(shù)的研究，是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界面臨的挑戰(zhàn)性問(wèn)題 [1]。智能無(wú)線控制小車(chē)是智能移動(dòng)機(jī)器人的典型代表，是一類(lèi)能夠通過(guò)傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)自主運(yùn)動(dòng)，從而完成一定功能的機(jī)器人系統(tǒng)。理想的自主移動(dòng)機(jī)器人可以不需人的干預(yù)在各種環(huán)境中自主完成規(guī)定任務(wù)，具有較高的智能水平，但目前全自主的移動(dòng)機(jī)器人還大多處于實(shí)驗(yàn)階段，進(jìn)入實(shí)用的多為自主移動(dòng)機(jī)器人 [2]，通過(guò)人的干預(yù)在特定環(huán)境中執(zhí)行各種任務(wù)，而遙控機(jī)器人則完全離不開(kāi)人的干預(yù)。智能無(wú)線控制小車(chē)技術(shù)研究綜合了無(wú)線遙控、視頻傳輸、定位與運(yùn)動(dòng)控制等技術(shù)。涉及包括藍(lán)牙遙控、視頻采集、路徑控制等模塊，作為移動(dòng)機(jī)器人的主要組成部分。移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制主要是完成移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，提供一種移動(dòng)機(jī)器人的控制方式。性能良好的移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行的基礎(chǔ)，能夠服務(wù)于移動(dòng)機(jī)器人研究的通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)。運(yùn)動(dòng)控制是智能無(wú)線控制小車(chē)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)小車(chē)的平穩(wěn)運(yùn)行起著重要作用。隨著新的智能控制算法的不斷涌現(xiàn)，移動(dòng)機(jī)器人正向著智能化方向發(fā)展，這就對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)性能提出了更高的要求。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)智能無(wú)線控制小車(chē)的控制系統(tǒng)，能夠熟悉移動(dòng)機(jī)器人硬件和軟件的開(kāi)發(fā)，掌握移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制特性，為后續(xù)的移動(dòng)機(jī)器人的功能擴(kuò)展搭建一個(gè)可行、穩(wěn)定的平臺(tái)，而這個(gè)平臺(tái)則可以成為多種機(jī)器人開(kāi)發(fā)的公共基礎(chǔ)平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)智能移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義，將為以后的移動(dòng)機(jī)器人開(kāi)發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 2 -1.2 智能小車(chē)的研究現(xiàn)狀移動(dòng)機(jī)器人的研究始于 60 年代末期斯坦福研究院（SRI）的 Nils Nilssen 和 Charles Roesn 等人，在 1966 年至 1972 年中研制出了自主移動(dòng)機(jī)器人 Shakey[3]。70 年代末，移動(dòng)機(jī)器人研究又出現(xiàn)了新的高潮，特別是 80 年代中期以來(lái)，設(shè)計(jì)和制造機(jī)器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司，如美國(guó)通用電氣、日本本田、索尼等開(kāi)始研制移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，這些促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人學(xué)多種研究方向的出現(xiàn)。例如，輪式移動(dòng)機(jī)器人的代表作有：Smart Robots 公司推出的新型基于 Linux 的移動(dòng)機(jī)器人 SR4；美國(guó)Activmedia Boties 公司用于教學(xué)的 P3-Dx 輪式移動(dòng)機(jī)器人；卡內(nèi)基梅隆研發(fā)的 Nomad 移動(dòng)機(jī)器人；美國(guó)國(guó)家航天航空局聞名遐邇的火星登陸車(chē)“ 勇氣號(hào)”等 [4] 。我國(guó)的機(jī)器人學(xué)研究起步較晚，但進(jìn)步較快，已在工業(yè)機(jī)器人特種機(jī)器人和智能機(jī)器人各個(gè)方面都取得了顯著成績(jī)。在“七五”期間，完成了示教再現(xiàn)工業(yè)機(jī)器聲成套技術(shù)。為了跟蹤國(guó)外搞技術(shù)，80 年代國(guó)家高技術(shù)計(jì)劃中安排了智能機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)，包括水下無(wú)纜機(jī)器人高功能裝配機(jī)器人和多種特種機(jī)器人。進(jìn)行了智能機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)、控制、人工智能、機(jī)器視覺(jué)，高性能傳感器及新材料的應(yīng)用研究，取得了大量成果。其中，輪式移動(dòng)機(jī)器人的研究也碩果累累。國(guó)內(nèi)研究輪式移動(dòng)機(jī)器人的科研單位及公司主要有研制能力風(fēng)暴的 as-r 機(jī)器人的上海廣茂達(dá)伙伴機(jī)器人有限公司；研制的 casia-i 自主移動(dòng)機(jī)器人的中科院自動(dòng)化所；研制“青青”輪式移動(dòng)機(jī)器人的哈爾濱工業(yè)大學(xué)，研制“小蜘蛛”輪式移動(dòng)機(jī)器人登月車(chē)的上海交大等 [5]。當(dāng)前，移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究與發(fā)展的趨勢(shì)包括有：機(jī)器人機(jī)構(gòu)導(dǎo)航定位路徑規(guī)劃傳感器信息融合技術(shù)智能技術(shù)移動(dòng)機(jī)器人傳感器技術(shù)等研究。我國(guó)自“八五”期間開(kāi)始進(jìn)入這一研究領(lǐng)域，并在國(guó)家 863 計(jì)劃中予以重點(diǎn)支持。較為全面對(duì)路徑規(guī)劃、視覺(jué)導(dǎo)航、信息融合、自動(dòng)駕駛等一些基本的智能機(jī)器人技術(shù)做了探索，所形成的一些關(guān)鍵技術(shù)成果也在其他領(lǐng)域得到應(yīng)用。我國(guó)在機(jī)器人技術(shù)與自動(dòng)化工藝裝備等方面已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，縮短了同發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，但是在機(jī)器人的核心及關(guān)鍵技術(shù)的原創(chuàng)性研究、高性能關(guān)鍵工藝裝備的自主設(shè)計(jì)和制造能力、高可靠性基礎(chǔ)功能部件的批量生產(chǎn)應(yīng)用方面，同發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)仍存在較大差距。1.3 本章小節(jié)本課題采用通用 51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)輪式移動(dòng)機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)和閉環(huán)調(diào)速。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 3 -實(shí)現(xiàn)基于 wifi 的無(wú)線視頻監(jiān)控和無(wú)線藍(lán)牙控制設(shè)計(jì)，為機(jī)器人提供簡(jiǎn)單方便的障礙物檢驗(yàn)和導(dǎo)航 [6]。DSP 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的正交編碼脈沖實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)定位，作為機(jī)器人一種比較粗略的定位方式，可以作為后續(xù)高精度定位方式的補(bǔ)充。無(wú)線控制使小車(chē)具備啟動(dòng)停止，加減速、轉(zhuǎn)向等功能，視頻傳輸模塊使小車(chē)具備實(shí)時(shí)監(jiān)控，定位等功能，最后將兩者通過(guò)單片機(jī)聯(lián)系到一起，實(shí)現(xiàn)所智能無(wú)線控制小車(chē)的基本功能。移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的主要內(nèi)容有底層系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)：（1）移動(dòng)機(jī)器人底層系統(tǒng)設(shè)計(jì)：移動(dòng)機(jī)器人的底層系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括移動(dòng)機(jī)器人的控制電路設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和無(wú)線控制電路設(shè)計(jì)。底層設(shè)計(jì)涉及到的軟件算法包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)和速度閉環(huán)、電機(jī)碼盤(pán)的機(jī)器人定位、視頻傳輸?shù)?。?）移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)：移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的主要內(nèi)容是生成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制信息，控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。無(wú)線遙控是移動(dòng)機(jī)器人需要完成的任務(wù)之一，其典型工作過(guò)程為機(jī)器人完成相應(yīng)的移動(dòng)，完機(jī)器人的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、加減速。運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程中用到的視頻輸入信息包括 WiFi 模塊提供的無(wú)線上網(wǎng)信息，電機(jī)碼盤(pán)提供的機(jī)器人的位置、速度信息，攝像頭云臺(tái)提供的物體的方位信息，以及視覺(jué)攝像機(jī)采集并經(jīng)過(guò)處理后的視頻信息等。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 4 -第 2 章 智能小車(chē)的可行性分析2.1 題目分析顧名思義，智能無(wú)線控制小車(chē)的本質(zhì)就是一種小車(chē)，或者說(shuō)是一種輪型機(jī)器人，相比與一般的玩具小車(chē)，這種小車(chē)具備無(wú)線控制等多種功能，智能程度較高，所以稱(chēng)之為智能小車(chē)。通過(guò)對(duì)題目進(jìn)行了充分的分析和思考，將得出下列目標(biāo)、任務(wù)、及指標(biāo)。1.目標(biāo)：設(shè)計(jì)制作一個(gè)智能輪型機(jī)器人，能夠具有無(wú)線遙控、顯示和視頻傳輸功能。2.任務(wù)：（1）遠(yuǎn)距離控制輪型機(jī)器人前進(jìn)、后退、加減速、停止等，使其按照自己的意愿行走。（2）顯示小車(chē)行走的一些速度、轉(zhuǎn)角等基本信息。（3）能夠遠(yuǎn)距離的將云臺(tái)攝像頭的視頻及時(shí)、不失真的傳輸給上位機(jī)。3.指標(biāo)：（1）采用無(wú)線藍(lán)牙遙控器在一定的范圍內(nèi)控制輪型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。（2）采用智能手機(jī)的無(wú)線視頻傳輸技術(shù)，將輪型機(jī)器人所拍到的視頻及時(shí)床輸給上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)觀察其周?chē)闆r。2.2 方案選擇對(duì)于方案的可行性分析，主要根據(jù)方案的成熟程度、所需的技術(shù)難度、可靠性還有性?xún)r(jià)比。本小節(jié)將宏觀的對(duì)智能無(wú)線控制小車(chē)各個(gè)功能模塊進(jìn)行初步的選擇與優(yōu)化。1.無(wú)線遙控模塊方案一、采用紅外遙控模塊。本模塊發(fā)射部分由 PT2262 芯片完成編碼，并通過(guò) F05V 微型發(fā)射模塊發(fā)射信號(hào)，接收部分由 J05U 超外差式接收模塊接收信號(hào)，并由 PT2272 完成解碼。但此模塊有個(gè)致命的缺點(diǎn)，就是定位、移動(dòng)的精度無(wú)法滿足智能小車(chē)的設(shè)計(jì)要求。方案二、采用無(wú)線藍(lán)牙模塊。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，藍(lán)牙技術(shù)已日趨成熟，各種新型產(chǎn)品層出不窮。其中的無(wú)線藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸控制器，已發(fā)展為可以雙向傳輸數(shù)據(jù)，SPP 藍(lán)牙串行服務(wù),非常方便和手機(jī)、PC 等連接。所以對(duì)于智能小車(chē)的無(wú)線遙控模塊，采用優(yōu)勢(shì)明顯的無(wú)線藍(lán)牙模塊 BF-10。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 5 -2.無(wú)線視頻傳輸模塊方案一、購(gòu)買(mǎi) WIFI-Robot 驅(qū)動(dòng)板 [7]，參照網(wǎng)絡(luò)教程做出 WIFI 智能車(chē)。此方案簡(jiǎn)單所需的軟硬件都可以在網(wǎng)上買(mǎi)到，但此方案對(duì)于初次嘗試坐智能小車(chē)的我來(lái)說(shuō)，不確定因素大，難于實(shí)現(xiàn)。方案二、采用具備視頻功能的手機(jī)，設(shè)計(jì)合適的攝像頭云臺(tái)，將其固定在給定的攝像頭云臺(tái)上，從而通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行手機(jī)與手機(jī)，手機(jī)與電腦之間的視頻傳送。該方案原理簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)，并且能夠達(dá)到規(guī)定的要求。所以采用方案二。3.主控制模塊智能小車(chē)的控制板主要有兩種選擇：凌陽(yáng)單片機(jī)和 51 單片機(jī)。由于課本本中學(xué)過(guò) 51 單片機(jī)，并且手中有現(xiàn)成的兩塊 STC89C51 板，所以選用它作為智能小車(chē)的主控制器。4.電源模塊在電源模塊的設(shè)計(jì)中，我們考慮到在滿足各模塊工作電壓的需求的同時(shí)，盡可能做到綠色環(huán)保，無(wú)公害。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)采用太陽(yáng)能電池板是個(gè)不錯(cuò)的選擇。根據(jù)小車(chē)的功率選擇合適的太陽(yáng)能電池板。設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電源時(shí)，考慮到電池電壓較低，并且在電量損耗時(shí)存在電壓降低的情況，應(yīng)此我們采用了低壓差的穩(wěn)壓芯片 LM2940。2.3 總體方框圖根據(jù)以上方案，對(duì)于小車(chē)的大致結(jié)構(gòu)有了系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，小車(chē)的總體方框圖如下圖 2-1。圖 2-1 主板設(shè)計(jì)框圖 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 6 -2.4 本章小節(jié)本章主要從原理上對(duì)小車(chē)的可行性進(jìn)行分析，首先對(duì)智能小車(chē)題目進(jìn)行分析論證，即確定小車(chē)應(yīng)該具備什么功能。然后是方案的選擇方面，在很多方案中選擇一種最簡(jiǎn)單可行的方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)所要達(dá)到的功能。最后，系統(tǒng)的列出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖，作為后續(xù)章節(jié)的設(shè)計(jì)主線。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 7 -第 3 章 硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)硬件主要有五大模塊組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制模塊、無(wú)線遙控模塊、無(wú)線視頻傳輸模塊、電機(jī)及其控制模塊和電源模塊。3.1 主控模塊的設(shè)計(jì)本模塊采用 51 系列單片機(jī)作為核心處理器。單片機(jī)控制系統(tǒng)基本由最小系統(tǒng)和外圍信號(hào) I/O 口組成，其中最小系統(tǒng)包括電源（地） ，CPU 時(shí)序電路（一般使用 11.0592M 或者 12M 和 30P 電容組成） ，復(fù)位電路。有了以上三塊，單片機(jī)就能夠正常工作。STC89C51 是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫(xiě) 1000 次的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 STC89C51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性?xún)r(jià)比的解決方案。其應(yīng)用范圍廣，性能良好，可用于解決復(fù)雜的控制問(wèn)題。利用 STC89C51 的 I／O 端口對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷監(jiān)控來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的反映 [8]。如圖 3-1 是較為常見(jiàn)的帶燒錄接口的單片機(jī)最小系統(tǒng)圖。圖 3-1 帶燒錄接口的單片機(jī)最小系統(tǒng)哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 8 -3.1.1 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)一個(gè)基本的 MCS-51 單片機(jī)通常包括：中央處理器、ROM、RAM、定時(shí)/ 計(jì)數(shù)器和 I/O 口等各功能部件，各個(gè)功能由內(nèi)部的總線連接起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。其內(nèi)部框圖如圖 3-2 所示。3.1.2 單片機(jī)的引腳功能常見(jiàn)的 51 單片機(jī)中一般采用雙列直插（DIP）封裝，共 40 個(gè)引腳。圖 3-3 為引腳排列圖。其中的 40 個(gè)引腳大致可以分為 4 類(lèi)：電源、時(shí)鐘、控制和 I/O 引腳。圖 3-3 STC89C51 引腳排列圖圖 3.2 MS51 單片機(jī)結(jié)構(gòu)圖圖 3-2 單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 9 -（1）電源1 VCC：芯片電源端，一般為+5V。2 GND：接地端。（2）時(shí)鐘1 XTAL1：晶體振蕩電路的反相輸入端。2 XTAL2：晶體振蕩電路的輸出端。（3）控制線1 MCS-51 單片機(jī)的控制線有 4 根，其中 3 根是復(fù)用線，具有兩種功能。ALE/Error!：地址鎖存允許/編程脈沖。2 PSEN：外部 ROM 讀選通信號(hào)。3 RST：復(fù)位引腳。4 Error!/VPP ：內(nèi)外 ROM 選擇/EPROM 編程電源。（4）I/O 引腳MCS-51 單片機(jī)共有 4 個(gè) 8 位并行 I/O 端口，共 32 個(gè)可編程 I/O 引腳。3.1.3 單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由電源、復(fù)位、振 蕩電路以及擴(kuò)展部分等部分組成。最小系統(tǒng)原理圖如圖 3-4 所示。圖 3-4 最小系統(tǒng)電路圖（1）電源供電模塊哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 10 -對(duì)于一個(gè)完整的電子設(shè)計(jì)來(lái)講，首要問(wèn)題就是為整個(gè)系統(tǒng)提供電源供電模塊，電源模塊的穩(wěn)定可靠是系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)。51 單片機(jī)雖然使用時(shí)間最早、應(yīng)用范圍最廣，但是在實(shí)際使用過(guò)程中，一個(gè)和典型的問(wèn)題就是相比其他系列的單片機(jī)，51 單片機(jī)更容易受到干擾而出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象，克服這種現(xiàn)象出現(xiàn)的一個(gè)重要手段就是為單片機(jī)系統(tǒng)配置一個(gè)穩(wěn)定可靠的電源供電模塊。此最小系統(tǒng)中的電源供電模塊的電源可以通過(guò)計(jì)算機(jī)的 USB 口供給，也可使用外部穩(wěn)定的 5V 電源供電模塊供給，如圖 3-5 所示。電源電路中接入了電源指示 LED，圖中 R11 為 LED 的限流電阻。S1 為電源開(kāi)關(guān)。圖 3-5 電源模塊電路圖（2）復(fù)位電路復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳 RST 通過(guò)一個(gè)觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，觸發(fā)器用來(lái)抑制噪聲，它的輸出在每個(gè)機(jī)器周期中由復(fù)位電路采樣一次。復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。所謂上電復(fù)位，是指計(jì)算機(jī)加電瞬間，要在 RST 引腳出現(xiàn)大于 10MS 的正脈沖，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。按鈕復(fù)位是指用戶(hù)按下“復(fù)位” 按鈕，使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。如圖 3-6 是上電復(fù)位及按鈕復(fù)位的一種實(shí)用電路。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 11 -2uVC01KRST圖 3-6 復(fù)位電路（3）振蕩電路單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生有兩種方法：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路 [9]。STC89C51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。如圖3-7 所示，引腳 XTAL1 和 XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容 C1 和 C2 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對(duì)外接電容的值雖然沒(méi)有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為 12MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值通常取 30PF。在焊接刷電路板時(shí)，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。圖3-7 振蕩電路圖STC89C51 使用 11.0592MHz 的晶體振蕩器作為振蕩源，由于單片機(jī)內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個(gè)晶振和兩個(gè)電容即可，電容容量一般在 15pF 至 50pF 之間 [10]。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 12 -（4）燒寫(xiě)接口電路RST 置高電平，然后向單片機(jī)串行發(fā)送編程命令。P1.7(SCK)輸入移位脈沖，P1.6(MISO)串行輸出，P1.5(MOSI)串行輸入。被燒寫(xiě)的單片機(jī)一定是最小系統(tǒng)（單片機(jī)已經(jīng)接好電源，晶振，可以運(yùn)行） 。如圖 3-8 程序下載接口電路。 C1+VD235E6TOU7RIN890GMAXuFB串P_圖3-8程序下載接口電路3.2 無(wú)線通訊模塊設(shè)計(jì)無(wú)線通訊模塊主要完成對(duì)小車(chē)運(yùn)動(dòng)無(wú)線遙控功能。 紅外線和可見(jiàn)光具有相同的特性，因此只能直線傳輸。作為一種特替代方法，遙控器可以將射頻（RF）用作無(wú)線傳輸媒介，這樣一來(lái)就能穿透不透明物體和固定障礙物。射頻的這一固有特性還能給用戶(hù)賦予一種全新的自由感和移動(dòng)體驗(yàn)，并大大延伸作用距離。過(guò)去的十年中涌現(xiàn)了一系列無(wú)線技術(shù)，如藍(lán)牙、無(wú)線USB 、 WiFi 、Z-Wave、ZigBee 以及工作于不同頻段的其它射頻解決方案[11]，它們能夠簡(jiǎn)化有線網(wǎng)絡(luò)，覆蓋家庭、辦公室等任何場(chǎng)所。這些技術(shù)各不相同，而且針對(duì)不同的應(yīng)用。每一項(xiàng)技術(shù)都擁有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 我們究竟選用何種無(wú)線射頻技術(shù)來(lái)解決我們的家居遙控問(wèn)題呢？ 藍(lán)牙主要用于手機(jī)的無(wú)線耳麥，并正在進(jìn)入汽車(chē)領(lǐng)域，用于相同的應(yīng)用。藍(lán)牙 2.1 版有望克服耗電量大的缺陷。由于藍(lán)牙的工作頻率與 Wi-Fi、無(wú)繩話機(jī)和微波所使用的未經(jīng)許可的 2.4GHz ISM（工業(yè)/科學(xué)研究/ 醫(yī)療）頻段重疊，在家庭環(huán)境中使用藍(lán)牙遙控器極有可能產(chǎn)生通信延時(shí)和電池壽命縮短的問(wèn)題，因?yàn)樗捎昧艘资芨蓴_的跳頻擴(kuò)頻（FHSS）回避機(jī)制。Z-Wave 和 ZigBee 是兩個(gè)針對(duì)但不限于自動(dòng)化和傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的協(xié)議。它們都工作在 900MHz ISM 頻段，ZigBee 還提供 2.4GHz 版本。雖然900MHz 解決方案的確能夠提高信號(hào)的穿透性，但卻以犧牲數(shù)據(jù)速率為代價(jià)，很多人對(duì)此不能接受。Wi-Fi 毫無(wú)疑問(wèn)是當(dāng)今最常見(jiàn)的無(wú)線技術(shù)之一。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 13 -WiFi 提供足夠的帶寬，不僅能夠用于顯示，而且能夠?qū)⒇S富的媒體內(nèi)容傳送到遙控器上。雖然 WiFi 看起來(lái)是一種理想的射頻技術(shù)，但每一種技術(shù)都有缺點(diǎn)，WiFi 也不例外：功耗和系統(tǒng)成本是它的兩大短板。認(rèn)證無(wú)線USB 技術(shù)也有類(lèi)似的缺點(diǎn)，該技術(shù)是一項(xiàng)電纜替代標(biāo)準(zhǔn)。采用無(wú)線 USB技術(shù)的遙控器能夠保留有線 USB 在承載架構(gòu)、功能和數(shù)據(jù)速率方面的優(yōu)勢(shì)，并可充分利用相關(guān)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn) [12]。但對(duì)于習(xí)慣于生產(chǎn) 1 到 2 美元的紅外遙控器的大多數(shù)制造商而言，這種技術(shù)太過(guò)昂貴。藍(lán)牙是一種短距的無(wú)線通訊技術(shù)，電子裝置彼此可以透過(guò)藍(lán)牙而連接起來(lái)，省去了傳統(tǒng)的電線。透過(guò)芯片上的無(wú)線接收器，配有藍(lán)牙技術(shù)的電子產(chǎn)品能夠在十公尺的距離內(nèi)彼此相通，傳輸速度可以達(dá)到每秒鐘 1 兆字節(jié)。以往紅外線接口的傳輸技術(shù)需要電子裝置在視線之內(nèi)的距離，而現(xiàn)在有了藍(lán)牙技術(shù)，這樣的麻煩也可以免除了。本此設(shè)計(jì)采用一種利用藍(lán)牙系統(tǒng)建立手機(jī)或 PC 控制端與智能小車(chē)之間的無(wú)線通訊，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)或 PC控制智能小車(chē)的功能，并提出了一種手機(jī)遙控小車(chē)的解決方案。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此方案可以較為理想地實(shí)現(xiàn)電腦控制。3.2.1 藍(lán)牙模塊的選擇 市場(chǎng)上開(kāi)發(fā)的出的藍(lán)牙模塊比較具有代表性的有愛(ài)立信ROK101007、CSR 的 bluecore2 –E 藍(lán)牙模塊、DELTA 公司的 DFBM-CF121 藍(lán)牙芯片等?？紤]經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)適用性的原因，我們選用遵從藍(lán)牙1.2 協(xié)議以上的芯片模塊，綜合考察市場(chǎng)，我們選用由 深圳藍(lán)色飛舞科技公司生產(chǎn)的藍(lán)牙模塊 BF10。 具體實(shí)物如圖 3-9 所示。圖 3-9 藍(lán)牙模塊 BF10 實(shí)物圖3.2.2 藍(lán)牙模塊 BF10BF10 藍(lán)牙通信模塊為深圳藍(lán)色飛舞科技公司自主開(kāi)發(fā)的智能型無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品，本產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)型支持： 4800bps~1382400bps 等多種接口波特哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 14 -率，支持從模式，支持 64 通道藍(lán)牙替代串口線，應(yīng)用原理圖如圖 3-10 所示。3-10 BF10應(yīng)用電路圖 采用世界領(lǐng)先的藍(lán)牙芯片供應(yīng)商CSR的BlueCore4-Ext芯片，完全兼容藍(lán)牙2.0規(guī)范，硬件支持?jǐn)?shù)據(jù)和語(yǔ)音傳輸，最高可支持3M調(diào)制模式。語(yǔ)音接口支持PCM協(xié)議。 BF10模塊高靈敏性接收，低成本，體積小巧，低功耗 [5]。其引腳圖如圖3-11 所示。1．模塊描述及應(yīng)用原理供電： +3.3VRESET 復(fù)位： 低有效，上拉 470K 電阻到 3.3V，下接 0.1uF 電容到 地。PIO0：主從模式設(shè)置腳，懸空或者高電平表示主模式，低電平表示從模式。PIO1：藍(lán)牙連接狀態(tài)腳，高電平表示連接成功。PIO7：藍(lán)牙連接指示腳，接 LED 燈及電阻到地。主模式下未連接成功頻率較慢閃爍，連接成功常亮。從模式下未連接成功頻率快閃爍，連接成功常亮。PIO5 清空配對(duì)藍(lán)牙配對(duì)地址，平時(shí)為低，高脈沖則清空。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 15 -3-11 BF10引腳圖UART_TX 藍(lán)牙模塊串口數(shù)據(jù)發(fā)送腳，接單片機(jī)的 RXDUART_RX 藍(lán)牙模塊串口數(shù)據(jù)接收腳，接單片機(jī)的 TXD2．工作模式 （1）主模式工作流程：1 若存在配對(duì)地址則連接對(duì)應(yīng)的藍(lán)牙設(shè)備（不記憶模式則直接跳至） ?！?22 若不存在已配對(duì)的地址，則模塊掃描周?chē){(lán)牙設(shè)備（相同設(shè)備類(lèi)型碼） 。3 找到藍(lán)牙設(shè)備后配對(duì)連接（輸入配對(duì)碼） 。4 連接成功之后打開(kāi)串口，PIO1、PIO7 高電平表示連接成功，串口數(shù)據(jù)可以全雙工通信。（2）從模式工作流程：1 等待主模塊來(lái)連接。2 檢驗(yàn)配對(duì)碼是否正確。3 連接成功后，PIO1、PIO7 置高，串口數(shù)據(jù)可以全雙工通信。3. 應(yīng)用方法（1）操作方式：1 將 PIO0 接地，設(shè)置為從模式。2 將 PIO6、 PIO7 、PIO8、 PIO9 、PIO10、 PIO11 懸空或者置高，設(shè)置為 64 通道。3 設(shè)置 PIO2、 PIO3 、PIO4 、PIO5 為對(duì)應(yīng)需要的波特率。4 給模塊上電，等待 PC 藍(lán)牙適配器、PDA 等主機(jī)設(shè)備連接該模塊。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 16 -5 連接成功后，PIO1 腳都是輸出為高低脈沖。若連接成功之后，PIO1 管腳輸出為高電平?？梢赃B接一個(gè) LED 進(jìn)行顯示狀態(tài)。（2）串口通信波特率：1 設(shè)置兩個(gè)模塊的 PIO6 PIO7 PIO8 PIO9 PIO10 PIO11 相同的通道，不能為通道 64（即全高電平） 。具體參考設(shè)置模塊通道2 模塊上電，主模塊則自動(dòng)去查找該通道的從模塊，此時(shí)主模塊和從模塊的 PIO1 腳都是輸出為高低脈沖。若連接成功之后，主從模塊的 PIO1 管腳輸出為高電平?？梢赃B接一個(gè) LED 進(jìn)行顯示狀態(tài)。3 連接成功之后，兩個(gè)模塊兩端就能進(jìn)行串口數(shù)據(jù)全雙工通信了。從客戶(hù)端模式從客戶(hù)端模式是用在被電腦的藍(lán)牙適配器、PDA、手機(jī)等通用藍(lán)牙設(shè)備連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r，原理圖如圖 3-12。圖 3-12 應(yīng)用原理框圖 3.3 小車(chē)車(chē)體設(shè)計(jì)小車(chē)車(chē)體作為整個(gè)系統(tǒng)的載體，車(chē)體的形狀、設(shè)計(jì)理念直接影響到后續(xù)云臺(tái)的設(shè)計(jì)。對(duì)于小車(chē)車(chē)體的設(shè)計(jì)，我主要研究小車(chē)車(chē)體的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，小車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇和驅(qū)動(dòng)模塊的選擇。3.3.1 小車(chē)車(chē)體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于小車(chē)的結(jié)構(gòu)，主要要求車(chē)體較大，有足夠的攝像頭云臺(tái)和電源模塊的放置空間，同時(shí)還應(yīng)該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。智能小車(chē)采用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，負(fù)責(zé)校車(chē)的動(dòng)力，分別位于小車(chē)的左右兩側(cè)，小車(chē)的前后采用兩個(gè)萬(wàn)向輪。這樣小車(chē)就可以原地旋轉(zhuǎn) 360°，并且轉(zhuǎn)向平穩(wěn)、靈活。具體結(jié)構(gòu)如圖 3-13 所示。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 17 -圖 3-13 車(chē)體結(jié)構(gòu)3.3.2 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)的選用本次設(shè)計(jì)中采用了 L298N 驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)獨(dú)立直流電機(jī)分別控制小車(chē)的左輪右輪實(shí)物圖如圖 3-14。向小車(chē)發(fā)送左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)指令時(shí)，可以分別控制兩輪的轉(zhuǎn)速，使程序簡(jiǎn)潔，方便。前輪則用一個(gè)可自由旋轉(zhuǎn) 360o 的小輪代替，無(wú)論是停止還是轉(zhuǎn)向，前輪都可以隨之改變，方便操作，簡(jiǎn)化了程序的復(fù)雜性 [13]。圖 3-14 L298N 實(shí)物圖（1）電機(jī)方案的論證與比較方案一：采用步進(jìn)電機(jī)，精確度較高，一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)的3%-5%，且不積累，缺點(diǎn)是體積較大，速度較慢，且價(jià)格較高。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 18 -方案二：采用直流電機(jī)，直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，可以保證小車(chē)運(yùn)行的精度，雖然其控制的精確度沒(méi)有直流電機(jī)的高，但完全可以滿足本設(shè)計(jì)中的要求，而且價(jià)格也比較合理。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，覺(jué)得 JB37Y520 減速馬達(dá)比較合適，其結(jié)構(gòu)圖如圖 3-15，圖 3-16 所示。圖 3-15 驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)構(gòu)圖 圖 3-16 驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)物圖由于本次設(shè)計(jì)的智能小車(chē)體積較大，所嫁接的太陽(yáng)能電池板，和智能手機(jī)都比較沉重，所以采用大功率的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，12V 的JB37Y520 減速馬達(dá)完全能滿足要求，其主要參數(shù)如表 3-1 所示。3-1 驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)表哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 19 -（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N 是 SGS 公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。是一種二相和四相電機(jī)的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(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) [14]。其原理圖如圖 16 所示。圖 3-17 L298N 原理圖L298N 可直接的對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，無(wú)須隔離電路。通過(guò)單片機(jī)的 I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，停止的操作，非常方便，用程序輸入對(duì)應(yīng)的碼值，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，有效控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，如圖 3-18 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖。額定電壓： 12V 額定電流： 1A額定轉(zhuǎn)矩： 1N.M 額定轉(zhuǎn)速： 10-2000 rpm額定功率： 10W 型號(hào)： 520品牌： Aslong 產(chǎn)品類(lèi)型： 有刷直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品認(rèn)證： ROHS 外形尺寸： 27×33mm哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 20 -圖 3-18 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖L298N 使用方法簡(jiǎn)單，能很容易的驅(qū)動(dòng)小車(chē)的兩個(gè)直流減速電機(jī)。1和 15 和 8 引腳直接接地，4 管腳 VS 接 12V 的電壓，它是用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的，9 引腳是用來(lái)接 6V 電壓的，它是用來(lái)驅(qū)動(dòng) L298 芯片的。再此，需要注意的是，L298N 需要從外部接兩個(gè)電壓，一個(gè)是給電機(jī)的，另一個(gè)給 L298N 芯片的。6 和 11 引腳是它的使能端，一個(gè)使能端控制一個(gè)電機(jī)，可以把它理解為總開(kāi)關(guān)，只有當(dāng)它們都是高電平的時(shí)候兩個(gè)電機(jī)才有可能工作，5、7、10、12 是 L298N 的信號(hào)輸入端和單片機(jī)的 IO口相連，2、3、13、14 是輸出端，輸入 5 和 7 控制輸出 2 和 3，輸入的10、12 控制輸出的 13、14。3.4 攝像頭云臺(tái)設(shè)計(jì)攝像頭云臺(tái)主要作用是在云臺(tái)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，有選擇的旋轉(zhuǎn)一定角度，同時(shí)，將這些角度通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊床給上位機(jī)（電腦或智能手機(jī)） ，我們?cè)偻ㄟ^(guò)單片機(jī)和霍爾元件，控制小車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，是小車(chē)按照攝像圖制定的方向前進(jìn)。在整個(gè)過(guò)程中，要求云臺(tái)有自動(dòng)復(fù)位的功能，也就是在小車(chē)旋轉(zhuǎn)到給定的角度后，云臺(tái)能回到初始位置，及所采集的視頻是小車(chē)的正前方。在作為智能手機(jī)的載體，云臺(tái)的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)自由度極大地影響到小車(chē)定位、視頻傳輸這一塊的質(zhì)量。綜上，攝像頭云臺(tái)的設(shè)計(jì)主要包括攝像頭云臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇。哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 21 -3.4.1 云臺(tái)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)的選擇根據(jù)小車(chē)的設(shè)計(jì)需求，云臺(tái)旋轉(zhuǎn)的角度要有一個(gè)精確地控制。而步進(jìn)電機(jī)最容易實(shí)現(xiàn)這樣的精確控制?？梢愿鶕?jù)給定的脈沖數(shù)，推算出 步轉(zhuǎn)角度進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，進(jìn)而得出云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度，再通過(guò)單片機(jī)，藍(lán)牙輸出模塊將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，我們通過(guò)所顯示的角度值控制小車(chē)驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)頂你個(gè)角度，從而實(shí)現(xiàn)小車(chē)自身按照給定方向旋轉(zhuǎn)。在做小車(chē)前，已經(jīng)買(mǎi)過(guò)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)。所以為了降低成本，采用已有的器材。云臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用自帶減速裝置的 28BYJ-48 5V 步進(jìn)電機(jī)。驅(qū)動(dòng)選用 ULN2803APG 驅(qū)動(dòng)板。ULN2803 芯片介紹：有 8 個(gè) NPN 達(dá)林頓晶體管，連接在陣列非常適合邏輯接口電平數(shù)字電路 [15]，具體如圖 3-19。圖 3-19 ULN2803 引腳圖該電路為反向輸出型，即輸入低電平電壓，輸出端才能導(dǎo)通工作。該芯片的輸入端可以直接跟單片機(jī) IO 口相連接，輸出端直接連接步進(jìn)電機(jī)。工作時(shí)需要提供 5V 的外接電源。具體驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的原理圖 3-20 所示。圖 3-20 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 22 -步進(jìn)電機(jī) 28BYJ48 型 四 相 八 拍 電 機(jī) ，電 壓 為 DC5V—DC12V。 當(dāng) 對(duì) 步 進(jìn) 電機(jī) 施 加 一 系列連續(xù)不斷的控制脈沖時(shí)， 它可以連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。每一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的某一相或兩相繞組的通電狀態(tài)改變一次，也就對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度（一個(gè)步距角） 。當(dāng)通電狀態(tài)的改變完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距。其主要參數(shù)如表 3-2 所示。表 3-2 主要技術(shù)參數(shù)電機(jī)型號(hào) 電壓 V相數(shù)步距角度減速比N啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩啟動(dòng)頻率定位轉(zhuǎn) 矩噪聲絕緣介電強(qiáng)度28BYJ48 5 4 5.63/6464 ≥300g.cm550P.P.S≥300g.cm≤35 6000VAC1S四相步進(jìn)電機(jī)可以在不同的通電方式下運(yùn)行，常見(jiàn)的通電方式有（單相繞組通電）四拍（A-B-C-D-A） ，雙（ 雙 相 繞 組 通 電 ） 四拍（AB-BC- CD-DA-AB-） ，八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A ） 。步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（PM） ，反應(yīng)式（VR ）和混合式（HB）永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角一般為 7.5o 或 15o；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 1.5o，但噪聲和振動(dòng)都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家 80 年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為 1.8o而五相步進(jìn)角一般為 0.72o。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。紅線接電源 5V，橙色電線接 P1.3 口，黃色電線接 P1.2 口，粉色電線接 P1.1 口，藍(lán)色接 P1.0 口。由于單片機(jī)接口信號(hào)不夠大需要通過(guò)ULN2003 放大再連接到相應(yīng)的電機(jī)接口，具體接線如表 3-3 所示。表 3-3 云臺(tái)步進(jìn)電機(jī)接線與程序關(guān)系表橙 A P1.3 黃 B P1.2 粉 C P1.1 藍(lán) D P1.0 十六制（P1 口） 1 0 0 0 0x081 1 0 0 0x0c0 1 0 0 0x040 1 1 0 0x060 0 1 0 0x020 0 1 1 0x030 0 0 1 0x011 0 0 1 0x09哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 23 -速度計(jì)算公式：運(yùn)轉(zhuǎn)速度=脈沖頻率×60/ 步進(jìn)電機(jī)分割數(shù)/減速比 64 步進(jìn)電機(jī)分割數(shù)=360/6.625 圖3-21 ，圖3-22是28BYJ48的實(shí)物圖和機(jī)構(gòu)圖3.4.2 云臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)小車(chē)定位的需要，攝像頭云臺(tái)應(yīng)安裝在小車(chē)車(chē)體的最上層，并且位于中間位置。這樣就保證了車(chē)在原地旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，云臺(tái)的幾何位置不變，這樣避免了將云臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)化為小車(chē)旋轉(zhuǎn)角度過(guò)程中不必要的干擾因素，是計(jì)算更加簡(jiǎn)單。在云臺(tái)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)于云臺(tái)的自由度主要小車(chē)工作的需求而定。圖 3-21 28BYJ48 機(jī)械結(jié)構(gòu)圖圖 3-22 28BYJ48 實(shí)物圖哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 24 -市場(chǎng)上大多數(shù)攝像頭自帶有兩個(gè)自由度，分別是左右和上下旋轉(zhuǎn)，只要將攝像圖固定在一個(gè)合適的位置，攝像頭可以左右上下旋轉(zhuǎn)，又很大的覆蓋面。在本次設(shè)計(jì)攝像頭云臺(tái)時(shí)，考慮到后續(xù)任務(wù)打，難度大，所以采用較為簡(jiǎn)單的一個(gè)自由度，即只能沿著自身軸線旋轉(zhuǎn)。在確定了云臺(tái)安裝位置和功能要求后，下來(lái)就到云臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段了。云臺(tái)的設(shè)計(jì)參數(shù)主要以下三部分決定，小車(chē)車(chē)體尺寸，智能手機(jī)尺寸和驅(qū)動(dòng)電機(jī)尺寸。智能手機(jī)機(jī)以 iphone4s 為參考，其設(shè)計(jì)尺寸為 115.2×58.6×9.3mm，與小車(chē)連接的是四個(gè) R3 的孔，距離為邊長(zhǎng)是 140m 的正方形。云臺(tái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)自帶的連接孔是兩個(gè)相距 35.5mm 半徑是 R3 的孔。簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)如圖 3-23 所示：圖 3-23 云臺(tái)結(jié)構(gòu)圖3.5 無(wú)線視頻傳輸模塊設(shè)計(jì)無(wú)線視頻傳輸就是指不用布線（線纜）利用無(wú)線電波來(lái)傳輸視頻、聲音、數(shù)據(jù)等信號(hào)的傳輸系統(tǒng)。無(wú)線視頻傳輸分為：模擬微波傳輸和數(shù)字微波傳輸。在無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，攝像頭是最前端、最基礎(chǔ)、投資數(shù)量最大的一個(gè)產(chǎn)品，也是最關(guān)鍵設(shè)備，它負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)視區(qū)域進(jìn)行攝像并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再進(jìn)一步用于傳輸，其質(zhì)量直接影響視頻監(jiān)控系統(tǒng)的整體應(yīng)用，同時(shí)還關(guān)系到工程造價(jià)。 模擬微波傳輸就是把視頻信號(hào)直接調(diào)制在微波的信道上（微波發(fā)射機(jī)，哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 25 -HD-630） ，通過(guò)天線（HD-1300LXB）發(fā)射出去，監(jiān)控中心通過(guò)天線接收微波信號(hào)，然后再通過(guò)微波接收機(jī)（Microsat 600AM）解調(diào)出原來(lái)的視頻信號(hào)。如果需要控制云臺(tái)鏡頭，就在監(jiān)控中心加相應(yīng)的指令控制發(fā)射機(jī)（HD-2050） ，監(jiān)控前端配置相應(yīng)的指令接收機(jī)（HD-2060） ，這種監(jiān)控方式圖像非常清晰，沒(méi)有延時(shí)，沒(méi)有壓縮損耗，造價(jià)便宜，施工安裝調(diào)試簡(jiǎn)單，適合一般監(jiān)控點(diǎn)不是很多，需要中繼也不多的情況下使用 [16]。數(shù)字微波傳輸就是先把視頻編碼壓縮(HD-6001D)，然后通過(guò)數(shù)字微波(HD-9500)信道調(diào)制，再通過(guò)天線發(fā)射出去。接收端則相反，天線接收信號(hào)，微波解擴(kuò)，視頻解壓縮，最后還原模擬的視頻信號(hào)，也可微波解擴(kuò)后通過(guò)電腦安裝相應(yīng)的解碼軟件，用電腦軟解壓視頻。而且電腦還支持錄像、回放、管理、云鏡控制和報(bào)警控制等功能。這種監(jiān)控方式圖像有 720*576和 352*288 的分辨率選擇，前者造價(jià)更高，視頻有 0.2-0.8 秒左右的延時(shí)，造價(jià)根據(jù)實(shí)際情況差別很大，但也有一些模擬微波不可比的優(yōu)點(diǎn)，如監(jiān)控點(diǎn)比較多。環(huán)境比較復(fù)雜，需要加中繼的情況多，監(jiān)控點(diǎn)比較集中它可集中傳輸多路視頻，抗干擾能力比模擬的要好一點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，適合監(jiān)控點(diǎn)比較多，需要中繼也多的情況下使用 [17]。無(wú)線視頻傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)：1.綜合成本低，性能更穩(wěn)定。只需一次性投資，無(wú)須挖溝埋管，特別適合室外距離較遠(yuǎn)及已裝修好的場(chǎng)合；在許多情況下，用戶(hù)往往由于受到地理環(huán)境和工作內(nèi)容的限制，例如山地、港口和開(kāi)闊地等特殊地理環(huán)境，對(duì)有線網(wǎng)絡(luò)、有線傳輸?shù)牟季€工程帶來(lái)極大的不便，采用有線的施工周期將很長(zhǎng)，甚至根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。這時(shí)，采用無(wú)線監(jiān)控可以擺脫線纜的束縛，有安裝周期短、維護(hù)方便、擴(kuò)容能力強(qiáng)，迅速收回成本的優(yōu)點(diǎn)。2.組網(wǎng)靈活，可擴(kuò)展性好，即插即用。管理人員可以迅速將新的無(wú)線監(jiān)控點(diǎn)加入到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中，不需要為新建傳輸鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)、增加設(shè)備，輕而易舉地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控。3.維護(hù)費(fèi)用低。無(wú)線監(jiān)控維護(hù)由網(wǎng)絡(luò)提供商維護(hù)，前端設(shè)備是即插即用、免維護(hù)系統(tǒng)。4.無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)是監(jiān)控和無(wú)線傳輸技術(shù)的結(jié)合，它可以將不同地點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)信息實(shí)時(shí)通過(guò)無(wú)線通訊手段傳送到無(wú)線監(jiān)控中心，并且自動(dòng)形成視頻數(shù)據(jù)庫(kù)便于日后的檢索。5.在無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)中，無(wú)線監(jiān)控中心實(shí)時(shí)得到被監(jiān)控點(diǎn)的視頻信息，并且該視頻信息是連續(xù)、清晰的。在無(wú)線監(jiān)控點(diǎn)，通常使用攝像頭對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，攝像頭通過(guò)無(wú)線視頻傳輸設(shè)備相連，并通過(guò)由無(wú)線電波將數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送到監(jiān)控中心。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，視頻傳輸?shù)姆绞阶兊迷絹?lái)越易于實(shí)現(xiàn)。加之智能手機(jī)越來(lái)越普及，很多人都用上了具備視頻對(duì)話功能的手機(jī)。所以智哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- 26 -能小車(chē)中的無(wú)線視頻傳輸完全可以借用一個(gè)支持 QQ 視頻功能的一般的智能手機(jī)，其構(gòu)想圖如圖 3-24 所示。圖 3-24 無(wú)線視頻傳輸模型 3.6 電源模塊設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的另一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)就是采用太陽(yáng)能電作為小車(chē)的各種電源。隨著國(guó)家對(duì)新能源開(kāi)發(fā)的大力投入，我國(guó)的光伏產(chǎn)業(yè)去得了極大地發(fā)展，太陽(yáng)能產(chǎn)品也得到了普遍的運(yùn)用。經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，太陽(yáng)能電池板的種類(lèi)齊全，價(jià)格低廉。做智能小車(chē)采用太陽(yáng)能電池板是個(gè)非常有意義的選擇。比如，減少浪費(fèi)，保護(hù)環(huán)境，減少不必要的更換電池或者充電是智能小車(chē)更加方便智能化 [18]。3.6.1 太陽(yáng)能電池板 太陽(yáng)能電池是一種直接將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。目前，廣泛應(yīng)用的為單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池，也是這次實(shí)驗(yàn)的主要元器件。在初期設(shè)計(jì)時(shí)，想組裝成 12V 太陽(yáng)能小車(chē)。這將首先選型 12V 的太陽(yáng)能電池板，如圖 3-25 所示。具體各元器件及參數(shù)為：5 瓦/18 伏（12 伏系統(tǒng)使用） ；尺寸 243×230×16 毫米；峰值電壓：17.2V；峰值電流：0.29A；開(kāi)路電壓：21.6V；短路電流：0.33A；功率偏差：±3%；實(shí)物重量：0.56 千克；蓄電池一個(gè)（11.1V 1350mAh） ；直流電動(dòng)機(jī)（12V 250rpm） 。