畢設(shè)基于WIFI控制的智能小車報告

1、河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書專業(yè)班級 學(xué)生姓名 一、題目 二、起止日期 年 月 日至 年 月 日三、主要任務(wù)與要求 指導(dǎo)教師 職稱 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo) 簽字（蓋章）年 月 日河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人評語題目 評 閱 人 職稱 工作單位 年 月 日河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）評定書題目 指導(dǎo)教師 職稱 年 月 日河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯許可證答辯前向畢業(yè)設(shè)計答辯委員會（小組）提交了如下資料：1、設(shè)計（論文）說明 共 頁2、圖紙 共 張3、指導(dǎo)教師意見 共 頁4、評閱人意見 共 頁經(jīng)審查， 專業(yè) 班 同學(xué)所提交的畢業(yè)設(shè)計（論文），符合學(xué)校本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）的相關(guān)規(guī)定，達(dá)到畢業(yè)設(shè)計

2、（論文）任務(wù)書的要求，根據(jù)學(xué)校教學(xué)管理的有關(guān)規(guī)定，同意參加畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯。 指導(dǎo)教師 簽字（蓋章）年 月 日根據(jù)審查，準(zhǔn)予參加答辯。答辯委員會主席（組長） 簽字（蓋章）年 月 日河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會（小組）決議 學(xué)院 專業(yè) 班 同學(xué)的畢業(yè)設(shè)計（論文）于 年 月 日進(jìn)行了答辯。根據(jù)學(xué)生所提供的畢業(yè)設(shè)計（論文）材料、指導(dǎo)教師和評閱人意見以及在答辯過程中學(xué)生回答問題的情況，畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會（小組）做出如下決議。一、畢業(yè)設(shè)計（論文）的總評語二、畢業(yè)設(shè)計（論文）的總評成績： 三、答辯組組長簽名：答辯組成員簽名：答辯委員會主席： 簽字（蓋章）年 月 日摘 要Wifi全稱w

3、ireless fidelity，是當(dāng)今使用最廣的一種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。Wifi信號以其強大的覆蓋范圍和更高的傳輸速率得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計中研究了wifi控制技術(shù)在遙控小車中的應(yīng)用。該遙控小車以wifi信號為數(shù)據(jù)傳輸載體，同時通過攝像頭反饋視頻畫面，實現(xiàn)實時監(jiān)控、實時控制的功能?；趙ifi信號的上網(wǎng)功能應(yīng)用在我們生活中已經(jīng)非常廣泛，然而基于其在控制方面的應(yīng)用并不多，本設(shè)計就是嘗試采用這一并不廣泛應(yīng)用的技術(shù)，以希望在這方面能有新的突破。在整個設(shè)計系統(tǒng)中，wifi信號的應(yīng)用是主線，小車是載體，手機作為上位機發(fā)出控制指令，通過wifi模塊轉(zhuǎn)化發(fā)送給單片機，控制小車做出相關(guān)動作。關(guān)鍵詞：wifi信號

4、 單片機 控制 視頻傳輸AbstractWifi,whose full name is wireless fidelity,is one of the most widely used wireless network transmission technologies.Wifi signal with its powerful range and higher transmission rate is widely used.In this design,it mainly studies the wifi control technology in the application of t

5、he remote control car.Wifi signal is the carrier of the data transmission for the remote control car.At the same time,the webcam feedbacks the video images.We can realize the function of real-time monitoring,real-time control.The wifi Internet access in our life has been very widely used, however,it

6、s application in the control is not extensive.This design is to try using this not widely applied technology to have new breakthrough in this regard.In the whole design system, application of wifi signal is the main line.The car is a carrier.The phone is the upper machine control instruction.It sent

7、s signer to the microcontroller through the wifi module in order to control the car to make related actions.Keywords: Wifi signal microcontroller control video transmission目 錄1 概述11.1 選題的目的和意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及總體控制方案32.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)32.2 系統(tǒng)控制方案流程43 系統(tǒng)硬件設(shè)計53.1 Wifi模塊53.1.1 普通家用無線路由器刷機方法53.1.2 專用wifi模塊63.1.

8、3 Wifi模塊和單片機之間的通信73.2 MCU控制系統(tǒng)93.2.1 STC12C5A60S2單片機93.2.2 STC12C5A60S2單片機ISP（在系統(tǒng)可編程）系統(tǒng)113.2.3 STC12C5A60S2單片機串口通信模塊123.3 電源模塊143.3.1 選用的電池：143.3.2 電源模塊的設(shè)計153.4 電機驅(qū)動模塊173.4.1 驅(qū)動芯片的選擇173.4.2 驅(qū)動模塊及控制方式183.5 PCB（印刷電路板）的制作213.6 上位機233.6.1 PC版上位機軟件233.6.2 安卓手機版上位機軟件界面243.6.3 上位機的選擇253.7 攝像頭263.8 智能小車底盤274

9、.系統(tǒng)軟件設(shè)計284.1 Wifi模塊上的系統(tǒng)軟件284.2 單片機上的程序軟件284.2.1 串口程序初始化284.2.2 串口中斷程序29致謝31參考文獻(xiàn)32附錄一33河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書1 概述1.1 選題的目的和意義Wifi全稱wireless fidelity，是當(dāng)今使用最廣的一種無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。實際上就是把有線網(wǎng)絡(luò)信號轉(zhuǎn)換成無線信號，供支持其技術(shù)的相關(guān)電腦，手機，PDA等接收。手機如果有wifi上網(wǎng)功能的話，在有wifi信號的場所就可以不通過移動聯(lián)通的數(shù)據(jù)連接上網(wǎng)，這方面的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛了，但是基于wifi信號在控制方面的應(yīng)用還很少，然而相對于紅外信號和藍(lán)牙信號等

10、具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳送速度快等很多優(yōu)點。Wifi信號在無障礙環(huán)境中傳輸距離為300米左右，室內(nèi)有障礙的情況下傳輸距離也在100米左右，所以用它作為控制信號其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于紅外和藍(lán)牙信號。并且，上位機可以選擇手機、電腦等常用的移動設(shè)備，操作簡便。隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，大型商場、機場、車站、會展中心及物流倉庫等大型人流、物流場所的規(guī)模和數(shù)量不斷增加，大中城市的高層，高檔商用樓日益增多，規(guī)模迅速壯大，其安保需求也日趨迫切。巡邏智能車機器人是一個集感知環(huán)境、線路規(guī)劃、行動決策，行為控制、信息傳感以及報警裝置為一體的多功能綜合系統(tǒng)。將機器人用于安保工作、信息探索、軍事偵察具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來已受到國

11、內(nèi)外特別關(guān)注，已成為機器人技術(shù)的一個新的發(fā)展分支。綜上所述，基于wifi信號控制的遙控智能小車機器人未來將會在這些領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。鑒于對它的開發(fā)和研究也成為當(dāng)下的熱門技術(shù)，本設(shè)計也嘗試了這項新應(yīng)用，希望可以更多的了解和熟悉這項技術(shù)，完善其在控制方面的應(yīng)用。相信對wifi控制應(yīng)用的研究將來一定對人們的生活和高科技的發(fā)展探索具有深遠(yuǎn)的意義。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于互聯(lián)網(wǎng)在全球的快速普及與發(fā)展，人們的工作和生活越來越依賴互聯(lián)網(wǎng)。人們隨時隨地都有可能需要上網(wǎng)，產(chǎn)生了大量的WLAN服務(wù)需求。隨著智能天線技術(shù)的發(fā)展，筆記本電腦、手機、掌上電腦等支持wifi的移動終端越來越普及。進(jìn)一步增加了人們對WLA

12、N服務(wù)的需求?；趙ifi標(biāo)準(zhǔn)的WLAN網(wǎng)絡(luò)是目前最為普及的無線網(wǎng)絡(luò)形式。由于wifi信號如此快速的發(fā)展，它已不僅僅作為一種上網(wǎng)信號來使用了，用其作為控制信號的研究和開發(fā)已暫露頭角，但是wifi技術(shù)起步較晚，發(fā)展程度還不太成熟，所以基于wifi信號的一些控制類型的電子產(chǎn)品并不太多。不管是國內(nèi)還是國外，它的控制使用還僅處于研發(fā)、探索階段，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有像紅外和藍(lán)牙信號的使用那么廣泛。在人們現(xiàn)在的生活當(dāng)中，基于紅外信號的一些控制裝置比比皆是，但是紅外信號的弱點就是傳輸范圍小，當(dāng)有障礙物時范圍更小，而wifi信號的傳輸范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于紅外信號，所以基于wifi信號控制的電子產(chǎn)品具有很好的發(fā)展前景。本設(shè)計是用

13、wifi信號來控制智能小車，智能小車已經(jīng)被大多數(shù)人熟悉，其在玩具、安全巡邏、無人探測等領(lǐng)域已具有廣泛的應(yīng)用。由于受wifi覆蓋的影響，基于wifi的應(yīng)用還不能那么隨心所以，這也是制約其發(fā)展的一個弊端。但是，隨著wifi網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步完善，相信基于其的有關(guān)控制電子產(chǎn)品會充滿人們的生活世界中，為人們提供更多的便利，其發(fā)展前景非?？捎^。412 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及總體控制方案2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在整個系統(tǒng)設(shè)計中，以wifi模塊和MCU系統(tǒng)為核心，其余包括上位機模塊、電源模塊、電機驅(qū)動模塊、攝像頭和小車等部分。整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖如圖2-1所示：上位機（手機）wifi模塊MCU系統(tǒng)電機驅(qū)動模塊小車直流電機攝像頭電源模塊

14、電池圖2-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程圖上位機選擇的是手機，其作用是接收wifi模塊發(fā)送過來的wifi信號，并以此為載體將控制指令發(fā)送到wifi模塊，同時接收來自攝像頭采集過來的視頻流，該視頻流也是以wifi信號為載體傳送到手機，并在手機屏幕上顯示所采集到的畫面。Wifi模塊其實就是路由器的一部分，其作用就是發(fā)射wifi信號，便于手機搜索和作為信號的載體。同時，接收手機發(fā)過來的指令，并轉(zhuǎn)化成TTL電平，經(jīng)由TTL串口輸出給單片機。MCU系統(tǒng)是基于STC12C5A60S2單片機的控制系統(tǒng)，功能是通過串口1接收來自wifi模塊TTL串口發(fā)送的指令，并提取有效控制指令。以有效控制指令為依據(jù)，經(jīng)過分析、計算，最周

15、將結(jié)果經(jīng)單片機I/O口。電機驅(qū)動模塊是圍繞L298N驅(qū)動芯片搭建的，驅(qū)動電流可達(dá)到2A，可以實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的控制，方便小車實現(xiàn)各種動作。電源模塊是由LM2940-5穩(wěn)壓芯片組成的，輸入為電池提供的7.2V電壓，輸出電壓為5V，分別為wifi模塊、MCU系統(tǒng)和電機驅(qū)動模塊提供工作電壓和控制電壓。同時電池也為電機轉(zhuǎn)動直接提供電能。攝像頭采用的是天敏S606無驅(qū)攝像頭，聲音信號和圖像信號集成在一個USB線上進(jìn)行傳輸，像素高。將攝像頭的USB接口查到wifi模塊上預(yù)留的USB口即可。2.2 系統(tǒng)控制方案流程總體控制流程可概述為：wifi模塊發(fā)射wifi信號，作為信號傳輸?shù)妮d體。手機打開wifi功能，搜索w

16、ifi模塊的無線信號并連接，這樣就完成了手機和wifi模塊之間的無線通信。打開手機上的WIFIROBOTS軟件，軟件上的每一個按鍵代表一個動作，當(dāng)按下時會有控制指令發(fā)出，控制指令以wifi信號的形式發(fā)送到wifi模塊并被接收。Wifi模塊將接收到的信號轉(zhuǎn)化成TTL電平信號并通過TTL串口輸送到單片機的串行口1。同時，攝像頭將采集到的畫面信號發(fā)送給wifi模塊，wifi模塊分析、計算后發(fā)送給上位機并在上位機上顯示所采集到的畫面。單片機接收并提取有效控制指令，并根據(jù)有效的控制指令使相應(yīng)的I/O口輸出相應(yīng)的電平，以此作為驅(qū)動模塊的控制信號。驅(qū)動模塊根據(jù)接收到的控制信號使相應(yīng)的電機正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，從而使

17、小車完成具體的動作。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計硬件是整個系統(tǒng)的軀干，是軟件運行的平臺。硬件的選擇直接決定系統(tǒng)的運行狀況，為了使系統(tǒng)能夠運行良好，需要搭建一個很好的硬件平臺。硬件模塊主要包括wifi模塊、MCU系統(tǒng)模塊、電源模塊、驅(qū)動模塊等。3.1 Wifi模塊Wifi模塊實質(zhì)上是無線路由器或者說是無線路由器的部分電路，主要是用來提供wifi信號，同時接收上位機發(fā)來的控制指令，并對指令進(jìn)行轉(zhuǎn)化，最后輸出單片機可以識別的TTL電平。這部分除了選用專用的wifi模塊外，也可以通過普通的家用無線路由器刷機設(shè)置而成，這個可以根據(jù)自己的條件選擇。3.1.1 普通家用無線路由器刷機方法普通家用無線路由器只是具有路由功

18、能或者交換機的功能，然后本設(shè)計中需要其接收上位機的信號并轉(zhuǎn)化輸出，同時還要識別攝像頭并傳輸圖像，實際上是把它當(dāng)做小電腦來使用了，所以必須對其進(jìn)行刷機和安裝一些軟件。過程如下：1）、把普通的家用無線路由器刷入開源的OpenWrt系統(tǒng)，使之成為一個運行了Linux系統(tǒng)的小電腦；何為OpenWrt：當(dāng)Linksys釋放WRT54G/GS的源代碼后，網(wǎng)上出現(xiàn)了很多不同版本的Firmware去增強原有的功能。大多數(shù)的Firmware都是99%使用Linksys的源代碼，只有1%是加上去的，每一種Firmware都是針對特定的市場而設(shè)計。這樣做有2個缺點，第一個是難以集合各版本Firmware的長處，第二

19、個是這版本距離Linux正式發(fā)行版越來越遠(yuǎn)。OpenWrt選擇了另一條路，它從零開始，一點一點的把各軟件加入去，使其接近Linksys版Firmware的功能，而OpenWrt的成功之處是它的文件系統(tǒng)是可寫的，開發(fā)者無需在每一次修改后重新編譯，令它更像一個小型的Linux電腦系統(tǒng)，也加快了開發(fā)速度。簡而言之，就是從思科的路由源代碼改造過來的，一個適用于某些特定芯片的路由器的小型Linux系統(tǒng)，有了這個系統(tǒng)，路由器就不再是只能上網(wǎng)那么簡單了，用戶可以在上面安裝各種程序、驅(qū)動等，以路由為平臺，用戶可以自由地加載USB攝像頭、網(wǎng)卡、聲卡、等設(shè)備，方便電子工作愛好者以其為平臺進(jìn)行各種開發(fā)。但是，給路由

20、器刷OpenWrt系統(tǒng)特別麻煩，對專業(yè)性、熟練度和技術(shù)要求特別高，一般的人員很難完成這項工作，需要專業(yè)的人士進(jìn)行操作。一般買路由器時可以要求店家刷好OpenWrt系統(tǒng)，以方便自己開發(fā)，節(jié)約時間。2）、給刷好OpenWrt系統(tǒng)的無線路由器裝入一款叫做mjpg-streamer的程序，它的作用就是對USB攝像頭傳過來的視頻進(jìn)行編碼，然后通過wifi信號返回給上位機，這樣就可以遠(yuǎn)程、直觀的看到來自機器人傳過來的視頻了。如果需要擴展其他功能，譬如聲音模塊，顯示模塊等可以繼續(xù)給路由器刷入相應(yīng)的聲卡、顯卡驅(qū)動，但是要注意，必須是Linux系統(tǒng)支持的相關(guān)驅(qū)動，因為Linux系統(tǒng)沒有Windows系統(tǒng)那么強大

21、，所以支持的軟件也不多，刷入之前一定要確?？梢员籐inux系統(tǒng)識別。3）、引出TTL串口：一般的路由器都預(yù)留有TTL串口，TTL串口是用來調(diào)試或者刷機用的。對路由器進(jìn)行上述各種設(shè)置，最終目的是為了讓它和單片機成功握手，以便于跟單片機正常通信，所以要引出TTL串口，然后通過安裝在路由器里面的Ser2net軟件，就能把來自wifi信號的指令傳到串口輸出，這時串口與單片機MCU串口進(jìn)行通信，單片機接收串行指令并分析、計算并輸出結(jié)果。3.1.2 專用wifi模塊對于初學(xué)者來說，家用無線路由器的刷機過程還是相當(dāng)困難。因為wifi控制這一領(lǐng)域還不算太成熟，其控制方面的應(yīng)用也不是很廣泛，所以關(guān)于wifi控制

22、方面的資料也相對很少，能找到的刷價教程的資料也不夠詳細(xì)，所以最終沒有選擇這個方案，而是選擇了在網(wǎng)上直接購買已經(jīng)刷機成功并且完成軟件安裝的專用wifi模塊，它有直接引出的TTL串口，可以直接和單片機通信。如圖3-1所示為該模塊的實物圖。LAN口TTL輸出端口攝像頭USB接口mini·USB供電端口圖3-1 wifi模塊實物圖Wifi模塊其實就是一個被簡易化了的無線路由器，只擴展了供電端口，USB攝像頭接口和一個網(wǎng)口。供電端口是那個比較小的USB口（俗稱mini·USB），用一條USB供電線，一頭插在mini·USB口上，另一頭插在電腦USB或者自己搭建的電源模塊上，

23、供電電壓 為5V，可提供的驅(qū)動電流不低于1A。上面的USB接口是用來連接USB攝像頭的，用以捕獲視頻并反饋到上位機上。擴展出來的網(wǎng)口的作用非常靈活，在模塊中默認(rèn)為LAN口，可以用從此口登陸路由，進(jìn)行軟件管理，也可以通過設(shè)置界面，將這個網(wǎng)口改為WAN口。3.1.3 Wifi模塊和單片機之間的通信Wifi模塊的輸出和單片機的串口通信都是TTL電平，TTL電平的范圍是輸出高電平>2.4V，輸出低電平<0.4V。在室溫下，一般輸出高電平是3.5V，輸出低電平是0.2V。最小輸入高電平>=2.0V，最小輸入低電平<=0.8V，噪聲容限是0.4V。Wifi模塊

24、上輸出的TTL電平是3.3V左右，所選用的STC12C5A60S2單片機串口通信匹配的TTL電平是5.0V，兩者都在TTL電平的范圍之內(nèi)，所以可以直接通信而不需要搭建電平轉(zhuǎn)換電路。在連線時需要注意，wifi模塊的TTL輸出端口三根線分別為GND、TX和RX，應(yīng)當(dāng)分別連接單片機的GND、RX和TX。剛開始時，wifi模塊的TX連接單片機的TX，RX連接了單片機的RX，以致于怎么也無法通信。后來發(fā)現(xiàn)了問題所在才得以解決。3.2 MCU控制系統(tǒng)MCU控制系統(tǒng)即單片機控制系統(tǒng)，主要功能是利用串口接收來自wifi模塊的信號，提取有效指令位并儲存起來。同時，MCU根據(jù)采集到的指令使相應(yīng)的I/O口執(zhí)行相應(yīng)的

25、電平輸出，從而達(dá)到控制驅(qū)動模塊的目的。3.2.1 STC12C5A60S2單片機本設(shè)計采用的是STC12C5A60S2單片機，該單片機是由宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，但速度快8-12倍。STC12C5A60S2單片機中包含中央處理器(CPU)、程序存儲器(Flash)、數(shù)據(jù)存儲器(SRAM)、定時/計數(shù)器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D轉(zhuǎn)換、SPI接口、PCA模塊、看門狗及片內(nèi)R/C振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊，幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上一個片上

26、系統(tǒng)。由于其超強抗干擾的特性，在電機控制等強干擾場合應(yīng)用比較廣泛。主要特點：（1） 增強型8051-CPU，1T單時鐘/機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051；（2） 工作電壓：3.5V5.5V；（3） 工作頻率范圍：035MHz，相當(dāng)于普通8051單片機的0420MHz；（4） 用戶應(yīng)用程序空間60K，片上集成1280字節(jié)RAM；有內(nèi)部EEPROM功能；（5） 通用I/O口（36/40/44個），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口），也可通過寄存器設(shè)置成準(zhǔn)雙向口/弱上拉，強推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏四種模式。每個I/O口驅(qū)動能力均可達(dá)到20mA，但整個芯片最大不要超

27、過120mA；（6） ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成；（7） 內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路（外部晶體12M以下時，復(fù)位腳可直接1K電阻到地）；（8） 集成外部掉電檢測電路，在P4.6口有一個低壓門檻比較器，比較電壓為1.33V，誤差為±5%；（9） 時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，內(nèi)部R/C振蕩器(溫漂為±5%±10%以內(nèi))。用戶在下載用戶程序時，可選擇使用內(nèi)部R/C振蕩器或者外部晶體/時鐘。常溫下內(nèi)部R/C振蕩器頻率為11MHZ17MHZ。精度要求不

28、高時，可選擇使用內(nèi)部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準(zhǔn)；（10） 共4個16位定時器，兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數(shù)器，16位定時器T0和T1，沒有定時器2，但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器，再加上2路PCA模塊可再實現(xiàn)2個16位定時器；（11） 2路PWM/PCA（可編程計數(shù)器陣列），可用來當(dāng)做2路D/A使用，也可設(shè)置成2個定時器，或者用來再實現(xiàn)2個外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同時支持)；（12） 8路A/D轉(zhuǎn)換，10位精度ADC，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S(每秒鐘25萬次)；（13） 通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的805

29、1，可再用定時器或PCA軟件實現(xiàn)多串口功能；（14） 工作溫度范圍：-40+85(工業(yè)級)/075(商業(yè)級)；（15） 封裝有LQFP-48，LQFP-44，PDIP-40，PLCC-44，QFN-40五種。當(dāng)I/O口不夠用時，可用2到3根普通I/O口線外接74HC164/165/595（均可級聯(lián)）來擴展I/O口，還可用A/D做按鍵掃描來節(jié)省I/O口，或用雙CPU，三線通信，還多了串口。本設(shè)計采用的是PDIP-40封裝芯片，其管腳圖如圖3-2所示：圖3-2 STC12C5A60S2單片機PDIP-40封裝引腳圖實物圖如圖3-3所示：圖3-3 STC12C5A60S2單片機PDIP-40封裝實物

30、圖3.2.2 STC12C5A60S2單片機ISP（在系統(tǒng)可編程）系統(tǒng)STC12C5A60S2單片機具有ISP（在系統(tǒng)可編程）功能，無需專用編程器，可通過串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，ISP(在系統(tǒng)可編程)原理圖如圖3-4所示：圖3-4 STC12C5A60S2單片機ISP(在系統(tǒng)可編程)原理圖該圖中上半部分是利用MAX232芯片搭建電平轉(zhuǎn)換電路，通過9針串口連接USB轉(zhuǎn)串口線，然后USB轉(zhuǎn)串口線的USB接頭連接電腦，這樣就搭建好了在系統(tǒng)編程的硬件電路。復(fù)位電路包括兩個，當(dāng)時鐘頻率低于12MHZ時，可以使用左側(cè)C6，R5搭建的復(fù)位電路，此時只應(yīng)插上J4短路帽。當(dāng)時鐘頻率高于12M

31、HZ時，建議使用第二復(fù)位功能腳P4.6，如圖由R6、R7組成的低電平檢測復(fù)位電路，此時應(yīng)只插上J5短路帽。本設(shè)計使用的是12MHZ晶振，所以使用左側(cè)由C6，R5搭建的復(fù)位電路即可。外部有源晶振電路是有兩個30PF的電容和晶振組成的，當(dāng)外部時鐘頻率在33MHZ以上時，建議直接使用外部有源晶振。如果使用內(nèi)部R/C振蕩器時鐘(室溫情況下為:11MHZ17MHZ)，XTAL1和XTAL2腳浮空。本設(shè)計使用的是12MHZ晶振，可以選擇使用內(nèi)部R/C振蕩器，但是使用內(nèi)部R/C振蕩器有一個弊端就是精確度不高，然而本設(shè)計需要使用串口，要用到波特率發(fā)生器，所以為了精確起見，最終還是選擇了使用外部有源晶振。3.2

32、.3 STC12C5A60S2單片機串口通信模塊本設(shè)計中主要用到了該單片機的串口通信模塊，一方面是為了下載程序，另一方面是接收來自wifi模塊的信號。STC12C5A60S2單片機具有2個采用UART工作方式的全雙工串行通信接口(串口1和串口2)。每個串行口由2個數(shù)據(jù)緩沖器、一個移位寄存器、一個串行控制寄存器和一個波特率發(fā)生器等組成。每個串行口的數(shù)據(jù)緩沖器由2個互相獨立的接收、發(fā)送緩沖器構(gòu)成，可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。發(fā)送緩沖器只能寫入而不能讀出，接收緩沖器只能讀出而不能寫入，因而兩個緩沖器可以共用一個地址碼。串行口1的兩個緩沖器共用的地址碼是99H，串行口2的兩個緩沖器共用的地址碼是9BH。串

33、行口1的兩個緩沖器統(tǒng)稱為SBUF，串行口2的兩個緩沖器統(tǒng)稱S2BUF。STC12C5A60S2單片機串行口1對應(yīng)的硬件部分是TxD/P3.1和RxD/P3.0引腳，串行口2對應(yīng)的硬件部分是P1.2/RxD2和P1.3/TxD2。因為在整個系統(tǒng)中下載程序和接收wifi數(shù)據(jù)不同時，所以只使用了串行口1作為通信串口。STC12C5A60S2單片機的兩個串行口都有4種工作方式，分別為方式0、1、2、3四種，可通過串行控制寄存器SCON中的SM0和SM1兩個位來選擇所需的工作方式。主機SM0SM1工作方式功能說明波特率00方式0同步移位串行方式：移位寄存器當(dāng)UART_M0x6=0時，波特率是SYSclk

34、/12當(dāng)UART_M0x6=1時，波特率是SYSclk/201方式18位UART，波特率可變（2SMOD/32）*（定時器1的溢出率或BRT獨立波特率發(fā)生器的溢出率）10方式29位UART，波特率固定（2SMOD/64）*時鐘頻率11方式39位UART，波特率可變（2SMOD/32）*（定時器1的溢出率或BRT獨立波特率發(fā)生器的溢出率）可通過查詢或中斷方式對接收/發(fā)送進(jìn)行程序處理，使用十分靈活。詳見表3-1。表3-1 STC12C5A60S2單片機串口通信工作模式該單片機內(nèi)部集成了獨立波特率發(fā)生器BRT，同時也保留了定時器1作為波特率發(fā)生器的功能。通信時的波特率隨所選工作模式的不同而變化。因為

35、wifi模塊傳輸?shù)氖?6進(jìn)制的數(shù)據(jù)，所以選用了方式1，8位UART進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時選用了獨立波特率發(fā)生器，可以釋放定時器1。3.3 電源模塊電源是一個系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)，電源模塊為系統(tǒng)其他各個模塊提供所需要的能源保證，因此電源模塊的設(shè)計至關(guān)重要。智能小車系統(tǒng)中需要供電的部分包括：MCU系統(tǒng)模塊、wifi模塊和電機驅(qū)動模塊等。如圖3-5所示：穩(wěn)壓芯片5Vwifi模塊MCU系統(tǒng)電機驅(qū)動電機驅(qū)動7.2V電池圖3-5 電源模塊供電系統(tǒng)圖3.3.1 選用的電池：因為小車是雙電機驅(qū)動，需要的電能比較多，同時其他模塊也需要供電，所以需要選擇容量比較大的電池。本設(shè)計選用的是7.2V、2000mAh的鎳鎘電池

36、，如圖3-6所示。該電池容量大，提供的驅(qū)動電流可達(dá)10A以上，可以穩(wěn)定的給各個模塊供電。圖3-6 電池3.3.2 電源模塊的設(shè)計設(shè)計中，除了需要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)外，還要在電源轉(zhuǎn)換效率、噪聲、干擾和電路復(fù)雜程度等方面進(jìn)行優(yōu)化?？煽康碾娫捶桨甘钦麄€硬件電路穩(wěn)定可靠運行的基礎(chǔ)。電源模塊由若干相互獨立的穩(wěn)壓電源電路組成。在本設(shè)計中，除了電機驅(qū)動模塊的電源是直接取自電池外，其余各個模塊的工作電壓都需要經(jīng)過穩(wěn)壓芯片來實現(xiàn)。由于電路中的不同模塊所需要的工作電流容量各不相同，因此電源模塊應(yīng)該包含多個穩(wěn)壓電路，保證為每個模塊提供足夠的電能。 穩(wěn)壓芯片的選擇穩(wěn)壓芯片作用是輸出恒定的電

37、壓，三個模塊的工作電壓都是5V，所以最后選擇了LM2940-5穩(wěn)壓芯片。LM2940-5系列穩(wěn)壓芯片是輸出電壓固定的低壓差三端穩(wěn)壓器，輸出電壓是5V，比LM7805系列穩(wěn)壓芯片的轉(zhuǎn)換效率高，LM7805系列直接輸入不接輸出的情況下，其內(nèi)部還會有3mA的靜態(tài)電流消耗，而LM2940系列元件的靜態(tài)電流就遠(yuǎn)遠(yuǎn)比它小得多。最大輸出電流1A，當(dāng)輸出1A電流時，最小輸入輸出電壓差小于0.8V；最大輸入電壓26V；工作溫度-40+125；內(nèi)含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過熱保護、電池反接和反插入保護電路。LM2940-5芯片有兩種封裝，分別為TO-263和TO-220，如圖3-7所示，兩種封裝都是三個管腳，

38、正視圖從左向右依次是Vin、GND和Vout。本設(shè)計中采用的是TO-220封裝，可以外加散熱片。圖3-7 LM2940-5穩(wěn)壓芯片封裝圖 電源模塊電路圖根據(jù)每個模塊的特點，最終確定用三個穩(wěn)壓電路分別給設(shè)計中的三個工作模塊供電。其中wifi模塊所需要的電流最大，因為它要承擔(dān)攝像頭的工作電能。MCU系統(tǒng)和電機驅(qū)動的邏輯電平不需要太大的電流，但是因為兩者需要隔離以防止電機工作電流太大而影響MCU的正常工作，所以這兩個模塊也選擇了分別供電。電路圖如圖3-8所示：圖3-8 基于LM2940-5的電源模塊電路圖圖中Power是電池接口，LM2940兩端的電容可以起到濾波、儲能和防止穩(wěn)壓器振蕩

39、的作用。 3.4 電機驅(qū)動模塊驅(qū)動模塊主要是為電機提供比較大的工作電流，同時可以通過驅(qū)動模塊實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，從而可以讓小車完成工作動作。3.4.1 驅(qū)動芯片的選擇本設(shè)計中，小車用的是雙驅(qū)直流電機，所以需要兩個驅(qū)動全橋來分別控制兩個電機。鑒于兩個電機功率都不是太大，而L298N驅(qū)動芯片集兩個驅(qū)動全橋與一身，所以最終選擇了L298N這款驅(qū)動芯片。L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片，內(nèi)部集成兩個全橋。主要特點有：（1） 電機電壓直流范圍為3V-46V，可見其最高工作電壓可達(dá)46V；（2） 輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A，額定功率為25W；（3） 內(nèi)含兩個

40、H橋，可以驅(qū)動直流電機和步進(jìn)電動機、繼電器線圈等感性負(fù)載；（4） 采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號控制，控制信號為直流5V；（5） 具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作；（6） 有四個邏輯電平輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；（7） 可以驅(qū)動一臺兩相步進(jìn)電機或四相步進(jìn)電機，也可以驅(qū)動兩臺直流電機。該芯片有15引腳的Multiwatt封裝和20引腳的雙列直插兩種封裝。本設(shè)計中采用15腳封裝，管腳圖如圖3-9所示，管腳功能介紹見表3-2。圖3-9 L298N驅(qū)動芯片Multiwatt封裝管腳圖管腳序號名稱功能1；15Sense A；Sense B在這個引腳和地之間可以接感應(yīng)

41、電阻用于控制負(fù)載電流2；3Out 1；Out2A橋的輸出端口；流經(jīng)這兩個端子連接的負(fù)載電流在端子1被檢測4Vs用于驅(qū)動負(fù)載的功率輸出電源電壓.在這個引腳和地之間必須接一個100nf的無極性電5；7Input 1；Input 2A橋的電平兼容輸入6；11Enable 1；Enable 2電平兼容使能輸入；低電平使橋A或者橋B關(guān)閉（不工作）8GND地9VSS邏輯電源電壓.此引腳和地之間必須接一個100nf的電容10；12Input 3；Input 4B橋的電平兼容輸入13；14Out 3；Out 4B橋的輸出端口；流經(jīng)這兩個端子連接的負(fù)載電流在端子15被檢測表3-2 L298N驅(qū)動芯片管腳功能3.

42、4.2 驅(qū)動模塊及控制方式本設(shè)計中采用的是用PCB板制作的模塊，這樣可以提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。由于驅(qū)動模塊需要給電機提供很大的工作電流，所以在驅(qū)動模塊是增加了光耦隔離電路，把電機和單片機隔離分開，防止電機的大電流對單片機的干擾。驅(qū)動模塊如圖3-10所示：控制端口LM2940-5光耦隔離芯片L298N芯片電機接口電池接口圖3-10 L298N驅(qū)動模塊模塊上的LM2940-5穩(wěn)壓芯片給L298N提供邏輯工作電壓和給TLP521光耦隔離芯片提供輸出側(cè)的工作電壓?？刂贫丝诘墓ぷ麟妷阂约癟LP521光耦隔離芯片輸入側(cè)的電壓有MCU模塊上的LM2940-5穩(wěn)壓芯片提供，中間由TLP521光耦隔離芯片將兩者

43、隔離開來，達(dá)到不影響單片機正常工作的目的。驅(qū)動模塊原理圖如圖3-11所示：圖3-11 L298N驅(qū)動模塊原理圖 控制方式介紹當(dāng)IN1輸入低電平（0V）時，對應(yīng)的LED燈就會亮起，輸出端口A就會輸出稍微小于電機供電端輸入的電壓，本設(shè)計采用7.2V電池供電，這時A端口和GND之間的電壓就是接近7V的電壓。以此類推，當(dāng)IN2、IN3、IN4輸入低電平（0V）時，對應(yīng)的端口B、C、D和GND之間就會產(chǎn)生接近7V的電壓。因此，當(dāng)IN1輸入0V，IN2輸入5V，A和GND之間的電壓是7V左右，B和GND之間的電壓就是0V，這樣A和B端的電壓就是7V左右，這樣電機1就正轉(zhuǎn)。同理，當(dāng)IN1輸入5

44、V，IN2輸出0V時，電機1就反轉(zhuǎn)。IN3和IN4也是根據(jù)這個原理控制電機2的正反轉(zhuǎn)。如果不需要調(diào)速，將PWMB、PWMA和5V之間的短路帽插上，這樣電機就會全速運行。如果需要調(diào)速，取下PWMA、PWMB和5V之間的短路帽，在PWMA、PWMB端輸入PWM信號來控制電機的轉(zhuǎn)速。在這個設(shè)計中，小車運動的速度本來就比較慢，調(diào)速并不是主要工作，也沒有必要，所以直接將PWMB、PWMA和5V之間的短路帽插上，讓小車全速運行。3.5 PCB（印刷電路板）的制作為了使系統(tǒng)能夠更加穩(wěn)定的工作，同時也為了從這次畢業(yè)設(shè)計中學(xué)到更多知識，于是嘗試了制作PCB板，把MCU系統(tǒng)和電源模塊兩個模塊合在一起。PCB板上也

45、預(yù)留了跟wifi模塊通信和供電的端口，這樣可以省去好多外部連線，使各模塊之間連接更加有條理。PCB板原理圖如圖3-12所示：圖3-12 整體系統(tǒng)原理圖制作完成的PCB板和焊接后的系統(tǒng)板分別如圖3-13和3-14所示：圖3-13 PCB實物圖下載端口Wifi模塊供電USB單片機Wifi通信接口圖3-14 整體系統(tǒng)圖3.6 上位機上位機就是發(fā)送指令的部分，通過上位機發(fā)送指令到wifi模塊，然后通過wifi模塊的轉(zhuǎn)換，把指令轉(zhuǎn)給單片機，從而讓小車執(zhí)行完成操作者想要的動作，同時上位機向路由發(fā)送一個視頻請求，路由端的視頻處理程序把獲取的USB攝像頭視頻傳回上位機，上位機進(jìn)行解碼并顯示。上位機軟件的編寫涉

46、及到高級語言編程，通過TCP/UDP等通信方式，用Socket連接把數(shù)據(jù)發(fā)送到路由端。對于非此專業(yè)的設(shè)計者沒有辦法完成這項工作也沒有必要，在網(wǎng)上可以下載相應(yīng)的上位機軟件。在wifi創(chuàng)意工作室論壇上找到了PC版和安卓手機版兩個版本的軟件。下載地址鏈接分別為：PC版：http:/www.wifi-安卓手機版：http:/www.wifi-在此向提供軟件的開發(fā)者表示感謝！3.6.1 PC版上位機軟件如圖3-15所示為PC版上位機軟件界面：圖3-15 PC版上位機軟件界面該控制界面包括視頻顯示、機械手操控、操作系統(tǒng)按鍵和各種儀表盤顯示等界面。上面的wifi信號強度顯示表可以直觀的顯示wifi信號強度，

47、提醒操作者當(dāng)前與機器人連接的wifi強度以注意控制的距離。右側(cè)的機械手操控按鈕、速度調(diào)整按鈕和操作系統(tǒng)按鈕都分別有對應(yīng)的指令，當(dāng)點擊按鈕時會有相應(yīng)的指令發(fā)送到wifi模塊。每個按鈕對應(yīng)的指令都不相同，以便于wifi模塊區(qū)分。同時，預(yù)留有自定義按鈕，方便設(shè)計者自行定義開發(fā)。3.6.2 安卓手機版上位機軟件界面如圖3-16所示為安卓手機版上位機軟件界面：圖3-16 手機版上位機軟件界面該控制界面包括前、后、左、右和停五個按鈕以及五個機械手操作控制柱，同時還可以進(jìn)入重力感應(yīng)模式。上面的圖像是USB攝像頭采集到的前方畫面。圖3-17 手機版上位機軟件指令設(shè)置界面該設(shè)置界面顯示出了五個控制按鈕對應(yīng)的指令

48、，這些指令是由包頭、type、cmd、data和包尾五部分16位進(jìn)制數(shù)組成的。其中，除了cmd部分不相同外，其他部分完全一樣。這些指令通過手機發(fā)往wifi模塊，經(jīng)由wifi模塊分析、轉(zhuǎn)化后，最終通過TTL端口以串口數(shù)據(jù)的形式傳送給MCU的串口。這兩款上位機軟件都是Client模式，路由端是服務(wù)器模式，這樣的好處是不需要進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)操作，直接連接wifi智能小車機器人就可以操控。3.6.3 上位機的選擇本設(shè)計中采用的是安卓手機版控制軟件，這款軟件對手機的性能有兩個要求，一是操作系統(tǒng)為Android系統(tǒng)，并且它適用于Android操作系統(tǒng)的任何一個版本：二是需要手機的屏幕為觸摸屏。符合這兩個條件的任何

49、牌子的手機均可使用此上位機軟件。如圖3-17所示，前后左右停五個按鍵對應(yīng)的指令分別為FF000100FF、FF000200FF、FF000300FF、FF000400FF、FF000000FF，都是16位進(jìn)制的指令。這些指令是軟件默認(rèn)的，也可以進(jìn)行修改。修改時一般只修改中間的cmd數(shù)據(jù)部分，以便于和wifi模塊的默認(rèn)設(shè)置正常通信，這樣的話修改cmd數(shù)據(jù)也沒有太大的意義，所以可以直接使用默認(rèn)指令即可?？刂贫丝谀J(rèn)為2001，顯示模式設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)模式，控制地址為wifi模塊的IP地址：。視頻地址也是在wifi模塊的默認(rèn)IP上生成的，這個地址不可以修改，否則上位機無法收到視頻圖像。

50、3.7 攝像頭攝像頭的作用是采集智能小車前方的圖像，傳送的wifi模塊，由wifi模塊將接收到的信息通過wifi信號反饋的上位機也即手機，最后在手機屏幕上顯示出所采集到的圖像。在本設(shè)計中采用的是天敏S606攝像頭，如圖3-18所示：圖3-18 天敏S606攝像頭天敏S606攝像頭采用CMOS成像芯片，像素高、靈敏度強、幀率快。接口采用USB2.0高速接口，配合方案的高幀率視頻顯示，可以保障畫面的流暢度。內(nèi)置高靈敏專業(yè)麥克風(fēng)，具有降噪功能。支持Windows 7/XP/Linux等系統(tǒng)，具有很強的兼容性，并且不需要安裝驅(qū)動。該攝像頭配有USB連接線，集成了聲音傳輸和畫面?zhèn)鬏攦蓷l通道，只需將USB

51、接口插到wifi模塊上的USB接口上即可。3.8 智能小車底盤小車底盤選用的是電功率、履帶式的雙驅(qū)底盤，每條履帶上有兩個輪子，前輪為主動輪，后輪為從動輪。該小車配備的電機功率不是很大，但是內(nèi)部加有減速裝置，降低了小車的運行速度，從而增大的輪子的扭矩，使小車的動力更強大。如圖3-19所示：圖3-19 履帶式小車底盤4.系統(tǒng)軟件設(shè)計硬件平臺搭建完畢后就需要開始設(shè)計程序軟件了，軟件是整個系統(tǒng)運行的靈魂。整個系統(tǒng)的軟件部分包括wifi模塊上的系統(tǒng)軟件和單片機是自己寫的程序軟件。4.1 Wifi模塊上的系統(tǒng)軟件Wifi模塊內(nèi)部刷入了開源的OpenWrt系統(tǒng)，使之成為一個運行了Linux系統(tǒng)的小電腦。Op

52、enWrt是一個被描述為嵌入式設(shè)備的Linux發(fā)行版，它不是試圖建立一個單一的、靜態(tài)的固件。OpenWrt的軟件包管理提供了一個完全可寫的文件系統(tǒng)，并允許自定義，以適應(yīng)任何應(yīng)用程序使用該軟件包。對于開發(fā)人員，OpenWrt是一個構(gòu)建應(yīng)用程序的框架，無需建立一個完整的固件左右。刷入這個系統(tǒng)以后，用戶可以在上面安裝各種程序、驅(qū)動等。以路由為平臺，用戶可以自由地加載USB攝像頭、網(wǎng)卡、聲卡、等設(shè)備，方便開發(fā)研究。在該Linux系統(tǒng)上運行著一款叫做mjpg-streamer的程序，它的作用就是對USB攝像頭傳過來的視頻進(jìn)行編碼，然后通過wifi信號返回給上位機，這樣就可以遠(yuǎn)程、直觀的看到來自機器人傳過來的視頻了。4.2 單片機上的程序軟件該系統(tǒng)中單片機的主要作用就是接收并提取wifi模塊發(fā)過來的指令，并根據(jù)這個指令控制小車的動作。因為wifi模塊發(fā)送的是串口數(shù)據(jù)，所以用單片機的串口接收指令并通過串口程序提取有效的指令信息。4.2.1 串口程序初始化要使串口工作必須先設(shè)置好串口的工作方式及其他設(shè)置。初始化的目的就是設(shè)置串口工作方式，選擇波特率發(fā)生方式。因為STC12C5A60S2單片機可以用定時器1作為波特率發(fā)生器，也可以用獨立波特率發(fā)生器BRT產(chǎn)生波特率，所以需要選擇其中