基于51單片機(jī)的藍(lán)牙遙控小車(chē)

1、目錄 基于單片機(jī)的智能避障遙控小車(chē)目錄第一章 緒論11.1 研究背景和意義1第二章 系統(tǒng)框架及軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)22.1 系統(tǒng)要求22.2 系統(tǒng)整體算法流程22.3 總體任務(wù)設(shè)計(jì)32.4 整體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)42.5 整體軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4第三章 模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)53.1 L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊53.1.1模塊介紹53.1.2 PWM脈沖控制原理53.1.3 脈沖控制代碼63.2 HC05藍(lán)牙模塊73.2.1 模塊簡(jiǎn)介73.2.2 藍(lán)牙串口程序說(shuō)明73.2.3 模塊引腳說(shuō)明83.3 USB轉(zhuǎn)TTL模塊9第四章 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)104.1 安卓手機(jī)藍(lán)牙遙控的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)104.1.1 設(shè)計(jì)基本思路104.1.

2、2 遙控任務(wù)分配104.2.3 藍(lán)牙遙控操作流程11第五章 軟硬件調(diào)試135.1 硬件調(diào)試135.2 軟件調(diào)試13基于單片機(jī)的智能避障遙控小車(chē)第一章 緒論1.1 研究背景和意義智能化無(wú)處不在。各種智能化設(shè)備在不同的領(lǐng)域中發(fā)揮著自己的特長(zhǎng)，而在家用方面的智能有著相當(dāng)重要的意義。本次所設(shè)計(jì)的智能小車(chē)系統(tǒng)包含著對(duì)周?chē)h(huán)境的檢測(cè)、舵機(jī)控制以及短距離無(wú)線遙控等的功能，它需要實(shí)現(xiàn)微控制器、多傳感器技術(shù)、藍(lán)牙遙控、機(jī)械結(jié)構(gòu)原理、數(shù)字邏輯、自動(dòng)控制等各學(xué)科技術(shù)內(nèi)容的滲透融合。智能小車(chē)通過(guò)其上部搭載的89C52芯片作為核心控制器，通過(guò)多種傳感器來(lái)獲取周?chē)h(huán)境信息并將采集到的信息輸送給CPU，然后由CPU來(lái)給各個(gè)

3、部分下達(dá)相對(duì)應(yīng)的指令。智能小車(chē)不僅價(jià)格低廉，而且甚至能夠擔(dān)任人類(lèi)難以從事的任務(wù)，它在工業(yè)、農(nóng)業(yè)以及社會(huì)生產(chǎn)生活等許多領(lǐng)域都起到了重要作用。本次課題設(shè)計(jì)中所采用到的短距離無(wú)線遙控、單片機(jī)控制原理、多傳感器技術(shù)、自動(dòng)避障技術(shù)等等?，F(xiàn)在在工業(yè)制造、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)家安全、軍事武器，醫(yī)療保健、太空探測(cè)等許多領(lǐng)域都日益發(fā)揮著其作用，在軍事偵察、反恐、防暴、防核化等高危任務(wù)方面、環(huán)境污染檢測(cè)方面和在惡劣環(huán)境中均有著非常好的發(fā)展前景，從這些方面可知本課題研究意義非凡。1基于單片機(jī)的智能避障遙控小車(chē)第二章 系統(tǒng)框架及軟硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)要求在綜合考量了單片機(jī)的使用性能、成本和時(shí)間等問(wèn)題，本次課題主要旨在實(shí)現(xiàn)

4、以下性能指標(biāo)：1） 根據(jù)力學(xué)結(jié)構(gòu)完成小車(chē)整體框架的搭建，穩(wěn)固其整體重心；2） 完成底層運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的搭建，保證小車(chē)能夠正常行進(jìn)；3） 完成小車(chē)自主避障功能，能夠在簡(jiǎn)單地形避開(kāi)障礙物；4） 完成小車(chē)的簡(jiǎn)單路徑規(guī)劃；5） 完成手機(jī)遙控功能，通過(guò)手機(jī)控制底層小車(chē)的工作方式。整體小車(chē)車(chē)身采用深圳歐鵬公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的金屬框架，通過(guò)自己的設(shè)計(jì)和搭建，完成底層硬件系統(tǒng)的搭載，再通過(guò)上層安卓手機(jī)APP遙控，通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)小車(chē)能夠遵從指令實(shí)現(xiàn)在室內(nèi)的自主避障的巡航功能與手機(jī)遙控功能，整體電路圖如圖所示圖2-1 系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì)2.2 系統(tǒng)整體算法流程整個(gè)系統(tǒng)的算法結(jié)構(gòu)具體流程如圖2-1所示。圖2-2 系統(tǒng)

5、整體算法流程圖2.3 總體任務(wù)設(shè)計(jì)小車(chē)總體任務(wù)分配如下圖2-2所示。按鍵1前進(jìn)按鍵2后退按鍵3左轉(zhuǎn)按鍵4右轉(zhuǎn)按鍵5第一檔按鍵6第二檔按鍵7第三檔按鍵8停止藍(lán)牙遙控按鍵任務(wù)選擇STC89C52圖2-3 小車(chē)任務(wù)分配2.4 整體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)智能小車(chē)系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)以89C51單片機(jī)為中心主要分為以下幾個(gè)部分：1） 運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，即舵機(jī)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)舵機(jī)性能參數(shù)的測(cè)定對(duì)舵機(jī)進(jìn)行標(biāo)定、控速；2） 供電結(jié)構(gòu)，采用分壓式供電。由于各，模塊對(duì)電壓的要求不同，所以需要通過(guò)分壓以適應(yīng)不同模塊對(duì)電壓的需求。其中舵機(jī)需要8v電壓的供應(yīng)，而單片機(jī)、傳感器、藍(lán)牙等模塊則需要較低一點(diǎn)的電壓5v供電；3） 無(wú)線通

6、信結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)藍(lán)牙模塊與單片機(jī)通信電路的設(shè)計(jì)與單片機(jī)串口功能的調(diào)試，做到小車(chē)與手機(jī)的無(wú)線通信。小車(chē)實(shí)物圖如下圖2-3所示。圖2-4 小車(chē)實(shí)物圖2.5 整體軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)啟動(dòng)電源系統(tǒng)初始化完成后，小車(chē)進(jìn)入等待的任務(wù)模式，等待上層安卓終端手機(jī)的APP客戶(hù)端發(fā)送任務(wù)指令。小車(chē)接收到上層手機(jī)發(fā)送的小車(chē)行進(jìn)方向的指令后相對(duì)應(yīng)的前進(jìn)(forward)、后退(backward)、左轉(zhuǎn)(left)、右轉(zhuǎn)(right)、停止(stop)等。13第三章 模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì)3.1 L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊3.1.1模塊介紹L293D采用16引腳DIP封裝，其內(nèi)部集成了雙極型H-橋電路，所有的開(kāi)量都做成n型。這種雙極型脈沖

7、調(diào)寬方式具有很多優(yōu)點(diǎn)，如電流連續(xù)；電機(jī)可四角限運(yùn)行；電機(jī)停止時(shí)有微振電流，起到“動(dòng)力潤(rùn)滑”作用，消除正反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)：低速平穩(wěn)性好等。L293D通過(guò)內(nèi)部邏輯生成使能信號(hào)。H-橋電路的輸入量可以用來(lái)設(shè)置馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使能信號(hào)可以用于脈寬調(diào)整（PWM）。另外，L293D將2個(gè)H-橋電路集成到1片芯片上，這就意味著用1片芯片可以同時(shí)控制2個(gè)電機(jī)。每1個(gè)電機(jī)需要3個(gè)控制信號(hào)EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信號(hào)，IN1、IN2為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制信號(hào)，IN1、IN2分別為1，0時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)。選用一路PWM連接EN12引腳，通過(guò)調(diào)整PWM的占空比可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。選擇一路I

8、/O口，經(jīng)反向器74HC14分別接IN1和IN2引腳，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。實(shí)物圖如下圖3-1所示。圖3-1 模塊實(shí)物圖3.1.2 PWM脈沖控制原理所謂PWM就是脈寬調(diào)制器，通過(guò)調(diào)制器給電機(jī)提供一個(gè)具有一定頻率的脈沖寬度可調(diào)的脈沖電。脈沖寬度越大即占空比越大，提供給電機(jī)的平均電壓越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速就高。反之脈沖寬度越小，則占空比越越小。提供給電機(jī)的平均電壓越小，電機(jī)轉(zhuǎn)速就低。PWM不管是高電平還是低電平時(shí)電機(jī)都是轉(zhuǎn)動(dòng)的，電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于平均電壓。 3.1.3 脈沖控制代碼void T0_time() interrupt 1 /定時(shí)器1中斷程序PWMCnt1+;PWMCnt2+;if(PWMCnt1

9、>= 200)PWMCnt1 = 1;if(PWMCnt1 <= cntPWM1)/230PWM1 = 1;elsePWM1 = 0;if(PWMCnt2 >= 200)PWMCnt2 = 1;if(PWMCnt1 <= cntPWM2)/230PWM2 = 1; elsePWM2 = 0; TH0 = (65536 - 50) / 256;TL0 = (65536 - 50) % 256;3.2 HC05藍(lán)牙模塊3.2.1 模塊簡(jiǎn)介HC-05藍(lán)牙無(wú)線通信模塊有兩種工作方式，一個(gè)是命令響應(yīng)工作模式，另一個(gè)是自動(dòng)連接工作模式。在命令響應(yīng)工作模式下，使用者通過(guò)向模塊發(fā)送AT

10、工作指令來(lái)對(duì)模塊的控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和下達(dá)控制指令。而在自動(dòng)連接工作模式下， 模塊又有三種工作模式，分別為主機(jī)（Master）、從機(jī)（Slave）和回環(huán)（Loopback）三種工作模式，選定工作模式后，模塊就自動(dòng)按照提前設(shè)定好的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)調(diào)節(jié)模塊外部引腳的輸入電平來(lái)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換模塊的工作狀態(tài)。模塊實(shí)物圖如圖3-5所示。圖3-2 HC05實(shí)物圖3.2.2 藍(lán)牙串口程序說(shuō)明void usart_receive(void) interrupt 4 /串口中斷程序 if(RI = 1)/收到字符 RI = 0;/軟件清零 bluetoothdata = SBUF;/讀取數(shù)據(jù) if(TI = 1)

11、/發(fā)送數(shù)據(jù) TI = 0;/清零 3.2.3 模塊引腳說(shuō)明模塊引腳說(shuō)明及電路原理圖如下圖3-6、3-7所示。圖3-3 模塊引腳說(shuō)明圖3-4 HC05原理圖3.3 USB轉(zhuǎn)TTL模塊本次課題需要通過(guò)使用串口調(diào)試軟件使得上位機(jī)與底層小車(chē)進(jìn)行通信達(dá)到調(diào)試小車(chē)的目的，但是目前筆記本電腦因?yàn)榭臻g的限制和其他方面考慮的原因都沒(méi)有串口，所以需要使用到這一個(gè)USB轉(zhuǎn)串口模塊。模塊與單片機(jī)需要按下圖3-8所示相連接。HC05藍(lán)牙模塊單片機(jī)圖3-5 USB轉(zhuǎn)TTL模塊與單片機(jī)的連接示意圖圖3-6 USB轉(zhuǎn)TTL串口模塊實(shí)物圖。第四章 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1 安卓手機(jī)藍(lán)牙遙控的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1.1 設(shè)計(jì)基本思路遙

12、控功能的實(shí)現(xiàn)基于藍(lán)牙通信協(xié)議的建立，需要從依次實(shí)現(xiàn)以下幾個(gè)步驟：1） 檢測(cè)HC05藍(lán)牙模塊是否能夠正常工作，將藍(lán)牙模塊按要求接上5v或3.3v電壓，等待一段時(shí)間后，使用安卓終端搜索，查看藍(lán)牙模塊是否能夠被搜索并與其相連接；2） 單片機(jī)串口能否正常通信，編寫(xiě)好串口通信程序并將其燒錄字單片機(jī)中，將單片機(jī)通過(guò)開(kāi)發(fā)板與電腦串口連接，打開(kāi)電腦端串口調(diào)試工具查看是否能夠正常通信；3） 查看藍(lán)牙模塊是否能夠正常發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，將藍(lán)牙模塊通過(guò)USB轉(zhuǎn)TTL模塊與電腦USB口相連，打開(kāi)電腦串口調(diào)試助手。安裝好手機(jī)APP，與藍(lán)牙模塊連接好后，使用手機(jī)端APP查看是否能夠正常發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；4） 將藍(lán)牙模塊的串口與

13、智能小車(chē)上的單片機(jī)串口相連，并編寫(xiě)好遙控選擇功能代碼，使用手機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，查看智能小車(chē)能否執(zhí)行相應(yīng)的的指令。下圖為電腦端的串口調(diào)試助手。圖4-1 串口調(diào)試工具4.1.2 遙控任務(wù)分配通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙通信的實(shí)現(xiàn)，上層安卓終端主要可以實(shí)現(xiàn)以下小車(chē)的行進(jìn)方向，進(jìn)入的工作模式等，具體功能如下表所示。表4-2 藍(lán)牙遙控按鍵及選擇功能表按鍵FBSLR123功能前進(jìn)后退停止左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)第一檔第二檔第三檔4.2.3 藍(lán)牙遙控操作流程藍(lán)牙遙控操作流程示意圖如下。圖4-3 藍(lán)牙遙控流程圖首先將智能小車(chē)正常上電工作，待小車(chē)初始化完成后，打開(kāi)安卓終端的APP進(jìn)行連接，連接成功后即可選擇功能。可按avoid鍵進(jìn)入自主避障模式，如

14、需進(jìn)入遙控模式則僅需按back鍵返回上一層。 圖4-4 藍(lán)牙模塊連接示意圖 圖4-5 安卓終端APP界面第五章 軟硬件調(diào)試5.1 硬件調(diào)試硬件調(diào)試采用從整體到部分的考量方法。1） 智能小車(chē)整體框架的搭建，確保各模塊能夠搭載在其上面而相互沒(méi)有影響；2） 完成整體電源電路、工作電路的設(shè)計(jì)，保證各模塊之間供電正常使用和與單片機(jī)之間的合理連接；3） 燒錄測(cè)試程序，保證單片機(jī)能夠正常進(jìn)行燒錄和擦除程序，同時(shí)還需要測(cè)試其串口功能，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與手機(jī)之間的正常通信；4） 小車(chē)底層運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的完成，測(cè)試舵機(jī)的基本性能，保證其能正常工作；5） 對(duì)HC05藍(lán)牙模塊進(jìn)行基本性能測(cè)試，保證其在正常工作電壓下能夠正常工作。再通過(guò)上位機(jī)的測(cè)試，確保其能夠正常的收發(fā)數(shù)據(jù)。5.2 軟件調(diào)試1） 通過(guò)編寫(xiě)代碼實(shí)現(xiàn)對(duì)底層小車(chē)的驅(qū)動(dòng)，包括舵機(jī)參數(shù)的測(cè)定，電機(jī)的標(biāo)定，對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度調(diào)控，實(shí)現(xiàn)小車(chē)的方向控制；2） 避障算法的設(shè)計(jì)，通過(guò)考量3個(gè)傳感器將出現(xiàn)的8種情況（000、001、010、011、100、101、110、111），考慮每一種情況出現(xiàn)時(shí)的應(yīng)對(duì)方式，設(shè)計(jì)出較為合理的避障算法，并將傳感器采集的數(shù)據(jù)與舵機(jī)控制結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)的避障功能；3） 藍(lán)牙模塊與單片機(jī)、上位機(jī)、上層安卓終端的正常通