基于安卓手机的遥控超声波避障智能车设计方案Word格式文档下载.docx
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本作品主要能实现两个主要功能,一个是能实现android手机移动终端来遥控智能车。
通过安卓客户端可以对小车进行前后左右遥控以及对手动自动模式切换,还可以切换小车速度。
另一个是利用超声波技术实现自动壁障功能和智能实时测距。
障碍物检测是智能机器人、智能车辆对周边环境感知技术研究领域中的重要组成部分,以单片机为核心的结构简单、精度较高、测距较长、可靠性较高的障碍物检测报警系统对智能移动机器人的研究有很重要的社会意义。
2.系统设计方案
2.1系统功能
以下是基本功能:
1.小车整体基于智能手机无线控制,实现自动运行,手动运行,切换速度模式;
2.自动模式和手动模式,小车可以左转右转,前进倒退,避障,车速可时时变化;
3.切换速度模式,小车可实现变速;
4.步进电机控制US-100超声波左转右转90度,以避障;
5.小车上有显示功能,显示小车的控制状态以及与障碍物间的距离;
以下是小车整体功能图,如图2-1-1所示:
图2-1-1小车整体功能图
2.1.1硬件系统功能设计及工作流程
2.1.1.1系统结构
系统结构框图如图2-1-1-1所示:
图2-1-1-1系统结构图
智能小车整体利用蓝牙耳机接收智能手机控制信号,该控制信号经过LM324信号放大器放大后,交由51控制器处理。
实现小车远程无线遥控功能,可以远程无线对小车左右转弯,以及前进后退,并利用超声波传感器进行避障,利用1602液晶显示小车行驶状态。
2.1.1.2电源供电结构
电源供电结构如图2-1-1-2所示:
图2-1-1-2电源供电结构图
电源供电模块采用2节18620电池供电,正常情况下输出7.4v电压,一方面对其降压到5v,供单片机,步进电机,超声波模块,1602液晶,直流电机用电,另一方面将5v电压生压至7v,利用电磁继电器,实现电机变速功能。
2.1.2智能小车控制程序设计及工作流程
2.1.2.1主程序流程图
主程序对系统进行初始化之后,控制器每间隔10ms利用T1进行脉冲计数,在10ms计数脉冲的个数,以脉冲个数来判定进行相关的工作模式,脉冲个数的不同则会进入相关的工作模式。
如图2-1-2-1所示:
图2-1-2-1主程序流程图
当freqSign为1,则小车进入自动模式,实现自动模式功能;
当freqSig为2,则小车倒退;
当freqSig为3,则小车左转;
当freqSig为4,则小车右转;
当freqSig为5,则小车进入切换速度模式,实现切换速度模式功能;
当freqSig为6,则小车前行;
2.1.2.2超声波模式框图
超声波自动壁障模块我们选用市场上现有的超声波测距模块检测小车与障碍物的距离。
然后用步进电机转动载动超声波,检测左右方向的距离,再通过比较左右距离智能选择转弯方向。
同时,超声波模块所测距离还可以用于自动模式下实现自动变速。
如图2-1-2-2所示:
图2-1-2-2超声波模式框图
在自动模式,小车默认前行,此时小车遇到障碍物,控制器将驱动步进电机控制超声波传感器,得到小车距离障碍物的距离,当距离大于20cm,小车前行,反之小车停止,然后得到小车左方距离L与右方距离R,如果L大于R,则小车左转90度前行,反之右转90度前行,如果L与R均小于20,则小车旋转180度,离开障碍区,从而完成避障。
当小车距离障碍物的距离大于40cm,那么小车进入高速前进模式,反之进入低速前进模式,直至选择其他模式功能,小车状态才会从自动模式切换。
2.1.3安卓软件功能设计及工作流程
主程序对系统进行初始化之后,智能手机通过操控界面,发送给控制器相应的手动,变速,自动模式信号,该信号通过位于小车上的蓝牙耳机端接收,通过LM324放大器将信号放大至51控制器可以处理的围。
控制界面设计如图2-1-2-2所示。
图2-1-2-2控制界面设计图
选择手动控制模式,则小车状态进入手动切换模式,可以实现前行,后退,左转,右转功能,以驱动直流电机实现。
选择自动模式功能,则小车状态进入自动切换模式,小车默认前行,如果遇到障碍物,控制器将驱动步进电机控制超声波传感器,得到小车距离障碍物的距离,从而避障,如果小车距离障碍物的距离大于40cm。
那么小车进入高速前进模式。
选择变速功能,则小车进入变速模式,小车的速度实现高速到低速或者低速到高速功能。
2.2系统结构及资源分配
2.2.1处理器
本设计使用了STR89c52rc单片机作为处理器,之所以选用该处理器,是因为其拥有很高的性价比,高可靠,而且拥有很小的体积,使得设计工作便于开展。
STR89C52RC部资源:
最高时钟频率:
0Mhz-80MHz
Flash程序存储器:
8KB
定时器:
3个
中断源:
4个
2.2.2直流调速设计
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片,采用了15脚封装。
该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机,也可以驱动两台直流电机。
L298N主要参数:
尺寸:
65mmX41mmX28mm
主要芯片:
L298N、光电耦合器
控制信号电压:
4.5V-5.5V
驱动电机电压:
5V-30V
最大输出电流:
2A
瞬间峰值电流:
3A
最大输出功率:
25W
图2-2-2L298N部原理图
2.2.3步进电机驱动设计
步进电机能够将电脉冲转化为角位移的部件。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(及步进角)。
因此使得用户可以控制脉冲个数来控制转动的角度,控制脉冲频率来控制速度或加速度。
本设计使用BYJ系列永远磁减速28BYJ48型步进电机。
28BYJ48主要参数:
驱动电压:
5V-12V
驱动方式:
四相八拍
减速比:
1/64
步距角:
5.625°
/64
直流电阻:
200Ω±
7%(25℃)
图2-2-328BYJ48步进电机图
2.2.4超声波避障设计
超声波测距模块使用US-100,US-100测度距离精确,拥有超近盲区,能和国外的SRF05,SRF02等超声波测距模块相媲美。
US-100主要参数:
工作电压:
DC2.4V-5.5V
感应角度:
<
15度
探测距离:
2cm-450cm
UART模式下串口配置:
波特率9600,起始位1位,停止位1位,数据位8位,无奇偶校验,无流控制。
图2-2-4US-100超声波测距模块图
2.2.51602液晶显示设计
考虑到实际要求,设计最多需要显示32左右个字符,因此选用能够显示16列2行的字符型液晶1602,此外1602微功耗,体积小,也是符合设计要求的。
1602主要参数:
3.3V-5V
对比度:
可调节
字符尺寸:
2.95×
4.35mm
显示方式:
16列2行蓝底白字
图2-2-51602实物图
2.2.6电源控制设计
因为设计过程中发现电机会对单片机和放大电路产生影响,因此单片机和放大电路需要独立供电。
设计使用两节18650电池进行供电,通过升压模块LM2577对放大电路供电及稳压,通过降压模块LM2596对单片机供电及稳压。
2.2.7蓝牙无线控制设计
因为重新设计蓝牙驱动的技术困难比较大,因此选用现有的稳定可靠的蓝牙耳机搭配使用。
蓝牙耳机接收到信号后通过LM324进行放大后供处理器使用。
LM324的主要参数:
放大器数目:
带宽:
1.2MHz
针脚数:
14
工作温度:
0°
C-70°
C
3dB带宽增益乘积:
变化斜率:
0.5V/μs
最大输入偏移电压:
7mV
运放特点:
高增益频率补偿运算
图2-2-7LM324引脚图
2.2.8安卓平台设计
安卓程序的开发使用了Eclipse+AndroidSDK搭建开发环境。
Eclipse是一个开源的基于JAVA的可扩展开发平台,其本身只是一个框架和一组服务,通过插件扩展来构件相应的开发环境。
AndroidSDK采用了JAVA语言,所以需要安装JDK5.0以上版本,通过给Eclipse安装ADT插件,使得Eclipse和AndroidSDK连接进行程序开发。
图2-2-8开发平台效果图
3.详细设计
3.1STC89C52RC芯片的选择
小车芯片的选择及其重要,它不仅仅是控制系统的核心,也是系统的核心计算原件。
它不仅要处理速度快,更需要快速反应,需要驱动液晶模块,电机模块,超声模块,所以小车的主控芯片采用STC89C52RC芯片,STC89C52RC芯片具有高可靠,超低价,低功耗,无法解密的优良特性,这样的的芯片才符合小车的应用要求。
STC89C52RC工作频率围:
0~40MHz,相当于普通8051的0~80MHz,实际工作频率可达48MHz。
足以完成小车的运作速度要求。
通过改变电压与外部时针的不同,可以改变芯片的处理速度。
STC89C52RC可以运行两种省电模式可以降低功耗分别是:
空闲模式与掉电模式。
通常STC89C52RC的典型功耗是4mA-7mA,而掉电模式下为<
0.1uA,空闲模式下典型功率为2mA。
低功率下的STC89C52RC将会变得更有价值,可以使电源使用时间更长,让小车可以运行更加持久。
如图3-1-1所示是STC89C52RC芯片控制电路:
图3-1-151控制电路
STC89C52RC主要功能:
使用高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash,使得STC89C52RC为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
STC89C52RC具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片晶振及时钟电路。
另外,STC89C52RC可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
3.2电机驱动模块
3.2.1直流电机驱动控制
单片机的IO输出电流并不能直接驱动直流电机,所以需要使用L298N电机驱动模块。
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
该芯片采用15脚封装。
主要特点是:
工作电压高,最高工作电压可达24V;
输出电流大,瞬间峰值电流可达3A,持续工作电流为2A;
最大功率25W。
含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器,可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载;
采用标准逻辑电平信号控制;
具有两个使能控制端,在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端,使部逻辑电路部分在低电压下工作;
可以外接检测电阻,将变化量反馈给控制电路。
使用L298N芯片驱动电机,该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机,也可以驱动两台直流电机。
如图3-2-1所示:
图3-2-1直流电机驱动电路
VSS与VS分别接入+5V与+12V电压,给芯片供电并给电机供电,Port1——Port4为单片机控制端,单片机通过对控制端发送0/1指令来控制L298完成电机的正反转控制,ENA,ENB为PWM输入端,通过使用PWM进行对电机的调速控制。
OUT1——OUT4为芯片的电机控制端口。
表3-2-2是L298N驱动直流电机控制方式。
电机
旋转方式
控制端IN1
控制端IN2
控制端IN3
控制端IN4
输入PWM信号改变脉宽可调速
调速端A
调速端B
M1
正转
高
低
/
反转
停止
M2
表3-2-2控制方式
3.2.2步进电机驱动控制
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗一点讲:
可以通过控制脉冲个来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;
同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
步进电机的主要特性:
1、步进电机必须加驱动才可以运转,驱动信号必须为脉冲信号,没有脉冲的时候,步进电机静止,如果加入适当的脉冲信号,就会以一定的角度(称为步角)转动。
转动的速度和脉冲的频率成正比。
2、28BYJ485V驱动的4相5线的步进电机,而且是减速步进电机,减速比为1:
64,步进角为5.625/64度。
如果需要转动1圈,那么需要360/5.625*64=4096个脉冲信号。
3、步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。
4、改变脉冲的顺序,可以方便的改变转动的方向。
在小车的设计中,单片机不能够直接驱动步进电机,所以增加了ULN2003驱动电路来驱动步进电机,驱动电路如图3-2-2所示:
图3-2-2ULN2003驱动电路
在单片机的控制过建立数组调用端口值对与连接的ULN2003P0——P3口进行赋值。
并通过赋值来控制步进电机的正反转。
如表3-2-2-1和表3-2-2-2所示:
表3-2-2-1步进电机正向旋转表
表3-2-2-2步进电机反向旋转表
3.3超声波避障模块
US-100超声波测距模块可实现2cm~4.5m的非接触测距功能,拥有2.4~5.5V的宽电压输入围,静态功耗低于2mA,自带温度传感器对测距结果进行校正,同时具有GPIO,串口等多种通信方式,带看门狗,工作稳定可靠。
模块实物图如图3-3-1所示:
图3-3-1US-100实物图
本模块共有两个接口,即模式选择跳线和5Pin接口。
模式选择跳线接口。
模式选择跳线的间距为2.54mm,当插上跳线帽时为UART(串口)模式,拔掉时为电平触发模式。
小车控制采用UART模式控制。
5Pin接口为2.54mm间距的弯排针,如图3-3-2所示:
图3-3-2Pin接口
从左到右依次编号1,2,3,4,5。
它们的定义如下:
1号Pin:
接VCC电源(供电围2.4V~5.5V)。
2号Pin:
当为UART模式时,接外部电路UART的TX端;
当为电平触发模式时,接外部电路的Trig端。
3号Pin:
当为UART模式时,接外部电路UART的RX端;
当为电平触发模式时,接外部电路的Echo端。
4号Pin:
接外部电路的地。
5号Pin:
US-100控制方式:
在模块上电前,首先插上模式选择跳线上的跳线帽,使模块处于串口触发模式。
在此模式下只需要在Trig/TX管脚输入0X55(波特率9600),系统便可发出8个40KHZ的超声波脉冲,然后检测回波信号。
当检测到回波信号后,模块还要进行温度值的测量,然后根据当前温度对测距结果进行校正,将校正后的结果通过Echo/RX管脚输出。
输出的距离值共两个字节,第一个字节是距离的高8位(HDate),第二个字节为距离的低8位(LData),单位为毫米。
即距离值为(HData*256+LData)mm。
3.41602液晶模块
YB1602A是一种字符型液晶模块。
共可以显示2行×
16个字符,每个字符是由5×
8点阵组成的字符块集。
YB1602A模块控制方式如图3-4-1所示:
图
图3-4-1控制电路
表3-4-2是YB1602A的接口说明:
管脚序
电平
功能描述
1
VSS
0V
电源地
2
VCC
5.0V
电源输入
3
V0
-
LCD驱动电压输入
4
RS
H/L
RS=H,表示DB0-DB7为显示数据
RS=L,表示DB0-DB7为指令
5
R/W
R/W=H,数据被读到DB9-DB7
R/W=L,数据被写到DB9-DB7
6
E
H,H→L
使能信号
7
DB0
数据线
8
DB1
9
DB2
10
DB3
11
DB4
12
DB5
13
DB6
DB7
15
BLA
背光正极(LEDK﹑BLK)
16
BLK
背光负极(LEDA﹑BLA)
表3-4-2YB1602A的接口说明
备注:
第3脚V0用来调节对比度,LCD的驱动电压Vop=VDD-V0,YB1602的Vop是4.8V,此时显示最佳对比度,故在5.0V供电模式下,可以在V0与电源地(0V)之间接一个10K的可调电位器来调节对比度。
3.5电源控制模块
智能小车供电锂电池输出7.4v电压,一路接继电器,为电机切换供电;
另一路通过lm2596s稳压至5v为单片机、步进电机、超声波模块、1602显示屏供电,同时接入继电器,作为电机驱动切换供电。
由lm2596s稳压得到的5v再由lm2577s升压至7v为放大电路供电(调整放大倍数由8.4v直接为放大电路供电在电机启动时会造成干扰,升压电路主要作用是提供稳压)。
LM2577电源升压模块,如图3-5-1所示:
图3-5-1LM2577电源升压模块
LM2596特点:
LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路,能够输出3A的驱动电流,同时具有很好的线性和负载调节特性。
固定输出版本有3.3V、5V、12V,可调版本可以输出小于37V的各种电压。
该器件部集成频率补偿和固定频率发生器,开关频率为150KHz,与低频开关调节器相比较,可以使用更小规格的滤波元件。
由于该器件只需4个外接元件,可以使用通用的标准电感,这更优化了LM2596的使用,极简化了开关电源电路的设计。
LM2596电源稳压模块,如图3-5-2所示:
图3-5-2LM2596电源稳压模块
3.6蓝牙无线控制模块
蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规,它以低成本的近距离无线连接为基础,为固定与移动设备通信环境
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- 基于 手机 遥控 超声波 智能 设计方案