智能環(huán)境數(shù)據(jù)采集小車

馮洋

（渭南師范學院 物理與電氣工程學院，陜西 渭南 714000）

智能小車在感知效應方面全面模擬人的機器系統(tǒng)，它是人工智能技術(shù)的試驗場。智能小車具有識別、檢測、環(huán)境數(shù)據(jù)采集等智能機制，能在非特定環(huán)境下，在惡劣條件下代替人工作，具有廣闊的應用前景。本設(shè)計通過無線遙控電動小車的運行，實現(xiàn)環(huán)境溫濕度的采集、發(fā)送、接收、處理、顯示和保存，為數(shù)據(jù)的后期處理做好準備。

1 總體方案設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計圖如圖1所示。控制臺通過按鍵發(fā)送無線遙控信號，小車接收到信號后進行判斷作出前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停車動作。小車通過溫濕度傳感器實時采集當前環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)并通過無線信號發(fā)送至控制臺，控制臺將數(shù)據(jù)處理后顯示并通過串口發(fā)送至PC保存[1-2]。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，采集小車設(shè)計的模塊有電機驅(qū)動、無線模塊、溫濕度傳感器；控制臺設(shè)計由按鍵、無線模塊、液晶顯示器、串口等模塊組成。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 控制模塊設(shè)計

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the system

本設(shè)計中需要操作無線射頻模塊和溫濕度傳感器，會涉及到IIC和SPI協(xié)議，所以用單片機進行控制最理想。51系列單片機的使用簡單、對于小型系統(tǒng)的控制靈活，AT89S52單片機IO口、定時計數(shù)器、串口等資源基本滿足系統(tǒng)設(shè)計要求，故本設(shè)計采用AT89S52單片機作為核心。

51系列單片機最小系統(tǒng)一般應該包括:單片機、晶振電路、復位電路。晶振選取11.059 2 MHz，方便產(chǎn)生960 0 bps波特率，用于串口通訊。

2.2 電機驅(qū)動模塊設(shè)計

L293D是一款單片集成的高電壓、高電流、4通道電機驅(qū)動，設(shè)計用于連接標準DTL或TTL邏輯電平，驅(qū)動電感負載（諸如繼電線圈、DC和步進電機）和開關(guān)功率晶體管等等。此芯片可以驅(qū)動兩個直流電機，每1個電機需要3個控制信號EN12、IN1、IN2，其中 EN12 是使能信號，IN1、IN2 為電機轉(zhuǎn)動方向控制信號，IN1、IN2分別為1，0時，電機正轉(zhuǎn)，反之，電機反轉(zhuǎn)。選用一路PWM連接EN12引腳，通過調(diào)整PWM的占空比可以調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速。此專用芯片控制簡單，響應及時。電機驅(qū)動電路如圖2所示。

圖2 電機驅(qū)動電路圖Fig.2 Diagram of the motor driving circuit

2.3 無線模塊

NRF24L01是NORDIC公司最近生產(chǎn)的一款無線通信通信芯片，采用FSK調(diào)制，內(nèi)部集成NORDIC自己的Enhanced Short Burst協(xié)議?？梢詫崿F(xiàn)點對點或是 1對 6的無線通信。無線通信速度可以達到 2 M（bps）。工作在2.4 GHz世界通用ISM頻段。通過SPI協(xié)議與單片機進行通訊，單片機只需4個IO口和一個外部中斷口就可操作此模塊[3-4]。

SPI協(xié)議:SPI（Serial Peripheral interface）串行外圍設(shè)備接口，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線。SPI是一個環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，通信以主從方式工作，這種模式通常有一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備，需要至少4根線。也是所有基于SPI的設(shè)備共有的，它們是 SDI（數(shù)據(jù)輸入），SDO（數(shù)據(jù)輸出），SCK（時鐘），CS（片選）。其時序主要是在sck的控制下，兩個雙向移位寄存器進行數(shù)據(jù)交換。SDO（MOSI）：主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入；SDI（MISO）：主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出；SCLK時鐘信號，由主設(shè)備產(chǎn)生；CS：從設(shè)備使能信號，由主設(shè)備控制。

2.4 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器是系統(tǒng)中最重要的部分，需要響應速度快，采樣間隔短，分辨率高，誤差小。本設(shè)計選定DHT21數(shù)字溫濕度傳感器，這是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性[5-6]。單片機通過IIC協(xié)議與傳感器通信，直接輸出數(shù)字量，無需轉(zhuǎn)換。精度高采樣間隔小，滿足實時采樣。4針單排引腳封裝，與單片機連接方便。電路如圖3所示。

IIC總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進行雙向傳送，最高傳送速率100 kbps。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，但就像電話機一樣只有撥通各自的號碼才能工作，所以每個電路和模塊都有唯一的地址，在信息的傳輸過程中，IIC總線上并接的每一模塊電路既是主控器（或被控器），又是發(fā)送器（或接收器），這取決于它所要完成的功能。CPU發(fā)出的控制信號分為地址碼和控制量兩部分，地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別（如對比度、亮度等）及需要調(diào)整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨立，互不相關(guān)。

圖3 溫濕度傳感器接口Fig.3 Diagram of the temperature and humidity sensor interface

IIC總線在傳送數(shù)據(jù)過程中共有3種類型信號，它們分別是：開始信號、結(jié)束信號和應答信號。開始信號：SCL為高電平時，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。結(jié)束信號：SCL為高電平時，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。應答信號：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8 bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個信號后，等待受控單元發(fā)出一個應答信號，CPU接收到應答信號后，根據(jù)實際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號的判斷。若未收到應答信號，判斷為受控單元出現(xiàn)故障。

DHT21數(shù)字溫濕度傳感器數(shù)據(jù)格式:

40 bit數(shù)據(jù)=16 bit濕度數(shù)據(jù)+16 bit溫度數(shù)據(jù)+8 bit校驗和

（濕度高8位+濕度低8位+溫度高8位+溫度低8位）的末8位=校驗和

當溫度低于0℃時溫度數(shù)據(jù)的最高位置1。

3 軟件設(shè)計

3.1 小車程序流程圖

小車程序主要實現(xiàn)對控制臺控制信號接收和處理，控制電機轉(zhuǎn)動。軟件設(shè)計[7-8]中首先對無線模塊，溫濕度傳感器定時器等進行初始化，然后用查詢的方式判斷是否接收到站臺指令，如果接收到對指令進行判斷根據(jù)指令類型控制小車行進。小車程序流程圖如圖4所示。

圖4 小車控制程序流程圖Fig.4 Flow chart of small car control

3.2 小車采集數(shù)據(jù)中斷程序流程圖

中斷程序中完成溫濕度采集和發(fā)送。使用定時器中斷，每隔三秒產(chǎn)生一次中斷。中斷流程圖如圖5所示。

圖5 中斷程序流程圖Fig.5 Flow chart of interruption program

3.3 控制臺程序流程圖

控制臺程序包括鍵盤掃描、判斷鍵值、發(fā)送命令、接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、顯示溫濕度、串口發(fā)送數(shù)據(jù)至PC。程序中首先對無線模塊、液晶顯示、串口進行初始化。然后執(zhí)行鍵盤掃描和接收數(shù)據(jù)程序。鍵盤掃描程序中根據(jù)鍵值判斷是否有鍵按下，如果有則根據(jù)鍵值發(fā)送指令，如果沒有則跳過向下執(zhí)行。然后判斷是否接收到溫濕度數(shù)據(jù)，如果沒有返回重新執(zhí)行程序，如果接收到對數(shù)據(jù)進行處理然后更新液晶屏并通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送至PC保存?？刂婆_流程圖如圖6所示。

圖6 控制臺程序流程圖Fig.6 Flow chart of console

4 結(jié) 論

經(jīng)過軟硬件的設(shè)計和調(diào)試，系統(tǒng)達到設(shè)計要求。能夠通過無線遙控小車行駛，在行駛中實時采集當前環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)并發(fā)送給控制臺，無線控制距離15米。控制臺能正確發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)，能夠通過液晶顯示采集到的溫濕度數(shù)據(jù)，能夠通過串口發(fā)送數(shù)據(jù)到PC保存。

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