基于太陽(yáng)能智能藍(lán)牙小車的設(shè)計(jì)

孔繁云川 王娜

摘 要：伴隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起，Android系統(tǒng)平臺(tái)以其獨(dú)有的開(kāi)放性優(yōu)勢(shì)正在為我們提供更多優(yōu)質(zhì)便捷的技術(shù)成果。該次設(shè)計(jì)是基于安卓手機(jī)藍(lán)牙控制的太陽(yáng)能智能小車設(shè)計(jì)，借助手機(jī)平臺(tái)和藍(lán)牙技術(shù)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種無(wú)線遙控太陽(yáng)能供電小車新的解決方案。本次設(shè)計(jì)是以手機(jī)控制平臺(tái)、藍(lán)牙模塊、太陽(yáng)能供電板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等硬件模塊所組成的遙控小車。實(shí)現(xiàn)了小車的前進(jìn)、后退、前左轉(zhuǎn)彎、前右轉(zhuǎn)彎、后左轉(zhuǎn)彎、后右轉(zhuǎn)彎等實(shí)時(shí)得控制功能。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能 藍(lán)牙 避障

中圖分類號(hào)：TP368 文獻(xiàn)識(shí)別碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）09（c）-0008-03

1 產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能智能藍(lán)牙小車的整體結(jié)構(gòu)由太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、MCU、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、藍(lán)牙模塊、避障模塊、復(fù)位電路構(gòu)成，如圖1所示。

手機(jī)與藍(lán)牙模塊互相配對(duì)并向單片機(jī)發(fā)送控制信號(hào)，使單片機(jī)控制左右兩臺(tái)直流減速電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止的功能。藍(lán)牙模塊起接受信號(hào)的作用，單片機(jī)接收到信號(hào)以后通過(guò)分析傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，并跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的子程序來(lái)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等不同的動(dòng)作。當(dāng)小車的前進(jìn)方向上遇到障礙物時(shí)，小車前方的避障模塊做出反應(yīng)，向單片機(jī)發(fā)送信號(hào)，單片機(jī)通過(guò)分析信號(hào)來(lái)執(zhí)行不同指令，通過(guò)L298N驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)控制電機(jī)是小車對(duì)障礙物進(jìn)行規(guī)避，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能。

2 藍(lán)牙技術(shù)組成

藍(lán)牙，能在包括智能手機(jī)、MID、平板、筆記本、無(wú)線耳機(jī)、無(wú)線音箱等移動(dòng)通信終端設(shè)備間無(wú)線互聯(lián)。利用“藍(lán)牙”技術(shù)，能夠使得各個(gè)終端設(shè)備之間的連接更簡(jiǎn)單，也能夠使終端設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)之間的通信更快捷，使數(shù)據(jù)傳輸更高效，拓寬無(wú)線通信的道路。藍(lán)牙特點(diǎn)有：采用了分散式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、快跳頻和短包技術(shù)、支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信、工作在全球通用的2.4 GHz ISM頻段。

2.1 藍(lán)牙的基本特點(diǎn)

藍(lán)牙技術(shù)利用了短距離、低成本的無(wú)線連接替代了傳統(tǒng)的電纜連接方式，從而為現(xiàn)存的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和小型外圍設(shè)備接口提供了統(tǒng)一的連接方式。以下介紹一些它具有的主要的技術(shù)性能及特點(diǎn)。

（1）射頻特性。

藍(lán)牙設(shè)備選用段全球通用的2.4 GHz ISM工作頻段，這讓藍(lán)牙使用更方便、應(yīng)用更自由，也使得藍(lán)牙技術(shù)在用戶交互使用上更容易使用，對(duì)用戶也更具有粘性。藍(lán)牙2.0或藍(lán)牙3.0設(shè)備之間的有效通訊距離大約為10～30 m比較短，現(xiàn)在最先進(jìn)的藍(lán)牙4.0技術(shù)將這一范圍拓展到了100 m以上，這一跨越使得。

（2）TDMA結(jié)構(gòu)。

藍(lán)牙數(shù)據(jù)的傳輸速率是1 Mb/s，采取數(shù)據(jù)短包的方式按時(shí)隙傳送，每時(shí)隙0.625μs。

（3）使用跳頻技術(shù)。

跳頻是藍(lán)牙的關(guān)鍵技術(shù)之一。對(duì)于單時(shí)隙包，藍(lán)牙的跳頻速率為1600跳/秒；對(duì)于多時(shí)隙包，跳頻速率有所降低；但在建鏈時(shí)則提高為3200跳/s。這樣高的調(diào)頻速率，使得藍(lán)牙系統(tǒng)擁有相當(dāng)高的抗干擾性能，且硬件設(shè)備簡(jiǎn)單、性能優(yōu)越。

（4）藍(lán)牙設(shè)備的組網(wǎng)。

藍(lán)牙的組網(wǎng)有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)兩種連接方式，在有效通訊范圍之中，所有的移動(dòng)終端通信設(shè)備都是平等的，并且遵循統(tǒng)一的工作方式。

（5）軟件的層次結(jié)構(gòu)。

藍(lán)牙的通訊協(xié)議采用多層次式結(jié)構(gòu)。其底層是各種應(yīng)用都可以使用的，高層則不同，大體分為兩種方式分別是計(jì)算機(jī)背景、非計(jì)算機(jī)背景。

2.2 藍(lán)牙模塊的選擇

藍(lán)牙模塊一般分主機(jī)和從機(jī)，主機(jī)能和從機(jī)配對(duì)通信，而從機(jī)與從機(jī)之間或者主機(jī)與主機(jī)之間不能通信，其中從機(jī)能和電腦、手機(jī)等的藍(lán)牙配對(duì)通信，購(gòu)買時(shí)默認(rèn)為從機(jī)。此外，市場(chǎng)上還有一種藍(lán)牙模塊是屬于主從機(jī)一體的。

我在做智能小車控制時(shí)，藍(lán)牙模塊主要是實(shí)現(xiàn)接收從手機(jī)端發(fā)送過(guò)來(lái)的指令，所以我們需要的是從機(jī)模塊。

在該次設(shè)計(jì)中我們只需實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的通信，因此選用HC-06模塊。

3 硬件電路的設(shè)計(jì)

3.1 紅外線避障模塊

紅外線避障模塊對(duì)環(huán)境光線有著較強(qiáng)的適應(yīng)能力，它具有一對(duì)紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管會(huì)發(fā)射紅外線，當(dāng)傳感器前方遇到反射面時(shí)，紅外線通過(guò)反射面反射回來(lái)后被接收管接收，經(jīng)過(guò)比較器電路處理之后，紅色指示燈會(huì)發(fā)光，同時(shí)信號(hào)輸出接口輸出數(shù)字信號(hào)。

該傳感器的探測(cè)距離可以通過(guò)電位器調(diào)節(jié)、具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點(diǎn)。

當(dāng)模塊接收管接收到前方障礙物反射回來(lái)的紅外線信號(hào)時(shí)，電路板上紅色指示燈發(fā)光，同時(shí)OUT端口持續(xù)輸出低電平信號(hào)，該模塊檢測(cè)距離2～30 cm，檢測(cè)角度35°，檢測(cè)距離可以通過(guò)電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，順時(shí)針調(diào)電位器，檢測(cè)距離增加；逆時(shí)針調(diào)電位器，檢測(cè)距離減少。

紅外模塊采用LM393電壓比較器，使得檢測(cè)距離可以被調(diào)節(jié)，輸出為TTL電平，使得單片機(jī)編程更加方便。

3.2 藍(lán)牙模塊

3.2.1 藍(lán)牙模塊HC-06介紹

（1）采用CSR主流藍(lán)牙芯片如圖2，藍(lán)牙V2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

（2）核心串口模塊工作電壓3.3 V。帶底板的可以為3.1～6.5 V之間。

（3）波特率為1200，2400，4800，9600， 19200，38400，57600，115200用戶可設(shè)置。

（4）核心模塊尺寸大小為：28 mm×15 mm×2.35 mm。底板尺寸27 mm×47 mm。

（5）電流：配對(duì)過(guò)程中為50 mA，通信過(guò)程中為28 mA。

（6）休眠電流：不休眠。

（7）出廠默認(rèn)參數(shù)：從機(jī)，波特率：9600，N，8，1。配對(duì)密碼：1234。

3.2.2 AT命令集

（1）測(cè)試通訊。

發(fā)送：AT（返回OK，一秒左右發(fā)一次） 返回：OK

（2）修改藍(lán)牙串口波特率。

發(fā)送：AT+BAUD1 返回：OK1200 發(fā)送：AT+BAUD2 返回：OK2400

1---------1200

2---------2400

3---------4800

4---------9600

5---------19200

6---------38400

7---------57600

8---------115200

9---------230400

A---------460800

B---------921600

C---------1382400

一般情況選用9600的波特率完全可以滿足操作需要。

（3）改藍(lán)牙名稱。

發(fā)送：AT+NAMEname

返回：OKname

參數(shù)name：所要設(shè)置的當(dāng)前名稱（20個(gè)字符以內(nèi)）。例：發(fā)送AT+NAMEbill_gates

返回OKname

這時(shí)藍(lán)牙名稱改為bill_gates，參數(shù)可以掉電保存，只需修改一次。

（4）改藍(lán)牙配對(duì)密碼。

發(fā)送：AT+PINxxxx

返回：OKsetpin

參數(shù)xxxx：所要設(shè)置的配對(duì)密碼，4個(gè)字節(jié)，此命令可用于從機(jī)或主機(jī)。例：發(fā)送AT+PIN2345

返回OKsetpin

這時(shí)藍(lán)牙配對(duì)密碼改為2345，模塊在出廠時(shí)的默認(rèn)配對(duì)密碼是1234。

3.3 太陽(yáng)能供電系統(tǒng)

該次設(shè)計(jì)使用較為成熟的薄膜太陽(yáng)能技術(shù)，能將光能有效的轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)使用7805穩(wěn)壓管將輸出的電壓穩(wěn)定輸出在5 V。其提供的電能足以驅(qū)動(dòng)智能小車，使其完成各種動(dòng)作。

4 軟件設(shè)計(jì)

該次設(shè)計(jì)應(yīng)用C語(yǔ)言編程序。此次設(shè)計(jì)所選用的單片機(jī)是STC89C52RC單片機(jī)，其C語(yǔ)言語(yǔ)法和結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言基本相同，只是有了相應(yīng)的擴(kuò)充，用到的編譯軟件是Keil uVision2。

Keil uVision2軟件提供了十分豐富的庫(kù)函數(shù)，以及功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試軟件。Keil uVision2在使用前一定要先進(jìn)行注冊(cè)，否則程序過(guò)大會(huì)造成編譯時(shí)出現(xiàn)地址使用錯(cuò)誤。在程序編譯過(guò)程中就遇到過(guò)這種問(wèn)題。單個(gè)程序運(yùn)行時(shí)沒(méi)有錯(cuò)誤，但一整合編譯后就會(huì)出現(xiàn)地址沖突的現(xiàn)象。這個(gè)問(wèn)題困擾了很長(zhǎng)一段時(shí)間，通過(guò)查資料發(fā)現(xiàn)若是Keil uVision2軟件沒(méi)有注冊(cè)的話使用時(shí)當(dāng)程序過(guò)大就會(huì)出現(xiàn)地址沖突現(xiàn)象。在注冊(cè)完成后，程序編譯能順利通過(guò)。

4.1 上位機(jī)控制程序

該設(shè)計(jì)的功能之一是由手機(jī)平臺(tái)通過(guò)藍(lán)牙控制小車的行動(dòng)。

手機(jī)軟件通過(guò)Eclipse進(jìn)行開(kāi)發(fā)，程序流程圖，如圖3所示，基于Android SDK和JAVA開(kāi)發(fā)環(huán)境，主要通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙通訊方式，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制。開(kāi)發(fā)完成后用Android的模擬器即可進(jìn)行程序的調(diào)試，當(dāng)調(diào)試成功之后，就可以下載到手機(jī)上進(jìn)行運(yùn)行了。

編譯后通過(guò)下載至手機(jī)安裝后，打開(kāi)可見(jiàn)到如圖4界面。

如圖4可見(jiàn)四個(gè)箭頭標(biāo)志，上下兩個(gè)箭頭標(biāo)志可以控制小車前進(jìn)與后退，左右兩個(gè)箭頭標(biāo)志可以控制小車向左轉(zhuǎn)和向右轉(zhuǎn)。右邊的數(shù)字鍵可以用來(lái)修改藍(lán)牙的密碼。點(diǎn)擊藍(lán)牙連接后會(huì)出現(xiàn)如圖5的界面。

在圖5中的LH1234就是我的藍(lán)牙模塊，可以看到其已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙的配對(duì)。藍(lán)牙配對(duì)成功后我們就可以通過(guò)手機(jī)完成對(duì)智能小車的一系列控制。

4.2 電機(jī)控制程序

單片機(jī)的I/O的驅(qū)動(dòng)能力不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此選擇L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)通過(guò)I/O口的數(shù)據(jù)來(lái)改變L298N驅(qū)動(dòng)的信號(hào)輸入端的數(shù)據(jù)，進(jìn)而可以對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止的操作控制。

表1所示為輸入引腳與輸出引腳的邏輯關(guān)系。

L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊性能特點(diǎn)：

（1）可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速。

（2）啟動(dòng)性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。

（3）工作電壓可達(dá)到36 V，4 A。

（4）可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。

（5）適合應(yīng)用于機(jī)器人設(shè)計(jì)及智能小車的設(shè)計(jì)。

控制代碼：

void GO（void） //直行

{ OUT1=0；

OUT2=1；

OUT3=0；

OUT4=1；}

void Back（void） //后退

{ OUT1=1；

OUT2=0；

OUT3=1；

OUT4=0；}

void TR（void） //右轉(zhuǎn)

{ OUT1=1；

OUT2=0；

OUT3=0；

OUT4=0；}

void STR（void） //右大轉(zhuǎn)

{ OUT1=1；

OUT2=0；

OUT3=0；

OUT4=1；}

void TL（void） //左轉(zhuǎn)

{ OUT1=0；

OUT2=0；

OUT3=1；

OUT4=0；}

void STL（void） //左大轉(zhuǎn)

{ OUT1=0；

OUT2=1；

OUT3=1；

OUT4=0；}

5 結(jié)論

該文利用太陽(yáng)能提供電源，采用穩(wěn)壓電路，使得小車的控制電路及驅(qū)動(dòng)電路平穩(wěn)運(yùn)行。使用5個(gè)紅外距離傳感器，采用車頭平均分布排列，理論上可以防止小車的碰撞，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，只能車能較為準(zhǔn)確的避開(kāi)障礙物，能獨(dú)立使用太陽(yáng)能運(yùn)行，藍(lán)牙控制較為可靠，因此，該文的設(shè)計(jì)方案可靠性較高，運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫穎.基于路徑規(guī)劃的智能小車控制系統(tǒng)研究[D].青島大學(xué)博碩論文，2006.

[2] 張麗君.無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)—— 藍(lán)牙[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2003（5）：55-58.

[3] 趙亮.跟我學(xué)51單片機(jī)（一）[J].電子制作，2011.

[4] 李森，陶夢(mèng)江，趙繼聰.51單片機(jī)的入門及簡(jiǎn)單應(yīng)用[J].科技與生活，2010（7）：13.

[5] 雷紅淼，程耀瑜.基于L298N的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012（2）：118.

[6] 張毅剛，彭喜元，彭宇，著.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].2版.高等教育出版社，2010.