基于單片機(jī)系統(tǒng)控制的多功能信息采集車

李榆華 韓 鵬 劉婉婉

（阜陽師范學(xué)院計算機(jī)與信息工程學(xué)院，安徽 阜陽236000）

硬件系統(tǒng)的良好性是決定一個多功能智能車穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件。在本論文所研究的智能車的控制系統(tǒng)主要由主處理器核心控制模塊、太陽能電源充放電管理模塊、電機(jī)驅(qū)動及控制轉(zhuǎn)向模塊、信息采集及發(fā)送模塊等模塊組成，智能車能夠穩(wěn)定可靠運(yùn)行是在軟件和硬件模塊的協(xié)同工作為基礎(chǔ)的。

1 太陽能充放電模塊

多功能信息采集車的電源管理模塊式該車設(shè)計的亮點(diǎn)之一，主要采用了當(dāng)前最清潔的能源---太陽能來為它供電以及給電池的進(jìn)行充電。太陽能充放電電路的選擇成為本課題的難點(diǎn)之一，因?yàn)樾≤囍饕刂菩酒碾妷褐辽僖?.2V左右才能進(jìn)行正常的工作，如果電壓偏低的話，會直接導(dǎo)致采集的信息發(fā)生錯誤。為了保證該電路的控制模塊達(dá)到小車的主控芯片的正常工作電壓和不影響小車的主要信息采集，我們查閱多種資料和實(shí)際進(jìn)行多次試驗(yàn)，決定采用如下的電路來實(shí)現(xiàn)這一過程。在這一電路中，我們采用了STC12C5412AD單片機(jī)，該芯片帶有4路PWM輸出，8路10位A/D，用來采集系統(tǒng)中所需要處理的模擬信號，然后根據(jù)項目實(shí)現(xiàn)功能進(jìn)行相應(yīng)的控制[1]。（PV-—太陽能電池板的負(fù)極。PV+—太陽能電池板的正極。Vcc(12)-蓄電池正極。BTA-—蓄電池的負(fù)極。FU+—負(fù)載正極。FU-—負(fù)載負(fù)極。其中，PV+,VCC(12v),和FU+連接在一起）。（JCPV接單片機(jī)A/D輸入口，ADC1接單片機(jī)P1.1，用于單片機(jī)控制負(fù)載通斷等）電源轉(zhuǎn)換及控制部分電路如圖1所示。

圖1

2 自動避障模塊

多功能小車作為戶外作業(yè)的主要工具之一，遇到各種各樣的障礙物是避免不了的。當(dāng)在行進(jìn)過程中遇到障礙物時，首先重要的是檢測到障礙物，同時需要對障礙物是否妨礙行動進(jìn)行進(jìn)一步判斷，最后達(dá)到避開障礙物的目的。因此，設(shè)計出一個既簡單又實(shí)用，且能夠快速識別障礙物的避障系統(tǒng)是非常有必要和有現(xiàn)實(shí)意義的。在我們智能車研究制作的過程中可以利用線性CCD、超聲波傳感器及紅外對管進(jìn)行道路信息的采集。根據(jù)我們實(shí)際對這幾種傳感器進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，我們得出如果利用超聲波模塊的話，存在著一定的弊端。例如,當(dāng)障礙物的表面不夠大或表面不夠光滑時會發(fā)生誤判，有時單片機(jī)甚至不能對此對出反應(yīng)。但是如果我們利用紅外反射式傳感器時，當(dāng)遇到障礙物時，從紅外傳感器發(fā)出的紅外不可見光就被反射回來，接收二極管檢測到，這段時間是極短的，因此小車能很快的做出反應(yīng)從而達(dá)到避開障礙物的效果。電路如圖2所示：

圖2

3 信息采集模塊

我們知道在進(jìn)行勘探作業(yè)時，有些地方的因素并不能確定下來，如：山谷、山洞、溶洞、遭受過嚴(yán)重污染的地區(qū)等等，一旦工作人員進(jìn)去后，很有可能因?yàn)椴淮_定的因素而導(dǎo)致生命的危險，為此我們應(yīng)采用一些常用的傳感器來獲得這些不確定的因素，從而保障人的生命安全。如：DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是我們實(shí)驗(yàn)室常用的，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。再如TGS4160二氧化碳傳感器，它具有一些很好的特點(diǎn)，例如體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好，還具有耐高濕低溫的特性，因此被我們廣泛用于自動通風(fēng)換氣的系統(tǒng)或是長期監(jiān)測CO2氣體濃度等。但是特性再好的傳感器也會有自身的缺點(diǎn)，比如說TGS4160傳感器的缺點(diǎn)在于預(yù)熱時間較長（一般為2小時左右）[3]。我們綜合以上各傳感器的使用特性，將該器件安裝在小車上還是比較適合于小車在戶外進(jìn)行長期穩(wěn)定的作業(yè)。

4 圖像采集模塊

圖像采集時該車主要的也是重要的功能之一，因此圖像的清晰度、亮度會不會受到外界的干擾就顯得十分重要。圖像采集模塊相當(dāng)于智能車控制系統(tǒng)的眼睛，通過對不同道路路況的信息采集也決定了MCU控制模塊發(fā)出的不同指令。穩(wěn)定可靠的圖像采集電路是至關(guān)重要的一點(diǎn)，本論文研究中采用CMOS圖像傳感器，可通過調(diào)節(jié)焦距來改變圖像的清晰度采用其輸出的是數(shù)字信號，相比模擬信號，在硬件方面要簡單，信號完整兼容，無需其他硬件輔助電路。

5 電機(jī)驅(qū)動模塊

在考慮了參加飛思卡爾智能車比賽中常用到的電機(jī)的驅(qū)動電路有BTN7971H橋全橋驅(qū)動電路以及N-MOS管電動電路。通過我們實(shí)際的測試，發(fā)現(xiàn)這兩個驅(qū)動電路都可以驅(qū)動我們履帶式多功能信息采集車的電機(jī)，但是考慮到能耗及外圍電路的簡單，再結(jié)合BTN7971本身帶有的優(yōu)點(diǎn)，如：芯片的集成度高、控制方法簡單、外圍電路簡單等。因此，我們采用了BTN7971驅(qū)動（如圖3）來作為小車的動力系統(tǒng)，使得小車能夠穩(wěn)定的工作。

圖3

6 無線發(fā)射模塊

為了能夠使多功能信息采集車適應(yīng)更為的環(huán)境進(jìn)行作業(yè)，我們?nèi)斯づc智能車之間的通信是避免不了的。以往的通訊方式都是靠與單片機(jī)之間的接線從而與車進(jìn)行交流，但隨著功能的逐漸完善，我們發(fā)現(xiàn)靠單一的接線越來越不能滿足我們的需求。藍(lán)牙技術(shù)作為無線通訊的一種重要工具，免去了我們的接線問題，更加方便的為我們提供了一種人際交流平臺，其廣泛的應(yīng)用無疑對小車的是一種比較不錯的選擇。藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用雖然僅僅適合于短距離的通訊設(shè)備，但是我們可以人為的增大其發(fā)射功率，進(jìn)而來增加一定的通訊距離。因此，藍(lán)牙技術(shù)的出現(xiàn)，無論是為現(xiàn)在哪怕將來多功能小車上的移動設(shè)備和外圍設(shè)備之間的低功耗、低成本、短距離的無線連接提供了更加有效的途徑。

7 結(jié)論

多功能信息采集車采用履帶結(jié)構(gòu)的設(shè)計和車輪的放置，能夠較好的適應(yīng)不同的路況，在車上安裝有多個傳感器，測量溫度、濕度、實(shí)時采集周圍的路況并及時的通過藍(lán)牙進(jìn)行無線傳輸?shù)轿覀兊牟僮髌脚_。同時我們使用太陽能電池板對小車進(jìn)行供電，這樣不僅能直接解決小車的能源問題而且還能將多余的電量存貯起來。但在研究這些問題的同時，我們也面臨著諸多困難與挑戰(zhàn)：一是圖像采集易受到光線的均勻性和光照強(qiáng)度的影響，必須采用圖像采集中的處理圖像的方法；二是太陽能供電容易受到天氣環(huán)境的影響，如果在陽光充足的環(huán)境中能保證小車的電量充足，但是在連續(xù)的陰雨天時，要保證小車的連續(xù)工作就會有點(diǎn)困難，面對諸多的問題和挑戰(zhàn)，我們沒有選擇放棄。相信在未來的科技領(lǐng)域內(nèi)，多功能信息采集車的功能也許越來越完善，在勘探、國防等領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。

［1］郭天祥.51單片機(jī)C語言教程:入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009,01.

［2］楊黎,余勝.紅外避障系統(tǒng)的設(shè)計[J].湖南人文科技學(xué)院學(xué)報,2013(04).

［3］寧慧英.基于光電傳感器的智能小車自動尋跡控制系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2012(01).

［4］隋金雪,楊莉,張巖.“飛思卡爾”杯智能汽車設(shè)計與實(shí)例教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2014,01.