基于无线网络的小车远程控制系统的设计--毕业论文.doc

毕业设计(论文) 题目: 基于无线网络的小车远程控制系统的设计摘 要Wifi小车主要由电机、小车车底盘、STC89C52芯片、wif固化模块、电机驱动模块、舵机、电源、摄像头等主要部件组成。Wifi小车利用手提电脑或者android系统手机等能连接无线路由器，通过专业应用软件在终端上显示路由器连接的摄像头所采集到的视频信号。而在控制方面，由电脑或手机上的特定软件发送控制指令到wifi板，通过wifi板转将控制指令传给单片机处理。然后通过单片机控制电机驱动电机转动，舵机转动，就实现了控制小车的运动和视频采集。关键字 路由器；wifi;智能小车；89C52 AbstractThe Wifi car mainly by the electrical machinery, the car chassis, the STC89C52 chip, the wif solidification module, the motor-driven module, the servo, the power source, the photograph prime major component is composed.The Wifi car use portable computer or the android system handset and so on can connect the wireless router, through the specialized application software in the terminal demonstrated the router connection the camera gathers video signal.But in the control aspect, from on the computer or the handset specific software transmission control command to the wifi board, the control command will pass to monolithic integrated circuit processing through the wifi rotary-inversion.Then through the monolithic integrated circuit control motor-driven electrical machinery rotation, the servo rotation, realized has controlled the car the movement and video frequency gathering. Key words ：router; wifi; Intelligent car; 89C52摘 要2第1章 绪 论6第2章 系统方案的选择与比较7第3章 总体设计方案83.1 功能描述83.2 总体设计框图8第4章 硬件电路设计94.1 TP-LINK WR703N无线路由器94.1.1 刷机固件介绍104.1.2 刷机步骤104.2 单片机最小系统设计114.2.1 电源电路124.2.2 时钟电路124.2.3 复位电路134.2.4 89C52单片机的使用144.3 电机驱动电路154.3.1 电机驱动模块使用154.4 摄像头174.4.1 摄像头与路由器连接原理174.4.2 涉及摄像头的固件升级174.5 舵机184.5.1舵机的控制194.5.2舵机的作用194.6 电源模块204.6.1 稳压电路应用及其原理图、实物图204.7 小车底盘224.8 循迹传感模块234.8.1 循迹模块具体电路图244.8.2 传感器的安装244.9 wifi板及驱动模块供电模块LM259625第5章 软件设计275.1 软件设计简介275.2 程序流程图275.2.1主程序流程图275.2.2 串口中断子函数流程图295.2.3 定时器中断子函数流程图305.3 电脑控制软件平台315.3.1 操控平台的使用315.3.2 上位机通信协议简介32第 6章 制作与调试336.1 系统仿真336.1.1软件仿真测试界面336.2 实物调试34第7章 结论35致 谢36第1章 绪 论由于智能终端的爆发式增长，用户对无线网络的需求越来越大。无线网络的出现极大的满足了人们对于科技生活的需求，现在无线网络已经全方位的进入到我们的生活，说到无线网络则不得不提路由器wifi(即)。由于wifi具有无线电波覆盖范围广（约合100米）,传输速度快(能达到54mbps),使得wifi成为各大城市的主流无线网络应用方式，此外厂商进入该领域的门槛低，进而大大促进了wifi的迅速发展。此外，随着社会经济的迅速发展，大型商场、机场、车站、会展中心以及物流仓库等大型人流、物流场所的规模和数量不断增加，大中城市的高层，高档商用楼日益增多，规模迅速壮大，其安保需求也日趋迫切。而智能车是一个集感知环境、线路规划、行动决策、行为控制、信息传感以及报警装置为一体的多功能综合系统。将机器人用于安保工作、信息探索、军事侦察具有广阔的应用前景。近年来已受到国内外特别关注。 这是一个智能化的时代，各种智能的设备正逐步的取代人为操作。在国外，谷歌的无人驾驶汽车已然能在高速公路上安全行驶数千公里，IBM的家庭智能化系统集家电自动化控制，安防设备以及娱乐和信息中心于一体。而伴随着国内汽车行业的迅速发展，智能汽车的研究愈加引人注目。全国电子大赛以及省内的电子大赛基本必有智能小车方面的项目题，全国各高校也逐步重视智能小车这方面的研究。本次设计的Wifi智能小车能实现自动循迹，远程终端控制，视频监视，电脑手机wifi连接控制行驶以及其他的各项控制方式。本设计是以wifi模块为传输中心，电脑和手机作为命令发送终端，单片机控制的小车为接受终端，能够实现发送终端对小车的实时控制以及对小车摄像头视频反馈信号的无误接受。 第2章 系统方案的选择与比较方案一：选取网上经openwrt固化以及TTL线的引出等改装的wifi小车专用的的TP-LINK WR703N无线路由器作为我们wifi小车的wifi连接模块，使用MPS430单片机作为wifi小车的控制芯片。自主采购元器件，搭建电源，驱动电路及单片机最小系统。方案二：选取网上应用频率较高的db-120-wg路由器作为我们的wifi智能小车的wifi连接模块，采用常规教学里的51系列单片机89C52作为wifi智能小车的控制芯片。利用自己制作的电源，电路驱动模块等搭建我们的智能小车。方案三：选取经openwrt固化以及TTL线的引出等改装的TP-LINK WR703N无线路由器作为wifi小车的wifi连接模块，采用51系列单片机89C52作为智能小车的控制芯片。并自主制作L298N的电机驱动模块，单片机最小系统等外围电路。方案选择：由于MSP430价格较51贵，TP-LINK WR703N操作性更佳，基于对成本和制作性的的考虑而选取方案三。 第3章 总体设计方案3.1功能描述由电脑终端，通过wifi无线网络连接到路由器，再通过电脑应用型软件，向路由器发送控制命令及数据。路由器接收到数据后通过内部的串口发送接收软件，将接收到的命令与数据，通过路由器串口即TTL口发送到89C52单片机的的串口端，单片机接收到命令后执行相应的指令，如：小车的前进后退，蜂鸣器鸣叫等。 视频信号经过摄像头采集后由路由器发送到电脑终端，并在电脑应用软件中显示摄像头采集到的视频信号。3.2总体设计框图 摄像头 Wifi模块 电脑、手机 电机驱动模块 蜂鸣器 单片机 第4章 硬件电路设计4.1TP-LINK WR703N无线路由器 路由器如图4-1所示：图4-1 TP-LINK WR703N无线路由器路由器内部如图 4-2所示：图4-2 路由器内部结构图4.1.1 刷机固件介绍 串口命令转发软件:wifi-robots-openwrt-wr703n-v1-factory固件摄像头驱动及图像处理软件：wifi-robots-openwrt-wr703n-v1-sysupgrade固件4.1.2 刷机步骤 1.电脑经网线连接到路由器的LAN端口（靠近电源的LAN），电脑IP进入2.打开固件升级页面，直接上传wifi-robots-openwrt-wr703n-v1-factory固件，进行升级，耐心等待几分钟路由重启。 3.再次进入，看到OPENWRT界面说明已经刷factory固件成功。 4.登录名：root 密码：admin再重复刷sysupgrade固件。 5.此时再次重启路由器，电脑连接路由器的无线网络，插上s605摄像头，打开电脑上wifi小车控制界面软件，选择wifi控制模式，打开视频，此时我们可以看到一个稳定的视频信号通过路由器回传到我们的电脑终端，至此说明路由器刷机及相关配置成功。4.1.3 wifi板的改装 未改动的wifi板是无法和单片机系统进行联系的，因为wifi板的数据输出口还没有打开。而wifi板与单片机互通是通过串口通信而来的，故要对wifi板的数据输出口进行改动。如下图4-2-1所示。 图4-2-1 wifi板的改装示意图 4.2 单片机最小系统设计 由单片机STC89C52RC组成的单片机最小系统的基本工作电路组成包括时钟电路.复位电路.和电源电路。其组成方框图如下图4-1所示。 单 片 机 电源电路 复位电路 时钟电路图4-1 单片机最小系统组成方框图4.2.1 电源电路电源电路模块为单片机最小系统以及其他功能模块供应标准的+5V电压。4.2.2 时钟电路 单片机的时钟信号由晶振震荡产生，为单片机内部的各项操作提供时间基准，时钟电路为单片机生成时钟脉冲序列。作为一般单片机工作的时间基准，典型的晶体震荡频率为12Mhz。而MCS-51系列的单片机的时钟信号可以由两种方式产生：一种是内部时钟产生方式，利用芯片内部已有的震荡电路；另一种是外部时钟产生方式。两种电路如下图4-2（a）（b）所示。 （a）内部时钟方式 （b）外部时钟方式 图4-2 单片机时钟信号示意图4.2.3 复位电路 单片机复位是让CPU和系统中的其他拓展功能部件都恢复到一个确定的稳定的初始状态，并从这个状态开始运作。当在MCS-51系列的单片机的RST引脚输入高电平并且保持两个机器周期，单片机内部就自动执行复位操作。一般来说，单片机的复位电路有两种基本形式：一种是上电自动复位，一种是手动复位。两种电路方式如图4-3（a）（b）所示。 （a）上电自动复位 （b）手动复位 图4-3 单片机复位电路示意图 由于我们所采用的STC89C52RC芯片内部有时钟震荡电路，所以此单片机最小系统都采用内部时钟方式。只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接石英晶体和微调的磁介电容，就能构成自激振荡器并能在单片机内部产生时钟信号。同时也采用手动复位电路。其具体的电路设计如图4-4所示。 图4-4 单片机最小系统电路图在此图中，晶振两旁的电容起的作用是稳定频率和快速起振，其数值为530pF,一般选择30pF;晶振的震荡频率范围在3.533MHz间选择，由于需要运用串口通信涉及波特率，故选用11.0592MHz。4.2.4 89C52单片机的使用 本次设计，使用了89C52单片机的I/O口的输出输入功能,内部定时器T0，T1的使用及串口中断和外部中断。89C52单片机的I/O口的输入功能用于处理传感器的信号输入。通过单片机对外部传感器的信号采集以及处理，从而对外部条件进行判断而能进行下一步动作。89C52单片机的I/O口信号输出，主要用于给驱动模块送控制信号以控制电机的转动、给舵机送PWM信号控制舵机的偏转等。单片机的内部定时器的使用是用于产生PWM信号，和其他需要精确时间的地方。单片机的串口中断，应用于与路由器进行串口通讯，接受电脑终端发来的串口指令。4.3 电机驱动电路我们使用的这种直流电机的驱动及控制需要电机驱动芯片进行驱动。常用的电机驱动芯片有L297/298、MC33886、ML4428等。4.3.1 电机驱动模块使用 我们使用的是L298N芯片。其主要特点是：最高工作电压可达46V；瞬间峰值电流可达3A，持续的工作电流为2A；额定功率一般为25W.内部含两个H桥驱动器，采用标准逻辑电平控制；具有两个使能控制端，可以外接检测电阻，将内部变化量反馈个控制电路。单片机的弱电流控制信号经L298N内部电路，就可以输出大电流来驱动电机电路。 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。项目使用的是2个直流电机项目中使用了一L298N电机驱动来驱动这两个直流电机的转动。4.3.2 驱动原理及电路图驱动部分是一个以L298N为核心的驱动电路模块如图4-5所示。 图4-5 驱动模块实物图 图4-6 驱动模块原理图使用直流/步进两用驱动器能够驱动两台直流电机。分别为M1与M2。引脚A和B可用于输入PWM脉宽调制信号对电机进行控制调速。（而如果不需调速可将两引脚接5V，使电机工作在最高速状态即将短接帽短接）实现电机正反转则就更容易了，输入信号端IN1接高电平，输入端IN2接低电平，电机M1正转。反之，如果信号端IN1接低电平， IN2接高电平电机，则M1反转。控制另一台电机也是用同样的方式，输入信号端IN3接高电平，输入端IN4接低电平，电机M2会正转，反之则反转。PWM信号端A控制M1调速，PWM信号端B控制M2调速。可参考以下图表4-1。 表4-1 电机驱动状态表4.4 摄像头本项目中摄像头实现功能即实时监测小车周边情况使之成为一个无线可控移动的视频监控器，也用于判断小车当前路况。4.4.1 摄像头与路由器连接原理 摄像头内部一般需要两种工作电压：3.3V和2.5V,在本次wifi车设计中我们采用的是天敏S606的摄像头，如图4-7所示。 图4-7 天敏S606摄像头4.4.2 涉及摄像头的固件升级 以前常用的摄像头为301摄像头，但由于301摄像头常常出现不稳定，花屏的情况，故现在已然广泛的采用UVC高清摄像头，而针对原本的301部件则对路由器进行版本升级，以适应S606等高清摄像头。升级步骤：网页进入路由系统，点开备份/升级页面，点击刷新固件（注意要记得取消保留设置）。映像文件中选择wifi-robots-openwrt-wr703n-v1-factory升级后再刷sysupgrade固件。此时要注意不能手动掉电或者重启，不然路由器就会损坏，耐心等待5分钟后路由器自动重启。流程如下图所示。取消保留设置备份、升级页面进入路由系统页面选择factory固件点击刷新固件4.5舵机 舵机如图4-8所示图4-8 舵机舵机的输入线共有三条，红色中间是电源线，一边黑色的是地线，最后一根是信号控制线。这两根线提供给舵机最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有两种规格：一是4.8V，一是6.0V。分别对应着不同的转矩标准。6.0V的舵机对应的转矩要大一些。具体要看应用条件。 4.5.1舵机的控制 舵机的控制信号为周期是20ms的时基脉冲。该脉冲的高电平部分一般为0.5ms-2.5ms范围内的角度控制脉冲部分，总间隔为2ms。以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的。 0.5ms-0度； 1.0ms-45度； 1.5ms-90度； 2.0ms-135度； 2.5ms-180度；其控制原理为：控制信号经由接收机所提供的通道进入信号调制芯片，从而获得直流偏置电压。它内部内置了一个基准电路，产生周期为20ms，宽度约为1.5ms的基准信号，将此时获得的直流偏置电压与滑动变阻器的电压比较，而形成电压差输出。此外，正负的电压差输出到驱动芯片L298N,决定电机的正反转。4.5.2舵机的作用 可以用两个舵机制作一个云台（如图4-10所示），将摄像头固定在云台上，通过89C52单片机控制舵机转一定的度数，从而将我们想要的角度的图像通过摄像头传回手机、电脑等终端设备。 图4-10 舵机云台4.6电源模块 单片机和舵机需要分别单独提供5V、6V的电源。本次设计采用LM78XX系列构成一个5V、6V的稳压模块供电。LM78系列引脚及实物图如图4-11所示。 图4-11 LM78系列实物图4.6.1 稳压电路应用及其原理图、实物图 电子产品里，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78系列和负电压输出的79系列。如7806表示输出电压为正6V,7909表示输出电压为负9V。因为三端固定集成稳压电路使用方便，基础电子制作中常采用它。 在实际的应用里，应当在三段集成稳压电路上安装足够大的散热器（如若只是小功率的条件下则可以舍去）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至于烧毁。 当制作中需要一个能输出1.5A以上的电流的稳压电源，通常采用数块三端稳压电路一起并联起来，使得它的最大输出电流为1.5A的倍数，但使用时请注意：并联使用的集成稳压电路的芯片应采用一致厂家，一致批号的原则，确保参数一致。此外，在输出有效电流上还必须有一定的余量，用以避免可能性的小部分集成稳压电路模块失效时致使其他电路一起烧毁。电路原理图、实物图如下图4-12（a）（b）所示。 图4-12（a） 7805芯片稳压电路原理图 图4-12（b） 7805芯片稳压电路实物图4.7 小车底盘 车体即承重部分，采用三轮的车底盘，即一个万向轮（将万向轮用铜柱固定在底盘上），两个耐磨轮。每个直流电机各操控一个耐磨轮，共两个直流电机，如图4-13所示.图4-13 wifi车底盘4.8循迹传感模块 ST系列反射式的光电传感器是应用在循迹方面很广泛的传感器。此系列的传感器种类多、价格便宜、体积小、质量好、性能可靠。采用ST188作为红外检测传感器。 在检测黑线的测试中，若果检测到白色区域，发射管发射的红外光就没有反射到接收管，检测接收管的电压为4.8V。如果检测到黑色区域，则接收管接收到发射端发射的红外线，电阻就发生变化，所分得的电压也就随之改变，此时检测到的接收管的电压是0.5V。 而判断有无检测到黑线则应用一块比较器LM324，比较基准电压由10k滑动变阻器来调整。 ST188由一个发光二极管（发射模块）和一个光敏三极管（接收模块）组成。通过对外发射红外信号，看接收信号端的变化来判断检测物体状态的变化。A、K之间是发光二极管，C、E之间是光敏三极管（二者均要串联一定阻值的电阻，并且都到正接）。 LM324内部有4个运算放大器，可用正电源330V。用作比较器，即将传感器输出的模拟电压与自身基准电压作比较，从而实现将传感器的模拟信号转成数字信号，并将该数字信号传送到单片机芯片以供查询。 实物图及内部电路图如图4-15所示。 图4-15 AT188实物图 内部电路图 LM324图4.8.1 循迹模块具体电路图通过ST188来检测黑线，ST188输出接收到的是否接收到红外线的信号给LM324，接收电压与基准电压比较后，LM324的输出信号变为高低电平，后再输入到单片机中，用来判定是否检测到黑线。电路图如4-16所示。 图4-16 电路图4.8.2 传感器的安装 在小车具体的循迹行走过程中，为了能精确检测到黑线位置并确定小车行走的实际方向，需要同时在底盘上装载4个红外探测头，并进行两级方向纠正控制，用来提高小车循迹的可靠性。其具体安装位置如图4-17所示。 图4-17 传感器安装图图中循迹传感器全部在同一条直线上。其中X1和Y1作为第一级方向控制传感器，X2与Y2作为第二级方向控制传感器，且黑线的宽度必须大于黑线两边的传感器之间的宽度。当小车行驶时，要始终保持如上图所示的行走轨迹，在X1和Y1这两个第一级传感器之间，当小车脱离黑线轨迹的时候，第一级传感器马上就能检测到脱离了黑线轨迹，随后传感器把检测到的信号送给小车的处理、控制控制中心，控制中心发送信号对小车的轨迹予以纠正。若小车由于本身重量因而惯性过大偏离轨道，超出了第一级两个探测器所能探测的范围，此时第二级探测器动作，再次可以对小车的运动进行纠正，使得小车能回到正确轨道上。这样，可以认为第二级方向探测器实际是第一级探测器的后备保障，故而提高了小车循迹的可靠性。4.9 wifi板及驱动模块供电模块LM2596 Wifi模块需要一个5V/1A的电源；电机驱动需要一个8V的电源。考虑到成本原因，我们因此分别使用了两个可以调压的LM2596电源模块分别用来调节到想要的电压为wifi板和电机驱动供电。 LM2596系列是可以产生3A电流输出降压开关型集成稳压芯片，其内部基准稳压器是1.23V，并且此芯片有工作状态的外部控制引脚。如下图所示4-18所示。 图4-18 LM2596芯片 开关电源调节器属于降压型电源管理单片集成电路，能够输出3A多大驱动电流，同时还具体有极好的线性和负载调节特性。可调上限到37V。电路图如下4-19所示。 图4-19 可调电压模块电路图 该器件只需外接4个器件，可以使用通用的标准电感，即优化了LM2596的使用，极大的简化了电源电路的设计制作。 ,其中, ，我们通过调节LM2596模块电路为wifi板以及电机供电。第5章 软件设计5.1 软件设计简介 硬件平台结构一旦确定，大的功能框架立即形成，软件必须在硬件平台上构建，完成各部分硬件的控制和协调等工作。系统功能是由软硬件共同实现的，由于软件的可伸缩性，最后实现的总体系统功能可强可弱，性能差别可能很大。所以，软件是系统的灵魂。软件采用模块化的设计方法，不仅易于编程和调试，也可以减小系统的故障率和提高系统可靠性。5.2 程序流程图 智能wifi小车的软件编写主要分为三大部分：命令接收部分、命令执行部分、以及具体的信号采集和处理。 5.2.1主程序流程图 系统主程序模块主要完成对各模块电路的初始化等工作。主要包括对两个定时器、串口中断、外部中断的初始化，同时执行电脑、手机等终端设备所发送的命令，并等待外部中断。软件总体设计流程图如下图5-1所示。 图5-1 总体程序流程图5.2.2 串口中断子函数流程图串口中断，用来实现单片机和路由器之间的通讯。进入中断后，马上关掉中断，避免数据信号重复，以干扰到通讯质量。根据命令数据发送规律，将解码后的命令存储在相应的二维数组当中。以方便在主函数中调用。其流程图如下图5-2所示。 图5-2 串口中断流程图5.2.3 定时器中断子函数流程图 通过测算定时器的初始值和循环次数，从而确定出舵机PWM信号的20Ms的周期。通过控制高电平持续的中断次数，便可以确定具体的PWM信号。其流程图如下图5-3所示。 图5-3 定时器中断函数流程图5.3 电脑控制软件平台 该上位机软件采用全数据双向式引擎，可以从电脑发送命令经由wifi模块传递到下位机，从而执行命令操作。也可以接收从下位机返回的数据信息到电脑终端，经处理后显示。界面如图5-3所示。 图5-3 上位机软件界面 5.3.1 操控平台的使用 具体步骤如下： 1.连接wifi板，注意需要连接的是wifi板经升级后建立的无线网络。 2.打开操控平台，进行系统配置。 3将wifi参数设置为 视频地址：:8080/?action=stream. 控制地址： 控制端口：2001 4.开启视频传输，点击“开启视频”。 5.打开控制模式，选择“蓝牙模式”或者“WIFI模式”。蓝牙模式需要预先配 对蓝牙适配器，并在系统设置中进行选择蓝牙适配器COM口。选择WIFI模 式后，如果3秒内没有连接上WIFI板，程序将提示失败，并自动终止连接。5.3.2 上位机通信协议简介 通信协议是指双方实体完成通信或服务所必须遵循的规则和约定。在本次设计中，我们采用较为简单的通信协议，指令格式为：包头FF，包尾FF ，以及类型位，命令位，数据位。其列表如下图5-4所示. 图5-4 通信协议比如前进的指令为FF000100FF，自己定义的指令要和下位机相符合，并且为偶数位的16进制的格式字符，否则发送会出错。指令设置好后，保存即可。第 6章 制作与调试6.1 系统仿真 随着科技的飞速发展，“计算机软件仿真技术”已经成为许多设计部分重要的前期设计测试手段。它具有设计灵活，结果可信度，可靠性均比较高的特点。可以使得设计时间大幅度缩短，耗资大为缩减，也能降低工程制造的风险率。6.1.1软件仿真测试界面软件的应用一般使用Keil4软件，硬件电路仿真一般使用proteus软件。电路仿真实验测试如图6-1(a)、（b）所示。 图6-1（a） 稳压电路仿真测试 图6-1（b） 可调压电源模块仿真测试6.2实物调试根据系统总体设计方案，此系统综合调试可分为硬件调试、软件调试和软硬件综合调试。在电路安装完成后，对系统进行整体检查，确认电路无虚焊，短路、等错误。然后对单片机导入软件设计的程序，后对各模块进行联调。实物设计如下图所示。第7章