基于单片机和蓝牙的避障小车控制系统

基于单片机和蓝牙的避障小车控制系统1绪论1.1研究背景及意义在电子市场上，基于单片机和蓝牙的避障小车的销量已经超过传统遥控小车的销售量，而且越来越多的消费者开始对智能避障小车的性能和功能进行关注和追求。智能避障小车的优势主要体现在智能化、适应性强、可编程性强和灵活性强等方面，可以预见，随着科技的不断进步和社会的不断发展，基于单片机和蓝牙的避障小车将会成为未来电子消费产品市场的主流和趋势。以前的传统智能基于单片机和蓝牙的避障小车渐渐的在我们生活中消失，而智能基于单片机和蓝牙的避障小车的智能化也慢慢的走进我们生活当中，使得智能化智能基于单片机和蓝牙的避障小车销售量紧追GDP的增长，也就是说智能基于单片机和蓝牙的避障小车的智能化得到更多人的认可。在2004年与2003年的数据中也显示了传统的智能基于单片机和蓝牙的避障小车销售量增幅只有3％，而智能化智能基于单片机和蓝牙的避障小车增幅则达到了52%。基于单片机和蓝牙的避障小车的研究也越来越受到关注。其中，最突出的比赛是全国电子设计大赛和全国“挑战杯”大学生课外学术科技作品大赛。都会存在基于单片机和蓝牙的避障小车的研究这一项目。从中我们可以看出研究智能基于单片机和蓝牙的避障小车器人拥有重大意义。1.2国内外研究现状地震、火灾、矿难等灾害发生后，救援人员肩负着在废墟中寻找幸存者、提供必要的医疗救助、尽快营救被困人员的紧迫任务。实践经验表明，超过48小时后，被困在废墟中的人存活的概率会越来越小。由于事故现场情况复杂，救援人员在没有自身安全的情况下很难赶到现场开展救援工作，加之废墟中狭小的空间让搜救人员更无从下手。搜救犬进入。为了进入密闭空间进行搜救工作，机器人的体积必须尽可能小。该灾害搜救车可以很好地解决上述问题。汽车可以在灾难发生后立即到达灾区，到达救援人员无法到达的地方收集必要的信息并反馈给救援中心。对于在灾难发生后，如地震，火灾等，人员不宜进入或无法进入的特殊环境，进行了初步分析，设计一款能够在复杂环境中能够自由行走的搜救小汽车。小汽车以STM32单片机为核心，搭载烟雾传感器，温度传感器等。当遇到狭窄路面时，小车可利用体积小的特点进入狭小空间进行搜救，而穿越废墟路面时，小汽车主要通过避障传感器来达到躲避障碍物，从而快速穿越废墟和穿越狭窄地带。小汽车还会通过蓝牙串口模块实时地将烟雾浓度，温度等信息传到上位机上。当地面人员收到信息后立即根据被困人员受困情况组织营救。1.3设计内容（1）按键部分：五个按键分别代表启动，右转，左转，后退，前进；（2）数码管显示电压；（3）小车与控制终端可以通过无线信号连接，终端可发送命令控制小车，控制小车前进、后退、左右的基本动作；（4）通过温度传感器、烟雾传感器、火焰传感器采集环境指标，采集的模拟量通过模数转换后送到主控电路，并且相关参数可以利用蓝牙模块显示到手机APP上；（5）蓝牙模块由单片机控制，可通过手机应用程序控制小车工作，当检测到有火焰、烟雾和温度过低时，手机能报警；当检测到的温度比手机APP设置的温度过高时，手机报警并且小车风扇启动；2系统硬件电路设计2.1系统原理与框图设计本设计由STM32单片机电路、蓝牙模块电路等电路，火焰模块、蓝牙模块等模块和一些传感器，如烟雾传感器、温度检测传感器，独立按键等组成，绘制方案如下图2.1系统框图（1）无线通信功能：小车与控制终端可以通过无线信号连接，终端可发送命令控制小车。（2）信息收集功能：通过温度传感器、烟雾传感器、火焰传感器收集周围温度、烟雾、火焰等信息指标，收集的模拟量通过模数转换后送到主控电路。（3）远程控制移动功能：用户可以远程控制指令给小车，从而控制控制小车的前、后、左和右的基本动作。（4）控制终端显示功能：温度、烟雾浓度、火焰、气体浓度等数据可以通过APP在手机上能够实时显示出来。2.2系统硬件功能模块2.2.1最小系统设计本设计采用STM32F103作为主控芯片。可以32K编程，实时仿真。它可以在整个过程中跟踪控制器。它具有高时效性和高性能。在功能控制和外观设计方面非常可靠系统集成为一个高度开发的综合系统。STM32F103芯片的最小系统设计如图2.2所示。图2.2STM32F103芯片最小系统图2.2.2复位电路复位电路主要是利用按键悬空按下的瞬间产生一个相反电平的脉冲对芯片进行复位和复位。它是一种用来复位电路的电路器件，即用它把电路复位到原来的状态。它类似于计算器上的重置按钮，可以更轻松地返回到原始状态并重新开始计数。复位电路图如图2.3所示：图2.3复位电路图2.2.3电机控制电路本设计采用了12V直流电动机作为小车的动力源。使用芯片L293D作为避障小车的电机驱动。L293D芯片具有TTL/CMOS输出电平兼容，每个IC有两个通道，当输入A为高电平时，输出A也是高电平，反之亦然，B通道也是跟A通道一样，所以通过单片机给予L293D电路PWM信号来控制小车的启停，确保小车的前退、右转和避障等功能。同时L293D可以驱动12V以下的电机，适用范围比较大。本设计共采用两颗芯片L293D作为避障小车的电机驱动，四颗电机。一个芯片L293D控制两个电机，以其中一个芯片L293D为例，该芯片一共有16个引脚。引脚1到8：VCC2接5V。EN1为使能信号，高电平有效，接单片机PWM信号，控制转速。IN1、

IN2

为电机旋转方向控制信号，接单片机。OUT1、OUT2接在电机的两端，OUT1接红色线，OUT2接黑色线，IN1和IN2变化时变化，这样就可以控制电机的方向。引脚4和引脚5都接地。引脚9到16也是相同的接法。引脚功能如表2.4。表2.4电机控制引脚功能表引脚名称功能描述引脚名称功能描述1启用1，2（+5V）9启用3，4（+5V）2输入110输入33输出1（电机1引脚1）11输出3（电机2的引脚2）4接地（0V）12接地（0V）5接地（0V）13接地（0V）6输出2（电机1的引脚2）14输出4（电机2的引脚2）7输入215输入48VCC2，+9v16VCC1（+5V）电机控制电路如图2.5所示。图2.5电机控制电路图2.2.4温度传感器电路将温度传感器的VCC引脚连接到电源正端，GND引脚连接到电源负端。将温度传感器的DQ引脚连接到单片机引脚PB15，为单总线通信协议的控制IO口。在数据传输管脚DQ和单片机管脚PB15之间串联了一个4.7K的电阻R11，以提高温度测量的精度。DS18B20温度传感器模块电路如图2.6所示：图2.6DS18B20温度传感器模块电路原理图2.2.5蓝牙模块电路蓝牙模块是指集成蓝牙功能的芯片基本电路集合，能进行无线信息交换，不需要电缆就可以实现连接，十分适合本设计；在我们的生活中，应用到蓝牙的生活产品也是随处可见，价格实惠，适合我们学生使用。它能实现本设计的需求，能实现通过手机端APP控制小车前进，从而控制小车的前后、左右等基本动作。通过蓝牙模块的VCC、GND、TXD和RXD，分别连接STM32的5V、GND、RX和TX，手机APP能发送信息到蓝牙模块，蓝牙模块通过串口将信息发送到单片机，从而实现无线控制避障小车的前进、后退等功能。通过温度传感器、烟雾传感器、火焰传感器采集环境指标，采集的模拟量通过模数转换后送到主控电路，单片机将相关参数输送到蓝牙模块，通过蓝牙模块显示到手机APP上。如图2.7所示和如下图2.8所示图2.7蓝牙模块实物图图2.8HC-05电路图2.2.6烟雾传感器电路当汽车通过废墟和狭窄区域时，需要检测气体和烟雾。使用MQ-2气体检测模块来检测气体泄漏，MQ-2气体传感器对一些气体具有良好的灵敏度，当其环境中存在可燃气体时，作为空气中可燃气体浓度增加，传感器的电导率逐渐增加。烟雾传感器实物如图2.9所示和其电路原理图如图2.10所示。图2.9MQ-2实物图图2.10烟雾传感器电路图烟雾探测器MQ-2共有6个输出控制引脚接VCC5V正极，GND接5V负极，2脚数字输出。烟雾浓度值的转换需要使用模拟输出转换，因而两个输出引脚只用到PBO引脚和单片机的PB1连接。2.2.7火焰传感器的电路这次设计选用的火焰传感器为YL-38，火焰传感器实物如图2.11所示。它的信号和波形对于这款车型来说是完全可以接受的，驱动能力也不错，具有良好的明火判断能力，能探测到火焰。价格实惠，适合我们学生。模块原理：通过电信号（电压信号）进行输出，检测到火焰信息，输出高电平。本次火焰传感接口如下，本次采用采用1路火焰传感器来识别火焰，因此需需要统一焊接，接口如下所示，D0接入单片机PA10，其余五管脚接入5V电源和GND，如图2.12所示：图2.11火焰传感器实物图图2.12火焰传感器实物图2.2.8按键模块本设计有5个独立的按键来完成避障小车的相关工作。一边K1-K5共同接地，另一边分别通STM32的PB3-PB7控制IO口。按键电路图如图2.13所示。从上到下，按键的功能依次是启动，右转，左转，后退，前进。图2.13按键模块图3系统程序设计3.1软件在编写完源代码后，使用软件KeiluVision4进行编译，可以在此软件中得出程序是否有错误。如果编译过程中没有出现错误，我们可以进行下一步的编辑和调试图3.1KeiluVision4编译程序无错误生成hex文件，如图3.2所示。图3.2KeiluVision4生成hex文件3.2

系统主程序设计（1）利用APP控制小车的前、后、左右的基本动作。（2）温度通过温度传感器DS18B20采集，气体、烟雾浓度通过MQ-2采集，火焰由火焰传感器YL-38采集。（3）相关参数可以利用蓝牙模块显示到手机APP上。如图3.3所示图3.3主程序流程图火焰传感器检测流程图如图3.4所示图3.4火焰传感器检测流程图光电检测流程图如图3.5所示：图3.5光电检测流程图3.3系统步进子程序流程图步进电机的工作流程可以为开始、接收命令、传送指令、判断位置和结束。步进电机工作流程如图3.6所示。图3.6系统步进子程序流程图3.4按键模块工作流程图按钮电路的功能包括启动、右转、左转、倒退和前进功能。这些按钮将并联连接，共用5个引脚。5个按键并联在一起，接单片机的5个输入引脚。流程图如下：流程图如3-7所示：图3.7按键模块工作流程图4系统调试硬件实物如图4.1所示：图4.1硬件实物图调试方案：1.通过按键部分，分别控制小车的启动、前进和后退等基本移动功能。2.小车和控制终端能通过蓝牙模块互相连接。3.通过手机APP，控制小车的前、后、左和右的基本动作。4.通过手机APP，对小车进行启动前进，检测小车能否避障。5.当火焰传感器检测到火焰时，可以通过单片机控制蓝牙模块将检测到的信息发送到手机APP上，从而实现在手机APP上显示火焰检测结果的功能。6.对小车的气体烟雾检测，同时烟雾的浓度能通过蓝牙模块在手机APP上显示出来。7.对小车的温度检测，同时对温度的数据能通过蓝牙模块在手机APP上显示出来。按下启动开关，实物正常通电，能通过按键部位，对小车进行前进、后退、向左、向右等功能。小车通电图4.2所示图4.2小车通电图按下启动开关，实物正常通电，数码管显示电压状态，蓝牙模块初始化。小车连接蓝牙如图4.3所示:图4.3小车连接蓝牙图连接蓝牙，按下启动按钮，点击手机APP上的按钮控制控制小车的前、后、左和右的基本动作。小车移动如图4.4所示：图4.4小车移动图在宿舍对小车进行调试，按下自动按钮，小车自行行驶，在经过床脚、宿舍门时能避免撞击，并向左向右行驶。小车自动行驶如图4.5所示：图4.5小车自动行驶图因为在宿舍对实物做的调试，无法模拟一些地震火灾等环境，因此，我采用打火机的火焰来检测小车的火焰检测功能。用打火机靠近小车火焰模块，检测小车能否检测到火焰；当小车火焰模块检测到有明火时，手机app显示有火焰，同时手机报警。小车检测火焰如图4.6所示：图4.6小车检测火焰图因为在宿舍对实物做的调试，无法模拟一些地震火灾等环境，我采用的仍然是打火机。打火机里一般用的气体是丁烷，通过手机APP把烟雾上限设置为5%，吹灭打火机的火焰同时靠近小车的烟雾传感器，当气体的浓度高于手机APP所设置的5%时，手机APP显示有烟雾，并报警。小车检测烟雾如图4.7所示：图4.7小车检测烟雾图此时室温26.2℃，通过手机app把温度上限调成25℃，低于室温26.2℃，手机震动并且报警，同时小车的风扇工作。小车检测温度如图4.8所示：图4.8小车检测温度图5软件界面设计关于手机APP的设计，我是通过E4A软件设计一个用于控制避障小车的APP，工作流程如下：（1）APP设计第一步是建立新的工程，选择需要所使用的开发工具和框架，然后创建一个新的工程。在创建新的工程后，会出现APP的主界面，通过右边的核心库放置我这次设计所需要的各种控件，如按键、文本框、菜单、蓝牙等，然后进行布局和调整。APP设计如图5.1所示：图5.1APP设计图（2）双击主界面空白区域进入代码区，编写本设计小车相应的程序。如图5.2所示：图5.2APP代码编写图（3）编程完成后，直接点击该软件的翻译按钮，生成一个可执行的APP文件，通过电脑发送到手机，安装到手机上。如图5.3所示：图5.3APP图6分析与总结在这两个多月里我付出了很多努力和时间，最终获得了好的结果。设计过程中可能会遇到曲折和困难，但是我坚持下来，克服困难，最终完成了预设的每一个步骤，提高了我良好的学习能力和面对困难能勇敢地去解决。在这次设计过程中，遇到不懂的地方首先我会自己想办法解决，通过自己的思考和努力，更深入地理解相关知识点，也可以提高自己的学习能力。当我碰到非常棘手、困难的问题时，我会寻求同学和老师帮助。通过和他人的讨论，可以获得新的思路和观点，从而解决问题。此外，我还通过上网搜查相关文献、期刊和视频以此来帮助我完成毕业设计。由于该电路相对复杂了点，所以，无论如何布线的情况下，焊接时还是需要跳线。通过本次设计我深刻的意识到了理论与实际相结合的重要性。在焊接完电路以及整体调试之后，出现的一些情况：1.由于该电路相对复杂了点，所以，无论如何布线的情况下，焊接时还是需要跳线。2.关于app的制作，上学期和同学一起制作智慧台灯时学过，是在朋友的帮助下以及查阅观看一些资料和视频完成的了一个简单的app。3.由于之前没有接触过STM32F103C8T6芯片，在嵌入式书本上的学过，并未真正的接触过，因此对这个芯片了解不深。我经过网上搜索资料以及看视频学习，在一些理论和实物的引脚对应不上导致芯片不能正常工作，通过认真看完原理图、引脚参数并修改之后芯片正常工作，电机正常运转。在设计和实现基于单片机和蓝牙的避障小车控制系统时，遇到问题和瑕疵是很正常的，重要的是要保持积极的心态，不断学习和提升自己的能力，不断改进和完善设计，最终实现自己的目标。参考文献[1]曹建平,丁坦,杨辉.基于STM32的WIFI控制金属探测小车系统设计[J].实验室研究与探索,2020.[2]李耀乾,苗泽,付天华,李明涛.基于STM32的智能无线温度探测小车[J].大众科技,2019.[3]王胜.基于STM32的智能探测小车[J].黑龙江科学,2018,9(12):36-37.[4]张英豪.基于STM32的多功能探测小车的研发设计[J].电子质量,2017(09):35-38.[5]项贤军,周荣晶,王才峄.基于STM32的智能探测小车控制系统设计[J].电子测量技术,2016.[6]徐启明.基于51单片机的金属探测全方位移动智能小车[J].电子世界,2018.[7]张洁,刘苹,卢慧.基于单片机AT89C52的多功能探测小车设计[J].电子测量技术,2014.[8]郭啸宇,张建荣.基于单片机的无线环境探测小车设计与实现[J].电子技术与软件工程,2013.[9]黄果,吴恒玉.智能消防小车系统的设计[J].电子制作,2014.[10]徐汉斌,熊才高.单片机原理及应用[M].华中科技大学出版社,2013.附录附录A：系统原理图

附录B：实物图

附录C：系统的源程序系统主程序部分代码：#include"usermain.h"#include"tim.h"#include"usart.h"#include"adc.h"#include"DS18B20.h"#include"FLSH.h"#include<string.h>#include"stdio.h"#definekey1()HAL_GPIO_ReadPin(key1_GPIO_Port,key1_Pin) #definekey2()HAL_GPIO_ReadPin(key2_GPIO_Port,key2_Pin)#definekey3()HAL_GPIO_ReadPin(key3_GPIO_Port,key3_Pin)#definekey4()HAL_GPIO_ReadPin(key4_GPIO_Port,key4_Pin)#definekey5()HAL_GPIO_ReadPin(key5_GPIO_Port,key5_Pin)#definePIR2()HAL_GPIO_ReadPin(PIR1_GPIO_Port,PIR1_Pin)#definePIR1()HAL_GPIO_ReadPin(PIR2_GPIO_Port,PIR2_Pin)#definefire()HAL_GPIO_ReadPin(fire_GPIO_Port,fire_Pin)#definefan(e)HAL_GPIO_WritePin(fan_GPIO_Port,fan_Pin,(GPIO_PinState)e);#definepump(e)HAL_GPIO_WritePin(pump_GPIO_Port,pump_Pin,(GPIO_PinState)e);#definein1(e)HAL_GPIO_WritePin(in1_GPIO_Port,in1_Pin,(GPIO_PinState)(!e));#definein2(e)HAL_GPIO_WritePin(in2_GPIO_Port,in2_Pin,(GPIO_PinState)(!e));#definein3(e)HAL_GPIO_WritePin(in3_GPIO_Port,in3_Pin,(GPIO_PinState)(!e));#definein4(e)HAL_GPIO_WritePin(in4_GPIO_Port,in4_Pin,(GPIO_PinState)(!e));#definein5(e)HAL_GPIO_WritePin(in5_GPIO_Port,in5_Pin,(GPIO_PinState)(!e));#definein6(e)HAL_GPIO_WritePin(in6_GPIO_Port,in6_Pin,(GPIO_PinState)(!e));#definein7(e)HAL_GPIO_WritePin(in7_GPIO_Port,in7_Pin,(GPIO_PinState)(!e));#definein8(e)HAL_GPIO_WritePin(in8_GPIO_Port,in8_Pin,(GPIO_PinState)(!e));#defineen1(e)HAL_GPIO_WritePin(en1_GPIO_Port,en1_Pin,(GPIO_PinState)e);#defineen2(e)HAL_GPIO_WritePin(en2_GPIO_Port,en2_Pin,(GPIO_PinState)e);#defineen3(e)HAL_GPIO_WritePin(en3_GPIO_Port,en3_Pin,(GPIO_PinState)e);#defineen4(e)HAL_GPIO_WritePin(en4_GPIO_Port,en4_Pin,(GPIO_PinState)e);#definestop in1(0)in2(0)in3(0)in4(0)in5(0)in6(0)in7(0)in8(0)#definekeyW in1(1)in3(1)in6(1)in8(1)in2(0)in4(0)in5(0)in7(0)#definekeyS in2(1)in4(1)in5(1)in7(1)in1(0)in3(0)in6(0)in8(0)#definekeyD in1(1)in3(1)in5(1)in7(1)in2(0)in4(0)in6(0)in8(0)#definekeyA in2(1)in4(1)in6(1)in8(1)in1(0)in3(0)in5(0)in7(0)uint16_tADCF=0;struct{uint8_tflag1; uint8_tflag2; uint8_tflag3; }key0; struct{uint8_tMode; uint8_ttim; }control0; uint16_tsmog=0; uint8_tRECkey=0;/***************************************************************************************************/voidkey(){if(key5()==0||RECkey==5) {if(key0.flag1){RECkey=0;key0.flag1=0;control0.Mode=!control0.Mode; }else{key0.flag1=1;}if(key1()==0||RECkey==1) {control0.Mode=0;keyW}elseif(key2()==0||RECkey==2) {control0.Mode=0;keyS}elseif(key3()==0||RECkey==3) {control0.Mode=0;keyA}elseif(key4()==0||RECkey==4) {control0.Mode=0;keyD}else{stop}}/**//*****************************************************************************************************************/voidPIR(){if(control0.Mode) {if(PIR1()==0) {keyAif(PIR2()==0||control0.tim) {HAL_Delay(400);}else{HAL_Delay(100);}}elseif(PIR2()==0) {control0.tim=30;keyDHAL_Delay(100);}keyW }}///**///uint16_tbeepF=0;uint16_tADC_Dat=0;voidADC(){if(ADCF==0){return;}ADCF=0;HAL_ADC_Start(&hadc2);HAL_ADC_PollForConversion(&hadc2,0xffff);ADC_Dat=((HAL_ADC_GetValue(&hadc2)));HAL_ADC_Stop(&hadc2);if(ADC_Dat>850)ADC_Dat=850;if(ADC_Dat<50)ADC_Dat=50;smog=(ADC_Dat-50)/8;DS18B20_Get_Temp();fan((temp1>SYSM1.TH));pump((smog>SYSM1.SH||!fire()));beepF=(smog>SYSM1.SH||!fire())||(temp1>SYSM1.TH);printf("Data,%u,%0.1f,",smog,temp1);if(fire()){printf("1,");}else{printf("0,");}printf("%u,%u,%u,",SYSM1.SH,SYSM1.TH,beepF);printf(",,,,,,,,,,,,\r\n");}/*************************************************************************************************/voidusermain(void){HAL_TIM_PWM_Start(&htim2,TIM_CHANNEL_1);//HAL_TIM_PWM_Start(&htim2,TIM_CHANNEL_4);//HAL_TIM_PWM_Start(&htim3,TIM_CHANNEL_1);//HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1); //__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2,TIM_CHANNEL_1,12000);__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim2,TIM_CHANNEL_4,12000);__HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3,TIM_CHANNEL_1,12000);HAL_UART_Receive_IT(&huart1,&RECkey,1);//TIM2->ARR=TIM3->ARR=3*8000; //while(1){key(); //PIR();ADC();writeMomerr();}}///*****************************************************************************************************************************/#include<string.h>voidHAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef*huart){if(huart==&huart1){HAL_UART_Receive_IT(&huart1,&RECkey,1); if(RECkey>'9') { switch(RECkey) { case'C': if(SYSM1.TH<99)S