基于单片机的粮库巡检小车的设计

(论文)-PAGEII-摘要随着单片机功能的日益完善，粮食检测的实时性、准确性也越来越高。寻找最佳配置和最好的性价比成为粮情检测研究的重点。针对传统粮库检测系统的不足，本文设计了一款能对粮库环境进行实时检测的智能巡检小车。巡检小车系统由接收板和小车两部分组成。小车采用STC12C5A60S2单片机作为控制核心，由DHT11温湿度传感器、MQ-2烟雾传感器、避障循迹、HC-05蓝牙模块等主要模块组成。同时接收板以STC89C52为控制核心，搭配报警模块、HC-05蓝牙模块、LCD1602液晶显示模块。将小车采集到的温湿度信号送入单片机进行处理，经单片机处理后的数据通过蓝牙传输给接收板，接收板单片机将接收数据进行模数转换，转换后的数值通过LCD液晶屏显示。实现温湿度烟雾的采集显示、检测报警功能。与传统环境检测系统相比，具有低功耗、使用方便、移动与定点采集相结合的特点。关键词： 粮食；单片机；温湿度烟雾；巡检小车；检测报警(论文)-PAGEIV-AbstractKeyWords： grain;singlechipmicrocomputer;temperatureandhumiditysmog;thepatroltrolley;detectionalarmWiththeimprovementofthefunctionofsingle-chipmicrocomputer,thereal-timeandaccuracyofgraindetectionisalsohigherandhigher.Tofindthebestconfigurationandthebestcostperformanceratiohasbecomethefocusoftheresearchofgrainsituationdetection.Inviewoftheshortcomingsofthetraditionalgraindepotdetectionsystem,thispaperdesignsanintelligentpatrolcarwhichcandetectthegraindepotenvironmentinrealtime.Theinspectioncarsystemconsistsoftwoparts:receivingboardandcar.STC12C5A60S2singlechipmicrocomputerisusedasthecontrolcoreofthecar,whichiscomposedofDHT11temperatureandhumiditysensor,mq-2smokesensor,obstacleavoidancetracking,hc-05Bluetoothmoduleandothermainmodules.Atthesametime,STC89C52isthecontrolcoreofreceivingboard,whichisequippedwithalarmmodule,hc-05BluetoothmoduleandLCD1602LCDmodule.Thetemperatureandhumiditysignalscollectedbythecararesenttothesingle-chipmicrocomputerforprocessing,andthedataprocessedbythesingle-chipmicrocomputeristransmittedtothereceivingboardthroughBluetooth.Thereceivingboardsingle-chipmicrocomputercarriesoutanalog-to-digitalconversionofthereceiveddata,andtheconvertedvalueisdisplayedontheLCDscreen.Realizethecollection,display,detectionandalarmfunctionsoftemperatureandhumiditysmoke.Comparedwiththetraditionalenvironmentdetectionsystem,ithasthecharacteristicsoflowpowerconsumption,convenientuse,combinationofmobileandfixed-pointacquisition.目录摘要 IAbstract III1引言 61.1研究背景和意义 61.2国内外的研究现状 71.2.1粮库检测系统研究现状 71.2.2巡检小车研究现状 71.3研究目标及主要内容 82巡检小车系统结构 92.1巡检小车总体设计 92.1.1车体结构的选择 92.1.2电源与复位 102.2控制模块的选择 102.2.1小车控制模块 112.2.2接收板控制模块 112.2.3时钟晶振电路 122.2.4LM358运算放大器 132.3本章小结 133巡检小车系统的硬件设计 143.1检测小车硬件组成 143.1.1电机驱动模块 143.1.2寻迹模块 163.1.3避障模块 173.1.4温湿度检测模块 183.1.5气体烟雾检测模块 193.2数据的传输与通信 213.3数据接收板硬件组成 223.3.1显示模块 223.3.2按键报警模块 233.4本章小结 244小车系统软件设计 254.1KeilC51介绍 254.2小车系统流程图 254.2.1寻迹避障流程图 264.2.2环境检测流程图 284.3接收板系统流程图 295巡检小车实际测试 315.1巡检小车实物图 315.2巡检小车系统测试 315.3测试结果 336总结 35参考文献 36致谢 38(论文)-PAGE11-引言研究背景和意义我国拥有14亿人口，每年粮食的存储和消耗是个大问题，直接关乎国家与个人。据相关调查，全国各地每年都存在着不同程度的粮食变质，严重制约了社会发展，由此可见必须要保证粮食的存储安全。科学的储粮不仅可以有效应对各类事件，而且能为国家发展提供可靠保障。根据国家规定，要完全把控粮食的存储质量[1]，做到严密排查不放过一丝一毫的问题，按时将粮库检测情况汇总上报。粮食经过好几道工序处理后，方可放入粮库封装储存。存储时极易受温、湿度的影响，正常存储时水分不会太高，温度也不易发生变化；当密封出现问题时，水分就极易进入粮食中，促使粮食代谢加快，呼吸发热使局部粮食温度升高，不仅会造成粮食的腐烂变质，而且局部温度过高极易引发大面积火灾等问题，损失大量粮食。目前我国粮库建设取得了很大进展，基本实现大规模现代化，但检测技术迟迟得不到突破，大型检测设备仍需高价进口。国内大多粮库仍使用人工检测，检测设备极易损坏，检测结果也无法与机器相比。再加上粮库规模太大、检测点数量多，大大加重了员工的工作量，检测效率极低，特别容易出现遗漏问题，导致许多粮库无法按时完成检测任务，粮食白白烂在粮库里。为保证粮库检测工作的正常进行，拟设计一套低成本高效率的粮库巡检小车，取代传统人工检测。该小车处理器选用单片机，与各检测器件配合使用，组成一个自主移动的实时检测系统。检测的数据可由蓝牙传输到接收板的显示器，实现采集、传输、实时显示和报警于一体，及时发现粮库内的安全隐患，保障粮食的存储质量。巡检小车将实现移动式采集，减少人员和成本投入。检测效率与传统检测系统更高更快，使用起来更加方便、快捷。国内外的研究现状粮库检测系统研究现状国外很早就开始对粮库检测系统进行研究，以英法美为首的发达国家特别重视粮食存储。他们经过不断研究，在早期使用较为简单的智能检测系统对粮库进行管理，取得了不错的效果。70年代以来，伴随着机器人行业的发展，大量发达国家开始投入对机器人的研发与应用，许多粮库开始使用机器人进行工作，工作效率跟以前相比快了不止一倍。我国的检测技术落后于国外，但近年来也有重大突破。最早期是使用人工进行粮食检测，将特制的温度计、湿度计插在固定检测点，工作人员按规定时间读取温湿度，根据读数的高低决定是否需要降温除湿。这种方法只能为一时之用，检测结果得不到可靠保证，粮食腐烂时常发生。到70年代，电阻式检测设备的应用使检测效率有所提高，但结果容易被干扰，所以检测效果仍然不够理想。再后来到了90年代，大量新式传感器大批投入到粮库环境的使用，检测效率越来越高，粮食的存储质量越来越好。现在随着单片机芯片高度集成，各大行业开始大规模使用。目前粮库检测系统使用单片机作为主控[2]，效率翻了好几倍。单片机与传感器实现了远程检测和控制，我国的粮库检测系统开始迈入了新阶段。巡检小车研究现状巡检小车最早出现在国外，发展到现在已经有好几十年。美国在1972年研究出第一台移动机器人，取名Shakey。Shakey的问世引发了世界各国的广泛研究。这之后的几十年，智能机器人的研究进入崭新的面貌，共经历了三个主要阶段，从功能单一的机器人发展到具有感知功能的机器人。以美国、日本为首的国家研究进展远超其他国家，像美国研制的无人驾驶侦查小车，日本研发的ASIMO等，充分说明了这一领域开始面向实际应用。关于智能机器人的研究，我国从开始就一直向国外学习，差距也在慢慢拉近。从80年代开始，国内很多学校成立了专门的科研团队，并取得了不错的进展[3]。有的学校制作出了避障机器人，更有学校研究出了自动驾驶的智能小车。自从进入了21世纪，许多高校开始注重巡检小车的设计[4]，比较出名的像东北大学研究的寻迹小车，使用红外传感器来感知路径；沈阳理工大学设计出了超声波避障小车等，这都是非常成功的例子。随着功能的不断完善，巡检小车正逐渐走出实验室向实用方向发展。包括了医疗、探测、通信等领域，可以无人作业远程监控，能够进入危险环境探测工作。巡检小车近几年又在向声控方面发展，是目前社会发展的一个重要领域。研究目标及主要内容据调查，我国每年因各种原因造成的粮食变质问题严重，主要是温湿度的变化。粮库工作注重很多方面，不仅要做到防潮、防腐，而且要特别注意虫蚁的啃食，稍有不慎就会严重影响粮食的质量，采用科学的方法存储粮食才是明智之举。鉴于国内绝大多数粮库环境仍使用传统检测设备，为保障粮食质量和人员安全，保证粮库检测工作照常进行，本文设计了一款对粮库环境实时检测的巡检小车[5]。该车可在粮库中自动寻迹避障[6]，能有效检测粮库环境的温湿度、烟雾情况。该车包括检测小车与数据接收板两部分，数据传输通过蓝牙完成，主要实现对粮库环境温湿度的采集、传输、显示与报警，及时消除粮库的安全隐患。从选题到器件选择、组装焊接，再到软硬件编程及调试，本设计分以下几部分进行介绍：1.解国内外粮库检测和巡检小车的研究进展，明确研究方向2.掌握各类传感器、STC单片机的原理和智能小车相关知识3.用STC单片机作为处理器，设计粮库检测小车和数据专用接收板4.根据设计需求选择合适器件，对巡检小车进行组装焊接5.对小车和接收板分别进行程序编写与功能调试6.实现小车采集、蓝牙传输和接收板的显示、报警7.对巡检小车进行实际测试，找出存在问题并解决8.完成本设计所有内容巡检小车系统结构巡检小车总体设计巡检小车总体框图如图2-1所示，总共包括两个大的部分，通过蓝牙实现连接，各个模块共同配合来完成粮库环境检测工作。图2-1巡检小车结构框图车体结构的选择移动机器人按用途和种类可分为多种，其中轮式机器人的研究和应用比较广泛，行驶时速度稳定且宜于操作，适合在粮库环境的使用，所以本设计选用轮式结构制作巡检小车。轮式小车结构如下表2-1所示，主要分为以下四种结构，轮子越多功能相对越多，稳定性越好。为减轻小车重量方便使用，且降低成本，本设计使用亚克力板制作三轮小车，包括两个动力轮和一个万向轮。动力轮使用DC电机驱动，后边采用万向轮来提高小车的稳定性，方便小车进行转弯调头，通过两边车轮输入不同电平即可实现。表2-1车轮结构轮子数量233344466结构图特点描述两轮差分驱动三个全向动力轮三个接触点，两轮差分驱动后边两轮单独驱动前轮转向有两个全向轮两个动力轮四轮均为全向动力轮转向电机负责转向驱动电机负责驱动六轮单独驱动，前后四轮用来转向六轮单独驱动，性能优越电源与复位没有电源的巡检小车就像一个玩具车，通电以后才能够正常工作。为方便进行供电，本设计统一使用直流5V来为小车和接收板各模块供电，包括控制电路、驱动电路和其他电路，小车通过电源开关一键启动。在小车的运行过程中可能会因为操作不当或其他原因造成小车故障，导致检测工作无法正常进行。为避免出现这种情况，使用复位电路来使小车重启。小车经过一键复位恢复到初始化状态，保证检测工作持续进行，复位电路见下图2-2。图2-2复位电路控制模块的选择小车的所有功能都要通过单片机配合实现，所选单片机数据处理要快。本设计使用STC12C5A60S2和STC89C52单片机分别来控制小车和接收板。小车控制模块小车使用的是如图2-3的STC12C5A60S2芯片[7]，是8051单片机的升级版。功能在8051的基础上指令代码并没有发生变化，但是运行速度更加流畅。与传统51相比处理能力更快，可以直接进行编程使用，适合多种不同的工作环境。STC12C5A60S2芯片性能如下：内部Flash可直接进行编程；具有256字节的独立运存；具有32位输入输出端口和一个6向量2级中断；具有2个看门狗和4个16位定时器/计数器；全双工串行口高精度的AD转换；具有2路PWM和2个数据指针；内部可自行提供时钟晶振；工作电压最低3.3V最高5.5V。图2-3芯片引脚图接收板控制模块接收板使用的是如图2-4的STC89C52芯片[8]，处理能力优于传统51芯片，引脚与传统51完全相同。该单片机同样可以直接进行编程使用，能够为不同的环境提供不同的方案。STC89C52芯片具有以下性能：具有32位输入输出端口和一个6向量2级中断；具有2路PWM和2个数据指针；全双工串行口高精度的AD转换；具有256字节的独立运存；片内晶振及时钟电路；Flash可进行编程；具有2个看门狗和4个16位定时器/计数器；另外，STC89C52使用时可以在0Hz时进行操作，提供节电操作。图2-4芯片引脚图时钟晶振电路时钟晶振是开展所有工作的前提，对于巡检小车来说必不可少[9]。根据使用需求不同，时钟又分为内部与外部时钟晶振。本设计中小车与接收板均使用内部时钟，在单片机的两个引脚之间接上石英晶体和两个30pF电容，电路见图2-5。(a)小车晶振(b)接收板晶振图2-5时钟电路LM358运算放大器本设计将LM358运算放大器在寻迹行驶时当作比较器使用，对反射红外信号的高低电平进行比较。LM358双运放可以在两种不同电源使用。在本设计中LM358连接直流5V电源，LM358引脚见下图2-6。图2-6LM358引脚图本章小结本章构造了巡检小车的整体结构框图。首先对车体结构与电源复位的选用进行了介绍，然后介绍了检测小车与数据接收板控制核心、时钟电路与比较器的选择，为下一章设计做准备。

巡检小车系统的硬件设计检测小车硬件组成检测小车的硬件组成主要包括电机驱动、温湿度检测、寻迹避障模块和烟雾检测等，负责对粮库环境的温湿度、气体烟雾情况实时检测。电机驱动模块小车使用直流电机驱动[10]，通过I/O控制实现转弯或调头来躲避障碍物，因此选择L298N芯片。L298N芯片与其他驱动相比工作比较稳定，不易出现问题。内部包括两个H桥，工作时峰值电压可达46V，正常工作只需要提供2A电流。使用逻辑规范电平进行驱动；有四个输入端和一个接地端；有两个使能端和一个逻辑电源；有四个输出端和一个电机电源；逻辑电源和电机电源分别对芯片和电机进行供电；有两个电流检测端，接地反馈信号。L298N方便使用且易于驱动，可以根据使用环境的不同分别对直流、步进电机进行驱动，使用时输出电压可随意调节，满足了不同的使用需求。图3-1为L298N芯片，其引脚功能详见表3-1。图3-1L298芯片的引脚图

表3-1L298N芯片引脚功能表引脚编号名称功能1电流传感器A此处接地，向芯片反馈检测信号2输出引脚1接电机3输出引脚2接电机4电机电源端电机驱动输入5输入引脚1接规范电平，控制电机工作6使能端A使能控制，接规范电平；低电平不工作7输入引脚2接规范电平，控制电机工作8逻辑地接地端9逻辑电源端芯片电源输入10输入引脚3接规范电平，控制电机工作11使能端B使能控制，接规范电平；低电平不工作12输入引脚4接规范电平，控制电机工作13输出引脚3接电机14输出引脚4接电机15电流传感器B此处接地，向芯片反馈检测信号图3-2为驱动电路，L298N作为驱动电路的核心部分。其中电流传感器A、B与地相连，向L298N传递反馈信号；四个输入端控制电机正反转；四个输出端连接两个直流电机；使能A、B端接VCC控制电机的转停；使用8只IN4007二极管进行整流；VS、VSS均使用5V电压实现主从通信；GND和散热片均接地使用。表3-2为L298N的逻辑控制表。其中C、D分别表示IN1（IN3）和IN2（IN4），L为低电平，H为高电平，不同的输入就可以实现对应输出。图3-2驱动电路表3-2L298N逻辑控制输入输出ENA(B)=HC=H；D=L正转C=L；D=H反转C=D制动ENA(B)=LC=X；D=X没有输出，电机不工作寻迹模块小车寻迹使用红外对管实现，包括发射管和接收管。红外线的使用为工作生活提供了更多便利，现广泛应用于抢险救援、医学治疗等方面[11]。本设计共使用三对红外对管，分别装在小车车头的不同位置，使用黑色胶带制作宽度2cm-3cm左右的小车轨道。红外循迹时，因为红外线对不同颜色的反射系数不同[12]，所以根据红外的收发信号控制小车的移动方向，寻迹原理见图3-3，x代表与地面距离。图3-3红外循迹原理图小车在轨道上正常前进时，发射管不断向地面发射红外信号，由于中间的信号被黑色轨道吸收，所以车头两侧对管能接收到返回信号，车头中间对管收不到返回信号；当左侧对管接收不到红外信号时，说明小车向轨道右侧偏离，此时单片机通过I/O控制小车左轮反转右轮正转，让小车向左侧移动，当两侧对管继续接收到信号时，说明小车回到轨道中间正常行驶；同理，当右侧对管接收不到红外信号时，说明小车向轨道左侧偏离，单片机控制小车向右转动直至回到正常行驶，模拟如图3-4所示。(a)正常情况(b)向左偏离(c)向右偏离图3-4寻迹模拟图避障模块超声波频率非常高，人耳无法听到。能够穿透岩石、土壤等障碍物进行探测，目前广泛用于危险作业、障碍探测等。经过不断查阅资料在这里选择HC-SR04传感器来判断前方是否存在障碍物[13]。HC-SR04模块由发射与接收装置和控制电路组成，HC-SR04模块如图3-5所示。射程范围2cm-4m，测距精度可达3mm，拥有较强的抗干扰能力，工作性能优越，电气参数如表3-3所示。(a)HC-SR04实物图(b)HC-SR04电路图图3-5表3-3HC-SR04模块详参HC-SR04工作电压工作电流工作频率最远射程最近射程测量角度输入触发信号输出回响信号规格电气参数DC5V15mA40Hz4m2cm15度10uS的TTL脉冲输出标准电平信号，与射程相关45*20*15mmHC-SR04原理说明：工作时首先发出触发信号，然后循环8个脉冲并开始计时，在探测到障碍物后输送返回信号，检测距离与返回信号相关联，工作时序见下图3-6。通过信号发出与返回的时间差可以计算出距离，当距离小于15cm时，单片机及时采取转弯或调头措施[14]。图3-6超声波时序图温湿度检测模块温湿度测量选用DHT11传感器，可同时测量温湿度，广泛应用于仓库存储、环境检测等[15]。DHT11结构简单，共有4个引脚，使用起来特别方便，VCC接直流5V，DATA为数据输出端，NC为空脚，GND为接地端，图3-7为DHT11引脚和实物图。DHT11传感器内部电路简单，只需要连接单片机IO口就可以进行工作。同时DHT11体积小，使用方便，适合安装在移动小车上。DHT11具有众多优点且应用广泛，适合多种环境，性能参数表见图3-4。(a)DHT11引脚图(b)DHT11实物图图3-7表3-4DHT11性能参数DHT11性能参数工作电压范围直流3.5到5.5V工作电流平均0.5mA温度测量范围0~50℃湿度测量范围20~90%RH温度分辨率1℃(8位)湿度分辨率1%RH(8位)采样周期1s温度测量精度+-2℃湿度测量精度+-5%RH工作时序见下图3-8，工作时由DATA端来完成双向（输入输出）的数据传输。在读取数据时总线空闲置高，先由单片机将总线拉低向DHT11发送一个起始信号，然后单片机置高等待响应，在DHT11接收起始信号后发出一个低电平响应信号，完成后DHT11拉高输出，向单片机发送数据0或1。一次完整的传输共发送40位，包括16位湿度、16位温度和8位校验位，按照高位先出。图3-8DHT11时序图气体烟雾检测模块粮食的呼吸作用会造成粮食发热，局部粮温过高引发火灾时，必然会产生烟雾和二氧化碳等有害气体。所以本设计加入了烟雾检测模块，对粮库的环境进行检测[16]。通过查阅大量资料，本设计最终选用MQ-2烟雾传感器。MQ-2具有众多优点，电路简单且应用广泛，可用于家庭、库房、工厂等不同环境[17]，可以检测烟雾浓度，也可以进行气体检测，实物见图3-9。图3-9MQ-2烟雾传感器实物图MQ-2主要包括四部分，封装好的MQ-2有6个针状引脚，1、2、3引脚接电源，4、6引脚用来输出，5引脚接地，1、3、4、6引脚用来提取信号，2、5引脚来提供加热电流，MQ-2电路如图3-10所示。MQ-2工作原理如下：当MQ-2检测到烟雾时，导电率会随着烟雾浓度增加而增大，传感器的输出电阻与导电率成反比，导电率增大输出电阻就会变小。本设计在5、6引脚之间串入一个R11电阻，根据分压定律当电阻发生变化时，所分得的电压也会发生变化，只需要把检测电压转化为对应输出发送到STC12C5A60S2芯片即可。图3-10MQ-2电路图在使用时需要注意，MQ-2通电后直接使用会造成检测结果出错，容易干扰判断。所以需要先通电后预热方可使用，通过预热将MQ-2吸附的水蒸气蒸发，再使用时检测结果才较为准确。MQ-2烟雾传感器主要特点有：1.检测浓度遇电压成正比2.可在家庭使用，且效果较好3.检测结果易受温湿度影响数据的传输与通信蓝牙在工作生活中广泛使用，可以实现两个设备短距离之间的数据传输，传输速度较快[18]。本设计要将小车采集的数据传输到接收板，在保证效率的情况下选用HC-05蓝牙模块。本设计中共使用两块HC-05模块，实现主从通信。HC-05蓝牙在使用时可以进行两种工作方式，可以自动进行工作也可以使用命令工作方式。自动进行工作是指自动按照设置的命令传输数据；命令工作方式是指HC-05模块执行对应的指令。两种工作方式之间可以通过外部引脚接不同电平进行转换。在使用HC-05进行通信的时候，首先使用命令工作方式对HC-05进行配置，配置完成后退出命令工作方式配对连接即可。当小车与接收板的HC-05模块配对成功后使用蓝牙串口传输，速度高效率快。HC-05模块的电路见下图3-11，其中VCC与电源连接；GND接地；TXD和RXD交叉使用，TXD连接单片机的10脚，RXD连接单片机的11脚，完成数据通信。(a)接收板蓝牙模块(b)小车蓝牙模块图3-11HC-05模块电路数据接收板硬件组成显示模块数据接收板显示器的选择尤为重要，不仅要功耗低、性能稳定，而且显示数据要清晰。综上，本设计选用LCD1602显示器显示粮库环境参数。LCD1602是目前使用比较多的显示器，体积小巧结构简单，由一块显示屏幕、控制驱动和扩展驱动电路等组成，分为背光和不背光两种。本设计使用具有背光的显示器，图3-12为LCD1602电路图，一共有16个引脚，其中BLA、BLK分别为背光源正负极，详细引脚介绍见表3-5。LCD1602每行可以显示16个字符，共两行可以显示32个字符，可根据使用需要显示数字、字母或符号。图3-12LCD1602引脚图LCD1602在工作时一共需要显示两行参数，第一行要显示实际测量值，第二行要显示设定的值，通过简单的程序就能完成。本设计在使用时直接将显示器与单片机相连，在VL脚串联一个电位器就可以调整对比度。表3-5LCD1602引脚功能引脚编号符号功能介绍1GND电源地2VCC电源正极3VL液晶显示偏压4RS数据/命令选择5R/W读/写选择6EN使能信号7D08位双向数据端8D18位双向数据端9D28位双向数据端10D38位双向数据端11D48位双向数据端12D58位双向数据端13D68位双向数据端14D78位双向数据端15BLA背光源正极16BLK背光源负极按键报警模块粮食在存储时有比较适宜的温湿度，当温湿度超出一定范围时，就容易造成损失，所以本设计在数据接收板中加入按键和报警模块。当实际检测参数超过按键设定值时蜂鸣器工作，及时告知工作人员需要采取应对措施，具体模块如下。按键模块如图3-13所示，电路由K1，K2，K3三个按键组成，K1，K2，K3分别与单片机的2、3、4引脚连接使用。其中K1为选择键、K2和K3分别为增减键，通过这三个来完成对环境参数的设置修改。在设置报警值时，按第一下箭头指向温度，使用增减键进行调高或降低；按第二下箭头指向湿度，同样使用增减键进行修改；同理按第三下指向烟雾浓度即可修改；按第四下退出修改。当检测的三项参数任意一项超过设置报警值，蜂鸣器都会发出报警。图3-13按键控制电路接收板的报警通过蜂鸣器实现，使用放大三极管对蜂鸣器进行驱动。连接时将基极与单片机的输出直接连接。当检测数据大于设定值时，单片机输出0，三极管Q1导通，蜂鸣器工作；当检测数据低于设定值时，单片机持续输出1，此时三极管Q1截止，蜂鸣器失电无报警，电路见下图3-14。图3-14蜂鸣器报警电路本章小结本章主要写了巡检小车的硬件组成，包括检测小车硬件、数据接收板硬件、数据的传输通信三部分，并对每部分进行了详细介绍。(论文)-PAGE11-小车系统软件设计巡检小车系统的软件设计按照先部分后整体的原则，首先对小车各模块进行编程设计，然后对接收板各模块进行编程设计，再对数据的传输与通信进行编程设计，最后整合实现巡检小车的整体功能。本设计使用KeilC51开发平台对巡检小车软件进行设计。KeilC51介绍Keiluvision是目前广泛使用的一款开发平台，图4-1为平台的操作界面。Keiluvision可以进行多种控制芯片的开发，编写的代码执行力强，结构紧凑且易于理解，特别适合刚开始学习的人使用。Keiluvision具有良好的集成环境，可以进行软、硬件仿真调试，支持多种接口的通用仿真器，编程步骤与其他平台基本相同，使用起来简单方便，易于上手。图4-1Keiluvision操作界面小车系统流程图小车系统的主程序主要是完成小车初始化，负责对粮库环境的数据采集，对寻迹避障、电机驱动等模块的检测与处理，以及检测数据的通信与传输。小车在粮库环境开始工作后，各传感器沿着轨道进行采集，当系统检测到不同的信息时，单片机执行对应的子程序，并将反馈结果发送到各模块。蓝牙将检测的环境参数发送到接收板；电机驱动不仅要控制小车行驶，而且当遇到障碍或出现偏离时，通过I/O控制小车左右移动或转弯调头，系统流程图如图4-2所示。图4-2小车系统流程寻迹避障流程图寻迹避障流程分为两部分，即寻迹流程与避障流程，小车在粮库环境的寻迹避障都要通过相应程序控制电机驱动来配合实现。小车从起始位置在黑色轨道行驶。正常行驶时，车头中间对管的红外信号会被吸收，两侧对管可以收到返回的信号，通过LM358将信号比较后按直行程序前进；当小车向左偏移时，车头右侧对管发出的信号被吸收，左侧能够收到返回信号，通过LM358比较后启用右移程序让小车向右移动；同理，当小车向左偏移时经LM358比较后，启用左移程序控制小车向左移动，小车寻迹流程如图4-3所示。图4-3寻迹流程超声波模块打开电源后先程序初始化，然后开始正常检测。超声波模块工作时首先朝前方发出一个探测信号，然后单片机开始计时，在探测到障碍回来时再输送一个返回信号，同时计时停止，并根据这两个信号的时间间隔计算距离。当探测距离小于15cm时，单片机通过调转程序控制小车进行转弯或调头，保证正常行驶和工作。超声波模块流程见下图4-4。图4-4避障流程环境检测流程图粮库环境的检测工作包括对温湿度和烟雾的检测，严格按照粮库的存储规定执行，工作流程见下图4-5。为保障检测结果的准确性，DHT11传感器通电后首先初始化，之后即开始正常的数据采集工作。工作时按照设定好的先向DHT11发出一个开始的信号，并等待传感器做出反应，当传感器反应完毕之后开始向单片机传输数据。单片机接收的数据处理后经蓝牙发送到接收板，接收板单片机处理后方可实时显示，超过设定值时报警程序启动。同样为保证检测结果不受影响，MQ-2需先进行通电预热。传感器工作时，烟雾浓度越高输出电阻就越小，MQ-2采集的气体烟雾信号经过放大、转换后发送到单片机，处理结果通过蓝牙发送到接收板，再由接收板单片机继续处理工作。(a)温湿度检测流(b)气体烟雾检测图4-5环境检测流程接收板系统流程图接收板系统的主程序主要完成初始化工作，接收来自小车采集的环境数据并实时显示，负责设定报警参数以及在超过设定时自动报警，工作流程如下图4-6。接收板通电后，源源不断的接收来自小车检测的环境数据，单片机通过对应程序将数据进行处理，处理后的数据通过显示程序在LCD屏实时显示；按键模块按照粮食存储适宜环境设置合适报警值，一旦检测数据超过设定时，单片机就会将结果反馈到报警模块，报警程序触发蜂鸣器工作，提醒粮库员工及时处理。图4-6接收板流程巡检小车实际测试巡检小车实物图经过一系列工作小车制作完成，小车实物见下图5-1。图5-1巡检小车实物图巡检小车系统测试巡检小车系统测试包括检测小车整体测试、蓝牙传输测试以及接收板数据的显示报警测试。测试时同样按照“先部分后整体”的顺序进行，先分别对各部分进行测试，需要改进的地方及时改进，保证巡检小车各部分符合设计需求，最后进行整体测试。1、小车整体测试小车整体测试主要是测试小车的整体性能，测试小车能否在模拟环境中正常行驶，能否寻迹避障功能、左右移动、转弯调头和数据检测，这都对小车的性能做出了非常大的考验。首先对测试环境进行布置，在白纸上用黑色胶带制作小车轨道，并在固定位置放置障碍物干扰小车行驶，模拟环境如图5-2。在测试过程中实时记录检测结果，找出小车存在的问题并解决。图5-2环境模拟示意图2、蓝牙传输测试蓝牙传输测试主要是测试小车与接收板的两个蓝牙模块能否实现串口传输。其中小车蓝牙作为主模块，将采集到的环境数据经过一定处理后发送蓝牙串口，再经蓝牙串口发送到接收板的蓝牙从模块，测试接收板的蓝牙从模块能否实现良好的接收，传输示意图如图。在整个测试中，实时记录检测结果，通过对比找出存在的问题并想出解决方案，最终达到设计要求。图5-3蓝牙传输示意图3、接收板显示报警测试接收板显示报警测试本设计放在最后进行测试，主要是测试接收板能否显示接收数据，在超过设定时能否自动报警。测试显示器数值显示是否正常稳定，并将显示数值与传统温湿度测量仪的检测数值进行比较，判断误差大小。当屏幕显示结果超过设定时，接收板有无报警，观察显示是否出错并解决。测试结果1.首先进行的是对小车整体的测试，对每项功能都进行了两次测试，将完成情况清晰记录并归纳整理，结果如下表5-1所示。可以看出小车基本通过本次测试，需要找出第二次未完成转弯调头功能的原因，继续进行修改。表5-1小车整体性能测试测试类型次数主要内容完成度寻迹功能第一次沿轨道自动行驶一周完成避障功能第一次自动躲避障碍完成转弯、调头第一次距离障碍15cm及时转弯或调头完成左右移动第一次沿轨道行驶，两侧对管检测黑线左右移动完成正常行驶第一次沿轨道自动行驶一周完成温湿度检测第一次跟随小车行驶自动检测完成气体烟雾检测第一次跟随小车行驶自动检测完成寻迹功能第二次沿轨道自动行驶一周完成避障功能第二次自动躲避障碍完成转弯、调头第二次距离障碍15cm及时转弯或调头未完成左右移动第二次沿轨道行驶，两侧对管检测黑线左右移动完成正常行驶第二次沿轨道自动行驶一周完成温湿度检测第二次跟随小车行驶自动检测完成气体烟雾检测第二次跟随小车行驶自动检测完成2.其次是对小车与接收板之间蓝牙的传输测试，共进行了五次传输测试，将每次传输记录整理后如下表5-2所示。由下表可以看出蓝牙的传输与接收工作进展顺利，在五次传输中均未出现错误，符合本设计的使用需求。表5-2蓝牙传输测试测试次数小车蓝牙传输接收板蓝牙接收传输结果第一次顺利完成准确接收完成第二次顺利完成准确接收完成第三次顺利完成准确接收完成第四次顺利完成准确接收完成第五次顺利完成准确接收完成3.最后是对接收板显示报警的测试，对每项数据均进行了三次测试，其中实际结果为传统温湿度测量仪所测，检测结果为巡检小车所测，根据测量值与实际值计算出误差，并将所有参数进行记录并整理如下表5-3所示。根据下表可以看出接收板显示结果比较稳定，当环境参数超出设定时，接收板自动报警。由此接收板部分可用于正常使用，检测结果存在较小误差。表5-3显示报警测试环境类型次数实际结果检测结果误差最大报警报警情况备注温度第一次21.321.3025否室内温度温度第二次2222.30.320是室外温度温度第三次3232.40.325是水温湿度第一次67%69%2%70%否湿毛巾湿度第二次74%77%3%70%是湿毛巾湿度第三次00070%否干毛巾烟雾浓度第一次/0/10否室内烟雾浓度第二次/14/10是打火机烟雾浓度第三次/0/10否室外4.在经过调试与修改后，又对巡检小车进行了三次总体测试，此次测试中小车一切正常，没有出现问题，稳定完成各项功能与任务，符合本次设计的需求。总结本文