公路极端天气无人引导车系统设计

I第1章引言高速公路如若发生重大交通事故往往是死亡事件，对家庭和社会破坏巨大。而恶劣天气往往是导致重大事故的诱因。全方位考量交通运行规律，在符合自然规律的前提下协同整合数据，时刻思考有效减小恶劣天气下交通事故发生的方式方法，三位一体的保障广大司机和乘车人员安全是确保道路运输行业良性发展的要务。作为高速公路运营公司必须首先考量和重点考量。目前，大部分的预警措施，以确保车辆在恶劣天气的安全在中国依靠手工自我认同的道路条件的信息或数据收集的气象监测设备，然后通知车主通过手工发布的信息。由于各种客观条件的限制，这些方法存在着滞后性。研究表明，由于恶劣的天气导致的一些路况，驾驶员在同样的驾驶条件中，会有相同的驾驶行为。然而，不仅是司机视线的限制，车辆在路面的附着系数也会大大降低，车辆非常容易超过车道在车道上失去控制，发生一些事故，所以说降低车速非常有助于在车辆行驶时提高车辆的稳定性。通过开发安全气象预警系统和附近的预测服务系统，可以提前让车主知道公路上的情况，让车主做好一系列的准备，控制车速，将恶性交通事故降到最低。目前我国的公路建设发展快速，承载着交通运输中枢的重大使命，特别是高速公路。高速公路因车流量大、行驶速度快以及其自身全封闭、全立交的特点，要求车辆不得任意减速和停车，所以，一遇到团雾（霾）、暴雨、冰雪、湿滑路面等恶劣天气环境，就极有可能引发连锁反应，导致发生多车连续追尾的重特大交通事故。其中，高速公路上发生的恶性交通事故中，多由极端天气引发。而在我国，极端天气发生频率最高的是在冬季。因为冬季路面温度较低，水汽容易凝结成雾，使得能见度变差，极易引发交通事故。本次的设计是公路极端天气无人引导车系统设计。整个系统旨在让司机和乘客能够在极端天气不出汽车的情况下，就能够实时的知道路况的车流信息，了解当前路况的环境，自动对环境进行监测，并在感知到恶劣天气的时候发出提醒，实时导出系统的GPS定位信息，其目的是为了让人们在极端天气出行的时候更加安全，有着比较强的研究意义。第2章研究现状2.1国外研究现状现代化极端天气无人引导车，它最初是通过美国科学家进行设计的。经过第二次世界大战以后，由于第二次世界大战需要更多的极端天气引导系统来引导士兵进行战斗，所以出现了不同程度的以及不同功能的操作，无人引导车主要是用来收集天气信息，根据天气信息自动分发系统，所以在此基础上根据智能化无人引导机器以及设备的需求，而且伴随着科技水平的提高，不同的极端天气无人引导车系统也应用到战场上，极端天气无人引导车系统主要勘察前方的天气情况，在各种危险任务中执行相应的动作，随着科技水平的不断提高，无人引导车技术也在不断地发展，而且它的技术水平也在达到了相应的高度，尤其是一些西方发达国家通过智能化极端天气无人引导车技术来实现科技水平的整体提高，也是科技水平处于世界前沿的地列。所以这些国家都在一直发展智能化无人引导车系统根据其功能而衍生出了其他的一些更多的控制方式。军用技术最重要的是就是转化成民用技术，用于造福人类的科技发展，在国外根据政府的政策支持很多民用机构开始研究智能化无人引导车系统，并且智能化无人引导车系统也逐渐进入到了成熟阶段，因为对于互联网当今快速发展的今天，智能化交通引导系统在国外已经得到了广泛的推广，但是由于受科技水平和一些地域条件的限制，仍然没有出现大规模的使用，而美国也是世界上对于智能化无人引导车系统发展最好的国家之一，在上个世纪六七十年代开始就已经实现了智能化交通以及智能化引导的研究，随后开始了智能化汽车方面的研究。经过多年的发展，已经进入到了成熟阶段，目前智能化成熟体系也已经进入到了我的日常生活中，日本也是世界上智能化引导系统比较发达的国家，美国，日本，德国等一些科技大国都在智能化汽车方面投入了大量的人力物力财力，也使得自动化汽车一直处于世界前沿的地点，在汽车性能以及智能化水平上，新发的化的发达国家一直处于更高的科技水平行业。2.2国内研究现状相对于外国来说，我国的智能化交通水平起步研究比较晚，所以我一直根据西方我国发达国家进行学习，采纳其先进的技术，同时通过引进先进的技术，并在先进技术基础之上进行改善，逐渐发展起来的一种新型的智能化交通体系，我国的政府和企业对于智能化交通研究来说也投入比较多的人力物力财力，所以对于智能化系统来说也比较重视，目前已经出现了大范围的无人化引导车系统的研究一些实验室以及公司科研院所对于智能化引导系统都进行了更深入的研究，从上个世纪90年代我国的汽车保有量逐渐增加，对于汽车的研究，我国从上个世纪80年代开始就已经建立了汽车专门研究院，同时对于智能化交通系统来说，我们也成立了专门协调办公室以及指导小组，经过近20年的发展，我国的科技水平和发达程度正在和发达国家逐步减少差距，而在一些中大城市的智慧物流以及智能化交通体系示范园区。我国的技术甚至超过了发展国家，所以我国的智能化交通虽然起步比较晚，但是我的投入也比较多，最终取得了可喜可贺的成绩。但是在一些方面，我与发达国家仍然还有一定的差距，我国的技术和发达国家虽然差距逐步缩小，但是我国也在不断的完善自身的体制，根据我国的国情以及我国的发展特征来实现自己的自动化发展体系目标，也是我国的综合国力和科技能力不断提高和经济实力不断的强大，为智能化交通体系建设和研究提供了更多的技术支持和设备保障，更好的推动了科学技术的有序发展。2.3相较于国内外研究现状的优势本次设计选用STM32单片机作为主要控制器，写入简单，方便操作，可以多次写入以及程序不断的重复调试，而且它的性价比也很高，适用范围也十分广泛。该系统不但小巧，同时方便安装，在使用本系统时系统可通过GPS实时获取当前引导车的定位信息，通过价格低廉的传感器获取当前位置的天气信息，准确检测当前环境信息，监测当前路段的车流量信息，并且发出指示灯提示后方车辆，也能通过云平台收到当前路段的天气信息。2.4课题主要研究内容本次设计是公路极端天气无人引导车系统设计，主要使用的是传感器，分别有：红外模块的使用，超声波传感器的使用，水位传感器的使用，雨滴传感器的使用，温度传感器的使用，GPS模块的使用，WIFI模块的使用，烟雾传感器的使用，OLED显示模块的使用。除此之外还有单片机的最小系统的使用，C语言程序以及手机APP云端界面的设计，论文具体章节如下：第1章：引言，交代背景和意义。第2章：国内外研究现状及主要研究内容。。第3章：系统总体方案设计，进行硬件选型第4章：系统硬件的详细介绍，说明原理，工作电压，接口等等。第5章：软件设计，说明各模块之间工作的相互关系。第6章：系统的调试和运行，怎样判断各模块出现的问题。第7章：结论及对未来的展望，希望未来系统的更多可能性。第3章需求分析3.1开发环境需求基于极端天气无人系统开发环境简要描述：（1）操作系统：Windows10；（2）开发语言：C++；（3）下载工具：STC-ISP，下载线；（4）开发环境：Keil5，AltiumDesigner2013；（5）运行环境：Android；3.2功能需求分析（1）首先分析单片机方案所要做的任务。如果方案用于检测。要弄清楚每个检测的环境都有哪些，检测的方法都有哪些，用什么硬件去检测，如果方案要用于控制，则要弄清楚要控制的，嗯。地方有哪些，然后控制的有什么要求，怎样去控制这些东西。（2）要弄清楚发射信号。有几种信号，种类都有哪些，信号和它们之间的相互关系，并且通过这个模块发出的信号是否能连接到另一个模块的信号。这些信号是怎样进行变换的，怎样和单片机进行互联的。（3）了解输出信号的个数、种类，采用何种执行方法去实现，用什么样的电路做去做信号变换，怎么样和输出执行机构连接，怎么样达到所需要的功率参数。（4）明确如何去使用这个单片机系统，要了解此次方案所需要有的条件，比如温度、湿度、积水的深度、雾霾天气的表示、车距的测量、如何模拟人流量、单片机的供电情况、OLED屏的显示情况、各模块之间的连接情况、各模块的防水需要。3.3系统方案设计本文研究的公路极端天气无人引导车系统对公路上的极端天气系统有一个深入的研究，本次公路极端天气无人引导车系统对极端天气下公路上的车，通过烟雾传感器测量天气的雾霾浓度，GPS模块得到当前车辆的位置，雨滴传感器得到当前室外的下雨量，水位传感器得到地面积水的深度，温度传感器测量外界的的温度，红外模块的超声波模块去得到当前路段的车流量以上结果都能通过显示屏实时显示，手机端也能实时显示当前的所有信息。当前系统框图大体设计如下图3-1所示。图3-1系统大体流程框图3.4硬件设计的选择关于公路极端天气无人引导车系统其实主要有单片机的选择，各类传感器的选择，以及接收传输模块的选择，在这些选择中进行了一系列的对比，我为此查阅了大量的资料，并且总结了各类模块的特点，并且对各模块进行分析，最终确定了使用的方案。3.4.1单片机主控芯片的选择首先单片机选购的过程中，需要根据实际的功能以及我所使用的传感器的数量来进行单片机的选择。第一，要保证大面积选择时所使用的传感器数量和实际的功能大于预算的范围，因为需要留有一定的余量，在保证整体功能运行以外，还尽可能多的流出引角来分配此次任务，方便到时候进行替补和更换。第二，在选择上要选择方便实用的单片机，而且要保证单片机能够长时间运行，不出现故障，并且可以进行多次程序的烧录。第三，在单片机选择上要保证可靠性，稳定性，以便于进行不同功能的开发。方案1：51单片机，这是一款适合初学者的单片机，具有容易上手，开发难度低，价格低廉，使用灵活的特点，但51单片机的开发环境和功能都十分少，没有操作系统，在开发上存在许多障碍，在一些情况下要牺牲部分功能才能实现整体功能的协调运行。方案2：STM32单片机，这是一款性能比较高的单片机，外设和品类都很丰富，有84个终端、16级可编辑优先级、可以让任意IO口做中断，串口下载简单，并且性价比比较高，就是开发难度比51单片机略大，价格略高。综合选择，我设计时选择了STM32单片机作为主要控制器，这款单片机是一款比较常用的单片机芯片，它主要是用在电机驱动以及步进电机的控制和电流检测以及数据传输，通过c语言进行程序的编写，具有写入简单，方便操作等优点，也可以多次写入程序以及不断的重复调试，而且它的性价比也很高。3.4.2温度传感器的选择方案1：使用热敏电阻，热敏电阻具有体积小，灵敏度高，反应速度快，价格低廉的特点，但是缺点就是精度较低，测温容易出现偏差，需要复杂的外围电路，不防水，也不耐久。方案2：使用DS18B20温度传感器，DS18B20具有精度高，测温不易出现偏差，不需要复杂的外围电路，而且防水，耐久。就是价格比热敏电阻贵一些，而且体积大。综合选择，我设计时选择了DS18B20温度传感器。因为在本系统中，由于要经常面对极端天气，所以测量温度时要选择防水，耐腐蚀的温度传感器，其次就是因为它的精度比较高，偏差小，易使用。第4章系统硬件设计4.1单片机最小系统4.1.1单片机芯片的选择极端天气无人化引导车系统，在整个设计过程中，我首先了解整个系统的功能，同时我需要对单片机以及控制系统有一定的深入了解，尤其是单片机的内部电路结构以及各个外部输出的接口，并且我需要了解单片机的定时器以及我所使用的串口通信，因为和上位机通信需要用串口调试助手，同时需要用单片机获取到传感器的数据采集，以及能够熟练的使用万用表等对智能化引导车系统的硬件电路进行检测，而且我需要编写程序，能够熟练的使用c语言对单片机进行编程。4.1.2STM32单片机从单片机的整体功能来看，主要包括以下几个部分，首先它具有一个32位的处理器，其次它具有16k的存储空间，而且具有512b的内部存储器用来存储程序，它内部具有时钟电路以及震荡电路，通过外部连接就可以实现振荡信号频率的输出，它具有多个输入输出端口，方便我进行数据的传输以及传感器的接口调用，它具有多个中断定时器控制器以及外部的计数器，可以方便我进行数据的读取以及数据的传输，还具有外部程序存储器，可以当程序存储量不够时进行调用。单片机最小系统能够保证单片机正确运行的最低配置系统，在此基础上我可以扩展其他的功能，比如可以增加一些传感器以及增加一些显示屏进行组成一个完整的操作系统，同时它还具有扩展功能以及扩展模块。最重要的是如果单片机出现问题以后只需要更换单片机，就可以方便的进行拆除，便于各个模块之间进行数据通信，单片机最小系统包括晶振电路，复位电路以及电源模块和其他的一些外部传感器共同组成，同时最重要的时钟电路也是单片机最小系统所不可缺少的一部分，复位系统主要是单片机进行异常情况时出现复位情况，此单片机程序能够重新开始运行，当外部出现两个时钟周期以上的电瓶的时候，内部系统始终就可以从头开始运行时钟系统，主要是单片机内部时钟信号通过不同的精电路可以实现不同的震荡频率输出，电源系统通过连接引脚可以实现不同的供电电压以及电流输出，此时我选用的单片机采用的是8M晶振，它通过反向振荡器可以实现倍频。下图是STM32单片机的正反面图，如图4-1，图4-2所示。图4-1STM32单片机正面图图4-2STM32单片机反面图4.2WIFI模块4.2.1ESP8266WIFI模块本次所采用的WIFI模块，主要是通过单片机和手机APP之间进行数据通信，然后中间通过连接路由器实现数据的交互和发送信号，从而实现对整个系统的控制，WIFI模块它在调试过程中主要是通过单片机串口进行发送数据，然后主要是通过串口调试助手进行调试，它通过WIFI输入管理层来进行物联网数据的传输，通过串口发送指令，然后可以转换成tcp协议信号传输到APP中，在数据传输过程中，我需要保证整个系统的供电稳定性，还能够实现必要的数据交互。下图是ESP8266WIFI模块的正反面图，如图4-3，图4-4所示。图4-3ESP8266WIFI模块正面图 图4-4ESP8266WIFI模块反面图本次采用的这种低功耗模式的WIFI模块，它具有很小的封装尺寸，而且对于其他的更精确的设备，它可以做得更小，能够实现互联网之间的无线和有线之间的互联互通，广泛应用到智能交通、智能驾驶以及手持设备等等各种方面。4.2.2ESP8266WIFI模块引脚功能下图是ESP8266WIFI模块的引脚图，如图4-5所示。图4-5ESP8266WIFI模块引脚图ESP8266WIFI模块引脚说明，如表1所示。表4-1ESP8266WIFI模块引脚表PINFunctionDescription1URXDUART_RXD，接收；GeneralPurposeInput/Output：GPIO3；2UTXDUART_TXD，发送；2）GeneralPurposeInput/Output：GPIO1；3）开机时禁止下拉；3RESET（GPIO16）外部Reset信号，低电平复位，高电平工作（默认高）；4GNDGND5VCC3.3V，模块供电；6GPIO0默认WIFIStatus：WIFI工作状态指示灯控制信号；工作模式选择：悬空：FlashBoot，工作模式；下拉：UARTDownload，下载模式；7CH_PD高电平工作；低电平模块供电关掉；8GPIO2开机上电时必须为高电平，禁止硬件下拉；内部默认已拉高4.3温度采集模块温度传感器DS18B20实物如图4-6所示。图4-6DS18B20温度传感器实物图4.3.1温度传感器简介温度传感感器，它是一款数字-系统的温度传感器，通过测量温度来检测周围环境的温度变化。在很早以前我采用的温度传感器都是模拟量温度传感器，比如我想要测量温度的话，就经过温度传感器进行采集，输出的是模拟电压，而且需要用到AD转换模块才能够把模拟电压信号转换成数字信号，在传输过程中会产生误差，所以导致温度传感器采集的温度不准确。而我现在采用的是数字温度传感器，该传感器的性价比很高，每一个传感器都有它唯一的标志，而且还可以进行温度的校准，虽然在出厂过程中他已经进行了自动校准，但是仍然可以根据位置以及温度的偏差进行校准，而且该传感器把所有的采集数据传输到内存中，当单片机进行数据获取的时候，它就把数据从内存中取出来进行总线操作，所以它的操作十分方便简单。4.3.2串行接口（单线双向）本次设计采用的是数字温度传感器，它采用单总线的方式和单片机进行数据通信，在传输数据过程中需要经过一定的延时才能够保证数据传输的稳定性，从而保证不丢失数据，因为它只有一根走线，所以在传输过程中需要通过等待方式来实现总线上数据的互联互通，也就是当单片机发送指令信号以后，温度传感器需要接收到信号以后才能够给单片机再次发数据，不能在温度传感器还没有接收到数据，就给单片机发送数据，因为只有一根总线，这样的话会导致系统冲突，也就是总线数据丢失，所以当进入到温度采集程序以后，单片机接收到中断以后，温度传感器就会把自己采集的温度数据以十六进制形式发送给单片机，这时候单片机进入中断并处罚一次外部信号，从而实现温度传感器数据的采集，如果单片机采集数据过程中需要停止数据采集，那么只需要通过给温度传感器发送一定的指令，温度传感器就进入到了低功耗模式，在低功耗模式下，温度传感器处于待机状态，但传感器和单片机之间数据通信传输用的单总线无信号传输，所以大大减少了单片机占用引脚，并且触发一次信号以后就可以实现整个温度数据的采集。通讯初始化要求如图4-7所示。图4-7通讯初始化要求图只有单片机发送数据以后才能够实现数据的接收，才能够获取到温度数据，从而温度传感器的信号变成低电平，而且在低面模式下需要持续一段时间以后才能够保证系统稳定和信号等待，直到下一个低电平信号接收到以后，温度传感器再次进入了温度采集状态，并且把采集到的温度信息发送到单片机中。数字0信号表示方法如图4-8所示。图4-8数字0信号电平变化图数字1信号表示方法如图4-9所示。图4-9数字1信号电平变化图4.3.3引脚与接口（1）引脚介绍：温度传感器通过三根线就可以实现互联互通，两个是供电线，一个是数据通信线，所以和单片机之间通信只有一根总线进行连接，大大减少了单片机的输入输出口，而且如果我传输的距离过远的话，那么需要增加驱动能力，也就是增加一个20k的上拉电阻，然后根据实际情况选择合适的阻值。DS18B20接口图如图4-10所示。图4-10DS18B20接口图单片机P3.2口用来发收串行数据，即数据口。连接传感器的Pin2（单总线，串行数据）。在传感器通过五伏供电以后，传感器就进入到了工作模式，如果长时间没有数据发送的话，那么就进入到低功耗模式，此时传感器直到等待下一个信号接收以后就变入自动采集模式。4.4GPS模块本次设计所采用的GPS模块是由深圳市一家公司生产的GPS定位模块，该模块它具有接收能力以及具有12个通道数据接收采集，它所在接收的GPS信号主要是通过民用段的GPS信号，而且在没有干扰的情况下，它的定位精度能够大大的提高，最高可以精确到0.1m，而且最重要的是它的延迟误差很小，信号灵敏度也更高。当第一次上电以后，需要等待50秒的时间使传感器进行预热，预热以后传感器更加的稳定可靠。如果再次断电以后，下一次重新定位时间仅需要八秒，而在数据传输方面，该传感器采用的是232标准的电瓶，可以和单片机进行数据通信，也可以直接通过电脑进行数据收发，它的波特率，通常我使用的是9600，而通过GPS模块标准的输出协议进行数据采集的时候，更新速率每秒发送一次，它的经纬度信息也是每秒发送一次，该传感器模块需要外接天线，而且我采用的是灵敏度更高，可靠性更强的微带天线，该天线封装在防水的塑料外壳中，更进一步提高了整个GPS模块的稳定性，可靠性，它的工作电压是5V，但是它的工作电流在运行过程中需要达到500毫安，所以为了保证供电的稳定性，我采用了常见的手机充电器进行供电，这使得该传感器在使用时更加的方便与安全。SERFGS1100GPS接收模块如图4-11所示。图4-11GT-U7GPS信号接收模块4.5电源模块4.5.1电源的选择由于本次设计整体供电的外接电源是5V，所以我需要用外部的5V外接电源给单片机以及其他的传感器供电，而电机驱动模块它的供电也是5V，所以整体需要一个5V外接电源给供电就可以了。在供电过程中，首先采用的是使用蓄电池通过交流电转换成直流电，然后进行降压，输出5V。在使用交流电供电过程中，这种方案由于更好的稳定性，可靠性，所以成为了首选，因为它不需要更多复杂的装置去供电，而且本次设计所采用的交流电能够提供强大的动力，而且价格也比较便宜，所以对于这种控制引导车来说具有十分可靠的特点，第二种方法就是采用普通干电池供电，这种干电池很常见，操作起来以及使用购买起来也比较方便，而且也容易供电，但是由于本次设计采用的引导车系统，它的电机耗电量比较大，所以如果采用普通的干电池的话，那么很快引导车就会出现电量丢失，所以虽然常见，但是不耐用。通过对以上两种方案进行比较，本次设计采用了5V外接电源供电，保证了引导车系统在整个运行过程的前提下尽可能的提供续航能力，所以本次设计采用了5V外接电源供电，通过不同的电压实现电压的转换，保证了整个系统的运行。由于本次设计采用的是蓄电池供电，蓄电池通过降压把12V转换成5V，然后给整个系统供电，而且本次设计采用了WiFi模块进行数据通信，可以保证整个供电的稳定性以及可靠性。4.5.2稳压模块的简介在本次设计过程中，整体供电需要的是5V供电，但是如果想要获取到5V供电的话，那么就需要进行电压的转换，通常采用的是220V的交流电，通过整流，滤波，稳压输出，最终输出为5V的电压，所以这次设计采用的是蓄电池供电。由于蓄电池输出的电压直接就是12V，所以需要对12V转换成5V，再进行数据通信，在数据通信过程中需要保证供电的稳定性，蓄电池能够给电路提供强大的动力以及电力。LM7805稳压模块的原理如图4-12所示。图4-12LM7805稳压模块的原理图4.6超声波测量传感器超声波传感器采用的是测量使用比较广泛的超声波传感器，它具有发射端和接收端两种方式，超探头选用的是40赫兹的频率超声波探头，因为它可以通过软件产生40k赫兹的超声波信号，然后传输到驱动端进行发射，经过接收信号以后进入中断来实现距离的测量。同时充分利用软件灵活信号以及可编程性强的特点来进行驱动电路，然后实现超声波传感器数据的发送，数据的接收灵活性，可靠性都比较高，非门可以选用74LS04，具体电路如图4-13所示。图4-13发射电路图当输入信号为高电平的时候，经过两极反转就会实现低电平的输出，同理，当输入信号为低电平的时候，通过两极反转就会实现高电平的输出，所以正负极相互感应，实现了整体震荡信号的驱动，我只需要控制信号接近40k赫兹就能够产生标准的方波。4.6.140kHz脉冲信号的产生与超声波发射测距系统中的超声波发生器采用UCM40的压电陶瓷传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这个信号可由单片机的P1.0端口来产生，其40kHz的脉冲信号产生程序如下：for(i=0;i<8;i++) { _nop_(); TX!=TX;)通过输出固定的脉冲频率，可以使超声波发射固定的脉冲信号，从而实现距离的测量。4.6.2超声波接收电路超声波接收探头主要包括接收器，信号，发射器以及滤波器等等，通过接触探头来实现信号的接收，否则不能够进行信号的传输以及信号的转换，虽然超声波探头的信号比较微弱，但是通过放大器以后产生的信号比较强，所以经过变换以后能够实现微弱信号转换成大信号的一些处理，本次设计降低了调试难度，减少了成本，同时提高了稳定性，可靠性，实现一种微距的超声检测。接收电路如图4-14所示。图4-14接收电路图使用超声波传感器进行信号放大滤波以后可以实现进行数据采集以及距离测量的特点。该传感器有不同的引脚，第一个是超声波信号的输入端，第二就是通过连接互联互通的网络实现一个反馈信号，这时候能够提高输出功率以及提高倍频系数，如果输出功率过大的话，那么就需要增大电阻以及电容，反之则需要减少电阻和电容，因为电阻电容的改变会影响频率的特性。在实际运行过程中，由于卖家已经调试完成，我不需要实际的更改，但是我需要进行滤波处理来保证设计的稳定性，灵敏度。4.7水位检测电路水位传感器主要是通过半导体陶瓷材料来作为传感器的一种组成方式，在水位传感器设计过程中，需要实现水位传感器的高灵敏度以及简单化处理，所以我采用的是性价比很高的一种水位传感器，它不仅能够检测水位的高低，而且能够检测水量的大小，从而它的灵敏度以及抗干扰能力相对来说都比较的稳定，并且水位传感器在材料选择中选择灵敏度比较高的二氧化碳，实现传感器所处在水中时能够使水中电导率的增大而增大，使用简单电路就可以转换成水位以及相等的浓度信号。其水位传感器电路图如图4-15所示。图4-15水位传感器电路图通过水位传感器实现整个系统的感知，通常由加热电极以及加热片构成的敏感元器件组成，在制成不锈钢的墙体过程中加热。主要是给整个系统提供稳定的干燥环境条件，并且封装好的水位传感器只有四个信号，输出的两个信号主要是用来供电以及加热。水位传感器的特性及主要技术指标(1)水位传感器的灵敏特性当水位传感器在正常的工作条件下，当接触到水以后，它的阻值就会迅速的下降，这也是被称之为灵敏度特性，水位传感器通过在洁净的水中产生的阻值，通过组织的变化来产生电压的变化，这种灵敏度相对来说也有一定的差异性，但是他们都遵循统一规律，就是通过气垫对水位或者是元器件的灵敏度，来实现对水位的测量，不过如果在测试过程中温度和材料有所不同，就会导致产生误差，另外就是初期稳定性，半导体水位传感器在不同的液体状态下呈现不同的状态，比如放置一段时间以后再次充电时候需要加热，保证元器件没有水分才能够正常的工作。在不充电状态下会水位传感器会吸收大量的水蒸气，导致不同的电压下虽然已经进入到了没有测量阶段，但是它周围会有水蒸气导致测量值异常，所以再次充电以后需要进行加热，使水蒸汽完全蒸发，这样水位传感器才能正常工作，不过需要稳定期以及稳定时间。(2) MQ-2型传感器的特性参数①回路电压：()5~24V②取样电阻：()0.1~20K③加热电压：()5±0.2V④加热功率：(P)约750mW⑤灵敏度：以甲烷为例(air)/(0.1%)＞5⑥响应时间：Tres＜10秒⑦恢复时间：Trec＜30秒4.8红外传感器检测电路红外传感器它主要是通过外部的红外二极管以及运算放大器，进行ADC转换等实现一个红外检测，通过二极管来实现伏安特性响应，输入红外信号转换成电信号，经过运算放大器放大以后形成大电压，最后通过ADC转换转换成数字信号传输到单片机中进行内部存储器的比较以及数据的获取。虽然在内部进行了芯片的线性处理，但是输出的电压有可能不是线性，受周围环境的影响以及光线的处理，它可能不能够直接输出稳定的电压，所以需要一个时钟线和数据线来进行通信协议的补偿。该红外电阻和其他的电阻有所不同，因为它对红外线特别敏感，而对于其他的光照照射下没有敏感现象，所以它叫红外导向元器件。红外敏电阻会随着红外线的强弱，产生不同的电流。红外敏电阻，内部会发生电子的漂移，红外敏电阻的阻值下降，红外敏电阻产生红外电效应，在红外敏电阻表面形成一种电流，为提高灵敏度，红外敏电阻一般选用柳状团。红外敏电阻器是利用半导体的红外电导效应制成的一种电阻值随入射红外的强弱而改变的电阻器，又称为红外电导探测器。红外敏电阻的实验图如图4-16所示。图4-16红外敏电阻的实验图当红外热敏电阻检测到红外线以后，由于内部电流的变化会产生电子的变化，从而产生电压，这种现象主要是电压和电流的作用，当红外传感器没有检测到红外情况下，没有电压和电流以及电子的产生。当红外敏电阻接收到红外线不同红外线照射的时候，会产生不同的电压，产生不同电压的灵敏度，就是红外敏电阻的灵敏度。红外敏电阻接收不同波长的红外线进行区分时会产生红外谱响应。红外特性主要是红外传感器在不同的外界光线环境变化条件下检测到的红外线强弱信号，通过不同的红外线实现光线比较强的时候，能够正常的输出电压，当外界比较热的时候，能够产生更低的电压，所以随着外界光线环境的变化，电压的变化也呈现一些特性，但是这种取件能够实现一种平稳下降，大多数情况下是非特定曲线。红外传感器电路图如图4-17所示。图4-17红外传感器电路图4.9烟雾采集模块烟雾采集模块使用的是MQ-2烟雾传感器。MQ-2烟雾传感器使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡，当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大。当传感器与烟雾接触时，如果晶粒间界处的势垒收到烟雾的调至而变化，就会引起表面导电率的变化。利用这一点就可以获得这种烟雾存在的信息，烟雾的浓度越大，导电率越大，输出电阻越低，则输出的模拟信号就越大。使用简单的电路即可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的输出信号。MQ-2还具有以下特点：具有信号输出指示；双路信号输出（模拟量输出及TTL电平输出）；TTL输出有效信号为低电平，当输出低电平时信号灯亮，可直接连接单片机；模拟量输出0~5V电压，浓度越高电压越高；对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度；具有长期的使用寿命和可靠的稳定性；有着快速的响应恢复特性。MQ-2烟雾传感器实物如图4-18所示。图4-18MQ-2烟雾传感器实物图4.10雨滴感应模块本次选用的雨滴传感器采用高品质的FR-04双面材料，超大面积5.0*4.0CM，其表面采用镀镍处理，具有对抗氧化、高导电性、长寿命等优点。雨滴传感器实物图如图4-19所示图4-19雨滴传感器实物图雨滴传感器是比较容易上手使用容易操作且性价高的水滴检测传感器，雨滴传感器主要是一块板，上面以线形形式涂覆镍，其是通过具有一系列的暴露的平行导线线迹测量其水滴大小从而判断水滴的量。当雨滴积聚在电路板上时，雨滴和上层铺的金属会形成并联电路，可以通过运算放大器测量电流的值。当板上没有雨滴时，也会增加电阻，因此根据V=IR获得高电压，当发现有雨滴时，它会自动降低电阻，达到测量的效果。雨滴传感器电路图如图4-20所示。图4-20雨滴传感器电路图第5章系统软件设计在整个设计过程中，我采用的是国际上通用的c语言进行程序的编写，因为它的移植性比较高，而且它的程序执行效率相对于汇编语言来说比较高，所以c语言作为本次设计整个系统的核心，而且在编写程序过程中，我也采用了一些模块化的设计方法。但是仍然出现了一些小偏差。我设计的模块有显示模块，红外传感器模块，温度模块，水位检测模块等等。在调试过程中，首先调试的是显示屏，因为当显示屏调试完毕以后，就可以进行其他模块调试中，在显示屏上观看数据，在调试过程中我也遇到这种那种的问题，当问题发生的时候，我能够通过显示屏很快的看到所有的模块的数值，并对他们来进行检测，保证每个模块能够正常使用，然后调试完单个模块以后，就一起进行总体的调试去发现每个模块中是否遇到问题，但是在调试过程中仍然会遇到一些模块之间的冲突，这时候就需要根据模块的冲突进行相应的改正，保整个系统确没问题。所以本次设计软件设计不仅包括显示程序，还包括中断程序，定时器程序，水位监测程序等等一系列数据处理。以及程序整个设计过程中，我采用无差别的程序对待方式，包括总程序和子程序都需要进行调试，最后将各个模块所有的程序放在一起在一起，这就算是组成了一个完整的系统，也就表示设计的系统成功了。5.1系统主程序整个系统的框图如下，它包括单元控制电路，中断电路以及定时器的启动和复位等等，本次设计通过WIFI模块进行数据传输，主程序中通过对WIFI云端数据的采集，实现了数据的传输以及数据的判断，通过不同调用子程序来实现互联网模块以及WIFI模块之间的数据通信和交互。系统主程序框图如图5-1所示。图5-1系统主程序框图5.2DS18B20温度采集程序设计当温度传感器检测到周围环境的信息以后，首先需要温度传感器进行通电测试，然后通电完成以后，通过接收高电平信号，并完成信号的检测，输出低电平，再实现温度数据的处理，采集完毕以后，比较设定温度值和实际温度值，当设定温度值高于温度实际温度值时，输出字母XX，并显示实时温度；当设定温度值不高于温度实际温度值时，输出字母XY，并显示实时温，传感器就会再次测量温度，然后再次将信号进行分析和处理。DS18B20温度传感器模块的软件程序流程图如下图5-2所示。图5-2DS18B20温度采集子程序流程图5.3WIFI模块传送数据程序设计5.3.1串口中断接收流程图WIFI模块主要是通过串口调试助手进行调试，WIFI单面机通过发送串口数据就可以把串口数据转换成WIFI信号传输到APP中，然后APP在给发送WIFI指令的时候，单面积也是通过串口中断进行数据的接收，通过中断方式实现单面机和WIFI之间数据的发送和接收，并且断电以后能够使保证系统不出现干扰，这样能够采集多个传感器的数据，方便数据的读取和写入。所以在设计过程中，如果要对WIFI模块进行测试的话，就需要对串口中断进行数据调试，当接收到数据以后，需要把中断寄存器进行清零，等待数据接收完了以后，中断寄存器就需要变为一，保证数据接收的稳定性，然后在程序存储区中通过单片机对程序数据的读取判断以后判断接收到的数据是否和发送的数据一致，并进行校验和进行数据的读取。流程图如图5-3所示。图5-3串口中断接收数据的程序图检测到数据，然后接收到以后自动进入中断函数，然后等待数据的传输完成以后，中断系统会自动变为高电平，并且把数据放到存储器中，然后单面机再对数据进行解析，过程中需要对存储器进行快速的读写，判断数据是否和设定的数据一致，并且对数据进行校验，如果一致的话，那么就进入到了程序处理阶段。5.3.2串口发送指令流程图单片机通过向串口发送指令信息来进行和APP进行通信，在接收函数过程中，如果关闭中断，那么就会产生中断数据丢失并且引发指令错误，导致程序下载完毕以后不能够进行指令的接收以及指令的控制。下图是串口发送指令流程图，如图5-4所示。图5-4串口发送指令流程图在设计过程中，进行中断的处理，同时允许中断接收数据，然后开启中断模式，当开启完毕以后，所有的信息全部存储到单片机的内部中断中，在中断中进行数据的处理以及针头真伪的设定，做好准备以后，单片机才能够发送脉冲指令，实现定时器的输出，并且控制定时器实现中断的下一个数据接收。串口中断发送数据的程序图如图5-5所示。图5-5串口中断发送数据的程序图首先需要通过单片机进入到串口中断的模式，当接收到数据以后会产生数据干扰，为了防止出现干扰，这时候我需要把串口发送数据关掉，然后等待数据传输完成以后就可以看到数据中断接收到的数据了。5.4红外子程序红外解码流程图如图5-6所示。图5-6红外遥控器解码流程图5.5数据采集流程图水量传感器使用的AD模块是单片机内部集成的AD模块。外部模拟信号直接与单片机的AD端口连接。采集外部数据，首先将AD_CONTR寄存器设置为0x80，并将AD_CONTR寄存器设置为集成在微控制器中的AD模块，在低速转换模式下，由于我采用了低速转换，所以它的时间比较长，大概等待540个机器周期，然后才能够保证AD转换全部完成，否则的话AD转化没有完成，从而导致接收到的数据校验不过关，数据会和正常计算的数据存在非常大的差别。数据采集流程图如图5-7。图5-7数据采集流程图第6章系统调试6.1云端可视化界面本次选用的是中国移动OneNET平台，选用旧版MQTT协议完成开发的，在平台中完成产品的创建，在创建产品时需要对名称、类别以及联网方式进行选择。生成产品ID，并将地址记录写入单片机的C语言程序中进行验证使用。通过云平台可选择连接系统，可以通过WIFI模块实时获取到系统捕捉的各项数值。云平台界面如图6-1所示。图6-1公路极端天气无人引导车系统设计云平台界面6.2整个系统的通电测试首先需要检查硬件内部检查完毕以后进行通电测试，然后进行整个电路有没有短路情况，第二，对整个系统供电过程中，首先需要对整个系统进行电压的测量，第三，组点测量电压，采用万用表在确认各个点低压正确以后，才能够保证整个系统的运行以及各个元器件的电压正常工作，第四，并进行程序的编写和系统的调试以及程序的仿真，以上检查无后就可以开始整个系统的运行。系统整体实物效果图如图6-2所示。6-2整体实物效果图6.3硬件调试故障排除在调试过程中，会遇到各种各样的硬件电路故障错误，如设计错误，出现一些制造过程中一些焊接错误，或者是PCB设计过程中加工错误等等。这时候首先需要检查的就是检查PCB是否完整，否则的话如果直接上电的话，就会导致整个电路板发生短路现象，会产生火花或者是导致元器件失效，所以元器件本身没有存在问题的情况下就需要检查硬件电路了。由于整个系统包含众多的元器件，所以当元器件损坏或者是功能不完善时，短路或者是其他形式导致出现误差概率会很大，也就是整个系统会导致崩溃或者是元器件损坏，从而导致整个系统的供电不稳定或者是逻辑电平输出信号不合理，另外对于系统的可靠性或者是其他的一些电源故障来说，通电以后还需要保证元器件不损坏，包括电压过高或者是过低尤其是对一些敏感器件，比如电源功率不足导致的负载能力差更大。6.4单片机最小系统的调试系统的硬件调试主要是包括单片机，最小系统，显示屏以及其他的外部传感器，一些系统工作电路的调试，包括整个系统供电是否正常，以及车体红外感应和光敏电阻等一些其他的器件信号的采集。对于整个系统外围电路来说，需要保证稳定的供电电压，不出现复位情况，保证单片机初始化正常，最小系统工作正常情况下其他的工作模块也都正常保证了后续的软件稳定性。6.5系统各模块的调试系统各模块的值会通过OLED显示屏显示出来，整体效果图如图6-3所示。6-3各模块在OLED屏上面所显示的值6.5.1烟雾传感器的调试本次设计通过MQ-2烟雾传感器测量天气的雾霾浓度，当环境中存在的可燃气体浓度越高时，传感器的电导率越大。由于在温度、湿度、大气压等环境条件不变时，可燃气体的浓度变化对传感器电导率的影响与浓度变化的绝对值成正比，所以利用可燃气体的浓度可以达到传感器测量空气的效果。6.5.2雨滴传感器的调试雨滴感应模块的感应板上没有水滴时，DO输出为高电平，开关指示灯灭，滴上一滴水，DO输出为低电平，开关指示灯亮刷掉上面的水滴，又恢复到输出高电平状态，从而判断雨水量。6.5.3水位传感器的调试WaterSensor水位传感器是一款简单易用的水位/水滴识别检测传感器，是通过具有一系列的暴露的平行导线线迹测量其水滴/水量大小从而判断水位。6.5.4超声波传感器的调试超声波是基于光导效应的一种光电元器件，在没有超声波的时候，超声波的电阻值非常大，在电路中的电流非常小。当光去照射超声波的时候，半导体材料的电导率会随之增加，电阻也会慢慢地减小，随着光照的增强，半导体材料的阻值也会变小。在调试过程中，超声波测距模块发出高电平，当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此时就为此次测距的时间，可算出与车边行人的距离，周期测可以达到移动测量的值。模拟从超声波传感器前面经过，通过OLED显示屏显示车流量部分数字发生变化来判断是否正常工作。6.5.5温度传感器的测试由于晶体管PN结的正向电压降都是以大约-2mV%2F℃在斜率随温度变化而变化，并且比较稳定，同时晶体管的基极发射极电压与温度基本上呈线性关系，利用这些特殊性对温度进行测量，如果OLED显示屏上显示温度的部分会随着电压的变化而变化，说明温度传感器没有问题，可以正常使用。总结与展望本次设计主要是极端天气无人引导车系统的研究，对于我智能化系统以及未来的智能化交通有一定的引导作用，本次设计采用的是单片机作为主要控制器，首先要对电路进行一系列的设计，并且依次进行选材，然后由于单片机芯片设计方案简单，所以我直接买的模块进行设计，同时其他的传感器我也是遵循简单的原则，能买模块，则买模块电源模块供电要求比较高，因为本次设计需要的电流比较大，所以我采用的是充电宝进行供电以及蓄电池供电，在保证不间断情况下，WIFI模块需要选择抗干扰能力强以及控制容易的方法，而且最重要的是数据传输快，在开发APP过程中，我需要保证整个控制界面的简单，方便，耐用，清晰颗粒，所以对于单片机程序的编写，我需要保证移植性和可读性比较高，最后进行了硬件和软件的调试，在设计过程中我遇到了很多问题，但是多次实验以及推销最终解决了各种问题，并且这次设计最为适用，最重要的是让我对整个系统的设计知识有了一定的了解。从总体上来看，虽然整个设计不太完善，但是整个系统功能也已经实现，本次设计仍然有许多可待解决的方法，比如可以增加指南针，方便在极端环境下分清方向，可以通过上传到大数据平台等等，所以在以后会有更多的完善。参考文献[1]刘汪，董晓庆．基于单片机的极端天气无人引导车[J]．韩山师范学院，2013(4).[2]周霁．兼容MCS-51微处理器的逻辑设计[J]．中国电子科技集团公司第四十七研究所，2013(6).[3]孙育才．单片微型计算机及其应用[M]．东南大学出版社，2010.[4]陈宇，戴亮，戚蕊，顾婕妤，何颖．智能环境监测系统设计[J]．数字技术与应用，2021,39(06):P157~P159.[5]王建勋．基于虚拟仪器和WIFI技术的控制系统设计[J]．实验室研究与探索，2015(3):P86~P89.[6]鲍程红，戴珊．停车计时收费系统的研发[N]．浙江万里学院学报，2012(4):P81~P85.[7]蒋俊，简雨沛．WIFI智能引导车系统设计[D]．北京：西南交通大学，2015:P166~P167.[8]杨勇．他励直流电动机的启动方法[J]．东方企业文化，2014(1):P229~P229.[9]劳卫东．谈直流发电机的基本工作原理[J]．企业科技与发展，2011(22):P27~P30.[10]聂思敏．小功率光伏电池控制器的研制[N]．安顺学院学报，2011(3):P115~P117.[11]游晓容．单片机串行通信中的几个问题讨论[N]．河南教育学院学报，2011(2).[12]许超，张丹．基于Keil的单片机课程教学改革[J]．辽宁大学学报(自然科学版)，2011(1).[13]鲁杰爽．单片机Keil软件仿真与调试技巧[J]．电子制作，2010(3).[14]康素霜．单片机的智能平台环境监测系统设计[J]．智慧中国，2022,(09):P70~P72.[15]杨江，高红亮，梅扬，基于nRF24L01智能环境监测系统设计[J]．自动化技术与应用，2014,33(02):P116~P120.[16]ToyamaS,YamamotoG.DevelopmentofWearable-Agri-Robotmechanismforagriculturalwork[J].2018:5801-5806.[17]MontgomeryP,DennisJ.Asystematicreviewofnon-pharmacologicaltherapiesforsleepproblemsinlaterlife.[J].SleepMedicineReviews,2019,8(1):47.[18]FarazF,MohammedHS.Obstructivesleepapneahypopneasyndrome(OSAHS):Acasereview.[J].Internationaljournalofpharmaceutics,2018,3(3):15-16.[19]Ali

Abedi,Shehroz

S.

Improving

state-of-the-art

in

Detecting

Student

Engagement

with

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TCN

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Network[C]//2021

18th

Conference

on

Robots

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Vision

(CRV).IEEEE,2021:151–157.[20]Dang

Tianjiao,Liu

Jifa.

Design

of

Water

Quality

Monitoring

System

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Shaanxi

Section

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Weihe

River

Basin

Based

on

the

Internet

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Things[J].

Computational

Intelligence

and

Neuroscience,2022,

附录附录A原理图图A-1原理图附录B程序代码#include"stm32f10x.h"#include"delay.h"#include"usart.h"#include"led.h"#include"key.h"#include"oled.h"#include"TIM2.h"#include"UltrasonicWave.h"#include"key.h"#include"ds18b20.h"#include"adc.h"externunsignedshortintUltrasonicWave_Distance;//计算出的距离 shorttemperature;u16adcx0,adcx1,adcx2;unsignedchard