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1、学士学位论文智能无线控制小车设计摘要智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。随着计算机、网络、机械电子、信息、自动化以及人工智能等技术的飞速发展，移动机器人的研究进入了一个崭新的阶段。目前，智能移动机器人，无人自主车等领域的研究进入了应用的阶段，随着研究的深入，对移动机器人的自主导航能力，实时监控功能，动态避障策略和时间等方面提出了更高的要求。本次设计的简易智能小车，采用AT89C51单片机作为小车的检测和控制核心；采用无线蓝牙来实现对小车运动的状态的控制；采用霍尔元件来测量小车运行
2、速度，旋转角度；采用智能手机来实现小车的视频传输模块。无线控制模块使小车具备启动停止，加减速、转向等功能;视频传输模块使小车具备实时监控，定位等功能；最后将两者通过单片机联系到一起，实现所智能无线控制小车的基本功能。本设计的智能小车结构简单，技术发展成熟，较容易实现，但各模块之间的联系、软件设计以及整个系统的优化都具有很大的灵活性。不管采用什么思路，智能化、人性化，一定程度在小车上得以体现。关键词 蓝牙控制模块；霍尔元件；太阳能电池板；单片机IThe research on Intelligent Wareless Robot Car AbstractAs a new product of m
3、odern society, intelligence is the trend in future development. It can work in some specific environment according to the mode which sets in advance. Dispensing with behavior adjustment management,but it can achieve the expected, even higher goal.With the rapid development of computer, network, mech
4、anical, electronic, information, automation and artificial intelligence technology, the mobile robot has entered a new stage. Currently, the study about intelligent mobile robot,unmanned autonomous car and some relevant areas are reaching a application stage.With further research, the mobile robot a
5、utonomous navigation capabilities, real-time monitoring, dynamic obstacle avoidance strategies and time put forward higher requirements.The design takes micro control unit AT89C51 as center control unit,use the Bluetooth to control the moving status,use Hall Element to measure the speed of the car a
6、nd the angle of rotation; use intelligent mobile phone as the Video transmission module. Combine wireless unit and video transmission module together, the the car become the so called mobile robot. It can be controlled to move forward, move backward, turning, speed up and slow down. We can also read
7、 this moving status,watch the robots surroundings through computer or intelligent mobile phone.The design of the smart car structure is simple and the technology is developed, thus making it easy to achieved. But the combination of all modules,the Bluetooth unit is still challengeable. Besides, the
8、software design,optimization of the entire system is also flexibility. No matter what ideas, artificial Intelligence can be applied with the intelligent toy car.Keywords Bluetooth control module; Hall Element; solar panel; MCUII目录摘要IAbstractII第1章 绪论1 1.1 课题背景1 1.2 智能小车的研究现状2 1.3 本章小节2第2章 智能小车的可行性分析4
9、2.1 题目分析42.2 方案选择4 2.3 总体方框图5 2.4 本章小节6 第3章 硬件设计7 3.1 主控模块的设计7 3.1.1 单片机的内部结构8 3.1.2 单片机的引脚功能83.1.3 单片机最小系统93.2 无线通讯模块设计123.2.1 蓝牙模块的选择133.2.2 蓝牙模块BF10133.3 小车车体设计163.3.1 小车车体的结构设计163.3.2 电机及驱动的选用173.4 摄像头云台设计203.4.1 云台电机及其驱动的选择213.4.2 云台的结构设计23 3.5 无线视频传输模块设计 24 3.6 电源模块设计263.6.1 太阳能电池板26 3.6.2 电源测
10、试273.6.3 实际应用323.7 转向与转速的闭环控制333.7.1 霍尔元件343.7.2 转速测量方法35 III3.8 本章小节36 第4章 软件设计374.1 模糊控制算法374.1.1 模糊理论的发展和原理37 4.1.2 智能小车中的模糊算法37 4.2 软件设计框图374.3 软件程序设计的部分原程序39 4.4 程序的烧写过程 40 4.5 本章小节42 第5章 制作和调试43 5.1 使用的仪表和软件435.2 系统制作 43 5.3 系统调试43 5.3.1 硬件调试435.3.2 软件调试445.3.3 联合调试45 5.4 本章小节45致谢46 参考文献47附录A
11、翻译文献48 附录B 小车机械结构三维模型图61附录C 智能小车控制电路图62 智能无线控制小车设计IThe research on detection algorithm of harmonic and reactive current based on the PSCADII目录III第1章 绪论11.1 课题背景11.2 智能小车的研究现状11.3 本文主要内容2第2章 智能小车的可行性分析42.1 题目分析42.2 方案选择42.3 总体方框图5第3章 硬件设计73.1 主控模块的设计73.1.1 单片机的内部结构83.1.2 单片机的引脚功能83.1.3 单片机最小系统93.2 无线
12、遥控模块设计123.2.1 无线遥控模块的工作原理123.2.2 PT2262/2272芯片133.3 小车车体设计173.3.1 小车车体的结构设计173.3.2 电机及驱动的选用17（1）电机方案的论证与比较18（2）电机驱动芯片183.4 摄像头云台设计193.4.1 云台的结构设计193.4.2 云台驱动电机的选择193.5 无线视频传输模块的193.6 电源模块设计20第4章 软件设计214.1 模糊控制算法214.1.1 模糊理论的发展和原理214.1.2 智能小车中的模糊算法214.2 软件设计框图224.3 软件程序设计的部分原程序224.4 程序的烧写过程22第5章 制作和调
13、试245.1 使用的仪表和软件245.2 系统制作245.3 系统调试245.3.1 硬件调试245.3.2 软件调试255.3.3 联合调试26千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行IV哈尔滨理工大学学士学位论文第1章 绪论1.1 课题背景随着计算机、网络、机械电子、信息、自动化以及人工智能等技术的飞速发展，移动机器人的研究进入了一个崭新的阶段。同时，太空资源、海洋资源的开发与利用为移动机器人的发展提供了广阔的空间。目前，智能移动机器人，无人自主车等领域的研究进入了应用的阶段，随着研
14、究的深入，对移动机器人的自主导航能力，实时监控功能，动态避障策略和时间等方面提出了更高的要求。地面智能机器人路径规划，是行驶在复杂动态自然环境中的全自主机器人系统的重要环节，而地面智能机器人全地域全自主技术的研究，是当今国内外学术界面临的挑战性问题1。智能无线控制小车是智能移动机器人的典型代表，是一类能够通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中面向目标自主运动，从而完成一定功能的机器人系统。理想的自主移动机器人可以不需人的干预在各种环境中自主完成规定任务，具有较高的智能水平，但目前全自主的移动机器人还大多处于实验阶段，进入实用的多为自主移动机器人2，通过人的干预在特定环境中执行各种
15、任务，而遥控机器人则完全离不开人的干预。智能无线控制小车技术研究综合了无线遥控、视频传输、定位与运动控制等技术。涉及包括蓝牙遥控、视频采集、路径控制等模块，作为移动机器人的主要组成部分。移动机器人的运动控制主要是完成移动机器人的运动平台，提供一种移动机器人的控制方式。性能良好的移动机器人运动控制系统是移动机器人运行的基础，能够服务于移动机器人研究的通用开发平台。运动控制是智能无线控制小车的执行机构，对小车的平稳运行起着重要作用。随着新的智能控制算法的不断涌现，移动机器人正向着智能化方向发展，这就对运动控制系统性能提出了更高的要求。设计实现智能无线控制小车的控制系统，能够熟悉移动机器人硬件和软件
16、的开发，掌握移动机器人的运动控制特性，为后续的移动机器人的功能扩展搭建一个可行、稳定的平台，而这个平台则可以成为多种机器人开发的公共基础平台。实现智能移动机器人控制系统的开发具有一定的现实意义，将为以后的移动机器人开发奠定坚实基础。1.2 智能小车的研究现状移动机器人的研究始于60年代末期斯坦福研究院（SRI）的Nils Nilssen和Charles Roesn等人，在1966年至1972年中研制出了自主移动机器人Shakey3。70年代末，移动机器人研究又出现了新的高潮，特别是80年代中期以来，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司，如美国通用电气、日本本田、索尼等开始研制
17、移动机器人平台，这些促进了移动机器人学多种研究方向的出现。例如，轮式移动机器人的代表作有：Smart Robots公司推出的新型基于Linux的移动机器人SR4；美国Activmedia Boties公司用于教学的P3-Dx轮式移动机器人；卡内基梅隆研发的Nomad移动机器人；美国国家航天航空局闻名遐迩的火星登陆车“勇气号”等4 。我国的机器人学研究起步较晚，但进步较快，已在工业机器人特种机器人和智能机器人各个方面都取得了显著成绩。在“七五”期间，完成了示教再现工业机器声成套技术。为了跟踪国外搞技术，80年代国家高技术计划中安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人高功能装配机器人和多种特
18、种机器人。进行了智能机器人体系结构、机构、控制、人工智能、机器视觉，高性能传感器及新材料的应用研究，取得了大量成果。其中，轮式移动机器人的研究也硕果累累。国内研究轮式移动机器人的科研单位及公司主要有研制能力风暴的as-r机器人的上海广茂达伙伴机器人有限公司；研制的casia-i自主移动机器人的中科院自动化所；研制“青青”轮式移动机器人的哈尔滨工业大学，研制“小蜘蛛”轮式移动机器人登月车的上海交大等5。当前，移动机器人技术的研究与发展的趋势包括有：机器人机构导航定位路径规划传感器信息融合技术智能技术移动机器人传感器技术等研究。我国自“八五”期间开始进入这一研究领域，并在国家863计划中予以重点支
19、持。较为全面对路径规划、视觉导航、信息融合、自动驾驶等一些基本的智能机器人技术做了探索，所形成的一些关键技术成果也在其他领域得到应用。我国在机器人技术与自动化工艺装备等方面已经取得了突破性进展，缩短了同发达国家的差距，但是在机器人的核心及关键技术的原创性研究、高性能关键工艺装备的自主设计和制造能力、高可靠性基础功能部件的批量生产应用方面，同发达国家相比，我国仍存在较大差距。1.3 本章小节本课题采用通用51单片机实现轮式移动机器人电机驱动和闭环调速。实现基于wifi的无线视频监控和无线蓝牙控制设计，为机器人提供简单方便的障碍物检验和导航6。DSP实时监测驱动电动机的正交编码脉冲实现移动机器人的
20、运动学定位，作为机器人一种比较粗略的定位方式，可以作为后续高精度定位方式的补充。无线控制使小车具备启动停止，加减速、转向等功能，视频传输模块使小车具备实时监控，定位等功能，最后将两者通过单片机联系到一起，实现所智能无线控制小车的基本功能。移动机器人控制系统设计与实现的主要内容有底层系统设计和控制系统的实现：（1） 移动机器人底层系统设计：移动机器人的底层系统设计包括移动机器人的控制电路设计、电机驱动电路设计和无线控制电路设计。底层设计涉及到的软件算法包括电机驱动和速度闭环、电机码盘的机器人定位、视频传输等。（2） 移动机器人的控制系统的实现：移动机器人控制系统的主要内容是生成机器人的运动控制信
21、息，控制机器人的运动。无线遥控是移动机器人需要完成的任务之一，其典型工作过程为机器人完成相应的移动，完机器人的前进、后退、转向、加减速。运动控制过程中用到的视频输入信息包括WiFi模块提供的无线上网信息，电机码盘提供的机器人的位置、速度信息，摄像头云台提供的物体的方位信息，以及视觉摄像机采集并经过处理后的视频信息等。第2章 智能小车的可行性分析2.1 题目分析顾名思义，智能无线控制小车的本质就是一种小车，或者说是一种轮型机器人，相比与一般的玩具小车，这种小车具备无线控制等多种功能，智能程度较高，所以称之为智能小车。通过对题目进行了充分的分析和思考，将得出下列目标、任务、及指标。1.目标：设计制
22、作一个智能轮型机器人，能够具有无线遥控、显示和视频传输功能。2.任务：（1）远距离控制轮型机器人前进、后退、加减速、停止等，使其按照自己的意愿行走。（2）显示小车行走的一些速度、转角等基本信息。（3）能够远距离的将云台摄像头的视频及时、不失真的传输给上位机。3.指标：（1）采用无线蓝牙遥控器在一定的范围内控制轮型机器人运动。（2）采用智能手机的无线视频传输技术，将轮型机器人所拍到的视频及时床输给上位机，通过上位机观察其周围情况。2.2 方案选择对于方案的可行性分析，主要根据方案的成熟程度、所需的技术难度、可靠性还有性价比。本小节将宏观的对智能无线控制小车各个功能模块进行初步的选择与优化。1.无
23、线遥控模块方案一、采用红外遥控模块。本模块发射部分由PT2262芯片完成编码，并通过F05V微型发射模块发射信号，接收部分由J05U超外差式接收模块接收信号，并由PT2272完成解码。但此模块有个致命的缺点，就是定位、移动的精度无法满足智能小车的设计要求。方案二、采用无线蓝牙模块。随着通信技术的发展，蓝牙技术已日趋成熟，各种新型产品层出不穷。其中的无线蓝牙数据传输控制器，已发展为可以双向传输数据，SPP蓝牙串行服务,非常方便和手机、PC等连接。所以对于智能小车的无线遥控模块，采用优势明显的无线蓝牙模块BF-10。2.无线视频传输模块方案一、购买WIFI-Robot驱动板7，参照网络教程做出WI
24、FI智能车。此方案简单所需的软硬件都可以在网上买到，但此方案对于初次尝试坐智能小车的我来说，不确定因素大，难于实现。方案二、采用具备视频功能的手机，设计合适的摄像头云台，将其固定在给定的摄像头云台上，从而通过互联网进行手机与手机，手机与电脑之间的视频传送。该方案原理简单，成本低，易于实现，并且能够达到规定的要求。所以采用方案二。3.主控制模块智能小车的控制板主要有两种选择：凌阳单片机和51单片机。由于课本本中学过51单片机，并且手中有现成的两块STC89C51板，所以选用它作为智能小车的主控制器。4.电源模块在电源模块的设计中，我们考虑到在满足各模块工作电压的需求的同时，尽可能做到绿色环保，无
25、公害。经过市场调查，发现采用太阳能电池板是个不错的选择。根据小车的功率选择合适的太阳能电池板。设计稳压电源时，考虑到电池电压较低，并且在电量损耗时存在电压降低的情况，应此我们采用了低压差的稳压芯片LM2940。2.3 总体方框图根据以上方案，对于小车的大致结构有了系统的认识，小车的总体方框图如下图2-1。 图2-1 主板设计框图 2.4 本章小节本章主要从原理上对小车的可行性进行分析，首先对智能小车题目进行分析论证，即确定小车应该具备什么功能。然后是方案的选择方面，在很多方案中选择一种最简单可行的方案，来实现所要达到的功能。最后，系统的列出系统的设计框图，作为后续章节的设计主线。第3章 硬件设
26、计 本系统硬件主要有五大模块组成：单片机控制模块、无线遥控模块、无线视频传输模块、电机及其控制模块和电源模块。3.1 主控模块的设计 本模块采用51系列单片机作为核心处理器。单片机控制系统基本由最小系统和外围信号I/O口组成，其中最小系统包括电源（地），CPU时序电路（一般使用11.0592M或者12M和30P电容组成），复位电路。有了以上三块，单片机就能够正常工作。 STC89C51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存
27、储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的STC89C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。其应用范围广，性能良好，可用于解决复杂的控制问题。利用STC89C51的IO端口对传感器信号进行实时判断监控来控制步进电机做出相应的反映8。如图3-1是较为常见的带烧录接口的单片机最小系统图。图3-1 带烧录接口的单片机最小系统3.1.1 单片机的内部结构一个基本的MCS-51单片机通常包括：中央处理器、ROM、RAM、定时/计数器和I/O口等各功能部件，各个功能由内部的总线连接起来，从
28、而实现数据通信。其内部框图如图3-2所示。图3-2单片机结构框图3.1.2 单片机的引脚功能图3.2 MS51单片机结构图 常见的51单片机中一般采用双列直插（DIP）封装，共40个引脚。图3-3为引脚排列图。其中的40个引脚大致可以分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。图3-3 STC89C51引脚排列图（1）电源1 VCC：芯片电源端，一般为+5V。2 GND：接地端。（2）时钟1 XTAL1：晶体振荡电路的反相输入端。2 XTAL2：晶体振荡电路的输出端。（3）控制线1 MCS-51单片机的控制线有4根，其中3根是复用线，具有两种功能。ALE/：地址锁存允许/编程脉冲。2 PSEN：外
29、部ROM读选通信号。3 RST：复位引脚。4 /VPP：内外ROM选择/EPROM编程电源。（4）I/O引脚MCS-51单片机共有4个8位并行I/O端口，共32个可编程I/O引脚。 3.1.3 单片机最小系统单片机最小系统主要由电源、复位、振 荡电路以及扩展部分等部分组成。最小系统原理图如图3-4所示。 图3-4 最小系统电路图（1） 电源供电模块对于一个完整的电子设计来讲，首要问题就是为整个系统提供电源供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。51单片机虽然使用时间最早、应用范围最广，但是在实际使用过程中，一个和典型的问题就是相比其他系列的单片机，51单片机更容易受到干扰而出现
30、程序跑飞的现象，克服这种现象出现的一个重要手段就是为单片机系统配置一个稳定可靠的电源供电模块。此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的USB口供给，也可使用外部稳定的5V电源供电模块供给，如图3-5所示。电源电路中接入了电源指示LED，图中R11为LED的限流电阻。S1 为电源开关。图3-5 电源模块电路图（2）复位电路复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST通过一个触发器与复位电路相连，触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期中由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。所谓上电复位，是指计算机加电瞬间，要在RST引脚出现大于10MS的正
31、脉冲，使单片机进入复位状态。按钮复位是指用户按下“复位”按钮，使单片机进入复位状态。如图3-6是上电复位及按钮复位的一种实用电路。图3-6 复位电路（3）振荡电路 单片机的时钟产生有两种方法：内部时钟方式和外部时钟方式。系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路9。STC89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。如图3-7所示，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电
32、容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值通常取30PF。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。图3-7 振荡电路图STC89C51使用11.0592MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间10。（4）烧写接口电路RST置高电平，然后向单片机串行发送编程命令。P1.7(SCK)输入移位脉冲，P1.6(MISO)串
33、行输出，P1.5(MOSI)串行输入。被烧写的单片机一定是最小系统（单片机已经接好电源，晶振，可以运行）。如图3-8程序下载接口电路。图3-8程序下载接口电路3.2 无线通讯模块设计无线通讯模块主要完成对小车运动无线遥控功能。红外线和可见光具有相同的特性，因此只能直线传输。作为一种特替代方法，遥控器可以将射频（RF）用作无线传输媒介，这样一来就能穿透不透明物体和固定障碍物。射频的这一固有特性还能给用户赋予一种全新的自由感和移动体验，并大大延伸作用距离。过去的十年中涌现了一系列无线技术，如蓝牙、无线USB、WiFi、Z-Wave、ZigBee以及工作于不同频段的其它射频解决方案11，它们能够简化
34、有线网络，覆盖家庭、办公室等任何场所。这些技术各不相同，而且针对不同的应用。每一项技术都拥有各自的优缺点。我们究竟选用何种无线射频技术来解决我们的家居遥控问题呢？蓝牙主要用于手机的无线耳麦，并正在进入汽车领域，用于相同的应用。蓝牙2.1版有望克服耗电量大的缺陷。由于蓝牙的工作频率与Wi-Fi、无绳话机和微波所使用的未经许可的2.4GHzISM（工业/科学研究/医疗）频段重叠，在家庭环境中使用蓝牙遥控器极有可能产生通信延时和电池寿命缩短的问题，因为它采用了易受干扰的跳频扩频（FHSS）回避机制。Z-Wave和ZigBee是两个针对但不限于自动化和传感器网络应用的协议。它们都工作在900MHzIS
35、M频段，ZigBee还提供2.4GHz版本。虽然900MHz解决方案的确能够提高信号的穿透性，但却以牺牲数据速率为代价，很多人对此不能接受。Wi-Fi毫无疑问是当今最常见的无线技术之一。WiFi提供足够的带宽，不仅能够用于显示，而且能够将丰富的媒体内容传送到遥控器上。虽然WiFi看起来是一种理想的射频技术，但每一种技术都有缺点，WiFi也不例外：功耗和系统成本是它的两大短板。认证无线USB技术也有类似的缺点，该技术是一项电缆替代标准。采用无线USB技术的遥控器能够保留有线USB在承载架构、功能和数据速率方面的优势，并可充分利用相关的设计开发经验12。但对于习惯于生产1到2美元的红外遥控器的大多
36、数制造商而言，这种技术太过昂贵。蓝牙是一种短距的无线通讯技术，电子装置彼此可以透过蓝牙而连接起来，省去了传统的电线。透过芯片上的无线接收器，配有蓝牙技术的电子产品能够在十公尺的距离内彼此相通，传输速度可以达到每秒钟1兆字节。以往红外线接口的传输技术需要电子装置在视线之内的距离，而现在有了蓝牙技术，这样的麻烦也可以免除了。本此设计采用一种利用蓝牙系统建立手机或PC控制端与智能小车之间的无线通讯，实现了手机或PC控制智能小车的功能，并提出了一种手机遥控小车的解决方案。实验结果表明，此方案可以较为理想地实现电脑控制。3.2.1 蓝牙模块的选择市场上开发的出的蓝牙模块比较具有代表性的有爱立信ROK10
37、1007、CSR的bluecore2E蓝牙模块、DELTA公司的DFBM-CF121蓝牙芯片等。考虑经济性已经适用性的原因，我们选用遵从蓝牙1.2协议以上的芯片模块，综合考察市场，我们选用由深圳蓝色飞舞科技公司生产的蓝牙模块BF10。具体实物如图3-9所示。图3-9蓝牙模块BF10实物图3.2.2 蓝牙模块BF10BF10蓝牙通信模块为深圳蓝色飞舞科技公司自主开发的智能型无线数据传输产品，本产品标准型支持：4800bps1382400bps等多种接口波特率，支持从模式，支持64通道蓝牙替代串口线，应用原理图如图3-10所示。 3-10 BF10应用电路图 采用世界领先的蓝牙芯片供应商CSR的B
38、lueCore4-Ext芯片，完全兼容蓝牙2.0规范，硬件支持数据和语音传输，最高可支持3M调制模式。语音接口支持PCM协议。BF10模块高灵敏性接收，低成本，体积小巧，低功耗5。其引脚图如图3-11所示。1 模块描述及应用原理供电： +3.3VRESET复位： 低有效，上拉470K电阻到3.3V，下接0.1uF电容到 地。PIO0：主从模式设置脚，悬空或者高电平表示主模式，低电平表示从模式。PIO1：蓝牙连接状态脚，高电平表示连接成功。PIO7：蓝牙连接指示脚，接LED灯及电阻到地。主模式下未连接成功频率较慢闪烁，连接成功常亮。从模式下未连接成功频率快闪烁，连接成功常亮。PIO5 清空配对蓝
39、牙配对地址，平时为低，高脉冲则清空。3-11 BF10引脚图UART_TX 蓝牙模块串口数据发送脚，接单片机的RXDUART_RX 蓝牙模块串口数据接收脚，接单片机的TXD2 工作模式 （1）主模式工作流程：1 若存在配对地址则连接对应的蓝牙设备（不记忆模式则直接跳至）。2 若不存在已配对的地址，则模块扫描周围蓝牙设备（相同设备类型码）。3 找到蓝牙设备后配对连接（输入配对码）。4 连接成功之后打开串口，PIO1、PIO7高电平表示连接成功，串口数据可以全双工通信。（2）从模式工作流程：1 等待主模块来连接。2 检验配对码是否正确。3 连接成功后，PIO1、PIO7置高，串口数据可以全双工通信
40、。3. 应用方法（1）操作方式：1 将 PIO0 接地，设置为从模式。2 将 PIO6、 PIO7 、PIO8、 PIO9 、PIO10、 PIO11 悬空或者置高，设置为64 通道。3 设置 PIO2、 PIO3 、PIO4 、PIO5 为对应需要的波特率。4 给模块上电，等待 PC 蓝牙适配器、PDA 等主机设备连接该模块。5 连接成功后，PIO1 脚都是输出为高低脉冲。若连接成功之后，PIO1 管脚输出为高电平。可以连接一个LED 进行显示状态。（2）串口通信波特率：1 设置两个模块的 PIO6 PIO7 PIO8 PIO9 PIO10 PIO11 相同的通道，不能为通道64（即全高电平
41、）。具体参考设置模块通道2 模块上电，主模块则自动去查找该通道的从模块，此时主模块和从模块的PIO1 脚都是输出为高低脉冲。若连接成功之后，主从模块的PIO1 管脚输出为高电平。可以连接一个LED 进行显示状态。3 连接成功之后，两个模块两端就能进行串口数据全双工通信了。从客户端模式从客户端模式是用在被电脑的蓝牙适配器、PDA、手机等通用蓝牙设备连接进行数据传输的情况，原理图如图3-12。图3-12 应用原理框图 3.3 小车车体设计 小车车体作为整个系统的载体，车体的形状、设计理念直接影响到后续云台的设计。对于小车车体的设计，我主要研究小车车体的机械结构设计，小车驱动电机的选择和驱动模块的选
42、择。3.3.1 小车车体的结构设计 对于小车的结构，主要要求车体较大，有足够的摄像头云台和电源模块的放置空间，同时还应该结构简单。智能小车采用两个驱动轮，负责校车的动力，分别位于小车的左右两侧，小车的前后采用两个万向轮。这样小车就可以原地旋转360，并且转向平稳、灵活。具体结构如图3-13所示。图3-13 车体结构3.3.2 电机及驱动的选用本次设计中采用了L298N驱动两台独立直流电机分别控制小车的左轮右轮实物图如图3-14。向小车发送左转或右转指令时，可以分别控制两轮的转速，使程序简洁，方便。前轮则用一个可自由旋转360的小轮代替，无论是停止还是转向，前轮都可以随之改变，方便操作，简化了程
43、序的复杂性13。图3-14 L298N实物图（1）电机方案的论证与比较方案一：采用步进电机，精确度较高，一般步进电机的精度为步进的3%-5%，且不积累，缺点是体积较大，速度较慢，且价格较高。方案二：采用直流电机，直流电机运转平稳，可以保证小车运行的精度，虽然其控制的精确度没有直流电机的高，但完全可以满足本设计中的要求，而且价格也比较合理。经过市场调研，觉得JB37Y520减速马达比较合适，其结构图如图3-15，图3-16所示。 图3-15 驱动电机机构图 图3-16 驱动电机实物图由于本次设计的智能小车体积较大，所嫁接的太阳能电池板，和智能手机都比较沉重，所以采用大功率的驱动电机。经过测试，1
44、2V的JB37Y520减速马达完全能满足要求，其主要参数如表3-1所示。3-1 驱动电机参数表额定电压：12V额定电流：1A额定转矩：1N.M额定转速：10-2000 rpm额定功率：10W型号：520品牌：Aslong产品类型：有刷直流电动机产品认证：ROHS外形尺寸：2733mm（2） 电机驱动芯片 L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机14。其原理图如图16所示。图3-17 L298N原理图L298N可直接的对电机进行控制，无须隔离电路
45、。通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，用程序输入对应的码值，能够实现对应的动作，有效控制电机运动，如图3-18直流电机驱动原理图。 图3-18直流电机驱动原理图L298N使用方法简单，能很容易的驱动小车的两个直流减速电机。1和15和8引脚直接接地，4管脚VS接12V的电压，它是用来驱动电机的，9引脚是用来接6V电压的，它是用来驱动L298芯片的。再此，需要注意的是，L298N需要从外部接两个电压，一个是给电机的，另一个给L298N芯片的。6和11引脚是它的使能端，一个使能端控制一个电机，可以把它理解为总开关，只有当它们都是高电平的时候两个电
46、机才有可能工作，5、7、10、12是L298N的信号输入端和单片机的IO口相连，2、3、13、14是输出端，输入5和7控制输出2和3，输入的10、12控制输出的13、14。3.4 摄像头云台设计摄像头云台主要作用是在云台电机的驱动下，有选择的旋转一定角度，同时，将这些角度通过无线数据传输模块床给上位机（电脑或智能手机），我们再通过单片机和霍尔元件，控制小车的驱动电机，是小车按照摄像图制定的方向前进。在整个过程中，要求云台有自动复位的功能，也就是在小车旋转到给定的角度后，云台能回到初始位置，及所采集的视频是小车的正前方。在作为智能手机的载体，云台的结构，设计自由度极大地影响到小车定位、视频传输这一块的质量。综上，摄像头云台的设计主要包括摄像头云台结构设计和驱动电机的选择。3.4.1 云台电机及其驱动的选择根据小车的设计需求，云台旋转的角度要有一个精确地控制。而步进电机最容易实现这样的精确控制。可以根据给定的脉冲数，推算出 步转角度进电机的旋转角度，进而得出云台的旋转角度，再通过单片机，蓝牙输出模块将数据传输给上位机，我们通过所显示的角度值控制小车驱动电机旋转顶你个角度，从而实现小车自身按照给定方向旋转。在做小车前，已经买过两个步进电机和驱动。所以为了降低成本，采用已有的器材。