基于Wi-Fi数据传输的智能工程小车

学号： 11034080147 毕毕业业设设计计说说明明书书 基于基于 Wi-FiWi-Fi 数据传输的智能工程小车数据传输的智能工程小车 Engineering Car Transmit Data via Wi-Fi 学院学院 计算机与电子信息学院计算机与电子信息学院 专业专业 自动化自动化 班级班级 自动化自动化 11-111-1 班班 学生学生 马云驹马云驹 指导教师（职称）指导教师（职称） 熊建斌熊建斌 （副教授）（副教授） 设计时间设计时间 20152015 年年 1 1 月月 1 1 日至日至 20152015 年年 6 6 月月 7 7 日日 广东石油化工学院本科毕业设计（论文）诚信承诺保证书广东石油化工学院本科毕业设计（论文）诚信承诺保证书 本人郑重承诺：基于 Wi-Fi 数据传输的智能工程小车毕 业设计（论文）的内容真实、可靠，是本人在熊建斌副教授的指 导下，独立进行研究所完成。毕业设计（论文）中引用他人已经 发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处，如果 存在弄虚作假、抄袭、剽窃的情况，本人愿承担全部责任。 学生签名： 年 月 日 毕毕 业业 设设 计计 任任 务务 书书 院（系）： 计算机与电子信息学院 专业 自动化 班 级： 自动化 11-1 班 学生： 马云驹 学号： 11034080147 一、毕业设计课题 基于 WIFI 数据传输的智能工程小车 二、毕业设计工作自 2015 年 1 月 1 日起至 2015 年 6 月 7 日止 三、毕业设计进行地点 广东石油化工学院 四、毕业设计的内容要求 主要内容： （1）运用 89C52 单片机作为智能工作小车的控制器； （2）完成各种传感器的选择、电路设计及数据采集； （3）实现 WIFI 无线传输的设计； （4）系统软件设计及算法实现； （5）智能小车电机及控制电路设计； 要求及最终成果： 1）学习硬件实现并编写程序； 2) 完成毕业论文； 指导教师 熊建斌 接受毕业设计任务开始执行日期 年 月 日 学生签名 专业负责人 批准日期 摘要 I 摘要摘要 无线智能工程车，在过去原有的对智能小车的研究上，加之以 Wi-Fi 控制的单 元，实现智能小车在更大更宽的领域范围内应用。本次工程设计开发为基于 Wi-Fi 数据传输的工程小车，该工程设计论文论述了基于 STC89C52单片机的 Wi-Fi 智能小 车的硬件设计、软件设计以及其相关的调试过程。基于 Wi-Fi 的工程小车，用以 Wi-Fi 为媒介实现人工对工程小车的控制。Wi-Fi 智能工程小车以组合无线路由技术、 单片机、电机驱动及自动控制、人机交互等技术来实现智能工程小车的无线引导。 此相关技术已经广泛、深度应用于战术无人机、无人车、航天航空探索、应急救援、 无人工厂等多种领域。 本次设计方案其整体基本功能是将运动控制、灯光控制等集成于智能工程小车， 运用数据无线传输接合技术，通过高速传输的 WIFI 的接入，以高速 MCU 作为处理 中心，通过电脑或者手机平台实现远程控制及实时监控。其灵活性高、测量速度快、 实时性好，及其易操作性，可广泛应用于军工反恐、消防救灾、生命探测、地质、 气象、环保等部门，甚至在智能家居、智能玩具等广泛使用。 关键词：关键词：单片机；OpenWrt；无线路由；无线智能工程车；Wi-Fi；网页应用 广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于 Wi-Fi 数据传输的智能工程小车 II Abstract Wireless smart engineering vehicles, the original on the research of intelligent car in the past, combined with Wi-Fi control unit, intelligent car within the scope of the larger, the wider field of application. The engineering design and development based on the data transmission of Wi-Fi engineering vehicles, this paper discusses the engineering design of Wi-Fi smart car based on STC89C52 microcontroller hardware design, software design and debugging process of the terms. Engineering vehicles, based on the Wi-Fi to Wi-Fi for medium for manual control of the engineering vehicles. Wi-Fi car to wireless routing technology, single chip microcomputer intelligent engineering, motor drive and automatic control, human-computer interaction technology to realize the intelligent engineering car radio guide. Related technology has been used in tactical unmanned aerial vehicle (uav) wide, depth, unmanned vehicles, aerospace exploration, emergency rescue, no factories and other fields. The design scheme of the whole basic function is to integrate the motion control, lighting control in intelligent engineering vehicles, using the data wireless transmission joint technology, through high-speed transmission WIFI access, with high-speed MCU as the processing center, through the computer or mobile phone platform to realize remote control and real-time monitoring. Its flexibility, high measuring speed, good real-time, and easy operability, can be widely used military-industrial complex counterterrorism, fire disaster, life detection, such as geology, meteorology, environmental protection departments, and widely used in smart home, intelligent toys. Keywords: Single chip OpenWrt Wireless router Wireless intelligent vehicle Wi-Fi Web App 目录 III 目录目录 摘要摘要 .I ABSTRACTII 目录目录 III 第一章第一章 概述概述.1 1.1 工程设计背景.1 1.2 国内外现状.2 1.2.1 国外现状2 1.2.2 国内现状3 第二章第二章 方案论证及选择方案论证及选择.5 2.1 设计方案.5 2.1.1 整机系统5 2.1.2 整机工作原理5 2.2 系统方案的选择与比较.6 2.2.1 无线传输系统方案的选择6 2.2.2 核心控制芯片的选择6 第三章第三章 硬件电路设计及配置硬件电路设计及配置.9 3.1 硬件电路设计框架9 3.2 STC89C52 单片机9 3.2.1 单片机引脚功能说明：10 3.2.2 最小系统设计10 3.3 DB120-WG 无线路由器 13 3.3.1 刷机固件及刷机步骤13 3.3.2 Openwrt 插件及相关设置.15 3.4 CP2012 系列USB-TO-TTL串口转换模块 18 3.4.1 概述18 3.4.2 串口数据转换模块安装及配置18 3.5 ZC301 芯片摄像头.19 3.5.1 摄像头简介19 3.5.2 摄像头的分类19 广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于 Wi-Fi 数据传输的智能工程小车 IV 3.5.3 摄像头的工作原理19 3.5.4 摄像头的主要结构和组件20 3.5.5 摄像头安装及配置20 3.6 电机驱动电路.22 3.6.1L298N 芯片结构 22 3.6.2L298N 电机驱动电路 24 3.8 单片机供电模块 LM7805.26 3.8.1 LM7805 集成稳压芯片介绍.26 3.8.2 基于 LM7805 稳压电路26 3.9 路由器供电升压模块.27 3.9.1Boost 升压电路 27 3.9.2 基于 Boost 原理的模块化升压电路 28 3.10 温度传感器 DS18B2029 3.10.1DS18B20 结构及其引脚功能29 3.10.2 DS18B20 温度检测电路.29 3.10.3 温度测量读写程序.30 3.11 本章小结32 第四章第四章 系统程序设计系统程序设计.33 4.1C 语言程序编写软件33 4.2 下位机单片机端程序简介.33 4.2.1 工程小车程序概括33 4.2.2 程序流程图34 4.2.3 主程序流程图34 4.2.4 串口中断子函数流程图34 4.3 网页语言编写软件.35 4.4 上位机网页控制端设计简介.36 4.4.1 网页应用端流程图.36 4.4.2 网页界面程序设计.37 4.5 本章小结.38 第五章第五章 系统调试系统调试.39 5.1 调试方案.39 5.2 硬件电路调试39 5.2.1 单片机最小系统板电路调试39 目录 V 5.2.2 电源电路的调试.40 5.2.3 电机驱动模块的调试.41 5.2.4 路由器及其摄像头调试.42 5.3 软件调试.42 5.3.1 下位机程序及其串口端通讯调试42 5.3.2 无线路由器串口端通讯调试43 5.4 系统整体的调试44 5.5 本章小结45 致致 谢谢.47 参考文献参考文献.48 附录附录 1 下位机单片机下位机单片机 C 语言程序语言程序49 附录附录 2 WEB 端应用源代码端应用源代码57 第一章 概述 1 第一章第一章 概述概述 1.1 工程设计背景 2013 年 12 月 2 日 1 时 30 分，中国在西昌卫星发射中心成功将“玉兔号”月球车 送入轨道；2013 年 12 月 15 日 4 时 35 分， “玉兔号”与着陆器分离，并顺利驶抵月 球表面。2013 年 12 月 15 日 23 时 45 分“玉兔号”完成首张月球表面照片的拍摄并 传回照片。 我们常常在电视上看到月球车在月球表面缓缓前行，时而转动“眼睛”瞭望， 时而伸出“手臂”挖掘，科学家们在地球上通过电脑观察月球的各个地方，捕获月 球表面的各个环境数据，形成了三维的立体感受，犹如“身临其境”可想而知， 这样一台看似简单的月球车，也即我们的“月兔号”车身价就达到上百万。但是随 着精密科技的迅速发展，控制芯片的制造成本迅速降低，加之其集成化、系统化， 其普遍性迅速提高，从工商业领域中智能控制芯片的迅速应用，到高校普遍开展嵌 入式硬件的学习的相关比赛，再到中小学生学习控制程序的编写等。 如今，收到智能化、物联网普及的推动，越来越多的领域对智能化设备有强烈 的需求，特别是在涉及到人类自身安全的领域以及人类难以触及的地方，例如火灾 现场、涵洞搜救、下水道搜寻、未知领域的科学研究等等，均需求一个能够使人们 能够以远程的视角获得相应的需要甚至是代替人体执行相应任务，满足预期的要求。 如今 CPU 的高速发展正符合这一需求。 过去诸多智能小车往往是通过线缆信号传输的方式进行工程小车的应用，但是 在满足以上需求的前提后，面对着超远程或者地形崎岖复杂，甚至超高温等特殊地 方，过去简单的智能工程小车便出现了近身性等的弊端，使得工程小车难以使用各 个领域，普及速度不及设想。 1997 年，IEEE（Institute of Electrical and Electronics Engineers）发布 802.11，自 此无线局域网进入了标准时代，WiFi（WIreless-Fidelity）开始进入人们的视野。 WiFi 全称即是无线保真，是由 AP(Access Point)和无线网卡组成的无线网络， 无线网络的目标就是通过终端设备不受任何约束随时随地无逢与互联网实现互联互 通。AP 一般称为网络桥接器或接入点，它是当作传统的有线 LAN 网与无线局域网 络之间的纽带，因此任何一台安装有无线网卡终端都均可透过 AP 上互联网，实现 网络互联互通,其工作原理是相当于一台无线路由器，能实现数据收发功能。1 而当 WiFi 与智能工程小车联系起来时，智能工程小车即可成为一个独立的无受 拘束的自由个体，基于 WiFi 数据传输的智能工程小车即是如此。 组合一台 WiFi 智能工程小车，其主要的部分包括车体及其 CPU、智能无线 Ap、人机交互应用三大部分，对于需要实时数据传输的还需要加入摄像捕获部分， 广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于 Wi-Fi 数据传输的智能工程小车 2 需要获取环境状态的还需要要组合传感器部分，以通过诸如温度传感器、湿度传感 器、超声波、红外等传感器让智能工程小车传回实时的环境位置状态信息。 此次方案中我们主要目的是基础性地设计 WiFi 工程小车，将工程小车与无线网 络联系起来，完成其基本模型的设计，并根据相应的需求再组合搭配相关的传感器。 此次方案的实现，在保证较好的精度控制的情况下，从易用、易懂、廉价的原则， 突破过去工程小车昂贵、地域局限性的壁垒，实现远距离控制智能工程小车的平民 化，使其在高精度领域广泛应用于军工反恐、消防救灾、生命探测、地质、气象、 环保等高要求领域，甚至作为普通的玩具，实现 WiFi 工程小车在各个年龄段的普及， 为物联网、智能化的发展实现市场化的推进。 1.2 国内外现状 目前，无线工程小车在航天航空领域已经有了较早的发展。从人类开始进行月 球探索的第一台月球车1970 年 11 月 17 日苏联的“月球”17 号探测器，到现在 中国送上月球的属于完全自主研发的“月兔号”月球探索小车，人类在航天航空领域 的工程小车已经有了十足的发展。 而在普通行政领域，过去由于无线工程小车在受制于技术工艺等限制，一直处 于昂贵、拓展性差的问题，如今在芯片工艺、无线网络飞速发展的潮流下，无线工 程小车逐渐进入大众市场。特别是在廉价芯片的出现，以及 WiFi 网络标准的完全定 制，无线工程小车的发展越趋于标准化、市场化。 1.2.1 国外现状 最早的无线工程车应用于军事领域。美军早在 1969 年就在越南战争中将无人车 应用于物资运输。1988 年美国国防部、陆军、海军陆战队联合发起了项目,旨在联合 各自的研发优势,并最终研制出适合不同军种、不同任务使用的无人地面车辆。无线 智能工程车的首次出现即在军工领域。其作为联合机器人计划的一个组成部分，美 国军方经过多年努力联合开发出多个原型。这些原型系统针对不同的任务需求，采 用不同的技术，能力也各不相同。其中由美国卡耐基梅隆大学研制的 “角斗士”无 人车，是为海军研制的中、小型遥控或半自主地面车辆。 而如今在国外无线智能工程车已早早不止在军事领域中出现，在各式各样的领 域已经有了无线智能工程车的影子，最著名的不过是美国 NASA（National Aeronautics and Space Administration）于 2012 年 8 月 6 日发送往火星探测研究的火 星车“好奇号” ，同时也是目前为止全世界最昂贵、最精密、最智能化的无线智能车。 第一章 概述 3 1.2.2 国内现状 在国内，无线智能工程车的起步比较晚，在近几年最常见的即是在航天航空领 域的探索，诸如“月兔号” ，以及最新出现的解放军的无人工程车等均属于无线智能 小车范畴，如图 1.3 所示。 但是，无线智能工程小车在各个方面的领域对无线工程小车还是比较少见。随 着高新技术科技的发展，在高校及其教育领域，诸如全国电子大赛和省内电子大赛、 飞思卡尔智能小车比赛，几乎每次都有无线智能小车这方面的题目，全国各高校也 都很重视该题目的研究。可见其研究意义很大。 本次工程设计方案就是在基于这样的背景下提出的，本题目是结合科研项目而 确定的设计类课题。设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程，具 有自动寻迹、寻光、避障功能，可程控行驶速度、准确定位停车。 图 1.1 “角斗士”战术指挥车 图 1.2 “好奇号”火星探测车 图 1.3 解放军无人作业工程车 广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于 Wi-Fi 数据传输的智能工程小车 4 第二章 方案论证及选择 5 第二章第二章 方案方案论证及选择论证及选择 2.1 设计方案 首先确定如下方案：在小车车模上安装相应的驱动马达，配置相应的电机驱动 芯片，驱动单元作为小车的动力系统，并由单片机为核心的控制器控制。路由器作 为无线智能设备与单片机的中间件挂载在智能工程小车上，通过线缆链接单片机， 实现对智能工程小车的行进，行进方向，以及视频数据传回等功能。 2.1.1 整机系统 图 2.1 为智能工程小车整机系统结构图。 项目系统包括路由路由器服务器、单片机控制模块、电机驱动电路、电机、串 口数据转换电路、电源电路、摄像头、蜂鸣器电路、灯光电路等。 路由器用于接收电脑等终端设备发送的指令和将摄像头采集到的视频信号传送 到电脑等终端设备；单片机控制模块是整个小车的控制核心，控制着各个模块统一 协调工作；电机的作用就是使整个车体运动，电机驱动电路用于驱动电机转动，可 以使电机产生正转、反转，从而使车体产生前进、后退、转弯等动作；串口转换电 路是将路由器从 USB 输出的透传数据转换为单片机能判断串口数据；电源电路作用 是为整个小车系统供电及路由器供电；摄像头用于采集视频信号；蜂鸣器电路用于 鸣示及报警；照明电路为小车在夜间行驶提供照明。 2.1.2 整机工作原理 由智能终端，通过 WIFI 无线网络连接到路由器，再通过网页应用，向路由器 路由器模块 STC89C52 控制器 电机驱动模块 蜂鸣器电路 照明电路 摄像头 网页控制界面 电机 图 2.1 系统结构框图 广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于 Wi-Fi 数据传输的智能工程小车 6 发送控制命令及数据。路由器接收到数据后通过内部的端口透传软件，将接收到的 命令和数据，通过路由器 USB 口发送，并由串口数据转换模块经过数据电平转换， 转发到到 89C52 单片机的串口端，单片机接收到这些命令后执行相应的指令，如： 驱动小车运动、蜂鸣器鸣叫、照明电路的开关等。 视频信号，通过摄像头采集之后通过路由器发送到电脑终端或者服务器终端， 并在其网页应用中显示摄像头采集到的视频信号。 2.2 系统方案的选择与比较 2.2.1 无线传输系统方案的选择 方案一：选择网上修改成熟的智能工程车所用的 TP-LINK WR840N 无线路由器 做为我们智能工程车的 wifi 单元，控制芯片需使用 Arduino 系列的 Atmega328 单片 机即 AVR 系列处理器作为智能作业车的控制方案，这种方案的优点是兼容性高，缺 点是接触少使用不熟悉。 方案二：利用一向开发性良好的大亚科技 db120-wg 无线路由器，作为我们的基 于物联网的多功能工程小车的 wifi 连接单元，但是市面上基本没有这种路由器均需 要是二手购买，其方案优点在于芯片语言熟悉、价格低廉，缺点在于设备不稳定。 基于成本及上手时间考虑，选择方案二 DB120-WG 的方案。 2.2.2 核心控制芯片的选择 在系统的设计上，选择一款合适的系统核心控制器件关键到设计能否完成任务 的关键，同时也影响着完成任务的质量。控制核心的器件的选择的重要性我们就不 言而喻了。目前市场上流动着形形色色的控制芯片，各个半导体公司，电器供应商 更是推陈出新，展示着新时代科技的进步与需要，为此也为我们学习和设计提供了 良好的环境。如何才能选择一款功能优异，可靠性好，成本低廉，而且具有较强竞 争力的控制芯片呢？一般来说我们会从一下几方面考虑： （1）芯片基本参数。例如 ROM 大小，RAM 大小和 I/O 管脚数量等。 （2）芯片的增强功能。如多指针，看门狗，支持串口数量等。 （3）芯片的存储介质。对于芯片的存储器来说，有 OPT（熔断式一次性编程） 和 Flash 存储器，目前用得最多的是 Flash 存储，OPT 将逐渐退出市场的竞争。 （4）芯片封装。如贴片封装和 DIP（双列直插）封装。如果想节省 PCB 空间 的话选贴片封装的比较合适。如果想实时更换芯片的话直插封装比较好一点。 （5）芯片的功耗大小。现在芯片设计都趋向于低功耗模式，电流一般都 mA 作 为单位。 （6）芯片是否容易得到。使用广泛的芯片一般比较容易得到，不常用的芯片就 相对来说比较难找，而且价格上也相对来说贵一些。 第二章 方案论证及选择 7 （7）开发资料全面型。开发资料齐全的芯片一般都是技术计较成熟的芯片，或 者是开源的。一些新研发的芯片开发资料少，用的人群相对来说也比较少，芯片的 替代品很多，不一定要使用高端芯片。 （8）芯片抗干扰性能好。 （9）芯片的运行速度。现在一般高端的芯片运行速度都很快，可根据开发的需 求选择合适的芯片。 从 WiFi 工程小车设计的简单、实用性、方便性方面考虑，我们采用 STC89C52 作为小车的主控芯片，相对改设计上具有足够的存储空间，可以实时下载调试，具 有配套的程序编写和程序烧录软件，能够满足智能小车开发的需要。采用该芯片可 以灵活地控制外围电路。而且 STC89C52，物美价廉，控制简单，还具有拓展性强 的特点，所以选择它为小车的主控芯片，如图 2.2 所示。 图 2.2 STC89C52 单片机实物外 广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于 Wi-Fi 数据传输的智能工程小车 8 第三章 硬件电路设计及配置 9 第三章第三章 硬件电路设计硬件电路设计及配置及配置 基于物联网的多功能智能作业车的硬件电路设计主要由路由器服务端、电机驱 动电路、驱动模块供电模块 LM2596、摄像头模块和舵机云台和机械臂和灯光、蜂 鸣器及电平转换电路等构成。 3.1 硬件电路设计框架 如图 3.1 所示。 硬件电路设计包括 89C52 单片机控制模块、电机驱动电路、电源模块、摄像头、 蜂鸣器电路、灯光电路、数据转换电路等。 3.2 STC89C52 单片机 我们设计上 STC89C52 单片机作为控制核心，就必须得了解该控制器的结构和 工作原理。单片机外观如图 3.2 所示： 图 3.2 STC89C52 单片机外观 基于STC89C52的系统单元 摄像头 路由器单元 控制网页及 相关应用 照明电路 电机驱动单元 蜂鸣器电路 图 3.1 硬件电路设计框架 广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于 Wi-Fi 数据传输的智能工程小车 10 3.2.1 单片机引脚功能说明： 引脚图如图 3.3 所示。电源引脚：VCC：5V 工作电源；GND：接地端。 时钟输入电流 单片机的工作需要一定频率的时钟驱动信号，18、19 管脚的 XTAl1 和 XTAL2 两个端口，接外部晶振，18 管脚是片内振荡器反向放大器输入端，19 管脚是内部振 荡器反相放大器输出端。当上电后，XTAL1 和 XTAL2 外接的晶振结合电容产生自 激振荡，产生一定频率的时钟信号，给单片机的运算器提提稳定的时序。 输入输出（I/O）管脚 52 系列单片机有四组通用型输入输出 I/O 管脚。分别为 P0、P1、P2、P3 四组， 每组八个管脚。其中 P0 口是一个八位漏极开路双向 I/O，内部没有设置上拉电阻， 所以如果想要驱动大电流的设备是需要外加上拉电阻，加强驱动能力。P0 端口可当 作并行地址总线访问外部存储器和外部程序。 3.2.2 最小系统设计 典型的 52 系列单片机内部自带 RAM/ROM，所以，在构造最小系统的时候外部 元件相对来说比较少，实现起来也比较容易。只要接上电源，复位电路核实中电路 即可，如图所 3-4 所示： 图 3.3 89C52 单片机引脚图 第三章 硬件电路设计及配置 11 图 3.4：单片机最小系统设计图 最小系统没有任何外部拓展控制电路，仅仅能让程序在片上系统内运行起来。 其特点有： （1）有四组可供用户使用的 I/O 端口，分别为 P0， P1,P2,P3 端口。 （2）自带一定大小的存储器，对于存储器，无论片外还是片内存储器，他们的 地址都是共享的。一般片内存储器有 4K 大小的空间存储程序，地址为 0x0000- 0x0fff，0x1000-0xffff 为片外存储器地址空间。一般的 51 单片机芯片内部只用 128BRAM，地址从 0x000 到 0x7F，剩下的地址空间为 CPU 的工作寄存器，或者当 作外设寄存器地址使用，而 52 单片机有 256BRAM。 上电复位电路设计 最小系统是单片机设计中的程序运行最小单元，复位是单片机的初始化操作。 程序运行的时候都需要先复位一下，目的是使 CPU 和其他部件的寄存回到一个初始 状态（也就是改变 PC 指针的指向，PC=000H） ，程序重新开始运行。单片机复位电 路时不可或缺的一部分，当程序运行异常的时候，单片机不能自行改变 PC 指针的 指向，需要手动操作才能进行复位。单片机的复位引脚 RST 出现连续两个时钟周期 以上的高电平时，就执行复位操作。复位可以是上电复位，也可以是开关复位。上 电复位如图 3-5 所示： 广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于 Wi-Fi 数据传输的智能工程小车 12 图 3.5 上电复位电路 在该电路中，电容 C 与电阻 R 形成一个微分电路，在上电后保持高电平一段时 间，到达复位的作用。 开关复位就是给单片机断电后重新上电，再给单片机断电后，内存数据全部清 零，当重新上电后程序重新开始运行。 单片机的时钟设计 时钟电路是所有计算机的心脏，掌握着计算机工作的节奏 CPU 也是通过复杂的 时序电路完成各种指令功能。单片机的时钟信号可以用两种方式提供：一个是内部 时钟，利用片内振荡电路产生时钟信号。另一种方式是外部提供。在该设计中采用 内部提供时钟的方式，虽然单片机芯片内部有内部振荡电路，但想要形成时钟还要 外部元件的配合，如晶振及电容。如图 3.6： 在电路中，电容 C1 和电容 C2 构成并联谐振电路,与放大器的反馈电路相接。电 容的大小直接关系到振荡器的振荡频率大小，稳定性和起振速度。该电容也称为谐 振电容，主要是帮助晶振起振作用，常用的晶振有 12MHZ 和 11.0592MHZ 频率晶 振，其他大小的晶振也有。在电容的选择上，一般电容的大小在 20PF 到 100PF 之 间。 图 3.6 89C52 单片机时钟晶振电路图 第三章 硬件电路设计及配置 13 3.3 DB120-WG 无线路由器 3.3.1 刷机固件及刷机步骤 此次方案我们采用基于 Openwrt，并且适应于 DB120-WG 的 CPU-BCRM6358 的固件 wifi-robots-openwrt-DB120-WG，是由 Luci 修改 Openwrt Backfire 发布的 图 3.8 DB120-WG 内部结构图 图 3.7 db120-wg 电信定制路由器 广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于 Wi-Fi 数据传输的智能工程小车 14 7 版本。 1、使用网线链接电脑的 WAN 口和路由器 LAN4 口，电脑端 IP 设置为 6，子网掩码 ，默认网关 ，并确定后保存关闭。 如图 3.9 所示。 2、使用 CH201x 系列的 USB-to-TTL 串口转换模块，杜邦线将串口数据口正连 接，TXTX，RXRX，并相互共地，VCC 端各自悬空；打开命令行控制程序 Putty，选择串口，设置端口号（查看电脑设备管理器 COM） ，波特率为 115200，点 击下面的 Open。如图 3.10。 3、路由器上电，Putty 界面应该出现路由器的信息，上电 3s 内，迅速敲击回车 键阻止 CFE 启动，这时候 Putty 界面应出现 CFE。 4、输入小写 e a（e 空格 a） ，此时提示是否擦写 Flash，输入 y，并回车，路由 图 3.9 电脑端 IPv4 协议设置 图 3.10 PuTTy SSH 通道设置 第三章 硬件电路设计及配置 15 器开始擦除清除原系统固件；基本内容清除之后，Putty 界面持续输出多个命令行， 且不停止，此时直接断掉路由器电源。 5、路由器重新上电，与第四步类似通电 3 秒内按下回车键阻止 CFE 继续启动， 进入 ，LOAD 选择上传固件，选择固件包后点击 Upload，Putty 界面相应 出现升级进度信息，此时保证路由器电源稳定不断，上传完成后耐心等待 5 分钟， 路由器自动重启。 6、路由重新启动后，进入网页 ，输入账户 root 密码 admin，登陆进 入路由器后台，开启无线网络并设置 SSID：Wifi-robot,Security 密码，重新启动后电 脑端连接该 SSID。 7、进入 SSH 设置输入设置密码，端口 22，开启 SSH 通道。 3.3.2 Openwrt 插件及相关设置 1、进入 Openwrt 后台，修改 Lan 网络主机地址：，Wan 口开启 DHCP，DB120-WG 的 LAN4 口连接已挂接上网路由器的 LAN 口，使 Openwrt 可链 接 O 远程服务器。重新启动路由器 2、打开 Putty，输入对应主机路由器 IP：，SSH 通道端口 22，如图 3.11； 图 3.11 Putty SSH 登录配置 3、输入路由器账户及密码，图 3.4.2-4。 广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于 Wi-Fi 数据传输的智能工程小车 16 图 3.12 Putty 登录成功后界面 4、在 Putty 界面输入 Opkg update ,更新 Openwrt 插件列表。 5、分别输入 Opkg install ser2net ，安装网络数据转发透传插件； Opkg install mjpg-streamer ,安装摄像头视频源获取终端； 6、配置 ser2net 透传参数。打开 WinScp 软件，选择文件协议 SCP，输入路由 器主机 IP 以及端口，如图 3.13；进入 etc/ser2net.conf，修改相关参数为如图 3.14 所 示，即开启 2001、2002 端口，转发到 usb0 端口及 ttl 串口，均使用 9600 波特率，8 位数据位，1 位停止位，无校验位。 图 3.13 Putty 登录成功后界面 第三章 硬件电路设计及配置 17 7、进入 etc/inittab ,注释掉三行指令，开启 ser2net 双向通讯，图 3.15 示。 图 3.15 inittab 双向通讯配置 8、进入 etc/rc.local 配置启动参数，如图 3.16，使 ser2net 及 mjpg-streamer 随 机启动。 图 3.16 rc.local 启动参数 图 3.14 ser2net 参数配置 广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于 Wi-Fi 数据传输的智能工程小车 18 3.4 CP2012 系列 usb-to-ttl 串口转换模块 3.4.1 概述 CP2102 是 Silicon Labs 公司研发的一种高度集成的 USB 转 UART 桥接芯片， 具有价格低、开发简单等特点，能够用最简单的外部电路和最少的外部器件简便地 实现 USB 到 UART 的转换。CP2102 包含 USB2O 全速功能控制器、USB 收发器、 振荡器和带有全部调制解调器控制信号的异步串行数据总线（UART） 。该芯片的全 部功能集成在一个 5mm5 mm 的 QFN28 封装的 IC 中。CP2102 内置与计算机通信 的协议，工作时，所提供的免费的实用 COM 口器件驱动器允许基于 CP2102 的产品 将其作为 1 个口使用，也就是通常所说的产生 1 个虚拟的口，而电路无需任何外部 的 USB 器件即可工作，工作特性可以满足 CAN 总线的传输波特率要求。 3.4.2 串口数据转换模块安装及配置 1、将串口转换模块挂载在 DB120-WG 的 USB0 口。 2、进入 Putty 界面，输入 opkg install kmod-usb-serial-cp210x 安装 CP2102 驱动。 图 3.17 CP2012 系列串口转换模块 第三章 硬件电路设计及配置 19 3.5 ZC301 芯片摄像头 3.5.1 摄像头简介 摄像头（CAMERA）又称为电脑相机、电脑眼等，它作为一种视频输入设备， 在过去被广泛的运用于视频会议、远程医疗及实时监控等方面。近年以来，随着互 联网技术的发展，网络速度的不断提高，再加上感光成像器件技术的成熟并大量用 于摄像头的制造上，这使得它的价格降到普通人可以承受的区间。普通的人也可以 彼此通过摄像头在网络进行有影像、有声音的交谈和沟通，另外，人们还可以将其 用于当前各种流行的数码影像、影音处理。 3.5.2 摄像头的分类 摄像头分为数字摄像头和模拟摄像头两大类。模拟摄像头可以将视频采集设备 产生的模拟视频信号转换成数字信号，进而将其储存在计算机里。模拟摄像头捕捉 到的视频信号必须经过特定的视频捕捉卡将模拟信号转换成数字模式，并加以压缩 后才可以转换到计算机上运用。数字摄像头可以直接捕捉影像，然后通过串、并口 或者 USB 接口传到计算机里。现在电脑市场上的摄像头基本以数字摄像头为主，而 数字摄像头中又以使用新型数据传输接口的 USB 数字摄像头为主，目前市场上可见 的大部分都是这种产品。除此之外还有一种与视频采集卡配合使用的产品，但目前 还不是主流。由于个人电脑的迅速普及，模拟摄像头的整体成本较高等原因，USB 接口的传输速度远远高于串口、并口的速度，因此现在市场热点主要是 USB 接口的 数字摄像头。以下主要是指 USB 接口的数字摄像头。 3.5.3 摄像头的工作原理 摄像头的工作原理大致为：景物通过镜头（LENS）生成的光学图像投射到图像 传感器表面上，然后转为电信号，经过 A/D（模数转换）转换后变为数字图像信号， 再送到数字信号处理芯片（DSP）中加工处理，再通过 USB 接口传输到电脑中处理， 通过显示器就可以看到图像了。我们这里是将摄像头连接在路由器的 USB 接口上， 图 3.19 中星微摄像头外观图 3.20 中星微摄像头内部电路 广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于 Wi-Fi 数据传输的智能工程小车 20 通过路由器上的摄像头驱动软件使摄像头工作，并由路由器通过 WIFI 将视频信号 发送出去。电脑等终端接收设备，接收到视频信号后通过控制软件的界面显示图像。 3.5.4 摄像头的主要结构和组件 从摄像头的工作原理就可以列出摄像头的主要结构和组件：1、主控芯片（详情 请参阅下面介绍）2、感光芯片（详情请参阅下面介绍）3、镜头（详情请参阅下面 介绍）4、电源。摄像头内部需要两种工作电压：3.3V 和 2.5V，因此好的摄像头内 部电源也是保证摄像头稳定工作的一个因素。 3.5.5 摄像头安装及配置 1、将摄像头挂载在 DB120-WG 的 USB0 口。 2、进入 Putty 界面，分别输入安装 ZC301 摄像头驱动包及抓拍插件。 opkg install kmod-video-gspca opkg install kmod-video-core opkg install kmod-video-gspca-zc3xx opkg install spcacat opkg install libpthread 3、在 Putty 界面输入 lsusb 检验 USB 挂载的设备，如图 3.6.5-1 所示，USB 摄 像头已挂载。 4、在 Putty 界面输入 dmesg | grep usb 检验摄像头驱动注册，如图 3.6.5-2 所 示，USB 摄像头驱动成功注册并启动。 图 3.21 显示 USBCamera 成功挂载 第三章 硬件电路设计及配置 21 5、由于使用的摄像头芯片基于 ZC301，在电脑上显示会花屏，所以还需要对脚 本进行修改，其操作步骤如下： a、由 Winscp 登陆路由器。 b、编辑脚本/etc/init.d/wificar：# vi /etc/init.d/wificar （在 START=80 后面增加 一行 killall mjpg_streamer，修改后的脚本看下面内容。 ） #!/bin/sh /etc/mon START=80 killall mjpg_streamer start（） mjpg_streamer -b -i “input_uvc.so -r 640x480 -f 15“ -o “output_http.so p 8080 -w /web“ # mjpg_streamer -b -i “input_uvc.so -r 352x288 -f 15 -y“ -o “output_http. so -p 8080 -w /web“ ser2net stop（） killall mjpg_streamer killall ser2net c、重启路由器。 图 3.22 显示摄像头驱动成功注册 广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于 Wi-Fi 数据传输的智能工程小车 22 6、在电脑上输入摄像头控制终端网页 ：8080，这时我们可以看到一 个稳定视频信号通过路由器无线传送到了我们的网页终端。 3.6 电机驱动电路 在工程小车上，电机驱动是最基本的组成部分，它是小车的最要动力来源。作 为一款智能小车，除了表现出智能灵活性以外，小车的性能还取决于他的电源模块 和电机驱动模块。 电机驱动模块的主要功能：驱动小车轮子的转动，驱使小车的行进 电源模块：顾名思义，就是给小车提供电力的重要支持部分 智能小车的驱动系统由控制器，功率变换器以及驱动小车的电动机三个部分组 成。 小车的驱动不但要求驱动系统具有强劲的动力，宽调速范围和稳定可靠性，而 且电机的转矩与转速的特性受受电源功率的影响，所以要求驱动系统具有尽可能宽 的效率区。 直接驱动智能小车的电机一般选用直流电动机，主要是永磁直流马达，伺服机 以及步进电机等三种，在控制上，直流电机作为小车的驱动比较合适，在控制上比 较简单，通过减速箱的作用，在驱动方面表现出了很好的效果，性能出众，同时， 使用直流电源也比较容易实现。 3.6.1L298N 芯片结构 在本设计中采用 L298N 芯片产生直流高电平信号控制小车电机，完成小车前进、 后退、左转以及右转等动作任务。 L298N 电机驱动芯片是 SGS 公司生产的一款芯片，芯片内部包含 4 通道逻辑驱 动电路，是一款二相与四相电机的专用桥式驱动器。芯片内部包含两个 H 桥的高电 压大电流双全桥式驱动电路，可接收标准的 TTL 电平信号，最高可驱动 46V、2A 的电机。芯片实物如图 3.23 所示： 图 3.23 L298N 驱动芯片 第三章 硬件电路设计及配置 23 芯片管脚图如图 3.24 所示： 图 3.24 L298N 引脚图 芯片的内部原理图如图 3.25 所示： 图 3.25 L298N 内部原理 芯片引脚功能表示，如表 3.1。 引脚符号功能 1 15 SENSING A SENSING B 此两端与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号 2 3 OUT 1 OUT 2 此两脚是全桥式驱动器 A 的两个输出端，用来连接负载 4Vs电机驱动电源输入端 5IN 1 输入标准的 TTL 逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器 A 的开关 表 3.2 电机驱动状态表 广东石油化工学院本科毕业(设计)论文：基于 Wi-Fi 数据传输的智能工程小车 24 接口说明： 芯片电压：+5V。 电机电压 VS：最大可接 50V 电压。 输出端口：OUT1、OUT2、OUT3、OUT4。 控制端口： 1、INPUT1，INTPUT2，INPUT3，INPUT4。2、ENABLEA,ENABLEB。 电源端：VCC 接地端：GND 3.6.2L298N 电机驱动电路 电机驱动模块的原理图如图 3.26 所示： 图 3.26 电机驱动原理图 芯片的 OUT1、OUT2 和 OUT3、OUT4 两组输出接口分别接上一个驱动电机； 7IN2 6 11 ENABLE A ENABLE B 使能控制端.输入标准 TTL 逻辑电平信号；低电平时全桥式驱动器禁止 工作。 8GND接地端，芯片本身的散热片与 8 脚相通 9Vss逻辑控制部分的电源输人端口 10 12 IN 3 IN 4 输入标准的 TTL 逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器 B 的开关 13 14 OUT 3 OUT 4 此两脚是全桥式驱动器 B 的两个输出端，用来连接负载 第三章 硬件电路设计及配置 25 IN1、IN2、IN3 和 IN4 四个引脚为芯片驱动信号输入端，接收来自单片机 I/O 口的 电平信号，控制小车驱动电机的正反转；第 6 管脚和 11 管脚为输出使能端，控制两 组电机的停止与转动，在使用时可以直接与电源相接，也可以与单片机的 I/O 口相 接。但是如果直接接电源的话，想要调节小车速度的话只能通过控制 PWM 输入端 口了，相对来