【《基于物联网技术和Android平台的智能遥控小车控制系统设计》8100字（论文）】

基于物联网技术和Android平台的智能遥控小车控制系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u12219基于物联网技术的智能遥控小车控制系统设计 131172引言 215549第1章绪论 2254131.1本设计研究背景 2269521.2国内外研究现状 3211451.2.1国外研究现状 3112701.2.2国内研究现状 423871.3研究的现实意义 4306241.4本章小结 44429第2章Android系统平台概述 5289232.1Android平台 5318762.2Android传感器 520792.3Android蓝牙技术 643112.4本章小结 64484第三章智能小车设计 799003.1智能小车总体设计框图 7109083.1.1微处理器 7194073.1.2电源模块 8260673.2直流电机驱动模块 9151803.3寻光循迹模块设计 1052563.3.1寻光电路模块 10284973.3.1循迹模块 1143973.3.2超声波避障模块设计 1391863.4蓝牙模块设计 1456503.4.1蓝牙串口通讯模块 14181833.4.2蓝牙认证过程 15190213.5本章小结 1614331第四章智能小车软件设计 1768194.1开发平台简介 17309784.2下载程序软件 18283094.3底层硬件驱动函数 20124744.3.1直流电机驱动函数 20171194.3.3字符串发送函数 22325464.4超声波测距驱动函数 23156014.5应用程序 2429914.5.1主程序初始化函数 24100214.5.2红外循迹程序 2674584.5.3手机蓝牙遥控程序 279654.6本章小结 2720734第五章系统测试 2854045.1硬件设计的测试 28306765.2手机蓝牙调试 28274275.3整体测试 2912135.4本章小结 29引言本设计获得“第十一届山东省大学生科技节—第五届山东省大学生单片机应用创新设计大赛”三等奖，符合学校毕业设计替代规则。本人毕业设计为参加此次大赛的作品。在目前电子信息领域。物联网是一个以互联网，无线网等的信息原生体，他把所有独立的单个的实物形成与互联网联网。因此，物联网被称为了继电脑，互联网发展的又一次革命性发展。物联网的出现并不是一种对当前互联网技术颠覆性的技术革命，而是对现现今已有的技术的一种整合而形成的综合性技术。而蓝牙，WiFi作为互联网与实物联系的两大主要方式。蓝牙由于低功耗，设备成本低，传输数据快较于WiFi安全而更广为接纳REF_Ref18012\r\h[1]。蓝牙技术，WiFi技术，ZigBee技术都是占据现在市场最多份额的无线通信方式,蓝牙是一种可以用于短距离范围内的数据传输，通过中间协议，可以实现蓝牙在不同设备端口的传输，蓝牙相对于WiFi，具有功耗低，传输数据速度快等优点。最主要的是蓝牙在传输数据时，它可以在后台自行运行并保持信息通信的流畅，不再需要人为的建立通信过程。智能遥控小车在人们生产生活中有着广泛的应用:警用遥控车可用于日常的警务巡逻军用智能遥控车可帮助侦察兵搜集情报;科学考察遥控车可用于帮助科学家探测人类无法涉足的地方。智能遥控小车同样可应用在保洁、物流、危险环境以及一些娱乐场景中。但是在传输的过程还存在一定的安全因素。如蓝牙的认证是基于设备的而不是基于用户，当设备丢失时，仍然可以进行通信，这将对用户产生一定的损失。又如PIN码的长度问题，短的容易受到攻击，长的不便于记忆；还有蓝牙配对的密匙安全问题。在小车的使用过程中，必定会产生和储存一些重要信息和数据，甚至是用户的个人信丢失时息。第1章绪论1.1本设计研究背景在目前电子信息领域，电子信息技术领域，主要有两个主要领域：其一是远程云端网络计算领域，其中另外一个就是物联网的领域。像苹果公司，谷歌公司开发的软件，APP等，以及由云计算延伸出来的大数据研究等就是物联网领域的代表。物联网的出现并不是一种对当前技术产生颠覆性的技术革命，而是对现今时代已有技术的一种整合。物联网的完整概念及定义最早在美国的麻省理工学院提出，其主要是创建了物理式实体的码和互联网的基础上。在物联网领域中，WiFi，蓝牙技术，ZigBee技术等是物联网中实现物与物相连的重要技术，在物联网领域中，开放性的操作系统Android，开始逐渐进入嵌入式系统的领域中去，并且由于开源和免费的特点，占据了原来嵌入式系统Linux的老大哥席位，逐渐占据主流市场，并在不断扩大它的影响力。在安卓系统渗透到物联网领域的过程中，遇到了一个必须要解决的问题，那就是要解决装载了蓝牙模块，芯片设备的功耗问题。随着蓝牙技术的飞快发展，现在的蓝牙技术不仅仅需要解决了蓝牙的功耗问题，还需要解决蓝牙技术远距离连接的问题，这也是物联网的主流技术WiFi，ZigBee这些技术所需要解决的问题。蓝牙设备的低成本，功耗低引起人们的注意，并加强对构建物联网蓝牙技术的研发。蓝牙特别兴趣小组SIG于2020年在伦敦制定了最新新一代无线通信蓝牙5.2协议标准。它可以为Android的智能设备降功耗，降低成本，提高用户体验等优点。2016年6月在发布的新一代的蓝牙5.0标准，这是最新一代的蓝牙标准，它与过去的经典蓝牙有着真正的跨域式分代区别。物联网与和联网之间最大的区别就是因为物联网采用了传感器，是的物体能够感知外部的温度，光线，重力等外部环境，这也使得这两项技术开始往两个不同的方向发展。1.2国内外研究现状蓝牙技术再当今时代飞速发展，也是当今物联网时代比较重要的技术，也是无线通信方式的一种，在其发展过程中，为人们带来了生活方方面面的便利，同时其他的无线通信技术也再快速发展。而蓝牙技术是当代无线通信技术发展的重点。1.2.1国外研究现状爱立信公司在1994年首次提出了蓝牙技术协议，在发展之初，蓝牙的发展速度尽管不如人意，遭到了一部分人的质疑，但是蓝牙仍然以令人惊叹的速度在发展，蓝牙兴趣小组最初由当时无线通信界的几家大公司共同商讨成立的，到目前为止，已经有2000多家公司加入了这个制定蓝牙技术标准的组织,这个组织发布的蓝牙协议标准得到了工业界广泛的支持，这是一种罕见的现象。并成为了公开的，全球统一的技术规范。现在的蓝牙标准已经发展到了蓝牙5.2的阶段，尽管目前还处于研发与试推行阶段，其目前商品主要还是集中在低功耗音频蓝牙这部分，虽然还不能完全取代传统的蓝牙，但也能够抢占其大部分市场。1.2.2国内研究现状由于国内发展起步晚，到目前还没有几家企业加入到SIG。近些年来，我国比较重视无线通信技术，因此对于当今物联网时代与物品相连接无线通信技术技术给予了高度重视，并对其未来发展的光明前途给予了高度肯定，还组织国内企业与蓝牙特别兴趣小组进行了认真讨论，并对双方今后的进一步联系，促进蓝牙技术在中国国内的推广与发展达成了共识REF_Ref18012\r\h[1]。1.3研究的现实意义蓝牙技术已经遍布我们生活的各个地方，如我们使用的蓝牙耳机，车载蓝牙和手机中的蓝牙，这都说明了蓝牙已经渗透到我们的日常生活中了。因此，为了让我们的生活更加便利，对于蓝牙技术的普及与推广，我们对于蓝牙技术的研究很有必要。且我们目前处于信息革命的时代，无线通信方式也是信息时代研究的重点，因此目前对蓝牙技术的研究更加重视是必要的。1.4本章小结本章主要讨论了蓝牙的发展趋势以及各项技术国内外的发展现状，并针对蓝牙技术新一代的协议标准展开了简要论述，对其未来的发展的研究意义做了简单的介绍。提出了本设计的主要研究内容。第2章Android系统平台概述2.1Android平台总所周知的是Android系统的源代码是开放的，因而被众多的工程师们的广泛接纳，也是工程师们开发的首要选择，这也是Android系统比IOS系统更加容易被人们所接受的原因。受益于其系统的开源性，其系统的框架得到世界许多工程师的补充发展完善，层次分明，分工明确，使得其极少出现问题。Android系统框架如图2.1所示。 图2.1Android系统框架2.2Android传感器自最初代手机推出以来，经过数十年的发展，由原来的只能用于打电话到现在几乎具有了电脑所具有的所有功能，这得益与集成电路的高速发展。将数以以计的晶体二极管集成到一个几纳米的芯片之中。这也是现在的智能手机拥用如此多功能的原因之一，还有一个原因就是现在的手机还装载了许许多多的传感器。有了传感器的帮助，手机就可以感知外部环境了，就像是使其有了人的感官一般，甚至更加敏感。如温度传感器，重力传感器，光线传感器等。2.3Android蓝牙技术图2.3Android系统蓝牙协议栈蓝牙技术，是一种个人的无线区域网。最初是被爱立信研发出来，并由SIG制定了标准。蓝牙，WiFi等无线通信技术的出现改变了以前靠着USB数据线来传输文件的困扰，现在的人们传输文件根本不在需要数据线了，现在甚至都不在需要充电线就可以远程无线充电。所以对于无线技术的发展研究是非常必要的。Android系统的蓝牙是一个蓝牙协议栈，它集成了许许多多的蓝牙协议，只有被需要事才会被调用出来，Android的蓝牙协议栈如如图2.3所示。2.4本章小结本章介绍了安桌蓝牙技术，安卓传感器的种类以及框架，以及对安卓平台的蓝牙协议栈进行了简要介绍。第三章智能小车设计3.1智能小车总体设计框图智能小车的模块主要有电机驱动模块，循迹模块，避障模块，蓝牙模块。总体设计的框图如图3.1所示。图3.1系统整体框架图3.1.1微处理器本设计采用了STC公司生产的C51系列的核心处理器芯片。它是由STC公司生产的一种低能量消耗、抗干扰能力强的微控制器[11]。它有8Kbit的系统可编程存储器，结构简单，便于输出，因为写入存储器里的程序可以使用电擦除，使得工程师们开发与实验都比较容易，很快就被中国的电子工程师们所欢迎本设计采用了STC公司生产的C51系列的核心处理器芯片。它是由STC公司生产的一种低能量消耗、抗干扰能力强的微控制器[11]。它有8Kbit的系统可编程存储器，结构简单，便于输出，因为写入存储器里的程序可以使用电擦除，使得工程师们开发与实验都比较容易，很快就被中国的电子工程师们所欢迎STC89C52RC是市场上常见的单片机芯片，也是目前大学生，工程师们所热爱的芯片。因为价格便宜，简单易学，也是为嵌入式系统的开发提供了另外的选择，因其写入存储器里的程序可以使用电擦除使得其编程变得简单，易于程序调试，使得工程师们开发与实验都比较容易，很快就被中电子工程师们所欢迎。本设计的STC89C52RC的电路引脚图如图3.2所示，共40个引脚，32个输入输出接口。图3.2STC89C52RC开发板引脚图3.1.2电源模块图3.3电源电池本设计使用两节3.7V的可充电的锂电池作为智能小车的电源来源，可充电电池可以重复使用，避免了一次性电池使用的浪费，且一次性电池会对环境造成污染，且在编程调试过程中，两节一次性电池不够用，需要多买几节，造成金钱的浪费。小车的各个模块除了个别模块所需要的电压高于5V，大部分的模块仅需要5V的恒压电源，所以本设计采用LM393降压将其降压到5V。而电机驱动需要的电流较大，。电源电池如图3.3所示。3.2直流电机驱动模块本设计采用专用于驱动的模块L298N，可以直接使用微处理器的I/O接口的开发初始化对其直接传送指令驱动电机工作。其开发板电路原理图如3.4所示。图3.4L298N开发板原理图本设计采用的L298N模块其实物图如图3.5所示。本世纪为四驱智能小车，采用四驱好处就是小车动力足，跑得快。本设计的智能小车一共选用四个直流电机，分别是智能小车的左前轮，右前轮，左后轮，右后轮各一个。图3.5直流电机实物图其内部结构的硬件电路原理图如图3.6所示。其四个三极管放大器结构就如同英文字母H，中间有一个类似于桥一样的电线，因此称为H桥电路。图3.6L298N电机内部电路图驱动电机的控制只需要三个信号即可完成，如图3.5所示是电机的内部H桥电路硬件图。本设计选用的电机芯片的工作逻辑功能表如表3.1所示。只有当使能端为1时，电机才能转动。表3.1电机逻辑功能表ENADIR-LDIR-R直流电机状态0XX停止100制动101正转110反转111制动3.3寻光循迹模块设计3.3.1寻光电路模块图3.7寻光电路原理图为了使小车能够寻光行走，需要使用电压比较芯片，本设计选用了LM393电压比较器来实现智能小车寻光，光线照射到光敏电阻上时，因为光敏电阻工作的特性，电阻值就会增大，电压也会随着电阻的增大而增大，驱动芯片以此来实现左转LED灯还右转LED灯亮，并实现左转还是右转。其电路图如图3.7所示。3.3.1循迹模块本设计中使用的寻迹模块是三个红外传感器模块来寻黑线，其中左右两个，用于检测小车下方的黑线，以此来判断小车左转，右转或者是直行。其左右寻迹模块电路原理图如图3.8所示。 图3.8左右循迹模块为了提高检测的精确度，使小车能够更完美的沿黑线寻迹，本设计还在左右两个红外模块的中间还加了一个，这有利于提高检测黑线的正确度。红外模块寻黑线通常用于测距，但是用于寻迹也是可以的。中间寻迹模块的电路图与左右模块电路图原理一样，只是其接口不一样。原理图如图3.9所示。图3.9中间循迹模块本设计选用的寻迹传感器为四个引脚的TCRT5000红外反射光电开关，该模块精度高，价格便宜，性价比高。其实物图如图3.10所示。图3.10红外寻迹实物图3.3.2超声波避障模块设计图3.11超声波避障模块本设计中采用超声波避障和红外避障传感器共同完成避障。将超声波发生器安装于小车头部，可以测0.1~1m范围内是否存在障碍，超声波发射音波，音波被物体所反弹，回收传感器在接收到声波后就会对其进行判断，然后产生一个电平信号，并将其转化为高、低电平信号反馈给中央处理器处理，若产生的电平信号为高电平则说明遇到了障碍，然后中央处理器就会发送指令使其避开避障REF_Ref19416\r\h[10]。声音在空气中的传播速度为340m/s，此中存在一定的误差，但是误差很小，并不影响我们的小车的计时。我们此时设声音发送到接收到声音的时间是t，再设声音的总路程为s，由此我们就可以利用公式计算出路程s=340t/2REF_Ref19612\r\h[12]。超声波发射器电路原理图如图3.11所示。图3.12超声波模块实物本设计采用了HC-SR04声波模块，该价格便宜，测距距离精度高，测试几乎没有死角，可以提供2-400cm的距离测试，测距精度可高达毫米级。其实物如图3.12所示。3.4蓝牙模块设计图3.13蓝牙模块接口原理图目前，在国内也由许多厂家生产研发蓝牙模块，而蓝牙模块结构简单，生产成本低。在市场是很常见，但目前市场上所设计生产的蓝牙模块产品的终端与终端通信距离都还无法突破百米这个门槛。这也是目前蓝牙目前需要解决的首要问题，当然也是WiFi等无线技术共同面临的问题。从当前的发展现状来看，不论是蓝牙还是与之形成竞争的WiFi技术都还无法使通信的距离超过100米，目前市场上大多数蓝牙的通信距离都在10~60米范围之内。且易被干扰，或者通过金属性物体时会使信号减弱，从而使通信距离减短REF_Ref19779\r\h[13]。蓝牙模块的内部还集成了三大模块，这三个模块各司其职，确保使蓝牙模块的工作正确运行。所有需要立即处理的事件都由该模块来实现。其开发板串口接口原理图如图3.13所示。3.4.1蓝牙串口通讯模块本设计采用BT-06为芯片核心的“蓝牙”串口通讯模块，它遵循V3.0协议蓝牙标准，并支持串口通讯。它具有模块体积小，功耗低，成本低，穿速度快，接收与发送灵敏度高等优点。在短距离无线数据传输领域应用比较广本设计所选用的蓝牙模块如图3.14所示。图3.14蓝牙模块实物3.4.2蓝牙认证过程首先打开手机端的蓝牙，点击蓝牙界面，选择自己的蓝牙模块，然后发送蓝牙配对的请求，蓝牙模块与手机端蓝牙进行密匙确认，若密匙错误，则认证失败，若密匙正确，则认证成功，认证成功后，手机与蓝牙就可以进行通信了。当蓝牙模块接上电源时，蓝牙模块上的电源指示灯开始闪烁说明接线准确，当蓝牙模块与手机连接成功后，蓝牙模块上指示灯由原来的闪烁变为常亮。手机端蓝牙与蓝牙模块认证过程如图3.15所示。图3.15手机端与小车端蓝牙模块认证过程3.5本章小结本章主要详细介绍了本设计所选择的各个模块，实物模块的选择，并且绘制了各个模块的开发板的电路原理图，以及蓝牙模块与手机端的通信与认证的原理进行了简要的分析。第四章智能小车软件设计4.1开发平台简介本设计采用的开发平台Keiluvision其用户界面如图所示，Keil这个软件功能多，与嵌入式系统开发配套使用，因为Keil可以生成HEX文件。HEX文件可以直接烧录到芯片中去。目前主流的编程语言是机器无法识别的语言，我们需要将其变成机器可以识别的易语言，这就是使用Keil编译产生HEX文件的原因了。并且Keil支持各种JTAG接口和UART接口的通用仿真器。操作界面如图4.1所示。我们也可以在其他软件是编译调试好程序，然后将其拿到该平台进行编译，也可以生成HEX文件。图4.1Keiluvision开发平台界面4.2下载程序软件STC89C52RC芯片还支持在STC-ISP下载烧录的功能，且操作简便，简单易学。直接通过USB将电脑的串口与小车的下载端口连接，在电脑选择正确的端，就可以将HEX格式的文件烧录烧录到小车的芯片上了。厂家提供USB转UART的下载模块，将模块的GND与主控板的GND对接，电脑与小车使用USB数据线下载图如图4.2所示，就可以烧写程序了。图4.2程序下载与主板连接图4.3STC-ISP程序软件下载界面芯片烧录程序的烧录助手STC-ISP烧录界面如4.3所示，首先在Keil中编译好程序，配置好串口号及波特率，选择使用的单片机型号，选择已经编译完成HEX文件，点击Download下载按钮，然后打开主控板电源，目标文件就开始自动烧写。4.3底层硬件驱动函数本设计的硬件层次驱动函数都是一些常见的驱动函数，只需要将每一个硬件的驱动函数都编程写好，在需要使用的时候调用驱动程序就可以了。这样不仅是程序简洁，而且不易出错，加强了使用的寿命。4.3.1直流电机驱动函数本设计使用定时中断其来产生PWM信号，这也是现在较为普遍的一种方法，这比使用额外的模块参数PWM信号更加减少了小车的负担。如图4.4是使用定时器产生PWM信号。每20次的中断次数为一个周期，以每1毫秒为一个中断周期，一个大的周期中断的计时次数加1，一个中断周期中断一次。图4.4定时器中断工作时序图图4.5驱动直流电机定时器中断流程图4.3.2串口驱动函数蓝牙模块的通讯是使用UART串口，需要使用串口通信时，需要中央处理器与蓝牙模块处于连接状态，蓝牙模块与中央处理器连接进行串口通讯的连接图如图4.6所示。图4.6蓝牙模块与中央处理器连接简洁图4.3.3字符串发送函数串口UART的发送程序采用了中断方式进行编程，程序设计的流程图如图4.7所示。为实现不同字符串发送的功能，主程序中将要发送的字符串作为参数传递给发送函数，因为UART发送一个字节需要的时间是毫秒数量级，每发送一个字节后要检测硬件的。图4.7字符串发送函数流程图4.4超声波测距驱动函数本设计所选用的超声波模块型号为HC-SR04。如图4.7所示是该模块工作时的测距时序图。由超声波模块发射声音，接收器接收到反射波波形变为1，波形的宽度相当于声音从发送到接收到的时间。超声测距驱动函数的功能就是调用测距函数,然后根据时间与声音速度来计算出小车与障碍物的距离。超声波发程序设计流程图如图4.7所示。图4.7超声波程序设计流程图4.5应用程序在底层硬件驱动的程序编写完成后就可以根据自己的需要来编写程序了。编写的应用程序可以是单一的功能也可以是综合的功能。4.5.1主程序初始化函数单片机的主程序函数开始时必须要对内部的硬件及外部设备进行初始化，如果有用不到的内部硬件及外部设备从理论上是不必初始化的。但是，这时若有需要用到的内部硬件及外部设备没有得到初始化时，一旦这些设备或硬件故障时很难查清楚故障所在。