基于安卓手机的遥控超声波避障智能车报告学士学位论文.docx
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基于安卓手机的遥控超声波避障智能车报告学士学位论文
西安邮电大学
毕业设计（论文）
题目：
基于安卓手机的遥控超声波避障智能车
院（系）：
电子工程学院
专业：
电子信息工程
摘要
本设计采用STC89C52RC芯片为控制核心，利用安卓手机无线控制小车进入自动运行，手动运行，切换速度模式。
自动运行模式实现智能小车行进，避障，切换速度功能；手动运行模式实现手动控制智能小车行进，避障功能。
利用电磁继电器实现动态控制电动机换速；利用L298芯片驱动直流电机；利用ULN2003驱动步进电机；利用US-100超声波避障；利用1602液晶显示小车状态；利用成熟的蓝牙耳机接收控制信号。
智能小车整体利用蓝牙耳机接收智能手机控制信号，实现小车远程无线遥控功能，可以远程无线对小车左右转弯，以及前进后退，并利用超声波传感器进行避障，利用1602液晶显示小车行驶状态。
整个系统的电路模块化高，结构简单，可靠性能高。
关键词：
STC89C52RC；1602液晶；避障；US-100；L298；蓝牙耳机；智能小车
ABSTRACT
ThedesignforthecontrolofSTC89C52RCcorechip，theuseofAndroidphonesradiocontrolcarintoautomaticoperation，manualoperation，theswitchingspeedmode.Automaticoperationmodetoachievesmartcarroad，obstacleavoidance，switchingspeedfunction;manualoperationmodeformanualcontrolsmartcarroad，obstacleavoidancecapabilities.Usingelectromagneticrelaysdynamiccontrolmotorforspeed;usingtheL298chip-drivenDCmotor;useULN2003steppermotordrive;usingtheUS-100ultrasonicobstacleavoidance;usingthe1602LCDcarstatus;useofsophisticatedBluetoothheadsetreceivescontrolsignals.OverallsmartcarusesBluetoothheadsettoreceivesmartphonethecontrolsignal，toachieveremotecontrolcarremotewirelessfeature，youcanturnleftorrightofthecarremotewireless，aswellasforwardandback，andtheuseofultrasonicsensorsforobstacleavoidance，use1602LCDshowingthecarcondition.Thecircuitofthesystemmodular，simplestructure，highreliability.
Keywords：
STC89C52RC;1602;avoidance;US-100;L298;Bluetoothheadset;smartcar
引言
本设计主要体现多功能小车的智能避障模式，设计中的理论方案、分析方法及特色与创新点等可以为自动运输机器人、采矿勘探机器人、家用自动清洁机器人等自动半自动机器人的设计与普及有一定的参考意义。
同时小车可以作为玩具的发展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济收益，形成商业价值。
超声波作为智能车避障的一种重要手段，以其避障实现方便，计算简单，易于做到实时控制，测量精度也能达到实用的要求，在未来汽车智能化进程中必将得到广泛应用。
我国作为一个世界大国，在高科技领域也必须占据一席之地，未来汽车的智能化是汽车产业发展必然的，在这种情况下研究超声波在智能车避障上的应用具有深远意义，这将对我国未来智能汽车的研究在世界高科技领域占据领先地位具有重要作用。
本智能小车系统最诱人的前景就是可用于未来的智能汽车上了，当驾驶员因疏忽或打瞌睡时这样的智能汽车的设计就能体现出它的作用。
如果汽车偏离车道或距障碍物小于安全距离时，汽车就会发出警报，提醒驾驶员注意，如果驾驶员没有及时作出反应，汽车就会自动减速或停靠于路边。
随着计算机、微电子、信总处理及智能控制的快速发展，机器人技术也在逐步深入和细化。
随着机器人性能不断地完善，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在城市安全、国防和空间探测领域等有害与危险场合得到很好的应用。
因此，移动机器人技术已经得到世界各国的普遍关注。
移动机器人的研究不仅可以推动科学技术的向前发展，同时其应用必将带来巨大的经济效益和社会效益。
1.绪论
1.1智能小车发展现状与趋势
1.1.1课题背景
智能移动机器人，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。
它集中了传感器技术、信息处理、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。
随着电子技术的不断发展人们发明了各式各样的具有感知，决策，行动和交互能力的机器人，自第一台工业机器人诞生以来，机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等多个领域。
近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式，随着它在人类生活领域中的应用不断扩大，将会给人们的生产生活带来了巨大的影响。
在国外机器人的发展有如下趋势。
一方面机器人在制造业应用的范围越来越广阔，其标准化、模块化、网络化和智能化的程度越来越高，功能也越来越强，并向着技术和装备成套化的方向发展；另一方面，机器人向着非制造业应用以及微小型方向发展，如表演型机器人，服务机型器人，机器人玩具等。
国外研究机构正试图将机器人应用于人类活动的各个领域。
在我国机器人主要应用于工业制造领域，我国工业机器人现在的总装机量约为120000台，其中国产机器人占有量约为1/3，即40000多台。
与世界机器人总装机台数7500万台相比，中国总装机量仅占万分之十六。
对中国这样一个拥有13亿人口的大国来说，仅在机器人数量上就和发达国家有着很明显的差距。
因此大力发展我国的机器人事业刻不容缓。
智能小车可以理解为机器人的一种特例，它是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人。
与普遍意义上的机器人相比智能小车制作成本低廉，电路结构简单，程序调试方便，具有很强的趣味性，为此其深受广大机器人爱好者以及高校学生的喜爱。
全国大学生电子设计竞赛每年都设有智能小车类的题目，由此可见国家对高校机器人研究工作的重视程度。
本题目设计的是具有自动避障功能的智能小车，其设计思想与一些日常生活迫切需要的机器人（如测距机器人，搜索机器人，管道探伤机器人）类似。
由于采用了超声波传感器，它不受光照强弱和能见度的影响，能耗低，灵敏度高，即使在较复杂的环境内也可以工作。
智能小车系统的设计采用了模块化的设计方法，电路结构简单，调试方便，有很大的扩展空间，稍加改动便可应用于实际生产生活中，也可作为高校学生以及广大机器人爱好者学习研究使用。
1.1.2该课题当前国内外的研究现状
机器人技术是一个国家高技术实力的一个重要标准，它涉及到多个学科，机械、电工、自动控制、计算机测量、人工智能、传感技术等等，是众多领域的高科技。
而移动机器人比赛就是机器人技术的一个重要研究方向，目前许多国家己经把移动机器人比赛作为创新教育的战略性手段。
移动机器人比赛是一种高科技对抗活动，各国专家学者通过移动机器人竞赛，不断推进了在竞赛型移动机器人方面的研究，不断改进机器人寻址速度和算法研究，试图让机器人更接近智能化，它集高科技、娱乐和比赛于一体，引起了各国的广泛关注和极大兴趣，从而推动了移动机器人研究的热潮。
1.2课题的任务及意义
本作品主要能实现两个主要功能，一个是能实现android手机移动终端来遥控智能车。
通过安卓客户端可以对小车进行前后左右遥控以及对手动自动模式切换，还可以切换小车速度。
另一个是利用超声波技术实现自动壁障功能和智能实时测距。
障碍物检测是智能机器人、智能车辆对周边环境感知技术研究领域中的重要组成部分，以单片机为核心的结构简单、精度较高、测距较长、可靠性较高的障碍物检测报警系统对智能移动机器人的研究有很重要的社会意义。
2.系统设计方案
2.1系统功能
本作品主要能实现两个主要功能，一个是能实现android手机移动终端来遥控智能车。
通过安卓客户端可以对小车进行前后左右遥控以及对手动自动模式切换，还可以切换小车速度。
另一个是利用超声波技术实现自动壁障功能和智能实时测距。
以下是基本功能：
1.小车整体基于智能手机无线控制，实现自动运行，手动运行，切换速度模式；
2.自动模式和手动模式，小车可以左转右转，前进倒退，避障，车速可时时变化；
3.切换速度模式，小车可实现变速；
4.步进电机控制US-100超声波左转右转90度，以避障；
5.小车上有显示功能，显示小车的控制状态以及与障碍物间的距离；
以下是小车整体功能图，如图2-1-1所示：
图2-1-1小车整体功能图
2.1.1硬件系统功能设计及工作流程
2.1.1.1系统结构
系统结构框图如图2-1-1-1所示：
图2-1-1-1系统结构图
智能小车整体利用蓝牙耳机接收智能手机控制信号，该控制信号经过LM324信号放大器放大后，交由51控制器处理。
实现小车远程无线遥控功能，可以远程无线对小车左右转弯，以及前进后退，并利用超声波传感器进行避障，利用1602液晶显示小车行驶状态。
2.1.1.2电源供电结构
电源供电结构如图2-1-1-2所示：
图2-1-1-2电源供电结构图
电源供电模块采用2节18620电池供电，正常情况下输出7.4v电压，一方面对其降压到5v，供单片机，步进电机，超声波模块，1602液晶，直流电机用电，另一方面将5v电压生压至7v，利用电磁继电器，实现电机变速功能。
2.1.2智能小车控制程序设计及工作流程
2.1.2.1主程序流程图
主程序对系统进行初始化之后，控制器每间隔10ms利用T1进行脉冲计数，在10ms内计数脉冲的个数，以脉冲个数来判定进行相关的工作模式，脉冲个数的不同则会进入相关的工作模式。
如图2-1-2-1所示：
图2-1-2-1主程序流程图
当freqSign为1，则小车进入自动模式，实现自动模式功能；
当freqSig为2，则小车倒退；
当freqSig为3，则小车左转；
当freqSig为4，则小车右转；
当freqSig为5，则小车进入切换速度模式，实现切换速度模式功能；
当freqSig为6，则小车前行；
2.1.2.2超声波模式框图
超声波自动壁障模块我们选用市场上现有的超声波测距模块检测小车与障碍物的距离。
然后用步进电机转动载动超声波，检测左右方向的距离，再通过比较左右距离智能选择转弯方向。
同时，超声波模块所测距离还可以用于自动模式下实现自动变速。
如图2-1-2-2所示：
图2-1-2-2超声波模式框图
在自动模式，小车默认前行，此时小车遇到障碍物，控制器将驱动步进电机控制超声波传感器，得到小车距离障碍物的距离，当距离大于20cm，小车前行，反之小车停止，然后得到小车左方距离L与右方距离R，如果L大于R，则小车左转90度前行，反之右转90度前行，如果L与R均小于20，则小车旋转180度，离开障碍区，从而完成避障。
当小车距离障碍物的距离大于40cm，那么小车进入高速前进模式，反之进入低速前进模式，直至选择其他模式功能，小车状态才会从自动模式切换。
2.1.3安卓软件功能设计及工作流程
主程序对系统进行初始化之后，智能手机通过操控界面，发送给控制器相应的手动，变速，自动模式信号，该信号通过位于小车上的蓝牙耳机端接收，通过LM324放大器将信号放大至51控制器可以处理的范围。
控制界面设计如图2-1-2-2所示。
图2-1-2-2控制界面设计图
选择手动控制模式，则小车状态进入手动切换模式，可以实现前行，后退，左转，右转功能，以驱动直流电机实现。
选择自动模式功能，则小车状态进入自动切换模式，小车默认前行，如果遇到障碍物，控制器将驱动步进电机控制超声波传感器，得到小车距离障碍物的距离，从而避障，如果小车距离障碍物的距离大于40cm。
那么小车进入高速前进模式。
选择变速功能，则小车进入变速模式，小车的速度实现高速到低速或者低速到高速功能。
2.2系统结构及资源分配
2.2.1处理器
本设计使用了STR89c52rc单片机作为处理器，之所以选用该处理器，是因为其拥有很高的性价比，高可靠，而且拥有很小的体积，使得设计工作便于开展。
STR89C52RC内部资源：
最高时钟频率：
0Mhz-80MHz
Flash程序存储器：
8KB
定时器：
3个
中断源：
4个
2.2.2直流调速设计
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片，采用了15脚封装。
该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。
L298N主要参数：
尺寸：
65mmX41mmX28mm
主要芯片：
L298N、光电耦合器
控制信号电压：
4.5V-5.5V
驱动电机电压：
5V-30V
最大输出电流：
2A
瞬间峰值电流：
3A
最大输出功率：
25W
图2-2-2L298N内部原理图
2.2.3步进电机驱动设计
步进电机能够将电脉冲转化为角位移的部件。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。
因此使得用户可以控制脉冲个数来控制转动的角度，控制脉冲频率来控制速度或加速度。
本设计使用BYJ系列永远磁减速28BYJ48型步进电机。
28BYJ48主要参数：
驱动电压：
5V-12V
驱动方式：
四相八拍
减速比：
1/64
步距角：
5.625°/64
直流电阻：
200Ω±7%（25℃）
图2-2-328BYJ48步进电机图
2.2.4超声波避障设计
超声波测距模块使用US-100，US-100测度距离精确，拥有超近盲区，能和国外的SRF05，SRF02等超声波测距模块相媲美。
US-100主要参数：
工作电压：
DC2.4V-5.5V
感应角度：
<15度
探测距离：
2cm-450cm
UART模式下串口配置：
波特率9600，起始位1位，停止位1位，数据位8位，无奇偶校验，无流控制。
图2-2-4US-100超声波测距模块图
2.2.51602液晶显示设计
考虑到实际要求，设计最多需要显示32左右个字符，因此选用能够显示16列2行的字符型液晶1602，此外1602微功耗，体积小，也是符合设计要求的。
1602主要参数：
工作电压：
3.3V-5V
对比度：
可调节
字符尺寸：
2.95×4.35mm
显示方式：
16列2行蓝底白字
图2-2-51602实物图
2.2.6电源控制设计
因为设计过程中发现电机会对单片机和放大电路产生影响，因此单片机和放大电路需要独立供电。
设计使用两节18650电池进行供电，通过升压模块LM2577对放大电路供电及稳压，通过降压模块LM2596对单片机供电及稳压。
2.2.7蓝牙无线控制设计
因为重新设计蓝牙驱动的技术困难比较大，因此选用现有的稳定可靠的蓝牙耳机搭配使用。
蓝牙耳机接收到信号后通过LM324进行放大后供处理器使用。
LM324的主要参数：
放大器数目：
4个
带宽：
1.2MHz
针脚数：
14
工作温度：
0°C-70°C
3dB带宽增益乘积：
1.2MHz
变化斜率：
0.5V/μs
最大输入偏移电压：
7mV
运放特点：
高增益频率补偿运算
图2-2-7LM324引脚图
2.2.8安卓平台设计
安卓程序的开发使用了Eclipse+AndroidSDK搭建开发环境。
Eclipse是一个开源的基于JAVA的可扩展开发平台，其本身只是一个框架和一组服务，通过插件扩展来构件相应的开发环境。
AndroidSDK采用了JAVA语言，所以需要安装JDK5.0以上版本，通过给Eclipse安装ADT插件，使得Eclipse和AndroidSDK连接进行程序开发。
图2-2-8开发平台效果图
3.详细设计
3.1STC89C52RC芯片的选择
小车芯片的选择及其重要，它不仅仅是控制系统的核心，也是系统的核心计算原件。
它不仅要处理速度快，更需要快速反应，需要驱动液晶模块，电机模块，超声模块，所以小车的主控芯片采用STC89C52RC芯片，STC89C52RC芯片具有高可靠，超低价，低功耗，无法解密的优良特性，这样的的芯片才符合小车的应用要求。
STC89C52RC工作频率范围：
0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz。
足以完成小车的运作速度要求。
通过改变电压与外部时针的不同，可以改变芯片的处理速度。
STC89C52RC可以运行两种省电模式可以降低功耗分别是：
空闲模式与掉电模式。
通常STC89C52RC的典型功耗是4mA-7mA，而掉电模式下为<0.1uA，空闲模式下典型功率为2mA。
低功率下的STC89C52RC将会变得更有价值，可以使电源使用时间更长，让小车可以运行更加持久。
如图3-1-1所示是STC89C52RC芯片控制电路：
图3-1-151控制电路
STC89C52RC主要功能：
使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得STC89C52RC为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
STC89C52RC具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，STC89C52RC可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
3.2电机驱动模块
3.2.1直流电机驱动控制
单片机的IO输出电流并不能直接驱动直流电机，所以需要使用L298N电机驱动模块。
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
该芯片采用15脚封装。
主要特点是：
工作电压高，最高工作电压可达24V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；最大功率25W。
内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。
使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。
如图3-2-1所示：
图3-2-1直流电机驱动电路
VSS与VS分别接入+5V与+12V电压，给芯片供电并给电机供电，Port1——Port4为单片机控制端，单片机通过对控制端发送0/1指令来控制L298完成电机的正反转控制，ENA，ENB为PWM输入端，通过使用PWM进行对电机的调速控制。
OUT1——OUT4为芯片的电机控制端口。
表3-2-2是L298N驱动直流电机控制方式。
电机
旋转方式
控制端IN1
控制端IN2
控制端IN3
控制端IN4
输入PWM信号改变脉宽可调速
调速端A
调速端B
M1
正转
高
低
/
/
高
/
反转
低
高
/
/
高
/
停止
低
低
/
/
高
/
M2
正转
/
/
高
低
/
高
反转
/
/
低
高
/
高
停止
低
低
/
/
/
高
表3-2-2控制方式
3.2.2步进电机驱动控制
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。
通俗一点讲：
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。
可以通过控制脉冲个来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机的主要特性：
1、步进电机必须加驱动才可以运转，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步角）转动。
转动的速度和脉冲的频率成正比。
2、28BYJ485V驱动的4相5线的步进电机，而且是减速步进电机，减速比为1：
64，步进角为5.625/64度。
如果需要转动1圈，那么需要360/5.625*64=4096个脉冲信号。
3、步进电机具有瞬间启动和急速停止的优越特性。
4、改变脉冲的顺序，可以方便的改变转动的方向。
在小车的设计中，单片机不能够直接驱动步进电机，所以增加了ULN2003驱动电路来驱动步进电机，驱动电路如图3-2-2所示：
图3-2-2ULN2003驱动电路
在单片机的控制中通过建立数组调用端口值对与连接的ULN2003P0——P3口进行赋值。
并通过赋值来控制步进电机的正反转。
如表3-2-2-1和表3-2-2-2所示：
表3-2-2-1步进电机正向旋转表
表3-2-2-2步进电机反向旋转表
3.3超声波避障模块
US-100超声波测距模块可实现2cm~4.5m的非接触测距功能，拥有2.4~5.5V的宽电压输入范围，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPIO，串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠。
模块实物图如图3-3-1所示：
图3-3-1US-100实物图
本模块共有两个接口，即模式选择跳线和5Pin接口。
模式选择跳线接口。
模式选择跳线的间距为2.54mm，当插上跳线帽时为UART（串口）模式，拔掉时为电平触发模式。
小车控制采用UART模式控制。
5Pin接口为2.54mm间距的弯排针，如图3-3-2所示：
图3-3-2Pin接口
从左到右依次编号1，2，3，4，5。
它们的定义如下：
1号Pin：
接VCC电源（供电范围2.4V~5.5V）。
2号Pin：
当为UART模式时，接外部电路UART的TX端；当为电平触发模式时，接外部电路的Trig端。
3号Pin：
当为UART模式时，接外部电路UART的RX端；当为电平触发模式时，接外部电路
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