基于單片機系統控制的多功能信息采集車

李榆華 韓 鵬 劉婉婉

（阜陽師范學院計算機與信息工程學院，安徽 阜陽236000）

硬件系統的良好性是決定一個多功能智能車穩定運行的前提條件。在本論文所研究的智能車的控制系統主要由主處理器核心控制模塊、太陽能電源充放電管理模塊、電機驅動及控制轉向模塊、信息采集及發送模塊等模塊組成，智能車能夠穩定可靠運行是在軟件和硬件模塊的協同工作為基礎的。

1 太陽能充放電模塊

多功能信息采集車的電源管理模塊式該車設計的亮點之一，主要采用了當前最清潔的能源---太陽能來為它供電以及給電池的進行充電。太陽能充放電電路的選擇成為本課題的難點之一，因為小車主要控制芯片的電壓至少要在7.2V左右才能進行正常的工作，如果電壓偏低的話，會直接導致采集的信息發生錯誤。為了保證該電路的控制模塊達到小車的主控芯片的正常工作電壓和不影響小車的主要信息采集，我們查閱多種資料和實際進行多次試驗，決定采用如下的電路來實現這一過程。在這一電路中，我們采用了STC12C5412AD單片機，該芯片帶有4路PWM輸出，8路10位A/D，用來采集系統中所需要處理的模擬信號，然后根據項目實現功能進行相應的控制[1]。（PV-—太陽能電池板的負極。PV+—太陽能電池板的正極。Vcc(12)-蓄電池正極。BTA-—蓄電池的負極。FU+—負載正極。FU-—負載負極。其中，PV+,VCC(12v),和FU+連接在一起）。（JCPV接單片機A/D輸入口，ADC1接單片機P1.1，用于單片機控制負載通斷等）電源轉換及控制部分電路如圖1所示。

圖1

2 自動避障模塊

多功能小車作為戶外作業的主要工具之一，遇到各種各樣的障礙物是避免不了的。當在行進過程中遇到障礙物時，首先重要的是檢測到障礙物，同時需要對障礙物是否妨礙行動進行進一步判斷，最后達到避開障礙物的目的。因此，設計出一個既簡單又實用，且能夠快速識別障礙物的避障系統是非常有必要和有現實意義的。在我們智能車研究制作的過程中可以利用線性CCD、超聲波傳感器及紅外對管進行道路信息的采集。根據我們實際對這幾種傳感器進行大量的實驗，我們得出如果利用超聲波模塊的話，存在著一定的弊端。例如,當障礙物的表面不夠大或表面不夠光滑時會發生誤判，有時單片機甚至不能對此對出反應。但是如果我們利用紅外反射式傳感器時，當遇到障礙物時，從紅外傳感器發出的紅外不可見光就被反射回來，接收二極管檢測到，這段時間是極短的，因此小車能很快的做出反應從而達到避開障礙物的效果。電路如圖2所示：

圖2

3 信息采集模塊

我們知道在進行勘探作業時，有些地方的因素并不能確定下來，如：山谷、山洞、溶洞、遭受過嚴重污染的地區等等，一旦工作人員進去后，很有可能因為不確定的因素而導致生命的危險，為此我們應采用一些常用的傳感器來獲得這些不確定的因素，從而保障人的生命安全。如：DHT11數字溫濕度傳感器是我們實驗室常用的，它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。再如TGS4160二氧化碳傳感器，它具有一些很好的特點，例如體積小、壽命長、選擇性和穩定性好，還具有耐高濕低溫的特性，因此被我們廣泛用于自動通風換氣的系統或是長期監測CO2氣體濃度等。但是特性再好的傳感器也會有自身的缺點，比如說TGS4160傳感器的缺點在于預熱時間較長（一般為2小時左右）[3]。我們綜合以上各傳感器的使用特性，將該器件安裝在小車上還是比較適合于小車在戶外進行長期穩定的作業。

4 圖像采集模塊

圖像采集時該車主要的也是重要的功能之一，因此圖像的清晰度、亮度會不會受到外界的干擾就顯得十分重要。圖像采集模塊相當于智能車控制系統的眼睛，通過對不同道路路況的信息采集也決定了MCU控制模塊發出的不同指令。穩定可靠的圖像采集電路是至關重要的一點，本論文研究中采用CMOS圖像傳感器，可通過調節焦距來改變圖像的清晰度采用其輸出的是數字信號，相比模擬信號，在硬件方面要簡單，信號完整兼容，無需其他硬件輔助電路。

5 電機驅動模塊

在考慮了參加飛思卡爾智能車比賽中常用到的電機的驅動電路有BTN7971H橋全橋驅動電路以及N-MOS管電動電路。通過我們實際的測試，發現這兩個驅動電路都可以驅動我們履帶式多功能信息采集車的電機，但是考慮到能耗及外圍電路的簡單，再結合BTN7971本身帶有的優點，如：芯片的集成度高、控制方法簡單、外圍電路簡單等。因此，我們采用了BTN7971驅動（如圖3）來作為小車的動力系統，使得小車能夠穩定的工作。

圖3

6 無線發射模塊

為了能夠使多功能信息采集車適應更為的環境進行作業，我們人工與智能車之間的通信是避免不了的。以往的通訊方式都是靠與單片機之間的接線從而與車進行交流，但隨著功能的逐漸完善，我們發現靠單一的接線越來越不能滿足我們的需求。藍牙技術作為無線通訊的一種重要工具，免去了我們的接線問題，更加方便的為我們提供了一種人際交流平臺，其廣泛的應用無疑對小車的是一種比較不錯的選擇。藍牙技術的應用雖然僅僅適合于短距離的通訊設備，但是我們可以人為的增大其發射功率，進而來增加一定的通訊距離。因此，藍牙技術的出現，無論是為現在哪怕將來多功能小車上的移動設備和外圍設備之間的低功耗、低成本、短距離的無線連接提供了更加有效的途徑。

7 結論

多功能信息采集車采用履帶結構的設計和車輪的放置，能夠較好的適應不同的路況，在車上安裝有多個傳感器，測量溫度、濕度、實時采集周圍的路況并及時的通過藍牙進行無線傳輸到我們的操作平臺。同時我們使用太陽能電池板對小車進行供電，這樣不僅能直接解決小車的能源問題而且還能將多余的電量存貯起來。但在研究這些問題的同時，我們也面臨著諸多困難與挑戰：一是圖像采集易受到光線的均勻性和光照強度的影響，必須采用圖像采集中的處理圖像的方法；二是太陽能供電容易受到天氣環境的影響，如果在陽光充足的環境中能保證小車的電量充足，但是在連續的陰雨天時，要保證小車的連續工作就會有點困難，面對諸多的問題和挑戰，我們沒有選擇放棄。相信在未來的科技領域內，多功能信息采集車的功能也許越來越完善，在勘探、國防等領域內得到廣泛的應用。

［1］郭天祥.51單片機C語言教程:入門、提高、開發、拓展全攻略[M].北京:電子工業出版社,2009,01.

［2］楊黎,余勝.紅外避障系統的設計[J].湖南人文科技學院學報,2013(04).

［3］寧慧英.基于光電傳感器的智能小車自動尋跡控制系統[J].儀表技術與傳感器,2012(01).

［4］隋金雪,楊莉,張巖.“飛思卡爾”杯智能汽車設計與實例教程[M].北京:電子工業出版社,2014,01.