基于Android系統控制的多功能小車系統設計

黃 鶯

(柳州鐵道職業技術學院 電子技術學院，廣西 柳州 545616)

微電機技術、網絡技術、計算機技術和嵌入式技術不斷地高速發展，使得生產和管理進入了自動化、智能化和網絡化時代。為了解決生產和管理中操作控制復雜的問題，適應社會新管理和控制要求，提高勞動者工作效率，嵌入式多功能小車無疑是一種高效率的工具。多功能小車由于行動模式比較簡單，被廣泛應用于生產、生活和救援中。目前，小車系統實現的功能大多數只有自動循跡、自動避障、測距等功能，功能較單一、集成度不高;部分小車可實現紅外、無線和藍牙控制，但缺乏遠程數據傳輸、存儲和控制;在小車行走路徑引導中采用CCD攝像頭傳感器獲取道路信息，圖像信息豐富，但由于使用單片機處理，導致數據處理能力不強，圖像分析速度慢、分析結果精度較低;尤其是在無人能達的惡劣環境下工作時，遠程的控制幾乎不可能實現［1－2］。由于智能手機的便攜性和普及性，使得手機在各個領域中得到廣泛應用。基于此原因，本文以小車為控制裝置，采用STC公司的IAP15F2K61S2單片機為處理器核心，借助智能手機處理速度快、存儲容量大的特點，該小車依托Android平臺，結合各種傳感器和云臺攝像頭，搭配WiFi無線網絡傳輸模塊，設計了嵌入式多功能小車，具有自動循跡、自動避障、手機控制、碼盤測速、無線圖像傳輸和處理等功能，使小車功能更豐富，在惡劣環境下也能實現數據信息的采集。

1 多功能小車的結構

多功能小車車體采用四輪結構，在四個步進電機驅動下采用差動方式轉向，利用左右電機的速度差控制小車的前進、后退、左轉、右轉;使用光電傳感器電路板實現小車循跡;核心板與WiFi轉串口模塊連接，實現小車與上位機的數據通信和云臺攝像頭的圖像傳輸;小車的前面安裝有功能板，功能板上安裝有光強傳感器、超聲波傳感器，實現光強測量、距離測量和障礙物的檢測。上位機控制軟件采用Android平臺，在谷歌第二代NEXUS 7平板安裝監控軟件，用于給小車發送工作命令，接收小車發送回來的圖像、數據，進行處理和存儲，并顯示所有的數據信息。具體結構如圖1所示。

圖1 多功能小車結構框圖

2 多功能小車的電路設計

2.1 嵌入式單片機模塊

嵌入式單片機采用STC公司生產的IAP15F2K61S2型號。該單片機是增強型8051處理器，運行速度快，內置61 kB FLASH程序存儲器和2048 B的SRAM、EEPROM，兼容MSC－51單片機系列，支持ISP/IAP功能，內部時鐘頻率5～35 MHz，內置8通道10位高速ADC和3通道捕獲/比較單元，各種接口齊全，方便擴展。

2.2 循跡傳感器模塊

循跡采用的是檢測黑線的方法，本模塊采用的是8個紅外傳感器來檢測黑線。當紅外傳感器檢測到黑線時，紅外光被吸收，安裝在小車上的紅外接收管接收不到信號，紅外傳感器電路板上的LED燈滅，當檢測不到黑線時，紅外管接收到反射回來的紅外光，輸出低電平，紅外傳感器電路板上的LED燈亮;通過檢測IO口的信號，根據IO口的信號來判定小車是否處于黑色線上或小車是否偏離黑線，并以此信號對小車進行調整。具體電路如圖2所示。

圖2 循跡傳感器電路圖

傳感器的安裝:本模塊采用的是8個相同光電傳感器，第4、5個傳感器處于黑線上，黑線兩邊各安裝3個。在調整靈敏度時，黑線兩邊的紅外傳感器的靈敏度要稍高，第4、5個傳感器的靈敏度要稍低，這樣有利于循跡過程中當小車偏離黑線時能進行更好的調整。

2.3 電機驅動模塊

多功能小車采用四個步進電機作為小車驅動電路，電機采用的是H型橋路驅動電路，采用UL2003、L298芯片驅動步進電機工作;采用PWM技術實現對小車的調速，利用左右電機的速度差實現轉向。電路實現簡單，控制方便，調速范圍大。由于電機驅動模塊的驅動芯片需要較大電流，因此，電機驅動模塊與單片機連接的引腳需設置成推挽輸出，PCA模塊0－2全部設置為8位PWM模式。

2.4 碼盤測速測距和超聲波模塊

圖3中的T1是超聲波的發射探頭，由TRIG控制是否發送指令，T2是超聲波的接收探頭，接收到的脈沖數據送入單片機的外部中斷入口進行計數，同時設置內部定時器/計數器T0處于定時模式，用于計算從發射數據到接收數據的時間差，再根據公式2S=VT求得距離S=VT/2=172T，其中V是聲波速度，取344 m/s，T 為時間差［3］。

圖3 碼盤測速測距電路原理圖

多功能小車采用的是光電碼盤式轉速傳感器，通過測量脈沖的方式求得距離和速度。具體的電路如圖3所示。使用外部的中斷0對光電碼盤的脈沖個數進行計數，計數變量為MP，然后通過MP的個數計算出小車行進的距離，進而可以求得速度。經測知，小車的車輪直徑為6.5 cm，車輪走一圈的周長為20.41 cm，使用示波器測得小車走一圈，MP數為152個，因此小車每行走1 cm，MP數量約為7。程序中可以根據MP個數來計算小車所走過的距離，把距離除以時間就可計算速度。

2.5 光強傳感器模塊

光強傳感器模塊采用的是光強傳感器BH1750FVI，具有良好的光譜靈敏度、16 bit串行數據輸出。光強傳感器BH1750FVI是數字照度傳感器，其與單片機的連接只需3個I/O口，使用I2C通訊協議實現與單片機的數據通訊［4］。具體連接電路如圖4所示。

2.6 WiFi模塊

WiFi模塊設置成服務器模式，協議通信設置為TCP，端口統一設置為60000，IP地址可以根據需要設定。WiFi模塊通過串口方式與單片機連接，WiFi模塊的WiFi_RX接到單片機的TXD，WiFi_TX接到單片機的RXD。云臺攝像頭配置和小車上的WiFi模塊一一對應，開啟攝像頭和小車WiFi，攝像頭自動連接WiFi。WiFi模塊具體電路連接如圖5所示。

3 系統的軟件設計

3.1 下位機程序設計

多功能小車底層驅動程序主要由小車循跡程序、超聲波測距、光強檢測、碼盤測距程序等組成。

主程序的工作流程具體是:系統通電后，單片機進行初始化，云臺攝像頭進行自檢，與WiFi模塊進行網絡連接，連接成功后就進入等待接收上位機發送過來的字符，再根據指令作出相應的操作，處理結束后，就把相應的數據信息通過串口轉WiFi模塊發送到上位機進行處理和存儲，以備查用，如圖6所示。

圖4 光強傳感器電路圖

圖5 WiFi模塊電路圖

字符代表小車功能操作具體如表1所示。

圖6 下位機工作流程圖

表1 上位機與單片機通信字符控制表

3.1.1 循跡程序設計

循跡主要是依據循跡傳感器模塊采集的IO信息來確定的。在小車運行過程，單片機對小車各種狀態進行分析，不同狀態下給予不同程序的調整。小車在行走的過程中，經分析共有10種狀態，具體的狀態如表2所示。

表2 小車循跡控制表

根據上述10種狀態，利用左右電機的速度差實現小車動作。具體循跡流程如圖7所示。

3.1.2 超聲波測距程序

程序中使用外部中斷2和定時器/計數器T0配合共同完成超聲波測距功能。當小車接收到平板電腦發送的測距指令時，單片機P35置成高電平，同時啟動定時器/計數器T0，超聲波發射出去，超聲波在傳播過程中碰到障礙物就立即返回來，當接收頭接收到數據，即外部中斷2發生中斷，關閉定時器T0和關閉外部中斷，接著進行中斷處理，計算定時器T0的數值參數為wavaVal，然后調用距離計算函數并進行處理，向上位機傳送數據，定時器時間差wavaVal=TH0*256+TL0，距離計算流程圖如圖8所示。

圖7 小車循跡流程圖

圖8 超聲波測距流程圖

3.1.3 光強檢測程序

光強檢測采用的是BH1750芯片，與單片機的3個IO口連接就可以正常工作(SCL、SDA和ADDR分別接單片機的P14、P15和P42)。BH1750與單片機的通信使用是標準的I2C通訊協議，單片機通過I2C接口向BH1750發送各種控制命令并讀取測量數據，然后對數據進行轉換處理，向上位機傳送數據。

3.1.4 碼盤測距程序

使用外部的中斷0對光電碼盤的脈沖個數進行計數MP，然后通過MP的個數計算出小車行進的距離，進而可以求得速度。外部中斷0的具體實現如下:void exint0()interrupt 0{MP++;}。然后再根據MP的數值計算小車前進距離，比如要使小車前進30 cm就停止，根據前文公式可以求得MP為223。實現碼盤測距偽代碼如下:

Begin

等待中斷，并對MP進行計數

If G_Flag并且MP＞223

則0→G_Flag并且調用STOP函數

End

其中G_Flag是小車前進的標志位，STOP代表的是讓小車停止。

3.2 上位機程序設計

Android操作系統是一個自由、開源的系統，具有資源豐富的特點，廣泛應用于便攜設備中，具有廣闊的應用前景［5］。上位機是在Eclipse開發軟件下結合SDK進行開發的。上位機主要有WiFi連接功能、按鈕控制、數據顯示等功能。上位機通過WiFi連接功能與小車上的WiFi模塊進行連接，通過WiFi網絡向下位機發送相應的控制字符命令，下位機接收到此控制字符命令后進行驗證并返回一個數值，上位機根據數值判定連接是否成功。連接成功后點擊上位機監控軟件中的按鈕，通過WiFi網絡向下位機發送相應的控制命令，下位機接收到控制命令并解析后會執行相應的操作，實現對小車的控制，在進行控制的同時向上位機發送數據信息和狀態信息，上位機對數據信息和狀態信息進行處理并顯示、保存［6－7］。具體工作流程如圖9所示。

圖9 上位機工作流程圖

對于上位機通過WiFi網絡向下位機發送“photo”命令，下位機接收到此命令后通過WiFi模塊向云臺攝像頭發送拍照命令，云臺攝像頭拍照成功后會通過WiFi模塊向上位機無線發送圖片，并完成圖片顏色識別同時把處理結果向下位機發送，以實現對小車的控制。顏色識別過程可以描述為:先獲取圖片得到圖片的寬和高，判定圖片上各點的像素值，接著對像素進行分離得到RGB的值，再對RGB進行判定，如果R像素比較多，就判斷為紅色，如果G像素比較多，就判斷為綠色，否則就判斷為藍色。

4 小車功能測試和結論

圖10 平板控制軟件運行圖

測試前先使用下載線把下位機程序下載至下位機單片機中，把小車放到指定的賽道上。通過安裝在平板電腦上的軟件，點擊相應的按鈕，可以發送相應的命令實現小車的前進、倒退、左轉、右轉、停止、高速、中速、低速、拍照、顏色識別和測距等功能。平板電腦軟件運行效果圖如圖10所示，小車實物圖如圖11所示。

圖11 小車實物運行圖

4.1 測試方法與結果

點擊上位機的“循跡”，“前進”，“倒退”，“左轉”，“右轉”，“停車”，選擇“速度檔”中“高速”、“中速”、“低速”，“倒車”，“拍照”，“顏色識別”等按鈕100次，觀察小車運動控制的情況，計算出準確率。點擊“攝像頭”按鈕一次，攝像頭會轉動90°，再按一次，攝像頭會旋轉到初始角度，重復這樣的過程100次，觀察攝像頭旋轉的準確率。

具體功能測試結果如表3所示。

表3 測試情況表

4.2 測試結論與分析

測試結果表明，點擊上位機的“循跡”，“前進”，“倒退”，“左轉”，“右轉”，“停車”，選擇“速度檔”中“高速”、“中速”、“低速”，“倒車”，“拍照”，“顏色識別”和“攝像頭”等按鈕，系統都能正確執行相應的功能，準確率都在95%以上。經過分析，由于平板電腦與小車上的WiFi模塊網絡連接偶爾會斷線，導致無法控制小車運動;顏色識別準確率則是與攝像頭拍攝圖片的距離有一定關系，距離過近，拍攝的圖片易出現色差，導致顏色識別準確率降低。總之，本文設計的運用Android系統控制的多功能小車系統，具有良好的操控性和實用性，小車工作穩定，界面直觀友好，實時性較好。

［1］葛廣軍，楊帆.基于單片機的智能小車控制系統設計［J］.河南城建學院學報，2011(3):47－50.

［2］孫青.基于嵌入式控制系統的自動導引小車設計與實現［D］.南京理工大學，2010.

［3］侯益坤，侯聰玲，劉益標.基于ARM嵌入式的智能小車的控制系統設計［J］.機電工程技術，2010(1):21－23，105.

［4］王建，毛騰飛，陳英革.基于BH1750芯片的測光系統設計與實現［J］.常熟理工學院學報，2011，25(2):117－120.

［5］徐誠.零點起飛學Android開發［M］.北京:清華大學出版社，2013:2－3.

［6］朱丹峰，葛主冉，林曉雷.基于Android平臺的無線遙控智能小車［J］.電子器件，2013，36(3):408－412

［7］林長青，成海量.基于Android系統和藍牙通信的手機遙控車設計［J］.山西電子技術，2012(3):56－58.