基于單片機(jī)的智能環(huán)境數(shù)據(jù)采集小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文主要一個(gè)基于單片機(jī)的智能環(huán)境數(shù)據(jù)采集小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度的采集、發(fā)送、接收、處理、顯示和保存。系統(tǒng)采用單片機(jī)作為小車與控制臺(tái)的核心。控制臺(tái)通過(guò)無(wú)線射頻信號(hào)控制電動(dòng)小車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)運(yùn)行，小車在行進(jìn)過(guò)程中實(shí)時(shí)采集環(huán)境數(shù)據(jù)并將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線信號(hào)發(fā)送給控制臺(tái)，控制臺(tái)將數(shù)據(jù)處理后顯示，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC保存。經(jīng)調(diào)試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，實(shí)用性強(qiáng)。

智能小車在感知效應(yīng)方面全面模擬人的機(jī)器系統(tǒng)，它是人工智能技術(shù)的試驗(yàn)場(chǎng)。智能小車具有識(shí)別、檢測(cè)、環(huán)境數(shù)據(jù)采集等智能機(jī)制，能在非特定環(huán)境下，在惡劣條件下代替人工作，具有廣闊的應(yīng)用前景。本設(shè)計(jì)通過(guò)無(wú)線遙控電動(dòng)小車的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度的采集、發(fā)送、接收、處理、顯示和保存，為數(shù)據(jù)的后期處理做好準(zhǔn)備。

1 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖1所示?？刂婆_(tái)通過(guò)按鍵發(fā)送無(wú)線遙控信號(hào)，小車接收到信號(hào)后進(jìn)行判斷作出前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停車動(dòng)作。小車通過(guò)溫濕度傳感器實(shí)時(shí)采集當(dāng)前環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)并通過(guò)無(wú)線信號(hào)發(fā)送至控制臺(tái)，控制臺(tái)將數(shù)據(jù)處理后顯示并通過(guò)串口發(fā)送至PC保存。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，采集小車設(shè)計(jì)的模塊有電機(jī)驅(qū)動(dòng)、無(wú)線模塊、溫濕度傳感器；控制臺(tái)設(shè)計(jì)由按鍵、無(wú)線模塊、液晶顯示器、串口等模塊組成。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2．1 控制模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中需要操作無(wú)線射頻模塊和溫濕度傳感器，會(huì)涉及到IIC和SPI協(xié)議，所以用單片機(jī)進(jìn)行控制最理想。51系列單片機(jī)的使用簡(jiǎn)單、對(duì)于小型系統(tǒng)的控制靈活，AT89S52單片機(jī)IO口、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串口等資源基本滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，故本設(shè)計(jì)采用AT89S52單片機(jī)作為核心。

51系列單片機(jī)最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、晶振電路、復(fù)位電路。晶振選取11．059 2 MHz，方便產(chǎn)生960 0 bps波特率，用于串口通訊。

2．2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

L293D是一款單片集成的高電壓、高電流、4通道電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)用于連接標(biāo)準(zhǔn)DTL或TTL邏輯電平，驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載(諸如繼電線圈、DC和步進(jìn)電機(jī))和開(kāi)關(guān)功率晶體管等等。此芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，每1個(gè)電機(jī)需要3個(gè)控制信號(hào)EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信號(hào)，IN1、IN2為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制信號(hào)，IN1、IN2分別為1，0時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)。選用一路PWM連接EN12引腳，通過(guò)調(diào)整PWM的占

空比可以調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。此專用芯片控制簡(jiǎn)單，響應(yīng)及時(shí)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

2．3 無(wú)線模塊

NRF24L01是NORDIC公司最近生產(chǎn)的一款無(wú)線通信通信芯片，采用FSK調(diào)制，內(nèi)部集成NORDIC自己的Enhanced ShortBurst協(xié)議?？梢詫?shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或是1對(duì)6的無(wú)線通信。無(wú)線通信速度可以達(dá)到2 M(bps)。工作在2．4 GHz世界通用ISM頻段。通過(guò)SPI協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行通訊，單片機(jī)只需4個(gè)IO口和一個(gè)外部中斷口就可操作此模塊。

SPI協(xié)議：SPI(SEDAl Peripheral interface)串行外圍設(shè)備接口，是一種高速的，全雙工，同步的通信總線。SPI是一個(gè)環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，通信以主從方式工作，這種模式通常有一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備，需要至少4根線。也是所有基于SPI的設(shè)備共有的，它們是SDI(數(shù)據(jù)輸入)，SDO(數(shù)據(jù)輸出)，SCK(時(shí)鐘)，CS(片選)。其時(shí)序主要是在sck的控制下，兩個(gè)雙向移位寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。SDO(MOSI)：主設(shè)備數(shù)據(jù)輸出，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸入；SDI(MISO)：主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出；SCLK時(shí)鐘信號(hào)，由主設(shè)備產(chǎn)生；CS：從設(shè)備使能信號(hào)，由主設(shè)備控制。

2．4 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器是系統(tǒng)中最重要的部分，需要響應(yīng)速度快，采樣間隔短，分辨率高，誤差小。本設(shè)計(jì)選定DHT21數(shù)字溫濕度傳感器，這是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。單片機(jī)通過(guò)IIC協(xié)議與傳感器通信，直接輸出數(shù)字量，無(wú)需轉(zhuǎn)換。精度高采樣間隔小，滿足實(shí)時(shí)采樣。4針單排引腳封裝，與單片機(jī)連接方便。電路如圖3所示。

IIC總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進(jìn)行雙向傳送，最高傳送速率100 kbps。各種被控制電路均并聯(lián)在這條總線上，但就像電話機(jī)一樣只有撥通各自的號(hào)碼才能工作，所以每個(gè)電路和模塊都有唯一的地址，在信息的傳輸過(guò)程中，IIC總線上并接的每一模塊電路既是主控器(或被控器)，又是發(fā)送器(或接收器)，這取決于它所要完成的功能。CPU發(fā)出的控制信號(hào)分為地址碼和控制量?jī)刹糠?，地址碼用來(lái)選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別(如對(duì)比度、亮度等)及需要調(diào)整的量。這樣，各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨(dú)立，互不相關(guān)。

IIC總線在傳送數(shù)據(jù)過(guò)程中共有3種類型信號(hào)，它們分別是：開(kāi)始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)。開(kāi)始信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開(kāi)始傳送數(shù)據(jù)。結(jié)束信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。應(yīng)答信號(hào)：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8 bit數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個(gè)信號(hào)后，等待受控單元發(fā)出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，CPU接收到應(yīng)答信號(hào)后，根據(jù)實(shí)際情況作出是否繼續(xù)傳遞信號(hào)的判斷。若未收到應(yīng)答信號(hào)，判斷為受控單元出現(xiàn)故障。

DHT21數(shù)字溫濕度傳感器數(shù)據(jù)格式：

40 bit數(shù)據(jù)=16 bit濕度數(shù)據(jù)+16 bit溫度數(shù)據(jù)+8 bit校驗(yàn)和(濕度高8位+濕度低8位+溫度高8位+溫度低8位)的末8位=校驗(yàn)和

當(dāng)溫度低于0℃時(shí)溫度數(shù)據(jù)的最高位置1。

3 軟件設(shè)計(jì)

3．1 小車程序流程圖

小車程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)控制臺(tái)控制信號(hào)接收和處理，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。軟件設(shè)計(jì)中首先對(duì)無(wú)線模塊，溫濕度傳感器定時(shí)器等進(jìn)行初始化，然后用查詢的方式判斷是否接收到站臺(tái)指令，如果接收到對(duì)指令進(jìn)行判斷根據(jù)指令類型控制小車行進(jìn)。小車程序流程圖如圖4所示。

3．2 小車采集數(shù)據(jù)中斷程序流程圖

中斷程序中完成溫濕度采集和發(fā)送。使用定時(shí)器中斷，每隔三秒產(chǎn)生一次中斷。中斷流程圖如圖5所示。

3．3 控制臺(tái)程序流程圖

控制臺(tái)程序包括鍵盤掃描、判斷鍵值、發(fā)送命令、接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、顯示溫濕度、串口發(fā)送數(shù)據(jù)至PC。程序中首先對(duì)無(wú)線模塊、液晶顯示、串口進(jìn)行初始化。然后執(zhí)行鍵盤掃描和接收數(shù)據(jù)程序。鍵盤掃描程序中根據(jù)鍵值判斷是否有鍵按下，如果有則根據(jù)鍵值發(fā)送指令，如果沒(méi)有則跳過(guò)向下執(zhí)行。然后判斷是否接收到溫濕度數(shù)據(jù)，如果沒(méi)有返回重新執(zhí)行程序，如果接收到對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理然后更新液晶屏并通過(guò)串口把數(shù)據(jù)發(fā)送至PC保存?？刂婆_(tái)流程圖如圖6所示。

4 結(jié)論

經(jīng)過(guò)軟硬件的設(shè)計(jì)和調(diào)試，系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。能夠通過(guò)無(wú)線遙控小車行駛，在行駛中實(shí)時(shí)采集當(dāng)前環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)并發(fā)送給控制臺(tái)，無(wú)線控制距離15米?？刂婆_(tái)能正確發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)，能夠通過(guò)液晶顯示采集到的溫濕度數(shù)據(jù)，能夠通過(guò)串口發(fā)送數(shù)據(jù)到PC保存。