基于安芯一號(hào)SLH89F5162的藍(lán)牙控制小車(chē) - 全文

　　一、設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)背景及概述

　　1.1 設(shè)計(jì)背景

　　基于紅外或射頻的遙控車(chē)技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但藍(lán)牙遙控車(chē)這一領(lǐng)域尚屬新鮮，這款增強(qiáng)51核的“三防”8位單片機(jī)，以其高性能及易于開(kāi)發(fā)讓我很是欣喜，再加上能夠磨練自己的嵌入式編程的能力，鍛煉和隊(duì)友共同完成項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)合作能力，我們便自然而然地產(chǎn)生了親手制作一款藍(lán)牙遙控車(chē)的想法。

　　1.2 設(shè)計(jì)概述

　　主控芯片為深聯(lián)華SLH89F5162，開(kāi)發(fā)環(huán)境為Keil 4；測(cè)距方式為超聲波回聲測(cè)距，使用模塊HC-SR04完成；通訊方式為藍(lán)牙2.0，車(chē)體使用HC-05藍(lán)牙串口模塊，PC使用自帶藍(lán)牙適配器；總電源使用2節(jié)3500mAh/3.7V的UltraFire鋰離子充電電池串聯(lián)供電；MCU電源則由LM7805穩(wěn)壓芯片對(duì)7.4V總電源進(jìn)行處理后供給；車(chē)體驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用2個(gè)減速比為1：48的6～9V直流有刷電機(jī)，驅(qū)動(dòng)使用TOSHIBA-ULN2003APG芯片；測(cè)溫模塊使用單總線架構(gòu)的DALLAS/18B20芯片；上位機(jī)操作系統(tǒng)為Windows 7，界面采用MFC編寫(xiě)，IDE為VC6。

　　二、項(xiàng)目設(shè)計(jì)原理

　　2.1原理概述

　　上位機(jī)程序使用藍(lán)牙與車(chē)體進(jìn)行通信，發(fā)送指令，車(chē)體接收到指令后執(zhí)行相應(yīng)的操作。本設(shè)計(jì)中，小車(chē)可以實(shí)現(xiàn)直行、轉(zhuǎn)彎、加速和減速等四個(gè)動(dòng)作，同時(shí)會(huì)采集所在區(qū)域的溫度信息返回上位機(jī)，配合以車(chē)體上的超聲波模塊，可對(duì)小車(chē)正前方進(jìn)行測(cè)距，如發(fā)現(xiàn)距離過(guò)近，則會(huì)自動(dòng)停止，并向上位機(jī)請(qǐng)求轉(zhuǎn)彎指令。上位機(jī)軟件在發(fā)送指令的同時(shí)，還接收小車(chē)返回的移動(dòng)信息，在軟件繪圖區(qū)域繪制小車(chē)行走的軌跡，并顯示溫度等信息。

　　2.2硬件設(shè)計(jì)原理

　　紅色為電源線，黑色為地線，藍(lán)色為MCU與外部設(shè)備的連接線。主要需要進(jìn)一步說(shuō)明的模塊有DC/DC的7805芯片、測(cè)溫模塊18B20、驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003APG、超聲波模塊HC-SR04及藍(lán)牙串口模塊HC-05。

　　2.3 各模塊介紹

　　2.3.1 穩(wěn)壓模塊LM7805

　　78XX系列的后兩位即是其可固定產(chǎn)生的7805 系列為 3 端正穩(wěn)壓電路，TO-220 封裝，能提供固定的輸出電壓5V，應(yīng)用范圍廣。內(nèi)含過(guò)流、過(guò)熱和過(guò)載保護(hù)電路。帶散熱片時(shí)，輸出電流可達(dá) 1A。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。電壓。

　　輸入端IN為2節(jié)3.7V鋰離子電池串聯(lián)產(chǎn)生的7～8V的輸入電壓，輸出端OUT接C1電解電容濾波穩(wěn)壓，并接綠色LED1和限流電阻R1顯示供電狀態(tài)。

　　VCC端正接二極管D0防反接，同時(shí)并接C0電解電容穩(wěn)壓濾波。

　　2.3.2 測(cè)溫模塊DS18B20

　　DS18B20 數(shù)字溫度計(jì)提供9 位溫度讀數(shù)，指示器件的溫度信息經(jīng)過(guò)單線接口送入DS18B20 或從DS18B20 送出。因此從中央處理器到DS18B20 僅需連接一條線（和地）讀寫(xiě)和完成溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供，而不需要外部電源。DALLAS公司的18B20產(chǎn)品有多種封裝，本設(shè)計(jì)采用的是上圖左側(cè)的TO-92封裝。

　　由于DS18B20只有3條線，數(shù)據(jù)線選擇了沒(méi)有特殊功能的P4.1引腳。18B20采用了獨(dú)特的單總線通信架構(gòu)，所以其對(duì)于時(shí)序的要求非常高，下面主要講一講18B20的復(fù)位、寫(xiě)入一位和讀取一位，寫(xiě)字節(jié)及讀字節(jié)只是寫(xiě)一位及讀一位的重復(fù)，本文就不再贅述。

　　2.3.2.1 復(fù)位時(shí)序

　　復(fù)位需要MCU將總線拉低，保持至少480 us后，再將總線拉高15～60 us，隨后等待最長(zhǎng)240 us，檢測(cè)總線上18B20是否將總線拉低（存在）。復(fù)位是18B20最重要的操作，每次通信之前必須進(jìn)行復(fù)位。

　　2.3.2.2 寫(xiě)一位時(shí)序

　　在寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)間隙的前 15 us總線需要是被MCU拉置低電平，而后則將是18B20對(duì)總線數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間，采樣時(shí)間在 15～60 us，采樣時(shí)間內(nèi)如果MCU將總線拉高則表示寫(xiě)“1”，如果MCU將總線拉低則表示寫(xiě)“0”。每一位的發(fā)送都應(yīng)該有一個(gè)至少 15 us 的低電平起始位，隨后的數(shù)據(jù)“0”或“1”應(yīng)該在45 us 內(nèi)完成。整個(gè)位的發(fā)送時(shí)間應(yīng)該保持在 60～120 us，否則不能保證通信的正常。

　　2.3.2.3 讀一位時(shí)序

　　讀時(shí)間隙時(shí)控制時(shí)的采樣時(shí)間應(yīng)該更加的精確才行，讀時(shí)間隙時(shí)也是必須先由MCU產(chǎn)生至少1 us的低電平，表示讀時(shí)間的起始。隨后在總線被釋放后的15 us 中 18B20 會(huì)發(fā)送內(nèi)部數(shù)據(jù)位，這時(shí)MCU如果發(fā)現(xiàn)總線為高電平表示讀出“1”，如果總線為低電平則表示讀出數(shù)據(jù)“0”。每一位的讀取之前都由控制器加一個(gè)起始信號(hào)。

　　注意：如圖8所示，必須在讀間隙開(kāi)始的 15 us 內(nèi)讀取數(shù)據(jù)位才可以保證通信的正確。

　　2.3.2.4 字節(jié)讀寫(xiě)說(shuō)明

　　從圖9代碼中的左右移可以看出，18B20在通信時(shí)，以 8 位“0”或“1”為一個(gè)字節(jié)，字節(jié)的讀或?qū)懯菑母呶婚_(kāi)始的，即 Bit7到 Bit0 圖9 DS18B20 讀寫(xiě)字節(jié)C代碼實(shí)現(xiàn)。

　　2.3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊ULN2003APG

　　ULN2003是高耐壓、大電流七路達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)器陣列，是集電極開(kāi)路（OC）輸出的反向器。單個(gè)引腳最大驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到500mA。通常應(yīng)用時(shí)是把負(fù)載的一端接到電源上，另一端接到輸出引腳（10～16）上，這樣當(dāng)輸入端為高電平時(shí)，輸出端就反轉(zhuǎn)為低電平，導(dǎo)通負(fù)載。

　　由于安芯一號(hào)自帶的PWM0，PWM1為P4.6和P2.7，故ULN2003的2個(gè)輸入口選擇了P4.6和P2.7，輸出端則分別連接到2個(gè)直流電機(jī)的一端。此處之所以使用2個(gè)輸入端組成1組輸入，是為了增加ULN2003的帶負(fù)載能力，將2個(gè)達(dá)林頓管并聯(lián)使用，從而實(shí)現(xiàn)了1A的最大驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)低壓直流電機(jī)綽綽有余。

　　2.3.4 超聲波模塊HC-SR04

　　HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2～400 cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度達(dá)到3 mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。

　　基本工作原理：

　　1. 采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10 us高電平信號(hào)；

　　2. 模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，同時(shí)檢測(cè)有無(wú)信號(hào)返回；

　　3. 若有信號(hào)返回，則IO口ECHO會(huì)輸出一段持續(xù)時(shí)間和超聲波來(lái)回時(shí)間相同的高電平。

　　根據(jù)上述工作原理，可以得到測(cè)試距離D=（高電平時(shí)間×聲速）/2。

　　經(jīng)過(guò)測(cè)試，回響電平一般會(huì)在觸發(fā)信號(hào)發(fā)出后幾十us內(nèi)產(chǎn)生，此時(shí)建議使用定時(shí)器進(jìn)行檢測(cè)，如果使用while循環(huán)等待高電平，如果高電平不能正常產(chǎn)生，程序會(huì)卡死在while語(yǔ)句上。

　　2.3.5 藍(lán)牙串口模塊HC-05

　　HC-05是一款高性能的主從一體藍(lán)牙串口模塊，可以同各種帶藍(lán)牙功能的電腦、藍(lán)牙主機(jī)、手機(jī)、PDA等智能終端匹配，該模塊支持非常寬的波特率范圍：4800～1382400，并兼容5V或3.3V單片機(jī)系統(tǒng)，可以方便的與產(chǎn)品進(jìn)行連接。

　　由于該模塊是串口轉(zhuǎn)藍(lán)牙模塊，所以需要使用MCU的一個(gè)串口資源，本設(shè)計(jì)使用了5162的串口1。使用時(shí)，只需要將HC-05當(dāng)作一條串口線即可，非常方便。

　　2.4軟件設(shè)計(jì)原理（MCU）

　　系統(tǒng)上電后開(kāi)啟藍(lán)牙配對(duì)模式，可供上位機(jī)進(jìn)行連接（打開(kāi)串口）。一旦上位機(jī)連接成功并發(fā)送開(kāi)始信號(hào)，整機(jī)開(kāi)始全速運(yùn)行，根據(jù)上位機(jī)的指令進(jìn)行移動(dòng)，并發(fā)送溫度信號(hào)給上位機(jī)，當(dāng)車(chē)體前方出現(xiàn)障礙物時(shí)，車(chē)體會(huì)自動(dòng)停止，并向上位機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)彎提示，當(dāng)上位機(jī)發(fā)出停止信號(hào)時(shí)，車(chē)體返回一開(kāi)始的等待狀態(tài)，直到下一次開(kāi)始信號(hào)到來(lái)。

　　圖16 總體流程圖

　　2.5 軟件設(shè)計(jì)原理（上位機(jī)）

　　圖17 上位機(jī)框圖

　　圖18 上位機(jī)實(shí)際界面

　　2.5.1 MFC使用控件介紹

　　2.5.1.1 串口連接：

　圖19??????????????????????????????????????????????????? 圖20

　　圖19所示為上位機(jī)中的串口連接部分，串口選擇范圍為COM1~~~COM20下拉框如圖20所示。

　　：

　　關(guān)聯(lián)函數(shù)： 作用：選擇串口，初始化串口，設(shè)置波特率

　　：

　　關(guān)聯(lián)函數(shù)： 作用：關(guān)閉串口，將距離、溫度、狀態(tài)數(shù)據(jù)清除

　　2.5.1.2 數(shù)據(jù)顯示：

　　圖21

　　圖21所示為上位機(jī)的數(shù)據(jù)顯示部分，“前”為小車(chē)距離前方最近障礙物的距離，最大顯示為255cm；“溫度”為小車(chē)所處位置的實(shí)際溫度；“狀態(tài)”為小車(chē)當(dāng)前的行進(jìn)狀態(tài)，分為“向前”，“左轉(zhuǎn)中”，“右轉(zhuǎn)中”三種狀態(tài)。

　　共用體表示溫度：在共用體中，不同的變量占用同一段內(nèi)存。我們可以使用共用體的這個(gè)特質(zhì)來(lái)表示溫度。在串口接收的數(shù)據(jù)中，表示溫度的數(shù)據(jù)被分為4個(gè)字符型數(shù)據(jù)，此時(shí)我們定義一個(gè)共用體tem在處理函數(shù)中。

　　將接收到的四個(gè)字符數(shù)據(jù)依次放入是s［0］至s［3］中，此時(shí)，共用體中的浮點(diǎn)數(shù)t表示的就是這四個(gè)字節(jié)所對(duì)應(yīng)的溫度數(shù)據(jù)。

　　2.5.1.3 指令按鈕：

　圖22

　　圖22所示為上位機(jī)對(duì)小車(chē)發(fā)送指令和清除上位機(jī)上數(shù)據(jù)的按鈕模塊，共分為六個(gè)按鈕，分別為“前進(jìn)”、“加速”、“減速”、“左轉(zhuǎn)”、“右轉(zhuǎn)”和“清除”。

　　“前進(jìn)”：發(fā)送“GOAHEAD”指令；

　　“加速”：發(fā)送“ACCEL”指令；

　　“減速”：發(fā)送“SLOWD”指令；

　　“左轉(zhuǎn)”：發(fā)送“GOLEFT”指令；

　　“右轉(zhuǎn)”：發(fā)送“GORIGHT”指令；

　　“清除”：清除當(dāng)前顯示的距離、溫度、狀態(tài)數(shù)據(jù)以及小車(chē)行駛軌跡，將畫(huà)圖界面上的小車(chē)重新定位至起點(diǎn)。

　　2.5.1.4 畫(huà)圖控件：

　　圖23

　　圖23所示為上位機(jī)界面中的畫(huà)圖模塊。

　　畫(huà)圖模塊的基本框架是調(diào)用VC++中的畫(huà)圖控件，背景色為白色；方塊表示小車(chē)；紅色箭頭所處位置表示車(chē)頭，藍(lán)色圓圈表示小車(chē)行駛軌跡。

　　1.小車(chē)由最初位置開(kāi)始前進(jìn)，此時(shí)小車(chē)行駛軌跡如圖24所示。

　　圖24

　　2.小車(chē)前方遇到障礙物，小車(chē)右轉(zhuǎn)前進(jìn)，此時(shí)小車(chē)行駛軌跡如圖25所示。

　　圖25

　　小車(chē)右轉(zhuǎn)前進(jìn)一段距離，前方探測(cè)到無(wú)障礙物，小車(chē)左轉(zhuǎn)回到原先的前進(jìn)方向，此時(shí)小車(chē)行駛軌跡如圖26所示。

　　圖26

　　從這幾個(gè)狀態(tài)看出，上位機(jī)界面可以很好的反映出小車(chē)在地面上所行駛的軌跡。

　　畫(huà)圖同步問(wèn)題：在繪制小車(chē)行駛軌跡時(shí)最大的問(wèn)題，是上位機(jī)上小車(chē)行駛軌跡與小車(chē)在地面上的行駛軌跡同步變化，且不受界面窗口最小化的影響。

　　要解決這一問(wèn)題，就需要定義兩個(gè)設(shè)備上下文。在此項(xiàng)目的MFC程序中，我們定義了兩個(gè)設(shè)備上下文，CDC* pDC;//屏幕DC，CDC MemDC;//內(nèi)存DC同時(shí)定義CBitmap bmp;//位圖全局緩存，我們通過(guò)全局緩存bmp將屏幕DC和內(nèi)存DC關(guān)聯(lián)起來(lái)。

　　在上位機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，我們先將小車(chē)的軌跡變化畫(huà)入內(nèi)存DC，然后在MFC程序的畫(huà)圖函數(shù)中，再將內(nèi)存DC畫(huà)入屏幕DC。經(jīng)過(guò)這樣的處理上位機(jī)上小車(chē)的軌跡變化就可與地面上的變化同步，且不受窗口最小化的影響。

　　三、項(xiàng)目設(shè)計(jì)框圖

　　3.1硬件設(shè)計(jì)框圖

　　3.2軟件設(shè)計(jì)框圖

　　四、測(cè)試結(jié)果

　　小車(chē)基本實(shí)現(xiàn)了和上位機(jī)之間的藍(lán)牙通信，可以依據(jù)上位機(jī)發(fā)出的指令作出相應(yīng)的動(dòng)作，如直行、左右轉(zhuǎn)彎、加減速等，并能夠檢測(cè)前方障礙物以及采集溫度。

　　PCB實(shí)物圖

　　實(shí)物圖

　　上位機(jī)數(shù)據(jù)采集
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