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- 男
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- 燕山大学
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[导读] 设计背景及概述
关键词：蓝牙小车SLH89F5162
一、设计设计背景及概述
1.1 设计背景
基于红外或射频的遥控车技术已经相当成熟，但蓝牙遥控车这一领域尚属新鲜，这款增强51核的“三防”8位单片机，以其高性能及易于开发让我很是欣喜，再加上能够磨练自己的嵌入式编程的能力，锻炼和队友共同完成项目的团队合作能力，我们便自然而然地产生了亲手制作一款蓝牙遥控车的想法。
1.2 设计概述
主控芯片为深联华SLH89F5162，开发环境为Keil 4；测距方式为超声波回声测距，使用模块HC-SR04完成；通讯方式为蓝牙2.0，车体使用HC-05蓝牙串口模块，PC使用自带蓝牙适配器；总电源使用2节3500mAh/3.7V的UltraFire锂离子充电电池串联供电；MCU电源则由LM7805稳压芯片对7.4V总电源进行处理后供给；车体驱动电机使用2个减速比为1：48的6～9V直流有刷电机，驱动使用TOSHIBA-ULN2003APG芯片；测温模块使用单总线架构的DALLAS/18B20芯片；上位机操作系统为Windows 7，界面采用MFC编写，IDE为VC6。
二、项目设计原理
2.1原理概述
上位机程序使用蓝牙与车体进行通信，发送指令，车体接收到指令后执行相应的操作。本设计中，小车可以实现直行、转弯、加速和减速等四个动作，同时会采集所在区域的温度信息返回上位机，配合以车体上的超声波模块，可对小车正前方进行测距，如发现距离过近，则会自动停止，并向上位机请求转弯指令。上位机软件在发送指令的同时，还接收小车返回的移动信息，在软件绘图区域绘制小车行走的轨迹，并显示温度等信息。
2.2硬件设计原理
红色为电源线，黑色为地线，蓝色为MCU与外部设备的连接线。主要需要进一步说明的模块有DC/DC的7805芯片、测温模块18B20、驱动芯片ULN2003APG、超声波模块HC-SR04及蓝牙串口模块HC-05。
2.3 各模块介绍
2.3.1 稳压模块LM7805
78XX系列的后两位即是其可固定产生的7805 系列为 3 端正稳压电路，TO-220 封装，能提供固定的输出电压5V，应用范围广。内含过流、过热和过载保护电路。带散热片时，输出电流可达 1A。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。电压。
输入端IN为2节3.7V锂离子电池串联产生的7～8V的输入电压，输出端OUT接C1电解电容滤波稳压，并接绿色LED1和限流电阻R1显示供电状态。
VCC端正接二极管D0防反接，同时并接C0电解电容稳压滤波。
2.3.2 测温模块DS18B20
DS18B20 数字温度计提供9 位温度读数，指示器件的温度信息经过单线接口送入DS18B20 或从DS18B20 送出。因此从中央处理器到DS18B20 仅需连接一条线（和地）读写和完成温度变换所需的电源可以由数据线本身提供，而不需要外部电源。DALLAS公司的18B20产品有多种封装，本设计采用的是上图左侧的TO-92封装。
由于DS18B20只有3条线，数据线选择了没有特殊功能的P4.1引脚。18B20采用了独特的单总线通信架构，所以其对于时序的要求非常高，下面主要讲一讲18B20的复位、写入一位和读取一位，写字节及读字节只是写一位及读一位的重复，本文就不再赘述。
2.3.2.1 复位时序
复位需要MCU将总线拉低，保持至少480 us后，再将总线拉高15～60 us，随后等待最长240 us，检测总线上18B20是否将总线拉低（存在）。复位是18B20最重要的操作，每次通信之前必须进行复位。
2.3.2.2 写一位时序
在写数据时间隙的前 15 us总线需要是被MCU拉置低电平，而后则将是18B20对总线数据的采样时间，采样时间在 15～60 us，采样时间内如果MCU将总线拉高则表示写“1”，如果MCU将总线拉低则表示写“0”。每一位的发送都应该有一个至少 15 us 的低电平起始位，随后的数据“0”或“1”应该在45 us 内完成。整个位的发送时间应该保持在 60～120 us，否则不能保证通信的正常。
2.3.2.3 读一位时序
读时间隙时控制时的采样时间应该更加的精确才行，读时间隙时也是必须先由MCU产生至少1 us的低电平，表示读时间的起始。随后在总线被释放后的15 us 中 18B20 会发送内部数据位，这时MCU如果发现总线为高电平表示读出“1”，如果总线为低电平则表示读出数据“0”。每一位的读取之前都由控制器加一个起始信号。
注意：如图8所示，必须在读间隙开始的 15 us 内读取数据位才可以保证通信的正确。
2.3.2.4 字节读写说明
从图9代码中的左右移可以看出，18B20在通信时，以 8 位“0”或“1”为一个字节，字节的读或写是从高位开始的，即 Bit7到 Bit0 图9 DS18B20 读写字节C代码实现。
2.3.3 电机驱动模块ULN2003APG
ULN2003是高耐压、大电流七路达林顿驱动器阵列，是集电极开路（OC）输出的反向器。单个引脚最大驱动电流可以达到500mA。通常应用时是把负载的一端接到电源上，另一端接到输出引脚（10～16）上，这样当输入端为高电平时，输出端就反转为低电平，导通负载。
由于安芯一号自带的PWM0，PWM1为P4.6和P2.7，故ULN2003的2个输入口选择了P4.6和P2.7，输出端则分别连接到2个直流电机的一端。此处之所以使用2个输入端组成1组输入，是为了增加ULN2003的带负载能力，将2个达林顿管并联使用，从而实现了1A的最大驱动电流，驱动低压直流电机绰绰有余。
2.3.4 超声波模块HC-SR04
HC-SR04超声波测距模块可提供2～400 cm的非接触式距离感测功能，测距精度达到3 mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。
基本工作原理：
1. 采用IO口TRIG触发测距，给至少10 us高电平信号；
2. 模块自动发送8个40khz的方波，同时检测有无信号返回；
3. 若有信号返回，则IO口ECHO会输出一段持续时间和超声波来回时间相同的高电平。
根据上述工作原理，可以得到测试距离D=（高电平时间×声速）/2。
经过测试，回响电平一般会在触发信号发出后几十us内产生，此时建议使用定时器进行检测，如果使用while循环等待高电平，如果高电平不能正常产生，程序会卡死在while语句上。
2.3.5 蓝牙串口模块HC-05
HC-05是一款高性能的主从一体蓝牙串口模块，可以同各种带蓝牙功能的电脑、蓝牙主机、手机、PDA等智能终端匹配，该模块支持非常宽的波特率范围：4800～1382400，并兼容5V或3.3V单片机系统，可以方便的与产品进行连接。
由于该模块是串口转蓝牙模块，所以需要使用MCU的一个串口资源，本设计使用了5162的串口1。使用时，只需要将HC-05当作一条串口线即可，非常方便。
2.4软件设计原理（MCU）
系统上电后开启蓝牙配对模式，可供上位机进行连接（打开串口）。一旦上位机连接成功并发送开始信号，整机开始全速运行，根据上位机的指令进行移动，并发送温度信号给上位机，当车体前方出现障碍物时，车体会自动停止，并向上位机发送转弯提示，当上位机发出停止信号时，车体返回一开始的等待状态，直到下一次开始信号到来。
图16 总体流程图
2.5 软件设计原理（上位机）
图17 上位机框图
图18 上位机实际界面
2.5.1 MFC使用控件介绍
2.5.1.1 串口连接：
 
图19 图20
图19所示为上位机中的串口连接部分，串口选择范围为COM1~~~COM20下拉框如图20所示。
 ：
关联函数： 作用：选择串口，初始化串口，设置波特率
 ：
关联函数： 作用：关闭串口，将距离、温度、状态数据清除
2.5.1.2 数据显示：
图21
图21所示为上位机的数据显示部分，“前”为小车距离前方最近障碍物的距离，最大显示为255cm；“温度”为小车所处位置的实际温度；“状态”为小车当前的行进状态，分为“向前”，“左转中”，“右转中”三种状态。
共用体表示温度：在共用体中，不同的变量占用同一段内存。我们可以使用共用体的这个特质来表示温度。在串口接收的数据中，表示温度的数据被分为4个字符型数据，此时我们定义一个共用体tem在处理函数中。
将接收到的四个字符数据依次放入是s［0］至s［3］中，此时，共用体中的浮点数t表示的就是这四个字节所对应的温度数据。
2.5.1.3 指令按钮：
图22
图22所示为上位机对小车发送指令和清除上位机上数据的按钮模块，共分为六个按钮，分别为“前进”、“加速”、“减速”、“左转”、“右转”和“清除”。
“前进”：发送“GOAHEAD”指令；
“加速”：发送“ACCEL”指令；
“减速”：发送“SLOWD”指令；
“左转”：发送“GOLEFT”指令；
“右转”：发送“GORIGHT”指令；
“清除”：清除当前显示的距离、温度、状态数据以及小车行驶轨迹，将画图界面上的小车重新定位至起点。
2.5.1.4 画图控件：
图23
图23所示为上位机界面中的画图模块。
画图模块的基本框架是调用VC++中的画图控件，背景色为白色；方块表示小车；红色箭头所处位置表示车头，蓝色圆圈表示小车行驶轨迹。
1.小车由最初位置开始前进，此时小车行驶轨迹如图24所示。
图24
2.小车前方遇到障碍物，小车右转前进，此时小车行驶轨迹如图25所示。
图25
小车右转前进一段距离，前方探测到无障碍物，小车左转回到原先的前进方向，此时小车行驶轨迹如图26所示。
图26
从这几个状态看出，上位机界面可以很好的反映出小车在地面上所行驶的轨迹。
画图同步问题：在绘制小车行驶轨迹时最大的问题，是上位机上小车行驶轨迹与小车在地面上的行驶轨迹同步变化，且不受界面窗口最小化的影响。
要解决这一问题，就需要定义两个设备上下文。在此项目的MFC程序中，我们定义了两个设备上下文，CDC* pDC;//屏幕DC，CDC MemDC;//内存DC同时定义CBitmap bmp;//位图全局缓存，我们通过全局缓存bmp将屏幕DC和内存DC关联起来。
在上位机运行过程中，我们先将小车的轨迹变化画入内存DC，然后在MFC程序的画图函数中，再将内存DC画入屏幕DC。经过这样的处理上位机上小车的轨迹变化就可与地面上的变化同步，且不受窗口最小化的影响。
三、项目设计框图
3.1硬件设计框图
3.2软件设计框图
四、测试结果
小车基本实现了和上位机之间的蓝牙通信，可以依据上位机发出的指令作出相应的动作，如直行、左右转弯、加减速等，并能够检测前方障碍物以及采集温度。
PCB实物图
实物图
上位机数据采集
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