基于arduino單片機控制的wifi智能小車(已修改)

　

【正文】 呼倫貝爾學院計算機科學與技術學院本科生畢業論文(設計)題 目： 基于Arduino控制的 WIFI智能小車 學生姓名： 苑 偉 學 號： 2011121138 專業班級：2011級計算機科學與技術一班 指導教師： 陶銳 完成時間： 2015年5月22日 目錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 論文選題背景 1 論文選題的意義 1 論文論述 2第2章 系統方案選擇與總體設計 3 設計任務 3 設計中考慮到的問題 3 系統方案的選擇與比較 3 總體設計方案 4 4 整體工作原理 5第3章 硬件介紹及設計 6 Arduino Uno R3 單片機系統 6 概要 6 7 Arduino Uno最小系統[3] 9 Arduino Uno R3單片機系統的使用 13 路由器WR703N 14 路由器硬件介紹 14 路由器改裝 15 17 電機驅動電路 18 電機驅動模塊使用 18 19 攝像頭介紹 20 攝像頭簡介 21 攝像頭的分類 21 21 21 測速傳感器 22 22 測速傳感器使用 23 超聲波傳感器 23 23 HCSR04傳感器的使用 24 24 25 26 硬件系統整體設計 27第4章 系統軟件安裝及設計 28 28 28 28 29 29 控制小車程序流程圖 30 32 33 34 34 程序設計及流程圖 35第5章 系統調試及問題解決 37 系統仿真 37 常用軟件介紹 37 仿真測試 38 38 測速模塊的調試及問題解決 38 攝像頭調試及問題解決 39 軟件設計問題及調試 40 40 42第6章 總結 44參考文獻： 45致謝 46附錄1元器件明細表 47附錄2 單片機部分程序源碼 48附錄3路由器部分程序源碼 54摘要本次設計wifi智能小車主要采用Arduino作為底層硬件控制核心，接收來自路由器的指令執行相關操作；采用PWM脈沖調節小車速度、舵機控制以及燈光亮度；采用定時器實現小車數據的發送、小車的避障及計算小車的行駛速度；運用簡單的PID算法實現輪胎直接的差速控制；采用路由器發射無線wifi，使用Lua腳本實現了接收單片機數據及發送操作指令，設計了web頁面控制小車的B/S模式結構。關鍵字： Arduino；PWM脈沖；PID算法；web控制AbstractThe design of wifi smart cars mainly adopts the Arduino as the control core to receive instructions from the router perform related operations。 Using PWM pulse to adjust the vehicle speed, steering gear control and lighting brightness。 using timer to realise the transmission of car data ， the breakdown of the car and calculate the car speeds。 Using the simple PID algorithm tyre direct differential control。 Using wireless wifi router launch, using the Lua script implements receiving MCU data and send operation instructions,and at last, it designs a web page to control the car B/S mode structure.Keyword: Arduino。 PWM Pulse。 PID arithmetic。 Web manageII第1章 緒論 論文選題背景21世紀是一個遍布智能化設備的時代，我們身邊充滿了各式各樣的智能化設備，智能電視，智能冰箱，智能洗衣機等，然而這些設備都離不開嵌入式系統與單片機系統。并且現如今又出現了物聯網這一個概念使得無線控制、無線傳輸變的更加火熱，因此物聯網將會是我們說有設備之間連接通信不可缺少的一部分。也許有人會問什么是物聯網。物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，也是“信息化”時代的重要發展階段。[9]英文名稱：“Internet of things（IoT）”。物聯網是物與物相連的互聯網。它的兩種含義:一 、物聯網其實仍然是互聯網，只是互聯網的一種延伸和擴展的網絡；二、其用戶互聯網絡伸展到了任何物品與物品之間，并且進行信息交互和通信，這可以稱為物物相息了。物聯網通過各種通信感知技術（智能感知、識別技術、普適計算）廣泛應用于網絡的融合中，也被稱為繼計算機。對于我們的家庭設備來說物聯網的核心設備與出口就是路由器，而路由器的系統Openwrt更是這個網絡控制的主腦設備。 Openwrt是一個嵌入式的Linux體統，它的特點是高度自動化、模塊化，并且擁有強大的網絡組件與擴展性。在智能家居、小型機器人、工控設備、VOIP設備及路由器中通常可以見到它的身影。如果對Linux體統有一定的了解，對于想學習嵌入式Linux的人來說openwrt是一個不錯的選擇。它的好處在于對于開發人員，OpenWrt 擁有完整的框架來構建應用程序，并且無需建立一個固件來支持，同時還支持很多種不同芯片的路由器以及源碼開放；對于用戶來說，可以完全制定想要的功能，互聯網上提供很多應用程序，可以以不一樣的方式玩轉設備。這意味著其擁有完全定制的能力，可以用前所未有的方式使用該設備。對于現代的智能設備來說遠程無線遙控已成為一種趨勢，我們可以通過遠程遙控家里的電源開關，網絡攝像頭，空調等。在軍用方面我們可以通過遠程遙控無人偵察機查看軍情，可以遙控智能機器人拆除炸彈等，這可以減少人員的傷亡。 論文選題的意義但當我們出門在外時家里缺少一位智能管家，他可以監控管理我們的房屋及家具設備，而他的前身就是由WiFi智能小車，WiFi智能機器人發展而來。同時其他的遠程遙控設備，如無人機，智能機器人及其他遠程智能設備都離不開單片機，無線模塊等設備。而wifi智能小車的研究可以學習了解到這些技術，同時通過wifi小車的精準控制等研究可以也可以運用到其他的遠程設備上。wifi小車可以實現室內的室外的遠程監控，使得網絡視頻監控更加靈活。 論文論述本系統能夠實現通過攝像頭遠程監控周圍環境，對小車的運動狀態進行實時監控，系統要求控制靈活、可靠、精準度高、可實現與其他設備的連接與通信。本系統采用的單片機是Arduino Uno。它是Arduino USB接口系列的最新版本，作為Arduino平臺的參考標準模板。UNO的處理器核心是ATmega328，同時具有14路數字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個16MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復位按鈕。ATmega328內置的UART可以同數字口0（RX）和1（TX）與外部實現串口通信。14路數字輸入端口工作電壓為5v、最大電流為40mA。外部中斷端口為數字口2號和3號，觸發條件為上升沿、下降沿或同時觸發。由于Arduino Uno R3 的性能滿足wifi小車的數據傳輸及時間精度的要求，而且產品為開源硬件提供相當完善的硬件結構，產品來源豐富應，用也相當成熟，是一款適合大學生學習研究的性價比很高的產品。本設計中要研究的內容是基于Arduino開源硬件及WR703N路由器設計的一部wifi智能小車。小車能夠實現前方物體自動避障，超聲波車輛距離，無線視頻監控，小車差速控制，攝像頭燈光控制等。Wifi智能小車系統包括了兩路電機、兩個光電測試模塊、Arduino單片機控制板、電機驅動模塊、超聲波測速模塊、無線路由器、usb燈光攝像頭等硬件設備。本項目主要論述的是wifi小車設計方案的選擇、硬件設計、軟件設計以及測試方法等。在第2章我們主要涉及到的內容就是系統方案的整體設計與選擇，以及選擇這種方案的原因與優缺點；第3章我們主要講到的是單片機的詳細電氣特性，各個引腳接口的使用，路由器ttl串口的查找與增益天線的焊接，電機驅動與測距模塊的詳細說明，各個設備之間的電源供給情況，以及模塊的電路圖簡單說明與整體的電路圖設計。第4章我們主要講到的是單片機的軟件編程，路由器的軟件安裝與選擇，Android控制端的軟件設計等,在路由器中通過lua腳本、stty串口軟件等配合控制單片機。第5章我們主要講到的是軟件與硬件的測試與調試，以及在在調試過程中的問題解決。第2章 系統方案選擇與總體設計 設計任務 本設計主要是通過無線網絡或者遠程連接WiFi小車實現小車的前進、后退、轉彎、監控視頻采集、其他數據的采集以及前方距離探測等功能。本設計要求通過web瀏覽器端進行控制。 1. 實現pc端、手機與小車wifi的連接。 2. 能夠通過web網頁對小車進行實時控制。 設計中考慮到的問題1. 由于設計中的小車底層硬件控制是通過單片機控制，單片機與無線模塊的通信如何實現，啟動設備時如何初始化。2. 如果前方有障礙物時小車行駛速度太快，如何避免撞到前方障礙物，以及小車如何轉彎時角度的測量與小車當前方向。3. 各元件之間額定電壓與電流各不相同如何控制各元件電壓與電流的供給以及整個系統電源的穩定性。4. 由于單片機IO口的電流為mA級的，無法直接驅動電機，如何進行電機的驅動。，選擇何種協議進行通信，在軟件設計方面如何實現不同手機設備之間的兼容性。 系統方案的選擇與比較1. 通過設計任務及要求，設計前考了到的問題等，在網上搜索大量資料提煉出以下幾種設計方案。方案一：選擇網上最典型的且容易上手的TP—LINK WR703N無線路由器作為wifi小車的wifi通信模塊，使用51系列單片機作為wifi小車的底層控制芯片。該方案路由器功耗小相關資料齊全。方案二：選擇網上比較耗電功率大性能較好的大亞db120wg無線路由器作為wifi小車的wifi通信模塊，使用STC11F02F單片機（核心為8051）作為wifi小車的底層控制芯片，需要電源穩定容量大。方案三：網上購買直接與單片機相連的wifi控制模塊作為wifi小車的通信模塊。使用近幾年出現的開源硬件arduino單片機作為wifi小車的底層控制芯片，缺點是要求單片機性能較高、成本高，需要編寫大量的驅動程序，設計復雜，優點無線設備與單片機聯系緊密且之間通信較好。2. 通過上述方案的比較以及我們對于成本制作性的考慮設計出方案四，下面為方案四的選件理由方案四：我們選擇TPLINK WR703N無線路由器，特點是功耗小性能比較強大，相關資料齊全，不需要編寫大量的驅動程序；wifi小車的控制芯片我們選擇Arduino Uno單片機，特點是：Arduino系列的單片機為開源硬件，相關硬件軟件資源齊全，單片機燒寫容易，無需其他的編碼器下載器等，而且Arduino IDE中工具可以通過圖形界面進行編程。 總體設計方案Wifi智能小車包含的模塊有：wifi模塊、電機驅動模塊、單片機控制模塊、攝像頭模塊、超聲波測距模塊、光電測速模塊、舵機模塊等構成。 整體系統系統整體設計方案如下圖21攝像頭路由器Pc/android端測速模塊舵機模塊攝像頭燈光電機驅動Arduino Uno R3編碼器電機超聲波感應圖21 方案設計圖項目系統包括路由器、Arduino Uno單片機、電機驅動電路、電機、電平轉換電路、光感測速電路、舵機電路、電源電路、攝像頭、攝像頭燈光電路，超聲波感應電路等。路由器用于接收PC或手機等終端設備發來的指令和將采集到的視頻信號傳送到pc或手機登終端設備；Arduino Uno R3單片機是整個小車的控制核心，控制著各個模塊統一協調工作；電機驅動電路用于驅動電機轉動，可以使電機產生正轉、反轉，從而使車體產生前進、后退、轉彎等動作；電機的作用就是使整個車體運動；；電源電路作用是為整個小車系統供電；攝像頭用于采集視頻信號；攝像頭燈光電路通過單片機控制調節燈光亮度方便為小車在夜間行駛提供照明；超聲波感應電路用于防止小車行駛速度過快撞到前方物體以及測量前方障礙物距離；光感測速電路用于測量小車左右輪胎的差速，防止小車不能正確向前行駛；舵機電路用于控制攝像頭的旋轉方向。 整體工作原理指令傳送，由pc等終端，通過WIFI無線網絡連接到路由器，再通過web網頁向路由器發送控制命令及數據。路由器接收到數據后通過內部的串口發送軟件，將接收到的命令和數據通過路由器串口發送到Arduino Uno單片機的串口端，單片機接收到這些命令后執行相應的指令，如：驅動小車運動、調節照明燈光電路、調節小車行駛等。信息采集，通過測速模塊測量行駛速度，超聲波感應測量前方距離、舵機等獲取到數據傳輸給單片機，再由單片機通過串口發送給路由器，再由路由器將這些數據與視頻信息，發送到pc或手機終端，并在其應用軟件中顯示攝像頭采集到的視頻信號和行駛速度等信息。第3章 硬件介紹及設計 Arduino Uno R3 單片機系統Arduino是一個能夠用來感應和控制現實物理世界的一套工具。它由一個基于單片機并且開放源碼的硬件平臺，和一套為Arduino板編寫程序的開發環境組成。準確的說Arduino是一塊簡單、方便的以AVR單片機為核心的GPIO接口板，并可以通過USB接口和電腦通信。它基于開放的源代碼編程，具有使用類似Java,C語言的IDE集成開發環境