【正文】 呼倫貝爾學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院本科生畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題 目： 基于Arduino控制的 WIFI智能小車(chē) 學(xué)生姓名： 苑 偉 學(xué) 號(hào)： 2011121138 專業(yè)班級(jí)：2011級(jí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)一班 指導(dǎo)教師： 陶銳 完成時(shí)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(tǒng)方案選擇與總體設(shè)計(jì) 3 設(shè)計(jì)任務(wù) 3 設(shè)計(jì)中考慮到的問(wèn)題 3 系統(tǒng)方案的選擇與比較 3 總體設(shè)計(jì)方案 4 4 整體工作原理 5第3章 硬件介紹及設(shè)計(jì) 6 Arduino Uno R3 單片機(jī)系統(tǒng) 6 概要 6 7 Arduino Uno最小系統(tǒng)[3] 9 Arduino Uno R3單片機(jī)系統(tǒng)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路 18 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用 18 19 攝像頭介紹 20 攝像頭簡(jiǎn)介 21 攝像頭的分類 21 21 21 測(cè)速傳感器 22 22 測(cè)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(tǒng)整體設(shè)計(jì) 27第4章 系統(tǒng)軟件安裝及設(shè)計(jì) 28 28 28 28 29 29 控制小車(chē)程序流程圖 30 32 33 34 34 程序設(shè)計(jì)及流程圖 35第5章 系統(tǒng)調(diào)試及問(wèn)題解決 37 系統(tǒng)仿真 37 常用軟件介紹 37 仿真測(cè)試 38 38 測(cè)速模塊的調(diào)試及問(wèn)題解決 38 攝像頭調(diào)試及問(wèn)題解決 39 軟件設(shè)計(jì)問(wèn)題及調(diào)試 40 40 42第6章 總結(jié) 44參考文獻(xiàn)： 45致謝 46附錄1元器件明細(xì)表 47附錄2 單片機(jī)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(shè)計(jì)wifi智能小車(chē)主要采用Arduino作為底層硬件控制核心，接收來(lái)自路由器的指令執(zhí)行相關(guān)操作；采用PWM脈沖調(diào)節(jié)小車(chē)速度、舵機(jī)控制以及燈光亮度；采用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)小車(chē)數(shù)據(jù)的發(fā)送、小車(chē)的避障及計(jì)算小車(chē)的行駛速度；運(yùn)用簡(jiǎn)單的PID算法實(shí)現(xiàn)輪胎直接的差速控制；采用路由器發(fā)射無(wú)線wifi，使用Lua腳本實(shí)現(xiàn)了接收單片機(jī)數(shù)據(jù)及發(fā)送操作指令，設(shè)計(jì)了web頁(yè)面控制小車(chē)的B/S模式結(jié)構(gòu)。關(guān)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(jì)是一個(gè)遍布智能化設(shè)備的時(shí)代，我們身邊充滿了各式各樣的智能化設(shè)備，智能電視，智能冰箱，智能洗衣機(jī)等，然而這些設(shè)備都離不開(kāi)嵌入式系統(tǒng)與單片機(jī)系統(tǒng)。并且現(xiàn)如今又出現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)這一個(gè)概念使得無(wú)線控制、無(wú)線傳輸變的更加火熱，因此物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)是我們說(shuō)有設(shè)備之間連接通信不可缺少的一部分。也許有人會(huì)問(wèn)什么是物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時(shí)代的重要發(fā)展階段。[9]英文名稱：“Internet of things（IoT）”。物聯(lián)網(wǎng)是物與物相連的互聯(lián)網(wǎng)。它的兩種含義:一 、物聯(lián)網(wǎng)其實(shí)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，只是互聯(lián)網(wǎng)的一種延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；二、其用戶互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)伸展到了任何物品與物品之間，并且進(jìn)行信息交互和通信，這可以稱為物物相息了。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)各種通信感知技術(shù)（智能感知、識(shí)別技術(shù)、普適計(jì)算）廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中，也被稱為繼計(jì)算機(jī)。對(duì)于我們的家庭設(shè)備來(lái)說(shuō)物聯(lián)網(wǎng)的核心設(shè)備與出口就是路由器，而路由器的系統(tǒng)Openwrt更是這個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制的主腦設(shè)備。 Openwrt是一個(gè)嵌入式的Linux體統(tǒng)，它的特點(diǎn)是高度自動(dòng)化、模塊化，并且擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)組件與擴(kuò)展性。在智能家居、小型機(jī)器人、工控設(shè)備、VOIP設(shè)備及路由器中通?？梢砸?jiàn)到它的身影。如果對(duì)Linux體統(tǒng)有一定的了解，對(duì)于想學(xué)習(xí)嵌入式Linux的人來(lái)說(shuō)openwrt是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。它的好處在于對(duì)于開(kāi)發(fā)人員，OpenWrt 擁有完整的框架來(lái)構(gòu)建應(yīng)用程序，并且無(wú)需建立一個(gè)固件來(lái)支持，同時(shí)還支持很多種不同芯片的路由器以及源碼開(kāi)放；對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，可以完全制定想要的功能，互聯(lián)網(wǎng)上提供很多應(yīng)用程序，可以以不一樣的方式玩轉(zhuǎn)設(shè)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(shè)備。對(duì)于現(xiàn)代的智能設(shè)備來(lái)說(shuō)遠(yuǎn)程無(wú)線遙控已成為一種趨勢(shì)，我們可以通過(guò)遠(yuǎn)程遙控家里的電源開(kāi)關(guān)，網(wǎng)絡(luò)攝像頭，空調(diào)等。在軍用方面我們可以通過(guò)遠(yuǎn)程遙控?zé)o人偵察機(jī)查看軍情，可以遙控智能機(jī)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(dāng)我們出門(mén)在外時(shí)家里缺少一位智能管家，他可以監(jiān)控管理我們的房屋及家具設(shè)備，而他的前身就是由WiFi智能小車(chē)，WiFi智能機(jī)器人發(fā)展而來(lái)。同時(shí)其他的遠(yuǎn)程遙控設(shè)備，如無(wú)人機(jī)，智能機(jī)器人及其他遠(yuǎn)程智能設(shè)備都離不開(kāi)單片機(jī)，無(wú)線模塊等設(shè)備。而wifi智能小車(chē)的研究可以學(xué)習(xí)了解到這些技術(shù)，同時(shí)通過(guò)wifi小車(chē)的精準(zhǔn)控制等研究可以也可以運(yùn)用到其他的遠(yuǎn)程設(shè)備上。wifi小車(chē)可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的室外的遠(yuǎn)程監(jiān)控，使得網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控更加靈活。 論文論述本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)通過(guò)攝像頭遠(yuǎn)程監(jiān)控周?chē)h(huán)境，對(duì)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，系統(tǒng)要求控制靈活、可靠、精準(zhǔn)度高、可實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的連接與通信。本系統(tǒng)采用的單片機(jī)是Arduino Uno。它是Arduino USB接口系列的最新版本，作為Arduino平臺(tái)的參考標(biāo)準(zhǔn)模板。UNO的處理器核心是ATmega328，同時(shí)具有14路數(shù)字輸入/輸出口（其中6路可作為PWM輸出），6路模擬輸入，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，一個(gè)USB口，一個(gè)電源插座，一個(gè)ICSP header和一個(gè)復(fù)位按鈕。ATmega328內(nèi)置的UART可以同數(shù)字口0（RX）和1（TX）與外部實(shí)現(xiàn)串口通信。14路數(shù)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(shù)字口2號(hào)和3號(hào)，觸發(fā)條件為上升沿、下降沿或同時(shí)觸發(fā)。由于Arduino Uno R3 的性能滿足wifi小車(chē)的數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)間精度的要求，而且產(chǎn)品為開(kāi)源硬件提供相當(dāng)完善的硬件結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品來(lái)源豐富應(yīng)，用也相當(dāng)成熟，是一款適合大學(xué)生學(xué)習(xí)研究的性價(jià)比很高的產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)中要研究的內(nèi)容是基于Arduino開(kāi)源硬件及WR703N路由器設(shè)計(jì)的一部wifi智能小車(chē)。小車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)前方物體自動(dòng)避障，超聲波車(chē)輛距離，無(wú)線視頻監(jiān)控，小車(chē)差速控制，攝像頭燈光控制等。Wifi智能小車(chē)系統(tǒng)包括了兩路電機(jī)、兩個(gè)光電測(cè)試模塊、Arduino單片機(jī)控制板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、超聲波測(cè)速模塊、無(wú)線路由器、usb燈光攝像頭等硬件設(shè)備。本項(xiàng)目主要論述的是wifi小車(chē)設(shè)計(jì)方案的選擇、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及測(cè)試方法等。在第2章我們主要涉及到的內(nèi)容就是系統(tǒng)方案的整體設(shè)計(jì)與選擇，以及選擇這種方案的原因與優(yōu)缺點(diǎn)；第3章我們主要講到的是單片機(jī)的詳細(xì)電氣特性，各個(gè)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(jī)驅(qū)動(dòng)與測(cè)距模塊的詳細(xì)說(shuō)明，各個(gè)設(shè)備之間的電源供給情況，以及模塊的電路圖簡(jiǎn)單說(shuō)明與整體的電路圖設(shè)計(jì)。第4章我們主要講到的是單片機(jī)的軟件編程，路由器的軟件安裝與選擇，Android控制端的軟件設(shè)計(jì)等,在路由器中通過(guò)lua腳本、stty串口軟件等配合控制單片機(jī)。第5章我們主要講到的是軟件與硬件的測(cè)試與調(diào)試，以及在在調(diào)試過(guò)程中的問(wèn)題解決。第2章 系統(tǒng)方案選擇與總體設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)任務(wù) 本設(shè)計(jì)主要是通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)或者遠(yuǎn)程連接WiFi小車(chē)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、監(jiān)控視頻采集、其他數(shù)據(jù)的采集以及前方距離探測(cè)等功能。本設(shè)計(jì)要求通過(guò)web瀏覽器端進(jìn)行控制。 1. 實(shí)現(xiàn)pc端、手機(jī)與小車(chē)wifi的連接。 2. 能夠通過(guò)web網(wǎng)頁(yè)對(duì)小車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。 設(shè)計(jì)中考慮到的問(wèn)題1. 由于設(shè)計(jì)中的小車(chē)底層硬件控制是通過(guò)單片機(jī)控制，單片機(jī)與無(wú)線模塊的通信如何實(shí)現(xiàn)，啟動(dòng)設(shè)備時(shí)如何初始化。2. 如果前方有障礙物時(shí)小車(chē)行駛速度太快，如何避免撞到前方障礙物，以及小車(chē)如何轉(zhuǎn)彎時(shí)角度的測(cè)量與小車(chē)當(dāng)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(gè)系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性。4. 由于單片機(jī)IO口的電流為mA級(jí)的，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，如何進(jìn)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。，選擇何種協(xié)議進(jìn)行通信，在軟件設(shè)計(jì)方面如何實(shí)現(xiàn)不同手機(jī)設(shè)備之間的兼容性。 系統(tǒng)方案的選擇與比較1. 通過(guò)設(shè)計(jì)任務(wù)及要求，設(shè)計(jì)前考了到的問(wèn)題等，在網(wǎng)上搜索大量資料提煉出以下幾種設(shè)計(jì)方案。方案一：選擇網(wǎng)上最典型的且容易上手的TP—LINK WR703N無(wú)線路由器作為wifi小車(chē)的wifi通信模塊，使用51系列單片機(jī)作為wifi小車(chē)的底層控制芯片。該方案路由器功耗小相關(guān)資料齊全。方案二：選擇網(wǎng)上比較耗電功率大性能較好的大亞db120wg無(wú)線路由器作為wifi小車(chē)的wifi通信模塊，使用STC11F02F單片機(jī)（核心為8051）作為wifi小車(chē)的底層控制芯片，需要電源穩(wěn)定容量大。方案三：網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)直接與單片機(jī)相連的wifi控制模塊作為wifi小車(chē)的通信模塊。使用近幾年出現(xiàn)的開(kāi)源硬件arduino單片機(jī)作為wifi小車(chē)的底層控制芯片，缺點(diǎn)是要求單片機(jī)性能較高、成本高，需要編寫(xiě)大量的驅(qū)動(dòng)程序，設(shè)計(jì)復(fù)雜，優(yōu)點(diǎn)無(wú)線設(shè)備與單片機(jī)聯(lián)系緊密且之間通信較好。2. 通過(guò)上述方案的比較以及我們對(duì)于成本制作性的考慮設(shè)計(jì)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(wú)線路由器，特點(diǎn)是功耗小性能比較強(qiáng)大，相關(guān)資料齊全，不需要編寫(xiě)大量的驅(qū)動(dòng)程序；wifi小車(chē)的控制芯片我們選擇Arduino Uno單片機(jī)，特點(diǎn)是：Arduino系列的單片機(jī)為開(kāi)源硬件，相關(guān)硬件軟件資源齊全，單片機(jī)燒寫(xiě)容易，無(wú)需其他的編碼器下載器等，而且Arduino IDE中工具可以通過(guò)圖形界面進(jìn)行編程。 總體設(shè)計(jì)方案Wifi智能小車(chē)包含的模塊有：wifi模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、單片機(jī)控制模塊、攝像頭模塊、超聲波測(cè)距模塊、光電測(cè)速模塊、舵機(jī)模塊等構(gòu)成。 整體系統(tǒng)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案如下圖21攝像頭路由器Pc/android端測(cè)速模塊舵機(jī)模塊攝像頭燈光電機(jī)驅(qū)動(dòng)Arduino Uno R3編碼器電機(jī)超聲波感應(yīng)圖21 方案設(shè)計(jì)圖項(xiàng)目系統(tǒng)包括路由器、Arduino Uno單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)、電平轉(zhuǎn)換電路、光感測(cè)速電路、舵機(jī)電路、電源電路、攝像頭、攝像頭燈光電路，超聲波感應(yīng)電路等。路由器用于接收PC或手機(jī)等終端設(shè)備發(fā)來(lái)的指令和將采集到的視頻信號(hào)傳送到pc或手機(jī)登終端設(shè)備；Arduino Uno R3單片機(jī)是整個(gè)小車(chē)的控制核心，控制著各個(gè)模塊統(tǒng)一協(xié)調(diào)工作；電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，可以使電機(jī)產(chǎn)生正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)，從而使車(chē)體產(chǎn)生前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作；電機(jī)的作用就是使整個(gè)車(chē)體運(yùn)動(dòng)；；電源電路作用是為整個(gè)小車(chē)系統(tǒng)供電；攝像頭用于采集視頻信號(hào)；攝像頭燈光電路通過(guò)單片機(jī)控制調(diào)節(jié)燈光亮度方便為小車(chē)在夜間行駛提供照明；超聲波感應(yīng)電路用于防止小車(chē)行駛速度過(guò)快撞到前方物體以及測(cè)量前方障礙物距離；光感測(cè)速電路用于測(cè)量小車(chē)左右輪胎的差速，防止小車(chē)不能正確向前行駛；舵機(jī)電路用于控制攝像頭的旋轉(zhuǎn)方向。 整體工作原理指令傳送，由pc等終端，通過(guò)WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接到路由器，再通過(guò)web網(wǎng)頁(yè)向路由器發(fā)送控制命令及數(shù)據(jù)。路由器接收到數(shù)據(jù)后通過(guò)內(nèi)部的串口發(fā)送軟件，將接收到的命令和數(shù)據(jù)通過(guò)路由器串口發(fā)送到Arduino Uno單片機(jī)的串口端，單片機(jī)接收到這些命令后執(zhí)行相應(yīng)的指令，如：驅(qū)動(dòng)小車(chē)運(yùn)動(dòng)、調(diào)節(jié)照明燈光電路、調(diào)節(jié)小車(chē)行駛等。信息采集，通過(guò)測(cè)速模塊測(cè)量行駛速度，超聲波感應(yīng)測(cè)量前方距離、舵機(jī)等獲取到數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，再由單片機(jī)通過(guò)串口發(fā)送給路由器，再由路由器將這些數(shù)據(jù)與視頻信息，發(fā)送到pc或手機(jī)終端，并在其應(yīng)用軟件中顯示攝像頭采集到的視頻信號(hào)和行駛速度等信息。第3章 硬件介紹及設(shè)計(jì) Arduino Uno R3 單片機(jī)系統(tǒng)Arduino是一個(gè)能夠用來(lái)感應(yīng)和控制現(xiàn)實(shí)物理世界的一套工具。它由一個(gè)基于單片機(jī)并且開(kāi)放源碼的硬件平臺(tái)，和一套為Arduino板編寫(xiě)程序的開(kāi)發(fā)環(huán)境組成。準(zhǔn)確的說(shuō)Arduino是一塊簡(jiǎn)單、方便的以AVR單片機(jī)為核心的GPIO接口板，并可以通過(guò)USB接口和電腦通信。它基于開(kāi)放的源代碼編程，具有使用類似Java,C語(yǔ)言的IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境