基于Android系统控制的多功能小车系统设计

黄 莺

(柳州铁道职业技术学院 电子技术学院，广西 柳州 545616)

微电机技术、网络技术、计算机技术和嵌入式技术不断地高速发展，使得生产和管理进入了自动化、智能化和网络化时代。为了解决生产和管理中操作控制复杂的问题，适应社会新管理和控制要求，提高劳动者工作效率，嵌入式多功能小车无疑是一种高效率的工具。多功能小车由于行动模式比较简单，被广泛应用于生产、生活和救援中。目前，小车系统实现的功能大多数只有自动循迹、自动避障、测距等功能，功能较单一、集成度不高;部分小车可实现红外、无线和蓝牙控制，但缺乏远程数据传输、存储和控制;在小车行走路径引导中采用CCD摄像头传感器获取道路信息，图像信息丰富，但由于使用单片机处理，导致数据处理能力不强，图像分析速度慢、分析结果精度较低;尤其是在无人能达的恶劣环境下工作时，远程的控制几乎不可能实现［1－2］。由于智能手机的便携性和普及性，使得手机在各个领域中得到广泛应用。基于此原因，本文以小车为控制装置，采用STC公司的IAP15F2K61S2单片机为处理器核心，借助智能手机处理速度快、存储容量大的特点，该小车依托Android平台，结合各种传感器和云台摄像头，搭配WiFi无线网络传输模块，设计了嵌入式多功能小车，具有自动循迹、自动避障、手机控制、码盘测速、无线图像传输和处理等功能，使小车功能更丰富，在恶劣环境下也能实现数据信息的采集。

1 多功能小车的结构

多功能小车车体采用四轮结构，在四个步进电机驱动下采用差动方式转向，利用左右电机的速度差控制小车的前进、后退、左转、右转;使用光电传感器电路板实现小车循迹;核心板与WiFi转串口模块连接，实现小车与上位机的数据通信和云台摄像头的图像传输;小车的前面安装有功能板，功能板上安装有光强传感器、超声波传感器，实现光强测量、距离测量和障碍物的检测。上位机控制软件采用Android平台，在谷歌第二代NEXUS 7平板安装监控软件，用于给小车发送工作命令，接收小车发送回来的图像、数据，进行处理和存储，并显示所有的数据信息。具体结构如图1所示。

图1 多功能小车结构框图

2 多功能小车的电路设计

2.1 嵌入式单片机模块

嵌入式单片机采用STC公司生产的IAP15F2K61S2型号。该单片机是增强型8051处理器，运行速度快，内置61 kB FLASH程序存储器和2048 B的SRAM、EEPROM，兼容MSC－51单片机系列，支持ISP/IAP功能，内部时钟频率5～35 MHz，内置8通道10位高速ADC和3通道捕获/比较单元，各种接口齐全，方便扩展。

2.2 循迹传感器模块

循迹采用的是检测黑线的方法，本模块采用的是8个红外传感器来检测黑线。当红外传感器检测到黑线时，红外光被吸收，安装在小车上的红外接收管接收不到信号，红外传感器电路板上的LED灯灭，当检测不到黑线时，红外管接收到反射回来的红外光，输出低电平，红外传感器电路板上的LED灯亮;通过检测IO口的信号，根据IO口的信号来判定小车是否处于黑色线上或小车是否偏离黑线，并以此信号对小车进行调整。具体电路如图2所示。

图2 循迹传感器电路图

传感器的安装:本模块采用的是8个相同光电传感器，第4、5个传感器处于黑线上，黑线两边各安装3个。在调整灵敏度时，黑线两边的红外传感器的灵敏度要稍高，第4、5个传感器的灵敏度要稍低，这样有利于循迹过程中当小车偏离黑线时能进行更好的调整。

2.3 电机驱动模块

多功能小车采用四个步进电机作为小车驱动电路，电机采用的是H型桥路驱动电路，采用UL2003、L298芯片驱动步进电机工作;采用PWM技术实现对小车的调速，利用左右电机的速度差实现转向。电路实现简单，控制方便，调速范围大。由于电机驱动模块的驱动芯片需要较大电流，因此，电机驱动模块与单片机连接的引脚需设置成推挽输出，PCA模块0－2全部设置为8位PWM模式。

2.4 码盘测速测距和超声波模块

图3中的T1是超声波的发射探头，由TRIG控制是否发送指令，T2是超声波的接收探头，接收到的脉冲数据送入单片机的外部中断入口进行计数，同时设置内部定时器/计数器T0处于定时模式，用于计算从发射数据到接收数据的时间差，再根据公式2S=VT求得距离S=VT/2=172T，其中V是声波速度，取344 m/s，T 为时间差［3］。

图3 码盘测速测距电路原理图

多功能小车采用的是光电码盘式转速传感器，通过测量脉冲的方式求得距离和速度。具体的电路如图3所示。使用外部的中断0对光电码盘的脉冲个数进行计数，计数变量为MP，然后通过MP的个数计算出小车行进的距离，进而可以求得速度。经测知，小车的车轮直径为6.5 cm，车轮走一圈的周长为20.41 cm，使用示波器测得小车走一圈，MP数为152个，因此小车每行走1 cm，MP数量约为7。程序中可以根据MP个数来计算小车所走过的距离，把距离除以时间就可计算速度。

2.5 光强传感器模块

光强传感器模块采用的是光强传感器BH1750FVI，具有良好的光谱灵敏度、16 bit串行数据输出。光强传感器BH1750FVI是数字照度传感器，其与单片机的连接只需3个I/O口，使用I2C通讯协议实现与单片机的数据通讯［4］。具体连接电路如图4所示。

2.6 WiFi模块

WiFi模块设置成服务器模式，协议通信设置为TCP，端口统一设置为60000，IP地址可以根据需要设定。WiFi模块通过串口方式与单片机连接，WiFi模块的WiFi_RX接到单片机的TXD，WiFi_TX接到单片机的RXD。云台摄像头配置和小车上的WiFi模块一一对应，开启摄像头和小车WiFi，摄像头自动连接WiFi。WiFi模块具体电路连接如图5所示。

3 系统的软件设计

3.1 下位机程序设计

多功能小车底层驱动程序主要由小车循迹程序、超声波测距、光强检测、码盘测距程序等组成。

主程序的工作流程具体是:系统通电后，单片机进行初始化，云台摄像头进行自检，与WiFi模块进行网络连接，连接成功后就进入等待接收上位机发送过来的字符，再根据指令作出相应的操作，处理结束后，就把相应的数据信息通过串口转WiFi模块发送到上位机进行处理和存储，以备查用，如图6所示。

图4 光强传感器电路图

图5 WiFi模块电路图

字符代表小车功能操作具体如表1所示。

图6 下位机工作流程图

表1 上位机与单片机通信字符控制表

3.1.1 循迹程序设计

循迹主要是依据循迹传感器模块采集的IO信息来确定的。在小车运行过程，单片机对小车各种状态进行分析，不同状态下给予不同程序的调整。小车在行走的过程中，经分析共有10种状态，具体的状态如表2所示。

表2 小车循迹控制表

根据上述10种状态，利用左右电机的速度差实现小车动作。具体循迹流程如图7所示。

3.1.2 超声波测距程序

程序中使用外部中断2和定时器/计数器T0配合共同完成超声波测距功能。当小车接收到平板电脑发送的测距指令时，单片机P35置成高电平，同时启动定时器/计数器T0，超声波发射出去，超声波在传播过程中碰到障碍物就立即返回来，当接收头接收到数据，即外部中断2发生中断，关闭定时器T0和关闭外部中断，接着进行中断处理，计算定时器T0的数值参数为wavaVal，然后调用距离计算函数并进行处理，向上位机传送数据，定时器时间差wavaVal=TH0*256+TL0，距离计算流程图如图8所示。

图7 小车循迹流程图

图8 超声波测距流程图

3.1.3 光强检测程序

光强检测采用的是BH1750芯片，与单片机的3个IO口连接就可以正常工作(SCL、SDA和ADDR分别接单片机的P14、P15和P42)。BH1750与单片机的通信使用是标准的I2C通讯协议，单片机通过I2C接口向BH1750发送各种控制命令并读取测量数据，然后对数据进行转换处理，向上位机传送数据。

3.1.4 码盘测距程序

使用外部的中断0对光电码盘的脉冲个数进行计数MP，然后通过MP的个数计算出小车行进的距离，进而可以求得速度。外部中断0的具体实现如下:void exint0()interrupt 0{MP++;}。然后再根据MP的数值计算小车前进距离，比如要使小车前进30 cm就停止，根据前文公式可以求得MP为223。实现码盘测距伪代码如下:

Begin

等待中断，并对MP进行计数

If G_Flag并且MP＞223

则0→G_Flag并且调用STOP函数

End

其中G_Flag是小车前进的标志位，STOP代表的是让小车停止。

3.2 上位机程序设计

Android操作系统是一个自由、开源的系统，具有资源丰富的特点，广泛应用于便携设备中，具有广阔的应用前景［5］。上位机是在Eclipse开发软件下结合SDK进行开发的。上位机主要有WiFi连接功能、按钮控制、数据显示等功能。上位机通过WiFi连接功能与小车上的WiFi模块进行连接，通过WiFi网络向下位机发送相应的控制字符命令，下位机接收到此控制字符命令后进行验证并返回一个数值，上位机根据数值判定连接是否成功。连接成功后点击上位机监控软件中的按钮，通过WiFi网络向下位机发送相应的控制命令，下位机接收到控制命令并解析后会执行相应的操作，实现对小车的控制，在进行控制的同时向上位机发送数据信息和状态信息，上位机对数据信息和状态信息进行处理并显示、保存［6－7］。具体工作流程如图9所示。

图9 上位机工作流程图

对于上位机通过WiFi网络向下位机发送“photo”命令，下位机接收到此命令后通过WiFi模块向云台摄像头发送拍照命令，云台摄像头拍照成功后会通过WiFi模块向上位机无线发送图片，并完成图片颜色识别同时把处理结果向下位机发送，以实现对小车的控制。颜色识别过程可以描述为:先获取图片得到图片的宽和高，判定图片上各点的像素值，接着对像素进行分离得到RGB的值，再对RGB进行判定，如果R像素比较多，就判断为红色，如果G像素比较多，就判断为绿色，否则就判断为蓝色。

4 小车功能测试和结论

图10 平板控制软件运行图

测试前先使用下载线把下位机程序下载至下位机单片机中，把小车放到指定的赛道上。通过安装在平板电脑上的软件，点击相应的按钮，可以发送相应的命令实现小车的前进、倒退、左转、右转、停止、高速、中速、低速、拍照、颜色识别和测距等功能。平板电脑软件运行效果图如图10所示，小车实物图如图11所示。

图11 小车实物运行图

4.1 测试方法与结果

点击上位机的“循迹”，“前进”，“倒退”，“左转”，“右转”，“停车”，选择“速度档”中“高速”、“中速”、“低速”，“倒车”，“拍照”，“颜色识别”等按钮100次，观察小车运动控制的情况，计算出准确率。点击“摄像头”按钮一次，摄像头会转动90°，再按一次，摄像头会旋转到初始角度，重复这样的过程100次，观察摄像头旋转的准确率。

具体功能测试结果如表3所示。

表3 测试情况表

4.2 测试结论与分析

测试结果表明，点击上位机的“循迹”，“前进”，“倒退”，“左转”，“右转”，“停车”，选择“速度档”中“高速”、“中速”、“低速”，“倒车”，“拍照”，“颜色识别”和“摄像头”等按钮，系统都能正确执行相应的功能，准确率都在95%以上。经过分析，由于平板电脑与小车上的WiFi模块网络连接偶尔会断线，导致无法控制小车运动;颜色识别准确率则是与摄像头拍摄图片的距离有一定关系，距离过近，拍摄的图片易出现色差，导致颜色识别准确率降低。总之，本文设计的运用Android系统控制的多功能小车系统，具有良好的操控性和实用性，小车工作稳定，界面直观友好，实时性较好。

［1］葛广军，杨帆.基于单片机的智能小车控制系统设计［J］.河南城建学院学报，2011(3):47－50.

［2］孙青.基于嵌入式控制系统的自动导引小车设计与实现［D］.南京理工大学，2010.

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［4］王建，毛腾飞，陈英革.基于BH1750芯片的测光系统设计与实现［J］.常熟理工学院学报，2011，25(2):117－120.

［5］徐诚.零点起飞学Android开发［M］.北京:清华大学出版社，2013:2－3.

［6］朱丹峰，葛主冉，林晓雷.基于Android平台的无线遥控智能小车［J］.电子器件，2013，36(3):408－412

［7］林长青，成海量.基于Android系统和蓝牙通信的手机遥控车设计［J］.山西电子技术，2012(3):56－58.