公路極端天氣無(wú)人引導(dǎo)車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

I第1章引言高速公路如若發(fā)生重大交通事故往往是死亡事件，對(duì)家庭和社會(huì)破壞巨大。而惡劣天氣往往是導(dǎo)致重大事故的誘因。全方位考量交通運(yùn)行規(guī)律，在符合自然規(guī)律的前提下協(xié)同整合數(shù)據(jù)，時(shí)刻思考有效減小惡劣天氣下交通事故發(fā)生的方式方法，三位一體的保障廣大司機(jī)和乘車人員安全是確保道路運(yùn)輸行業(yè)良性發(fā)展的要?jiǎng)?wù)。作為高速公路運(yùn)營(yíng)公司必須首先考量和重點(diǎn)考量。目前，大部分的預(yù)警措施，以確保車輛在惡劣天氣的安全在中國(guó)依靠手工自我認(rèn)同的道路條件的信息或數(shù)據(jù)收集的氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備，然后通知車主通過手工發(fā)布的信息。由于各種客觀條件的限制，這些方法存在著滯后性。研究表明，由于惡劣的天氣導(dǎo)致的一些路況，駕駛員在同樣的駕駛條件中，會(huì)有相同的駕駛行為。然而，不僅是司機(jī)視線的限制，車輛在路面的附著系數(shù)也會(huì)大大降低，車輛非常容易超過車道在車道上失去控制，發(fā)生一些事故，所以說降低車速非常有助于在車輛行駛時(shí)提高車輛的穩(wěn)定性。通過開發(fā)安全氣象預(yù)警系統(tǒng)和附近的預(yù)測(cè)服務(wù)系統(tǒng)，可以提前讓車主知道公路上的情況，讓車主做好一系列的準(zhǔn)備，控制車速，將惡性交通事故降到最低。目前我國(guó)的公路建設(shè)發(fā)展快速，承載著交通運(yùn)輸中樞的重大使命，特別是高速公路。高速公路因車流量大、行駛速度快以及其自身全封閉、全立交的特點(diǎn)，要求車輛不得任意減速和停車，所以，一遇到團(tuán)霧（霾）、暴雨、冰雪、濕滑路面等惡劣天氣環(huán)境，就極有可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致發(fā)生多車連續(xù)追尾的重特大交通事故。其中，高速公路上發(fā)生的惡性交通事故中，多由極端天氣引發(fā)。而在我國(guó)，極端天氣發(fā)生頻率最高的是在冬季。因?yàn)槎韭访鏈囟容^低，水汽容易凝結(jié)成霧，使得能見度變差，極易引發(fā)交通事故。本次的設(shè)計(jì)是公路極端天氣無(wú)人引導(dǎo)車系統(tǒng)設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)旨在讓司機(jī)和乘客能夠在極端天氣不出汽車的情況下，就能夠?qū)崟r(shí)的知道路況的車流信息，了解當(dāng)前路況的環(huán)境，自動(dòng)對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并在感知到惡劣天氣的時(shí)候發(fā)出提醒，實(shí)時(shí)導(dǎo)出系統(tǒng)的GPS定位信息，其目的是為了讓人們?cè)跇O端天氣出行的時(shí)候更加安全，有著比較強(qiáng)的研究意義。第2章研究現(xiàn)狀2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)代化極端天氣無(wú)人引導(dǎo)車，它最初是通過美國(guó)科學(xué)家進(jìn)行設(shè)計(jì)的。經(jīng)過第二次世界大戰(zhàn)以后，由于第二次世界大戰(zhàn)需要更多的極端天氣引導(dǎo)系統(tǒng)來引導(dǎo)士兵進(jìn)行戰(zhàn)斗，所以出現(xiàn)了不同程度的以及不同功能的操作，無(wú)人引導(dǎo)車主要是用來收集天氣信息，根據(jù)天氣信息自動(dòng)分發(fā)系統(tǒng)，所以在此基礎(chǔ)上根據(jù)智能化無(wú)人引導(dǎo)機(jī)器以及設(shè)備的需求，而且伴隨著科技水平的提高，不同的極端天氣無(wú)人引導(dǎo)車系統(tǒng)也應(yīng)用到戰(zhàn)場(chǎng)上，極端天氣無(wú)人引導(dǎo)車系統(tǒng)主要勘察前方的天氣情況，在各種危險(xiǎn)任務(wù)中執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，隨著科技水平的不斷提高，無(wú)人引導(dǎo)車技術(shù)也在不斷地發(fā)展，而且它的技術(shù)水平也在達(dá)到了相應(yīng)的高度，尤其是一些西方發(fā)達(dá)國(guó)家通過智能化極端天氣無(wú)人引導(dǎo)車技術(shù)來實(shí)現(xiàn)科技水平的整體提高，也是科技水平處于世界前沿的地列。所以這些國(guó)家都在一直發(fā)展智能化無(wú)人引導(dǎo)車系統(tǒng)根據(jù)其功能而衍生出了其他的一些更多的控制方式。軍用技術(shù)最重要的是就是轉(zhuǎn)化成民用技術(shù)，用于造福人類的科技發(fā)展，在國(guó)外根據(jù)政府的政策支持很多民用機(jī)構(gòu)開始研究智能化無(wú)人引導(dǎo)車系統(tǒng)，并且智能化無(wú)人引導(dǎo)車系統(tǒng)也逐漸進(jìn)入到了成熟階段，因?yàn)閷?duì)于互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)今快速發(fā)展的今天，智能化交通引導(dǎo)系統(tǒng)在國(guó)外已經(jīng)得到了廣泛的推廣，但是由于受科技水平和一些地域條件的限制，仍然沒有出現(xiàn)大規(guī)模的使用，而美國(guó)也是世界上對(duì)于智能化無(wú)人引導(dǎo)車系統(tǒng)發(fā)展最好的國(guó)家之一，在上個(gè)世紀(jì)六七十年代開始就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能化交通以及智能化引導(dǎo)的研究，隨后開始了智能化汽車方面的研究。經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入到了成熟階段，目前智能化成熟體系也已經(jīng)進(jìn)入到了我的日常生活中，日本也是世界上智能化引導(dǎo)系統(tǒng)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家，美國(guó)，日本，德國(guó)等一些科技大國(guó)都在智能化汽車方面投入了大量的人力物力財(cái)力，也使得自動(dòng)化汽車一直處于世界前沿的地點(diǎn)，在汽車性能以及智能化水平上，新發(fā)的化的發(fā)達(dá)國(guó)家一直處于更高的科技水平行業(yè)。2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀相對(duì)于外國(guó)來說，我國(guó)的智能化交通水平起步研究比較晚，所以我一直根據(jù)西方我國(guó)發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)行學(xué)習(xí)，采納其先進(jìn)的技術(shù)，同時(shí)通過引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)，并在先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)之上進(jìn)行改善，逐漸發(fā)展起來的一種新型的智能化交通體系，我國(guó)的政府和企業(yè)對(duì)于智能化交通研究來說也投入比較多的人力物力財(cái)力，所以對(duì)于智能化系統(tǒng)來說也比較重視，目前已經(jīng)出現(xiàn)了大范圍的無(wú)人化引導(dǎo)車系統(tǒng)的研究一些實(shí)驗(yàn)室以及公司科研院所對(duì)于智能化引導(dǎo)系統(tǒng)都進(jìn)行了更深入的研究，從上個(gè)世紀(jì)90年代我國(guó)的汽車保有量逐漸增加，對(duì)于汽車的研究，我國(guó)從上個(gè)世紀(jì)80年代開始就已經(jīng)建立了汽車專門研究院，同時(shí)對(duì)于智能化交通系統(tǒng)來說，我們也成立了專門協(xié)調(diào)辦公室以及指導(dǎo)小組，經(jīng)過近20年的發(fā)展，我國(guó)的科技水平和發(fā)達(dá)程度正在和發(fā)達(dá)國(guó)家逐步減少差距，而在一些中大城市的智慧物流以及智能化交通體系示范園區(qū)。我國(guó)的技術(shù)甚至超過了發(fā)展國(guó)家，所以我國(guó)的智能化交通雖然起步比較晚，但是我的投入也比較多，最終取得了可喜可賀的成績(jī)。但是在一些方面，我與發(fā)達(dá)國(guó)家仍然還有一定的差距，我國(guó)的技術(shù)和發(fā)達(dá)國(guó)家雖然差距逐步縮小，但是我國(guó)也在不斷的完善自身的體制，根據(jù)我國(guó)的國(guó)情以及我國(guó)的發(fā)展特征來實(shí)現(xiàn)自己的自動(dòng)化發(fā)展體系目標(biāo)，也是我國(guó)的綜合國(guó)力和科技能力不斷提高和經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷的強(qiáng)大，為智能化交通體系建設(shè)和研究提供了更多的技術(shù)支持和設(shè)備保障，更好的推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的有序發(fā)展。2.3相較于國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的優(yōu)勢(shì)本次設(shè)計(jì)選用STM32單片機(jī)作為主要控制器，寫入簡(jiǎn)單，方便操作，可以多次寫入以及程序不斷的重復(fù)調(diào)試，而且它的性價(jià)比也很高，適用范圍也十分廣泛。該系統(tǒng)不但小巧，同時(shí)方便安裝，在使用本系統(tǒng)時(shí)系統(tǒng)可通過GPS實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前引導(dǎo)車的定位信息，通過價(jià)格低廉的傳感器獲取當(dāng)前位置的天氣信息，準(zhǔn)確檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境信息，監(jiān)測(cè)當(dāng)前路段的車流量信息，并且發(fā)出指示燈提示后方車輛，也能通過云平臺(tái)收到當(dāng)前路段的天氣信息。2.4課題主要研究?jī)?nèi)容本次設(shè)計(jì)是公路極端天氣無(wú)人引導(dǎo)車系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要使用的是傳感器，分別有：紅外模塊的使用，超聲波傳感器的使用，水位傳感器的使用，雨滴傳感器的使用，溫度傳感器的使用，GPS模塊的使用，WIFI模塊的使用，煙霧傳感器的使用，OLED顯示模塊的使用。除此之外還有單片機(jī)的最小系統(tǒng)的使用，C語(yǔ)言程序以及手機(jī)APP云端界面的設(shè)計(jì)，論文具體章節(jié)如下：第1章：引言，交代背景和意義。第2章：國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及主要研究?jī)?nèi)容。。第3章：系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，進(jìn)行硬件選型第4章：系統(tǒng)硬件的詳細(xì)介紹，說明原理，工作電壓，接口等等。第5章：軟件設(shè)計(jì)，說明各模塊之間工作的相互關(guān)系。第6章：系統(tǒng)的調(diào)試和運(yùn)行，怎樣判斷各模塊出現(xiàn)的問題。第7章：結(jié)論及對(duì)未來的展望，希望未來系統(tǒng)的更多可能性。第3章需求分析3.1開發(fā)環(huán)境需求基于極端天氣無(wú)人系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境簡(jiǎn)要描述：（1）操作系統(tǒng)：Windows10；（2）開發(fā)語(yǔ)言：C++；（3）下載工具：STC-ISP，下載線；（4）開發(fā)環(huán)境：Keil5，AltiumDesigner2013；（5）運(yùn)行環(huán)境：Android；3.2功能需求分析（1）首先分析單片機(jī)方案所要做的任務(wù)。如果方案用于檢測(cè)。要弄清楚每個(gè)檢測(cè)的環(huán)境都有哪些，檢測(cè)的方法都有哪些，用什么硬件去檢測(cè)，如果方案要用于控制，則要弄清楚要控制的，嗯。地方有哪些，然后控制的有什么要求，怎樣去控制這些東西。（2）要弄清楚發(fā)射信號(hào)。有幾種信號(hào)，種類都有哪些，信號(hào)和它們之間的相互關(guān)系，并且通過這個(gè)模塊發(fā)出的信號(hào)是否能連接到另一個(gè)模塊的信號(hào)。這些信號(hào)是怎樣進(jìn)行變換的，怎樣和單片機(jī)進(jìn)行互聯(lián)的。（3）了解輸出信號(hào)的個(gè)數(shù)、種類，采用何種執(zhí)行方法去實(shí)現(xiàn)，用什么樣的電路做去做信號(hào)變換，怎么樣和輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接，怎么樣達(dá)到所需要的功率參數(shù)。（4）明確如何去使用這個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)，要了解此次方案所需要有的條件，比如溫度、濕度、積水的深度、霧霾天氣的表示、車距的測(cè)量、如何模擬人流量、單片機(jī)的供電情況、OLED屏的顯示情況、各模塊之間的連接情況、各模塊的防水需要。3.3系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本文研究的公路極端天氣無(wú)人引導(dǎo)車系統(tǒng)對(duì)公路上的極端天氣系統(tǒng)有一個(gè)深入的研究，本次公路極端天氣無(wú)人引導(dǎo)車系統(tǒng)對(duì)極端天氣下公路上的車，通過煙霧傳感器測(cè)量天氣的霧霾濃度，GPS模塊得到當(dāng)前車輛的位置，雨滴傳感器得到當(dāng)前室外的下雨量，水位傳感器得到地面積水的深度，溫度傳感器測(cè)量外界的的溫度，紅外模塊的超聲波模塊去得到當(dāng)前路段的車流量以上結(jié)果都能通過顯示屏實(shí)時(shí)顯示，手機(jī)端也能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前的所有信息。當(dāng)前系統(tǒng)框圖大體設(shè)計(jì)如下圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)大體流程框圖3.4硬件設(shè)計(jì)的選擇關(guān)于公路極端天氣無(wú)人引導(dǎo)車系統(tǒng)其實(shí)主要有單片機(jī)的選擇，各類傳感器的選擇，以及接收傳輸模塊的選擇，在這些選擇中進(jìn)行了一系列的對(duì)比，我為此查閱了大量的資料，并且總結(jié)了各類模塊的特點(diǎn)，并且對(duì)各模塊進(jìn)行分析，最終確定了使用的方案。3.4.1單片機(jī)主控芯片的選擇首先單片機(jī)選購(gòu)的過程中，需要根據(jù)實(shí)際的功能以及我所使用的傳感器的數(shù)量來進(jìn)行單片機(jī)的選擇。第一，要保證大面積選擇時(shí)所使用的傳感器數(shù)量和實(shí)際的功能大于預(yù)算的范圍，因?yàn)樾枰粲幸欢ǖ挠嗔浚诒ＷC整體功能運(yùn)行以外，還盡可能多的流出引角來分配此次任務(wù)，方便到時(shí)候進(jìn)行替補(bǔ)和更換。第二，在選擇上要選擇方便實(shí)用的單片機(jī)，而且要保證單片機(jī)能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，不出現(xiàn)故障，并且可以進(jìn)行多次程序的燒錄。第三，在單片機(jī)選擇上要保證可靠性，穩(wěn)定性，以便于進(jìn)行不同功能的開發(fā)。方案1：51單片機(jī)，這是一款適合初學(xué)者的單片機(jī)，具有容易上手，開發(fā)難度低，價(jià)格低廉，使用靈活的特點(diǎn)，但51單片機(jī)的開發(fā)環(huán)境和功能都十分少，沒有操作系統(tǒng)，在開發(fā)上存在許多障礙，在一些情況下要犧牲部分功能才能實(shí)現(xiàn)整體功能的協(xié)調(diào)運(yùn)行。方案2：STM32單片機(jī)，這是一款性能比較高的單片機(jī)，外設(shè)和品類都很豐富，有84個(gè)終端、16級(jí)可編輯優(yōu)先級(jí)、可以讓任意IO口做中斷，串口下載簡(jiǎn)單，并且性價(jià)比比較高，就是開發(fā)難度比51單片機(jī)略大，價(jià)格略高。綜合選擇，我設(shè)計(jì)時(shí)選擇了STM32單片機(jī)作為主要控制器，這款單片機(jī)是一款比較常用的單片機(jī)芯片，它主要是用在電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及步進(jìn)電機(jī)的控制和電流檢測(cè)以及數(shù)據(jù)傳輸，通過c語(yǔ)言進(jìn)行程序的編寫，具有寫入簡(jiǎn)單，方便操作等優(yōu)點(diǎn)，也可以多次寫入程序以及不斷的重復(fù)調(diào)試，而且它的性價(jià)比也很高。3.4.2溫度傳感器的選擇方案1：使用熱敏電阻，熱敏電阻具有體積小，靈敏度高，反應(yīng)速度快，價(jià)格低廉的特點(diǎn)，但是缺點(diǎn)就是精度較低，測(cè)溫容易出現(xiàn)偏差，需要復(fù)雜的外圍電路，不防水，也不耐久。方案2：使用DS18B20溫度傳感器，DS18B20具有精度高，測(cè)溫不易出現(xiàn)偏差，不需要復(fù)雜的外圍電路，而且防水，耐久。就是價(jià)格比熱敏電阻貴一些，而且體積大。綜合選擇，我設(shè)計(jì)時(shí)選擇了DS18B20溫度傳感器。因?yàn)樵诒鞠到y(tǒng)中，由于要經(jīng)常面對(duì)極端天氣，所以測(cè)量溫度時(shí)要選擇防水，耐腐蝕的溫度傳感器，其次就是因?yàn)樗木缺容^高，偏差小，易使用。第4章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)最小系統(tǒng)4.1.1單片機(jī)芯片的選擇極端天氣無(wú)人化引導(dǎo)車系統(tǒng)，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，我首先了解整個(gè)系統(tǒng)的功能，同時(shí)我需要對(duì)單片機(jī)以及控制系統(tǒng)有一定的深入了解，尤其是單片機(jī)的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)以及各個(gè)外部輸出的接口，并且我需要了解單片機(jī)的定時(shí)器以及我所使用的串口通信，因?yàn)楹蜕衔粰C(jī)通信需要用串口調(diào)試助手，同時(shí)需要用單片機(jī)獲取到傳感器的數(shù)據(jù)采集，以及能夠熟練的使用萬(wàn)用表等對(duì)智能化引導(dǎo)車系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行檢測(cè)，而且我需要編寫程序，能夠熟練的使用c語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程。4.1.2STM32單片機(jī)從單片機(jī)的整體功能來看，主要包括以下幾個(gè)部分，首先它具有一個(gè)32位的處理器，其次它具有16k的存儲(chǔ)空間，而且具有512b的內(nèi)部存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)程序，它內(nèi)部具有時(shí)鐘電路以及震蕩電路，通過外部連接就可以實(shí)現(xiàn)振蕩信號(hào)頻率的輸出，它具有多個(gè)輸入輸出端口，方便我進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸以及傳感器的接口調(diào)用，它具有多個(gè)中斷定時(shí)器控制器以及外部的計(jì)數(shù)器，可以方便我進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取以及數(shù)據(jù)的傳輸，還具有外部程序存儲(chǔ)器，可以當(dāng)程序存儲(chǔ)量不夠時(shí)進(jìn)行調(diào)用。單片機(jī)最小系統(tǒng)能夠保證單片機(jī)正確運(yùn)行的最低配置系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上我可以擴(kuò)展其他的功能，比如可以增加一些傳感器以及增加一些顯示屏進(jìn)行組成一個(gè)完整的操作系統(tǒng)，同時(shí)它還具有擴(kuò)展功能以及擴(kuò)展模塊。最重要的是如果單片機(jī)出現(xiàn)問題以后只需要更換單片機(jī)，就可以方便的進(jìn)行拆除，便于各個(gè)模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，單片機(jī)最小系統(tǒng)包括晶振電路，復(fù)位電路以及電源模塊和其他的一些外部傳感器共同組成，同時(shí)最重要的時(shí)鐘電路也是單片機(jī)最小系統(tǒng)所不可缺少的一部分，復(fù)位系統(tǒng)主要是單片機(jī)進(jìn)行異常情況時(shí)出現(xiàn)復(fù)位情況，此單片機(jī)程序能夠重新開始運(yùn)行，當(dāng)外部出現(xiàn)兩個(gè)時(shí)鐘周期以上的電瓶的時(shí)候，內(nèi)部系統(tǒng)始終就可以從頭開始運(yùn)行時(shí)鐘系統(tǒng)，主要是單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)通過不同的精電路可以實(shí)現(xiàn)不同的震蕩頻率輸出，電源系統(tǒng)通過連接引腳可以實(shí)現(xiàn)不同的供電電壓以及電流輸出，此時(shí)我選用的單片機(jī)采用的是8M晶振，它通過反向振蕩器可以實(shí)現(xiàn)倍頻。下圖是STM32單片機(jī)的正反面圖，如圖4-1，圖4-2所示。圖4-1STM32單片機(jī)正面圖圖4-2STM32單片機(jī)反面圖4.2WIFI模塊4.2.1ESP8266WIFI模塊本次所采用的WIFI模塊，主要是通過單片機(jī)和手機(jī)APP之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，然后中間通過連接路由器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互和發(fā)送信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，WIFI模塊它在調(diào)試過程中主要是通過單片機(jī)串口進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)，然后主要是通過串口調(diào)試助手進(jìn)行調(diào)試，它通過WIFI輸入管理層來進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的傳輸，通過串口發(fā)送指令，然后可以轉(zhuǎn)換成tcp協(xié)議信號(hào)傳輸?shù)紸PP中，在數(shù)據(jù)傳輸過程中，我需要保證整個(gè)系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性，還能夠?qū)崿F(xiàn)必要的數(shù)據(jù)交互。下圖是ESP8266WIFI模塊的正反面圖，如圖4-3，圖4-4所示。圖4-3ESP8266WIFI模塊正面圖 圖4-4ESP8266WIFI模塊反面圖本次采用的這種低功耗模式的WIFI模塊，它具有很小的封裝尺寸，而且對(duì)于其他的更精確的設(shè)備，它可以做得更小，能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)之間的無(wú)線和有線之間的互聯(lián)互通，廣泛應(yīng)用到智能交通、智能駕駛以及手持設(shè)備等等各種方面。4.2.2ESP8266WIFI模塊引腳功能下圖是ESP8266WIFI模塊的引腳圖，如圖4-5所示。圖4-5ESP8266WIFI模塊引腳圖ESP8266WIFI模塊引腳說明，如表1所示。表4-1ESP8266WIFI模塊引腳表PINFunctionDescription1URXDUART_RXD，接收；GeneralPurposeInput/Output：GPIO3；2UTXDUART_TXD，發(fā)送；2）GeneralPurposeInput/Output：GPIO1；3）開機(jī)時(shí)禁止下拉；3RESET（GPIO16）外部Reset信號(hào)，低電平復(fù)位，高電平工作（默認(rèn)高）；4GNDGND5VCC3.3V，模塊供電；6GPIO0默認(rèn)WIFIStatus：WIFI工作狀態(tài)指示燈控制信號(hào)；工作模式選擇：懸空：FlashBoot，工作模式；下拉：UARTDownload，下載模式；7CH_PD高電平工作；低電平模塊供電關(guān)掉；8GPIO2開機(jī)上電時(shí)必須為高電平，禁止硬件下拉；內(nèi)部默認(rèn)已拉高4.3溫度采集模塊溫度傳感器DS18B20實(shí)物如圖4-6所示。圖4-6DS18B20溫度傳感器實(shí)物圖4.3.1溫度傳感器簡(jiǎn)介溫度傳感感器，它是一款數(shù)字-系統(tǒng)的溫度傳感器，通過測(cè)量溫度來檢測(cè)周圍環(huán)境的溫度變化。在很早以前我采用的溫度傳感器都是模擬量溫度傳感器，比如我想要測(cè)量溫度的話，就經(jīng)過溫度傳感器進(jìn)行采集，輸出的是模擬電壓，而且需要用到AD轉(zhuǎn)換模塊才能夠把模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，在傳輸過程中會(huì)產(chǎn)生誤差，所以導(dǎo)致溫度傳感器采集的溫度不準(zhǔn)確。而我現(xiàn)在采用的是數(shù)字溫度傳感器，該傳感器的性價(jià)比很高，每一個(gè)傳感器都有它唯一的標(biāo)志，而且還可以進(jìn)行溫度的校準(zhǔn)，雖然在出廠過程中他已經(jīng)進(jìn)行了自動(dòng)校準(zhǔn)，但是仍然可以根據(jù)位置以及溫度的偏差進(jìn)行校準(zhǔn)，而且該傳感器把所有的采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存中，當(dāng)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取的時(shí)候，它就把數(shù)據(jù)從內(nèi)存中取出來進(jìn)行總線操作，所以它的操作十分方便簡(jiǎn)單。4.3.2串行接口（單線雙向）本次設(shè)計(jì)采用的是數(shù)字溫度傳感器，它采用單總線的方式和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在傳輸數(shù)據(jù)過程中需要經(jīng)過一定的延時(shí)才能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，從而保證不丟失數(shù)據(jù)，因?yàn)樗挥幸桓呔€，所以在傳輸過程中需要通過等待方式來實(shí)現(xiàn)總線上數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，也就是當(dāng)單片機(jī)發(fā)送指令信號(hào)以后，溫度傳感器需要接收到信號(hào)以后才能夠給單片機(jī)再次發(fā)數(shù)據(jù)，不能在溫度傳感器還沒有接收到數(shù)據(jù)，就給單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，因?yàn)橹挥幸桓偩€，這樣的話會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)沖突，也就是總線數(shù)據(jù)丟失，所以當(dāng)進(jìn)入到溫度采集程序以后，單片機(jī)接收到中斷以后，溫度傳感器就會(huì)把自己采集的溫度數(shù)據(jù)以十六進(jìn)制形式發(fā)送給單片機(jī)，這時(shí)候單片機(jī)進(jìn)入中斷并處罰一次外部信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)溫度傳感器數(shù)據(jù)的采集，如果單片機(jī)采集數(shù)據(jù)過程中需要停止數(shù)據(jù)采集，那么只需要通過給溫度傳感器發(fā)送一定的指令，溫度傳感器就進(jìn)入到了低功耗模式，在低功耗模式下，溫度傳感器處于待機(jī)狀態(tài)，但傳感器和單片機(jī)之間數(shù)據(jù)通信傳輸用的單總線無(wú)信號(hào)傳輸，所以大大減少了單片機(jī)占用引腳，并且觸發(fā)一次信號(hào)以后就可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)溫度數(shù)據(jù)的采集。通訊初始化要求如圖4-7所示。圖4-7通訊初始化要求圖只有單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)以后才能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，才能夠獲取到溫度數(shù)據(jù)，從而溫度傳感器的信號(hào)變成低電平，而且在低面模式下需要持續(xù)一段時(shí)間以后才能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定和信號(hào)等待，直到下一個(gè)低電平信號(hào)接收到以后，溫度傳感器再次進(jìn)入了溫度采集狀態(tài)，并且把采集到的溫度信息發(fā)送到單片機(jī)中。數(shù)字0信號(hào)表示方法如圖4-8所示。圖4-8數(shù)字0信號(hào)電平變化圖數(shù)字1信號(hào)表示方法如圖4-9所示。圖4-9數(shù)字1信號(hào)電平變化圖4.3.3引腳與接口（1）引腳介紹：溫度傳感器通過三根線就可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，兩個(gè)是供電線，一個(gè)是數(shù)據(jù)通信線，所以和單片機(jī)之間通信只有一根總線進(jìn)行連接，大大減少了單片機(jī)的輸入輸出口，而且如果我傳輸?shù)木嚯x過遠(yuǎn)的話，那么需要增加驅(qū)動(dòng)能力，也就是增加一個(gè)20k的上拉電阻，然后根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的阻值。DS18B20接口圖如圖4-10所示。圖4-10DS18B20接口圖單片機(jī)P3.2口用來發(fā)收串行數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)口。連接傳感器的Pin2（單總線，串行數(shù)據(jù)）。在傳感器通過五伏供電以后，傳感器就進(jìn)入到了工作模式，如果長(zhǎng)時(shí)間沒有數(shù)據(jù)發(fā)送的話，那么就進(jìn)入到低功耗模式，此時(shí)傳感器直到等待下一個(gè)信號(hào)接收以后就變?nèi)胱詣?dòng)采集模式。4.4GPS模塊本次設(shè)計(jì)所采用的GPS模塊是由深圳市一家公司生產(chǎn)的GPS定位模塊，該模塊它具有接收能力以及具有12個(gè)通道數(shù)據(jù)接收采集，它所在接收的GPS信號(hào)主要是通過民用段的GPS信號(hào)，而且在沒有干擾的情況下，它的定位精度能夠大大的提高，最高可以精確到0.1m，而且最重要的是它的延遲誤差很小，信號(hào)靈敏度也更高。當(dāng)?shù)谝淮紊想娨院?，需要等?0秒的時(shí)間使傳感器進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱以后傳感器更加的穩(wěn)定可靠。如果再次斷電以后，下一次重新定位時(shí)間僅需要八秒，而在數(shù)據(jù)傳輸方面，該傳感器采用的是232標(biāo)準(zhǔn)的電瓶，可以和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，也可以直接通過電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，它的波特率，通常我使用的是9600，而通過GPS模塊標(biāo)準(zhǔn)的輸出協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的時(shí)候，更新速率每秒發(fā)送一次，它的經(jīng)緯度信息也是每秒發(fā)送一次，該傳感器模塊需要外接天線，而且我采用的是靈敏度更高，可靠性更強(qiáng)的微帶天線，該天線封裝在防水的塑料外殼中，更進(jìn)一步提高了整個(gè)GPS模塊的穩(wěn)定性，可靠性，它的工作電壓是5V，但是它的工作電流在運(yùn)行過程中需要達(dá)到500毫安，所以為了保證供電的穩(wěn)定性，我采用了常見的手機(jī)充電器進(jìn)行供電，這使得該傳感器在使用時(shí)更加的方便與安全。SERFGS1100GPS接收模塊如圖4-11所示。圖4-11GT-U7GPS信號(hào)接收模塊4.5電源模塊4.5.1電源的選擇由于本次設(shè)計(jì)整體供電的外接電源是5V，所以我需要用外部的5V外接電源給單片機(jī)以及其他的傳感器供電，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊它的供電也是5V，所以整體需要一個(gè)5V外接電源給供電就可以了。在供電過程中，首先采用的是使用蓄電池通過交流電轉(zhuǎn)換成直流電，然后進(jìn)行降壓，輸出5V。在使用交流電供電過程中，這種方案由于更好的穩(wěn)定性，可靠性，所以成為了首選，因?yàn)樗恍枰鄰?fù)雜的裝置去供電，而且本次設(shè)計(jì)所采用的交流電能夠提供強(qiáng)大的動(dòng)力，而且價(jià)格也比較便宜，所以對(duì)于這種控制引導(dǎo)車來說具有十分可靠的特點(diǎn)，第二種方法就是采用普通干電池供電，這種干電池很常見，操作起來以及使用購(gòu)買起來也比較方便，而且也容易供電，但是由于本次設(shè)計(jì)采用的引導(dǎo)車系統(tǒng)，它的電機(jī)耗電量比較大，所以如果采用普通的干電池的話，那么很快引導(dǎo)車就會(huì)出現(xiàn)電量丟失，所以雖然常見，但是不耐用。通過對(duì)以上兩種方案進(jìn)行比較，本次設(shè)計(jì)采用了5V外接電源供電，保證了引導(dǎo)車系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行過程的前提下盡可能的提供續(xù)航能力，所以本次設(shè)計(jì)采用了5V外接電源供電，通過不同的電壓實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換，保證了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。由于本次設(shè)計(jì)采用的是蓄電池供電，蓄電池通過降壓把12V轉(zhuǎn)換成5V，然后給整個(gè)系統(tǒng)供電，而且本次設(shè)計(jì)采用了WiFi模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可以保證整個(gè)供電的穩(wěn)定性以及可靠性。4.5.2穩(wěn)壓模塊的簡(jiǎn)介在本次設(shè)計(jì)過程中，整體供電需要的是5V供電，但是如果想要獲取到5V供電的話，那么就需要進(jìn)行電壓的轉(zhuǎn)換，通常采用的是220V的交流電，通過整流，濾波，穩(wěn)壓輸出，最終輸出為5V的電壓，所以這次設(shè)計(jì)采用的是蓄電池供電。由于蓄電池輸出的電壓直接就是12V，所以需要對(duì)12V轉(zhuǎn)換成5V，再進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，在數(shù)據(jù)通信過程中需要保證供電的穩(wěn)定性，蓄電池能夠給電路提供強(qiáng)大的動(dòng)力以及電力。LM7805穩(wěn)壓模塊的原理如圖4-12所示。圖4-12LM7805穩(wěn)壓模塊的原理圖4.6超聲波測(cè)量傳感器超聲波傳感器采用的是測(cè)量使用比較廣泛的超聲波傳感器，它具有發(fā)射端和接收端兩種方式，超探頭選用的是40赫茲的頻率超聲波探頭，因?yàn)樗梢酝ㄟ^軟件產(chǎn)生40k赫茲的超聲波信號(hào)，然后傳輸?shù)津?qū)動(dòng)端進(jìn)行發(fā)射，經(jīng)過接收信號(hào)以后進(jìn)入中斷來實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量。同時(shí)充分利用軟件靈活信號(hào)以及可編程性強(qiáng)的特點(diǎn)來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)電路，然后實(shí)現(xiàn)超聲波傳感器數(shù)據(jù)的發(fā)送，數(shù)據(jù)的接收靈活性，可靠性都比較高，非門可以選用74LS04，具體電路如圖4-13所示。圖4-13發(fā)射電路圖當(dāng)輸入信號(hào)為高電平的時(shí)候，經(jīng)過兩極反轉(zhuǎn)就會(huì)實(shí)現(xiàn)低電平的輸出，同理，當(dāng)輸入信號(hào)為低電平的時(shí)候，通過兩極反轉(zhuǎn)就會(huì)實(shí)現(xiàn)高電平的輸出，所以正負(fù)極相互感應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了整體震蕩信號(hào)的驅(qū)動(dòng)，我只需要控制信號(hào)接近40k赫茲就能夠產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的方波。4.6.140kHz脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射測(cè)距系統(tǒng)中的超聲波發(fā)生器采用UCM40的壓電陶瓷傳感器，它的工作電壓是40kHz的脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可由單片機(jī)的P1.0端口來產(chǎn)生，其40kHz的脈沖信號(hào)產(chǎn)生程序如下：for(i=0;i<8;i++) { _nop_(); TX!=TX;)通過輸出固定的脈沖頻率，可以使超聲波發(fā)射固定的脈沖信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)距離的測(cè)量。4.6.2超聲波接收電路超聲波接收探頭主要包括接收器，信號(hào)，發(fā)射器以及濾波器等等，通過接觸探頭來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收，否則不能夠進(jìn)行信號(hào)的傳輸以及信號(hào)的轉(zhuǎn)換，雖然超聲波探頭的信號(hào)比較微弱，但是通過放大器以后產(chǎn)生的信號(hào)比較強(qiáng)，所以經(jīng)過變換以后能夠?qū)崿F(xiàn)微弱信號(hào)轉(zhuǎn)換成大信號(hào)的一些處理，本次設(shè)計(jì)降低了調(diào)試難度，減少了成本，同時(shí)提高了穩(wěn)定性，可靠性，實(shí)現(xiàn)一種微距的超聲檢測(cè)。接收電路如圖4-14所示。圖4-14接收電路圖使用超聲波傳感器進(jìn)行信號(hào)放大濾波以后可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集以及距離測(cè)量的特點(diǎn)。該傳感器有不同的引腳，第一個(gè)是超聲波信號(hào)的輸入端，第二就是通過連接互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)一個(gè)反饋信號(hào)，這時(shí)候能夠提高輸出功率以及提高倍頻系數(shù)，如果輸出功率過大的話，那么就需要增大電阻以及電容，反之則需要減少電阻和電容，因?yàn)殡娮桦娙莸母淖儠?huì)影響頻率的特性。在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于賣家已經(jīng)調(diào)試完成，我不需要實(shí)際的更改，但是我需要進(jìn)行濾波處理來保證設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，靈敏度。4.7水位檢測(cè)電路水位傳感器主要是通過半導(dǎo)體陶瓷材料來作為傳感器的一種組成方式，在水位傳感器設(shè)計(jì)過程中，需要實(shí)現(xiàn)水位傳感器的高靈敏度以及簡(jiǎn)單化處理，所以我采用的是性價(jià)比很高的一種水位傳感器，它不僅能夠檢測(cè)水位的高低，而且能夠檢測(cè)水量的大小，從而它的靈敏度以及抗干擾能力相對(duì)來說都比較的穩(wěn)定，并且水位傳感器在材料選擇中選擇靈敏度比較高的二氧化碳，實(shí)現(xiàn)傳感器所處在水中時(shí)能夠使水中電導(dǎo)率的增大而增大，使用簡(jiǎn)單電路就可以轉(zhuǎn)換成水位以及相等的濃度信號(hào)。其水位傳感器電路圖如圖4-15所示。圖4-15水位傳感器電路圖通過水位傳感器實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的感知，通常由加熱電極以及加熱片構(gòu)成的敏感元器件組成，在制成不銹鋼的墻體過程中加熱。主要是給整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的干燥環(huán)境條件，并且封裝好的水位傳感器只有四個(gè)信號(hào)，輸出的兩個(gè)信號(hào)主要是用來供電以及加熱。水位傳感器的特性及主要技術(shù)指標(biāo)(1)水位傳感器的靈敏特性當(dāng)水位傳感器在正常的工作條件下，當(dāng)接觸到水以后，它的阻值就會(huì)迅速的下降，這也是被稱之為靈敏度特性，水位傳感器通過在潔凈的水中產(chǎn)生的阻值，通過組織的變化來產(chǎn)生電壓的變化，這種靈敏度相對(duì)來說也有一定的差異性，但是他們都遵循統(tǒng)一規(guī)律，就是通過氣墊對(duì)水位或者是元器件的靈敏度，來實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的測(cè)量，不過如果在測(cè)試過程中溫度和材料有所不同，就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生誤差，另外就是初期穩(wěn)定性，半導(dǎo)體水位傳感器在不同的液體狀態(tài)下呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，比如放置一段時(shí)間以后再次充電時(shí)候需要加熱，保證元器件沒有水分才能夠正常的工作。在不充電狀態(tài)下會(huì)水位傳感器會(huì)吸收大量的水蒸氣，導(dǎo)致不同的電壓下雖然已經(jīng)進(jìn)入到了沒有測(cè)量階段，但是它周圍會(huì)有水蒸氣導(dǎo)致測(cè)量值異常，所以再次充電以后需要進(jìn)行加熱，使水蒸汽完全蒸發(fā)，這樣水位傳感器才能正常工作，不過需要穩(wěn)定期以及穩(wěn)定時(shí)間。(2) MQ-2型傳感器的特性參數(shù)①回路電壓：()5~24V②取樣電阻：()0.1~20K③加熱電壓：()5±0.2V④加熱功率：(P)約750mW⑤靈敏度：以甲烷為例(air)/(0.1%)＞5⑥響應(yīng)時(shí)間：Tres＜10秒⑦恢復(fù)時(shí)間：Trec＜30秒4.8紅外傳感器檢測(cè)電路紅外傳感器它主要是通過外部的紅外二極管以及運(yùn)算放大器，進(jìn)行ADC轉(zhuǎn)換等實(shí)現(xiàn)一個(gè)紅外檢測(cè)，通過二極管來實(shí)現(xiàn)伏安特性響應(yīng)，輸入紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)算放大器放大以后形成大電壓，最后通過ADC轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中進(jìn)行內(nèi)部存儲(chǔ)器的比較以及數(shù)據(jù)的獲取。雖然在內(nèi)部進(jìn)行了芯片的線性處理，但是輸出的電壓有可能不是線性，受周圍環(huán)境的影響以及光線的處理，它可能不能夠直接輸出穩(wěn)定的電壓，所以需要一個(gè)時(shí)鐘線和數(shù)據(jù)線來進(jìn)行通信協(xié)議的補(bǔ)償。該紅外電阻和其他的電阻有所不同，因?yàn)樗鼘?duì)紅外線特別敏感，而對(duì)于其他的光照照射下沒有敏感現(xiàn)象，所以它叫紅外導(dǎo)向元器件。紅外敏電阻會(huì)隨著紅外線的強(qiáng)弱，產(chǎn)生不同的電流。紅外敏電阻，內(nèi)部會(huì)發(fā)生電子的漂移，紅外敏電阻的阻值下降，紅外敏電阻產(chǎn)生紅外電效應(yīng)，在紅外敏電阻表面形成一種電流，為提高靈敏度，紅外敏電阻一般選用柳狀團(tuán)。紅外敏電阻器是利用半導(dǎo)體的紅外電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射紅外的強(qiáng)弱而改變的電阻器，又稱為紅外電導(dǎo)探測(cè)器。紅外敏電阻的實(shí)驗(yàn)圖如圖4-16所示。圖4-16紅外敏電阻的實(shí)驗(yàn)圖當(dāng)紅外熱敏電阻檢測(cè)到紅外線以后，由于內(nèi)部電流的變化會(huì)產(chǎn)生電子的變化，從而產(chǎn)生電壓，這種現(xiàn)象主要是電壓和電流的作用，當(dāng)紅外傳感器沒有檢測(cè)到紅外情況下，沒有電壓和電流以及電子的產(chǎn)生。當(dāng)紅外敏電阻接收到紅外線不同紅外線照射的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生不同的電壓，產(chǎn)生不同電壓的靈敏度，就是紅外敏電阻的靈敏度。紅外敏電阻接收不同波長(zhǎng)的紅外線進(jìn)行區(qū)分時(shí)會(huì)產(chǎn)生紅外譜響應(yīng)。紅外特性主要是紅外傳感器在不同的外界光線環(huán)境變化條件下檢測(cè)到的紅外線強(qiáng)弱信號(hào)，通過不同的紅外線實(shí)現(xiàn)光線比較強(qiáng)的時(shí)候，能夠正常的輸出電壓，當(dāng)外界比較熱的時(shí)候，能夠產(chǎn)生更低的電壓，所以隨著外界光線環(huán)境的變化，電壓的變化也呈現(xiàn)一些特性，但是這種取件能夠?qū)崿F(xiàn)一種平穩(wěn)下降，大多數(shù)情況下是非特定曲線。紅外傳感器電路圖如圖4-17所示。圖4-17紅外傳感器電路圖4.9煙霧采集模塊煙霧采集模塊使用的是MQ-2煙霧傳感器。MQ-2煙霧傳感器使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫，當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。當(dāng)傳感器與煙霧接觸時(shí)，如果晶粒間界處的勢(shì)壘收到煙霧的調(diào)至而變化，就會(huì)引起表面導(dǎo)電率的變化。利用這一點(diǎn)就可以獲得這種煙霧存在的信息，煙霧的濃度越大，導(dǎo)電率越大，輸出電阻越低，則輸出的模擬信號(hào)就越大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。MQ-2還具有以下特點(diǎn)：具有信號(hào)輸出指示；雙路信號(hào)輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）；TTL輸出有效信號(hào)為低電平，當(dāng)輸出低電平時(shí)信號(hào)燈亮，可直接連接單片機(jī)；模擬量輸出0~5V電壓，濃度越高電壓越高；對(duì)液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度；具有長(zhǎng)期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性；有著快速的響應(yīng)恢復(fù)特性。MQ-2煙霧傳感器實(shí)物如圖4-18所示。圖4-18MQ-2煙霧傳感器實(shí)物圖4.10雨滴感應(yīng)模塊本次選用的雨滴傳感器采用高品質(zhì)的FR-04雙面材料，超大面積5.0*4.0CM，其表面采用鍍鎳處理，具有對(duì)抗氧化、高導(dǎo)電性、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)。雨滴傳感器實(shí)物圖如圖4-19所示圖4-19雨滴傳感器實(shí)物圖雨滴傳感器是比較容易上手使用容易操作且性價(jià)高的水滴檢測(cè)傳感器，雨滴傳感器主要是一塊板，上面以線形形式涂覆鎳，其是通過具有一系列的暴露的平行導(dǎo)線線跡測(cè)量其水滴大小從而判斷水滴的量。當(dāng)雨滴積聚在電路板上時(shí)，雨滴和上層鋪的金屬會(huì)形成并聯(lián)電路，可以通過運(yùn)算放大器測(cè)量電流的值。當(dāng)板上沒有雨滴時(shí)，也會(huì)增加電阻，因此根據(jù)V=IR獲得高電壓，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有雨滴時(shí)，它會(huì)自動(dòng)降低電阻，達(dá)到測(cè)量的效果。雨滴傳感器電路圖如圖4-20所示。圖4-20雨滴傳感器電路圖第5章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，我采用的是國(guó)際上通用的c語(yǔ)言進(jìn)行程序的編寫，因?yàn)樗囊浦残员容^高，而且它的程序執(zhí)行效率相對(duì)于匯編語(yǔ)言來說比較高，所以c語(yǔ)言作為本次設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)的核心，而且在編寫程序過程中，我也采用了一些模塊化的設(shè)計(jì)方法。但是仍然出現(xiàn)了一些小偏差。我設(shè)計(jì)的模塊有顯示模塊，紅外傳感器模塊，溫度模塊，水位檢測(cè)模塊等等。在調(diào)試過程中，首先調(diào)試的是顯示屏，因?yàn)楫?dāng)顯示屏調(diào)試完畢以后，就可以進(jìn)行其他模塊調(diào)試中，在顯示屏上觀看數(shù)據(jù)，在調(diào)試過程中我也遇到這種那種的問題，當(dāng)問題發(fā)生的時(shí)候，我能夠通過顯示屏很快的看到所有的模塊的數(shù)值，并對(duì)他們來進(jìn)行檢測(cè)，保證每個(gè)模塊能夠正常使用，然后調(diào)試完單個(gè)模塊以后，就一起進(jìn)行總體的調(diào)試去發(fā)現(xiàn)每個(gè)模塊中是否遇到問題，但是在調(diào)試過程中仍然會(huì)遇到一些模塊之間的沖突，這時(shí)候就需要根據(jù)模塊的沖突進(jìn)行相應(yīng)的改正，保整個(gè)系統(tǒng)確沒問題。所以本次設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)不僅包括顯示程序，還包括中斷程序，定時(shí)器程序，水位監(jiān)測(cè)程序等等一系列數(shù)據(jù)處理。以及程序整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，我采用無(wú)差別的程序?qū)Υ绞剑偝绦蚝妥映绦蚨夹枰M(jìn)行調(diào)試，最后將各個(gè)模塊所有的程序放在一起在一起，這就算是組成了一個(gè)完整的系統(tǒng)，也就表示設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成功了。5.1系統(tǒng)主程序整個(gè)系統(tǒng)的框圖如下，它包括單元控制電路，中斷電路以及定時(shí)器的啟動(dòng)和復(fù)位等等，本次設(shè)計(jì)通過WIFI模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，主程序中通過對(duì)WIFI云端數(shù)據(jù)的采集，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳輸以及數(shù)據(jù)的判斷，通過不同調(diào)用子程序來實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)模塊以及WIFI模塊之間的數(shù)據(jù)通信和交互。系統(tǒng)主程序框圖如圖5-1所示。圖5-1系統(tǒng)主程序框圖5.2DS18B20溫度采集程序設(shè)計(jì)當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到周圍環(huán)境的信息以后，首先需要溫度傳感器進(jìn)行通電測(cè)試，然后通電完成以后，通過接收高電平信號(hào)，并完成信號(hào)的檢測(cè)，輸出低電平，再實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的處理，采集完畢以后，比較設(shè)定溫度值和實(shí)際溫度值，當(dāng)設(shè)定溫度值高于溫度實(shí)際溫度值時(shí)，輸出字母XX，并顯示實(shí)時(shí)溫度；當(dāng)設(shè)定溫度值不高于溫度實(shí)際溫度值時(shí)，輸出字母XY，并顯示實(shí)時(shí)溫，傳感器就會(huì)再次測(cè)量溫度，然后再次將信號(hào)進(jìn)行分析和處理。DS18B20溫度傳感器模塊的軟件程序流程圖如下圖5-2所示。圖5-2DS18B20溫度采集子程序流程圖5.3WIFI模塊傳送數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)5.3.1串口中斷接收流程圖WIFI模塊主要是通過串口調(diào)試助手進(jìn)行調(diào)試，WIFI單面機(jī)通過發(fā)送串口數(shù)據(jù)就可以把串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成WIFI信號(hào)傳輸?shù)紸PP中，然后APP在給發(fā)送WIFI指令的時(shí)候，單面積也是通過串口中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，通過中斷方式實(shí)現(xiàn)單面機(jī)和WIFI之間數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，并且斷電以后能夠使保證系統(tǒng)不出現(xiàn)干擾，這樣能夠采集多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，方便數(shù)據(jù)的讀取和寫入。所以在設(shè)計(jì)過程中，如果要對(duì)WIFI模塊進(jìn)行測(cè)試的話，就需要對(duì)串口中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)試，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)以后，需要把中斷寄存器進(jìn)行清零，等待數(shù)據(jù)接收完了以后，中斷寄存器就需要變?yōu)橐?，保證數(shù)據(jù)接收的穩(wěn)定性，然后在程序存儲(chǔ)區(qū)中通過單片機(jī)對(duì)程序數(shù)據(jù)的讀取判斷以后判斷接收到的數(shù)據(jù)是否和發(fā)送的數(shù)據(jù)一致，并進(jìn)行校驗(yàn)和進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。流程圖如圖5-3所示。圖5-3串口中斷接收數(shù)據(jù)的程序圖檢測(cè)到數(shù)據(jù)，然后接收到以后自動(dòng)進(jìn)入中斷函數(shù)，然后等待數(shù)據(jù)的傳輸完成以后，中斷系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)變?yōu)楦唠娖?，并且把?shù)據(jù)放到存儲(chǔ)器中，然后單面機(jī)再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，過程中需要對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行快速的讀寫，判斷數(shù)據(jù)是否和設(shè)定的數(shù)據(jù)一致，并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，如果一致的話，那么就進(jìn)入到了程序處理階段。5.3.2串口發(fā)送指令流程圖單片機(jī)通過向串口發(fā)送指令信息來進(jìn)行和APP進(jìn)行通信，在接收函數(shù)過程中，如果關(guān)閉中斷，那么就會(huì)產(chǎn)生中斷數(shù)據(jù)丟失并且引發(fā)指令錯(cuò)誤，導(dǎo)致程序下載完畢以后不能夠進(jìn)行指令的接收以及指令的控制。下圖是串口發(fā)送指令流程圖，如圖5-4所示。圖5-4串口發(fā)送指令流程圖在設(shè)計(jì)過程中，進(jìn)行中斷的處理，同時(shí)允許中斷接收數(shù)據(jù)，然后開啟中斷模式，當(dāng)開啟完畢以后，所有的信息全部存儲(chǔ)到單片機(jī)的內(nèi)部中斷中，在中斷中進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理以及針頭真?zhèn)蔚脑O(shè)定，做好準(zhǔn)備以后，單片機(jī)才能夠發(fā)送脈沖指令，實(shí)現(xiàn)定時(shí)器的輸出，并且控制定時(shí)器實(shí)現(xiàn)中斷的下一個(gè)數(shù)據(jù)接收。串口中斷發(fā)送數(shù)據(jù)的程序圖如圖5-5所示。圖5-5串口中斷發(fā)送數(shù)據(jù)的程序圖首先需要通過單片機(jī)進(jìn)入到串口中斷的模式，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)以后會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)干擾，為了防止出現(xiàn)干擾，這時(shí)候我需要把串口發(fā)送數(shù)據(jù)關(guān)掉，然后等待數(shù)據(jù)傳輸完成以后就可以看到數(shù)據(jù)中斷接收到的數(shù)據(jù)了。5.4紅外子程序紅外解碼流程圖如圖5-6所示。圖5-6紅外遙控器解碼流程圖5.5數(shù)據(jù)采集流程圖水量傳感器使用的AD模塊是單片機(jī)內(nèi)部集成的AD模塊。外部模擬信號(hào)直接與單片機(jī)的AD端口連接。采集外部數(shù)據(jù)，首先將AD_CONTR寄存器設(shè)置為0x80，并將AD_CONTR寄存器設(shè)置為集成在微控制器中的AD模塊，在低速轉(zhuǎn)換模式下，由于我采用了低速轉(zhuǎn)換，所以它的時(shí)間比較長(zhǎng)，大概等待540個(gè)機(jī)器周期，然后才能夠保證AD轉(zhuǎn)換全部完成，否則的話AD轉(zhuǎn)化沒有完成，從而導(dǎo)致接收到的數(shù)據(jù)校驗(yàn)不過關(guān)，數(shù)據(jù)會(huì)和正常計(jì)算的數(shù)據(jù)存在非常大的差別。數(shù)據(jù)采集流程圖如圖5-7。圖5-7數(shù)據(jù)采集流程圖第6章系統(tǒng)調(diào)試6.1云端可視化界面本次選用的是中國(guó)移動(dòng)OneNET平臺(tái)，選用舊版MQTT協(xié)議完成開發(fā)的，在平臺(tái)中完成產(chǎn)品的創(chuàng)建，在創(chuàng)建產(chǎn)品時(shí)需要對(duì)名稱、類別以及聯(lián)網(wǎng)方式進(jìn)行選擇。生成產(chǎn)品ID，并將地址記錄寫入單片機(jī)的C語(yǔ)言程序中進(jìn)行驗(yàn)證使用。通過云平臺(tái)可選擇連接系統(tǒng)，可以通過WIFI模塊實(shí)時(shí)獲取到系統(tǒng)捕捉的各項(xiàng)數(shù)值。云平臺(tái)界面如圖6-1所示。圖6-1公路極端天氣無(wú)人引導(dǎo)車系統(tǒng)設(shè)計(jì)云平臺(tái)界面6.2整個(gè)系統(tǒng)的通電測(cè)試首先需要檢查硬件內(nèi)部檢查完畢以后進(jìn)行通電測(cè)試，然后進(jìn)行整個(gè)電路有沒有短路情況，第二，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供電過程中，首先需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行電壓的測(cè)量，第三，組點(diǎn)測(cè)量電壓，采用萬(wàn)用表在確認(rèn)各個(gè)點(diǎn)低壓正確以后，才能夠保證整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行以及各個(gè)元器件的電壓正常工作，第四，并進(jìn)行程序的編寫和系統(tǒng)的調(diào)試以及程序的仿真，以上檢查無(wú)后就可以開始整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。系統(tǒng)整體實(shí)物效果圖如圖6-2所示。6-2整體實(shí)物效果圖6.3硬件調(diào)試故障排除在調(diào)試過程中，會(huì)遇到各種各樣的硬件電路故障錯(cuò)誤，如設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，出現(xiàn)一些制造過程中一些焊接錯(cuò)誤，或者是PCB設(shè)計(jì)過程中加工錯(cuò)誤等等。這時(shí)候首先需要檢查的就是檢查PCB是否完整，否則的話如果直接上電的話，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電路板發(fā)生短路現(xiàn)象，會(huì)產(chǎn)生火花或者是導(dǎo)致元器件失效，所以元器件本身沒有存在問題的情況下就需要檢查硬件電路了。由于整個(gè)系統(tǒng)包含眾多的元器件，所以當(dāng)元器件損壞或者是功能不完善時(shí)，短路或者是其他形式導(dǎo)致出現(xiàn)誤差概率會(huì)很大，也就是整個(gè)系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致崩潰或者是元器件損壞，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的供電不穩(wěn)定或者是邏輯電平輸出信號(hào)不合理，另外對(duì)于系統(tǒng)的可靠性或者是其他的一些電源故障來說，通電以后還需要保證元器件不損壞，包括電壓過高或者是過低尤其是對(duì)一些敏感器件，比如電源功率不足導(dǎo)致的負(fù)載能力差更大。6.4單片機(jī)最小系統(tǒng)的調(diào)試系統(tǒng)的硬件調(diào)試主要是包括單片機(jī)，最小系統(tǒng)，顯示屏以及其他的外部傳感器，一些系統(tǒng)工作電路的調(diào)試，包括整個(gè)系統(tǒng)供電是否正常，以及車體紅外感應(yīng)和光敏電阻等一些其他的器件信號(hào)的采集。對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)外圍電路來說，需要保證穩(wěn)定的供電電壓，不出現(xiàn)復(fù)位情況，保證單片機(jī)初始化正常，最小系統(tǒng)工作正常情況下其他的工作模塊也都正常保證了后續(xù)的軟件穩(wěn)定性。6.5系統(tǒng)各模塊的調(diào)試系統(tǒng)各模塊的值會(huì)通過OLED顯示屏顯示出來，整體效果圖如圖6-3所示。6-3各模塊在OLED屏上面所顯示的值6.5.1煙霧傳感器的調(diào)試本次設(shè)計(jì)通過MQ-2煙霧傳感器測(cè)量天氣的霧霾濃度，當(dāng)環(huán)境中存在的可燃?xì)怏w濃度越高時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率越大。由于在溫度、濕度、大氣壓等環(huán)境條件不變時(shí)，可燃?xì)怏w的濃度變化對(duì)傳感器電導(dǎo)率的影響與濃度變化的絕對(duì)值成正比，所以利用可燃?xì)怏w的濃度可以達(dá)到傳感器測(cè)量空氣的效果。6.5.2雨滴傳感器的調(diào)試雨滴感應(yīng)模塊的感應(yīng)板上沒有水滴時(shí)，DO輸出為高電平，開關(guān)指示燈滅，滴上一滴水，DO輸出為低電平，開關(guān)指示燈亮刷掉上面的水滴，又恢復(fù)到輸出高電平狀態(tài)，從而判斷雨水量。6.5.3水位傳感器的調(diào)試WaterSensor水位傳感器是一款簡(jiǎn)單易用的水位/水滴識(shí)別檢測(cè)傳感器，是通過具有一系列的暴露的平行導(dǎo)線線跡測(cè)量其水滴/水量大小從而判斷水位。6.5.4超聲波傳感器的調(diào)試超聲波是基于光導(dǎo)效應(yīng)的一種光電元器件，在沒有超聲波的時(shí)候，超聲波的電阻值非常大，在電路中的電流非常小。當(dāng)光去照射超聲波的時(shí)候，半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率會(huì)隨之增加，電阻也會(huì)慢慢地減小，隨著光照的增強(qiáng)，半導(dǎo)體材料的阻值也會(huì)變小。在調(diào)試過程中，超聲波測(cè)距模塊發(fā)出高電平，當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就可以讀定時(shí)器的值，此時(shí)就為此次測(cè)距的時(shí)間，可算出與車邊行人的距離，周期測(cè)可以達(dá)到移動(dòng)測(cè)量的值。模擬從超聲波傳感器前面經(jīng)過，通過OLED顯示屏顯示車流量部分?jǐn)?shù)字發(fā)生變化來判斷是否正常工作。6.5.5溫度傳感器的測(cè)試由于晶體管PN結(jié)的正向電壓降都是以大約-2mV%2F℃在斜率隨溫度變化而變化，并且比較穩(wěn)定，同時(shí)晶體管的基極發(fā)射極電壓與溫度基本上呈線性關(guān)系，利用這些特殊性對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量，如果OLED顯示屏上顯示溫度的部分會(huì)隨著電壓的變化而變化，說明溫度傳感器沒有問題，可以正常使用?？偨Y(jié)與展望本次設(shè)計(jì)主要是極端天氣無(wú)人引導(dǎo)車系統(tǒng)的研究，對(duì)于我智能化系統(tǒng)以及未來的智能化交通有一定的引導(dǎo)作用，本次設(shè)計(jì)采用的是單片機(jī)作為主要控制器，首先要對(duì)電路進(jìn)行一系列的設(shè)計(jì)，并且依次進(jìn)行選材，然后由于單片機(jī)芯片設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單，所以我直接買的模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)其他的傳感器我也是遵循簡(jiǎn)單的原則，能買模塊，則買模塊電源模塊供電要求比較高，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)需要的電流比較大，所以我采用的是充電寶進(jìn)行供電以及蓄電池供電，在保證不間斷情況下，WIFI模塊需要選擇抗干擾能力強(qiáng)以及控制容易的方法，而且最重要的是數(shù)據(jù)傳輸快，在開發(fā)APP過程中，我需要保證整個(gè)控制界面的簡(jiǎn)單，方便，耐用，清晰顆粒，所以對(duì)于單片機(jī)程序的編寫，我需要保證移植性和可讀性比較高，最后進(jìn)行了硬件和軟件的調(diào)試，在設(shè)計(jì)過程中我遇到了很多問題，但是多次實(shí)驗(yàn)以及推銷最終解決了各種問題，并且這次設(shè)計(jì)最為適用，最重要的是讓我對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)知識(shí)有了一定的了解。從總體上來看，雖然整個(gè)設(shè)計(jì)不太完善，但是整個(gè)系統(tǒng)功能也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，本次設(shè)計(jì)仍然有許多可待解決的方法，比如可以增加指南針，方便在極端環(huán)境下分清方向，可以通過上傳到大數(shù)據(jù)平臺(tái)等等，所以在以后會(huì)有更多的完善。參考文獻(xiàn)[1]劉汪，董曉慶．基于單片機(jī)的極端天氣無(wú)人引導(dǎo)車[J]．韓山師范學(xué)院，2013(4).[2]周霽．兼容MCS-51微處理器的邏輯設(shè)計(jì)[J]．中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，2013(6).[3]孫育才．單片微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用[M]．東南大學(xué)出版社，2010.[4]陳宇，戴亮，戚蕊，顧婕妤，何穎．智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．?dāng)?shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2021,39(06):P157~P159.[5]王建勛．基于虛擬儀器和WIFI技術(shù)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015(3):P86~P89.[6]鮑程紅，戴珊．停車計(jì)時(shí)收費(fèi)系統(tǒng)的研發(fā)[N]．浙江萬(wàn)里學(xué)院學(xué)報(bào)，2012(4):P81~P85.[7]蔣俊，簡(jiǎn)雨沛．WIFI智能引導(dǎo)車系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]．北京：西南交通大學(xué)，2015:P166~P167.[8]楊勇．他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法[J]．東方企業(yè)文化，2014(1):P229~P229.[9]勞衛(wèi)東．談直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理[J]．企業(yè)科技與發(fā)展，2011(22):P27~P30.[10]聶思敏．小功率光伏電池控制器的研制[N]．安順學(xué)院學(xué)報(bào)，2011(3):P115~P117.[11]游曉容．單片機(jī)串行通信中的幾個(gè)問題討論[N]．河南教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2011(2).[12]許超，張丹．基于Keil的單片機(jī)課程教學(xué)改革[J]．遼寧大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011(1).[13]魯杰爽．單片機(jī)Keil軟件仿真與調(diào)試技巧[J]．電子制作，2010(3).[14]康素霜．單片機(jī)的智能平臺(tái)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．智慧中國(guó)，2022,(09):P70~P72.[15]楊江，高紅亮，梅揚(yáng)，基于nRF24L01智能環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2014,33(02):P116~P120.[16]ToyamaS,YamamotoG.DevelopmentofWearable-Agri-Robotmechanismforagriculturalwork[J].2018:5801-5806.[17]MontgomeryP,DennisJ.Asystematicreviewofnon-pharmacologicaltherapiesforsleepproblemsinlaterlife.[J].SleepMedicineReviews,2019,8(1):47.[18]FarazF,MohammedHS.Obstructivesleepapneahypopneasyndrome(OSAHS):Acasereview.[J].Internationaljournalofpharmaceutics,2018,3(3):15-16.[19]Ali

Abedi,Shehroz

S.

Improving

state-of-the-art

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Student

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Conference

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Tianjiao,Liu

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Design

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Computational

Intelligence

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Neuroscience,2022,

附錄附錄A原理圖圖A-1原理圖附錄B程序代碼#include"stm32f10x.h"#include"delay.h"#include"usart.h"#include"led.h"#include"key.h"#include"oled.h"#include"TIM2.h"#include"UltrasonicWave.h"#include"key.h"#include"ds18b20.h"#include"adc.h"externunsignedshortintUltrasonicWave_Distance;//計(jì)算出的距離 shorttemperature;u16adcx0,adcx1,adcx2;unsignedchard