基于单片机的粮库巡检小车的设计

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主要介绍

巡检小车系统由接收板和小车两部分组成。小车采用STC12C5A60S2单片机作为控制核心，由DHT11温湿度传感器、MQ-2烟雾传感器、避障循迹、HC-05蓝牙模块等主要模块组成。同时接收板以STC89C52为控制核心，搭配报警模块、HC-05蓝牙模块、LCD1602液晶显示模块。将小车采集到的温湿度信号送入单片机进行处理，经单片机处理后的数据通过蓝牙传输给接收板，接收板单片机将接收数据进行模数转换，转换后的数值通过LCD液晶屏显示。实现温湿度烟雾的采集显示、检测报警功能。
与传统环境检测系统相比，具有低功耗、使用方便、移动与定点采集相结合的特点。

一、本设计的研究内容

鉴于国内绝大多数粮库环境仍使用传统检测设备，为保障粮食质量和人员安全，保证粮库检测工作照常进行，本文设计了一款对粮库环境实时检测的巡检小车[5]。该车可在粮库中自动寻迹避障[6]，能有效检测粮库环境的温湿度、烟雾情况。该车包括检测小车与数据接收板两部分，数据传输通过蓝牙完成，主要实现对粮库环境温湿度的采集、传输、显示与报警，及时消除粮库的安全隐患。
从选题到器件选择、组装焊接，再到软硬件编程及调试，本设计分以下几部分进行介绍：
1.解国内外粮库检测和巡检小车的研究进展，明确研究方向
2.掌握各类传感器、STC单片机的原理和智能小车相关知识
3.用STC单片机作为处理器，设计粮库检测小车和数据专用接收板
4.根据设计需求选择合适器件，对巡检小车进行组装焊接
5.对小车和接收板分别进行程序编写与功能调试
6.实现小车采集、蓝牙传输和接收板的显示、报警
7.对巡检小车进行实际测试，找出存在问题并解决
8.完成本设计所有内容

二、巡检小车系统结构

2.1巡检小车总体设计

巡检小车总体框图如图2-1所示，总共包括两个大的部分，通过蓝牙实现连接，各个模块共同配合来完成粮库环境检测工作。

图2-1 巡检小车结构框图

2.1.1车体结构的选择

移动机器人按用途和种类可分为多种，其中轮式机器人的研究和应用比较广泛，行驶时速度稳定且宜于操作，适合在粮库环境的使用，所以本设计选用轮式结构制作巡检小车。
轮式小车结构如下表2-1所示，主要分为以下四种结构，轮子越多功能相对越多，稳定性越好。为减轻小车重量方便使用，且降低成本，本设计使用亚克力板制作三轮小车，包括两个动力轮和一个万向轮。动力轮使用DC电机驱动，后边采用万向轮来提高小车的稳定性，方便小车进行转弯调头，通过两边车轮输入不同电平即可实现。

表2-1 车轮结构

三、巡检小车系统的硬件设计

3.1检测小车硬件组成

检测小车的硬件组成主要包括电机驱动、温湿度检测、寻迹避障模块和烟雾检测等，负责对粮库环境的温湿度、气体烟雾情况实时检测。

3.1.1电机驱动模块

小车使用直流电机驱动[10]，通过I/O控制实现转弯或调头来躲避障碍物，因此选择L298N芯片。
L298N芯片与其他驱动相比工作比较稳定，不易出现问题。内部包括两个H桥，工作时峰值电压可达46V，正常工作只需要提供2A电流。使用逻辑规范电平进行驱动；有四个输入端和一个接地端；有两个使能端和一个逻辑电源；有四个输出端和一个电机电源；逻辑电源和电机电源分别对芯片和电机进行供电；有两个电流检测端，接地反馈信号。
L298N方便使用且易于驱动，可以根据使用环境的不同分别对直流、步进电机进行驱动，使用时输出电压可随意调节，满足了不同的使用需求。图3-1为L298N芯片，其引脚功能详见表3-1。

图3-1 L298芯片的引脚图

四、小车系统软件设计

4.2小车系统流程图

小车系统的主程序主要是完成小车初始化，负责对粮库环境的数据采集，对寻迹避障、电机驱动等模块的检测与处理，以及检测数据的通信与传输。
小车在粮库环境开始工作后，各传感器沿着轨道进行采集，当系统检测到不同的信息时，单片机执行对应的子程序，并将反馈结果发送到各模块。蓝牙将检测的环境参数发送到接收板；电机驱动不仅要控制小车行驶，而且当遇到障碍或出现偏离时，通过I/O控制小车左右移动或转弯调头，系统流程图如图4-2所示。

图4-2 小车系统流程

4.2.1寻迹避障流程图

寻迹避障流程分为两部分，即寻迹流程与避障流程，小车在粮库环境的寻迹避障都要通过相应程序控制电机驱动来配合实现。
小车从起始位置在黑色轨道行驶。正常行驶时，车头中间对管的红外信号会被吸收，两侧对管可以收到返回的信号，通过LM358将信号比较后按直行程序前进；当小车向左偏移时，车头右侧对管发出的信号被吸收，左侧能
够收到返回信号，通过LM358比较后启用右移程序让小车向右移动；同理，当小车向左偏移时经LM358比较后，启用左移程序控制小车向左移动，小车寻迹流程如图4-3所示。

图4-3 寻迹流程

超声波模块打开电源后先程序初始化，然后开始正常检测。超声波模块工作时首先朝前方发出一个探测信号，然后单片机开始计时，在探测到障碍回来时再输送一个返回信号，同时计时停止，并根据这两个信号的时间间隔计算距离。当探测距离小于15cm时，单片机通过调转程序控制小车进行转弯或调头，保证正常行驶和工作。超声波模块流程见下图4-4。

五 巡检小车实际测试

5.1巡检小车实物图

经过一系列工作小车制作完成，小车实物见下图5-1。

图5-1 巡检小车实物图

5.2巡检小车系统测试

巡检小车系统测试包括检测小车整体测试、蓝牙传输测试以及接收板数据的显示报警测试。测试时同样按照“先部分后整体”的顺序进行，先分别对各部分进行测试，需要改进的地方及时改进，保证巡检小车各部分符合设计需求，最后进行整体测试。
1、小车整体测试
小车整体测试主要是测试小车的整体性能，测试小车能否在模拟环境中正常行驶，能否寻迹避障功能、左右移动、转弯调头和数据检测，这都对小车的性能做出了非常大的考验。首先对测试环境进行布置，在白纸上用黑色胶带制作小车轨道，并在固定位置放置障碍物干扰小车行驶，模拟环境如图5-2。在测试过程中实时记录检测结果，找出小车存在的问题并解决。

图5-2 环境模拟示意图

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