1、毕 业 设 计 正 文 第 1页 哈尔滨职业技术学院印制 目 录 1 绪 论 . 1 2 系统总体设计 . 2 2.1 系统方案设计 . 2 2.2 设计方案框图 . 2 3 硬件部分 . 3 3.1 方案论证 . 3 3.1.1 数据传输方案 . 3 3.1.2 主控芯片选型 . 4 3.1.3 电机驱动选型 . 6 3.1.4 总体设计方案 . 7 3.2 系统硬件设计选型 . 7 3.2.1 WIFI 模块选型和制作 . 7 3.2.2 主控芯片选型 . 11 3.2.3 电机驱动板 . 13 3.2.4 摄像头及舵机组 . 17 3.2.5 液晶显示屏 . 18 3.2.6 照明系统
2、. 18 3.2.7 传感器选型 . 18 4 软件部分 . 19 4.1 程序设计思路 . 19 4.2 程序设计框图 . 20 结 论 . 21 毕 业 设 计 正 文 第 2页 哈尔滨职业技术学院印制 参考文献 . 22 致 谢 . 22 附件 1：原理图 . 24 附件 2：程控电机驱动板原理图 . 25 附件 3：程控电机驱动板 PCB 图 . 26 附件 4：源程序清单 . 27 附件 5：作品实物图 . 32 毕 业 设 计 正 文 第 1页 哈尔滨职业技术学院印制 1 绪 论 质量是测量领域中的一个重要参数 ,称重技术自古以来就被人们所重视。公元前，人们为了对货物交换量进行估计
3、，起初采用木材或陶土制作的容器对交换物进行计量，以后，又采用简单的秤来测定质量，据考证，世界上最古老的计量器具出土于中东和埃及，最古老的衡器和砝码出自于埃及。秤是最普遍、最普及的计量设备，电子秤取代机械秤是科学技术发展的必然规律。低成本、高智能化的电子秤无疑具有极其广阔的市场前景。 本章简述称重技术和衡器的发展过程，论述提出新型便携式电子秤的意义，介绍项目研究背景、关键技术等。 毕 业 设 计 正 文 第 2页 哈尔滨职业技术学院印制 2 系统总体设计 2.1 系统方案设计 火场探测小车采用 IAP15F2K61S2 单片机为控制核心，通过 WiFi 与PC 机客户端通信。小车上安装摄像头、温
4、度传感器、火焰传感器、烟雾传感器等，主控芯片采集各个传感器的数据显示在液晶屏上并通过 WiFi回传给 PC 机客户端； PC 机客户端通过 WiFi 对小车发送指令，当小车接收到相应的指令后，控制电机驱动模块驱动电机及其其他设备。电机驱动模块采用自行设计的程控电机驱动板，这样可 以更加方便的对小车进行控制，减轻主控芯片的压力，让主控芯片专注于与 PC 机客户端的数据传输和处理。 2.2 设计方案框图 毕 业 设 计 正 文 第 3页 哈尔滨职业技术学院印制 3 硬件部分 3.1 方案论证 3.1.1 数据传输方案 方案一：采用 WiFi传输方式 WiFi 全称 Wireless Fidelit
5、y，又称 802.11b/n 标准，它的最大优点就是传输速度较高，可以达到 150Mbps。 其主要特性为：速度快，可靠性高，在开放性区域，通讯距离可达305米，在封闭性区域，通讯距离为 76 米到 122 米，方便与现有的有线以太网络整合，组网的成本更低。 WiFi 无线保真技术与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有 50 英尺左右约合 15 米，而 WiFi 的半径则可达 300 英尺左右约合 100 米，办公室自不用说，就是在整栋大楼中也可使用。最近，由 Vivato 公司推出的一款新型交换机。据悉，该款产品能够把目前
6、WiFi无线网络 300英尺，接近 100 米的通信距离扩大到 4英里约 6.5 公里。目前由于电子元件集成度的提高， WiFi 模块的成本以大幅降低。 方 案二：采用蓝牙传输方式 蓝牙（ Bluetooth ）：是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换（使用 2.4 2.485GHz 的ISM 波段的 UHF 无线电波）。蓝牙可连接多个设备，克服了数据同步的难题。 毕 业 设 计 正 文 第 4页 哈尔滨职业技术学院印制 蓝牙特点参数如下： 表 3-1 发射功率 类别 最大功率容量 射程范围 （ m） （ mW） （ dBm） 1 100 20 100
7、2 2.5 4 10 3 1 0 1 表 3-2 数据传输速率 版本 数据率 最大应用吞吐量 1.2 1Mbit/s 80 kbit/s 2.0 + EDR 3 Mbit/s 80 kbit/s 3.0 + HS 24 Mbit/s 请参考 3.0 + HS 4.0 24 Mbit/s 请参考 4.0 LE 从上表可以看出，蓝牙的通信距离和速率都比较低，但是对于工业应用，蓝牙的成本比较低，适合大批量生产。 经过以上方案论证与市场调查， WiFi 相对于其他无线传输方式具有传输速度快、稳定，且距离上占有很大优势，特别适合大量的数据传输，比如本次设计中要传输视频，另外，在成本上，由于芯片的集成度越
8、来越高，价钱越来越低， WiFi的价格已经到了一个大众可以认可的程度。所以本次设计采用 WiFi作为本次设计的通信方式。 3.1.2 主控 芯片选型 方案一： STC89C52单片机主控 STC89C52单片机具有以下标准功能： 8k 字节 Flash， 256字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM， MAX810 复位电路，3个 16 位定时器 /计数器， 4个外部中断，一个 7 向量 4 级中断结构（兼容传统 51 的 5向量 2级中断结构），全双工串行口。另外 52 单片机可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，
9、毕 业 设 计 正 文 第 5页 哈尔滨职业技术学院印制 CPU 停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下， RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止，最高运作频率 35MHz， 6T/12T可选。 目前 52 单片机已经生产十年之久，很多技术上已经落后于新兴单片机，在程序 存储器和数据存储器上，由于当时技术限制和成本原因，这两者的容量都比较小。 方案二： IAP15F2K61S2单片机主控 系列单片机是 STC 公司生产的单时钟 /机器周期的单片机，是高速 、高可靠 、 低功耗 、 超强抗干扰的新一代 8051 单片
10、机，采用 STC第八代加密技术，解密难度很高，指令代码完全兼容传统 8051，但是速度快 8-12倍。片内集成高精度 R/C 时钟， ISP 编程时可以设置时钟频率，可省掉传统单片机外部时钟电路和复位电路。该系列的单片机还具有很丰富的片上外设，包括： 3 路 CPP/PWM/PCA、 8 路高速 10 位 AD、多个定时器、两个串口、一组高速同步串行通信端口 SPI 等，片上集成 61KB程序存储器和 2KB数据存储器，可以存储更多的程序和运算单片机运行中的数据，让单片机可以实现更多的功能。该系列单片机采用的是 STC-Y5 超高速CPU内核，在同样的时钟频率下，速度又比早期的 1T 系列单片
11、机（ STC12系列 /STC11系列 /STC10系列）快 20%。 在片上外设方面， IAP15F2K61S2 单片机集成的多个串口、定时器，和 SPI 接口，并且拥有大容量数据存储器和程序存储器，可以存储更多的程序和运行过程中的数据，并且集成的复位电路和时钟电路，不需要外部昂贵的电路。 在价格上， IAP15F2K61S2单片机完全可以和 STC89C52单片机抗衡。 经过以上方案论证与市场调查， 15单片机相对于传统的 52 单片机具有速度快（同样晶振 频率下快 10 倍左右），片上外设更加丰富，内部毕 业 设 计 正 文 第 6页 哈尔滨职业技术学院印制 集成 52 单片机所需的外围
12、电路，并且拥有容量更大的存储器，可以运行更多功能的程序，在价格上， 3元至 10 元的价格更是可以与传统的 52单片机媲美，本芯片抗干扰能力超强，综上所述，本次设计选用功能强大，且价格低廉的 IAP15F2K61S2单片机。 3.1.3 电机驱动 选型 方案一： L298N电机驱动板设计 如图 3-1所示是市场上常见的 L298N驱动模块，采用 ST 公司原装全新的 L298N芯片，采用 SMT工艺稳定性高，采用高质量铝电解电容，使电路稳定工作。可以直接驱动两路 3-35V 直流电机，并提供了 5V 输出接口（输入最低只要 6V），可以给 5V 单片机电路系统供电（低纹波系数） ,支持 3.3
13、V MCU ARM控制，可以方便的控制直流电机速度和方向，也可以控制 2 相步进电机， 5线 4相步进电机。 图 3-1 L298N 电机驱动板 毕 业 设 计 正 文 第 7页 哈尔滨职业技术学院印制 方案二：程控电机驱动板设计 传统的电机驱动模块需要主控芯片发送脉冲数据进行控制，需要占用单片机的定时器资源或者是用延时，在不加操作系统，单线程运行的话会影响到主控芯片对其他数据的处理，在现在的市场上有一种串行通信的程控电机驱动板，驱动板本身集成微控制器，主控芯 片只需要对其发送指令，电机控制部分完全有驱动板本身的微控制器处理和控制。 程控电机驱动板主要有以下优点：采用独立的微控制器，减轻主控芯
14、片的压力，使其可以更专注于设计整体的控制；采用串行通信方式，方便控制；电机控制精确；在同样的驱动芯片情况下，实际有用输出功率更大。 经过以上几种方案论证、开发难度比较，参考实际应用效果，使用程控电机驱动板具有比传统驱动板开发难度低、控制方便等优点，程控电机驱动板更和适合本次设计。 3.1.4总体设计方案 综合以上三点方案论证，本次设计采用 WiFi 作为数据传输媒介，以价格低廉、 性能优异的 IAP15F2K61S2 单片机为主控芯片，程控电机驱动板为电机驱动模块，配合摄像头及舵机组、电源、液晶显示屏、照明系统等部分设计完成火场探测小车，实现火场探测的功能。 3.2 系统硬件设计选型 3.2.
15、1 WiFi 模块选型和制作 现在市面上有很多类型的 WiFi 通信模块，比如 ESP8266、 RTL8188、RT5350等等，但是这些 WiFi模块有很多不尽人意的地方，比如通信速率低、操作繁琐、价格昂贵等等，本次设计并没有选择常见的 WiFi 模块，而是采用路由器改装方式制作 WiFi模块。 毕 业 设 计 正 文 第 8页 哈尔滨职业技术学院印制 路由器本质上是一个嵌入式系统，内部有 CPU、 RAM、 ROM等等嵌入式系统所必须的硬件条件，搭配 WiFi 通信的射频电路，组成我们常见的路由器，在这个硬件系统中也有软件的支持，就是路由器的操作系统，在这个前提下，我决定采用改装路由器的
16、方式制作 WiFi模块，让 WiFi模块更符合本次设计的需求。 改装路由器的两个主要步骤：改装系统，改装硬件。 （ 1）改装系统 OpenWrt 可以被描述为一个嵌入式的 Linux 发行版，（主流路由器固件主要有 dd-wrt,tomato,OpenWrt 三类）而不是试图建立一个单一的、静 态的系统。 OpenWrt的包管理提供了一个完全可写的文件系统，从应用程序供应商提供的选择和配置，并允许您自定义的设备，以适应任何应用程序。 对于开发人员， OpenWrt 是使用框架来构建应用程序，而无需建立一个完整的固件来支持；对于用户来说，这意味着其拥有完全定制的能力，可以用前所未有的方式使用该设
17、备。 OpenWrt是一个高度模块化、高度自动化的嵌入式 Linux系统，拥有强大的网络组件和扩展性，常常被用于工控设备、电话、小型机器人、智能家居、路由器以及 VOIP 设备中。 同时，它还提供了 100 多个已编译好的软 件，而且数量还在不断增加，而 OpenWrt SDK 更简化了开发软件的工序。 OpenWRT不同于其他许多用于路由器的发行版，它是一个从零开始编写的、功能齐全的、容易修改的路由器操作系统。实际上，这意味着您能够使用您想要的功能而不加进其他的累赘，而支持这些功能工作的linux kernel 又远比绝大多数发行版来得新。 综上所述， OpenWrt是完全适合改装路由器。
