file:///C:\Users\lengshao\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD9F4.tmp.png 圖1 各模塊關(guān)系框圖 各模塊關(guān)系圖如圖1 所示，電源模塊A用于為各個模塊供電的，其電源輸出端分別連接所用到的各個模塊的電源端。當(dāng)使用時，首先通過遙控器B1發(fā)送命令，此命令通過無線信號傳輸給無線電模塊B2，無線模塊B2將信號處理后傳送至Arduino主控單元G，由主控單元G發(fā)送命令至電機(jī)驅(qū)動模塊D，垃圾桶按照命令，在電機(jī)驅(qū)動模塊D的驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左移、右移功能。在行駛過程中，距離障礙物20cm處，垃圾桶可通過紅外避障模塊C1感應(yīng)前方障礙物，此模塊發(fā)送命令至主控單元G，再發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動模塊指令，此時垃圾桶會向左或向右轉(zhuǎn)彎，控制者可根據(jù)自己的方位對垃圾桶進(jìn)行實(shí)時控制以使垃圾桶到達(dá)控制者附近，控制者向垃圾桶內(nèi)扔垃圾，當(dāng)手靠近垃圾桶時，垃圾桶可通過紅外控制模塊C3發(fā)送命令到主控單元G，再由主控單元G發(fā)送命令到軸承控制模塊F，使垃圾桶自動開蓋，5秒后自動關(guān)蓋。如果垃圾桶內(nèi)物品裝滿時，可通過紅外測試模塊C2感應(yīng)到垃圾桶內(nèi)物品高度，如果桶內(nèi)物品高度到達(dá)距桶蓋5厘米處，紅外測試模塊C3可向主控單元G發(fā)送命令，主控單元G向語音控制模塊E傳輸命令，使得語音控制模塊E自動發(fā)出提醒聲。 2. 智能垃圾桶設(shè)計器材的選擇 由于時間及材料有限，我們僅利用紅外避障模塊和紅外感應(yīng)模塊及Arduino板模擬 了躲避障礙物，自動感應(yīng)周圍的人來自動開蓋關(guān)蓋的功能。所需材料如表一所示: 表一 設(shè)計所需器材說明表 元件名稱 | | | | | | | [size=10.5000pt]file:///C:\Users\lengshao\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD9F5.tmp.jpg | [size=10.0000pt] [size=10.0000pt] [size=10.0000pt] 9V電池
| | | [size=9.0000pt]file:///C:\Users\lengshao\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD9F6.tmp.png | | | | [size=10.5000pt]file:///C:\Users\lengshao\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD9F7.tmp.jpg | | | | [size=10.5000pt]file:///C:\Users\lengshao\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD9F8.tmp.jpg | [size=10.0000pt] [size=10.0000pt] 無線遙控模塊
| [size=10.0000pt] [size=10.0000pt] OPENJUMPER藍(lán)牙模塊v2.0
| | [size=10.5000pt]file:///C:\Users\lengshao\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsD9F9.tmp.jpg | | | | file:///C:\Users\lengshao\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsDA0A.tmp.png | |
Openjumper小車車體套件 [size=10.0000pt] | | [size=10.5000pt]file:///C:\Users\lengshao\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsDA0B.tmp.jpg | |
UNO配套的傳感器擴(kuò)展板 [size=10.0000pt] | | [size=9.0000pt]file:///C:\Users\lengshao\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsDA0C.tmp.png | | [size=10.0000pt] [size=10.0000pt] openjumperL298電機(jī)驅(qū)動板 [size=10.5000pt] | | [size=10.5000pt]file:///C:\Users\lengshao\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsDA0D.tmp.jpg | | | | file:///C:\Users\lengshao\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsDA0E.tmp.png | | | | [size=10.5000pt]file:///C:\Users\lengshao\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsDA0F.tmp.jpg [size=10.5000pt] | | | | [size=10.5000pt]file:///C:\Users\lengshao\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsDA10.tmp.jpg | | | | file:///C:\Users\lengshao\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsDA21.tmp.png |
2.1 芯片說明 2.1.1 ArduinoUNO芯片
[size=12.0000pt]file:///C:\Users\lengshao\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsDA22.tmp.png 圖2 Arduino UNO芯片實(shí)物圖 Arduino UNO芯片，如圖2 Arduino UNO是Arduino USB接口系列的最新版本，作為Arduino平臺的參考標(biāo)準(zhǔn)模板。UNO的處理器核心是ATmega328，同時具有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16MHz晶體振蕩器，一個USB口，一個電源插座，一個ICSP header和一個復(fù)位按鈕。與51單片機(jī)相比，Arduino UNO具有很多優(yōu)勢，例如功耗小、每個人模塊是打包好的可以直接用，操作簡單等等。所以在這里我們選用Arduino UNO芯片。 參考數(shù)據(jù) (1) 處理器 ATmega328 (2) 工作電壓 5V (3) 輸入電壓（推薦） 7-12V (4) 輸入電壓（范圍） 6-20V (5) 數(shù)字IO腳 14 (其中6路作為PWM輸出） (6) 模擬輸入腳 6 (7) IO腳直流電流 40 mA (8) 3.3V腳直流電流 50 mA (9) Flash Memory 32 KB （ATmega328，其中0.5 KB 用于 bootloader） (10) SRAM 2 KB （ATmega328） (11) EEPROM 1 KB （ATmega328） (12) 工作時鐘 16 MHz 2.1.2 HC-SR501芯片 file:///C:\Users\lengshao\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsDA23.tmp.png 圖3 HC-SR501實(shí)物圖 紅外感應(yīng)模塊可采用HC-SR501普通型人體紅外感應(yīng)模塊熱釋電紅外傳感器。如圖3 其技術(shù)參數(shù)如下： （1）工作電壓：DC5V至20V （2）靜態(tài)功耗：65微安 （3）電平輸出：高3.3V，低0V （4）延時時間：可調(diào)(0.3秒~18秒) （5）封鎖時間：0.2秒 （6）觸發(fā)方式：L不可重復(fù)，H可重復(fù)，默認(rèn)值為H （7）感應(yīng)范圍：小于120度錐角，7米以內(nèi) （8）工作溫度：-15~+70度 （9）PCB外形尺寸：32*24mm，螺絲孔距28mm，螺絲孔徑2mm，感應(yīng)透鏡尺寸：(直徑)：23mm(默認(rèn)) 其功能特點(diǎn)如下： （1）全自動感應(yīng)：當(dāng)有人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平，人離開感應(yīng)范圍則自動延時關(guān)閉高電平。輸出低電平。 （2）兩種觸發(fā)方式：L不可重復(fù)，H可重復(fù)�？商�選擇，默認(rèn)為H。 A.不可重復(fù)觸發(fā)方式：即感應(yīng)輸出高電平后，延時時間一結(jié)束，輸出將自動從高電平變?yōu)榈碗娖健? B.可重復(fù)觸發(fā)方式： 即感應(yīng)輸出高電平后，在延時時間段內(nèi)，如果有人體在其感應(yīng)范圍內(nèi)活動，其輸出將一直保持高電平，直到人離開后才延時將高電平變?yōu)榈碗娖?/font>(感應(yīng)模塊檢測到人體的每一次活動后會自動順延一個延時時間段，并且以最后一次活動的時間為延時時間的起始點(diǎn))。 （3）具有感應(yīng)封鎖時間(默認(rèn)設(shè)置：0.2秒)：感應(yīng)模塊在每一次感應(yīng)輸出后(高電平變?yōu)榈碗娖?/font>)，可以緊跟著設(shè)置一個封鎖時間，在此時間段內(nèi)感應(yīng)器不接收任何感應(yīng)信號。此功能可以實(shí)現(xiàn)(感應(yīng)輸出時間和封鎖時間)兩者的間隔工作，可應(yīng)用于間隔探測產(chǎn)品；同時此功能可有效抑制負(fù)載切換過程中產(chǎn)生的各種干擾。 （4）工作電壓范圍寬：默認(rèn)工作電壓DC5V至20V （5）微功耗：靜態(tài)電流65微安，特別適合干電池供電的電器產(chǎn)品。 7.輸出高電平信號：可方便與各類電路實(shí)現(xiàn)對接。 把人體紅外感應(yīng)模塊放在垃圾桶蓋上，放在桶蓋中心位置，一個即可。若有條件，可放4個甚至跟多，均勻的放在桶蓋邊上，并聯(lián)即可。 2.1.3 紅外避障模塊原理 file:///C:\Users\lengshao\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsDA24.tmp.png 圖4 紅外障傳感器實(shí)物圖 如圖4 紅外避障模塊采用普通的紅外障傳感器，該傳感器模塊對環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)，其具有一對紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測方向遇到障礙物（反射面）時，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，綠色指示燈會亮起，同時信號輸出接口輸出數(shù)字信號（一個低電平信號），可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距離，有效距離范圍 2～80cm，工作電壓為3.3V-5V。該傳感器的探測距離可以通過電位器調(diào)節(jié)、具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、避障小車、流水線計數(shù)及黑白線循跡等眾多場合。 其主要參數(shù)說明如下： (1) 當(dāng)模塊檢測到前方障礙物信號時，電路板上綠色指示燈點(diǎn)亮電平，同時OUT端口持續(xù)輸出低電平信號,該模塊檢測距離2～80cm，檢測角度35°，檢測距離可以通過電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，順時針調(diào)電位器，檢測距離增加；逆時針調(diào)電位器，檢測距離減少。 (2) 傳感器主動紅外線反射探測,因此目標(biāo)的反射率和形狀是探測距離的關(guān)鍵。其中黑色探測距離最小,白色最大;小面積物體距離小,大面積距離大。 (3) 傳感器模塊輸出端口OUT可直接與單片機(jī)IO口連接即可，也可以直接驅(qū)動一個5V繼電器；連接方式：VCC-VCC;GND-GND;OUT-IO (4) 比較器采用LM393，工作穩(wěn)定； (5) 可采用3-5V直流電源對模塊進(jìn)行供電。當(dāng)電源接通時，紅色電源指示燈點(diǎn)亮； (6) 具有3mm的螺絲孔，便于固定、安裝； (7) 電路板尺寸：3.1CM*1.5CM (8) 每個模塊在發(fā)貨已經(jīng)將閾值比較電壓通過電位器調(diào)節(jié)好，非特殊情況，請勿隨意調(diào)節(jié)電位器。 模塊接口說明（3線制）如下： (1) VCC 外接3.3V-5V電壓（可以直接與5v單片機(jī)和3.3v單片機(jī)相連） (2) GND 外接GND (3) OUT 小板數(shù)字量輸出接口（0和1） 這個模塊的主體是三個紅外傳感器。只需要把三個紅外傳感器均勻的安裝在小車上。 2.1.4 電源 Arduino UNO可以通過3種方式供電，而且能自動選擇供電方式 (1)外部直流電源通過電源插座供電。 (2)電池連接電源連接器的GND和VIN引腳。 (3)USB接口直接供電。 電源引腳說明: VIN --- 當(dāng)外部直流電源接入電源插座時，可以通過VIN向外部供電；也可以通過此引腳向UNO直接供電；VIN有電時將忽略從USB或者其他引腳接入的電源。 5V --- 通過穩(wěn)壓器或USB的5V電壓，為UNO上的5V芯片供電。 3.3V --- 通過穩(wěn)壓器產(chǎn)生的3.3V電壓，最大驅(qū)動電流50mA。 GND --- 地腳。 2.1.5 遙控器和無線模塊： file:///C:\Users\lengshao\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsDA34.tmp.jpg 圖5藍(lán)牙串口通信模塊HC-05實(shí)物圖 OPENJUMPER藍(lán)牙模塊v2.0是主從一體的藍(lán)牙串口通信模塊HC-05，可通過AT模式改寫其各參數(shù)。適用于Arduino與PC、手機(jī)等設(shè)備的無線連接，如圖5 所示。 將藍(lán)牙模塊通過USB傳串口模塊連接到電腦USB端口，可直接通過串口助手發(fā)送AT命令來配置藍(lán)牙模塊。 設(shè)置好AT指令后，讓藍(lán)牙主機(jī)通過轉(zhuǎn)串口模塊連接電腦，藍(lán)牙從機(jī)連接小車上。藍(lán)牙處于工作狀態(tài)，也就是AT引腳接低電平或者懸空（工作狀態(tài)下，藍(lán)牙state燈為快閃）。此時藍(lán)牙會自動搜索能夠與之配對的模塊，自動連接配對，配對成功后LINK燈變?yōu)槌Ａ?/div> 2.1.6 紅外測距模塊 file:///C:\Users\lengshao\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsDA35.tmp.png 圖6 紅外測距傳感器實(shí)物圖 在垃圾桶蓋的下方安裝一個紅外測距傳感器，該傳感器與主控單元連接，用來測試桶內(nèi)垃圾高度，實(shí)物圖如圖6所示。 2.1.7 電機(jī)驅(qū)動模塊 file:///C:\Users\lengshao\AppData\Local\Temp\ksohtml\wpsDA36.tmp.jpg 圖7 整體連接效果圖 先下載一個程序來為電機(jī)接線做準(zhǔn)備。電機(jī)的2根線并沒有正負(fù)之分，電機(jī)驅(qū)動板上的M1,M2接線端子也不能確定應(yīng)該對應(yīng)左右哪一個電機(jī)然后要對uno下載一段程序，以方便我們對小車電機(jī)進(jìn)行連線。效果圖如圖7所示。 2.2 設(shè)計說明 由于時間和材料有限，我們利用小燈、面包板、HC-SR501普通型人體紅外感應(yīng)器、紅外避障傳感器等實(shí)驗(yàn)器材，編寫了紅外避障、紅外感應(yīng)模塊的程序，并用小燈的亮滅檢測兩個模塊是否能正常執(zhí)行。各模塊程序如下： 電機(jī)測試程序： int INA = 4; //電機(jī)A正反轉(zhuǎn)控制端 int PWMA = 5; //電機(jī)A調(diào)速端 int INB = 7; //電機(jī)B正反轉(zhuǎn)控制端 int PWMB = 6; //電機(jī)B調(diào)速端 void setup(){ pinMode(INA,OUTPUT); pinMode(INB,OUTPUT); //配置電機(jī)輸出IO口為輸出 } void loop(){ int value; for(value = 20 ; value <= 255;value+=2){ //循環(huán)每次速度增加2最大到255 motosp(-value,value);//電機(jī)速度賦值，左電機(jī)負(fù)值為反轉(zhuǎn)，右電機(jī)正轉(zhuǎn)。 delay(50); } } void motosp(int sp1,int sp2)//聲明電機(jī)速度控制函數(shù)。括號內(nèi)定義的變量分別為左右電機(jī)速 { if(sp1>0) { digitalWrite(INA, HIGH); } else { digitalWrite(INA, LOW); } if(sp2>0) { digitalWrite(INB, HIGH); } else { digitalWrite(INB, LOW); } analogWrite(PWMA,abs (sp1)); analogWrite(PWMB,abs (sp2)); } 功能：測試電機(jī)驅(qū)動功能和電機(jī)連線是否正確，左電機(jī)反轉(zhuǎn)，右電機(jī)正轉(zhuǎn)，電機(jī)轉(zhuǎn)速由小到大。 紅外感應(yīng)模塊： int Sensor = 2; int ina = 13; void setup() { pinMode(ina, OUTPUT); //13引腳定義為輸出 Serial.begin(9600); //設(shè)置下載程序的串口的波特率為9600 pinMode(Sensor, INPUT); //2引腳定義為輸入 } void loop() { int SensorState = digitalRead(Sensor);//讀取2引腳的電平 while(SensorState == 1){ SensorState = digitalRead(Sensor); //2引腳為高電平時，設(shè)置13引腳為高 digitalWrite(ina,HIGH); delay(1000); //延時1000ms } while(SensorState == 0){ //當(dāng)2引腳為低電平時，設(shè)置13引腳為低 SensorState = digitalRead(Sensor); digitalWrite(ina,LOW); } delay(100); //延時100ms }
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：當(dāng)我們靠近此模塊圓形凸面時，13引腳連接的小燈亮了并延時一段時間，過后小燈滅，也延時一段時間，在此期間內(nèi)，在接近圓形凸面時，小燈不亮，過后會亮。這說明紅外感應(yīng)模塊能夠正常工作。 避障模塊： int Sensor1 = 2; int Sensor2 = 4 ; int ina = 13; int inb = 12; void setup() { pinMode(ina, OUTPUT); //定義輸入、輸出引腳 pinMode(inb, OUTPUT); Serial.begin(9600); pinMode(Sensor1, INPUT); pinMode(Sensor2, INPUT); } void loop() { int SensorState1 = digitalRead(Sensor1);//讀取數(shù)據(jù) int SensorState2 = digitalRead(Sensor2); boolean Write = true; //定義布爾變量 boolean Black = true; if(SensorState1 == 1){ Write = false; } if(SensorState2 == 1){ Black = false; } if(Write && Black){ //當(dāng)量輸入引腳同時為高時，兩輸出引腳為高 digitalWrite(ina,HIGH); digitalWrite(inb,HIGH); delay(1000); } digitalWrite(ina,LOW); //復(fù)位 digitalWrite(inb,LOW); delay(100); } 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明：當(dāng)芯片上紅外發(fā)射管周圍有障礙物時，12、13引腳連接的小燈同時亮，有障礙物時一直亮，障礙物除去以后，小燈滅。這說明紅外避障模塊能夠正常工作。 二、課程設(shè)計工作記錄 1. 設(shè)計步驟與時間安排（含調(diào)試步驟與時間安排） 12月23日至12月27日，選課題，查閱資料，確定設(shè)計方案。 12月28日至1月1日，根據(jù)設(shè)計方案，確定所需模塊及器材，學(xué)習(xí)Arduino的編寫語言，然后分模塊編寫程序。 1月2至1月5日，通過實(shí)驗(yàn)板調(diào)試程序，糾正程序的功能錯誤，不斷完善程序。 1月6日，行答辯。 1月7日至1月8日，交實(shí)習(xí)報告，修改實(shí)習(xí)報告。 2. 課題完成結(jié)果說明 （1）程序?qū)崿F(xiàn)了以下功能 1)當(dāng)避障模塊周圍出現(xiàn)障礙物時，連接的小燈點(diǎn)亮，障礙物移走，小燈滅，反應(yīng)比較靈敏。 2）當(dāng)紅外感應(yīng)模塊周圍有人活動時，連接的小燈點(diǎn)亮，亮一段時間后，小燈滅并延時，再次期間，再有人活動小燈不亮，過了延時期，才會正常感應(yīng)。 3）通過量模塊小燈的亮滅，正確判斷了兩模塊是否正常工作。 （2）遇到的問題總結(jié)如下 1）以前沒有接觸過Arduino,所以開始做有點(diǎn)費(fèi)力，時間、材料有限的情況下，就做出兩個模塊的功能。 2）紅外感應(yīng)模塊所用的芯片HC-SR501，上面有兩個旋轉(zhuǎn)按鈕，一個控制延時時間，一個控制感應(yīng)距離，開始的時候沒發(fā)現(xiàn)它們的作用，就單靠程序的延時控制小燈的亮滅時間，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和預(yù)想不符，仔細(xì)閱讀了芯片引腳功能分析后，發(fā)現(xiàn)并解決了這個問題。 3)網(wǎng)上對Arduino的解說材料特別少，查找十分不便，對初期工作造成困擾。 （3）心得體會 三周的實(shí)習(xí)很快過去了，雖然過程很痛苦，但果實(shí)是豐碩的。以前我們學(xué)習(xí)知識總是停留在知識層面，覺得書本上的只弄懂了就不錯了。但通過這次實(shí)習(xí)我發(fā)現(xiàn)我以前的想法真是大錯特錯。要適應(yīng)現(xiàn)在高速發(fā)展的社會的人才需求，我們不光要具備良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，還有有優(yōu)秀的仔細(xì)能力、融會貫通能力。通過這次實(shí)習(xí)我發(fā)現(xiàn)，我在這方面真的十分欠缺。我們做的基于Arduino的智能垃圾桶的設(shè)計，聽似簡單，但設(shè)計之初，我們焦頭爛額，首先，沒有學(xué)過Arduino板，一點(diǎn)都沒了解過，那時才發(fā)現(xiàn)，作為電子信息工程專業(yè)的學(xué)生，我們的知識面有多么狹隘。其次，對于智能垃圾桶要具備哪些功能，我們也一無所知，我焦躁過，放棄過，但最終，都想著要最后提交實(shí)習(xí)報告，而重新振作。我們在網(wǎng)上利用并不豐富關(guān)于Arduino的資料，查閱圖書館僅有的一種關(guān)于Arduino的圖書，團(tuán)結(jié)一致，發(fā)揮我們的想象力。在真正設(shè)計期間，我們遇到很多困難，但是我們沒有在氣餒，堅持了三個星期。 在這門課程設(shè)計中，我鍛煉了自己動手能力，提高了解決問題的能力。我學(xué)習(xí)了Arduino編程，了解了HC-SR501芯片，及紅外避障、紅外感應(yīng)的原理。這次課設(shè)，我學(xué)到最多的還是，要獨(dú)立學(xué)習(xí)，不要滿足，不斷學(xué)習(xí)和了解新的內(nèi)容，電子業(yè)是個更新?lián)Q代特別快的行業(yè)，我們不跟上它的腳步，只能被淘汰。
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