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第十一屆重慶市大學生“合泰杯”單片機應(yīng)用設(shè)計競賽作品創(chuàng)意書 參賽編號：20180207 基于HT66F70A單片機的 智能跟隨行李箱 學 校：重慶電信職業(yè)學院 學 院：汽車與電子工程學院 指導(dǎo)教師：文水兵、李長倫 參賽成員：文尤龍 肖 平 古龍敏 公元 2017年 12月 18日 作 品 創(chuàng) 意 書 1、 摘要 根據(jù)現(xiàn)代人出行時手提行李過多而手忙腳亂的情況，本文設(shè)計了一款結(jié)合紅外線避障系統(tǒng)的智能行李箱。系統(tǒng)以HT66A70A單片機為控制核心，主要由電源模塊、避障模塊、藍牙模塊、執(zhí)行模塊等組成。作品實現(xiàn)了行李箱自動跟隨主人行走、障礙物避障繞行、自動報警、USB充電、GPS定位等功能，解決了現(xiàn)有行李箱笨重不易攜帶、易丟失等問題，使出行更便捷，具有廣闊的市場前景和應(yīng)用價值。 關(guān)鍵詞：紅外線避障；HT66A70A單片機； 2、 作品介紹 2.1創(chuàng)作動機 每當節(jié)假日的時候很多同學需要長途旅行，行李較多，攜帶麻煩。如今出遠門行李箱成了必不可少的拖載物品，其中大部分的型號亦附有內(nèi)置小輪，可用拉桿方便拉動，2010年后亦出現(xiàn)有4個小輪的行李箱，除了可作360度的旋轉(zhuǎn)外，在平地更可以不費力輕易推動。 不過隨著人們物質(zhì)需求逐步上升，有時候行李箱會給人們造成一些不便之處。據(jù)調(diào)查，雖然有輪子輔助，但如果長時間的拉動，會造成旅人高度疲憊，極大的不符合現(xiàn)代人的高科技、舒適生活。如果行李箱可以自行移動，就可以極大方便人們出行。 而今隨著社會智能化應(yīng)用到各個行業(yè)，為了更好的服務(wù)人類，科技結(jié)合生活創(chuàng)造幸福生活。通過對行李箱智能化設(shè)計改造，可以讓人們可以更加方便進行行李的拖運。在開闊地上可以順利的跟隨主人行走。在有少量障礙物的平地上在主人與其距離較近的情況下也可較好運行。 2.2功能 (1) 保持一定距離自動跟隨主人同步移動。 （2） 在跟隨主人行走時，檢測障礙物的距離并自動避障。 （3） 行李箱因距離過遠而與手機藍牙信號斷開，則自動發(fā)出警報提醒主人行李箱走丟了。 （4） 旅行箱內(nèi)置充電USB接口，可以在手機或其他電子設(shè)備沒電時進行充電。 （5） 如果丟失或則被拿走可隨時通過GPS定位出位置。 2.3創(chuàng)新性與實用性 （1）將定向和移動兩個功能合并于智能行李箱中，使得在旅途中，可以省去許多麻煩，減少旅人的壓力。 （2）通過微型處理器計算出主人所在位置，并一直與主人保持一定距離。 （3）USB充電與GPS定位時刻服務(wù)于旅行者。 （4）基于無線通訊服務(wù)端的智能行李箱，是一個新生的事物。它能夠讓人們解放雙手，自由輕松地出游，不用在擔心因拖行李箱而產(chǎn)生的各種不便。給人們帶來一種身心愉悅的出游方式。 3、 工作原理 自動跟隨：通過在身上攜帶信號發(fā)射裝置，當其發(fā)生移動到距離行李箱有一定的距離時，由行李箱上的信號接收裝置可對發(fā)射裝置進行定位，同時進行信號處理，調(diào)整好與發(fā)生裝置的距離，使得其調(diào)節(jié)行李箱輪子方向，并驅(qū)動發(fā)動機，讓行李箱會朝著其方位進行同步移動。 紅外避障：行李箱自帶紅外探測器可以探測前方障礙物。CPLD快速檢測和處理紅外線檢測裝置以及信號接收器的輸入結(jié)果，經(jīng)過系統(tǒng)分析后，實現(xiàn)兩部電機的實時控制（前進，停止或倒退）進而選擇相應(yīng)的路線跟隨主人前進。行李箱采用前輪驅(qū)動，前輪左右兩邊各用一個電機驅(qū)動，分別控制兩個輪子的轉(zhuǎn)動從而達到轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬向輪，起支撐的作用。將三個紅外線光電傳感器分別裝在箱體的左中右，當箱的左邊的傳感器檢測到障礙物時，主控芯片控制右輪電機停止左輪轉(zhuǎn)動，箱向右方轉(zhuǎn)向，當箱的右邊傳感器檢測到障礙物時，主控芯片控制左輪電機停止轉(zhuǎn)動，箱向左方轉(zhuǎn)向，當前面有障礙物時規(guī)定箱右轉(zhuǎn)。 防盜系統(tǒng)：如果在系統(tǒng)啟動時與主人距離過遠或者沒有信號，行李箱會發(fā)出警報，并自動上鎖。系統(tǒng)由以下幾部分組成，如圖1所示: 圖1 主系統(tǒng)框圖 4、 作品功能、特色 1、實現(xiàn)智能跟隨行走方便出旅人行走。 2、紅外線躲避障礙物。 3、遠距離報警系統(tǒng)、防盜。 4、USB充電與GPS定位時刻服務(wù)旅行者。 5、以鋰電池為動力源使用壽命長，節(jié)能環(huán)保。 6、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，功能完善，運作效率高。 7、人性化的設(shè)計，將充分體現(xiàn)機電一體化。 五、作品結(jié)構(gòu) 5.1電源部分 5.1.1智能跟隨行李箱的電源電路 本設(shè)計中，電源采用12V的蓄電池供電。電源電壓值不同的模塊分開供電，減小各個模塊工作時相互干擾，增強整個電路的抗干擾能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以下將對各個電源電路進行詳細介紹。 5.1.2 3.3V電源電路 3.3V電源電路主要給單片機供電。設(shè)計中首先用三端集成穩(wěn)壓電源L7805將12V穩(wěn)壓為5V，再用低壓降三端線性穩(wěn)壓芯片LM1117-3.3V將5V穩(wěn)壓為3.3V給HT66F70A單片機供電。三端集成穩(wěn)壓芯片L7805和三段線性穩(wěn)壓芯片LM1117-3.3V具有成本低、電路簡單等優(yōu)點。其電路原理圖如圖2。 圖2 3.3V電源電路 5.1.3 5V電源電路 5V電源電路主要給電機控制模塊、USB模塊、藍牙模塊和LCD12864顯示模塊供電，該模塊采用LM2596T-5.0開關(guān)電源芯片。LM2596系列控制器是美國國家半導(dǎo)體公司推出的降壓型開關(guān)電源管理芯片，適用于簡易高頻降壓變換器、板上開關(guān)變換器及正負輸出變換器。該芯片具有四種不同的型號，輸出電壓分別為3.3V、5.0V、12V和輸出可調(diào)四種，對應(yīng)型號為LM2596T-3.3、LM2596T-5.0、LM2596T-12和LM2596T-ADJ。LM2596控制芯片的工作頻率為150KHz，其最大電流驅(qū)動能力為3A，只需極少量的外圍元件就可以實現(xiàn)降壓變換，大大簡化了電路的設(shè)計步驟，節(jié)省了電路設(shè)計的成本。其電路原理圖如圖3。 圖3 5V電源電路 其中，C1為輸入濾波電容，其作用主要有兩個：一、抑制輸入電壓瞬變；二、在LM2596-5.0內(nèi)部開關(guān)管導(dǎo)通時提供所需的電流。C2為輸出濾波電容，此外還可以提高穩(wěn)壓環(huán)路的穩(wěn)定性。二極管D1的作用是在開關(guān)管關(guān)斷過程中為電感提供續(xù)流通路。因此，D1選用開關(guān)速度快，導(dǎo)通壓降低的肖特基二極管1N5822。 5.2 主控芯片HT66F70A HT66F70A 系列單片機是一款A(yù)/D 型具有8 位高性能精簡指令集的Flash 單片機。該系列單片機具有一系列功能和特性，其Flash 存儲器可多次編程的特性給用戶提供了極大的方便。存儲器方面，還包含了一個RAM 數(shù)據(jù)存儲器和一個可用于存儲序號、校準數(shù)據(jù)等非易失性數(shù)據(jù)的EEPROM 存儲器。 在模擬特性方面，這款單片機包含一個多通道12 位A/D 轉(zhuǎn)換器和雙比較器功能。還帶有多個使用靈活的定時器模塊，可提供定時功能、脈沖產(chǎn)生功能及PWM 產(chǎn)生功能。內(nèi)建完整的SPI 和I2C 功能，為設(shè)計者提供了一個易與外部硬件通信的接口。內(nèi)部看門狗定時器、低電壓復(fù)位和低電壓檢測等內(nèi)部保護特性，外加優(yōu)秀的抗干擾和ESD 保護性能，確保單片機在惡劣的電磁干擾環(huán)境下可靠地運行。 這款單片機提供了豐富的HXT、LXT、ERC、HIRC 和LIRC 振蕩器功能選項，且內(nèi)建完整的系統(tǒng)振蕩器，無需外圍元器件。其在不同工作模式之間動態(tài)切換的能力，為用戶提供了一個優(yōu)化單片機操作和減少功耗的手段。外加時基功能、I/O 使用靈活等其它特性，使這款單片機可以廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品中，例如電子測量儀器、環(huán)境監(jiān)控、手持式測量工具、家庭應(yīng)用、電子控制工具、馬達控制等方面。其引腳圖如圖4： 圖 4 HT66F70A單片機引腳圖 5.3 硬件部分 5.3.1智能跟隨行李箱的電機模塊 L298N芯片可以驅(qū)動兩個二相電機，也可以驅(qū)動一個四相電機，輸出電壓最高可達50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的IO口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。L298N可接受標準TTL邏輯電平信號9腳Vcc，9腳Vcc可接4．5～7 V電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為＋2．5～46 V。輸出電流可達2．5 A，可驅(qū)動電感性負載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。 如圖5所示（本系統(tǒng)驅(qū)動兩個二相電機）： 圖5 電機驅(qū)動原理圖 5.3.2智能跟隨行李箱的避障模塊 避障電路采用漫反射式光電開關(guān)進行避障。e3f-ds30c4光電開關(guān)(光電傳感器)是集發(fā)射頭和接收頭于一體的檢測開關(guān)，其工作原理是根據(jù)發(fā)射頭發(fā)出的光束，被障礙物反射，接收頭據(jù)此做出判斷是否有障礙物。當有光線反射回來時，輸出低電平；當沒有光線反射回來時，輸出高電平。單片機根據(jù)接收頭電平的高低做出相應(yīng)控制，避免小車碰到障礙物，由于接收管輸出TTL電平，有利于單片機對信號的處理。避障電路如下圖6： 圖 6 紅外避障原理圖 表 1 避障電路功能表 傳感器 避障電路輸出（上升沿動作） 待執(zhí)行命令 左 中 右 左轉(zhuǎn)信號(P2.1) 右轉(zhuǎn)信號（P2.0） 0 0 0 √ 右轉(zhuǎn) 0 0 1 √ 右轉(zhuǎn) 0 1 0 √ 右轉(zhuǎn) 0 1 1 √ 右轉(zhuǎn) 1 0 0 √ 左轉(zhuǎn) 1 0 1 √ 右轉(zhuǎn) 1 1 0 √ 左轉(zhuǎn) 1 1 1 前進 注解（“0”表示有障礙物； “1”表示無障礙物） 5.3.3智能跟隨行李箱的USB充電模塊 除直接供電USB器件外，USB更有用的一個功能是用USB電源進行電池充電。由于很多便攜裝置(如MP3播放機，PDA)與PC交換信息，所以，電池充電和數(shù)據(jù)交換同時在一條纜線上進行將會使裝置方便性大大增強。把USB和電池供電功能結(jié)合起來，擴大了“非受限”裝置(如移動web相機連接PC或不連接PC工作)的工作范圍。在很多情況下，不必攜帶不方便的AC適配器。從USB對電池充電可以復(fù)雜也可以簡單，這取決于USB設(shè)備要求。對設(shè)計有影響的因素通常是“成本”、“大小”和“重量”。其它重要的考慮包括：1)當設(shè)備插入到USB端口時，帶放電電池的設(shè)備能夠以多快的速度進入完全工作狀態(tài)；2)所允許的電池充電時間；3)受USB限制的電源預(yù)算；4)包含AC適配器充電的必要性。充電電路如下圖7： 圖 7 充電電路 5.3.4智能跟隨行李箱的藍牙模塊 采用BLK-MD-BC04-B藍牙模塊，遵循V2.1+EDR藍牙規(guī)范，支持UART,USB,SPI,PCM,SPDIF等接口，并支持SPP藍牙串口協(xié)議，具有成本低、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點，只需配備少許的外圍元件就能實現(xiàn)其強大功能。如圖8所示： 圖 8 藍牙應(yīng)用電路圖 表2 藍牙管腳功能描述表 管腳號 名稱 類型 功能描述 1 UART-TX CMOS輸出 串口數(shù)據(jù)輸出 2 UART-RX CMOS輸入 串口數(shù)據(jù)輸入 3 UART-CTS CMOS輸入 串口清除發(fā)送 4 UART-RTS CMOS輸出 串口請求發(fā)送 5 PCM-CLK 雙向 PCM時鐘 6 PCM-OUT CMOS輸入 PCM數(shù)據(jù)輸出 7 PCM-IN CMOS輸出 PCM數(shù)據(jù)輸出 8 PCM-SYNC 雙向 PCM數(shù)據(jù)同步 9 AIO（0） 雙向 可編程模擬輸入輸出口 10 AIO（1） 雙向 可編程模擬輸入輸出口 11 RESETB CMOS輸入 復(fù)位/重啟鍵（低位平復(fù)位） 12 3.3V 電源輸入 +3.3V電源 13 GND 地 地 14 NC 輸出 NC（請懸空） 15 USB-DN 雙向 USB數(shù)據(jù)負 16 SPI-CSB CMOS輸入 SPI片選口 17 SPI-MOSI CMOS輸入 SPI數(shù)據(jù)輸入 18 SPI-MOSI CMOS輸出 SPI數(shù)據(jù)輸出 19 SPI-CLK CMOS輸入 SPI時鐘口 20 USB-DP 雙向 USB數(shù)據(jù)正 21 GND 地 地 5.4 軟件部分 5.4.1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 單片機通過采集藍牙數(shù)據(jù)，判斷行人的當前位置，然后控制直流電機，實現(xiàn)行李箱的轉(zhuǎn)向，前進，后退等功能?？驁D如圖 9所示 ： 圖9 控制結(jié)構(gòu)框圖 5.4.2主程序模塊 實現(xiàn)超聲波傳感器的數(shù)據(jù)采集、判斷；電機的控制；串口數(shù)據(jù)的發(fā)送等功能。如圖10所示： 圖10 主程序流程圖 5.4.3方向控制模塊 行李箱自帶紅外探測器可以探測前方障礙物。根據(jù)發(fā)射頭發(fā)出的光束，被障礙物反射，接收頭據(jù)此做出判斷是否有障礙物。當有光線反射回來時，輸出低電平；當沒有光線反射回來時，輸出高電平。CPLD快速檢測和處理紅外線檢測裝置以及信號接收器的輸入結(jié)果，經(jīng)過系統(tǒng)分析后，實現(xiàn)兩部電機的實時控制（前進，停止或倒退）進而選擇相應(yīng)的路線跟隨主人前進。流程圖如圖11所示： 圖11 紅外避障原理圖 5.4.4速度控制模塊 通過微型處理器計算出主人所在位置，自動跟隨主人同步移動，并一直與主人保持一定距離。如圖12所示： 圖12 速度控制流程圖 參考文獻： [1]李平,杜濤,羅和平 <單片機應(yīng)用開發(fā)與實踐> 機械工業(yè)出版社,2008.8 [2]徐惠民,安德寧 <單片微型計算機原理、接口及應(yīng)用> 北京郵電大學出版社,2000 [3]李朝青 <單片微機原理及接口技術(shù)>（第三版）。 [M]北京航空航天大學出版社 [4]閻 石 <數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)>（清華大學電子學教研組編 第五版） 高等教育出版社 [5]康華光 <電子技術(shù)基礎(chǔ)>（第五版） 高等教育出版社 [6]宋澤清 <無線電> 2009年第2期 關(guān)于靈活避障 快速循跡 [7]馬長林,陳怡,程利民 <單片機實踐應(yīng)用與技術(shù)> 清華大學出版社 2008