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第十一屆重慶市大學(xué)生“合泰杯”單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)競(jìng)賽作品創(chuàng)意書 參賽編號(hào)：20180207 基于HT66F70A單片機(jī)的 智能跟隨行李箱 學(xué) 校：重慶電信職業(yè)學(xué)院 學(xué) 院：汽車與電子工程學(xué)院 指導(dǎo)教師：文水兵、李長(zhǎng)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(shí)手提行李過(guò)多而手忙腳亂的情況，本文設(shè)計(jì)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(jī)為控制核心，主要由電源模塊、避障模塊、藍(lán)牙模塊、執(zhí)行模塊等組成。作品實(shí)現(xiàn)了行李箱自動(dòng)跟隨主人行走、障礙物避障繞行、自動(dòng)報(bào)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(wèn)題，使出行更便捷，具有廣闊的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：紅外線避障；HT66A70A單片機(jī)； 2、 作品介紹 2.1創(chuàng)作動(dòng)機(jī) 每當(dāng)節(jié)假日的時(shí)候很多同學(xué)需要長(zhǎng)途旅行，行李較多，攜帶麻煩。如今出遠(yuǎn)門行李箱成了必不可少的拖載物品，其中大部分的型號(hào)亦附有內(nèi)置小輪，可用拉桿方便拉動(dòng)，2010年后亦出現(xiàn)有4個(gè)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(fèi)力輕易推動(dòng)。 不過(guò)隨著人們物質(zhì)需求逐步上升，有時(shí)候行李箱會(huì)給人們?cè)斐梢恍┎槐阒?。?jù)調(diào)查，雖然有輪子輔助，但如果長(zhǎng)時(shí)間的拉動(dòng)，會(huì)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(dòng)，就可以極大方便人們出行。 而今隨著社會(huì)智能化應(yīng)用到各個(gè)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(guò)對(duì)行李箱智能化設(shè)計(jì)改造，可以讓人們可以更加方便進(jìn)行行李的拖運(yùn)。在開(kāi)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(yùn)行。 2.2功能 (1) 保持一定距離自動(dòng)跟隨主人同步移動(dòng)。 （2） 在跟隨主人行走時(shí)，檢測(cè)障礙物的距離并自動(dòng)避障。 （3） 行李箱因距離過(guò)遠(yuǎn)而與手機(jī)藍(lán)牙信號(hào)斷開(kāi)，則自動(dòng)發(fā)出警報(bào)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(jī)或其他電子設(shè)備沒(méi)電時(shí)進(jìn)行充電。 （5） 如果丟失或則被拿走可隨時(shí)通過(guò)GPS定位出位置。 2.3創(chuàng)新性與實(shí)用性 （1）將定向和移動(dòng)兩個(gè)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(guò)微型處理器計(jì)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(shí)刻服務(wù)于旅行者。 （4）基于無(wú)線通訊服務(wù)端的智能行李箱，是一個(gè)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(dān)心因拖行李箱而產(chǎn)生的各種不便。給人們帶來(lái)一種身心愉悅的出游方式。 3、 工作原理 自動(dòng)跟隨：通過(guò)在身上攜帶信號(hào)發(fā)射裝置，當(dāng)其發(fā)生移動(dòng)到距離行李箱有一定的距離時(shí)，由行李箱上的信號(hào)接收裝置可對(duì)發(fā)射裝置進(jìn)行定位，同時(shí)進(jìn)行信號(hào)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(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，讓行李箱會(huì)朝著其方位進(jìn)行同步移動(dòng)。 紅外避障：行李箱自帶紅外探測(cè)器可以探測(cè)前方障礙物。CPLD快速檢測(cè)和處理紅外線檢測(cè)裝置以及信號(hào)接收器的輸入結(jié)果，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析后，實(shí)現(xiàn)兩部電機(jī)的實(shí)時(shí)控制（前進(jìn)，停止或倒退）進(jìn)而選擇相應(yīng)的路線跟隨主人前進(jìn)。行李箱采用前輪驅(qū)動(dòng)，前輪左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，分別控制兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)從而達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬(wàn)向輪，起支撐的作用。將三個(gè)紅外線光電傳感器分別裝在箱體的左中右，當(dāng)箱的左邊的傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，主控芯片控制右輪電機(jī)停止左輪轉(zhuǎn)動(dòng)，箱向右方轉(zhuǎn)向，當(dāng)箱的右邊傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，主控芯片控制左輪電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，箱向左方轉(zhuǎn)向，當(dāng)前面有障礙物時(shí)規(guī)定箱右轉(zhuǎn)。 防盜系統(tǒng)：如果在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)與主人距離過(guò)遠(yuǎn)或者沒(méi)有信號(hào)，行李箱會(huì)發(fā)出警報(bào)，并自動(dòng)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(shí)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(yuǎn)距離報(bào)警系統(tǒng)、防盜。 4、USB充電與GPS定位時(shí)刻服務(wù)旅行者。 5、以鋰電池為動(dòng)力源使用壽命長(zhǎng)，節(jié)能環(huán)保。 6、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能完善，運(yùn)作效率高。 7、人性化的設(shè)計(jì)，將充分體現(xiàn)機(jī)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(jì)中，電源采用12V的蓄電池供電。電源電壓值不同的模塊分開(kāi)供電，減小各個(gè)模塊工作時(shí)相互干擾，增強(qiáng)整個(gè)電路的抗干擾能力和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以下將對(duì)各個(gè)電源電路進(jìn)行詳細(xì)介紹。 5.1.2 3.3V電源電路 3.3V電源電路主要給單片機(jī)供電。設(shè)計(jì)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(jī)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。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(jī)控制模塊、USB模塊、藍(lán)牙模塊和LCD12864顯示模塊供電，該模塊采用LM2596T-5.0開(kāi)關(guān)電源芯片。LM2596系列控制器是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司推出的降壓型開(kāi)關(guān)電源管理芯片，適用于簡(jiǎn)易高頻降壓變換器、板上開(kāi)關(guān)變換器及正負(fù)輸出變換器。該芯片具有四種不同的型號(hào)，輸出電壓分別為3.3V、5.0V、12V和輸出可調(diào)四種，對(duì)應(yīng)型號(hào)為L(zhǎng)M2596T-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(dòng)能力為3A，只需極少量的外圍元件就可以實(shí)現(xiàn)降壓變換，大大簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)步驟，節(jié)省了電路設(shè)計(jì)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(gè)：一、抑制輸入電壓瞬變；二、在LM2596-5.0內(nèi)部開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)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(kāi)關(guān)管關(guān)斷過(guò)程中為電感提供續(xù)流通路。因此，D1選用開(kāi)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(jī)是一款A(yù)/D 型具有8 位高性能精簡(jiǎn)指令集的Flash 單片機(jī)。該系列單片機(jī)具有一系列功能和特性，其Flash 存儲(chǔ)器可多次編程的特性給用戶提供了極大的方便。存儲(chǔ)器方面，還包含了一個(gè)RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和一個(gè)可用于存儲(chǔ)序號(hào)、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)等非易失性數(shù)據(jù)的EEPROM 存儲(chǔ)器。 在模擬特性方面，這款單片機(jī)包含一個(gè)多通道12 位A/D 轉(zhuǎn)換器和雙比較器功能。還帶有多個(gè)使用靈活的定時(shí)器模塊，可提供定時(shí)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(jì)者提供了一個(gè)易與外部硬件通信的接口。內(nèi)部看門狗定時(shí)器、低電壓復(fù)位和低電壓檢測(cè)等內(nèi)部保護(hù)特性，外加優(yōu)秀的抗干擾和ESD 保護(hù)性能，確保單片機(jī)在惡劣的電磁干擾環(huán)境下可靠地運(yùn)行。 這款單片機(jī)提供了豐富的HXT、LXT、ERC、HIRC 和LIRC 振蕩器功能選項(xiàng)，且內(nèi)建完整的系統(tǒng)振蕩器，無(wú)需外圍元器件。其在不同工作模式之間動(dòng)態(tài)切換的能力，為用戶提供了一個(gè)優(yōu)化單片機(jī)操作和減少功耗的手段。外加時(shí)基功能、I/O 使用靈活等其它特性，使這款單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于各種產(chǎn)品中，例如電子測(cè)量?jī)x器、環(huán)境監(jiān)控、手持式測(cè)量工具、家庭應(yīng)用、電子控制工具、馬達(dá)控制等方面。其引腳圖如圖4： 圖 4 HT66F70A單片機(jī)引腳圖 5.3 硬件部分 5.3.1智能跟隨行李箱的電機(jī)模塊 L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)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(dá)2．5 A，可驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。 如圖5所示（本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)）： 圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(kāi)關(guān)進(jìn)行避障。e3f-ds30c4光電開(kāi)關(guān)(光電傳感器)是集發(fā)射頭和接收頭于一體的檢測(cè)開(kāi)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(dāng)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出低電平；當(dāng)沒(méi)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出高電平。單片機(jī)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(jī)對(duì)信號(hào)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(dòng)作） 待執(zhí)行命令 左 中 右 左轉(zhuǎn)信號(hào)(P2.1) 右轉(zhuǎn)信號(hào)（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(jìn) 注解（“0”表示有障礙物； “1”表示無(wú)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(gè)功能是用USB電源進(jìn)行電池充電。由于很多便攜裝置(如MP3播放機(jī)，PDA)與PC交換信息，所以，電池充電和數(shù)據(jù)交換同時(shí)在一條纜線上進(jìn)行將會(huì)使裝置方便性大大增強(qiáng)。把USB和電池供電功能結(jié)合起來(lái)，擴(kuò)大了“非受限”裝置(如移動(dòng)web相機(jī)連接PC或不連接PC工作)的工作范圍。在很多情況下，不必?cái)y帶不方便的AC適配器。從USB對(duì)電池充電可以復(fù)雜也可以簡(jiǎn)單，這取決于USB設(shè)備要求。對(duì)設(shè)計(jì)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(dāng)設(shè)備插入到USB端口時(shí)，帶放電電池的設(shè)備能夠以多快的速度進(jìn)入完全工作狀態(tài)；2)所允許的電池充電時(shí)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(lán)牙模塊 采用BLK-MD-BC04-B藍(lán)牙模塊，遵循V2.1+EDR藍(lán)牙規(guī)范，支持UART,USB,SPI,PCM,SPDIF等接口，并支持SPP藍(lán)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(diǎn)，只需配備少許的外圍元件就能實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)大功能。如圖8所示： 圖 8 藍(lán)牙應(yīng)用電路圖 表2 藍(lán)牙管腳功能描述表 管腳號(hào) 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(qǐng)求發(fā)送 5 PCM-CLK 雙向 PCM時(shí)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(qǐng)懸空） 15 USB-DN 雙向 USB數(shù)據(jù)負(fù) 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(shí)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(jī)通過(guò)采集藍(lán)牙數(shù)據(jù)，判斷行人的當(dāng)前位置，然后控制直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)行李箱的轉(zhuǎn)向，前進(jìn)，后退等功能。框圖如圖 9所示 ： 圖9 控制結(jié)構(gòu)框圖 5.4.2主程序模塊 實(shí)現(xiàn)超聲波傳感器的數(shù)據(jù)采集、判斷；電機(jī)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(cè)器可以探測(cè)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(dāng)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出低電平；當(dāng)沒(méi)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出高電平。CPLD快速檢測(cè)和處理紅外線檢測(cè)裝置以及信號(hào)接收器的輸入結(jié)果，經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析后，實(shí)現(xiàn)兩部電機(jī)的實(shí)時(shí)控制（前進(jìn)，停止或倒退）進(jìn)而選擇相應(yīng)的路線跟隨主人前進(jìn)。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(guò)微型處理器計(jì)算出主人所在位置，自動(dòng)跟隨主人同步移動(dòng)，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(xiàn)： [1]李平,杜濤,羅和平 <單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)與實(shí)踐> 機(jī)械工業(yè)出版社,2008.8 [2]徐惠民,安德寧 <單片微型計(jì)算機(jī)原理、接口及應(yīng)用> 北京郵電大學(xué)出版社,2000 [3]李朝青 <單片微機(jī)原理及接口技術(shù)>（第三版）。 [M]北京航空航天大學(xué)出版社 [4]閻 石 <數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)>（清華大學(xué)電子學(xué)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(wú)線電> 2009年第2期 關(guān)于靈活避障 快速循跡 [7]馬長(zhǎng)林,陳怡,程利民 <單片機(jī)實(shí)踐應(yīng)用與技術(shù)> 清華大學(xué)出版社 2008