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蓝牙技术

环境数据检测小车


基于Arduino的环境数据检测蓝牙控制小车设计

随着科学的发展,社会生产力水平的不断提高,环境监测的内容也由工业污染源的监测,逐步发展到对大环境的监测。环境监测越来越受到人们的重视,但新技术、新方法的加入仍然处在研究发展阶段,主要还是采用人工及半自动方法采集环境因子,效率低,精度差。建立一种快速、简便、精确的环境检测方法有利于实现环境的监管控制。Arduino是一个开源的单片机电子设计平台,其硬件开发板上有许多为传感器模块设计好的接口,只需插上封装好的相应模块,它就可以读取传感器从外界获取的信号,并在程序的指挥下做出相应的反馈,提高了程序的效率。论文提出了一种基于Arduino的环境数据检测蓝牙控制小车设计,通过手机蓝牙控制小车的左右及前进、后退运动,将车上传感器采集到的环境数据实时传送,并在浓度值超过阈值时触发报警装置。

一、环境数据监测小车系统设计

系统利用Arduino单片机为核心控制板,通过手机蓝牙同时完成小车状态的控制和环境数据的收发及显示,系统结构框图如图1所示。

图 1 环境数据采集小车系统结构框图

图中,电源部分由锂电池组和线性直流稳压电源组成,为小车系统的驱动电机提供稳定的驱动电流;车体部分采用了一般的四轮车体结构,其中,前面两个车轮分别装有直流电机,以便控制小车的左右方向转动、前进、后退以及停止运动;温湿度传感器、可燃气体传感器与Arduino主控相连,用于环境数据的采集。蓝牙模块实现小车与手机的通信,使小车能够接收手机所发送的指令并将采集的数据传回手机,并可通过手机控制小车的运动。

二、蓝牙智能小车硬件设计

硬件部分主要有Arduino开发板、HC-05蓝牙模块、DHT11温湿度传感器、MQ-2烟雾气敏传感器模块以及L298N电机驱动模块、直流减速电机等。其中,Arduino开发板为小车系统的控制中心,蓝牙模块为手机与小车的通信模块。电机驱动模块驱动直流减速电机的正转与反转控制和改变小车的运动状态,DHT11温湿度传感器与MQ-2烟雾气敏传感器为环境数据数据采集模块进行温湿度与烟雾或可燃气体浓度的检测。

本设计将Arduino控制板的0号管脚(RX)、1号管脚(TX)分别与蓝牙模块的TX、RX脚相连;L298N电机驱动模块的IN1、IN2、IN3、IN4接口与具有脉冲宽度调制的6、9、10、11号管脚相连;温湿度模块与数字5号管脚相连;烟雾气敏传感器需要与模拟串口相连,因此将之与A0口连接,与之功能相关联的蜂鸣器接2号管脚。Arduino开发板管脚分配完成后,将L298N电机驱动模块的OUT1、OUT2输出口与左侧直流减速电机相连,另一侧以同样方式与右侧的直流减速电机相连,硬件连接的具体串口设置如图2所示。

图 2 Arduino 硬件连接的具体串口设置

2.1Arduino主控制器单元

Arduino控制器主要包含单片机、数字串口、模拟串口、晶振和5V稳压器等部件(如图3所示)。开发板通过USB数据接口与计算机连接进行程序的编译与导入工作,在IDE中编写程序代码后,将程序通过USB接口上传到Arduino开发板,开发板上的单片机进行程序的执行与数据的处理。本设计的ArduinoUNO开发板的3,5,6,9,10和11号管脚具有脉冲宽度调制(PWM)功能,能够提供舵机、电机驱动模块等部件调速的功能。

图 3 Arduino 开发板功能模块标注

2.2数据采集单元

环境数据采集功能主要依靠数字温湿度传感器和MQ-2烟雾气敏传感器实现温湿度与烟雾或可燃气体浓度的检测。

(1)DHT11温湿度传感器:DHT11数字温湿度传感器主要包含采集技术和传感技术,该传感器包括湿式电阻和NTC电阻,其内部原理图如图4所示。湿式电阻是将一层膜覆盖在基片上,该膜由感湿材料制成。当感湿膜接触到空气中的水蒸气时,元件的电阻值会随着吸湿与脱湿过程中氢离子浓度的变化而变化,内置的转换电路将最终的电压变化计算后与湿度的变化相对应,这样便可以测量环境中的湿度。NTC电阻即负温度系数电阻表示当环境温度升高时电阻值下降,电压输出也会随之变高,转换电路再根据相应变化使电压值与环境的温度相对应。

图 4 DHT11 温湿度传感器内部原理图

(2)MQ-2烟雾气敏传感器:气敏电阻是MQ-2烟雾气敏传感器测量可燃气体浓度的核心元件,它将检测到的可燃性气体的浓度转换为电压上传给单片机。气敏电阻具有P型半导体和N型半导体两种。当它处于正常情况下时,N型半导体的气敏电阻处于阴离子缺位的状态,当气敏电阻与可燃性气体分子接触时,电子将会从可燃性的气体分子向N型半导体移动,半导体的电阻值也将会减小,从而改变电路的电压值。对于P型半导体的气敏电阻是阳离子缺位,半导体的电阻会增加。由于温度对半导体的电导率的影响较大,所以在使用时MQ-2烟雾气敏传感器测量可燃性气体浓度时需要将其加热。

2.3通信单元

手机与检测小车通过蓝牙模块进行通信,将检测得到的环境数据通过蓝牙模块发送回手机蓝牙串口助手APP,实现手机对环境参数实时监测和小车的前进、后退及方向控制。HC-05蓝牙模块与手机蓝牙进行配对实现通信功能,HC-05蓝牙模块有六个引脚:VCC、GND、TXD、RXD、KEY、LED,当蓝牙模块处于不同的通信状态时,模块上的指示灯会呈现不同的闪烁状态,便于用户判断蓝牙模块是否正常工作。若将KEY接高电平之后或同时给蓝牙模块上电,指示灯将会以每秒一次的频率慢闪,模块进入AT状态不可进行配对任务;KEY悬空或接地时指示灯的状态以每秒二次的频率快闪,当蓝牙模块配对成功之后,指示灯将会变成双闪状态,每两秒闪烁一次。在可配对状态下将KEY接高电平,模块又将退出可匹配状态进入AT状态,但此时指示灯的闪烁频率与可匹配状态下指示灯的状态一致。

2.4蓝牙智能小车运动单元

小车的运动功能主要依靠L298N电机驱动模块以及DC3V-6V直流减速电机实现。L298N(如图5)内置的两组H桥用来维持电机两端电压始终处于在高低电平之间。该模块除了将12V电源转换成5V供电给开发板外还可以驱动和控制两路电机,当使能端ENA、ENB均为高电平时,通过组合不同的IN1、IN2状态控制直流减速电机的不同运动状态。

图 5 L298N 电机驱动模块功能图

在对直流电机进行脉冲宽度调制以用来调节电机速度之前,需要先确定IN1和IN2口与直流电机的连接,确定电机的转动方向。在确定直流电机的转动方向后,再通过程序确定单片机的引脚与左右电机的对应关系,当需要调节直流减速电机速度的时候再输出PWM脉冲进行调速。当IN1和IN2接口均为0状态或均为1状态时,两个输出接口所控制的对应直流电机制动。

三、蓝牙环境数据检测小车软件设计

软件部分采用模块化设计,主要分为主程序、数据采集程序、蓝牙通信程序、小车运动控制程序,程序设计流程图如图7所示,当某一功能的程序设计好就导入至Arduino开发板,导入后看功能是否正常实现,若能正常实现就再设计下一功能程序。若功能不能正常实现,则重新调试该部分程序,当四部分功能程序均完成后,再对四部分功能的程序进行组合拼接,不断导入程序并调试,当所有功能均实现后,则程序设计完成。

图 7 环境数据采集小车程序设计流程图

手机与检测小车通过蓝牙模块进行通信,发送不同指令实现对小车的控制,实现手机对小车的前进、后退及方向控制,并将检测得到的环境数据通过蓝牙模块发送回手机蓝牙串口助手APP,当环境数据超过阈值时进行报警。

总结

本设计完成了用于环境数据采集蓝牙控制小车的系统设计,通过手机蓝牙与数据采集小车通信,无线遥控小车的运动状态,蓝牙控制范围在10m内,并将各传感器采集的数据通过蓝牙模块传送回手机蓝牙串口助手APP,并且实现了根据烟雾浓度进行报警的功能。

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