基于三轴加速度传感器的信息采集智能车

王国军，刘 霞，殷海双，庞智辉

（东北石油大学 黑龙江 大庆 163318）

2011年3月日本福岛大地震之后造成的核电站核泄漏事件，让人触目惊心，突如其来的灾祸让核电站内的信息采集工作难以进行。虽然信息的采集对于灾祸的处理和受灾人员的救治是至关重要的，但是任何信息的获取都不能以牺牲自身或者以伤及他人作为代价。如何能够研发一种能够替代人员在恶劣环境下进行信息采集工作的智能移动设备意义重大。

本文章旨在介绍这样一项能解决类似问题的设计，该设计是对传统的遥控控制进行大胆的创新开发。利用无线通信方式控制一台具有信息采集功能的智能小车，智能小车能够将现场的数据信息实时回传给操控人员，保证了灾后数据处理的及时性，这样救灾人员能及时做出反应。利用重力感应技术对小车的运行姿态进行控制，可以实现小车的转向、直行、后退等基本运动动作，解放了人类的双手。解决了在危险环境下还要派人员进行人工信息采集的问题。同时智能小车对于数据的采集有很高的准确性，避免了人为采集数据时的一些失误和随机误差，这样有了更加准确的现场数据做保障，灾后的救援和处理效率也会有很大的提高。

1 总体设计

该设计系统结构图如图1所示，智能采集小车上装有超声波传感器，温湿度传感器，烟雾传感器，人体红外传感器和火焰传感器等构成环境参数传感器[1]用来采集灾难现场时时的数据。在采集到的同时，智能采集小车上的单片机控制NRF24L01无线模块[2]将数据发送给数据接收端，数据接收端通过单片机的控制将数据显示在液晶显示屏上。在数据接收端可通过三轴加速度传感器来控制小车的运行动作，也可以给智能采集小车发送接收的数据的反馈。

图1 系统总体结构图Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

2 系统硬件设计

系统硬件[3]主要由单片机控制电路电路、加速度传感器电路、无线通讯模块电路、电机驱动电路、TFTLCD显示屏电路、环境参数传感器电路等组成，系统硬件结构图如图2所示。ADXL345加速度传感器电路主要用来测量手持端倾斜角度输出车体运动控制信号；LCD显示屏电路电路主要用来显示回传的环境参数，无线通讯电路用来进行信息传输控制；单片机控制电路用来对智能车的精确控制、处理传感器采集的环境参数及LCD显示控制；环境参数传感器电路主要由超声波传感器、人体红外传感器、烟雾传感器、温湿度传感器等构成，是一个多种传感器的集合，主要用来收集智能车所处外界环境参数信息发回终端处理。

图2 系统硬件结构图Fig.2 Structure diagram of the hardware system

STM32F103ZET6单片机控制电路路主要是用来处理回传数据控制信号等，这款单片机是增强型，32位基于ARM核心的带512K字节闪存的微控制器其中有USB、CAN、11个定时器、3个ADC、13个通信接口，最高72 MHz工作频率，在存储器的0等待周期访问时可达1.25 DMips/MHz（Dhrystone 2.1）[5]，用它其中一个定时器实现 PWM信号输出提供电机驱动信号，很好的避免了定时器复用带来的多器件之间的冲突。大容量存储空间不用外加存储器。各种通讯接口齐全方便外接通讯。来自加速度传感器的倾斜角度信息传至单片机，单片机将角度信号转换为对应的电机驱动信号发给车体CPU，车体CPU将这一信号转化为PWM信号[6]驱动电机。来自外界环境的参数信息经车体CPU处理后经无线模块发回手持终端由终端CPU再由其处理将信号显示在LCD显示屏上。

加速度传感器电路主要是用来实现手持端遥控车体运动的。操作人员在操作时不必双手持遥控器操作，只需单手给予一定的倾斜角度就可将角度信号转换为对应的电机控制信号角度关系与控制信号如表1。

当手持设备端保持水平时A保持输出Z的1g倍，其他为0，当X轴变化时X轴相对于水平面角度发生变化，角度为负值时输出信号控制车体前进 （电机1正转，电机2正转），正值时控制车体后退（电机1反转，电机2反转）。同样Y轴以相同的方式输出信号控制车体左右运动。

NRF24L01无线通信模块电路的作用是将手持端发送的运行控制信息发给车体或将车体收集的环境参数信息发回手持端显示在LCD上。NRF24L01无线模块是半双工的通讯方式，通过SPI方式实现信号的读写。

表1 角度与控制信号关系Tab.1 Relationship between the angle and the control signal

智能车采用一个L298N电机驱动模块来驱动两个强磁电机，通过软件控制的PWM信号接在模块ENA，ENB端控制电机转速达到控制车速的目的。模块上IN1，IN2，IN3，IN4接在四个I/O口上控制电机的正反转实现转弯。运行姿态与I/O关系如表2所示。

表2 运行姿态与I/O关系Tab.2 Running posture with the I/O relationship

电路图如图3所示。

图中的 T_MISO/T_MOSI/T_PEN/T_CS是用来实现对液晶触摸屏的控制。LCD_BL则控制LCD的背光，液晶复位信号RST用来控制复位。模块采用16位并行接口方式与CPU连接，这样数据量增大适合彩屏的大数据量显示，DB0～DB17数据接口跟12864液晶的P0口类似。

3 系统软件设计

该参数采集系统的软件采用C语言编程，在程序编辑方面采用Keil μVision4进行程序编译。在软件设计过程中采用模块化的设计，整个系统由环境参数采集模块、加速度传感器控制运行姿态模块、PWM输出控制信号模块、2.4G无线通信模块和TFT LCD显示模块等组成。系统软件设计的结构图如图5所示。

在软件设计中环境参数采集模块主要用来实现对温湿度、火焰、气体成分等环境数据的采集；加速度传感器模块主要用来实现对手持控制系统中倾斜角度信号到电机控制信号的转化，通过该模块可以实现车体运行姿态的控制；PWM输出控制信号模块主要用来实现对电机驱动模块ENA、ENB两使能端的控制，通过控制单位周期内的高低电平占空比已达到控制电机转速的目的。2.4G无线通信模块实现手持终端与信息采集车之间的数据交换，并可以根据。TFT LCD显示模块，主要实现回传参数的显示。软件设计的流程图如图6、图7、图8所示。

图3 电机驱动模块电路图Fig.3 Motor driver module circuit diagram

图4 TFT LCD显示屏电路Fig.4 TFT LCD display

图5 系统软件设计结构图Fig.5 System software design structure

图6 信息采集车及手持端总框图Fig.6 Information collection and handheld extremity block diagram

图7 环境参数模块及加速度传感器控制模块框图Fig.7 Environmental parameters and acceleration sensor control module the module block diagram

4 实验应用

图8 PWM输出控制信号框图Fig.8 PWM output control signal diagram

该设计用于实现在复杂和危险环境下的数据采集工作。在使用该设计时，操作人员可站在远离危险环境的地方，通过手持设备也就是数据接收设备上的三轴加速度传感器来控制小车的前进、后退和转弯。当小车来到数据采集的现场后，可通过超声波传感器来进行避障以及障碍物距离的传输，这样现场人员就能大概算出灾难现场空间的大小。温湿度传感器能测出灾难现场的温度和湿度，从而判断救援人员能否进入。烟雾和火焰传感器可用来探测灾难现场是否存在火情或是浓烟。人体红外传感器可以探测到灾难现场是否有伤员，并且基于上面测到的几种数据，救援人员能够迅速判断现场环境是否适合伤员存活并做出救援方案。

5 结 论

此研究是对传统的遥控控制进行大胆的创新开发，利用重力感应技术对小车的运行姿态进行控制，可以实现小车的转向、直行、后退等基本运动动作。实现了操作的无按键化，摆脱按键的烦恼，操作简单，更显人性化；利用无线通信方式进行数据传输，摆脱了有线通信方式，带来了布线困难，维护不便等缺点；采用热门的无线传感器技术，属于物联网技术范畴内的一个创新实验研究，同时也是无人型机器人发展方向的一次探索。

[1]童诗白.模拟电子技术基础[M].4版.北京.高等教育出版社，2006.

[2]刘泉.通信电子线路[M].2版.武汉.武汉理工大学出版社，2005

[3]陈梓城.实用电子电路设计与调试[M].北京.中国电力出版社，2006.

[4]邱关源.电路[M].北京.高等教育出版社，2006.

[5]刘军.例说STM32[M].北京.北京航空航天大学出版社，2011.

[6]毛勇.控制电机转速的PID算法综述[J].机电信息，2011（6）:43-44.MAO Yong.Summary of PID algorithm to control the motor speed[J].Electrical and Information，2011（6）:43-44.