基于AVR系統(tǒng)的新型智能感知機(jī)械花

基于AVR系統(tǒng)的新型智能感知機(jī)械花摘要：以ATmega16單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)新型智能感知機(jī)械花,根據(jù)光強(qiáng)控制花的開(kāi)合程度，根據(jù)溫度控制花的顏色變化，根據(jù)濕度控制花的亮度。關(guān)鍵詞：AVR單片機(jī)溫濕度光強(qiáng)機(jī)械花步進(jìn)電機(jī)3基色LED燈正文：一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的，用途，功能現(xiàn)在市面上有一種叫做flip-flap的太陽(yáng)花玩具，因其可愛(ài)的造型而大受人們喜愛(ài)，在許多汽車中都可以見(jiàn)到。由此可以看到，在現(xiàn)在這樣一個(gè)快節(jié)奏的社會(huì)環(huán)境下，人們通過(guò)接觸自然而獲得身心放松的時(shí)間越來(lái)越少，由此產(chǎn)生了人們對(duì)能夠模仿動(dòng)植物行為的室內(nèi)裝飾品的巨大市場(chǎng)需求。而我們的新型智能感知機(jī)械花就是為了迎合這種需求而設(shè)計(jì)的。我們知道睡蓮在白天開(kāi)放，晚上閉合。我們通過(guò)對(duì)光強(qiáng)的探測(cè)來(lái)控制機(jī)械花的開(kāi)閉來(lái)模仿睡蓮，并給人們提供光強(qiáng)和時(shí)間的信息。在花中還普遍存在花青素，它會(huì)隨著環(huán)境的溫、濕度來(lái)改變花的顏色。我們通過(guò)溫度傳感器來(lái)控制機(jī)械花的顏色，當(dāng)溫度適宜時(shí)顯示綠色，溫度較低時(shí)顯示藍(lán)色，溫度較高時(shí)顯示紅色，這符合人們的一般認(rèn)識(shí)。我們通過(guò)濕度傳感器控制燈亮得盞數(shù)，濕度較高時(shí)，植物可以從水中獲得更多活力，顏色較亮，因此燈亮三盞，濕度一般時(shí)亮兩盞，濕度較低時(shí)亮一盞，以此來(lái)控制花的色澤。我們的設(shè)計(jì)全面突破了原有機(jī)械花的設(shè)計(jì)，給人以對(duì)自然環(huán)境的全面感受，使人通過(guò)感官更充分得獲得環(huán)境信息，調(diào)整身體機(jī)能，并產(chǎn)生認(rèn)同感、舒適感和愉悅感。我們的作品可以作為一個(gè)不可多得的多功能居家室內(nèi)裝飾品、玩具和禮品。二、硬件設(shè)計(jì)思想和電路原理圖通過(guò)傳感器等敏感元件對(duì)環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)，并將數(shù)據(jù)傳輸給ATmaga16L單片機(jī)來(lái)控制各模塊的狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械花的智能感知。我們的硬件設(shè)計(jì)是按系統(tǒng)來(lái)劃分的，兩個(gè)系統(tǒng)相互獨(dú)立且相互聯(lián)系，第一個(gè)系統(tǒng)是通過(guò)光敏電阻感知環(huán)境光強(qiáng)來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以此來(lái)控制機(jī)械花的開(kāi)閉程度。這個(gè)系統(tǒng)要通過(guò)計(jì)時(shí)器中斷觸發(fā)單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換將光敏電阻上的模擬信號(hào)——電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，根據(jù)電壓值大小來(lái)確定步進(jìn)電機(jī)工作狀態(tài)（轉(zhuǎn)動(dòng)方向、步進(jìn)量、轉(zhuǎn)速），然后通過(guò)單片機(jī)將指令輸送到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片UNL2003上，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。第二個(gè)系統(tǒng)是通過(guò)DHT11溫濕度傳感器將溫濕度信號(hào)直接以數(shù)字信號(hào)的方式通過(guò)串口通信傳送到單片機(jī)，再通過(guò)環(huán)境溫度狀況決定三盞RGB（三基色）LED燈亮的顏色，并通過(guò)濕度狀況決定三盞RGB（三基色）LED燈亮盞數(shù)。下圖為硬件連接框架圖ATmega16ATmega16芯片步進(jìn)電機(jī)光敏電阻LED溫濕度傳感器電原理PCB圖三、硬件單元的使用1、主控模塊：我們使用的是Atmel公司的AVR高速8位微控制器ATmega16。ATmega16芯片為40個(gè)引腳,內(nèi)部集成了1K字節(jié)的RAM、512字節(jié)的EEPROM、16K字節(jié)的Flash以及2個(gè)UART串行接口等。由于采用了高性能的MCU,省掉了大量的外圍器件,如外擴(kuò)RAM、ROM存儲(chǔ)器等,使硬件結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化,提高了系統(tǒng)的可靠性。ATmega16芯片具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，內(nèi)部集成兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器?？赏ㄟ^(guò)JTAG對(duì)MCU進(jìn)行程序燒寫(xiě)及仿真。內(nèi)置晶振，使用方便。

ATmega16芯片的引腳圖如下：其中的PD0即為RXD引腳（RXD是USART的數(shù)據(jù)接收引腳），PD1即為TXD引腳（TXD是USART的數(shù)據(jù)發(fā)送引腳），引腳11即為GND接地。

2、監(jiān)測(cè)模塊（1）溫濕度：用數(shù)字式溫濕度傳感器DHT11（單線雙向）下圖為DHT11溫濕度傳感器外觀驅(qū)動(dòng)電路圖（2）光強(qiáng)：使用光敏電阻GL3516。光敏電阻外觀GL3516光敏電阻參數(shù)：規(guī)格型號(hào)最大電壓

(VDC)最大功耗

(mW)環(huán)境溫度

（℃）光譜峰值

(nm)亮電阻

（10Lux)

(KΩ)暗電阻

（MΩ）100γ10響應(yīng)時(shí)間

mS照度電阻特性上升下降Φ3系列GL351610050-30～+705405-100.60.530302光敏電阻電路圖3、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊利用驅(qū)動(dòng)芯片將AVR單片機(jī)PB0到PB3口輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)兩相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度及轉(zhuǎn)動(dòng)方向，使步進(jìn)電機(jī)改變一定轉(zhuǎn)角，并通過(guò)與花瓣相連的傳動(dòng)裝置改變花的開(kāi)放程度。（步進(jìn)電機(jī)采用UNL2003芯片驅(qū)動(dòng)，2相6線步進(jìn)電機(jī)，電壓5V）。4、顯示模塊RGBLED參數(shù)：5MM圓頭RGB四腳全彩R:波長(zhǎng)630-640nm亮度1000-1200MCD電壓1.8-2.0VG:波長(zhǎng)515-525nm亮度3000-5000MCD電壓3.2-3.4VB:波長(zhǎng)465-475nm亮度2000-3000MCD電壓3.2-3.4V2*5*5RGB四腳全彩R:波長(zhǎng)630-640nm亮度300-500MCD電壓1.8-2.0VG:波長(zhǎng)515-525nm亮度1200-1500MCD電壓3.2-3.4VB:波長(zhǎng)465-475nm亮度600-800MCD電壓3.2-3.4V因考慮紅色光強(qiáng)相對(duì)其他兩種顏色較弱，所以在電路設(shè)計(jì)中提高了藍(lán)色和綠色串聯(lián)的電阻，降低這兩種顏色的光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)個(gè)顏色的相對(duì)平衡。RGB三基色LED四、軟件設(shè)計(jì)思想及軟件流程本系統(tǒng)編程部分工作采用C語(yǔ)言完成，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，利用各子程序?qū)崿F(xiàn)各部分功能和過(guò)程的入口，完成光和溫濕度變化識(shí)別，電機(jī)驅(qū)動(dòng)、LED燈發(fā)光等功能。1、關(guān)于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，我們的思路是利用光敏電阻感知光強(qiáng)強(qiáng)弱并且改變其電阻，經(jīng)過(guò)電路部分將電阻的變化變?yōu)殡妷旱淖兓?，使每個(gè)特定的光強(qiáng)對(duì)應(yīng)一定的電壓值，電壓信號(hào)經(jīng)ad轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，表示電壓大小。Ad轉(zhuǎn)換由計(jì)時(shí)器2ms中斷觸發(fā)，根據(jù)電壓值大小確定步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該處于的狀態(tài)，然后將該狀態(tài)與接收信號(hào)之前的狀態(tài)比較，然后確定步進(jìn)電機(jī)的工作方式（轉(zhuǎn)向及步進(jìn)量的大小），然后用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械花的開(kāi)合，使其達(dá)到特定的狀態(tài).2、關(guān)于驅(qū)動(dòng)led燈的顯示，我們的思路是利用溫濕度傳感器測(cè)得外界溫度與濕度，并且實(shí)現(xiàn)通信后由主機(jī)讀取，由溫度高低來(lái)驅(qū)動(dòng)led的顏色顯示，由濕度高低來(lái)確定led燈所亮的盞數(shù)。開(kāi)始光敏電阻轉(zhuǎn)化光信號(hào)成電壓值計(jì)時(shí)器中斷觸發(fā)開(kāi)始光敏電阻轉(zhuǎn)化光信號(hào)成電壓值計(jì)時(shí)器中斷觸發(fā)ADC將電壓模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量（以電壓值表征光強(qiáng)）判斷電壓值是否大幅度增加達(dá)到一個(gè)更高閾值單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)一定角度是否判斷電壓值是否大幅度減小達(dá)到一個(gè)更小的閾值返回是單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)一定角度否溫濕傳感器感知環(huán)境溫度與濕度通過(guò)串口通信將溫濕度傳給單片機(jī)單片機(jī)根據(jù)溫濕度判斷并改變LED的顏色和亮數(shù)目五、軟件功能與調(diào)試：一、關(guān)于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常工作的程序是全部程序的一個(gè)主要組成部分，之前寫(xiě)的程序主要有邏輯混亂和時(shí)序混亂兩大方面的錯(cuò)誤，另外還有一些語(yǔ)法上的小錯(cuò)誤.關(guān)于邏輯方面，即我們的設(shè)計(jì)思路，見(jiàn)論文第四部分。關(guān)于時(shí)序方面，最主要的一點(diǎn)是步進(jìn)電機(jī)八個(gè)節(jié)拍順序的排列，我們查閱了多處參考資料，發(fā)現(xiàn)多有出入，后來(lái)仔細(xì)研究了步進(jìn)電機(jī)硬件的接線與結(jié)構(gòu)，逐步確定了節(jié)拍順序，并且為了保證其正常工作，將驅(qū)動(dòng)部分的程序?qū)懺谠赼d轉(zhuǎn)換中斷里，防止在執(zhí)行過(guò)程中被中斷。步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)8個(gè)節(jié)拍：0x01,0x09,0x08,0x0a,0x02,0x06,0x04,0x05（PB0到PB3對(duì)應(yīng)A,B,A’,B’）反轉(zhuǎn)八個(gè)節(jié)拍：0x04,0x06,0x02,0x0a,0x08,0x09,0x01,0x05（PB0到PB3對(duì)應(yīng)A,B,A’,B’）最后我們還發(fā)現(xiàn)一個(gè)能導(dǎo)致大問(wèn)題的小錯(cuò)誤，就是在定義步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)時(shí)用的是字符型數(shù)據(jù)，但是最后它們相加減賦給整形數(shù)據(jù)i，這樣導(dǎo)致了i只能為正數(shù)而不能為負(fù)數(shù)，使電機(jī)只能向一個(gè)方向轉(zhuǎn)，最后在多次仿真后發(fā)現(xiàn)此問(wèn)題并改正。二、關(guān)于感知溫濕度并驅(qū)動(dòng)3基色led燈顯示不能顏色與盞數(shù)。這部分程序的大框架已經(jīng)完成后，還是有一些小的邏輯錯(cuò)誤和嚴(yán)重的時(shí)序上的問(wèn)題。小的邏輯問(wèn)題包括一些無(wú)意中造成的死循環(huán)等，經(jīng)過(guò)幾次檢查就已經(jīng)全部排除。邏輯思路見(jiàn)論文第四部分。但是，這個(gè)程序依然不能如愿運(yùn)行，其根本原因是dht11型號(hào)的溫濕度傳感器屬于串口通信，輸出的數(shù)字信號(hào)(通過(guò)高低電平表示)，如圖所示：通訊過(guò)程：其中的高低電平的時(shí)間都是幾十us而已（也就幾十個(gè)時(shí)鐘周期），我們?cè)谶@么短的時(shí)間內(nèi)測(cè)得并且運(yùn)用，一定得非常注意延時(shí)的長(zhǎng)短，并且由于時(shí)序上的偏差容易累積，單純的使用延時(shí)總會(huì)使測(cè)得前幾位準(zhǔn)確后幾位就不準(zhǔn)確了。幸好cvavr自帶的延時(shí)函數(shù)延時(shí)非常準(zhǔn)確，外加經(jīng)過(guò)查閱大量參考資料和請(qǐng)教學(xué)長(zhǎng)，我們終于摸到了檢測(cè)的訣竅，寫(xiě)出了運(yùn)行比較穩(wěn)定的程序。經(jīng)過(guò)這個(gè)程序的編寫(xiě)，我掌握了一般串口通信傳感器程序編寫(xiě)的方法，能夠熟練地編寫(xiě)與應(yīng)用led燈驅(qū)動(dòng)函數(shù)與延時(shí)函數(shù)，并且我還掌握了一些很經(jīng)典的檢測(cè)語(yǔ)句的寫(xiě)法，例如：while(DHT11_DATA_READ);//等待高電平結(jié)束等，還有經(jīng)典的檢錯(cuò)語(yǔ)句的寫(xiě)法，例如：u8flag=2;while(DHT11_DATA_READ&&u8flag++);if(u8flag==1)break;六、系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程及測(cè)試數(shù)據(jù)

七、分析相應(yīng)的指標(biāo)參數(shù)：1、電壓（表示光強(qiáng)）花瓣?duì)顟B(tài)小于2v閉合；大于2v小于2.5v半開(kāi)；大于2.5v全開(kāi)。2、相對(duì)濕度LED盞數(shù)小于30DB1；30DB到70DB之間2；大于70DB3；3、溫度范圍花的顏色小于11度藍(lán)色；大于11度小于19度藍(lán)綠色；大于19度小于25度綠色；大于25度小于35度藍(lán)紅色；大于35度紅色。八、設(shè)計(jì)所需的全部資源：ATmaga16L單片機(jī)/1，實(shí)驗(yàn)板/1，5V電源/1，8.5V電源/1，步進(jìn)電機(jī)/1,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板/1,DHT11溫濕度傳感器/1，光敏電阻/1，圓RBGLED/1,方RBGLED/2，電阻若干，導(dǎo)線若干?？偦ㄙM(fèi)60元左右。九、成員分工和工作情況：曹乘榕主要硬件設(shè)計(jì)，整體調(diào)試，及相關(guān)部件采購(gòu)（占整體30%）；黃晨主要整體軟件設(shè)計(jì)調(diào)試（占整體30%）；胡騰部分軟件的設(shè)計(jì)，及其主體思路分析（占整體20%）；陳仲乾主要論文負(fù)責(zé)，部分軟件思路設(shè)計(jì)（占整體20%）。十