智能跟随行李箱.doc

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第十一届重庆市大学生“合泰杯”单片机应用设计竞赛作品创意书

参赛编号：20180207
基于HT66F70A单片机的 智能跟随行李箱

学 校：重庆电信职业学院
学 院：汽车与电子工程学院
指导教师：文水兵、李长伦

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第十一届重庆市大学生“合泰杯”单片机应用设计竞赛作品创意书

参赛编号：20180207
基于HT66F70A单片机的 智能跟随行李箱

学 校：重庆电信职业学院
学 院：汽车与电子工程学院
指导教师：文水兵、李长伦

参赛成员：文尤龙
肖 平
古龙敏

公元 2017年 12月 18日
作 品 创 意 书
一、 摘要
根据现代人出行时手提行李过多而手忙脚乱的情况，本文设计了一款结合红外线避障系统的智能行李箱。系统以HT66A70A单片机为控制核心，主要由电源模块、避障模块、蓝牙模块、执行模块等组成。作品实现了行李箱自动跟随主人行走、障碍物避障绕行、自动报警、USB充电、GPS定位等功能，解决了现有行李箱笨重不易携带、易丢失等问题，使出行更便捷，具有广阔的市场前景和应用价值。
关键词：红外线避障；HT66A70A单片机；
二、 作品介绍
2.1创作动机
每当节假日的时候很多同学需要长途旅行，行李较多，携带麻烦。如今出远门行李箱成了必不可少的拖载物品，其中大部分的型号亦附有内置小轮，可用拉杆方便拉动，2010年后亦出现有4个小轮的行李箱，除了可作360度的旋转外，在平地更可以不费力轻易推动。 不过随着人们物质需求逐步上升，有时候行李箱会给人们造成一些不便之处。据调查，虽然有轮子辅助，但如果长时间的拉动，会造成旅人高度疲惫，极大的不符合现代人的高科技、舒适生活。如果行李箱可以自行移动，就可以极大方便人们出行。
而今随着社会智能化应用到各个行业，为了更好的服务人类，科技结合生活创造幸福生活。通过对行李箱智能化设计改造，可以让人们可以更加方便进行行李的拖运。在开阔地上可以顺利的跟随主人行走。在有少量障碍物的平地上在主人与其距离较近的情况下也可较好运行。
2.2功能
(1) 保持一定距离自动跟随主人同步移动。
（2） 在跟随主人行走时，检测障碍物的距离并自动避障。
（3） 行李箱因距离过远而与手机蓝牙信号断开，则自动发出警报提醒主人行李箱走丢了。
（4） 旅行箱内置充电USB接口，可以在手机或其他电子设备没电时进行充电。
（5） 如果丢失或则被拿走可随时通过GPS定位出位置。
2.3创新性与实用性
（1）将定向和移动两个功能合并于智能行李箱中，使得在旅途中，可以省去许多麻烦，减少旅人的压力。
（2）通过微型处理器计算出主人所在位置，并一直与主人保持一定距离。
（3）USB充电与GPS定位时刻服务于旅行者。
（4）基于无线通讯服务端的智能行李箱，是一个新生的事物。它能够让人们解放双手，自由轻松地出游，不用在担心因拖行李箱而产生的各种不便。给人们带来一种身心愉悦的出游方式。
三、 工作原理
自动跟随：通过在身上携带信号发射装置，当其发生移动到距离行李箱有一定的距离时，由行李箱上的信号接收装置可对发射装置进行定位，同时进行信号处理，调整好与发生装置的距离，使得其调节行李箱轮子方向，并驱动发动机，让行李箱会朝着其方位进行同步移动。
红外避障：行李箱自带红外探测器可以探测前方障碍物。CPLD快速检测和处理红外线检测装置以及信号接收器的输入结果，经过系统分析后，实现两部电机的实时控制（前进，停止或倒退）进而选择相应的路线跟随主人前进。行李箱采用前轮驱动，前轮左右两边各用一个电机驱动，分别控制两个轮子的转动从而达到转向的目的，后轮是万向轮，起支撑的作用。将三个红外线光电传感器分别装在箱体的左中右，当箱的左边的传感器检测到障碍物时，主控芯片控制右轮电机停止左轮转动，箱向右方转向，当箱的右边传感器检测到障碍物时，主控芯片控制左轮电机停止转动，箱向左方转向，当前面有障碍物时规定箱右转。
防盗系统：如果在系统启动时与主人距离过远或者没有信号，行李箱会发出警报，并自动上锁。系统由以下几部分组成，如图1所示:

图1 主系统框图

四、 作品功能、特色
1、实现智能跟随行走方便出旅人行走。
2、红外线躲避障碍物。
3、远距离报警系统、防盗。
4、USB充电与GPS定位时刻服务旅行者。
5、以锂电池为动力源使用寿命长，节能环保。
6、产品结构简单，功能完善，运作效率高。
7、人性化的设计，将充分体现机电一体化。
五、作品结构
5.1电源部分
5.1.1智能跟随行李箱的电源电路
本设计中，电源采用12V的蓄电池供电。电源电压值不同的模块分开供电，减小各个模块工作时相互干扰，增强整个电路的抗干扰能力和系统的稳定性。以下将对各个电源电路进行详细介绍。
5.1.2 3.3V电源电路
3.3V电源电路主要给单片机供电。设计中首先用三端集成稳压电源L7805将12V稳压为5V，再用低压降三端线性稳压芯片LM1117-3.3V将5V稳压为3.3V给HT66F70A单片机供电。三端集成稳压芯片L7805和三段线性稳压芯片LM1117-3.3V具有成本低、电路简单等优点。其电路原理图如图2。

图2 3.3V电源电路

5.1.3 5V电源电路
5V电源电路主要给电机控制模块、USB模块、蓝牙模块和LCD12864显示模块供电，该模块采用LM2596T-5.0开关电源芯片。LM2596系列控制器是美国国家半导体公司推出的降压型开关电源管理芯片，适用于简易高频降压变换器、板上开关变换器及正负输出变换器。该芯片具有四种不同的型号，输出电压分别为3.3V、5.0V、12V和输出可调四种，对应型号为LM2596T-3.3、LM2596T-5.0、LM2596T-12和LM2596T-ADJ。LM2596控制芯片的工作频率为150KHz，其最大电流驱动能力为3A，只需极少量的外围元件就可以实现降压变换，大大简化了电路的设计步骤，节省了电路设计的成本。其电路原理图如图3。

图3 5V电源电路

其中，C1为输入滤波电容，其作用主要有两个：一、抑制输入电压瞬变；二、在LM2596-5.0内部开关管导通时提供所需的电流。C2为输出滤波电容，此外还可以提高稳压环路的稳定性。二极管D1的作用是在开关管关断过程中为电感提供续流通路。因此，D1选用开关速度快，导通压降低的肖特基二极管1N5822。
5.2 主控芯片HT66F70A
HT66F70A 系列单片机是一款A/D 型具有8 位高性能精简指令集的Flash 单片机。该系列单片机具有一系列功能和特性，其Flash 存储器可多次编程的特性给用户提供了极大的方便。存储器方面，还包含了一个RAM 数据存储器和一个可用于存储序号、校准数据等非易失性数据的EEPROM 存储器。
在模拟特性方面，这款单片机包含一个多通道12 位A/D 转换器和双比较器功能。还带有多个使用灵活的定时器模块，可提供定时功能、脉冲产生功能及PWM 产生功能。内建完整的SPI 和I2C 功能，为设计者提供了一个易与外部硬件通信的接口。内部看门狗定时器、低电压复位和低电压检测等内部保护特性，外加优秀的抗干扰和ESD 保护性能，确保单片机在恶劣的电磁干扰环境下可靠地运行。
这款单片机提供了丰富的HXT、LXT、ERC、HIRC 和LIRC 振荡器功能选项，且内建完整的系统振荡器，无需外围元器件。其在不同工作模式之间动态切换的能力，为用户提供了一个优化单片机操作和减少功耗的手段。外加时基功能、I/O 使用灵活等其它特性，使这款单片机可以广泛应用于各种产品中，例如电子测量仪器、环境监控、手持式测量工具、家庭应用、电子控制工具、马达控制等方面。其引脚图如图4：

图 4 HT66F70A单片机引脚图
5.3 硬件部分
5.3.1智能跟随行李箱的电机模块
L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号9脚Vcc，9脚Vcc可接4．5～7 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46 V。输出电流可达2．5 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。
如图5所示（本系统驱动两个二相电机）：

图5 电机驱动原理图

5.3.2智能跟随行李箱的避障模块
避障电路采用漫反射式光电开关进行避障。e3f-ds30c4光电开关(光电传感器)是集发射头和接收头于一体的检测开关，其工作原理是根据发射头发出的光束，被障碍物反射，接收头据此做出判断是否有障碍物。当有光线反射回来时，输出低电平；当没有光线反射回来时，输出高电平。单片机根据接收头电平的高低做出相应控制，避免小车碰到障碍物，由于接收管输出TTL电平，有利于单片机对信号的处理。避障电路如下图6：

图 6 红外避障原理图

表 1 避障电路功能表
传感器
避障电路输出（上升沿动作）
待执行命令
左
中
右
左转信号(P2.1)
右转信号（P2.0）
0
0
0

√
右转
0
0
1

√
右转
0
1
0

√
右转
0
1
1

√
右转
1
0
0
√

左转
1
0
1

√
右转
1
1
0
√

左转
1
1
1

前进
注解（“0”表示有障碍物； “1”表示无障碍物）
5.3.3智能跟随行李箱的USB充电模块
除直接供电USB器件外，USB更有用的一个功能是用USB电源进行电池充电。由于很多便携装置(如MP3播放机，PDA)与PC交换信息，所以，电池充电和数据交换同时在一条缆线上进行将会使装置方便性大大增强。把USB和电池供电功能结合起来，扩大了“非受限”装置(如移动web相机连接PC或不连接PC工作)的工作范围。在很多情况下，不必携带不方便的AC适配器。从USB对电池充电可以复杂也可以简单，这取决于USB设备要求。对设计有影响的因素通常是“成本”、“大小”和“重量”。其它重要的考虑包括：1)当设备插入到USB端口时，带放电电池的设备能够以多快的速度进入完全工作状态；2)所允许的电池充电时间；3)受USB限制的电源预算；4)包含AC适配器充电的必要性。充电电路如下图7：

图 7 充电电路

5.3.4智能跟随行李箱的蓝牙模块
采用BLK-MD-BC04-B蓝牙模块，遵循V2.1+EDR蓝牙规范，支持UART,USB,SPI,PCM,SPDIF等接口，并支持SPP蓝牙串口协议，具有成本低、体积小、功耗低、收发灵敏性高等优点，只需配备少许的外围元件就能实现其强大功能。如图8所示：

图 8 蓝牙应用电路图

表2 蓝牙管脚功能描述表
管脚号
名称
类型
功能描述
1
UART-TX
CMOS输出
串口数据输出
2
UART-RX
CMOS输入
串口数据输入
3
UART-CTS
CMOS输入
串口清除发送
4
UART-RTS
CMOS输出
串口请求发送
5
PCM-CLK
双向
PCM时钟
6
PCM-OUT
CMOS输入
PCM数据输出
7
PCM-IN
CMOS输出
PCM数据输出
8
PCM-SYNC
双向
PCM数据同步
9
AIO（0）
双向
可编程模拟输入输出口
10
AIO（1）
双向
可编程模拟输入输出口
11
RESETB
CMOS输入
复位/重启键（低位平复位）
12
3.3V
电源输入
+3.3V电源
13
GND
地
地
14
NC
输出
NC（请悬空）
15
USB-DN
双向
USB数据负
16
SPI-CSB
CMOS输入
SPI片选口
17
SPI-MOSI
CMOS输入
SPI数据输入
18
SPI-MOSI
CMOS输出
SPI数据输出
19
SPI-CLK
CMOS输入
SPI时钟口
20
USB-DP
双向
USB数据正
21
GND
地
地

5.4 软件部分
5.4.1控制系统结构
单片机通过采集蓝牙数据，判断行人的当前位置，然后控制直流电机，实现行李箱的转向，前进，后退等功能。框图如图 9所示
：

图9 控制结构框图

5.4.2主程序模块
实现超声波传感器的数据采集、判断；电机的控制；串口数据的发送等功能。如图10所示：

图10 主程序流程图

5.4.3方向控制模块

行李箱自带红外探测器可以探测前方障碍物。根据发射头发出的光束，被障碍物反射，接收头据此做出判断是否有障碍物。当有光线反射回来时，输出低电平；当没有光线反射回来时，输出高电平。CPLD快速检测和处理红外线检测装置以及信号接收器的输入结果，经过系统分析后，实现两部电机的实时控制（前进，停止或倒退）进而选择相应的路线跟随主人前进。流程图如图11所示：

图11 红外避障原理图
5.4.4速度控制模块
通过微型处理器计算出主人所在位置，自动跟随主人同步移动，并一直与主人保持一定距离。如图12所示：

图12 速度控制流程图
参考文献：
[1]李平,杜涛,罗和平 <单片机应用开发与实践> 机械工业出版社,2008.8
[2]徐惠民,安德宁 <单片微型计算机原理、接口及应用> 北京邮电大学出版社,2000
[3]李朝青 <单片微机原理及接口技术>（第三版）。 [M]北京航空航天大学出版社
[4]阎 石 <数字电子技术基础>（清华大学电子学教研组编 第五版） 高等教育出版社
[5]康华光 <电子技术基础>（第五版） 高等教育出版社
[6]宋泽清 <无线电> 2009年第2期 关于灵活避障 快速循迹
[7]马长林,陈怡,程利民 <单片机实践应用与技术> 清华大学出版社 2008
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参赛编号：20180207
基于HT66F70A单片机的 智能跟随行李箱

学 校：重庆电信职业学院
学 院：汽车与电子工程学院
指导教师：文水兵、李长伦

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