DIY機(jī)器人系列:工程師自制藍(lán)光呼吸WIFI機(jī)器人 - 全文

你是否在新聞中見過各式各樣的遙控機(jī)器人？它們上天入地，排爆偵查，幾乎無所不能。給再土氣不過的無線路由換個“頭腦”，裝上“手腳”，它就能忠實(shí)執(zhí)行茫茫網(wǎng)海另一端的指令，為不能親身親臨的你拍下難得一見的場景。

首先需要解釋一下什么是“Shy ”：

“Shy ”是一個采用LINUX開源系統(tǒng)-Openwrt制作的WIFI機(jī)器人，它支持PC端,android端，web端的無線控制和無線視頻傳輸，apple端的視頻傳輸，甚至還可以當(dāng)作你的電腦高清免驅(qū)動攝像頭使用。

技術(shù)上來說，它大致分為三個部分，首先是加載Openwrt系統(tǒng)的Liunx平臺，它連接攝像頭，并通過WIFI接收控制命令。然后此平臺通過串口連接單片機(jī)，再由單片機(jī)控制各種感應(yīng)，驅(qū)動電路。你可以在手機(jī)上指揮它到處跑，然后拍下想要的照片。

值得注意的是，openwrt系統(tǒng)是開源的，我們可以在PC機(jī)上編譯自己的openwrt系統(tǒng)和自己的軟件，另外單片機(jī)的擴(kuò)展應(yīng)用成千上萬，因此這架機(jī)器人具有相當(dāng)高的可玩性與非常廣泛的應(yīng)用。

shy的原型來自于《star wars》中的R2D2。

機(jī)器人的主題是“呼吸”，緩慢變化的藍(lán)光使它們成為你臥室中最酷的裝置。

1???Linux平臺：線路連接與攝像頭驅(qū)動

1.1???準(zhǔn)備硬件

首先要選擇能夠加載Openwrt平臺的硬件設(shè)備，其實(shí)能加載LINUX系統(tǒng)的設(shè)備非常常見，比如我們家庭用的路由器。

這里要注意的是路由器的選擇，首先，路由器要能夠加載openwrt系統(tǒng)，其次，要具有USB口以及TTL接口。

一般來講，我們選擇的型號是DB120或者RG100A-AA，我選擇的型號是RG100A-AA。

1.2???刷系統(tǒng)

得到路由器后，首先要做的事是給路由器換個系統(tǒng)，即通俗所說的“刷機(jī)”，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)上RG100A-AA刷機(jī)的教程很多，這里不再贅述，不過需要補(bǔ)充的是，對于擁有單片機(jī)的愛好者，大可不必專門購買USB-TTL線，我們手中的單片機(jī)的開發(fā)板就可以為路由器與個人PC進(jìn)行連接，下面給出開發(fā)板與路由器TTL線的連線圖，,路由器從左到右依次是：VCC ,GND ,TX ,RX,這里注意一定不要接VCC線。

我的系統(tǒng)是Openwrt backfire 10.03.1 RC6

測試單片機(jī)的開發(fā)板是否連接正確，可以通過PUTYY的串口連接方式進(jìn)行連接，注意這里的波特率是：115200

COM口的選擇要查看個人PC中的設(shè)備管理器，以連接的為準(zhǔn)。

1.3???設(shè)置局域網(wǎng)絡(luò)

刷完系統(tǒng)后，設(shè)置個人PC的網(wǎng)絡(luò)IP：192.168.1.X，以及子網(wǎng)掩碼255.255.255.0。這里的X是除1之外的任意，當(dāng)然不能大于255

然后連接個人PC與路由的LAN3口，用PUTYY進(jìn)行SHH連接，輸入用戶名ROOT ，以及密碼ADMIN ，設(shè)置以及連接正確后進(jìn)入。

1.4???安裝攝像頭

設(shè)置IP的目的是為了上傳攝像頭的驅(qū)動文件，我采用的攝像頭是OV519芯片的SONY攝像頭，因此驅(qū)動文件為：

kmod-video-gspca-ov519_2.6.32.27-1_brcm63xx.ipk

運(yùn)行winscp，將IPK包上傳到根目錄下，注意，這里要選擇SCP方式。

成功連接后。

winscp非常方便，拖拽文件即可，跟FTP方式完全一樣。

我的攝像頭。

上傳完畢后，運(yùn)行PUTTY，進(jìn)行安裝，安裝口令：opkg install xxx.ipk

安裝完畢后可以用dmesg命令進(jìn)行查看是否安裝完成，或者直接在瀏覽器中輸入192.168.1.1以圖形化的方式進(jìn)行查看。

安裝完驅(qū)動后，安裝MJPG-STREAMER，這是一個用于查看視頻IPK程序，可以直接在瀏覽器中查看攝像頭捕捉到的圖像，注意安裝完畢后要開啟服務(wù)，或者也可以設(shè)置為自自動，這里不再贅述。

這里我采用了網(wǎng)絡(luò)上研究智能機(jī)器人的前人Liuviking的程序來捕捉MJPG-STREAMER的圖像，運(yùn)行此程序要先安裝，DOTNET3.5，運(yùn)行后成功便如圖所示：

至此，攝像頭的安裝結(jié)束。

2???Linux平臺：安裝與串口調(diào)試

2.1???什么是ser2net.ipk軟件包

首先解釋一下什么是ser2net.ipk軟件包。

這是一個可以通過個人PC向路由的指定端口發(fā)送數(shù)據(jù)，然后路由原封不動的將數(shù)據(jù)發(fā)送到路由的TTL接口的程序。

當(dāng)安裝完這個程序后，我們就可以通過編制的程序向路由的TTL口發(fā)送串行數(shù)據(jù)，意義在于：單片機(jī)就可以接受路由發(fā)送的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行各種控制。

2.2???安裝ser2net.ipk軟件包

下面簡略的講解如何在openwrt下進(jìn)行軟件包ser2net.ipk的安裝

有兩種方法：

方法一是在路由已經(jīng)聯(lián)結(jié)上互聯(lián)網(wǎng)的情況下，可以由網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安裝。非常的方便，但我并未采用。

方法二是利用winscp連接上路由，上傳ser2net.ipk，然后運(yùn)行putty，登陸路由執(zhí)行

opkg update opkg install 軟件包地址

同昨日安裝ov519驅(qū)動。

安裝完畢ser2net后，需要進(jìn)行一定的設(shè)置，在命令行界面下輸入

cd /

進(jìn)入路由根目錄，再輸入

cd etc

進(jìn)入ect 目錄后執(zhí)行

vi ser2net.conf （當(dāng)安裝成功后才會出現(xiàn)此設(shè)置文件）

找到

2001:raw:600:/dev/ttyS0:9600 NONE 1STOPBIT 8DATABITS XONXOFF LOCAL -RTSCTS

#2002:raw:600:/dev/ttyS1:9600 NONE 1STOPBIT 8DATABITS XONXOFF LOCAL -RTSCTS

注意，這里"#"代表的是屏蔽，我們修改的是非屏蔽語句，可以看到，上位機(jī)發(fā)送的端口是2001，這就是我們需要發(fā)送的端口號，波特率是9600，其它的略。

設(shè)置完畢后記得保存退出，然后這里要執(zhí)行一次ser2net,以開啟服務(wù)。

一切設(shè)置妥當(dāng)后，我們再次借用liuviking的程序進(jìn)行串口通訊的測試，運(yùn)行l(wèi)iuviking的程序，然后再運(yùn)行“串口調(diào)試助手”，在程序中點(diǎn)擊發(fā)送串口數(shù)據(jù)，可以看到在“串口調(diào)試助手”，有正確的數(shù)據(jù)輸出，至此，Shy的串口連接部分設(shè)置完畢。

3???Linux平臺：openwrt系統(tǒng)中添加自啟動

添加自啟動項(xiàng)的目的是為了在SHY啟動的時候能夠自動啟動更多的服務(wù)，配合UCI命令。

在/etc/init.d里添加需要啟動的shell腳本，假設(shè)名字為my-plugin。接下來模仿該目錄下其他啟動腳本的格式，添加你的代碼。

[cpp] view plaincopyprint? 1. #!/bin/sh /etc/rc.common 2. # /init.d/my-plugin 3. START=50 #啟動順序 4. 5. start() { 6. #啟動項(xiàng)執(zhí)行的代碼 7. } 8. 9. stop() { 10. killall my-plugin 11. }

之后還需要在rc.d目錄下做一個鏈接，啟動時系統(tǒng)會按順序啟動rc.d目錄下的腳本鏈接，對應(yīng)執(zhí)行init.d目錄下的啟動腳本。

鏈接命令如下：ln -s ../init.d/my-plugin /etc/rc.d/S50my-plugin

4???單片機(jī)模塊

4.1???構(gòu)建STC11F02E最小系統(tǒng)

我們選用STC11F02E單片機(jī)作為SHY的控制芯片電路部分，關(guān)于STC11F02E的參數(shù)如下:

STC11F02E單片機(jī)為增強(qiáng)型的8051內(nèi)核，具有2KB的片內(nèi)Flash程序存儲器、2KB的EEPROM存儲器和256KB的片內(nèi)SRAM數(shù)據(jù)存儲器。

這款單片機(jī)的UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發(fā)器）模塊的最大特點(diǎn)就是通過配置特殊功能寄存器AUXR1中的第7位UART_P1的狀態(tài)可以使UART模塊的兩個引腳（RXD、TXD）接到P3端口的P3.0、P3.1引腳，或者接到P1端口的P1.6、P1.7引腳，從而可以充當(dāng)兩個串口使用。

因?yàn)橹谱鱏HY需要的引腳并不是很多，所以我們只需要20引腳的單片機(jī)即可。這片STC11F02E

符合20引腳，小巧，作為增強(qiáng)型STC芯片，功耗小。

有兩個串口通訊接口，可一個用于下載，一個用于openwrt路由通訊。

從DATASHEET中得到STC11F02E 的芯片管腳圖

在這里，我們需要用到：

P1.7 作為串口的TX(transmit) 傳送接口

P1.6 作為串口的RX(Recive) 接收接口

P1.5 - P1.0 用于控制L298N驅(qū)動電路

P3.7 用于PWM控制LED燈

P3.6/RST 用于復(fù)位電路

XTAL2

XTAL1 用于11.0592MHZ晶振

RXD

TXD 用于在線下載線路

復(fù)位電路圖

RST保持兩個機(jī)器周期以上的高電平時自動復(fù)位

晶振，復(fù)位電路，VCC，GND，連接好后

至此，STC11F02E最小系統(tǒng)完成。

4.2???中斷方式接收串口數(shù)據(jù)

接收串口數(shù)據(jù)的目的是為了與openwrt路由完成通訊，STC11F02E要準(zhǔn)確無誤的辨識出openwrt路由發(fā)過來的指令，編制測試程序如下：

#include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int unsigned char Receive(void) { unsigned char dat; while(RI==0); //只要接收中斷標(biāo)志位RI沒有被置“1” 當(dāng)接收完畢時，中斷標(biāo)志RI被置1 //等待，直至接收完畢（RI=1） RI=0; //為了接收下一幀數(shù)據(jù)，需將RI清0 dat=SBUF; //將接收緩沖器中的數(shù)據(jù)存于dat return dat; } void main (void) { SCON = 0x50; //REN=1允許串行接受狀態(tài)，串口工作模式2 TMOD|= 0x20; //定時器1工作方式2 TH1 = 0xFD; //baud /* 波特率9600、數(shù)據(jù)位8、停止位1。效驗(yàn)位無 (11.0592M) TL1 = 0xFD; TR1 = 1; REN=1; while(1) { if(Receive() == 'W') P1=~P1; } }

以上程序有一個缺點(diǎn)是，并沒有使用串口中斷，其實(shí)在在這個程序上，用不用中斷處理程序?qū)τ趩纹瑱C(jī)都是一樣的，因?yàn)槭褂玫氖且粯拥拈_銷。但是，我們在前面提到過，完成Shy的一個目的是學(xué)習(xí)，所以我們要使用串口中斷完成這個程序的編制完成串口中斷的編寫，如下：

#include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int void InitUART (void) { SCON = 0x50; TMOD|= 0x20; TH1 = 0xFD; TL1 = 0xFD; TR1 = 1; REN=1; ES=1; //允許串行口中斷 EA =1; //單片機(jī)中斷允許 } unsigned char Receive(void) { unsigned char dat; while(RI==0); RI=0; dat=SBUF; return dat; } void main (void) { InitUART(); while(1){} } void serial (void) interrupt 4 using 3 { if(Receive() == 'W') P1=~P1; }

可以看到，程序被精簡，并且模塊化，主函數(shù)中幾乎沒有代碼。經(jīng)過測試，能夠正常使用。

在這里：

interrupt 0 指明是外部中斷0； interrupt 1 指明是定時器中斷0； interrupt 2 指明是外部中斷1； interrupt 3 指明是定時器中斷1； interrupt 4 指明是串行口中斷； using 0 是第0組寄存器； using 1 是第1組寄存器； using 2 是第2組寄存器； using 3 是第3組寄存器；

51單片機(jī)的中斷編號如下：

51單片機(jī)的中斷功能號如下：

幾個比較重要的概念如下：

EA、EX0、ET0、EX1、ET1、ES、ET2

中斷名稱、中斷號、入口地址

中斷允許控制寄存器（interrupt enable）

中斷優(yōu)先級控制寄存器（interrupt priority）

SHY的中斷方式接收串口數(shù)據(jù)部分完畢。

4.3???PWM調(diào)光編程

正規(guī)的解釋如下：

脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了多種PWM技術(shù)，其中包括：相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等，而在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法，它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形，通過改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓，采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。可以通過調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。

可以看到，以上的解釋非常抽象。

在我的單片機(jī)開發(fā)板中，有PWM的示例程序，但不是以函數(shù)的形式，改寫為函數(shù)的形式如下：

unsigned int CYCLE=600,PWM_LOW=0;//PWM-定義周期并賦值 void PWM_LED (void) { LED0=1; Delay(60000); //特意加延時，可以看到熄滅的過程 for(PWM_LOW=1;PWM_LOW0;PWM_LOW--){ //與逐漸變亮相反的過程 LED0=0; Delay(PWM_LOW); LED0=1; Delay(CYCLE-PWM_LOW); } }