无线遥控智能小车的设计.doc
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无线遥控智能小车的设计.doc
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无线遥控智能小车的设计
摘要
面对诸多人类不容易到达的工作环境,为了有效的到达指定位置完成指定功能,就需要采用智能小车去现场来完成相应的任务。
因此研究和开发无线遥控智能小车引导控制系统具有十分重要的意义。
无线遥控小车具有体积小、成本低、生存能力强等特点。
本设计基于单片机控制和无线数据传输技术的设计思想。
利用两片单片机构成主从结构,主机发送控制指令,从机接收控制指令并控制小车运动。
主机由STC89C52单片机、LCD1602显示、NRF24l01无线模块和控制按键组成,从机由小车底盘、NRF24l01无线模块、电机驱动、HC-RS04超声波测距模块和STC89C52单片机组成。
主机和从机基于无线模块进行数据传输,主机电路主要负责发送小车运动状态的控制指令;从机电路主要负责小车运动状态指令的接受和实现对运动状态的控制。
电机由电机专用驱动芯片L298N驱动,通过单片机的控制,可轻松实现小车的前进、后退、左转、右转等的控制。
无线遥控智能小车控制系统的软件设计分为主机和从机两部分。
主机软件设计分为无线通讯程序,按键控制程序,显示程序,从机软件设计分为小车超声波避障程序,无线通讯程序,电机驱动程序。
概括来说,本设计就是用遥控器发射控制信号,用单片机控制直流电机输出相应的电平控制车辆的前行或者后退等动作,进而实现小车的智能遥控功能。
关键词:
STC89C52;无线遥控;智能小车
I
Abstract
Facingarangeofworkingenvironmentthathumanbeingscannotreacheasily,itisnecessarytoemploytheintelligentcartogotothescenetoaccomplishthecorrespondingtaskinordertoreachthespecifiedlocationtocompletethespecifiedfunctioneffectively.Therefore,itisofgreatimportancetostudyanddeveloptheguidanceandcontrolsystemofthewirelessremotecontrolledintelligenttrolley.Thewirelessremotecontrolledcarischaracteristicedbysmallsize,lowcost,strongsurvivabilityandsoon.
Thedesignisbasedonthethinkingaboutthesingle-chipcontrolandwirelessdatatransmissiontechnique.Usingtwomicrocontrollersconstitutesthemaster-slavestructure.Thehostsendscontrolcommands,whichtheslavereceivesandthencontrolsthetrolleymovement.ThehostconsistsoftheSTC89C52microcontroller,LCD1602display,NRF24l01wirelessmoduleandcontrolbuttonswhiletheslaveismadeupofthecarchassis,NRF24l01wirelessmodule,motordrive,HC-RS04ultrasonicdistancemeasurementmoduleandSTC89C52microcontroller.Thehostandslavearebasedonthewirelesscommunicationmodulefordatatransmission.Thehostcircuitismainlyresponsibleforsendingmovementcontrolinstructionstothecar;theslavecircuitismainlyresponsiblefortheacceptanceofthemovementstateofthecarandtherealizationofthecontrolofthestateofmotion.Themotorisdrivenbythemotor-specificdriverchipL298N.Throughthecontrolofthesinglechipcomputer,thecontrolofcartoadvance,gobackward,turnleftandrightcanbeeasilyrealized.Thesoftwaredesignofwirelessremotecontrolintelligentcarcontrolsystemisdividedintotwopartsofthehostandslave.Hostsoftwaredesignisdividedintowirelesscommunicationprocedures,buttoncontrolprocedures,displayprocedures.Slavesoftwaredesignisdividedintotrolleyultrasonicobstacleavoidanceprocedures,wirelesscommunicationproceduresandmotordrivers.
Tosumup,thedesignistousetheremotecontroltolaunchcontrolsignalsandsingle-chiptocontrolDCmotortooutputcorrespondinglevelofelectricitytocontrolthevehiclegoingforwardorbackwardandotheractions,andthenitrealizesintelligentremotecontrolfunctionofthecar.
Keywords:
STC89C52;remotecontrol;intelligentcar
II
目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1课题研究主要内容及要求 1
1.2课题研究的目的和意义 1
1.1.1研究的目的 1
1.1.2研究的意义 1
1.3课题国内外研究状况 2
1.4总结 2
第2章总体方案设计 3
2.1总体设计 3
2.2方案论证 4
2.2.1系统控制模块选择 4
2.2.2小车遥控选择 5
2.2.3上位机显示模块设计选择 6
2.2.4下位机电机的选择 7
2.2.5下位机避障模块设计选择 8
2.2.6直流调速方案选择 9
2.2.7电源模块设计选择 9
2.3本章小结 10
第3章系统模块电路 11
3.1单片机最小系统 11
3.2NRF24L01无线通讯模块 11
3.3电机驱动模块 13
3.3.1L298N驱动模块 13
3.3.2PWM调速原理 14
3.4电源模块 15
3.4.15V稳压电路 15
3.4.23.3V稳压部分 15
3.5避障部分模块 16
3.5.1避障原理 16
3.5.2超声波测距模块 16
3.6其他模块电路介绍 17
3.6.1LCD1602显示电路 17
3.6.2键盘电路 18
3.7本章小结 19
第4章软件设计与说明 20
4.1软件设计 20
4.2软件的说明 21
4.2.1遥控部分主程序流程 21
4.2.2NRF24L01子程序流程图 22
4.2.3小车部分主程序流程图 23
4.2.4超声波部分程序流程图 24
4.3本章小结 24
第5章硬件与软件调试 26
5.1硬件调试部分 26
5.2软件调试部分 26
5.3系统总体调试 26
第6章结论 29
参考文献 31
附录A:
电路原理图 33
附录B:
电路PCB图 34
附录C:
程序清单 36
第1章绪论
1.1课题研究主要内容及要求
分析无线遥控智能小车的设计要求,确定上位机和下位机控制系统、智能小车驱动方式和避障方式、车速的检测方法,无线通信方式等,完成系统硬件电路及部分软件的设计。
上位机硬件电路部分主要包括控制系统、按键、通信模块等,下位机硬件电路部分主要包括控制系统、电机驱动模块、车速检测模块、避障模块以及通信模块等构成。
上位机发出指令,下位机通过无线通信模块接收上位机控制信号,利用电机驱动模块驱动直流电机转动,从而实现对智能小车的遥控和小车避障等功能。
1.2课题研究的目的和意义
1.1.1研究的目的
通过这次设计,掌握51单片机的原理,了解简单传感器组成原理,初步掌握传感器的调整及测试方法,提高动手能力和排除故障的能力。
同时通过本课题设计与装配、调试,提高自己的动手能力,巩固已学的理论知识,建立单片机理论和实践的结合,了解传感器各单元电路之间的关系及相互影响,从而能正确设计、计算定时计数的各个单元电路。
初步掌握传感器的调整及测试方法。
提高动手能力和排除故障的能力。
1.1.2研究的意义
随着计算机、微电子、信息技术的迅猛发展,机器人的应用范围得到了极大的扩展。
在海洋开发、宇宙探测、工农业生产、军事、社会服务、娱乐等各个领域应用广泛。
而集机电于一体的多功能移动机器人由于性能的不断被完善,在城市安全还是在空间探测等场合都倍受关注。
目前,中小型移动机器人的设计通常是基于单片机而无操作系统,比如国际足联机器人足球大赛中的中小型足球机器人,仿生机器人,多足爬行机器人等[1]。
而智能小车作为移动机器人的一种,具有体积小、成本低、生存能力强、运动灵活等特点[2],主要有口令识别与语音合成、机器人自定位、动态随机避障、多传感器信息融合、实时自适应导航控制等功能[3-6],在军事侦察、反恐、防污染等危险与恶劣环境中有这广阔的应用前景。
所以,智能小车毫无疑问地成为一个重要的研究热点。
1.3课题国内外研究状况
现在的智能小车产业发展迅猛,从智能玩具到其它各行各业应用十分广泛。
其基本可实现循迹、避障、遥控等基本功能,这几年的电子设计大赛智能小车又在向语音遥控系统发展。
比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列。
2011-2012年世界智能机器人研究取得了新进展。
美国研制出受伤后可自行调整的机器人,英国设计出吃苍蝇老鼠的机器人家具,法国研发出“儿童机器人”,欧洲研发出超级机器人,能预知人类意图等。
这些都与我们的生活息息相关,给我们的生活带来了许多便利。
我国一直比较重视智能机器人的研究,国家“863”智能机器人专家组将智能机器人的研究作为未来的发展重点。
许多高校和科研机构都在进行智能机器人的研究和开发工作,相继几所高校开展了这方面的研究并取得了一定的成果,如沈阳自动化所的AGV小车,上海大学的导购机器人和哈工大研究所的导游机器人,清华大学智能技术与系统国家重点实验室研制的THMR系列微型移动车,整个系统包括摄像机,磁罗盘,差分GPS,电子地图等车载设备,保证了移动车控制系统能够实现自主驾驶与辅助驾驶。
除此之外,以哈尔滨工业大学为首的许多高校也先后在“机器人足球赛”等这些具有国际水平的人工智能竞赛中取得优异的成绩[7]。
1.4总结
本章主要介绍了无线遥控智能小车的研究目的、意义、内容和要求以及目前国内外的研究现状。
第2章总体方案设计
2.1总体设计
基于两个单片机之间通信的智能小车设计实现单片机可以远程通过无线通讯模块控制小车的前进、后退、左转弯和右转弯。
需要对单片机的远程通讯有一定程度的理解,还要熟悉单片机定时器、计数器以及中断的使用,会基本的C语言,熟练掌握keil51软件的使用与程序下载。
通过查找资料进行方案论证和选择,可以设计出该系统的整体构成。
本次设计以STC89C52单片机为控制核心,上位机通过按键进行前进、后退、左转、右转、停止、避障等功能的选择。
下位机的单片机控制电机驱动L298N来控制电机的正反转以实现小车的前进、后退、左转、右转、停止、避障。
无线通讯模块NRF24L01,通过与上位机的NRF24L01进行连接配对,接收从上位机发送过来的动作指令。
接收到的指令再传递给单片机,单片机通过判断语句来判断指令的不同,而跳转到不同的驱动子程序来控制电机的运动,从而实现小车的前进、后退、左转、右转、停止、避障等不同的动作。
由超声波传感器进行障碍检测,避免机器与障碍相撞[8]。
利用LCD1602液晶进行数据显示,显示的内容有小车的运动状态,距离。
电源提供给电机驱动L298N7.4V与单片机5V,以及NRF24L01无线通讯模块的3.3V。
系统硬件结构框图如图2-1所示。
单
片
机
按键
控制
液晶
显示
无线
模块
无线
模块
单
片
机
电机
驱动
避障
模块
测速
模块
图2-1系统硬件结构框图
硬件电路系统的设计通过采用模块化的设计方法,由单片机最小系统模块,超声波避障,电机驱动,电源模块,显示模块以及光报警模块七部分组成。
其中小车使用AVR单片机为主控芯片,它通过小车前端超声波返回的数据来获取小车距离障碍物的距离,并且用LCD1602显示出来,当小车与障碍物的距离大于某设定的距离时,小车会沿直线前进,当小车与障碍物的距离小于某设定的距离时,小车左转或者右转以避开障碍物;车头两侧由红外线对管自动避障组成的硬件模块组成,实现小车左转和右转功能;并且此时LED闪烁。
在避开障碍物后,小车会沿直线前进。
2.2方案论证
2.2.1系统控制模块选择
STC89C52单片机与ATmega16单片机的选择。
方案一:
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
STC89C52使用经典的MCS-51内核,但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU 和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能:
8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,内置4KBEEPROM,MAX810复位电路,3个16位定时器/计数器,4个外部中断,一个7向量4级中断结构(兼容传统51的5向量2级中断结构),全双工串行口。
另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
最高运作频率35MHz,6T/12T可选。
方案二:
ATmega16单片机,特点是取指周期短,有可预取指令,实现于流水作业,故可高速执行指令。
采用精简指令集,克服了瓶颈现象,指令执行速度(1Mips/MHz)得以提高,功能增强;由于硬件结构得到了简化了,降低了对外设管理的开销和成本。
ATmega16单片机的I/O口功能强大,因为它具有能够单独设定为输入或输出的功能,设置上拉电阻,并且有高阻输入、驱动能力强等特性,这使的得I/O口得到充分的利用。
片内集成多种频率的RC振荡器,能够自动上电复位、并且有看门狗和启动延时等功能,所以ATmega16单片机外围电路相对AT89S52简单,系统更加稳定可靠。
经过比较,在权衡各种问题及考虑到自己掌握的知识等问题后,选择使用了STC89C52RC,首先,这个芯片与89C51类似,而89C51使我们已经学过的单片机,其次,STC89C52RC的功能及引脚完全可以满足此次设计的需要。
因此选择方案一。
2.2.2小车遥控选择
无线控制是为了能够实现对智能车的远程遥控,使小车可以在遥控状态下代替人类完成一些危险项目。
目前短距离无线数据传输技术主要有两大类,一类是红外无线通信技术,另一类是蓝牙通信技术。
较为主流的几种通信技术之间既存在着相互竞争,但又在某些实际应用领域内相互补充、相互配合,究竟选择何种技术更优越,需要由具体的工作环境来决定。
方案一:
小车的无线通信模块采用红外遥控,红外收发遥控是目前大部份遥控小车采用的遥控手段,红外遥控具有代码简单,操作性强的特点。
如图2-2为红外遥控模块实物图。
图2-2红外遥控模块实物图
方案二:
小车的通信模块采用无线电NRF24L01模块,NRF24L01是一款工作在2.4~2.5GHz,世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。
无线收发器包括:
频率发生器、增强型SchockburstTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。
输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。
如图2-3为NRF24L01无线模块实物图。
图2-3NRF24L01无线模块实物图
方案论证:
方案一中的红外遥控模块的信号传送距离有限,并且发送和接收的红外信号容易受到干扰,所以不完全满足本次设计需求。
智能小车控制系统通过蓝牙模块HC-06与智能手机或者电脑建立蓝牙通信,并将蓝牙信号转换成串口信号,实现蓝牙无线控制[9]。
这种通讯方法虽然满足设计需求,但需要Java编程以实现手机对小车的控制,编程难度大,不予考虑此种方案。
NRF20L01发射频率高,所受到的干扰影响较小,无线通信的距离比红外的要长许多。
小车的遥控是小车的最主要的部分之一,通过无线芯片NRF24L01来实现发射与接收的设计要求,单片机通过模拟SPI接口可以方便的实现对NRF24L01的控制,且单片机的控制电路很容易实现扩展,比如语音模块、测速模块、时钟模块、避障模块等。
所以选择NRF24L01无线通信模块,故选择方案一。
2.2.3上位机显示模块设计选择
方案一:
采用七段LED数码管显示相关数据。
数码管简易且常用,显示具有高亮、光衰弱少、可视距离远、寿命长的优点。
但数码管一般只适合数字显示,一位数码管能显示一位数据,且占用的I/O多,编程相对复杂。
由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应,尽管实际上四位显示器并非同时点亮,但只要扫描的速度足够快,给人的印象就是一组稳定的显示而不会有闪烁感[10]。
方案二:
采用LCD1602液晶显示。
液晶显示界面较为友好,成本较低,具有耗能少、可同时显示数据多、电路简单、占用I/O口少、PCB布线简单、控制指令简单、编程简单等优点[10]。
经过对两种显示方案优缺点的衡量,本设计决定采用方案二。
2.2.4下位机电机的选择
电机是系统的动力来源,电机有着不同的类型,其中步进电机和直流电机最为常用。
直流电机的特点是加上合适的电压通过电机驱动即可进行转动,但转圈精度不高;步进电机的工作方式与直流电机不同,通过脉冲控制电机按照节拍进行转动,根据电机不同转动的角度也各有差异,精确度高,但速度慢。
电机的驱动方式各有不同,一般小型步进电机可以通过ULN2003进行驱动,直流电机需要的工作电流与步进电机相比较大,需要使用L298N这类专用的驱动芯片控制,控制时单片机通过输出PWM波调节转动速度。
直流电机和步进电机都可以用于小车驱动。
故有两种方案。
方案一:
直流电机。
直流电机由于加上了适当减速比的减速器,具有良好的调速性能[11],通上电源即可连续不停的转动,所以控制起来也相对简单。
调节电压的大小可以改变电机的速度。
L298N模块做成的驱动电路可实现直流电机的控制,可配合PWM调速机制(即脉冲宽度调制方式)调速。
此方案电路和控制都相对容易,相对性能比较好。
L298N是ST公司生产的芯片。
主要特点是:
工作电压高,最高工作电压可达46V,并且可以驱动两个直流电机,可以直接通过电源来调节输出电压;电路简单,使用比较方便。
本次设计需要驱动两个直流减速电机,L298N的功能特点满足本次设计的需求。
方案二:
步进电机。
步进电机之所以可以精确的实现位置控制,是因为它是通过输入一个电脉冲信号就能使电机的输出轴转动一定的角度,通过连续不断的输入点脉冲信号,步进电机连续的转动,外加的脉冲频率的不同,转速的大小也不一样[11]。
步进电机的转动并不受电压波动和负载变化以及温度、气压等环境因素的影响,仅与控制脉冲有关,但步进电机的速度十分缓慢,且消耗I/O资源过多,不适合本作品。
具体差别见表2-1。
如表2-1所示,步进电机和直流电机都有各自的特点。
步进电机虽然能够进行精确的位置控制,但行动缓慢;鉴于直流电机易于控制、驱动电路相对简单,足以满足本设计位置控制的精度。
故本设计选择使用直流电机。
直流电机转动力矩大,体积小,重量轻,装配简单,使用方便,小车电机内部装有减速齿轮组,所以并不需要考虑调速功能,很方便的就可以实现通过单片机对直流电机前进、后退、停止等操作[12]。
表2-1电机控制方式对比
直流电机
步进电机
调速性能
较好
较差
位置控制精度
较差
好
驱动
简单
简单
稳定性
较好
好,仅与控制脉冲有关
速度
较快
缓慢
单片机资源消耗
小
大
2.2.5下位机避障模块设计选择
超声波传感器与光电传感器的选择。
方案一:
使用超声波传感器。
超声波传感器价格便宜,不容易受到粉尘、光线、电磁类的干扰,并且自带温度补偿。
但由于时间关系没有添加温度补偿措施所以易受到环境中温度的影响。
但它不受光照强弱和能见度的影响,能耗低、灵敏度高,即使在较复杂的环境内也可以工作。
超声波的发射器能够不断发射声脉冲,由于频率越高反射能力越强,接收换能器接收到遇到障碍物就反射回来的超声波信号,根据回声探测法,通过对声速以及时间的计算,实现超声波的测距及避障功能[13]。
方案二:
使用红外线探头。
红外线具有可见光直线传播、反射、折射等特性。
红外传感器发光管发出具有可见光直线传播、反射、折射等特性的红外光,通常阈值的设定及判定模块是由电压比较器与可调电位器构成的[14],由于接收管接收的光强根据反射物体的距离而变化,接收管的电压与障碍物的距离成反比,通过判断发射光的强弱,实现红外线测距以及避障的功能。
本次设计采用超声波测距的方法避障。
小车在避障行驶过程中,采用超声波传感器测距,可检测80cm以上障碍物距离[14]。
将超声波传感器安装在小车车身上,通过超声波接收到的信号,判断出障碍物的位置情况来进行避开障碍物的行驶,同时做出避开障碍物行驶的转弯动作,转弯动作是通过PMW的对电机的控制来实现的。
2.2.6直流调速方案选择
在智能避障小汽车的研制开发过程中,智能小车要能够根据周围障碍物的具体位置情况自动控制行驶方向是非常关键的。
主要功能是单片机当接收到避障模块返回的数据时,通过驱动两个车轮调节小车的行驶速度,然后改变两个车轮的转速差,利用万向轮,调节行驶方向。
本设计根
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