【正文】 紅外遙控玩具車的設(shè)計(jì)方案第1章 緒論 設(shè)計(jì)背景及目的 設(shè)計(jì)背景隨著消費(fèi)電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)等的快速發(fā)展,以及人們生活水平的提高，各種方便于生活的消費(fèi)電子產(chǎn)品行業(yè)發(fā)展如雨后春筍般，層出不窮。當(dāng)今市場(chǎng)傳統(tǒng)低科技含量產(chǎn)品比重逐步縮水，而高科技含量的電子產(chǎn)品則蒸蒸日上。現(xiàn)今智能小車發(fā)展很快，從智能玩具到其它各行業(yè)都有實(shí)質(zhì)成果。其基本可實(shí)現(xiàn)循跡、避障、檢測(cè)貼片、尋光入庫(kù)、聲控系統(tǒng)等功能，飛思卡爾智能小車更是走在前列。我國(guó)作為世界電子產(chǎn)品生產(chǎn)大國(guó)，可在高科技產(chǎn)品的發(fā)展方面和外國(guó)的差距還是有的。比如說蘋果公司把產(chǎn)品90%的利潤(rùn)帶走，而只給制造商留下10%，少部分人拿走了巨額財(cái)富，卻要讓數(shù)十萬人再去瓜分那可憐的10%利潤(rùn)。所以，及時(shí)投入精力廣泛開展這方面的研究，無論對(duì)技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，還是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，都有重大的現(xiàn)實(shí)意義。鑒于國(guó)內(nèi)和國(guó)外科技方面發(fā)展較落后的原因，我選擇了紅外遙玩具車為我的畢業(yè)論文題目。在設(shè)計(jì)中，對(duì)紅外遙控、電機(jī)控制等技術(shù)做些深入了解，真身體驗(yàn)為什么科學(xué)技術(shù)才是第一生產(chǎn)力。也同時(shí)希望在設(shè)計(jì)中使用更多的先進(jìn)技術(shù)且能有效的控制設(shè)計(jì)成本，使其表現(xiàn)出極高的性價(jià)比和極強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。希望在以后能在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域扎根創(chuàng)新，與時(shí)俱進(jìn)，有所成就，撐起IT行業(yè)一片天地，并應(yīng)用于民生，造福于大眾。 設(shè)計(jì)目的直流電機(jī)的控制技術(shù)是電機(jī)控制的最基本技術(shù)，本設(shè)計(jì)目的是通過設(shè)計(jì)直流電動(dòng)玩具車，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流電機(jī)的控制，使小車可按規(guī)定線路和要求行駛。通過設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用四年大學(xué)所學(xué)知識(shí)去分析問題和解決實(shí)際問題的能力。在實(shí)踐中檢驗(yàn)所學(xué)知識(shí),從而加強(qiáng)理論與實(shí)踐的相結(jié)合。 體驗(yàn)一個(gè)科研項(xiàng)目開發(fā)的全過程，學(xué)會(huì)單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用方法,鍛煉應(yīng)用能力,動(dòng)手能力。本課題設(shè)計(jì)是具有一定難度的基于單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力。通過這次畢業(yè)論文及設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)自己綜合素質(zhì)和專業(yè)教育的培養(yǎng)效果，并且學(xué)會(huì)閱讀、利用英文文獻(xiàn)資料，閱讀并翻譯外文資料的能力，進(jìn)一步提高對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和撰寫論文的能力。 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容和要求 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容設(shè)計(jì)一個(gè)紅外遙控的電動(dòng)車，使之可按遙控器的控制行走。該電動(dòng)車要具備下述功能：（1）能夠接受并識(shí)別紅外遙控信號(hào)，并根據(jù)此命令動(dòng)作；（2）具有避障功能，當(dāng)探測(cè)到有障礙物時(shí)能夠及時(shí)避開；（3）能夠顯示停車、倒車、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等狀態(tài)；（4）能夠按事先設(shè)定好的軌跡行走。 設(shè)計(jì)要求（1）提出合理的方案；（2）繪制小車控制系統(tǒng)原理圖； （3）編寫解碼軟件，調(diào)整對(duì)紅外信號(hào)的解碼，編寫控制軟件實(shí)現(xiàn)功能。 設(shè)計(jì)意義隨著社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步以及人們生活水平的逐步提高，各種方便于生活的自動(dòng)控制系統(tǒng)開始進(jìn)入了人們的生活，以單片機(jī)為核心的智能控制系統(tǒng)就是其中之一。同時(shí)也標(biāo)志了自動(dòng)控制領(lǐng)域成為了數(shù)字化時(shí)代的一員。它實(shí)用性強(qiáng)，功能齊全，技術(shù)先進(jìn)，使人們相信這是科技進(jìn)步的成果。它更讓人類懂得，數(shù)字時(shí)代的發(fā)展將改變?nèi)祟惖纳?，將加快科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用AT89C51芯片作為控制核心，紅外發(fā)送和接收電路、LCD液晶屏顯示、直流電機(jī)、光電傳感器、行列式鍵盤相結(jié)合的系統(tǒng)。充分發(fā)揮了單片機(jī)的性能。其優(yōu)點(diǎn)硬件電路簡(jiǎn)單，軟件功能完善，控制系統(tǒng)可靠，性價(jià)比較高等特點(diǎn)，具有一定的使用和參考價(jià)值。 本章小結(jié) 本章主要講述紅外遙控小車所應(yīng)用的技術(shù)目前的發(fā)展背景，闡明這次設(shè)計(jì)的目的，概括這次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)及要求，并表述了紅外遙控小車所代表的時(shí)代意義。3第2章 總體方案設(shè)計(jì)第2章 總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)原理框圖按照設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)可以分為以下幾個(gè)基本功能模塊：無線遙控模塊、顯示模塊、避障模塊、循跡模塊、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及報(bào)警模塊等。將系統(tǒng)拆分成以上的這些基本功能模塊后，再根據(jù)各個(gè)模塊所要完成的功能分別去設(shè)計(jì)，也就是按照“逐步求精”的思想去設(shè)計(jì)本系統(tǒng)，這將使設(shè)計(jì)工作細(xì)化，也有助于制定進(jìn)度安排。根據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求將各個(gè)模塊系統(tǒng)組架起來，畫出系統(tǒng)原理框圖，見圖21。報(bào)警模塊主控系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊遙控接收模塊循跡模塊避障模塊顯示模塊遙控發(fā)射模塊遙控器芯片復(fù)位模塊時(shí)鐘振蕩模塊電源模塊圖21 系統(tǒng)原理框圖 主要功能模塊方案設(shè)計(jì)與論證本章節(jié)主要介紹的是主控模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、循跡模塊、避障模塊、遙控發(fā)射模塊和電源模塊的方案設(shè)計(jì)與論證，選出最適宜的方案。 主控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與論證根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我認(rèn)為此設(shè)計(jì)屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問題。據(jù)此，擬定了以下兩種方案并進(jìn)行了綜合的比較論證，具體如下：方案一：選用一片CPLD（如EPM7128LC8415）作為系統(tǒng)的核心部件，實(shí)現(xiàn)控制與處理的功能。CPLD具有速度快、編程容易、資源豐富、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，可利用VHDL語言進(jìn)行編寫開發(fā)。但CPLD在控制上較單片機(jī)有較大的劣勢(shì)。同時(shí)，CPLD的處理速度非常快，而小車的行進(jìn)速度不可能太高，那么對(duì)系統(tǒng)處理信息的要求也就不會(huì)太高，在這一點(diǎn)上，MCU就已經(jīng)可以勝任了。若采用該方案，必將在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。為此，我們不采用該種方案，進(jìn)而提出了第二種設(shè)想。方案二：采用單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車，以實(shí)現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)控制，而在這一點(diǎn)上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢(shì)控制簡(jiǎn)單、方便、快捷。這樣一來，單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，這種方案是一種較為理想的方案。針對(duì)本設(shè)計(jì)特點(diǎn)多開關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長(zhǎng)處理多開關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)，而不能用精簡(jiǎn)I/O口和程序存儲(chǔ)器的小體積單片機(jī)，D/A、A/D功能也不必選用。根據(jù)這些分析,我選定了AT89C51單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控裝置，51單片機(jī)具有功能強(qiáng)大的位操作指令，I/O口均可按位尋址，程序空間多達(dá)8K，對(duì)于本設(shè)計(jì)也綽綽有余，更可貴的是51單片機(jī)價(jià)格非常低廉。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案設(shè)計(jì)與論證方案一：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。方案二：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到分壓的目的。但電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問題在于一般的電動(dòng)機(jī)電阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。方案三：采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，加速能力強(qiáng)，采用由達(dá)林頓管組成的 H型橋式電路(如圖22)。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高，H型橋式電路保證了簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開關(guān)速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的 PWM調(diào)速技術(shù)?，F(xiàn)市面上有很多此種芯片，我選用了L298N。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。圖22 H橋式電路 顯示模塊方案設(shè)計(jì)與論證方案一：采用數(shù)碼管靜態(tài)顯示，一個(gè)鎖存器對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)碼管。此方案雖然軟件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，但是硬件設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，并且用數(shù)碼管進(jìn)行狀態(tài)顯示很不直觀。方案二：采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，利用視覺暫留效應(yīng)，通過對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行不停的掃描來產(chǎn)生視覺效果。這樣硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜，并且要占用太多CPU時(shí)間。對(duì)于本系統(tǒng)來說，由于CPU任務(wù)多，時(shí)間資源有限，此方案反而會(huì)使系統(tǒng)變得復(fù)雜而且難以調(diào)試。并且用數(shù)碼管顯示不直觀。方案三：為了能直觀的顯示出小車的各種狀態(tài)，這里使用LCD液晶屏顯示這樣不僅能直觀的顯示出小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而且能顯示小車的運(yùn)動(dòng)模式。軟件部分可以直接調(diào)用液晶屏對(duì)應(yīng)的顯示子程序，漢字代碼可以在漢字顯示字庫(kù)里查詢，直觀方便。綜上方案，方案三直觀方便， 是我設(shè)計(jì)最佳的狀態(tài)顯示方案。 循跡模塊方案設(shè)計(jì)與論證方案一：采用簡(jiǎn)易光電傳感器結(jié)合外圍電路探測(cè)，但實(shí)際效果并不理想，對(duì)行駛過程中的穩(wěn)定性要求很高，且誤測(cè)幾率較大、易受光線環(huán)境和路面介質(zhì)影響。在使用過程極易出現(xiàn)問題，而且容易因?yàn)?該部件造成整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。故最終未采用該方案。方案二：采用2只紅外對(duì)管，分別置于小車車身前軌道的兩側(cè)，根據(jù)兩只光電開關(guān)接受到白線與黑線的情況來控制小車轉(zhuǎn)向來調(diào)整車向，測(cè)試表明，只要合理安裝好兩只光電開關(guān)的位置就可以很好的實(shí)現(xiàn)循跡的功能。只不過如果小車運(yùn)動(dòng)速度過快，由于慣性的緣故，左右只有一級(jí)方向控制傳感器的情況下，不能很好地實(shí)現(xiàn)循跡功能，有可能跨國(guó)黑線，導(dǎo)致整個(gè)設(shè)計(jì)所要求的功能不能很好地實(shí)現(xiàn)，故未采納此方案。方案三：采用同時(shí)在底盤裝設(shè)4只紅外對(duì)管，進(jìn)行兩級(jí)方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。這4個(gè)紅外探測(cè)器的具體位置如圖23所示。圖中循跡傳感器共安裝4個(gè)，全部在一條直線上。其中R1與L1 為第一級(jí)方向控制傳感器， R2 與L2 為第二級(jí)方向控制傳感器。小車行走時(shí)，始終保持黑線在R1和L1這兩個(gè)第一級(jí)傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時(shí)，第一級(jí)傳感器一旦探測(cè)到有黑線，單片機(jī)就會(huì)按照預(yù)先編定的程序發(fā)送指令給小車的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再對(duì)小車路徑予以糾正。若小車回到了軌道上，即4個(gè)探測(cè)器都只檢測(cè)到白紙，則小車會(huì)繼續(xù)行走；若小車由于慣性過大依舊偏離軌道，越出了第一級(jí)兩個(gè)傳感器的探測(cè)范圍，這時(shí)第二級(jí)動(dòng)作，再次對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行糾正，使之回到正確軌道上去?？梢钥闯?，第二級(jí)方向傳感器實(shí)際是第一級(jí)的后備保護(hù)，從而提高了小車循跡的可靠性。通過比較，我選擇第三種方案來實(shí)現(xiàn)循跡功能。 R2L1R1L2圖23 小車底面仰視圖 避障模塊方案設(shè)計(jì)與論證方案一：采用一只紅外對(duì)管置于小車中央。其安裝簡(jiǎn)易，也可以檢測(cè)到障礙物的存在，但難以確定小車在水平方向上是否會(huì)與障礙物相撞，也不易讓小車做出精確的轉(zhuǎn)向反應(yīng)。方案二：采用二只紅外對(duì)管分別置于小車的前端兩側(cè)，方向與小車前進(jìn)方向平行，對(duì)小車與障礙物相對(duì)距離和方位能作出較為準(zhǔn)確的判別和及時(shí)反應(yīng)。但此方案過于依賴硬件、成本較高、缺乏創(chuàng)造性，而且置于小車左方的紅外對(duì)管用到的幾率很小，所以最終未采用。方案三：采用超聲波傳感器置于小車右側(cè)，方向與小車前進(jìn)方向平行，當(dāng)前方出現(xiàn)障礙物時(shí)，超聲波傳感器會(huì)收到信號(hào)，并將傳給單片機(jī)，檢測(cè)距離調(diào)整在20cm內(nèi)，即只有在20cm之內(nèi)有障礙時(shí)小車才會(huì)做出避讓動(dòng)作，在這個(gè)范圍之外的障礙小車不予處理。方案四：采用一只紅外對(duì)管置于小車右側(cè)。通過測(cè)試此種方案就能很好的實(shí)現(xiàn)小車避開障礙物，且充分的利用資源而不浪費(fèi)。通過比較，我采用方案三。 電源模塊方案設(shè)計(jì)與論證方案一：采用實(shí)驗(yàn)室有線電源通過穩(wěn)壓芯片供電，其優(yōu)點(diǎn)是可穩(wěn)定的提供5V電壓，但占用資源過大。方案二：，但6V的電壓太小不能同時(shí)給單片機(jī)與與電機(jī)供電。方案三：。所以，我選擇了方案三來實(shí)現(xiàn)供電。 紅外線模塊方案設(shè)計(jì)與論證由于在遙控端的按鍵數(shù)目有多個(gè)，而紅外通道傳輸?shù)闹荒苁怯?、1組成的串行代碼，所以需要在發(fā)射端對(duì)按鍵進(jìn)行“并串”編碼，在接收端相應(yīng)的要進(jìn)行“串并”解碼。碼的波特率在收、發(fā)兩端應(yīng)該是一致的。方案一：將紅外碼調(diào)制成38KHZ的脈沖信號(hào)通過紅外發(fā)射二極管將紅外碼發(fā)出。不過這些工作都由一塊集成電路完成，自己需要做的是搭建外圍電路，當(dāng)選定一種型號(hào)的發(fā)射IC后只要按照它的說明書上的典型電路搭建就可以了。開始時(shí)參照了《電子制作》上的一篇論文，使用的是NEC的upd6121，但是后來發(fā)現(xiàn)這種芯片不是很好買到，即所謂的市場(chǎng)貨源不充足，這是電子制作必須考慮的問題，所以放棄了這款芯片，改選HOTEK的HT6221，他們的性能及其外圍電路幾乎相同。方案二：采用臺(tái)灣瑞昱公司生產(chǎn)的專用于遙控車模的CMOS大規(guī)模集成電路TX2/RX2，該編解碼芯片具有5種控制功能，使用方便。TX2的11腳和12腳之間接的電阻決定振蕩頻率；3腳接地；10腳接35V電源；14腳、1腳、4腳、5腳、6腳分別為5路發(fā)射控制端；9腳為發(fā)射指示端，當(dāng)有按鍵按下時(shí)LED1發(fā)光提示；7腳為帶載波的編碼信號(hào)輸出端，即編碼信號(hào)已經(jīng)內(nèi)調(diào)制到38KHZ的載波上，該腳的信號(hào)通過一個(gè)NPN型三極管放大后可直接驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射二極管發(fā)射信號(hào)；8腳為不帶載波的編碼信號(hào)輸出端。接收電路RX2的4腳和5腳之間接的電阻阻值要和TX2的11腳、12腳間的電阻阻值接近，相差在20%之內(nèi)方可正確的解碼，本設(shè)計(jì)中這兩個(gè)電阻都選用150KΩ；2腳接地；13腳接35V電源；3腳接輸入信號(hào)，由一體化紅外接收頭1838輸出的信號(hào)需要加一個(gè)反向器才是正確的編碼信號(hào)；6腳、7腳、10腳、11腳、12腳為5路遙控命令的輸出端，分別和TX2的5路輸入端的狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。另外，為了方便操作，可以將TX2的5路功能擴(kuò)展成9功能，即在遙控發(fā)射端可以接9個(gè)按鍵。這是通過對(duì)原先的5路輸入進(jìn)行組合得到的。通過比較，兩種方案都可實(shí)現(xiàn)無線遙控功能，不過方案二成本較高，所以選取方案一作為本次設(shè)計(jì)最終方案。 本章小結(jié)本章將系統(tǒng)拆分成了若干個(gè)功能模塊，并且對(duì)系統(tǒng)關(guān)鍵部分進(jìn)行了方案的分析與選擇。設(shè)計(jì)中采用一片AT89C51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)所有功能，在軟件方面通過對(duì)結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，基本上實(shí)現(xiàn)了多任務(wù)并發(fā)運(yùn)行，并且通過軟件的分層結(jié)構(gòu)將功能實(shí)現(xiàn)和具體的硬件分離開，這將給后續(xù)的各模塊軟件的設(shè)計(jì)帶來方便。11第3章 硬件設(shè)計(jì)第3章 硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用芯片AT89C51為主控芯片，下面開始介紹其結(jié)構(gòu)特性和引腳功能。 AT89C51簡(jiǎn)介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only