【文章內(nèi)容簡介】 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。第 2 章 總體方案設(shè)計(jì) 3 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。 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) 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 報(bào)警模塊 吉林建筑工程學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文 4 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。同時(shí)， CPLD 的處理速度非?？?，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 控制簡單、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)，需要擅長處理 多開關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)，而不能用精簡 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 ,通過開關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整 .此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單 ,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 第 2 章 總體方案設(shè)計(jì) 5 路結(jié)構(gòu)和原理簡單，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 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)。 9 0 1 38 0 5 08 0 5 08 5 5 08 5 5 01k4 1 4 84 1 4 84 1 4 84 1 4 81k9 0 1 31k1kP W M 1P W M 2 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)簡單，但軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜，并且要占用太多 CPU 時(shí)吉林建筑工程學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文 6 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： 采用簡易光電傳感器結(jié)合外圍電路探測，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)探測器都只檢測到白紙，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?？梢钥闯觯诙?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 。 第 2 章 總體方案設(shè)計(jì) 7 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。其安裝簡易，也可以檢測到障礙物的存在，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。 R2 L1 R1 L2 吉林建筑工程學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文 8 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： 采用 4 支 電池單電源供電，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： 采用 8 支 電池雙電源分別給單片機(jī)與電機(jī)供電可解決方案二的問題且能讓小車完成其功能。 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?0、 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%之第 2 章 總體方案設(shè)計(jì) 9 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。 吉林建筑工程學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文 10 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) 主控 系統(tǒng) 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 Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100 次。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡版本。 AT89C51單 片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 AT89C51 單片機(jī)見圖 31。 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0