基于单片机的无线遥控智能小车设计

基于单片机的无线遥控智能小车设计摘要本设计基于STC89C52RC单片机设计了一种遥控智能小车。小车具有自动、遥控两种模式。遥控模式下小车可在1公里范围遥控到达指定位置。遥控采用APC220无线射频模块，并在手持设备上显示小车位置坐标。自动模式下在封闭环境输入任意坐标，小车可自动运行到该位置。设计结构简单，可靠性高。本文详细介绍了系统的硬件原理和软件设计。关键词无线遥控，单片机，传感器，液晶显示，电机驱动1引言本设计采用STC89C52单片机作为小车的的核心器件，直流电机模块采用专用电机驱动电路，遥控模式下，采用APC220无线模块，来完成手持设备和车体间的通信。论文以智能小车的设计为主线，包括小车的构架设计、软硬件设计，以及控制算法研究等，共分为五部分。其中，第一部分为引言部分；第二部分主要介绍了小车的总体方案的选取，对单片机资源的分配作了说明。第三部分对小车的硬件设计进行了详细的介绍，主要介绍了电路的设计；第四部分描述了小车的软件设计和相关算法。第五部分中叙述了在设计过程中遇到的问题和解决方法。2系统组成无线遥控智能小车分为手持设备和小车车体两部分。手持设备由单片机模块、TFT彩屏显示模块、无线模块、供电电路、晶振电路、复位电路组成，系统组成框图如图1所示图1手持设备组成框图车体部分由单片机模块、电子指南针模块、超声波测距模块、供电模块、无线模块，电机驱动接口模块组成、车体部分框图如图2所示图2车体部分组成框图3硬件电路设计根据图1所示组成框图，手持设备选择STC89C52单片机作为控制器，TFT彩屏作为按键输入和显示单片机最小系统TFT显示和按键输入模块无线发射/接受模块单片机最小系统模块电子指南针模块无线发射/接收模块超声波测距模块电机控制电路接口小车所处的X轴和Y轴位置坐标信息。供电电路负责给整个系统供电，无线模块采用APC220。根据图2所示组成框图，车体部分采用STC89C52单片机作为控制器，无线模块采用APC220，电子指南针模块采用GY26电子指南针模块，电机驱动采用专用电机驱动电路。31超声波测距电路超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340M/S，根据计时器记录的时间T，就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即S340T/2这就是所谓的时间差测距法。超声波传感器结构如图3所示。共振板电板电压晶片图3超声波传感器结构由于自己用分立元器件焊接比较麻烦，所以本设计采用现成的US100超声波模块，US100超声波测距模块可实现045M的非接触测距功能，拥有2455V的宽电压输入范围，静态功耗低于2MA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPIO，串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠。US100模块如图4所示。US100正面图US100背面图图4超声波实物图超声波探测模块US100的使用方法为IO口触发，给TRIG口至少10US的高电平，启动测量；块自动发送8个40KHZ的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，测试距离（高电平时间340）/2，单位为M。触发信号10US的TTL循环发出8个40KHZ脉冲模块内部发出信号输出回响信号回响电平输出与检测距离成比例图5超声波检测原理超声波模块接口电路如图6所示图6超声波模块接口32TFT显示/触摸按键输入电路设计图7TFT接口电路TFT彩屏的作用是用来设置5个触摸按键和显示车体处于自动驾驶状态下的坐标信息，5个触摸按键分别是上下左右四个按键和一个车体工作模式切换状态按键。33单片机最小系统模块单片机最小系统电路如图8所示VCP3RK9D_INOUENIRQBYEWGGCHOEA/VP31XTL928RSD76WIN045OGCNDCUOMUFKFM图8单片机最小系统本设计采用STC89C52单片机，STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程FLASH存储器。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，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外STC89C52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。34无线通信APC220无线发送接收模块采用APC220模块，该模块采用半双工通信方式传输指令和坐标，采用9600的波特率进行数据传输，数据稳定，33V供电，耗电较低。为避免数据流量过大导致数据丢失问题，终端每次向串口发送100字节每次间隔不小于347MS。模块内设256BYTES大容量缓冲区，在缓冲区为空的状态下，用户可以1次传输256BYTES的数据，当设置空中波特率大于串口波特率时，可1次传输无限长度的数据，同时APC23043模块提供标准的UART/TTL接口，1200/2400/4800/9600/19200/38400/57600BPS七种速率，和三种接口校验方式。APC23043模块外部接口采用透明数据传输传输方式，能适应标准或非标准的用户协议，所收的数据就是所发的数据。当我们要发送数据时，直接把数据给SBUF寄存器，然后无线模块APC220引脚P30处及接受到了数据，然后APC220自动发送，接受端同样的将接受到的数据从引脚P31输入给单片机，程序中到SBUF寄存器中去读取数据。无线接口电路如图9所示图9无线模块接口35电子指南针模块当设置坐标自动让小车行走时，每隔一定时间，利用电子指南针修正超声波传感器位置，随后利用超声波传感器测量小车位置，并把检测的数据返回给单片机，由单片机发送给手持无线遥控器中的显示模块显示具体数据。到达指定位置后停止前进。电子指南针模块采用GY26，GY26是一款低成本平面数字罗盘模块。输入电压低，功耗小，体积小。其工作原理是通过磁传感器中两个相互垂直轴同时感应地球磁场的磁分量，从而得出方位角度，此罗盘以RS232协议，及IIC协议与其他设备通信。该产品精度高，稳定性高。并切具有重新标定的功能，能够在任意位置得到准确的方位角，其输出的波特率是9600BPS,有连续输出与询问输出两种方式，具有磁偏角补偿功能，可适应不同的工作环境。电子指南针模块接口如图10所示图10电子指南针模块36电机驱动电路车体控制板上有下面两个接口，分别接两路电机驱动板，控制小车左右两个电机转速和正反转。1234567P0GNDVCR8KLEATXSUY_WB图11电机驱动接口整个电机驱动电路可由软件控制电机的速度，电机的正反转361H桥电路图12H桥电路此电路由两个PMOS和两个NMOS管组成H桥电路控制电机的转速和正反转，当A1为低电平，A2为高电平时，相对桥壁导通，电机正传，控制A2高电平的占空比就可以对电机进行调速；当B1为低电平，B2为高电平时，另外一对相对桥壁导通，电机反转，当控制B2高电平的占空比时，电机即可调速，这里三极管的作用是用来当A2或B2为低电平时，达到快速释放NMOS管栅极电荷的作用，已达到快速关断MOS管的效果。需要注意的就是不能让相邻桥壁的一对PMOS管和NMOS管同时导通，那将短路，烧毁电路。前面有个电路就是防止这种情况产生。362光耦及防短路电路12345678JPENIA/BSCLDVGOMRK09XQ三图13光耦及防短路电路此处电路中间一个与非门74ALS00电路就是为了防止电机相邻桥壁的一对PMOS管和NMOS管同时导通这种情况发生，有了这个电路就不会发生短路的情况，右面的是光耦电路，因为右边接的是电机，电机是感性器件，容易产生很大的感应电动势，如果和单片机之间不加入光电隔离的话，单片机将会受电机影响，程序经常跑飞，重者烧坏板子。最左边是一个D触发器，用来控制电机的正反转。EN信号使能后不允许切换转向；EN信号未使能时停止工作，可以切换转向。363PWM产生电路图14PWM产生电路此电路是产生一个由软件控制可调的PWM方波电路，电路上半部分产生一个恒定的三角波信号，下边产生一个可调的直流信号，然后送入比较器LM324比较产生PWM方波信号，因为三角波是恒定的，我们只需改变直流信号的大小即可和稳定的三角波信号比较，从而产生可变的PWM信号，由软件控制直流信号的改变。TL431是一个三端可调稳压器，提供高达100MA的电流,良好的温度稳定性和输出电流处理能力输出电压可以被设置为任何选择25伏和36伏之间的电压通过选择两个外部电阻分压器。最左边的PCF8591AD/DA芯片，用来产生可变的直流信号，接到LM324一个反向输入端，用来和一个恒定的直流信号构成差分减法电路来产生可变的直流信号，从而产生可变的PWM信号。三U2P514ABVGN37LS0689CWMRJI/EKQFOXTREFK364三极管反相电路图15三极管反相电路此电路是给信号电平反相的，为了使D触发器正确的工作，此处C2的作用是允许电路可以产生一定的错误容限，因为电容两端的电压不允许突变，所以某一瞬间即使EN即使为低，三极管也不会导通，必须EN为低要持续一段时间，才能触发触发器，电机才能转向。4系统软件设计软件编写能体现出该系统功能的完整性、实用性、经济性。根据以上功能及硬件,系统主要包括手持端程序和车体端程序。手持设备软件设计流程图如图16所示，单片机上电后初始化液晶跟无线模块，设置串行口的工作方式，随后主程序循环检测触摸按键，如果检测到有触摸按键按下，则调用串行口发送数据，如果串行口接收到小车发来的数据则调用液晶显示。小车车体程序流程图如图17所示，单片机上电后初始化无线模块、超声波传感器、电子指南阵模块、串行口，如果串行口接收到遥控器遥控信息，则根据指令前进、后退等。当设置坐标自动让小车行走时，每隔一定时间，利用电子指南针修正超声波传感器位置，随后利用超声波传感器测量小车位置，并把检测的数据返回给单片机，由单片机发送给手持无线遥控器中的显示模块显示具体数据。到达指定位置后停止前进。本系统软件采用C语言编写。主要包括手持端程序设计、车体端程序设计。41手持端程序设计图16手持端程序设计串口接收X,Y数据检测触摸按键液晶显示X,Y轴数据无线发送相应按键信息液晶初始化开始无线模块初始化VINA/B1JR2KG9K0EUFQP手持端程序首先要进行液晶初始化，在液晶上绘制出2个文本显示框，2个文本输入框和5个长宽位1CM的矩形触摸按键。其中四个触摸按键为小车处于遥控状态下，控制小车向前，后，左，右四个方向前进。还有一个按触摸键是切换小车处于什么工作模式下，默认不按下该按键时是小车处于遥控模式下，按下时小车是处于自动驾驶模式下。当小车处于遥控模式下，按下TFT彩屏上的前，后，左，右四个触摸按键中的任何一个，手持端通过无线模块将命令发给小车端，小车接收到命令即向相应的方向行驶；当小车处于自动驾驶状态下，通过在TFT彩屏上输入X轴和Y轴坐标，手持端通过无线模块将命令发给小车端，小车接收到命令后即自动行驶到所要到达位置。2个文本显示框，显示的是小车处于自动驾驶状态下，车体所处坐标系的X轴和Y轴的坐标值。2个文本输入框，输入的是小车处于自动驾驶模式下，小车所要到达坐标系的X轴和Y轴的坐标值。然后是进行无线模块初始化，使手持端和车体端能相互通信。程序不停的检测按键的状态，判断小车要处于什么工作模式下。实时把手持端的命令通过无线模块发给车体端。当小车处于自动驾驶状态下，程序要接受无线模块接收到的小车坐标值并实时显示到TFT彩屏上。42车体端程序设计图17车体端程序设计车体端程序首先要进行无线模块初始化，使其与手持端无线模块通信成功。然后配置超声波模块，使其每隔100MS去采集一次车体与车前挡板的距离。然后配置电子指南针模块，使其工作在正确状态下，能正确地辨别出方位信息。程序里实时接收无线模块接收到的命令，首先判断手持端是让从机处于什么工作下。如果是处于遥控模式下，则继续接收手持端发来的控制小车方向命令，小车接收到相应的命令控制小车向相应方向行驶。如果是处于自动驾驶模式下，则程序同时会收到小车所要到达的坐标值信息，小车自动行驶到所要到达位置。坐标定义是X轴和Y轴为1米的坐标系，当主机设为（50,50）单位为厘米，然后小车即先向X轴方向前进50厘米，然后到达50厘米处停下，判断有没有到50厘米处，由超声波传感器测距判断，在未到达50厘米处时，由电子指南针校准小车的方向，从而使小车朝着正确的时间行驶以便超声波传感器能测出准确的距离，当到达50厘米位置处后，小车调转方向逆时针转90度，位置由电子指南针校准，然后继续行驶50厘米然后停下，到达指定位置。小车在行驶过程中，实时把自己所处的坐标值通过无线模块发给手持端，手持端接收到后在TFT彩屏上开始无线模块初始化超声波模块初始化电子指南针初始化超声波传感器检测小车所处精确位置无线模块接受命令，发送坐标值给主机液晶显示由电子指南针特性控制确定小车行驶方向显示出来。5小结通过系统调试及运行结果表明,经多次测量，无线遥控器在1公里以内控制小车情况良好；在100CM100CM并制定了坐标的范围内电动小车能将其位置的坐标值实时传送至手持无线遥控器，手持无线遥控器给定坐标后小车能够找到目标地点并到达指定地点，定点误差小。本文基于单片机模块，结合各种传感器设计了一种无线遥控智能小车。该小车可以完成行驶、反馈目标、寻找目标等多项功能，定位准确，价格低廉，进一步开发可实现在特殊环境完成各种任务。参考文献1戴圣伟,陈白帆,范绍成。无线遥控智能车的控制研究J。控制技术计算机测量与控制，2011，19921252127。2咸宝金,陈松涛。智能移动机器人多传感器信息融合及应用研究J。宇航计测技术，2010,3024244。3叶郑凯,朱建鸿,李琳,王幼琴。基于单片机的无线遥控智能小车的设计与实现J。计算机与现代化,2012,102066567。4陈海松,李益民。基于AT89C51单片机的智能避障遥控机器人的设计J。黄石理工学院学报，2011,273912。5伍刚，周玉荣。基于SPCE061A单片机实现智能小车设计J。单片机开发与应用。2010,2622120122DESIGNOFWIRELESSREMOTEINTELLIGENTCARBASEDO