遥控电动小车装置的设计制作（g题）

遥控电动小车装置的设计制作（G题）专家点评本文涉及一台遥控电动小车控制系统的设计与制作。该装置主要以TI公司生产的MSP430F149单片机为核心元件，实现了对小车和操作端的控制。无线收发模块，实现了小车自动寻点和位置坐标检测的功能，最终位置坐标通过LCD液晶显示。本文结构规范，系统方案及器件选型描述详尽，理论分析与计算严谨，测试方案与数据合理，但缺乏电路设计的介绍，希望继续完善。摘要本装置主要以TI公司生产的MSP430F149单片机为核心元件，实现了对小车和操作端的控制。MSP430F149突出的低功耗特点更适合于仪器仪表类及电池应用的场合或手持设备，在设计中MSP430单片机作为主控制系统,小车靠外加电源来提供驱动，另外加入了稳压模块来稳定电机等器件的工作，无线收发模块用来实现小车与遥控部分的通讯，实现自动寻点和位置坐标检测的功能，最终的位置坐标通过LCD液晶显示。经过多次实验证明，本系统可以很好地实现小车的前进、转向、倒退并能完成位置坐标的实时显示。关键词MSP430单片机；无线遥控；步进电机；精确控制目录1系统方案411方案论证与选择4111无线遥控模块及小车控制模块4112显示部分4113电机模块4114无线收发模块512系统总体方案52理论分析与计算621理论分析622理论计算6221电动小车转向角的计算6222电动小车位置计算6223已知小车坐标求转角和路径的计算63硬件电路设计731电路模块732MSP430733液晶模块734无线模块74软件流程与程序设计841软件实现的功能842软件流程图85测试方案与测试结果951测试仪器952测试方法953测试结果954测试结果分析106总结10参考文献11附录121系统方案11方案论证与选择根据题目要求，遥控电动小车装置，主要由手持无线遥控器和电动小车部分组成。通过无线收发模块来实现数据的传输，手持无线遥控器部分主要是由键盘、电源、液晶组成，小车部分组要是由无线收发模块、电源模块、电机驱动部分组成。因此实现该系统，可有以下方案进行选择111无线遥控模块及小车控制模块方案一采用80C51来控制电动小车和无线遥控部分，80C51价格比较廉价可满足对基本的器件的控制，对于电压部分可以满足需求，指令运行速度较快，模块数据是八位故处理数据慢,接口少，需要加外加电路较多。方案二采用MSP430单片机作为控制核心，该单片机具有低功耗的特点，MSP430更适合应用于使用电池供电的仪器、仪表类产品中。数据位是16位的，对于扩展模块以及转换模块很方便所以可以利用此单片机来完成设计。方案比较方案一主要是采用80C51单片机作为控制器，但是由于51单片机的功耗较大，基于对电机的驱动考虑以及电源供电方面考虑MSP430可以解决低功耗的问题故采用方案二来实现整体系统的控制。112显示部分方案一采用1602液晶显示，不能显示汉字，不能很好的人机交互。方案二采用12864液晶显示，它除了具有质量轻、体积小、功耗低、指令功能强，可靠性强，外部中断多等优点，还具有接口简单、显示内容丰富、图形美观且能显示汉字易于人机交流。方案比较要想做到更好的人机交互，则显示界面应有相应的提示和足够的信息。出于人机交流方便和接口设置来说，1602的接口复杂，占用IO资源较多，且不能显示汉字。而12864更好的符合了预想显示的要求，所以我们选择方案二。113电机模块方案一采用直流电机来控制电动小车的运动，运行不太平稳。通过MSP430单片机控制输出PWM波，从而控制电机快速转动且必须使用码盘通过计算转轴比来计算脉冲个数，计算方面比较繁琐。方案二采用步进电机来控制小车的转动，用步进电机可以实现物体的精确定位和方向控制。步进电机是一种脉冲控制电机，它是一种可以将脉冲信号转换为角位移的数模转换器，我们通过MSP430单片机控制输出PWM波从而使步进电机转动一定的角度。使用步进电机可以减少码盘的使用，故其装置变得简易。方案比较步进电机可以简易的控制实现小车的各种指令，且具有稳定的特点，能够准确的控制小车的行驶路径。为了能很好的控制小车的运动综合两者特点我们选择方案二来实现设计。114无线收发模块方案一采用PT2264和PT2294芯片，通过芯片之间的传输实现主从单片机之间的通信。设置为无线模块作为无线遥控器和小车的连接实现信号的传输。发送的数据用于电机的驱动。方案二采用NRF24L01模块。此模块可以实现数据的精确传输，应用起来比较方便，传输距离较远且具有空闲模式，能双向通信，大大降低了模块的功耗。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型SHOCKBURST技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。方案比较由于方案一中的两块芯片在通信过程中构成的无线通信模块不稳定，且需要的电压比较大、功耗高、抗干扰能力差。对比于方案一来说方案二更能体现低功耗和稳定的特点。所以此模块采用方案二。12系统总体方案经过上述的分析和论证，决定了系统各模块采用的最终方案如下1主机控制模块MSP430单片机2显示模块12864液晶显示3无线收发模块NRF24L01无线模块4电机模块步进电机无线模块电源模块单片机系统控制无线系统键盘模块控制LCD显示模快块图1无线遥控装置单片机系统控制小车系统电机驱动模块电源模块稳压模块无线模块图2小车模块2理论分析与计算21理论分析电动小车的前进和倒退通过控制电机的正转和反转来实现，而电动小车的转向控制则通过小车两轮一个正转而另一个反转来实现。若想使小车在120CM120CM的范围内行驶时，实时的显示电动小车的位置。可通过脉冲的个数值换算出小车走过的路程，从而得到X，Y的坐标值。对于任意给定坐标，使小车到达指定坐标，则是已知X,Y求解脉冲计数的一个过程。要想小车花费较少的时间到达指定位置，一是可以提高小车行车速度，二是在速度不变的前提下让小车选择最短路径。这里我们选择第二种方案。22理论计算221电动小车转向角的计算小车转过一定的角度，则车轮走过一定的弧长。设车转角为，R为小车轴半径，L为小车走过的弧长；轮转角为，R为车轮半径，L为车轮走过的路程，则LR，LR。则由LL可得RR已知一圈计数脉冲的个数为N，设车轮走过一定弧长时脉冲计数值为N，则N360由式和式可得RR222电动小车位置计算由右图分析可得，小车从A点到B点走过的路程为AB，小车转过的角度为。则有ABLRR；NN360XX0ABCOS（）；YY0ABSIN（）；223已知小车坐标求转角和路径的计算（1）求转角对应的脉冲计数由位置图示的几何关系可得TAN（）；0XYRNNR36故有NARCTAN（）；RRN360Y（2）求路径对应的脉冲计数由三角行几何关系可得AB；ABN；220XNR36故有N；36RN220Y3硬件电路设计31电路模块整体的电路模块实现主要是基于无线遥控模块的绘制，无线遥控模块中集位置图示B（X，Y）A（X0，Y0）位置图示合按键，红外接收以及12864显示模块。32MSP430MSP430F149单片机作为主控制器来实现小车和无线遥控器的操作，其具有处理能力强、超低功耗、运算速度快、片内资源丰富以及方便高效的开发环境的特点。MSP430F149的原理图接口电路见附录133液晶模块本设计采用LCD12864液晶显示屏，它是12864点阵液晶模块的点阵数简称，业界约定俗成的简称。该点阵的屏显成本相对较低，适用于各类仪器，小型设备的显示领域。其电路图见附录2。34无线模块本设计采用NRF24L01无线传输模块来实现无线遥控模块以及小车之间的通信。NRF24L01传输距离较远且具有空闲模式，能双向通信，大大降低了模块的功耗。其中24L01的接口详细见附录3。4软件流程与程序设计41软件实现的功能通过程序的编写下载到MSP430单片上，通过149单片机来控制小车的运动，通过按键发送指令实现小车的前进、后退、转向等运动，调节脉冲个数实现对步进电机的控制调节转角和转速。还基于149单片机编写了对于无线发送和接收的数据通信，实现了实时控制位置坐标，编写LCD12864的程序显示对应的X、Y的坐标。42软件流程图YN按键输入无线传输开始结束静止按键液晶显示指令输入输入坐标接收数据按指令行驶数据处理开始结束按坐标行驶无线传输到达指定位置图3无线模块图4小车模块程序部分源代码见附录45测试方案与测试结果51测试仪器秒表，米尺52测试方法根据基本要求在无线遥控器的控制下实现电动小车的前进、转向、倒退，通过米尺来测量A、B点的距离即遥控距离，寻求最短路径用秒表测量由A到达B点的距离检测时间是否最优。利用米尺测量小车实时所在位置的坐标同时与液晶显示的坐标数作比较，求出精确度。任意给小车预设置一个位置坐标是否达自动到达测寻点。53测试结果假定A点的指定位置在三次测量中为同一位置，且其位置已知，通过求实际B点的值与B点设定值的差值来计算B点定位的精度。1、对小车直走位置测试（用米尺测试）测量次数B设定值（CM）B实际值（CM）差值CM1606112606003606112、预设置点与液晶显示坐标的测试3、无线遥控输入坐标与实际坐标的测试（米尺测量）测量组数/次输入（X,Y）位置坐标实际（X,Y）位置坐标1（200,800）（206，804）2（500,500）（511，508）3（750，1200）（753，1207）54测试结果分析由于用直尺对车轮半径及轴半径的测量存在误差，在用米尺对A、B点距离的测量则误差会减小点，故会影响精度。对于所有检测情况，基本能完成任务。X坐标（CM）Y坐标CM坐标设定值1008060402030507090110坐标实际值10528346174132033065217189321143差值52341713030621183243定位误差5204252833251502004202573563906总结首先感谢全国大学生电子设计竞赛山东赛区组委会和TI公司给我们提供了这次锻炼的机会通过这一个暑假的培训与学习丰富了我们的理论知识，使我们的动手能力得到了提升，在整个的学习过程中培养了我们的团结合作的精神和分析问题解决问题的能力，激发了我们的创新精神。通过学习使我们对TI公司的产品更加了解，基于其产品低功耗的特点使我们对其产品产生了浓厚的兴趣和爱好，参加电子设计大赛为我们以后走入社会参加工作提供了宝贵的实践经验。在整个的方案制作和调试过程中我们遇到了很多问题但通过老师的指导和队员的合作使我们在设计过程中遇到的难题得到了解决。参考文献【1】谭浩强C程序设计第三版北京清华大学出版社2005【2】美王晓东等著无线通信系统电子工业出版社2005【3】日）坂本正文著王自强译步进电机应用技术科学出版社2010【4】张毅刚单片机原理和应用北京高等教育出版社2004【5】房小翠单片微型计算机与机电接口技术国防工业出版社2005【6】张迎新单片机初级教程北京航天航空出版社2006附录附录1430F149原理图附录2液晶管脚无线控制遥控器板的LCD接口附录324L01的接口附录4部分程序源代码DEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARVOIDNRF24L01_RXPACKETCHARRX_BUFSTASPI_READSTATUS/读取状态寄存其来判断数据接收状况IFSTA/SPI使能SPI_READ_BUFRD_RX_PLOAD,RX_BUF,TX_PLOAD_WIDTHSPI_RW_REGWRITE_REGSTATUS,STAVOIDNRF24L