基于单片机的WIFI智能小车设计

1企 业 实 践 报 告( 2016- 2017 年度第 1 学期)基于 51 单片机的 WIFI 遥控小车设计专业学生姓名 *班级 *学号 *指导教师完成日期 2016.12.*2目录第 1 章 绪论 .1第 2 章 方案论证及选择 .22.1 系统方案选择 .22.2 总体设计方案 .32.2.1 整机系统 .32.1.2 整机工作原理 .3第 3 章 硬件系统设计 .53.1 路由器 .53.2 ESP8266WIFI 模块 .53.2.1 ESP8266WIFI 模块引脚功能 .63.3 STC89C52RC 单片机 .73.3.1 STC89C52RC 单片机引脚功能 .83.3.2 单片机的外围电路 .103.4 L293D 电机驱动模块 .113.4.1 L293D 引脚功能及原理图 .113.5 3.3V 降/稳压模块 .133.5.1 降/稳压模块的原理图 .133.6 5V 和 3.3V 串口电平转换模块 .143.6.1 引脚功能和原理图 .14第 4 章 软件系统设计 .164.1 软件开发环境 .164.1.1 Android 的 APP 软件的开发 .164.1.2 单片机程序开发环境 Keil .174.2 程序流程图 .174.2.1 主程序流程图 .174.2.2 串口中断接收流程图 .194.2.3 串口发送指令流程图 .20第 5 章 设备调试 .225.1 系统调试 .225.2 硬件设备调试 .225.2.1 ESP8266 串口 WIFI 的连线 .235.2.2 STC89C52RC 单片机连线 .235.2.3 单片机和 WIFI 模块的连线 .245.3 软件调试 .245.3.1 WIFI 模块的调试 .245.3.2 单片机的调试 .265.3.3 单片机和 WIFI 模块的调试 .27心得体会 .28总结 .29参考文献 .30附录 1 单片机程序 .311第 1 章 绪论现在是一个智能化的时代，各种智能化的设备正在逐步代替人为的操作。随着汽车工业的迅速发展，关于智能汽车的研究也越来越受人们关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该课题的研究。设计的 WIFI 智能小车能够实现自动循迹，壁障功能，可程控行驶速度、电脑手机 WIFI 连接控制行驶及其他的控制方式。本系统能实现对小车的运动状态进行实时控制。系统控制灵活、可靠、精度高、可满足对系统的各项要求。本设计以 STC89C52RC 单片机为控制核心，利用 ESP8266WIFI 模块和路由器接收和处理无线信号，然后通过 WIFI 模块和单片机之间的串口通信来传递信息，从而完成手机控制单片机的运作。通过对本小车的研究，我们可以初步构建智能汽车的模型和理论基础。对于智能汽车的研究，国内外都有很大的成就，谷歌的无人驾驶汽车，已经能够在高速公路上安全行驶数千里，在高速行驶下都能有这么好的操控能力，无非是智能汽车领域的一座里程碑。在智能家居系统研发方面，美国及一些欧洲国家一致处于领先地位，今年来，以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国外知名企业，先后跻身于智能家居系统的研发中。例如：微软公司开发的“梦幻之家” 、摩托罗拉公司开发的“居所之门”IBM 公司开发的“家庭主任”等均已日趋成稳定技术强占家居市场。此外，日韩等新国的龙头企业纷纷致力于家居智能化的开发，对家居市场更是跃跃欲试。本设计选用的 89C52 单片机属于 MSC-51 系列单片机，由 Intel 公司开发，其结构有 8 字节 FLASH 闪速存储器，256 字节内部 RAM , 32 个 I/O 口线，3 个16 位定时计数器，一个 6 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89c52 可降至 O Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电上作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时计数器串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。由于 89C52 的系统性能满足系统数据采集及时间精度要求，而且产品产量丰富来源广，应用也很成熟，故用来作为控制核心。新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础。本设计主要研究内容就是基于 89C52设计一部 WIFI 智能小车，小车能够实现 WIFI 遥控的智能小车控制系统。2第 2 章 方案论证及选择2.1 系统方案选择方案 1：自己首先学习相关知识，理解单片机智能小车的原理以及 WIFI 模块指令等。动手设计出带有 WIFI 模块的单片机开发板，在配购好小车相关的材料后，组装出小车模型。调试好 WIFI 模块和单片机的硬件和软件，然后用手机等终端设备通过路由器驱动 WIFI 小车的运动等一系列指令。具体的如图 2-1 所示。下图是关于方案 1 设计版图构想，如图 2-1 所示。图 2-1 方案 1 设计图方案 2：自己首先学习相关知识，理解单片机智能小车的原理以及单片机和WIFI 之间的通信方式，了解 WIFI 模块的相关指令，以及单片机的串口传输的方式。然后利用已经完成有的单片机小车，通过在单片机小车上添加一个 WIFI模块和相关模块来进行改装，然后自己通过设计编写单片机和 WIFI 模块之间串口通信的程序。利用这样的方法来实现手机终端来通过路由器在无线传输的方式对单片机进行控制，从而进一步的控制小车的运动等一系列指令。具体的如图 2-2 所示。下图是关于方案 2 设计版图构想，如图 2-2 所示。图 2-2 方案 2 设计图方案选择：方案 1 和方案 2 涉及的相关知识大致相同，两种不同思路的选择，所需要的材料也不同。介于我们对制作成本和材料考虑，我们小组选择方案 2，利用已有的单片机小车，对小车进行改装，在小车上加个 WIFI 模块等一系列设备，实现手机等终端设备通过无线信号控制小车的运动。选择方案 2，3我们认为可以加强我们的动手能力，能够充分的学习和利用相关的专业知识，达到综合素质的提升。2.2 总体设计方案基于单片机的 WIFI 智能小车主要由路由器、ESP8266WIFI 模块、STC89C52RC 单片机控制模块、L293D 电机驱动模块、5V 与 3.3V 串口电平转换模块和 3.3V 降/稳压模块等主要结构组成，其中还有一些次要设备，比如蜂鸣器，LED 灯和数码管等。2.2.1 整机系统下图是整机系统图，是 WIFI 模块和单片机之间通信的整体图，如图 2-3 所示。图 2-3 整机系统图项目系统包括路由器、ESP8266 串口 WIFI 模块、STC89C52RC 单片机、电机驱动模块、串口电平转换模块、5V 电源、3.3v 降/稳压模块、电机驱动模块组成。如图 2-3 所示。ESP8266 串口 WIFI 模块是用来接收到手机等上位机设备发送的控制指令信息和单片机通过串口通信传来的 AT 指令信息来连接到路由器，然后创建多连接和 SERVER 模式，来实现手机和 WIFI 模块之间的通信；STC89C52RC 单片机最小系统是小车的核心系统，用来控制和协调小车的运动；电机驱动模块用来驱动小车电机的运作；5V 和 3.3V 串口电平转换模块是用来转换单片机和 WIFI 模块之间的信号电平，主要是适用于本模块的工作电压；电源电路用来提供单片机和 WIFI 模块的外部电源；3.3v 降/稳压模块用来给 WIFI 模块提供一个 3.3v 稳定的工作电压；蜂鸣器电路作用是用来给单片机一个提示音；电机作用就是让小车的轮子转动，来使小车动起来。42.1.2 整机工作原理基于单片机的 WIFI 智能小车是 STC89C52RC 单片机通过其串口对ESP8266WIFI 模块发送 AT 指令，使 ESP8266WIFI 模块连接到路由器并且让ESP8266WIFI 模块开启多连接和 SERVER 模式，然后手机打开 WLAN 连接路由器设备，打开制作好的 APP 软件，通过路由器这个中转站向 ESP8266WIFI 模块发送控制指令，在 ESP8266WIFI 模块接收到控制指令后，通过 ESP8266WIFI 模块的串口和 STC89C52RC 单片机上的串口之间相互发送控制指令的数据流，单片机的串口在接收到从 WIFI 模块传来的控制指令的数据流，最终做出控制选择，进而控制小车运动、指示灯的亮灭、蜂鸣器的开关和数码管的显示。如：小车运动，LED 灯的亮灭，蜂鸣器的发声等。基于单片机的 WIFI 智能小车主要是利用手机作为上位机，而单片机作为下位机，通过 WIFI 模块和路由器进行对无线信号的处理，然后通过串口传送有线的信号，从而实现上位机通过无线来控制下位机的运作，实现智能化和无线遥控等功能。5第 3 章 硬件系统设计3.1 路由器路由器（Router） ， （如图 3-1 所示）是连接因特网中各局域网、广域网的设备，它会根据信道的情况自动选择和设定路由，以最佳路径，按前后顺序发送信号。 路由器是互联网络的枢纽“交通警察“。目前路由器已经广泛应用于各行各业，各种不同档次的产品已成为实现各种骨干网内部连接、骨干网间互联和骨干网与互联网互联互通业务的主力军。路由和交换机之间的主要区别就是交换机发生在 OSI 参考模型第二层（数据链路层） ，而路由发生在第三层，即网络层。这一区别决定了路由和交换机在移动信息的过程中需使用不同的控制信息，所以说两者实现各自功能的方式是不同的。路由器（Router） ， （如图 3-1 所示）又称网关设备（Gateway）是用于连接多个逻辑上分开的网络，所谓逻辑网络是代表一个单独的网络或者一个子网。当数据从一个子网传输到另一个子网时，可通过路由器的路由功能来完成。因此，路由器具有判断网络地址和选择 IP 路径的功能，它能在多网络互联环境中，建立灵活的连接，可用完全不同的数据分组和介质访问方法连接各种子网，路由器只接受源站或其他路由器的信息，属网络层的一种互联设备。下图是路由器的设备图，如图 3-1 所示。图 3-1 路由器3.2 ESP8266WIFI 模块本次设计用到 ESP8266WIFI 模块是用于连接到路由器，然后接收手机端发送的信号，对单片机进行控制。WIFI 模块又名串口 WIFI 模块，属于物联网传输层，功能是将串口或 TTL 电平转为符合 WIFI 无线网络通信标准的嵌入式模块，内置无线网络协议6IEEE802.11b.g.n 协议以及 TCP/IP 协议。传统的硬件设备嵌入 WIFI 模块可以直接利用 WIFI 联入互联网，是实现无线智能家居、M2M 等物联网应用的重要组成部分。下图是 ESP8266WIFI 模块的正反面图，如图 3-2，3-3 所示。图 3-2 ESP8266WIFI 模块正面图 图 3-3 ESP8266WIFI 模块反面图ESP8266 是一款超低功耗的模块，拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和互联网的应用设计，可将用户的物理设备连接到 WIFI无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。ESP8266 可广泛应用于智能电网、智能交通、智能家具、手持设备、工业控制等领域。3.2.1 ESP8266WIFI 模块引脚功能下图是 ESP8266WIFI 模块的引脚图，如图 3-4 所示。图 3-4 ESP8266WIFI 模块引脚图下表是 ESP8266WIFI 模块引脚说明，如表 2 所示。表 2 ESP8266WIFI 模块引脚表PIN Function Description1 URXD 1）UART_RXD，接收；73.3 STC89C52RC 单片机单片机（Microcontrollers）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80 年代，由当时的 4 位、8 位单片机，发展到现在的 300M 的高速单片机。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、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 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。下图是 STC89C52RC 单片机的实物图，如图 3-5 所示。2）General Purpose Input/Output：GPIO3；2 UTXD1）UART_TXD，发送；2）General Purpose Input/Output：GPIO1；3）开机时禁止下拉；3 RESET（GPIO 16） 外部Reset信号，低电平复位，高电平工作（默认高） ；4 GND GND5 VCC 3.3V，模块供电；6 GPIO01）默认WIFI Status：WIFI工作状态指示灯控制信号；2）工作模式选择：悬空：Flash Boot，工作模式；下拉：UART Download，下载模式；7 CH_PD 1）高电平工作；2）低电平模块供电关掉；8 GPIO2 1）开机上电时必须为高电平，禁止硬件下拉；2）内部默认已拉高8图 3-5 STC89C52RC 单片机3.3.1 STC89C52RC 单片机引脚功能下图是 STC89C52RC 单片机的引脚功能图，如图 3-6 所示。图 3-6 STC89C52RC 引脚图1、VCC（40 引脚）：电源电压 VSS（20 引脚）：接地 P0 端口（P0.0P0.7，3932 引脚）：P0 口是一个漏极开路的 8 位双向 I/O 口。作为输出端口，每个引脚能驱动 8 个 TTL 负载，对端口 P0 写入“1”时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，P0 口也可以提供低 8 位地址和8 位数据的复用总线。此时，P0 口内部上拉电阻有效。在 Flash ROM 编程时，P0 端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。2、P1 端口（P1.0P1.7，18 引脚）：P1 口是一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P1 的输出缓冲器可驱动（吸收或者输出电流方式）4 个 TTL 输入。对端口写入 1 时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。P1 口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻， 那些被外部拉低的引脚会输出一个电流。