毕业设计-基于89C52单片机的WIFI智能小车设计.doc

四川信息职业技术学院 毕业设计说明书 设计题目:基于 89c52 单片机的 wifi 智能小车设计 专 业: 应用电子技术 班 级: 应电 10-1 学 号: 1036015 姓 名: 邹 君 指导教师: 陈运军 二一二年十二月三日 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 i 目 录 摘 要.1 第 1 章 论 述2 第 2 章 方案论证及选择.4 2.1 总体设计方案.4 2.1.1 整机系统.4 2.1.2 整机工作原理5 2.2 系统方案的选择与比较.5 第 3 章 硬件电路设计6 3.1 db120-wg 无线路由器6 3.1.1 刷机固件介绍6 3.1.2 刷机步骤.7 3.2 单片机最小系统设计9 3.2.1 主控制芯片 89c52.9 3.2.2 stc89c52rc 单片机最小系统11 3.2.3 89c52 单片机的使用13 3.3 电机驱动电路14 3.3.1 电机驱动模块使用14 3.3.2 驱动原理及电路图15 3.3.3 驱动模块原理及电路原理图.15 3.4 摄像头介绍16 3.4.1 摄像头简介.16 3.4.2 摄像头的分类.17 3.4.3 摄像头的工作原理17 3.4.4 摄像头的主要结构和组件.17 3.5 舵机.18 3.5.1 舵机的控制.18 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 ii 3.5.2 舵机的作用.19 3.6 电源模块.19 3.6.1 lm78 系列集成稳压芯片介绍19 3.6.2 稳压电路20 3.7 路由器及驱动模块供电模块 lm2596.20 3.7.1 lm2596 系列开关稳压集成电路的主要特性21 3.7.2 lm2596 构成的可调压电源模块21 3.8 灯光、蜂鸣器及电平转换电路设计.23 第 4 章 系统程序设计.24 4.1 系统程序简介24 4.2 程序流程图24 4.2.1 主程序流程图.24 4.2.2 串口中断子函数流程图25 4.2.3 定时器 2 中断子函数流程图.25 4.2.4 避障子函数流程图26 4.2.5 寻迹函数流程图.26 第 5 章 制作与调试.29 5.1 系统仿真.29 5.1.1 常用软件介绍.29 5.1.2 仿真测试30 5.2 实物调试.31 结 论32 参考文献33 附录 1 系统设计原理图.34 附录 2 元器件明细表.35 附录 3 源程序36 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 1 页 共 52 页 摘摘 要要 wifi 智能小车由电机、小车车体、89c52 控制芯片、wifi 收发模块、电机驱动、 舵机、电源、摄像头等主要部件以及灯光、蜂鸣器、电平转换等辅助模块构成。wifi 智能小车利用笔记本或手机等能连接无线路由器的终端智能设备连接到路由器，通过 应用软件显示路由器上摄像头上采集到的视频信号，再通过这些智能的终端设备发送 控制指令到无线路由器，通过无线路由器将指令传送给单片机进行处理。然后通过单 片机控制电机驱动驱动电机转动、舵机转动，从而实现控制小车的运动及视频采集。 关键词 路由器；wifi；智能小车；89c52 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 2 页 共 52 页 第 1 章 论 述 现在是一个智能化的时代，各种智能化设备正在逐步替代人为的操作。随着汽车 工业的迅速发展，关于智能汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电 子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。 设计的 wifi 智能小车能够实自动寻迹、避障功能，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 89c52 为控制核心， 利用超声波传感器检测道路上的障碍并测量小车与障碍之间的距离，小车通过红外传 感器能够的自动避障，通过改变 pwm 信号的占空比可以控制快慢速行驶，以及自动 停车，自动寻迹等功能。通过对本小车研究，我们可以初步构建智能汽车的模型与理 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公里，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。对于智能泊车系统，现在也已经进入了民用领域，很 多车型也装配了该系统，有了他，汽车用超声波传感器扫描路面两侧，通过比较停车 的空间和车辆的长度，自动寻找合适的停车位。找到合适位置后，驾驶者只需控制刹 车，车辆自动控制转向操作，即可将车停进停车位，并且液晶屏会有相应的显示。 本 设计选用的 89c52 单片机属于 mcs-51 系列单片机，由 intel 公司开发，其结构是 8048 的延伸，改进了 8048 的缺点，具有指针、布尔代数运算等指令，以及串行通信能力和 5 个中断源。采用 40 引脚双列直插式 dip。其内部有 128 个 ram 单元及 4k 的 rom。89c52 有两个 16 位定时计数器，两个外中断，三个定时计数中断，及一个串行 中断，并有 4 个 8 位并行输入口。89c52 内部有时钟电路，但需要石英晶体和微调电 容外接，本系统中采用 22.1184mhz 的晶振频率。由于 89c52 的系统性能满足系统数 据采集及时间精度的要求，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 能够实现自动循迹，自动避障，超声波测量距离。wifi 遥控的智能小车控制系统，包 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 3 页 共 52 页 括了对驱动电路，红外通讯以及无线视频通信等的探索和研究。本项目文主要从小车 设计方案的选取、硬件设计、软件设计、测试结果方面进行主要论述。我们在第 3 章 主讲单片机与路由器的设计，包括了单片机最小系统的电路设计对路由器进行刷机处 理；整个小车的一个供电电源的设计，需要通过电源给整个系统供 12v、8v、5v 等几 个电压；电机的驱动模块，详细的说明了电机驱动的原理，视频信号的采集；第 4 章 程序的设计给出了程序整体的流程图及编写思想；第 5 章调试简述整机的每个模块调 试及方法。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 4 页 共 52 页 第 2 章 方案论证及选择 2.1 总体设计方案 wifi 智能小车需要由 wifi 模块、电机驱动模块、核心控制模块、摄像头模块等 构成。 2.1.1 整机系统 如图 2-1 所示。 路由器模块 89c52 单片机 电机驱动模块 蜂鸣器电路 照明电路 摄像头 电脑控制终端 电机 图 2-1 系统结构框 图 项目系统包括路由器、单片机最小系统、电机驱动电路、电机、电平转换电路、 电源电路、舵机、摄像头、蜂鸣器电路、灯光电路等。 路由器用于接收电脑等终端设备发送的指令和将摄像头采集到的视频信号传送到 电脑等终端设备；单片机最小系统是整个小车的控制核心，控制着各个模块统一协调 工作；电机驱动电路用于驱动电机转动，可以使电机产生正转、反转，从而使车体产 生前进、后退、转弯等动作；电机的作用就是使整个车体运动；电平转换电路是将路 由器输出的 3.3v 串口电平转换为单片机能判断的高低电平；电源电路作用是为整个小 车系统共电；舵机制作成云台，然后装上摄像头，使摄像头可实现上下、水平方向 180 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 5 页 共 52 页 度旋转调节；摄像头用于采集视频信号；蜂鸣器电路用于报警提示；照明电路为小车 在夜间行驶提供照明。 2.1.2 整机工作原理 由电脑终端，通过 wifi 无线网络连接到路由器，再通过电脑应用软件，向路由器 发送控制命令及数据。路由器接收到数据后通过内部的串口发送软件，将接收到的命 令和数据，通过路由器串口发送到 89c52 单片机的串口端，单片机接收到这些命令后 执行相应的指令，如：驱动小车运动、舵机运动、蜂鸣器鸣叫、照明电路的开关等。 视频信号，通过摄像头采集之后通过路由器发送到电脑终端，并在其应用软件中 显示摄像头采集到的视频信号。 2.2 系统方案的选择与比较 方案一：选择网上已经经过改装过的 wifi 小车专用的 tplink wr703n 无线路 由器做为我们 wifi 小车的 wifi 连接模块，使用 msp430g2553 单片机作为 wifi 小车的 控制芯片。自己再够买元器件，自己搭接电源、驱动电路及单片机最小系统。 方案二：利用网上大家公认做 wifi 小车较好的大亚 db120-wg 无线路由器，作为我 们的 wifi 智能小车的 wifi 连接模块，使用我们教学用的 51 系列单片机 89c52 做为我 们 wifi 智能小车的控制芯片。利用手里面现有的一些电源、驱动等模块等制作我们的 wifi 智能小车。 方案选择：基于我们对成本和制作性的考虑我们选取的是方案二。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 6 页 共 52 页 第 3 章 硬件电路设计 3.1 db120-wg 无线路由器 路由器如图 3-1： 路由器内部如图 3-2 所示。 3.1.1 刷机固件介绍 固件 wifi-robots-openwrt-rg100a_db120-cfe 固件说明： 1、ser2net 已设置开机启动 图 3-1 db120-wg 路由 器 图 3-2 路由器内部结构图 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 7 页 共 52 页 2、mjpg_streamer 开机启动。摄像头只有 2 种驱动，uvc 和 301，目前开机 mjpg_streamer 缺省启动了 301 摄像头，301 摄像头无需设置直接跳到第 3 步，uvc 需要 修改下即可 ssh 登陆后，vi etc/init.d/wificar，找到摄 301 像头参数 mjpg_streamer -b -i “input_uvc.so -r 640x480 -f 30“ -o “output_http.so -p 8080 -w /web“修改为 uvc 参数 mjpg_streamer -b -i “input_uvc.so -r 352x288 -f 15 -y“ -o “output_http.so -p 8080 -w /web“ 然后在 putty 命令行下输入 chmod 777 /etc/init.d/wifirobot 更改属性输入/etc/init.d/wificar enable 启动该配置文件 重启路由器，301 摄像头设置完成。 3、支持 luci/web 管理,错误设置后不能进入的，可以长按复位键 回初始模式 4、网络设置，目前是 ap 模式，ip:。 3.1.2 刷机步骤 1、网线连接电脑和路由器的 lan1（靠近电源那个网口，升级只能使用此口，有 的版本丝印不是 lan1，反正记住靠近电源的那个口即可） ，电脑 ip 设置为 69/，；设置完成点击网络邻居，选择属性，选择升 级用的有线网口，右键点修复。 2、用 usb ttl 线接好路由的 gnd、rxd、txd 三条线（vcc 电源千万别接， 会烧路由） ，打开 putty，选好端口号，端口号请查看电脑设备管理器，设置波特率为 115200，点击下面的 open。 3、路由器通电，接线且设置正确的话，putty 窗口应该出现路由器的信息，在通 电 3 秒内，按下键盘的回车键，阻止路由器 cfe 启动，这时候应出现 cfe。 4、输入小写 e a，e a 之间有个回车键，然后再按下 y，点击回车，路由器开始擦 除清除原系统固件。清除之后，路由会持续输出很多命令行，且不会停止，我们不用 管，关掉路由电源。 5、重新打开路由电源，和第四步一样，通电 3 秒内按下回车键阻止 cfe 继续启 动打开浏览器，输入 ，应看到上传固件的的选择文件，putty 窗口也会出现 路由器升级进度信息，此时千万不要断电，理论上此时断电会刷坏路由器，升级完成 后，耐心等待 5 分钟，路由器会自动重启。 6、等待路由启动后，等待几分钟再次重启一次路由，打开网页 ，输入 密码登陆进入路由器的设置，将路由器的无线网络开启，只有这样电脑等终端设备才 能通过 wifi 信号和路由器连接。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 8 页 共 52 页 7、用 putty 登陆路由，转到/etc/init.d/目录，可以看到一个 ser2net.conf 文件，打开 它可以看到路由串口的配置信息，默认配置的波特率是 9600,8 位数据位，1 位停止位， 无校验位。完成之后需要设定 mjpg-streamer 和 ser2net 随机启动，不然没法正常工作。 8、由于我使用的摄像头是 301 芯片的，在电脑上显示会花屏，所以还需要对脚本 进行修改，其操作步骤如下： 具体步骤： a、登陆路由器：telnet (ip 地址根据你的路由器实际地址而定)。 b、编辑脚本/etc/init.d/wificar：# vi /etc/init.d/wificar （在 start=80 后面增加一 行 killall mjpg_streamer，修改后的脚本看下面内容。 ） #!/bin/sh /etc/mon start=80 killall mjpg_streamer start() mjpg_streamer -b -i “input_uvc.so -r 640x480 -f 15“ -o “output_http.so p 8080 -w /web“ # mjpg_streamer -b -i “input_uvc.so -r 352x288 -f 15 -y“ -o “output_http. so -p 8080 -w /web“ ser2net stop() killall mjpg_streamer killall ser2net c、保险起见，修改 wificar 脚本权限。 # chmod -777 d、重启路由器。 # sync；sync；reboot 9、插上 301 芯片的摄像头，在电脑上打开我们的一个 wifi 小车的控制界面软件， 选择 wifi 控制模式，然后打开视频，这时我们可以看到一个稳定视频信号通过路由器 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 9 页 共 52 页 无线传送到了我们的电脑终端，至此说明我们路由器刷机及其配置完成。 3.2 单片机最小系统设计 最小系统主控芯片是宏晶公司 mcs-51 系列单片机中的 89c52。 3.2.1 主控制芯片 89c52 89c52 是宏晶公司 mcs-51 系列单片机中基本的产品，它采用etc 公司可靠 的 chmos 工艺技术制造的高性能 8 位单片机，属于标准的 mcs-51 的 hcmos 产品。它结合了 hmos 的高速和高密度技术及 chmos 的低功耗特征，它基于标 准的 mcs-51 单片机体系结构和指令系统，属于80c51 增强型单片机版本，集成 了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。 89c52 内置 8 位中央处理单元 、256 字节内部数据存储器 ram、8k 片内程序存储 器（rom）32 个双向输入/输出(i/o)口、3 个 16 位定时/计数器和 5 个两级中断结 构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89c52 还可工作于低功 耗模式，可通过两种 软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结cpu 而 ram 定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存ram 数据，时钟振 荡停止，同时停止芯片内其它功能。 89c52 有 pdip(40pin)和 plcc(44pin)两种封 装形式。 主要功能特性 ： 1、标准 mcs-51 内核和指令系统。2 、32 个双向 i/o 口。3、3 个 16 位可编程定 时/计数器。4、向上或向下定时计数器。5、6 个中断源。6、全双工串行通信口。7、 帧错误侦测。8、自动地址识别。9、空闲和掉电节省模式。10、片内 8krom（可 扩充 64kb 外部存储器） 。11、256x8bit 内部 ram（可扩充 64kb 外部存储器） 。12、时 钟频率 3.5-12/24/33mhz。13、改进型快速编程脉冲算法。14、5.0v 工作电压。15、布 尔处理器。16、4 层优先级中断结构。17、兼容 ttl 和 cmos 逻辑电平。 18、pdip(40)和 plcc(44)封装形式。 管脚说明： vcc：供电电压。 gnd：接地。 p0 口：p0 口为一个 8 位漏级开路双向 i/o 口，每脚可吸收 8ttl 门电流。当 p1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为 高阻输入。p0 能够用于外部程序数据存储器， 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 10 页 共 52 页 它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 fiash 编程时，p0 口作为原码输入口， 当 fiash 进行校验时， p0 输出原码，此时 p0 外部必须被拉高。 p1 口：p1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 口缓冲器能接 收输出 4ttl 门电流。p1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， p1 口 被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash 编 程和校验时， p1 口作为第八位地址接收。 p2 口：p2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 口缓冲器可接收，输 出 4 个 ttl 门电流，当 p2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输 入。并因此作为输入时， p2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上 拉的缘故。 p2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， p2 口输出地址的高八位。在给出地址 “1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位 地址数据存储器进行读写时， p2 口输出其特殊功能寄存器的内容。 p2 口在 flash 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p3 口：p3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 i/o 口，可接收输出 4 个 ttl 门电流。当 p3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输 入，由于外部下拉为低电平， p3 口将输出电流（ ill）这是由于上拉的缘故。 p3 口作为 stc89c52 的一些特殊功能口，管脚备选功能 ： p3.0 rxd（串行输入口） p3.1 txd（串行输出口） p3.2 /int0（外部中断 0） p3.3 /int1（外部中断 1） p3.4 t0（记时器 0 外部输入） p3.5 t1（记时器 1 外部输入） p3.6 /wr（外部数据存储器写选通） p3.7 /rd（外部数据存储器读选通） rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst 脚两个机器周期的高电 平时间。 ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的 地位字节。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 11 页 共 52 页 在 flash 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， ale 端以不变的 频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出 的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一 个 ale 脉冲。如想禁止 ale 的输出可在 sfr8eh 地址上置 0。此时， ale 只有 在执行 movx，movc 指令是 ale 才起用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处 理器在外部执行状态 ale 禁止，置位无效。 /psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机 器周期两/psen 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /psen 信号将 不出现。 /ea / vpp：当/ea 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000h- ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1 时，/ea 将内部锁定为 reset；当/ea 端保持高电平时，此间内部程序存储器。 在 flash 编程期间，此 引脚也用于施 加 12v 编程电源（ vpp）。 xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2：来自反向振荡器的输出。 振荡电路： 外接石英晶体或者陶瓷谐振器以及电容c1、c2 接在放大器的反馈回路中构成 并联振荡电路。为了使装置能够被外部 时钟信号激活，xatl1 应该有效，而 xtal2 应该被悬空。由于输入到内部的时钟信号电路通过了一个二分频的信号，外 部信号的工作周期比没有别的要求，但是最大值和最小值的大小可以在数据表上观 察出来。 当正常工作时，外部振荡器可以计算出xtal1 上的电容，最大可达到 100pf。这是由于振荡器电容和反馈电容之间的相互作用。当外部信号是标准高电 平或者低电平时，电容不会超过 20pf。 空置模式： 用户的软件都可以调用空置模式。当单片机出于这种模式，耗能就会自然降低。 特殊功能端和板子上的随机存储器在空置状态保持各自的电平。但是处理器阻止装 置执行指令。空置模式会被激活如果端口处于复位状态或者中断系统有效。 3.2.2 stc89c52rc 单片机最小系统 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 12 页 共 52 页 stc89c52rc 单片机最小系统的基本工作电路包括电源电路、时钟电路和复位电 路。其组成方框图如图 3-3 所示。 单 片 机 电源电路 时钟电路 复位电路 图 3-3 单片机最小系统组成方框图 1电源电路 电源电路模块为单片机最小系统和其他功能模块提供标准的+5v 电源电压。 2时钟电路 单片机的时钟信号为单片机芯片内部的各种操作提供时间基准，时钟电路为单片 机产生时钟脉冲序列。作为单片机工作的时间基准，典型的晶体振荡频率为 12mhz。 mcs-51 系列单片的时钟信号可以由两种方式产生：一种为内部时钟方式，利用芯 片内部的振荡电路；另一种为外部时钟方式。其两种电路如图 3-4 所示。 （a）内部时钟方式 （b）外部时钟方式 图 3-4 单片机时钟信号示意图 3复位电路 单片机复位是使 cpu 和系统中的其他功能部件都恢复到一个确定的初始状态，并 从这个状态开始工作。当在 mcs-51 系列单片的 rst 引脚处引入高电平并保持 2 个机 器周期，单片机内部就执行复位操作。单片机常见的复位电路有两种基本形式：一种 是上自动电复位，另一种是手动复位。其两种电路方式如图 3-5（a） 、 （b）所示。 由于 stc89c52rc 单片机芯片内有时钟振荡电路，所以此系统单片机均采用内部 时钟方式。只需在单片机的 xtal1 和 xtal2 引脚外接石英晶体和微调电容，就构成 了自激振荡器并在单片机内部产生时钟信号脉冲信号。同时，也采用手动复位电路。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 13 页 共 52 页 其具体电路设计如图 3-6 所示。 （a）上电自动复位 （b）手动复位 图 3-5 单片机复位电路示意图 在此图中，c1、c2 电容的作用的是稳定频率和快速起振，其值为 530pf，在此 选择 30pf；晶振 x1 的振荡频率范围在 3.533mhz 之间选择，因为需要使用串通讯涉 及波特率，所以在此选择 22.1184mhz。 3.2.3 89c52 单片机的使用 本次设计，使用到了 89c52 单片机的 i/o 口的输入输出功能、内部定时器 t0、t1、t2 的使用及串口中断、外部中断。 p1.0/t2 1 p1.1/t2ex 2 p1.2/eci 3 p1.3/cex0 4 p1.4/cex1 5 p1.5/cex2 6 p1.6/cex3 7 p1.7/cex4 8 rst 9 p3.0/rxd 10 p3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p3.5/t1 15 p3.6/wr 16 p3.7/rd 17 xtal2 18 xtal1 19 vss 20 p2.0/a8 21 p2.1/a9 22 p2.2/a10 23 p2.3/a11 24 p2.4/a12 25 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 p2.7/a15 28 psen 29 ale/prog 30 ea/vpp 31 p0.7/ad7 32 p0.6/ad6 33 p0.5/ad5 34 p0.4/ad4 35 p0.3/ad3 36 p0.2/ad2 37 p0.1/ad1 38 p0.0/ad0 39 vcc 40 u2 stc12c5a60s2 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 10k rp2 res pack4 vcc d0 d1 d2 d3 d4 d5 gnd d6 d7 tx rx 12 y1 12m 30pf c1 cap 30pf c2 cap 1k r8 res2 220 r6 res2 22uf c5 cap s2 sw-pb vcc gnd gnd 图 3-6 单片机最小系统电路图 89c52 单片机的 i/o 口的输入功能用于传感器信号的输入处理。通过单片机对外 部传感器的信号采集处理，从而对外部条件进行判断以确定小车下一步的运行状态。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 14 页 共 52 页 89c52 单片机的 i/o 口信号输出，主要是给驱动模块送控制信号用于控制电机的 转动、给舵机送 pwm 控制信号控制舵机的偏转以及控制开关蜂鸣器、灯光等。单片 机的内部定时器的使用是用于产生 pwm 信号，以及其他需要精确时间的地方。单片 机的串口中断，用于与路由器进行的串口通讯，接收电脑终端发送的串口指令。单片 机的外部中断用于红外信号的接收，然后通过解码程序得到命令，从而控制小车的运 动。 3.3 电机驱动电路 电动小车的驱动不但要求电机驱动系统具有高转矩重量比、宽调速范围、高可靠 性，而且电机的转矩-转速特性受电源功率的影响，这就要求驱动具有尽可能宽的高效 率区。 我们所使用的电机一般为直流电机，主要用到永磁直流电机、伺服电机及步进电 机三种。直流电机的控制很简单，性能出众，直流电源也容易实现。 我们使用的这种直流电机的驱动及控制需要电机驱动芯片进行驱动。常用的电机 驱动芯片有 l297/298，mc33886，ml4428 等。 3.3.1 电机驱动模块使用 我们使用的 l298n 是 st 公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片 采用 15 脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达 46v；输出电流大，瞬 间峰值电流可达 3a，持续工作电流为 2a；额定功率 25w。内含两个 h 桥的高电压大 电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载； 采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允 许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可 以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用 l298n 芯片驱动电机，该芯片可以 驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。项目使用的是 4 个直流电机，项目中使用了两块 l298n 电机驱动来驱动这四个直流电机的转动。 其实物及引脚图如下图 3-7 所示。 其中 6 和 11 引脚是它的使能端，一个使能端控制一个电机，只有当它们都是高电 平的时候两个电机才有可能工作，5、7、10、12 是 298 的信号输入端和单片机的 io 口相连，2、3、13、14 脚是输出端，输入 5 和 7 脚控制输出 2 和 3 脚，输入的 10、12 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 15 页 共 52 页 脚控制输出的 13、14 脚。 3.3.2 驱动原理及电路图 驱动部分我们使用的是 l298n 驱动芯片构成的一个驱动电路模块如图 3-8 所示。 3.3.3 驱动模块原理及电路原理图 电路原理图如下图 3-9 所示。 图 3-7 l298 驱动芯片实物及引脚图 图 3-8 驱动实物图 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 16 页 共 52 页 in1 5 in2 7 in3 10 in4 12 ena 6 enb 11 vss 9 gnd 8 vs 4 out1 2 out2 3 out3 13 out4 14 isena 1 isenb 15 l298n j3 r14 1k r13 1k r12 1k r11 1k r15 1k r16 1k r17 1k r18 1k c15 100uf c16 104d7 in4007 d11 in4007 d8 in4007 d12 in4007 d9 in4007 d13 in4007 d10 in4007 d14 in4007 c18 104 c17 100uf 1 2 3 4 j5 out 1 2 3 j1 v +5v +5v+9v +5v +9v +5v 1 2 3 4 j4 in a1 1 k1 2 a2 3 k2 4 a3 5 k3 6 a4 7 k4 8 e4 9 c4 10 e3 11 c3 12 e2 13 c2 14 e1 15 c1 16 j2 guanguo 使用直流/步进两用驱动器可以驱动两台直流电机。分别为 m1 和 m2。引脚 a，b 可用于输入 pwm 脉宽调制信号对电机进行调速控制。 （如果无须调速可将两引脚接 5v，使电机工作在最高速状态，既将短接帽短接）实现电机正反转就更容易了，输入 信号端 in1 接高电平输入端 in2 接低电平，电机 m1 正转。 （如果信号端 in1 接低电平， in2 接高电平，电机 m1 反转。 ）控制另一台电机是同样的方式，输入信号端 in3 接高 电平，输入端 in4 接低电平，电机 m2 正转。 （反之则反转） ，pwm 信号端 a 控制 m1 调速，pwm 信号端 b 控制 m2 调速。 可参考下图表 3-1。 输入 pwm 信号 改变脉宽可调速 电机旋转方式 控制端 in1 控制端 in2 控制端 in3 控制端 in4 调速 端 a 调速端 b 正转高低/高/ 反转低高/高/m1 停止低低/高/ 正转/高低/高 反转/低高/高m2 停止低低/高 3.4 摄像头介绍 本项目中摄像头实现实时监测小车周边情况，使之成为一个无线可控移动的视频 监控器，也用于判断小车当前路况。 3.4.1 摄像头简介 表 3-1 电机驱动状态表 图 3-9 l298 驱动模块电路原理 图 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 17 页 共 52 页 摄像头(camera)又称为电脑相机、电脑眼等，它作为一种视频输入设备，在过 去被广泛的运用于视频会议、远程医疗及实时监控等方面。近年以来，随着互联网技 术的发展，网络速度的不断提高，再加上感光成像器件技术的成熟并大量用于摄像头 的制造上，这使得它的价格降到普通人可以承受的区间。普通的人也可以彼此通过摄 像头在网络进行有影像、有声音的交谈和沟通，另外，人们还可以将其用于当前各种 流行的数码影像、影音处理。 3.4.2 摄像头的分类 摄像头分为数字摄像头和模拟摄像头两大类。模拟摄像头可以将视频采集设备产 生的模拟视频信号转换成数字信号，进而将其储存在计算机里。模拟摄像头捕捉到的 视频信号必须经过特定的视频捕捉卡将模拟信号转换成数字模式，并加以压缩后才可 以转换到计算机上运用。数字摄像头可以直接捕捉影像，然后通过串、并口或者 usb 接口传到计算机里。现在电脑市场上的摄像头基本以数字摄像头为主，而数字摄像头 中又以使用新型数据传输接口的 usb 数字摄像头为主，目前市场上可见的大部分都是 这种产品。除此之外还有一种与视频采集卡配合使用的产品，但目前还不是主流。由 于个人电脑的迅速普及，模拟摄像头的整体成本较高等原因，usb 接口的传输速度远 远高于串口、并口的速度，因此现在市场热点主要是 usb 接口的数字摄像头。以下主 要是指 usb 接口的数字摄像头。 3.4.3 摄像头的工作原理 摄像头的工作原理大致为：景物通过镜头(lens)生成的光学图像投射到图像传感 器表面上，然后转为电信号，经过 a/d(模数转换)转换后变为数字图像信号，再送到数 字信号处理芯片(dsp)中加工处理，再通过 usb 接口传输到电脑中处理，通过显示器 就可以看到图像了。我们这里是将摄像头连接在路由器的 usb 接口上，通过路由器上 的摄像头驱动软件使摄像头工作，并由路由器通过 wifi 将视频信号发送出去。电脑等 终端接收设备，接收到视频信号后通过控制软件的界面显示图像。 3.4.4 摄像头的主要结构和组件 从摄像头的工作原理就可以列出摄像头的主要结构和组件：1、主控芯片（详情请 参阅下面介绍）2、感光芯片（详情请参阅下面介绍）3、镜头（详情请参阅下面介绍） 4、电源。摄像头内部需要两种工作电压：3.3v 和 2.5v，因此好的摄像头内部电源也 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 18 页 共 52 页 是保证摄像头稳定工作的一个因素。 在本次 wifi 小车的制作中我们使用的天敏 s606 的摄像头，如图 3-10 所示。 3.5 舵机 舵机如图 3-11 所示。 舵机的输入线共有三条，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这辆根线给 舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有两种规格，一是 4.8v， 一是 6.0v，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，6.0v 对应的要大一些，具体 看应用条件；另外一根线是控制信号线，futaba 的一般为白色，jr 的一般为桔黄色。 另外要注意一点，sanwa 的某些型号的舵机引线电源线在边上而不是中间，需要辨 认。但记住红色为电源，黑色为地线，一般不会有错。 3.5.1 舵机的控制 舵机的控制信号为周期是 20ms 的脉宽调制（pwm）信号，其中脉冲宽度从 0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为 0180 度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定 的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到 给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机 内部有一个基准电路，产生周期 20ms，宽度 1.5ms 的基准信号，有一个比较器，将外 图 3-11 舵机 图 3-10 天敏 s606 摄像头 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 19 页 共 52 页 加的 pwm 信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。 由此可见，舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围不能超过 180 度，适用于那些需 要角度不断变化并可以保持的驱动当中。比方说机器人的关节、飞机的舵面等。 3.5.2 舵机的作用 在本次 wifi 小车中我们利用两个舵机做成一个云台（如图 3-12） ，将摄像头固定在 云台上，通过 89c52 单片机控制舵机旋转一定的角度，把我们想要角度的图像通过摄 像头传送到电脑等终端设备。 3.6 电源模块 单片机和舵机需要分别单独供 5v、6v 的电源。本项目采用的是通过集成稳压芯 片 lm78xx 系列构成一个 5v、6v 的稳压模块供电。 lm78 系列引脚及实物图如图 3-13 所示。 3.6.1 lm78 系列集成稳压芯片介绍 电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的 78系列和负电压输出的 79系列。顾名思义，三端 ic 是指这种稳压用的 eic 来组成稳压电源所需的外围元件 极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价 格便宜。该系列集成稳压 ic 型号中的 78 或 79 后面的数字代表该三端集成稳压电路的 输出电压，如 7806 表示输出电压为正 6v，7909 表示输出电压为负 9v。因为三端固定 集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。 图 3-12 舵机云台 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 20 页 共 52 页 在实际应用中，应在 eqwewqw 三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当 然小功率的条件下不用） 。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。 当制作中需要一个能输出 1.5a 以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路 并联起来，使其最大输出电流为 n 个 1.5a，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电 路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一 定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。 3.6.2 稳压电路 78 稳压电路原理图如图 3-14 所示。 2k r1 res3 d1 led0 104 c3 cap 104 c4 cap 104 c7 cap 104 c8 cap 470u c1 470u c2 cap pol3 470u c5 cap pol3 470u c6 cap pol3 vinvout gnd vr1 7805 vinvout gnd vr2 7806 1 2 p1 header 2h 1 2 p2 header 2h 1 2 p3 header 2h 这是一个输出正 5v、6v 直流电压的稳压电源电路。ic 采用集成稳压器 7805、7806，其中电容分别为输入端和输出端滤波，led 和电阻 r1 构成一个电源指 示电路，具体参数如图 3-14 所示。当输出电较大时，7805 应配上散热板。 3.7 路由器及驱动模块供电模块 lm2596 路由器需要一个 12v/1a 的电源；电机驱动需要一个 8v 左右的电源。我们这 图 3-13 lm78 系列稳压引脚及实物 图 3-14 7805、06 集成芯片稳压电路原理 图 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 21 页 共 52 页 里分别使用了两个可调压的 lm2596 电源模块分别调节到想要的电压为路由器和电 机驱动供电。 lm2596 系列是美国国家半导体公司生产的 3a电流输出降压开关型集成稳压芯 片，它内含固定频率振荡器（ 150khz） ，和基准稳压器（ 1.23v） ，并具有完善的 保护电路：电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效 稳压电路。提供有： 3.3v、5v、12v 及可调（-adj）等多个电压档次产品。 此外，该芯片还提供了工作状态的外部控制引脚。 图 3-15 为 lm2596 芯片实物以及引脚示意图。 1 为+vin，2 为 out put，3 为 gnd，4 为 feed back，5 为 on/off。 3.7.1 lm2596 系列开关稳压集成电路的主要特性 1、最大输出电流： 3a 2、最高输入电压： 37v 3、输出电压： 3.3v、5v、12v 及（adj）等，最大输出电压 37v 4、震荡频率： 150khz 5、转换效率： 75%88%（不同电压输出时的转换效率不同） 6、工作温度范围：-40+125 7、工作模式：低功耗 /正常两种模式。可外部控制 8、工作模式控制： ttl电平相容 9、所需外部组件：仅四个（不可调） ；六个（可调） 10、器件保护：热关断及电流限制 11、封装形式： 5 脚（to-220(t)；to-263(s) 3.7.2 lm2596 构成的可调压电源模块 开关电源调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出 3a 的驱动电流，同时 具有很好的线性和负载调节特性。可调节输出小于 37v 的各种电压。 该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为 150khz,与低频开关调 节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需 4 个外接器件，可以使 用通 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 22 页 共 52 页 用的标准电感，这更优化了 lm2596 的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。 其中， 。 21 3 (1),outref rr vv r 1.23refvv 213(1) out ref v rrr v 2 3 1 31 10 ffc r 由于路由器耗电较大需要供 12v/1a 的电，我们通过调节 lm2596 的开关电源模块 电路为路由器供 12v/1a 的电源以及给耗电较大的电机供电。其电路图 3-16 所示。 可调压 lm2596 电路原理图如图 3-16 所示。 图 3-15 lm2596 实物及引脚图 图 3-16 lm2596 构成的 可调压电源模块电路图 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 23 页 共 52 页 3.8 灯光、蜂鸣器及电平转换电路设计 灯光、蜂鸣器及电平转换电路都是通过三极管的开关作用实现的，如图 3-17、3- 18、3-19 所示。 灯光电路和蜂鸣器电路都是通过单片机引脚输出高低电平到三极管的基极，使三 极管导通或截止，从而控制 led 的点亮熄灭，控制蜂鸣器的鸣叫。其中灯光电路中的 电阻用于限流保护发光二极管。 电平转换电路中将 5v 转化为 3v 是通过滑动电阻器降压实现的，将 3v 转换为 5v 是通过 3v 的信号控制三极管的截止，导通进行控制从而使三级管的发射极对应输出高 低电平用于输入单片机进行处理。 q3 2n3904 dengguang d1 led0 d2 led0 d3 led0 gnd 1k r1 res1 vcc mk1 mic1 1k r5 res2 q4 2n3904 vcc gnd 34 q2 2n3906 1 2 3 p1 header 3 20k r3 rpot 1k r2 res1 vcc gnd 31 30 图 3-17 灯光控制电路图 3-18 蜂鸣器控制电 路 图 3-19 电平转换电路 四川信息职业技术学院毕业设计说明书 第 24 页 共 52 页 第 4 章 系统程序设计 4.1 系统程序简介 硬件平台结构一旦确定，大的功能框架即形成，软件在硬件平台上构筑，完成各 部分硬件的控制和协调工作。系统功能是由软硬件共同实现的，由于软件的可伸缩性， 最终实现的系统功能可强可弱，差别可能很大。因此，软件是系统的灵魂。软件采用 模块化设计方法，不仅易于编程和调试，也可减小软件故障率和提高软件的可靠性。 我们的小车控制是通过 89c52 单片机控制驱动电路和给舵机送控制信号，然而这 些控制信号的命令又是电脑等终端设备通过无线路由器串口传送给单片机的，所以在 程序中我们需要设计到串口的使用、定时器使用、i/o 口的使用。 4.2 程序流程图 智能 wifi 小车的软件编写主要分为命令接收部分、命令执行部分、以及具体的信