毕业设计（论文）-基于AVR的遥控小车的设计(完整).doc

惠州学院HUIZHOU UNIVERSITY毕 业 论 文（设 计）中文题目：基于AVR的遥控小车的设计英文题目：The Hardware Design of Remote Car Based On AVR姓 名_学 号_专业班级_ _指导教师_提交日期_摘要本设计采用2片AVR 单片机ATmega16与RFm12b无线模块 构成主从式的控制系统，双机采用无线串行通信。遥控部分采用 深圳市惠贻华普电子有限公司 生产的FSK 无线模块 rfm12b （433mhz），提高控制的可靠性；同时，在遥控发射端加入了编码算法原理，提高了数据的有效性。控制部分用的是AVR 单片机ATmega16，高性能、低功耗的 8位 AVR 微处理器。采用L298N电机驱动芯片内含的二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，驱动两个普通直流电机对小车的前进，转向进行精确的控制。此外，采用两个LED发光二极管和1602液晶显示行进的方向以及小车的各种状态。本次设计基于完备的软硬件系统，很好的实现了小车遥控、任意曲线行驶，里程统计并发出指示信息等功能。关键词：单片机；无线遥控；电机驱动；AbstractTwo AVR microcontroller ATmega16 and RFm12b wireless module were used in this design in order to form a master-slave control system. Dual use wireless serial communication. The part of remote control use the FSK wireless the module rfm12b (433mhz) which produce by Shenzhen Hui Yi Maple Electronics Co., Ltd. Because it can let the data have higher reliability. The same time, the remote control transmitter to join the principle of the encoding algorithm to improve the validity of data. The control part is avr microcontroller ATmega16 which have high-performance, low-power. The program uses the L298N Motor Driver IC. It contains two H-bridge high-voltage and high current queen-bridge driver, drive the car forward of two ordinary DC motor, steering for precise control. In addition, two LED light-emitting diodes and 1602 LCD display the direction of the road and the cars various states. The design is based on a complete hardware and software systems. So some function achieve perfectly, such as car remote control, any curve of travel, mileage statistics.Key word: Single-chip； Driving motor； Wireless remote control目录1、前言11.1、本课题研究的背景11.2、无线控制系统的分类及区别21.3、本课题研究的主要内容31.3.1无线信息的交换31.3.2无线信息的编码与解码31.3.3信号的处理与控制41.3.4信息显示41.3.5电机功率控制41.3.6多动作控制42、无线遥控小车的硬件设计与调试52.1、设计的总体方案及框图52.2、主要硬件模块的介绍62.2.1 主控芯片Atmega1662.2.2无线收发模块 RFM1292.2.3电机驱动芯片L298N122.2.4 H桥驱动原理162.3、无线发射电路与接收电路的设计与制作192.4、硬件调试的步骤212.5、硬件调试存在的问题以及解决方案242.6、硬件调试的心得与体会243、设计总结25致谢26参考文献27附录A系统硬件电路图28附录A1 无线遥控与接收部分PCB板28附录A2 无线发射电路图28附录A3 无线接收电路图29附录B程序清单30附录B1遥控接收部分程序清单30附录B2 无线发射部分程序清单37附录C 小车实物图46基于啊AVR单片机和RFM12B无线模块的遥控小车（硬件）1、前言1.1、 本课题研究的背景单片机以其强大的控制能力已经被广泛应用于诸多领域，配以各种接口传感器可以实现系统的智能化。无论是在工业控制领域、医疗卫生领域、还是在国防军事领域、航天航空领域，微控制器都起着举足轻重的作用。从最初的8位控制器到现在的16位、32位控制器都还有很大的发展和应用空间。“无线遥控wireless remote control”顾名思义，就是一种用来远程控制机器的装置。现代的遥控器，主要是由集成电路电板和用来产生不用讯息的按钮锁组成。无线遥控小车是上世纪提出的一种新型小车，由于在军事侦察、反恐、防暴、防核化及污染等危险与恶劣环境作业中有着广阔的应用前景，使其成为一个重要的研究热点。无线技术在智能家居方面应用更加的广泛，基于fsk无线方式通信，性能稳定，有很好的应用前景。工业无线遥控小车起源于美国。由于政府对无线遥控小车研发的资助以及相关技术的推动作用，日本、美国、德国等工业大国在智能无线遥控小车技术上占据着明显优势，新近崛起的韩国在无线遥控小车研发方面也逐渐走向前沿。我国的无线遥控小车研究开发工作始于2 0世纪70年代末，在国家“863”、“973”、“九五攻关”等高技术发展计划的重点支持下，取得了重大发展。从上世纪80年代开始，国内已开始大范围地进行有关无线遥控小车的研究。经过20多年的发展，国内在应用、研究方面已经发展得比较好。但是，跟发达国家相比，还存在一定的差距。以清华大学、上海交通大学，中国科学院等科研院所为代表，重点对无线遥控小车基础技术进行研究，诸如无线遥控小车机构的运动学、动力学分析与综合，无线遥控小车运动的控制算法，多传感器控制系统，遥控操作技术等均取得长足进展；大批专业生产无线遥控小车以及自动化设备的公司相继成立，推动了无线遥控小车技术的产业化进程；从应用方面来说，差距会相对大一些。像日本，无线遥控小车技术的应用非常广泛，一般的工厂已经用无线遥控小车进行生产。而在国内，一般的工厂还不是用得很多，只有比较先进的工厂或者是外资企业使用无线遥控小车；从研究的角度来说，差距较应用方面小一些。国际上目前研究的课题，国内的研究人员也有涉及，甚至在某些方面还比国外超前。国外无线遥控小车领域发展近几年有如下几个趋势：工业无线遥控小车性能不断提高高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修，而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元；机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造无线遥控小车整机；国外已有模块化装配无线遥控小车产品问市；工业无线遥控小车控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制器日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维护性；无线遥控小车中的传感器的作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接无线遥控小车还应用了视觉、力觉等传感器，而无线遥控小车则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用；虚拟现实技术在无线遥控小车中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使无线遥控小车操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵无线遥控小车。因此，我们借此单片机课程设计机会，深深体会无线电的实用价值，初步了解 并研究单片机无线遥控原理，从简单的遥控小车开始，设计一个完整的遥控系统，以对日后的学习研究中做一个很好的基础与铺垫。1.2、 无线控制系统的分类及区别红外遥控系统 红外遥控器（IR Remote Control）是利用波长为 0.761.5m 之间的近红外线来传送控制信号的遥控设备。 特点：不影响周边环境、不干扰其他其他电器设备。由于其无法穿透墙壁，故不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会产生相互干扰；电路调试简单，只要按给定电路连接无误，一般不需要任何调试即可投入工作；编解码容易，可进行多路遥控。因此，现在红外遥控在家用电器、室内近距离（小于 10 米）遥控中得到了广泛的应用。无线遥控系统 无线电遥控器（RF Remote Control）是利用无线电信号对远方的各种机构进行控制的遥控设备。这些信号被远方的接收设备接收后，可以指令或驱动其他各种相应的机械或者电子设备，去完成各种操作，如闭合电路、移动手柄、开动电机、之后再由这些机械进行需要的操作。作为一种与红外遥控器相补充的遥控控制器种类，在车库门、电动门、道闸遥控控制、防盗报警器、工业控制以及无线智能家居领域得到了广泛的应用无线遥控器和红外遥控器的区别 红外遥控器和无线遥控器是对不同的载波来说的，红外遥控器是用红外线来传送控制信号的，它的特点是有方向性，不能有阻挡；无线遥控器是用无线电波来传送控制的信号的，它的特点是无方向性，可以不面对面控制，距离远（可达数十米，甚至数公里），容易受电磁干扰，在需要远距离穿透或者无方向性控制领域，比如工业控制等等，使用无线电遥控器较易解决。1.3、 本课题研究的主要内容根据题目要求，本设计需要完成的以下几项功能：（1）无线信息的交换；（2）无线信息的编码与解码；（3）信号的处理与控制；（4）信息显示；（5）电机功率控制；（6）多动作控制。另外，在设计过程中又扩展了一些功能，比led显示等。1.3.1无线信息的交换 本设计核心内容是无线信号的发射与接收，由发射机发出信号，接收机接收信号，接收机对信号进行一些处理，达到稳定接收处理的效果，加进纠错算法，达到减少无线传输错误的目的，1.3.2无线信息的编码与解码 接收机收到信息后，对其进行处理，通过控制AVR单片机的引脚，控制电机驱动模块，分别控制两个电机，达到前进，后退，左转，右转等动作1.3.3信号的处理与控制 在看控制的时候，遥控器可以收到小车反馈回来的状态，例如方向。1.3.4信息显示 为方便调试以及控制，用1602液晶，LED发光二极管来显示发射接收的数据，控制的数据，车子的状态等信息，达到实时调试，精确控制，信息收集等功能，为后其扩展做准备。1.3.5电机功率控制 由于单片机引脚的驱动能力不强，所以要用专用的电机驱动来驱动电机，经过筛选，确定用L298n电机驱动芯片进行电机控制，内部含两路H桥电路，一个芯片就可以控制两个电机的前进与后退，达到控制功能1.3.6多动作控制由手动控制，达到小车的动作控制，实现精确的路径行驶。2、无线遥控小车的硬件设计与调试2.1、设计的总体方案及框图 图1 系统设计总体框图该设备主要由发射模块、接收模块及执行机构三部分组成。发射模块、接收模块主要由ATmega16单片机和RFM12模块组成。发射模块主要包括RF12无线发射模块，液晶显示电路，稳压电源电路，按键编码电路组成，按键编码电路由普通IO口作为输入，操纵者通过操纵器使按键编码电路产生所需要的控制指令，再把控制指令信号加载到单片机内部寄存器，在传给RF12模块，模块通过内部发射电路加载到波上去发射，完成发射功能。接收模块由接收电路及译码电路组成。由接收天线送来的微弱信号经放大滤波后传给接收机通过RF12模块内部数字电路的的处理后进入ATmega16单片机，单片机通过识别传过来的命令执行与之相关的动作，进而控制电机驱动模块，令两个电机的正转或反转，驱动小车，从而完成无线电的遥控。2.2、主要硬件模块的介绍2.2.1 主控芯片Atmega16ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 ATmega16 AVR 内核具有丰富的指令集和32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与运算逻单元(ALU) 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的数据吞吐率。 ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash(具有同时读写的能力，即RWW)，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装) 的ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。 工作于空闲模式时CPU 停止工作，而USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中断系统继续工作；掉电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； ADC 噪声抑制模式时终止CPU 和除了异步定时器与ADC 以外所有I/O 模块的工作，以降低ADC 转换时的开关噪声； Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。 本芯片是以Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内ISP Flash 允许程序存储器通过ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flash存储区(ApplicationFlash Memory)。在更新应用Flash存储区时引导Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了RWW 操作。 通过将8 位RISC CPU 与系统内可编程的Flash 集成在一个芯片内， ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega16 具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C 语言 编译器、宏汇编、 程序调试器/ 软件仿真器、仿真器及评估板。ATmega的产品特性：高性能、低功耗的8位AVR微处理器。 先进的RISC 结构 131条指令 大多数指令执行时间为单个时钟周期 32个8位通用工作寄存器 全静态工作 工作于16MHz时性能高达16MIPS 只需两个时钟周期的硬件乘法器 非易失性程序和数据存储器 16K 字节的系统内可编程Flash，擦写寿命: 10,000次 具有独立锁定位的可选Boot代码区，通过片上Boot程序实现系统内编程，真正的同时读写操作 512 字节的EEPROM，擦写寿命: 100,000次 1K字节的片内SRAM 可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密 JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容) 符合JTAG 标准的边界扫描功能 支持扩展的片内调试功能 通过JTAG 接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程 。 两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器 。一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器 具有独立振荡器的实时计数器RTC 四通道PWM 8路10位ADC，8个单端通道，2个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道 面向字节的两线接口 两个可编程的串行USART 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器 特殊的处理器特点 。 上电复位以及可编程的掉电检测 片内经过标定的RC振荡器 片内/片外中断源 6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的Standby模式 I/O和封装 。l 32个可编程的I/O口 l 40引脚PDIP封装, 44引脚TQFP封装, 与44引脚MLF封装 工作电压:。l ATmega16L：2.7 - 5.5V ATmega16：4.5 - 5.5V 速度等。 8MHzATmega16L 0-16MHz ATmega16 ATmega16L在1MHz, 3V, 25C时的功耗 正常模式: 1.1 mA 空闲模式: 0.35 mA 掉电模式: 1 AATmega的引脚功能：VCC 电源正 GND 电源地 端口A(PA7.PA0) 端口A 做为A/D 转换器的模拟输入端。端口A 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A 处于高阻状态。 端口B(PB7.PB0) 端口B 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B 处于高阻状态。 端口B 也可以用做其他不同的特殊功能. 端口C(PC7.PC0) 端口C 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C 处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、 PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。端口C 也可以用做其他不同的特殊功能. 端口D(PD7.PD0) 端口D 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D 处于高阻状态。端口D 也可以用做其他不同的特殊功能. RESET 复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。门限时间见P36Table 15。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。 XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。 XTAL2 反向振荡放大器的输出端。 AVCC AVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC 连接。 AREF A/D 的模拟基准输入引脚。图2为ATmega16单片机芯片的引脚结构2.2.2无线收发模块 RFM12 RF12 是一款低成本高集成的 FSK 收发一体 IC,其内部集成了所有的 RF 功能模块电路,外围只须一个 MCU,一个晶振,一个旁路电容和一个外置天线就可组成一个带有 PLL 技术的高可靠性的收发系统,具有设计简单,生产无需调试的特点.可工作在 315/433/868/915MHZ 四个频段. 两个 RF12 即可组成一个完整的双向收发系统.在无需外加功放电路的情况下，距离可达到 200 米以上.RF12 还集成了一个数字接口,轻易实现由 MCU 通过软件设置,就可精确调整各种射频参数(如中心频点,接收带宽等).而无需调整硬件电路,可轻易实现跳频功能.RF12 可应用于无线防盗和报警系统,无线传感器，无线键盘和鼠标,家居自动化遥控,无线高速数据采集系统,无线玩具等场合。RFM12特性如下： 成本低,性价比高. 生产免调试. 采用PLL和零中频技术 锁相时间快 高分辩率的PLL，频率间隔最小2.5KHz 高数据传输率(使用内部数据滤波器最高115.2kbps,使用模拟滤波器最高256kbps) 直接差分天线输入/输出 天线阻抗自动调谐 可编程发射频偏(15KHz到240KHz，15kHz间隔) 可编程接收带宽(67kHz到400kHz) 模拟和数字接收信号强度指示（ARSSI/DRSSI） 自动频率控制(AFC) 数据质量检测(DQD) 内部数据过滤 接收同步pattern硬件识别 SPI控制接口 可为MCU提供时钟和复位信号 16位接收数据寄存器（先入先出队列） 两个8位发射数据寄存器 标准10MHz晶振 唤醒定时器 2.2V到5.4V电源 图3.RFM12B引脚RFM12引脚说明名称类型功能nINT/VDIDI/ DO中断输入（低电平有效）/有效数据指示输出VDDS正电源电压SDIDI串行控制接口数据输入SCKDI串行控制接口时钟输入nSELDI串行控制接口片选输入（低电平有效）SDODO串行数据输出nIRQDO中断请求输出（低电平有效FSK/DATA/nFFSDI/DO/DIFSK数据输入/接收数据输出（不使用先入先出寄存器模式）/先入先出寄存器模式选择输入（低电平有效）DCLK/CFIL/FFIT DO/AIO/DO接收数据的时钟输出 (使用数字滤波器,不使用先入先出寄存器模式)/ 外接数据滤波电容(模拟滤波器使用)/ 先入先出寄存器中断（高电平有效）CLKDO供MCU使用的时钟输出nRESDIO 用内部上拉和输入缓冲开启复位输出（低电平有效）GNDS 负电源电压2.2.3电机驱动芯片L298NL298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2546 V。输出电流可达25 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。表1是L298N功能逻辑图。 图4. L298N功能逻辑图In3，In4的逻辑图与表1相同。由表1可知EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。L298控制器原理如下： 图3是控制器原理图，由3个虚线框图组成。 图5.控制器原理图下面是3个虚线框图功能：（1）虚线框图1控制电机正反转，U1A，U2A是比较器，VI来自炉体压强传感器的电压。当VIVRBF1时，U1A输出高电平，U2A输出高电平经反相器变为低电平，电机正转。同理VIVRBF1时，电机反转。电机正反转可控制抽气机抽出气体的流量，从而改变炉体压强。（2）虚线框图2中，U3A，U4A两个比较器组成双限比较器，当VBVIVA时输出低电平，当VIVA，VIVB时输出高电平。VA，VB是由炉体压强转感器转换电压的上下限，即反应炉体压强控制范围。根据工艺要求，我们可自行规定VA，VB的值，只要炉体压强在VA，VB所确定范围之间电机停转（注意VBVRBF1VA，如果不在这个范围内，系统不稳定）。（3）虚线框图3是一个长延时电路。U5A是一个比较器，Rs1是采样电阻，VRBF2是电机过流电压。Rs1上电压大于VREF2，电机过流，U5A输出低电平。由上面可知，框图1控制电机正反转，框图2控制炉体压强的纹波大小。当炉体压强太小或太大时，电动机转到两端固定位置停止，根据直流电机稳态运行方程3：UCeNRaIa其中:为电机每极磁通量；Ce为电动势常数； N为电机转数；Ia为电枢电流；Ra电枢回路电阻。电机转数N为0，电机的电流急剧增加，时间过长将会使电机烧坏。但电机起动时，电机中线圈中的电流也急剧变大，因此我们必须把这两种状态分开。长延时电路可把这两种状态区分出来。长延时电路工作原理：当Rs1过流U5A产生一个负脉冲经过微分后，脉冲触发555的2脚，电路置位，3脚输出高电平，由于放电端7脚开路，C1，R5及U6A组成积分器开始积分，电容C1上的充电电压线性上升，延时运放积分常数为100R5C1。当C1上充电电压，即6脚电压超过23 VCC，555电路复位，输出低电平。电机启动时间一般小于08 s，C1充电时间一般为081 s。U5A输出电平与555的3脚输出电平经U7相或，如果U5A输出低电平大于C1充电时间，U7在C1充电后输出低电平由与门U8输入到L298N的6脚ENA端使电机停止。如果U5A的输出电平小于C1充电时间，6脚不动作电机的正常启动。长延时电路吸收电机启动过流电压波形，从而使电机正常启动。下图是其引脚图： 图6.引脚图 图7. 与51单片机连接的电路图1、15脚是输出电流反馈引脚，其它与L293相同。在通常使用中这两个引脚也可以直接接地。上图是其与51单片机连接的电路图。2.2.4 H桥驱动原理如图8所示，此图为一个典型的直流电机控制电路。之所以该电路得名于“H桥驱动电路”，是因为它的形状酷似字母H。如图，我们可以认为电机就是H中的横杠，而4个三极管组成H的4条垂直腿。正如下图所画，H桥式电机驱动电路包括一个电机和4个三极管。若想要让电机运转，对角线上的一对三极管必须导通。当不同的三极管对导通情况不同时，电流方向也会不同，可能会从左至右，也可能从右至左流过电机，这样就控制了电机的旋转方向。图8.H桥驱动电路若要使电机启动运转，则使对角线上的一对三极管必须导通。比如，如图3.4所示，要使电流就从电源正极经Q1从左至右流过电机，那么必须是Q1和Q4三极管同时导通。这样，电流先从正极经过三极管Q1，然后再经Q4回到电源负极，这样才能使直流电机正向旋转，正如图中电流箭头所示，此时Q1和Q4导通，电机正向旋转。图9.H桥驱动电机顺时针转动图9所示为另一种情况，当三极管Q2和Q3同时导通时，电流从正极开始，流经Q2，再经过直流电机，最后到达Q3，这样直流电机的电流从右至左，从而驱动电机逆时针旋转，在小车上表现为左右旋转或者前后旋转。图中箭头方向为电流流经电机方向。图10. H桥驱动电机逆时针转动正如上面所述，直流电机导通，必须使处于对角线的两个三极管同时导通，也就是说不能使同侧的两个三极管同时导通，比如三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极，三极管肯能会被烧坏，因此，为了保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通，需要采取一些措施。图10 所示就是为了避免同侧三极管同时导通而进行改进的电路，它在原来的H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。图11. 具有使能控制和方向逻辑的H桥电路当我们实际使用H桥焊机电路时，用分立元件制作H桥是非常麻烦的，而且比较浪费时间，基于这种考虑，现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电机、电源和控制信号就可以很好的使用了，在使用时给了我们很大的方便。L298N正是带有两个H桥的高集成电路。2.3、无线发射电路与接收电路的设计与制作 图12.无线发射电路图无线遥控电路不用经过编码，由RFM12B进行2FSK调制，通过外接天线发送信号。此遥控模块在开阔地发射接收距离大于150米，而且能够在有障碍物的情况下实现遥控。 图13.无线接收电路图遥控模块采用无线遥控方式，因为采用红外遥控控制距离比较有限，一般在几米之 内，且有障碍物时，会严重影响控制效果。另外，RFM12与单片机接口电路简单。鉴于本设计要求，所以综合考虑之下采用无线遥控较为合适。本设计中要求能用无线遥控器控制小车的前进、后退、左转、右转、停止等功能。无线遥控接收电路由ATmega16单片机和RFM12无线收发模块组成，RFM12接收模块接收到信号传送给ATmega16单片机，ATmega16单片机再发出相应的控制指令控制电机驱动执行相应的操作。 图14. 无线遥控部分PCB板2.4、硬件调试的步骤硬件调试主要是检测硬件电路是否有短路、断路、虚焊等。1、首先是焊接的顺序问题。当初板子做好以后，我一口气就把所有的元件焊上去了，这样对于没有调试过的板子，就很难找到原因。所以焊接的顺序很重要，应该是应该按功能划分的器件进行焊接，顺序是功能部件的焊接-调试(OK)-另一功能部件的焊接，这样容易找到问题的所在。2、如果在调试按功能划分的器件上出现问题，可以按以下步骤进行：1）检查原理图连接是否正确2）检查原理图与PCB图是否一致3）检查原理图与器件的DATASHEET上引脚是否一致4）用万用表检查是否有虚焊，引脚短路现象5）查询器件的DATASHEET，分析一下时序是否一致，同时分析一下命令字是否正确（注意，命令字的顺序很重要，前些日子调试INTEL e28F640这款flash是的时候，在对其擦除和写操作的时候，就碰到了这样的问题）6）有条件的可以用示波器。7）飞线。用别的的口线进行控制，看看能不能对其进行正常操作，多试验，才能找到问题出现在什么地方。当硬件设计从布线到焊接安装完成之后，就开始进入硬件调试阶段，调试大体分为以下几步。1. 硬件的静态调试排除逻辑故障：这类故障往往由于设计和加工制板过程中工艺性错误所造成的。主要包括错线、开路、短路。排除的方法是首先将加工的印制板认真对照原理图，看两者是否一致。应特别注意电源系统检查，以防止电源短路和极性错误，并重点检查系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）是否存在相互之间短路或与其它信号线路短路。必要时利用数字万用表的短路测试功能，可以缩短排错时间。排除原件失效：造成这类错误的原因有两个：一个是元器件买来时就已坏了；另一个是由于安装错误，造成器件烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在保证安装无误后，用替换方法排除错误。排除电源故障：在通电前，一定要检查电源电压的幅值和极性，否则很容易造成集成块损坏。加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查VCC与GND之间电位，若在5V4.8V之间属正常。若有高压，联机仿真器调试时，将会损坏仿真器等，有时会使应用系统中的集成块发热损坏。2. 联机仿真调试联机仿真必须借助仿真开发装置、示波器、万用表等工具。这些工具是单片机开发的最基本工具。联机仿真必须借助仿真开发装置、示波器、万用表等工具。这些工具是单片机开发的最基本工具。信号线是联络8031和外部器件的纽带，如果信号线连结错误或时序不对，那么都会造成对外围电路读写错误。51系列单片机的信号线大体分为读、写信号线、片选信号线、时钟信号线、外部程序存贮器读选通信号（PSEN）、地址锁存信号（ALE）、复位信号等几大类。这些信号大多属于脉冲信号，对于脉冲信号借助示波器（这里指通用示波器）用常规方法很难观测到，必须采取一定措施才能观测到。应该利用软件编程的方法来实现。例如对片选信号，运行下面的小程序就可以检测出译码片选信号是否正常。 MAIN:MOV DPTR,#DPTR ;将地址送入DPTR MOVX A,DPTR ;将译码地址外RAM中的内容送入ACC NOP ;适当延时 SJMP MAIN ;循环执行程序后，就可以利用示波器观察芯片的片选信号引出脚（用示波器扫描时间为1s每格档），这时应看到周期为数微秒的负脉冲波形，若看不到则说明译码信号有错误。对于电平类信号，观测起来就比较容易。例如对复位信号观测就可以直接利用示波器，当按下复位键时，可以看到8031的复位引脚将变为高电平；一旦松开，电平将变低。总而言之，对于脉冲触发类的信号我们要用软件来配合，并要把程序编为死循环，再利用示波器观察；对于电平类触发信号，可以直接用示波器观察。下面结合在自动配料控制系统中键盘、显示部分的调试过程来加以说明。本系统中的键盘、显示部分都是由并行口芯片8155扩展而成的。8155属于可编程器件，因而很难划分硬件和软件，往往在调试中即使电路安装正确没有一定的指令去指挥它工作，也是无法发现硬件的故障。因此要使用一些简单的调试程序来确定硬件的组装是否正确、功能是否完整。在本系统中采取了先对显示器调试，再对键盘调试。（1）显示器部分调试为了使调试顺利进行，首先将8155与LED显示分离，这样就可以用静态方法先测试LED显示，分别用规定的电平加至控制数码管段和位显示的引脚，看数码管显示是否与理论上一致。不一致，一般为LED显示器接触不良所致，必须找出故障，排除后再检测8155电路工作是否正常。对8155应进行编程调试时，分为两个步骤：第一，对其进行初始化（即写入命令控制字，最好定义为输出方式）后，分别向PA、PB、PC三个口送入#0FFH，这时可以利用万用表测试各口的位电压为3.8 V左右，若送入#00H，这时各口的位电压应为0.03 V；第二，将8155与LED结合起来，借助开发机，通过编制程序（最好采用“8”字循环程序）进行调试。若调试通过后，就可以编制应用程序了。（2）键盘调试一般显示器调试通过后，键盘调试就比较简单，完全可以借助于显示器，利用程序进行调试。利用开发装置对程序进行设置断点，通过断点可以检查程序在断点前后的键值变化，这样可知键盘工作是否正常。2.5、硬件调试存在的问题以及解决方案1.当程序通过烧录器写入单片机时，单片机没有按照预定设计工作，后经过老师提 醒，用示波器检测晶的震荡电路是否正确。开始检测时，晶振没有产生锯齿波形，后来 给震荡电路换了一个电容，才产生了锯齿波形。2.检测无线传输模块传输数据时，编写了一个简单程序，但是无线模块不能正常工 作，后用万能表检测出无线传输模块引脚电平，发现一个引脚不对，没有接地，从而连 接了一个跳线。2.6、硬件调试的心得与体会经过一段时间的调试，小车能够实现基本上实现了任务要求。按下前进键时，小车前进，同时前灯亮；按下后退键时，小车后退，同时后灯亮；按下左转键时，小车左转； 按下右转键时，小车右转。这和要求实现的任务基本一致。但是，在这期间也遇到了一 些问题，就是无线模块不太稳定，就是遥控部分，由于未知原因的影响，容易受到干扰， 使遥控不太灵敏。由于这个原因，怎么解决小车飞车成为了一个主要问题。整个系统的硬件调试和软件调试是不能分开的，许多硬件错误是在软件调试中被发现和纠正的。但通常是先排除明显的硬件故障以后，再和软件结合起来调试以进一步排除故障。可见硬件的调试是基础，如果硬件调试不通过，软件设计则是无从做起。软件的调试要和硬件配合进行，往往问题可能不是硬件上的。3、设计总结本文在总结了所学知识的基础上，设计了一个基于AVR单片机和RFM12B无线模块的遥控小车系统。该设备主要由发射模块、接收模块及执行机构三部分组成。发射模块、接收模块主要由ATmega16单片机和RFM12模块组成。发射模块主要包括RF12无线发射模块，液晶显示电路，稳压电源电路，按键编码电路组成，按键编码电路由普通IO口作为输入，操纵者通过操纵器使按键编码电路产生所需要的控制指令，再把控制指令信号加载到单片机内部寄存器，再传给RF12模块，模块通过内部发射电路加载到波上去发射，完成发射功能。接收模块由接收电路及译码电路组成。由接收天线送来的微弱信号经放大滤波后传给接收机，通过RF12模块内部数字电路的的处理后进入ATmega16单片机，单片机通过识别传过来的命令执行与之相关的动作，进而控制电机驱动模块，令两个电机的正转或反转，驱动小车，从而完成无线电的遥控。在本次设计中，存在有几个难点：1、无线发射的有效性，通过精确计算，制作了长度为17.2厘米的接收发射天线，达到了理论的最好发射接收效果。一开始只能传20米，后来改进的天线在空旷的地域至少能传200米，使得系统的工作更加的稳定。2、PCB板的制作，由于资金的限制，只能做10乘10厘米的PCB板，原件密度比较大，增加了布线的难度，最后通过改小布线的宽度，调整原件的位置，达到了效果。3.由于电压不够，电池太重。转向很不灵活，通过改变电池类型，减少负重，达到了较好的效果和灵活度致谢为期一个学期的毕业设计终于接近尾声了，在这短短的几个月里，不仅仅考察了大学四年自己所学要的东西，更重要的是把自己从老师从课本里所了解的东西应用到实践应用中，检验了自己的能力。虽然有过成功，有过失败，有过欢笑，有过泪水，但是过程其实才是最重要的。通过本次毕业设计，我在谢卫东指导老师的精心指导和严格要求下，获得了丰富的理论知识，并在设计过程中,翻阅大量的科技文献,针对设计内容的要求,对所学过的专业知识又认真细致的进行巩固和练习,在硬件和软件的组合上认真听取了谢老师以及一些优秀同学的意见,在很大程度上使这次设计顺利通过老师的审核和评定.在另一方面极大地提高了实践能力，并对当前电子领域的研究状况和发展方向有了一定的了解，单片机领域这对我今后进一步学习计算机方面的知识有极大的帮助。在此，我忠心感谢谢卫东老师的指导和支持，以及一些同学给出的宝贵意见，可以说没有了你们的支持，这次的毕业设计不可能这么顺利的完成。在未来的工作和学习中，我将以更好的成绩来回报各位领导和老师,回报老师和母校的辛勤栽培,做一名优秀的大学毕业生,奉献社会。此致敬礼参考文献1 李辉,孙权,白成磊,张奇良. 基于AVR单片机的智能小车设计J. 才智，2011，第29期：372 梁启成. 谈谈单片机入门学习J. 教育教学论坛, 2012, 第3期: 74-763 程红跃，吴三元.用AVR单片机设计无线键盘接口J.CJFD收录刊，2009年09期4 陈群挺.基于AVR单片机的直流无刷电机控制系统的设计J.科技致富向导，2011年20期5 李群芳,张士