毕业论文-新型消防车的研究.doc

新型消防车的研究新型消防车的研究 The Research of a new type of fire engine 摘摘 要要 目前 火灾事故呈上升的趋势 给人们日常的生产和生活造成带来了巨大的损 失 由于传统的消防车具有体积大 操作不灵活 带水量有限等缺点 因此 在现 有消防车的基础上 设计出了一种新型的智能消防车 在实际应用中产生重大影响 本作品设计的新型消防车采用 Atmega16 单片机作为主控芯片 采用自制的可控 小车做车体 考虑到消防车升降臂和车体的比例关系 进而使两者有效合理的结合 在一起 在升降臂的底盘转动上 利用简单实用的四杆结构 通过控制电机实现升 降臂的方向可调 而且具有良好的稳定性 通过升降电梯的吊篮装置营救被困人员 不仅加快了救援的速度 还提高了救人的稳定性 传送带上等距的安装多个可承载 四人的营救箱体 并且在箱内壁安装保险带 由电机提供动力 利用同轴传动原理 将电机与皮带传动结合在一起 这样可以有效的传送被困人员 大大提高了救生的 速度和效率 考虑到一些特定场所 消防人员难以进入到事故现场 在消防车上安 装摄像头 不仅可以实时监测事故现场的状况 而且可以通过无线通讯模块实现对 消防车的远程控制 关键词关键词 皮带传动 电机 无线通讯模块 单片机 Atmega16 ABSRACT At present the rising trend of fire accident give people daily life and production brought huge losses caused by fire because of the large size is traditional not flexible operating with water limited shortcomings Therefore on the basis of the existing engines designed a new type of intelligent engines in actual application of impact This works design new engines using microcontroller as the main control chip Atmega16 self made controlled cars do bodywork considering the truck hoist arms and body relation and then make a reasonable effective both together The chassis rotation in hoist arms using a simple and practical four poles structure through the control motor to realize the direction of hoist arms adjustable and has good stability Through the lifts basket trapped device not only accelerate the speed of the rescue but also improve the stability of the rescue The conveyor belt can carry more than offset the installation of four people in the box and rescue cabinet wall installation seat belts by motors using coaxial transmission principle and belt transmission together This can be effective transmission trapped workers greatly improving the life saving speed and efficiency Considering some specific places firefighters to enter to the scene of the accident in fire truck installed cameras not only can monitor the scene of the accident but can be realized through wireless communication module of engines of remote control Key words Belt drive motor wireless communication module MCU ATMEGA16 1 目 录 1 引言 1 1 1 问题的提出 1 1 2 课题研究的意义 1 2 系统概述 2 2 1 系统功能要求 2 2 2 系统组成 2 3 方案论证 4 3 1 控制器的方案论证与选择 4 3 2 无线通讯芯片的选择 4 4 系统硬件设计 6 4 1 单片机电路 6 4 1 1 AVR 单片机内部结构 6 4 1 2 AVR 单片机引脚功能 9 4 1 3 AVR 单片机最小系统电路 11 4 2 电源电路 12 4 2 1 电源电路的结构 13 4 2 2 电源芯片引脚功能 13 4 3 无线通迅模块NRF905 14 4 3 1 功能特性 14 4 3 2 芯片结构 15 4 3 3 引脚定义 17 4 3 4 工作模式 17 4 4 直流电机驱动芯片 L298N 19 4 5 步进电机驱动器 21 2 5 系统的软件设计 22 5 1 直流电机控制子程序 22 5 2 键盘子程序 22 5 3 无线通讯模块驱动程序 23 5 3 1 器件配置 23 5 3 2 程序流程图 24 5 4 步进电机控制子程序 27 5 5 主程序流程图 28 6 系统调试 30 结 论 31 参考文献 32 附录 1 原理图 33 附录 2 程序源代码 34 附录 3 单片机控制板 PCB 图 44 致 谢 45 3 1 引言 1 1 问题的提出 国家相关部门统计资料显示 我国的消防车保有量约为 2 3 万辆 近年新增和 更新消防车近 3000 辆 但我国的消防车车型结构不尽合理 特种车比例过低 水罐 消防车约占总量的 70 而特种车 除水罐 干粉 泡沫以外的车辆 仅占 10 且车型较老 有专家预测 目前 我国消防车市场 从总体上看正处于一个高增长的阶段 在未来的 5 年之内 这种增长的势头一直不会减弱 每年平均增长量会维持在 2000 台左右 一方面我国的消防车有待更新 市场前景看好 另一方面国内消防车生产 厂家却在产量小 效益少的低谷中徘徊不前 现有消防车只是将少数人接救到车顶的平台处 或者从车壁上的云梯下到地面 这种传统的解救方式有两大缺点 首先平台空间有限 不足以容纳太多的逃生人员 当遇到着火楼层逃生人员多时 解救速度太慢 势必会拖延时间 造成原本可以避 免的伤亡 再者消防车高空作业 逃生人员通过云梯向下攀爬 可能产生晕厥现象 不仅逃生速度慢而且安全系数小 但遇到弱势群体时 比如老人 妇孺 残疾人等 请况 会给营救工作带来很大困难 经过改装后的消防车可以有效的解决上述问题 皮带传动装置和可升降逃生电 梯的应用 不仅解决救生空间的问题 而且提高了增强了消防车的救援速度 因此 设计了新型消防车系统 1 2 课题研究的意义 本作品设计出了一种新型的消防车 在现有消防车的基础上 设计缓冲装置以 增加消防车的救援功能 具体如下 1 营救部分采用皮带传送和电梯装置 皮带上固定营救箱 并箱内安装有保险 带 电梯装置类似吊篮装置 竖直上升和下降 加快了营救人员的速度 同时电梯 门设计巧妙 通过一个简易阀门实现电梯的闭合和打开 大大的提高了工作效率 2 消防车上安装有摄像头 在一些特定场所消防人员难以进入到事故现场 在 消防车上安装摄像头 不仅可以实时监测事故现场的状况 而且可以通过无线模块 实现对消防车的远程控制 4 2 系统概述 2 1 系统功能要求 1 设计并制作消防车的车体结构 车轮的制作 电机的选择安装等 2 设计并制作可完成人机交互工作的控制电路板 3 消防车上安装有摄像头 在一些特定场所消防人员难以进入到事故现场 不 仅可以实时监测事故现场的状况 而且可以通过无线模块实现对消防车的远 程控制 4 设计控制板的程序 2 2 系统组成 经过分析系统功能的要求 可以将各部分功能分别由硬件完成 或硬件与软件 共同完成 硬件部分应该包含 底盘电机控制电路 转盘电机和升降电机控制电路 键盘 输入电路 电源电路 MCU 键盘无线摄像头无线模块 系统电源步进电机驱动直流电机驱动 步进电机直流电机 图 2 1 系统组成 5 软件部分应该实现 键盘按键的捕捉识别 底盘电机的控制 转盘电机和升降 电机的控制 无线数据发送与接收 电脑视频数据的显示 得出系统的框图如图 2 1 所示 6 3 方案论证 3 1 控制器的方案论证与选择 方案 1 采用可编程逻辑器件 CPLD 作为控制器 CPLD 可以实现各种复杂的逻辑 功能 规模大 密度高 体积小 稳定性高 IO 资源丰富 易于进行功能扩展 采 用并行的输入输出方式 提高了系统的处理速度 适合作为大规模控制系统的控制 核心 但本系统不需要复杂的逻辑功能 对数据的处理速度的要求也不是非常高 且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案 方案 2 采用凌阳公司的 16 位单片机 它是 16 位控制器 具有体积小 驱动 能力高 集成度高 易扩展 可靠性高 功耗低 结构简单 中断处理能力强等特 点 处理速度高 尤其适用于语音处理和识别等领域 但是当凌阳单片机在语音处 理和辨识时 由于其占用的 CPU 资源较多而使得处理其它任务的速度和能力降低 方案 3 采用 Atmel 公司的 ATmaga16 单片机作为主控制器 ATmaga16 是一个低 功耗 高性能的 8 位单片机 片内含 16k 空间的可反复擦些 100 000 次的 Flash 只 读存储器 具有 1Kbytes 的随机存取数据存储器 RAM 32 个 IO 口 2 个 8 位可编 程定时计数器 1 个 16 位可编程定时计数器 四通道 PWM 内置 8 路 10 位 ADC 且 maga 系列的单片机可以在线编程 调试 方便地实现程序的下载与整机的调试 从各个角度考虑 方案 3 的可行性高 3 2 无线通讯芯片的选择 方案 1 nRF905 功能特点 nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器 工作电压为 1 9 3 6V 32引脚QSON封装 5 5mm 工作于433 868 915MHz三个ISM 工业 科学 和医学 频道 频道之间的转换时间小于650us nRF905支持多点间通信 最高传输 速率可达100Kb s 有125个频道可供选择 可满足多频及跳频需要 主要工作参数 大都可通过芯片状态字由用户根据需要自行配置 只需少量外围元件便可组成射频 收发电路 nRF905没有复杂的通信协议 它完全对用户透明 同种产品之间可以自 由通信 所以nRF905是业界体积最小 功耗最少 外围元件最少的低成本射频系统 级芯片之一 此外 其功耗非常低 以 10dBm的输出功率发射时电流只有11mA 工 作于接收模式时的电流为12 5mA 内建空闲模式与关机模式 易于实现节能 nRF905适用于无线数据通信 无线报警及安全系统 无线开锁 无线监测 家庭自 动化和玩具等诸多领域 方案 2 也可选用 nRF2401 以及其他收发芯片 但它们有的需要外围元件过多 7 有的协议复杂 不易实现 有的费用较高 增加了成本 有的传输距离较短 根据以上两种方案的比较 因此在本电路设计时采用的是 nRF905 芯片 8 4 系统硬件设计 4 1 单片机电路 4 1 1 AVR 单片机内部结构 AVR 单片机内部资源非常丰富 集成了各种常用的外围设备 主要由以下部 分组成 16K 字节擦写寿命 10000 次的系统内可编程 Flash 具有独立锁定位的可选 Boot 代码区 片上 Boot 程序实现系统内编程 可同时读写操作的 512 字节擦写寿命 100000 次的 EEPROM 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 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 2 个具有可编程增益 1x 10 x 或 200 x 的差分通道 面向字节的两线接口 IIC 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 TWI 片内模拟比较器 上电复位以及可编程的掉电检测 BOD 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 ADC 噪声抑制 省电 掉电 Standby 模式 32 个可编程的 I O 口 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 9 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 AVR 的 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 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 为本系统的应用提供了灵 活的解决方案 10 图 4 1 单片机内部结构 11 4 1 2 AVR 单片机引脚功能 图 4 2 AVR 单片机引脚功能 图 4 2 是 AVR 单片机 DIP 封装的引脚图 以下是各引脚功能说明 VCC 数字电路的电源 GND 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 12 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 13 4 1 3 AVR 单片机最小系统电路 PB0 XCK T0 1 PB1 T1 2 PB2 AIN0 INT2 3 PB3 AIN1 OC0 4 PB4 SS 5 PB5 MOSI 6 PB6 MISO 7 PB7 SCK 8 RESET 9 PD0 RXD 14 PD1 TXD 15 PD2 INT0 16 PD3 INT1 17 PD4 OC1B 18 PD5 OC1A 19 PD6 ICP 20 PD7 OC2 21 XTAL2 12 XTAL1 13 GND 11 PC0 SCL 22 PC1 SDA 23 PC2 TCK 24 PC3 TMS 25 PC4 TDO 26 PC5 TDI 27 PC6 TOSC1 28 PC7 TOSC2 29 AREF 32 AVCC 30 GND 31 PA7 ADC7 33 PA6 ADC6 34 PA5 ADC5 35 PA4 ADC4 36 PA3 ADC3 37 PA2 ADC2 38 PA1 ADC1 39 PA0 ADC0 40 VCC 10 U1 ATmega16 VCC 12 Y1 XTAL 20pF C1 20pF C2 10uf C3 10K R1 VCC TXD RXD M1 M2 M3 M4 EA EB H1 H2 H3 L1 L2 L3 L4 图 4 3 AVR 单片机最小系统电路 图 4 3 是 AVR 单片机最小系统电路图 图中 U1 是 AVR 单片机 是整个系统的核 心控制单元 R1 和 C1 组成单片机的复位电路 晶振 XTAL 和 C1 C2 是单片机时钟 源的辅助电路 AVR 单片机的外围电路非常简单 使系统更加的简单 提高可靠性 降低故障率 复位电路是为了保证单片机在正式运行程序之前 将内部各个功能寄存器的状 态回复到初始状态 以保证单片机按照程序设计者的意图运行 R1 与 C1 构成 RC 电 路 在系统上电后 单片机复位端电压渐渐升高 当电压升高到复位端 RESET 门限 电压 0 9V 时 单片机完成复位 在系统断电后 C1 通过复位引脚内部电路放电 在下一次上电时又可以进行复位过程 由于刚上电时 电路中的电容 电感的存在 电路电源的稳定需要一定时间才能使单片机正常可靠运行 所以复位时间长对系统 的可靠性有利 电路中 R1 选 10k C1 选 10uF 复位时间在 10MS 以上 可以可靠的 14 对单片机进行复位 R1 C1 应该靠近单片机 与单片机的连线短些 可以减少因为 周围干扰一起的错误复位动作 使用外部晶振速度快 频率稳定 抗干扰强 适合在周围用电环境复杂 系统 可靠性要求高的电路中 晶振 XTAL 和 C1 C2 与单片机内部时钟源电路一起组成 8M 的时钟频率 供给单片机内部使用 单片机的熔丝配置中应该选择使用外部晶振 选项 晶振 校正电容 C2 C3 与单片机的连线应该越短越好 且周围不要有大电 流回路 尽量不要在晶振底部走线 晶振的金属外壳要与地相连 可以提高时钟电 路的稳定性和可靠性 4 2 电源电路 VinVout GND VR7805 1000uF C4 10uF C5 1uF C6 2 2uF C7 0 1uF C8 VCC VCCVCCVCCVCC VCC DS1 LED0 电电源源电电路路 2 22 20 0V V A AC C 12V 12V12V 470uF 图 4 4 系统电源电路原理 由于电机的驱动电路需要 24V 的工作电压 而单片机 L298 电机驱动芯片 光 电耦合器等工作电压需要 5V 所以变压器的 24V 输出需要经过稳压模块稳定到单片 机的工作电压范围 考虑到电机驱动电路必须和单片机分开供电 这样可以避免电 机电路对单片机电路的干扰所以采取对单片机单独供电 步进电机和直流电机桥臂 共用一个 24V 电源 其系统电源电路原理如上图 4 4 所示 15 4 2 1 电源电路的结构 由变压器出来的交流信号经过桥式整流和电容滤波之后送给 LM7805 稳压 5V 输出 它的输出单独供给单片机 在三端稳压管的输入输出端与地之间连接大容量 的滤波电容 使滤掉纹波的效果更好 输出的直流电压更稳定 接小容量高频电容 以抑制芯片自激 输出引脚端连接高频电容以减小高频噪声 使单片机工作在一个 良好的电源环境中 提高系统稳定性 4 2 2 电源芯片引脚功能 电源电路主要运用到 7805 稳压芯片 该系列芯片技术成熟 所需的外围器件少 性价比高 运用的非常广泛 其内部原理图如图 4 5 所示 图 4 5 7805 内部原理图 图 4 6 为 7805 的引脚图 INPUT 电源输入端 最大可达 35V GROUND 电源地 OUTPUT 8V 输出端 16 图 4 6 7805 的引脚图 4 3 无线通讯模块 nRF905 nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器 工作电压为 1 9 3 6V 32引脚QSON封装 5 5mm 工作于433 868 915MHz三个ISM 工业 科学 和医学 频道 频道之间的转换时间小于650us nRF905支持多点间通信 最高传输 速率可达100Kb s 有125个频道可供选择 可满足多频及跳频需要 主要工作参数 大都可通过芯片状态字由用户根据需要自行配置 只需少量外围元件便可组成射频 收发电路 nRF905没有复杂的通信协议 它完全对用户透明 同种产品之间可以自 由通信 所以nRF905是业界体积最小 功耗最少 外围元件最少的低成本射频系统 级芯片之一 此外 其功耗非常低 以 10dBm的输出功率发射时电流只有11mA 工 作于接收模式时的电流为12 5mA 内建空闲模式与关机模式 易于实现节能 nRF905适用于无线数据通信 无线报警及安全系统 无线开锁 无线监测 家庭自 动化和玩具等诸多领域 下面介绍nRF905的功能特性 芯片结构 引脚定义和工作 模式 4 3 1 功能特性 1 GFSK调制收发合一 2 ShockBurst收发模式特适用于低功耗应用 3 多频道应用 兼容ETSI FCC 频道切换时间小于650us 4 最大输出功率 10dBm可调 接收灵敏度高达 100dBm 5 载波监听功能有效防止RF传输碰撞 6 成功收发数据包信号提示 7 接收数据包自动地址匹配 17 8 发送数据包自动重传 9 自动生成数据包报头及CRC校验码 10 数据传输速率高达100kbps 11 16脚双排接口 可直接与TTL COMS模式MCU引脚连接 12 接口协议 同步串行SPI接口 可用单片机IO模拟 4 3 2 芯片结构 nRF905 由频率合成器 接收解调器 功率放大器 晶体振荡器和调制器组成 不需外加声表滤波器 曼彻斯特编码 解码由片内硬件完成 无需用户对数据进行曼 彻斯特编码 因此使用非常方便 它的结构框图如下图 4 7 所示 18 图4 7 nRF905芯片结构框图 19 4 3 3 引脚定义 表 4 1 nRF905 引脚定义 管脚 名称 描述 1 GND 电源地 2 VCC 系统电源 3 TRX CE 使能芯片接收和发送 4 TXEN 收发状态选择 TXEN 1 发射状态 TXEN 0 接收状态 5 uPCLK 系统时钟分频输出 6 PWR UP 工作状态控制 PWR 1 正常工作状态 PWR 0 待机微功耗状态 7 GND 电源地 8 GND 电源地 9 AM 地址匹配 10 CD 载波监听 11 MISO SPI输出 MCU由此口从RF芯片读入数据 12 DR 接收或发送就绪 13 SCK SPI时钟 14 MOSI SPI输入 MCU由此口向RF芯片写入数据 15 GND 电源地 16 CSN SPI使能 低激活 4 3 4 工作模式 nRF905 有两种工作模式和两种节能模式 两种工作模式分别是 ShockBurstTM 接收模式和 ShockBurstTM 发送模式 两种节能模式分别是关机模式和空闲模式 nRF905 的工作模式由 TRX CE TX EN 和 PWR UP 三个引脚决定 详见下表 4 2 所示 20 表 4 2 nRF905 工作模式 PWR UPTRX CETX EN 工作模式 0 关机模式 10 空闲模式 110 射频接收模式 111 射频发送模式 ShockBurstTM 模式 与射频数据包有关的高速信号处理都在 nRF905 片内进行 数据速率由微控制器 配置的 SPI 接口决定 数据在微控制器中低速处理 但在 nRF905 中高速发送 因此 中间有很长时间的空闲 这很有利于节能 由于 nRF905 工作于 ShockBurstTM 模式 因此使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率 在 ShockBurstTM 接收 模式下 当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后 地址匹配 AM 和数据准 备好 DR 两引脚通知微控制器 在 ShockBurstTM 发送模式 nRF905 自动产生字头 和 CRC 校验码 当发送过程完成后 数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕 由以上分析可知 nRF905 的 ShockBurstTM 收发模式有利于节约存储器和微控制器 资源 同时也减小了编写程序的时间 下面具体详细分析 nRF905 的发送流程和接收 流程 1 发送流程 典型的 nRF905 发送流程分以下几步 A 当微控制器有数据要发送时 通过 SPI 接口 按时序把接收机的地址和要发 送的数据送传给 nRF905 SPI 接口的速率在通信协议和器件配置时确定 B 微控制器置高 TRX CE 和 TX EN 激发 nRF905 的 ShockBurstTM 发送模式 C nRF905 的 ShockBurstTM 发送 射频寄存器自动开启 数据打包 加字头和 CRC 校验码 发送数据包 当数据发送完成 数据准备好引脚被置高 D AUTO RETRAN 被置高 nRF905 不断重发 直到 TRX CE 被置低 E 当 TRX CE 被置低 nRF905 发送过程完成 自动进入空闲模式 ShockBurstTM 工作模式保证 一旦发送数据的过程开始 无论 TRX EN 和 TX EN 引脚是高或低 发送过程都会被处理完 只有在前一个数据包被发送完毕 nRF905 才能接受下一个发送数据包 21 2 接收流程 A 当 TRX CE 为高 TX EN 为低时 nRF905 进入 ShockBurstTM 接收模式 B 650us 后 nRF905 不断监测 等待接收数据 C 当 nRF905 检测到同一频段的载波时 载波检测引脚被置高 D 当接收到一个相匹配的地址 地址匹配引脚被置高 E 当一个正确的数据包接收完毕 nRF905 自动移去字头 地址和 CRC 校验位 然后把数据准备好引脚置高 F 微控制器把 TRX CE 置低 nRF905 进入空闲模式 G 微控制器通过 SPI 口 以一定的速率把数据移到微控制器内 H 当所有的数据接收完毕 nRF905 把数据准备好引脚和地址匹配引脚置低 I nRF905 此时可以进入 ShockBurstTM 接收模式 ShockBurstTM 发送模式或关 机模式 当正在接收一个数据包时 TRX CE 或 TX EN 引脚的状态发生改变 nRF905 立即 把其工作模式改变 数据包则丢失 当微处理器接到地址匹配引脚的信号之后 其 就知道 nRF905 正在接收数据包 其可以决定是让 nRF905 继续接收该数据包还是进 入另一个工作模式 3 节能模式 nRF905 的节能模式包括关机模式和节能模式 在关机模式 nRF905 的工作电流最小 一般为 2 5uA 进入关机模式后 nRF905 保持配置字中的内容 但不会接收或发送任何数据 空闲模式有利于减小工作电流 其从空闲模式到发送模式或接收模式的启动时 间也比较短 在空闲模式下 nRF905 内部的部分晶体振荡器处于工作状态 nRF905 在空闲模式下的工作电流跟外部晶体振荡器的频率有关 4 4 直流电机驱动芯片 L298N L298N 是 ST 公司生产的一种高电压 大电流电机驱动芯片 该芯片的主要特点 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 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 TTL 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 其管脚图和实物图分别如图 4 8 和图 4 9 所示 管脚功能如 表 4 3 所示 22 图 4 8 L298N 管脚图图 4 9 L298N 实物图 管脚管脚符符 号号功功 能能 1 15 SENSING A SENSING B 此两端与地连接电流检测电阻 并向驱动芯片反馈检测到的信号 2 3 OUT 1 OUT 2 此两脚是全桥式驱动器A的两个输出端 用来连接负载 4Vs 电机驱动电源输入端 5 7 IN 1 IN2 输入标准的TTL逻辑电平信号 用来控制全桥式驱动器A的开关 6 11 ENABLE A ENABLE B 使能控制端 输入标准TTL逻辑电平信号 低电平时全桥式驱动器禁止工 作 8GND 接地端 芯片本身的散热片与8脚相通 9Vss 逻辑控制部分的电源输人端口 10 12 IN 3 IN 4 输入标准的TTL逻辑电平信号 用来控制全桥式驱动器B的开关 23 表 4 3 L298N 管脚功能 EN A 6 EN B 11 IN1 5 IN2 7 IN3 10 IN4 12 OUT1 2 OUT2 3 OUT3 13 OUT4 14 ISEN A 1 ISEN B 15 VS 4 VSS 9 GND 8 U2 L298N D1D2D3D4 D5D6D7D8 M B1 Motor M B2 Motor VCC12V IOB0 IOB1 IOB2 IOB3 EA EB 图 4 10 直流电机驱动电路 4 5 步进电机驱动器 步进电机的驱动采用专用的驱动电路模块 使用模块电路可以加快产品开发速 度 使系统结构简单 稳定 可靠 且单片机只需 2 个接口就可以完成步进电机的 方向和步进控制 所选用的驱动器型号为森创公司的 SH 20403 它的主要参数如下 10V 40V 直流供电 H 桥双极恒相流驱动 最大 3A 的 8 种输出电流可选 最大 64 细分的 7 种细分模式可选 输入信号光电隔离 标准共阳单脉冲接口 脱机保持功能 13 14 OUT 3 OUT 4 此两脚是全桥式驱动器B的两个输出端 用来连接负载 24 5 系统的软件设计 软件部分主要完成对键盘的分析及无线数据的发送与接收 来控制消防车救援 包括底盘电机 步进电机 的正反向 转盘的转动 直流电机 和救援箱体的升降 等功能 5 1 直流电机控制子程序 直流电机控制子程序完成电机的救援箱体的升降工程 其执行流程如图 5 1 所 示 value Key Box 调键盘程序 value up 上升键 value down 下降键 到位喷水 救援箱体打开救援 救援箱体打开放人 图 5 1 直流电机控制流程图 25 5 2 键盘子程序 键盘程序完成键盘的扫描 除抖动 键码保存的功能 其执行流程如图 5 2 所 示 PORTB 0X0F 端口B低4位 设为上拉 端口B高4位 输出0000 DDRB 0XF0 端口B低4位 设为输入 端口B高4位 设为输出 PINB 0X0F 有键按下 延时10MS除去按键抖动 PINB 0X0F 有键按下 Value PINB 保存行键值 PORTB 0XF0 端口B高4位 设为上拉 端口B低4位 输出0000 DDRB 0X0F 端口B高4位 设为输入 端口B低4位 设为输出 Value PINB 保存列键值 PINB 0XF0 键按松开 延时10MS除去按键抖动 return Value 返回键值 Y N Y N Y N 图 5 2 键盘识别流程图 26 5 3 无线通讯模块驱动程序 5 3 1 器件配置 所有配置字都是通过SPI接口送给nRF905 SIP接口的工作方式可通过SPI指令进 行设置 当nRF905处于空闲模式或关机模式时 SPI接口可以保持在工作状态 1 SPI接口配置 SPI接口由状态寄存器 射频配置寄存器 发送地址寄存器 发送数据寄存器和 接收数据寄存器5个寄存器组成 状态寄存器包含数据准备好引脚状态信息和地址匹 配引脚状态信息 射频配置寄存器包含收发器配置信息 如频率和输出功能等 发 送地址寄存器包含接收机的地址和数据的字节数 发送数据寄存器包含待发送的数 据包的信息 如字节数等 接收数据寄存器包含要接收的数据的字节数等信息 2 射频配置 射频寄存器的各位的长度是固定的 然而 在ShockBurstTM收发过程中 TX PAYLOAD RX PAYLOAD TX ADDRESS和RX ADDRESS 4个寄存器使用字节数由配置 字决定 nRF905进入关机模式或空闲模式时 寄存器中的内容保持不变 27 5 3 2 程序流程图 图5 3 nRF905数据发送流程图 典型ShockBurst TX 1 当应用MCU有遥控数据节点时 接收节点的地址 TX address 和有效数据 TX payload 通过SPI接口传送给nRF905 应用协议或MCU设置接口速度 2 MCU设置TRX CE TX EN为高来激活nRF905 ShockBurst传输 3 nRF905 ShockBurst 无线系统自动上电数据包完成 加加导码和CRC校验码 数据包发送 100kbps GFSK 曼切斯特编码 4 如果AUTO RETRAN被设置为高 nRF905将连续地发送数据包 直到TRX CE被 设置为低 5 当TRX CE被设置为低时 nRF905结束数据传传输并将自己设置成standby模 工作在 Standby模式下 TX EN 1 PWR UP 1 TRX CE 0 SPI配置过程 控制器加载 ADDR 和 PAYLOAD 数据 TRX CE 1 打开发射器 nRF ShockBurst TX 自动生成 CRC校验 字和前导码 完成 后DR被置高 TRX CE 1 AUTO RETRAN 1 DR 被置低 Yes No Yes No No Yes Bit in configuration register 28 式 ShockBurst工作模式确保一个传输包发送开始后 总是能够完成 不管在发送 过程中TRX CE TX EN如何被设置 当发送结束后 新的模式被激活 30 图5 4 nRF905数据接收流程图 工作在Standby模式 TX EN 0 PWR UP 1 TRX CE 1 接收器开启 接收器检测传来的数据 如果有载波 CD被置高 地址匹配 AM置高 接收数据 CRC正确 DR被置高 TRX CE 1 进入STBY模式 MCU使能SPI接口 DR和AM置低 AM置低 Yes No Yes No Yes No YesNo 31 典型ShockBurst RX 1 通过设置TRX CE高 TX EN低来选择ShockBurst RX模式 2 650us以后 nRF905监测控制的信息 3 当nFR905发现和接收频率相同的载波时 载波检测CD被置高 4 当nFR905 接收导有效的地址时 地址匹配AM被置高 5 当nFR905 接收到有效的数据包 CRC校验正确 时 nFR905去掉前导码 地 址和CRC位 数据准备就绪DR被置高 6 MCU设置TRX CE低 进入standby模式 低电流模式 7 MCU可以以合适的速率通过SPI接口读出有效数据 8 当所有的有效数据被读出后 nFR905将AM和DR置低 9 nFR905 将准备进入ShockBurst RX ShockBurst TX或Powerdown模式 5 4 步进电机控制子程序 步进电机控制子程序完成电机方向控制 步数控制 其执行流程如图 5 5 所示 32 主轴电机转了一周 计算步进电机 的运行步数N 确定步进电机 的运行方向 步进电机 运行一步 N N 0 走完了 图 5 5 步进电机控制流程图 5 5 主程序流程图 主程序完成各模块程序的调度 其中消防车主控制程序最关键 其执行流程如 下图 5 6 所示 开开始始 初初始始化化 车车体体是是否否移移动动 到到合合适适位位置置 调调整整位位置置 开开始始上上升升 是是否否上上升升到到营营救救高高度度 继继续续上上升升 先先喷喷水水 然然后后营营救救装装 置置靠靠近近营营救救地地点点 营营救救人人员员 N Y N Y 图 5 6 主程序 33 6 系统调试 按下电源开关 按下发射控制端的 前进 按钮 新型消防车会执行前进的动 作 一直按着 消防车一直前进 松开按钮 消防车停止 按下 后退 的按钮 新型消防车会执行后进的动作 一直按着 消防车一直后进 松开按钮 消防车停 止 按下 左转 的按钮 新型消防车会执行左转的动作 一直按着 消防车一直 左转 松开按钮 消防车停止 按下 右转 的按钮 新型消防车会执行右转的动 作 一直按着 消防车一直右转 松开按钮 消防车停止 按下地盘 顺时针转动 的按钮 消防车的地盘会执行顺时转动的动作 一直 按着 消防车的地盘一直顺时针转 松开按钮 地盘停止转动 按下地盘 逆时针 转动 的按钮 消防车的地盘会执行逆时针转动的动作 一直按着 消防车的地盘 一直顺时针转动 松开按钮 地盘停止转动 按下吊篮 上升 的按钮 消防车会执行上升的动作 一直按着 吊篮一直上 升 直到到达最高点 松开按钮 吊篮停止上升 按下吊篮 下降 的按钮 新型 消防车会执行下降的动作 一直按着 消防车一直下降 直到安全下降到地面 松 开按钮 吊篮停止下降 按下皮带传送 上升 的按钮 传动带会一直执行上升的动作 按下皮带传送 停止 的按钮 传送带会执行停止的动作 34 结 论 经过各项功能的调试 不断的修正 系统以达到良好效果 各项指标均已达到 目标要求 1 该系统结构简单 成本低 控制精确 操作简单 2 该系统最后通过实际使用 系统稳定 没有出现程序跑乱的现象 符合其最 终的标准 3 系统的某些指标已超过了设计要求 达到了良好效果 这次毕业设计 从开始设计到设计的完成 现场调试 都让我感觉收获挺多 这不仅是理论上的升华 还有实践中的锻炼 在系统调试过程中 由于每个电路板 出现的问题都不一样 因此 做完这个毕业设计后 不仅提高了我的独立分析问题 能力 而且还加强了实际解决问题的能力 35 参考文献 1 童诗白主编 模拟电子技术基础 北京 高等教育出版社 1998 2 陈国呈 PWM 调速技术 北京 机械工业出版社 1999 3 刘瑞新 赵全利等 单片机原理及应用教程 北京 机械工业出版社 2003 4 梅丽风 王艳秋等 单片机原理及接口技术 北京 清华大学出版社 2004 5 李广弟 朱月秀等 单片机基础 北京 北京航空航天大学出版社 2001 6 徐爱钧 8051 单片机实践教程 北京 电子工业出版社 2001 年 7 康华光 邹寿彬 电子技术基础 数字部分 北京 高等教育出版社 2003 8 吴国经 单片机应用技术 北京 中国电力出版社 2004 9 吴运昌 模拟集成电路原理与应用 广东 华南理工大学出版社 2001 10 吴金戎 8051 单片机实践与应用 北京 清华大学出版社 2002 11 李序葆 赵永健 电力电子器件及其应用 北京 机械工业出版社 2003 12 王志良 电力电子新器件及其应用技术 北京 国防工业出版社 1995 13 石东海 单片机数据通信技术从入门到精通 西安电子科技大学出版社 2001 201 202 36 14 杨波等 移动 IP 和自组网的集成 计算机系统应用 2004 年 6 月 125 145 15 无线龙 无线通信和无线网络的入门与实战 成都 成都无线龙通讯科技有 限公司 2005 99 121 16 Ray S Carrathers J B Starobinski D RTS CTS induced congestion in ad hoc wireless LANS J Wireless Communications and Networking 2003 635 641 17 Shugong Xu Tarek Saadow i Does IEEE 802 11 MAC Potocol Work Well in Multihop Wireless Ad Hoc Networks J IEEE Communications Magazine