山楂采摘平台行走控制系统设计

山茶采摘平台行走控制系统设计摘 要：近年来，山茶采摘作业的效率提高问题已成为茶农提高作物生产经济效率需突破的瓶颈问题之一，在各地，随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也必然将提高。因此推广发展机械化采摘平台技术和研究具有重要的意义。根据题目要求，为实现平台能按使用者的意愿前进后退、改变行走方向、作固定路径行走等功能。本设计采用了以 AT89S52 单片机为主的控制系统。红外遥控部分采用遥控车模专用编、解码芯片 TX-2/RX-2，提高控制的可靠性；同时采用步进电机对底盘小车的转向进行精确的控制。采用 AT24C08 串行 EEPROM 记录底盘小车的行驶轨迹，并能按照所记录的轨迹自动行驶。而升降机构的设计中利用了液压系统体积小，传动平稳，性能可靠且承载能力大等优势特点设计了一种安全、稳定、可靠性高的平台。关键词：采摘平台；单片机；红外遥控；轨迹规划；液压系统The Design of Driving Control System of Camellia Picking PlatformAbstract: In recent years, the problem of improving the efficiency of camellia picking work has become an bottleneck of the economic efficient promotion that need to break through in crop production . As the population ages and agricultural labor reducing, the agricultural production costs will also inevitable improved. So the development of mechanization picking platform technology and research has the vital significance. According to the topic, my design needs to adopt AT89S52 to form a control system of principal and subordinate. The Picking platform can go to the adjacent place of the tree with the software. The design adopts serial EEPROM of AT24C08 to write down the orbit of the car , and can repeat the route automatically which has been recorded. The design of lifting mechanism take the advantages of the hydraulic system that small size, stable, reliable performance and carrying capacity characteristics, which make a safety, stability and reliability platform. Key words: picking platform; single chip microcomputer; infrared remote control; motion planning; hydraulic system 目 录摘要1关键词11 前言21.1 研究意义21.2 国内外研究现状21.2.1 国外研究现状21.2.2 国内研究现状31.3 课题研究内容32 系统总体设计方案42.1 系统功能分析42.2 控制芯片的选择42.3 系统原理框图52.4 系统的两种工作模式62.5 本章小结63 系统硬件电路设计73.1 红外遥控模块的设计73.1.1 遥控模块的功能需求73.1.2 编解码芯片的选型73.1.3 遥控模块原理图83.2 声音提示功能的设计93.3 前轮转向模块的设计103.3.1 转向控制设计103.3.2 前轮转向中点校准功能的设计103.3.3 步进电机驱动芯片113.3.4 步进电机的选择113.4 后轮驱动模块的设计133.4.1 直流电机驱动芯片 L298N133.5 行驶路线的记录与重放模块的设计153.5.1 AT24C08 串行 EEPROM 介绍153.5.2 存储记录的格式153.6 液压采摘平台升降系统模块的设计153.6.1 选择液压系统设计升降平台的原因153.6.2 采摘平台升降系统结构原理图163.6.3 采摘平台升降系统位置参数设计173.7 本章小结184 系统软件的设计184.1 系统软件主要特色184.1.1 软件分层结构194.1.2 多任务结构194.2 消息驱动结构224.3 前轮转向任务的软件设计244.4 后轮驱动任务的软件设计244.5 手动模式下记录行驶路线功能的软件设计254.6 重放行驶路线功能的软件设计254.7 采摘平台升降系统软件设计264.8 本章小结265 系统的抗干扰设计265.1 单片机系统的主要干扰源275.2 干扰的耦合方式275.3 单片机的硬件抗干扰设计275.4 单片机的软件抗干扰设计276 结论28参考文献29致谢30附录3011 前言1.1 研究意义农 业 是 国 民 经 济 的 基 础 , 这 是 不 以 人 们 意 志 为 转 移 的 客 观 经 济 规 律 。 农 业 生产 力 发 展 的 水 平 和 农 业 劳 动 生 产 率 的 高 低 , 决 定 了 农 业 为 其 他 部 门 提 供 剩 余 产 品和 劳 动 力 的 数 量 , 进 而 制 约 着 这 些 部 门 的 发 展 规 模 和 速 度 。 近 年 来 ， 采 摘 作 业 的效 率 提 高 问 题 已 成 为 农 业 经 济 发 展 需 突 破 的 瓶 颈 问 题 之 一 ， 目 前 在 国 内 ， 果 实 采摘 的 成 本 普 遍 比 较 高 ， 效 率 也 低 ， 人 工 采 摘 成 为 制 约 各 地 生 产 效 率 提 高 的 一 个 瓶颈 。 在 各 地 的 采 摘 作 业 基 本 上 还 是 手 工 完 成 ,随 着 人 口 的 老 龄 化 和 农 业 劳 动 力 的减 少 ， 农 业 生 产 成 本 也 将 提 高 。 因 此 推 广 发 展 机 械 化 收 获 采 摘 技 术 和 研 究 具 有 重要 的 意 义 。现 今 国 内 外 有 某 些 公 司 已 经 解 决 了 机 器 采 茶 的 问 题 ， 但 是 由 于 该 机 器 结 构 复杂 ， 核 心 机 构 和 工 作 部 件 需 要 进 口 ， 价 格 昂 贵 。 而 且 该 机 的 易 损 部 件 也 是 核 心 零部 件 还 不 能 国 产 化 ， 导 致 使 用 成 本 大 大 提 高 ， 所 以 国 内 的 机 械 化 采 茶 的 效 率 还 很低 ， 中 小 型 茶 农 也 很 难 购 买 该 类 机 器 ， 即 使 有 能 力 购 买 采 摘 机 ， 高 昂 的 使 用 维 护成 本 会 使 茶 农 的 种 植 收 益 大 打 折 扣 1。 针 对 这 种 状 况 ， 本 文 主 要 以 山 茶 采 摘 平 台作 为 研 究 对 象 ， 目 标 是 提 高 采 摘 工 作 效 率 ， 降 低 茶 农 成 本 ， 提 高 利 润 。山 茶 采 摘 平 台 行 走 控 制 系 统 设 计 的 目 的 是 用 先 进 的 机 械 化 来 替 代 繁 重 且 低 效益 的 农 业 生 产 方 式 ， 使 农 民 采 摘 作 业 的 更 高 效 、 更 科 学 化 、 更 省 力 。 利 用 山 楂 采摘 平 台 行 走 控 制 系 统 实 现 对 果 实 成 熟 时 采 摘 的 机 械 化 ， 智 能 化 。 极 大 地 提 高 了 采摘 的 工 作 效 率 ， 降 低 了 人 工 作 业 的 工 作 强 度 2。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状收 获 作 业 的 自 动 化 和 机 器 采 摘 平 台 的 研 究 始 于 20 世 纪 60 代 的 美 国 （ 1968年 ） ， 采 用 的 收 获 方 式 主 要 是 机 械 震 摇 式 和 气 动 震 摇 式 。 从 20 世 纪 80 年 代 中 期开 始 ， 随 着 电 子 技 术 和 计 算 机 技 术 的 发 展 ， 特 别 是 工 业 机 器 人 技 术 、 计 算 机 图 像处 理 技 术 和 人 工 智 能 技 术 的 日 益 成 熟 。 以 日 本 为 代 表 的 西 方 发 达 国 家 ， 包 括 荷 兰 、美 国 、 法 国 、 英 国 、 以 色 列 、 西 班 牙 等 国 家 ， 在 收 获 采 摘 机 器 的 研 究 上 做 了 大 量的 工 作 ， 试 验 成 功 做 出 了 多 种 具 有 人 工 智 能 的 收 获 采 摘 机 器 3。 如 番 茄 采 摘 机器 平 台 、 葡 萄 采 摘 机 器 、 黄 瓜 收 获 机 器 、 西 瓜 收 获 机 器 、 甘 蓝 采 摘 机 器 和 蘑 菇 采2摘 机 器 等 。1950 年 ， 迪 尔 公 司 推 出 了 行 业 内 第 一 台 自 走 式 摘 棉 机 4。 它 的 诞 生 引 起 了当 时 整 个 果 实 采 摘 行 业 的 轰 动 。 该 机 的 采 摘 方 式 ， 实 现 了 果 实 的 快 速 机 械 化 收 获 ，采 摘 效 率 远 远 高 于 当 时 其 它 同 类 型 的 摘 摘 机 ， 一 天 的 采 摘 效 率 相 当 于 80 名 摘花 工 人 的 工 作 量 。1.2.2 国内研究现状农 业 的 机 械 化 在 我 国 的 发 展 中 起 着 十 分 重 要 的 作 用 ， 尤 其 在 大 力 推 进 科 学 发展 观 并 实 行 新 农 村 建 设 的 今 天 。 因 此 用 先 进 的 机 械 化 来 替 代 繁 重 且 低 效 益 的 农 业生 产 方 式 就 成 为 了 当 今 新 农 村 建 设 的 重 要 内 容 ， 从 而 实 现 我 国 农 业 的 现 代 化 。 茄子 采 摘 机 器 人 是 果 蔬 采 摘 机 器 人 的 一 种 ， 它 能 提 高 果 蔬 采 摘 的 效 率 ， 成 为 降 低 成本 和 提 高 生 产 率 的 重 要 设 备 。中 国 农 户 种 植 规 模 小 , 家 家 户 户 购 买 农 业 机 械 不 经 济 , 也 没 有 必 要 , 发 展农 机 社 会 化 服 务 显 得 尤 为 重 要 。 以 1996 年 开 始 的 全 国 性 跨 区 机 收 小 麦 为 标 志 , 中 国 的 农 机 作 业 向 市 场 化 、 社 会 化 服 务 发 展 。 1996 年 以 来 , 中 国 有 关 部 门 大 力配 合 ,利 用 从 南 到 北 小 麦 收 获 的 时 间 差 , 组 织 开 展 了 联 合 收 割 机 跨 区 机 收 小 麦 作业 , 使 联 合 收 割 机 使 用 时 间 从 平 均 每 年 7 10 天 增 加 到 一 个 多 月 , 提 高 了 联 合收 割 机 的 利 用 率 , 即 满 足 了 农 民 的 机 械 化 收 割 要 求 , 也 提 高 了 购 机 者 效 益 , 促进 了 小 麦 机 械 化 水 平 的 提 高 和 联 合 收 割 机 保 有 量 的 增 加 。1.3 课 题 研 究 内 容根 据 题 目 要 求 ， 本 设 计 需 要 完 成 的 以 下 几 项 功 能 ：红 外 遥 控 功 能 ， 启 停 、 自 动 或 手 动 ；前 或 后 直 线 行 进 ；任 意 曲 线 行 进 ；记 录 /播 放 行 驶 路 线 功 能 ；采 摘 平 台 升 降 功 能（ 1） 手 动 控 制 功 能 。 在 手 动 控 制 模 式 下 ， 可 以 控 制 底 盘 小 车 的 前 进 、 后 退 、左 转 、 右 转 、 停 止 。 同 时 ， 在 转 弯 或 后 退 时 相 应 的 转 向 灯 和 倒 车 灯 会 闪 烁 发 光 ，底 盘 小 车 接 收 到 一 个 按 键 命 令 后 除 了 执 行 相 应 的 动 作 外 蜂 鸣 器 还 会 响 一 声 ， 以 告知 操 作 者 已 收 到 了 命 令 。在 手 动 控 制 模 式 下 ， 还 设 置 了 一 个 记 录 行 驶 路 线 的 开 关 。 操 作 者 按 下 这 个 开关 后 ， 先 选 择 这 一 次 记 录 的 路 线 的 名 称 ， 此 后 对 小 车 的 控 制 命 令 将 被 存 入3EEPROM 中 ， 直 至 操 作 者 下 一 次 再 按 这 个 开 关 结 束 这 次 路 线 的 记 录 。 记 录 的 路 线可 在 重 放 路 线 模 式 下 重 放 。（ 2） 记 录 路 线 与 重 放 路 线 功 能 。 在 手 动 模 式 下 打 开 记 录 路 线 开 关 ， 开 始 记 录路 线 ； 在 重 放 路 线 模 式 下 选 择 重 放 的 路 线 ， 开 始 重 放 指 定 的 路 线 。 在 重 放 过 程 中操 作 者 按 下 “停 止 ”键 将 结 束 本 条 路 线 的 重 放 ， 等 待 选 择 下 一 条 需 要 重 放 的 路 线或 选 择 另 外 一 种 模 式 。（ 3） 平 台 升 降 功 能 。 底 盘 小 车 所 承 载 的 平 台 必 须 有 升 降 功 能 ， 保 证 使 用 者 能采 摘 到 不 同 高 度 的 山 茶 ， 增 加 采 摘 效 率 。 同 时 由 于 人 处 于 平 台 高 空 之 上 ， 就 必 然要 求 保 证 平 台 升 降 运 动 时 的 平 稳 性 ， 并 且 平 台 所 处 的 高 度 位 置 不 会 因 其 他 因 素 干扰 导 致 上 下 位 置 偏 移 变 化 。（ 4） 其 他 功 能 。 除 此 之 外 ， 底 盘 小 车 上 还 有 左 、 右 转 向 灯 ， 倒 车 灯 ， 模 式 指示 灯 ， 蜂 鸣 器 报 警 提 示 电 路 5， 采 摘 行 走 平 台 系 统 的 状 态 一 目 了 然 ， 十 分 方 便使 用 者 操 作 。2 系 统 总 体 设 计 方 案2.1 系统功能分析按 照 设 计 要 求 ， 山 茶 树 采 摘 行 走 平 台 控 制 系 统 6可 以 分 为 以 下 几 个 基 本 功 能模 块 ： 底 盘 小 车 中 的 遥 控 模 块 、 显 示 模 块 、 前 轮 转 向 模 块 、 后 轮 驱 动 模 块 、 记 录与 重 放 路 线 模 块 ， 采 摘 平 台 的 液 压 升 降 系 统 。有 些 模 块 的 功 能 是 由 硬 件 或 机 械 完 成 ， 有 些 模 块 的 功 能 由 软 、 硬 件 配 合 完 成 ，有 些 模 块 则 是 由 软 件 、 硬 件 、 机 械 三 部 分 共 同 完 成 。将 系 统 拆 分 成 以 上 的 这 些 基 本 功 能 模 块 后 ， 再 根 据 各 个 模 块 所 要 完 成 的 功 能分 别 去 设 计 ， 也 就 是 按 照 “逐 步 求 精 ”的 思 想 去 设 计 本 系 统 ， 这 将 使 设 计 工 作 细化 ， 也 有 助 于 制 定 进 度 安 排 。2.2 控制芯片的选择AT89S52 单 片 机 是 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 。 使 用 Atmel 公 司 高 密 度 非 易 失 性 存 储 器 技 术 制 造 ， 与工 业 80C51 产 品 指 令 和 引 脚 完 全 兼 容 。 片 上 Flash 允 许 程 序 存 储 器 在 系 统 可 编程 ， 亦 适 于 常 规 编 程 器 。 在 单 芯 片 上 ， 拥 有 灵 巧 的 8 位 CPU 和 在 系 统 可 编 程Flash， 使 得 AT89S52 为 众 多 嵌 入 式 控 制 应 用 系 统 提 供 高 灵 活 、 超 有 效 的 解 决 方案 。 在 电 子 行 业 中 有 着 广 泛 的 应 用 。 AT89S52 单 片 机 的 基 本 结 构 如 图 1 所 示 ，其 主要性能如下：4与 MCS-51 单片机产品兼容 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器 1000 次擦写周期 全静态操作：0Hz33Hz 三级加密程序存储器 32 个可编程 I/O 口线 三个 16 位定时器/计数器 八个中断源 全双工 UART 串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符 Fig l The basic structure of single chip microcomputer2.3 系统原理框图系 统 原 理 框 图 如 图 2 所 示 ：主控单片机遥控接收 采摘平台升降路线重放路线记录前轮转向 后轮驱动遥控发射按键图 2 系 统 原 理 框 图时钟电路 ROM RAM 定时器/计数器CPU并行接口 串行接口 中断系统TXD RXD INT0 INT1P0P3T0 T1图 1 单片机的基本结构5Fig 2 System principle block diagram 2.4 系 统 的 两 种 工 作 模 式采 摘 行 走 平 台 控 制 系 统 具 有 2 种 工 作 模 式 6， 分 别 是 手 动 控 制 模 式 和 重 放 路线 模 式 ， 对 应 2 个 模 式 处 理 函 数 ： shoudong()、 zouluxian()。 2 种 模 式 之 间 可 以通 过 “模 式 切 换 ”键 互 相 切 换 。2.4.1 手 动 模 式 的 设 计在 手 动 控 制 模 式 下 ， 操 作 者 可 以 通 过 遥 控 器 上 的 按 键 控 制 底 盘 小 车 的 前 进 、后 退 、 左 转 、 右 转 、 停 止 和 采 摘 平 台 的 升 起 、 降 落 等 动 作 。 并 且 可 以 打 开 “记录 路 线 ”开 关 ， 让 系 统 自 动 把 行 驶 的 路 线 记 录 到 AT24C08 存 储 器 中 。2.4.2 路 线 重 放 模 式 的 设 计该 模 式 下 主 要 完 成 路 线 的 重 放 功 能 。 路 线 重 放 功 能 就 是 要 将 先 前 记 录 下 来 的路 线 按 顺 序 取 出 来 ， 并 按 照 命 令 的 类 型 和 里 程 差 值 ， 让 底 盘 小 车 在 适 当 的 时 候 执行 某 一 个 动 作 。在 重 放 路 线 模 式 下 ， 底 盘 小 车 可 以 从 AT24C08 中 读 出 先 前 记 录 的 路 线 信 息 ，并 且 自 动 按 照 所 记 录 的 路 线 行 驶 。 在 重 放 过 程 中 操 作 者 按 下 “停 止 ”键 将 结 束本 次 的 路 线 重 放 ， 等 待 选 择 下 一 条 需 要 重 放 的 路 线 或 切 换 到 其 他 模 式 。2.5 本 章 小 结本 章 将 系 统 拆 分 成 了 若 干 个 功 能 模 块 ， 并 且 采 用 AT89S52 单 片 机 来 分 担 各部 分 功 能 。 在 软 件 方 面 通 过 对 结 构 的 特 殊 设 计 ， 基 本 上 实 现 了 多 任 务 并 发 运 行 ，并 且 通 过 软 件 的 分 层 结 构 将 功 能 实 现 和 具 体 的 硬 件 分 离 开 ， 再 加 上 消 息 驱 动 的 结6构 ， 这 将 给 后 续 的 各 模 块 软 件 的 设 计 带 来 方 便 。 在 硬 件 方 面 使 用 液 压 系 统 控 制 采摘 平 台 的 升 降 运 动 ， 利 用 单 片 机 控 制 了 液 压 系 统 中 电 磁 阀 换 向 ， 实 现 液 压 缸 伸 缩运 动 。 并 且 使 用 液 压 系 统 设 计 升 降 平 台 时 ， 可 以 通 过 合 理 的 中 位 机 能 使 采 摘 平 台升 降 时 的 冲 击 达 到 最 小 ， 保 证 运 动 中 的 稳 定 性 。3 系 统 硬 件 电 路 设 计3.1 红 外 遥 控 模 块 的 设 计3.1.1 遥控模块的功能需求遥 控 模 块 采 用 红 外 遥 控 方 式 ， 因 为 采 用 红 外 遥 控 抗 干 扰 能 力 强 ， 且 不 会 对 周围 的 无 线 电 设 备 产 生 干 扰 电 波 ， 接 口 简 单 ； 但 是 红 外 方 式 遥 控 的 距 离 比 较 有 限 ，一 般 在 几 米 之 内 。 鉴 于 本 设 计 中 使 用 人 一 般 位 于 采 摘 平 台 上 操 作 系 统 平 台 的 运 动 ，不 需 要 远 距 离 遥 控 ， 所 以 综 合 考 虑 之 下 采 用 红 外 遥 控 较 为 合 适 。本 设 计 中 要 求 能 用 遥 控 器 控 制 底 盘 小 车 的 前 进 、 后 退 、 左 转 、 右 转 、 停 止 、记 录 路 线 、 播 放 路 线 、 控 制 液 压 采 摘 平 台 升 降 等 很 多 种 功 能 ； 遥 控 距 离 在 几 米 之内 即 可 。3.1.2 编解码芯片的选型由 于 在 遥 控 端 的 按 键 数 目 有 多 个 ， 而 红 外 通 道 传 输 的 只 能 是 由 0、 1 组 成 的串 行 代 码 ， 所 以 需 要 在 发 射 端 对 按 键 进 行 “并 -串 ”编 码 ， 在 接 收 端 相 应 的 要 进行 “串 -并 ”解 码 7。 码 的 波 特 率 在 收 、 发 两 端 应 该 是 一 致 的 。方 案 一 ， 使 用 MC145026、 MC145027 编 解 码 芯 片 ， 其 特 殊 的 编 码 方 式 保 证了 信 息 的 可 靠 传 输 ， 但 是 外 围 器 件 参 数 的 选 定 较 为 烦 琐 ， 并 且 不 能 利 用 到 其 所 提供 的 地 址 功 能 ， 也 就 是 说 传 输 的 信 息 当 中 地 址 码 部 分 是 多 余 的 ， 这 就 降 低 了 信 道的 利 用 率 。方 案 二 ， 采 用 台 湾 瑞 昱 公 司 生 产 的 专 用 于 遥 控 车 模 的 CMOS 大 规 模 集 成 电路 TX-2/RX-2， 该 编 解 码 芯 片 具 有 5 种 控 制 功 能 ， 使 用 方 便 ， 所 以 本 设 计 中 采 用了 该 方 案 。 TX-2/RX-2 配 套 遥 控 集 成 电 路 具 有 以 下 特 点 ：(1)采 用 CMOS 工 艺 制 造 ， 静 态 功 耗 小 ， 外 围 元 件 小 ， 电 源 电 压 适 应 范 围 宽（ Vcc=2.5V5.0V） 。 工 作 稳 定 可 靠 。(2)具 有 5 路 独 立 遥 控 开 关 控 制 功 能 。 由 于 遥 控 发 射 集 成 电 路 可 输 出 带 载 波的 编 码 信 号 及 不 带 载 波 的 编 码 信 号 两 种 输 出 信 号 ， 所 以 它 与 相 应 的 射 频 电 路 配 合 ，不 仅 可 以 实 现 5 种 独 立 的 无 线 电 遥 控 ， 而 且 可 方 便 地 实 现 5 种 独 立 的 红 外 遥 控 。7(3)TX-2 具 有 自 动 关 机 功 能 ， 既 便 于 遥 控 发 射 器 的 设 计 ， 又 可 节 能 。(4)利 用 多 片 TX-2 与 RX-2 并 接 ， 可 以 方 便 地 实 现 多 路 （ 5 倍 的 倍 数 ） 遥 控 。图 3 芯片端口引脚示意图Fig 3 Chip port pin schemes 3.1.3 遥控模块原理图遥 控 模 块 发 送 部 分 原 理 如 图 4 所 示 。 TX-2 的 11 脚 和 12 脚 之 间 接 的 电 阻 决定 振 荡 频 率 ； 3 脚 接 地 ； 10 脚 接 3-5V 电 源 ； 14 脚 、 1 脚 、 4 脚 、 5 脚 、 6 脚 分别 为 5 路 发 射 控 制 端 ； 9 脚 为 发 射 指 示 端 ， 当 有 按 键 按 下 时 LED1 发 光 提 示 ； 7脚 为 带 载 波 的 编 码 信 号 输 出 端 ， 即 编 码 信 号 已 经 内 调 制 到 38KHz 的 载 波 上 ， 该脚 的 信 号 通 过 一 个 NPN 型 三 极 管 放 大 后 可 直 接 驱 动 红 外 发 射 二 极 管 发 射 信 号 ； 8脚 为 不 带 载 波 的 编 码 信 号 输 出 端 8。图 4 遥 控 发 射 电 路 原 理 图Fig 4 The radio transmission circuit principle diagram 8遥 控 接 收 电 路 如 图 5 所 示 。 RX-2 的 4 脚 和 5 脚 之 间 接 的 电 阻 阻 值 要 和 TX-2的 11 脚 、 12 脚 间 的 电 阻 阻 值 接 近 ， 相 差 在 20%之 内 方 可 正 确 的 解 码 ， 本 设 计 中这 两 个 电 阻 都 选 用 150K ； 2 脚 接 地 ； 13 脚 接 3-5V 电 源 ； 3 脚 接 输 入 信 号 ， 由一 体 化 红 外 接 收 头 1838 输 出 的 信 号 需 要 加 一 个 反 向 器 才 是 正 确 的 编 码 信 号 ； 6脚 、 7 脚 、 10 脚 、 11 脚 、 12 脚 为 5 路 遥 控 命 令 的 输 出 端 ， 分 别 和 TX-2 的 5 路输 入 端 的 状 态 相 对 应 。另外，为了方便操作，将 TX-2 的 5 路功能扩展成 10 功能，即在遥控发射端可以接 10 个按键。这是通过对原先的 5 路输入进行组合得到的。3.2 声 音 提 示 功 能 的 设 计和 状 态 指 示 灯 的 设 计 目 的 一 样 ， 给 小 车 加 入 声 音 提 示 功 能 也 是 为 了 更 直 观 地显 示 各 种 状 态 。 在 操 作 者 通 过 遥 控 器 给 小 车 发 出 命 令 后 ， 蜂 鸣 器 将 响 一 声 ， 及 时的 提 示 操 作 者 已 经 收 到 命 令 。 这 是 挺 有 必 要 的 ， 因 为 红 外 遥 控 方 式 并 不 是 很 可 靠 ，有 时 操 作 者 发 出 的 遥 控 命 令 小 车 可 能 是 收 不 到 的 ， 因 此 操 作 者 几 乎 处 于 “盲 操作 ”状 态 。 加 入 了 声 音 提 示 功 能 后 ， 小 车 有 没 有 接 收 到 遥 控 命 令 很 容 易 就 能 知 道了 。 本 设 计 中 所 采 用 的 压 电 电 磁 式 蜂 鸣 器 KXG1212 使 用 很 简 便 ， 只 需 给 其 正 负 端加 上 5V 左 右 的 电 压 就 能 够 发 出 声 音 ， 在 其 内 部 已 经 含 有 一 个 振 荡 电 路 。 工 作 电流 大 约 10mA,因 此 可 以 用 P0 口 的 某 一 位 直 接 驱 动 。声 音 提 示 功 能 被 设 计 成 一 个 单 独 的 任 务 ， 原 因 是 为 了 能 让 蜂 鸣 器 响 若 干 声 ，而 同 时 单 片 机 又 能 做 其 他 的 事 情 。 其 他 模 块 通 过 beep(n)函 数 设 置 静 态 变 量图 5 遥 控 接 收 电 路 原 理 图Fig 5 Remote control receiving circuit principle diagram9n_beep， 告 诉 声 音 提 示 模 块 需 要 响 n 声 ， 大 约 50 毫 秒 响 一 声 后 自 动 会 将n_beep 减 去 1， 一 直 减 到 0 后 不 再 发 声 。3.3 前 轮 转 向 模 块 的 设 计3.3.1 转 向 控 制 设 计对 转 向 控 制 常 用 有 两 种 方 案 ：方 案 一 ： 普 通 电 机 转 向 控 制 。 采 用 普 通 电 机 控 制 电 动 机 的 转 向 ， 虽 然 此 种 电机 的 控 制 很 简 单 ， 但 是 其 不 能 实 现 精 确 的 转 向 。方 案 二 ： 步 进 电 机 转 向 控 制 。 用 步 进 电 机 来 控 制 电 动 车 的 转 向 ， 此 方 法 的 优点 是 转 向 算 法 易 实 现 ， 且 能 实 现 具 体 的 角 度 的 转 向 ， 可 靠 性 较 高 。 因 此 在 本 设 计中 选 用 了 该 方 案 。步 进 电 动 机 是 纯 粹 的 数 字 控 制 电 动 机 ， 它 将 电 脉 冲 信 号 转 变 为 角 位 移 ， 即 给一 个 脉 冲 信 号 ， 步 进 电 机 就 转 动 一 个 固 定 的 角 度 (称 为 “步 距 角 ”)， 非 常 适 合单 片 机 控 制 。 在 非 超 载 的 情 况 下 ， 电 机 的 转 速 、 停 止 的 位 置 只 取 决 于 脉 冲 信 号 的频 率 和 脉 冲 个 数 ， 故 可 以 通 过 控 制 脉 冲 个 数 来 控 制 角 位 移 量 ， 从 而 达 到 准 确 定 位的 目 的 ； 同 时 可 以 通 过 控 制 脉 冲 频 率 来 控 制 电 机 转 动 的 速 度 和 加 速 度 ， 从 而 达 到调 速 的 目 的 。 同 时 步 进 电 机 只 有 周 期 性 的 无 积 累 误 差 ， 精 度 高 。前 轮 的 机 械 结 构 如 图 6 所 示 。 通 过 步 进 电 机 来 控 制 丝 杆 转 动 ， 通 过 中 间 竖直 杆 的 移 动 带 动 横 向 杆 的 左 右 移 动 ， 从 而 控 制 前 轮 转 到 一 定 的 角 度 ， 并 且 采 用 了一 个 遮 挡 型 的 红 外 对 管 来 检 测 转 向 的 中 点 ， 以 便 在 开 机 时 能 自 动 找 到 转 向 的中 点 。 而 且 在 一 定 程 度 上 可 以 校 准 由 步 进 电 机 的 失 步 带 来 的 角 度 误 差 。 该 机 械 结构 能 保 证 底 盘 小 车 前 轮 转 向 的 角 度 以 实 现 绕 固 定 半 径 行 走 的 运 动 9。3.3.2 前 轮 转 向 中 点 校 准 功 能 的 设 计图 6 遮 挡 校 准 方 案电机Fig 6 The scheme of keep out calibration 10Fig 7 Infrared to tube detection circuit如 图 7 所 示 ， 在 红 外 发 射 管 和 接 收 管 之 间 无 遮 挡 时 ， 电 压 比 较 器 输 出 低 电 平 ；当 之 间 有 遮 挡 时 ， 电 压 比 较 器 输 出 高 电 平 。 当 前 轮 转 到 中 点 时 ， 细 杆 正 好 能 遮 挡住 红 外 对 管 ， 此 时 电 压 比 较 器 输 出 一 个 高 电 平 ； 当 前 轮 偏 离 中 点 时 ， 输 出 低 电 平 。3.3.3 步 进 电 机 驱 动 芯 片本 设 计 中 前 轮 的 转 向 电 机 有 专 门 的 驱 动 芯 片 KA2821D。 驱 动 芯 片 引 脚 如 图8 所 示 ， 脉 冲 的 输 入 、 输 出 信 号 具 体 时 序 如 图 9 所 示 。 当 控 制 信 号 的 周 期 为40Hz 左 右 时 ， 步 进 电 机 工 作 在 最 佳 状 态 10。3.3.4 步 进 电 机 的 选 择选 择 步 进 电 机 需 要 进 行 以 下 计 算 ： （ 1） 计 算 齿 轮 的 减 速 比 根 据 所 要 求 脉 冲 当 量 ， 齿 轮 减 速 比 i 计 算 如 下 : i=( *S)/(360* ) (1) 式 中 -步 进 电 机 的 步 距 角 （ o/脉 冲 ） ， 取 1.8 S-丝 杆 螺 距 （ mm)， 取 15mm图 7 红 外 对 管 检 测 电 路11 -(mm/脉 冲 ） （ 2） 计 算 工 作 台 ， 丝 杆 以 及 齿 轮 折 算 至 电 机 轴 上 的 惯 量 Jt。 Jt=J1+（ 1/i2)(J2+Js） +W/g（ S/2 )2 （ 2） 式 中 Jt-折 算 至 电 机 轴 上 的 惯 量 (Kgcms2) J1、 J2 -齿 轮 惯 量 (Kgcms2) Js -丝 杆 惯 量 (Kgcms2) W-工 作 台 重 量 （ N） S-丝 杆 螺 距 （ cm） （ 3） 计 算 电 机 输 出 的 总 力 矩 M M=Ma+Mf （ 3） Ma=（ Jm+Jt)*n/T1.02102 （ 4） 式 中 Ma-电 机 启 动 加 速 力 矩 （ Nm) Jm、 Jt-电 机 自 身 惯 量 与 负 载 惯 量 (Kgcms2) n-电 机 所 需 达 到 的 转 速 （ r/min） T-电 机 升 速 时 间 （ s） Mf=(u*W*s)/(2 * i)102 （ 5） Mf-导 轨 摩 擦 折 算 至 电 机 的 转 矩 （ Nm) u-摩 擦 系 数 ， 取 0.05 -传 递 效 率 （ 4） 负 载 起 动 频 率 估 算 。 负 载 参 数 无 法 精 确 确 定 ,则 可 按 下 式 进 行 估 算fq=1/2fq0 （ 6）式 中 fq-带 载 起 动 频 率 （ Hz） fq0-空 载 起 动 频 率 （ 5） 负 载 力 矩 和 最 大 静 力 矩 Mmax。 负 载 力 矩 可 按 式 （ 5） 和 式 （ 6） 计 算 ，电 机 在 最 大 进 给 速 度 时 ， 由 矩 频 特 性 决 定 的 电 机 输 出 力 矩 要 大 于 Mf 与 Mt 之 和 ，并 留 有 余 量 。 一 般 来 说 ， Mf 与 Mt 之 和 应 小 于 （ 0.2 0.4)Mmax. 最 后 通 过 数 据 计 算 暂 时 选 择 额 定 电 压 :24V， 额 定 转 速 :220 转 /min 的 RE35 瑞 士 Maxon 90W 大 功 率 空 心 杯 减 速 电 机 ， 其 减 速 比 为 19:1。 该 电 机 具 有 体 积 小 ，质 量 轻 ， 性 能 高 ， 低 惯 量 ， 能 量 转 换 效 率 高 及 反 应 灵 敏 等 众 多 优 点 。12Fig 8 Stepping motor chip drive motor circuit diagram3.4 后 轮 驱 动 模 块 的 设 计3.4.1 直 流 电 机 驱 动 芯 片 L298NABBA-CH inB-CH in图 9 步 进 电 机 控 制 时 序Fig 9 Stepping motor control timing图 8 步 进 电 机 芯 片 驱 动 电 机 电 路 图13后 轮 采 用 直 流 电 机 来 驱 动 ， 和 步 进 电 机 相 比 较 ， 直 流 电 机 驱 动 力 大 ， 电 源利 用 率 高 。 因 为 直 流 电 机 的 转 速 很 高 ， 所 以 必 须 加 入 齿 轮 箱 进 行 减 速 ， 减 速 后 驱动 力 变 大 ， 转 速 降 低 。 小 车 的 行 驶 速 度 大 概 在 10cm/s（ 即 0.1m/s） 左 右 。Fig 10 Dc motor control diagram为 了 控 制 直 流 电 机 的 正 反 转 来 实 现 小 车 的 前 进 和 后 退 ， 采 用 了 直 流 电 机 驱 动芯 片 L298N， 引 脚 连 接 如 图 11 所 示 11。 前进时 5 脚输入方波占空比为 100%（即持续高电平） ，7 脚为低电平；后退时 5 脚为低电平，7 脚输入方波占空比为 100%。另外，改变方波的占空比可以实现对直流电机的调速，由于本设计中小车速度已调整到较低水平，所以无需再调速。驱动电机根据经验应选择功率较大，转矩较大的电机驱动底盘小车前进，故在此选择常用的 Z4-112/2-1 型号电机作为驱动电机，其额定功率为 2.2KW，额定转速为 965r/min。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 。 EnA 为 低 电 平 时 ， 输 入 电 平 对 电 机 控 制 起 作 用 ， 当图 10 直流电机控制框图AT89S52 L298N 直流电机图 11 直 流 电 机 驱 动 芯 片 L298N 电 路 图Fig 11 Dc motor drive chip L298N circuit diagramDc motor drive chip L298N circuit diagram14EnA 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 12。3.5 行 驶 路 线 的 记 录 与 重 放 模 块 的 设 计该 功 能 模 块 要 求 底 盘 小 车 在 手 动 控 制 模 式 下 能 具 有 自 动 记 录 行 驶 路 线 的 功 能 ，并 且 能 够 按 照 记 录 下 来 的 路 线 自 动 行 驶 。考 虑 到 单 片 机 内 部 的 RAM 容 量 非 常 有 限 ， 而 且 在 掉 电 后 存 储 内 容 也 会 丢 失 ，所 以 本 设 计 中 采 用 一 片 AT24C08。3.5.1 AT24C08 串 行 EEPROM 介 绍AT24C08 是 I2C 总 线 接 口 的 串 行 EEPROM， 可 反 复 擦 写 100 万 次 ， 信 息 可长 期 保 存 。 AT24C08 的 读 写 只 需 要 两 根 线 ： 串 行 数 据 线 SDA 和 串 行 时 钟 线SCL。 该 芯 片 内 含 1K 字 节 的 Flash 存 储 单 元 ， 分 为 4 个 页 （ Page） ， 每 页 有 256字 节 。由 于 本 论 文 篇 幅 有 限 ， 对 AT24C08 的