基于pic16F877A的无线遥控小车的设计.doc

Abstract At present speech synthesis speech recognition voice storage and playback technology is more widely applied despite the use of general monitoring and control system in the SCM have the hardware circuit such as the A D D A memory etc can be completed Voice of the digital signal processing but a single function of comparison and the effect is not very good In this paper SCM AT89C52 voice and the voice chip ISD2560 of storage systems and the voice of the Sub taking portfolio intervals with LCD liquid Crystal display module OCMJ2X8 can achieve a simple function of the bus station reported System hardware circuit is simple easy adjustment cost effective and practical Key words Voice recording system MCU AT89C52 ISD2560 目目 录录 1 绪 论 1 1 1 研究意义和目的 1 1 2 国内外无线遥控机器人的研究状况 2 1 3 本章小结 3 2 PIC16F877A 芯片及无线遥控的简介 4 2 1 PIC 单片机简介 4 2 1 1 PIC 单片机简介 4 2 1 2 PIC 单片机的优势 4 2 1 3 在 8 位单片机中 PIC 与 51 系列单片机的比较 6 2 2 无线遥控技术 8 2 2 1 无线遥控简介及分类 8 2 2 2 天线的选用 9 2 3 无线电收发模块简介 12 2 3 1 调频收发模块和调幅收发模块的对比 12 2 3 2 无线发射模块 TX 3 13 2 3 3 无线接收模块 RX 3 14 2 4 车体简介 17 2 4 1 车体特点 17 2 4 2 车体详解 18 2 5 本章小结 21 3 无线遥控小车的硬件设计及实现 22 3 1 无线遥控小车的任务 22 3 2 无线遥控小车的硬件组成 22 3 2 1 无线收发模块简介 22 3 2 2 编码芯片 PT2262 23 3 2 3 解码芯片 PT2272 24 3 2 4 PT2262 和 PT2272 芯片的地址编码设定和修改 28 3 2 5 主芯片外部电路 29 3 3 小结 30 4 无线遥控小车的软件设计及实现 31 4 1 小车软件设计流程 31 4 2 信号的接收与处理 33 4 3 PWM 信号的控制 34 4 3 1 PWM 信号的占空比 35 4 3 2 PWM 信号的初始化 36 4 4 开发工具 36 4 4 1 MPLAB IDE 集成开发环境 36 4 4 2 ICD2 仿真器 37 4 5 调试 38 4 6 小结 41 结 论 42 参 考 文 献 43 致 谢 44 附录 A 程序清单及其说明 45 附录 B 遥控器电路图 48 附录 C 主控制板电路图 49 1 1 绪绪 论论 1 1 研究意义和目的研究意义和目的 无线电 是无线电技术的简称 是一门专门研究利用无线电波传送各种信息的技 术学科 早在两千多年前 人们就发现了电现象和磁现象 我国早在战国时期 公元前 475 一 211 年 就发明了司南 而人类对于电和磁的真正认识和广泛应用 迄今还只有 一百多年历史 在第一次产业革命浪潮的推动下 许多科学家对电和磁现象进行了深 入细致的研究 从而取得了重大进展 电磁学基本规律的研究 为后来无线电的诞生 起到了重要的孕育作用 英国的麦克斯韦在总结前人工作基础上 提出了一套完整的 电磁理论 表现为 四个微分方程 这就是后人所称的 麦克斯韦方程组 麦克斯韦得出结论 运动着的 电荷能产生电磁辐射 形成逐渐向外传播的 看不见的电磁波 他虽然并未提出 无 线电 这个名词 但他的电磁理论却已经告诉人们 电 是可以 无线 传播的 1887 年 德国物理学家赫兹年第一次用人工方式产生出了电磁波 以实验证实了 电磁波的存在 意大利的马可尼和俄国的波波夫在不同的国度里 几乎在相同的时间 1895 和 1896 获得了无线电通信的成功 他们创造性的劳动 揭开了电磁学发展的新 篇章 无线电技术作为一门新科学从此诞生了 今天 利用无线电波传送声音和图像节目的广播和电视 已经深入到社会生活的 各个角落 成了亿万人民的伴侣 利用无线电波可以传播信号的这一特性 无线电遥 控技术应运而生 无线电遥控就是利用电磁波在远距离上 按照人们的意志实现对物 体对象的无线操纵和控制 这种无线控制的方式就叫做无线电遥控 在第一次世界大战时 无线电遥控应用较多的是在军事上 将遥控装置安装在鱼 雷 当鱼雷发射后利用遥控鱼雷去攻击敌方的船只和舰艇 使得鱼雷的命中率大大的 提高 到了第二次世界大战时 纳粹德国又将无线电遥控系统安装在 V 2 火箭上 对英国伦敦进行了大规模的轰炸 在那时可以说无线电遥控技术发挥到了极至 后来 随着晶体管的发明和集成电路的诞生 无线电遥控技术达到了更加完善的程度 现如 今我们所知道导弹 卫星 航天飞机等高科技技术都是利用无线电遥控技术的结晶 它已经不再是军事领域唯一成员 我们的日常生活可以说是已经离不了无线电遥控 如 遥控监视 报警 遥控电视 遥控玩具等等 本次设计所要讲述的关于无线电遥 2 控的小车就是无线电技术的一个应用 1 2 国国内外无线遥控机器人的研究状况内外无线遥控机器人的研究状况 美国 日本 德国以及包括中国在内的很多国家对遥控机器人技术这一课题进行 了研究 并取得了一定的成果 从遥控视距的角度来看 遥控技术发展经历了一下三 个阶段 视距 LOS Line of sight 遥控 超视距 ELOS 遥控和远程无线遥控 对 于视距遥控 操作员不与机器有直接接触 已位于作业区内的危险范围外 通过直接 观察 发送指令来控制工程机器运转 一般来 其可靠遥控作业距离为几十米 在视 距遥控基础上发展起来的超视距遥控 虽然仍需要操作员接近工作作业区 但是通过 其先进的数据传输手段和控制技术能够为操作员提供机器作业区的反馈信息来克服视 距遥控的某些局限性 增强了操作员对机械的遥控控制能力 视距范围之外 对于远 程无线遥控系统 操作人员从远离机器工作区的安全地点进行操作 较之前两者 这 种系统主端提供了良好的人机界面 能完全模拟从端控制的操作装置 在从端实现复 杂控制功能以及自定义工作流程自主控制功能等 此时从端还具有自诊断安全控制功 能 为远程遥控提供了可靠保证 1 随着工业自动化水平和经济发展需求的不断提高 世界各发达国家都非常重视用 于各种目的 不同场合机器人遥控系统的研究开发工作 国内对遥控机器人的研究起步相对于国外来说晚了些 总体发展水平也落后于西 方发达国家 国内的研究主要集中在如哈尔滨工程大学 国防科技大学 浙江大学 上海交通大学等高等院校和中科院沈阳自动化研究所等科研机构 经过多年的努力 在航空航天 海洋开发 核工业已经国防军事 工程机械等领 域也取得了不少研究成果 探索者 好机器人是由中科院研制的第一台自治水下机器人 主要用于防险救 生作业和海底资源考察等 勇士号 遥控移动式机器人是 863 计划智能机器人主 题的一个样机 研制目的是跟踪世界先进水平 掌握一些列在恶劣环境下使用的遥控 机器人高新技术 寻求一种可以更好地代替人类在危险 恶劣 有害环境中作业的工 具 它通过设在安全区的控制站能遥控处在危险 恶劣环境下作业的机器人 根据作 业环境和内容可选择光缆通信和无线通讯两种方式 遥控距离 100 米 3 1 3 本章小结本章小结 本章主要讲述了无线遥控机器人的研究目的及其国内外的研究现状 并且对无线 遥控机器人在各个领域的作用进行了探讨 4 2 PIC16F877A 芯片及无线遥控的简介芯片及无线遥控的简介 PIC 单片机 Peripheral Interface Controller 是一种控制外围设备的集成电路 IC 是把 CPU ROM 和 I O 等集成在一块芯片上的特殊微型计算机 它是具有分散功用 多任务 功能的 CPU 2 由 PIC 单片机处理无线接收模块接收到的信号 再输出相应的的控制信号和 PWM 调速信号就是本次设计的重点 下面将对该系统所采用的硬件模块进行逐个介绍 2 1 PIC 单片机简介单片机简介 2 1 1 PIC 单片机简介 美国 Microchip 公司在 1990 年仅排名世界第 20 位 经过 10 余年的积极拓展 其 8 位单片机的业绩节节攀升 据市场研究公司 Gartner Dataquest 于 2003 年 6 月公布的 2002 年单片机市场额份和单位出货量 报告 Microchip 公司 8 位机已跃居全球 第 一 占到全球市场份额的 16 1 Microchip 公司推出的 PIC 系列单片机由于采用精简指令集 哈佛总线结构 流水 线指取的方式 抗干扰能力强 性价比高 深受国内客户的普遍欢迎 在工业控制 消费电子产品 办公自动化设备 智能仪器仪表 汽车电子等不同的领域得到了广泛 的应用 3 2 1 2 PIC 单片机的优势 1 PIC 最大的特点是不搞单纯的功能堆积 而是从实际出发 重视产品的性能 与价格比 靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求 就实际而言 不同的应用对 单片机功能和资源的需求也是不同的 比如 一个摩托车的点火器需要一个 I O 较少 RAM 及程序存储空间不大 可靠性较高的小型单片机 若采用 40 脚且功能强大的单 片机 投资大不说 使用起来也不方便 PIC 系列从低到高有几十个型号 可以满足 各种需要 其中 PIC12C508 单片机仅有 8 个引脚 是世界上最小的单片机 如图 2 1 所示 5 图 2 1 PIC12C508 单片机外型 该型号有 512 字节 ROM 25 字节 RAM 一个 8 位定时器 一根输入线 5 根 I O 线 市面售价在 3 6 元人人民币 这样一款单片机在象摩托车点火器这样的应用无疑是非 常适合 PIC 的高档型号 如 PIC16C74 尚不是最高档型号 有 40 个引脚 其内部资 源为 ROM 共 4K 192 字节 RAM 8 路 A D 三个 8 位定时器 两个 CCP 模块 三个 串行口 一个并行口 11 个中断源 33 个 I O 脚 这样一个型号可以和其它品牌的高 档型号媲美 2 精简指令使其执行效率大为提高 PIC 系列 8 位 CMOS 单片机具有独特的 RISC 结构 数据总线和指令总线分离的哈佛总线 Harvard 结构 使指令具有单字长 的特性 且允许指令码的位数可多于 8 位的数据位数 这与传统的采用 CISC 结构的 8 位单片机相比 可以达到 2 1 的代码压缩 速度提高 4 倍 3 产品上市零等待 Zero time to market 采用 PIC 的低价 OTP 型芯片 可使 单片机在其应用程序开发完成后立刻使该产品上市 4 PIC 有优越开发环境 OTP 单片机开发系统的实时性是一个重要的指标 象普 通 51 单片机的开发系统大都采用高档型号仿真低档型号 其实时性不尽理想 PIC 在 推出一款新型号的同时推出相应的仿真芯片 所有的开发系统由专用的仿真芯片支持 实时性非常好 就我个人的经验看 还没有出现过仿真结果与实际运行结果不同的情 况 5 其引脚具有防瞬态能力 通过限流电阻可以接至 220V 交流电源 可直接与继电器 控制电路相连 无须光电耦合器隔离 给应用带来极大方便 6 彻底的保密性 PIC 以保密熔丝来保护代码 用户在烧入代码后熔断熔丝 别 人再也无法读出 除非恢复熔丝 目前 PIC 采用熔丝深埋工艺 恢复熔丝的可能性 极小 7 自带看门狗定时器 可以用来提高程序运行的可靠性 8 睡眠和低功耗模式 虽然 PIC 在这方面已不能与新型的 TI MSP430 相比 但 在大多数应用场合还是能满足需要的 3 6 2 1 3 在 8 位单片机中 PIC 与 51 系列单片机的比较 PIC 的堆栈结构是硬件固定的 PIC16F877A 有 8 级深度的硬件堆栈 51 系列单片 机的堆栈结构是在 RAM 区 由程序指定 SP 的开始位置 PIC 的 RAM 区每个 Byte 的位都可以寻址 有 4 条专用的位操作指令和 2 条移位 指令 51 系列单片机的只有 0 x20 到 0 x2F 的 Bytes 的位是可以寻址 有 17 条专用的位 操作指令和 4 条移位指令 PIC 的 ROM 和 RAM 是采用 页 结构的 每页为 512 个 Bytes 通过 STATUS 的位来选择不同的页 在程序调用和变量寻址的时候 要先确定目标的页 使用起来 不是很方便 51 系列单片机的 ROM 是可以在 64K 范围内寻址的 可程序直接寻址调 用 RAM 在 0 到 0 x7F 可以直接寻址或间接寻址 0 x80 以上地址的 RAM 包括扩展的 RAM 只有间接寻址 2 1 4 PIC16F877A 芯片简介 从前几节对 PIC 系列单片的介绍 我们知道 PIC 单片机是采用 RISC 结构和 Harvard 双总线结构 运行速度快 低工作电压 低功耗 低价格的高性价比单片机 16F877 是 PIC 系列单片机中较为典型的芯片 16F877A 是前者的改进版 前者的 FLASH 擦写周期是 1000 次 而后者的 FLASH 擦写周期是前者的 100 倍 也就是 10 万次 16F877A 的主要性能参数如下所示 具有高性能 RISC CPU 仅有 35 条单字指令 100000 次擦写周期 除程序分支指令为两个周期外 其余均为单周期指令 运行速度 DC 20MHZ 始终输入 DC 200ns 指令周期 8K 14 个 FLASH 程序存储器 368 8 个数据存储器 RAM 字节 256 8EEPROM 数据存储器字节 提供 14 个中断源 7 功耗低 在 5V 4MHZ 时钟运行时电流小于 2mA 在 3V 32KHZ 时钟运行时电流小于 20 A 支持在线串行编程 ICSP 运行电压范围广 2 0V 到 5 5V 输入及输出电流可达 25mA Timer0 带有预分频器的 8 位定时器 计数器 Timer1 带有预分频器的 16 位定时器 计数器 在使用外部晶体振荡时钟 时 在睡眠期间仍能工作 Timer2 带有 8 位周期寄存器 预分频器和后分频器的 8 位定时器 计数器 2 个捕捉器 比较器 PWM 模块 其中 捕捉器是 16 位 最大分辨率是 12 5ns 比较器是 16 位 最大分辨率是 200ns PWM 最大分辨率是 10 位 10 位多通道模数转换器 4 22 23 如图 2 2 和图 2 3 是 PIC16F877A 的实物图及引脚图 图 2 2 PIC16F877A 实物图 8 注 PIC16F877A 是 16F877 的升级芯片 管脚兼容 图 2 3 PIC16F877A 引脚图 2 2 无线遥控技术无线遥控技术 2 2 1 无线遥控简介及分类 无线遥控是指实现对被控目标的非接触遥远控制 在工业控制 航空航天 家电 领域应用广泛 无线遥控和无线传输系统与有线和红外设备相比提高了移动自由度 由此使无线遥控装置和无线传输系统在工业领域的应用越来越多 相对电缆连线的优 点在于安装成本低 无需布线 不用地下工程 没有电缆槽 提高了灵活性并降低了维 护成本 按传输控制指令信号的载体来分 无线遥控可分为三种 1 红外遥控器 最熟悉的就是家里的电视机遥控器 使用的时候需要对准接收端 方向 红外其实也是光的一种 因此具有方向性 这种类型的遥控器成本比较便宜 也很容易进行编码 进行多功能遥控 2 声控 比较常见的是楼梯走廊的声控路灯开关 和超声波遥控器 这种遥控器 简单 有时候甚至不需要专门的遥控器 只要跺跺脚 吹个口哨 或者按一下皮球 一种可以发出超声波的吹气球 3 无线电遥控器 最常见的是骑车或者摩托车的防盗报警器的遥控器就属于无线 9 电遥控器 这种遥控器的成本比较高 电路也最复杂 当然性能也最好 这种遥控器 控制距离最远 穿障碍能力最强 这次设计采用的就是无线电遥控 无线控制距离通常由遥控器的发射功率决定 发射功率越大 距离越远 通常发 射功率 1W 的遥控器 控制距离开阔地可以达到 5 公里 当然还有 5W 25W 甚至更 高的功率 但是使用这种大功率遥控发射设备 需要到无线电委员会和公安局申请和 备案 否则会被相关部门追究责任 穿透能力除了和发射功率有关外 和使用的无线 电频率有关 以及障碍物的体积和导电性有关 频率越高 绕过障碍物的能力越弱 但是天线可以越短 障碍物如果导电 信号就会被屏蔽 具体使用时还要看使用的环境 以及产品的用途 电子市场有成品和半成品的遥 控器材 通常水下的遥控和通讯和陆地上类似 只是不是用红外遥控 而是用蓝绿激 光 这是国外试验的潜艇和卫星通讯的一种方式 这种方式一般是军用 民用不适合 因为成本太高 还有一种声波遥控通讯 类似潜艇的声呐 这种方式在水下传输效果 不错 不过同样设备复杂 对于无线电通讯 由于海水导电 因此无线电波只能传到 海水表面 或者离表面不远的地方 潜艇通常会把天线放到水面来接收和发送信息 2 2 2 天线的选用 任何依靠电磁波传送信息的无线电设备都需要天线 天线是一种转能器 当发射 时 它把发射机的高频电流转换成空间电磁波 接收时 它又把从空间截获的电磁波 转换成高频电流送入接收机 现在市面上使用的天线主要有两种 1 鞭天线 袖珍超短波无线电台 接收与发射共用一付天线 但考虑到使用环境 的不同 一般该机都配有两种不同型式的天线供选用 一种是四分之一波长鞭天线 另一种是小型螺旋天线 四分之一波长鞭天线是一种由多节金属杆组成的普通拉杆天 线 工作时天线与发射机发出的高频电流产生谐振 理论上 谐振时鞭天线的长度应 该是谐振频率相对应波长的四分之一 但是 由于电磁波在金属杆中的传播速度比在 空气中稍小 电磁波在金属杆上传播的波长也相应稍短 因此实际使用时鞭天线的长 度要比四分之一波长略短 这个缩短系数与工作频率 金属杆直径有关 工作频率越 高 金属杆直径越大 缩短值也大 比如某拉杆天线平均直径是 4 5 厘米 缩短系数为 0 97 取电台工作的中心频率对应波长的四分之一乘以该缩短系数就可以得出实际天线 长度 2 螺旋天线 螺旋天线是一种新型的小型化通讯天线 它对于移动通讯中使用的 10 袖珍无线电台特别适用 因为长度为 1 米多的天线对袖珍机来说并不合适 给使用者 带来不便 尤其是在高压电线附近使用会有危险 为此专门为该机设计了总长度不到 拉杆天线三分之一的小型螺旋天线 6 这种天线目前已开始在通讯及电视等方面获得应 用 这里重点谈谈它的结构 工作原理 计算公式和制作方法 1 结构 把金属导线按一定的间距曲绕成螺旋形状 并用绝缘材料支杆沿螺旋 的轴向方向把线圈支撑起来 螺旋的 端与发射机的输出端连接 另一端开路 就构 成了螺旋天线 例如某产品是用直径 1 2 毫米碳素钢丝 在普通车床上绕成平均直径为 厘米的螺旋若干圈 并用截面为梅花状的热成型聚丙烯芯杆支撵起来 螺旋外面用 丁膳橡胶管密封以防雨水漫蚀 2 工作原理 小型螺旋天线是一个慢波系统 电磁波在螺旋轴向方向上的传播 遗度 u 比在空气中的速度 近似为光速 C 小很多 所以波长也相应短很多 为了与 工作频率对应的波长加以区别 把螺旋线中的波长叫做 导波长 现在可以粗略地认 为电磁波是沿着金属螺旋线绕制方向近似以光速 C 传播的 当电磁波沿螺旋线绕一圈 从 a 点到达 b 点时 实际上电磁波在螺旋的轴向上只走了 S 的路程 螺距 把这一螺 旋圈在平面上展开成直角三角形 则斜边代表电磁波沿螺旋线的传播速度 C 短直角 边代表电磁波沿 螺旋轴向的传播速度 u 如图 2 4 所示 图 2 4 螺旋天线模型 由直角三角形的几何关系式 u C sin 可知 角是螺旋切线与水平线的夹角 因 sin D 同时 D 又比工作波长小很多 则可按 2 1 近似公式 7 176 进行计算 1 5 30h N f DD 2 1 计算时应根据使用条件 选定螺旋宜径 D 长度 h 以米为单位 工作频率 f 由 中心频率决定 根据上式计算出对应的螺旋圈数 N 当然选定的 h 要比 D 大很多 大 约十倍以上 绕制螺旋所用金属导线的长度可按式 2 2 计算 lND 2 2 例如一袖珍机中心工作频率取为 72 2MHZ 螺旋平均直径 D 1cm 希望天线尺寸 不超过 25cm 则按式 2 1 计算总圈数为 79 2 圈 按式 2 2 计算所用导线长度约 2 5 米 业余制作与上述袖珍无线电台配用的鞭天线可用壁厚为 0 2 毫米的薄铜管自制 管的外径在 5 7 毫米为宜 长度 1 米 若外径粗些 其长度可略短 2 3 厘米 铜管的一 头与发射机输出端连接 可在此头钻一直径 毫米的小孔 从中引出焊线与发射机相 连 铜管的另一端可用口径大小相仿的塑料牙膏加盖封住 若有长度相当的拉杆天线 就可以代替铜管 若拉杆天线的外径粗 天线长度还可以稍短一些 若实在没有条 1 05 米的塑料皮导线来代替鞭天线 3 螺旋天线的制作 螺旋线可用直径 0 8 1 5mm 的漆包线绕制 漆包线的粗 细对螺旋天线的性能影响不大 螺旋之间由于电压不高 一般用低强度油基性漆包线 即可 需注意的是 螺旋之间的间距应保持一致并等于设计值 当工作频率为 72 7MHZ 时 螺距 S 为 3 毫米 共绕 80 圈 绕制时 可先在一根直径为 9 毫米左右的 金属杆上以间距为 2 5 毫米绕 85 圈 绕好后考虑螺旋线的回弹 基本上可以满足中心 距离为 3 毫米的要求 再把多余的圈数剪掉 绕好的螺旋线用绝缘支撑棒撑住 如环 氧棒 有机玻璃棒 空心电工塑科管或细竹杆等 螺旋线还可用直径相仿的铝丝绕制 不过铝丝较铜丝硬 回弹也大 开始绕制时 中心距宜取得更小些 如 2 2 毫米左右 绕好后通过整形达到 3 毫米 把最上面半圈螺旋旋向圆心处弯拆 靠支撑棒撑住 能 12 用热塑套管或薄橡皮套管把制作好的天线套起来更好 以防螺旋线受外力而变形 螺 旋天线应与整机匹配地工作 让能量全部发射出去 或把接收到的能量全部送进接收 机 鞭天线和螺旋天线部有一定的方向性 即在某几个方向上能量最为集中 接收或 发射的效果最好 所以在使用时 可旋转一下天线以获得最佳通讯效果 实际通话效 果表明 该机配用一米长鞭天线时可在五公里平地范围内可靠通话 在配螺旋天线时 通话距离为 3 4 公里 2 3 无线电收发模块简介无线电收发模块简介 无线电的发射器件都工作于射频 因此对器件的要求也较高 一般业余条件下很 难完成制作与调试工作 而目前对于无线电技术的应用越来越广泛 尤其对于一些业 务无线电爱好者来说 要想拥有所有高频调试的设备几乎是不现实的 因为这些设备 价格昂贵 针对这些实际情况 许多专业生产厂家专门生产了用于无线数据传输的无 线收发模块 将对高频部分的安装与调试工作全部在专业生产场所内完成 用户只要 为其提供电源和所要发送的编码数据 就可以在接收端的数据输出端得到发送端的原 始数据 这样就可以将无线电技术的应用得到推广 2 3 1 调频收发模块和调幅收发模块的对比 从目前对无线电收发模块的应用来看 主要可分为两大类 调频收发模块和调幅 收发模块 在无线广播 电视 通信 遥控 遥测等装置或系统中 除了采用振幅调 制方式 调幅 AM 外 还广泛采用频率调制方式 调频 FM 下面对这两种调制方式的 主要性能进行比较 1 抗干扰性能 调频 FM 的主要优点是它的抗干扰性能强 所谓抗干扰好 主要是指在输入信号 噪声比 简称信噪比 S N 相同的条件下 调频接收机输出端的信噪比大于调幅接收机输 出端的信噪比 调频比调幅制的抗干扰能力强的原因可从两种制式的发射信号功率大小进行分析 调频波的边频分量的功率是从载波功率中分出来的 调制系数 mFM 越大 其边频不仅 数目多 且幅度增大 这意味着载波功率中转化为边频功率的比例大 而调幅波的边 频功率最大仅等于载波功率的一半 当调制指数 mAM 1 时 因此 调频波比调幅波 13 可以具有更大的边频功率 这意味着它更有能力去克服信道或机内的噪声和干扰 8 134 其次 可从接收信号的调解来进行对比并分析 由于调幅信号的信息包含在已调 幅信号的振幅中 振幅变化与调制信号的振幅成正比 解调用的包络检波 也称振幅检 波 器无法抑制寄生调幅干扰 而调频信号的信息则包含在高频振荡的瞬时频率变化上 因此 干扰引起的寄生调幅可通过限幅器 或用有限幅作用的比例鉴频器 去掉 因此 不管从发射信号的边频功率还是从接收信号的解调进行分析 调频制的抗 干扰性能均优于调幅制 2 占用的频带宽度 由于宽带调频系统占用的频带宽 调频只适宜在超短波以上频段 30Hz 30GHz 使用 对于中 长波频段 中波 1000 100M 长波 10 1km 则 采用调幅或单边带调制方式 3 发射机的功率 调频制发射机发射的调频载波的瞬时频率是随调制信号变化的调频波为等幅波 它的最大功率等于平均功率 而调幅制发射机发射的是调幅信号 当 mAM 1 时 最 大发射功率等于平均功率 载波功率 的 4 倍 若调幅发射机与调频发射机的末级采用同 一型号的功率管 均按最大功率估算 则调频发射机发射出的功率是调幅发射机发射 的平均功率的 4 倍 4 对调幅发射机功率放大管的要求苛刻 调幅发射波是随调制信号的幅度而变化的 这就对放大管的反向耐压有较高的要 求 宜采用击穿电压更高的管子 否则管子易被击穿 而调频发射机是工作在等幅状 态下的 管子不易被击穿 5 生产成本比较 生产调频系列器件其调试过程相当复杂 所以需要配备综参测试仪 屏蔽室等昂 贵的生产调试设备 调试设备的稳定性直接决定产品的性能 还需要专业的技术工人 而生产调幅器件相对来说要方便许多 所以生产调频产品的门槛要远远高于生产调幅 产品 因此两者的生产成本相差一倍以上 通过以上对两者的性能及成本的介绍 可以了解到虽然调频系列器件的生产成本 较高 但是其抗干扰及稳定性能较好 因此此次设计中采用了调频发射 接下来的小 节将分别介绍无线发射和接收模块 14 2 3 2 无线发射模块 TX 3 考虑到电路的微功耗要求 一般这类模块都采用了 ASK 方式调制 本次设计中采 用的 TX 3 数据发射模块的工作频率为 315M 采用声表谐振器稳频 频率稳定度极高 声表谐振器的频率稳定度仅次于晶体 而一般的 LC 振荡器频率稳定度及一致性较差 即使采用高品质微调电容 温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移 TX 3 发射模块未设编码集成电路 用 PT2262 或者 SM2262 等编码集成电路配接 时 直接将它们的数据输出端第 17 脚接至 TX 3 数据模块的输入端即可 如图 2 5 所 示 图 2 5 编码模块及无线发射模块的原理图 TX 3 数据模块具有较宽的工作电压范围 3 12V 当电压变化时发射频率基本不 变 和发射模块配套的接收模块无需任何调整就能稳定地接收 当发射电压为 3V 时 空旷地传输距离约 20 50 米 发射功率较小 当电压 5V 时约 100 200 米 当电压 9V 时约 300 500 米 当发射电压为 12V 时 为最佳工作电压 具有较好的发射效果 当电压大于 l2V 时功耗增大 有效发射功率不再明显提高 不同的电路参数 有不同 的发射功率及发射距离 要想获得较好的发射效果 必须接上天线 天线最好选用 25 厘米长的导线 远距离传输时最好能够竖立起来 因为无线电信号传输时受很多因素 的影响 所以一般实用距离只有标称距离的一半甚至更少 TX 3 模块的传输距离与调制信号頻率及幅度 发射电压及电池容量 发射天线 接收机的灵敏度 收发环境有关 一般在开阔区最大发射距离约 1000 米 在有障碍的 情况下 距离会缩短 由于无线电信号传输过程中的折射和反射会形成一些死区及不 稳定区域 不同的收发环境会有不同的收发距离 这种无线收发器件直线传输性能较 15 好 而绕射性能将大大降低 2 3 3 无线接收模块 RX 3 与前面所讲到的各发射模块相对应的接收模块常用的有两种 即超再生接收和超 外差接收 1 超再生检波接收器 超再生检波电路实际上是一个受间歇振荡控制的高频振荡器 这个高频振荡器采 用电容三点式振荡器 振荡频率和发射器的发射频率相一致 而间歇振荡又是在高频 振荡的振荡过程中产生的 反过来又控制着高频振荡器的振荡与间歇 而间歇振荡的 频率是由电路的参数决定的 一般为一百到几百千赫兹 这个频率选低了 电路的抗 干扰性能较好 但接收灵敏度较低 反之 接收灵敏度就较好 但抗干扰性能变差 超再生检波电路有很高的增益 在未收到控制信号时 由于受外界杂散信号的干扰和 电路自身的热骚动 产生一种特有的噪声 叫超噪声 这个噪声的频率范围为 0 3 5kHz 之间 听起来像流水似的 沙沙 声 在无信号时 超噪声电平很高 经滤 波放大后输出噪声电压 当有控制信号到来时 电路谐振 超噪声被抑制 高频振荡 器开始产生振荡 输出信号 2 超外差接收检波接收器 超外差式接收电路的工作原理和一般的超外差式收音机的原理相同 它将接收到 的信号加以放大 并和本机产生的等幅振荡信号相减 产生一个固定频率的中频信号 这个中频信号的幅度中包含有低频调制的控制信号 将这个中频信号加以两级或三级 放大 然后进行检波 将中频信号中所包含的低频指令信息取出 就得到正确的遥控 信号 由于中频放大器设有自动增益控制回路 因此 它的增益可以设计得很高而工 作十分稳压 这就使得超外差接收机不论对强信号还是弱信号 都能做到基本相同的 放大倍数 也正是因为采用了中频放大器 它的信号放大倍数可以达到很大 也就使 电路的接收灵敏度大大提高 一般可达到 0 1mV 左右 与超再生检波电路相比 超外 差式接收模块 无论在接收灵敏度上 还是选择性上都有很大的提高 在抗干扰方面 更加显著 3 超再生接收和超外差接收的区别 1 两者的成本上的区别 16 超外差 内差 类接收模块价格相对来说较高 现在市场上出售的超外差 内差 器件 普遍采用的是 3310 或 3400 作为主要器件 同时还必须采用晶体作为本振的时 钟 因此生产的成本较高 而超再生模块 普遍采用的是一片双运放芯片 358 作为数 据的放大与整形 因此成本较低 2 两者接收灵敏度上的区别 从两者的工作原理中 我们可以看出 超外差 内差 模块接收的是两个频率的 差值信号 因此在放大环节中可以将通频带做得较窄 这样其灵敏度就可以做得较高 而超再生则相反 超再生接收是以热噪声信号作为是否接收到数据的判断依据 因而 无法做到足够窄的通频带 同时也就容易受到外界无线电信号的干扰 从上面两个不同点来看 若在经济允许的前提下 尽量选用超外差 内差 类器 件 其抗干扰性能较好 特别是远距离应用时 接收最好选用这类器件 但是这种器 件在近距离应用时 会发生信号阻塞现象 即距离很近时 反而无法正确接收信号了 这是由于近距离时 信号强度太强 致使信道阻塞 所以无法完成解调 若在近距离 应用时 超外差和超再生模块效果相差不是太明显 因此从降低成本的角度出发 完 全可以选用超再生模块 在考虑无线控制系统的可靠性上 还与发送数据的控制方式有关 就拿 PT2272 作 为解码的系统来说 若采用的是锁存型芯片 则控制系统的可靠性要比暂存型的好 因此在非要用暂存型芯片的场合时 最好选用超外差 内差 器件作为接收 鉴于上述比较中两种接收模块的优缺点 在本次设计中系统采用的是 RX 3 超再生 接收模块 和 TX 3 一样 只需将数据输出脚接入解码芯片即可 如图 2 6 所示 17 图 2 6 无线接收模块及解码模块的原理图 4 RX 3 接收板简介 RX 3 接收板是 VHF UHF 超高频无线数据传送接收模块 它采用 LC 振荡电路 内含放大整形 输出的数据信号为四路高电平 有点动或互锁功能 使用极为方便 并且价格低廉 所以被广泛使用 接收板有较宽的接收带宽 一般为 2MHz 出厂时 一般调在 315MHz 接收板一般采用 DC5V 供电 如有特殊要求可调整电压 电压的 调整范围为 3 8V 接收板的频率一般是 315MHz 如有特殊要求可调整频率 频率的 调整范围为 260MHz 434MHz 接收板的静态工作电流出厂时一般为 5mA 如有特殊 要求可降低电流 最小电流可调至 1 0mA 但接收灵敏度会降低 9 特点如下 1 灵敏度高达 103dbm 2 有合理的接收带宽 抗干扰能力强 适应各种环境使用 3 省电 在 5V 电源工作时 接收耗电约 5 0mA 4 适用于 260 440MHz 各频点调整容易 供货周期短 5 输出信号为高电平 可选择点动或互锁 6 一致性好 体积小 7 传输速率 最高可达 6kbps 2 4 车体简介车体简介 2 4 1 车体特点 在本次设计中使用的是北京 e 学通电子制作的 DIY 竞赛小车车体 该车体具有以 下特点 1 可以灵活的进行原地转圈控制 为了小车转弯的控制的灵活性我们设计了两个驱动轮加一个万向轮的三轮结构 左 右轮独立控制 可以使小车同时前转 后转 反向旋转或者一侧转动一侧停止 可以完成原地转弯 旋转等动作 因而适合沿曲折路线前进 在走迷宫等应用时有巨 大的优势 2 增加了电机驱动电路和电机调速电路 在小车基板上我们设计了电机驱动电路 可以直接通过 IO 控制小车的运行状态 为了方便改变小车的运行速度 我们还设计了调速电路 通过 DAC 输出或 PWM 输出 18 实现电机的无级调速 3 增加黑白辐条圆形贴纸 方便小车测速 为了方便小车运行速度测量 我们提供了六黑六白辐条圆形贴纸 可以贴在和车 轮相连接的齿轮上 从而实现快速 精确测速的目的 4 增强了小车的可扩展性 无论是下层的基板 还是上面的扩展板 我们都尽量多的留出了可以焊接器件的 焊孔 基板前端焊孔是为方便同学们焊接传感器电路而设定 可以方便的搭建黑白线 测量 障碍物检测等电路 上面的扩展板 则可以直接把单片机电路 显示电路 通 讯电路 遥控电路等焊接上面 不需要再额外增加电路 方便了使用 2 4 2 车体详解 1 该车体的参数如下 1 成品尺寸 18 2 12 4 4 0 cm 2 车体 双电机两轮驱动 外加万向轮 3 供电 电池 四节 AA 电池 1 2V 4 或 1 5V 4 4 工作电压 DC 4V 6V 本套件提供 6V 电压输入 5 工作电流 运动时约 200mA 2 小车基板和底面 1 车体基板 小车的基板如图 2 7 所示 19 图 2 7 小车基板图 2 车体底面 车体的底面如图 2 8 所示 图 2 8 车体底面图 3 车体的电路设计 车体的控制电路包括 接口电路 电源电路 电机驱动和调速电路 控制电路原 理如图 2 9 所示 20 图 2 9 车体控制电路原理图 1 接口电路 接口电路负责将控制器的 I O 接口信号传送给控制电路板 主要为控制电机的 MOTOR1A MOTOR1B MOTOR2A MOTOR2B 四路信号 以及为电机调速的控制 口 SPPED1 SPEED2 两路信号 2 电源部分 整个小车有四个电源信号 电池电源 控制板工作电源 单片机控制器电源 系 统供电由电池盒提供 1 5V 4 控制板直接采用电池盒供电 VCC 然后经二极管 D1 后产生单片机控制器电源 V 二极管 D1 作用有两个 即降压和保护的作用 四节电池提供的电压 VCC 最大可达到 6V D1 可有效地降压 它还可以防止电源接 反时烧坏单片机控制器 3 电机驱动电路 MOTOR1A 和 MOTOR1B 控制一个 H 桥 该 H 桥输出 J3 接左轮电机 所以 MOTOR1A MOTOR1B 控制左侧小车电机的前进和后退 MOTOR2A 和 MOTOR2B 控制另外一个 H 桥 该 H 桥输出 J5 接右轮电机 所以 MOTOR2A MOTOR2B 控 制右侧小车电机的前进和后退 改变该四路控制信号就可以让小车完成左右 右转 21 前进 后退 原地转圈等动作 4 电机调速电路 为了方便小车的运行速度控制和车轮的差动控制 我们设计了电机调速电路 支 持 DAC 模拟电压控制调速和 PWM 调速两种方式 DAC 模拟电压控制调速 如图 2 9 所示 以 MOTOR1 电路为例子进行介绍 当 J4 断开时 改变三极管 Q7 基极的电压 即改变 SPEED1 输入电压 就能改变三极管 Q7 的发射基的电流 从而改变电机电流 达到改变电机转速的目的 我们可以通过 DAC 控制 SPEED1 的电压变化 来实现电机的无级调速 PWM 调速控制 如果我们使用上面的方式 我们还可以使用 PWM 来对 SPEED1 进行控制 从图 2 9 的电路中 我们可以看到 如果是高电平 Q7 就出于导通状态 电机工作 如果是低电平 Q7 截止 电机也停止工作 通过改变 PWM 占空比就可 以起到电机调速效果 以上两种方法在控制效果上基本一致 没有太多差别 2 5 本章小结本章小结 无线电遥控只是无线遥控中的一种 采用无线电遥控可以实现远距离遥控 发射 功率和天线是制约无线电遥控距离的两个重要因素 发射功率越大 遥控距离越远 当然 这必须建立在天线匹配的基础上 只有匹配的天线才能将高频信号转换成电磁 波并最大限度地发射出去 目前无线电的收发主要是调频和调幅两种形式 虽然调频形式的收发器件生产成 本较高 但是其抗干扰性能及遥控距离都比调幅形式的收发器件优秀 因为其价格并 不算昂贵 因此在此次设计中采用了调频收发形式 虽然如此 要完全发挥无线电遥 控器件的性能必须经过一定的实际调试才能实现的 22 3 无线遥控小车的硬件设计及实现无线遥控小车的硬件设计及实现 3 1 无线遥控小车的任务无线遥控小车的任务 无线遥控小车的硬件平台是以 PIC16F877A 单片机为核心 在此基础上增加了无 线发射与接收部分和信号处理与传输部分 这样在单片机的控制下 小车可以实现实 时检测接收到的信号 单片机判断各个信号从而发出相应的控制信号控制小车进行前 进 后退 左转 右转 加速 减速等动作 3 2 无线遥控小车的硬件组成无线遥控小车的硬件组成 无线遥控小车单片机控制板结构主要包括 PIC16F877A 芯片 无线电接收器 RX 3 和解码芯片 SC2272 遥控器主要包括 按键模块 编码芯片 PT2262 和无线发射器 TX 3 控制板的功能有 1 接收无线电信号 通过 SC2272 解码 2 处理解码后的信号 通过单片机判断程序 输出小车的控制信号 3 输出电机的控制信号 小车相应执行左转 右转 前进 倒车 加速 减 速等功能 3 2 1 无线收发模块简介 23 PT2262 2272 是台湾普城公司生产的一种 CMOS 工艺制造的低功耗低价位通用编 解码电路 PT2262 2272 最多可有 12 位 A0 A11 三态地址端管脚 悬空 接高电平 接 低电平 任意组合可提供 531441 地址码 PT2262 最多可有 6 位 D0 D5 数据端管脚 设定的地址码和数据码从 17 脚串行输出 可用于无线遥控发射电路 PT2262 2272 是基于 CMOS 工艺制造的 功耗低 外部元器件少 RC 振荡模式 工作电压范围宽 2 15v 数据传输最多可达 6 位 地址码最多可达 531441 种 因 此被广泛应用到车辆防盗系统 家庭防盗系统 遥控玩具还有其他工业遥控中 现在市面上有一种和 PT2262 2272 芯片完全兼容的 SC 系列芯片 这种芯片可以直 接替代 PT 系列芯片 外围无需作任何改动 这次实际应用中由于找不到对应的 PT2272 因此用 SC2272 代替 在调试中可以和 PT2262 兼容使用 为了便于理解 在 接下来的介绍中仍然以 PT2272 为主 在具体的应用中 外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节 阻值越大振荡频率 越慢 编码的宽度越大 发码一帧的时间越长 但是 PT2262 和 PT2272 除地址编码必 须完全一致外 振荡电阻还必须匹配 否则接收距离会变近甚至无法接收 根据网上 提供的资料 表 3 1 所示电阻的匹配效果较好 表表 3 1 振荡电阻匹配表振荡电阻匹配表 编码芯片振荡电阻解码芯片振荡电阻 PT2262 SC2262PT2272 SC2272 1 2M200K 1 5M270K 2 2M390K 3 3M680K 4 7M820K 在这次设计中采用的是 1 2M 和 200k 的组合 如图 3 1 所示 24 图 3 1 编码模块和解码模块的振荡电阻 3 2 2 编码芯片 PT2262 PT2262 的引脚如图 3 2 所示 图 3 2 PT2262 引脚图 各管脚的说明如表 3 2 所示 表表 3 2 PT2262 管脚说明管脚说明 编码芯片 PT2262 发出的编码信号由 地址码 数据码 同步码组成一个完整的码 字 2262 每次发射时至少发射 4 组字码 2272 只有在连续两次检测到相同的地址码加 25 数据码才会把数据码中的 1 驱动相应的数据输出端为高电平和驱动 VT 端同步为高电 平 地址码和数据码都用宽度不同的脉冲来表示 两个窄脉冲表示 0 两个宽脉冲 表示 1 一个窄脉冲和一个宽脉冲表示 F 也就是地址码的 悬空 因为无线发射的特点 第一组字码非常容易受到零电平干扰 往往会产生误码 所以程序可以丢弃处理 如果发送端一直按住按键 编码芯片也会连续发射 当发射 机没有按键按下时 PT2262 无法接通电源 其 17 脚为低电平 所以 315MHz 的高频 发射电路不工作 当有按键按下时 PT2262 得电工作 其第 17 脚输出经调制的串行 数据信号 当 17 脚为高电平期间 315MHz 的高频发射电路起振并发射等幅高频信号 当 17 脚为低平期间 315MHz 的高频发射电路停止振荡 所以高频发射电路完全受控 于 PT2262 的 17 脚输出的数字信号 从而对高频电路完成幅度键控 ASK 调制 相当 于调制度为 100 的调幅 3 2 3 解码芯片 PT2272 2272 是与 2262 配对使用的一块遥控解码专用集成电路 采用 CMOS 工艺制造 它最大拥有 12 位的三态地址管脚 可支持多达 531441 或 312 个地址的编码 因此 极大的减少了码的冲突和非法对编码进行扫描以使之匹配的可能性 2272 有很宽的工作电压范围 2 13v 和较强的噪声抑制能力 PT2272 解码芯片 有不同的后缀 表示不