某智能小车详细设计方案

0 某智能小车详细设计方案 1 前 言 能小车的意义和作用 自第一台工业机器人诞生以来 ,机器人的发展已经遍及机械 ,电子 ,冶金 ,交通 ,宇航 ,国防等领域 并且迅速地改变着人们的生活方式 改造 ,认识自然的过程中 ,由此发展起来的智能小车引起了众多学者的广泛关注和极大的兴趣。 智能小车，也就是轮式机器人，最适合在那些人类无法工作的环境中工作，该技术可以应用于无人驾驶机动车，无人生产线，仓库，服务机器人，航空航天等领域。作为 20 世纪自动化领域的重大成就，机器人已 经和人类社会的生产、生活密不可分。因此为了使智能小车工作在最佳状态，进一步研究及完善其速度和方向的控制是非常有必要的。 智能小车 要实现自动 寻迹 功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物 ,感知导引线相当给机器人一个视觉功能 统 ,基于它的智能小车实现自动识别路线 ,判断并自动避开障碍 ,选择正确的行进路线 该智能小车可以作为机器人的典型代表 传感器检测部分 ,执行 部分 ,还可以扩展循迹等功能 ,感知导引线和障碍物 选择正确的行进路线 ,并检测到障碍物自动躲避 智能小车的执行部分 ,是由直流电机来充当的 ,主要控制小车的行进方向和速度 第一 ,勿需占用单片机资源 ,直接选择有 能的单片机 ,这样可以实现精确调速 ;第二 ,可以由软件模拟 出调制 ,需要占用单片机资源 ,难以精确调速 ,但单片机型号的选择余地较大 配合软件编程实现 . 能小车的现状 现智能小车发展很快 ,从智能玩具到其它各行业都有实质成果 避障 ,检测贴片 ,寻光入库 ,避崖等基本功能 ,现在大学 电子设计大赛智能小车又在向声控系统发展 我此次的设计主要实现循迹避障 通信及遥控功能。 2 西华大学毕业设计说明书 2 方案设计与论证 根据题目的要求，确定如下方案：首先设计出小车的基本模形以及传动方案，并在车上加装光电检测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片 机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。 这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。 块方案比较及论证 根据设计要求，我们的自动避障小车主要由六个模块构成：车体框架、电源及稳压模块、主控模块、探测模块、电机驱动模块组 成。 各模块分述如 图 2 图 2主控模块 单片机(动循迹模块 (传感器 避障系统 （传感器 无线遥控模块 (小车间通讯模块 速度显示模块 (示 ) 电机驱动及运动模块 (上位机通信模块 速度检测模块 (传感器 3 西华大学毕业设计说明书 车体 设计 在设计车体框架时，我们有两套起始方案，自己 设计画出小车的模型 和直接购买玩具电动车 改装 。 方案 一 ： 用现有 的小车改装 电动 小车 价格低廉，有完整的驱动、传动和控制单元，其中传动装置是我们所需的。但玩具电动车采用普通直流电机驱动，带负载能力差，调速方面对程序要求较高。同时，玩具电动车转向依靠前轮电机带动前轮转向完成，精度低 ，又由于本次毕业设计只是理上研究，和巩固已学过的 相关知识，如果购买小车会自带程序和一些图及参数，容易产生惰性。所以购买小车做实物的价值不大，因些我们放弃这一方案。 方案 二 ：自己设计制作车架 自己 设计 小车底盘，用两个直流减速电机作为主动轮，利用两电机的转速差完成直行、左转、右转、左后转、右后转 、倒车等动作。减速电机扭矩大，转速较慢，易于控制和调速，符合避障小车的要求。而且自己制作小车框架，可以根据电路板及传感器安装需求设计空间，使得车体美观紧凑。 通过 e 设计相关的的小车模型，以便更直观的看到小车的运动原理和传动方案，所以综上 我们选 择方案二。 如图 2 图 2车模型设计 源及稳压模块 方案一：采用交流电经直流稳压处理后供电 采用交流电提供直流稳压电源，电流驱动能力及电压稳定性最好，且负载对电源影响也最小。由于需要电线对小车供电，极大影响了壁障小车行动的灵活性及 地形的适应能力。而且壁障小车极易把拖在地上的电线识别为障碍物，人为增加了不必要的障碍。故我们放弃了这一方案。 方案二：采用蓄电池供电 蓄电池具有较强的电流驱动能力和较好的电压稳定性能，且成本低廉。可采用 4 西华大学毕业设计说明书 蓄电池经 7812 芯片稳压后给电机供电，再经过降压接 7805 芯片给单片机及其他逻辑单元供电。但蓄电池体积相对庞大，且重量过大，造成电机负载过大，不适合我们采用的小车车架（玩具电动车车架）。故我们放弃了这一方案。 方案三：采用干电池组进行供电 采用四节干电池降压至 5V 后给单片机及其他逻辑单元供电，另取六节 干电池为电机及光电开关供电。这样电机启动及制动时的短暂电压干扰不会影响到逻辑单元和单片机的工作。干电池用电池盒封装，体积和重量较小，同时玩具车底座可以安装四节干电池，正好可为单片机及其他逻辑单元供电。在稳压方面，起始时考虑使用 7805 芯片对 6V 的电池电压进行降压稳压。但考虑到这样使得 7805 芯片消耗大量能量，降低电池寿命；同时，由于 电开关、小车电机对于供电电压要求并不苛刻，故我们将 6V 电池电压接一个二极管降压后直接给单片机及其他逻辑单元供电。而电机和光电开关的电源不做稳压处理。这样只需在小 车 遥控 上加两个调速按钮，根据电池电量选择合适功率即可，甚至于可直接在软件里设置自动换挡。综合考虑，我们采用方案三 ， 示意图如 图 2示。 图 2源模块设计 主控模块 由于智能小车的要求不是很高，主要都是一些简单的控制， 我们在单片机原理与应用技术学习过的 ， 且价格便宜容易购买，所以最终 我们直接选用了课程主要介绍的， 司的单片机作为主控模块 ，如图 2示。 主要性能参数 与 品指令和引脚完全兼容。 8 字节可重 擦写 闪速存储器 图 2 1000 次擦写周期 全静态操作： 0 三级加密程序存储器 9V 直流电源 直流电机供电 光电开关供电 5 西华大学毕业设计说明书 256节内部 32 个可编程 I/0 口线 3 个 16 位定时计数器 8 个中断源 可编程串行 道 低功耗空闲和掉电模式 测 及寻迹 模块 避障传感器模块 自动 避障 的原理 和方案 小车车头处装有 二 个光电开关，一个光电开关对向 左 前方， 一个 光电开关向 右前方 ，（如右图所示）。小车在行进过程中由光电开关向前方发射出红外线，当红外线遇到障碍 物时发生漫反射，反射光被光电开关接收。小车根据 二 个光电开关接受信号的情况来判断前方障碍物的分布并做出相应的动作。光电开关的平均探测距离为 30 方案 一 ：使用光电对管探测 光电对关价格低廉，性能稳定，但探测距离过近（一般不超过 3使得小车必须制动迅速。而我们由于采用普通直流电机作为原动力，制动距离至少需要10此我们放弃了这一方案。 方案 二 ：使用视频采集处理装置进行探测 使用 时采集小车前进路线上的图像并进行实时传输及处理，这是最精确的障碍物信息采集方案，可以对障碍物进行精确定 位和测距。但是使用视频采集会大大增加小车成本和设计开发难度，而且考虑到我们小车行进转弯的精确度并未达到视频处理的精度，因而使用视频采集在实际应用中是个很大的浪费，所以我们放弃了这一方案。 方案 三 ：使用光电开关进行障碍物信息采集 。 使用三只 电开关，分别探测正前方，前右侧，前左侧障碍物信息，在特殊地形（如障碍物密集地形）可将正前方的光电开关移置后方进行探测。电开关平均有效探测距离 030调，且抗外界背景光干扰能力强，可在日光下正常工作（理论上应避免日光和强光源 的直接照射）。我们小车换档调速后的最大制动距离不超过 30般在 1020右，因而探测距离满足我们的小车需求。 综上考虑，我们选用方案四。 示意图如图 2示。 6 西华大学毕业设计说明书 图 2车避障框图 小车循迹的原理 这里的循迹是指小车在黑色地板上循白线行走，通常采取的方法是红外探测法。 红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接 收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过 3 方案 1：用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。 红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因 此我们放弃了这个方案。 方案 2：用光敏电阻组成光敏探测器。 光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其他更加稳定的方案。 方案 3：用反射型光电探测器 一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电 三极管。 用 装，其具有如下特点： 塑料透镜可以提高灵敏度。 内置可见光过滤器能减小离散光的影响。 体积小，结构紧凑。 光电开关 1 光电开关 2 电平转换 单片机 7 西华大学毕业设计说明书 当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。 因此我们选择了方案 3。 电机选择及驱动模块 本系统为智能小车，对于智能小车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。由于本实验要实现对路径控制定位和速度测量不是要求太高，精度也不是太高，所以我们综合考虑了一下两种方案。 方案 1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。 由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统，经综合比较考虑，我们放弃了此方案。 方案 2：采用直流电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。 遥控车马达 /小直流电机电机 电电压 ： 直流转速 2400r/m 是 自制玩具车等模型理想选择 。 能够较好的满足系统的要求，因此我们选择了此方案。 电机驱动模块 方案一：使用分立原件搭建电机驱动电路 使用分立原件搭建电机驱动电路造价低廉，在大规模生产中使用广泛。但分立原件 H 桥电路工作性能不够稳定，较易出现硬件上的故障，故我们放弃了这一方案。 方案二：使用 片驱动电机 一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片 且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。 输出电压最高可达 50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的 提供信号，而且带有 使能端，方便 速，电路简单，性能稳定，使用比较方便。 片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，正好符合我们小车两个二电机的驱动要求。 综合考虑，我们采用 片驱动小车电机。 控制示意图 如图 2示。 8 西华大学毕业设计说明书 图 2机驱动框图 流调速设计 、基于晶闸管作为主电路的调速系统 晶闸管的调速系统是采用分离元件设计的调速系统占用的空间大，控制角难于调整，且模拟器件的固有缺陷如：温漂、零 漂电压等，导致电机的调速无法达到满意的结果。晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难，性能较差，自动化控制程度差，调速过程较为复杂，不利于工业生产和小功率电路中采用。另一问题是当晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低，并产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动殃及同电网中的用电设备，造成“ 电力公害 ” 。 、基于 与传统的直流调速技术相比较， 宽调制技术 )直流调速系统具有较大的优越性：主电路线路简单，需要的功率元件少；开关频率高，电流容 易连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；系统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高。 一种是软件的方法；另一种是硬件的方法。 基于 一系列的脉宽调速系统：此种方式采用 为控制电路的核心，用于产生控制信号。 生的信号要通过功率放大才能驱动后+9直流供电电源 单片机指令总线 +5护 电路 电机 电机 保护 电路 9 西华大学毕业设计说明书 级电路 8。 成的控制电路较为复杂，且智能化、自动化水平较低，在工业生产中不利于推 广和应用。 基于单片机类由软件来实现 速系统中占空比 变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比 D 的大小，改变变占空比 A、定宽调频法：保持 1t 不变，只改变 t，这样使周期 (或频率 )也随之改变。 B、调宽调频法：保持 改变 1t ，这样使周期 (或频率 )也随之改变。 C、定频调宽法：保持周期 T(或频率 )不变，同时改变 1t 和 t 前两种方法在调速时改变了控制脉冲的周期 (或频率 )，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，将会引起振荡，因此常采用定频调宽法来改变占空比从而改变直流电动机电枢两端电压。利用单片机的定时计数器外加软件延时等方式来实现脉宽的自由调整，此种方式可简化硬件电路，操作性强等优点。 总 之， 约空间、抗噪性能强，是一种值得广大工程师在许多设计应用中使用的有效技术。 且用软件实现 非常容易。 车差速运动模型的建立 本设计中，采用的四轮结构，驱动系统采用两轮差速驱动方式，后两个为从动轮，只起到支撑平衡作用，在建模中可以忽略。假定左右两个驱动轮与地面之间没有滑动，也没有侧移，只是做纯粹的滚动，则机器人满足钢体运动规律 14。图 2W,O为世界坐标系， X,Y,O为移动坐标系， 机器人前进方向。 Y 小坐标系 移动机器人运动学主要处理控制参数和系统在状态空间的运动两者之间的关系，它包 括正运动学和逆运动学两个方面。正运动学解决如何根据移动机器人的速度来计算它的位姿或运动轨迹，当机器人的位姿（ x， y，）时，差动轮式机器人的 10 西华大学毕业设计说明书 正运动学就是利用这连个差动轮的速度（ 来计算其位姿，通用公式计算如下 01( ) ( ) ( ) c o s ( ) 2 t t v t v t t d t (201( ) ( ) ( ) s i n ( ) 2 t t v t v t t d t (201( ) ( ) ( ) t v t v t d (2其中， 和 别为左右轮的驱动速度， l 是两个驱动轮之间的距离， r 为移动机器人的驱动轮半径；移动机器人逆运动学解决如何控制轮子的速度以达到移动机器人所需的运动轨迹或位姿，即在已知位姿（ x， y，）时，如果根据以上公式，求出两轮差动速度（ 。由于差动轮式驱动属于非完整性约束问题，故移动机器人逆运动学只有在特殊条件下求解，其解往往不唯一，根据系统的需求，本文对移动机器人的运动学分析按两种情况分别进行。 直线运动 当差动轮式移动机器人左右两轮的速度大小相等且方向相同时，机器人的运动轨迹为直线，所图 2示。 Y X 0P 0P t X 线运动原理图 设 t=0 时，机器人移动坐标系 世界坐标系 W,O重合，经过时 间后机器人运动到新的移动坐标系 当机器人左右两轮的 速度大小相等且方向相同 (即 时由公式 (2： 01( ) ( ) ( ) 0t v t v t d 11 西华大学毕业设计说明书 将其代入公式（ 2 2： x(t)= t (2y(t)=0 (2由 0q= 和 (2(2可知：机器人左右两轮的速度大小相等而方向相同时机器人的运动轨迹为直线。、 圆弧运动 当差动轮式机器人左右两轮的运动方向相同速度大小保持不变且差速度固定不变时，机器人的运动轨迹为圆弧。 设 t=0 时，机器人移动坐标系 世界坐标系 W,O重合，经过时间后机器人运动到新的移动坐标系 如图： Y X 0P 0P tX tY 弧运动原理图 当机器人左右两轮的速度差恒定，且方向保持不变时，由公式 (2： 01( ) ( ) ( ) t rl t V t d t (2将 () 和v v 代入公式 (6有： (2求定积分得： 2 ( )( ) s i n ( )2lv t v t (2将 () 和v v 代入公式 (2有： 2 ( )( ) 1 s i n ( ) 2lv t v t (2由公式（ 2： 01( ) ( 2 ) c o s ( )2 t l vx t v t t d 12 西华大学毕业设计说明书 2s i n ( ) ( )2 ( )x tl v t t l (2由公式（ 2： 2c o s ( ) 1 ( )2 ( )y tl v t t l (222c o s ( ) s i n ( ) 1 2222 ( ) 1 ( ) 12 ( ) 2 ( )t y tv t v l v t t l (2由上可知，机器人的运动轨迹为一圆弧，将上式转化为圆的标准方程： 2 2 22 ( ) 2 ( )1( ) ( ) 22t v v t lx t y t 由式（ 2（ 2知，当机器人左右两轮的运动方向相同、速度大小保持不变且速度固定不变时，机器人的运动轨迹为圆弧。圆心在世界坐标系 轴上。其圆心坐标为： (0, (2 ( ) )2lv t v ), 圆弧半径为： ( 2 ( ) )2lv t v 当机器人右轮速度大于左轮速度时，机器人的运动轨迹在世界坐标系的一、二象限；当机 器人右轮速度小于左轮速度时，机器人的运动轨迹在世界坐标系的三、四象限。运动轨迹如图： Y X 0P 0P tX tY X X 0P 0P tX tY 0v v b : 0v v 2弧运动 动控制参数的确定 在本设计中，机器人的驱动轮和从动轮的半径都为 40驱动轮之间的中 13 西华大学毕业设计说明书 心距为 100于 出的占空比与 出驱动的电机转速成近似的线性关系，故可以根据给定的速度要求，拟合出占空比的近似值，反过来，对于给定的占空比，同样可以得到相应的速度近似值。设拟合方程为 : 2d u t y f a c t o r a v b v c= + +其中： 示占空比 v 表示小车直线的速度 在这个方程中，有三个未知数 a、 b、 c,在试验的条件下，分别取三组 （ v ， ，则可以确定三个未知数的值。 要求直线运动时， 把两路 出的占空比赋予相同的值，即可得到与之对应速度的直行效果。 要求圆弧运动时，从初始时刻给定机器人的车轮转速，将机器人的起始坐标设在 0， 0处，机器人做圆弧运动时，其圆心坐标为 (0, (2 ( ) )2lv t v ), 圆弧半径为：( 2 ( ) )2lv t v lR v 按照机器人逆运动学原理，假设要使机器人按半径为 R 的圆弧运动，则根据 速度差。 为此，取 R=50行分析。 从 ( 2 ( ) ) 502lv t v lR v知，机器人所以的速度和速度差可以有多个解。下面讨论 1 0 ( / )lv cm s=的情形。 当 1 0 ( / )lv cm s= 时：两驱动轮间距离为 100由 ( 2 ( ) ) 502lv t v ，可得 )/(02.2 因而右轮的速度 1 2 ( / )rv c m s= 。 根据拟合方程 ，可以得到对应的驱动右轮的 空比。 说明：对于给定的 R，其速度和差速度解可以有多个，所以在左转弯时，假定1 0 ( / )rv cm s= ，右转时则 1 0 ( / )lv cm s= ，就有对应的唯一差速度解。 由于速度和和 脉冲宽度成正比，所以可以在编程中用脉冲宽度来调节，见仿真。 控方案设计 统设计 14 西华大学毕业设计说明书 遥控器部分框图如：如图 2示。 编 码 芯 片键 盘 模 块 发 射 电 路天线图 2控接收部分框图如图 2示。 解码芯片单片机控制 接受电路 解决方案 (一 ) 采用玩具遥控芯片 码解码芯片。 一对采用 它具有功耗低 ,电源电压适用范围宽 ,工作稳定可靠 ,外围元件少等特点 编码发射电路 ,与 套使用的译码接收电路。 如图 2 2示。 图 2 图 2 典型的应用电路如：图 2 2车运动 15 西华大学毕业设计说明书 图 2 2射模块： 采用带放大三极管 发射电路模块，一个串行数据输入，另外两个引脚供电，发射距离远。在不带电线的情况下也能有 5距离，安装上电线发射距离达 100m 左右。天线设计采用 鞭型天线 。 接收模块： 采用自带天线的接收模块，一般为印刷天线，这样可以减少电路的体积，同时减轻天线的调试工作。 解决方案 (二 ) 采用 编码解码芯片。 多支持 6 位数据编码，一般支持 4 位 数据编码。 三态地址编码功能，只有地址匹配时才能传输数据。 典型应用电路如：图 2图 216 西华大学毕业设计说明书 图 2 2射和接受模块采用 的设计。发射模块天线，采用螺旋天线，以减少遥控器占用的空间。 方案讨论 基于以上的提出的两个方案，结合现实考虑。在智能小车中，一台小车可以和多台小车一起协调工作。由于电磁波传播方向是全方位的，一个遥控器的遥控可能会对多台小车产生影响。假如没有地址配对，那么在多台小车工作时，遥控将 会变得混乱，所以使遥控器与仪器的一一配对显得非常重要。基于以上考虑，采用第二种方案能达到现实的要求。发射接受模块，应该要满足体积小，通信距离远，抗干扰性强等要求，所以应该采用有发射放大三极管的发射电路，外加天线设计；接受模块采用印刷天线的设计方法。 线通信模块工作原理 无线通信模块的发射与接收主要采用 为主工作核心， 工作在 433段的单片无线收发芯片。 0以 17 西华大学毕业设计说明书 和各种单片机和微控制器连接，控制简单方便。配合简单的通信协议， 就可以使用现无线数据传输。采用点对多点半双工通信机制，设计一个简单有效的通信协议，实现对所采集到的数据进行有效传送。最简单的多机通信方式就是使用串行通信，所以使用单片机串行口配合 片，就可以实现简单有效的点对多点通信。其工作原理图如图 2图 2 功率无线射频通信模块块特点： 大发射功率 10 无需申请频点。载频频率 433可提供 868/915 误码率。基于 用高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力，在信道误码率为 10，可得到实际误码率100 视距情况下，天线高度 2 米 ,可靠传输距离可达300200 供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。自动过滤掉空中产生的假数据 (所收即所发 )。 个信道，如果用户需要，可扩展到 16/32/64信道。满足用户多种通信组合方式。 3 种接口方式。 列提供 2 个串口3 种接口方式， 平 口。 用户自定义为标准的 (用户只需要拔插 1 位短路器再上电即可定义 )。 口波特率为 1200/2400/4800/9600/19200/38400式为 8户自定义，可传输无限长的数据帧，用户编程更灵活。 户无需编制多余的程序。即使是半双工通信，用户也无需编制多余的程序，只要从接口收 /发数据即可，其它如空中收 /发转换，控制等 操作， 动完成。 10. 低功耗及休眠功能。 +5收电流 。 18 西华大学毕业设计说明书 图 2 其主要特性如下 : 工作频率为国际通用的数传频段 制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合； 采用 率稳定性极好； 灵敏度高，达到 功耗小，接收状态 250 A，待机状态仅为 8 A（ 最大发射功率达 +10 低工作 电压（ 可满足低功耗设备的要求； 具有多个频道，可方便地切换工作频率 ； 工作速率最高可达 20s（ 仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件，基本无需调试； 因采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的使用距离最远可达 1000米 (与具体使用环境及元件参数有关 )。 引脚排列和功能 19 西华大学毕业设计说明书 图 2线收发引脚接连接 线收发芯片具有 20 个引脚。 重要时序参数 当从 换到 式时 ,数据输入脚 (须保持为高至少 1能收发数据。当从 据输出脚（ 至少 3 从待机模式到接收模式，当 入设成 1 时，经过 间后 , 长的时间是 3 从待机模式到发射模式，所需稳定的最大时间是 从加电到发射模式过程中，为了避免开机时产生干扰和辐射，在上电过程中输入脚必须保持为低，以便于频率合成器进入稳定工作状态。当由上电进入发射模式时， 从上电到接收模式过程中，芯片将不会接收数据， 不会有数据输出，直到电压稳定达到 上，并且至少保持 5果采用外部振荡器，这个时间可以缩短到 3 应用电路及设计应注意问题 在实际应用中，微控制器采用 司的 别用单片机的 各管脚控制 体连接可参见图 2 20 西华大学毕业设计说明书 接口芯片采用美信公司的 成单片机和计算机 接收、请求、清除功能。关于此芯片的使用可参见其手册。 在 片使用时，设定好工作频率，进入正常工作状态后，通过单片机根据需要进行收发转换控制，发送接收数据或进行状态转换。在实际的设计应用中，需要注意以下几个问题： （ 1）天线的接入 及发送时功率放大器的输出。连接 。在天线端推荐的负载阻抗是 400 欧姆。图2一个典型的采用差分方式的原理图。射频功率放大器输出是两个开路输出三极管，配制成差分配对方式，功 率放大器的 采用差分环形天线时， （ 2）与单片机共用一个晶振 以与单片机共用一个晶振 ， 这种应用的连接方式。需要注意从单片机引入的晶体走线不能离数据线或者控制线太近。 通信协议的设计 这种应用中需要尽可能长时间的工作，考虑到电池的能耗，往往需要考虑节能和低功耗设计的问题。为了节能，时大多数情况下应处于关闭状态，由于无线部分硬件上是不具备自动唤醒功能的，为了达到节能的目的 ，必须通过软件方式采用合理的通信协议以保证节能同时不丢失数据。 （ 1）首先每次发送应该有一个前置码，通常可采用 101010101010 ，持续一个给定的周期（比如 1秒），这个前置码是节能的基础。 （ 2）接收端平时可以开启接收几个毫秒，如果没有收到规定的前置101010101010 ，然后关闭约 1秒，通过检测前置码而获得同步。开关的时间比也就是工作的占空比，增加前置码的周期可以减少工作的时间，从而减少平均工作电流；需要注意的是增加前置码的长度虽然可以降低功耗，但是会降低系统的响应速度，需要根据系统的要求 进行确定。 软件设计 在设计程序时，要注意各状态转换的时延。 通讯速率最高为20s，发送数据之前需将电路置于发射模式；接收模式转换为发射模式的转换时间至少为 1以发送任意长度的数据；发射模式转换为接收模式的转换时间至少为 3待机模式时，电路进入待机状态，电路不接收和发射数据。待机模 21 西华大学毕业设计说明书 式转换为发射模式的转换时间至少为 4机模式转换为接收模式的转换时间至少为 图 2线收发模块（ 车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触 能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、 无线232数据通信、无线 485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等。 干扰能力强，特别适合工业控制场合 率稳定性极好。 到 收状态 250机状态仅为 8+10可满足低功耗设备的要求 方便地切换工作频率 0 感元件，基本无需调试 接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的使用距离最远可达 1000米 * *与具体使用环境及元件参数有关 33信道数 2功能 发射 /接收 稳频方式 调制方式 22 西华大学毕业设计说明书 最大输出功率 +10灵敏度 最大工作速率 20s 工作电压 本单总结出的 最终方案如下： 使用干电池组对系统供电， 智能小车的模形用 e 画出基本的形状和各个传感器的安装位置 ，采用 为主控芯 片，采用 电开关进行障碍物探测，使用 动直流电机。 3 系统的具体设计与实现 3 源模块 由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。 直流电源降压 经过测量，一般四节新南孚电池串联带负载后可提供 压。经过二极管稳压至 给逻辑器件供电并给系统提供高电平标准。 图 3机供电也采用电池供电， 6 节 电池供电，理论电压是 9V,但实际上总共电压也在 右，虽然略有一点低，但由于我们不对小车进行精确控制，所以选用这个方案，如图 3示。 制模块 集成电路 图 3-2 物图 23 西华大学毕业设计说明书 【主要特点】 、 低功耗发射 、 声表稳频 、 无数据时发射电流为零 、 较宽的工作电压范围 【应用说明】 用 艺，树脂封装，小体积，声表稳频，内部具有一级调制电 路及限流电阻，适合短距离无线遥控报警及单片机无线数据传输。 有较宽的工作电压范围及低功耗特性， 式调制。 能任意调整发射电流，单片机的数据可直接通过串口进入 数据输入端。 无数据输入时单片机必须为低电平状态； 无数据输入时单片机必须为高电平状态。 要输入数据才能发射，数据信号停止，发射电流为零。 数据脉冲发射效果较理想，过宽过窄的脉冲会引起调制效率下降，过调制或调制不足使收发距离变近。 直流电平及模拟信号不能发射。如在数 据位前加一些乱码可以抑制接收机的零电平燥声干扰。若采用通用编码器 2262，发射效果比单片机好，因为 2262的数据无论怎么变 ， 但脉宽是不变的，即使出现一点突发性的外界干扰，解码器的宽容性也会解码输出高电平。而单片机则会出现数据错误。所以单片机必须要工作在可靠的收发区域才能保证较低的误码率。 4 个功能引脚，因为体积小，功耗 低， 无天线只能满足短距离使用，而天线对距离起着很大的作用，天线能否匹配 ， 也是很关键，匹配良好的天线能增加几倍的距离，匹配不好的天线效果很差甚至会引起频率漂移。天线的长度应取发射频率的 1/4 波长，可以用一根直径 米，长度（ 433M） 18 厘米；（ 315M）24 厘米的漆包线代替。但天线必须拉直，指向无所谓。短于 1/4 波长或弯曲的天线效果会很差。 垂直安装在印板边部，应离开周围器件 5上，以免受分布参数影响 而停振。 射距离与输入信号，发射电压，电池容量，发射天线及发射环境有关。在障碍区由于折射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， 佳有效工作距离为 100M 左右。 24 西华大学毕业设计说明书 图 3线发射原理图 收集成电路 采用接收模块 图 3物图 【主要特点】 、 (低功耗超再生接收模块 、输出无噪声干扰 、接收灵敏度高 【应用说明】 部具有放大整形电路，只适合数据信号的接收而不适合模拟信号。 处点可根据需要接一支 470电阻可使 出更干净，但接收灵敏度会降低。 安 装在印板边部并离开周围器件 5上，要垂直于线路板，否则会引起频率偏移。如果器件较多还必须注意地线布局合理，如果有晶振或其 他信号源 ，必须远离 则会引起很多无法排除的干扰致使接收电路无法正常工作。 25 西华大学毕业设计说明书 外接天线提高接收灵敏度，天线长度不限。 态编码集成芯片，这组器件广泛用于各种遥控器件上，只需较低的 +3V 电压就能工作。 发射编码芯片， 接收解码芯片，两者的地址必须配对，而且振荡电阻必须符合要求。 是发射允许端，接受低电平时， 17 脚 输出一串编码。该串编码在载波上发送出去，被接收端接受和解调，输入 14 脚，当地址配 对时， 码有效端输出高电平，数据端口就会输出与 射端口一致的数据，从而实现遥控功能。 接收电路原理图如图 3示。 图 3收电路原理图 遥控键盘设计 由于没有合适的键盘模型可选，所以自把键进行组合，并实现发送和接收数据，设计的键盘如图 3示。 图 3键原理图 26 西华大学毕业设计说明书 示原理 3示电路 本设计中用 示小车运行的时间、运行的路程及小车运行的速度。除此之外还利用 小车进行 速的占空比。这样可以很明了的看出小车的运行情况，便于小车的调试和故障的检查 显示原理图如图 3示。 图 3示原理图 面检测模块 应用两个光电传感应器，安装在车盘下，离地略小于或约四毫米。当金属传感器检测到黑线时将对单片机发送信号，单片机运行相应该程序，改变输给电机驱动信号的电压占空比差来控制小车的速度和方向。 图 3 3示电路中， 限流电阻的作用，当有光反射回来时，光电对管中 27 西华大学毕业设计说明书 的三极管导通， 上端变为高电平，此时 和导通，三极管集电极输出低电平。当没有光反 射回来时，光电对管中的三极管不导通， 至，其集电极输出高电平。 该电路中起到滤波整形的作用。 经试验和示波器验证，该电路工作性能一般，输出