用于移动设备多模式智能控制系统的设计.doc

天津理工大学2008届本科优秀毕业设计说明书用于移动设备多模式智能控制系统的设计摘要 ：本设计包括两部分，一部分是遥控器模块，另一部分是电动车模块。遥控部分包括，按键与上位机控制模式，以便达到人工干预的目的，并通过射频卡nrf905，来达到远距离控制外设的目的。通过电机驱动芯片，以脉宽调制实现对电动车移动速度与方向任意调节。利用电动车上的射频卡nrf905接收遥控器的控制指令来控制电动车的工作模式与状态。该系统的最大特点就是实现自控与人工控制的任意切换。关键字：自适应,人工干预,直流电机,射频卡,脉宽调制design of multi-mode intelligent control system used in mobile devicesabstract: the design includes two parts, one part is remote control module, the other part is motor car module. remote control module includes keys and the pc control mode in order to achieve the manual intervention, and through radio frequency cards nrf905 to remotely control electrically operated motor car. we use pulse width modulation to control motors by using the motor driver chip , this methods can arbitrarily adjust speed and direction of the electric car. the radio frequency cards of the electric car receives remote control commands to control the electric cars model and state. the most important feature of the system is the arbitrary switching between the automatic and manual control.key words: adapting, manual intervention, motor, radio frequency cards, pulse width modulation1 绪论一般的智能移动设备都是靠自适应功能沿着特定轨道来完成工作的，无需外部人为控制。但是在出现突发事件后，例如在移动过程中突然进入到死锁状态。为此本设计为系统添加了人为干预的功能，可以避免移动设备在自适应模式中的突发事件，在此设计中利用光电传感器实现自适应的功能，使电动车沿一特定的轨道移动，在人工干预工作模式中作者设计了两种实现方法，一种是矩阵式键盘控制，另一种为上位机的控制方式。此多模式的控制方式可以扩大系统的应用范围与使用对象。本系统的设计框图如图1.1所示。图1.1系统设计框图fig. 1.1 diagram of system design 2 遥控器系统的设计2.1 遥控器系统的整体介绍遥控器模块包括矩阵式键盘与上位机接口，主要完成对电动车模式的切换与移动状态的改变，主芯片at89s51完成数据的运算与外围电路的控制，射频卡nrf905实现模式控制指令与方向控制指令向电动车的传送，smc1602c是一款可显示两行，每行可显示16个字符的液晶显示屏，在此使第一行显示系统的工作模式，第二行显示电动车的移动状态。单片机与外部电路的连接如图2.1所示1，实验用的遥控器模块如图2.2所示。图2.1遥控器模块原理图fig. 2.1 schematics remote control module 图2.2实验用遥控器fig. 2.2 experiment with remote control在遥控器系统软件的设计中，为了在设计程序时的方便，作者为三种工作模式配置了不同的标志位，分别为flagtrail自适应工作模式标志位，flagkay按键控制模式标志位,flaguart上位机控制模式标志位，当系统上电后各标志位均为0，程序不断的执行扫描控制模式按键，当有模式按键按下后，单片机会置1该标志位同时清0其他标志位。在主程序中循环检测标志位，并执行标志位为1的工作模式子程序，以此达到模式切换的目的。例如当选择自适应控制模式的按键被按下后，flagtrail会置1，其他标志位清0，单片机会通过射频卡向电动车发送执行自适应工作模式的指令。主程序的流程图见附录c2。本节只是对遥控器模块的软硬件设计作了一个整体性叙述，在本章以下几节将对各个部分的设计做逐一介绍。2.2射频卡nrf905的设计2.2.1 nrf905模式设置nrf905有两种工作模式和两种节能模式，分别为掉电模式、待机模式、shock burst tm 接收模式和shockburst tm发送模式。这几种模式由外界cpu通过控制nrf905的3个引脚pwrup、trxce和txen的高低电平来决定3，工作模式设置如表2.2所列4。 表2.1nrf905的工作模式设置table 2.1 work mode of nrf9052.2.2 nrf905的发送模式典型的nrf905发送流程分以下几步：1.当单片机有数据要发送时，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：2.微控制器置trx-ce和tx-en为高电平，激发nrf905的射频发射模式；3.当nrf905处于射频发射模式时，无论trx-ce和tx-en发生怎样的改变，nrf905都能保证本次发送从开始到结束的一次性完成，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。4.当射频配置寄存器中的aut0-retran字段为“1” 时，nrf905不断重发，直到trxce被置低；而当trx- ce被置低，nrf905发送过程完成， 自动进入空闲模式。发送数据子程序见附录a。2.2.3接收模式当trx-ce为高、tx-en为低时，nrf905进入接收模式：1.650us后，开始监听无线电信号；2.当nrf905检测接收频率的载波时，cd变为高电平；当接收到一个有效的地址，am 变为高电平；3.当被接收的数据包crc校验正确，nrf905将除去报头，地址及crc比特，同时使dr变为高电平；4.微控制器把trx-ce置低，nrf905进人空闲模式；微控制器通过spi口，以一定的速率把数据移到微控制器内；5.当所有的负载数据传出后,nrf905再次将设定am和dr为低电平；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5。接收数据子程序见附录b。2.2.3在本设计中对rnf905的设置61选择433 mhz 的频道2器件地址设置为cc,cc,cc,cc3. 数据传输选择1个字节4设定8bitscrc校验2.3单片机的人机交互模块的设计2.3.1液晶与单片机的接口设计smc1602c的具体引脚功能定义如表2.2所示，其引脚与单片机连接原理图如图2.37。表2.2 液晶1602的引脚功能table 2.2 pin function of lcd 1602图2.3 lcd与单片机的连接图fig. 2.3 connection of lcd and 单片机2.3.2本设计中对1602的设置8 (1)写入0x38 设置16*2显示 5*7点阵 8为数据接口(2)写入0x01 显示清屏(3)写入0x0c 开显示 关光标(4)写入0x06 指针加1 屏显示不移动3 移动外设的设计3.1 移动外设模块的整体介绍电动车模块是由主芯片at89s51,用于接收数据的nrf905，用于寻迹的光电管rpr220,左右电机，以及电机驱动芯片l298组成的。硬件原理图如图3.1所示，实验用的实物如图3.2所示。图3.1 移动外设原理图fig. 3.1 schematic of electric car图3.2 用于实验的电动车fig. 3.2 experiment with electric car当移动外设上电后，首先会配置射频卡nrf905,使其工作于接收状态，单片机会循环检测接收数据标志位dr,当其为1时则说明nrf905接收到数据,单片机读取数据，并判断是否为有效数据，如果为无效数据，则返回到主程序，继续检测dr位，当为有效数据后，会根据有效数据的指令控制电动车的移动方向。软件设计流程图见附录d。由于电动车模块的射频卡与遥控器模块完全相同，在此不在赘述，本章只对电动车的驱动原理与电动车运动情况做详细介绍。3.2集成驱动芯片l298电机驱动芯片采用含双h桥的集成电机驱动芯片l298，l298含有15个引脚，它是高电压，高电流，支持ttl电平，可直接直流电机，步进电机等10。其内部电路如图3.311。图 3.3 l298内部结构图fig. 3.3 internal structure of l298内部稳定的双h桥，为电机的稳定的工作提供了条件 其中in 与en端连接单片机控制引脚，在实际应用中是利用in端的高低电平来控制电机的运转情况，现在较多应用的是pwm（脉宽调制）技术。在实际的反复实验中作者对l298与单片机的典型连接做了一定的改进。改进1：为了节省单片机有限的引脚资源，故由一个单片机的引脚，经一个反相器引出两个输出端，分别连接到in端。改进2：在实际实验中，常遇到电动车运行不正常现象，经作者反复实验，检验出是由于电机在转动过程中造成的电磁干扰，为了避免这一情况，在单片机与l298之间，加上了光藕来抑制干扰。经这两处的修改，电动车可以更加安全可靠的行驶。图3.4 rpr220典型电路fig. 3.4 typical circuit of rpr203.3电动车的pwm控制本设计利用单片机的p35,p36引脚来实现左右电机的pwm控制，利用定时器0，产生5ms的中断，并计数20次，在这100ms中来改变高低电平的占空比来达到控制电机的转速，最终实现对电动车速度与方向的调节12。3.4电动车的自适应寻迹功能在此寻迹模式设计中，利用3个光电管rpr220连接单片机三个引脚，光电管典型电路如图3.413。当中间光电管有反射输出，左右光电管无反射输出时，此时三个引脚状态为101，说明电动车位于轨道内正常前进。当左侧与中间的光电管有反射输出时，三个引脚的状态为001，说明电动车相对于轨道右偏，需要调节左右电机的pwm控制端，使电动车略向左转。电动车安装于车身底部，电动车的光电管输出情况与具体调节方式如表3.114。表3.1 光电管输出情况与相应调节方式table.3.1 outputing situation of photocell and adjusted method左中右车身状态驱动调节101电动车沿黑线行驶继续直线行驶001车身略偏右左侧电机转速稍微减慢，使电动车略微偏左行驶100车身略偏左右侧电机转速稍微减慢，使电动车略微偏右行驶011车身强烈右偏左侧电机转速大幅度减慢，使电动车左转110车身强烈左偏右侧电机转速大幅度减慢，使电动车右偏111车身出轨左右电机反转，进入轨道电动车在寻迹工作模式当中，就是依靠软件switch case语句不停的检测三个光电管的输出状态，并通过相应的pwm来控制左右电机，最终实现电动车的寻迹自动控制。4多模式控制方式的实现4.1系统的按键控制模式按键是最传统的人机接口的手段，本设计采用矩阵式按键，连接方式如图4.1，单片机的p1口作为键盘接口，低4位作为键盘的行扫描输入线，高四位作列检测输入15图4.1 矩阵式键盘原理图fig. 4.1 schematic of matrix keyboard在主程序的模式扫描的过程中的当e键被按下后，通过置位flagkey,同时清零flaguart和flagtrial便会进入到这种键盘控制外设的模式。该模式的软件流程图见附录e。当有控制按键按下后，单片机会通过nrf905向电动车发送控制指令。当发送完成后，利用smc1602c的第一行显示系统工作模式，第二行显示电动车的运动状态。具体软件定义的按键功能如表4.1。表4.1 各按键功能table 4.1 the function of each button按键值控制键功能说明电动车移动放心的文字提示相应控制协议指令d自适应工作模式mode trial(液晶第一行)68e按键控制模式mode key(液晶第一行)69f上位机控制模式mode uart(液晶第一行)700前进forward(液晶第二行)01后退back(液晶第二行)12左前f left(液晶第二行)23右前f right(液晶第二行)34左后b left(液晶第二行)45右后b right(液晶第二行) 56停止stop(液晶第二行)6 如果在此模式中按下了其他的工作模式的按键后，置位所按键模式的标志位，进入到新的工作模式。如果在此工作模式中按下了其他的无效按键后，则不做任何处理，重新继续扫描键值。如果没有按键被按下就会不断循环扫描方向控制键，直到有方向键按下或切换到其他工作模式。当遥控器上电或系统工作于其他模式的情况下，如果有控制方向的数字键被按下后，均视为无效16。4.2系统的上位机控制模式在模式扫描的过程中的当f键被按下后，系统便会进入到上位机控制外设的模式。该模式的软件流程图见附录f。进入到该模式后，首先打开定时器1，产生4800的串口数据传输波特率，由于在此工作模式，单片机要进行的工作并不复杂，故在此只采用了查询方式对串口数据接收进行检测，即串口接收到数据后，会自动置位ri串口接收数据标志位，当该位为1时，单片机对数据进行判断，如果为有效的协议数据即进入到发送模式，并将协议指令发送到电动车模块。如果数据为无效的协议码，则继续等待有效串口数据17。软件中定义的串口控制协议码如表4.2所示。表4.2串口控制协议码表table 4.2 serial control codeascii码控制键功能说明电动车移动放心的文字提示相应控制协议指令68自适应工作模式mode trial(液晶第一行)6869按键控制模式mode key(液晶第一行)6970上位机控制模式mode uart(液晶第一行)7048前进forward(液晶第二行)049后退back(液晶第二行)150左前f left(液晶第二行)251右前f right(液晶第二行)352左后b left(液晶第二行)453右后b right(液晶第二行)554停止stop(液晶第二行)64.3自适应工作模式当键盘的d键被按下后，单片机首先关闭其他模式标志位，同时置位flagtrail，然后程序会自动执行到自适应工作的子程序，通过射频卡nrf905向电动车发送自适应工作的指令，并返回主程序等待新的模式键被按下。在此工作模式，无需人工的控制，电动车利用光电传感器根据设定的轨道，自动寻迹来完成移动。5 总结与展望目前移动设备的控制只要有人工控制和自适应控制两种方式，各有其优势和不足。人工控制需要占用人的大量精力且控制速度和效果受操作者个人情况影响，自适应控制可以代替人的操作但在一些特殊情况下移动外设会陷入死锁状态，不能正常工作。两种方式的完美结合，是一种很好的解决方案。为此我们设计了一种用于移动设备多模式智能控制系统可以更有效的实现对移动外设的控制。参考文献1 肖玲妮, 袁增贵. protel 99se印刷电路板的设计教程. 北京：清华大学出版社，2000. 2 谭浩强. c程序设计. 北京： 清华大学出版社，1999. （3）.1234 3 陈伟 基于nrf905射频收发模块的设计. 湖北： 武汉理工大学，2005. 9-134 侯海岭. 无线收发芯片nrf905及其在单片机系统中的应用. 天津：天津科技大学，2002. 4-65 郑启忠，朱宏辉,耿四军.射频收发器 nrf905及其应用n. 211c中国电子网.2004-12-7 4246 nordic vlsi asanrf905 product specification .norway：nordic vlsi asa，2005. 1237 李学海. 标准80c51单片机基础教程-原理篇. 北京：北京航空航天大学出版社. 1998. 8 李朝青. 单片机原理及接口技术. 北京：北京航空航天大学出版社, 2000. 6129 马忠梅. 单片机的c语言应用程序设计. 北京：北京航空航天大学出版社, 1999.（2）.182310 汪源源. 现代信号处理理论和方法.上海：复旦大学出版社，2003.8 41211 谭建成.电机控制专用集成电路m. 北京:机械工业出版社 ,2003 6912 林衡华. 单片机遥控转向控制器. 电子技术 2001年第2期 1813 ramon pallas-areny，john g. webster（美） 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(2). 212517 高峰编.单片微型计算机原理与接口技术.北京：科学出版社，2003.附录a射频卡发送数据程序void spiwrite(uchar byte)uchar i;data_buf=byte;/ put functions parameter into a bdata variablefor (i=0;i8;i+)/ setup byte circulation bitsif (flag)/ put data_buf.7 on data linemosi=1;elsemosi=0;sck=1;/ set clock line highdata_buf=data_buf1;/ shift data_bufsck=0;/ set clock line low void txpacket(uchar dat)uchar i；csn=0;/ spi enable for write a spi commandspiwrite(wtp);/ write payload commandspiwrite(dat);/ write 32 bytes tx data csn=1;/ spi disabledelay(1);csn=0;/ spi enable for write a spi commandspiwrite(wta);/ write address commandfor (i=0;i4;i+)/ write 4 bytes addressspiwrite(rxtxconf.bufi+5);csn=1;/ spi disabletrx_ce=1;/ set trx_ce high,start tx data transmissiondelay(1);/ while (dr!=1);trx_ce=0;/ set trx_ce low附录b射频卡接收数据程序void spiwrite(uchar byte)uchar i;data_buf=byte;/ put functions parameter into a bdata variablefor (i=0;i8;i+)/ setup byte circulation bitsif (flag)/ put data_buf.7 on data linemosi=1;elsemosi=0;sck=1;/ set clock line highdata_buf=data_buf1;/ shift data_bufsck=0;/ set clock line low uchar spiread(void)uchar i;for (i=0;i8;i+)/ setup byte circulation bitsdata_buf=data_buf1;/ right shift data_bufsck=1;/ s