毕业设计（论文）-基于单片机的遥控智能小车设计

摘 要多功能遥控智能小车的设计以AT89S52单片机为控制核心，利用红外线的传感器检测道路上的障碍，控制电动的小汽车自动避障，并可以实现温度远程测量和数据无线传输和分析、报警等功能。本系统包含无线遥控模块、温度测量、无线传输、避障等模块。本设计的收发模块是利用PT2262/2272和DFF的模块点动操作。单片机根据接收到的遥控信号，实现对电机的控制，从而控制小车的前进、后退、左转、右转等基本动作。温度传感器选择的是DS18B20。该传感器有较大的测温敏捷性和较为方便的数字输出，很便于后期数据分析和处理。本设计的避障部分，是采用红外传感器检测。遇到障碍物时，信号输出端从高电平变到低电平。下降沿触发中断，执行相应的中断子函数，实现自动避障。无线数据传输模块选用的是NRF24L01，它是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM频段。 总之，本设计充分利用了车载的灵活方便的特性，传感器加于小车之上，以实现随时随地的监测、控制。在对探险及危险侦测的应用方面有重要意义。关键词：多功能遥控智能小车； AT89S52；温度传感器；无线数据传输；无线遥控 ABSTRACTThe design of multi-function control intelligent car is using the series of 51 single-chip microcomputer AT89S52 as control core.It can avoidance obstacle automatically, and can realize temperature remote measurement，data wireless transmission analysis and alarm functions.This system contains wireless remote control module, temperature measurement, wireless transmission, obstacle avoidance module, etc.The wireless remote part of this design is using PT2262/2272 and DF to act as point to point. According to the remote signal received, SCM realizes the control of the motor, so as to control the car move forward, backward, left turn,right turn, and other basic actions. Temperature sensor DS18B20 was chosen. The sensor is larger agility and more convenient digital output,very convenience for later data analysis and processing.Obstacle-avoiding part is using infrared sensor to detect obstacles, and signal output terminal changes from high level to low level. Falling edge executes trigger disruption to realize the obstacle avoidance by execute son function.This design of wireless data transmission module is NRF24L01 which is a single piece of RF transceiver devices, working in 2.4 2.5 GHz in ISM band. In short, this design makes full use of the characteristics of the car which is flexible and convenient for add the sensor on the car to monitor and control anytime and anywhere. In the dangerous exploration and detect applications ，it have the important meaning.Keywords: multi-function remote intelligent car; AT89S52 devices; Temperature sensors; Wireless data transmission; Wireless remote control目 录摘 要IABSTRACTII1 绪 论11.1 课题研究意义11.2 国内外现状11.3 本设计的目标22小车方案的设计42.1 主控方案42.2 驱动及方向控制模块设计方案62.2.1 驱动及方向电机控制方案62.2.2 驱动及方向电机选择方案72.3 避障模块设计方案82.4 无线遥控收发及数据传输模块设计方案92.5 温度传感装置的设计方案102.6 温度显示方案的设计102.6.1 显示屏的选择102.6.2 显示方法的选择113 小车的硬件设计123.151最小系统板133.2 驱动模块及方向控制模块173.3 红外避障模块183.4 车灯模块203.5 无线遥控模块的设计213.6 无线温度传输模块的设计233.6.1 无线发送模块253.6.2 无线接收模块263.7 稳压模块273.8 显示模块283.9 按键模块284 系统软件设计304.1 系统总体软件设计304.2 各模块软件设计325 整机调试425.1 小车的训练调试425.2 电机驱动的调试425.3 无线遥控的调试435.4 无线温度计的调试455.5 无线温度计的按键及相关功能的调试465.6 避障模块的调试476 总结与展望496.1.1 总结496.2.2 展望50致 谢51参考文献52附录1：源程序53附录2：小车的电路原理总图95521 绪 论1.1 课题研究意义随着科学技术的发展，以信息技术为主导的世界性新技术革命已广泛渗透社会的各个方面，给世界带来日新月异的变化，使人类的工作与生活环境日趋智能化。大容量、高速度、网络化、多媒体化的计算机，以及智能化的控制系统和通讯系统，空前放大了人的智力，延伸了人的神经系统和感官系统，改变了人机交互的方式方法、时间和空间关系。在现代这个技术十分发达的社会，由于其无人现场驾驶的特点，智能无线控制小车可实现多领域的应用，如国防、救灾、以及高危险领域的作业。由于是毕业设计，基于取材所限，故而采用无线控制玩具小车的方法。作为一个移动控制的平台，作为一个移动控制的平台，它也属于智能机器人的一个分支，它的功能可以实现很多。其研究实力直接反映了一个国家在信息及控制领域的实力。且随着信息技术的继续发展，各种设备都不断趋于智能化，这也是一个大趋势。单片机技术的不断改进也为此创造了条件，所以对其更加深入的研究是很有意义的。通过搭载各种传感器，它可以应用在各种场合。这几年，智能小车的研究很热，主要是因为它能够实现远程操控，自动壁障，循迹、爬坡等各种功能，其应用范围也越来越广。本设计即基于这个理念和大潮，采用玩具车体结构，结合单片机的技术使其智能化，实用化。这样的结合对各种移动探测、观察甚至玩具市场都有重要参考价值，因此对智能小车的研究很有意义。1.2 国内外现状无线控制小车技术，起源于美国。由于政府对无线小车控制技术的研发资助及相关技术的推动作用，在日本、美国、德国等工业大国在智能无线控制小车技术上占据着明显的优势，新近崛起的韩国在无线控制小车研发方面也逐渐走向前沿。我国的无线控制小车研发工作始于20世纪70年代末，在国家“863”、“973”等高技术发展的重点支持下，取得了重大进展从上世纪80年代末开始，国内已经开始进行大范围的关于无线小车的研究。经过20多年的发展，国内在应用研究方面已发展的比较好，但是和一些发达国家相比，还存在一定的差距。(1)以清华大学、上海交通大学、中国科学院等科研院所为代表，重点对无线控制小车基础技术进行研究；(2)大批专业生产无线遥控小车以及自动化设备的公司相继成立，推动了无线遥控小车技术的产业化进程。 国外无线遥控小车领域发展近几年有如下几个趋势：(1)工业无线控制小车性能不断提高，而单片机价格不断下降；(2)机械结构向模块化、可重构化发展。(3)工业遥控小车控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，且采用模块化结构；大大提高了系统的可操作性、可靠性和可维护性。1.3 本设计的目标1. 设计并制作可以用无线遥控控制的小车；2本设计利用PT2262/2272的编码解码和DF收发模块，实现小车的无线遥控（前进、后退、左前转、右前转、左倒车、右倒车、停车）； 3如果在小车正常行驶的过程中，检测到前方有障碍物，可以实现自动停车、报警，并自动躲开障碍物； 4采用DS18B20芯片采集温度数据，并通过软件编程的形式读取数据值。 5要求接收设备能够及时灵敏的接收实时温度值，通过数码管显示，并具有数据初步分析、报警等功能； 6灵活运用车灯设计，使小车更加人性化。 2小车方案的设计2.1 主控方案主控方案包含车载模块和接收模块。1.车载模块采用MCS-51系列中的AT89S52来实现，AT89S52具有丰富的I/O接口资源，并且具有两个外部中断源INT0/TNT1和两个定时模块T1/T2，对于一般的遥控发送和接收已经足够。所以这里就没有采用更加高级的单片机了。其大致主控方案如图2-1所示。温度传感器避障模块 I/O接口AT89S52无线发送模块无线接收模块I/O接口 图2-1 无线控制小车车载模块主控图 需要说明的是，车载模块的设计由于要加载温度传感器DS18B20，故而在正确读取温度方面要耗费大量程序和单片机资源，另外在使用NRF24L01进行数据发送是也会消耗大量资源，这就会导致单片机在采集温度或执行更多任务时会出现不同程度的迟缓现象。2.接收模块本模块也是采用MCS-51系列中的AT89S52来实现。由于采用NRF24L01作为数据接收器，本身就会消耗很多资源。再加上为了使数据端的使用更加方便、功能更加完善，在设计完善阶段又加入很多辅助功能，这就导致了不管在硬件接口还是软件方面，单片机的负担已经很大。所以在设计上，这个设计是个独立的模块，使用单独的最小系统进行独立的控制和处理。其主控图如图2-2所示。无线接收模块按键控制模块 I/O接口AT89S52数码管显示模块报警模块I/O接口 图2-2 数据接收模块主控图遥控器组成框图如图2-3所示。按键电路编码电路无线发射模块天线图2-3 遥控器组成框图2.2 驱动及方向控制模块设计方案2.2.1 驱动及方向电机控制方案玩具汽车常见的驱动和方向控制模块有三种方案：（1）双电机的控制。左电机控制左侧的前后两个轮子，右电机控制右侧的前后两个轮子。两电机同时向正转，能够实现往前走；同时向反转能实现向后走；一正一反，能实现转弯或者360度原地转圈。这种方案，转弯时方向很是过于灵活，但不易控制；且在直行中，如果两电机由于机械的原因而不同步，就会偏离直线。（2）双电机的控制。后电机控制后面两个轮子，提供后轮驱动力，实现前进和后退；前电机控制前面两个轮子，是用来控制小车方向的，实现左、右转弯。这种方案，转弯幅度很有限（35度），因此当需要大幅度转弯时就显得比较麻烦。如图2-4、2-5所示。（3）三电机的控制。前面的电机控制前面两个轮子，是用来控制小车方向的，实现小车左、右转弯；后面两个电机分别用来控制小车后面左右两侧的轮子。这种方案克服了前面的两种缺陷，但是控制起来不容易。当考虑到实际的情况及实现的难易程度，本设计采用第二种方案。为了克服该方案转弯幅度有限的缺点，特意在小车转弯的细节上做了调整，尽量去弥补这一缺陷。比如当要左转时先要右转，延时，再进行左转。这样，就扩大了转弯的角度。图2-4 车体侧视图 图2-5 车体顶视图2.2.2 驱动及方向电机选择方案常见的电机有以下两种：（1）步进电机。步进电机是将电的脉冲信号转变为角位移或线位移的开环数字式的控制元件，它需要脉冲式的电源来进行驱动。在非超载情况下，电机的转速、停止的位置仅取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即若给电机加一个脉冲信号，电机就会转动一个步距角。这样一个一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无积累性的误差等特点，使其在速度、位置等控制领域的控制变得就简单多了。（2）直流电机。直流电机是最常见和成本最低的小型电机，应用广泛，如电动自行车。它的控制方法比较简单，其速度与施加的电压成正比。直流电机的速度调节一般采用改变电压的方法，其中最常见的是采用PWM调速方法。而直流电机转向需要转换电机中的电流方向，大多数的驱动通过排列成H型电路的4个开关装置来实现。 步进电机与直流电机的主要区别在于步进电机是以步阶的方式分段进行移动的，而直流电机则通常采用连续移动的模拟的控制方式。由于前者采用步阶移动，且采用直接的控制方式，它主要的命令和控制的变量都是步阶的位置。相比之下，直流电机则是以电机的电压作为控制的变量，以位置或速度作为命令的变量。因此，本设计采用直流电机显得稍为方便。2.3 避障模块设计方案常用的避障方案有以下几种：（1）超声波传感器。超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。如果传感器接收到反射的超声波，则通知单片机前方有障碍物，反之则通知单片机可以向前行驶。经实验，使用超声波传感器探测信号时十分容易受到外界环境的影响，使单片机控制系统接收到许多错误的信息。而且超声波传感器价格会比较昂贵。（2）光敏传感器，直接根据光源的信号进行判断。光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，主要有：光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式光电传感器、色彩传感器、CCD和CMOS图像传感器等。它的敏感波长在可见光波长附近，包括红外线波长和紫外线波长。光传感器不只局限于对光的探测，它还可以作为探测元件组成其他传感器，对许多非电量进行检测，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地位。最简单的光敏传感器是光敏电阻，当光子冲击接合处就会产生电流。这需要光敏传感器能及时反馈可靠的信息，而光敏传感器拥有很高的灵敏度，为了抗干扰还可以把光敏传感器预先进行特殊处理，使其只有在光源正射时才能测到信号，这样就使光敏传感器的返回信号更加可靠，单片机一旦接到的光敏传感器返回的信息，便能作出正确的判断。倘若测不到信号，说明光敏传感器被障碍物挡住，正前方不能通行，单片机控制电机绕开障碍物行驶。（3）反射式红外发射接收器。并且其反应较为灵敏，外围电路也较为简单，制作也比较简单。红外发射管通电以后，发射管将发射出红外线。红外线遇到前方障碍物是要遵循光的反射定律的，将红外光线反射回来，其中当红外线遇到黑色的物体时大部分被物体吸收了，所以返回信号其实很弱。到遇到白色的物体时大部分光就会被反射回来，所以返回信号就很强。红外线接收电路是根据接收到的反射信号强弱，判断正前方是否有障碍物。因为其反应灵敏，实时性好，而且外围电路也不复杂，所以，在实际中应用较为广泛。综合上述并结合实际，本设计选择第三种方案。2.4 无线遥控收发及数据传输模块设计方案常用的无线遥控收发方案有以下几种:（1）NRF24L01无线收发模块。NRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只9 mA;接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。本设计的数据传输模块，使用这种装置。（2）PT2262/2272固定码编码发射接收模块。这个模块体积小,具有工作电压范围宽(3V12V电源),发射功耗低、与编码芯片可直接应用,广泛适用于简单的数据无线传输、无线遥控、防盗报警等。并且易于使用,操作简单,价格便宜。为了简化单片机程序,提高效率,所以将遥控器使用独立的硬件电路来实现。因此，本设计的遥控装置采用这种模块。2.5 温度传感装置的设计方案常用的温度传感装置有两种：（1）利用热敏电阻。通过多热敏电阻的阻值随温度变化的测量，得出一条阻值温度曲线，再搭建相关电路，使在一定温度范围内，尽量让温度与某个参量（如电压或电流）的大小成线性关系。然后运用到实际中就是通过对电气特性的测量，来反映温度的大小。但由于其本身的不精确性，再加上输出的信号是模拟信号，不便于单片机的直接处理，可以说运用到本设计中会太过复杂，故而本设计不宜采用此种方法。（2）利用专用的温度传感器，如DS18B20。采用美国DALLAS公司生产的 DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。 测温范围 55+125，固有测温分辨率0.5。工作电源: 35V/DC 在使用中不需要任何外围元件 。测量结果以912位数字量方式串行传送。 鉴于DS18B20的硬件电路简单，且直接输出数字信号，便于单片机直接处理，使用方便，并且价格不贵，所以本设计就选择了DS18B20作为车载温度传感器。2.6 温度显示方案的设计2.6.1 显示屏的选择方案一：选择点阵屏作为显示终端。这种屏的好处是，显示出的字迹和画面清晰、细腻，分辨率都较高。但是控制起来有些复杂，且成本稍高。另外，由于是点阵屏，所示每个要显示的字符都要对应较长的编码（如，汉字对应有专门的字库等），写程序时就要增加了复杂度，并且要占用更多的存储空间，会大大降低程序的执行效率。方案二：用普通的七段数码管来显示。这种方法的最大优点是简单，由于只有八个控制字段（外加一位小数点），所以控制起来也较为方便，且显示时不用查找大量的表格，大大减小了程序的复杂度和控制难度。 由于，本设计只需显示温度值，并无显示汉字等复杂字符的必要，因此选用一般的数码管已经足够。由于要精确到小数点后一位和正负号的显示，所以本设计选用四位数码管显示。2.6.2 显示方法的选择方案一：静态显示方案。这种方法的特点是，每一位数码管的控制引脚都单独对应单片机的一个I/O口，在控制和程序上都稍微简单一些。但四个数码管，加起来却要占用32个I/O口，这对51单片机来说，是个极大的浪费。为此，这种方法极为不妥。方案二：动态显示方案。这种方法的特点是，四个数码管轮流显示，但每次只能有一个数码管显示。由于每个数码管显示的间隔时间较小，以及数码管的余辉效应和人眼的视觉暂留效应，看起来四个数码管还是同时显示的，因而可以达到和静态显示几乎同样的显示效果。综上所述，本设计选择动态显示方案。3 小车的硬件设计整个小车分为四大部分：51最小系统板、车体部分、数据接收器、遥控器。 图3-1 小车实物图51板：51最小系统板是小车的核心部分，它负责整个小车控制信号的产生，以及温度信息的采集、发送及小车壁障等功能实现。在不使用小车时可以将51最小系统板板从小车上拆下来，单独工作，以供其他研究学习之用。另外，车载51最小系统板上还安装有车灯、无线发送、避障等模块。如图3-1所示。车体部分：小车车体主要为两个电机驱动装置，分前轮（方向）驱动和后轮（动力驱动）。在车体的下面有一个装电源的电池盒，共5节可充电电池，整个小车的电源就是由它来提供的。在小车的51电路板上有一个黑色的小开关，它负责控制整个小车的电源开通与关断。 遥控器：它是无线遥控信号的发射端，是控制小车运行的基本工具。由独立电池供电，共四个按键，实现小车基本动作的控制功能。 数据接收器：这也是由51最小系统板组成的独立模块。主要包含按键、数码管、无线接收设备、蜂鸣器报警模块、指示灯等装置。可实现对小车上的温度数据实时接收，并进行初步分析，另外，通过按键进行相关设置，可实现准确的温度报警功能。如图3-2所示。 图3-2 数据接收器实物图3.1 51最小系统板AT89S52 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。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 如图3-3所示，是其原理图：图3-3 51最小系统原理图（1）复位电路 如图3-4所示。采用的是按键复位和上电复位方式。图3-4 复位电路原理图（2）数码管显示电路如图3-5所示，是其实物图，具体电路如图3-31所示（见3.8节）。P00P07是控制数码管段选的信号输入端，1,4,5,12是控制位选的端口。该数码管共有4位，设计中用的实际数码管为共阴极，段选时，高电平有效；位选时低电平有效。图3-5 数码管（3）蜂鸣器电路原理图如下图3-6所示。低电平有效。实际电路中，选三极管用的是S8550。当从P35输入低电平时，三极管导通，蜂鸣器响。图3-6 蜂鸣器电路（4）DS18B20测温电路如图3-7所示，DQ输出温度数据。图3-7 DS18B20测温电路图 3-8 独立按键电路（5）独立按键电路如图3-8所示，独立按键电路，高电平有效。当任一按键按下时，输出高电平。每个按键单独对应一个I/O口。3.2 驱动模块及方向控制模块该模块电路设计，是采用H桥电路控制。Q1、Q2、Q11、Q19四个三极管组成四个桥臂，Q1和Q9组成一组，Q11和Q2组成一组，Q5控制Q2、Q11的导通与关断，Q7控制Q1和Q9的导通与关断，而Q5、Q7由P04和P05控制，这样就可以通过P04和P05控制四个桥臂的导通与关断控制后轮电机的运行状态，使之正转反转或者停转，进而控制小车的前进和后退。如图3-9所示，是其电路原理图。图3-9 电机控制模块的电路设计下面来介绍一下该电路的工作原理。当P04输入高电平，P05输入低电平时，Q1,Q9导通，Q2，Q11导通，Q1，Q9关断，此时电机两端加的是反向的电压，电机实现反转；当P05输入为高电平，P04输入为低电平时，Q7导通，这时Q1，Q9导通，Q2，Q11关断，电机实现正转。由于Q2、Q3，Q1、Q4的导通和关断是通过Q5、Q6控制，而Q5、Q6的导通和关断又是通过P04、P05控制的，所以电机的状态还是通过I/O端口来控制的。表 3-1 IOB9和IOB8所控制电机运行状态与端口数据的对应关系P04-P05Q5Q7Q2、Q11Q1、Q9电机00关断关断关断关断停转10导通关断导通关断反转01关断导通关断导通正转注意：由 H桥的工作原理可知，H桥的四个臂不能同时导通，一旦四个臂同时导通会出现类似短路的现象，在H桥的每一个臂上都会有很大的电流流过。Q1、Q2、Q3、Q4同时导通时，就会形成Q1、Q2回路和Q3、Q4回路，就会有很大的电流经过这4个三极管，严重时会烧毁三极管甚至引起电源爆炸。在确定了电机的运行状态之后就能够推断出小车的运行状态。3.3 红外避障模块 图3-10 红外避障模块实物图红色：接4.5-5V电源高电平黄色：接单片机，输出TTL电平给单片机（加上拉电阻）绿色（黑色）：接GND 0V 电源低电平如图3-10所示，背面图有一个电位器可以调节障碍的检测距离，一旦调节好电位器（如调节好的最大距离60cm）则在有效距离内（如40cm处有障碍物、10cm处有障碍物）则输出低电平，低电平刚好给单片机识别。工作原理红外发射管通电后，发射管将发出红外线。红外线遇到前方障碍物时被反射回来。红外接收电路根据接收到的反射信号，判断前方是否有障碍物。如图3-11所示，是其原理图。图3-11 红外避障模块原理图R2、R3、Q3 组成了红外发射管的保护电路，此时R2 决定了发射管发射的发射强度，当R2 减小，发射强度就会加大，反之当R2 加大，发射强度就会减小。Q1、Q2、R1、R4、C1 组成了红外管接收电路，此时调节R4 会改变接收管的接收能力，当R4 加大时接收特性较号，反之较差。C1 是起积分电路放缓冲击的作用，其在一般情况下不宜取的过大，越小电路越灵敏。由于避障本身的局限性，要想全方位的避障，就要在小车的各个方向都要撞上避障模块，这样就会耗费较多系统资源。由于本设计中系统资源有限，因此只选用了一个避障模块，装在小车正前方，以达到正前方避障的效果。 实际中，使用的是一个模块，其电路连接图3-12所示。在使用中，按照该图准确接线，正常工作时，OUT端输出高电平；在遇到障碍物时，OUT端输出低电平；输出信号直接连至单片机的P20口，供单片机处理。 图3-12 避障模块接线图3.4 车灯模块 车灯模块，实际上是驱动控制模块的一个附加模块，也是对小车功能的完善，使其更加人性化。下面简要介绍一下车灯的相关设置。当小车左转时，左方向（绿灯）灯亮；当小车右转时，右方向（绿灯）灯亮；当小车倒车时，后倒车（红灯）灯亮。如图3-13所示。3.5 无线遥控模块的设计一个完整的无线遥控电路由发射部分和接收部分组成。无线电发射部分，一般由一个能产生等幅振荡的高频载频振荡器和一个产生低频调制信号的低频振荡器组成。用来产生载频振荡的电路一般有多谐振荡器、互补振荡器和石英晶体振荡器等。由低频振荡器产生的低频调制波，一般为宽度一定的方法。如果是多路控制可以采用每一路宽度不同的方波，或是频率不同的方法去调制高频载波，组成一组组的已调制波，作为控制信号向空中发射。图3-13 车灯电路原理图接收电路从工作方式分，可以分成超外差接收方式和超再生接收方式。超外差原理利用本地产生的振荡波与输入信号混频，将输入信号频率变换为某个预定的频率的电路。其优点是：（1）容易得到足够大而且比较稳定的放大量。（2）具有较高的选择性和较好的频率特性。（3）容易调整。缺点是电路比较复杂，同时也存在着一些特殊的干扰，如像频干扰、组合频率干扰和中频干扰等。超再生电路实际上是一个受控间歇振荡的高频振荡器，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过程中产生的，反过来又控制着高频振荡器的振荡和间歇。间歇振荡的频率是由电路的参数决定的。这个频率选低了，电路的抗干扰性能较好，接收灵敏度降低；反之亦然。超再生式接收方式具有电路简单、性能适中、成本低廉的优点所以在实际应用中被广泛采用。本模块的实际应用电路较复杂，工作量也较大，鉴于本小车的重点不在遥控收发模块的设计，而在于避障、传感等附功能，因而本设计选用了现成的已做好的遥控收发模块，这样本设计在做的过程中，就可以减少很多工作量，只需对此模块进行相关调试即可。（参照5.3节）另外，对本模块的工作原理简要介绍一下：（1）本模块的发送端主要用到PT2262作为编码芯片，DF数据模块作为发射模块。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，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。DF数据发射模块的工作频率为315M，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在2585度之间变化时，频飘仅为3ppm/度。特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。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。（2）接收模块主要用PT2272作为解码芯片，DF数据模块作为接收模块。其中，接收电路中PT2272芯片的振荡电阻阻值需与2262对应阻值相同，当发射电路、接收电路两者地址编码完全一致时，接收端对应的D1D4端输出约4V互锁高电平控制信号，同时VT端也输出解码有效高电平信号。（对于D0-D3，VT的详细意义，请参照5.3）3.6 无线温度传输模块的设计 NRF24L01简介：如图3-14所示，是其引脚图。(1)VCC脚接电压范围为1.9V3.6V之间，不能在这个区间之外，超过3.6V将会烧毁模块。推荐电压3.3V左右；(2) 除电源VCC和接地端，其余脚都可以直接和普通的5V单片机IO口直接相连，无需电平转换。当然对3V左右的单片机更加适用了；(3) 硬件上面没有SPI的单片机也可以控制本模块，用普通单片机IO 口模拟SPI不需要单片机真正的串口介入，只需要普通的单片机IO口就可以了，当然用串口也可以了（:与51 系列单片机P0 口连接时候，需要加10K 的上拉电阻, 与其余口连接不需要）。 图3-14 NRF24L01引脚图NRF24L01 的功能框图如图3-15所示，从单片机控制的角度来看，只需要关注图3-14 右面的六个控制和数据信号，分别为CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE。CSN：芯片的片选线，CSN 为低电平芯片工作。SCK：芯片控制的时钟线（SPI 时钟）MISO：芯片控制数据线（Master input slave output） MOSI：芯片控制数据线（Master output slave input） IRQ：中断信号。无线通信过程中MCU 主要是通过IRQ 与NRF24L01 进行通信。CE：芯片的模式控制线。在CSN 为低的情况下，CE 协同NRF24L01 的CONFIG 寄存器共同决定NRF24L01 的状态。对于NRF24L01 的固件编程工作主要是参照NRF24L01 的状态机。主要有以下几个状态：Power Down Mode ：掉电模式Tx Mode：发射模式Rx Mode：接收模式 图3-15 NRF24L01功能框图Standby-1Mode ：待机1 模式Standby-2 Mode ：待机2 模式 以上五种模式可以相互间进行切换，本设计用到的主要模式是Tx Mode（发射模式）和Rx Mode（接收模式）。使用时需分别对这两个模式进行配置。工作模式由CE 和寄存器内部PWR_UP、PRIM_RX 共同控制，如表3-2所示：表3-2 状态模式控制表模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接收模式111-发射模式101数据在TXFIFO寄存器中发射模式1010停留在发射模式，直至数据发送完待机模式2101TXFIFO为空待机模式11-0无正在传输的数据掉电模式0-3.6.1 无线发送模块线路连接如图3-16所示。实际使用时，该芯片的各种功能都是通过软件配置来实现的。下面就简要介绍一下采用ENHANCED SHORT BURST 通信方式的Tx 与Rx的配置及通信过程发送模式的配置过程。Tx 模式初始化过程：（右边为涉及的寄存器）1）写Tx 节点的地址 TX_ADDR 2）写Rx 节点的地址（主要是为了使能Auto Ack） RX_ADDR_P0 3）使能AUTO ACK EN_AA 4）使能PIPE 0 EN_RXADDR 5）配置自动重发次数 SETUP_RETR 6）选择通信频率 RF_CH 7） 配置发射参数（低噪放大器增益、发射功率、无线速率） RF_SETUP 8) 选择通道0 有效数据宽度 Rx_Pw_P0 9）配置24L01 的基本参数以及切换工作模式 CONFIG。图3-16 NRF24L01模块接线图此模块在单片机上电工作后，开始通过调用相关子程序读取DS18B20的温度输出值，并将其装入缓存，不断向接收模块发送最新温度值。3.6.2 无线接收模块电路原理图，如图3-16所示。Rx 模式初始化过程：（右边为涉及的寄存器）1）写Rx 节点的地址 RX_ADDR_P0 2）使能AUTO ACK EN_AA 3）使能PIPE 0 EN_RXADDR 4）选择通信频率 RF_CH 5) 选择通道0 有效数据宽度 Rx_Pw_P0 6) 配置发射参数（低噪放大器增益、发射功率、无线速率） RF_SETUP 7）配置24L01 的基本参数以及切换工作模式 CONFIG。 本模块在单片机上电工作后，会在程序初始化后进入监听状态，一旦检测到有发送端的信号，就会自动进入接收模式，执行数据接收指令。在读取到数据之后，会将数据通过四位的七段数码管显示出来。另外可通过按键对接收系统进行相关配置，实现报警功能。3.7 稳压模块 稳压模块在本设计中是用于给NRF24L01提供电源的模块。这是由于NRF24L01的正常工作电压是3.3V左右，因此必须要有相应的稳压模块将单片机使用的5V电压转换为3.3V电压。 在这里，本设计选用的是AMS1117作为本模块的稳压器件。 AMS1117系列是常用的稳压器件，该系列有可调版和多种固定电压版，本设计选用的是固定电压3.3V版，其实物图如图3-17所示。图3-17 AMS1117-3.3实物图及其引脚图引脚说明：1：接地 2：电压输出端 3：电压输入端 由于是固定电压版，其电路的连接也稍微方便一些，下图是其实际工作的电路连接图：如图3-18所示，从VCC端输入5V电压，则从输出端（OUT端）输出3.3V电压。图3-18 3.3V稳压模块电路图3.8 显示模块 显示模块是接收端的重要部分。本设计采用数码管动态显示技术，大大节省了对单片机I/O口的使用。 至于其工作原理，前面已有提及，这里不再赘述，本模块的电路连接图，如图3-19所示。其中，P20，P21，P22，P23分别是四个数码管的位选信号输入端，低电平有效；P00-P07是数码管的段选信号输入端，高电平有效（注：这些都是共阴极数码管）。3.9 按键模块 本设计在接收端设有6个按键，用于实现接收端各种工作状态的控制和设定。由于按键本身不多，故没有采用矩阵式按键设计，而是采用最普通的按键连接方法，每个按键对应一个独立的I/O口。 这里需要说明的是，6个按键电路基本相同，但各自对应不同的I/O口，方别对应如下：P30，P31，P17，P34，P35，P36。（每个端口高电平有效），详细电路可参照附录2。 具体每个按键的功能设置，请参考4.2节（软件设计）。图3-19 数码管动态显示电路图4 系统软件设计4.1 系统总体软件设计整个软件系统主要有车载系统和接收系统两大块。（1）车载系统车载系统主要包含以下各模块：系统初始化、遥控程序、避障程序、测温程序以及基于NRF24L01的无线发送程序。如图4-1所示。无线发送程序遥 控程 序壁 障程 序测 温程 序 主 程 序系统初始化图4-1 车载系统软件总体框图系统的大致工作过程如下： 当单片机上电后，系统即进入初始化程序，并且开始循环检测外部遥控输入指令，若无当前无指令，系统就会自动转入测温程序，并将测温结果存入缓存，进入无线发送子程序，通过NRF24L01模块将数据发送出去。 当在检测指令的过程中，有遥控指令出现，就会立即进入遥控程序，控制小车执行相应的动作。如果小车在运行过程中，通过红外避障检测装置检测到有障碍物，此时小车就会进入避障模式，系统转入执行相应的避障程序。在避障期间，所有其它的遥控信号都会被屏蔽。小车会只按照避障程序执行相应的避障动作。（2）接收系统本系统是温度数据接收端，主要包含以下各模块： 无线接收程序、报警程序、数码管显示程序、多功能按键设置程序。见下图4-2所示。报 警程 序无线接收程序多功能按键设置程序数码管显示程序主 程 序指示灯程序图4-2 接收系统软件总体框图系统的大致工作过程如下：当接收系统上电后，系统进入初始化初始化程序，并开始执行无线接收程序。此时通过多功能按键设置子程序，可对系统工作方式、显示等进行相应配置。当ON键按下后，系统会自动进入显示子程序。其它按键按下或报警时，都会有不同的显示功能。当系统的温度超出系统所设置的温度上限或下限后，系统会进入报警程序。通过相关按键可解除警报。对于多功能按键子程序，是本系统设计的一个亮点，在按键功能编排和程序编写上，充分利用了按键的复用，实现了多种功能。4.2 各模块软件设计1车载系统 （1）系统初始化：通过在程序开始时，对连接电机驱动的P0口置零，以防止刚上电时电机驱动的输入端两个接口同时被加上高电平，导致驱动电路被烧坏。另外由于本模块要使用无