基于单片机的红外遥控小车设计

单片机系统设计实例 红外遥控小车 专业 信息对抗技术 姓名 吴志飞 学号 指导教师 张东阳 I 目目 录录 1 绪论 1 2 系统分析 2 2 1 系统框架 2 2 2 电机驱动模块 3 2 3 LCD 显示模块 4 3 系统硬件设计 5 3 1 主控模块的电路设计 6 3 1 1 AT89C51 单片机的简介 8 3 1 2 AT89C51 管脚功能 8 3 2 红外遥控模块的电路设计 9 3 2 1 红外遥控的实现原理 10 3 2 2 红外发射器 11 3 2 3 红外接收器 12 3 3 电机驱动模块的电路设计 12 3 4 显示模块的电路设计 13 4 系统软件设计 14 4 1 程序代码 14 4 2 软件流程图 17 5 调试与仿真 18 5 1 在 keil 中进行调试 18 5 2 在 Proteus 中进行仿真 19 6 总结 21 参考文献 22 沈阳理工大学课程设计说明书 1 1 绪论 随着计算机 微电子 信息技术的快速进步 智能化技术的开发速度越来越 快 智能化程度越来越高 应用范围也越来越广 包括海洋开发 宇宙探测 工农业生产 军事 社会服务 娱乐等各个领域 智能电动小车系统以迅猛发展 的汽车电子为背景 涵盖了控制 模式识别 传感技术 电子 电气 计算机 机械等多个学科 主要由路径识别 角度控制及车速控制等功能模块组成 同时 当今机器人技术发展的如火如荼 其在国防等众多领域的应用广泛开展 神五 神六升天 无人飞船等等无不得益于机器人技术的迅速发展 一些发达国家已把 机器人制作比赛作为创新教育的战略性手段 参加者多数为学生 目的在于通过 大赛全面培养学生的动手能力 创造能力 合作能力和进取精神 同时也普及智 能机器人的知识 从某种意义上来说 机器人技术反映了一个国家综合技术实力 的高低 而智能电动小车是机器人的雏形 它的控制系统的研制将有助于推动智能 机器人控制系统的发展 同时为智能机器人的研制提供更有利的手段 本次课设设计的红外遥控智能小车可以分为四大组成部分 红外遥控部分 显示部分 执行部分 控制部分 智能小车可以实现按遥控指示前行 后退 左 转和右转 该设计主要通过对系统硬件电路的设计 软件设计和程序的编写 然 后通过后期软硬件调试达到设计初衷 沈阳理工大学课程设计论文说明书 2 2 2 系统系统分析分析 2 1 系统框架 该系统以AT89C51单片机为核心的控制电路 采用模块化的设计方案 利用 红外遥控器代替开关按键控制小的启动和停止 能够轻松自如的实现小车的启动 停止 左转 右转和前进后退等功能 系统控制框图如图2 1所示 AT89C51 红外遥控模块 红外接收模块 LCD 显示模块 电机驱动模块 最小系统 图 2 1 系统控制框图 采用单片机作为整个系统的核心 用其控制行进中的小车 以实现其既定的 性能指标 充分分析我们的系统 其关键在于实现小车的自动控制 而在这一点 上 单片机就显现出来它的优势 控制简单 方便 快捷 这样一来 单片机 就可以充分发挥其资源丰富 有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能 价格 低廉等优点 因此 这种方案是一种较为理想的方案 沈阳理工大学课程设计论文说明书 3 2 2 电机驱动模块 常用的电机驱动电路有采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机 其线性型驱动的电路结构和原理简单 加速能力强 采用由达林顿管组成的H型 桥式电路 用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下 精确调 整电动机转速 这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下 效率非常高 带负 载能力强 采用集成H桥L298N电路驱动电机 使用方便可靠 本次设计采用L298N作为电机驱动部分 其主要特点有 工作电压高 最高 工作电压可达46V 输出电流大 瞬间峰值电流可达3A 内含两个H桥的高电压大 电流全桥式驱动器 既可以驱动直流电机 也可以驱动步进电机 逻辑 0 输 入电压高达1 5V 具有高抗噪性能 其引脚排列如下图所示 图2 2 L298管脚排列图 现对L298各个引脚及其功能做一简要说明 CURRENT SENSING A 1脚 CURRENT SENSING B 15脚 电流检测端 分别 为两个H桥的电流反馈脚 不用时可以直接接地 OUTPUT1 2脚 OUTPUT2 3脚 电桥A的输出端 Vs驱动工作电压 典型值为9V或12V INPUT1 5脚 INPUT2 7脚 电桥A的输入控制端 与TTL电平兼容 ENABLE A 6脚 ENABLE B 11脚 电桥A和电桥B的使能端 高电平使能 沈阳理工大学课程设计论文说明书 4 低电平禁止输出 GND 8脚 接地 Vss 逻辑电源电压 典型值为5V INPUT3 10脚 INPUT4 12脚 电桥B的输入控制端 OUTPUT3 13脚 OUTPUT4 14脚 电桥B的输出端 2 3 LCD 显示模块 常用的数码显示器件主要有 LED 数码显示器和 LCD 液晶显示器 LCD 显示器 具有低功耗 散热小 浅薄轻巧 显示锐利 屏幕调节方便等特点 同时又是现 在市场的主流产品 价格较以往也有大幅的下降 常用的有 12864 和 1602 考虑 到价格和实用性最终选择了 1602 液晶屏 既可以满足产品需要价格也相对低廉 图 2 3 LCD 1602 管脚排列图 各引脚功能说明如下 Vss 电源地 Vcc 电源正极 RS 寄存器选择 高电平选择数据寄存器 低电平选择指令寄存器 R W 读写信号线 高电平时进行读操作 低电平时进行写操作 E 使能端 当 E 从高电平跳转到低电平时有效 D0 D7 8 位双向数据线 沈阳理工大学课程设计论文说明书 5 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 3 1 主控模块的电路设计 3 1 1 AT89C51 单片机的简介 51 系列单片机的内部功能可由图 3 1 所示的框架来描述 图 3 1 51 系列单片机内部组成功能图 1 中央处理器 CPU CPU 又称微处理器 或中央处理器 是单片机的核心部件 它决定了单片机 的主要功能特性 CPU 负责控制 指挥和调度整个系统单元协调工作 完成运算 和控制输入输出功能 CPU 就像人的大脑一样 决定了单片机的运算能力和出理 速度 2 程序存储器 ROM 沈阳理工大学课程设计论文说明书 6 ROM 是只读存储器的简称 是一种只能读出事先所存数据的固态半导体存储 器 用来存放用户程序 可分为 EPROM EEPROM MaskROM OTP ROM 和 Flash ROM 等 3 随机存储器 RAM RAM 是随机存储器的简称 用来存放运行程序的地址和数据 由于 RAM 的制 造工艺复杂 价格比 ROM 高得多 当电源关闭时 RAM 不能保留数据 如果需要保 存数据 就必须把它们写入静态随机存取存储器 例如硬盘 RAM 和 ROM 相比 两者的最大区别是 RAM 在断电以后保存在上面的数据会自动消失 而 ROM 不会动 消失 可以长时间断电保存 4 可编程并行输入输出 I O 口 可编程并行输出口通常作为独立的双向 I O 口使用 既可作为输入方式 又 可作为输出方式 通过软件设定实现 I O 口是单片机的重要资源 也是衡量单 片机功能的重要指标 5 定时计数器 T C 定时 计数器用于单片机内部精确定时或对外部信号或脉冲计数 通常单片 机内部有多个定时计数器 6 中断系统 中断系统使技术安吉的重要组成部分 实时控制中往往用到中断系统 计算 机与外部设备传送数据及实现人机联系时要用到中断系统 7 时钟电路 单片机通常需要外接石英晶振或其他振荡源提供时钟信号输入 也有的使用 内部 RC 震荡器 3 1 2 AT89C51 管脚功能 51 系列单片机最常用的是 40 引脚集成电路芯片 由于单片机是一个芯片 体积较小 为了增其功能 许多引脚具有两个功能 其引脚功能如下图所示 沈阳理工大学课程设计论文说明书 7 图 3 2 单片机引脚功能图 1 主电源引脚 Vcc 40 脚 接 5V 电源 Vss 20 脚 接数字电路地 2 外接晶体引脚 XTAL1 19 脚 接石英晶体一端 XTAL2 18 脚 接石英晶体另一端 3 输入输出引脚 P0 口 32 39 脚 P0 0 P0 7 统称为 P0 口 是一组 8 位漏极开路型双向型 I O 口 也是地址 数据复用总线 P1 口 1 8 脚 P1 0 P1 7 统称为 P1 口 是一组带内部上拉电阻的 8 位准 双向 I O 口 P2 口 21 28 脚 P2 0 P2 7 统称为 P2 口 是一组带上拉电阻的 8 位双向 I O 口 在接有片外存储器或扩展 I O 口且寻址范围超过 256B 时 P2 口用作 8 位地址总线 P3 口 10 17 脚 P3 0 P3 7 统称为 P3 口 是一组带内部上拉电阻的 8 位 双向 I O 口 除此之外 还可以将每一位用作第二功能 4 控制信号引脚 RET VPD 9 脚 该引脚为单片机的上电复位端或掉电保护段 ALE 30 脚 地址锁存有效信号输出端 高电平有效 沈阳理工大学课程设计论文说明书 8 EA Vpp 31 片外程序存储器选用段 低电平有效 高电平时选用片内程 序存储器 3 2 红外遥控模块的电路设计 3 2 1 红外遥控的实现原理 红外遥控的实现主要是如何用程序去分析位0和位1 位0和位1所不同之处就 是在高电平脉冲后的低电平脉宽不一样 采用脉宽调制的串行码 以脉宽为 0 565ms 间隔0 56ms 周期为1 125ms的组合表示二进制的 0 以脉宽为 0 565ms 间隔1 685ms 周期为2 25ms的组合表示二进制的 1 解码的关键也是如何识别 0 和 1 从位的定义我们可以发现 0 1 均以0 56ms的低电平开始 不同的是高电平的宽度不同 0 为 0 56ms 1 为1 68ms 所以必须根据高电平的宽度区别 0 和 1 如果从 0 56ms低电平过后 开始延时 0 56ms以后 若读到的电平为低 说明该位为 0 反之则为 1 为了可靠起见 延时必须比0 56ms长些 但又不能超过 1 12ms 否则如果该位为 0 读到的已是下一位的高电平 因此取 1 12ms 0 56ms 2 0 84ms最为可靠 一般取0 84ms左右均可 根据码的格 式 应该等待9ms的起始码和4 5ms的结束码完成后才能读码 红外遥控系统主要分为调制 发射和接收三部分 红外遥控芯片将红外码调 制成合适的脉冲信号经红外发射二极管发射红外编码后由红外接收器把接收到的 信号处理后输出给单片机 红外遥控的流程图如图3 5所示 沈阳理工大学课程设计论文说明书 9 键盘编码调制 LED 光 电放大解调解码 遥控接收 器 图 3 3 红外遥控系统框图 遥控发射 器 红外线遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段 由于红外线遥控装置 具有体积小 功耗低 功能强 成本低等特点 因而 继彩电 录像机之后 在 录音机 音响设备 空凋机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥 控 工业设备中 在高压 辐射 有毒气体 粉尘等环境下 采用红外线遥控不 仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰 3 2 2 红外发射器 该电路的主要控制器件为遥控器芯片HT6221 HT6221是Holtek公司生产的多 功能编码芯片 采用脉冲位置调制PPM Pulse Position Modulation 进行编码 利用脉冲的时间间隔来区分0和1 1 12ms为0 2 24ms为1 HT6221能编码16位 地址码和8位数据码 最多能同时支持32个开关键 HT6221键码的形成 当一个键按下超过36ms 振荡器使芯片激活 如果这个 按键按下且延迟大约108ms 这108ms发射代码由一个起始码 9ms 一个结果码 4 5ms 低8位地址码 9ms 18ms 高8位地址码 9ms 18ms 8位数据码 9ms 18ms 和这个8位数据码的反码 9ms 18ms 组成 如果按键按下超过 108ms仍未松开 接下来发射的代码将仅由起始码 9ms 和结束码 2 5ms 组 成 红外遥控发射器电路图如图3 6所示 HT6221采用455KHZ的晶振 利用分频 电路将红外码调制成38KHZ的脉冲信号通过红外发射二极管发出红外编码 红外 码共有32位 起始码 结束码 用户码数据码和数据反码 图3 6中D1是红外发 沈阳理工大学课程设计论文说明书 10 射二极管 D2是按键指示灯 当有按键按下时D2点亮 各个开关的功能分别为 K1前进 K2后退 K3左转 K4右转 K5停止 K6 K7 K8暂时无指定功能 图3 4 遥控发射器电路原理图 图 3 2 3 红外接收器 红外接收电路通常被厂家集成在一个元件中 成为一体化红外接收头 内部 电路包括红外监测二极管 放大器 限幅器 带通滤波器 积分电路 比较器等 红外监测二极管监测到红外信号 然后把信号送到放大器和限幅器 限幅器把脉 冲幅度控制在一定的水平 而不论红外发射器和接收器的距离远近 交流信号进 入带通滤波器 带通滤波器可以通过30KHZ到60KHZ的负载波 通过解调电路和积 分电路进入比较器 比较器输出高低电平 还原出发射端的信号波形 注意输出 的高低电平和发射端是反相的 这样的目的是为了提高接收的灵敏度 该模块使用红外接收头1838 有三个引脚 包括供电脚 接地和信号输出脚 其电路如图3 7所示 瓷片电容104为去耦电容 滤除输出信号的干扰 1端是解 沈阳理工大学课程设计论文说明书 11 调信号的输出端 直接与单片机的P3 2口相连 有红外编码信号发射时 经红外 接头处理后 输出为检波整形后的方波信号 并直接提供给单片机 执行相应的 操作来达到控制电机的目的 图3 5 红外接收硬件图 3 3 电机驱动模块的电路设计 该模块主要芯片L298 其可以同时控制两个电机的正反转 以及改变电机的 转速 足以满足设计要求 L298 是 SGS 公司的产品 比较常见的是 15 脚 Multiwatt 封装的 L298 内部 同样包含 4 通道逻辑驱动电路 可以方便的驱动两个直流电机 或一个两相步进 电机 L298芯片是一种高压 大电流双全桥式的驱动器 其中SENSEA SENSEB分别 为两个H桥的电流反馈脚 不用时可以直接接地 VCC VS是接电源引脚 电压范 围分别是4 5 7V 2 5 46V 设计中VCC端与单片机电源端共用5V工作电源 VS端 接12V电源 ENA ENB为使能端 低电平禁止输出 IN1 IN2 IN3 IN4为数据 输入引脚 分别于单片机的P1 0 P1 1 P1 2 P1 3连接 从单片机内输入控制 信号 OUT1 OUT2 OUT3 OUT4为数据输出引脚 分别接电动机MG1和MG2 通过 沈阳理工大学课程设计论文说明书 12 调节IN1 IN2 IN3 IN4之间输入的高低电平的变化来实现电动机MG1和MG2的正 反转动 从而实现小车的前进 后退 左转和右转等功能 当IN1输入低电平时 电机MG1正转 当IN2输入低电平时 电机MG1反转 当IN3输入低电平时 电机 MG2正转 当IN4输入低电平时 电机MG2反转 高电平输入时 电机不工作 D1 D8是保护二极管 IN5819 用于释放掉电机紧急制动停车时产生的反向尖峰 电势 起到保护L298不被损坏的作用 电机驱动模块的电路图如图3 8所示 图3 6 电机驱动电路原理图 3 4 显示模块的电路设计 本系统采用14脚的1602型号的LCD显示器 其电路原理图如图3 7所示 图中 RP1是9个插针作为排阻封装的上拉电阻 主要是对器件1602注入电流 把不确定 信号通过电路钳位在高电平 同时也起到限流的作用 1602LCD显示器的D0 D8 分别接在单片机的P0口 RS引脚高电平输入时输入数据 低电平输入时输入指令 接在单片机的P2 0口 RW引脚低电平输入时向LCD写入指令或数据 高电平输入 时从LCD读取信息 接在单片机的P2 1口 E引脚使能信号 高电平输入时读取信 息 高电平向低电平转换时执行指令 接在单片机的P2 2口 沈阳理工大学课程设计论文说明书 13 图 3 7 LCD 显示电路原理图 沈阳理工大学课程设计说明书 14 4 4 系统软件设计系统软件设计 4 1 程序代码 include include define uint unsigned int define uchar unsigned char sbit RS P2 0 sbit RW P2 1 sbit E P2 2 sbit ENA P2 7 sbit ENB P3 0 sbit IN1 P2 3 sbit IN2 P2 4 sbit IN3 P2 5 sbit IN4 P2 6 uchar cycle 100 uchar speed 80 uchar code tab LCD 1602 初始化 uchar code tab0 Smart Car 初始化 uchar code tab1 Go Along 前进 uchar code tab2 Go Back 后退 uchar code tab3 Go Left 左转 uchar code tab4 Go Right 右转 uchar code tab5 Stop void Delay uint t 延时函数 int i j for i 110 i 0 i for j t j 0 j void t0 void interrupt 1 if cycle 100 cycle 0 if speed cycle ENA ENB 0 else ENA ENB 1 cycle void lcd wcmd uchar cmd 写指令 RS 0 RW 0 E 0 Delay 5 E 1 P0 cmd Delay 5 E 0 void lcd wdat uchar dat 写数据 RS 1 RW 0 E 0 Delay 5 E 1 P0 dat Delay 5 沈阳理工大学课程设计论文说明书 15 E 0 void lcd init LCD 初始化 lcd wcmd 0 x38 8 位总线 双行显示 Delay 1 lcd wcmd 0 x01 清屏 Delay 1 lcd wcmd 0 x06 数据读写屏幕 画面不动 Delay 1 lcd wcmd 0 x0c 开显示 无光 标 不闪烁 Delay 1 void main 主函数 int i EA 1 ET0 1 TMOD 0X02 TH0 0XA3 TL0 0XA3 TR0 1 lcd init 初始化液晶 Delay 5 P1 0XFF lcd wcmd 0 x80 第一行内容 for i 0 i 16 i lcd wdat tab0 i lcd wcmd 0 xC0 第二行内容 i 0 while tab i 0 lcd wdat tab i i while 1 i 0 if P1 0XFE 前进 lcd wcmd 0 x01 清屏 lcd wcmd 0 x80 在液晶的 第一行写入 for i 0 i 16 i lcd wdat tab1 i 写入的内容 lcd wcmd 0XC0 第二行 i 0 for i 0 i 16 i lcd wdat tab i 第二行内容 IN1 0 电机转动函数 IN2 1 IN3 0 IN4 1 if P1 0XFD 后退 lcd wcmd 0 x01 清屏 lcd wcmd 0 x80 在液晶的 第一行写入 i 0 for i 0 i 16 i lcd wdat tab2 i 写入的内容 lcd wcmd 0 xC0 第二行 i 0 沈阳理工大学课程设计论文说明书 16 for i 0 i 16 i lcd wdat tab i 第二行内容 IN1 1 电机转动函数 IN2 0 IN3 1 IN4 0 if P1 0XFB 左转 lcd wcmd 0 x01 清屏 lcd wcmd 0 x80 在液晶的第 一行写入 i 0 for i 0 i 15 i lcd wdat tab3 i 写入的内容 lcd wcmd 0 x80 0 x40 第二行 i 0 for i 0 i 16 i lcd wdat tab i 第二行内容 IN1 0 电机转动函数 IN2 0 IN3 0 IN4 1 if P1 0XF7 右转 lcd wcmd 0 x01 清屏 wcmd 0 x80 在液晶的第一 行写入 i 0 for i 0 i 15 i lcd wdat tab4 i 写入的内容 lcd wcmd 0 xC0 第二行 i 0 for i 0 i 16 i lcd wdat tab i 第二行内容 IN1 0 电机转动函数 IN2 1 IN3 0 IN4 0 if P1 0XEF 停止 lcd wcmd 0 x01 清屏 lcd wcmd 0 x80 在液晶的第 一行写入 i 0 for i 0 i 9 i lcd wdat tab5 i 写入的内容 lcd wcmd 0XC0 第二行 i 0 for i 0 i100 Cycle 0 speed cycle ENA 0 ENA 1 结 束 N Y Y N 沈阳理工大学课程设计说明书 18 5 5 调试调试与仿真与仿真 5 1 在 keil 中进行调试 1 创建 智能小车 项目 选择单片机型号为 AT89C51 汇编源程 序 保存为 智能小车 C 2 将源程序添加到项目中 3 打开项目菜单 选择 Options for target target 1 选项 点 击 output 一项 在 Create HEX File 前打上对勾 4 编译源程序 如果有问题 则需要调试修改 若没有错误 则成 功创建 智能小车 HEX 文件 图 1 3 编译成功提示图 图 5 1 编译成功图 沈阳理工大学课程设计论文说明书 19 5 2 在 Proteus 中进行仿真 打开 Proteus 软件 用左键单击单片机 在出现的对话框中 添加 智 能小车 HEX 文件 开始仿真 效果如下图所示 按下开始后 系统初始化如下图所示 图 5 2 初始化 按下前进按钮 系统仿真结果如下图所示 图 5 3 前进 沈阳理工大学课程设计论文说明书 20 按下左转按钮 仿真结果如下图所示 图 5 4 右转 按下停止按钮 仿真结果如下图所示 图 5 5 停止 沈阳理工大学课程设计论文说明书 21 6 6 总结总结 不知不觉一个学期又要接近尾声 感觉时间过得好快 但也感觉过的很充 实 这一学期真的学到了感兴趣的东西 在