单片机无线遥控船模设计与制作

1、单片机无线遥控船模设计与制作第 1 章 绪论1.1 概述随着现代通信技术的飞速发展，近距离无线电通信技术受到了很多关注，呈现非常好的发展势头，因为在我们现实生活中存在着如此多这样的应用领域，系统需要不断地实时传输小量的突发信号，在传统的无线电通信系统中，短距离的无线通信技术可以在相对较近距离内实现相互之间通信或相关操作，无线电数据传输系统已成为现在通信业乃至整个信息业的热点，被广泛应用于报警、无线遥控、军事通信、无线局域网等范围，具有很大的实际应用价值。一般情况下，单片机在获取实时数据之后，仍需要将数据传出去，而有线的数据传输主要依赖于有线的线路。例如采用 CAN 总线、串并行总线等，且有线的

2、线路具有成本非常高，维护不方便等缺点。无线数据传输是如何发展起来的呢？它是在有线数据传输基础上逐渐发展起来的。而无线数据通信时通过接收模块和发射模块进行传送数据的，具有不占空间，成本较低且可靠性高，传输过程中的干扰小及维护方便等特点，提高了信息传输过程中的可靠性。因此，我们借此单片机课程设计机会，深深体会无线电的实用价值，初步了解并研究单片机无线遥控原理，从简单的遥控小车开始，设计一个完整的遥控系统，以对日后的学习研究中做一个很好的基础与铺垫。1.2 课题研究背景无线遥控，顾名思义，就是一种用来远程控制机器的装置。现代的遥控器，主要是由集成电路电板和用来产生不同讯息的按钮所组成。时至今日，无线

3、遥控器已经在生活中得到了越来越多的应用，给人们带来了极大的便利。而现在无线遥控技术越来越多的运用在我们的生活当中，随着科技的进步无线遥控器也扩展到了许多种类，简单来说常见的有 2 种，一种是家电常用的红外遥控模式（IRRemote Control），另一种是防盗报警设备、门窗遥控、汽车遥控等等常用的无线电遥控模式（RF Remote Control）11。无线遥控船所讲的遥控技术正是无线遥控模式，无线遥控是无线电遥控，它是利用无线电信号对远方的各种机构进行控制的遥控设备。这些信号被远方的接收设备接收后，可以指令或驱动其它各种相应的机械或者电子设备，去完成各种操作，如闭合电路、移动手柄、开动电机

4、，之后再由这些机械进行需要的操作。作为一种与红外遥控器相补充的遥控器种类，在车库门、电动门、道闸遥控控制、防盗报警器、工业控制以及无线智能家居领域得到了广泛的应用，当然我们的无线遥控车也正是运用的这种技术。在当今高速发展的社会，无线遥控技术广泛的运用于我们生活的各个领域，其中包括遥控技术在工业生产、家用电器、安全保卫、遥控玩具上的运用。当然还有一些更重要的场所还用到了无线遥控技术，比如所矿业开采，野外探险等一些复杂而危险的工作，而这些都离不开我们的无线遥控技术。1.3 国内外研究现状目前，在企业生产技术的不断提高，对自动化技术要求不断加深的情况下，遥控智能控制系统所涉及的自动化产品已经是机器人

5、学中的一个重要分支。无线电遥控控制系统起源于美国，由于政府对无线遥控控制系统研发的资助以及相关技术 的推动作用，日本、美国、德国等工业大国在智能无线遥控控制技术上占据着明显优势，新崛起的韩国在这方面的研发也逐渐走向前沿。我国遥控车船的发展起步比较晚，技术水平相对落后，目前对遥控车船的研究主要集中在导航路径识别、图像识别等领域，对遥控车船的转向控制系统研究较少。因此，研究开发一套能够实现完全自动转向控制的车船系统对开展遥控车船技术的研究有着非常重要的意义。由于资金问题，我国对大型遥控车船的研发和使用都存在很大困难，一般用于军事领域的侦察，巡逻，战场运输，扫雷和导弹发射等，以及艰苦工作环境中的侦察

6、采样，搜集信息工作等等。车体转向系统的灵活、协调工作，以及通讯信息的实时、准确是遥控车船安全性和可靠性的有力保障，是科研实践的基础。1.4 课题主要研究内容无线电遥控系统是在控制端把控制指令以某种编码方式形成易于传输的信号，通过无线传输，在受控端经解码等处理形成相应的控制操作。无线电遥控作为新一代的信息传送方式，具有绕射和穿透特性，只要在有效工作范围之内，无线设备就可以不受角度，障碍物的限制而自由使用。无线控制方式多种多样，可以根据不同的应用需要采用适宜的方式。本次设计是基于 STC 单片机以及一些外围电路并且使用的是 NRF24L01 无线收发模块来控制小船的前进，转向。第 2 章 系统总体

7、设计2.1 系统功能模块划分按照设计要求，系统可以分为以下几个基本功能模块：电源模块、无线发射模块、键盘模块、无线接收模块、电机驱动模块和舵机模块。系统原理图见附录1 所示。由于无线电应用广泛，所以选取设计比较方便，程序处理也较简单，并且在遥控方面能够满足要求且观察到现象的遥控小船系统，本次设计的无线遥控小船，采用以 STC 单片机作为小船的遥控控制核心，检测开关状态，并通过串口传输至无线发送模块 NRF24L01；以 STC 单片机为作为小船的接收和驱动输出核心,它根据无线模块 NRF24L01 接收到的状态信号判断其开关状态，然后控制直流电机正反转，即小船的快速前进和缓慢前进；采用无线遥控

8、模块NRF24L01作为无线传输的通讯工具，通过串口和单片机连接；采用 H 桥格式作为直流电机的驱动电路12。根据设计思路，初步分析完成本设计需要的以下几个模块：系统接收发射原理图如图 2-1 和图 2-2 所示:图 2-1 无线遥控部分系统原理图图 2-2 无线接收部分系统原理图2.2 主要模块硬件设计方案本节主要讨论无线模块和驱动模块的选取，因为无线模块的选取直接影响了软件编写的难易程度和硬件图的焊接，驱动模块决定了电机的停转。电源模块以及按键模块将在后面章节具体讨论，2.2.1 无线模块方案设计无线模块作为整个系统的核心模块，对系统稳定性能具有决定性的作用，因此，为了保证系统能够正常运行

9、，对以下两种方案，进行对比，选择其一。方案一：无线电模块采用 PT2262/PT2272。PT2262/PT2272 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/PT2272 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 ), 最多可有 6 位(D0-D5)数据端管脚,设定的地址码和数据码 17 脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。当解码芯片 PT2272 接收到信号后，其地址码需要两次比较核对，当核对完后，VT 脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平。如果无线发送端一直按住有效按键，编码芯片同样也会不断

10、地发射。方案二：无线收发一体数传模块 NRF24L01 在业界居领先水平，该芯片性能优异。由于它的所需外围元件非常少，这正是它的显著优点，因而在硬件上设计非常方便。该模块在内部高度集成了高频接收、高频发射、FSK 调制解调、PLL 合成、功率放大、参量放大、频道切换等功能，因而就目前来说，该芯片是集成度较高的无线数传产品。该模块采用的 FSK 调制解调方式，抗干扰能力较强，其外围元件少、工作频率稳定可靠、便于设计生产且功耗极低，正是这些优异特性，便携及手持产品的设计对于该模块较为青睐。另外，由于它采用了高灵敏度、低发射功率设计，从而完全满足无线管制的要求，并且不需要使用许可证，是目前低功率无线

11、数传的理想选择。2.2.2 驱动模块方案设计驱动电路所要完成任务就是根据有效信号，能够独自完成直流电动机的驱动问题，无需软件设计。因此，驱动电路使用比较常用的H 桥驱动电路，其具体原理见章节 3.4 所示。下面对此有两种方案：方案一：应用独立元件，进行画图，制版，焊接；方案二：应用高度集成芯片 L298，它含有两个 H 桥电路。2.2.3 主要模块各方案对比选择无线模块：NRF24L01 无线模块不但能够发射，且能够接收，实现一机多用的功能。它可以直接和单片机串口相连接，能独自实现信号的编码和解码，不必像 PT2262/PT2272 需要编程对信号进行解码，对于软件设计，相对简单了许多。另外，

12、PT2262/PT2272 只能接四个遥控键，若需要功能较多的话，它无法满足。最后，和单片机的硬件连接方面，NRF24L01 模块也较为简单。基于以上几个方面的原因，无线电模块采用 NRF24L01。驱动电路：用 L298 芯片，电路简单，且只需一个芯片就足够，给编程都带来了很大方便。但是容易弄混引脚，使芯片短路烧毁芯片。单独元件焊接电路板时，首先该方案花费较少，节省资源。其次所需原件容易买到，而且电路图比较简单因此，进行对比，驱动电路应用单独元件焊接。主要模块硬件应用方案如下：该系统由处理单元，发射模块，接收模块，外接电路等构成。当使用相应按键使发射模块的发出信号时，接收模块对应电机设备就会

13、执行相应的操作，以遥控船的行驶方向来显示相应按键的状态。发射和接收装置：发射和接收单元选用了 NRF24L01 无线电模块。NRF24L01无线传输模块是一种低功耗、超小型、高速率的无线收发数字传输模块。433MHz开放ISM 频段免许可证使用。最高工作速率50kbps，高效GFSK 调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合。125 频道，满足多点通信和跳频通信需要。 内置硬件CRC 检错和点对多点通信地址控制。低功耗1.9 - 3.6V 工作，待机模式下状态仅为2.5uA。收发模式切换时间 小于650us 等10。处理单元：发射与接收部分，遥控板的按键，电机的驱动，舵机控制，使用选择兼容性比

14、较好和性能稳定的STC11F02E 足够完成任务了。直流电机的驱动：让直流电动机实现正反转的 H 桥电路。通过改变两对大功率 PNP、NPN 三极管的导通，控制流入直流动电机里的电流方向。以实现直流电动机的正反转。2.3 模块软件设计简介Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统，与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用 C 来开发，体会更加深刻。Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全 Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编

15、译后生成的汇编代码，就能体会到 Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。本系统的软件编程使用的是美国 Keil Software 公司出品的 Keil C51，是51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统，与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows 界面。另外重要的一点，Keil C51 生成的目标代码效率非常之 高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能 体现高级语言的优势。C

16、51 工具包的整体结构中，Vision 与 Ishell 分别是 C51 for Windows 和for Dos 的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用 IDE 本身或其它编辑器编辑 C 或汇编源文件。然后分别由 C51 及 A51 编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可以由 LIB51 软件生成，也可以生成绝对目标文件。绝对目标文件由 OH51 软件部分转换成标准的机械码 HEX 文件，可由仿真器直接对板子进行调试。STC 系列单片机下载程序使用的是宏晶科技自行开发的 STC 单片 机ISP下载编程软件。本论文程序调试过程中，使用

17、的是 STC-ISP-v3.1 版。ISP 工具的功能主要是将由 PC 机串接来的 8 位并行数据与单片机的 串行数据进行相互转换，以实现 PC 机与单片机的 RXD 及 TXD 口通讯。 当用户将不管是汇编语言还是C 语言编写的程序经软件检查语法无误并生成机械代码时后，就可以将程序生成的机械代码下载到 单片机内部的 Flash 中。用户可以使用调试软件的对话界面，在程序中设置断点，在单片机中，可以同时设置 3 个硬件断点，它是经过串口的传输，由芯片中的几组断点条件寄存器实现的。用户可以通过调试环境软件的人机对话界面，检查或修改 Flash 芯片 内的各种存储器、寄存器的数据。软件在一个智能系

18、统中扮演着举足轻重的作用，软件设计的好坏直接关系着整个系统的性能。所以从软件的设计方面一定要精心细致。在学习单片机之前，我们学习对单片机的编程语言主要是汇编语言和 C 语言。虽然汇编语言作为我们学习单片机的最基本的语言，简单易懂，而且较之C语言，单片机执行速度较快；但是本人对汇编不太熟悉。而 C 语言作为高级语言，在逻辑上不易出错，而且我比较说对 C 语言比较熟悉。所以，综合考虑我选择用 C 语言进行软件设计。本设计采用 keil 软件的汇编语言来完成系统的编程工作。目前流行的 51 系列单片机开发软件是德国 Keil 公司推出的 Keil C51 软件，它是一个基于 32 位Windows

19、环境的应用程序，支持 C 语言和汇编语言编程。Keil 提供包括 C 编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整软件。第 3 章 系统硬件的设计硬件及电路的设计主要包括船体设计、单片机系统及无线电发射电路、无线电接收电路和电机驱动电路三部分。STC 单片机可通过串行通信和无线电发射模块进行连接，P3 口作为 I/O 口对开关状态进行扫描，并通过串口把数据送至无线发射模块。STC 单片机也是通过其串行通信与无线接收模块进行连接，当无线发射模块发射的数据被接收模块接收，然后 STC 单片机根据相应的控制信号进行动作。电机驱动采用让直流电动机实现正反转的 H 桥电路。3.1

20、 遥控船体设计遥控船体原本方案是买现成的玩具船，但是考虑到空间，吃水量的问题，最终选择自己制作，制作材料为塑料船型外壳，拼接材料为热熔胶。船体制作的图纸是以网上船模图纸为基础，然后自我设计的，这样既提高了动手能力，也保证了船体其他部件能够有足够的空间。3.2 单片机的选择STC15F2K60S2 系列单片机的内部结构框图如下图所示。STC15F2K60S2 系列单片机中包含中央处理器 (CPU)CPU)、程序存储器 (Flash)、数据存储器(SRAM)、定时器、I/O 口、高速 A/D 转换、看门狗、UART 高速异步串行通信口 1/串行通信口 2，CCP/PWM/PCA，1 组高速同步串行

21、端口 SPI，片内高度 R/C时钟及高可靠复位等模块。STC15F2K60S2 系列单片机几乎包含了数据集和控制中所需的所有单元模块，可称得上是一个片上系统(SysTem Chip 或 SysTem onChip,简写为 STC,这是宏晶科技 STC 名称的由来)。与 MCS-51 产品指令和引脚完全兼容60k 字节可重擦写 Flash 闪速存储器1000 次擦写周期全静态操作：0HZ24MHZ三级加密程序存储器256×8 字节内部 RAM38 个可编程 I/O 口线3 个16 位定时/计数器8 个中断源可编程串行UART 通道低功耗空闲和掉电模式图 3-1 STC 单片机引脚图3.

22、2.1 STC 单片机 引脚功能介绍1. 增强型 8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，速度比普通8051快8-12倍2. 工作电压： STC15F2K60S2 系列工作电压：5.5V - 3.8V（5V 单片机） STC15L2K60S2 系列工作电压：3.6V - 2.4V（3V 单片机）3. 8K/16K/24K/32K/40K/48K/56K/60K/61K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上4. 片内大容量内大容量2048字节的的SRAM5. 大容量片内EEPROM，擦写次数10万次以上6. ISP/IAP，在系统可编程/在应用可编程，无需编程器，无需仿真器7. 共

23、8通道10位高速ADC，速度可达30万次/秒，3路PWM还可当3路D/A使用8. 共3通道捕获/比较单元(CCP/PWM/PCA) -也可用来再实现3个定时器或3个外部中断(支持上升沿/下降沿中断)或3路D/A9. 内部高可靠复位，ISP编程时8级复位门槛电压可选，可彻底省掉外部复位电路10.内部高 度R/C时钟(±0.3%)，±1%温飘(-40+85)，常温下温飘±0.6%(-20+65)，内部时钟从 5MHz35MHz可选 (5.5296MHz / 11.0592MHz /22.1184MHz / 33.1776MHz)11.工作频率范围：5MHz 35MHz

24、，相当于普通8051的60MHz420MHz12.两组高速异步串行通信端口(可同时使用)，可在5组管脚之间进行切换，分时复用可当 5组 串口使用： 串口 1(RxD/P3.0, TxD/P3.1) 可以切换到(RxD_2/P3.6, TxD_2/P3.7), 还可以切换到(RxD_3/P1.6, TxD_3/P1.7)； 串口2(RxD2/P1.0, TxD2/P1.1)可以切换到(RxD2_2/P4.6, TxD2_2/P4.7)13. 一组高速异步串行通信端口SPI，如果I/O口不够用，可外接74HC595(参考价0.21元)来扩 展I/O口，并可多芯片级联扩展几十个I/O口。14. 低功

25、耗设计：低速模式，空闲模式，掉电模式/停机模式.15. 可将掉电模式/停机模式唤醒的定时器：有内部低功耗掉电唤醒专用定时器。 16. 可将掉电模式/停机模式唤醒的资源有：INT0/P3.2, INT1/P3.3(INT0/INT1上升沿下降沿 中断均可 ), INT2 /P3.6, INT3/P3.7, INT4/P3.0(INT2 /INT3 /INT4 仅可下降沿中断)；管脚CCP0/CCP1/CCP2；管脚RxD/RxD2；管脚T0/T1/T2(下降沿，不产生中断，前提是在进入掉电模式/停机模式前相应的定时器中断已经被允许)；内部低功耗掉电唤醒专用定时器. 17. 共6个定时器/计数器，

26、3个16位可重装载定时器/计数器(T0/T1/T2，其中T0/T1兼容普通 8051的定时器/计数器)，并均可独立实现对外可编程时钟输出(3通道)，3路CCP/PWM/PCA还可再实现3个定时器 18. 定时器/计数器T2，也可实现1个16位重装载定时器/计数器,T2也可产生时钟输出T2CLKO 19. 可编程时钟输出功能(对内部系统时钟或对外部管脚的时钟输入进行时钟分频输出 ) ：由于 STC15系列 5V 单片机 I/O口的对外输出速度最快不超过13.5MHz，所以5V单片机的对外可编程时钟输出速度最快也不超过13.5MHz.； 而3.3V单片机I/O口的对外输出速度最快不超过8MHz，故

27、3.3V单片机的对外可编程时钟输出速度最快也不超过8MHz. T0在P3.5/T0CLKO进行可编程输出时钟 (对内部系统时钟或对外部管脚T0/P3.4的时钟输入进行可编程时钟分频输出)； T1在P3.4/T1CLKO进行可编程输出时钟 (对内部系统时钟或对外部管脚T1/P3.5的时钟输入进行可编程时钟分频输出)； T2在P3.0/T2CLKO进行可编程输出时钟 (对内部系统时钟或对外部管脚T2/P3.1的时钟输入进行可编程时钟分频输出)；以上3个定时器/计数器均可165536级分频输出。 主 时 钟 在 P5.4/MCLKO 对 外 输 出 时 钟 ， 并 可 如 下 分 频MCLK/1,M

28、CLK/2,MCLK/4./1, MCLK/2, MCLK/4.主时钟可以是内部R/C时钟，也可是外部输入的时钟或外部晶体振荡产生的时钟。MCLK是指主时钟频率，MCLKO是指主时 钟输 出。 STC15 系列 8-pin 单 片机 ( 如STC15F104W系 列) 的主时 钟在MCLKO/P3.4口输出主时钟， STC15系列 16-pin及其以上单片机 (如STC15W4K60S4系列和STC15F2K60S2系列等)的主时钟均在MCLKO/P5.4口输出主时钟。20. 硬件看门狗看门狗(WDT)21. 先进的指令集结构，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令22. 封装：LQFP

29、-44(12x12mm), SOP-32(此系列现未生产SOP-32的封装，建议选择LQFP-32封 装), LQFP-32(9x9mm), SOP-28, SKDIP-28, PDIP-40(此系列现未生产PLCC-44的封装，建议选择LQFP-44封装).23. 全部175小时高温烘烤，高品质制造保证24. 开发环境：在 KeilCKeil C 开发环境中，选择 Intel 8052 编译，头文件包含<reg51.h>即可引脚定义V SS ：地。 V CC ：电源，提供掉电、空闲、正常工作电压；通用I/O口（42/38/30/26/38/30/26个），复位后为：准双向口，复位

30、后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置四种模式：准双向口 /弱上拉，强推挽强推挽推挽 /强上拉，仅为输入/高阻，开漏 每个I/O口驱动能力均可达到 20mA，但40-pin及40-pin以上单片机的整个芯片电流最大不要超过120mA，16-pin及以上/32-pin及以下单片机的整个芯片电流最大不要超过90mA.3.2.2单片机最小系统单片机的最小系统就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分，也可理解为是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51 系列单片机来说， 最小系统一般应该包括： 单片机、时钟电路、复位电路、输入/ 输出设备等如图3-2 所示4。图 3

31、-2 单片机最小系统框图电路详解依据上文的内容，设计 51 系列单片机最小系统见图 3-3 所示。图 3-3 51 系列单片机最小系统3.3 无线电遥控模块的设计遥控模块采用无线遥控方式，因为采用红外遥控控制距离比较有限，一般在几米之内，且有障碍物时，会严重影响控制效果。另外，NRF24L01 与单片机接口电路简单。鉴于本设计要求，所以综合考虑之下采用无线遥控较为合适。本设计中要求能用无线遥控器控制小船的前进、左转、右转、停止等功能。3.3.1 无线模块 NRF905 引脚说明NRF24L01 引脚及说明如图 3-4 及表 3-1 所示，其分别介绍了引脚的排列及各引脚的功能。图 3-4 NRF

32、24L01 引脚结构图表 3-1 NRF24L01 引脚说明表管脚 名称 管脚功能 说明 管脚 名称 管脚功能 说明1 VCC 电源 电源+3.33.6V DC 8 DR 数字输出 接收或发射数据完成2 TX_EN 数字输入 TX_EN= 1 TX 模式 9 MISO SPI 接口 SPI 输出TX_EN= 0 RX 模式3 TRX_CE 数字输入 使能芯片发射或接收 10 MOSI SPI 接口 SPI 输入4 PWR_UP 数字输入 芯片上电 11 SCK SPI 时钟 SPI 时钟5 uCLK 时钟输出 本模块该脚废弃不用，向 12 CSN SPI 使能 SPI 使能后兼容6 CD 数字

33、输出 载波检测 13 GND 地 接地7 AM 数字输出 地址匹配 14 GND 地 接地3.3.2 NRF24L01 与单片机硬件接口电路NRF905 与单片机硬件接口电路如下图所示:图 3-5 NRF24L01 与单片机接口电路图3.3.3 选择无线电遥控原因无线电遥控器与红外遥控器的区别，红外遥控和无线遥控是对不同的载波来说的，红外遥控器是用红外线来传送控制信号的，它的特点是不能有阻挡、有方向性、距离一般不超过 10 米，然而不受电磁干扰，红外遥控器在近距离无障碍应用较为广泛，如电视机遥控器；无线电遥控器采用无线电波来传送控制信号，它具有无方向性、距离远（可达数十米，甚至数公里）、可以不

34、“面对面”控制的特点，但是容易受电磁干扰。在需要无方向性控制领域或者远距离穿透，比如工业控制等等，使用无线电遥控器比较容易解决。综合以上原因，选择无线电遥控，而非红外遥控2。3.3.4 无线电遥控分类及原理我们常用的无线电遥控系统一般由发射和接收两个部分组成。无线电发射部分一般分为两种类型，即发射模块与遥控器。对于使用方式的不同，可将之分为遥控模块和遥控器。首先，遥控器可以充当一个整体来使用，只需将接线头接到外面即可；而当需要无线模块作为一个元件使用时，则需要根据其引脚定义进行应用，之所以使用无线模块，其优势在于可以和应用电路完美的连接、体积孝价格低，主要是物尽其用，但是使用者必须真正懂得电路

35、原理，否则无法正确使用。接收部分一般来说也分为两种类型，即超外差与超再生接收方式，超再生解调电路也称超再生检波电路，它实际上是工作在间歇振荡状态下的再生检波电路。超外差式解调电路与超外差收音机基本相同，它是设置一本机振荡电路产生振荡信号，与接收到的载频信号混频后，得到中频信号，经中频放大和检波，解调出数据信号。由于载频频率是固定的，所以其电路要比收音机简单一些。超外差式的接收器稳定、灵敏度高、抗干扰能力也相对较好；超再生式的接收器体积孝价格便宜。无线电遥控常用的载波频率为 315mHz 或者 433mHz，遥控器使用的是国家规定的开放频段，在这一频段内，发射功率小于 10mW、覆盖范围小于 1

36、00m 或不超过本单位范围的，可以不必经过“无线电管理委员会”审批而自由使用。我国的开放频段规定为 315mHz，而欧美等国家规定为 433mHz，所以出口到上述国家的产品应使用 433mHz 的遥控器。无线电遥控常用的编码方式有两种类型，即固定码与滚动码两种，滚动码是固定码的升级换代产品，目前凡有保密性要求的场合，都使用滚动编码方式。滚动码编码方式有如下优点：保密型强，每次发射后自动更换编码，别人不能用“侦码器”获得地址码；l 编码容量大，地址码数量大于 10 万组，使用中“重码”的概率极小；l 对码容易，滚动码具有学习存储功能，不需动用烙铁，可以在用户现场对码。l 误码小，由于编码上的优势

37、，使得接收器在没有收到本机码时的误动作几乎为 0。固定码的编码容量仅为 6561 个，重码概率极大，其编码值可以通过焊点连接方式被看出，或是在使用现场用“侦码器”来获取，所以不具有保密性，主要应用于保密性要求较低的场合，因为其价格较低所以也得到了大量的应用。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。无线电遥控技术起源于无线电通讯技术，最初的构想是无线电电报技术的建立，真空电子管的发明使得无线电技术的应用和普及很快应用在民用和军用等各个领域。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

38、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，在我们的日常生活中，可以说是已经离不了无线电遥控，如：报警、遥控监视、遥控玩具、遥控电视等等。遥控器，它是用来操控我们的模型的，如车模或者船模。首先遥控指令通过机壳外部的控制开关或者按钮，经过内部电路的调制、编码；其次，由于它外部有一个长长的天线，信号通过高频信号放大电路，从而经过天线将电磁波发射出去。 目前比较常用的模型遥控发射机有三种类型：一种是便携杆式遥控发射机；一种是盒式按键手持用的小型遥控发射机；另一种是手持枪式遥控发射机。前一种多为开关式模拟电路的遥控系统，为一般普通的玩具遥控车模

39、、船模或航模使用，电路的设计和制作比较简单，动作的指令都为“开”和“关”两种，虽然通道的数量可以很多，遥控的性能和距离较低。而发射机为杆式和枪式两种通常为比例式的无线电遥控器，在动态仿真模型中是当今最为流行的遥控操作系统，由于这两种在调制、编码和电路的组成等方式的不同，其性价比有很大的差异，所以在价格上也不同。 比例遥控杆式发射机一般有两个操纵杆，左边的杆主要用来控制小车的速度和刹车（前进或后退），右边的杆控制小车的方向（左或者右）。枪式发射机用一个转轮（方向盘）和一个类似手枪扳机的操纵杆来分别控制方向和速度。除了这些基本功能之外，一些较高级发射机还运用了先进的电脑技术，增加了许多附加的功能，

40、如储存多种模型车、船的调整数据，一机多用；有计时、计圈功能，方便练习和比赛；有大型液晶显示屏幕，可显示工作状态和各种功能。发射机基本上是由操纵器、编码电路、开关电路、高频电路所组成。操纵器与可变电位器电路连接，而可变电位器又与信号发生电路和编码器电路连接，编码器所产生的信号通过开关电路搭载在高频无线电发射器上由天线发送出去,这个过程有点像用火车运载货物 ,操纵者相当于货运调度员 ,动作指令信号相当于货物，而高频无线电波相当于火车，把“货物”搬上“火车”的这个过程称为调制，将信号调制为 AM 称调幅，而将信号调制为 FM 则称调频。至于说在遥控器中标明 PPM 和 PCM，只是编码调制的方式不同

41、，PPM 为脉位调制，而 PCM则为脉宽调制，前者是在发射时将模拟信号转换为数字信号，而接收时再将数字信号转换为模拟信号，经放大电路驱动执行机械动作。而 PCM 则不同，它是一种纯数字信号输出的形式，所以信号还原好，受到的外界干扰也小，并且电路的设计和调试也相对简单。3.3.5 影响无线电遥控距离因素影响无线电遥控距离的因素主要有如下几点：1.发射功率：发射功率大则距离远，但耗电大，容易产生干扰；2.接收灵敏度：接收器的接收灵敏度提高，遥控距离增大，但容易受干扰造成误动或失控；3.天线：采用直线型天线，并且相互平行，遥控距离远，但占据空间大，在使用中把天线拉长、拉直可增加遥控距离；4.高度：天

42、线越高，遥控距离越远，但受客观条件限制；5.阻挡：目前使用的无线遥控器使用国家规定的 UHF 频段，其传播特性和光近似，直线传播，绕射较小，发射器和接收器之间如有墙壁阻挡将大大打折遥控距离，如果是钢筋混泥土的墙壁，由于导体对电波的吸收作用，影响更甚6。3.4 电机及驱动模块3.4.1 电机的选择对于无线遥控小船来说，其驱动螺旋桨的驱动电机和撒料电机的选择是十分重要。表 3-2 电机选择方案比较方案 起停和正反转 其他特点方案一 步进电机 快速起停，正转、反转控制灵 负荷不超过动态转矩值启动活 或反转灵敏价格昂贵方案二 直流电机 无极快速起、制动和反转 体积小，重量轻，转配简单，使用方便，性价比

43、高综上所述，我们选择了方案二。3.4.2 驱动电路及原理驱动电路的选择方案一：使用直流电机，加上适当减速比的减速器。直流电机具有良好的调速性能，控制起来也比较简单。直流电机只要通上直流电就可连续不断的转动，调节电压的大小就可以改变电机的转速。直流电机的驱动电路实际上就是一个功率放大器。常用的驱动方式是 PWM 方式，即脉冲宽度调制方式。PWM 的理论基础是：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在电机电驱上的脉冲电压频率不变，调节其脉冲宽度。电机是一个惯性环节，它的电驱电流和转速均不能突变，很高的频率的 PWM 加在电机上，效果相当于施加一个恒定电压的直流电，如图所示。电压可以由脉冲的宽度调节。图 3-

44、6 脉冲宽度调节可以用一个驱动电源以脉冲控制电流的方向控制电动机的正转和反转。电机驱动电路如下图 3-7 所示3图 3-7 电动机驱动电路方案二：使用步进电机，步进电机具有良好的控制性能，当给步进电机输入一个电脉冲信号时，步进电机的输出轴就转动一个角度，因此可以实现精确的位置控制。与直流电机不同，要使步进电机连续的转动，需要连续不断的输入点脉冲信号，转速的大小由外加的脉冲频率决定，而且其转动不受电压波动和负载变化的影响，也不受温度、气压等环境因素的影响，仅与控制脉冲有关。但步进电机的驱动相对较复杂，要由控制器和功率放大器组成。这两种方案都能达到很好的控制效果，鉴于此处实验不要求十分精确，使用直

45、流电机足以满足题目所需精度，因此选择方案二。如图 3-8 所示，此图为一个典型的直流电机控制电路。之所以该电路得名于“H 桥驱动电路”，是因为它的形状酷似字母 H。如图 3-8 所示，我们可以认为电机就是 H 中的横杠，而 4 个三极管组成 H 的 4 条垂直腿。正如下图所画，H桥式电机驱动电路包括一个电机和 4 个三极管。若想要让电机运转，对角线上的一对三极管必须导通。当不同的三极管对导通情况不同时，电流方向也会不同，可能会从左至右，也可能从右至左流过电机，这样就控制了电机的旋转方向7。图3-8 H 桥驱动电路若要使电机启动运转，则使对角线上的一对三极管必须导通。比如，如图3-9 所示，要使

46、电流就从电源正极经 Q1 从左至右流过电机，那么必须是 Q1 和Q4 三极管同时导通。这样，电流先从正极经过三极管 Q1，然后再经 Q4 回到电源负极，这样才能使直流电机正向旋转，正如图中电流箭头所示，此时 Q1 和Q4 导通，电机正向旋转。图3-9 H 桥驱动电机顺时针转动图 3-10 所示为另一种情况，当三极管 Q2 和 Q3 同时导通时，电流从正极开始，流经 Q2，再经过直流电机，最后到达 Q3，这样直流电机的电流从右至左，从而驱动电机逆时针旋转，在小船上表现为左右旋转。图中箭头方向为电流流经电机方向。图 3-10 H 桥驱动电机逆时针转动正如上面所述，直流电机导通，必须使处于对角线的两

47、个三极管同时导通，也就是说不能使同侧的两个三极管同时导通，比如三极管 Q1 和 Q2 同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极，三极管肯能会被烧坏，因此，为了保证 H 桥上两个同侧的三极管不会同时导通，需要采取一些措施。3.5 电源模块当无线遥控模块使用时，电源只需给 STC 单片机和无线模块 NRF24L01 供电，故耗电功率相对较低。另外，无线遥控模块需要 3.3V 和单片机所需电压是5V，所以直接选用 5v 干电池供电。无线模块的降压电路选用 LM1117 芯片所构成的电路。无线接收电路电源需要完成以下任务：首先，电源必须能给 STC 单片机和无线模块 NRF24L01 供

48、电，且供电电压分别为 5V 于 3.3V，其次，电源必须能够给两个直流电机供电，也就意味着电源必须有较大的容量，因为直流电机消耗功率相对较大。若用 5V 干电池供电，电池会很快消耗完，因此电源必须有大容量，且能够充电。最后，由于无线电模块NRF905 对于电源有较高要求，需要电压稳定。并且船体空间较小，综合考虑选择了一个 8V 的充电电池为电源，选择了以LM7805 先使 8V 降到 5V 然后再用 LM117 芯片电路降到 3.3V，这样就可达到所有部件都可供电8。但是有可能导致电压不稳。图 3-11 8V 转 5v 电路图 3-12 5v 转 3.3v 电路3.6 键盘模块键盘模块需要实现

49、控制小船的方向及前进问题，故发射按键个数定为 3 个。每个按键共接一个 10K 的排阻作为上拉电阻，并与单片机 I/O 端口相连接，另一端接地。当按键不作用时，每个按键均为高电平，作用时，对应按键变为低电平。3 个按钮分别接到 P3.2、P3.3、P3.4。通过对端口不断的扫描，判断对应按键是否按下。如有键闭合，则去除键抖动，判断键号并转入对应的键处理。如果没有按键按下，单片机重新扫描端口。图 3-13 按键电路3.7 舵机的选型及原理舵机也叫伺服电机，最早用于船舶上实现其转向功能，由于可以通过程序连续控制其转角，因而被广泛应用智能车船以实现转向以及机器人各类关节运动中舵机是转向的控制机构，具

50、有体积小、力矩大、外部机械设计简单、稳定性高等特点，无论是在硬件设计还是软件设计，舵机设计是控制部分重要的组成部分。3.7.1 舵机工作原理控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机转动的方向和速度，从而达到目标停止。其工作流程为：控制信号控制电路板电机转动齿轮组减速舵盘转动位置反馈电位计控制电路板反馈。图 3-14 舵机驱动电路舵机的控制信号周期为 20MS 的脉宽调制（PWM）信号，其

51、中脉冲宽度从0.5-2.5MS,相对应的舵盘位置为 0180 度，呈线性变化。也就是说，给他提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持一定对应角度上，无论外界转矩怎么改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期为 20MS，宽度 1.5MS 的基准信号，有一个比出较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而生产电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服驱动器，转动范围不能超过180 度，适用于那些需要不断变化并可以保持的驱动器中，比如说机器人的关节、飞机的舵面等。图 3-15 舵机输出转角与输入脉冲的关系3.7.2 舵机使

52、用中应注意的事项1.常用舵机的额定工作电压为 6V，可以使用 LM1117等芯片提供 6V 的电压，如果为了简化硬件上的设计直接使用 5V 的供电影响也不是很大，但最好和单片机进行分开供电，否则会造成单片机无法正常工作。2.一般来说可以将来信号线连接至单片机的任意引脚，对于 51 单片机需通过定时器模块出 PWM 才能进行控制。但是如果连接像飞思卡尔之类的芯片，由于飞思卡尔内部带有 PWM 模块，可以直接输出 PWM 信号，此时应将信号线连于专用的 PWM 输出引脚上。第 4 章 系统软件的设计4.1 软件设计需要完成任务由上章节对系统硬件模块设计我们可以清楚知道，电机的驱动都由硬件单独可以完

53、成。所以，系统软件所要完成的任务包括五个部分：一、键盘扫描程序；二、无线电发射程序，当单片机扫描键盘有键按下时，需要单片机串口给NRF24L01 无线模块发送有效数据；三、无线电接受程序，当有效数据接受时，需要 NRF24L01 无线模块给单片机发送数据。四、电机驱动程序，根据接收到的有效信号来控制电机的前进，左转，右转；五、控制单片机的 PWM 输出值，来控制舵机的摆动角度5。程序见附录 2所示。4.2 系统软件主要程序的设计4.2.1 发射部分控制程序设计遥控部分有单片机和键盘模块组成，单片机对按键端口扫描，然后判断是否是有效信息，若是则通过串口给无线模块进行发射。程序流程图如图 4-1

54、所示。图 4-1 无线发射部分程序流程图4.2.2 接收部分控制程序设计被控部分主要由单片机、驱动芯片、无线接收模块和直流电机组成，无线电接收信息，单片机分析数据，然后调用子程序，从而控制直流电机动作。程序流程图如下图 4-2 所示。图 4-2 无线接收部分程序流程图第 5 章系统调试系统调试可以分为软件调试和硬件调试，当然软件调试的前提是必须硬件没有问题，即硬件调试成功。5.1 硬件调试硬件调试主要是检测硬件电路是否有短路、断路、虚焊等。具体步骤及测试结果如下：1.检查电源与地线是否全部连接上，用万用表对照电路原理图测试各导线是否完全连接，测试结果所有连接线都已连接好。2.检查所有有极性的元

55、器件是否安装正确，并改正发现的问题。3.尝试下载程序，看能否把程序下载到单片机里面，并解决遇到的问题。硬件调试时，遇到了几个问题，在老师帮助下都得到了解决，问题如下：1.当程序通过烧录器写入单片机时，单片机没有按照预定设计工作，后经过老师提醒，用示波器检测晶的震荡电路是否正确。开始检测时，晶振没有产生锯齿波形，后来给震荡电路换了一个电容，才产生了锯齿波形。2.检测无线传输模块传输数据时，编写了一个简单程序，但是无线模块不能正常工作，后用万能表检测出无线传输模块引脚电平，发现一个引脚不对，没有接地，从而连接了一个跳线。5.2 软件调试在系统调试中，软件调试占主要地位。软件调试需要使用了仿真器，示

56、波器，和万能表。其具体步骤如下：1.由于开始无法确定发射程序是否正确，因此可使发射程序先简单点儿，让程序控制使无线模块一直发射 00H,FFH,0EH(任意一个十六进制数)，用 Keil 软件将编写的程序打开，进行编译，调试，然后生成后缀为 HEX 文件，之后通过stc-isp 系列的烧录器把该文件写入发射板单片机中。2.当把无线发射程序写入单片机后，接上电源，用示波器检测无线模块 DO引脚，如果看到示波器中显示不同占空比的高低电平时，说明程序正确。否则，程序不正确。3.确定发射程序正确后，用仿真器接到无线接收板上，作为其控制单片机。应用仿真器进行程序调试，是给我带来了很大的方便。当接入仿真器后，把编好的程序用 Keil 软件打开，然后进行仿真测试。程序控制无线电模块