基于單片機遙控小車控制系統(tǒng)設計

陳 中,沈翠鳳

(鹽城工學院 電氣學院，江蘇 鹽城 224051)

基于單片機遙控小車控制系統(tǒng)設計

陳 中,沈翠鳳

(鹽城工學院 電氣學院，江蘇 鹽城 224051)

對基于單片機遙控小車控制系統(tǒng)進行設計，充分運用微機豐富的邏輯判斷和數值運算功能，不僅可以實現模擬控制器的數字化，而且可以使得控制方式簡單可行。針對現有的單片機應用的理論，重點介紹了具體設計時各種問題的解決方法以及改進措施,最后通過實驗證明了提出方法的正確性。

微處理器；邏輯判斷；參數變化；無線模塊

基于單片機控制的遙控小車系統(tǒng)有控制方案先進、設計合理等特點，目前已有文獻[1]對單片機控制遙控小車進行介紹。本文是對基于單片機控制的遙控小車控制系統(tǒng)的完整設計, 需要通過無線模塊實時傳輸超聲波測距數據，按照已有的文獻[2-4]難以完成。本設計有兩個關鍵點：一是超聲波測距電路充分利用單片機的外部中斷和定時器功能來檢測距離，二是通過單片機普通端口模擬SPI時序實現無線模塊通信。

1 基于單片機控制遙控小車工作原理

圖1為基于單片機搖控小車工作原理結構圖。單片機STC89C52RC為控制小車運動的核心元件。圖1中發(fā)射板上液晶顯示屏12864顯示小車與前方障礙物的距離，單片機根據液晶屏上的顯示距離通過獨立式鍵盤上的4個控制按鍵決定小車動作，并將其指令通過無線發(fā)射模塊發(fā)送給小車上的接收板；接收板上的無線模塊接收到發(fā)射板的信號后，控制小車運動，并將小車超聲波測距模塊測得與前方障礙物的距離實時傳送給接收板，由接收板上的液晶屏12864顯示出來。如果前方障礙物離小車的距離小于40 cm，小車將自動轉向(本文僅設計小車右轉)。

圖1 基于單片機控制遙控小車工作原理結構圖Fig.1 The structure chart of the remote control car action based on Microcontroller

2 基于單片機小車發(fā)送和接收模塊的硬件電路設計

2.1 接收板主電路設計

小車運動采用小功率直流電動機驅動。接收板主電路中控制小車前進或后退的驅動電路由4個9012三極管與1個直流電機構成的H橋式電路組成，如圖2a所示；控制小車轉向(這里是右轉)的驅動電路由1個9012三極管與1個直流電機組成，如圖2b所示。理論上H橋式驅動電路的上橋臂一般都是NPN型三極管，下橋臂都是PNP型三極管，但在具體設計過程中，發(fā)現NPN型三極管導通不正常，主要原因是51單片機輸出電流較小，不易驅動NPN型三極管，造成直流電機旋轉不正常，所以本設計中H橋式驅動電路上、下橋臂都采用PNP型三極管。

圖2 接收板主電路Fig.2 Main circuit of DC motor control

在設計小車轉向電路時，并沒有采用H橋式電路，這是因為控制小車轉向的是舵機，2個9012三極管導通時，舵機的電壓較低，小車轉動的角度很小，轉向不明顯。為了減小直流電機的壓降，只采用一個三極管控制，故本次設計只考慮小車向一個方向轉動即右轉。

2.2 控制電路設計

基于單片機控制電路主要是鍵盤電路、液晶顯示電路、無線發(fā)射和接收電路、超聲波測距電路等組成，其中鍵盤電路采用獨立式鍵盤方法[5]，下面重點介紹無線發(fā)射和接收電路、超聲波測距電路、液晶顯示電路的設計方法。

2.2.1 無線發(fā)射和接收電路的設計

搖控小車發(fā)射板和接收板之間的通信是通過無線模塊RF24L01完成的。RF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件[6]，采用SPI總線工作方式，而STC89C52單片機沒有SPI總線端口，因此必須把單片機普通端口模擬SPI總線。另外RF24L01芯片對電源的穩(wěn)定性要求較高，工作時需要3.3 V電壓供電，本設計采用AMS1117芯片為RF24L01提供3.3 V電源，如圖3所示。圖3中AMS1117芯片并聯了兩個電容，一個是有極性電容，其值為47 μF，另一個是瓷片電容104。無線模塊RF24L01芯片每個端口都串聯了一個2 kΩ電阻，主要起到保護芯片的作用，這幾個元件的參數均不能改變。

圖3 無線模塊連接電路圖Fig.3 Circuit of Wireless Modules connection

2.2.2 超聲波測距系統(tǒng)設計

超聲波測距系統(tǒng)采用超聲波測距模塊HC-SR04[3]，其工作原理是模塊發(fā)出超聲波，遇到障礙物時，超聲波返回，然后根據返回的時間計算前方障礙物的距離。具體地說，模塊采用I/O觸發(fā)測距，控制口trig發(fā)出一個至少10 μs的高電平超聲波信號，同時開定時器計時，此時模塊自動發(fā)出8個40 kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；超聲波遇到障礙物返回時，模塊接收口Echo產生外部中斷并輸出低電平，同時讀出定時器的值。超聲波從高電平變?yōu)榈碗娖降某掷m(xù)時間就是其發(fā)射到返回的時間，由此計算障礙物的距離=高電平持續(xù)時間×聲速(340 m·s-1)/2。如此不斷的周期測量，得到不同的測量值。

2.2.3 液晶顯示電路設計

本設計選用液晶顯示屏12864顯示小車與前面障礙物的距離。12864有兩種工作方式，即串行和并行，本設計采用并行工作方式，由單片機P2口作為控制端，P0口和液晶屏12864進行并行通信。

發(fā)射板電路如圖4所示，接收板電路圖如圖5所示。

圖4 基于單片機遙控小車發(fā)射板控制系統(tǒng)硬件電路圖Fig.4 Hardware circuit of remote control car to emission circuit board system based on MUC

圖5 基于單片機遙控小車接收板控制系統(tǒng)硬件電路圖Fig.5 Hardware circuit of remote control car to receive circuit board system based on MUC

3 軟件系統(tǒng)設計

軟件系統(tǒng)主要有鍵盤掃描程序及處理程序、顯示程序、無線發(fā)射和接收程序等組成。發(fā)射板的程序流程圖如圖6所示，接收板的程序流程圖如圖7所示。

圖6 基于單片機遙控小車發(fā)射板控制系統(tǒng)流程圖Fig.6 The flowchart of remote control car to emission circuit board based on MCU

圖7 基于單片機遙控小車接收板控制系統(tǒng)流程圖Fig.7 The flowchart of remote control car to receive circuit board based on MCU

3.1 液晶12864顯示程序的編制

由于液晶顯示屏采用的是并行工作方式，在編程中采用了函數表達[4]，其關鍵部分程序如下:

void display(unsigned long int shu)

{

uchar dis_flag;

uchar table[]={" "};

uchar code dis2[]={"當前距離:"};

if(shu<=9)

{

dis_flag=1;

table[0]=shu%10+' 0';

}

else if(shu<=99 & shu>9)

{

dis_flag=2;

table[0]=shu/10+' 0';

table[1]=shu/1%10+' 0';

}

......

3.2 無線模塊通信發(fā)射和接收程序

無線模塊通信程序是設計的難點。設計時先編制個頭文件，在頭文件里定義無線模塊的各個端口、寄存器及寄存器中發(fā)射(接收)數據的地址等，并在主程序中用單片機普通I/O口模擬SPI總線。具體方法是在主程序中寫個uchar SPI_RW(uchar byte)函數，并根據SPI協議，將接收到的數據或指令按字節(jié)傳輸到到模塊RF24L01，再從另一個模塊RF24L01讀出。具體地說，就是在主程序中定義一個靜態(tài)發(fā)送地址、發(fā)送和接收數據的寬度(二者一致)，將單片機中數據value傳送到reg寄存器，然后將reg寄存器中數據讀到pBuf緩存，最后寫入到RF24L01寄存器中。數據傳輸時將使能接收通道定義為0通道，自動應答使能接收通道也定義為0，射頻通道定義為0x40，數據傳輸率為1 Mbps，發(fā)射功率為0 dB/m，采用低噪聲放大器增益。需要注意的是：數據發(fā)送時需將主程序中TX_Mode()函數設置為發(fā)送模式，接收數據時則將RX_Mode()函數設置為接收模式，同時將無線模塊RF24L01變?yōu)榻邮漳?，進行16位CRC校驗。另外，在發(fā)射板等待接收板傳送數據過程中，為避免等待小車發(fā)送信號而出現的“死機”現象，需要在發(fā)射板接收函數中編制個段延時語句，超過這個延時，程序就不再等待，繼續(xù)往下運行。

4 實驗結果

為了驗證以上分析結果，根據硬件和軟件系統(tǒng)設計，做成實物，如圖8所示。

a 接收板實物

b 發(fā)射板實物

當設計小車前進的按鍵按下時，小車前進，并把前方障礙物通過超聲波測距模塊實時檢測出來，經無線模塊傳輸到接收板，運行狀態(tài)如圖8a所示。按下不同的按鍵，小車執(zhí)行不同的動作。如果按下轉向按鍵，小車就會轉向；當小車離前方障礙物小于40 cm時，小車自動轉向。

當接收板數據經無線模塊傳送到發(fā)射板后，將在液晶屏12864顯示，然后根據顯示數據決定小車動作，或前進或轉向。接收板狀態(tài)如圖8b所示。

小車運動試驗表明小車硬件和軟件系統(tǒng)設計完全正確。

5 結論

在單片機控制遙控小車調速系統(tǒng)的基礎上，采用硬件和軟件系統(tǒng)相結合的設計方法，將單片機普通端口模擬SPI時序，并對小車無線接收、電機驅動以及超聲波測距電路等進行了分析和設計。試驗結果表明設計的正確性， 為基于單片機遙控小車控制系統(tǒng)分析和設計提供了新的方法。

[1] 陳中，沈翠鳳.基于單片機直流調速控制系統(tǒng)設計[J].鹽城工學院學報,2012,25(3)：76-78.

[2] 周冠軍,畢祥麗.LMD18200T的直流伺服電動機驅動器的設計[J].電子工業(yè)專用設備 2006,11(4):56-58.

[3] 杭和平，楊芳.單片機原理和應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[4] 陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)——運動控制系統(tǒng)[M].3版.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[5] 李蘭友.單片機開發(fā)應用十例[M].北京：電子工業(yè)出版社，1994.

[6] 譚運光.單片機開發(fā)手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，1994.

[7] 丁元杰.單片機原理及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

(責任編輯：李華云)

The Design of Control System of Remote Control Car Based on Single Chip Microcontroller

CHEN Zhong, SHEN Cuifeng

(School of Electrical Engineering, Yancheng Institute of Technology, Yancheng Jiangsu 224051, China)

The control of remote control car based on single chip microcontroller is designed. Making full use of computer feature of logical judgment and numerical calculation operations, which not only achieving the digit to analog controller, but also make it possible to simple and feasible of the control way. For the existing MCU application of theory,the paper emphasis explain the solve method and improvement measure to various actual. design. The experiment presented correctness of the proposed method.

microprocessor; logical judgment; parameters change; wireless modules

10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201504008

2015-07-01

陳中(1968-)，男，安徽六安人，講師，碩士，主要研究方向為電機控制。

TM341

A

1671-5322(2015)04-0032-05