基于51單片機(jī)的遙控噴灌小車(chē)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)淺析

陳志斌 林壽英

摘 要 設(shè)計(jì)一款遙控小車(chē)能夠根據(jù)使用者的意愿來(lái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作與功能，不僅為花草栽培愛(ài)好者提供一種不一樣的澆花方式，還能減輕勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，增添娛樂(lè)性。該小車(chē)是以STC89C51為核心控制模塊，所采用的功能模塊有NRF24L01無(wú)線模塊、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和7805穩(wěn)壓模塊。

關(guān)鍵詞 MCU;NRF24L01;小車(chē);噴灌

中圖分類(lèi)號(hào)：TS95 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.33.092

隨著物聯(lián)網(wǎng)概念的普及與科技技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線通信技術(shù)在生活中的運(yùn)用越來(lái)越廣泛。通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)來(lái)控制驅(qū)動(dòng)的小車(chē)也逐步進(jìn)入人們的視野中。對(duì)于智能小車(chē)，我國(guó)國(guó)內(nèi)的各大高校都有相關(guān)研究。例如，王剛等對(duì)智能小車(chē)的ABS（防抱死系統(tǒng)）進(jìn)行了研究，通過(guò)采用調(diào)節(jié)占空比的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)防抱死功能[1]。此次的小車(chē)研究是針對(duì)于小車(chē)的應(yīng)用來(lái)進(jìn)行論述的，該小車(chē)搭載了噴頭、水泵、顯示器，能夠在多種環(huán)境中應(yīng)用。其控制系統(tǒng)為STC89C51單片機(jī)，搭載的功能能夠滿足設(shè)計(jì)所需。

1 灌溉小車(chē)的組成

1.1 微型控制器及其最小系統(tǒng)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是STC89C51。STC89C51是采用8051核的在系統(tǒng)編程ISP（In System Programming）芯片，亦稱(chēng)在線編程，最高工作時(shí)鐘頻率為80 MHz，片內(nèi)含4K可反復(fù)擦寫(xiě)1 000次的閃爍存儲(chǔ)器（Flash ROM）。同時(shí)芯片內(nèi)集成了有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）、5個(gè)中斷源以及兩個(gè)優(yōu)先級(jí)。STC89C51系列單片機(jī)是單時(shí)鐘/機(jī)器周期的兼容8051內(nèi)核單片機(jī)，是高速/低功耗的新一代8051單片機(jī)。該系列單片機(jī)入門(mén)門(mén)檻低，寄存器功能簡(jiǎn)便，程序編輯可采用C語(yǔ)言編輯，符合人類(lèi)的邏輯思維，是目前我國(guó)教學(xué)領(lǐng)域中使用最廣泛的微處理器。

1.2 NRF24L01無(wú)線通信模塊

目前，市場(chǎng)上一些成熟的短距離、低功耗無(wú)線技術(shù)有ZigBee技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)、WiFi技術(shù)以及NRF2401技術(shù)。ZigBee技術(shù)所用的成本高于同類(lèi)產(chǎn)品且衍射能力與穿墻能力弱。而藍(lán)牙技術(shù)從計(jì)算機(jī)和移動(dòng)手機(jī)的普及性來(lái)看具有很大的優(yōu)勢(shì)。藍(lán)牙有效通信距離不超過(guò)10 m，這與本研究所設(shè)計(jì)小車(chē)預(yù)期實(shí)現(xiàn)的功能不符。WiFi技術(shù)帶寬大、可傳視頻，具有優(yōu)越的通信能力，但是對(duì)于采用電池供電的小車(chē)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)待機(jī)功耗大，滿足不了長(zhǎng)時(shí)間使用的需求[2]。所以在此次設(shè)計(jì)中，采用NRF2401技術(shù)作為小車(chē)無(wú)線通信點(diǎn)，該技術(shù)具有功耗低、噪聲干擾弱、工作距離適中的特點(diǎn)。

1.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

L298N是專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)集成電路，屬于H橋集成電路，其輸出電流增大，功率增強(qiáng)。其輸出電流為2 A，最高電流4 A，最高工作電壓50 V[3]。L298N芯片能夠驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)或者一個(gè)四相電機(jī)，電路簡(jiǎn)單，使用方便，而且通過(guò)I/O口的控制實(shí)現(xiàn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)具體方法如表1所示。

1.4 人機(jī)交互界面

在使用51單片機(jī)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，人機(jī)交互元件有以下3種：1）數(shù)碼管;2）液晶顯示器;3）有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）。其中液晶顯示屏分為兩種型號(hào)：1602與12864。在本次小車(chē)設(shè)計(jì)中所采用的是1602。八段數(shù)碼管所顯示的內(nèi)容存在局限性，編程較為復(fù)雜。而有機(jī)發(fā)光二極管售價(jià)高，所采用IIC或者SPI通信協(xié)議的內(nèi)容多，程序編輯起來(lái)容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。1602液晶顯示器分為上下兩行總共能夠顯示32個(gè)字符，能夠滿足本設(shè)計(jì)要求且編程簡(jiǎn)單易懂。

1.5 系統(tǒng)供電與降壓模塊

由于本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單片機(jī)、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和NRF24L01無(wú)線模塊所需要的電力供應(yīng)要求是不一樣的，分別是5 V、12 V、3.3 V?？紤]到所使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是兩個(gè)5 V直流電機(jī)，電流消耗量大，所以電源供應(yīng)采用航模電池，其電池容量大、電壓高。為了保證單片機(jī)的正常使用，需要加入7805和AMS1117-3.3V芯片。

1.6 繼電器、水泵模塊

繼電器模塊的使用能夠使單片機(jī)的弱電流、小電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電壓高、電流大的負(fù)載。本次實(shí)驗(yàn)所選擇的水泵所帶的電機(jī)是12 V的，能為吸水提供可靠的動(dòng)力。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)程序

系統(tǒng)程序流程圖如圖1所示，軟件系統(tǒng)主要包括主程序、NRF24L01子程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、液晶顯示程序4部分。在系統(tǒng)上電運(yùn)行之后，接收板等待發(fā)送板的發(fā)送信號(hào)，進(jìn)行標(biāo)志位的識(shí)別并作出相應(yīng)的識(shí)別操作，最后通過(guò)液晶顯示進(jìn)行操作讀出。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序

在單片機(jī)的使用中，編寫(xiě)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)一般采用改變一個(gè)周期內(nèi)高低電平所占時(shí)間的比例，即占空比，來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。常用的使用方法有編寫(xiě)微秒級(jí)延時(shí)和定時(shí)器中斷程序。在主程序中采用微秒級(jí)延時(shí)將不能精確控制占空比，誤差大，且占用CPU內(nèi)部存儲(chǔ)空間，因此采用定時(shí)中斷產(chǎn)生PWM波，避免占用CPU的空間，所產(chǎn)生的占空比精確[4]。驅(qū)動(dòng)程序如圖2所示。

3 結(jié)論

此次設(shè)計(jì)的遙控灌溉小車(chē)在系統(tǒng)上電運(yùn)行后表現(xiàn)出良好的可靠性、穩(wěn)定性與響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。與趙文鈺等人設(shè)計(jì)的自主循跡灌溉小車(chē)相比，減少了預(yù)先布線的工序，降低了人工成本和時(shí)間成本，提高了小車(chē)的靈活性[5]。且該系統(tǒng)能夠?yàn)橐恍?ài)好栽培花草但又行動(dòng)不便的人提供澆花的便捷。但此次設(shè)計(jì)的小車(chē)還存在一些不足之處，如不能夠進(jìn)行電機(jī)速度調(diào)節(jié)、小車(chē)的整車(chē)穩(wěn)定性不高等，希望在接下來(lái)的研究中能夠?qū)π≤?chē)進(jìn)行彌補(bǔ)與功能完善。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王剛，吳鐘鳴.基于STC89C52RC的多功能電動(dòng)玩具小車(chē)設(shè)計(jì)[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2017，13（7）：158-161.

[2] 曾建，榮聯(lián)城，姜水明，等.基于Arduino平臺(tái)的智能遙控小車(chē)設(shè)計(jì)[J].電子世界，2014（7）：142.

[3] 劉新蕊，郭志強(qiáng)，馮飛.多功能遙控小車(chē)的設(shè)計(jì)[J].科技展望，2016，26（23）：180.

[4] 馮敏.基于51單片機(jī)的智能臺(tái)燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程技術(shù)，2017（S2）：275-277.

[5] 趙文鈺，郭橋雨，張成杰，等.基于51單片機(jī)自主循跡灌溉小車(chē)[J].信息記錄材料，2018，19（3）：85-86.

（責(zé)任編輯：趙中正）