基于STC12C5A60S2單片機(jī)的視頻遙控小車設(shè)計(jì)

宋揚(yáng)　朱江

摘要：該文對(duì)視頻遙控小車進(jìn)行了深入的研究，設(shè)計(jì)出了一套基于STC12C5A60S2單片機(jī)的視頻遙控小車系統(tǒng)。為了能夠遠(yuǎn)程控制小車的運(yùn)行狀態(tài)，采用無線視頻發(fā)射與接收模塊將小車在現(xiàn)場采集到的視頻信號(hào)顯示在PC機(jī)上，以便控制室的人能夠觀察到小車現(xiàn)場的實(shí)時(shí)情況，利用無線數(shù)據(jù)傳輸模塊完成主控體對(duì)小車的控制及小車運(yùn)行狀態(tài)的反饋，最終實(shí)現(xiàn)了小車的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；遠(yuǎn)程控制；無線視頻發(fā)射與接收；無線數(shù)據(jù)傳輸

中圖分類號(hào)：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）01-0180-05

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，無線遙控技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。無線遙控由于可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，使工作在危險(xiǎn)環(huán)境中的操作人員獲得更多的安全距離，而且抗干擾性強(qiáng)[1]，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。該文介紹了一套遙控小車系統(tǒng)，根據(jù)小車在現(xiàn)場采集到的實(shí)時(shí)視頻信號(hào)，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制小車的運(yùn)行狀態(tài)，該系統(tǒng)可以應(yīng)用在軍事、機(jī)器人和航空航天等領(lǐng)域。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)主要包括小車、主控體和上位機(jī)三部分，其中小車部分的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

小車部分由主控芯片STC12C5A60S2單片機(jī)[2]、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、主電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制模塊、無線視頻發(fā)射模塊及模擬攝像頭構(gòu)成。單片機(jī)作為小車部分的核心，控制無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、主電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制模塊；主電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于控制小車后輪的前進(jìn)與后退；無線數(shù)據(jù)傳輸模塊用于小車與主控體之單的通信；舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制模塊用于小車前輪的左右轉(zhuǎn)向；無線視頻發(fā)射模塊將模擬攝像頭將其采集到的模擬圖像視頻信號(hào)發(fā)送給上位機(jī)的無線視頻接收模塊。

主控體部分的結(jié)構(gòu)圖如圖2。主控體部分由主控芯片STC12C5A60S2單片機(jī)、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、速度與轉(zhuǎn)向控制模塊和顯示模塊構(gòu)成。主控單片機(jī)對(duì)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、速度與轉(zhuǎn)向控制模塊和顯示模塊進(jìn)行控制；無線數(shù)據(jù)傳輸模塊用于完成主控體與小車間的數(shù)據(jù)通信；速度與轉(zhuǎn)向控制模塊用于輸入對(duì)小車速度與轉(zhuǎn)向的控制信號(hào)；顯示模塊用于顯示小車當(dāng)前的運(yùn)行狀況。

上位機(jī)部分的結(jié)構(gòu)圖如圖3。上位機(jī)部分由無線視頻接收模塊、USB視頻采集模塊和PC機(jī)構(gòu)成。無線視頻接收模塊用于接收小車中的無線視頻發(fā)射模塊所發(fā)射過來的模擬視頻信號(hào)；USB視頻采集模塊用于視頻圖像的拍攝與記錄；PC機(jī)中實(shí)時(shí)顯示出視頻信息以便控制中心及時(shí)調(diào)整小車的行駛路線。

2 系統(tǒng)的硬件電路

2.1 硬件電路主要器件的選擇

1） STC12C5A60S2單片機(jī)：該單片機(jī)內(nèi)部具有8通道10位A/D，主要用于將兩個(gè)電位器的模擬值轉(zhuǎn)換為0～255的數(shù)字量，并通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊傳輸?shù)叫≤嚕瑫r(shí)具有2路PWM，用于控制小車的前后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

2） RF-905無線數(shù)據(jù)傳輸模塊[3]：RF905單片無線收發(fā)器工作在433/868/915MHZ的ISM頻段由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器、一個(gè)帶解調(diào)器的接收器、一個(gè)功率放大器、一個(gè)晶體振蕩器和一個(gè)調(diào)節(jié)器組成。其供電電壓為+3.3V，根據(jù)實(shí)際需要，需要將5V轉(zhuǎn)換成3.3V，其轉(zhuǎn)換電路如圖4。

3） 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊[4]：采用國產(chǎn)仿制S3010型舵機(jī)作為小車前輪的方向控制部件。舵機(jī)有電源、地及脈沖三條控制線，其中電源線與地線能夠?yàn)橹绷黢R達(dá)及控制線路提供所需的能源；控制線可直接與單片機(jī)的PWM輸出口進(jìn)行連接。

4） 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊[5]：使用ST公司的L298N驅(qū)動(dòng)芯片作為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的主要芯片，L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。

5） 無線視頻發(fā)射模塊：本模塊屬于2400～2483.5MHZ頻段內(nèi)的無線電通信設(shè)備，采用低功耗設(shè)計(jì)，模塊體積更?。徊捎脝伟逍⌒头庋b，方便用戶小型化應(yīng)用。本模塊的使用只需要連接電源，左右聲道音頻線，視頻線。其應(yīng)用電路及引腳功能圖如圖5。

6） 無線視頻接收模塊：無線視頻接收模塊RX2188工作在2400～2480MHZISM頻段內(nèi)的FM音視頻接收解調(diào)模塊。本模塊的應(yīng)用只需簡單連接電源，單/雙音頻線，視頻線，接上天線就可接收音樂、圖像信號(hào)。應(yīng)用電路圖和引腳圖如圖6。

7） 電位器：轉(zhuǎn)向電位器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)小車上舵機(jī)的一個(gè)轉(zhuǎn)角，可以實(shí)現(xiàn)“方向盤”的功能。速度電位器的每個(gè)位置對(duì)應(yīng)智能車的車速，可以實(shí)現(xiàn)“油門”的功能。

2.2 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件分為小車硬件電路、主控體的硬件電路和上位機(jī)硬件電路三部分。其中小車的硬件電路和主控體的硬件電路分別如圖7、圖8所示。

1） 小車硬件電路：無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將接收到主控體發(fā)送過來的小車行駛命令送到單片機(jī)內(nèi)部，單片機(jī)根據(jù)主控體發(fā)送過來的命令配置相關(guān)寄存器，使引腳輸出占空比不同的PWM信號(hào)[6]，控制小車后輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和前輪的轉(zhuǎn)向舵機(jī)，從而使小車按主控體發(fā)送過來的命令行駛。

2） 主控體硬件電路：兩個(gè)電位器分別作為速度控制和轉(zhuǎn)向控制，通過具有A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)引腳，將模擬輸入量在單片機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，單片機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的輸入的控制信號(hào)進(jìn)行處理，然后將其通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊發(fā)送給小車，同時(shí)，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊時(shí)時(shí)接收小車發(fā)送過來的小車運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)。小車前進(jìn)，單片機(jī)點(diǎn)亮LED1；后退，點(diǎn)亮LED2；小車左轉(zhuǎn)，單片機(jī)點(diǎn)亮LED3；小車右轉(zhuǎn)，點(diǎn)亮LED4。

3） 上位機(jī)硬件電路：上位機(jī)硬件電路非常簡單，只需要提供電源，將USB視頻采集卡的USB與PC機(jī)的USB串口相連接，并且無線視頻接收模塊的視頻和音頻線與USB視頻卡相應(yīng)的信號(hào)線相連接即可。只要為小車上的無線視頻發(fā)送模塊和模擬攝像頭提供電源即可。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件包括小車部分的軟件設(shè)計(jì)和主控體部分的軟件設(shè)計(jì)。小車與主控體的軟件流程圖分別如圖9，圖10。

小車的軟件設(shè)計(jì)：上電后，通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊向主控體反饋小車的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，然后判斷是否有主控體發(fā)送過來的控制命令，如果有，則小車按照接收到的控制命令進(jìn)行行駛，否則繼續(xù)開始反饋小車的當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。

主控體的軟件設(shè)計(jì)：根據(jù)PC機(jī)顯示出的現(xiàn)場實(shí)時(shí)視頻信號(hào)對(duì)小車的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整控制，向小車發(fā)送控制命令，接下來再判斷是否接收到小車發(fā)送過來的小車運(yùn)行狀態(tài)反饋信號(hào)，如果有，則顯示小車的相應(yīng)運(yùn)行狀態(tài)，否則繼續(xù)根據(jù)上位機(jī)中的視頻向小車發(fā)送相應(yīng)的控制命令。

系統(tǒng)的整體軟件包括無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和指示燈顯示程序。下面簡單地介紹一下小車和主控體均具有的無線數(shù)據(jù)傳輸程序的一部分。

void SetTxMode（void） //發(fā)送模式初始化//

{TXEN=1； //發(fā)射模式

TRX_CE=0； //這里設(shè)置TRX_CE=0，在TxPacket中將TRX_CE=1//

nrf905_Delay（1）； // nrf905_Delay for mode change（>=650us）

}

void SetRxMode（void） //接收模式初始化//

{TXEN=0； //接收模式

TRX_CE=1； //這里設(shè)置TRX_CE=1，在TxPacket中將TRX_CE=0//

nrf905_Delay（1）； // nrf905_Delay for mode change（>=650us）

}

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)出一套基于STC12系列單片機(jī)的視頻遙控小車系統(tǒng)方案，搭建出了系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件的功能。系統(tǒng)一共分為小車部分、主控體部分和上位機(jī)部分，三部分相互配合，最終實(shí)現(xiàn)了小車的遠(yuǎn)程視頻控制。該系統(tǒng)簡易、可控性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)并且價(jià)格低，因此在更多的領(lǐng)域會(huì)有廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 任政諫，蘆利斌.利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的無線遙控技術(shù)[J].山西電子技術(shù)，2008（6）：23-24.

[2] 邊樹海，馬斌，王長濤，韓中華，孟慶斌.基于單片機(jī)的數(shù)字圖像采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代建筑電氣，2011（11）：1-4.

[3] 肖坤，張崇巍，鄭昌瑜.基于MSP430和nRF905的無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶，2007，14（5）：27-29.

[4] 李世民，王新平.電動(dòng)舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械與電子，2011（11）：60-63.

[5] 任志敏.基于AVR單片機(jī)的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路研究[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2008，27（6）：85-87.

[6] 王妍瑋，于惠力，崔龍磊.基于12C5A的無線引導(dǎo)車設(shè)計(jì)[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2011，39（2）：47-48.