遥控电动小车装置的设计制作

山东水利职业学院 王海港 密善龙 陈奎杰专家点评：本文涉及一台遥控电动小车控制系统的设计与制作。该系统以 89C52 单片机为核心控制器，包含主控制器模块、电机驱动模块、液晶显示模块、 键盘模块、测距模块、蓝牙通信模块、电源模块等。通过手持无线遥控器，能控 制小车前进、转向、倒退、精确转弯、自动定位等功能，实现题目所要求的任务。本文系统方案及器件选型描述详尽，但报告结构不完整，缺乏理论分析计算 和测试方案与数据，需要继续完善。评阅人：青岛大学电工电子实验教学中心 杨艳副教授摘要：本系统以89C52单片机为核心控制器，包含了主控制器模块、电机 驱动模块、液晶显示模块、键盘模块、测距模块、蓝牙通信模块、电源模块等。 进而设计制作出一台具有自动运行的智能小车控制系统。本系统以两个步进电机 作为驱动，通过各类传感器件来采集各类信息，通过 2.4GHz 蓝牙通信模块实现 小车在手持无线遥控器的控制下前进、转向、倒退、小车精确转弯、自动定位等 功能，实现所要求的任务。本智能小车系统具有很高的灵敏度和精确度，操控简 单、便捷。关键词： 89C52 单片机；电机驱动；蓝牙通信一、总体方案论证1.1 设计要求1.1.1 基本要求（1）电动小车能在无线遥控器的控制下前进、转向、倒退，遥控距离不少 于 5m 。（2）电动小车能在无线遥控器的控制下从指定的 A 点到达指定的 B 点， 要求电动小车达到B点的时间尽量短，在B点的定位误差不大于10%。（3）手持无线遥控器能在 120cm*120cm 的范围内，实时显示电动小车位置 的 X、Y 坐标值（坐标原点可自定义），即电动小车能将其位置的坐标值实时传 送至手持无线遥控器。要求定位误差不大于10%，显示刷新时间不大于0.5秒。1.2 系统总体框图本设计要求能够实现电动小车在手持无线遥控器的控制下前进、转向、倒退 等功能，而且能够将其位置的坐标值实时传送至手持无线遥控器。考虑这些要求 我们决定用步进电机和单片机等组成核心电路。系统总框图如图1-1所示：图 1-1 系统总框图二、设计方案与论证2.1主控制器模块的选择方案一：采用 SPCE061A 单片机。 凌阳单片机的资源相对来说比较丰富， 32K X16bitFlash，两路D/A, 1个全双工异步串行口（UART）方便其跟其他为控制 通信。而且它的编程和 C 语言很相似，最重要的它在语音处理方面有得天独厚的 优势，并且凌阳公司的网站提供了丰富的技术支持。方案二：89C52单片机。89C52单片机使用非常简单、方便，进入市场的时 间较长，运用技术成熟，价格低廉，应用范围广泛，可以实现要求的一些基本功 能。但89C52单片机内部的RAM (128bit或256bit)和ROM都比较小，内部没 有集成D/A、A/D，不方便语音处理，因而系统扩展比较麻烦。由于本课题没有要求语音播报等功能，且其它要求不需外部扩展A/D就可以 实现，所以基于以上方案的对比，及资源的利用等各个方面的综合考虑，本系统 采用89C52单片机作为主控芯片。2.2 电动机的选择方案一：直流电机。直流电机采用H型PWM驱动电路驱动，通过改变电机电 源电压的极性来实现直流电机的正反转。电压极性的变化和运转时间的长短由单 片机实现，由于电压调整范围很难达到很高的精确度，很难达到本系统的精确度。方案二：步进电机。步进电机具有惯性小、响应频率高，因此具有瞬间启动 与急速停止的优越特性，与其它驱动元器件相比，有明显优点；通常不需要反馈 就能对位移或速度进行精确控制；输出的转角或位移精度高，误差不会积累，并 且因为步进电机是根据脉冲个数决定旋转角度，单片机只需记下脉冲个数就能计 算出电机的旋转角度，从而计算出小车的行驶距离，省去了距离检测模块，简化 了设计。通过直流电机与步进电机方案的比较，结合制作要求，我们选择步进电机。2.3驱动模块的选择方案一：使用多个功率放大器件组合驱动电机。通过使用不同的放大电路和 不同的参数器件，可以达到不同的放大要求，放大后能够得到较大的功率。但是 由于使用的是两相的步进电机，就需要对两路信号分别进行放大，由于放大电路 很难做到完全一致，当电机的功率较大时运转起来会不稳定，而且电路的制作也 比较复杂。方案二：使用L298N芯片驱动步进电机。L298N是内含两个H桥的高电压大 电流双桥式驱动器，每个桥都具有一个使能输入端，在不受输入信号影响的情况 下允许或禁止器件工作，每个桥的两个桥臂低端三极管的发射机接在一起并引 出，用以外接检测电阻。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四 相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接 用单片机的IO 口提供信号；而且电路简单，使用方便。通过两种方案的比较，我们选用L298N驱动。2.4 显示器方案的选择方案一：采用单片机的并行接口直接驱动LED显示。优点是电路简单，元件 廉价。但有占用过多的I/O 口资源，对单片机的运算开销较大，显示信息量不够 丰富，功耗大等缺点，不能满足我们设计的系统要求。方案二：利用51单片机的串行通信口，采用74LS595芯片扩展的LED电路。 虽然节省了 IO 口资源和程序开销，但显示信息还是不够丰富，只能显示数字和 少量的字符，还是无法满足系统要求。方案三：采用 LCD 液晶显示。优点是显示信息非常丰富，可以很容易的显示 汉字和英文字符。占用I/O 口资源较少，不需要循环扫描，节省了程序开销，耗 电量低。作为人机交往互主界面，给使用者提供高效的显示界面。可以完全满足 系统要求。综合以上三种方案，我们选择方案三，采用 1602 液晶模块作为显示器件。三、硬件电路设计3.1 单片机最小系统的实现单片最小系统由复位电路、电源和时钟电路等组成。复位电路包括手动复位 和自动上电复位，按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复 位是通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的。而按键脉冲复位则是利用RC 微分电路产生的正脉冲来实现的。自动上电复位，是指计算机加电瞬间，要在 RST 引脚出现大于 2个机器周期的正脉冲，使单片机进入复位状态。其单片机最 小系统原理图如图 3-1（附录）所示。3.2 步进电机驱动电路的实现步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一 个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距 角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控 制角位移量，从而达到准确定位的目的。L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑电路，是一种二相和四相电 机的专用驱动器，即内含两个H桥的高电压大电流双桥式驱动器，接收标准TTL 逻辑电平信号，可驱动 46V、2A 以下的电机。其电路原理图如图3-2（附录）所 示。3.3 2.4GHz 蓝牙无线通信模块2.4GHz 蓝牙无线通信技术的工作方式是全双工模式传输，在抗干扰性上有 着绝对的优势，这个优势决定了它的超强抗干扰性以及最大可达 10 米的传输距 离。此外2.4GHz蓝牙无线通信技术还拥有理论上高达2Mbps的数据传输速率， 这为应用层功能实现提高了可靠的保障。其原理图如图 3-3（附录）所示。四、软件设计软件设计是实现小车智能运转的关键所在，本系统软件包括主程序、定时中 断处理程序、显示子程序等。主程序主要完成系统初始化、按键检测即子程序调用等功能，其流程图如图 4-1 所示。定时中断处理程序主要完成 10ms 的定时，以完成小车位置显示、遥 控器和小车控制器的通信等功能，其流程图见图4-2。显示子程序主要完成遥控 器 LCD 的界面显示，其流程图见图 4-3。系统程序见附录二。N手动控制N从A到B地?Y结束Y无线遥控键盘扫描自动控制初始化开始图 4-1 主程序主流程图图4-3显示子程序流程图图 4-2 定时中断处理程序流程图五、功能检测与调试对小车的整体来说其测试按照模块来进行，分为以下几个步骤： 首先测试电源的工作情况，各个模块能否得到良好供电。 检查单片机能否正常的烧写程序和工作。 测试后轮电机的工作情况，并试验电机的驱动能力。 编写程序控制小车运行，完成前进、后退一定距离，转 90 度等功能。 反复测试各参数变化对小车的影响，找出最有效的配置。 对小车运行过程中各种可能出现的情况测试，发现问题，找出解决方法。 整理数据，优化程序设计。经过多次调试，本系统能够基本满足设计要求，能够较快较平稳的沿路面按 要求行驶。六、总结经过四天三夜的共同努力，我们终于看到了成果，感受到了成功的喜悦！感 谢全国大学生电子设计大赛的组委会给了我们这样一次难得的锻炼的机会，同时 也深深地感谢几位辛勤指导我们工作和学习的老师！通过这次大学生电子设计大 赛让我们感受到了实践出成果的喜悦，也深深地体会到理论联系实际的重要性。 由于时间不足以及客观多方面的困难，小车在设计中难免还存在不足的地方，希 望老师们提出宝贵的意见。在本次大赛中，我们将自己大学几年来所学的知识， 能够学习致用，开括了我们的制作能力，激发了我们的创新思维，培养了我们勇 于面对困难克服困难的坚强意志和不懈努力的精神，更增强了我们团队合作的能 力，感受到知识的海洋是无尽的，需要我们去探索，去深入研究。参考文献：1 邢增平. Protell 99SE 设计专家指导. 中国铁道出版社，2004 年2 康华光. 电子技术基础数字电路部分，高等教育车版社，2005 年3 凌阳科技大学计划. 电子竞赛文集. 凌阳科技大学计划资料4 黄志伟. 全国大学生电子设计竞赛训练教程. 北京：电子工业出版社5 赵健领. 51 系列单片机开发宝典. 北京，电子工业出版社，2007年6 1郭天祥.51 单片机 C 语言教程.北京：电子工业出版社， 2009