基于单片机的车模无线运动控制系统设计与实现

摘 要今天我们已经进入了一个无线技术无所不在的时代。在家中，使用便利的无线电话；出门在外使用手机与远方的亲人通话、发短消息；开车，GPS系统为我们导航指路；工作，使用无线网卡可以随时随地地进行网上办公等等。随着技术的进步，无线通信和无线网络将迅速地向我们日常生活中的各个方面扩展，不久的将来我们大部分的电子产品都将是无线并可随时在线的，一个无线社会很快就将成为现实，并将深刻改变人们的生活方式。智能小车，也就是轮式机器人，最适合在那些人类无法工作的环境中工作，该技术可以应用于无人驾驶机动车，无人生产线，仓库，服务机器人，航空航天等领域。作为20世纪自动化领域的重大成就，机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。因此为了实现对智能小车的精确控制，进一步研究及完善其速度和方向的控制是非常有必要的。本论文提出了一种基于AVR单片机的车模无线运动控制系统设计的总体方案和实现方法。系统采用高速度低功效单片机ATmega8L和ATmega16L作为主控制芯片，315M无线收发模块。车模采用四轮式结构，利用L298N实现电机差分驱动，并结合控制算法以及直流电机PWM调速实现方向、速度的快速调整。本系统集霍尔传感器、无线通信、USB转串口通信、上位机控制于一体，可以很方便地实现上位机对车模无线运动的控制。 关键词 AVR单片机；无线通信；PWM调速；车模AbstractToday we have entered into all era of ubiquitous wireless technology. The wireless phones, mobile phones, GPS navigation system and wireless network card can be available and convenient for people to use anytime and anywhere. With the advancement of technology, wireless communications and wireless networks will quickly affect all aspects of our daily life. And most of the electronic products will be wireless and online at any time in the near future. A society with wireless technology will be a reality soon and will change the life style of people profoundly.Intelligent vehicle, also is called as wheeled robot, most suits in the environment which these human beings are unable to work, the technology can be applied to unmanned vehicles, unmanned production lines, warehouses, service robots, aerospace and other fields. As the major achievements in the field of automation of the 20th century, robotics and human society has been inseparable in production and daily life. Therefore, in order to achieve accuracy control of the intelligent vehicle and improve its speed and direction control is very necessary. This paper proposes the overall design plan and the realization method of one kind of car model wireless motion control based on the AVR single-chip. The system uses high-speed and low-power ATmega8L and ATmegal6L as the main chip, 315M as wireless transceiver modules. Car model uses three wheels. Taking advantage of L298N achieve difference operator and combining with algorithm and DC machines of PWM speed control achieve the direction and speed of rapid adjustment. The system sets hall sensors, wireless communications, usb to serial communications and upper computer control in one, thus making it easy to achieve upper monitor motion control of vehicle model. Key words AVR single-chip wireless correspondence PWM speed control vehicle model目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 国内外研究现状及分析11.3 本论文主要内容2第2章 系统整体方案设计32.1 车模车体结构分析32.2 车模无线运动控制系统功能要求42.3 总体设计思路42.4 本章小结5第3章 无线车模控制系统的硬件设计和实现63.1 硬件系统概述63.2 AVR单片机芯片简介73.2.1 ATmega8L特性介绍83.2.2 ATmega16L特性介绍83.3 电源电路设计93.4 315M无线模块93.4.1 无线模块原理93.4.2 PT2262/2272编解码芯片103.5 速度测量模块133.6 L298N电机驱动模块133.7 USB转串口模块143.8 本章小结15第4章 无线车模控制系统的软件设计和实现164.1 系统软件概述164.2 上位机软件164.2.1 VB开发环境介绍164.2.3 MSComm控件属性介绍164.2.3 上位机软件功能介绍174.3 车模无线运动主控制程序设计184.3.1 上位机指令发射部分184.3.2 车模运动控制部分194.4 本章小结23总结24参考文献25致谢26附录127附录228附录329附录4:31IV 五邑大学本科毕业设计第1章 绪论 智能车(Intelligent Vehicle)又称轮式机器人(Wheel Mobile Robot)，俗称无人驾驶汽车(Autonomous Vehicle)。它是一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等多种功能与一体的综合控制系统。智能车是移动机器人的一种，本章将介绍与智能赛车相关的移动机器人和智能汽车的发展现状及目的和意义。1.1 课题研究的目的和意义随着当代计算机技术、控制理论、能源技术等的快速发展，机器人技术在短短的几十年间发生了同新月异的变化。机器人作为人类20世纪最伟大的发明之一，其技术的发展代表着人类技术发展的最前沿，并将对人类社会的生产和生活带来深远的影响。目前，高级形态的智能机器人已经在各行各业中占据了不可取代的地位。机器人的诞生和机器人学的建立和发展是20世纪自动控制最具说服力的成就，是20世纪人类科学技术进步的重大成果。机器人从爬行到学会两腿直立行走仅仅用了20年，而人类的这一过程则经历了上百万年。现在全世界已经有超过100万台机器人，销售额每年增长20以上，机器人技术和工业得到了前所未有的飞速发展。机器人已经能够使用工具，能看、能听、能说，并且开始能进行一些决策和思考的智能行为，其应用也从传统的加工制造业逐渐扩展到军事、海洋探测、宇宙探索等领域，并开始进入家庭和服务行业。美国的远程遥控机器人技术，在费卢杰巷战中，美军还使用了“机器人侦察兵”。这些机器人侦察兵是由躲藏在安全地带的士兵，使用无线电遥控器操纵遥控而完成任务的。它装备有遥控红外和同光摄像机，并具有良好的机动性，可以爬楼梯，即使被撞翻在地，也能够自动翻转过来，灵活地越过或绕过障碍物。当接近爆炸装置、地雷和建筑物内敌人隐藏处时，它可以隐蔽在一边，将摄像机对准目标，将相关的战场信息传递给操纵员，操纵员通过头盔显示器接受信息。这些机器人的出现和参战，大大减少了美军遭袭的概率。现在无线遥控已被广泛地应用到日常生活中及工业中，电视机、电冰箱、视频监控系统、电视演播系统、电视会议系统、微格教学系统、工业智能控制等多种领域都有应用，极大地方便了用户的操作和使用。在这个科技飞速发展时代，车辆已经越来越为我们熟悉，在很多人心目中，车已经从代步工具上升到兴趣爱好的地位。二十世纪六十年代末至七十年代初，无线电爱好者自己组装的单通道无线电遥控设备开始运用于车辆模型，七十年代中期后，模型用无线电遥控设备逐步实现了商品化，质量稳定且性能日益完善。现在车辆模型竞技赛作为一种新型的高科技运动正在兴起。所以在研究无线传感器原理的基础上，讨论车模运动控制是很有必要的。1.2 国内外研究现状及分析智能小车是机器人学中的一个重要分支。早在20世纪60年代木期，斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen和Charles Rosen等人就研制出了名为Shakey的自主移动机器人。其目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行机构方面的研究，以解决机器人在不平整地域内的运动问题，设计并研制出了多足步行机器人。其中最著名的是名为General Electric Quadruped的步行机器人。20世纪70年代末，随着计算机的应用和传感技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮，特别是在80年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。20世纪90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术、真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。美国Probotics公司1999年生产的Cye小型家用移动式服务机器人，它可牵引一辆小型拖车在室内运送饮料、信件等生活用品，或牵引吸尘器进行室内清洁工作。Cye采用双轮差动驱动方式，环境信息的获取采用地图输入方式，可跟踪声音信号，任务完成后能自动返回总站待命。美国Denning公司与Windsor工业公司90年代初合作生产的地面吸尘机器人RoboScrub，它采用超声传感器检测障碍，并配有高精度激光导航系统。RoboScrub的导航系统需要光码条来实现机器人定位，限制了其应用范围。所示为Kent公司设计的另外一种清洁机器人RoboKent，它不需要导引条码或定位路标，但需要操作者辅助其完成对清扫区域周遍的探测，因而其清扫区域限于简单的矩形区域。目前，国内在远程遥控机器人技术也取得了很多发展，但是跟国外比还是有一定的差距的。中国工业机器人经过“七五”攻关计划、“九五”攻关计划和863计划的支持已经取得了较大进展，工业机器人市场也已经成熟，应用上已经遍及各行各业，但进口机器人占了绝大多数。我国在某些关键技术上有所突破，但还缺乏整体核心技术的突破，具有中国知识产权的工业机器人则很少。目前我国机器人技术相当于国外发达国家20世纪80年代初的水平，特别是在制造工艺与装备方面，不能生产高精密、高速与高效的关键部件。我国目前取得较大进展的机器人技术有：隧道掘进机器人相关技术、工程机械智能化机器人相关技术、装配自动化机器人相关技术。现已开发出喷涂、搬运、包装、激光加工、检验、真空、自动导引车等工业机器人产品，主要应用于汽车、摩托车、工程机械、家电等行业。本论文研究的是基于单片机无线运动控制的智能小车，它属于两轮驱动的移动机器人。1.3 本论文主要内容 本论文研究的主要内容包括： 1. 智能小车相关领域的研究现状。本论文首先概要介绍了与智能小车相关的机器人、智能车辆和国内外研究现状。 2. 智能小车结构的安装、调整与完成。对智能小车车模进行了结构改造，完成了电机的选择及其安装，构建系统的整体方案。 3. 控制系统的硬件设计与完成。从单片机的选择开始，完成了电源模块设计、无线收发模块、速度测量模块、驱动控制模块、USB转串口模块等的设计。4. 控制系统软件的设计及实现。从单片机的功能入手完成系统各个模块的设计，实现PWM调整电机速度，接收上位机指令等功能。第2章 系统整体方案设计2.1 车模车体结构分析智能小车的运动方式有轮式、履带式和步行方式。轮式和履带式小车适用于条件较好的路面，而步行小车则适于条件较差的路面。为了适应各种路面的情况，也可采用轮、腿、履带并用。本设计中的小车主要工作是在实验室内和路面条件较好的场合，所以采用轮式。对轮式小车进行远程控制，就必须知道小车的结构原理，本节将阐述车模车体的基本结构特征。四轮结构是轮式小车的基本移动结构，其结构比较简单，能够满足一般的需要，所以应用较为广泛。对于小车的车体部分，如图2-1，它采用大致长方形的结构，主要由底盘、两减速电机、万向轮、车轮、霍尔传感器等部分组成。在该结构中，前轮和后轮的万向轮，仅起支撑作用，左右两轮分别由两个减速电机独立驱动，而且旋转半径可以从零到无限大任意设定。其旋转中心是在连接两驱动轴的直线上，所以旋转半径即使是0，旋转中心也与车体的中心一致。鉴于该机构结构简单、便于控制的优点，本论文所研究的移动机器人就采用这种四轮结构，前轮和后轮为万向轮，左右两轮由两个减速电动机分别独立驱动。万向轮磁铁车轮减速电机霍尔传感器图2-1 车体结构示意图2.2 车模无线运动控制系统功能要求 基于单片机的无线电机驱动控制，是利用单片机作为系统的主控制器。首先在信号发射控制系统中，将上位机信号经USB转串口通信传输到微控制器处理，通过数字编码产生序列脉冲，经ASK调频发送信号。然后通过解调接收器将调频发送信号还原为序列脉冲，连接到电机驱动控制系统，通过其中的微控制芯片，根据指令信号执行相应的控制。如调速控制、制动控制等。2.3 总体设计思路 根据系统具体功能要求，可以对每一个具体部分进行分析设计。整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。硬件电路主要包括：USB转串口模块、无线收发模块、电机驱动模块、霍尔传感器测速模块以及单片机与各部分接口的处理部分，系统设计方案图如图2-2。图2-2 系统设计方案图整个系统可划分为无线收发电路部分、电机驱动控制电路部分这两大部分。无线收发电路采用遥控编码、解码集成芯片PT2262/PT2272为核心器件，它们是一对带地址、数据编码功能的无线遥控发射、接收芯片。再配合315M超再生模块，使无线传输更加稳定、可靠，功效更低。单片机通过USB转串口模块接收上位机指令，经处理后，再通过无线发送，主控制模块接收指令，驱动电机执行命令，实现无线收发功能。在电机驱动控制电路中，把无线模块接收下来的相应指令用来驱动电机运行，是此部分控制电路是整个控制系统的核心。电机驱动控制电路所要完成的最大功能就是要根据指令对车模的速度、方向进行调节。在本论文中，采用PWM脉冲调速的方式实现对小车速度的控制。为实现电机转速的精确调整和小车直线行走问题，还加入了霍尔传感器进行测速。软件设计主要由系统流程及各功能模块程序组成。主要用来控制无线数据的收发、完成小车的速度测量、PWM电机速度调整、接收上位机信号等软件编程。2.4 本章小结本章提出了整个系统的设计方案，结合功能要求设计出本系统的整体结构，对车体结构进行了简要的分析，并对各个控制环节进行分析与探讨，为后续的软硬件设计奠定了基础。第3章 无线车模控制系统的硬件设计和实现3.1 硬件系统概述任何一个控制系统都离不开软件程序赖以实现的物质基础硬件设计。本论文研究的系统选用AVR单片机ATmega8L和ATmega16L为控制核心，AVR单片机不仅具有强大高速的运算处理能力，而且在片内集成了丰富的电机控制外围部件，这就大大简化了控制电路的硬件设计，加之采取了“硬件软化”的设计方案，使得整个控制系统的硬件设计比较简洁。系统结构框图如图3-1和图3-2所示。图3-1上位机指令发射系统框图图3-2车模运动控制系统框图控制系统主要由以下几个部分组成：1. 核心微处理器ATmega8L和ATmega16L；2. 电源设计，单片机5V电源和6V减速电机的供电设计；3. 315M无线模块的收发，PT2262/2272编解码电路的构成；4. 霍尔传感器A44E配合磁铁，把信号送进AVR单片机的外部中断进行速度测量；5. L298N电机驱动模块；6. USB转串口通信模块。3.2 AVR单片机芯片简介针对一定的用途，选择合适的主控芯片是十分重要的。选择功能过少的单片机，无法完成系统功能。选择功能过强的单片机，则会造成资源浪费。选择的原则一般主要有以下几点：1. 单片机对应用系统的适用性。例如：是否有足够的I/O管脚，是否含有所需的外围部件，极限性能是否满足要求等；2. 单片机的可购买性；3. 单片机的可开发性。例如：程序下载、调试工具；4. 技术支持；5. 语言体系与熟悉程度。根据第二章的设计思路，需用到外部中断接口，PWM接口，考虑到I/O个数、单片机稳定性并综合实际情况，发射和接收模块分别选用ATmega8L和ATmega16L为主控芯片。AVR单片机是美国ATMEL公司设计的，AVR单片机对原51单片机内核进行了较大改造，采用精简指令集RISC(Reduced Instruction Set CPU)结构，废除了原51单片机中的机器周期，由原来12个时钟执行一条指令改进为一个时钟执行一条单周期指令，大多数指令执行所需的时钟周期数与指令的字节数相同，使得AVR单片机的运行速度大大提高。 AVR单片机的设计者除了改造51内核外，还将Flash、EEPROM、AD、WatchDog、SPI、PWM和片内振荡器等集合为一体，可以真正做到单片。AVR主要技术创新主要体现在以下几个方面：1. 高性能，采用精简指令集CPU(RISC)和哈佛(Harvard)结构的流水线技术，拥有32个通用工作寄存器；2. 片内集成了非易失性程序和数据存储器以及工作存储器；3. 丰富的外设，如SPI、EEPROM、RTC、WatchDog定时器、A/D转换器、PWM和片内振荡器等；4. 宽工作电压：1.8-6V之间；5. 低功耗，具有6种休眠模式，能够从低功耗模式迅速唤醒；6. 编译好的目标文件可通过在线编程(ISP)直接写入程序存储器，实现芯片在系统编程调试，无需购买昂贵的仿真器和编程器，从而节省了系统开发成本；7. I/O口资源丰富，设计灵活，驱动力强；8. 具有多复位源、多中断源方式；9. 其USART不占用定时器，采用独特的波特率发生器；10. 保密性强，Flash程序存储器具有保密锁死功能。ATmega系列单片机属于AVR中的高档产品，它具有AVR单片机所具有的特点，并在此基础上，增加了更多的接口功能，提供更充足的程序和数据存储器，而且在省电性能、稳定性、抗干扰性以及灵活性方面考虑的更加周全和完善。本设计采用的ATmega8L、ATmega16L单片机，它也属于ATmega系列单片机的一个子集。3.2.1 ATmega8L特性介绍1 ATmega8L因为采用了先进的RISC精简指令集结构，所以具有足够快的运行速度，可达1MIPS/MHZ，是普通CISC单片机的10倍；2 3个PWM通道，可实现任意小于16位、相位和频率可调的PWM脉宽调制输出；3 有19个不同的独立中断源，并有特定的中断允许位，提高了系统的安全性；4 片内集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器以及工作存储器，存储空间足以满足系统需要，并为系统的扩展提供了必要保证；5 23个可编程I/O口，可任意定义I/0的输入/输出方向；驱动能力强，可直接驱动LED等大电流负载，且多数的I/0口为复用口，除了作为通用数字I/O使用外，其第二功能可作为芯片内部其他外围电路的接口；6 具有三个定时/计数器，除了能够实现通常的定时和计数功能外，还具有捕捉、比较、脉宽调制输出、实时时钟计数等更为强大的功能；7 带ADC和DAC转换，可直接输入模拟量、输出数字量；8 有看门狗电路，一旦程序进入死循环能自动复位，保证系统工作的可靠性；9 有空闭、省电、掉电三种低功耗方式，特别适合低功耗系统的要求。3.2.2 ATmega16L特性介绍 ATmega16L的特性基本上与ATmega8L类似，同样采用先进的RISC精简指令结构，速度同样可以达到1MIPS/MHZ，而且功能更加强大，具体差别有以下几点：1. 4个PWM通道，可满足更多用户的需要，实现多通道PWM脉宽调制的输出；2. 有21个不同的独立中断源，增加了外部中断2、定时/计数器0比较匹配这两个中断，是ATmega8L的升级版；3. 32个可编程I/O口，可任意定义I/0的输入/输出方向，可满足I/O口需要较多的用户，解决I/O口缺少等问题；4. 在ATmega8L 8k flash、512字节EEPROM、1K片内的SRAM的基础上ATmega16L flash空间增加到16K,从根本上解决了使用空间的忧虑。 作为整个系统的控制核心，ATmega8L和ATmega16L单片机具有的功能特点使它非常适合车模运动的控制设计。ATmega8L和ATmega16L管脚如图3-3和图3-4所示。 图3-3 ATmega8L管脚 图3-4 ATmega16L管脚3.3 电源电路设计在本系统设计中，需要使用7.2V和5V的直流稳压电源，其中发射部分的315M发射模块和USB转串口模块、ATmega8L使用USB口的5V供电，小车部分采用7.2V镍氢电池，经过电容滤波分两路进行供电，一路是6V减速电机供电，另一路是ATmega16L、315M接收模块、L298N芯片及其外围器件供电。在电机启动以及转动时会产生比较大的干扰信号，干扰信号一方面通过电源线直接进入电源电路对整个电路产生干扰，另一方面电动机运转时产生的电磁波经过空间辐射对无线模块接收电路形成干扰。以上两种干扰途径后者只要让无线模块和电机保持一定距离就能解决。而为了解决前者的干扰，在电机两端并联一个104电容滤波外，电机电源还使用了容值较大的1000UF电解电容和104瓷片电容进行滤波，在7805稳压管输入端和输出端再进行二次滤波，以减少电机运转时产生的干扰信号。具体的电路如图3-5所示。图3-5 小车电源电路部分3.4 315M无线模块3.4.1 无线模块原理为实现无线传输指令，在系统的设计过程中，选用结构简单，使用方便，传输距离较远的315M无线模块，在日常生活这一类模块主要应用于遥控领域。遥控器发射电路，有振荡电路、高频放大器，调制方式一般采用ASK和FSK。振荡电路可以采用电容、电感的振荡特性来设计，也可加入晶振来简单获得载波信号。一般载波信号的频率在 315MHZ-433MHZ，也可实现更高的频率。通过高频放大器，高频信号获得更高的发射能量，提高发射距离。发射电路原理如图3-6。图3-6发射原理框图接收电路里面主要有：天线，滤波电路，解调电路等几部分组成。接收电路原理如图3-7。图3-7接收原理框图天线是一种导行波与自由空间波之间的转换器件或换能器。其基本功能是发射和接收无线电波：发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时，把电磁波转换为高频电流。在本设计中，发射和接收模块天线都采用了螺旋天线，以减少占用的空间。3.4.2 PT2262/2272编解码芯片PT2262/2272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，是目前在无线通讯电路中作地址编码识别最常用的芯片之一。PT2262/2272最多可有12位(A0-A11)三态(悬空,接高电平,接低电平)地址设定管脚,任意组合可提供531441个地址码。PT2262最多可有6位（D0-D5）数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚（Dout）串行输出，可用于无线遥控发射电路。PT2262/2272的管脚图3-8。对于编码芯片PT2262，A0A5共6根线为地址线，而A6A11共6根线可以作为地址线，也可以作为数据线，这要取决于所配合使用的解码芯片。若解码芯片没有数据线，则A6A11作为地址线使用，这种情况下，A0A11共12根地址线，每线都可以设置成“1”、“O”、“开路”三种状态之一，因此共有编码数312531441种，但若配对使用的解码芯片的A6A11是数据线，例如PT2272，那么这时PT2262的A6A11也作为数据线用，并只可设置为“1”和“0”两种状态之一，而地址线只剩下A0A5共6根，编码数降为36=729种。图3-8 PT2262/2272管脚图编码芯片 PT2262 发出的编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片 PT2272 接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT 脚才输出高电平与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直发送数据，编码芯片也会连续发射。当发射机没有发送数据时，PT2262不接通电源，其 17 脚为低电平，所以 315MHz 的高频发射电路不工作，当有数据发送时，PT2262 得电工作，其第 17 脚输出经调制的串行数据信号，当17 脚为高电平期间 315MHz 的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当 17 脚为低平期间315MHz 的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于 PT2262 的17 脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK 调制）相当于调制度为 100的调幅。具体管脚功能如表3-9和3-10。表3-9 编码电路PT2262管脚功能名称 管脚说 明 D0-D57-8、10-13数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉 Vcc18电源正端（）Vss9电源负端（）TE14编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效OSC116振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率OSC215振荡电阻振荡器输出端Dout17编码输出端（正常时为低电平）表3-10 解码电路 PT2272 脚管功能名称 管脚说 明 A0-A111-8、10-13地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”,“1”,“f”(悬空),必须与2262一致,否则不解码 D0-D57-8、10-13地址或数据管脚,当做为数据管脚时,只有在地址码与2262一致,数据管脚才能输出与2262数据端对应的高电平,否则输出为低电平,锁存型只有在接收到下一数据才能转换 Vcc18电源正端（）Vss9电源负端（）DIN14数据信号输入端，来自接收模块输出端OSC116振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率OSC215振荡电阻振荡器输出端VT17解码有效确认输出端（常低）解码有效变成高电平（瞬态）在本设计中采用8位地址码和4位数据码，这时编码电路PT2262的第18脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：悬空、接正电源、接地三种状态，3的8次方为6561，所以地址编码不可重复度为6561组，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用，芯片的这种设计允许一个遥控器对多个下位机进行遥控。遥控模块的生产家为了便于生产管理，出厂时遥控模块的PT2262和PT2272的八位地址编码端全部悬空，这样用户可以很方便选择各种编码状态，如果想改变地址编码，只要将PT2262和PT2272的18脚设置相同即可。在本设计中PT2262和PT2272的地址是7脚和8脚接地。PT2262和PT2272除地址编码必须完全一致外，振荡电阻还必须匹配，一般要求译码器振荡频率要高于编码器振荡频率的2.58倍，否则接收距离会变近甚至无法接收。阻值越大振荡频率越慢，编码的宽度越大，发码一帧的时间越长。本设计使用的是PT2262/1.2M、PT2272/200K组合，电路如图3-11和3-12所示。图3-11 发射模块电路图3-12接收模块电路3.5 速度测量模块方案一：利用红外线对射的方式，在小车的车轮安装一个码盘，码盘均匀打上一定数量的遮光孔，由于码盘随电机高速转动，红外线三极管接收到的是一系列的脉冲信号。通过检测脉冲的个数，从而间接地测量速度和路程，但此方案码盘的制作、安装相对比较困难。方案二：利用霍尔传感器对装在车轮上的小磁铁进行计数，从而间接的测量小车速度。此方案传感器的信号强，电路简单。结合本系统的使用减速电机（减速前后的速度比为96:1），在电机的后端装上一个齿轮，在齿轮上均匀分布2块磁铁，这样可以大大提高测速的精度，而且精度远远高于红外对射的方式。因此本系统采用A44E集成开关霍尔传感器来检测电机的转速。该传感器是一种半导体器件，是利用霍尔效应制成的，主要由稳压器、霍尔电势发生器、差分放大器、斯密特触发器和OC门输出五个基本部分组成。当霍尔传感器处在磁场中时，在垂直于磁场的方向通以电流，则与这二者相垂直的方向上将会产生霍尔电势差输出，该信号经放大器放大后送至施密特触发器整形，使其成为方波输出送到OC门输出。当施加的磁场达到工作点时，触发器输出高电压（相对于地电位），使三极管导通，此时OC门输出低电平，三极管截止。当施加的磁场到释放点时，触发器输出低电平，三极管截止，使OC门输出高电平，这样两次电压变换，使霍尔开关完成了一次开关动作。把这样的信号送到单片机的外部中断1和外部中断2，以测量小车左右轮的速度信息，电路如图3-13所示。3-13 霍尔传感器电路3.6 L298N电机驱动模块在本系统设计当中，曾使用过分立元件组成的桥式驱动电路，这种电路可以由单片机直接对其进行操作，但由于分立元件占用的空间比较大，考虑到小车的空间问题，而分立元件的电器性能分散不易调整，所以我们采用了市面易购的电机驱动芯片L298N,它能同时控制两个电机的正反转，该芯片是利用TTL电平进行控制，通过单片机的I/O口输出高低电平，控制电机两边的电平变化，从而实现电机的正反转，方便用户操作。电机驱动芯片L298N为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，设计用来接收DTL或者TTL逻辑电平驱动感性负载（比如继电器，直流和步进电机）。表3-14是其使能、输入引脚和输出管脚的逻辑关系。表3-14 L298N管脚逻辑关系ENA(ENB)IN1(IN4)IN2(IN3)电机运行情况L-停止HLL停止HHL正转HLH反转小车驱动电路如图3-15。L298N内部集成了两个桥式电路，通过单片机输出过来的数字信号控制内部与门的开关，实现电机输出端电压的正反控制，进而控制电机的旋转方向。在小车运行当中，考虑到小车电机的正反转，感应电流有可能过大导致电机烧毁，所以加了8个二极管续流，起到保护芯片的作用。ENA和ENB分别接PWM信号，通过控制ENA和ENB的接通时间，从而达到调速的效果。图3-15 L298N驱动电路3.7 USB转串口模块USB转串口模块全称为USB to Serial port Module，它可以实现将USB接口虚拟成一个串口解决客户无串口的苦恼。现在市面上的USB转串品的设备可谓是琳琅满目，质量也是参差不齐。造成这种现象的根本原因就在于控制芯片的不同。现在USB转串口桥接芯片有很多，比如CP2102、FT232、PL2303等等。但并非每一种芯片都可以用作ISP下载。经过测试CP2102是不能下载的，而FT232可以下载，但其价格实在不菲。最为合适的就是台湾生产的PL2303，可以稳定下载，并可以支持多种操作系统。本设计中USB转串口模块采用的就是PL2303芯片，用于实现USB和标准RS-232串行端口之间的转换，两个独立的大型缓冲用于两种总线的连接。大型数据缓冲器用于USB的批量数据传输。自动握手模式可用于串行通讯，因而可以达到远大于标准 UART 控制器的波特率。PL2303支持USB电源管理和远程唤醒协议。当主机挂起时消耗极小的电能。所有功能集成在 SOIC-28 封装内.芯片亦可以安装在电缆线中，用户只要简单地把联在电脑主机或USBHUB上，就可以实现与 RS-232 器件的通信，电路如图3-16所示。图3-16 USB转串口模块电路3.8 本章小结 本章概述了系统硬件组成及涉及思想，根据各功能模块的不同，设计完成了对几个关键控制电路的设计并做了详细介绍，此外还对硬件的选择进行了讨论，为下一章软件设计作准备。第4章 无线车模控制系统的软件设计和实现4.1 系统软件概述一个控制系统要正常工作，仅有硬件部分是不够的，还需要软件部分的配合才能构成一个完整的控制系统。如果说硬件电路满足了电机运转的基本要求，并提供硬件保护，那么软件则使电机获得了优异的调速性能，并提供软件保护。硬件电路是软件程序工作的基础，而软件程序能使硬件电路的功能得到充分的发挥，并实现一些硬件电路所不能实现的功能。所以它们两者是相辅相成的。本章将根据硬件的设计， 结合AVR单片机的编程特性讨论系统的软件实现方法。无线车模运动控制系统的软件主要包括两大部分，上位机指令发射系统程序模块和车模运动控制系统程序模块。上位机指令发射系统程序模块主要通过鼠标点击运动动作，并通过无线串行通讯向车模发送控制指令，车模运动控制系统程序模块是根据上位机发送来的指令，调用相应的直流电机控制子程序，对电机驱动进行控制。由于本控制系统采用的AVR单片机支持C语言开发，它是一种高级语言，具有可移植性好、可读性强、维护方便等特点，与高级语言汇编语言相比，它有不可比拟的优势。所以本系统单片机程序设计采用了C语言编程，开发环境采用ICCAVR。上位机软件编写采用Visual Basic编程语言，开发环境采用Visual Basic 6.0。4.2 上位机软件4.2.1 VB开发环境介绍VB是Visual Basic的简称，是由美国微软公司于1991年开发的一种可视化的、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，可用于开发 Windows 环境下的各类应用程序。它简单易学、效率高，且功能强大可以与 Windows 专业开发工具SDK相媲美。在Visual Basic环境下，利用事件驱动的编程机制、新颖易用的可视化设计工具，使用Windows内部的广泛应用程序接口（API）函数，动态链接库（DLL）、对象的链接与嵌入（OLE）、开放式数据连接（ODBC）等技术，可以高效、快速地开发Windows环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统。在本设计中，开发环境采用的是Visual Basic 6.0简称VB6.0。VB6.0 是一种功能强大、 简单易学的程序设计语言。它不保留了原先 Basic 语言的全部功能, 而且还增加了面向对象程序设计功能。在Visual Basic中有一个名为Microsoft Communication Control（简称MSComm）的通讯控件，只需通过对此控件的属性和事件进行相应编程操作，就可以轻松地实现串口通讯。 4.2.3 MSComm控件属性介绍 由于MSComm控件属性很多，在此仅介绍与实现串口通讯密切相关的核心属性。 1Commport：设置通讯所占用的串口号。如设成1（默认值），表示对Com1进行操作； 2Setting：对串口通讯的相关参数。包括串口通讯的比特率，奇偶校验，数据位长度、停止位等。其默认值 是“9600,N,8,1”，表示串口比特率是9600bit/s，不作奇偶校验，8位数据位，1个停止位；3Portopen：设置串口状态，值为True时打开串口，值为False时关闭串口；4Input：从输入寄存器读取数据，返回值为从串口读取的数据内容，同时输入寄存器将被清空；5Ouput：发送数据到输出寄存器；6InBufferCount：设置输入寄存器所存储的字符数，当将其值设为0时，则输入寄存器将被清空；7InputMode：设置从输入寄存器中读取数据的形式。若值为0，则表示以文本形式读取；值为1，则表示以 二进制形式读取；8OutBufferCount：设置输出寄存器所存储的字符数，当将其值设为0时，则输出寄存器将被清空。 4.2.3 上位机软件功能介绍本系统设计上位机软件具有界面直观，操作方便等特点。支持9600bit/s波特率，8位数据位和一个停止位，没有校验位的串口通信方式。能自动检测串行接口并自动打开串行通信，实际操作时只需点击相关的按钮，即可以驱动小车执行相关动作。上位机软件控制控制界面如图4-1所示。图4-1 上位机控制界面在本设计中，小车的动作主要分为前进加速、前进减速、后退、左转、右转、停止这五大指令，具体的指令如表4-2。表4-2 系统指令表命令数据命令类型命令数据命令类型31H前进加速38H 左转2032H前进减速39H右转533H停止3AH右转834H左转53BH 右转1035H左转83CH 右转1536H 左转103DH 右转2037H 左转153EH后退4.3 车模无线运动主控制程序设计4.3.1 上位机指令发射部分在整个控制系统中，上位机控制系统的主要功能是发送指令数据控制电机驱动工作，从而达到控制小车运动的目的。在上位机控制界面中，通过鼠标点击按钮，单片机采用串口通信方式接收上位机软件发送的指令。系统正常工作时，等待鼠标点击按钮，点击后通过USB转串口模块把相对应的指令数据传送到单片机，并通过无线发射模块、PT2262编码，发送对应的指令数据，从而实现无线遥控功能。上位机指令发射部分流程图如4-3所示。图4-3上位机指令发射部分流程图4.3.2 车模运动控制部分无线接收部分在整个控制系统中的作用是通过PT2272接收来自上位机控制系统的指令，根据该指令控制电机运转，从而实现小车的上位机控制。整个主控制部分程序设计主要由无线接收子程序和电机控制子程序构成。无线接收子程序主要用来接收上位机发送过来的控制指令，电机控制子程序主要是根据上位机发送过来的控制指令，驱动具体的电机运动，实现前进、后退、左转某一角度、右转某一角度、四档加减速等动作。程序流程如图4-4所示。图4-4 车模无线接收部分当无线模块接收到指令，PT2272的VT管脚置为高电平（常为低电平），通过外部中断0检测VT管脚的上升沿变化，然后利用AVR单片机I/0口读出指令信息，最后驱动电机执行指令。在小车前进的时候，分为四档加减速，每接收一个加速或减速指令，小车就变换一个档位，实现前进的加减速控制。在小车的前进或后退过程中，为了确保小车的直线行走，固定左车轮的PWM信号，通过调整右轮子电机的PWM信号，实现左右轮子速度的基本一致。程序流程图4-5所示。图4-5 直线行走流程图考虑到用户的要求，小车向左转和向右转分别都有5个角度的转向，分别是5、8、10、15、20。小车的转弯会有一个转弯半径，转弯半径的大小决定了小车的转弯快慢。转弯半径越大，小车转动就会越慢；转弯半径越小，小车转动就会越快。本论文研究的小车是两轮独立驱动的小车，它可以实现原地转，这比汽车的两轮驱动更有优势(方向盘驱动两个连在一条轴上的两轮)。两轮独立驱动的小车可以更加灵活地转向，它可以走出正方形的轨迹甚至原地掉头。如图4-6是小车的左转弯算法示意图。图中B是小车的左右轮之间的距离即轮距，是小车前进的速度，左是小车左轮速度，右是右轮速度,是转弯半径，是小车转弯的角速度。为了下面公式编辑，用所代表左，用代表右。当转弯半径等于0时 （4-1） （4-2） （4-3）此时小车两个轮子的速度大小相等，方向相反，小车将原地打转，由公式（4-1）和（4-3）可以推导出（4-4）当转弯半径R不等于0时 （4-5） （4-6）由上两式可以推导出：（4-7） 式中 代表左 代表右 转弯时单位时间内左轮霍尔传感器的计数值 转弯时单位时间内右轮霍尔传感器的计数值图4-6 小车左转弯算法示意图由公式（4-4）和（4-7）可以看出，转弯半径不为0时右轮与左轮的霍尔传感器计数值之差与小车角速度成正比。转弯半径为0时左轮或右轮霍尔传感器计数值与角速度成正比。在程序设计时，小车转弯有两种状态，一种是R不为0前进状态下的转弯，一种是R为非前进状态的转弯。所以在程序设计的过程，前进状态下的转弯只需根据所转角度大小检测两霍尔传感器计数之差即可，非前进状态下的转弯只需根据所转角度大小检测左轮或右轮霍尔传感器计数值是否为前进状态相同转角的二分之一即可。从而根据所得结果结合具体实际调试可以让小车多角度转弯。下面图4-7给出了左转某一角度的程序流程图。图4-7左转某角度流程图在小车左转的过程中，判断小车当前是否处于前进状态，当处于前进状态时，分别给比较寄存器OCR1A和OCR1B赋值，让小车的右轮速度大于左轮的速度，实现差速转弯。当(r_count-l_count)turn_value时，小车继续前进。当处于不是前进状态时，分别给比较寄存器OCR1A和OCR1B赋值，让小车的左右轮子速度基本一样，左右轮子反向转，(r_count&l_count)=0时，小车停止动作。左右轮子反向转的时候，左轮或右轮所转的角度是左右轮子正转的二分之一，即degree/2。4.4 本章小结 本章完成了车模无线运动控制的软件设计部分，从PC机软件部分、无线发射部分到无线接收部分进行研究与分析，使软件程序更好地配合硬件，从而很好地完成运动控制设计。总结步入二十一世纪后，由于生产管理自动化的不断扩大和深入，加上电子技术和微控制器的快速发展，使之朝着综合化，数字化，模块化，微型化和多功能化的方向发展。而本设计的开发研究正是在面向应用市场的基础上，结合了单片机技术、通信遥控、运动控制等多种电力电子技术而成的成果，从而实现了数字化、智能化的控制，是综合应用各科先进技术的结果。本论文从无线遥控智能小车研究背景入手，在综述了国内外智能小车的相关技术发展的基础上，针对智能小车的实际发展需求，提出了一种基于AVR单片机的车模无线运动控制的设计与实现的总体方案。车模无线控制系统具有电路简单、操作方便、成本低廉、实现功能齐全等诸多优点。整个设计系统中主要包含电源模块、无线收发模块、速度测量模块、电机驱动控制模块和USB转串口模块等部分。微处理器部分采用高性能、低功效的8位AVR单片机，让硬件的抗干扰能力更强，处理数据更加效率。在程序设计时，使用简洁、易懂的C语言来编写全部的驱动程序，能面向对象并较好地发挥硬件的特性，得到比较理想的效果。基于电路的原理，分块设计相应功能的子程序，在仿真软件上调试，最后整理组合成一个完整的程序。本设计完成了基于单片机的车模无线运动控制系统设计与实现。完成了各项技术指标，但时间和实验条件的限制，诸多功能的完善还需要进一步的研究和开发，特别是还需要努力提高软件的效率、硬件系统的稳定性、进一步降低系统功耗等。参考文献1 任富民