1、1基于无线数传模块的遥控小车电路设计学 生： 指导老师： 由于部分原因，说明书已删除大部分，完整版说明书，CAD 图纸等，联系 153893706摘 要：本设计以设计题目的要求为目的，采用 STC12C5A60S2/AD 系列单片机为核心处理器，综合电机驱动系统，通过无线遥控技术控制遥控小车的启动前进、后退、左转弯、右转弯以及停止等基本功能，为实现小车的定位、自动寻迹等功能提供平台。整个系统的电路结构简单，可靠性能高，可以作为高级智能玩具和遥控汽车的模型。本设计与实际相结合，有的现实意义和很高的市场价值。关键词：无线遥控；小车；电路；控制；单片机Design of Remote Control
2、 Trolley Electrics Based on Wireless ModuleAuthor:Tutor: (Oriental Science Technology College of Hunan Agricultural University, Changsha 410128)Abstract: This design take designs topic request as a goal,using STC12C5A60S2/AD series single-chip as the core processor,combining motor-driven system,the
3、car was controlled through the wireless remote like controlling the start and backlash,turning left and right and stop,which realize the 2cars location and function.The overall system electric circuit structure is simple and the realize performance is high,which can be taken for the model of the hig
4、h-level intelligent toy and controls remotely the automobile.This design was combined with practice ,which has the practical significance and the very high market value.Key word: wireless；car；circuit; control; single-chip1.前言随着现代通信技术的飞速发展，近距离无线电通信技术受到了很多关注，呈现非常好的发展势头， ，因为在我们现实生活中存在着如此多这样的应用领域，系统需要不断
5、地实时传输小量的突发信号，在传统的无线电通信系统中，短距离的无线通信技术可以在相对较近距离内实现相互之间通信或相关操作，无线电数据传输系统已成为现在通信业乃至整个信息业的热点，被广泛应用于报警、无线遥控、军事通信、无线局域网等范围，具有很大的实际应用价值 1。一般情况下，单片机在获取实时数据之后，仍需要将数据传出去，而有线的数据传输主要依赖于有线的线路。例如采用 CAN 总线、串并行总线等，且有线的线路具有成本非常高，维护不方便等缺点。无线数据传输是如何发展起来的呢？它是在有线数据传输基础上逐渐发展起来的。而无线数据通信时通过接收模块和发射模块进行传送数据的，具有不占空间，成本较低且可靠性高，
6、传输过程中的干扰小及维护方便等特点，提高了信息传输过程中的可靠性 2。因此，我们借此单片机课程设计机会，深深体会无线电的实用价值，初步了解并研究单片机无线遥控原理，从简单的遥控小车开始，设计一个完整的遥控系统，以对日后的学习研究中做一个很好的基础与铺垫。1.1 选题背景目前，在企业生产技术不断提高，对自动化技术要求不断加深的环境下，遥控智能车辆以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输，柔性生产组织等系统的关键设备。世界上许多国家都在积极进行遥控小车的研究和开发设计，移动机器人是机器人学中的一个重要分支，出现了 20 世纪 60 年代。当时斯坦福研究院等人，在 1966 年至 19
7、72 年中研制出了取名 Shaky 的自主式移动机器人，目的是将人工智能技术应用在复杂环境下完成机器人系统的自主推理，规划和控制。从此，移动机器人从无到有，数量不断增多，遥控车辆作为移动机器人的一个重要分支也得到了3越来越多的关注 3。1.2 基于无线传模块的遥控小车的研究意义随着电子技术的飞速发展，无线遥控技术已被广泛的应用到日常生活及工业中，电视机、电冰箱、视频监控、多媒体教学系统及工业智能控制等多个领域 6，遥控技术对我们来说不是一个陌生的名词，而遥控智能小车更是以一个惊人的速度走进我们的生活，关于遥控小车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题
8、目，全国各高校也都很重视该题目的研究，可见其研究意义很大。遥控小车是智能行走机器人的一种，它应用了单片机，结合了电机的控制，辅以各种外围器件的使用，实现了丰富的变化，这种智能遥控小车可以适应不同环境，不受温度、湿度、空间、磁场辐射、重力等条件的影响河以在人类无法进入或生存的环境中完成人类无法完成的探测任务，适用于国防及民用多个领域 4。但目前很多小车的控制器构造比较复杂，并且在不同的控制场合需要专人现场进行控制，增加了控制成本和控制的复杂性 7。80C51 单片机是一款八位单片机，其易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。本设计以设计题目的要求为目的，采用 80C51 单片机为控制核心 8，利
9、用无线遥控技术，控制电动小汽的启动前进、后退、左转弯、又转弯及停止等基本功能，为定位、自动寻迹等功能提供平台。整个系统的电路结构简单，可靠性能高，可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面，尤其是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景，所以本设计与实际相结合，有很强的现实意义和很高的市场价值。1.2.1 遥控车辆在智能运输系统 ITS 上的应用智能小车自动行驶功能的研究对增强车辆的智能性意义重大。智能车辆驾驶任务的自动完成将给人类社会的进步带来巨大的影响，例如：(1) 汽车的智能化可以减轻驾驶员的工作量。(2) 适应复杂的天气条件，减少恶性交通事故的发生。(3) 切实提高道路网络的利用率，为改
10、进道路提供新的解决途径。(4) 有利于缓解交通的状况，减轻交通拥挤与交通阻塞(5) 降低车辆的燃油消耗量，提供舒适、友好的人车环境。1.2.2 遥控车辆在物流运输方面的应用公路运输、特别是公路货运因其对环境的影响较大，从而使人们对它们的看法颇有分歧。因此，货运物流必须找到一个能使运输整体过程取得最优的解决办法 9。对于整体运输链，最优化既意味着外部优化，如防止空载、更好地满载货物，也意味4着内部优化，如更具效益的人员和转运工具投入，更高的场地利用率等。一个新的解决办法是货运智能交通系统。集装转运的智能交通系统就是在在这种背景下产生的。多特蒙德的弗劳恩霍夫材料流通和物流研究所的一项研究实现了货物
11、运输电子调度的构想。一个系统化、集成化的调度台把储装货运过程的各种应用程序统一在一起，并且通过智能交通系统服务收集信息，以便向调度主管人随时提供最新的定货、车辆和交通状况数据 10。受设在多特蒙德的德国物流协会委托，科隆的工业研究联合会已开始促进“货物转运过程细致规划的电子调度台方案”计划的实施，经费由德国联邦经济部赞助。智能交通系统这个概念包涵了通讯和信息业的有机联系 11。其含义是在有空间距离的系统间数据的标准化电子交换以及通过特殊的硬件和软件对这些数据进行加工。目前的货运智能交通系统包括移动信息系统如货车上计算机，定位系统，单件货物和运输工具识别系统以及通讯系统。1.2.3 遥控车辆在军
12、事领域的应用在未来战争中，智能车辆可以代替人员在核、生物、化学污染区进行侦查、巡逻、对污染进行采样，可以更加准确的搜集、掌握相关信息，可以有效地避免人员伤亡，提高执行任务的效率和安全性。另外，无人驾驶的进攻性武器系统是现代军事技术的发展方向之一，智能车辆的发展为无人攻击车辆提供技术支持平台。军用智能车辆主要有五种功能：(1)侦查、监视和目标搜索。(2)城市地形的军事行动。(3)爆炸物处理。(4)安全巡逻(5)反雷战(6)物料补给等等。由此可知，智能车辆在军事领域有着重要的应用价值1.2.4 遥控车辆在社会生活中的应用在美国等西方发达国家中的，智能车辆已广泛用于医疗服务、商场超市服务、家庭服务、
13、餐馆服务、工厂自动化等领域。其中的某些应用有希望在今后两到三年实现商业化，并进入普通家庭，可以看出无论是从科学发展、理论研究的角度，还是从汽车工业发展以及市场竞争的角度看，对遥控小车的研究是有必要的 12。而智能遥控小车研究以及相关产品的开发也将有利于我国在此领域技术发展与进步。因此，研制5一种智能、高效、节能、环保的只能遥控小车控制系统具有重要的实际意义以及科学理论价值。1.3 遥控小车的研究现状基于无线传模块遥控小车起源于美国，由于争渡对基于无线传模块遥控小车研发的资助以及相关技术的推动作用，日本、美国、德国等工业大国在智能基于无线传模块遥控小车技术上占据着明显优势，新近崛起的韩国在这方面
14、的研发也逐渐走向前沿。遥控小车是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统。它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高科技综合体 13。下面主要简单介绍遥控小车相关的智能车辆的国内外研究现状。1.3.1 国外遥控汽车的发展状况 基于无线传模块遥控小车起源于美国，由于争渡对基于无线传模块遥控小车研发的资助以及相关技术的推动作用，日本、美国、德国等工业大国在智能基于无线传模块遥控小车技术上占据着明显优势，新近崛起的韩国在这方面的研发也逐渐走向前沿。国外基于无线传模块遥控小车领域发展近几年有如下几个趋势。(1)工业遥控小车性能不断提高，而单机价格
15、不断下降。(2)机械结构模块化，可重构化发展，例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化。国外已有模块装配无线遥控小车产品问世。 (3)小车中传感器的作用日益重要，而基于无线传模块遥控小车会采用视觉，声觉，力觉，触觉等多传感器的融合技术进行环境建模及决策定位。发达国家从20世纪70年代开始进行无人驾驶遥控汽车研究，目前在可行性和实用方面，美国和德国走在最前列。在无人驾驶遥控技术研究方面位于世界前列的德国汉堡 Ibeo 公司，最近推出了其研制的无人驾驶汽车，这辆无人驾驶智能汽车由德国大众汽车公司生产的帕萨特2.0改装而成，外表看起来与普通家庭汽车并无差别，但却可以在错综复杂的城市公路系
16、统中实现无人驾驶。行驶过程中，车内安装的全球定位仪随时获取汽车所在的准确方位的信息数。隐藏在前灯和尾灯附近的激光扫描仪是汽车的“眼” ，它们随时“观察”汽车周围约183米内的道路状况，构建三维道路模型。除6此之外， “眼”还能识别各种交通标志，如速度限制、红绿灯、车道划分、停靠点等，保证汽车在遵守交通规则的前提下安全行驶。最后由无人驾驶汽车的“脑”-安装在汽车后备厢内的计算机，将两组数据汇合、分析、并根据结果向汽车传达相应的行驶命令。多项先进科技确保这款无人驾驶汽车能够灵活换挡、加速、转弯、刹车甚至倒车。在茫茫车海和人海中，它能巧妙避开建筑、障碍、其他车辆和行人，从容前行。1.3.2 我国遥控
17、小车的发展状况我国基于无线传模块遥控小车研究开发工作始于70年代末，在国家“863” 、“973”、等高技术发展计划的重点支持下，取得了重大发展。从上世纪80年代开始，国内已大范围地进行有关基于无线传模块遥控小车机构的研究，经过20多年的发展，国内在引用，研究方面已经发展的比较好，但是跟发达国家相比还存在一定的差距。(1)清华大学、上海交通大学中国科学院等科研院为代表，重点对基于无线传模块遥控小车基础技术进行研究，诸如在小车的运动学 16，动力学分析与综合，多传感器控制系统，遥控操作等技术取得长足发展。 (2)大批量生产遥控小车以及自动化设备的公司相继成立，推动了小车的产业化进程。 (3)从应
18、用方法说，差距会大一点。国外发达国家一般的工厂都已经采用无线遥控小车进行生产，在国内，一般的工厂还不是用的很多，只有比较县级的工厂和外资企业使用。(4)从研究的角度说，差距应用方面小一些。国际上目前研究的课题国内的研究人员也有涉及。甚至某些方面还比国外超前。最近，因国防科技大学机电工程与自动化学院和中国第一汽车集团公司联合研发的红旗舰无人驾驶轿车，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。该车装备了摄像机、雷达、可以自己导航，对道路环境、障碍物进行判断识别，自动调整速度，不需要人做任何干预操作。与电子巡航、GPS 导航不同的是它的定为更加精确，转弯和遇到复杂的情况也不需要人来控制。车内的环境识
19、别系统识别处道路状况，测量前方车辆的距离和相对速度，相当于驾驶员的眼睛，车载主控计算机和相应的路径规划软件根据计算机视觉提供的道路信息、车前情况以及自身的行驶状态，决定继续前进还是换到准备超车，相当于驾驶员的大脑，接着自动驾驶控制软件按需要跟踪的路径个7汽车行驶力学，向方向盘、油门和刹车控制器发出动作指令、操控汽车按规划好的路径前进，起到驾驶员的手和脚的作用。这辆无人驾驶桥车在正常交通情况下，在高速公路上面行驶的最高稳定速度为130km/h，最高峰值速度为170km/h2. 遥控小车车体结构设计与制作2.1 车体设计方案的选择与论证在遥控小车的车体的选择过程中，我们参考了两种方案，分别叙述如下
20、：方案 1：购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点：首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需器件的安装十分不方便 17。其次，这种电动车一般都是前轮转向后轮驱动，和我们的设计思路不相符合，不能方便迅速的实现原地保持坐标转 90 度甚至 180 度的弯角。再次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速，而且这种电动车一般都价格不菲。因此我放弃了此方案。 方案 2：自己制作小车车体。经过反复考虑论证，我们觉得自制小车的车体，不但成本低，而且我们可以根据需要进行适当的改进。我们制定了三个
21、轮的小车车体，前轮为驱动轮，它由直流减速电机控制方向，配合电动单车的马达来驱动，使其运行。在安装时我们保证两个后轮同轴，当小车前进时，左右两后轮动与前驱动轮形成了三点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而使驱动出现问题。对于车架材料的选择，我们经过比较选择了有角钢和钢板。因为材料经济实惠，而且性能能满足我们的要求。综上考虑，我们选择了方案 2。2.2 小车车体的制作过程小 车 的 车 体 是 小 车 运 行 的 一 个 基 础 部 分 ， 是 安 装 与 连 接 小 车 各 种 器 件 的 一 个载 体 ， 确定了小车车体的设计方案之后，就要着手对车体进行制作。由于此小
22、车主要用于实验，为了便于制作，日后在上面安装其它东西方便，同时具有一定的重量，使小车运行稳定，所以我们采用 型号为“ 40mm 40mm4mm”的 角 钢 和60mm*6mm 的 钢 板 进 行 制 作 ， 此材料性能能满足设计要求，价格便宜，加工特性好，可以直接打孔攻丝，不像有机玻璃那样易碎。小车实体的图片如图 1 所示：8图 1 小车车体实体图片Figure 1 Car chassis entity picture小车的车体结构示意图，如图 2 所示，整个车体部分是用型号为40mm*40mm*4mm角钢和 60mm*4mm(L*W)钢板焊接而成。主要由前轮和左、右两后轮，还有相应的支撑结构
23、组成。9图 2 小车车体结构示意图Fig 2 Car chassis structure schematic drawing此处已删除图 17 小车左转控制的程序流程图Fig17 Car counterclockwise control program flow diagram105.3.4 小车右转控制的软件设计首先使系统进行初始化，按下遥控器的右转按键，由遥控器发出右转命令，信号由主控单元进行运算和分析，输入到执行 CPU,由 CPU 控制驱动电机使小车执行右转的动作。如果没有信号发出，则返回重新开始。小车右转控制的程序流程图如图 18 所示。图 18 小车右转控制的程序流 程图Fig18
24、 Car right-turn control program flow diagram5.2.2 小车停止控制的软 件设计首先使系统进行初始 化，按下遥控器的停止按键，由遥控器发出停止命令， 信号由主控单元进行运算和分析，输入到执行 CPU,由 CPU 控制驱动电机使小车执行停止的动作。如果没有 信号发出，则返回重新开始。小车停止控制的程序流程 图如图 19 所示。11图 19 小车停止控制的程序流程图Fig18 Car right-turn control program flow diagram6 结论这次的单片机课程设计与以往的课程设计不同，在时间上它贯穿了整个一个学期，从开学第一周的
25、广泛收集查阅资料，经历了老师一次次细心的检查与指导，到后来的制作电路板，乃至到后来的一次次的软硬件调试，形成了一个完整的锻炼体系，在这个过程中，我们的收获是曾经做的设计以及实验中无法比拟的.在最初的收集资料时发现很多以前没接触过的新知识，为日后对专业课的认知提供了更好的条件。本设计以谁题目的要求为目的，设计的基于无线数传模块的遥控小车，达到了设计要求，控制电路中采用 STC12C5A60S2 系列单片机作为核心处理器，采用了 STC12C5A60AD 作为执行器的控制处理器，通过马达驱动芯片 L298N 实现遥控小车的运行。采用 NRF905 作为无线通信的主芯片，实现遥控小车的启动、前进、后
26、退、左转弯、右转弯以及停止等基本功能，为实现小车的定位 、自动寻迹等功能提供平台。整个系统的电路图结构简单，可靠性能高，可以作为高级智能玩具和遥控汽车的模型，本设计与实际相结合。有很强的现实意义和很高的市场价值。通过这次的毕业设计我学会了电子制作中硬件设计一些要点，对单片机有了更多的了解，不但将所学知识运用到了设计中，也学习到了很多新知识，收获恨大，在这个过程中，我也发现自己有很多知识需要加强学习。12参考文献 1 何希才,新型实用电子电路400例M.电子工业出版社,2000,45-49.2 陈伯时,电力拖动自动控制系统M.第二版,北京:机械工业出版社,200023-29.3 张毅刚,彭喜元,
27、新编 MCS-51单片机应用设计M.第一版,哈尔滨工业大学出版社 2001,14-16.4 郭亮，覃立伟，关于单片机的新型智能小车的研制J.电子科学，2006,31-345 许维祥，刘旭敏.单片微型机原理及应用大连：大连理工大学出版社，2005,12-18.6 赵丽清. 51 单片机开发与应用.东营:中国石油大学出版社，2009,19-207 北京教育科学研究院编无线电技术基础北京:人民邮电出版社,2005,36-37 8 王巧芝，郑峰. 51 单片机开发应用从入门到精通北京:中国铁道出版社，2001,17-18.9 刘同法.单片机 C 语言编程基础与实践北京：北京航空航天大学出版社，2009
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31、usao K,Toshio I,Kunio K,et al.Multiturn absolute encoder using spatial filter.JSME International Jouranal,1990,33(1) :94-99.30 Yuji M,Nobuhiko T,Tomoharu N,et al.Highperformance absolute rotary encoder using multitrack and M-code.Optical Engineering,2003,42 (1):124-130.致 谢本论文是在罗亚辉老师指导下完成的，值此本科毕业论文完成
32、之际，我要感谢在整个论文写作过程中帮助过我的老师和同学，老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严以律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我的影响深远。不仅是我树立了远大的学习目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物和为人处世的道理。在选择了课题之后，我的思路恨不清楚，经过老师的帮忙后，让我具体写作时思路清晰，在完成初稿之后，老师认真查看了我的文章，指出了我存在的很多问题。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血，在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢！。其次，要感谢在具体设计过程中给了我恨大帮助的雷超和彭凯师兄，因为在设计的细节中，我遇到了很多自己不能解决的问题，就向他们请教，他们不管闲忙都抽时间给我耐心讲解，让我学到了很多知识，还帮我查阅有关的资料，才使我的设计可以顺利的进行，最终完成毕业设计论文，在此，我也向他们表示我衷心的感谢！。附录附录 1：小车各单元电路原理图附录 2：小车车体结构简图附录 3：小车整体系统工作原理图14
