基于ARM的无线遥控和激光循迹小车论文.docx
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基于ARM的无线遥控和激光循迹小车论文
江西理工大学
课程设计
题目：
基于ARM的无线遥控及激光寻迹小车设计
学院：
机电工程学院
专业：
自动化
班级：
3+1创新教育实验班班
学生：
朱兆祺、邓云
指导教师：
王祖麟职称：
教授
指导教师：
温如春职称：
副教授
目录
第1章开题报告1
1.1课程设计概述1
1.2课程设计小车要求1
1.3课程设计安排1
第2章无线遥控&自动寻迹小车硬件设计2
2.1主控芯片及接口电路2
2.1.1ARM处理器系列2
2.1.2ARM7TDMI处理器3
2.1.3LPC21383
2.1.4LPC2138最小系统4
2.2基于ARM2103遥控器的硬件设计7
2.3基于ARM2103无线遥控接收信号8
2.4基于ARM2138核心控制平台8
2.5H桥控制直流电机8
2.6激光传感器9
2.7nRF2401无线电传感器10
2.8金属探测器LJ12A3-4-Z/BX传感器12
第3章无线遥控&自动寻迹小车软件设计13
3.1基于ARM2103无线电发送模块程序的调试13
3.2基于ARM2103无线电接收模块程序的调试14
3.3通过ARM2138接收ARM2103信号控制小车无线遥控控制16
3.4捕获测速16
3.5数字显示与键盘扫描电路设计20
3.6寻迹程序调试22
3.7无线电&激光寻迹模式选择程序24
第4章调试25
4.1PID控制理论概述25
4.1.1PID控制理论概述25
4.1.2PID控制主程序29
阶段性总结33
参考文献34
致谢35
第1章开题报告
1.1课程设计概述
本个课程设计是基于ARM2103、2138的集无线遥控、激光自动寻迹、扫雷为一体的多功能小车。
在嵌入式高速发展，ARM独占一席的今天，熟练运用ARM对于电科大学生至为重要。
ARM2103实验板2块，主要用于无线电nRF2401的发送和接受；ARM2138实验板1块，主要用于直流电机驱动、寻迹控制等；激光FS2-60传感器4个用于小车寻迹功能使用；金属探测器LJ12A3-4-Z/BX传感器用于金属探测。
1.2课程设计小车要求
由无线电nRF2401、ARM2103控制的遥控器向主体小车发送信息，控制小车的运行。
由无线电nRF2401、ARM2103、ARM2138、激光FS2-60传感器、直流电机、金属探测器LJ12A3-4-Z/BX传感器组合的智能小车接受遥控器信息。
无线遥控模式、自动寻迹模式取决于遥控器的信息。
无线遥控模式的前进、停止、左转、右转也是来源于遥控器的控制；自动寻迹模式的控制依靠FS2-60传感器的信息。
1.3课程设计安排
第17周，硬件外围电路设计
第18周，硬件电路调试
第19周，软件程序逐个调试成功，移植并且完成软件的融合
第20周，小车整体设计修改、完善。
第2章无线遥控&自动寻迹小车硬件设计
2.1主控芯片及接口电路
本次课程设计采用的MUC为LPC2138，LPC2138是以ARM7为内核的微控制器，具有运算频率高，功能强，I/O口丰富等优点，下面简单介绍一下基于ARM7为内核的LPC2138MCU。
首先介绍一下ARM，ARM是AdvancedRISCMachines的缩写。
是微处理器行业的一家知名企业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。
技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。
适用于多种领域，比如嵌入控制、消费、教育类多媒体、DSP和移动式应用等。
ARM将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的ARM相关技术及服务。
利用这种合伙关系，ARM很快成为许多全球性RISC标准的缔造者。
ARM不仅是一个公司的名字，也是一种微处理器内核的名字。
ARM微处理器资源丰富，具有很好的通用性，以其高速度，高性能、低价格、低功耗，可以广泛的应用于各个领域。
ARM的嵌入式系统其优良的性能，良好的移植性，广泛应用与各个行业。
可以说，用单片机和DSP实现的系统，ARM都可以实现。
ARM集成了丰富的片内外设资源，利用自身资源不必增加外围器件就可实现控制要求的功能。
同时使得机器人控制板的结构尺寸可以做得更小。
另外，利用ARM处理器设计的车载嵌入式系统还具有非常好的移植性，能够使得技术真正用于生活，这是其他型处理器所不具备的特点。
2.1.1ARM处理器系列
ARM处理器目前包括下面几个系列：
（1）ARM7系列
（2）ARM9系列
（3）ARM9E系列
（4）ARMIOE系列
（5）SecurCore系列
（6）Intel的Xscale系列
（7）Intel的StrongARM系列
其中，ARM7,ARM9,ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。
2.1.2ARM7TDMI处理器
ARM7系列处理器包括以下几种类型的核：
ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。
其中，ARM7TDMI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器。
TDMI的基本含义是：
T：
支持16位压缩指令集Thumb；D：
支持片上DebugM：
内嵌硬件乘法器（Multiplier）；I：
嵌入式ICE，支持片上断点和调试点。
ARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器，ARM7处理器具有如下的特点：
（1）具有嵌入式ICE-RT逻辑，调试开发方便；
（2）极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如移动机器人产品；
（3）能够提供0.9MIPS/Mfiz的三级流水线结构；
（4）代码密度高，并兼容16位的Thumb指令；
（5）对操作系统的支持广泛；
（6）指令系统与ARM9,ARM9E和ARM10E系列兼容，便于产品升级；
（7）主频最高可达130MIPS高速的运算处理能力能胜任绝大多数的应用场合。
2.1.3LPC2138
本系统和MCU选用的是LPC2138,它具有如下特点：
（1）16/32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP64封装；
（2）8/16/32kB的片内静态RAM和32/64/512kB的片内Flash程序存储器，128位宽度接口/加速器可实现高达60MHz工作频率；
（3）通过片内boot装载程序实现在系统编程/在应用编程（ISP/IAP），单扇区或整片擦除时间为400ms，256字节行编程时间为1ms；
（4）EmbeddedICE®RT和嵌入式跟踪接口通过片内RealMonitorTM软件对代码进行实时调试和高速跟踪；
（5）1个（LPC2131/2132）或2个（LPC2138）8路10位的A/D转换器，共提供16路模拟输入，每个通道的转换时间低至2.44us；
（6）1个10位的D/A转换器，可产生不同的模拟输出。
（仅适用于LPC2132/2138）；
（7）2个32位定时器/计数器（带4路捕获和4路比较通道）、PWM单元（6路输出）和看门狗；
（8）实时时钟具有独立的电源和时钟，可在节电模式中极大地降低功耗；
（9）多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C接口（400kbit/s）、SPITM和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP；
（10）向量中断控制器可配置优先级和向量地址；
（11）小型的LQFP64封装上包含多达47个通用I/O口（可承受5V电压）；
（12）多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚；
（13）通过片内PLL（100us的设置时间）可实现最大为60MHz的CPU操作频率；
（14）片内晶振频率范围：
1～30MHz；
（15）低功耗模式：
空闲和掉电；
（16）可通过个别使能/禁止外部功能和外围时钟分频来优化功耗；
（17）通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒；
（18）单电源，具有上电复位（POR）和掉电检测（BOD）电路：
CPU操作电压范围：
3.0V～3.6V（3.3V±10﹪），I/O口可承受5V的电压。
2.1.4LPC2138最小系统
嵌入式系统的最小系统主要由以下几个方面组成：
（1）电源
（2）复位电路
（3）系统时钟，一般由晶振提供此时钟
（4）底板
下面以LPC2138为微处理器为中心详细介绍最小系统的组成与设计思路
电源电路
任何电子系统都少不了电源的支持。
电源可以看成是电子系统的心脏。
电源只有给系统的电路提供持续的、稳定的能量，这样电子系统才能正常的工作。
在一个电子系统中电源的好坏直接影响到整个系统的稳定性，并在一定程度上影响整个系统的功耗。
常用的集成稳压芯片有78XX系列和79XX系列。
它们是利用串联负反馈来稳定输出电压的，性能较好。
如图3–所示为本系统的一级电源电路。
图3–3系统电源1
本系统主要靠市电经过变压器降压，桥式整流以及78XX系列和79XX系列芯片稳压供电。
LPC2138芯片供电电源为3.3V，内核供电电源为1.8V，因此系统设计为3.3V应用系统。
电源经78M05稳压至5V，再经过SPXIl17-3.3将电源稳压至3.3V。
当正确连接电源后，LED作为电源指示灯点亮。
其特点为输出电流大，精度高，稳定性高，功耗低。
电路原理图如图3–所示。
图3–4系统电源电路
由于LPC2138对供电系统和AD参考电压等要求比较高，所以得加强滤波电路的设计。
图3–5电源和参考电压滤波电路
复位电路
由于ARM芯片的高速、低功耗和低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源监控和电源监控可靠性等诸多也提供了更高的要求，因此复位电路使用带I2C存储器的电源监控芯片CAT1025JI-30，提高了系统的可靠性。
其电路原理图如图3–所示。
图3–6系统复位电路
系统时钟电路
考虑到串口通信时的波特率能够正确的设定，本系统选用11.0592MHz外部晶振是为了使用PLL和ISP下载功能。
原理图如图3–1所示。
图3–1系统时钟电路
LPC2138的RTC需要独立的时钟源，时钟频率为32.768KHz，电路如图3–所示。
图3–8RTC时钟电路
JTAG调试下载程序接口电路
ARM公司ARM7内核采用了JATG联盟提供的标准20脚JTAG仿真调试接口。
RTCK引脚接一个4.7K下拉电阻，使系统复位后LPC2138内部JTAG接口使能，直接进入JTAG调试。
原理图如图3–所示。
图3–9JTAG接口电路
标准20脚JTAG仿真调试接口的详细定义如表3–1所示。
表3–120-pinJTAGheader管脚定义
管脚
定义
管脚
定义
1
Vref（目标板参考电压，接电源）
11
RTCK
2
Vdd（+3.3V）
12
Vss（Ground）
3
nTRST
13
TDO
管脚
定义
管脚
定义
4
Vss（Ground）
14
Vss（Ground）
5
TDI
15
nRESET（目标板复位信号）
6
Vss（Ground）
16
Vss（Ground）
7
TMS
17
NC（未接）
8
Vss（Ground）
18
Vss（Ground）
9
TCK
19
NC（未接）
10
Vss（Ground）
20
Vss（Ground）
2.2基于ARM2103遥控器的硬件设计
根据软件设计要求，无线电nRF2401传感器和ARM2103实验板引脚连接如下：
CE和P0.1,PWR和P0.3,DR1和P0.5,DATA和P0.7,CLK1和P0.9,CS和P0.11，GND和GND，VCC和3.3V连接。
按键和ARM2103实验板的引脚连接，KEY1—KEY6和P0.16—P0.21依次连接。
KEY1控制小车无线遥控模式前进，KEY2控制小车无线遥控模式停止，KEY3控制小车无线遥控模式左转，KEY4控制小车无线遥控模式右转，KEY5控制小车启动寻迹模式，KEY6控制小车启动无线遥控模式。
2.3基于ARM2103无线遥控接收信号
根据软件设计要求，无线电nRF2401传感器和ARM2103实验板引脚连接如下：
CE和P0.1,PWR和P0.3,DR1和P0.5,DATA和P0.7,CLK1和P0.9,CS和P0.11，GND和GND，VCC和3.3V连接。
ARM2103实验板P0.17和ARM2138实验板P0.21,ARM2103实验板P0.19和ARM2138实验板P0.22,ARM2103实验板P0.21和ARM2138实验板P0.23,ARM2103实验板P0.23和ARM2138实验板P0.24,ARM2103实验板P0.25和ARM2138实验板P0.25,ARM2103实验板P0.27和ARM2138实验板P0.26.以上引脚的连接用于ARM2103实验板接收到信号之后用于控制ARM2138的无线电模块控制和无线遥控模式&寻迹模式的切换使用。
2.4基于ARM2138核心控制平台
ARM2138实验板P0.17—P0.20作为激光FS2—60传感器的信号输入，P0.0、P0.1、P0.8、P0.9作为PWM输出通过H桥控制直流电机的转动。
ARM2138实验板P0.21—P0.26作为接受ARM2103实验板的控制进行无线电遥控模式&寻迹模式的切换和控制。
2.5H桥控制直流电机
L298H桥驱动如下图所示：
引脚1、8、15是接地，引脚9（Vss）接5V电压，引脚6（EnableA）、引脚11（EnableB）接高点平5V，对应引脚5（Input1）、引脚7（Input2）、引脚10（Input3）、引脚12（Input4）的输出引脚2（Output1）、引脚3（Output2）、引脚13（Output3）、引脚14（Output4）。
剩下引脚4（Vs），这个引脚的外加电压根据其一H桥的耐压范围，其二你所要加给H桥的电压，这个电压将决定驱动电机转速的大小。
引脚5（Input1）、引脚7（Input2）输入PWM控制小车左电机的转速，当X=Input1-Input2>0时，左电机正向转动，并且X越大，正向转速越大；
X=Input1-Input2<0时，左电机反向转动，并且X越大，反向转速越大；
X=Input1-Input2=0时，左电机停止。
Y=Input3-Input4>0时，右电机正向转动，并且Y越大，正向转速越大；
Y=Input3-Input4<0时，右电机反向转动，并且Y越大，反向转速越大；
Y=Input3-Input4=0时，右电机停止。
、
通过PWM的输入控制左右电机的转动，从而控制小车的行走。
图2-1H桥控制电机示意图
2.6激光传感器
本课程设计运用的寻迹传感器是FS2—60激光传感器。
图2-2FS2—60示意图
图2-3FS2—60激光传感器规格图
图2-4FS2—60外部电路连接图
FS2—60激光传感器的棕色线路连接5V电压正极，蓝色线路连接GND。
黑色线路为信号输出。
为了保护FS2—60激光传感器，因此外加电压为5V。
2.7nRF2401无线电传感器
nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHzISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。
其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。
nRF2401有工作模式有四种：
收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。
nRF2401的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS三个引脚决定。
图2—5nRF无线电传感器
在本课程设计中，只用了一个频道传输。
无线电nRF2401传感器和ARM2103实验板引脚连接如下：
CE和P0.1,PWR和P0.3,DR1和P0.5,DATA和P0.7,CLK1和P0.9,CS和P0.11，GND和GND，VCC和3.3V连接。
2.8金属探测器LJ12A3-4-Z/BX传感器
图2—6LJ12A3-4-Z/BX
这个传感器和激光传感器FS2_60有点相似，棕色线接5V正极，蓝色线接GND，黑色线为信号线输出。
当探测到金属块时，输出信号为低电平；否则为高电平。
第3章无线遥控&自动寻迹小车软件设计
3.1基于ARM2103无线电发送模块程序的调试
#include"config.h"
#include"nRF2410.h"
#include"nRF2410Conf.h"
//====================================================================
//功能描述：
nRF2401无线模组配套演示程序发送端程序，
//运行程序后，按下KEY1—KEY6发送信号量
//=====================================================================//按键的宏定义
#defineKEY1（1<<16）
#defineKEY2（1<<17）
#defineKEY3（1<<18）
#defineKEY4（1<<19）
#defineKEY5（1<<20）
#defineKEY6（1<<21）
//接收端地址:
0000000001
INT8UAddress[5]={0x00,0x00,0x00,0x00,0x01};
/*************************************************************************
**函数名称：
main（）主函数
**函数功能：
按下KEY1—KEY6，发送信号
**入口参数：
无
**出口参数：
无
***************************************************************************/
intmain（）
{
nRF2401Initial（）;//初始化nRF2401A
nRF2401Mode
（1）;//设置nRF2401A工作方式:
发送
nRF2401SetAddress（Address,5）;//设置接收端地址0000000001
while
（1）
{
if（（IO0PIN&KEY1）==0）
{
nRF2401SendByte（0x01）;//发送键号"1"
DelayUs（1000000）;
}
if（（IO0PIN&KEY2）==0）
{
nRF2401SendByte（0x02）;//发送键号"2"
DelayUs（1000000）;
}
if（（IO0PIN&KEY3）==0）
{
nRF2401SendByte（0x03）;//发送键号"3"
DelayUs（1000000）;
}
if（（IO0PIN&KEY4）==0）
{
nRF2401SendByte（0x04）;//发送键号"4"
DelayUs（1000000）;
}
if（（IO0PIN&KEY5）==0）
{
nRF2401SendByte（0x05）;//发送键号"5"
DelayUs（1000000）;
}
if（（IO0PIN&KEY6）==0）
{
nRF2401SendByte（0x06）;//发送键号"6"
DelayUs（1000000）;
}
}
return0;
}
/*********************************************************************************************************
**EndOfFile
********************************************************************************************************/
3.2基于ARM2103无线电接收模块程序的调试
nRF2401Initial（）;//nRF2401A初始化
nRF2401Mode（0）;//设置nRF2401A工作方式:
接收
PINSEL1&=~（0X33333333<<2）;
IO0DIR|=（0X01<<17）|（0X01<<19）|（0X01<<21）|（0X01<<23）;
IO0DIR|=（0X01<<25）|（0X01<<27）|（0X01<<29）|（0X01<<31）;
IO0CLR=（0X01<<17）|（0X01<<19）|（0X01<<21）|（0X01<<23）;
IO0CLR=（0X01<<25）|（0X01<<27）|（0X01<<29）|（0X01<<31）;
if（（nRF2401RxStatus（））==1）//nRF2401A有数据请求
{
nRF2401ReceiveByte（RxBuf）;//接收数据
switch（RxBuf[0]）
{
case0x01:
IO0SET=（0x01<<17）;
DelayUs（10000000/3）;
break;
case0x02:
IO0SET=（0x01<<19）;
DelayUs（10000000/3）;
break;
case0x03:
IO0SET=（0x01<<21）;
DelayUs（10000000/3）;
break;
case0x04:
IO0SET=（0x01<<23）;
DelayUs（10000000/3）;
break;
case0x05:
IO0SET=（0x01<<25）;
DelayUs（10000000/3）;
break;
case0x06:
IO0CLR=（0x0
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