单片机原理实验综合设计Word下载.docx
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摘要
本系统采用AT89S51单片机控制小车实现往返运水，并自动根据印记进行循迹运行。
通过无线通信实现对小车的无线遥控控制，控制电机实现倒水和注水等功能。
通过控制nRF401芯片实现对运水小车的无线遥控，控制TCRT5000红外光电传感器实现对路面寻迹,控制步进电机实现现倒水和注水。
为了使系统更具实用性还设计了运用JM12864液晶显示模块及键盘等良好的人机交互界面。
本文详细介绍了如何实现无线控制以及如何实现自动循迹功能，在小车自动循迹过程当中进行运水和注水的操作，并时时显示时间。
同时详细介绍了各部分硬件电路及程序模块，总结了在设计过程中遇到的主要问题。
关键词：
无线遥控，单片机，智能化
目录
摘要I
1绪论1
1.1引言1
1.2系统设计方案1
2系统主要器件原理8
2.18
2.210
3系统硬件设计13
3.113
3.214
4系统软件设计15
4.115
4.215
5结论33
附录37
1.1引言
随着社会的发展,科技的进步。
运水小车技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。
比如说日本，战后以后开始进行汽车的工业，那么这时候由于它人力的缺乏，它迫切需要一种运水小车来进行大批量的制造，提高生产效率降低人的劳动强度，这是从社会发展需求本身的一个需求。
另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们逐渐的这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中,来需求能够解放人的一种奴隶。
那么这种奴隶就是代替人们去能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。
但另一方面，尽管人们有各种各样的好的想法，但是它也归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供了强大的技术保证。
随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成程度越来越高，单片机已经可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器，甚至A/D、D/A转换器等电路，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合起来，组成所谓的“智能化测量控制系统[1]”。
这促使运水小车技术也有了突飞猛进的发展，现在人们已经完全可以设计并制造出具有某些特殊功能的简易智能运水小车了。
日本在20世纪60年代和美国都在开始进行运水小车的研究，由于我们国家存在很多其他的各种因素、问题。
我们国家在运水小车的研究，在20世纪70年代后期，当时我们在国家北京举办一个日本的工业自动化产品展览会[2]，在这个会上有两个产品，一个是数控机床，一个是工业运水小车，这个时候，我们国家的许多学者，看到了这样一个方向，开始进行了运水小车的研究，但是这时候研究，基本上还局限于理论的探讨阶段，那么真正进行运水小车研究的时候，是在七五、八五、九五、十五将近这二十年的发展，发展最迅速的时候，是在1986年我们国家成立了863计划是高技术发展计划，就将运水小车技术作为一个重要的发展的主题，国家投入将近几个亿的资金开始进行了运水小车研究，使得我们国家在运水小车这一领域得到很快地、迅速地发展[3]。
1.2系统方案论证
1.2.1系统总体方案设计
根据上述设计要求,该系统的硬件设计应充分考虑性价比,用最少的器件设计出满足要求的硬件电路。
系统的总体设计框图如2-1所示。
主要包括：
控制电路、无线遥控模块、液晶显示模块、倒水注水模块及自动循迹等部分组成。
如图1-1为系统的框架图。
系统初始化后，可以选择主系统nRF401无线控制运水小车完成各种动作，如前进，后退，转动，倒水等。
也可以主系统通过无线控制发送自动循迹命令，使运水小车处于自动循迹状态下。
当反射式红外光电传感器检测到黑色印记，将信号传送给AT89S51单片机，单片机根据发射式光电传感器的信号发送指令，使运水小车根据黑色印记实现进行自动循迹运行，当到达注水指定位置，光电传感器检测到达并将信号传给单片机，单片机控制步进电机带动容器进行倒水动作；
当倒水结束时，单片机控制步进电机反转带动容器，使容器回到原始位置。
单片机控制运水小车返回注水指定位置，当到达注水指定位置，光电传感器检测到达注水区并将信号传送给单片机，单片机控制运水小车停止运动；
在注水区对射式红外光电传感器检测到小车车尾的到达并发送信号给注水电机，使电机转动将注水区大型容器的水抽入到运水小车的容器中。
当液面达到指定位置，液面检测装置将信号送给运水小车单片机，单片机给小车发送指令，使小车前进，车尾离开对射式红外光电传感器，传感器停止给注水电机传送信号，注水电机停止，从而结束注水，完成注水功能。
重复以上过程一次，进行倒水，运水小车则停止，JM12864液晶显示屏显示运水小车在整个过程中所用的时间，以及在这些过程当中的运水小车的运水量。
1.2.2方案论证
1、自动循迹模块
本模块实现的是通过光电传感器进行对光信号检测，实现对黑色印记的检测。
采用TCRT5000反射式光电传感器进行对光信号的感应。
采用311比较器进行电压信号的输出。
如图1—2所示。
该智能小车在画有黑线的白纸“路面”上行驶，由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”——黑线。
在该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法——红外探测法。
红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射性质的特点。
在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色地面时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；
如果遇到黑线则红外光被吸收，则小车上的接收管接收不到信号。
图1-2为311比较器接法接法
2、显示模块
显示模块可以选择LCD液晶显示、数码管显示。
考虑到系统的应用场所和成本问题，以下对显示驱动电路进行详细方案比较：
方案一：
74x164驱动数码管显示。
若选用该方案，显示模块至少占用6个I/O口，而CPU通用I/O口是有限的，可能会导致很多资源使用受到限制，造成资源浪费，不便于功能扩展，在灵活性方面存在缺憾。
方案二：
直接用I/O口驱动数码管显示。
该方案是在I/O口资源充足的前提下，进行静态显示的很好方案。
但是与方案一存在着同样的问题。
方案三：
JM12864M采用串行通信，显示占用5个I/O，液晶显示更加清楚详细。
因此，该设计方案最佳。
3、无线遥控模块芯片比较与选择
从降低成本，减小开发难度和缩短开发周期等角度考虑，本设计采用单片射频集成电路构建无线通信模块。
单片射频集成电路的选择直接决定了无线数传模块的功能和成本。
单片射频集成电路的种类和数量比较多，选择单片射频集成电路时主要考虑以下几点：
通信距离；
收发芯片所需的外围元件数量；
通信速率开发难易程度；
芯片成本；
数据传输的编码方式等。
下面就常见的单片射频集成电路nRF401、nRF903和CC1000的结构原理、特性及应用电路作一个对比。
（1）nRF401单片射频集成电路
nRF401单片射频集成电路是Nordic公司研制的单片UHF单片射频集成电路，工作在433MHzISM（Industrial,ScientificandMedical）频段。
它采用FSK调制解调技术，抗干扰能力强，并采用PLL频率合成技术，频率稳定性好，发射功率最大可达10dBm，接收灵敏度最大为－105dBm，数据传输速率可达20Kbps，工作电压在+3～5V之间。
nRF401单片射频集成电路所需外围元件较少，并可直接连接单片机串口。
nRF401单片射频集成电路内包含有发射功率放大器（PA）、低噪声接收放大器（LNA）、晶体振荡器（OSC）、锁相环（PLL）、压控振荡器（VCO）、混频器（MIXFR）、解调器（DEM）等电路。
在接收模式中，nRF401单片射频集成电路被配置成传统的外差式接收机，所接收的射频调制的数字信号被低噪声放大器放大，经混频器变换成中频，放大、滤波后进入解调器，解调后变换成数字信号输出（DOUT端）。
在发射模式中，数字信号经DIN端输入，经锁相环和压控振荡器处理后进入到发射功率放大器射频输出。
由于采用了晶体振荡和PLL合成技木，频率稳定性极好；
采用FSK调制和解调，抗干扰能力强。
nRF401单片射频集成电路的ANT1和ANT2引脚是低噪声接收放大器LNA的输入，以及发送时发射功率放大器的输出。
连接nRF401单片射频集成电路的天线可以是以差分方式连接到nRF401单片射频集成电路，nRF401单片射频集成电路也可以通过一个差分转换匹配网络连接一个50Ω的单端天线。
图1-3所示为使用环形天线的nRF401单片射频集成电路的电路图，整个环形天线可以做在PCB上，与传统的鞭状天线或单端天线相比，不仅节省空间和生产成本，结构上也更坚固可靠。
图1-3nRF401单片射频集成电路应用原理图
（2）nRF903单片射频集成电路
nRF903单片射频集成电路的工作电压范围可以从2.7～3.3V，接收待机状电流消耗
为600μA，低功耗模式电流消耗仅为1μA，可满足低功耗设备的要求。
nRF903具有多个频道（最多170个以上），特别适用于多信道工作的特殊场合。
nRF903单片射频集成电路的天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB
天线，所有的参数包括工作频率和发射功率都可以通过一个14位的配置寄存器用串行
线（CS、CFG_CLK和CFG_DATA）进行设置。
图1-4所示为使用环形天线的nRF903的应用电路图。
nRF903单片射频集成电路内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行接口几个部分。
发射电路含有：
射频功率放大器、锁相环（PLL）、压控振荡器（VCO）、频率合成器等电路。
基准振荡器采用外接晶体振荡器产生电路所需的基准频率。
振荡电路采用锁相环（PLL）方式，由DDS模式的频率合成器、外接的无源回路滤波器和压控振荡器组成。
压控振荡器由片内的振荡电路和外接的LC谐振回路组成。
要发射的数据通过DATA端输入。
图1-4nRF903单片射频集成电路应用原理图
2系统主要器件原理
2.1无线收发模块nRF401
2.1.1nRF401
nRF401是NORDIC公司最新推出的单片无线收发一体的芯片，采用蓝牙核心技术设计，在一个20脚的芯片中包括了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调、多频道切换，是目前集成度最高的无线数传产品。
nRF401采用抗干扰能力强的FSK调制方式，工作频率稳定可靠，外围元件少，便于设计生产，功耗极低，适合于便携及手持产品的设计，由于采用了低发射功率，高接收灵敏度的设计，满足无线管制要求，无需使用许可证，是目前低功率无线数传的理想选择，可广泛用于遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、运水小车控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、无线数字语音、数字图像传输等。
（1）特性
●工作频率为国际通用的数传频段433MHz
●FSK调制，直接数据输入输出，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合
●采用DSS+PLL频率合成技术，频率稳定性极好。
●灵敏度高，达到-105dBm
●功耗小，接收待机状态仅为8uA
●最大发射功率达+10dBm
●低工作电压（2.7V），可满足低功耗设备的要求
●具有多个频道，可方便地切换工作频率，特别满足需要多信道工作的特殊场合
●工作速率最高可达20Kbit/S
●仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件，基本无需调试
●由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的使用距离最远可达1000米
（2）芯片内部框图
如图2-1为nRF401内部原理框图。
图2-1NRF401原理框图
如图2-1为nRF401引脚图及表2-1为引脚功能图。
图2-2引脚排列和功能
表2-1nRF401引脚功能表
管脚
名称
功能
说明
1
XC1
输入
晶振输入
2
VDD
电源
电源3—5V
3
FILT2
环路滤波器
4
FILT1
5
VCO1
VCO电感
6
VCO2
7
VSS
电源地
8
9
DIN
数据输入
10
DOUT
输出
数据输出
11
RFPWR
发射功率设置
12
CS
频道选择
13
14
15
ANT2
输入/输出
天线终端
16
ANT1
17
18
PWRUP
节电控制
19
TXEN
发射/接收控制
20
XC2
（3）芯片电气性能
如表2-2为nRF401为芯片电气性能表。
表2-2nRF401芯片电气性能表
参数
指标
备注
频率信道1/信道2
433.92MHz/434.33MHz
调制方式
FSK
最大输出功率
10dBm
@400欧3V
接收输出功率
-105dBm
@400欧BR=20kbit/s
工作电压
2.7～5.25V
接收电流
10mA
发射电流
8mA～30mA
待机电流
8uA
3系统硬件设计
3.1运水小车循迹整体结构
图3-1为小车的循迹整体结构，总共运用了八个反射式红外光电传感器TCRT5000，前1和前2用于检测运水小车是否到达终点，左1和右1用于前进时检测黑色印迹，左2和右2用于后退时检测黑色印迹，后1和后2用于小车后退时检测小车是否到达起始位置。
由于运水小车是三个轮子的小车，主动轮为前面两个较大的轮子，通过两个直流电机带动，第三个轮子为后部中间较小的从动轮，可以任意转动。
由于小车的主动力没有在车子的中部，所以在设计时要充分考虑到小车运行当中车体的摆动情况，所以将左1和右1放置在车子的主动轮的正下方，并将间距调制为左右各离黑色印迹左右边缘0.5cm的距离，只要运水小车有适当的顺畅度，若距离再小些，运水小车在运行过程中，会频繁的调整方向，致使车子摆动较为厉害，容器中的水较易撒出；
若距离再大些，运水小车在运行过程中，会产生较大的便宜，在调正的过程中耗时较多。
由于小车的主动力在车子靠前方的部位，导致小车在后退时车子尾部的摆动较大，所以在车子的底部对称的安装四个用于检测黑色印迹的反射式红外光电传感器TCRT500，并且在软件设计中，设定小车在前进时，左右转调正方向的延时为500ms；
而在运水小车后退时，左右转调正方向的延时为250ms。
如图3-2为检测电路图。
图3-2反射式红外光电传感器TCRT5000的检测电路图
图3-2为一个红外传感器的测试电路，通过调节R1和R2的阻值，是LM311的2和3脚的输入相等（在没有检测的任何物体时），当黑色印迹被检测到，TCRT5000红外接收管导通，比较器3端输入电压较低，Uo即可输出高电平，并将检测信号送给74LS154译码器，经译码器将译码后，再将信号传送给单片机，8个反射式红外光电传感器实际就占用了3个单片机的I/O口，从而大大节约单片机I/O资源。
3.2倒水装置模块结构
考虑到运水小车的结构要求，所以将运水小车的运水倒水部分设计成如上两图所示结构。
由于运水小车采用将容器底部抬起，使容器中的水倾倒到指定的容器中，所以要考虑到运水小车上容器中水的重心的移动及所运之水在倾倒时所产生的冲力和运水小车的后退力。
如果运水小车在倾倒时重心偏移到主动轮的前侧，则有可能在倾倒过程中使运水小车发生倾斜或小车后退一段距离，致使运水小车上的水不能完全转移到指定容器中，所以将支架设计在运水小车的前轮的后侧，并且将支架的支点高于车上容器一半位置，这样，在将容器拉起时，容器的重心始终在运水小车前轮后侧。
致使运水小车容器内水全部倾倒出去后，步进电机反转，容器在自身重力作用下，自动缓慢落回初始的位置。
图3-3图3-4为运水小车视图。
为了将运水小车上容器内的水全部倾倒出，所以将绳子支架的高度设计高于车上容器支点的高度，这样将容器拉起时，底部高于容器口部，致使容器内的水全部倒出。
如图3-5为步进电机连接图。
图3-3运水小车俯视图
图3-4运水小车右视图
图3-5步进电机连接图
步进电机的驱动信号必须为脉冲信号，转动的速度和脉冲的频率成正比，本步进电机步进角为7.5度，一圈360度,所以步进电机转动一圈需要48个脉冲完成。
由于绳子在容器被拉起后，绳子被拉动22cm，步进电机转动轴上安装了圆形罗盘，内槽半径为2cm，将绳子至于圆形罗盘的内槽中，所以步进电机转动一圈，带动绳子转动的长度为：
L=3.14*2*2=12.56cm，
所以在容器被拉起的过程中，步进电机共需要转动的圈数为：
N=22/12.56=1.7516
所以控制芯片共需要给步进电机发送的脉冲数：
n=N*48=84
设计时，将控制芯片发送给步进电机的脉冲数定为86个脉冲，由于步进电机再拉动容器时，运水小车车体受力，产生一定的形变，所以多给2个脉冲。
表3-1为步进电机连接状态表。
表3-1步进电机四相八拍状态表
拍序
通电相
P2口线状态
正转序
反转序
A
****1110B
AB
****1100B
B
****1101B
BC
****1001B
C
****1011B
CD
****0011B
D
****0111B
DA
****0110B
4系统软件设计
4.1主系统函数
在主程序中主要实现了路线检测（寻迹）、在没有键盘按下的情况下显示时间的功能，以及判断注水和倒水的控制，并根据无线信号的不同，进行不同的动作。
图4-1是主系统程序流程图。
无线通信模块流程图如上，遥控板上nRF401和运水小车上的nRF401进行通信对话，遥控板给小车发送无线电波信号，小车上的nRF401经过解调后再将信号传送给AT89S51主芯片，主芯片根据信号在将相应的指令传送给小车，使小车作出相应的动作。
图4-2是从系统程序流程图。
4.2各部分模块流程图
4.2.1倒水模块
当小车运动到倒水区的时候，红外反射式光电传感器将信号传送给主控芯片，主控芯片控制小车的停止，并开始倒水。
如图4-3所示为倒水模块流程图。
Y
N
图4-3倒水模块流程图
4.2.2循迹模块
通过检测转向的红外反射式光电传感器对黑线的检测，并将检测信号传送给主芯片。
当左边的传感器将信号传给主芯片，小车就向右转；
当右边的传感器将信号传给主芯片，小车就向左转。
如图4-4所示为循迹模块流程图。
5结论
本系统系无线遥控运水小车，具有自动寻迹功能，并能准确的进行行驶，能够进行准确无误的运水工作，并将所运之水全部转移到指定的容器中，并能自动返回出发位置，进行注水，当达到了指定的容量时，运水小车停止注水，并将所运之水再次运送到指定的容器中，并在运水结束后准确显示所用时间及所有运水量。
运水小车还可通过无线遥控芯片进行无线控制，完成各种动作。
硬件电路的检查、调试和修改较软件调试来说要麻烦一些，修改起来有一定的困难。
对于我们来说常犯的错误有：
极性器件焊接不正确；
芯片选型错误导致不能正常工作；
电路存在虚焊；
I/O配置不正确。
检测电路故障主要从以下几个方面入手：
1）供电是否正确
用万用表对关键点电压值进行测量。
将测量值与理论值进行比较，如果不符合理论值，那么问题就出在电源电路，可以“顺藤摸瓜”找到故障点，解决问题。
这样分模块、按步骤的进行检测，是检测系统硬件电路很好的方法。
2）传感器是否正常工作
若已经确定芯片的供电正常，那就要确定传感器[17]是否正常工作。
首先了解传感器的工作电压，接入比较器，用传感器进行对黑色印记的测试，用万用表测试传感器给出的信号时候正确。
传感器工作正常是整个系统的基本。
3）无线通信是否正常工作
检查一下无线通信模块是否连接正确，然后上电，用万用表测试各个端口的输出电压是否正确；
让主系统的无线模块进行正常工作，并对从系统发射命令，用万用表测试从系统的无线模块各个管脚输出电压时候正确。
通过以上步骤，一般都能检查到问题的原因，“对症下药”就能解决问题。
当然，若系统不能正常运行，最初的工作就是应该用一段简单的测试程序测试芯片的工作状况。
编写代码之前，一定要十分了解数据传输的方式和时序，熟悉各种指令格式及控制方式，对相应寄存器也要十分熟悉，在这个基础上才能编写代码。
软件较硬件来说，逻辑性要强的多，不便与通过测量来发现问题，但可以利用逻辑分析仪、仿真器等方便的进行逻辑分析和仿真，能很快找到原因，为软件调试带来很大的方便。
由于经验不足，在系统整体构思过程中，很多问题没考虑周到。
比如：
电路各个模块之间的兼容问题；
I/O口的驱动能力有限，致使有些电路工作不正常。
由于考虑欠缺，致使有些设计不是十分令人满意，希望在以后进行改正。
附录A
主控系统电路图
附录B系统程序清单
主程序
;
P0.2注水结束，P
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