基于单片机的遥控小车控制.docx
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基于单片机的遥控小车控制
华东理工大学
毕业设计
题目基于单片机的遥控小车控制
英文题目microcontrollerbasedontheremotecontroltrolleys
学生姓名：
学号：
专业：
自动化
系别：
机械工程系
指导老师：
职称实验师
二零一二年六月
摘要
随着生产自动化的发展需要，机器人已经越来越广泛地应用到生产自动化上，随着科学技术的发展，机器人的传感器种类也越来越多，其中红外传感器已经成为自动行走和驾驶的重要部件。
单片机即单片微型计算机，是集CPU,RAM,ROM,定时，计数和多种接口于一体的微控制器。
其中51单片机是各种单片机中最为典型和最有代表性的一种,广泛应用于各个领域。
红外的典型应用领域为自主式智能导航系统，机器人要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，感知障碍物相当给机器人一个视觉功能。
智能避障是基于红外传感系统，采用红外传感器实现前方障碍物检测，并判断障碍物远近。
由于时间和水平有限，我暂选最基本的行动与避障功能作为此次设计的目标。
关键词：
单片机、接收、发射、电动小车
ABSTRCT
Withthedevelopmentneedsofautomation,roboticshasbecomeincreasinglywidelyusedinautomation,thedevelopmentofscienceandtechnologywiththerobotmoreandmoretypesofsensors,infraredsensors,whichhavebecomeautomaticwalkinganddrivingimportantparts.
Single-chipmicro-computersinglechipthatisaCPU,RAM,ROM,timing,countingandmultipleinterfacesinonemicrocontroller.SCM51SCMisthevarietyofthemosttypicalandrepresentativeofawidelyusedinvariousfields.Typicalapplicationsinfraredintelligentnavigationsystemforautonomousrobottoachievetheautomaticobstacleavoidancefunctionsmustbeperceivedobstacles,perceivedobstaclestotherobotaveryvisualfunction.Intelligentobstacleavoidanceisbasedontheinfraredsensorsystemthatusesinfraredsensorstoachievethefrontobstacledetection,andtojudgedistancebarrier.
Limitedduetotimeandlevelone,Ichoosethemostbasicfunctionofactionsandavoidanceasthedesigngoal.
KeyWord：
microcontroller,receiving，transmitting,electrictrolley
目录
摘要Ⅰ
ABSTRACTⅡ
绪论1
第一章智能小车总体方案设计2
1.1系统的设计原则2
1.2系统总体方案设计和工艺要求2
1.3系统设计要求3
1.4系统的基本工作原理3
第二章硬件设计4
2.1系统的总体结构和框架图4
2.2原理图的设计原则5
2.3遥控小车部分硬件电路图5
2.3.1遥控小车发射板电路图5
2.3.2遥控小车接收板电路图6
2.3.3电机驱动模块电路图7
2.3.4直流稳压电机电路图7
2.4部分重要元器件介绍8
2.4.1主控芯片介绍8
2.4.2HS0038介绍10
2.4.3光电避障传感器介绍11
2.4.4发光二极管介绍12
2.4.5红外发光二极管介绍13
2.5重要元器件的选择14
2.5.1遥控解码方案的选择14
2.5.2电机的选择14
第三章系统软件设计16
3.1单片机编程的基本原则16
3.2编程的语言17
3.2.1汇编语言17
3.2.2C语言19
3.3软件设计21
3.4遥控编码器的原理介绍22
3.5系统软件流程图24
3.5.1小车发射板主程序流程图24
3.5.2小车发射子程序流程图24
3.5.3小车接收板主程序流程图26
3.5.4小车自动驾驶子程序流程图27
3.5.5小车中断接收流程图28
结论29
致谢30
参考文献.31
附录1程序清单32
附录2硬件连接图40
绪论
当今社会，随着科技发展的日新月异，特别是计算机技术突飞猛进的发展，计算机技术带来了科研和生产的许多重大飞跃，同时计算机也越来越广泛的被应用到人们的生活、工作领域的各个方面。
单片微型计算机以其其体积小、功能强、速度快、价格低等优点，在数据处理和实时控制等应用中有着无以伦比的优越性，可广泛地嵌入到如玩具、家用电器、机器人、仪器仪表、汽车电子系统、工业控制单元、办公自动化设备、金融电子系统、舰船、个人信息终端及通讯产品中。
随着微控制技术（以软件代硬件的高性能控制技术）的日益完善和发展，单片机的应用必将导致传统控制技术发生巨大的变化。
单片微型计算机的应用广度和深度，已经成为一个国家科技水平的一项重要标志。
在科学探索和紧急中经常会遇到对一些危险或人类不能直接到达的地域的探测，这些就需要用机器人来完成。
而在机器人在复杂地形中进行自动避障是一项必不可少也是最基本的功能。
因此，自动避障系统的研发就应运而生。
我们的自动避障小车就是基于这一系统开发而成的。
第一章智能小车控制系统总体方案设计
在本章中主要介绍了系统的设计原则和总体方案等。
1.1系统设计原则
1.1.1安全可靠
首先要选用高性能的AT89C2051单片机，保证在任意的工业环境下能正常运行。
其次是设计可靠的控制方案和最优的控制算法，并具有各种安全保护措施，如超限报警、事故处理和不间断电源等。
1.1.2操作维护方便
操作方便表现在操作简单、直观形象和便于掌握且携带简便，安装简单，基本不会出现故障。
1.1.3通用性好
系统设计时应考虑能适应不同的设备和各种不同控制对象，按照控制要求灵活构成系统。
主要表现在两个方面：
一是硬件板设计采用标准总线结构（如PC总线），配置各种通用的模板，以便扩充功能时，只需增加功能模板就能实现；二是软件功能模块或控制算法采用标准模块结构，用户使用时不需要二次开发，只需各种功能模块，灵活地进行控制系统组态。
1.2系统总体方案设计和工艺要求
1.2.1系统总体方案
①系统的主要功能、技术指标、原理性方框及文字说明。
②系统的硬件结构及配置，主要软件的功能、结构框图。
③保证性能指标要求的技术措施。
④可靠性设计。
1.2.2工艺要求
采用的技术主要有：
（1）通过红外发射装置远程遥控小车；
（2）8051芯片的使用
（3）红外线光感检测障碍，实现自动避障
1.3系统设计要求
1.3.1硬件电路图用ProtelDXP绘制，符合最新制图标准，表达完整，布局合理。
1.3.2注重系统设计的几大原则（安全可靠，操作维护方便，实时性强，通用性好，在满足使用的前提下，使产品性价比尽可以高）。
1.3.3系统需求分析完整清楚；系统设计思路清晰，设计方案切实可行；计算正确可靠。
避免冗长，反对抄袭。
1.3.4红外遥控系统是利用红外发射与接收装置远程遥控小车的系统。
是一套简易模型车体。
包括遥控和自动驾驶两大功能。
可以根据现场情况改变其行驶状态。
了解了该系统原理后，可以改装其成为简易机器人的底层动作平台，学习以伺服机为动力的移动平台设计原理及相关程序设计，还可以有其他的应用，凡是需要发单片机控制要想移动的机构都可能有机会使用到它。
可以很有效率的设计一些高精密的传动系统。
1.4系统的基本工作原理
1.系统工作原理：
该系统是基于单片机的红外遥控小车系统，该系统包括了红外远程遥控器，2个步进电机，红外检测模块，和单片机的电源设计。
本系统首先是利用了红外发射接收装置容易获得且价格适中，信号较稳定，且不容易发散。
小车的驱动和转向是由2个步进电机控制，2个步进电机的正反转可以很好的完成小车的前进，后退，左转，右转。
小车在无人控制的情况下可以进行自动驾驶，利用光电检测可以检测到20~30CM内是否有障碍物，可以完成避障。
第二章硬件设计
2.1系统的总体结构和框架图
过程计算机控制系统的设计过程分为总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试四个部分。
在进行控制系统设计前，应该首先考虑对控制对象进行深入的调查和分析，并熟悉工艺流程，根据生产中提出来的问题，确定系统所需要完成的任务。
然后写出论证，选择控制方案，控制方案的好坏，直接影响控制效果、系统投资和系统的经济效益。
用单片机实现的智能小车控制系统如下:
图2-1遥控小车发射板电路图
图2-2遥控小车接收板电路图
2.2原理图的设计原则
原理图主要由设计、诊断与检查组成。
原理图的设计要符合以下几点要求：
（1）原理图设计要符合项目的工作原理，连线要正确。
（2）图中所使用的元器件要合理选用，电阻，电容等器件的参数要正确标明。
（3）原理图要完整，CPU，外围器件，扩展接口，输入/输出装置要一应俱全。
原理图的设计、诊断与检查在ProtelDXP软件环境下完成。
系统设计完成后，进入印制板制作、器件焊接及软件编程阶段。
在印制板设
计时，要仔细考虑印制板的面积、布局及连线长度，以减小对信号的延时和抗干
扰。
对加工好的印制板还要进行仔细的检查，最后将器件、插座及元件等逐一焊
接在印制板上。
2.3遥控小车部分硬件电路图
本系统采用AT89C2051芯片作遥控发射器及接收处理器，汽车前进、后退与转向分别用2个电机，采用桥式开关电路驱动电机。
无线传送用接收∕发射模块完成。
小汽车能前进、后退、左转、右转及自动驾驶（遇到障碍时能自动改变行驶方向）。
遥控小汽车的电路原理图如下所示。
2.3.1.遥控小车发射板电路图
发射电路板共设有5个按键开关，分别作为汽车左转弯、右转弯、前进、后退及自动驾驶控制用。
P1.0和P1.1作为输入口时应接上拉电阻，遥控编码从P3.5脚输出至无线发射模块。
该板次采用脉冲个数编码以区别不同的按键功能，具体定义如下.
前进键：
按下发2个脉冲，释放发8个脉冲。
后退键：
按下发3个脉冲，释放发8个脉冲。
左转键：
按下发4个脉冲，释放发7个脉冲。
右转键：
按下发5个脉冲，释放发7个脉冲。
自动键：
按下发6个脉冲
2.3.2遥控小车接收板电路图
无线接收模块输出的编码脉冲从P3.1口输入，采用中断接收方式处理脉冲编码。
电机采用桥式驱动，P1.0、P1.1口作前后驱动电机控制用，P1.2、P1.3口作转向电机控制用。
P3.0接前障碍红外线探测头，P3.5接后障碍红外线探测头。
P1.4口接一个LED发光管用做自动驾驶指示。
图2-4小车接收板电路图
2.3.3电机驱动模块
表3-1伺服车控制原理
车子动作
左伺服机
右伺服机
前进
正转
正转
后退
反转
反转
左转
反转
正转
右转
正转
反转
如上表所示，利用2个电机控制小车2个后轮实现小车前进、后退、左转、右转的功能。
2.3.4直流稳压电源电路
本设计中采用4节干电池作为电源。
如图所示为1.25～37V可调电源电路。
它是可调式三端稳压器的典型应用电路，特点是性能好、工作稳定、体积小、制作安装简单方便，最大输出电流为l.5A，输出电压在1.25～37V之间连续可调。
它最适合做实验用电源。
图中C3用于滤除RP上的纹波，提高电源输出电压的稳定性。
由于某种原因当LM317的输出端与输入端短路时，C2会通过LM317内部放电而损坏芯片，VD6可为C2提供放电回路。
C4用来防止输出端产生自激。
VD5为保护二极管，用以防止输入端短路时容性负载上积存的电荷向LM317放电。
为了保证LM317可靠工作。
Rl的阻值一般取120Ω（或240Ω）。
2.1.5电源电路
电源电路采用干电池供电。
4节干电池可以提供6V电压，而单片机的工作电压为5V，所以我添加了一个发光LED二极管作为分压与现实电源灯的作用
总体硬件图见附录2
2.4部分重要元器件介绍
2.4.1主控芯片介绍
本设计中采用单片机作为主控芯片。
1、单片机的特点:
（1）体积小,重量轻,价格便宜,耗电少。
（2）根据工控环境要求设计,且许多功能部件集成在芯片内部,其信号通道受外界影响小,故可靠性高,抗干扰性能优于采用一般的CUP。
（3）控制功能强,运行速度快.其结构组成与指令系统都着重满足工控要求.有极丰富的条件分支转移指令,有很强的位处理功能和I/O口逻辑操作功能。
（4）片内存储器容量可能不大;引脚也嫌少,I/O引脚常不够用,且兼第二功能以至第三功能.但存储器和I/O接口都易于扩展。
2、单片机的应用:
由于上述单片机特点,可推知其应用最多的领域为
（1）因它具有“小,轻,廉,省”的特点,尤其耗电少,又可使供电电源的体积小,重量轻,所以特别适用于“电脑型产品”,在家用电器,玩具,游戏机,声像设备,电子称,收银机,办公设备,厨房设备等许多产品上得到应用。
（2）适用于仪器,仪表,不仅能完成测量,还具有处理（运算,误差修正,线性化）,监控等功能,易于实现数字化和智能化。
（3）有利于“机电一体化”技术的发展,多用于数控机械,缝纫机械,医疗设备,汽车等。
（4）广泛应用于打印机,绘图仪等许多计算机外围设备,特别是用于智能终端,可大大减轻主机负担。
（5）用于各种工业控制,如温度控制,液面控制,生产线顺序控制等。
2.4.1.2AT89C2051芯片介绍
图2-7AT8C2051实物图
at89c2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大at89c2051单片机可为您提供许多高性价比的应用场合。
主要性能：
.和MCS-51产品兼容；
.2KB可重编程FLASH存储器（1000次）；
.2.7-6V电压范围；
.全静态工作：
0Hz-24KHz
.2级程序存储器保密锁定
.128*8位内部RAM
.15条可编程I/O线
.两个16位定时器/计数器
.6个中断源
.可编程串行通道
.高精度电压比较器（P1.0，P1.1，P3.6）
.直接驱动LED的输出端口
芯片引脚图
2.4.2HS00381芯片介绍
随着家用电器、视听产品的普及，自动化办公设备的广泛应用和网络化的不断发展，越来越多的产品具有了待机功能（如遥控开关、网络唤醒、定时开关、智能开关等）。
产品的待机功能实现遥控操作，极大地方便了我们的生活，但也浪费了大量的能源。
中国节能产品认证中心（CECP）调查显示，全球每个家庭处于待机状态下的家电相当于亮着一个15W～30W的长明灯，仅一台彩电每年在“无用待机状态”下浪费电力近100°，在我国彩色电视机待机一项一年就浪费电力150多亿度，相当于十几个大型火力发电厂白白发电。
澳大利亚电器设备能源委员会新近的研究成果显示，不仅会耗费可观的电能，每月支付数额不小的“冤枉电费”，而且其释放大量有害气体二氧化碳在一定程度上加速了气候的变暖。
利用本系统可以良好的达到节能和环保的效果。
同时在家庭或工业控制现场，一些手动操作不太方便的场合，可以使用现有遥控器通过设置代替手动操作，比如可以利用家中现有的彩电遥控器，控制其它没有遥控功能的电器（如电灯、计算机、音响、电脑、打印机、饮水机、热水器等），方便生活。
红外接收电路一体化的红外接收装置将遥控信号的接收、放大、检波、整形集于一身，并且输出可以让单片机识别的TTL信号，这样大大简化了接收电路的复杂程度和电路的设计工作，方便使用。
在本系统中我们采用红外一体化接收头HS0038，该红外接收探头接收红外信号频率为38kHz，周期约26μs外观图如图2-9所示。
HS0038黑色环氧树脂封装，不受日光、荧光灯等光源干扰，内附磁屏蔽，功耗低，灵敏度高。
在用小功率发射管发射信号情况下，其接收距离可达35m。
它能与TTL、COMS电路兼容。
HS0038为直立侧面收光型。
它接收红外信号频率为38kHz,周期约26μs，同时能对信号进行放大、检波、整形，得到TTL电平的编码信号。
三个管脚分别是地、＋5V电源、解调信号输出端。
红外一体化接收头的测试可以利用图2-10所示的电路进行，在HS0038的电源端与信号输出端之间接上一只二极管及一只发光二极管后，再配上规定的工作电源（为＋5V），当手拿遥控器对着接收头按任意键时，发光二极管会闪烁，说明红外接收头和遥控器工作都正常；如果发光二极管不闪烁发光，说明红外接收头和遥控器至少有一个损坏。
只要确保遥控器工作正常，很容易判断红外接收头的优劣。
图2-9HS0038外观图
2.4.3光电避障传感器E18-D80NK
简介：
这是一种集发射与接收于一体的光电传感器。
检测距离可以根据要求进行调节。
该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。
数字量输出，不需要进行AD转换，可直接接单片机的IO口，通过后面的可调电位器调整距离（3-80CM有效）。
如图2-11所示。
电气特性：
U:
5VDC
I:
100mA
Sn:
3-80CM
尺寸：
直径:
17MM
传感器长度:
45MM
引线长度:
45CM
图2-11红外避障传感器E18-D80NK实物图与原理图
2.4.4发光二极管
发光二极管是一种直接能把电能转变为光能的半导体器件。
与其它发光器件相比，具有体积小、功耗低、发光均匀、稳定、响应速度快、寿命长和可靠性高等优点，被广泛应用于各种电子仪器、音响设备、计算机等作电流指示、音频指示和信息状态显示等。
a.发光原理
光二极管的管芯结构与普通二极管相似，由一个PN结构成。
当在发光二极管PN结上加正向电压时，空间电荷层变窄，载流子扩散运动大于漂移运动，致使P区的空穴注入N区，N区的电子注入P区。
当电子和空穴复合时会释放出能量并以发光的形式表现出来。
b.种类和符号
光二极管的种类很多，按发光材料来区分有磷化镓（GaP）发光二极管、磷砷化镓（GaAsP）发光二极管、砷铝镓（GaAIAs）发光二极管等；按发光颜色来分有发红光、黄光、绿光以及眼睛看不见的红外发光二极管等；若按功率来区别可分为小功率（HG400系列）、中功率（HG50系列）和大功率（HG52系列）发光二极管：
另外还有多色、变色发光二极管等等。
小功率的发光二极管正常工作电流在10～30mA范围内。
通常正向压降值在1.5～3V范围内。
发光二极管的反向耐压一般在6V左右。
发光二极管的伏安特性与整流二极管相似。
为了避免由于电源波动引起正向电流值超过最大允许工作电流而导致管子烧坏，通常应串联一个限流电阻来限制流过二极管的电流。
由于发光二极管最大允许工作电流随环境温度的升高而降低，因此，发光二极管不宜在高温环境中使用。
2.4.5红外发光二极管
外形
图2-12红外发光二极管实物图
常用的红外发光二极管如SE303.PH303），其外形和发光二极管LED相似，发出红外光。
管压降约1.4v，工作电流一般小于20mA。
为了适应不同的工作电压，回路中常常串有限流电阻。
发射红外线去控制相应的受控装置时，其控制的距离与发射功率成正比。
为了增加红外线的控制距离，红外发光二极管工作于脉冲状态，因为脉动光（调制光）的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比，只需尽量提高峰值Ip，就能增加红外光的发射距离。
提高Ip的方法，是减小脉冲占空比，即压缩脉冲的宽度T，一些彩电红外遥控器，其红外发光管的工作脉冲占空比约为1/3-1/4；一些电器产品红外遥控器，其占空比是1/10。
减小脉冲占空比还可使小功率红外发光二极管的发射距离大大增加。
常见的红外发光二极管，其功率分为小功率（1mW-10mW）、中功率（20mW-50mW）和大功率（50mW-100mW以上）三大类。
要使红外发光二极管产生调制光，只需在驱动管上加上一定频率的脉冲电压。
用红外发光二极管发射红外线去控制受控装置时，受控装置中均有相应的红外光一电转换元件，如红外接收二极管，光电三极管等。
实用中已有红外发射和接收配对的二级管。
2.5重要元器件的选择
2.5.1遥控解码方案的选择
为了实现系统整体功能，红外解码部分是核心，红外解码指将遥控发射器所产生的红外遥控编码脉冲所对应的键值翻译出来的过程。
下面将系统方案做一论证，通常有硬件解码和软件解码两种方案。
方案一：
此方案中，使用专用遥控器作为控制信号发出装置，当按下遥控器的设置键后，一体化红外接收装置接收到遥控器发出的设置控制信号，然后将信号送到专用的解码芯片中进行解码，解码后将信号送到单片机，由单片机查表判断这个信号是不是设置信号，当确认是设置信号后，启动设置子程序，那么以后接收到的红外信号就是
设置的时间信号了，红外接收头接收到红外信号后再通过放大器将信号传到解码器中，解码器解完码后送到单片机，单片机再通过查表确定这些数值并进行设置，然后按下确认键，红外接收头接收到这个信号并通过放大送到解码器中，解码后再送到单片机中，单片机通过查表确定这是确认操作后，可以通过可控硅控制电源通断。
。
方案二：
此方案中，我们采用普通的家用电器遥
控器作为控制信号发出装置，当按下遥控器的设置键后，红外接收装置接收到遥控器发出的红外线控制信号，然后把这个信号转换成电信号，传到单片机中，利用单片机对这个信号进行解码，
解码完成后查表确定是不是设置信号，当这个信号是设置信号后，启动设置子程序，那么以后接收到的红外信号就是设置的时间信号了，单片机再对这些信号进行解码，查表判断出数值是多少，然后设置，设置完时间后要进行确认，当遥控器发出确认信号后，单片机收到这个信号并查表判断这是确认信号后
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