精品遥控玩具车的控制系毕业论文论文.docx
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精品遥控玩具车的控制系毕业论文论文
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常州信息职业技术学院
学生毕业设计（论文）报告
系别：
电子与电气工程学院
专业：
电子信息工程技术
班号：
电子111
学生姓名：
马亮
设计（论文）题目：
遥控玩具车的控制系统设计
指导教师：
程立新
设计地点：
常州信息职业技术学院
起迄日期：
毕业设计（论文）任务书
专业电子信息工程技术班级电子111姓名马亮
一、课题名称：
遥控玩具车的控制系统设计
二、主要技术指标（或基本要求）：
[1]LED显示小车的加速、减速过程；
[2]键盘或遥控器控制小车的前进、后退、左转、右转、加速、减速；
[3]玩具车的远距离控制。
三、主要工作内容：
本设计主要完成玩具车控制系统硬件电路设计，遥控玩具车控制系统的硬件电路部分主要包括控制器、红外线通讯电路、电机驱动电路、键盘电路、LED显示电路等，采用双直流电机作为小车的驱动电机，L298N芯片同时驱动两台直流电机，PWM驱动方式进行调速，解决了驱动电流的的不可控性问题，同时使系统的控制电路简洁，且可靠性高。
单片机是整个遥控玩具车控制系统的核心，控制所有模块。
四、主要参考文献：
[1]吴青萍.电子技术与项目训练Ⅰ.中国人民大学出版社.2011
[2]张涛，王永成.Protel99SE原理图与PCB设计教程（第3版）.电子工业出版社.2011
[3]赵建领.51系列单片机开发宝典.电子工业出版社.2007
[4]元增民，张文希.单片机与应用原理基础.北京国防大学出版社.2006
[5]余锡存，曹国华.单片机原理及接口技术（第2版）.西安电子科技大学出版社.2007
学生（签名）年月日
指导教师（签名）年月日
教研室主任（签名）年月日
系主任（签名）年月日
毕业设计（论文）开题报告
设计（论文）题目
遥控玩具车的控制系统设计
一、选题的背景和意义：
近年来，科学技术迅猛发展，时代前进的步伐越来越快。
计算机控制与电子技术的融合为电子设备智能化开辟了广阔前景。
近年来，智能控制与操作水平不断提高，并迅速地改变了人们的生活方式。
智能化玩具车控制系统包括了计算机、控制技术、传感技术、机械和人工智能等多方面的知识，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。
通过开展智能化玩具车的制作活动，能够全面培养我们的动手能力、创造能力、团队合作能力和进取精神。
二、课题研究的主要内容：
本设计主要完成玩具车控制系统硬件电路设计，控制系统的硬件电路部分主要包括控制器、红外通讯电路、电机驱动电路、键盘电路、LED显示电路等，双直流电机作为小车的驱动电机。
本系统采用AT89C51单片机，它有着体积小、功效低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，是整个小车控制系统的核心，控制所有模块。
L298N芯片同时驱动两台直流电机，使系统的控制电路简洁，且可靠性高。
三、主要研究（设计）方法论述：
此次设计中，电机驱动利用软件产生不同占空比的PWM波来控制直流电机的转向和转速，采用L298N芯片同时驱动两个直流电机分别驱动小车的前轮和后轮，用PWM调速，使系统的控制电路简洁，且可靠性高。
设计中采用软件生成PWM驱动方式，解决了驱动电流的的不可控性问题。
通过软件编程控制小车实现左转、右转、前进、后退、加速、减速等功能。
同时LED显示器可显示小车加速和减速的过程。
最后通过Protel99SE进行原理图的绘制，以及PCB板的绘制。
四、设计（论文）进度安排：
时间（迄止日期）
工作内容
论文选题
了解论文的选题背景和意义
课题研究方案设计，调研、收集资料
进一步总结整理材料，进行分析归纳，形成论文提纲
撰写论文
对论文进行修改和检查
正式完成并提交毕业设计论文
五、指导教师意见：
指导教师签名：
年月日
六、系部意见：
系主任签名：
年月日
遥控玩具车的控制系统设计
目录
摘要
Abstract
第1章前言.............................................................................................................1
第2章遥控玩具车控制系统设计...........................................................................2
2.1控制方案选择...............................................2
2.1.1采用红外遥控控制......................................2
2.1.2采用车身自带按键控制..................................2
2.2控制系统设计................................................2
2.2.1控制系统硬件电路结构..............................2
2.2.2单片机的选择..........................................3
2.2.3时钟电路..............................................4
2.2.4复位电路..............................................4
2.2.5电源电路..............................................5
第3章电机驱动电路设计.........................................................................................7
3.1电机的选择..................................................7
3.2功率驱动电路的选择..........................................7
第4章硬件电路设计.............................................................................................10
4.1键盘电路设计...............................................10
4.1.1键盘工作原理........................................10
4.1.2键盘接口电路........................................10
4.2LED显示电路设计...........................................11
4.2.1LED显示器的结构与原理...............................11
4.2.2LED显示器接口电路...................................12
第5章通信电路设计.............................................................................................13
5.1RS232通讯电路设计.........................................13
5.2红外线通讯电路设计........................................13
5.2.1红外线通讯技术简介.................................13
5.2.2红外线发射和接收电路...............................14
第6章电路图设计...................................................................................................15
第7章结束语...........................................................................................................19
参考文献....................................................................................................................20
答谢词........................................................................................................................21
摘要
本设计主要完成遥控玩具车控制系统硬件电路设计，控制系统的硬件电路部分主要由控制器、红外通讯电路、电机驱动电路、键盘电路、LED显示电路、232通讯电路等组成，直流电机作为小车的驱动电机。
单片机是整个玩具车控制系统的核心，控制所有模块，本设计采用AT89C51单片机，它有着体积小、功效低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点。
采用L298N芯片同时驱动两台直流电机，使系统的控制电路简洁，且可靠性高。
该设计系统中采用脉冲宽度调制技术（PWM）实现对直流电动机的准确与灵活调速。
电机驱动利用软件产生不同占空比的PWM波来控制直流电机的转向和转速。
设计中采用软件生成PWM驱动方式，解决了驱动电流的的不可控性问题。
采用LED显示，其特点是亮度大，视觉效果好。
通过软件编程控制小车实现左转、右转、前进、后退、加速、减速等功能。
关键词：
遥控玩具车，51单片机，PWM调制
Abstract
Thedesigncompletedoftoycarcontrolsystem,andthecontrolsystemcircuit,motordrivecircuit,thekeyboardcircuitry,LEDdisplaycircuitand232communicationcircuit.DCmotorisselectedasthecardrivingmotor.SCMisthecoreofthecarcontrolsystemtocontrolallthemodules.ThisdesignusestheAT89C51microcontrollerandit,.UsingL298NchipdrivetwoDCmotorsatthesametimemakesthesystemcontrolcircuitmoresimplicityandofthesystemusespulsewidthmodulation（PWM）toachievetheaccuracyoftheDCmotorspeedandflexibility.TocontrolDCmotorsteeringandspeed,motordriveusesthesoftwaretogetdifferentdutycycleofthePWMwave.PWMdrivemode,themethodsolvethenon-controllableissuesofdrivecurrent.WithLEDdisplay,itischaracterizedbyachievecarturningleft,turningright,forward,backward,speedup,andslowdownthroughsoftwareprogramming.
Keywords：
Remotecontroltoycar,51MCU,PWMmodulation
第1章前言
智能化玩具车控制系统包括了计算机、控制技术、传感技术、机械和人工智能等多方面的知识，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。
它是一种以汽车电子为背景，涵盖多学科的科技创新性设计，通过开展智能化玩具车的制作活动，能够全面培养我们的动手能力、创造能力、团队合作能力和进取精神。
目前，玩具小车的控制方式主要有：
基于单片机的，基于光学传感器的，语音控制等。
本设计主要完成玩具车控制系统硬件电路设计，控制系统的硬件电路部分主要包括控制器、红外通讯电路、电机驱动电路、键盘电路、LED显示电路等，直流电机作为小车的驱动电机。
电机驱动利用软件产生不同占空比的PWM波来控制直流电机的转向和转速。
设计中采用软件生成PWM驱动方式，解决了驱动电流的的不可控性问题。
单片机是整个小车系统的核心，控制所有模块，本系统采用AT89C51单片机。
通过软件编程控制小车实现左转、右转、前进、后退、加速和减速等功能。
第2章遥控玩具车控制系统设计
2.1控制方案选择
2.1.1采用红外遥控控制
红外通讯技术利用红外线来传递数据，是无线通讯技术的一种，不需要实体连线，简单易用且实现成本较低，因而广泛应用于小型移动设备互换数据和电器设备的控制中。
红外通信是利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发。
它一般由红外发射和接收系统两部分组成。
发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，而接收系统用光学装置和红外探测器进行接收，就构成红外通信系统。
本次设计中，遥控玩具车带有红外遥控的接收装置，当红外发射器发射信号时，遥控玩具车接收信号，单片机对接收信号处理，实现玩具车的远距离控制，方便快捷，并准确的满足使用者的要求。
由于红外线的直射特性，红外通讯技术不适合传输障碍较多的地方，这种场合下一般选用无线电通讯技术或蓝牙技术。
红外通讯技术多数情况下传输距离短、传输速率不高，所以玩具小车可通过遥控器自身携带的一些按键，通过编程使玩具车完成加速、减速、转向、前进和后退等遥控任务，实现更加人性化的便捷操控。
红外通讯技术的特点如下：
1、它是目前在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持；
2、通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线数据收发；
3、主要用来取代点对点的线缆连接；
4、功能单一，扩展性差；
5、通讯距离短，通讯过程中不能移动，遇障碍物通讯中断。
2.1.2采用车身自带按键控制
键盘由六个独立按钮（S1、S2、S3、S4、S5、S6）组成，分别和单片机的P2口（P2.5、P2.4、P2.3、P2.2、P2.1、P2.0）相连。
它是单片机系统中最常用的输入设备，用户能通过键盘向计算机输入指令、地址和数据。
一般单片机系统中采用非编码键盘，非编码键盘是由软件来识别键盘上的闭合键，它具有结构简单，使用灵活等特点，因此被广泛应用于单片机系统。
这种控制方法不需用红外技术，控制方法简单，容易实现。
只需要在车身上佩带按键，按键以一定的电路与单片机相连，通过编程即可实现小车的左转、右转、前进、后退、加速和减速等功能。
2.2控制系统设计
2.2.1控制系统硬件电路结构
控制系统的作用是能根据设计程序控制小车按照我们事先设定的方式行驶，控制系统硬件设计框图如图2-1所示。
图2-1控制系统硬件设计框图
该控制系统以AT89C51单片机为核心，通过键盘或遥控器实现小车的左转、右转、前进、后退、加速、减速和车灯闪烁等功能。
232通讯电路是连接小车电路板和计算机的桥梁，通过它把程序下载到电路板上，通过程序控制小车的运动。
LED显示模块显示小车加速、减速的过程。
LED显示灯完成车灯闪烁功能，当小车左转时左车灯闪烁，当小车右转时右车灯闪烁。
电机驱动电路主要有直流电机驱动芯片L298N组成，通过编程对输入端输入高低电平的变化，来控制直流电机的正反转，从而实现小车前进、后退，左转、右转的功能。
2.2.2单片机的选择
AT89C51是低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取存储器（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（CPU）和Flash存储单元，功能强大。
引脚功能说明:
P3口：
P3口是一组带内部上拉电阻的8位双向IO口。
P3口输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口，作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。
P3口除了作为一般的IO口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2-1所示：
表2-1P3口的第二功能
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串行输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INT0（外中断0）
P3.3
INT1（外中断1）
P3.4
T0（定时计数器0外部输入）
P3.5
T1（定时计数器1外部输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
EAVpp：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接VCC端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
XTAL1：
振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
2.2.3时钟电路
AT89C5l中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就产生自激振荡。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图2-2。
图2-2时钟电路
外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。
对外接电容没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，电容使用5pF-30Pf。
2.2.4复位电路
单片机在启动时都需要复位，从而使CPU和系统各模块处于固定的初始状态，并从初态开始工作。
51系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片的触发器中，当系统处于正常的工作状态时，且振荡器稳定后如果RST引脚上有一个高电平持续两个振荡周期以上，则CPU就可以响应并将系统复位。
单片机复位方式常用的有两种：
第一种为手动按钮复位，第二种为上电复位。
本设计中采用的是第一种方式：
手动按钮复位。
1、手动按钮复位电路
手动按钮复位需要人为在复位输入端RST上加高电平（如图2-3所示）。
通常采用的方法是在RST端口和电源Vcc之间接一个开关按钮，当按下按钮时，Vcc的+5V电压直接加到RST复位端口，使系统复位。
图2-3手动按钮复位电路
2、上电复位
AT89C51的上电复位电路如图2-4所示，只要在RST复位输入端口接入一个电容至Vcc端，另接入一个电阻至GND端即可。
对于AT89C51型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，所以可将外部电阻去除，外接电容减小至1uF。
上电复位的工作过程是在上电时，复位电路通过电容加给RST端口一个短暂的高电平信号，该高电平信号随着Vcc对电容的充电过程逐渐降低，也即RST端的高电平的持续时间取决于电容的充电时间。
图2-4上电复位电路
为了保证系统可以准确的复位，RST端的高电平信号持续时间必须足够长。
上电时，Vcc的上升时间约为10ms，而振荡器的震荡时间取决于振荡频率。
晶振频率为10MHz，则起振时间为1ms；晶振频率为1MHz，则起振时间为10ms。
在上图的复位电路中当Vcc断电时，致使RST端电压迅速下降到0V以下，由于内部电路的限制作用，该负电压不会对器件造成损害。
此外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“1”状态。
如果单片机系统在上电时得不到有效的复位，那么程序计数器就得不到一个合适的初始值，因此CPU可能会从一个尚未被定义的位置开始执行程序。
2.2.5电源电路
如图2-5所示的直流稳压电源电路，输出为+5V的直流电压，该电路由整流二极管D1，滤波电容C1、C2，防自激电容C3和一只固定式三端稳压器（LM7805）构成的简易电源电路，发光二极管DS1显示电路的通断状态。
图2-5电源电路
此电路中将220V交流电经变压器转变为交流低压，在经过整流二极管D1的整流以及滤波电容C1的滤波后，在三端稳压器的Vin和GND两端口间形成一个并不十分稳定的直流电压。
该直流电压经过LM7805的稳压和C2的滤波，在稳压电源的输出端输出一个精确度高，稳定度好的直流电压，该稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。
三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其稳压精度高、外围电路简单、容易设计和制作、体积小、重量轻、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。
第3章电机驱动电路
3.1电机的选择
电机是将电能转换成机械能的一种机器。
它是驱动小车运动必不可少的一种器件。
直流电机的结构包括定子和转子两部分，定子和转子之间有空气隙分开。
定子的作用是产生主磁场和在机械上支撑电机，它的组成部分有主磁极、换向极机座、端盖和轴承等，电刷也用电刷座固定在定子上。
转子的作用是产生感应电势或产生机械转矩以实现能量的转换，它的组成部分有电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴、风扇等。
直流电动机虽不及交流电动机结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠，但由于长期以来交流电动机的调速问题未能得到满意的解决，在此之前，直流电动机具有交流电动机所不能比拟的良好的启动性能和调速性能。
到目前为止，虽然交流电动机的调速问题已将解决，但是在速度调节要求较高，正、反转和启、制动频繁或多单元同步协调运转的生产机械上，仍采用直流电动机拖动。
直流电机的调速采用调压调速。
改变电枢电压可以对直流电动机进行速度控制，调压的方法很多，其中应用最广泛的
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