微机原理与接口技术实验综合实验实验报告.docx

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微机原理与接口技术实验综合实验实验报告

微机原理与接口技术实验

《简单手势无线遥控小车》实验报告

通信科学与工程

于广溪

11300720070

1.总体概况与说明

1.1选题概况与说明

1.2遥控部分概况与说明

1.3机动部分概况与说明

2.机械部分分析实现

3.硬件系统设计实现

3.1电源设计实现

3.1.1标准电源来源与稳压

3.1.1.1电源的电压和电流要求

3.1.1.2电源的纹波要求

3.1.1.3防止电源判定空载关机的方法

3.1.2电源升压

3.1.3电源降压

3.2单片机最小系统版设计实现

3.3红外光电开关部分设计实现

3.4减速直流电机驱动设计实现

3.5STC单片机USB-串口下载调试实现

3.6无线模块分析实现

3.7系统总电路图

4.软件系统设计实现

4.1遥控部分软件系统设计实现

4.1.1ST188时序检测方法

4.1.2nRF24L01+驱动程序说明

4.1.3遥控部分所有代码文件

4.1.3.1主文件yaokong.c:

4.1.3.2nRF24L01+驱动程序nRF24L01.c

4.1.3.3延时文件delay.c

4.1.3.452单片机寄存器头文件reg52.h

4.1.3.5所有头文件的头文件allhead.h

4.1.3.6变量声明重定义vartypeabbreviation.h

4.1.3.7电机控制命令定义motorcommand.h

4.1.3.8延时头文件delay.h

4.1.3.9nRF24L01+驱动程序头文件nRF24L01.h

4.2机动部分软件系统设计实现

4.2.1直流减速电机的驱动方式说明

4.2.2机动部分所有代码文件

5.总结

1.总体概况说明

1.1选题概况与说明：

本次微机原理与接口技术实验（综合）实验，我选择的题目是一个可以通过手势动作无线控制的小车。

希望实现的是在遥控端通过产生简单的5种手势动作来控制小车的运动状态和方向。

简单来说就是通过手的向前滑动，向后滑动，向左滑动，向右滑动以及在特定区域滑动实现小车的前后左右以及停止5种动作。

整个系统总体上分成遥控部分和机动部分两个部分。

遥控部分识别动作，通过无线发送命令；机动部分通过无线接受命令，解析命令，根据命令控制小车的机动状态。

1.2遥控部分概况与说明

遥控部分采用自建电路与模块电路相结合的方式实现。

自建电路在面包板上完成。

这样选择的原因是如果全部系统都采用自建电路的方式完成不仅时间上来不及（距实验材料基本准备好到需要验收成果只有1周时间）而且成本上也比较高（模块电路的价格往往低于芯片价格或者只高出1~2元）。

综合考虑时间与成本我选择部分采用自建电路，部分采用模块电路的方式。

之所以选择在面包板上实现自建电路是因为通信工程专业并不特别强调实际使用的电子知识背景。

因此我们从未接触过PCB布线与制版相关内容。

另外，如果采用“洞洞板”实现自建电路则需要花费的时间将超过实验截止日期的要求。

所以最后我选择在面包板上实现自建电路。

最后的实物图如下：

1.3机动部分概况与说明：

机动部分同样采用自建电路与模块电路相结合的方式。

自建电路同样在面包板上实现，原因已在1.2部分说明。

此部分相比1.2的遥控部分需要说明的地方是多出了机械部分。

机动部分除了电子系统逻辑控制任务外还需要承担机动任务。

由于希望实现的是一个可以受到控制的可运动小车，所以小车的机械结构是必不可少的。

如果有充足的工具的话小车的车体可以使用废旧光盘，硬板甚至PCB板等实现，网络上也有相关的资料。

现在由于缺少工具，诸如螺丝，马达等实现小车机械机构必须的材料也没有，所以我选择购买两块亚克力材料的透明板，两个橡胶轮子，两个减速马达以完成小车主体机械结构。

最后的实物图如下：

小车总体情况俯视图

2．机械部分分析与实现

本实验中，机械部分特指机动部分的小车车体和其他部件。

在遥控部分并不存在机械部分。

小车车体由2块亚克力透明板，2个减速马达和2个轮子组成。

这些材料都一起购买的，所以只需要按照说明书拼装好，用螺丝刀拧紧螺丝加固即可。

机动部分的其他控制系统，包括电源在内要妥善固定在小车车体上，并加固防止运动中的碰撞造成控制系统损坏。

小车车体共有两层，为了降低小车重心应该把所有部件中最重的部分，即小米移动电源放置在底层。

由于面包板大小问题所以只能单独占用一层，所以电源如果放置在底层则面包板只能放置在顶层，这样单片机最小系统板和其他部件只能放置在和电源相同的底层，如此一来在给单片机写入程序时或者将非常不便。

而且由于减速马达距离顶层板较远，直流电机与面包板的连接也将不便。

考虑到设计小车只响应5个命令改变运动状态（主要是方向）而不存在对小车速度的控制，因此对小车的速度在设计时有所限定。

总之，小车不需要因为速度问题而必须考虑重心的降低。

这样就可以把面包板放置在小车底层而把小米移动电源，单片机系统，以及其他无法放置在底层的部件放置在小车顶层。

由于小车共有三个轮子，其中前轮是一个万向轮，后轮是2个受减速马达控制的橡胶轮所以把重约250g的小米电源放置在稍靠小车前部的地方，减轻后轮运动时的阻力，减轻电机工作时的电流。

电源的USB放电用插孔空出，以便取电。

其他部件的摆放注意错开板上的孔，方便板间线路连接。

最后完成后用透明胶带和绝缘胶带固定好。

需要注意的是轮子安装时不可插入太紧，以免和小车底板摩擦增加阻力。

导线裸露的部分要进行绝缘。

顶层实际的摆放情况，固定和绝缘情况

底层情况

3.硬件系统设计实现

3.1电源设计实现

3.1.1标准电源来源与稳压

3.1.1.1电源的电压和电流要求

对于一个实际的电子系统来说，最重要的问题之一就是电源问题。

对于本次实验来说，电源也毫无意外的是最先需要考虑的问题。

关于智能小车的制作网络上的资料汗牛充栋，使用的电源方案最多的就是所谓UltraFire（神火）18650锂电池了。

然而由于此电池在售品鱼龙混杂，很难分辨所以我在实验中没有采用其作为电源。

事实上由于我自己手机和平板使用的小米移动电源正好有两个所以在实验构思之处我就希望使用手里的这两个小米电源作为实验电路供电电源。

确认小米说明书后发现，小米移动电源（10400mah）输出电压5.1v，输出电流可达2A。

查找网络上其他人曾对该电源做的评测获得了小米移动电源的放电曲线，该放电曲线非常平稳，说明电源质量较高。

曲线如下：

我也用万用表测量了该电源在满电量和剩余25%电量时的电压，发现输出都是5.0X伏特。

综上，可以确认小米移动电压可以输出比较稳定的5v电压，最高输出的电流可以达到2A。

现在需要确认的是电路系统需要的总电流是否在2A范围内，5V的电压又是否满足供电要求。

STC89C52RC说明如下：

STC89C52RC单片机的器件手册上并没有提供正规的电气特性说明，但是从其规格书中浮夸的广告宣传部分发现其支持的电压从5.5-3.8v，因此电压符合要求。

从其他类似型号STC90C51RC的规格书中找到的电气特性说明中给出的电压供电范围和89C52广告一致，而其消耗电流最大在20mA。

无线模块nRF24L01+的说明如下

其发射或接受模式下最大消耗电流不超过14mA，其他模式下消耗电流更是远低于1mA。

手册中建议供电3.3V，因此使用小米移动电源需要进行降压。

ST188红外光电开关（对管）说明：

由数据表可知每个光电开关ST188的发射管电流极限值不超过50mA，实际使用时多设定在20mA，三个ST188总电流不超过60mA。

电机驱动芯片LG9110的说明如下：

可知其静态工作电流和操作电流都很低，在计算系统需要电流总和时基本可以忽略。

由于该器件使用时会存在1.3v左右的压降，所以输入到本芯片的电压需要升高。

电压比较器LM339的说明如下：

可知其消耗电流2mA，也基本可以忽略。

电压变换模块：

由于电压变换电路都是模块电路，没有详细的datasheet，但是这些模块不过就是变换芯片手册给出的参考电路的调整修改，所以基本性质相同。

使用的电压变换模块，其效率都在90%以上，根据输出电流情况来看其消耗电流也比较小，大概在1~140mA（电机起转瞬间）。

减速电机：

查看购买小车的说明（1:

120低速电机）发现该电机额定电压6V，因此需要升压。

关于其电流信息商家给出的较混乱，不过负载时电流不超过200mA是询问下得到的可靠值。

由此可知小车工作时需要的电流是400mA（前进或后退是两个电机同时工作）。

空载电流在100mA左右所以两个马达同时启动的瞬间可能达到的电流在200*7倍=1.4A左右。

其他部分的电路需要电路一般都在10mA的量级，所以总和比较小，因此现在基本可以确定小米电源的电流能满足系统要求。

通过把两个电机直接接到小米电源上发现电机可以转动，这样对小米电源能胜任系统供电工作有了更多的信心。

综合上面的情况来看，遥控部分使用的单片机，光电开关，比较器，降压模块，无线模块总共消耗电流不过80mA左右，小米电源完全满足要求。

机动部分使用的单片机，升压模块，降压模块，无线模块，减速电机，电机驱动模块总共消耗电流峰值不超过1.6A。

系统各部分需要的电压从3.3V~6V不等，主要使用5V供电，而小米电源输出的5V电压无论降压到3.3V还是升高到6V都比较方便，便宜，高效率。

因此最终判定小米电源满足为整个实验系统供电的电源条件，可以选用。

3.1.1.2电源的纹波要求

对于单片机，nRF24L01+这样的芯片来说对电源的输出纹波有一定要求，尤其是nRF24LL01+这样的高速无线发射芯片对电源的质量要求更高。

一般单片机对纹波的要求在几十mv左右，所以对单片机直接供电显得可能有点不谨慎，但是也可以保证使用基本没有问题。

由于时间有限，期末任务重暂且先直接使用而不进行5V稳压，实验结果表明这样的处理完全没有问题可以保证STC89C52RC的正常工作。

网络上对小米移动电源（10400mah）的测评中对输出纹波情况的结果不尽相同，比较差的低频纹波在165mv左右，比较好的低频纹波在65mv左右。

nRF24L01+芯片是焊接在PCB板上的，此模块进行了滤波处理所以应该也能满足该无线模块的使用。

另外由于供给nRF24L01+模块的电压是使用LM2596降压模块进行降压的，对纹波存在抑制。

该模块由专业的工程师设计商用所以虽然拿不到模块详细的说明手册但是从其外观可以大致看出其设计基本和LM2596的手册中给出的参考电路相似。

查找相似的资料，使用LM2596的该类模块一般输出纹波在mv级。

当然，实际情况还需要实际结果的证明。

在我的实验中单片机和无线模块都工作正常，小米移动电压完成了供电要求。

最后需要单独提一下小米电源驱动减速电机时的稳压情况。

由于减速电机的内阻很小，经过我的测量大概是10ohm，当使用电源驱动电机时可能会拉低电源电压造成无法使用。

但是小米电源内部使用TIBQ24195电源管理芯片，对稳压的控制比较好，经过实际测量。

当使用电源直接连接两个减速电机转动时电源输出电压仍能够维持5V水平，所以这个问题不需要自己解决了。

3.1.1.3防止电源判定空载关机的方法

由于小米移动电源本来供数码设备充电使用，所以对输出状态存在检测。

当输出电流小于一定值就会判定电源处于空载状态而自动关闭。

一般这个值是几十ma，而考虑到遥控和机动部分在大部分状态下都处于低功耗状态消耗电流极少会引起移动电源自动关机所以有必要对此进行一些处理。

其中经过查阅资料发现如果想取消空载检测功能需要拆开电源后复杂处理，对于本实验来说这种精力的花费是不值得的。

因此选择最简单的解决办法：

为遥控部分和机动部分增加一个用来防止电源自动关机