智能车控制系统.docx
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智能车控制系统
智能车控制系统
摘要...............
关键词..............
ABSTRACT
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KeyWords:
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1绪论
1.1课题的研究背景
随着通信技术的飞速发展和计算机技术的广泛应用，数据采集和数据传输技术也得到了很好的发展，应用领域也越来越广泛。
目前工业控制现场、工程、生产车间等部门以有线网络居多，但存在布线复杂的缺点，不仅如此还存在对信息实时性能要求较高条件恶劣这样的环境，在这样的环境下作业不仅危险而且效率不高。
1.2智能车的发展状况
智能车是机器人学中的一类，它整合了自动控制、人工智能、机械工程、信息融合、传感器技术、图像处理技术以及计算机等多门学科的最新研究成果，是当前科技发展最为活跃的领域之一。
智能车辆的研究可以追溯到1954年美国BarretElectronics公司研制的世界上第一台自动引导车辆系统AGVS（AutomatedGuidedVehicleSystem），并在SouthCarolina州的MercuryMotorFreight公司的仓库内投入运营，用于实现物品的自动运输。
1.3课题研究内容
本文设计的配备机械手的智能车系统使用实时控制的功能，由人在电脑端发出控制命令，通过串口和单片机实现命令传输，单片机将命令编码后传给发射模块，发射模块采用FSK方式调制在433MHz民用频段，能实现较远距离通信，收端模块解调出信号，送单片机解码后输出控制指令，控制智能车小车的运动和机械手的动作，真正实现了人机互动的功能。
本课题的基本任务如下：
熟悉设计题目涉及的相关知识；
设计系统电源模块电路，电机驱动电路；
设计系统无线传输模块电路，LED指示灯电路；
设计串口通信电路；
提供与设计相关的附录。
该系统真正摆脱了接线的束缚，移动性更强，更方便易用。
该系统的上位机可视化界面是由VB语言编写，下位机由单片机控制系统，智能车和机械手的电机驱动模块，无线数据传输模块以及LED指示灯模块组成。
连接好串口线和无线发送模块，然后打开智能车电源，通过上位机发送命令来控制智能车的运动状态和机械手的开合升降，从而使其方便有效地为我们服务。
2系统模块组成
系统采用模块化处理，包括中央处理系统，电机驱动系统，无线传输系统以及PC上位机控制软件。
系统各部分联系结构框图如图2.1和2.2所示：
图2.1下位机模块组成
图2.2上位机模块组成
3电路设计
3.1单片机模块设计
单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
常用单片机芯片：
ATMEL单片机（51单片机）：
ATMEl公司的8位单片机有AT89、AT90两个系列,AT89系列是8位Flash单片机,与8051系列单片机相兼容,静态时钟模式;AT90系列单片机是增强RISC结构、全静态工作方式、内载在线可编程Flash的单片机,也叫AVR单片机。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
由于AT89S52需要专门下载器，所以我们选择STC89C52。
②STC单片机：
STC公司的单片机主要是基于8051内核,是新一代增强型单片机,指令代码完全兼容传统8051,速度快8~12倍,带ADC,4路PWM,双串口,有全球唯一ID号,加密性好，抗干扰强。
本系统采用宏晶公司生产的STC89C52RC单片机作为主控芯片。
它具有加密性强，低功耗，价格实惠，高速可靠，抗干扰性能优良等特点，而且还可以直接通过ISP下载程序。
选用STC89C52单片机的理由是：
降低成本，提升性能，原有程序直接使用,硬件无需改动。
STC89C52单片机具有在系统可编程（ISP）特性，ISP的好处是：
省去购买通用编程器，单片机在用户系统上即可下载/烧录用户程序，而无须将单片机从已生产好的产品上拆下，再用通用编程器将程序代码烧录进单片机内部。
有些程序尚未定型的产品可以一边生产，一边完善，加快了产品进入市场的速度，减小了新产品由于软件缺陷带来的风险。
由于可以将程序直接下载进单片机看运行结果故也可以不用仿真器。
STC89C52单片机在销售给用户之前已在单片机内部固化有ISP系统引导程序，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，故无须编程器（速度比通用编程器快）。
不要用通用编程器编程，否则有可能将单片机内部已固化的ISP系统引导程序擦除，造成无法使用STC提供的ISP软件下载用户的程序代码。
STC89C52单片机的内部RAM只有128（89C51）/256（89C52）可供使用。
低128字节的内部RAM（地址:
00H-7FH）,可直接寻址或间接寻址,（data/idata）；高128字节的内部RAM（地址:
80H-FFH）,只能间接寻址（普通89C51没有）,（idata）；特殊功能寄存器SFR（地址:
80H-FFH）,只能直接寻址,（data）。
特殊功能寄存器SFR和高128字节的内部RAM是通过寻址方式来区分的,STC89C52单片机扩展了256个字节RAM。
STC89C52单片机管脚图如图3.1：
图3.1STC89C52RC管脚图
使系统运行的单片机最小系统包括:
电源，时钟震荡电路，复位电路，如图3.2所示即为单片机最小系统电路图。
图3.2最小系统电路图
3.2电源模块设计
电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的78××系列和负电压输出的79××系列。
顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。
它的样子象是普通的三极管，TO-220的标准封装，也有9013样子的TO-92封装。
用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。
该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如7806表示输出电压为正6V，7909表示输出电压为负9V。
因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。
所以本系统电源我们采用7.2V飞思卡尔大容量锂电池，经L7805三端稳压器得到+5V电压给单片机系统供电，但是电机驱动模块和单片机系统一定共地，否则系统不能正常工作，电源模块电路设计如图3.3所示。
图3.3电源模块电路
3.3串口无线模块设计
CC1000是Chipcon公司推出的单片可编程RF收发芯片，它基于Chipcon'sSmartRF技术，可工作在ISM频段（300～1000MHz）。
CC1000集成了射频发射、射频接收、PLL合成、FSK调制解调、可编程控制等多种功能。
CC1000采用锁相环技术，发射频率是通过内部的频率合成器来配置的，可配置的范围为300～1000MHz，适合应用跳频协议，一般可配出10或20个频点，该芯片灵敏度为－109dBm，并可自动校准，可编程输出功率为－20dBm～+10dBm，通信速率可达78.6Kbps。
CC1000的主要工作参数可由一个串行接口编程设定，使用非常方便并且具有灵活性。
CC1000芯片的外围元件较少，且对精度要求不高，并提供三种编码方式与微控制器接口。
所以CC1000与一个微控制器和少数几个外接元件便可组成一个完整的RF收发系统。
图3.4CC1000应用电路
图3.4所示是CC1000的一个典型的应用电路，调节元器件C1-C13、L1-L3、R1的参数值可使CC1000工作在不同工作频率（300～1000MHz）。
微控制器可以通过CC1000的串行接口（PDATA、PAlE和PCLK）对CC1000进行设置，通过CC1000的DIO完成数据的接收和发送。
该系统我们使用的是基于CC1000的串口无线通信模块。
3.3.1无线模块简介
该无线数传模块是一款低成本，高性能的GFSK无线透明数据收发模块。
可工作在315/433/490/868/915MHzISM频段（国家开放免申请频段）。
具有尺寸小，功率大，灵敏度高，传输距离远，通讯数率高，内部自动完成通讯协议转换和数据收发控制等特点。
模块提供TTL或232串行数据接口，用户可通过上位机软件根据自己的需求灵活配置摸块的串行速率，工作信道，发射功率，通讯数率等参数。
该系列模块可广泛应用于各类无线数据传输领域，是设计无线数据传输产品的理想选择。
（注：
透明传输就是不改变客户的任何数据和协议）
无线模块特点：
低成本，高性能，高可靠性
GFSK调制方式,半双工通讯，空中收/发转换，网络连接，控制等操作，模块能够自动完成
433/490/868/915MHzISM频段，使用无须申请频段
最大输出功率100mW（20dBm），输出功率可在1-20dBm范围内调整
接收灵敏度高达-124dBm
接收工作电流35mA（可定做为30mA）,休眠电流<10uA。
（要求定制TTL）
标准配置提供8个信道，满足用户多种通信组合方式的需求，用户可通过软件配置
通讯协议转换及射频收发切换自动完成，用户无须干预，简单易用
通讯速率1.2kbps-115.2kbps，用户可通过软件配置
传输距离远，开阔地无干扰情况下可达1.5Km以上
无线模块应用范围：
无线排队设备
防盗报警，智能卡
医疗和电子仪器仪表自动化控制
智能教学设备
家庭电器和灯光智能控制
婴儿监护
水、电、煤气，暖气自动抄表收费系统
PDA终端
无线会议表决、打分系统
工业设备数据无线传输
通讯接口定义：
无线数传模块提供了1个9针的连接器（JP1）其定义基于终端的连接方式见表1。
表1
序号
定义
说明
电平
备注
1
GND
电源地
电源地
2
VCC
电源DC
＋3.6～5.0V
3
RxD/TTL
串行数据接收端
TTL
TxD
4
TxD/TTL
串行数据发射端
TTL
Rxd
5
SGND
信号地
信号地
6
A（TxD）
RS-485的A口或RS-232的TxD
7
B（RxD）
B（RxD）RS-485的B口或RS-232的RxD
8
无定义
9
无定义
接口定义中管脚3,4用于TTL电平数据收发，可与单片机或其它UART器件直接连接使用，6、7脚提供RS-232通讯接口，可与计算机串口直接相连。
通过跳线选择也可用于RS-485方式通讯，能直接连接RS-485设备。
该串口
无线模块的技术参数如表2所示。
表2技术参数
调制方式
FSK
工作频率
429.00～433.30MHz
发射功率
10dBm
接收灵敏度
-105dBm
发射电流
≤30mA
接收电流
≤10mA
接口速率
1200/2400/4800/9600/19200Bit/s用户可选
接口数据格式
8E1/8N1
工作电压
+3.6～5VDC
工作温度
-25℃~70℃
工作湿度
10%~90%相对湿度，无冷凝
外形尺寸
53mm×38mm×10mm
3.3.2模块的典型应用电路
通常串口无线模块和的发送端TXD和微处理器的接收端RXD，无线模块的接收端RXD和微处理器的发送端TXD相连接。
电脑通过串口线经MAX232电平转换后与微处理器进行正常通信，典型应用电路如图3.3.2所示。
图3.3.2典型应用电路
3.4直流电机驱动模块设计
对于智能小车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。
由于该系统中智能车运动不需要准确定位和精确测量，所以没必要选择步进电机。
我采用直流减速电机。
直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。
由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力，价格比步进电机要便宜好多。
电机驱动芯片采用恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N。
L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。
可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。
L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。
L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4.5～7V电压。
4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2.5～46V。
输出电流可达2.5A，可驱动电感性负载。
1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。
L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一组电动机。
5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。
EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转，而且还支持PWM多级调速。
表3电机转动状态编码
左电机
右电机
左电机
右电机
电动车运行状态
1IN1
1IN2
2IN1
2IN2
1
0
1
0
正转
正转
前行
1
0
0
1
正转
反转
左转
1
0
0
0
正转
停
以左电机为中心原地左转
0
1
1
0
反转
正转
右转
0
0
1
0
停
正转
以右电机为中心原地右转
0
1
0
1
反转
反转
后退
1
1
1
1
杀停
杀停
立刻停止
由表3电机转动状态编码可知，只要设定两块L2981IN1,1IN2,2IN1,2IN2四个控制端口的不同编码，就可得到电动车的前进，后退，旋转以及机械手的开，合，升，降等不同的运行状态，且L298的最大输出电流为2.2A，可使电动车快速运行。
图3.4.1和图3.4.2为电机驱动L298N的电路图。
图3.4.1
图3.4.2
3.5指示灯模块
目前电路系统状态指示灯通常采用发光二极管（LED），LED是一种能够将电能转化为可见光的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。
据分析，LED的特点非常明显，寿命长、光效高、无辐射与低功耗，LED的光谱几乎全部集中于可见光频段。
LED的内在特征决定了它具有很多优点，诸如：
体积小
LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常小，非常轻。
耗电量低
LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦），电光功率转换接近100%。
一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A；这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能80%以上。
使用寿命长
有人称LED光源为长寿灯。
它为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。
高亮度、低热量
LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。
环保
LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。
光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。
坚固耐用
LED被完全封装在环氧树脂里面，比灯泡和荧光灯管都坚固。
灯体内也没有松动的部分，使得LED不易损。
本系统我们采用2颗红绿LED经限流电阻后直接用I/O驱动，用来指示系统的运行情况，简单方便，电路设计如图3.5所示。
图3.5电路设计
3.6电脑与单片机串口通信电路
串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议。
大多数计算机包含两个基于RS232的串口。
串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议，很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。
同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。
RS-232（ANSI/EIA-232标准）是IBM-PC及其兼容机上的串行连接标准。
可用于许多用途，比如连接鼠标、打印机或者Modem，同时也可以接工业仪器仪表。
用于驱动和连线的改进，实际应用中RS-232的传输长度或者速度常常超过标准的值。
RS-232只限于PC串口和设备间点对点的通信，RS-232串口通信最远距离是50英尺。
RS232-C接口连接器一般使用型号为DB-9的9芯插头座，只需3条接口线，即"发送数据"、"接收数据"和"信号地"即可传输数据，在RS232的规范中，电压值在+3V~+15V（一般使用+6V）称为"0"或"ON"。
电压在-3V~-15V（一般使用-6V）称为"1"或"OFF"，计算机上的RS232"高电位"约为9V，而"低电位"则约为-9V。
RS232为全双工工作模式，其信号的电压是参考地线而得到的，可以同时进行数据的传送和接收。
在实际应用中采用RS232接口，信号的传输距离可以达到15m。
不过RS232只具有单站功能，即一对一通信。
图3.6串口通信电路
MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片,使用+5V单电源供电。
TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头，DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出，电脑与单片机串口通信电路如图3.6所示。
4软件设计
本智能车控制系统程序结构包括两部分，上位机和下位机流程图。
本系统中上位机控制软件我们使用VB语言编写，VB是程序设计人员在Windows环境下最常用的开发串口通信程序的编程语言。
利用VB开发串口通信程序主要有两种方法：
一是使用MSComm串口控件，二是调用WindowsAPI函数。
在实践中，使用VB串口控件MSComm实现通信的方法比调用API函数的方法更加方便、快捷，而且用较少的代码可以实现相同的功能，从而使编程效率大大提高，所以我们优先选用VB串口控件MSComm实现通信的方法。
下位机硬件系统中，C程序是在keil4环境下编译和调试的，然后利用STC单片机专用下载软件将.HEX文件植入STC89C52RC中，以实现微处理器对硬件系统的有效控制。
4.1下位机接收端设计
下位机部分由单片机控制系统，智能车，机械手，无线模块接收端等组成，单片机一直在检测端口是否收到数据，当检测到有数据收到时候，会对收到的数据进行有效的解码，然后根据不同的码值输出相应的控制信号，从而控制智能车以及机械手的相关动作。
下位机接收端流程如图4.1所示。
图4.1下位机接收端流程图
4.2上位机发射端设计
上位机部分由计算机，可视化控制软件，串口数据线，无线模块发送端组成，根据可视化软件的命令进行编码，然后将数据通过串口无线模块发送给下位机，直到数据发送结束。
上位机接收端流程如图4.2所示。
图4.2上位机接收端流程图
5结论
经过几个月的努力，终于按照毕业设计的进度要求完成了软硬件设计及制作任务。
在此过程中虽然碰到了不少的困难，但是在老师和同学的帮助下，终于顺利的克服了困难，完成了任务，从而也学到了不少知识。
该智能车还存在的问题如下：
1、由于条件的限制，没有能够完全的实现智能车的全部功能，只能够实现基本的无线控制的功能，在远距离的情况下很难实现预定要求的功能。
如果能够采用摄像头采集小车的前方数据，然后通过无线模块反馈到上位机界面，就能够大大的增加智能车的功能，但是由于知识水平的限制未能够按照设计的思想采用摄像头来采集道路前方的信息。
2、电路的设计还不是十分的完善，在正常的情况下，无线传输的通信情况应考虑到外界的信号的干扰，信息的提取滤波等等情况。
3、只能实现基本的功能，如何实现各个功能的更加人性化、更加的方便实用等问题还未解。
4、扩充的功能还待增加，如脱离电脑用手机直接来控制，能够在电脑上显示当前智能车的位置坐标、速度、加速度等。
5、智能车的速度还亟待解决，因为速度直接限制着它的运行效率。
6、该系统的功耗较大，为了更加节能环保，需要采用低功耗的芯片，继续优化系统电路。
总体来说，该项目巧妙的将多媒体信息采集，无线传输，无线控制融合在一起，形成了一套完美的系统，该系统可以方便可靠的运作于短距离的货物搬运，管道探测，排除障碍，煤矿等危险灾害现场搜救等领域。
硬件机械部分设计并不复杂，但功能很强大，各模块分工合作，连接融洽，提高了整机的灵活性。
软件部分采用VB可视编程，操作界面友好简单方便。
整个系统达到设计要求和实用要求，具有很重要的现实意义。
答谢
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