基于单片机的车模无线运动控制系统设计与实现67毕业设计论文.docx

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基于单片机的车模无线运动控制系统设计与实现67毕业设计论文

摘要

今天我们已经进入了一个无线技术无所不在的时代。

在家中，使用便利的无线电话；出门在外使用手机与远方的亲人通话、发短消息；开车，GPS系统为我们导航指路；工作，使用无线网卡可以随时随地地进行网上办公等等。

随着技术的进步，无线通信和无线网络将迅速地向我们日常生活中的各个方面扩展，不久的将来我们大部分的电子产品都将是无线并可随时在线的，一个无线社会很快就将成为现实，并将深刻改变人们的生活方式。

智能小车，也就是轮式机器人，最适合在那些人类无法工作的环境中工作，该技术可以应用于无人驾驶机动车，无人生产线，仓库，服务机器人，航空航天等领域。

作为20世纪自动化领域的重大成就，机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。

因此为了实现对智能小车的精确控制，进一步研究及完善其速度和方向的控制是非常有必要的。

本论文提出了一种基于AVR单片机的车模无线运动控制系统设计的总体方案和实现方法。

系统采用高速度低功效单片机ATmega8L和ATmega16L作为主控制芯片，315M无线收发模块。

车模采用四轮式结构，利用L298N实现电机差分驱动，并结合控制算法以及直流电机PWM调速实现方向、速度的快速调整。

本系统集霍尔传感器、无线通信、USB转串口通信、上位机控制于一体，可以很方便地实现上位机对车模无线运动的控制。

关键词AVR单片机；无线通信；PWM调速；车模

Abstract

Todaywehaveenteredintoalleraofubiquitouswirelesstechnology.Thewirelessphones,mobilephones,GPSnavigationsystemandwirelessnetworkcardcanbeavailableandconvenientforpeopletouseanytimeandanywhere.Withtheadvancementoftechnology,wirelesscommunicationsandwirelessnetworkswillquicklyaffectallaspectsofourdailylife.Andmostoftheelectronicproductswillbewirelessandonlineatanytimeinthenearfuture.Asocietywithwirelesstechnologywillbearealitysoonandwillchangethelifestyleofpeopleprofoundly.

Intelligentvehicle,alsoiscalledaswheeledrobot,mostsuitsintheenvironmentwhichthesehumanbeingsareunabletowork,thetechnologycanbeappliedtounmannedvehicles,unmannedproductionlines,warehouses,servicerobots,aerospaceandotherfields.Asthemajorachievementsinthefieldofautomationofthe20thcentury,roboticsandhumansocietyhasbeeninseparableinproductionanddailylife.Therefore,inordertoachieveaccuracycontroloftheintelligentvehicleandimproveitsspeedanddirectioncontrolisverynecessary.

ThispaperproposestheoveralldesignplanandtherealizationmethodofonekindofcarmodelwirelessmotioncontrolbasedontheAVRsingle-chip.Thesystemuseshigh-speedandlow-powerATmega8LandATmegal6Lasthemainchip,315Maswirelesstransceivermodules.Carmodelusesthreewheels.TakingadvantageofL298NachievedifferenceoperatorandcombiningwithalgorithmandDCmachinesofPWMspeedcontrolachievethedirectionandspeedofrapidadjustment.Thesystemsetshallsensors,wirelesscommunications,usbtoserialcommunicationsanduppercomputercontrolinone,thusmakingiteasytoachieveuppermonitormotioncontrolofvehiclemodel.

KeywordsAVRsingle-chipwirelesscorrespondencePWMspeedcontrolvehiclemodel

第1章绪论

智能车（IntelligentVehicle）又称轮式机器人（WheelMobileRobot），俗称无人驾驶汽车（AutonomousVehicle）。

它是一个集环境感知、规划决策、自动驾驶等多种功能与一体的综合控制系统。

智能车是移动机器人的一种，本章将介绍与智能赛车相关的移动机器人和智能汽车的发展现状及目的和意义。

1.1课题研究的目的和意义

随着当代计算机技术、控制理论、能源技术等的快速发展，机器人技术在短短的几十年间发生了同新月异的变化。

机器人作为人类20世纪最伟大的发明之一，其技术的发展代表着人类技术发展的最前沿，并将对人类社会的生产和生活带来深远的影响。

目前，高级形态的智能机器人已经在各行各业中占据了不可取代的地位。

机器人的诞生和机器人学的建立和发展是20世纪自动控制最具说服力的成就，是20世纪人类科学技术进步的重大成果。

机器人从爬行到学会两腿直立行走仅仅用了20年，而人类的这一过程则经历了上百万年。

现在全世界已经有超过100万台机器人，销售额每年增长20％以上，机器人技术和工业得到了前所未有的飞速发展。

机器人已经能够使用工具，能看、能听、能说，并且开始能进行一些决策和思考的智能行为，其应用也从传统的加工制造业逐渐扩展到军事、海洋探测、宇宙探索等领域，并开始进入家庭和服务行业。

美国的远程遥控机器人技术，在费卢杰巷战中，美军还使用了“机器人侦察兵”。

这些机器人侦察兵是由躲藏在安全地带的士兵，使用无线电遥控器操纵遥控而完成任务的。

它装备有遥控红外和同光摄像机，并具有良好的机动性，可以爬楼梯，即使被撞翻在地，也能够自动翻转过来，灵活地越过或绕过障碍物。

当接近爆炸装置、地雷和建筑物内敌人隐藏处时，它可以隐蔽在一边，将摄像机对准目标，将相关的战场信息传递给操纵员，操纵员通过头盔显示器接受信息。

这些机器人的出现和参战，大大减少了美军遭袭的概率。

现在无线遥控已被广泛地应用到日常生活中及工业中，电视机、电冰箱、视频监控系统、电视演播系统、电视会议系统、微格教学系统、工业智能控制等多种领域都有应用，极大地方便了用户的操作和使用。

在这个科技飞速发展时代，车辆已经越来越为我们熟悉，在很多人心目中，车已经从代步工具上升到兴趣爱好的地位。

二十世纪六十年代末至七十年代初，无线电爱好者自己组装的单通道无线电遥控设备开始运用于车辆模型，七十年代中期后，模型用无线电遥控设备逐步实现了商品化，质量稳定且性能日益完善。

现在车辆模型竞技赛作为一种新型的高科技运动正在兴起。

所以在研究无线传感器原理的基础上，讨论车模运动控制是很有必要的。

1.2国内外研究现状及分析

智能小车是机器人学中的一个重要分支。

早在20世纪60年代木期，斯坦福研究院（SRI）的NilsNilssen和CharlesRosen等人就研制出了名为Shakey的自主移动机器人。

其目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。

与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行机构方面的研究，以解决机器人在不平整地域内的运动问题，设计并研制出了多足步行机器人。

其中最著名的是名为GeneralElectricQuadruped的步行机器人。

20世纪70年代末，随着计算机的应用和传感技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮，特别是在80年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。

一大批世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。

20世纪90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术、真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。

美国Probotics公司1999年生产的Cye小型家用移动式服务机器人，它可牵引一辆小型拖车在室内运送饮料、信件等生活用品，或牵引吸尘器进行室内清洁工作。

Cye采用双轮差动驱动方式，环境信息的获取采用地图输入方式，可跟踪声音信号，任务完成后能自动返回总站待命。

美国Denning公司与Windsor工业公司90年代初合作生产的地面吸尘机器人RoboScrub，它采用超声传感器检测障碍，并配有高精度激光导航系统。

RoboScrub的导航系统需要光码条来实现机器人定位，限制了其应用范围。

所示为Kent公司设计的另外一种清洁机器人RoboKent，它不需要导引条码或定位路标，但需要操作者辅助其完成对清扫区域周遍的探测，因而其清扫区域限于简单的矩形区域。

目前，国内在远程遥控机器人技术也取得了很多发展，但是跟国外比还是有一定的差距的。

中国工业机器人经过“七五”攻关计划、“九五”攻关计划和863计划的支持已经取得了较大进展，工业机器人市场也已经成熟，应用上已经遍及各行各业，但进口机器人占了绝大多数。

我国在某些关键技术上有所突破，但还缺乏整体核心技术的突破，具有中国知识产权的工业机器人则很少。

目前我国机器人技术相当于国外发达国家20世纪80年代初的水平，特别是在制造工艺与装备方面，不能生产高精密、高速与高效的关键部件。

我国目前取得较大进展的机器人技术有：

隧道掘进机器人相关技术、工程机械智能化机器人相关技术、装配自动化机器人相关技术。

现已开发出喷涂、搬运、包装、激光加工、检验、真空、自动导引车等工业机器人产品，主要应用于汽车、摩托车、工程机械、家电等行业。

本论文研究的是基于单片机无线运动控制的智能小车，它属于两轮驱动的移动机器人。

1.3本论文主要内容

本论文研究的主要内容包括：

1.智能小车相关领域的研究现状。

本论文首先概要介绍了与智能小车相关的机器人、智能车辆和国内外研究现状。

2.智能小车结构的安装、调整与完成。

对智能小车车模进行了结构改造，完成了电机的选择及其安装，构建系统的整体方案。

3.控制系统的硬件设计与完成。

从单片机的选择开始，完成了电源模块设计、无线收发模块、速度测量模块、驱动控制模块、USB转串口模块等的设计。

4.控制系统软件的设计及实现。

从单片机的功能入手完成系统各个模块的设计，实现PWM调整电机速度，接收上位机指令等功能。

第2章系统整体方案设计

2.1车模车体结构分析

智能小车的运动方式有轮式、履带式和步行方式。

轮式和履带式小车适用于条件较好的路面，而步行小车则适于条件较差的路面。

为了适应各种路面的情况，也可采用轮、腿、履带并用。

本设计中的小车主要工作是在实验室内和路面条件较好的场合，所以采用轮式。

对轮式小车进行远程控制，就必须知道小车的结构原理，本节将阐述车模车体的基本结构特征。

四轮结构是轮式小车的基本移动结构，其结构比较简单，能够满足一般的需要，所以应用较为广泛。

对于小车的车体部分，如图2-1，它采用大致长方形的结构，主要由底盘、两减速电机、万向轮、车轮、霍尔传感器等部分组成。

在该结构中，前轮和后轮的万向轮，仅起支撑作用，左右两轮分别由两个减速电机独立驱动，而且旋转半径可以从零到无限大任意设定。

其旋转中心是在连接两驱动轴的直线上，所以旋转半径即使是0，旋转中心也与车体的中心一致。

鉴于该机构结构简单、便于控制的优点，本论文所研究的移动机器人就采用这种四轮结构，前轮和后轮为万向轮，左右两轮由两个减速电动机分别独立驱动。

图2-1车体结构示意图

2.2车模无线运动控制系统功能要求

基于单片机的无线电机驱动控制，是利用单片机作为系统的主控制器。

首先在信号发射控制系统中，将上位机信号经USB转串口通信传输到微控制器处理，通过数字编码产生序列脉冲，经ASK调频发送信号。

然后通过解调接收器将调频发送信号还原为序列脉冲，连接到电机驱动控制系统，通过其中的微控制芯片，根据指令信号执行相应的控制。

如调速控制、制动控制等。

2.3总体设计思路

根据系统具体功能要求，可以对每一个具体部分进行分析设计。

整个控制系统分为硬件电路设计和软件程序设计两部分。

硬件电路主要包括：

USB转串口模块、无线收发模块、电机驱动模块、霍尔传感器测速模块以及单片机与各部分接口的处理部分，系统设计方案图如图2-2。

图2-2系统设计方案图

整个系统可划分为无线收发电路部分、电机驱动控制电路部分这两大部分。

无线收发电路采用遥控编码、解码集成芯片PT2262/PT2272为核心器件，它们是一对带地址、数据编码功能的无线遥控发射、接收芯片。

再配合315M超再生模块，使无线传输更加稳定、可靠，功效更低。

单片机通过USB转串口模块接收上位机指令，经处理后，再通过无线发送，主控制模块接收指令，驱动电机执行命令，实现无线收发功能。

在电机驱动控制电路中，把无线模块接收下来的相应指令用来驱动电机运行，是此部分控制电路是整个控制系统的核心。

电机驱动控制电路所要完成的最大功能就是要根据指令对车模的速度、方向进行调节。

在本论文中，采用PWM脉冲调速的方式实现对小车速度的控制。

为实现电机转速的精确调整和小车直线行走问题，还加入了霍尔传感器进行测速。

软件设计主要由系统流程及各功能模块程序组成。

主要用来控制无线数据的收发、完成小车的速度测量、PWM电机速度调整、接收上位机信号等软件编程。

2.4本章小结

本章提出了整个系统的设计方案，结合功能要求设计出本系统的整体结构，对车体结构进行了简要的分析，并对各个控制环节进行分析与探讨，为后续的软硬件设计奠定了基础。

第3章无线车模控制系统的硬件设计和实现

3.1硬件系统概述

任何一个控制系统都离不开软件程序赖以实现的物质基础——硬件设计。

本论文研究的系统选用AVR单片机ATmega8L和ATmega16L为控制核心，AVR单片机不仅具有强大高速的运算处理能力，而且在片内集成了丰富的电机控制外围部件，这就大大简化了控制电路的硬件设计，加之采取了“硬件软化”的设计方案，使得整个控制系统的硬件设计比较简洁。

系统结构框图如图3-1和图3-2所示。

图3-1上位机指令发射系统框图

图3-2车模运动控制系统框图

控制系统主要由以下几个部分组成：

1.核心微处理器ATmega8L和ATmega16L；

2.电源设计，单片机5V电源和6V减速电机的供电设计；

3.315M无线模块的收发，PT2262/2272编解码电路的构成；

4.霍尔传感器A44E配合磁铁，把信号送进AVR单片机的外部中断进行速度测量；

5.L298N电机驱动模块；

6.USB转串口通信模块。

3.2AVR单片机芯片简介

针对一定的用途，选择合适的主控芯片是十分重要的。

选择功能过少的单片机，无法完成系统功能。

选择功能过强的单片机，则会造成资源浪费。

选择的原则一般主要有以下几点：

1.单片机对应用系统的适用性。

例如：

是否有足够的I/O管脚，是否含有所需的外围部件，极限性能是否满足要求等；

2.单片机的可购买性；

3.单片机的可开发性。

例如：

程序下载、调试工具；

4.技术支持；

5.语言体系与熟悉程度。

根据第二章的设计思路，需用到外部中断接口，PWM接口，考虑到I/O个数、单片机稳定性并综合实际情况，发射和接收模块分别选用ATmega8L和ATmega16L为主控芯片。

AVR单片机是美国ATMEL公司设计的，AVR单片机对原51单片机内核进行了较大改造，采用精简指令集RISC（ReducedInstructionSetCPU）结构，废除了原51单片机中的机器周期，由原来12个时钟执行一条指令改进为一个时钟执行一条单周期指令，大多数指令执行所需的时钟周期数与指令的字节数相同，使得AVR单片机的运行速度大大提高。

AVR单片机的设计者除了改造51内核外，还将Flash、EEPROM、AD、WatchDog、SPI、PWM和片内振荡器等集合为一体，可以真正做到单片。

AVR主要技术创新主要体现在以下几个方面：

1.高性能，采用精简指令集CPU（RISC）和哈佛（Harvard）结构的流水线技术，拥有32个通用工作寄存器；

2.片内集成了非易失性程序和数据存储器以及工作存储器；

3.丰富的外设，如SPI、EEPROM、RTC、WatchDog定时器、A/D转换器、PWM和片内振荡器等；

4.宽工作电压：

1.8-6V之间；

5.低功耗，具有6种休眠模式，能够从低功耗模式迅速唤醒；

6.编译好的目标文件可通过在线编程（ISP）直接写入程序存储器，实现芯片在系统编程调试，无需购买昂贵的仿真器和编程器，从而节省了系统开发成本；

7.I/O口资源丰富，设计灵活，驱动力强；

8.具有多复位源、多中断源方式；

9.其USART不占用定时器，采用独特的波特率发生器；

10.保密性强，Flash程序存储器具有保密锁死功能。

ATmega系列单片机属于AVR中的高档产品，它具有AVR单片机所具有的特点，并在此基础上，增加了更多的接口功能，提供更充足的程序和数据存储器，而且在省电性能、稳定性、抗干扰性以及灵活性方面考虑的更加周全和完善。

本设计采用的ATmega8L、ATmega16L单片机，它也属于ATmega系列单片机的一个子集。

3.2.1ATmega8L特性介绍

1．ATmega8L因为采用了先进的RISC精简指令集结构，所以具有足够快的运行速度，可达1MIPS/MHZ，是普通CISC单片机的10倍；

2．3个PWM通道，可实现任意小于16位、相位和频率可调的PWM脉宽调制输出；

3．有19个不同的独立中断源，并有特定的中断允许位，提高了系统的安全性；

4．片内集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器以及工作存储器，存储空间足以满足系统需要，并为系统的扩展提供了必要保证；

5．23个可编程I/O口，可任意定义I/0的输入/输出方向；驱动能力强，可直接驱动LED等大电流负载，且多数的I/0口为复用口，除了作为通用数字I/O使用外，其第二功能可作为芯片内部其他外围电路的接口；

6．具有三个定时/计数器，除了能够实现通常的定时和计数功能外，还具有捕捉、比较、脉宽调制输出、实时时钟计数等更为强大的功能；

7．带ADC和DAC转换，可直接输入模拟量、输出数字量；

8．有看门狗电路，一旦程序进入死循环能自动复位，保证系统工作的可靠性；

9．有空闭、省电、掉电三种低功耗方式，特别适合低功耗系统的要求。

3.2.2ATmega16L特性介绍

ATmega16L的特性基本上与ATmega8L类似，同样采用先进的RISC精简指令结构，速度同样可以达到1MIPS/MHZ，而且功能更加强大，具体差别有以下几点：

1.4个PWM通道，可满足更多用户的需要，实现多通道PWM脉宽调制的输出；

2.有21个不同的独立中断源，增加了外部中断2、定时/计数器0比较匹配这两个中断，是ATmega8L的升级版；

3.32个可编程I/O口，可任意定义I/0的输入/输出方向，可满足I/O口需要较多的用户，解决I/O口缺少等问题；

4.在ATmega8L8kflash、512字节EEPROM、1K片内的SRAM的基础上ATmega16Lflash空间增加到16K,从根本上解决了使用空间的忧虑。

作为整个系统的控制核心，ATmega8L和ATmega16L单片机具有的功能特点使它非常适合车模运动的控制设计。

ATmega8L和ATmega16L管脚如图3-3和图3-4所示。

图3-3ATmega8L管脚图3-4ATmega16L管脚

3.3电源电路设计

在本系统设计中，需要使用7.2V和5V的直流稳压电源，其中发射部分的315M发射模块和USB转串口模块、ATmega8L使用USB口的5V供电，小车部分采用7.2V镍氢电池，经过电容滤波分两路进行供电，一路是6V减速电机供电，另一路是ATmega16L、315M接收模块、L298N芯片及其外围器件供电。

在电机启动以及转动时会产生比较大的干扰信号，干扰信号一方面通过电源线直接进入电源电路对整个电路产生干扰，另一方面电动机运转时产生的电磁波经过空间辐射对无线模块接收电路形成干扰。

以上两种干扰途径后者只要让无线模块和电机保持一定距离就能解决。

而为了解决前者的干扰，在电机两端并联一个104电容滤波外，电机电源还使用了容值较大的1000UF电解电容和104瓷片电容进行滤波，在7805稳压管输入端和输出端再进行二次滤波，以减少电机运转时产生的干扰信号。

具体的电路如图3-5所示。

图3-5小车电源电路部分

3.4315M无线模块

3.4.1无线模块原理

为实现无线传输指令，在系统的设计过程中，选用结构简单，使用方便，传输距离较远的315M无线模块，在日常生活这一类模块主要应用于遥控领域。

遥控器发射电路，有振荡电路、高频放大器，调制方式一般采用ASK和FSK。

振荡电路可以采用电容、电感的振荡特性来设计，也可加入晶振来简单获得载波信号。

一般载波信号的频率在315MHZ-433MHZ，也可实现更高的频率。

通过高频放大器，高频信号获得更高的发射能量，提高发射距离。

发射电路原理如图3-6。

图3-6发射原理框图

接收电路里面主要有：

天线，滤波电路，解调电路等几部分组成。

接收电路原理如图3-7。

图3-7接收原理框图

天线是一种导行波与自由空间波之间的转换器件或换能器。

其基本功能是发射和接收无线电波：

发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时，把电磁波转换为高频电流。

在本设计中，发射和接收模块天线都采用了螺旋天线，以减少占用的空间。

3.4.2PT2262/2272编解码芯片

PT2262/2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编/解码电路，是目前在无线通讯电路中作地址编码识别最常用的芯