毕业设计之红外遥控汽车.docx

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毕业设计之红外遥控汽车

绪论

随着电子工业技术的发展，电子技术在玩具工业中得到了广泛的应用。

电子技术的应用，将玩具的趣味性、科学性、艺术性和实用性很好地结合起来，不仅可使游戏者玩起来感到有趣，还可以激发其科学兴趣、开发儿童智力。

现今，大多数玩具发展成为会笑、会哭、会说、会动、会唱的引人入胜的电子类玩具。

电子技术的应用程度日益加深，电子玩具也日新月异，并且占玩具市场比重越来越大。

各种新型电子玩具层出不穷，其功能越来越丰富。

当今世界玩具产业发展趋势是人性化和科技化。

玩具集光、机、电等为一体，高科技电子玩具已是产业发展的主流。

在国外，特别是在日本，玩具设计师往往会把科学家在其他研究领域发明、创造的高新技术，应用到玩具的设计开发上，或用来对传统玩具进行改造创新。

例如，日本玩具制造厂商利用嵌入式语音识别技术研制与生产了的能识别主人声音的智能化电子玩具。

随着电子科学技术发展，电子玩具电路可以借鉴其他电子设备的工作原理或电路，在原有电路基础上稍加改造加工而来，因此熟悉常见电子电路基本工作原理与组成，对电子玩具电路的功能分析与设计将十分有用。

单片机以其强大的控制能力已经被广泛应用于诸多领域，配以各种接口传感器可以实现系统的智能化。

无论是在工业控制领域、医疗卫生领域、还是在国防军事领域、航天航空领域，微控制器都起着举足轻重的作用。

从最初的8位控制器到现在的16位、32位控制器都还有很大的发展和应用空间。

语音识别技术也日趋完善，在机器人领域，要想用语言和机器人“交谈”，首先就要解决语音的识别问题。

可以用语音识别技术做成电话声控拨号、声控家电、儿童玩具等。

语音识别技术还有待于进一步的发展。

本设计就是利用红外二极管遥控控制类玩具电路，采用MCS-51系列单片机控制小车的前进、后退、左转、右转、停止。

在此红外遥控控制电路中，利用红外发送、接收电路和利用单片机P0、P1、P2、P3口控制进而实现各种功能。

第1章概述

1.1引言

单片机以其强大的控制能力已经被广泛应用于诸多领域，配以各种接口传感器可以实现系统的智能化。

无论是在工业控制领域、医疗卫生领域、还是在国防军事领域、航天航空领域，微控制器都起着举足轻重的作用。

从最初的8位控制器到现在的16位、32位控制器都还有很大的发展和应用空间。

单片机的最明显的优势，就是可以嵌入到各种仪器、设备中。

这一点是巨型机和网络不可能做到的。

单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常用的电路，例如：

定时器，比较器，A/D转换器，D/A转换器，串行通信接口，Watchdog电路，LCD控制器等。

电子技术的应用，将玩具的趣味性、科学性、艺术性和实用性很好地结合起来，不仅可使游戏者玩起来感到有趣，还可以激发其科学兴趣、开发儿童智力。

现今，大多数玩具发展成为会笑、会哭、会说、会动、会唱的引人入胜的电子类玩具。

电子技术的应用程度日益加深，电子玩具也日新月异，并且占玩具市场比重越来越大。

各种新型电子玩具层出不穷，其功能越来越丰富。

当今世界玩具产业发展趋势是人性化和科技化。

玩具集光、机、电等为一体，高科技电子玩具已是产业发展的主流。

1.2单片机的概要

1.2.1初识单片机

所谓单片机，通俗的来讲，就是把中央处理器CPU（CentralProcessingUnit），存储器（memory），定时器，I/O（Input/Output）接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。

单片机又称为“微控制器MCU”。

中文“单片机”的称呼是由英文名称“SingleChipMicrocomputer”直接翻译而来的。

单片机的主要分类：

1、按应用领域可分为：

家电类，工控类，通信类，个人信息终端类等等；

2、按通用性可分为：

通用型和专用型。

③、按总线结构可分为总线型和非总线型。

1.2.2单片机的发展过程

1971年intel公司研制出世界上第一个4位的微处理器；

1973年intel公司研制出8位的微处理器8080；

1976年intel公司研制出MCS-48系列8位的单片机，这也是单片机的问世。

80年代初，intel公司在MCS-48单片机基础上，推出了MCS-51单片机。

也就是说，51单片机最早的出现是在80年代初单片机的主要生产厂家和机型

我国目前最常用的单片机有如下几家：

Intel---------（MCS51系列,MCS96系列）

Atmel-------（AT89系列,MCS51内核）

Microchip---（PIC系列）

Motorola----（68HCXX系列）

Zilog--------（Z86系列）

Philips------（87,80系列,MCS51内核）

Siemens-----（SAB80系列,MCS51内核）

NEC---------（78系列）

Epson--------（系列）

1.2.3MCS-51系列单片机介绍

MCS-51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机。

INTEL公司将MCS51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。

MCS-51系列单片机分为两大系列，即51子系列与52子系列。

51子系列：

基本型，根据片内ROM的配置，对应的芯片为8031、8051、8751、8951

52子系列：

增强型，根据片内ROM的配置，对应的芯片为8032、8052、8752、8952。

1.3红外遥控系统概述

1.3.1红外线与红外遥控系统

讲红外遥控之前，首先讲一讲什么是红外线。

我们知道，人的眼睛能看到的可见广按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。

其中红光的波长范围为0.62～0.76μm；紫光的波长范围为0.38～0.46μm。

比紫光波长还短的光叫紫外线，比红光波长还长的光叫红外线，红外线遥控就是利用波长为0.76～1.5μm之间的近红外线来传送控制信号的。

红外遥控系统：

常用的红外遥控系统一般分发射和接收两个部分。

发射部分的主要元件为红外发光二极管。

它实际上是一只特殊的发光二极管；由于其内部材料不同于普通发光二极管，因而在其两端施加一定电压时，它便发出的是红外线而不是可见光。

目前大量的使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940mm左右，外形与普通φ5发光二极管相同，只是颜色不同。

红外发光二极管一般有黑色、深蓝、透明三种颜色。

判断红外发光二极管好坏的办法与判断普通二极管一样；用万用表电阻挡量一下红外发光二极管的正、反向电阻即可。

红外发光二极管的发光效率要用专门的仪器才能精确测定，而业余条件下只能用拉锯法来粗略判判定。

接收部分的红外接收管是一种光敏二极管。

在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。

红外发光二极管一般有圆形和方形两种。

由于红外发光二极管的发射功率一般都较小（100mW左右），所以红外接收二极管接收到的信号比较微弱，因此就要增加高增益放大电路。

前些年常用Μpc1373H、CX20106A等红外接收专用放大集成电路。

最近几年不论是业余制作还是正式产品，大多都采用成品红外接收头。

成品红外接收头的封装大致有两种：

一种采用铁皮屏蔽；一种是塑料封装。

均有三只引脚，即电源正（VDD）、电源负（GND）和数据输出（VO或OUT）。

图1-1给出一些成品红外接收头的外形。

成品红外接收头的优点是不需要复杂的调试和外壳屏蔽，使用起来如同一只三极管，非常方便。

但在使用时注意成品红外接收头的载波频率。

红外遥控常用的载波频率为38kHz这是由发射端所使用的455kHz晶振来决定的。

在发射端要对晶振进行整数分频，分频系数一般取12，所以455kHz÷12≈37.9kHz≈38kHz。

也有一些遥控系统采用36kHz、40kHz、56kHz等，一般由发射端晶振的振荡频率来决定。

图1-1一体化红外接受头

1.3.2多路控制的红外遥控系统

多路控制的红外发射部分一般有许多按键，代表不同的控制功能。

当发射端按下某一按键时，相应地接收端有不同地输出状态。

接收端地输出状态大致可分为脉冲、电平、自馈、互锁、数据五种形式。

“脉冲”输出是当按发射端按键时，接收端对应输出端输出一个“有效脉冲”，宽度一般在100ms左右。

“电平”输出是指发射端按下键时，接收端对应输出端输出“有效电平”消失。

此处的“有效脉冲”和“有效电平”，可能是高、也可能是低，取决于相应输出脚的静态状况，如静态时为低，则“高”为有效；如静态时为高，则“低”为有效。

大多数情况下“高”为有效。

“自锁”输出是指发射端每按一次某一个键，接收端对应输出端改变一次状态，即原来为高电平变为低电平，原来低电平变为高电平。

此种输出适合用作电源开关、静音控制等。

有时亦称这种输出形式为“反相”。

“互锁”输出是指多个输出互相清除，在同一时间内只有一个输出有效。

电视机的选台就属此种情况，其他如调光、调速、音响的输入选

择等。

“数据”输出是指把一些发射键编上号码，利用接收端的几个输出形成一个二进制数，来代表不同的按键输入。

一般情况下，接收端除了几位数据输出外，还应有一位“数据有效”输出端，以便以后适时地来取数据。

这种输出形式一般用于与单片机或微机接口。

除以上输出形式外，还有“锁存”和“暂存”两种形式。

所谓“锁存”输出是指对发射端每次发的信号，接收端对应输出予以“储存”，直至收到新的信号为止；“暂存”输出与上述介绍的“电平”输出类似。

1.3.3红外遥控的的特点

红外遥控技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术都已比较成熟。

它在技术上的主要优点是：

1、无需专门申请特定频率的使用执照；

2、具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点；

3、传输速率适合于家庭和办公室使用的网络；

4、信号无干扰，传输准确度高；

5、成本低廉。

它的缺点是：

由于它是一种视距传输技术，采用点到点的连接，具有方向性，两个设备之间如果传输数据，中间就不能有阻挡物，而且通讯距离较短，此外红外线LED不是一种十分耐用的器件。

红外遥控的特点是不影响周边环境的、不干扰其他电器设备。

由于其无法穿透墙壁，故不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会产生相互干扰；电路调试简单，只要按给定电路连接无误，一般不需任何调试即可投入工作；编解码容易，可进行多路遥控。

由于各生产厂家生产了大量红外遥控专用集成电路，需要时按图索骥即可。

因此，现在红外遥控在加用电器、室内近距离（小于10米）遥控中得到了广泛的应用。

1.4题目评析

随着电子技术在玩具工业中的广泛应用，玩具的趣味性、科学性、艺术性和实用性很好地结合起来，不仅可使游戏者玩起来感到有趣，还可以激发其科学兴趣、开发儿童智力。

当今世界玩具产业发展趋势是人性化和科技化。

玩具集光、机、电等为一体，高科技电子玩具已是产业发展的主流。

在国外，特别是在日本，玩具设计师往往会把科学家在其他研究领域发明、创造的高新技术，应用到玩具的设计开发上，或用来对传统玩具进行改造创新。

例如，日本玩具制造厂商利用嵌入式语音识别技术研制与生产了的能识别主人声音的智能化电子玩具。

红外技术是用850nm的红外光传输语音及数据，能够实现点对点的数据传输和简单的文件同步。

由于它具有结构简单、系统的技术复杂度小、成本低、方向性好、信息安全性高、可用频率资源多等优点，因此在家用电器的遥控技术中确立了主导地位。

正是由于玩具的趣味性、科学性、艺术性和实用性的发展以及红外遥控技术在日常生活中的普遍应用，所以选择本设计是红外技术与电子技术的完美结合。

在设计以前，本人对红外通信技术以及单片机技术进行了长期、全面地了解和学习，并对很多前辈们的研究成果进行了研究，以求尝试在学习前人经验的基础上取得新的突破。

第2章方案论证与比较

2.1红外遥控与无线电遥控的对比

按照遥控信号的传输载体，可以分为声、光、无线电波。

其中声、光包括声音、超声波、可见光、红外光四种情况，其中又以红外遥控最具代表性，这样遥控电路就可以分为红外线和无线电两大类。

为方便计，表2-1给出了红外线和无线电遥控的各自特点。

表2-1红外线和无线电遥控特点对比

红外遥控

无线电遥控

遥控距离

2米～10米

几使米～十几千米

遥控条件

发射的红外线必须对准接受，受障碍物阻挡的影响大

受地形或障碍物影响小

干扰与抗干扰

对其他设备干扰小，本身抗干扰能力强

对其他电子设备干扰大，本身抗干扰能力差

保密性

较强

较差

工作频率

低，基带信号传送或低载频调制传送

高，射频载波传送，适用于多种传送方式

无线电管理

利用红外光传送，无须申请频点

利用电磁波传送，必须利用业余频段，占用一定的频率资源，应遵守无线电管理规定

制作难度

难度低，调整容易

难度高，特别是高频电路制作与调试困难

成本

低

高

适用场合

森林防火遥控，银行防盗检测，遥控各种电器，电脑红外接口，汽车防撞探测，危险区禁入探测报警

各种电器控制，防盗报警系统，多用户多通道遥控

需要指出的是：

无线电遥控必须在业余频段内进行，业余频段有28.0MHz～29.7MHz、50MHz～54MHz、144MHz～148MHz和420MHz～448MHz等。

对于控制距离在几十米到百余米的发射机，有时并未设定在业余频段，由于发射功率小，尚无人理会；如果发射距离（发射半径）达到十余千米，其无线覆盖区将是以发射点为圆心、发射距离为半径的圆，使用这样的无线电设备需要到当地的无线电管理部门申请频点，经过批准方可使用，否则被视为违规操作，要负法律责任的。

2.2遥控电路的选择

2.2.1超声波遥控发射/接收电路

如图2-2超声波发射由555定时器组成多谐振荡器，其中RP、R1、C1为定时元件，由振荡周期计算公式（设W1=15.3kΩ）如公式1所示：

T=（W1+2R1）C1*ln2=（15.3+2*47）*10³*（10ˉ²）²*10ˉ³*ln2=25*（10ˉ²）³s（公式1）

则振荡频率的计算如公式2所示：

f=1/T=1/[25*（10ˉ²）³]=40（公式2）

调节W1使振荡频率为40KHz，于是555的③脚输出40KHz的方波，通过T1驱动超声发射头T40。

超声波接收头为R40，必需与T40成对使用。

IC1构成40Kz双T网络选频放大器；C4、C5、VD1、VD2为倍压检波。

图2-2超声波遥控发射电路

通常超声波遥控距离2m～10m，可以通过调整IC1的增益电阻R3和IC2比较电平电阻R7，兼顾灵敏度和抗干扰性能。

本电路可以用于防盗报警和危险禁入报警。

2.2.2多路红外遥控发射/接收电路

利用编/解码技术可以实现单用户、多通道和多用户、多通道遥控。

它和无线发射/接收头、红外管等进行组合，可设计出异彩纷呈的各种电路。

本设计就是利用单片机进行编/解码和红外发射、接收模块的完美结合。

采用不同的脉冲电路实现不同的二进制信号的编码，由单片机完成。

载波信号采用38KHz的矩形波，它由子程序产生，矩形波周期为26μs，对要发送的信号进行调制。

接收电路采用红外接收模块SM0038，输出信号是解调后的反向信号，接收信号解码时要经过反向才能和发送信号一致。

电路图将在第三章介绍。

红外遥控技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术都已比较成熟。

它主要有以下优点：

1、无需专门申请特定频率的使用执照；

2、具有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点；

3、信号无干扰，传输准确度高；

4、成本低廉。

基于上述优点，所以我们采用红外发射/接收电路作为遥控电路。

但是它也存在着缺点：

由于它是一种视距传输技术，采用点到点的连接，具有方向性，两个设备之间如果传输数据，中间就不能有阻挡物，而且通讯距离较短，此外红外线LED不是一种十分耐用的器件。

2.3总控电路的选择

2.3.1单片机的选择

针对本设计的特点——多开关量输入的复杂程序控制系统，我们需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D转换功能也不必使用。

根据这些分析我们选择89C51作为本设计的主控装置。

51单片机有强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，存储空间多答4KB，对于本设计绰绰有余，更可贵的是51系列单片机的价格非常低廉。

1、如图2-3所示8051单片机采用40引脚双列直插封装（DIP）方式。

图2-38051单片机管脚图

芯片引脚简要说明：

Vcc（40）：

+5V电源

Vss（20）：

接地

P0口（32~39）：

为8位双向三态I/O口

P1口（8~1）：

是带内部上拉电阻结构的8位准双向I/O口

P2口（28~21）：

也是带内部上拉电阻结构的8位准双向I/O口

P3（17~10）：

也是带内部上拉电阻结构的8位准双向I/O口，但在整个系统中，对相应的口锁存器置“1”后，这8个脚还具有第二功能。

RST/VPD（9）：

复位信号线

ALE/PROG（30）：

地址锁存有效信号线

PSEN（29）：

外部程序存储器读选通信号线

EN/VPP（31）：

内部和外部程序存储器的选择线

XTAL1（19）和XTAL2（18）：

接外部石英晶体

XTAL1（19）和XTAL2（18）：

接外部石英晶体

2、8051单片机的组成

中央处理器（CPU）：

MCS-51的CPU能处理8位二进制数或代码。

CPU是单片机的主要核心部件，在CPU里面包含了运算器、控制器以及若干寄存器等部件给成。

内部数据存储器（RAM）：

MCS-51单片机芯片共有256个RAM单元，其中后128单元被专用寄存器占用，能作为寄存器供用户使用的只是前128单元，用于存放可读写的数据。

因此通常所说的内部数据存储器就是指前128单元，简称内部RAM。

地址范围为00H~FFH（256B）。

是一个多用多功能数据存储器，有数据存储、通用工作寄存器、堆栈、位地址等空间。

内部程序存储器（ROM）：

MCS-51内部有4KB/8KB字节的ROM（51系列为4KB，51系列为8KB），用于存放程序、原始数据或表格。

因此称之为程序存储器，简称内部RAM。

地址范围为0000H~FFFFH（64KB）。

定时器/计数器：

51系列共有2个16位的定时器/计数器（52系列共有3个16位的定时器/计数器），以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对计算机进行控制。

定时时靠内部分频时钟频率计数实现，做计数器时，对P3.4（T0）或P3.5（T1）端口的低电平脉冲计数。

并行I/O口：

MCS-51共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3）以实现数据的输入输出。

串行口：

MCS-51有一个可编程的全双工的串行口，以实现单片机和其它设备之间的串行数据传送。

该串行口功能较强，既可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为移位器使用。

RXD（P3.0）脚为接收端口，TXD（P3.1）脚为发送端口。

中断控制系统：

MCS-51单片机的中断功能较强，以满足不同控制应用的需要。

51系列有5个中断源（52系列有6个中断源），即外中断2个，定时中断2个，串行中断1个，全部中断分为高级和低级共二个优先级别。

定时与控制部件：

MCS-51单片机内部有一个高增益的反相放大器，基输入端为XTAL1输出端为XTAL2。

MCS-51芯片的内部有时钟电路，但石英晶体和微调电容需外接。

时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列。

3、8051单片机的功能介绍

⑴、如图2-4所示MCS－51系列单片机是80年代推出的8位单片微型计算机，共有P0～P3四个这样的并行口，可提供32根I/O线，每根线都是双向的，其余用于芯片控制的寄存器中。

与芯片引脚有关的特殊功能寄存器是P0～P3，它们实际上是4个八位锁存器（每个I/O口一个），每个锁存器附加有相应的输出驱动器和输入缓冲器就构成了一个并行口。

图2-48051单片机功能方框图

⑵、8051是MCS-51的典型产品，其基本特性如下：

*8位CPU、片内振荡器

*4k字节ROM、128字节RAM

*21个特殊功能寄存器

*32根并行I/O线

*可寻址的64k字节外部数据、程序存贮空间

*2个16位定时器、计数器

*中断结构：

具有二个优先级、五个中断源

*一个全双口串行口

*位寻址（即可寻找某位的内容）功能，适于按位进行逻辑运算的位处理器。

128字节RAM、4k字节ROM和中断、串行口及定时器模块外，还有4组I/O口P0～P3，余下的就是CPU的全部组成。

考虑到题目的复杂性，我们设置了红外发送/接收模块，输入量比较多，单片机还要控制驱动电路（驱动是电动机正转、反转以达到小汽车前进、后退及拐弯的目的），再加上显示器和键盘，所以我们用两片89C51单片机，一片用在发送电路中，另一片用在接收控制电路中。

使单片机的资源得到充分的利用。

2.3.2键盘与显示电路的选择

1.键盘电路的选择

本设计是控制小汽车的前进、后退等使其运动，所以本设计采用多个键盘进行控制，当按下不同的键盘时就，小汽车做不同的运动。

我们选择最简单的直接键盘驱动方式。

2.显示电路的选择

配合单片机使用的显示电路较常见的是数码管和液晶显示器。

由于数码管显示明亮并且造价低，所以我们选择数码管，但数码管也存在着缺陷，功耗大。

在本设计中，由于水平有限我们只要求LED数码管显示所按下的键盘数字，不显示行程和速度，本设计只采用一只数码管。

2.3.3电源电路的选择

本设计选用的单片机和红外接收模块电路需要5V电压工作，主轴电动机需要6V电压工作，为了简化电路我们直接使用干电池供电。

2.3.4直流电机驱动电路的选型

直流电机可以线性驱动也可以用PWM方式驱动，线性驱动比较适合纯模拟的驱动电路，设备复杂，低速启动性也不理想，本设计中由于采用了单片机，所以比较适合PWM驱动方式。

2.3.5声、光报示电路的选型

为了简化电路，选用现成的蜂鸣器作为小汽车的喇叭，发光二极管作为小汽车的装饰电路，用一条I/O驱动。

2．4系统原理框图

本系统采用多路遥控发射、接收系统将控制信号调制到高频上，通过空间传输实现对远程设备的状态控制。

发端通过单片机89S51对键盘输入的控制信号进行识别，再对信号进行编码，单片机输出控制信号通过发射模块发射；接收端通过无限接收模块对信号进行解调，通过单片机解码，还原为控制信号对设备进行控制，系统的基本组成如图2-5所示：

该系统由两部分组成发射部分（a）和接收部分（b）

图2-5（a）发射部分

图2-5（b）接收部分

图2-6单片机的无线多路遥控系统

基于单片机的无线多路遥控系统如上方框图2-6所示：

采用AT89s51单片机作为主控芯片，p2口输出高、低电平对电机进行控制；p1口接收来自红外接收模块SM0038接收到的信号。

整个系统采用12MHz的晶振。

发射部分采用不同脉宽度来实现二进制信号的编码，可由单片机完成。

因SM0038的红外接收头接收频率是38kHz，所以载波信号采用38kHz的矩形波，载波信号由子程序产生，矩形波周期为26μs，对要发送的