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1、基于ARM的无线遥控和激光循迹小车论文 江 西 理 工 大 学课程设计题 目：基于ARM的无线遥控及激光寻迹小车设计学 院：机电工程学院专 业：自动化班 级：3+1创新教育实验班班学 生：朱兆祺、邓云指导教师：王祖麟 职称：教授指导教师：温如春 职称：副教授 目 录第1章 开题报告 11.1 课程设计概述 11.2 课程设计小车要求 11.3 课程设计安排 1第2章 无线遥控&自动寻迹小车硬件设计 22.1 主控芯片及接口电路 22.1.1 ARM处理器系列 22.1.2 ARM7TDMI处理器 32.1.3 LPC2138 32.1.4 LPC2138最小系统 42.2 基于ARM2103遥

2、控器的硬件设计 72.3 基于ARM2103无线遥控接收信号 82.4 基于ARM2138核心控制平台 82.5 H桥控制直流电机 82.6 激光传感器 92.7 nRF2401无线电传感器 102.8 金属探测器LJ12A3-4-Z/BX传感器 12第3章 无线遥控&自动寻迹小车软件设计 133.1 基于ARM2103无线电发送模块程序的调试 133.2 基于ARM2103无线电接收模块程序的调试 143.3 通过ARM2138接收ARM2103信号控制小车无线遥控控制 163.4 捕获测速 163.5 数字显示与键盘扫描电路设计 203.6 寻迹程序调试 223.7 无线电&激光寻迹模式选

3、择程序 24第4章 调试 254.1 PID控制理论概述 254.1.1 PID控制理论概述 254.1.2 PID控制主程序 29阶段性总结 33参考文献 34致 谢 35第1章 开题报告1.1课程设计概述本个课程设计是基于ARM2103、2138的集无线遥控、激光自动寻迹、扫雷为一体的多功能小车。 在嵌入式高速发展，ARM独占一席的今天，熟练运用ARM对于电科大学生至为重要。ARM2103实验板2块，主要用于无线电nRF2401的发送和接受；ARM2138实验板1块，主要用于直流电机驱动、寻迹控制等；激光FS2-60传感器4个用于小车寻迹功能使用；金属探测器LJ12A3-4-Z/BX传感器

4、用于金属探测。1.2课程设计小车要求由无线电nRF2401、ARM2103控制的遥控器向主体小车发送信息，控制小车的运行。由无线电nRF2401、ARM2103、ARM2138、激光FS2-60传感器、直流电机、金属探测器LJ12A3-4-Z/BX传感器组合的智能小车接受遥控器信息。无线遥控模式、自动寻迹模式取决于遥控器的信息。无线遥控模式的前进、停止、左转、右转也是来源于遥控器的控制；自动寻迹模式的控制依靠FS2-60传感器的信息。1.3课程设计安排第17周，硬件外围电路设计第18周，硬件电路调试第19周，软件程序逐个调试成功，移植并且完成软件的融合第20周，小车整体设计修改、完善。第2章

5、无线遥控&自动寻迹小车硬件设计2.1主控芯片及接口电路本次课程设计采用的MUC为LPC2138，LPC2138是以ARM7为内核的微控制器，具有运算频率高，功能强，I/O口丰富等优点，下面简单介绍一下基于ARM7为内核的LPC2138MCU。首先介绍一下ARM，ARM是Advanced RISC Machines的缩写。是微处理器行业的一家知名企业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费、教育类多媒体、DSP和移动式应用等。ARM将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件厂商，每个厂商得到的

6、都是一套独一无二的ARM相关技术及服务。利用这种合伙关系，ARM很快成为许多全球性RISC标准的缔造者。ARM不仅是一个公司的名字，也是一种微处理器内核的名字。ARM微处理器资源丰富，具有很好的通用性，以其高速度，高性能、低价格、低功耗，可以广泛的应用于各个领域。ARM的嵌入式系统其优良的性能，良好的移植性，广泛应用与各个行业。可以说，用单片机和DSP实现的系统，ARM都可以实现。ARM集成了丰富的片内外设资源，利用自身资源不必增加外围器件就可实现控制要求的功能。同时使得机器人控制板的结构尺寸可以做得更小。另外，利用ARM处理器设计的车载嵌入式系统还具有非常好的移植性，能够使得技术真正用于生活

7、，这是其他型处理器所不具备的特点。2.1.1ARM处理器系列ARM处理器目前包括下面几个系列：(1)ARM7系列(2)ARM9系列(3)ARM9E系列(4)ARMI OE系列(5)SecurCore系列(6)Intel的Xscale系列(7)Intel的StrongARM系列其中，ARM7, ARM9, ARM9E和ARM10为4个通用处理器系列，每一个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。2.1.2ARM7TDMI处理器ARM7系列处理器包括以下几种类型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中，ARM7TDMI是目前使用最广泛的32位嵌入

8、式RISC处理器。TDMI的基本含义是：T：支持16位压缩指令集Thumb；D：支持片上DebugM：内嵌硬件乘法器(Multiplier)；I：嵌入式ICE，支持片上断点和调试点。ARM7系列微处理器为低功耗的32位 RISC处理器，ARM7处理器具有如下的特点：(1)具有嵌入式ICE-RT逻辑，调试开发方便；(2)极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如移动机器人产品；(3)能够提供0.9MIPS/Mfiz的三级流水线结构；(4)代码密度高，并兼容16位的Thumb指令；(5)对操作系统的支持广泛；(6)指令系统与ARM9, ARM9E和ARM10E系列兼容，便于产品升级；(7)主频最高可

9、达130MIPS高速的运算处理能力能胜任绝大多数的应用场合。2.1.3LPC2138本系统和MCU选用的是LPC2138,它具有如下特点： (1)16/32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP64封装； (2)8/16/32kB 的片内静态 RAM 和 32/64/512kB 的片内 Flash 程序存储器，128 位宽度接口/加速器可实现高达60 MHz工作频率； (3)通过片内boot 装载程序实现在系统编程/在应用编程 （ISP/IAP），单扇区或整片擦除时间为400ms，256字节行编程时间为1ms； (4)EmbeddedICERT 和嵌入式跟踪接口通过片内 RealMonitor

10、TM 软件对代码进行实时调试和高速跟踪； (5)1 个（LPC2131/2132）或 2 个（LPC2138）8 路 10 位的 A/D 转换器，共提供 16 路模拟输入，每个通道的转换时间低至2.44us； (6)1个10位的D/A转换器，可产生不同的模拟输出。（仅适用于LPC2132/2138）； (7)2个32位定时器/计数器（带4路捕获和4路比较通道）、PWM单元（6路输出）和看门狗； (8)实时时钟具有独立的电源和时钟，可在节电模式中极大地降低功耗； (9)多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C接口（400 kbit/s）、SPITM 和具有缓冲作用和数据

11、长度可变功能的SSP； (10)向量中断控制器可配置优先级和向量地址；(11)小型的LQFP64封装上包含多达47个通用I/O口（可承受5V电压）； (12)多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚； (13)通过片内PLL（100us的设置时间）可实现最大为60MHz 的 CPU操作频率；(14)片内晶振频率范围：130 MHz； (15)低功耗模式：空闲和掉电； (16)可通过个别使能/禁止外部功能和外围时钟分频来优化功耗； (17)通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒； (18)单电源，具有上电复位（POR）和掉电检测（BOD）电路：CPU操作电压范围：3.0V3.6 V (3.3 V 10

12、)，I/O口可承受5V的电压。2.1.4LPC2138最小系统嵌入式系统的最小系统主要由以下几个方面组成：(1) 电源(2) 复位电路(3) 系统时钟，一般由晶振提供此时钟(4) 底板下面以LPC2138为微处理器为中心详细介绍最小系统的组成与设计思路电源电路任何电子系统都少不了电源的支持。电源可以看成是电子系统的心脏。电源只有给系统的电路提供持续的、稳定的能量，这样电子系统才能正常的工作。在一个电子系统中电源的好坏直接影响到整个系统的稳定性，并在一定程度上影响整个系统的功耗。常用的集成稳压芯片有78XX系列和79XX系列。它们是利用串联负反馈来稳定输出电压的，性能较好。如图 3所示为本系统的

13、一级电源电路。图 33 系统电源1本系统主要靠市电经过变压器降压，桥式整流以及78XX系列和79XX系列芯片稳压供电。 LPC2138芯片供电电源为3.3V，内核供电电源为1.8V，因此系统设计为3.3V应用系统。电源经78M05稳压至5V， 再经过SPXI l 17-3.3将电源稳压至3.3V。当正确连接电源后，LED作为电源指示灯点亮。其特点为输出电流大，精度高，稳定性高，功耗低。电路原理图如图 3所示。图 34 系统电源电路由于LPC2138对供电系统和AD参考电压等要求比较高，所以得加强滤波电路的设计。图 35 电源和参考电压滤波电路复位电路由于ARM芯片的高速、低功耗和低工作电压导致

14、其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源监控和电源监控可靠性等诸多也提供了更高的要求，因此复位电路使用带I2C存储器的电源监控芯片CAT1025JI-30，提高了系统的可靠性。其电路原理图如图 3所示。图 36 系统复位电路系统时钟电路考虑到串口通信时的波特率能够正确的设定，本系统选用11.0592MHz外部晶振是为了使用PLL和ISP下载功能。原理图如图 31所示。图 31 系统时钟电路LPC2138的RTC需要独立的时钟源，时钟频率为32.768KHz，电路如图 3所示。图 38 RTC时钟电路JTAG调试下载程序接口电路ARM公司ARM7内核采用了JATG联盟提供的标准20脚JT

15、AG仿真调试接口。RTCK引脚接一个4.7K下拉电阻，使系统复位后LPC2138内部JTAG接口使能，直接进入JTAG调试。原理图如图 3所示。图 39 JTAG接口电路标准20脚JTAG仿真调试接口的详细定义如表 31所示。表 31 20-pin JTAG header管脚定义管脚定义管脚定义1Vref（目标板参考电压，接电源）11RTCK2Vdd(+3.3V)12Vss(Ground)3nTRST13TDO管脚定义管脚定义4Vss(Ground)14Vss(Ground)5TDI15nRESET(目标板复位信号)6Vss(Ground)16Vss(Ground)7TMS17NC（未接）8V

16、ss(Ground)18Vss(Ground)9TCK19NC（未接）10Vss(Ground)20Vss(Ground)2.2基于ARM2103遥控器的硬件设计根据软件设计要求，无线电nRF2401传感器和ARM2103实验板引脚连接如下：CE和P0.1,PWR和P0.3,DR1和P0.5,DATA和P0.7, CLK1和P0.9,CS和P0.11，GND和GND，VCC和3.3V连接。按键和ARM2103实验板的引脚连接，KEY1KEY6和P0.16P0.21依次连接。KEY1控制小车无线遥控模式前进，KEY2控制小车无线遥控模式停止，KEY3控制小车无线遥控模式左转，KEY4控制小车无线

17、遥控模式右转，KEY5控制小车启动寻迹模式，KEY6控制小车启动无线遥控模式。2.3基于ARM2103无线遥控接收信号根据软件设计要求，无线电nRF2401传感器和ARM2103实验板引脚连接如下：CE和P0.1,PWR和P0.3,DR1和P0.5,DATA和P0.7, CLK1和P0.9,CS和P0.11，GND和GND，VCC和3.3V连接。 ARM2103实验板P0.17和ARM2138实验板P0.21, ARM2103实验板P0.19和ARM2138实验板P0.22, ARM2103实验板P0.21和ARM2138实验板P0.23, ARM2103实验板P0.23和ARM2138实验板

18、P0.24, ARM2103实验板P0.25和ARM2138实验板P0.25, ARM2103实验板P0.27和ARM2138实验板P0.26.以上引脚的连接用于ARM2103实验板接收到信号之后用于控制ARM2138的无线电模块控制和无线遥控模式&寻迹模式的切换使用。 2.4基于ARM2138核心控制平台 ARM2138实验板P0.17P0.20作为激光FS260传感器的信号输入， P0.0、P0.1、P0.8、P0.9作为PWM输出通过H桥控制直流电机的转动。ARM2138实验板P0.21P0.26作为接受ARM2103实验板的控制进行无线电遥控模式&寻迹模式的切换和控制。2.5 H桥控制

19、直流电机L298H桥驱动如下图所示：引脚1、8、15是接地，引脚9(Vss)接5V电压，引脚6(EnableA)、引脚11(EnableB)接高点平5V，对应引脚5(Input1)、引脚7(Input2)、引脚10(Input3)、引脚12(Input4)的输出引脚2(Output1)、引脚3(Output2)、引脚13(Output3)、引脚14(Output4)。剩下引脚4(Vs)，这个引脚的外加电压根据其一H桥的耐压范围，其二你所要加给H桥的电压，这个电压将决定驱动电机转速的大小。引脚5(Input1)、引脚7(Input2)输入PWM控制小车左电机的转速，当 X=Input1-Inpu

20、t20时，左电机正向转动，并且X越大，正向转速越大；X=Input1-Input20时，右电机正向转动，并且Y越大，正向转速越大；Y=Input3-Input40时，右电机反向转动，并且Y越大，反向转速越大；Y=Input3-Input4=0时，右电机停止。、通过PWM的输入控制左右电机的转动，从而控制小车的行走。图2-1 H桥控制电机示意图2.6激光传感器本课程设计运用的寻迹传感器是FS260激光传感器。 图2-2 FS260示意图图2-3 FS260激光传感器规格图图2-4 FS260外部电路连接图FS260激光传感器的棕色线路连接5V电压正极，蓝色线路连接GND。黑色线路为信号输出。为了

21、保护FS260激光传感器，因此外加电压为5V。2.7nRF2401无线电传感器nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.42.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nRF2401有工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP 、CE、TX_E

22、N和CS三个引脚决定。图25 nRF无线电传感器在本课程设计中，只用了一个频道传输。无线电nRF2401传感器和ARM2103实验板引脚连接如下：CE和P0.1,PWR和P0.3,DR1和P0.5,DATA和P0.7, CLK1和P0.9,CS和P0.11，GND和GND，VCC和3.3V连接。2.8金属探测器LJ12A3-4-Z/BX传感器图26 LJ12A3-4-Z/BX这个传感器和激光传感器FS2_60有点相似，棕色线接5V正极，蓝色线接GND，黑色线为信号线输出。当探测到金属块时，输出信号为低电平；否则为高电平。第3章 无线遥控&自动寻迹小车软件设计3.1基于ARM2103无线电发送模

23、块程序的调试#include config.h#include nRF2410.h#include nRF2410Conf.h/=/ 功能描述： nRF2401 无线模组配套演示程序发送端程序，/ 运行程序后，按下KEY1KEY6发送信号量/=/按键的宏定义#define KEY1 (1 16)#define KEY2 (1 17)#define KEY3 (1 18)#define KEY4 (1 19)#define KEY5 (1 20)#define KEY6 (1 21)/ 接收端地址:00 00 00 00 01INT8U Address5 = 0x00,0x00,0x00,0x0

24、0,0x01; /*函数名称：main()主函数*函数功能：按下KEY1KEY6，发送信号*入口参数：无*出口参数：无*/int main() nRF2401Initial(); / 初始化nRF2401A nRF2401Mode(1); / 设置nRF2401A工作方式:发送 nRF2401SetAddress(Address,5); / 设置接收端地址 00 00 00 00 01 while(1) if(IO0PIN & KEY1) = 0) nRF2401SendByte(0x01); / 发送键号1 DelayUs(1000000); if(IO0PIN & KEY2) = 0) n

25、RF2401SendByte(0x02); / 发送键号2 DelayUs(1000000); if(IO0PIN & KEY3) = 0) nRF2401SendByte(0x03); / 发送键号3 DelayUs(1000000); if(IO0PIN & KEY4) = 0) nRF2401SendByte(0x04); / 发送键号4 DelayUs(1000000); if(IO0PIN & KEY5) = 0) nRF2401SendByte(0x05); / 发送键号5 DelayUs(1000000); if(IO0PIN & KEY6) = 0) nRF2401SendBy

26、te(0x06); / 发送键号6 DelayUs(1000000); return 0;/* End Of File*/3.2基于ARM2103无线电接收模块程序的调试nRF2401Initial(); / nRF2401A初始化nRF2401Mode(0); / 设置nRF2401A工作方式:接收PINSEL1 &= (0X333333332); IO0DIR |= (0X0117)|(0X0119)|(0X0121)|(0X0123); IO0DIR |= (0X0125)|(0X0127)|(0X0129)|(0X0131); IO0CLR = (0X0117)|(0X0119)|(0

27、X0121)|(0X0123); IO0CLR = (0X0125)|(0X0127)|(0X0129)|(0X0131);if(nRF2401RxStatus() = 1) / nRF2401A有数据请求 nRF2401ReceiveByte(RxBuf); / 接收数据 switch(RxBuf0) case 0x01: IO0SET =(0x0117); DelayUs(10000000/3); break; case 0x02: IO0SET =(0x0119); DelayUs(10000000/3); break; case 0x03: IO0SET =(0x0121); DelayUs(10000000/3); break; case 0x04: IO0SET =(0x0123); DelayUs(10000000/3); break; case 0x05: IO0SET =(0x0125); DelayUs(10000000/3); break; case 0x06: IO0CLR =(0x0