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学位论文—基于单片机at89s51的无线遥控小车设计

毕业论文基于单片机AT89S51的无线遥控小车设计

摘要

近年来随着计算机在社会领域的渗透和大规模集成电路的发展，单片机的应用正在不断地走向深入，由于它具有功能强，体积小，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点，因此特别适合于与控制有关的系统，越来越广泛地应用于自动控制，智能化仪器，仪表，数据采集，军工产品以及家用电器等各个领域，单片机往往是作为一个核心部件来使用，在根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。该无线遥控小车采用玩具小车车架，。采用AT89S51单片机作为主控制核心，通过编码、解码集成芯片PT226/PT2272无线传送操作指令，利用光电门分别精细检测小车左右驱动轮的速度，从而通过PWM动态调整、精确控制小车的速度与方向；该无线遥控小车的功能如下:在有障碍物的情况下实现20米内的无线遥控；实现前进、后退、加速、减速、左转、右转以及对速度档的选择。关键词：无线遥控单片机PWM 无线数据采集

ABSTRACT

In recent years, with computer penetration in the social sphere and the development of large-scale integrated circuits, MCU applications are constantly deepening, as it has a function of strong, small size, low power consumption, cheap, reliable, easy to use , and other characteristics, and therefore particularly suited to control the system, more widely used in automatic control, intelligent instruments, meters, data acquisition, military products and household appliances, and other fields, the MCU is often as a core component to use, in accordance with specific hardware and application-specific characteristics of the object with software to make perfect.The wireless remote control toy car, car uses frame. Using AT89S51 as control core, through the encoding, decoding integration chip wireless transmission PT226 / PT2272 instructions, using photoelectric detection car doors were fine about driving wheel speed, and through the dynamic adjustment, the accurate control PWM velocity and direction of the car, which is aimed for wireless remote control, intelligent obstacle avoidance, sound-light alarm, mileage display function. The wireless remote control function is as follows: the car is under the condition of the obstacles in realizing within 20 meters of wireless remote control, Achieve forward, backward, left, right, slowing down, turned on the selection and speed.

Keywords: Wireless remote control SCM PWM Wireless data acquisition

摘要................................................................................................................ I I ABSTRACT ................................................................................................... I I 前言.............................................................................................................. IV 1绪论. (1)

1.1课题背景和意义 (1)

1.2国内外研究现状 (1)

2 设计要求 (3)

2.1设计任务 (3)

2.2原理描述 (3)

3 车载模块设计 (6)

3.1 AT89S51 (6)

3.2 电机驱动芯片L298N (9)

3.3 无线遥控接收电路设计 (11)

4遥控器模块设计 (15)

4.1 无线遥控发送电路设计 (15)

5 软件设计 (19)

5.1 主程序设计 (19)

5.2 键盘组合的子程序设计 (19)

5.3 电机控制字程序设计 (21)

结论 (23)

参考文献 (24)

致谢 (25)

附录 (26)

前言

工业无线遥控小车起源于美国。由于政府对无线遥控小车研发的资助以及相关技术的推动作用，日本、美国、德国等工业大国在智能无线遥控小车技术上占据着明显优势，新近崛起的韩国在无线遥控小车研发方向也逐渐走向前沿。

本设计基于单片机控制的设计思想，选用廉价的遥控编码解码集成电路（PT2262/PT2272），采用L298N专用电机驱动芯片驱动电机，通过PWM脉冲调速，遥控器安装了矩阵键盘，通过NRF905实现车载系统和遥控系统的通信，实时显示小车当前的运行状态和所处的环境状况，从而实现了小车的无线智能遥控，使整个系统功能全面。无线遥控小车的控制系统将硬件系统，传感器，驱动控制以及遥控操作等综合起来，集成驱动、控制、传感和能源等于一体。首先要求具有小型化、轻量化的特点，因此要求控制系统尺寸小、重量轻、能耗低、能集成在小车体内；其次，实时性是对控制系统的另一个基本要求，对于不确定环境下的信息采集，处理对小车控制系统的实时性提出了更高的要求。另外，要求实现一个无线遥控小车的运动控制有诸多工程和技术方面的实际困难。遥控工作方式是目前普遍采用的最实用的控制方式，是解决小车智能发展水平与复杂任务要求之间的矛盾的一条有效途径。为了在复杂环境中获得有效的信息，小车必须配置各种类型的传感器。所以，针对无线遥控小车系统的作业性能等要求，配合合适的传感器系统作为移动无线遥控小车的感知系统是非常重要的。

依据无线遥控小车系统的总体结构，整个小车系统由移动平台、车载控制系统、遥控系统和传感检测四个部分组成。从系统总体来看，无线遥控小车有近端操作人员，远端移动小车和运行环境场所构成，由此构成了人—小车—环境三者相互紧密联系的一个整体。操作人员在遥控作业端根据作业任务的要求，通过遥控操作平台的人机交互接口，借助反馈信息控制小车完成特定的作业任务。操作人员依据终端反馈的信息，根据特定作业任务的要求发送操作与控制指令信息，控制无线遥控小车的前进、后退、转向、加速和减速。

1绪论

1.1课题背景和意义

随着电子技术的飞速发展，无线遥控已被广泛的应用到日常生活及工业中，如电视机、电冰箱、视屏监控系统、电视会议系统、多媒体教学系统、工业智能控制系统等多种领域都有应用。

无线遥控小车是上世纪提出的一种新型小车，由于在军事侦察、反恐、防暴、防核化及污染等危险与恶劣环境作业中有着广阔的应用前景，使其成为一个重要的研究热点。无线遥控小车具有体积小、成本低、生存能力强、运动灵活等特点。由于其应用场合特殊，所以特别要求这类小车重量轻、体积小、能耗低、实时性好、操作使用可靠。

本设计基于单片机控制的设计思想，选用廉价的遥控编码解码集成电路（PT2262/PT2272），采用L298N专用电机驱动芯片驱动电机，通过PWM脉冲调速，遥控器安装了矩阵键盘及液晶显示器，通过NRF905实现车载系统和遥控系统的通信，实时显示小车当前的运行状态和所处的环境状况，从而实现了小车的无线智能遥控，使整个系统功能全面。无线遥控小车的控制系统将硬件系统，传感器，驱动控制以及遥控操作等综合起来，集成驱动、控制、传感和能源等于一体。首先要求具有小型化、轻量化的特点，因此要求控制系统尺寸小、重量轻、能耗低、能集成在小车体内；其次，实时性是对控制系统的另一个基本要求，对于不确定环境下的信息采集，处理对小车控制系统的实时性提出了更高的要求。另外，要求实现一个无线遥控小车的运动控制有诸多工程和技术方面的实际困难。遥控工作方式是目前普遍采用的最实用的控制方式，是解决小车智能发展水平与复杂任务要求之间的矛盾的一条有效途径。为了在复杂环境中获得有效的信息，小车必须配置各种类型的传感器。所以，针对无线遥控小车系统的作业性能等要求，配合合适的传感器系统作为移动无线遥控小车的感知系统是非常重要的。

1.2国内外研究现状

我国的无线遥控小车研发工作始于20世纪70年代末，在国家“863”、“973”、“九五攻关”等高技术发展计划的重点支持下，取得了重大发展。从上世纪80年

代开始国内已开始大范围地进行有关无线遥控小车的研究。经过20多年的发展，国内在应用、研究发面已经发展得比较好。但是，跟发达国家相比，还存在一定的差距。

2 设计要求

2.1设计任务

设计一个基于单片机的无线遥控小车，用单片机作为主控芯片，通过无线遥控对小车进行实时性控制，利用无线数据采集系统将车载移动平台采集到数据信息传送到无线遥控系统的遥控器，通过无线遥控器的液晶显示器显示车载移动平台采集到的数据信息和小车当前的运行状态。

设计的主要要求如下：实现前进、后退、加速、减速、左转、右转以及实现车载移动系统和无线遥控系统的数据通行。

2.2原理描述

本设计主要由电机驱动与控制模块、无线遥控模块、无线数据采集模块基本分组成。

2.2.1 总体方案设计

总体方案设计结构图2-1如下：

图2-1 总体方案设计结构图

2.2.2 系统原理

系统以AT89S51单片机作为主控芯片，利用T0定时器中断产生精确的PWM （脉宽调试）脉冲波，通过专用电机驱动芯片L298N 精确控制电机的转速、转向；无线遥控模块采用编码解码芯片PT2262/PT2272实现无线发送、接收操作指令，车载移动平台上的单片机接收到操作指令后改变相应电机的PWM 脉冲波，从而调节小车当前的运行状态.

2.2.3方案设计与论证

根据设计要求，本系统主要由电机驱动与控制模块、无线遥控模块、无线数据采集模块、数据显示模块几部分组成。为了较好的实现各模块的功能，分别设

解码电路射频发射电路电机（驱动）

电机（转向）

AT89S51

计了几种方案分别进行了论证。

2.2.

3.1车体的设计

购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。但是一般的说来。玩具小车具有如下优点：首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，运行状态比较好。其次，这种电动车一般都是前轮转向后轮驱动，能够方便的实现转速、小车的直线前进与后退。再次，玩具电动车的电机多为直流电机，容易控制及调速，而且这种玩具车架一般都价格便宜。

我所购买的小车底盘具有以下性能特点：

1.底盘材质选用亚克力材料，由激光切割机加工而成，轻便灵活而不失韧度，底盘为类圆形，旋转快捷，赢得比赛时间；底盘直径加大至150MM，可以安装更多的传感器，为小车提供了更多的升级空间。

2. 底盘留有直径80MM的推球槽，适合做足球机器人或其它用途。

3. 减速电机选用JD3-100型减速电机，动力更大，载重更强。

4. 车轮由3片车轮片拼装而成，增加了车体的承重机械强度。

5. 轮胎材质选用抗老化的防滑硅胶，更适应光滑路面和爬坡的路面。

6. 电源方案选用3节AA电池盒，适合51系列、A VR系列、PIC系列等多种单片机或数字电路供电，本车还设计有18650锂电池盒预留位，方便选用。

7. 车体上安装4支铜柱用于固定小车主控板；为了方便升级小车，底盘预留了许多安装孔，适合安装主控板和传感器模块等一系列配件，也可以安装小车所需的其它电路板。

其电气参数如下：

电机电压：DC3-6V

电机电流：0.2A X 2

输出转速：50-100r/min

底盘直径：Φ150MM

车轮直径：Φ50MM

安装孔：Φ3MM

推球槽：Φ80MM

万向轮：Φ5MM

2.2.

3.2控制器模块

采用AT公司的AT89S51单片机作为主控制器。AT89S51是一个低功耗，高性能的8位单片机，片内含32k空间的可反复擦写100,000次的Flash只读存储器，具有2Kbytes的随机存取数据存储器（RAM），32个IO 口，3个8位可编程计数器。且AT89S51系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。

2.2.

3.3 遥控模块

采用RF无线遥控模块F05V、RF无线接收模块J04V，以及编码芯片PT2262解码芯片PT2272组成的无线遥控模块，此遥控模块在开阔地参考距离大于5米，

而且能够在有障碍物的情况下实现遥控，能够达到此无线遥控小车的性能要求。2.2.3.4 电机驱动模块

采用ST公司的L298N电机专用驱动芯片。工作电压高，最高工作电压达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作。

2.2.

3.5 无线通信模块

在本设计中，为了使遥控小车当前的运动状态，以及将车载系统检测到当前的环境参数传送到遥控平台的现实接口，就必须使用无线数据收发通信模块。我们采用NRF905，该模块与单片机接口比较简单，但价格比较贵。

2.2.

3.6 电源模块

在本设计，电机、车载系统、遥控器独立供电。电机驱动电源采用四节五号电池供电；车载系统采用9V电压供电；无线发射接受头F05V、J04V以及单片射频发射器芯片NRF905是3V电源供电，遥控器同样采用5V电压供电。

3 车载模块设计

车载模块是无线遥控小车的核心。它完成的主要工作包括：接收遥控器的控制命令并解析；控制一台驱动电机和一台转向电机；车载模块主要有以下部分电路构成：电机驱动与控制电路、无线遥控接收电路和无线数据采集电路。下面将对整个车载模块进行详细介绍。

3.1 AT89S51

主控芯片AT89S51是由美国Atmel公司生产的至今为止世界上最新型的高性能8位单片机。该芯片采用FLASH存储技术，内部具有2KB字节快闪存存储器，采用DIP封装，是目前在中小系统中应用最为普及的单片机。

3.1.1 AT89S51的特点

AT89S51 具有以下几个特点：

1、AT89S51与AT89S51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；

2、片内有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；

3、全静态工作，工作范围：0Hz~24MHz；

4、三级程序存储器加密；

5、128*8位内部RAM；

6、32位双向输入输出线；

7、两个十六位定时器/计数器；

8、五个中断源，两级中断优先级；

9、一个全双工的异步串行口；

10、间歇和掉电两种工作方式。

3.1.2 AT89S51的功能描述

AT89S51是一种低功耗、高性能、CMOS8位微处理器，片内有4k字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。它与MCA-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替AT89S51系列单片机，而且能使系统具有许多AT89S51系列产品没有的功能。

AT89S51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于4K，四个I/O口全部提供用户。可用5V 电压编程，而且擦写时间仅需10ms，仅为8751/87C51的擦除时间的百分之一，与8751/87C51的12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽2.7V~6V，全静态工作，工作频率宽在0Hz~24MHz之间，比8751/87C51等51系列的6MHz~12MHz更具有灵活性，系统能快能慢。AT89S51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。P0口是三态双向口，

统称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。

3.1.3引脚介绍

AT89S51单片机为40引脚芯片如图3-1所示：

图3-1 AT89S51芯片图

VCC ：供电电压。

GND ：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O 口，每脚可吸收8TTL 门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH 编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH 进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O 口，P1口缓冲器能接收输出4TTL 门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH 编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O 口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL 门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O 口，可接收输出4个TTL

EA/VP 31X119X218RESET 9RD 17WR

INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P27

PSEN

ALE/P 30TXD 11RXD 10AT89S51

门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。

口管脚备选功能

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1（外部中断1）

P3.4 T0（记时器0外部输入）

P3.5 T1（记时器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE 只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

振荡器特性：

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

3.1.4 单片机最小系统电路

EA/VP 31

X119X218RESET 9RD 17WR

INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P27

PSEN

ALE/P 30TXD 11RXD 10AT89S51

VCC

100p F

图3-2单片机最小系统电路

单片机的最小化系统是指单片机能正常工作所必须的外围元件，主要可以分成时钟电路和复位电路，我们采用的是AT89S51芯片，它内部自带4K 的FLASH 程序存储器，一般情况下，这4K 的存储空间足够我们使用，所以我们将AT89S51芯片的第31脚固定接高电平（PCB 画板时已经接死），所以我们只用芯片内部的4K 程序存储器。单片机的时钟电路有一个12M 的晶振和两个30P 的小电容组成，它们决定了单片机的工作时间精度为1微秒。复位电路由22UF 的电容和1K 的电阻及IN4148二极管组成，以前教科书上常推荐用10UF 电容和10K 电阻组成复位电路，这里我们根据实际经验选用22UF 的电容和1K 的电阻，其好处是在满足单片机可靠复位的前提下降低了复位引脚的对地阻抗，可以显著增强单片机复位电路的抗干扰能力。二极管的作用是起快速泄放电容电量的功能，满足短时间多次复位都能成功。AT89S51单片机个功能部件运行都是以时钟控制信号为基准，有条不紊地一拍一拍地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机的稳定性。常用的时钟电路设计一般有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。此电路采用内部时钟方式。

AT89S51单片机整个程序存储空间可以分为片外和片内两部分，CPU 访问片内和片外程序存储器，可由EA 引脚上所接的电平来确定。EA 引脚姐高电平时，程序将从片内程序存储器开始执行，即访问片内程序存储器；当PC 值超过片内ROM 的容量时，会自动转向片外程序存储器空间执行程序。此主控制器最小系统电力EA 端接高电平，程序将从片内程序存储器开始执行。

3.2 电机驱动芯片L298N

电机驱动模块采用L298N ，L298N 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

3.2.1 L298N 集成芯片简介

L298N 采用由达林顿管组成的H 型PWM 电路。PWM 电路由四个大功率晶体管组成H 桥电路构成，四个晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态，根据调整输入控脉冲的占空比，精确调整电动机转速。这种电路由于管子工作只在饱合和截止状态下，效率非常高。H 型电路使实现转速和方向的控制的简单化，且电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWN 调整技术。L298N 是双H 桥高电压大电流集成电路。每个H 桥的下侧桥臂晶体管发射极连在一起，其输出脚（SENSEA 和SENSEB ）用来连接电流检测电阻。Vss 接逻辑控制的电源。Vs 为电机驱动电源。IN1-IN4输入引脚为标准TTL 逻辑电平信号，用来控制H 桥的开与关即实现电机的正反转，ENA 、ENB 引脚则为使能控制端，用来输入PWM 信号实现电机调速。

3.2.2 L298N 的工作原理

L298N 可接受标准TTL 逻辑电平信号VSS ，VSS 可接4.5~7V 电压。4脚VSA 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。L298N 可驱动2个电动机，OUT1,OUT2,OUT3和OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。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。In3，In4的逻辑图与表1相同。由表1可知EnA 为底电平时，输入电平对电机控制器作用，当EnA 为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。

3.2.3 L298N 引脚及定义

SEN11OUT12OUT23VS 4INPUT15ENA 6INPUT27GND

VSS 9INPUT310ENB 11INPUT412OUT313OUT414SEN215

L298N

图3-3 L298N 引脚图