基于單片機(jī)的車模無(wú)線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要今天我們已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)無(wú)線技術(shù)無(wú)所不在的時(shí)代。在家中，使用便利的無(wú)線電話；出門在外使用手機(jī)與遠(yuǎn)方的親人通話、發(fā)短消息；開車，GPS系統(tǒng)為我們導(dǎo)航指路；工作，使用無(wú)線網(wǎng)卡可以隨時(shí)隨地地進(jìn)行網(wǎng)上辦公等等。隨著技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)線通信和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將迅速地向我們?nèi)粘Ｉ钪械母鱾€(gè)方面擴(kuò)展，不久的將來(lái)我們大部分的電子產(chǎn)品都將是無(wú)線并可隨時(shí)在線的，一個(gè)無(wú)線社會(huì)很快就將成為現(xiàn)實(shí)，并將深刻改變?nèi)藗兊纳罘绞?。智能小車，也就是輪式機(jī)器人，最適合在那些人類無(wú)法工作的環(huán)境中工作，該技術(shù)可以應(yīng)用于無(wú)人駕駛機(jī)動(dòng)車，無(wú)人生產(chǎn)線，倉(cāng)庫(kù)，服務(wù)機(jī)器人，航空航天等領(lǐng)域。作為20世紀(jì)自動(dòng)化領(lǐng)域的重大成就，機(jī)器人已經(jīng)和人類社會(huì)的生產(chǎn)、生活密不可分。因此為了實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車的精確控制，進(jìn)一步研究及完善其速度和方向的控制是非常有必要的。本論文提出了一種基于AVR單片機(jī)的車模無(wú)線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體方案和實(shí)現(xiàn)方法。系統(tǒng)采用高速度低功效單片機(jī)ATMEGA8L和ATMEGA16L作為主控制芯片，315M無(wú)線收發(fā)模塊。車模采用四輪式結(jié)構(gòu)，利用L298N實(shí)現(xiàn)電機(jī)差分驅(qū)動(dòng)，并結(jié)合控制算法以及直流電機(jī)PWM調(diào)速實(shí)現(xiàn)方向、速度的快速調(diào)整。本系統(tǒng)集霍爾傳感器、無(wú)線通信、USB轉(zhuǎn)串口通信、上位機(jī)控制于一體，可以很方便地實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)車模無(wú)線運(yùn)動(dòng)的控制。關(guān)鍵詞AVR單片機(jī)；無(wú)線通信；PWM調(diào)速；車模ABSTRACTTODAYWEHAVEENTEREDINTOALLERAOFUBIQUITOUSWIRELESSTECHNOLOGYTHEWIRELESSPHONES,MOBILEPHONES,GPSNAVIGATIONSYSTEMANDWIRELESSNETWORKCARDCANBEAVAILABLEANDCONVENIENTFORPEOPLETOUSEANYTIMEANDANYWHEREWITHTHEADVANCEMENTOFTECHNOLOGY,WIRELESSCOMMUNICATIONSANDWIRELESSNETWORKSWILLQUICKLYAFFECTALLASPECTSOFOURDAILYLIFEANDMOSTOFTHEELECTRONICPRODUCTSWILLBEWIRELESSANDONLINEATANYTIMEINTHENEARFUTUREASOCIETYWITHWIRELESSTECHNOLOGYWILLBEAREALITYSOONANDWILLCHANGETHELIFESTYLEOFPEOPLEPROFOUNDLYINTELLIGENTVEHICLE,ALSOISCALLEDASWHEELEDROBOT,MOSTSUITSINTHEENVIRONMENTWHICHTHESEHUMANBEINGSAREUNABLETOWORK,THETECHNOLOGYCANBEAPPLIEDTOUNMANNEDVEHICLES,UNMANNEDPRODUCTIONLINES,WAREHOUSES,SERVICEROBOTS,AEROSPACEANDOTHERFIELDSASTHEMAJORACHIEVEMENTSINTHEFIELDOFAUTOMATIONOFTHE20THCENTURY,ROBOTICSANDHUMANSOCIETYHASBEENINSEPARABLEINPRODUCTIONANDDAILYLIFETHEREFORE,INORDERTOACHIEVEACCURACYCONTROLOFTHEINTELLIGENTVEHICLEANDIMPROVEITSSPEEDANDDIRECTIONCONTROLISVERYNECESSARYTHISPAPERPROPOSESTHEOVERALLDESIGNPLANANDTHEREALIZATIONMETHODOFONEKINDOFCARMODELWIRELESSMOTIONCONTROLBASEDONTHEAVRSINGLECHIPTHESYSTEMUSESHIGHSPEEDANDLOWPOWERATMEGA8LANDATMEGAL6LASTHEMAINCHIP,315MASWIRELESSTRANSCEIVERMODULESCARMODELUSESTHREEWHEELSTAKINGADVANTAGEOFL298NACHIEVEDIFFERENCEOPERATORANDCOMBININGWITHALGORITHMANDDCMACHINESOFPWMSPEEDCONTROLACHIEVETHEDIRECTIONANDSPEEDOFRAPIDADJUSTMENTTHESYSTEMSETSHALLSENSORS,WIRELESSCOMMUNICATIONS,USBTOSERIALCOMMUNICATIONSANDUPPERCOMPUTERCONTROLINONE,THUSMAKINGITEASYTOACHIEVEUPPERMONITORMOTIONCONTROLOFVEHICLEMODELKEYWORDSAVRSINGLECHIPWIRELESSCORRESPONDENCEPWMSPEEDCONTROLVEHICLEMODEL目錄摘要IABSTRACTII第1章緒論111課題研究的目的和意義112國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析113本論文主要內(nèi)容2第2章系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)321車模車體結(jié)構(gòu)分析322車模無(wú)線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)功能要求423總體設(shè)計(jì)思路424本章小結(jié)5第3章無(wú)線車?？刂葡到y(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)631硬件系統(tǒng)概述632AVR單片機(jī)芯片簡(jiǎn)介7321ATMEGA8L特性介紹8322ATMEGA16L特性介紹833電源電路設(shè)計(jì)934315M無(wú)線模塊9341無(wú)線模塊原理9342PT2262/2272編解碼芯片1035速度測(cè)量模塊1336L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊1337USB轉(zhuǎn)串口模塊1438本章小結(jié)15第4章無(wú)線車?？刂葡到y(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)1641系統(tǒng)軟件概述1642上位機(jī)軟件16421VB開發(fā)環(huán)境介紹16423MSCOMM控件屬性介紹16423上位機(jī)軟件功能介紹1743車模無(wú)線運(yùn)動(dòng)主控制程序設(shè)計(jì)18431上位機(jī)指令發(fā)射部分18432車模運(yùn)動(dòng)控制部分1944本章小結(jié)23總結(jié)24參考文獻(xiàn)25致謝26附錄127附錄228附錄329附錄431第1章緒論智能車INTELLIGENTVEHICLE又稱輪式機(jī)器人WHEELMOBILEROBOT，俗稱無(wú)人駕駛汽車AUTONOMOUSVEHICLE。它是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)駕駛等多種功能與一體的綜合控制系統(tǒng)。智能車是移動(dòng)機(jī)器人的一種，本章將介紹與智能賽車相關(guān)的移動(dòng)機(jī)器人和智能汽車的發(fā)展現(xiàn)狀及目的和意義。11課題研究的目的和意義隨著當(dāng)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制理論、能源技術(shù)等的快速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)在短短的幾十年間發(fā)生了同新月異的變化。機(jī)器人作為人類20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，其技術(shù)的發(fā)展代表著人類技術(shù)發(fā)展的最前沿，并將對(duì)人類社會(huì)的生產(chǎn)和生活帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。目前，高級(jí)形態(tài)的智能機(jī)器人已經(jīng)在各行各業(yè)中占據(jù)了不可取代的地位。機(jī)器人的誕生和機(jī)器人學(xué)的建立和發(fā)展是20世紀(jì)自動(dòng)控制最具說服力的成就，是20世紀(jì)人類科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的重大成果。機(jī)器人從爬行到學(xué)會(huì)兩腿直立行走僅僅用了20年，而人類的這一過程則經(jīng)歷了上百萬(wàn)年?，F(xiàn)在全世界已經(jīng)有超過100萬(wàn)臺(tái)機(jī)器人，銷售額每年增長(zhǎng)20以上，機(jī)器人技術(shù)和工業(yè)得到了前所未有的飛速發(fā)展。機(jī)器人已經(jīng)能夠使用工具，能看、能聽、能說，并且開始能進(jìn)行一些決策和思考的智能行為，其應(yīng)用也從傳統(tǒng)的加工制造業(yè)逐漸擴(kuò)展到軍事、海洋探測(cè)、宇宙探索等領(lǐng)域，并開始進(jìn)入家庭和服務(wù)行業(yè)。美國(guó)的遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人技術(shù)，在費(fèi)盧杰巷戰(zhàn)中，美軍還使用了“機(jī)器人偵察兵”。這些機(jī)器人偵察兵是由躲藏在安全地帶的士兵，使用無(wú)線電遙控器操縱遙控而完成任務(wù)的。它裝備有遙控紅外和同光攝像機(jī)，并具有良好的機(jī)動(dòng)性，可以爬樓梯，即使被撞翻在地，也能夠自動(dòng)翻轉(zhuǎn)過來(lái)，靈活地越過或繞過障礙物。當(dāng)接近爆炸裝置、地雷和建筑物內(nèi)敵人隱藏處時(shí)，它可以隱蔽在一邊，將攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，將相關(guān)的戰(zhàn)場(chǎng)信息傳遞給操縱員，操縱員通過頭盔顯示器接受信息。這些機(jī)器人的出現(xiàn)和參戰(zhàn)，大大減少了美軍遭襲的概率?，F(xiàn)在無(wú)線遙控已被廣泛地應(yīng)用到日常生活中及工業(yè)中，電視機(jī)、電冰箱、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、電視演播系統(tǒng)、電視會(huì)議系統(tǒng)、微格教學(xué)系統(tǒng)、工業(yè)智能控制等多種領(lǐng)域都有應(yīng)用，極大地方便了用戶的操作和使用。在這個(gè)科技飛速發(fā)展時(shí)代，車輛已經(jīng)越來(lái)越為我們熟悉，在很多人心目中，車已經(jīng)從代步工具上升到興趣愛好的地位。二十世紀(jì)六十年代末至七十年代初，無(wú)線電愛好者自己組裝的單通道無(wú)線電遙控設(shè)備開始運(yùn)用于車輛模型，七十年代中期后，模型用無(wú)線電遙控設(shè)備逐步實(shí)現(xiàn)了商品化，質(zhì)量穩(wěn)定且性能日益完善?，F(xiàn)在車輛模型競(jìng)技賽作為一種新型的高科技運(yùn)動(dòng)正在興起。所以在研究無(wú)線傳感器原理的基礎(chǔ)上，討論車模運(yùn)動(dòng)控制是很有必要的。12國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析智能小車是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支。早在20世紀(jì)60年代木期，斯坦福研究院SRI的NILSNILSSEN和CHARLESROSEN等人就研制出了名為SHAKEY的自主移動(dòng)機(jī)器人。其目的是研究應(yīng)用人工智能技術(shù)，在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。與此同時(shí)，最早的操作式步行機(jī)器人也研制成功，從而開始了機(jī)器人步行機(jī)構(gòu)方面的研究，以解決機(jī)器人在不平整地域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)問題，設(shè)計(jì)并研制出了多足步行機(jī)器人。其中最著名的是名為GENERALELECTRICQUADRUPED的步行機(jī)器人。20世紀(jì)70年代末，隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人研究又出現(xiàn)了新的高潮，特別是在80年代中期，設(shè)計(jì)和制造機(jī)器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司開始研制移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，這些移動(dòng)機(jī)器人主要作為大學(xué)實(shí)驗(yàn)室及研究機(jī)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從而促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人學(xué)多種研究方向的出現(xiàn)。20世紀(jì)90年代以來(lái)，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)、真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開展了移動(dòng)機(jī)器人更高層次的研究。美國(guó)PROBOTICS公司1999年生產(chǎn)的CYE小型家用移動(dòng)式服務(wù)機(jī)器人，它可牽引一輛小型拖車在室內(nèi)運(yùn)送飲料、信件等生活用品，或牽引吸塵器進(jìn)行室內(nèi)清潔工作。CYE采用雙輪差動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，環(huán)境信息的獲取采用地圖輸入方式，可跟蹤聲音信號(hào)，任務(wù)完成后能自動(dòng)返回總站待命。美國(guó)DENNING公司與WINDSOR工業(yè)公司90年代初合作生產(chǎn)的地面吸塵機(jī)器人ROBOSCRUB，它采用超聲傳感器檢測(cè)障礙，并配有高精度激光導(dǎo)航系統(tǒng)。ROBOSCRUB的導(dǎo)航系統(tǒng)需要光碼條來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人定位，限制了其應(yīng)用范圍。所示為KENT公司設(shè)計(jì)的另外一種清潔機(jī)器人ROBOKENT，它不需要導(dǎo)引條碼或定位路標(biāo)，但需要操作者輔助其完成對(duì)清掃區(qū)域周遍的探測(cè)，因而其清掃區(qū)域限于簡(jiǎn)單的矩形區(qū)域。目前，國(guó)內(nèi)在遠(yuǎn)程遙控機(jī)器人技術(shù)也取得了很多發(fā)展，但是跟國(guó)外比還是有一定的差距的。中國(guó)工業(yè)機(jī)器人經(jīng)過“七五”攻關(guān)計(jì)劃、“九五”攻關(guān)計(jì)劃和863計(jì)劃的支持已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)也已經(jīng)成熟，應(yīng)用上已經(jīng)遍及各行各業(yè)，但進(jìn)口機(jī)器人占了絕大多數(shù)。我國(guó)在某些關(guān)鍵技術(shù)上有所突破，但還缺乏整體核心技術(shù)的突破，具有中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人則很少。目前我國(guó)機(jī)器人技術(shù)相當(dāng)于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家20世紀(jì)80年代初的水平，特別是在制造工藝與裝備方面，不能生產(chǎn)高精密、高速與高效的關(guān)鍵部件。我國(guó)目前取得較大進(jìn)展的機(jī)器人技術(shù)有隧道掘進(jìn)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)、工程機(jī)械智能化機(jī)器人相關(guān)技術(shù)、裝配自動(dòng)化機(jī)器人相關(guān)技術(shù)?，F(xiàn)已開發(fā)出噴涂、搬運(yùn)、包裝、激光加工、檢驗(yàn)、真空、自動(dòng)導(dǎo)引車等工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品，主要應(yīng)用于汽車、摩托車、工程機(jī)械、家電等行業(yè)。本論文研究的是基于單片機(jī)無(wú)線運(yùn)動(dòng)控制的智能小車，它屬于兩輪驅(qū)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人。13本論文主要內(nèi)容本論文研究的主要內(nèi)容包括1智能小車相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。本論文首先概要介紹了與智能小車相關(guān)的機(jī)器人、智能車輛和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。2智能小車結(jié)構(gòu)的安裝、調(diào)整與完成。對(duì)智能小車車模進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改造，完成了電機(jī)的選擇及其安裝，構(gòu)建系統(tǒng)的整體方案。3控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與完成。從單片機(jī)的選擇開始，完成了電源模塊設(shè)計(jì)、無(wú)線收發(fā)模塊、速度測(cè)量模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊等的設(shè)計(jì)。4控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)。從單片機(jī)的功能入手完成系統(tǒng)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)整電機(jī)速度，接收上位機(jī)指令等功能。第2章系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)21車模車體結(jié)構(gòu)分析智能小車的運(yùn)動(dòng)方式有輪式、履帶式和步行方式。輪式和履帶式小車適用于條件較好的路面，而步行小車則適于條件較差的路面。為了適應(yīng)各種路面的情況，也可采用輪、腿、履帶并用。本設(shè)計(jì)中的小車主要工作是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)和路面條件較好的場(chǎng)合，所以采用輪式。對(duì)輪式小車進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，就必須知道小車的結(jié)構(gòu)原理，本節(jié)將闡述車模車體的基本結(jié)構(gòu)特征。四輪結(jié)構(gòu)是輪式小車的基本移動(dòng)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，能夠滿足一般的需要，所以應(yīng)用較為廣泛。對(duì)于小車的車體部分，如圖21，它采用大致長(zhǎng)方形的結(jié)構(gòu)，主要由底盤、兩減速電機(jī)、萬(wàn)向輪、車輪、霍爾傳感器等部分組成。在該結(jié)構(gòu)中，前輪和后輪的萬(wàn)向輪，僅起支撐作用，左右兩輪分別由兩個(gè)減速電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，而且旋轉(zhuǎn)半徑可以從零到無(wú)限大任意設(shè)定。其旋轉(zhuǎn)中心是在連接兩驅(qū)動(dòng)軸的直線上，所以旋轉(zhuǎn)半徑即使是0，旋轉(zhuǎn)中心也與車體的中心一致。鑒于該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于控制的優(yōu)點(diǎn)，本論文所研究的移動(dòng)機(jī)器人就采用這種四輪結(jié)構(gòu)，前輪和后輪為萬(wàn)向輪，左右兩輪由兩個(gè)減速電動(dòng)機(jī)分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。圖21車體結(jié)構(gòu)示意圖萬(wàn)向輪車輪減速電機(jī)霍爾傳感器磁鐵22車模無(wú)線運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)功能要求基于單片機(jī)的無(wú)線電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，是利用單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器。首先在信號(hào)發(fā)射控制系統(tǒng)中，將上位機(jī)信號(hào)經(jīng)USB轉(zhuǎn)串口通信傳輸?shù)轿⒖刂破魈幚?，通過數(shù)字編碼產(chǎn)生序列脈沖，經(jīng)ASK調(diào)頻發(fā)送信號(hào)。然后通過解調(diào)接收器將調(diào)頻發(fā)送信號(hào)還原為序列脈沖，連接到電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，通過其中的微控制芯片，根據(jù)指令信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)的控制。如調(diào)速控制、制動(dòng)控制等。23總體設(shè)計(jì)思路根據(jù)系統(tǒng)具體功能要求，可以對(duì)每一個(gè)具體部分進(jìn)行分析設(shè)計(jì)。整個(gè)控制系統(tǒng)分為硬件電路設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)兩部分。硬件電路主要包括USB轉(zhuǎn)串口模塊、無(wú)線收發(fā)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、霍爾傳感器測(cè)速模塊以及單片機(jī)與各部分接口的處理部分，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖如圖22。圖22系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖整個(gè)系統(tǒng)可劃分為無(wú)線收發(fā)電路部分、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路部分這兩大部分。無(wú)線收發(fā)電路采用遙控編碼、解碼集成芯片PT2262/PT2272為核心器件，它們是一對(duì)帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的無(wú)線遙控發(fā)射、接收芯片。再配合315M超再生模塊，使無(wú)線傳輸更加穩(wěn)定、可靠，功效更低。單片機(jī)通過USB轉(zhuǎn)串口模塊接收上位機(jī)指令，經(jīng)處理后，再通過無(wú)線發(fā)送，主控制模塊接收指令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行命令，實(shí)現(xiàn)無(wú)線收發(fā)功能。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路中，把無(wú)線模塊接收下來(lái)的相應(yīng)指令用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，是此部分控制電路是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路所要完成的最大功能就是要根據(jù)指令對(duì)車模的速度、方向進(jìn)行調(diào)節(jié)。在本論文中，采用PWM脈沖調(diào)速的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)小車速度的控制。為實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精確調(diào)整和小車直線行走問題，還加入了霍爾傳感器進(jìn)行測(cè)速。ATMEGA8LUSB轉(zhuǎn)串口模塊315M發(fā)射模塊PT26編碼芯片上位機(jī)315M接收模塊PT27解碼芯片ATMEGA16L電機(jī)驅(qū)動(dòng)無(wú)線發(fā)送霍爾傳感器測(cè)速左右電機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要由系統(tǒng)流程及各功能模塊程序組成。主要用來(lái)控制無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)、完成小車的速度測(cè)量、PWM電機(jī)速度調(diào)整、接收上位機(jī)信號(hào)等軟件編程。24本章小結(jié)本章提出了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合功能要求設(shè)計(jì)出本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)要的分析，并對(duì)各個(gè)控制環(huán)節(jié)進(jìn)行分析與探討，為后續(xù)的軟硬件設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。第3章無(wú)線車模控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)31硬件系統(tǒng)概述任何一個(gè)控制系統(tǒng)都離不開軟件程序賴以實(shí)現(xiàn)的物質(zhì)基礎(chǔ)硬件設(shè)計(jì)。本論文研究的系統(tǒng)選用AVR單片機(jī)ATMEGA8L和ATMEGA16L為控制核心，AVR單片機(jī)不僅具有強(qiáng)大高速的運(yùn)算處理能力，而且在片內(nèi)集成了豐富的電機(jī)控制外圍部件，這就大大簡(jiǎn)化了控制電路的硬件設(shè)計(jì)，加之采取了“硬件軟化”的設(shè)計(jì)方案，使得整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)潔。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖31和圖32所示。圖31上位機(jī)指令發(fā)射系統(tǒng)框圖圖32車模運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖控制系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成1核心微處理器ATMEGA8L和ATMEGA16L；2電源設(shè)計(jì)，單片機(jī)5V電源和6V減速電機(jī)的供電設(shè)計(jì)；3315M無(wú)線模塊的收發(fā)，PT2262/2272編解碼電路的構(gòu)成；4霍爾傳感器A44E配合磁鐵，把信號(hào)送進(jìn)AVR單片機(jī)的外部中斷進(jìn)行速度測(cè)量；5L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；6USB轉(zhuǎn)串口通信模塊。ATMEGA8L單片機(jī)USB轉(zhuǎn)串口模塊上位機(jī)無(wú)線發(fā)射電路ATMEGA16L單片機(jī)電源電路無(wú)線接收電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路霍爾傳感器測(cè)速電路指示燈電路ISP下載接口32AVR單片機(jī)芯片簡(jiǎn)介針對(duì)一定的用途，選擇合適的主控芯片是十分重要的。選擇功能過少的單片機(jī)，無(wú)法完成系統(tǒng)功能。選擇功能過強(qiáng)的單片機(jī)，則會(huì)造成資源浪費(fèi)。選擇的原則一般主要有以下幾點(diǎn)1單片機(jī)對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的適用性。例如是否有足夠的I/O管腳，是否含有所需的外圍部件，極限性能是否滿足要求等；2單片機(jī)的可購(gòu)買性；3單片機(jī)的可開發(fā)性。例如程序下載、調(diào)試工具；4技術(shù)支持；5語(yǔ)言體系與熟悉程度。根據(jù)第二章的設(shè)計(jì)思路，需用到外部中斷接口，PWM接口，考慮到I/O個(gè)數(shù)、單片機(jī)穩(wěn)定性并綜合實(shí)際情況，發(fā)射和接收模塊分別選用ATMEGA8L和ATMEGA16L為主控芯片。AVR單片機(jī)是美國(guó)ATMEL公司設(shè)計(jì)的，AVR單片機(jī)對(duì)原51單片機(jī)內(nèi)核進(jìn)行了較大改造，采用精簡(jiǎn)指令集RISCREDUCEDINSTRUCTIONSETCPU結(jié)構(gòu)，廢除了原51單片機(jī)中的機(jī)器周期，由原來(lái)12個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行一條指令改進(jìn)為一個(gè)時(shí)鐘執(zhí)行一條單周期指令，大多數(shù)指令執(zhí)行所需的時(shí)鐘周期數(shù)與指令的字節(jié)數(shù)相同，使得AVR單片機(jī)的運(yùn)行速度大大提高。AVR單片機(jī)的設(shè)計(jì)者除了改造51內(nèi)核外，還將FLASH、EEPROM、AD、WATCHDOG、SPI、PWM和片內(nèi)振蕩器等集合為一體，可以真正做到單片。AVR主要技術(shù)創(chuàng)新主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面1高性能，采用精簡(jiǎn)指令集CPURISC和哈佛HARVARD結(jié)構(gòu)的流水線技術(shù)，擁有32個(gè)通用工作寄存器；2片內(nèi)集成了非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及工作存儲(chǔ)器；3豐富的外設(shè)，如SPI、EEPROM、RTC、WATCHDOG定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換器、PWM和片內(nèi)振蕩器等；4寬工作電壓186V之間；5低功耗，具有6種休眠模式，能夠從低功耗模式迅速喚醒；6編譯好的目標(biāo)文件可通過在線編程ISP直接寫入程序存儲(chǔ)器，實(shí)現(xiàn)芯片在系統(tǒng)編程調(diào)試，無(wú)需購(gòu)買昂貴的仿真器和編程器，從而節(jié)省了系統(tǒng)開發(fā)成本；7I/O口資源豐富，設(shè)計(jì)靈活，驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)；8具有多復(fù)位源、多中斷源方式；9其USART不占用定時(shí)器，采用獨(dú)特的波特率發(fā)生器；10保密性強(qiáng)，F(xiàn)LASH程序存儲(chǔ)器具有保密鎖死功能。ATMEGA系列單片機(jī)屬于AVR中的高檔產(chǎn)品，它具有AVR單片機(jī)所具有的特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上，增加了更多的接口功能，提供更充足的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，而且在省電性能、穩(wěn)定性、抗干擾性以及靈活性方面考慮的更加周全和完善。本設(shè)計(jì)采用的ATMEGA8L、ATMEGA16L單片機(jī)，它也屬于ATMEGA系列單片機(jī)的一個(gè)子集。321ATMEGA8L特性介紹1ATMEGA8L因?yàn)椴捎昧讼冗M(jìn)的RISC精簡(jiǎn)指令集結(jié)構(gòu)，所以具有足夠快的運(yùn)行速度，可達(dá)1MIPS/MHZ，是普通CISC單片機(jī)的10倍；23個(gè)PWM通道，可實(shí)現(xiàn)任意小于16位、相位和頻率可調(diào)的PWM脈寬調(diào)制輸出；3有19個(gè)不同的獨(dú)立中斷源，并有特定的中斷允許位，提高了系統(tǒng)的安全性；4片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及工作存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)空間足以滿足系統(tǒng)需要，并為系統(tǒng)的擴(kuò)展提供了必要保證；523個(gè)可編程I/O口，可任意定義I/0的輸入/輸出方向；驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可直接驅(qū)動(dòng)LED等大電流負(fù)載，且多數(shù)的I/0口為復(fù)用口，除了作為通用數(shù)字I/O使用外，其第二功能可作為芯片內(nèi)部其他外圍電路的接口；6具有三個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，除了能夠?qū)崿F(xiàn)通常的定時(shí)和計(jì)數(shù)功能外，還具有捕捉、比較、脈寬調(diào)制輸出、實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)等更為強(qiáng)大的功能；7帶ADC和DAC轉(zhuǎn)換，可直接輸入模擬量、輸出數(shù)字量；8有看門狗電路，一旦程序進(jìn)入死循環(huán)能自動(dòng)復(fù)位，保證系統(tǒng)工作的可靠性；9有空閉、省電、掉電三種低功耗方式，特別適合低功耗系統(tǒng)的要求。322ATMEGA16L特性介紹ATMEGA16L的特性基本上與ATMEGA8L類似，同樣采用先進(jìn)的RISC精簡(jiǎn)指令結(jié)構(gòu)，速度同樣可以達(dá)到1MIPS/MHZ，而且功能更加強(qiáng)大，具體差別有以下幾點(diǎn)14個(gè)PWM通道，可滿足更多用戶的需要，實(shí)現(xiàn)多通道PWM脈寬調(diào)制的輸出；2有21個(gè)不同的獨(dú)立中斷源，增加了外部中斷2、定時(shí)/計(jì)數(shù)器0比較匹配這兩個(gè)中斷，是ATMEGA8L的升級(jí)版；332個(gè)可編程I/O口，可任意定義I/0的輸入/輸出方向，可滿足I/O口需要較多的用戶，解決I/O口缺少等問題；4在ATMEGA8L8KFLASH、512字節(jié)EEPROM、1K片內(nèi)的SRAM的基礎(chǔ)上ATMEGA16LFLASH空間增加到16K,從根本上解決了使用空間的憂慮。作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，ATMEGA8L和ATMEGA16L單片機(jī)具有的功能特點(diǎn)使它非常適合車模運(yùn)動(dòng)的控制設(shè)計(jì)。ATMEGA8L和ATMEGA16L管腳如圖33和圖34所示。圖33ATMEGA8L管腳圖34ATMEGA16L管腳33電源電路設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要使用72V和5V的直流穩(wěn)壓電源，其中發(fā)射部分的315M發(fā)射模塊和USB轉(zhuǎn)串口模塊、ATMEGA8L使用USB口的5V供電，小車部分采用72V鎳氫電池，經(jīng)過電容濾波分兩路進(jìn)行供電，一路是6V減速電機(jī)供電，另一路是ATMEGA16L、315M接收模塊、L298N芯片及其外圍器件供電。在電機(jī)啟動(dòng)以及轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較大的干擾信號(hào)，干擾信號(hào)一方面通過電源線直接進(jìn)入電源電路對(duì)整個(gè)電路產(chǎn)生干擾，另一方面電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電磁波經(jīng)過空間輻射對(duì)無(wú)線模塊接收電路形成干擾。以上兩種干擾途徑后者只要讓無(wú)線模塊和電機(jī)保持一定距離就能解決。而為了解決前者的干擾，在電機(jī)兩端并聯(lián)一個(gè)104電容濾波外，電機(jī)電源還使用了容值較大的1000UF電解電容和104瓷片電容進(jìn)行濾波，在7805穩(wěn)壓管輸入端和輸出端再進(jìn)行二次濾波，以減少電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的干擾信號(hào)。具體的電路如圖35所示。圖35小車電源電路部分34315M無(wú)線模塊341無(wú)線模塊原理為實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸指令，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，傳輸距離較遠(yuǎn)的315M無(wú)線模塊，在日常生活這一類模塊主要應(yīng)用于遙控領(lǐng)域。遙控器發(fā)射電路，有振蕩電路、高頻放大器，調(diào)制方式一般采用ASK和FSK。振蕩電路可以采用電容、電感的振蕩特性來(lái)設(shè)計(jì)，也可加入晶振來(lái)簡(jiǎn)單獲得載波信號(hào)。一般載波信號(hào)的頻率在315MHZ433MHZ，也可實(shí)現(xiàn)更高的頻率。通過高頻放大器，高頻信號(hào)獲得更高的發(fā)射能量，提高發(fā)射距離。發(fā)射電路原理如圖36。圖36發(fā)射原理框圖接收電路里面主要有天線，濾波電路，解調(diào)電路等幾部分組成。接收電路原理如圖37。ASK調(diào)制載波發(fā)生器高頻放大數(shù)據(jù)輸入天線ASK解調(diào)濾波數(shù)據(jù)輸出天線12P3OWER0FC479VINOUTGND85圖37接收原理框圖天線是一種導(dǎo)行波與自由空間波之間的轉(zhuǎn)換器件或換能器。其基本功能是發(fā)射和接收無(wú)線電波發(fā)射時(shí)，把高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波；接收時(shí)，把電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流。在本設(shè)計(jì)中，發(fā)射和接收模塊天線都采用了螺旋天線，以減少占用的空間。342PT2262/2272編解碼芯片PT2262/2272是臺(tái)灣普城公司生產(chǎn)的一種CMOS工藝制造的低功耗低價(jià)位通用編/解碼電路，是目前在無(wú)線通訊電路中作地址編碼識(shí)別最常用的芯片之一。PT2262/2272最多可有12位A0A11三態(tài)懸空,接高電平,接低電平地址設(shè)定管腳,任意組合可提供531441個(gè)地址碼。PT2262最多可有6位（D0D5）數(shù)據(jù)端管腳,設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從17腳（DOUT）串行輸出，可用于無(wú)線遙控發(fā)射電路。PT2262/2272的管腳圖38。對(duì)于編碼芯片PT2262，A0A5共6根線為地址線，而A6A11共6根線可以作為地址線，也可以作為數(shù)據(jù)線，這要取決于所配合使用的解碼芯片。若解碼芯片沒有數(shù)據(jù)線，則A6A11作為地址線使用，這種情況下，A0A11共12根地址線，每線都可以設(shè)置成“1”、“O”、“開路”三種狀態(tài)之一，因此共有編碼數(shù)312531441種，但若配對(duì)使用的解碼芯片的A6A11是數(shù)據(jù)線，例如PT2272，那么這時(shí)PT2262的A6A11也作為數(shù)據(jù)線用，并只可設(shè)置為“1”和“0”兩種狀態(tài)之一，而地址線只剩下A0A5共6根，編碼數(shù)降為36729種。圖38PT2262/2272管腳圖編碼芯片PT2262發(fā)出的編碼信號(hào)由地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個(gè)完整的碼字，解碼芯片PT2272接收到信號(hào)后，其地址碼經(jīng)過兩次比較核對(duì)后，VT腳才輸出高電平與此同時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平，如果發(fā)送端一直發(fā)送數(shù)據(jù)，編碼芯片也會(huì)連續(xù)發(fā)射。當(dāng)發(fā)射機(jī)沒有發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，PT2262不接通電源，其17腳為低電平，所以315MHZ的高頻發(fā)射電路不工作，當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，PT2262得電工作，其第17腳輸出經(jīng)調(diào)制的串行數(shù)據(jù)信號(hào)，當(dāng)17腳為高電平期間315MHZ的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)射等幅高頻信號(hào)，當(dāng)17腳為低平期間315MHZ的高頻發(fā)射電路停止振蕩，所以高頻發(fā)射電路完全收控于PT2262的17腳輸出的數(shù)字信號(hào)，從而對(duì)高頻電路完成幅度鍵控（ASK調(diào)制）相當(dāng)于調(diào)A01245D78VS9TEOSCOUTPIN制度為100的調(diào)幅。具體管腳功能如表39和310。表39編碼電路PT2262管腳功能名稱管腳說明D0D578、1013數(shù)據(jù)輸入端，有一個(gè)為“1”即有編碼發(fā)出，內(nèi)部下拉VCC18電源正端（）VSS9電源負(fù)端（）TE14編碼啟動(dòng)端，用于多數(shù)據(jù)的編碼發(fā)射，低電平有效OSC116振蕩電阻輸入端，與OSC2所接電阻決定振蕩頻率OSC215振蕩電阻振蕩器輸出端DOUT17編碼輸出端（正常時(shí)為低電平）表310解碼電路PT2272腳管功能名稱管腳說明A0A1118、1013地址管腳,用于進(jìn)行地址編碼,可置為“0”,“1”,“F”懸空,必須與2262一致,否則不解碼D0D578、1013地址或數(shù)據(jù)管腳,當(dāng)做為數(shù)據(jù)管腳時(shí),只有在地址碼與2262一致,數(shù)據(jù)管腳才能輸出與2262數(shù)據(jù)端對(duì)應(yīng)的高電平,否則輸出為低電平,鎖存型只有在接收到下一數(shù)據(jù)才能轉(zhuǎn)換VCC18電源正端（）VSS9電源負(fù)端（）DIN14數(shù)據(jù)信號(hào)輸入端，來(lái)自接收模塊輸出端OSC116振蕩電阻輸入端，與OSC2所接電阻決定振蕩頻率OSC215振蕩電阻振蕩器輸出端VT17解碼有效確認(rèn)輸出端（常低）解碼有效變成高電平（瞬態(tài)）在本設(shè)計(jì)中采用8位地址碼和4位數(shù)據(jù)碼，這時(shí)編碼電路PT2262的第18腳為地址設(shè)定腳，有三種狀態(tài)可供選擇懸空、接正電源、接地三種狀態(tài)，3的8次方為6561，所以地址編碼不可重復(fù)度為6561組，只有發(fā)射端PT2262和接收端PT2272的地址編碼完全相同，才能配對(duì)使用，芯片的這種設(shè)計(jì)允許一個(gè)遙控器對(duì)多個(gè)下位機(jī)進(jìn)行遙控。遙控模塊的生產(chǎn)家為了便于生產(chǎn)管理，出廠時(shí)遙控模塊的PT2262和PT2272的八位地址編碼端全部懸空，這樣用戶可以很方便選擇各種編碼狀態(tài)，如果想改變地址編碼，只要將PT2262和PT2272的18腳設(shè)置相同即可。在本設(shè)計(jì)中PT2262和PT2272的地址是7腳和8腳接地。PT2262和PT2272除地址編碼必須完全一致外，振蕩電阻還必須匹配，一般要求譯碼器振蕩頻率要高于編碼器振蕩頻率的258倍，否則接收距離會(huì)變近甚至無(wú)法接收。阻值越大振蕩頻率越慢，編碼的寬度越大，發(fā)碼一幀的時(shí)間越長(zhǎng)。本設(shè)計(jì)使用的是PT2262/12M、PT2272/200K組合，電路如圖311和312所示。圖311發(fā)射模塊電路圖312接收模塊電路35速度測(cè)量模塊方案一利用紅外線對(duì)射的方式，在小車的車輪安裝一個(gè)碼盤，碼盤均勻打上一定數(shù)量的遮光孔，由于碼盤隨電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，紅外線三極管接收到的是一系列的脈沖信號(hào)。A0123456/D78VS9TEOSCOUTPUMIBRPFKQLYNH通過檢測(cè)脈沖的個(gè)數(shù)，從而間接地測(cè)量速度和路程，但此方案碼盤的制作、安裝相對(duì)比較困難。方案二利用霍爾傳感器對(duì)裝在車輪上的小磁鐵進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而間接的測(cè)量小車速度。此方案?jìng)鞲衅鞯男盘?hào)強(qiáng)，電路簡(jiǎn)單。結(jié)合本系統(tǒng)的使用減速電機(jī)（減速前后的速度比為961），在電機(jī)的后端裝上一個(gè)齒輪，在齒輪上均勻分布2塊磁鐵，這樣可以大大提高測(cè)速的精度，而且精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于紅外對(duì)射的方式。因此本系統(tǒng)采用A44E集成開關(guān)霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。該傳感器是一種半導(dǎo)體器件，是利用霍爾效應(yīng)制成的，主要由穩(wěn)壓器、霍爾電勢(shì)發(fā)生器、差分放大器、斯密特觸發(fā)器和OC門輸出五個(gè)基本部分組成。當(dāng)霍爾傳感器處在磁場(chǎng)中時(shí)，在垂直于磁場(chǎng)的方向通以電流，則與這二者相垂直的方向上將會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)差輸出，該信號(hào)經(jīng)放HVH大器放大后送至施密特觸發(fā)器整形，使其成為方波輸出送到OC門輸出。當(dāng)施加的磁場(chǎng)達(dá)到工作點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)器輸出高電壓（相對(duì)于地電位），使三極管導(dǎo)通，此時(shí)OC門輸出低電平，三極管截止。當(dāng)施加的磁場(chǎng)到釋放點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)器輸出低電平，三極管截止，使OC門輸出高電平，這樣兩次電壓變換，使霍爾開關(guān)完成了一次開關(guān)動(dòng)作。把這樣的信號(hào)送到單片機(jī)的外部中斷1和外部中斷2，以測(cè)量小車左右輪的速度信息，電路如圖313所示。313霍爾傳感器電路36L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，曾使用過分立元件組成的橋式驅(qū)動(dòng)電路，這種電路可以由單片機(jī)直接對(duì)其進(jìn)行操作，但由于分立元件占用的空間比較大，考慮到小車的空間問題，而分立元件的電器性能分散不易調(diào)整，所以我們采用了市面易購(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N,它能同時(shí)控制兩個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，該芯片是利用TTL電平進(jìn)行控制，通過單片機(jī)的I/O口輸出高低電平，控制電機(jī)兩邊的電平變化，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，方便用戶操作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N為單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)用來(lái)接收DTL或者TTL邏輯電平驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載（比如繼電器，直流和步進(jìn)電機(jī)）。表314是其使能、輸入引腳和輸出管腳的邏輯關(guān)系。表314L298N管腳邏輯關(guān)系INTC03RGDOUP4SE5小車驅(qū)動(dòng)電路如圖315。L298N內(nèi)部集成了兩個(gè)橋式電路，通過單片機(jī)輸出過來(lái)的數(shù)字信號(hào)控制內(nèi)部與門的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出端電壓的正反控制，進(jìn)而控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。在小車運(yùn)行當(dāng)中，考慮到小車電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，感應(yīng)電流有可能過大導(dǎo)致電機(jī)燒毀，所以加了8個(gè)二極管續(xù)流，起到保護(hù)芯片的作用。ENA和ENB分別接PWM信號(hào)，通過控制ENA和ENB的接通時(shí)間，從而達(dá)到調(diào)速的效果。圖315L298N驅(qū)動(dòng)電路37USB轉(zhuǎn)串口模塊USB轉(zhuǎn)串口模塊全稱為USBTOSERIALPORTMODULE，它可以實(shí)現(xiàn)將USB接口虛擬成一個(gè)串口解決客戶無(wú)串口的苦惱?，F(xiàn)在市面上的USB轉(zhuǎn)串品的設(shè)備可謂是琳瑯滿目，質(zhì)量也是參差不齊。造成這種現(xiàn)象的根本原因就在于控制芯片的不同?，F(xiàn)在USB轉(zhuǎn)串口橋接芯片有很多，比如CP2102、FT232、PL2303等等。但并非每一種芯片都可以用作ISP下載。經(jīng)過測(cè)試CP2102是不能下載的，而FT232可以下載，但其價(jià)格實(shí)在不菲。最為合適的就是臺(tái)灣生產(chǎn)的PL2303，可以穩(wěn)定下載，并可以支持多種操作系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中USB轉(zhuǎn)串口模塊采用的就是PL2303芯片，用于實(shí)現(xiàn)USB和標(biāo)準(zhǔn)RS232串行端口之間的轉(zhuǎn)換，兩個(gè)獨(dú)立的大型緩沖用于兩種總線的連接。大型數(shù)據(jù)緩沖器用于USB的批量數(shù)據(jù)傳輸。自動(dòng)握手模式可用于串行通訊，因而可以達(dá)到遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)UART控制器的波特率。PL2303支持USB電源管理和遠(yuǎn)程喚醒協(xié)議。當(dāng)主機(jī)掛起時(shí)消耗極小的電能。所有功能集成在SOIC28封裝內(nèi)芯片亦可以安裝在電纜線中，用戶只要簡(jiǎn)單地把聯(lián)在電腦主機(jī)或USBHUB上，就可以實(shí)現(xiàn)與RS232器件的通信，電路如圖316所示。ENAENBIN1IN4IN2IN3電機(jī)運(yùn)行情況L停止HLL停止HHL正轉(zhuǎn)HLH反轉(zhuǎn)ENA6B1I527304OUTSV9GDCPWMXR_KPFY圖316USB轉(zhuǎn)串口模塊電路38本章小結(jié)本章概述了系統(tǒng)硬件組成及涉及思想，根據(jù)各功能模塊的不同，設(shè)計(jì)完成了對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵控制電路的設(shè)計(jì)并做了詳細(xì)介紹，此外還對(duì)硬件的選擇進(jìn)行了討論，為下一章軟件設(shè)計(jì)作準(zhǔn)備。第4章無(wú)線車?？刂葡到y(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)41系統(tǒng)軟件概述一個(gè)控制系統(tǒng)要正常工作，僅有硬件部分是不夠的，還需要軟件部分的配合才能構(gòu)成一個(gè)完整的控制系統(tǒng)。如果說硬件電路滿足了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的基本要求，并提供硬件保護(hù)，那么軟件則使電機(jī)獲得了優(yōu)異的調(diào)速性能，并提供軟件保護(hù)。硬件電路是軟件程序工作的基礎(chǔ)，而軟件程序能使硬件電路的功能得到充分的發(fā)揮，并實(shí)現(xiàn)一些硬件電路所不能實(shí)現(xiàn)的功能。所以它們兩者是相輔相成的。本章將根據(jù)硬件的設(shè)計(jì)，結(jié)合AVR單片機(jī)的編程特性討論系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)方法。無(wú)線車模運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件主要包括兩大部分，上位機(jī)指令發(fā)射系統(tǒng)程序模塊和車模運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)程序模塊。上位機(jī)指令發(fā)射系統(tǒng)程序模塊主要通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，并通過無(wú)線串行通訊向車模發(fā)送控制指令，車模運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)程序模塊是根據(jù)上位機(jī)發(fā)送來(lái)的指令，調(diào)用相應(yīng)的直流電機(jī)控制子程序，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制。由于本控制系統(tǒng)采用的AVR單片機(jī)支持C語(yǔ)言開發(fā)，它是一種高級(jí)語(yǔ)言，具有可移植性好、可讀性強(qiáng)、維護(hù)方便等特點(diǎn)，與高級(jí)語(yǔ)言匯編語(yǔ)言相比，它有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。所以本系統(tǒng)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)采用了C語(yǔ)言編程，開發(fā)環(huán)境采用ICCAVR。上位機(jī)軟件編寫采用VISUALBASIC編程語(yǔ)言，開發(fā)環(huán)境采用VISUALBASIC60。42上位機(jī)軟件421VB開發(fā)環(huán)境介紹VB是VISUALBASIC的簡(jiǎn)稱，是由美國(guó)微軟公司于1991年開發(fā)的一種可視化的、面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)化高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，可用于開發(fā)WINDOWS環(huán)境下的各類應(yīng)用程序。它簡(jiǎn)單易學(xué)、效率高，且功能強(qiáng)大可以與WINDOWS專業(yè)開發(fā)工具SDK相媲美。在VISUALBASIC環(huán)境下，利用事件驅(qū)動(dòng)的編程機(jī)制、新穎易用的可視化設(shè)計(jì)工具，使用WINDOWS內(nèi)部的廣泛應(yīng)用程序接口（API）函數(shù)，動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）、對(duì)象的鏈接與嵌入（OLE）、開放式數(shù)據(jù)連接（ODBC）等技術(shù)，可以高效、快速地開發(fā)WINDOWS環(huán)境下功能強(qiáng)大、圖形界面豐富的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)中，開發(fā)環(huán)境采用的是VISUALBASIC60簡(jiǎn)稱VB60。VB60是一種功能強(qiáng)大、簡(jiǎn)單易學(xué)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。它不保留了原先BASIC語(yǔ)言的全部功能,而且還增加了面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)功能。在VISUALBASIC中有一個(gè)名為MICROSOFTCOMMUNICATIONCONTROL（簡(jiǎn)稱MSCOMM）的通訊控件，只需通過對(duì)此控件的屬性和事件進(jìn)行相應(yīng)編程操作，就可以輕松地實(shí)現(xiàn)串口通訊。423MSCOMM控件屬性介紹由于MSCOMM控件屬性很多，在此僅介紹與實(shí)現(xiàn)串口通訊密切相關(guān)的核心屬性。1COMMPORT設(shè)置通訊所占用的串口號(hào)。如設(shè)成1（默認(rèn)值），表示對(duì)COM1進(jìn)行操作；2SETTING對(duì)串口通訊的相關(guān)參數(shù)。包括串口通訊的比特率，奇偶校驗(yàn)，數(shù)據(jù)位長(zhǎng)度、停止位等。其默認(rèn)值是“9600,N,8,1”，表示串口比特率是9600BIT/S，不作奇偶校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位；3PORTOPEN設(shè)置串口狀態(tài)，值為TRUE時(shí)打開串口，值為FALSE時(shí)關(guān)閉串口；4INPUT從輸入寄存器讀取數(shù)據(jù)，返回值為從串口讀取的數(shù)據(jù)內(nèi)容，同時(shí)輸入寄存器將被清空；5OUPUT發(fā)送數(shù)據(jù)到輸出寄存器；6INBUFFERCOUNT設(shè)置輸入寄存器所存儲(chǔ)的字符數(shù)，當(dāng)將其值設(shè)為0時(shí)，則輸入寄存器將被清空；7INPUTMODE設(shè)置從輸入寄存器中讀取數(shù)據(jù)的形式。若值為0，則表示以文本形式讀取；值為1，則表示以二進(jìn)制形式讀?。?OUTBUFFERCOUNT設(shè)置輸出寄存器所存儲(chǔ)的字符數(shù)，當(dāng)將其值設(shè)為0時(shí)，則輸出寄存器將被清空。423上位機(jī)軟件功能介紹本系統(tǒng)設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件具有界面直觀，操作方便等特點(diǎn)。支持9600BIT/S波特率，8位數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位，沒有校驗(yàn)位的串口通信方式。能自動(dòng)檢測(cè)串行接口并自動(dòng)打開串行通信，實(shí)際操作時(shí)只需點(diǎn)擊相關(guān)的按鈕，即可以驅(qū)動(dòng)小車執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作。上位機(jī)軟件控制控制界面如圖41所示。圖41上位機(jī)控制界面在本設(shè)計(jì)中，小車的動(dòng)作主要分為前進(jìn)加速、前進(jìn)減速、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止這五大指令，具體的指令如表42。表42系統(tǒng)指令表命令數(shù)據(jù)命令類型命令數(shù)據(jù)命令類型31H前進(jìn)加速38H左轉(zhuǎn)2032H前進(jìn)減速39H右轉(zhuǎn)533H停止3AH右轉(zhuǎn)834H左轉(zhuǎn)53BH右轉(zhuǎn)1035H左轉(zhuǎn)83CH右轉(zhuǎn)1536H左轉(zhuǎn)103DH右轉(zhuǎn)2037H左轉(zhuǎn)153EH后退43車模無(wú)線運(yùn)動(dòng)主控制程序設(shè)計(jì)431上位機(jī)指令發(fā)射部分在整個(gè)控制系統(tǒng)中，上位機(jī)控制系統(tǒng)的主要功能是發(fā)送指令數(shù)據(jù)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作，從而達(dá)到控制小車運(yùn)動(dòng)的目的。在上位機(jī)控制界面中，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊按鈕，單片機(jī)采用串口通信方式接收上位機(jī)軟件發(fā)送的指令。系統(tǒng)正常工作時(shí)，等待鼠標(biāo)點(diǎn)擊按鈕，點(diǎn)擊后通過USB轉(zhuǎn)串口模塊把相對(duì)應(yīng)的指令數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)，并通過無(wú)線發(fā)射模塊、PT2262編碼，發(fā)送對(duì)應(yīng)的指令數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線遙控功能。上位機(jī)指令發(fā)射部分流程圖如43所示。圖43上位機(jī)指令發(fā)射部分流程圖開始初始化單片機(jī)串口接收指令返回等待無(wú)線發(fā)送等待上位機(jī)指令YN鼠標(biāo)點(diǎn)擊上位機(jī)發(fā)送指令432車模運(yùn)動(dòng)控制部分無(wú)線接收部分在整個(gè)控制系統(tǒng)中的作用是通過PT2272接收來(lái)自上位機(jī)控制系統(tǒng)的指令，根據(jù)該指令控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)小車的上位機(jī)控制。整個(gè)主控制部分程序設(shè)計(jì)主要由無(wú)線接收子程序和電機(jī)控制子程序構(gòu)成。無(wú)線接收子程序主要用來(lái)接收上位機(jī)發(fā)送過來(lái)的控制指令，電機(jī)控制子程序主要是根據(jù)上位機(jī)發(fā)送過來(lái)的控制指令，驅(qū)動(dòng)具體的電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)某一角度、右轉(zhuǎn)某一角度、四檔加減速等動(dòng)作。程序流程如圖44所示。圖44車模無(wú)線接收部分當(dāng)無(wú)線模塊接收到指令，PT2272的VT管腳置為高電平（常為低電平），通過外部中斷0檢測(cè)VT管腳的上升沿變化，然后利用AVR單片機(jī)I/0口讀出指令信息，最后驅(qū)動(dòng)電機(jī)執(zhí)行指令。在小車前進(jìn)的時(shí)候，分為四檔加減速，每接收一個(gè)加速或減速指令，小車就變換一個(gè)檔位，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)的加減速控制。在小車的前進(jìn)或后退過程中，為了確保小車的直線行走，固定左車輪的PWM信號(hào)，通過調(diào)整右輪子電機(jī)的PWM信號(hào)，實(shí)現(xiàn)左右輪子速度的基本一致。程序流程圖45所示。開始初始化等待接收指令左轉(zhuǎn)某一角度前進(jìn)后退右轉(zhuǎn)某一角度返回YNSPED4SPED1SPEDSPED減速加速YNN停止圖45直線行走流程圖考慮到用戶的要求，小車向左轉(zhuǎn)和向右轉(zhuǎn)分別都有5個(gè)角度的轉(zhuǎn)向，分別是5、8、10、15、20。小車的轉(zhuǎn)彎會(huì)有一個(gè)轉(zhuǎn)彎半徑，轉(zhuǎn)彎半徑的大小決定了小車的轉(zhuǎn)彎快慢。轉(zhuǎn)彎半徑越大，小車轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)越慢；轉(zhuǎn)彎半徑越小，小車轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)越快。本論文研究的小車是兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的小車，它可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)，這比汽車的兩輪驅(qū)動(dòng)更有優(yōu)勢(shì)方向盤驅(qū)動(dòng)兩個(gè)連在一條軸上的兩輪。兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的小車可以更加靈活地轉(zhuǎn)向，它可以走出正方形的軌跡甚至原地掉頭。如圖46是小車的左轉(zhuǎn)彎算法示意圖。圖中B是小車的左右輪之間的距離即輪距，是小車前進(jìn)的速度，左是小車左輪速度，右是右輪速度,是轉(zhuǎn)彎半徑，是小車VVVR轉(zhuǎn)彎的角速度。為了下面公式編輯，用所代表左，用代表右。LRV當(dāng)轉(zhuǎn)彎半徑等于0時(shí)R（41）（42）（43）此時(shí)小車兩個(gè)輪子的速度大小相等，方向相反，小車將原地打轉(zhuǎn)，由公式（41）和192RNVLLRR開始初始化前進(jìn)后退L_COUNT_S21R_COUNT_S2OCR1AOCR1AUCHARL_COUNT_S2RCOUNT_S2測(cè)速返回大于小于OCR1AOCR1A_S45OCR1AOCR1AUCHAR_COUNT_S2LCOUNT_S2NNYY（43）可以推導(dǎo)出（44）當(dāng)