基于單片機(jī)的無(wú)線遙控小車設(shè)計(jì)與制作*

郭興龍

（廣州市市政職業(yè)學(xué)校，廣東廣州 510507）

0 引言

在科技技術(shù)更新日異月新的情況下，終身學(xué)習(xí)觀念已經(jīng)深入人心，學(xué)習(xí)對(duì)于人們來(lái)說(shuō)已經(jīng)必不可少了。但是，人們還是比較傾向于既能夠體驗(yàn)樂(lè)趣，又能夠?qū)W到專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)方法。本系統(tǒng)小車的制作，就是讓學(xué)習(xí)者在制作過(guò)程中，不僅體驗(yàn)制作樂(lè)趣，又學(xué)習(xí)了較強(qiáng)的專業(yè)知識(shí)，集趣味性、專業(yè)性于一體，其可行性是可以驗(yàn)證的。學(xué)習(xí)者完成該項(xiàng)目之后，電路板還可以擴(kuò)展制作其它科技作品，為后續(xù)的可持續(xù)學(xué)習(xí)提供素材。在制作完成過(guò)程中，學(xué)習(xí)者能夠詳細(xì)的了解電子元器件焊接技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、PCB板制作、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)、PWM控制理論以及上位機(jī)軟件應(yīng)用等的知識(shí)[1]，為今后的學(xué)習(xí)工作的深入發(fā)展，打下良好基礎(chǔ)。基于這一出發(fā)點(diǎn)，本文詳細(xì)介紹了遙控小車的設(shè)計(jì)與制作過(guò)程。

1 遙控小車系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本小車系統(tǒng)，主要由遙控發(fā)射板和接收驅(qū)動(dòng)板兩部分組成，接收驅(qū)動(dòng)板安裝在小車底盤(pán)上，底盤(pán)采用左右一個(gè)輪子和車架尾部一個(gè)萬(wàn)向輪的三角支撐結(jié)構(gòu)。輪子由T130的直流電動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)1:48變速后帶動(dòng)，系統(tǒng)控制左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速不一樣，存在一個(gè)轉(zhuǎn)速差，從而實(shí)現(xiàn)小車的不同角度的轉(zhuǎn)向控制。整個(gè)系統(tǒng)采用可充電電池供電的模式。

系統(tǒng)以NF-04-MI-2.4G無(wú)線模塊作為通訊介質(zhì)，以STC15W408AS為核心控制器，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。發(fā)送板單片機(jī)利用自帶的AD功能，對(duì)兩向手柄搖桿電位器的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣，按一定周期將AD數(shù)據(jù)和按鍵等信息，通過(guò)2.4G模塊發(fā)送出去。接收板的2.4G模塊，接收到有效信息之后，接收板單片機(jī)通過(guò)查詢的方式，將信息讀取出來(lái)。單片機(jī)再結(jié)合避障傳感器信號(hào)，利用PWM技術(shù)控制左右兩個(gè)電機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)小車的各種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)控制。PC機(jī)端上位機(jī)軟件，通過(guò)RS232串口與接收板、發(fā)送板通訊連接，將獨(dú)立的地址碼下載到單片機(jī)[2]，保存在單片機(jī)的EEROM，這樣，發(fā)送板和接收板地址一樣，就可以通訊連接上，并且保證不同的小車，地址碼不一樣，相互不干擾，能夠獨(dú)立控制。

圖1 遙控小車系統(tǒng)原理框圖

2 遙控小車硬件設(shè)計(jì)

小車硬件設(shè)計(jì)，包括主要元器件選型和電路設(shè)計(jì)等部分。

2.1 STC15W408AS單片機(jī)控制芯片

STC15W408AS單片機(jī)是深圳宏晶公司生產(chǎn)一款低成本、低功耗、超高速的、具有ISP功能的8051內(nèi)核單片機(jī)，最高工作頻率可以達(dá)到33 MHz，芯片采用SOP-16封裝，I/O口達(dá)到14個(gè)管腳，具有1路SPI、3路PWM、8路ADC、3個(gè)定時(shí)器和1個(gè)USART串口，8 kB的flash存儲(chǔ)器容量，512字節(jié)的SRAM和5 kB的EEPROM等資源，工作電壓是2.5～5.5V，內(nèi)部集成了晶振電路、看門狗電路和復(fù)位電路，芯片功能豐富，使用方便，開(kāi)發(fā)靈活，完全能夠滿足小車控制要求[3]。該芯片具有的ISP在線下載功能，可以通過(guò)串口，直接將編譯器生成的可執(zhí)行HEX文件燒錄到單片機(jī)，可以多次燒錄，開(kāi)發(fā)方便。

2.2 無(wú)線模塊NF-04-MI-2.4G[4]

NF-04-MI-2.4G無(wú)線模塊是一款基于BK245芯片設(shè)計(jì)的2.4G無(wú)線通信模塊，該模塊采用SPI接口模式，具有高穩(wěn)定性，高性價(jià)比，抗干擾強(qiáng)，低輻射，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。該模塊集成了發(fā)送、接收等鏈路層，有效數(shù)據(jù)量可達(dá)32字節(jié)，數(shù)據(jù)收發(fā)全部自動(dòng)完成，收發(fā)自動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)答信號(hào)。發(fā)送時(shí)，內(nèi)置CRC校驗(yàn)碼自動(dòng)生成，接收數(shù)據(jù)時(shí)，CRC自動(dòng)校驗(yàn)，能夠檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。該模塊還可以設(shè)置重復(fù)發(fā)送的時(shí)間和次數(shù)。單片機(jī)和無(wú)線模塊，通過(guò)SPI接口相連，接口簡(jiǎn)單，傳輸速率快，易于開(kāi)發(fā)。其主要特點(diǎn)參數(shù)如下：

（1）支持GFSK/FSK等通用調(diào)制方式，支持六通道數(shù)據(jù)收發(fā)；

（2）支持2Mbit/s/1Mbit/s/250kbit/s等數(shù)據(jù)速率；

（3）頻點(diǎn)多達(dá)126點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)通信和跳頻通信需要；

（4）內(nèi)部集成高PSRR的LDO；

（5）寬電源電壓范圍：1.9～3.6 V；

（6）功耗低，平均發(fā)射電流低至110 mA；

（7）接收靈敏度：-96dBm@250 kbit/s；

（8）最高發(fā)射功率：+7dBm。

其通訊數(shù)據(jù)包格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)包格式

其中，引導(dǎo)碼是固定格式的，地址碼3～5字節(jié)，由用戶設(shè)置，成套的設(shè)備地址碼必須一樣，否則通訊信息無(wú)效。通訊包控制位由相應(yīng)寄存器設(shè)置，控制通訊方式。有效數(shù)據(jù)可由用戶根據(jù)需要，決定數(shù)據(jù)量字節(jié)數(shù)，數(shù)據(jù)滿足需要即可，如果數(shù)據(jù)量較大，通訊時(shí)間相應(yīng)增加。CRC校驗(yàn)碼，在發(fā)送模式下，由系統(tǒng)自行計(jì)算產(chǎn)生，并且自動(dòng)發(fā)送；在接收模式下，系統(tǒng)根據(jù)接收的數(shù)據(jù)自動(dòng)核對(duì)校驗(yàn)碼，如果校驗(yàn)碼不對(duì)，接收的數(shù)據(jù)將被舍棄。

2.3 發(fā)送板電源設(shè)計(jì)[5]

為了同時(shí)滿足單片機(jī)和無(wú)線模塊同時(shí)工作，提高芯片工作穩(wěn)定性，發(fā)送板的工作電壓統(tǒng)一采用3.3 V。發(fā)送板主要由兩節(jié)五號(hào)電池供電，電池電壓經(jīng)過(guò)升壓芯HT7733S轉(zhuǎn)換之后，電壓穩(wěn)定在3.3 V，滿足系統(tǒng)工作要求。HT7733S是一款低噪聲，低紋波的同步型DC-DC升壓轉(zhuǎn)換芯片，采用SOT-23封裝，啟動(dòng)電壓低至0.7 V，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)80%，輸出電壓誤差范圍為±2.5%，輸出電流可達(dá)100 mA。外圍電路簡(jiǎn)單，只需要搭配一個(gè)10μH的功率電感即可，如圖2所示。

圖2 HT7733S電源設(shè)計(jì)電路

2.4 驅(qū)動(dòng)板電源設(shè)計(jì)電路

遙控小車動(dòng)力常用兩個(gè)130直流電機(jī)，其額定工作電壓是5 V，工作電壓范圍是3～9 V，空載電流是130 mA，小車一般使用可充電鎳鎘電池組，標(biāo)稱電壓是7.2 V，為滿足單片機(jī)和無(wú)線模塊電源需要，采用AMS1117-3.3電源芯片設(shè)計(jì)電路。AMS1117-3.3芯片是一款低功耗、低紋波的線性穩(wěn)壓電源集成模塊，采用SOT-223封裝，輸入電壓范圍為4～15 V，輸出電壓3.3 V，輸出電流可達(dá)1 A，電路簡(jiǎn)單、可靠，能夠完全滿足電路設(shè)計(jì)要求。電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 驅(qū)動(dòng)板電源設(shè)計(jì)

2.5 驅(qū)動(dòng)板電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[6]

小車的運(yùn)動(dòng)，主要是由兩個(gè)130直流有刷電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用MX612E芯片，其內(nèi)部采用H橋電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，電流內(nèi)阻低，內(nèi)部集成了N溝道和P溝道的功率MOSFET管，工作電壓范圍為2～9.6 V，工作可持續(xù)電流達(dá)1.4 A，峰值電流可達(dá)2.5 A，具有過(guò)熱保護(hù)功能，比較適合驅(qū)動(dòng)線圈、馬達(dá)等感性負(fù)載。其功能圖框如圖4所示。

圖4 MX612E原理結(jié)構(gòu)圖

如圖4所示，OUTA和OUTB接直流電動(dòng)機(jī)，VCC是邏輯控制電源，VDD是電機(jī)電源。INA和INB是控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)的邏輯輸入，連接到單片機(jī)的I/O口管腳。根據(jù)INA和INB輸入值，決定該芯片的工作狀態(tài)，其真值表如表2所示。

表2 真值表

MX612E芯片四種工作狀態(tài)如圖5所示。

當(dāng)INB或者INA為邏輯高電平的時(shí)候，另外一邊輸出PWM信號(hào)，直流電動(dòng)機(jī)在導(dǎo)通和剎車模式之間切換，電機(jī)轉(zhuǎn)速將受到PWM信號(hào)占空比控制，達(dá)到穩(wěn)定平滑調(diào)速效果。在剎車模式下，馬達(dá)儲(chǔ)存的能量通過(guò)低邊的NMOS管快速釋放。此外，如果PWM信號(hào)工作頻率過(guò)低，在PWM占空比較低的情況下，電機(jī)由剎車模式進(jìn)入導(dǎo)通模式下，會(huì)導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)無(wú)法平滑轉(zhuǎn)動(dòng)的情況。為減小電機(jī)噪音，PWM信號(hào)頻率控制在10 kHz～50 kHz的范圍之內(nèi)。

圖5 MX612E的四種工作模式

2.6 避障傳感器電路設(shè)計(jì)[5]

避障傳感器，主要采用紅外傳感器檢測(cè)，由紅外發(fā)光二極管和接收二極管組成。紅外發(fā)射二極管發(fā)射波長(zhǎng)約為940 nm的紅外線，如沒(méi)有遇到障礙物，紅外線將散射出去，遇到障礙物，紅外線被障礙物反射回來(lái)，光敏二極管接收到紅外線后，根據(jù)紅外線的光輻照度，其內(nèi)阻發(fā)生變化。

紅外傳感器避障利用此原理，電路設(shè)計(jì)如圖6所示，發(fā)射管不斷發(fā)出紅外線，接收管與電阻串聯(lián)，連接到電壓運(yùn)放的同相端，當(dāng)接收管接收紅外線之后，內(nèi)部導(dǎo)通，使同相端輸入電壓，與反相端電壓比較，輸出信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。調(diào)整電位器，可以調(diào)節(jié)紅外傳感器的檢測(cè)距離。

圖6 避障紅外傳感器電路設(shè)計(jì)

3 遙控小車程序設(shè)計(jì)[1]

3.1 遙控小車發(fā)送程序設(shè)計(jì)

遙控小車發(fā)送板，為提高通訊可靠性，NF-04-MI-2.4G模塊采用250 kbit/s的通訊速率，地址碼為5字節(jié)，CRC校驗(yàn)為2字節(jié)，重復(fù)發(fā)送次數(shù)是3次，通訊有效數(shù)據(jù)是5字節(jié)。通過(guò)計(jì)算，完成一次發(fā)送的時(shí)間約為0.48 ms，為保證CPU具有足夠的時(shí)間處理，采用10 ms的周期通訊一次。發(fā)送板單片機(jī)對(duì)兩個(gè)搖桿電位器進(jìn)行連續(xù)電壓采樣，為提高數(shù)據(jù)的有效性，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)平均值處理。10 ms的周期，采用定時(shí)器控制，定時(shí)時(shí)間一到，單片機(jī)將搖桿的AD數(shù)據(jù)、按鍵等信息發(fā)送出去。如果發(fā)送失敗，無(wú)線模塊自動(dòng)重發(fā)，若超過(guò)了設(shè)置的重復(fù)次數(shù)，單片機(jī)讀取到發(fā)送失敗的信息后，指示燈以1 Hz的頻率閃爍，如果通訊成功，以25 Hz的頻率閃爍。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖7所示。信號(hào)的AD采樣，采用中斷方式，采樣實(shí)時(shí)性要求不高，為降低CPU工作負(fù)荷，采樣周期是540時(shí)鐘，采樣次數(shù)達(dá)到15次之后，取平均值作為一次有效數(shù)據(jù)，其工作流程圖如圖8所示。

圖7 發(fā)送程序流程圖

3.2 遙控小車接收程序設(shè)計(jì)

圖8 AD采樣流程圖

接收驅(qū)動(dòng)板采用查詢控制方式。主函數(shù)不斷查詢無(wú)線模塊，檢測(cè)是否接收到有效信息。如果沒(méi)有檢測(cè)到有效信息或者通訊失敗，程序?qū)㈦妱?dòng)機(jī)做停機(jī)處理。如果接收到有效信息，根據(jù)AD采樣到的數(shù)據(jù)，決定小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由AD數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)運(yùn)算，利用單片機(jī)自帶的PWM發(fā)送控制寄存器，產(chǎn)生PWM信號(hào)，直接控制直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使小車速度平滑控制，系統(tǒng)采用開(kāi)環(huán)的控制方式。驅(qū)動(dòng)板接收程序流程圖如圖9所示。

系統(tǒng)初始化部分程序：

Timer0Init();

InitADC();

InitPCA();

Read_ADDRESS();

NF_04_MI_Init();

單片機(jī)STC15W408AS的PWM輸出，主要是由PCA模塊產(chǎn)生。PCA含是一個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，其時(shí)基可以是系統(tǒng)時(shí)鐘SYSclk、定時(shí)器0溢出和外部輸入ECI（P1.2），通過(guò)設(shè)置CMOD和CCON寄存器來(lái)選擇[3]。

為了提高電機(jī)控制的平滑度，PWM控制采8位的控制方式，其頻率是：

fPWM=PCA時(shí)基頻率/256

為提高系統(tǒng)處理速度，單片機(jī)采取內(nèi)部時(shí)鐘，沒(méi)有經(jīng)過(guò)分頻，其工作時(shí)鐘頻率是18.432 MHz的。PCA時(shí)基采用SYSclk/4，由上式計(jì)算：

fPWM=18 kHz，該頻率滿足電機(jī)控制的頻率范圍。

PWM控制初始化程序：

圖9 接收程序流程圖

CCON=0; //初始化PCA控制寄存器

CMOD=0x0a; //設(shè)置PCA時(shí)鐘源sysclk/4

CL=0; //復(fù)位PCA計(jì)數(shù)寄存器

CH=0;

PCA_PWM0=0x00;//PCA模塊工作于8位PWM

PCA_PWM1=0x00;PCA_PWM2=0x00;

4 上位機(jī)地址碼下載軟件[7]

為了防止不同的遙控小車控制信號(hào)相互干擾控制，為每個(gè)無(wú)線模塊分配個(gè)地址，利用VB6.0開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)上位機(jī)軟件。串口通訊編程主要基于MSComm控件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，傳輸協(xié)議由用戶自定義。地址碼由軟件生成，其中，班級(jí)、學(xué)號(hào)等信息由下拉控件選擇，軟件按照一定的規(guī)程，生成不一樣的地址碼。串口通訊幀格式由引導(dǎo)碼、數(shù)據(jù)和校驗(yàn)碼組成，引導(dǎo)碼固定，數(shù)據(jù)是班級(jí)、學(xué)號(hào)變換組成，校驗(yàn)碼是幀之前所有數(shù)據(jù)的累加和后，取低兩位字節(jié)。

MSComm串口控件初始化程序：

Private Sub ComInit()

Dim TempTxt As String

On Error GoTo Comm_Error

MSComm1.CommPort = Val(Right(Combo1.Text，1))

MSComm1.Settings=Val(Combo2.Text)&"，M，8，1"

MSComm1.InputMode=comInputModeBinary

MSComm1.InBufferCount=0

MSComm1.RThreshold=7

MSComm1.PortOpen=True

Exit Sub

MSComm串口控件發(fā)送數(shù)據(jù)程序：

MSComm1.InBufferCount=0

MSComm1.OutBufferCount=0

SendData(0)=&H55

SendData(1)=&HAD

SendData(2)=&H65

SendData(3)=Combo3.ListIndex*3+100

SendData(4)=Val(Combo4.Text)+43

SendData(5)=Val(Combo4.Text)+77

SendData(6) = (CLng(SendData(0)) +CLng(SendData(1))

+CLng(SendData(2))+CLng(SendData(3))+CLng(SendData(4))

+CLng(SendData(5)))Mod 256

MSComm1.Output=SendData

5 總結(jié)

經(jīng)過(guò)制作試驗(yàn)，本系統(tǒng)遙控小車，能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向等狀態(tài)控制，遇到障礙物，能夠及時(shí)停下來(lái)，在空曠地方，有效遙控范圍達(dá)到70多米。其中PWM控制的應(yīng)用，使小車的運(yùn)行速度可連續(xù)調(diào)節(jié)，特別是在轉(zhuǎn)彎的過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)輪子轉(zhuǎn)速差，可以控制轉(zhuǎn)向的大小，提升了用戶操控性體驗(yàn)性，克服了傳統(tǒng)的小車轉(zhuǎn)彎要么不轉(zhuǎn)、要么全轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向角度無(wú)法控制的弊端。通過(guò)上位機(jī)軟件，每套系統(tǒng)小車設(shè)置不一樣的地址后，多部小車同時(shí)運(yùn)行，沒(méi)有出現(xiàn)相互控制或者干擾的現(xiàn)象。小車驅(qū)動(dòng)續(xù)航能力，根據(jù)電池容量大小不一樣而不同。不足之處是，小車出于成本考慮，沒(méi)有使用傳感器檢測(cè)將電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋給單片機(jī)，采用開(kāi)環(huán)控制，在運(yùn)行過(guò)程中，一旦某一邊輪子負(fù)載過(guò)重，小車就偏離了原先路徑。整體上，遙控小車的功能基本上達(dá)到預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn)：

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［6］重慶中科芯億達(dá)電子有限公司.MX612E芯片資料.http：//mixic.com.cn/［EB/OL］.

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