摘要今天我們已經進入了一個無線技術無所不在的時代。在家中，使用便利的無線電話；出門在外使用手機與遠方的親人通話、發短消息；開車，GPS系統為我們導航指路；工作，使用無線網卡可以隨時隨地地進行網上辦公等等。隨著技術的進步，無線通信和無線網絡將迅速地向我們日常生活中的各個方面擴展，不久的將來我們大部分的電子產品都將是無線并可隨時在線的，一個無線社會很快就將成為現實，并將深刻改變人們的生活方式。智能小車，也就是輪式機器人，最適合在那些人類無法工作的環境中工作，該技術可以應用于無人駕駛機動車，無人生產線，倉庫，服務機器人，航空航天等領域。作為20世紀自動化領域的重大成就，機器人已經和人類社會的生產、生活密不可分。因此為了實現對智能小車的精確控制，進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單片機的車模無線運動控制系統設計的總體方案和實現方法。系統采用高速度低功效單片機ATMEGA8L和ATMEGA16L作為主控制芯片，315M無線收發模塊。車模采用四輪式結構，利用L298N實現電機差分驅動，并結合控制算法以及直流電機PWM調速實現方向、速度的快速調整。本系統集霍爾傳感器、無線通信、USB轉串口通信、上位機控制于一體，可以很方便地實現上位機對車模無線運動的控制。關鍵詞AVR單片機；無線通信；PWM調速；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國內外研究現狀及分析113本論文主要內容2第2章系統整體方案設計321車模車體結構分析322車模無線運動控制系統功能要求423總體設計思路424本章小結5第3章無線車模控制系統的硬件設計和實現631硬件系統概述632AVR單片機芯片簡介7321ATMEGA8L特性介紹8322ATMEGA16L特性介紹833電源電路設計934315M無線模塊9341無線模塊原理9342PT2262/2272編解碼芯片1035速度測量模塊1336L298N電機驅動模塊1337USB轉串口模塊1438本章小結15第4章無線車模控制系統的軟件設計和實現1641系統軟件概述1642上位機軟件16421VB開發環境介紹16423MSCOMM控件屬性介紹16423上位機軟件功能介紹1743車模無線運動主控制程序設計18431上位機指令發射部分18432車模運動控制部分1944本章小結23總結24參考文獻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又稱輪式機器人WHEELMOBILEROBOT，俗稱無人駕駛汽車AUTONOMOUSVEHICLE。它是一個集環境感知、規劃決策、自動駕駛等多種功能與一體的綜合控制系統。智能車是移動機器人的一種，本章將介紹與智能賽車相關的移動機器人和智能汽車的發展現狀及目的和意義。11課題研究的目的和意義隨著當代計算機技術、控制理論、能源技術等的快速發展，機器人技術在短短的幾十年間發生了同新月異的變化。機器人作為人類20世紀最偉大的發明之一，其技術的發展代表著人類技術發展的最前沿，并將對人類社會的生產和生活帶來深遠的影響。目前，高級形態的智能機器人已經在各行各業中占據了不可取代的地位。機器人的誕生和機器人學的建立和發展是20世紀自動控制最具說服力的成就，是20世紀人類科學技術進步的重大成果。機器人從爬行到學會兩腿直立行走僅僅用了20年，而人類的這一過程則經歷了上百萬年。現在全世界已經有超過100萬臺機器人，銷售額每年增長20以上，機器人技術和工業得到了前所未有的飛速發展。機器人已經能夠使用工具，能看、能聽、能說，并且開始能進行一些決策和思考的智能行為，其應用也從傳統的加工制造業逐漸擴展到軍事、海洋探測、宇宙探索等領域，并開始進入家庭和服務行業。美國的遠程遙控機器人技術，在費盧杰巷戰中，美軍還使用了“機器人偵察兵”。這些機器人偵察兵是由躲藏在安全地帶的士兵，使用無線電遙控器操縱遙控而完成任務的。它裝備有遙控紅外和同光攝像機，并具有良好的機動性，可以爬樓梯，即使被撞翻在地，也能夠自動翻轉過來，靈活地越過或繞過障礙物。當接近爆炸裝置、地雷和建筑物內敵人隱藏處時，它可以隱蔽在一邊，將攝像機對準目標，將相關的戰場信息傳遞給操縱員，操縱員通過頭盔顯示器接受信息。這些機器人的出現和參戰，大大減少了美軍遭襲的概率。現在無線遙控已被廣泛地應用到日常生活中及工業中，電視機、電冰箱、視頻監控系統、電視演播系統、電視會議系統、微格教學系統、工業智能控制等多種領域都有應用，極大地方便了用戶的操作和使用。在這個科技飛速發展時代，車輛已經越來越為我們熟悉，在很多人心目中，車已經從代步工具上升到興趣愛好的地位。二十世紀六十年代末至七十年代初，無線電愛好者自己組裝的單通道無線電遙控設備開始運用于車輛模型，七十年代中期后，模型用無線電遙控設備逐步實現了商品化，質量穩定且性能日益完善。現在車輛模型競技賽作為一種新型的高科技運動正在興起。所以在研究無線傳感器原理的基礎上，討論車模運動控制是很有必要的。12國內外研究現狀及分析智能小車是機器人學中的一個重要分支。早在20世紀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的自主移動機器人。其目的是研究應用人工智能技術，在復雜環境下機器人系統的自主推理、規劃和控制。與此同時，最早的操作式步行機器人也研制成功，從而開始了機器人步行機構方面的研究，以解決機器人在不平整地域內的運動問題，設計并研制出了多足步行機器人。其中最著名的是名為GENERALELECTRICQUADRUPED的步行機器人。20世紀70年代末，隨著計算機的應用和傳感技術的發展，移動機器人研究又出現了新的高潮，特別是在80年代中期，設計和制造機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機器人平臺，這些移動機器人主要作為大學實驗室及研究機構的移動機器人實驗平臺，從而促進了移動機器人學多種研究方向的出現。20世紀90年代以來，以研制高水平的環境信息傳感器和信息處理技術，高適應性的移動機器人控制技術、真實環境下的規劃技術為標志，開展了移動機器人更高層次的研究。美國PROBOTICS公司1999年生產的CYE小型家用移動式服務機器人，它可牽引一輛小型拖車在室內運送飲料、信件等生活用品，或牽引吸塵器進行室內清潔工作。CYE采用雙輪差動驅動方式，環境信息的獲取采用地圖輸入方式，可跟蹤聲音信號，任務完成后能自動返回總站待命。美國DENNING公司與WINDSOR工業公司90年代初合作生產的地面吸塵機器人ROBOSCRUB，它采用超聲傳感器檢測障礙，并配有高精度激光導航系統。ROBOSCRUB的導航系統需要光碼條來實現機器人定位，限制了其應用范圍。所示為KENT公司設計的另外一種清潔機器人ROBOKENT，它不需要導引條碼或定位路標，但需要操作者輔助其完成對清掃區域周遍的探測，因而其清掃區域限于簡單的矩形區域。目前，國內在遠程遙控機器人技術也取得了很多發展，但是跟國外比還是有一定的差距的。中國工業機器人經過“七五”攻關計劃、“九五”攻關計劃和863計劃的支持已經取得了較大進展，工業機器人市場也已經成熟，應用上已經遍及各行各業，但進口機器人占了絕大多數。我國在某些關鍵技術上有所突破，但還缺乏整體核心技術的突破，具有中國知識產權的工業機器人則很少。目前我國機器人技術相當于國外發達國家20世紀80年代初的水平，特別是在制造工藝與裝備方面，不能生產高精密、高速與高效的關鍵部件。我國目前取得較大進展的機器人技術有隧道掘進機器人相關技術、工程機械智能化機器人相關技術、裝配自動化機器人相關技術。現已開發出噴涂、搬運、包裝、激光加工、檢驗、真空、自動導引車等工業機器人產品，主要應用于汽車、摩托車、工程機械、家電等行業。本論文研究的是基于單片機無線運動控制的智能小車，它屬于兩輪驅動的移動機器人。13本論文主要內容本論文研究的主要內容包括1智能小車相關領域的研究現狀。本論文首先概要介紹了與智能小車相關的機器人、智能車輛和國內外研究現狀。2智能小車結構的安裝、調整與完成。對智能小車車模進行了結構改造，完成了電機的選擇及其安裝，構建系統的整體方案。3控制系統的硬件設計與完成。從單片機的選擇開始，完成了電源模塊設計、無線收發模塊、速度測量模塊、驅動控制模塊、USB轉串口模塊等的設計。4控制系統軟件的設計及實現。從單片機的功能入手完成系統各個模塊的設計，實現PWM調整電機速度，接收上位機指令等功能。第2章系統整體方案設計21車模車體結構分析智能小車的運動方式有輪式、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。為了適應各種路面的情況，也可采用輪、腿、履帶并用。本設計中的小車主要工作是在實驗室內和路面條件較好的場合，所以采用輪式。對輪式小車進行遠程控制，就必須知道小車的結構原理，本節將闡述車模車體的基本結構特征。四輪結構是輪式小車的基本移動結構，其結構比較簡單，能夠滿足一般的需要，所以應用較為廣泛。對于小車的車體部分，如圖21，它采用大致長方形的結構，主要由底盤、兩減速電機、萬向輪、車輪、霍爾傳感器等部分組成。在該結構中，前輪和后輪的萬向輪，僅起支撐作用，左右兩輪分別由兩個減速電機獨立驅動，而且旋轉半徑可以從零到無限大任意設定。其旋轉中心是在連接兩驅動軸的直線上，所以旋轉半徑即使是0，旋轉中心也與車體的中心一致。鑒于該機構結構簡單、便于控制的優點，本論文所研究的移動機器人就采用這種四輪結構，前輪和后輪為萬向輪，左右兩輪由兩個減速電動機分別獨立驅動。圖21車體結構示意圖萬向輪車輪減速電機霍爾傳感器磁鐵22車模無線運動控制系統功能要求基于單片機的無線電機驅動控制，是利用單片機作為系統的主控制器。首先在信號發射控制系統中，將上位機信號經USB轉串口通信傳輸到微控制器處理，通過數字編碼產生序列脈沖，經ASK調頻發送信號。然后通過解調接收器將調頻發送信號還原為序列脈沖，連接到電機驅動控制系統，通過其中的微控制芯片，根據指令信號執行相應的控制。如調速控制、制動控制等。23總體設計思路根據系統具體功能要求，可以對每一個具體部分進行分析設計。整個控制系統分為硬件電路設計和軟件程序設計兩部分。硬件電路主要包括USB轉串口模塊、無線收發模塊、電機驅動模塊、霍爾傳感器測速模塊以及單片機與各部分接口的處理部分，系統設計方案圖如圖22。圖22系統設計方案圖整個系統可劃分為無線收發電路部分、電機驅動控制電路部分這兩大部分。無線收發電路采用遙控編碼、解碼集成芯片PT2262/PT2272為核心器件，它們是一對帶地址、數據編碼功能的無線遙控發射、接收芯片。再配合315M超再生模塊，使無線傳輸更加穩定、可靠，功效更低。單片機通過USB轉串口模塊接收上位機指令，經處理后，再通過無線發送，主控制模塊接收指令，驅動電機執行命令，實現無線收發功能。在電機驅動控制電路中，把無線模塊接收下來的相應指令用來驅動電機運行，是此部分控制電路是整個控制系統的核心。電機驅動控制電路所要完成的最大功能就是要根據指令對車模的速度、方向進行調節。在本論文中，采用PWM脈沖調速的方式實現對小車速度的控制。為實現電機轉速的精確調整和小車直線行走問題，還加入了霍爾傳感器進行測速。ATMEGA8LUSB轉串口模塊315M發射模塊PT26編碼芯片上位機315M接收模塊PT27解碼芯片ATMEGA16L電機驅動無線發送霍爾傳感器測速左右電機軟件設計主要由系統流程及各功能模塊程序組成。主要用來控制無線數據的收發、完成小車的速度測量、PWM電機速度調整、接收上位機信號等軟件編程。24本章小結本章提出了整個系統的設計方案，結合功能要求設計出本系統的整體結構，對車體結構進行了簡要的分析，并對各個控制環節進行分析與探討，為后續的軟硬件設計奠定了基礎。第3章無線車模控制系統的硬件設計和實現31硬件系統概述任何一個控制系統都離不開軟件程序賴以實現的物質基礎硬件設計。本論文研究的系統選用AVR單片機ATMEGA8L和ATMEGA16L為控制核心，AVR單片機不僅具有強大高速的運算處理能力，而且在片內集成了豐富的電機控制外圍部件，這就大大簡化了控制電路的硬件設計，加之采取了“硬件軟化”的設計方案，使得整個控制系統的硬件設計比較簡潔。系統結構框圖如圖31和圖32所示。圖31上位機指令發射系統框圖圖32車模運動控制系統框圖控制系統主要由以下幾個部分組成1核心微處理器ATMEGA8L和ATMEGA16L；2電源設計，單片機5V電源和6V減速電機的供電設計；3315M無線模塊的收發，PT2262/2272編解碼電路的構成；4霍爾傳感器A44E配合磁鐵，把信號送進AVR單片機的外部中斷進行速度測量；5L298N電機驅動模塊；6USB轉串口通信模塊。ATMEGA8L單片機USB轉串口模塊上位機無線發射電路ATMEGA16L單片機電源電路無線接收電路電機驅動電路霍爾傳感器測速電路指示燈電路ISP下載接口32AVR單片機芯片簡介針對一定的用途，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，無法完成系統功能。選擇功能過強的單片機，則會造成資源浪費。選擇的原則一般主要有以下幾點1單片機對應用系統的適用性。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單片機的可購買性；3單片機的可開發性。例如程序下載、調試工具；4技術支持；5語言體系與熟悉程度。根據第二章的設計思路，需用到外部中斷接口，PWM接口，考慮到I/O個數、單片機穩定性并綜合實際情況，發射和接收模塊分別選用ATMEGA8L和ATMEGA16L為主控芯片。AVR單片機是美國ATMEL公司設計的，AVR單片機對原51單片機內核進行了較大改造，采用精簡指令集RISCREDUCEDINSTRUCTIONSETCPU結構，廢除了原51單片機中的機器周期，由原來12個時鐘執行一條指令改進為一個時鐘執行一條單周期指令，大多數指令執行所需的時鐘周期數與指令的字節數相同，使得AVR單片機的運行速度大大提高。AVR單片機的設計者除了改造51內核外，還將FLASH、EEPROM、AD、WATCHDOG、SPI、PWM和片內振蕩器等集合為一體，可以真正做到單片。AVR主要技術創新主要體現在以下幾個方面1高性能，采用精簡指令集CPURISC和哈佛HARVARD結構的流水線技術，擁有32個通用工作寄存器；2片內集成了非易失性程序和數據存儲器以及工作存儲器；3豐富的外設，如SPI、EEPROM、RTC、WATCHDOG定時器、A/D轉換器、PWM和片內振蕩器等；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編譯好的目標文件可通過在線編程ISP直接寫入程序存儲器，實現芯片在系統編程調試，無需購買昂貴的仿真器和編程器，從而節省了系統開發成本；7I/O口資源豐富，設計靈活，驅動力強；8具有多復位源、多中斷源方式；9其USART不占用定時器，采用獨特的波特率發生器；10保密性強，FLASH程序存儲器具有保密鎖死功能。ATMEGA系列單片機屬于AVR中的高檔產品，它具有AVR單片機所具有的特點，并在此基礎上，增加了更多的接口功能，提供更充足的程序和數據存儲器，而且在省電性能、穩定性、抗干擾性以及靈活性方面考慮的更加周全和完善。本設計采用的ATMEGA8L、ATMEGA16L單片機，它也屬于ATMEGA系列單片機的一個子集。321ATMEGA8L特性介紹1ATMEGA8L因為采用了先進的RISC精簡指令集結構，所以具有足夠快的運行速度，可達1MIPS/MHZ，是普通CISC單片機的10倍；23個PWM通道，可實現任意小于16位、相位和頻率可調的PWM脈寬調制輸出；3有19個不同的獨立中斷源，并有特定的中斷允許位，提高了系統的安全性；4片內集成了較大容量的非易失性程序和數據存儲器以及工作存儲器，存儲空間足以滿足系統需要，并為系統的擴展提供了必要保證；523個可編程I/O口，可任意定義I/0的輸入/輸出方向；驅動能力強，可直接驅動LED等大電流負載，且多數的I/0口為復用口，除了作為通用數字I/O使用外，其第二功能可作為芯片內部其他外圍電路的接口；6具有三個定時/計數器，除了能夠實現通常的定時和計數功能外，還具有捕捉、比較、脈寬調制輸出、實時時鐘計數等更為強大的功能；7帶ADC和DAC轉換，可直接輸入模擬量、輸出數字量；8有看門狗電路，一旦程序進入死循環能自動復位，保證系統工作的可靠性；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，同樣采用先進的RISC精簡指令結構，速度同樣可以達到1MIPS/MHZ，而且功能更加強大，具體差別有以下幾點14個PWM通道，可滿足更多用戶的需要，實現多通道PWM脈寬調制的輸出；2有21個不同的獨立中斷源，增加了外部中斷2、定時/計數器0比較匹配這兩個中斷，是ATMEGA8L的升級版；332個可編程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EEPROM、1K片內的SRAM的基礎上ATMEGA16LFLASH空間增加到16K,從根本上解決了使用空間的憂慮。作為整個系統的控制核心，ATMEGA8L和ATMEGA16L單片機具有的功能特點使它非常適合車模運動的控制設計。ATMEGA8L和ATMEGA16L管腳如圖33和圖34所示。圖33ATMEGA8L管腳圖34ATMEGA16L管腳33電源電路設計在本系統設計中，需要使用72V和5V的直流穩壓電源，其中發射部分的315M發射模塊和USB轉串口模塊、ATMEGA8L使用USB口的5V供電，小車部分采用72V鎳氫電池，經過電容濾波分兩路進行供電，一路是6V減速電機供電，另一路是ATMEGA16L、315M接收模塊、L298N芯片及其外圍器件供電。在電機啟動以及轉動時會產生比較大的干擾信號，干擾信號一方面通過電源線直接進入電源電路對整個電路產生干擾，另一方面電動機運轉時產生的電磁波經過空間輻射對無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線模塊和電機保持一定距離就能解決。而為了解決前者的干擾，在電機兩端并聯一個104電容濾波外，電機電源還使用了容值較大的1000UF電解電容和104瓷片電容進行濾波，在7805穩壓管輸入端和輸出端再進行二次濾波，以減少電機運轉時產生的干擾信號。具體的電路如圖35所示。圖35小車電源電路部分34315M無線模塊341無線模塊原理為實現無線傳輸指令，在系統的設計過程中，選用結構簡單，使用方便，傳輸距離較遠的315M無線模塊，在日常生活這一類模塊主要應用于遙控領域。遙控器發射電路，有振蕩電路、高頻放大器，調制方式一般采用ASK和FSK。振蕩電路可以采用電容、電感的振蕩特性來設計，也可加入晶振來簡單獲得載波信號。一般載波信號的頻率在315MHZ433MHZ，也可實現更高的頻率。通過高頻放大器，高頻信號獲得更高的發射能量，提高發射距離。發射電路原理如圖36。圖36發射原理框圖接收電路里面主要有天線，濾波電路，解調電路等幾部分組成。接收電路原理如圖37。ASK調制載波發生器高頻放大數據輸入天線ASK解調濾波數據輸出天線12P3OWER0FC479VINOUTGND85圖37接收原理框圖天線是一種導行波與自由空間波之間的轉換器件或換能器。其基本功能是發射和接收無線電波發射時，把高頻電流轉換為電磁波；接收時，把電磁波轉換為高頻電流。在本設計中，發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是臺灣普城公司生產的一種CMOS工藝制造的低功耗低價位通用編/解碼電路，是目前在無線通訊電路中作地址編碼識別最常用的芯片之一。PT2262/2272最多可有12位A0A11三態懸空,接高電平,接低電平地址設定管腳,任意組合可提供531441個地址碼。PT2262最多可有6位（D0D5）數據端管腳,設定的地址碼和數據碼從17腳（DOUT）串行輸出，可用于無線遙控發射電路。PT2262/2272的管腳圖38。對于編碼芯片PT2262，A0A5共6根線為地址線，而A6A11共6根線可以作為地址線，也可以作為數據線，這要取決于所配合使用的解碼芯片。若解碼芯片沒有數據線，則A6A11作為地址線使用，這種情況下，A0A11共12根地址線，每線都可以設置成“1”、“O”、“開路”三種狀態之一，因此共有編碼數312531441種，但若配對使用的解碼芯片的A6A11是數據線，例如PT2272，那么這時PT2262的A6A11也作為數據線用，并只可設置為“1”和“0”兩種狀態之一，而地址線只剩下A0A5共6根，編碼數降為36729種。圖38PT2262/2272管腳圖編碼芯片PT2262發出的編碼信號由地址碼、數據碼、同步碼組成一個完整的碼字，解碼芯片PT2272接收到信號后，其地址碼經過兩次比較核對后，VT腳才輸出高電平與此同時相應的數據腳也輸出高電平，如果發送端一直發送數據，編碼芯片也會連續發射。當發射機沒有發送數據時，PT2262不接通電源，其17腳為低電平，所以315MHZ的高頻發射電路不工作，當有數據發送時，PT2262得電工作，其第17腳輸出經調制的串行數據信號，當17腳為高電平期間315MHZ的高頻發射電路起振并發射等幅高頻信號，當17腳為低平期間315MHZ的高頻發射電路停止振蕩，所以高頻發射電路完全收控于PT2262的17腳輸出的數字信號，從而對高頻電路完成幅度鍵控（ASK調制）相當于調A01245D78VS9TEOSCOUTPIN制度為100的調幅。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數據輸入端，有一個為“1”即有編碼發出，內部下拉VCC18電源正端（）VSS9電源負端（）TE14編碼啟動端，用于多數據的編碼發射，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地址或數據管腳,當做為數據管腳時,只有在地址碼與2262一致,數據管腳才能輸出與2262數據端對應的高電平,否則輸出為低電平,鎖存型只有在接收到下一數據才能轉換VCC18電源正端（）VSS9電源負端（）DIN14數據信號輸入端，來自接收模塊輸出端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解碼有效確認輸出端（常低）解碼有效變成高電平（瞬態）在本設計中采用8位地址碼和4位數據碼，這時編碼電路PT2262的第18腳為地址設定腳，有三種狀態可供選擇懸空、接正電源、接地三種狀態，3的8次方為6561，所以地址編碼不可重復度為6561組，只有發射端PT2262和接收端PT2272的地址編碼完全相同，才能配對使用，芯片的這種設計允許一個遙控器對多個下位機進行遙控。遙控模塊的生產家為了便于生產管理，出廠時遙控模塊的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，如果想改變地址編碼，只要將PT2262和PT2272的18腳設置相同即可。在本設計中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，否則接收距離會變近甚至無法接收。阻值越大振蕩頻率越慢，編碼的寬度越大，發碼一幀的時間越長。本設計使用的是PT2262/12M、PT2272/200K組合，電路如圖311和312所示。圖311發射模塊電路圖312接收模塊電路35速度測量模塊方案一利用紅外線對射的方式，在小車的車輪安裝一個碼盤，碼盤均勻打上一定數量的遮光孔，由于碼盤隨電機高速轉動，紅外線三極管接收到的是一系列的脈沖信號。A0123456/D78VS9TEOSCOUTPUMIBRPFKQLYNH通過檢測脈沖的個數，從而間接地測量速度和路程，但此方案碼盤的制作、安裝相對比較困難。方案二利用霍爾傳感器對裝在車輪上的小磁鐵進行計數，從而間接的測量小車速度。此方案傳感器的信號強，電路簡單。結合本系統的使用減速電機（減速前后的速度比為961），在電機的后端裝上一個齒輪，在齒輪上均勻分布2塊磁鐵，這樣可以大大提高測速的精度，而且精度遠遠高于紅外對射的方式。因此本系統采用A44E集成開關霍爾傳感器來檢測電機的轉速。該傳感器是一種半導體器件，是利用霍爾效應制成的，主要由穩壓器、霍爾電勢發生器、差分放大器、斯密特觸發器和OC門輸出五個基本部分組成。當霍爾傳感器處在磁場中時，在垂直于磁場的方向通以電流，則與這二者相垂直的方向上將會產生霍爾電勢差輸出，該信號經放HVH大器放大后送至施密特觸發器整形，使其成為方波輸出送到OC門輸出。當施加的磁場達到工作點時，觸發器輸出高電壓（相對于地電位），使三極管導通，此時OC門輸出低電平，三極管截止。當施加的磁場到釋放點時，觸發器輸出低電平，三極管截止，使OC門輸出高電平，這樣兩次電壓變換，使霍爾開關完成了一次開關動作。把這樣的信號送到單片機的外部中斷1和外部中斷2，以測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電機驅動模塊在本系統設計當中，曾使用過分立元件組成的橋式驅動電路，這種電路可以由單片機直接對其進行操作，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整，所以我們采用了市面易購的電機驅動芯片L298N,它能同時控制兩個電機的正反轉，該芯片是利用TTL電平進行控制，通過單片機的I/O口輸出高低電平，控制電機兩邊的電平變化，從而實現電機的正反轉，方便用戶操作。電機驅動芯片L298N為單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅動，設計用來接收DTL或者TTL邏輯電平驅動感性負載（比如繼電器，直流和步進電機）。表314是其使能、輸入引腳和輸出管腳的邏輯關系。表314L298N管腳邏輯關系INTC03RGDOUP4SE5小車驅動電路如圖315。L298N內部集成了兩個橋式電路，通過單片機輸出過來的數字信號控制內部與門的開關，實現電機輸出端電壓的正反控制，進而控制電機的旋轉方向。在小車運行當中，考慮到小車電機的正反轉，感應電流有可能過大導致電機燒毀，所以加了8個二極管續流，起到保護芯片的作用。ENA和ENB分別接PWM信號，通過控制ENA和ENB的接通時間，從而達到調速的效果。圖315L298N驅動電路37USB轉串口模塊USB轉串口模塊全稱為USBTOSERIALPORTMODULE，它可以實現將USB接口虛擬成一個串口解決客戶無串口的苦惱。現在市面上的USB轉串品的設備可謂是琳瑯滿目，質量也是參差不齊。造成這種現象的根本原因就在于控制芯片的不同。現在USB轉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。經過測試CP2102是不能下載的，而FT232可以下載，但其價格實在不菲。最為合適的就是臺灣生產的PL2303，可以穩定下載，并可以支持多種操作系統。本設計中USB轉串口模塊采用的就是PL2303芯片，用于實現USB和標準RS232串行端口之間的轉換，兩個獨立的大型緩沖用于兩種總線的連接。大型數據緩沖器用于USB的批量數據傳輸。自動握手模式可用于串行通訊，因而可以達到遠大于標準UART控制器的波特率。PL2303支持USB電源管理和遠程喚醒協議。當主機掛起時消耗極小的電能。所有功能集成在SOIC28封裝內芯片亦可以安裝在電纜線中，用戶只要簡單地把聯在電腦主機或USBHUB上，就可以實現與RS232器件的通信，電路如圖316所示。ENAENBIN1IN4IN2IN3電機運行情況L停止HLL停止HHL正轉HLH反轉ENA6B1I527304OUTSV9GDCPWMXR_KPFY圖316USB轉串口模塊電路38本章小結本章概述了系統硬件組成及涉及思想，根據各功能模塊的不同，設計完成了對幾個關鍵控制電路的設計并做了詳細介紹，此外還對硬件的選擇進行了討論，為下一章軟件設計作準備。第4章無線車模控制系統的軟件設計和實現41系統軟件概述一個控制系統要正常工作，僅有硬件部分是不夠的，還需要軟件部分的配合才能構成一個完整的控制系統。如果說硬件電路滿足了電機運轉的基本要求，并提供硬件保護，那么軟件則使電機獲得了優異的調速性能，并提供軟件保護。硬件電路是軟件程序工作的基礎，而軟件程序能使硬件電路的功能得到充分的發揮，并實現一些硬件電路所不能實現的功能。所以它們兩者是相輔相成的。本章將根據硬件的設計，結合AVR單片機的編程特性討論系統的軟件實現方法。無線車模運動控制系統的軟件主要包括兩大部分，上位機指令發射系統程序模塊和車模運動控制系統程序模塊。上位機指令發射系統程序模塊主要通過鼠標點擊運動動作，并通過無線串行通訊向車模發送控制指令，車模運動控制系統程序模塊是根據上位機發送來的指令，調用相應的直流電機控制子程序，對電機驅動進行控制。由于本控制系統采用的AVR單片機支持C語言開發，它是一種高級語言，具有可移植性好、可讀性強、維護方便等特點，與高級語言匯編語言相比，它有不可比擬的優勢。所以本系統單片機程序設計采用了C語言編程，開發環境采用ICCAVR。上位機軟件編寫采用VISUALBASIC編程語言，開發環境采用VISUALBASIC60。42上位機軟件421VB開發環境介紹VB是VISUALBASIC的簡稱，是由美國微軟公司于1991年開發的一種可視化的、面向對象和采用事件驅動方式的結構化高級程序設計語言，可用于開發WINDOWS環境下的各類應用程序。它簡單易學、效率高，且功能強大可以與WINDOWS專業開發工具SDK相媲美。在VISUALBASIC環境下，利用事件驅動的編程機制、新穎易用的可視化設計工具，使用WINDOWS內部的廣泛應用程序接口（API）函數，動態鏈接庫（DLL）、對象的鏈接與嵌入（OLE）、開放式數據連接（ODBC）等技術，可以高效、快速地開發WINDOWS環境下功能強大、圖形界面豐富的應用軟件系統。在本設計中，開發環境采用的是VISUALBASIC60簡稱VB60。VB60是一種功能強大、簡單易學的程序設計語言。它不保留了原先BASIC語言的全部功能,而且還增加了面向對象程序設計功能。在VISUALBASIC中有一個名為MICROSOFTCOMMUNICATIONCONTROL（簡稱MSCOMM）的通訊控件，只需通過對此控件的屬性和事件進行相應編程操作，就可以輕松地實現串口通訊。423MSCOMM控件屬性介紹由于MSCOMM控件屬性很多，在此僅介紹與實現串口通訊密切相關的核心屬性。1COMMPORT設置通訊所占用的串口號。如設成1（默認值），表示對COM1進行操作；2SETTING對串口通訊的相關參數。包括串口通訊的比特率，奇偶校驗，數據位長度、停止位等。其默認值是“9600,N,8,1”，表示串口比特率是9600BIT/S，不作奇偶校驗，8位數據位，1個停止位；3PORTOPEN設置串口狀態，值為TRUE時打開串口，值為FALSE時關閉串口；4INPUT從輸入寄存器讀取數據，返回值為從串口讀取的數據內容，同時輸入寄存器將被清空；5OUPUT發送數據到輸出寄存器；6INBUFFERCOUNT設置輸入寄存器所存儲的字符數，當將其值設為0時，則輸入寄存器將被清空；7INPUTMODE設置從輸入寄存器中讀取數據的形式。若值為0，則表示以文本形式讀取；值為1，則表示以二進制形式讀取；8OUTBUFFERCOUNT設置輸出寄存器所存儲的字符數，當將其值設為0時，則輸出寄存器將被清空。423上位機軟件功能介紹本系統設計上位機軟件具有界面直觀，操作方便等特點。支持9600BIT/S波特率，8位數據位和一個停止位，沒有校驗位的串口通信方式。能自動檢測串行接口并自動打開串行通信，實際操作時只需點擊相關的按鈕，即可以驅動小車執行相關動作。上位機軟件控制控制界面如圖41所示。圖41上位機控制界面在本設計中，小車的動作主要分為前進加速、前進減速、后退、左轉、右轉、停止這五大指令，具體的指令如表42。表42系統指令表命令數據命令類型命令數據命令類型31H前進加速38H左轉2032H前進減速39H右轉533H停止3AH右轉834H左轉53BH右轉1035H左轉83CH右轉1536H左轉103DH右轉2037H左轉153EH后退43車模無線運動主控制程序設計431上位機指令發射部分在整個控制系統中，上位機控制系統的主要功能是發送指令數據控制電機驅動工作，從而達到控制小車運動的目的。在上位機控制界面中，通過鼠標點擊按鈕，單片機采用串口通信方式接收上位機軟件發送的指令。系統正常工作時，等待鼠標點擊按鈕，點擊后通過USB轉串口模塊把相對應的指令數據傳送到單片機，并通過無線發射模塊、PT2262編碼，發送對應的指令數據，從而實現無線遙控功能。上位機指令發射部分流程圖如43所示。圖43上位機指令發射部分流程圖開始初始化單片機串口接收指令返回等待無線發送等待上位機指令YN鼠標點擊上位機發送指令432車模運動控制部分無線接收部分在整個控制系統中的作用是通過PT2272接收來自上位機控制系統的指令，根據該指令控制電機運轉，從而實現小車的上位機控制。整個主控制部分程序設計主要由無線接收子程序和電機控制子程序構成。無線接收子程序主要用來接收上位機發送過來的控制指令，電機控制子程序主要是根據上位機發送過來的控制指令，驅動具體的電機運動，實現前進、后退、左轉某一角度、右轉某一角度、四檔加減速等動作。程序流程如圖44所示。圖44車模無線接收部分當無線模塊接收到指令，PT2272的VT管腳置為高電平（常為低電平），通過外部中斷0檢測VT管腳的上升沿變化，然后利用AVR單片機I/0口讀出指令信息，最后驅動電機執行指令。在小車前進的時候，分為四檔加減速，每接收一個加速或減速指令，小車就變換一個檔位，實現前進的加減速控制。在小車的前進或后退過程中，為了確保小車的直線行走，固定左車輪的PWM信號，通過調整右輪子電機的PWM信號，實現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某一角度前進后退右轉某一角度返回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，小車向左轉和向右轉分別都有5個角度的轉向，分別是5、8、10、15、20。小車的轉彎會有一個轉彎半徑，轉彎半徑的大小決定了小車的轉彎快慢。轉彎半徑越大，小車轉動就會越慢；轉彎半徑越小，小車轉動就會越快。本論文研究的小車是兩輪獨立驅動的小車，它可以實現原地轉，這比汽車的兩輪驅動更有優勢方向盤驅動兩個連在一條軸上的兩輪。兩輪獨立驅動的小車可以更加靈活地轉向，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，是小車前進的速度，左是小車左輪速度，右是右輪速度,是轉彎半徑，是小車VVVR轉彎的角速度。為了下面公式編輯，用所代表左，用代表右。LRV當轉彎半徑等于0時R（41）（42）（43）此時小車兩個輪子的速度大小相等，方向相反，小車將原地打轉，由公式（41）和192RNVLLRR開始初始化前進后退L_COUNT_S21R_COUNT_S2OCR1AOCR1AUCHARL_COUNT_S2RCOUNT_S2測速返回大于小于OCR1AOCR1A_S45OCR1AOCR1AUCHAR_COUNT_S2LCOUNT_S2NNYY（43）可以推導出（44）當