1 引言
由于在軍事偵察、反恐、防污染等危險與惡劣環境中有這廣闊的應用前景,無線遙控小車成為一個重要的研究熱點。無線遙控小車具有體積小、成本低、生存能力強、運動靈活等特點。由于其應用場合特殊,所以特別要求這類小車重量輕、體積小、能耗低、實時性好、操作使用可靠。
這里設計的無線遙控智能小車代替開關控制小車的運行,能夠輕松自如的實現小車的前進、后退、加速、減速、左轉、右轉,將小車所處的環境溫度通過無線通信顯示在遙控器的液晶顯示屏上。本設計采用模塊化設計結構,各個功能之間相互不影響,具有較高的人性化和智能化。
2 系統設計與原理
2.1 總體方案設計
2.2 系統工作原理
系統以STC89C52單片機作為主控芯片,利用單片機I/O口模擬產生PWM(脈寬調制)脈沖波,通過電機驅動芯片L298N精確控制電機的轉速、轉向;無線遙控模塊采用NRF24L01無線發送、接收設計以及操作指令,傳輸遙控控制信息以及溫度采樣信息,車載上單片機接收到遙控操作指令后改變相應電機的PWM脈沖波,從而調節小車當前的運行狀態;同時車載上單片機通過無線模塊設定發送操作指令發送溫度采集信息,主控板接收信息,實現無線數據采集;數據顯示模塊采用液晶顯示器LCD1602,實時顯示小車當前運行狀態和無線數據模塊采集的信息。
3 硬件電路設計
根據功能要求,本設計主要由控制模塊、電機驅動模塊、無線模塊、電源模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊、、溫度采樣模塊幾部分組成。由于篇幅有限,下面將介紹其中幾個模塊的設計。
3.1 電機驅動電路設計
電機驅動模塊采用L298N。L298N是一種二相和四相電機的專用驅動器,即內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器,可以方便的驅動兩個直流電機,或一個兩相步進電機。L298N的1腳和15腳接地。L298N的5,7,10,12腳分別接STC89C52的I/O口P0.1、P0.2、P0.6、P0.7作為電機驅動芯片的輸入信號,控制電機的正反轉。L298N的7、11腳分別接STC89C52的I/O口P0.3、P0.5作為電機驅動芯片使能信號,控制電機的停轉。L298N可驅動兩個直流電機,OUT1,OUT2和OUT3,OUT4間可分別接直流電機。當EnA/EnB為高電平,輸入電平為一高一低,電機正或反轉。同時低電平電機停車,同為高電平電機剎車。
3.2 無線電路設計
小車的無線電路采用NRF24L01芯片,是一款工作在2.4~2.5GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發器芯片。nRF24L01 芯片內置功率合成器、頻率合成器、調制解調器和晶體振蕩器等功能模塊,并采用了增強型ShockBurst 技術,使其具有自動重發和自動應答等功能, 使開發更方便[2]。圖2為NRF24L01無線電路圖。
3.3 溫度采集電路設計[1]
溫度采集電路由溫度傳感器DS18B20組成。DS18B20是美國DALLAS半導體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進型智能溫度傳感器[3],DS18B20與STC89C52是通過“一線總線”進行通信,單片機的指令以及采集溫度數據都是通過單根數據線進行傳輸。DS18B20的1、3腳分別接電源電壓正負極為DS18B20提供電壓。溫度采集電路如圖3所示。
3.4 按鍵電路設計
按鍵是人與小車進行信息通信的工具,通過選擇不同按鍵,實現人對小車不同運行狀態的控制。按鍵包括常開、常閉、觸摸、微動等不同功能按鍵,本設計是利用微動按鍵控制小車。
按鍵電路如圖7所示。該電路是由6個獨立按鍵形成,分別代表前進、后退、加速、減速、左轉、右轉六種不同運行狀態,當按下按鍵時對應的I/O電平被拉低,單片機通過不斷掃描I/O口高低電平就可以控制小車的運行狀態。
3.5 液晶顯示電路設計[1]
小車的液晶顯示電路采用LCD1602,LCD1602是一種具有8位并行,2線或者3線串行接口方式。LCD1602簡介液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內容豐富、超薄輕巧等優點[4]。液晶顯示電路如圖5所示。
電路中LCD1602與STC89C52使用數據并行通信。引腳1、2、15、16分別接電源電壓正負端,為LCD1602提供電源與背光電源;3腳接一個10K電位器用于調節背光燈光度;4、
5、6腳分別接P1.0、P1.1、P1.2腳作為單片機控制信號輸入與輸出端;7~14腳接P0.0~P0.7腳作為單片機數據信息輸入端。
4 系統軟件設計
4.1 無線遙控主程序
無線遙控主要實現功能是通過不斷掃描按鍵狀態來確定發送控制信號,通過無線模塊發送控制信號給車載系統從而控制小車運行狀態,在這期間,通過定時器0工作在方式1的狀態下,定時2s發送采集溫度信號,同時無線遙控立刻轉為接受狀態,等待接受溫度,接收完溫度數據并顯示以后,立刻轉回發送狀態,繼續發送遙控信號,一直等待下一次定時溫度采樣,如此不斷實現發送信號以及接受數據的轉換。無線遙控主程序流程圖如圖6所示。
4.2 車載系統主程序
車載系統主要功能是通過不斷接受控制信號控制小車的運行狀況以及采樣溫度發送給遙控系統。車載系統通過定時器0工作在方式1的狀態下不斷接受遙控器信號,當接收到溫度采樣信號時,中斷定時器0工作,采樣溫度數據并轉化,同時設定車載系統中無線模塊為發送狀態,發送溫度數據,與此同時,設定state為0,禁止車載系統在沒有接受到遙控信號時重復進入溫度采樣程序,從而導致死循環,發送完數據后重新開啟定時器0,如此不斷進行遙控信號接收。車載系統主程序如圖7所示。
5 結束語
本設計的無線遙控小車操作簡單,穩定可靠。整個小車由遙控系統、車載系統、液晶顯示和傳感檢測四大部分組成。無線遙控小車由近端操作人員,遠端移動小車和運行環境所構成,構成了人—小車—環境三者相互緊密聯系的一個整體。操作人員在遙控作業端根據作業任務的要求,通過遙控操作平臺的人機交互接口,借助反饋信息控制小車完成特定的作業任務。操作人員依據終端反饋的信息,根據特定作業任務的要求發送操作與控制指令信息,控制無線遙控小車的前進、后退、轉向、加速和減速。
參考文獻:
[1] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].北京:電子工業出版社,2008.
[2] 王峰,邢磊,史星晟,等.基于nRF24L01的無線通信系統設計[J].科技創新與生產力,2011,(7):88-90.
[3] 趙海蘭.智能溫度傳感器DS18B20.電子世界[J],2003,(7):46-47.
[4] 趙亮.液晶顯示模塊LCD1602應用.電子制作[J],2007,(3):58-59.
作者簡介:聶茹(1982-),女,碩士,講師,研究方向:智能控制。