基于加速计的无线小车控制系统设计.docx

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基于加速计的无线小车控制系统设计

摘要

本文设计的是一个基于加速计的无线小车控制系统，该系统的设计分为上位机（遥控器）和下位机（小车）两部分。

上位机是以单片机STC89C52为控制芯片，同时包括了加速计模块、按键模块、液晶显示模块和无线通信模块，通过无线通信模块来实现与下位机（小车）之间数据的交换。

下位机（小车）同样是以单片机STC89C52作为控制芯片，通过无线模块接收由上位机传来的控制信息.加速计首先获取当前需要调节的小车的电机速度值和舵机的打角值，利用nRF24L01无线发射，将所需要调节的电机速度值和打角值传送给小车；并经过nRF24L01接收模块接收该控制信号，再将该信号传送给小车并使小车的电机和舵机作出相应的动作，对此时数据进行实时控制。

本次设计主要由加速计模块、无线发射模块、无线接收模块、单片机处理模块、液晶显示模块、电机模块和舵机模块7个模块组成。

该无线小车实现的主要功能是：

利用加速计获取当前小车所需要调节的电机速度值和舵机的打角值，通过无线模块将速度值和打角值传送给小车，并对此数据进行实时控制，实现小车的前进、后退、左转、右转。

关键词：

单片机；无线传输技术；加速计；小车

Abstract

Thisdesigniswirelesscarcontrolsystemsbasedonaccelerometer.Thedesignofthesystemhastwoparts,PC（remotecontrol）andlowermachine（thecar）.PCadoptsSTC89C52micro-controllerasthemaincontrolship.Itisalsointegratedaccelerometermodule,keymodule,LCDmoduleandthewirelessmodule.WirelessmodulerealizestheexchangeofdatabetweenPCandthelowermachine（thecar）.ThecaralsoadoptsSTC89C52micro-controllerasthemaincontrolship.ItreceivescontrolinformationwhichcomesfromthePCbyawirelessmodule.First,accelerometerobtainsthevalueofthevelocityofthemotorandthesteeringangularvelocityvalueswhichneedtoadjustthesteeringofthecar.ItsendsthemtothecarbythenRF24L01wirelesstechnology.ThenthenRF24L01receivermodulereceivestheremotecontrolsignal,thentransmitsthemtothemotorandtheservoofthecarinordertomakethecarappropriateaction.Atthesametime，thisreal-timecontrolofdatashouldbedone.Thedesignismainlycomposedofaccelerometermodule,wirelesstransmittingmodule,wirelessreceivingmodule,singlechipmicroprocessingmodule,LCDmodule,servomotormodules.Thewirelessremotecontrollingofthecarfunctionsareasfollows:

theaccelerometerobtainsthevalueofthevelocityofthemotorandthesteeringangularvelocityvalueswhichneedtoadjustthesteeringofthecar.ThentheywillbesendedtothecarbythenRF24L01wirelesstechnology.Andthisdataisinrealtimecontrolandthecarcangoforward,backward,left,andright.

Keywords:

micro-controller;wirelesstransmissiontechnology;accelerometer;car

第1章绪论

随着科学技术的迅猛发展，自动化技术已经渗透到人们的社会生活中。

由于自动化技术的不断提升，计算机技术，信息数据处理技术，通信和无线技术的已经逐渐融合在一起，基于过去传统有线技术通信传输，无线通信传输技术应运而生。

无线通信传输技术受到广泛的关注，因为无线通信技术有着快捷的实现方法、高速的传输速率、较强的抗干扰能力、高安全性和移动性等优点。

因此，在通信技术领域、电气自动化技术、遥控传感技术和远程监测等多数高新科技领域中无线技术都有着广泛的应用范围。

1.1研究的课题来源及意义

自动化技术标志着人类文明的进步和科学技术的发展，特别是在当今高速发展的信息时代，在我国逐渐由制造大国向制造强国转变的历程中，自动化技术融合了现代智能控制技术和无线通信技术已经逐渐应用于军事、农业、工业、医疗保险、交通运输、日常服务和家庭生活等方面，并在不断的改变着人们的生活，使得人民的生活水平有了很大的提高。

如今，电脑、电视、广播已经成为人们生活形影不离的伴侣，它们的使用正是利用了无线电传送声音节目和图像信息。

因此，人们利用无线电波可以传播发送信号的这一特性，无线电遥控技术随之诞生。

无线遥控技术是利用电磁波可以在远距离上传输信号的原理，只需改变控制信号可以对被控对象进行无线控制和操纵。

20世纪科学家提出的一种新型小车，无线遥控小车。

因为其在军事、防爆、反恐、侦察、防核化以及污染等恶劣与危险的环境作业中有着非常广阔的应用前景，因此成为现代自动化领域一个最为重要的研究热点。

无线遥控小车的体积很小，生产成本很低，不易受到破坏具有很强的生存能力，同时它又具有运动灵敏的特点，但是它对应用场合有着较为特殊的要求，因此这类小车必须具备体积小、重量轻、实时性好，操作可靠性高、能耗低等特性[14]。

加速计的使用可以使得小车的控制更加人性化。

加速计是一种能够测量动、静态加速度的传感器。

随着微电子技术的不断发展，传感器已经逐渐应用于现代化设备中，加速计已经成为导航与制导、测量检测设备等高精度设备的加速度重要测量元件。

它们都是根据加速度传感器敏感这一特性来测量设备的加速度，可以通过测量由于重力引起的加速度，计算出设备相对于水平面的倾斜度；可以通过测量由于动态引起的加速度，分析出设备的移动方式[4]。

本次设计的基于加速计的无线小车控制就是利用加速计的工作原理，利用加速计获取小车当前的电机速度值和舵机的打角值，使用加速计可以使得小车的倾斜度、倾斜角的测量更加准确。

1.2课题的国内外现状

1.2.1国外无线小车研究现状

美国是第一个研究基于无线模块遥控小车的国家，为了获得科学界对无线小车发展研究提供的资金，随着现代科学技术的推动作用，美国、日本、德国等科技强国在针对无线智能遥控小车的技术研究上拥有着很大的优势，同时，引领无线小车技术不断走向科学前沿的还有新兴崛起的韩国。

国外基于无线小车领域发展在近几年有如下趋势：

工业遥控小车的性能正在不断的提高，小车的性能正在朝着高速度、高精度、高可靠性、操作性更强的方向发展，同时单机价格也在不断降低，为遥控小车的生产大大降低了生产成本。

无线遥控小车的机械结构已经呈现出模块化、可重构化的趋势，例如机器人的关节驱动模块中运用伺服电机模块、减速机模块、检测系统模块三位一体化；同时由连杆模块、关节模块用重组的方式又可以构成无线遥控小车的整机；目前国外电子市场上已经拥有很多的无线小车的装配模块。

无线遥控小车控制系统与PC机的开放性控制器相结合，这种控制方式使得小车的控制越来越网络化、标准化，同时也提高了小车器件的集成度，控制器的设计也越来越智能小巧。

由于控制器和小车都是采用模块化设计，因此使得整体系统的操作性、安全可靠性和维护性有了很大的提高。

无线遥控小车中虚拟技术的应用已经越来越广泛，例如使无线遥控小车的操作者产生自己身处远处操作环境中的感觉来对无线小车进行控制。

无线小车中传感器的作用也日趋重要，基于无线通信模块的小车会采用视觉、声觉、力觉、触觉等多数传感器的融合技术来进行对环境的检测并建模，例如基于加速计的无线小车控制、基于温度传感器的无线小车控制等。

1.2.2国内无线小车研究现状

20世纪70年代，我国展开了对无线小车的研究，此后国家“863”，“973”等高技术发展规划对其的发展也给予了重点支持和大力鼓舞，所以无线小车技术才取得了突破性的发展。

从上世纪80年代开始，基于无线模块的遥控小车已经成为国内大范围的研究对象，经过30年的发展，国内在无线小车的研究方面已经取得了很大的进步，但是比起发达国家还存在着一定的差距[14]。

以清华大学、上海交通大学、中国科学院等多数高等院校为代表，已经将研究无线小车的基础技术作为重点研究学科，例如在小车的运动中动力学的分析与综合，多传感器控制小车的行进等技术已经取得了突破性的进展。

大批生产小车以及生产小车模块设备公司相继成立，形成了庞大的小车生产的产业链。

从应用方法上的角度来看，我国与国外的无线小车技术的差距还比较大，国外一般的工厂都已经采用无线遥控技术，而在国内只有发展较好的企业或者外企才会采用这种技术。

从研究技术与方法的角度上比较，我国无线技术与国外技术差距较小，国际上目前研究的课题，国内也有，有些课题的研究甚至是赶超国外一部分国家。

1.3课题研究内容

本课题研究的基于加速计的无线小车控制系统设计，该无线小车以单片机作为微控制器，以加速计作为传感器的遥控器也是以单片机作为微控制器，两块单片机之间用无线模块实现无线通信。

利用加速计获取当前的加速度信息，根据加速度信息，可以计算出加速计相对于水平面的倾斜角度，通过计算可以将倾斜角度转化成需要调节的电机速度值和舵机的打角值，再将速度值和打角值传送给小车，并对此数据进行实时控制，控制小车的前进、后退、左转、右转。

本课题中加速计的使用可以使得小车有更好的平稳性。

1.4本章小结

通过本章的学习及撰写，在搜集资料的过程中，懂得了无线小车的发展前景和国内外现状。

目前基于单片机的无线小车控制设计的课题已经有很多人设计出了不同的设计方案，而对于加速计在无线小车控制系统上的使用和发展的研究并不是很多。

通过搜集并查阅资料，初步了解了加速度传感器的工作原理与使用方法，对于本课题基于加速计的无线小车控制设计也有了大体的设计思路，并努力尝试着设计出自己的系统方案。

第2章方案选择与论证

2.1总体设计任务

本次设计的是一个基于加速计的无线小车控制系统，无线小车以单片机为微控制器，以加速计作为系统的传感器构成控制小车运行的遥控器，该遥控器同时也以单片机作为微控制器，两块单片机之间用无线模块实现无线传输通信，并通过无线模块来控制小车进行前进、后退、左转、右转，同时对小车行驶过程中的数据进行实时控制。

本次设计预期要研究的主要问题有：

（1）如何实现遥控器上的单片机和小车上的单片机之间的无线通信。

（2）如何实现无线传输模块之间的发送和接收。

（3）如何实现下位机小车的行驶。

（4）如何采用编程来实现控制系统的目标功能。

（5）如何利用加速计获取小车的电机速度值、舵机打角值。

（6）如何采集并获取小车行驶过程中的电机速度值、舵机打角值。

2.2总体设计原理

本次设计的整体系统的主、从控制芯片均采用C51单片机，遥控器上的加速计通过串口主单片机相连，通过改变遥控器的倾斜角，从而获得加速度信息，通过计算将该加速度信息转化成小车需要调节的电机速度值以及舵机的打角值，并将该控制信息通过无线模块实现无线发送，接收操作指令，并将控制信号发送出去，小车接收此控制信息并作出相应的动作。

总体设计方框图如图2-1所示。

图2-1总体设计方框图

按照本系统的设计要求，本次设计的基于加速计的无线小车控制系统可以分为以下几个基本功能模块：

无线传输模块、液晶显示模块、加速计模块、电机驱动模块、舵机模块等。

其中一部分模块的功能仅由硬件完成，一部分模块的功能则需要利用软、硬件来共同完成，还有一部分需要通过机械部分来实现功能。

机械部分的设计是借助于小车的基本机械结构来实现，本次设计只针对软、硬件模块的设计。

将整体系统划分成若干模块分别来进行设计，可以根据每个模块所要完成的基本功能来设计，这样可以细化了整体系统的设计方案，有利于工作进度的制定，然后把设计好的各个模块连接起来就可以构成整体的设计方案从而实现总体设计功能。

2.3具体模块设计选择

2.3.1单片机处理模块

方案一：

8051单片机的发展是建立在8031单片机的基础上的，片内又集成了4KB的ROM，通常将其作为8051的程序存储器，是一个内部最多只能存储4KB程序的小系统。

ROM内部还有的程序是公司烧制的，生产的8051单片机都是具有某些特殊功能的。

8051单片机有着自己固定的应用程序，现如今已经生产了大量具有MCS-51内核的各种型号的单片机，它们均是以8051作为基础的。

同时8051也是众多扩展型、增强型等新的品种单片机的核心，用户可以根据自己的需要来增加外部I/O口，使得用户使用起来方便快捷。

方案二：

STC89C52系列单片机是由中国宏晶科技公司生产的具有超强抗干扰能力、工作速率快、功耗低等特点的新一代单片机。

它的指令代码兼容传统8051单片机的所有代码，可以根据用户的需要任意选择12个时钟/机器周期或者6个时钟/机器周期。

STC89C52内部含有Flash存储器，拥有8KB的内部存储空间和512B的随机存储数据存储器（RAM），同时STC89C52还具有支持串口直接下载程序功能。

STC89C52为众多嵌入式控制系统提供了价格低廉且具有很高的灵活性的设计方案，人们通常在其他比较复杂的控制系统中使用STC89C52单片机来提高控制系统的性能[3]。

综上所述，方案二选择的STC89C52单片机可以优化设计方案，方便程序下载使用。

2.3.2无线传输通信

方案一：

红外接口是一种新一代的配置标准，它支持数字设备的数据通信。

除此之外，具有低廉的成产成本、简单的使用方法和紧凑的结构等众多特点的红外接口还广泛运用于小型的移动设备中。

移动设备均可以通过红外接口自由的交换数据，进行无线传输。

红外线是指波长在750nm至1mm之间的电磁波，它的频率低于可见光而高于微波，是人眼不可见的一种光线。

（1）红外传输的优点：

收发双方进行数据传输的唯一条件就是都具有红外接口。

使用红外接口可以节省下载或其他信息传输交流所产生的费用。

传输信息之前需要对红外接口进行对接，因此传输信息的安全性较高。

（2）红外传输的缺点

红外传输时的通讯距离短，在通讯过程中通讯设备不能移动，而且遇到障碍物通讯则中断。

人们是为了代替有线连接而选择红外通讯技术无线数据传输，红外通讯的功能比较少，扩展性能也比较差，。

方案二：

近几年出现的倍受社会关注的蓝牙（Bluetooth）传输技术是一种新的无线通信技术。

它的是将远距离无线传输作为基础，将各种通信设备及其终端设备、各种数字数据系统连接起来，为其数据的传输提供了低成本的通信方式。

（1）蓝牙传输的优点：

可以进行语音和数据传输，同时利用无线传输技术，具有传输范围广、穿透能力强等特点，并且可以在不同的物质间进行扩散传输。

蓝牙传输技术采用的是跳屏展频技术，抗干扰能力强，保密性好，不易窃听。

在各国都不受频谱的限制，几乎不存在任何干扰。

（2）蓝牙传输的缺点：

蓝牙传输的距离短，只能在方圆十米之内之间进行数据传输。

蓝牙传输技术还没有完全成熟，传输速率较为缓慢慢，现在的蓝牙的峰值带宽最大只有3Mb/s。

在当今信息化的社会时代，可能会对其的发展有着很大的影响。

蓝牙的生产成本较为昂贵。

方案三：

nRF24L01无线传输模块是将三频段收发合一，抗干扰能力较强，是一种工作频率为世界通用ISM频段2.4~2.5GHz的单片无线收发器芯片。

此芯片将功率合成器、晶体振荡器、频率合成器、调制解调器等功能模块集成在内部，同时运用增强型的ShockBurst技术，使其扩展了许多功能，例如自动应答和自动重发功能。

（1）nRF24L01的优点[2]：

芯片的能耗非常低，具有多种低能耗的工作模式，节能设计非常方便。

真正的GFSK单收发芯片，能够将接收和发送功能合二为一，拥有收发完成中断标志。

芯片内部含有硬件地址同时还拥有CRC校验功能，开发技术简单，传输信息安全可靠。

有125个工作频道可供选择，而且频道切换只需要短暂的时间，能够实现多点通讯和跳频通讯功能，亦可实现组网通讯功能。

SPI传输速率可达0~8Mbps，传输速率较快，空旷通讯传输距离远，抗干扰能力强，具有很强的障碍穿透性能。

该芯片可以由用户用软件编程自定义接收、发送的地址，只有收到跟本机地址相同的地址时才允许数据的输出（提出相应的中断指示），因此可直接与各种单片机I/O端口进行连接使用，软件编程使得芯片的使用更加方便。

综上所述：

nRF24L01兼有红外传输和蓝牙传输的优点，并且传输距离远、穿透能力强，软件编程方便和成产成本低，所以采用方案三nRF24L01无线传输模块来实现整个系统的无线通信。

2.3.3显示方式

方案一：

数码管显示。

方案二：

LCD1602液晶显示屏是人们使用最多的的一种字符型液晶显示模块。

它专门显示数字，符号和字母，一般的LCD1602只能显示32个英文字符。

如果需要显示文字，则需要先从微机上提取所需要显示的汉字的点阵码，一般都是直接利用字模提取软件。

LCD1602需要11根I/O线驱动。

方案三：

液晶N5110是由Nokia公司生产的N5110液晶显示器，是一款低功耗的CMOSLCD控制驱动器。

它是由

点矩阵LCD组成，该液晶显示屏不同于LCD1602，它本身没有字库，需要人为制作字库，但是，在绘制图画方面与1602相比有着很大的优越性，它可以使图片的显示更加清晰，其显示速度也能满足一般用户的需求。

一般情况下，驱动N5110仅仅只需要四根I/O线，它可以显示15个汉字或者30个字符。

由于N5110液晶屏的材质是比较落后的TFT，所以N5110在价格上很低廉，适合学生实验使用。

综上所述：

若是单单是显示数字可以用数码管实现，速度和舵角值均可以显示，但是数码管不能显示出单位，因此考虑使用液晶显示屏。

由于N5110成本比较低，且能较为方便的显示出汉字，而且速度是LCD1602的40倍，所以选择方案三。

2.3.4小车转向系统

方案一：

可以使用步进电机来实现小车的转向，如果这样就不需要使用机械部分就可以实现并控制小车的转向操作，步进电机能够实现小车小角度的转动，而且具有较高的精确度。

方案二：

使用直流电机来控制小车的转向，其中添加的机械部分，使得小车在不需要转向时把电机恢复到平衡位置，即运动方向向前。

人们通常选用直流电机，是因为直流电机有如下的优点：

用户对其可以进行平稳的调节，有着较广的调速范围；

起动、过载、制动转矩大；

控制起来方便快捷，安全可靠性高；

调速时只有很少的能量损耗[3]。

综上所述：

选择使用步进电机在软件上需要有更加精确的操作，增加了编程的难度，同时使用步进电机会导致小车在行驶过程中的不平稳，步进电机的转速不应该设置过快，否则会出现空载，所以应该增加额外的电路使得其恢复平衡，所以选择步进电机不仅增加了软件难度还增加了硬件电路设计的难度。

而使用直流电机会从软、硬件设计上降低设计难度。

2.3.5加速计的选择

方案一：

采用电容式加速度传感器。

电容式加速计根据传感器摆放的位置不同或者产生振动等运动状况从而测量出物体的加速度。

它是根据硅的机械特征设计出的可移动机构，该移动机构中包括两组硅梳齿，一组被固定，相当于固定的电极；另外一组是可以移动的，即随着物体的运动方向移动，相当于可移动的电极。

若可移动的梳齿产生了位移，则会产生与位移成比例的电容值的变化。

方案二：

采用ADXL345加速度传感器。

ADXL345是一款小巧而且低能耗的三轴加速计，有着13位的高分辨率，同时测量范围能够达到±16g。

该加速计输出的是16位的二进制补码格式的数据，有着SPI或者

数字接口两种访问方式。

ADXL345特别适用于移动设备的应用。

它不仅能够在倾斜度检测的应用中测量出静态重力加速度，而且还可以测算出运动过程中的动态加速度。

ADXL345是三轴加速度传感器，可以测量出X，Y，Z三个方向的加速度，满足此次要求。

综上所述：

选择方案二。

2.4本章小结

本章确定了整个系统的设计方案，明确了整体系统的设计思路，同时就本次设计中硬件电路的每个模块所应用的元器件进行了选择与确定。

根据系统所要实现的功能要求，对于设计中单片机处理模块、无线模块、显示模块、小车转向系统模块、加速计模块五大模块，综合考虑比较并分析每个模块常选用的器件的优缺点，结合实际选择并确定了本次设计中所使用的模块。

通过查阅资料并撰写本章内容，巩固并加深了对常用模块性能优缺点的差别，也了解了一些新型器件的知识。

第3章硬件设计

3.1单片机处理模块

本次设计中上位机（遥控器）和下位机（小车）中的单片机处理模块均为STC89C52。

3.1.1STC89C52单片机介绍

STC89C52系列单片机是由中国宏晶科技公司生产的具有超强抗干扰能力、工作速率快、功耗低等特点的新品种的单片机。

它的指令代码兼容传统8051单片机的所有代码，可以根据用户的需要任意选择12个时钟/机器周期或者6个时钟/机器周期。

STC89C52内部含有Flash存储器，拥有8KB的内部存储空间和512B的随机存储数据存储器（RAM），同时STC89C52还具有支持串口直接下载程序功能。

STC89C52的引脚图如图3-1所示。

本次设计采用12M的晶振产生时钟频率，单片机的工作电压为5V。

图3-1STC89C52的引脚

3.1.2STC89C52引脚介绍

VCC:

供电电压

GND:

接地

P0口：

P0口是双向8位的三态I/O口，每个口可以独立控制。

由于P0口内部没有上拉电阻，为开漏输出，因此P0口在作为通过I/O口使用时必须用电阻上拉[3]。

P1口：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位准双向I/O口，此接口没有高阻状态，输入也不能锁存，所以并非是真正的双向I/O口。

P1口可以当做通用I/O口，其功能跟P0口相同，同时P1.0和P1.1的第二功能为定时器2的输入[3]。

P2口：

P2口为一个内部提供上拉电阻的8位准双向I/O口，所有端口都可以作为通用I/O口使用。

它的第二功可以与P0脚的第二功能结合起来使用[3]。

P3口：

P3口是一个内部提供上拉电阻的8位准双向I/O口，所有端口都能够作为通用I/O口，使用功能和P1口一样。

但是P3口也