蓝牙智能遥控小车毕业设计论文.docx
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蓝牙智能遥控小车毕业设计论文
河南机电高等专科学校
毕业设计论文
论文题目：
多功能遥控小车
蓝牙智能遥控小车
系部电子通信工程系
专业通信网络设备与维修
班级通网111
学生姓名李太宇
学号110412132
指导教师孔慧君
2013年1月2日
基于蓝牙遥控的多功能智能小车设计与制作
摘要：
无线遥控的机器人小车在危险环境作业、人员搜集等应用中可发挥特殊的作用。
本次毕业设计选择基于蓝牙遥控的多功能智能小车为对象。
设计了该系统的硬件电路原理图和PCB图，控制系统以STC12C5A60S2单片机为主控芯片，采用L293D为电机驱动芯片、蓝牙无线遥控模块、红外光电传感器模块、超声波发射与接收模块等构成外围扩展电路。
将自制的控制电路、控制程序和四轮小车机械结构相结合，制作多功能机器人小车。
实验调试实现了智能小车的蓝牙无线遥控、自动避障、自动循迹等功能。
关键词:
单片机；蓝牙遥控；PWM调速；光电传感器
Developmentofasmartremotecontrolvehiclebasedonblue-toothcommunication
Abstract:
Wirelessremotecontrolrobotcarcouldplayaspecialroleinthehazardousenvironmentoperationsandsearch&rescuepersonnel.Amulti-functionsmartcarwithbluetoothremotecontrolisselectedasmygraduationthesissubject.ThedesignofthesystemhardwarecircuitschematicandPCBdiagramispresentinpaper.ThecontrolsystemcircuitismainlyconsistofaSTC12C5A60S2MCUasthemainchip,aswellasaL293Dchipformotordriving,abluetoothwirelesscommunicationmoduleforremotecontrol,ainfraredphotoelectricsensormoduleforobjectdetection,aultrasonictransmitterandreceivermodulefordistancemeasurement.Thesmartcarisimplementedbythecombinationoftheself-controlcircuit,thecontrolprogramcodeandfour-wheelcarmechanicalstructure.ExperimentaltestsshowedthatsomefunctionssuchasBluetoothwirelessremotecontrol,automaticobstacleavoidance,automatictrackingroute,auto-sensingobjectsandauto-detectingdistancewerecompletelyachievedinthesmartcar.
Keywords:
SingleChipMicrocomputer;Blue-ToothRemotecontrol;PWMSpeedRegulation;OpticalElectronicSensor
第一章前言
随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。
遥控小车起源于美国，由于政府对无线遥控小车研发的资助以及相关资助的推动作用，日本、美国、德国等工业大国在遥控小车技术上占据着明显优势。
我国的无线遥控小车研究工作始于20世纪中后期，在国家的863、973等技术发展计划的重点支持下，国内已大范围地进行无线遥控小车的研究。
全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究，但是与国际先进还存在一定的差距。
可见其研究意义很大。
本设计就是在这样的背景下提出的。
设计的智能电动小车能够实现无线遥控，串口通讯，实时检测速度，避障碍等功能。
无线遥控实现方法包括蓝牙、红外、射频几种，其中蓝牙技术具有一定优势，目前在信息家电方面应用正在铺设。
各种家电共用遥控，并可组网与公众互联网相接，共享有用信息。
目前蓝牙技术实现无线遥控的短板在于传输距离短和芯片价格高方面。
但随着科技发展，这些问题正在逐步得以解决。
无线遥控机器人有着广阔的应用前景。
根据题目的要求绘制电路原理图和PCB图，制作电路板；在KeilC编译环境下编写控制程序并调试，确定如下方案：
在蓝牙无线遥控的基础上，加装光电红外传感器、光敏电阻、温度传感器，实现对电动车的速度、位置、运行状况、运行环境的实时监测，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测到的各种数据，对电动车经行对应的控制并将计算出的数据送至上位机显示，实现真正的实时监控。
本次设计可以对电动车的运动状态进行实时监控，可满足对系统的各项要求。
本设计采用STC系列中的STC12C5A60S2单片机。
以单片机为控制核心，利用传感器检测道路上的各种信息，控制电动汽车的无线遥控、自动避障、自动寻迹、寻光、自动测温等功能。
第二章方案比较与论证
本次毕业设计主要是针对无线遥控智能车进行分析、设计和制作。
本次设计以STC12C5A60S2单片机为主控芯片，实现了智能车的无级调速功能、蓝牙遥控功能、自动避障功能、速度检测功能、光线检测功能、距离检测功能等。
2.1总体方案设计
图2.1系统原理框图
本小车是以STC12C5A60S2为主控制器。
开始由电脑或者手机发送蓝牙无线信号来启动并复位小车，由超声波传感器或红外光电传感器进行障碍检测，通过单片机控制小车行驶、显示、避障和调速。
智能车使用4WD驱动，以提高整车运动的平稳性；在智能车进驶过程中，采用双极式H型PWM脉宽调制技术实现快速、平稳地的调速；通过超声波传感器和红外光电传感器实现自动避障，自动循迹等功能；通过透射式光电传感器计量轮子旋转的圈数（也就是脉冲数）实现速度检测功能；最后通过蓝牙无线传输功能将智能车的行驶信息实时地传送给上位机，以实现实时监控功能。
当然也可通过蓝牙无线遥控来控制小车的行驶状态。
这就是本设计的总体设计思路。
2.2无线模块设计
无线控制是为了能够实现对智能车的远程遥控，使小车可以在遥控状态下代替人类完成一些危险项目。
目前短距离无线数据传输技术主要有两大类，一类是基于IrDA红外无线通信技术，另一类是基于ISM（IndustrialScientificMedical）频段射频通信技术。
较为主流的几种通信技术之间既存在着相互竞争，但又在某些实际应用领域内相互补充、相互配合，究竟选择何种技术更优越，需要由具体的工作环境来决定。
表2.1所示为四种短距离无线通讯技术主要性能参数。
表2.1几种典型无线传输方案比较
蓝牙技术
红外技术
WiFi技术
ISM射频技术
通信距离
<100m
<10m
<300m
<1000m
通信速率
<10Mb/s
<16Mb/s
<11Mb/s
<500kb/s
通信频率或波长
2.4GHz
0.75um-24um
2.4GHz
315、
433.868、
915和2400MHz
频率申请
否
否
否
否
开发难易
难
易
难
易
模块成本
高
很低
较低
低
方案：
通过表格可以看出，他们在近距离通讯领域都可以提供可靠的通信服务，但是同时他们的应用有着各自的技术架构的限制。
在以上的几种中，我最终选择了蓝牙无线传输方式。
2.3显示模块设计
显示模块的主要功能是显示小车运动时的速度，位置及运动时间等信息。
常用显示器件有LCD显示器、数码管，点阵屏等等。
根据此次设计需要我提出了以下实现方案
方案一：
采用8位数码管显示，数码管电路和程序设计简单，但需要循环显示所以占用资源多。
方案二：
采用1602LCD显示器显示。
此方案采用集成显示模块，硬件电路更加简单，并且液晶显示器消耗电流小，更节能，同时软件实现也简单。
方案三：
PC机显示。
通过上位机的串口软件来实时监控智能车的行驶信息。
软件实现简单，无需其他的外部硬件设计。
表2.2几种典型显示方式比较
数码管显示
LCD显示
PC机显示
开发难易
易
易
较难
模块成本
很低
低
高
观察方式
繁琐
繁琐
方便
方案：
通过表格可以看出，方案三更加简单方便，且在智能车行驶过程中，通过LCD来观察智能车行驶信息也不方便，所以我最终选择方案三为本设计中的显示方案。
但为了以后的功能扩展，也附加了1602LCD显示功能。
为了节约电能，单独使用了一个单刀双掷开关控制LCD的通断。
2.4测速模块设计
测速模块的功能是完成当前小车速度信息采集，并输出标准脉冲信号，供单片机处理，运算出小车实时速度。
速度检测可用加速度传感器，光电编码盘，测速电机等实现。
方案一：
磁式测速发电机
永磁式直流测速发电机是一种将转子速度转化为电气信号的机电式信号元件，是伺服系统中基本元件之一。
作为测速、校正，解算元件，他被广泛应用于各种速度和位置控制系统中。
永磁式测速发电机主要由定子、转子和电刷部件等组成。
一般情况下自动控制系统对其元件的要求主要是高的精确度、灵敏度、可靠性等。
因此永磁式直流测速发电机在电气性能方面应满足以下要求：
（1）输出电压和转速成线性关系
（2）温度变化对输出特性影响小
（3）输出电压波纹小
（4）正反转的输出特性应该一致
方案二：
光电编码器
按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。
增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。
绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。
工作时，光电码盘安装在转子端轴上，随着电机的转动，光电码盘也跟着一起转动，如果有一个固定光源照射在码盘上，则可利用光敏元件来接收到的光的次数就是码盘的编码数。
若编码数为60，测量时间为t，测量到的脉冲数为N，则转速为n=N/（t*60）*60=N/t。
方案三：
光电对射式
采用对射式红外传感器。
在轮辐面板上均匀刻出槽孔，在轮子两侧固定相对的红外发射、接收器件。
在过孔处接收器可以接收到信号。
从而轮子转动时可以产生连续脉冲信号，通过对脉冲的计数进行车速测量。
表2.3几种测速方案比较
直流测速发电机
光电编码器
光电对射式
测量精度
高
高
低
开发难易
难
难
易
模块成本
低
高
较低
方案：
通过表格可以看出，方案三安装方便简单且精度比方案一的精度高，而方案二的成本太高，且开发难度较高，因此最终我选择方案三。
设计的方案是使用一块亚克力盘（如图2.3），在盘上刻出20格方槽。
盘下方的凹形物为槽型光电耦合器，其两端高出部分的里面分别装有红外发射管和红外接收管。
遮光盘在凹槽中转动时，缺口进入凹槽时，红外线可以通过，缺口离开凹槽红外线被阻挡。
由此可见，车轮每转一周，红外光接收管均能接收到20个脉冲信号并直接送入单片机的中断口进行计数。
为实现可逆记数功能，我在测距仪中并列放置了两个槽型光电耦合器，遮光盘先后通过凹槽可产生两个脉冲信号。
根据两个脉冲信号发生的先后顺序与两个光电耦合器的位置关系，即可计算出智能车的行驶方向。
图2.2码盘图
2.5调速模块设计
方案一：
串电阻调速系统。
旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。
改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。
该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。
且技术落后，因此搁置不用。
方案二：
静止可控整流器。
简称V-M系统。
V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。
它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。
V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。
它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。
最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。
方案三：
脉宽调速系统。
采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。
当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。
脉冲宽度调制（PulseWidthModulation），简称PWM。
脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。
表2.4几种调速方式的比较
串电阻调速系统
静止可控整流器
脉宽调速系统
开关特性
低
低
高
调速精度
低
较低
高
开发难易
易
难
易
模块成本
高
较低
低
PWM调速系统有下列优点：
（1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：
10000左右。
由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。
（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。
（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。
方案：
根据以上综合比较，以及本设计中设计要求和直流电机调速的发展方向，本设计选用了方案三。
2.6循迹模块设计
探测路面黑线的原理：
光线照射到路面并反射，由于黑线和白线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断传感器和黑线相对位置。
方案一：
采用可见光发光二极管和光敏二极管
采用普通可见光发光管和光敏管组成的发射－接收电路。
其缺点在于易受到环境光源的影响。
即便提高发光管亮度也难以抵抗外界光的干扰。
方案二：
采用反射式红外发射－接收器
采用反射式红外发射－接收器。
直接用直流电压对发射管进行供电，其优点是实现简单，对环境光源的抗干扰能力强，在要求不高时可以使用。
方案：
根据本题目中对探测地面的要求，由于传感器可以在车体的下部，发射、接收距地面都很近，外界光对其的干扰都很小。
在基本不影响效果的前提下，为了简便起见，我选用了方案二。
2.7避障模块设计
方案：
红外式探测
采用红外式发射、检测一体化模块。
由于单个发射器的照射范围不能太小，因此不使用激光管。
用波瓣较宽的脉冲调制型红外发射管和接收器。
其优点是电路实现简单，但抗干扰性较弱。
表2.5几种传感器的比较
超声波探测
红外式探测
检测范围（M）
0.02-4.5
0.01-0.5
环境要求
高
低
检测精度
高
低
开发难易
难
易
模块成本
高
低
方案：
通过综合考虑，我最终选择红外模块安装在小车车尾实现小车倒车壁障，在小车的两侧安装光电检测器来实现前行壁障。
第二章智能车机结构分析
在本次设计中，小车使用四轮驱动。
四轮驱动式的结构中因为后轮的转动力矩的增大，所以在横向上的轮胎阻力要大于2轮驱动式的，因此四轮驱动式的车子不易发生方向偏移。
而且四轮驱动的车子动力更大，爬坡能力更强。
但存在一些不足，如：
四轮驱动式的车子更加耗电，而且车体比一般的2轮驱动式的车体重。
从整体的性能来看四轮驱动式结构的优势是很明显的。
3.1底板设计
图3.1智能车底板图
底板是用来支撑车体的主要部件。
同时也是用来固定车子零部件的，底板上主要有红外传感器安装槽、超声波传感器安装孔、电机定位槽和走线孔，其余的槽孔是用来留在日后扩展用的。
每个器件的安装位置如图3.1所示。
底板采用的是亚克力板材。
安装方便，结构可靠稳定。
图3.2底盘共振频率分析
如图是电机底板的共振频率分析图，我是以底板边缘的四个安装孔为固定点，由于智能车的整车车体重500g,所以在底盘的中心处加5N的力，经过电脑的自动网格划分，通过软件的共振频率计算后得到图示的应力分布图。
从图中可以看出，底板的中间部分是应力最集中的一块，也是最危险的一块，如果车体的振动频率过快，底板很可能会从中间层开始断裂，所以要对底板经行优化设计，减小底板的长度或者加大底板的厚度。
3.2电机与底板的连接支架设计
零件
数量
电机支架
2片
螺丝螺母（M3）
若干
M3螺柱
若干
码盘
4片
图3.3电机支架图
电机支架主要是用来将电机固定在底板上的，每个电机用两块支架板绑定固定，图示电机支架的工程图中，Ф4为支架的定位孔。
它通过慒孔和Ф4圆孔来绑定电机，靠左右两侧的肩台与底板卡在一起。
支架的材料也是亚克力板（PMMA）。
表3.1机械零部件表格
3.3整体装配图
图3.4整车装配图
图3.5整车材料明细图
整体车体由车盘，轮子，电机，电机支架，测速码盘，托板组成。
在以往的智能小车设计中，大都会采用三轮式结构，前轮一般采用万向轮牵引，左右分别为驱动轮。
虽然三轮式的结构简单易于操作，但是在小车行驶过程中的稳定性不足，且由于万向轮的径向阻力非常小，所以很容易偏向。
因此在这次的设计中我采用了四轮驱动，虽然四轮驱动式结构相对于三轮式的结构更加复杂，但其稳定性得到明显加强，并且因为
4个轮子都为驱动轮，其偏差更为离散，不一定是同侧的偏差方向一致，所以在小车前进过程中很难偏向。
第四章控制系统电路设计
一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：
一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定时/记数器﹑中断系统等能不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。
二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，在本设计中包括电机驱动模块﹑红外传感器模块、蓝牙模块﹑显示模块等，还要设计合适的接口电路。
4.1MCU的选型
本设计中使用的是STC12C5A60S2单片机。
STC12C5A60S2单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。
如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、PWM发生器、内置看门狗、内置8路高速10位A/D转换、独特波特率发生器、中断系统及特殊功能寄存器等。
它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。
图4.1STC12C5A60S2引脚图
表4.1STC12C5A60S2硬件结构表
类型
参数
STC12C5A60S2
STC89C51RC
工作电压（V）
5.5-3.5
5.5-3.4
Flash程序存储器字节
60k
4k
RAM字节
1280
512
定时器T0、T1
有
有
PCA定时器
2
无
UART
1
1
独立波特率发生器
有
无
DPTR
2
无
EPPROM
有
有
PCA（16位）PWM（8位）
2路
无
A/D8路25万次每秒
10位
无
I/O
44
40
看门狗
有
有
内置复位
有
无
外部可调门槛电压
有
无
外部中断
4路
4路
由上表可见，STC12C5A60S2单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。
特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集，计算速度比普通的8051快8~12倍。
4.2电机驱动电路设计
图4.2电机驱动电路图
本设计采用L293D芯片，L293是ST公司生产的一种高电压、小电流电机驱动芯片。
该芯片采用16脚封装，内部是由双极性管组成的H桥电路。
其输出电流为100mA，最高电流2A，最高工作电压36V，可以驱动感性负载，可以控制电机的正反转，且很容易被单片机控制。
用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H桥电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也很高，是一种广泛采用的调速技术。
图4.3L293D内部结构图
图示为L293d的内部结构图，L293d内置了与门、非门、三级管组成的两组电路，因为其排列形状像‘H’子母，所以称其为H桥路。
通过控制三极管的通断就可以是电机旋转起来，而通过控制不同三极管的导通，电流的流向就会发生改变，电机的转向也就会发生变化。
在图4.3中，使ENA与ENB两个使能端始终为1，通过控制IN1~IN4输入端的状态来改变电机的转向。
表4.2L293D真值表
IN1IN2IN3IN4
右电机
左电机
1010
正
正
1001
正
反
0110
反
正
0101
反
反
0000
×
×
当IN1、IN2、IN3和IN4分别为1010时，T1、T4、T5和T8导通，左电机和右电机正转；
示例程序1：
voidForward（unsignedcharSpeed_Right,unsignedcharSpeed_Left）//前进
{
L293D_IN1=1;
L293D_IN2=0;
L293D_IN3=1;
L293D_IN4=0;
PWM_Set（255-Speed_Right,255-Speed_Left）;
}
脉宽调制器本身是一个由运算放大器和几个输入信号组成的电压比较器。
运算放大器工作在开换状态，稍微有一点输入信号就可使其输出电压达到饱和值，当输入电压极性改变时，输出电压就在正、负饱和值之间变化，这样就完成了把连续电压变成脉冲电压的转换作用。
加在运算放大器反相输入端上的有三个输入信号。
一个输入信号是锯齿波调制信号，另一个是控制电压，其极性大小可随时改变，与锯齿波调制信号相减，从而在运算放大器的输出端得到周期不变、脉宽可变的调制输出电压。
只要改变控制电压的极性,也就改变了PWM变换器输出平均电压的极性,因而改变了电动机的转向.改变控制电压的大小,则调节了输出脉冲电压的宽度,从而调节电动机的转速.只要锯齿波的线性度足够好,输出脉冲的宽度是和控制电压的大小成正比的。
示例程序2为脉宽调制函数，其中PWM_Set为PWM调速函数，本设计采用的是软件调速，Speed_Right、Speed_Left为用户给定的初值速度，速度值范围：
0~255,数值越大，速度越快。
在通常的程序中多是采用定时器为波特率发生器。
而本次设计中采用的是MCU自
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