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遥控小车控制系统设计

三江学院

本科生毕业设计（论文）

题目遥控小车控制系统设计

电气与自动化工程院（系）电气工程及其自动化专业

指导教师熊老师职称副教授

起讫日期2015年3月2日-2015年6月13日

摘要

当今社会，人们已经离不开遥控，研究遥控的对象越来越多，本文研究的红外遥控小车就是在这样的背景下提出的。

这款小车采用STC12C5A60S2作为控制核心，采用红外遥控原理将其应用到红外遥控小车上。

遥控器通过单片机产生38kHz方波并编码进行红外发射，小车接收信号进行解码，经单片机对信号处理，判断地址码和指令码，进行相应的控制操作。

采用PWM信号来产生不同的平均电压控制直流电机的转速。

该小车可以进行红外遥控，实现前进、后退、左转和右转等功能。

经软硬件联合调试，所设计的遥控小车运行平稳、正确，具有一定的应用价值。

关键词：

红外遥控小车；STC12C5A60S2单片机；编码；解码

ABSTRACT

Peopleareinseparablefromtheremotecontrolintoday'ssociety,moreandmoreremotecontrolobjectisresearched,thispaperstudiestheinfraredremotecontrolcarisputforwardinthebackground.

ThecarusesSTC12C5A60S2asthecoreofthecontrol,usingtheprincipleofinfraredremotecontrolwasappliedtotheinfraredremotecontrolcar.TheremotecontrolwasencodedbyMCUtoproduce38kHzsquarewaveandinfraredemission,ThecardecodingbyMCUforsignalprocessingafterreceivingsignal,judgingaddresscodeandordercode,carriesonthecorrespondingcontroloperation.PWMsignalisusedtoproducedifferentaveragevoltagecontrolofDCmotorspeed.Wasrealizedbytheinfraredremotecontrol,thecarcanmoveforward,backward,turnleftandturnright,andotherfunctions.

Thejointdebuggingofsoftwareandhardware,andthedesignedremotecontrolcarrunningsmoothlyandcorrectly.Intheend,thecarhasacertainapplicationvalue.

Keywords:

infraredremotecontrolcar；STC12C5A60S2MCU；Coding；decoding

第一章绪论

1.1课题的工程背景、目的和意义

智能小车，也称轮式机器人，是以当今社会的汽车为研究对象，通过智能控制能够自动运行奔跑的机器人。

玩具遥控车是一种可以通过无线电遥控器远程控制的模型汽车。

根据车身外型的不同，可以分为:

普通的私家房车、越野车、货柜车、翻斗车等等。

如现实生活中的越野车，不但可以在野外适应各种不同程度的路面状况，而且还能给人一种粗犷豪迈的驾驶优越感。

然而，作为普通的小朋友、普通的游戏玩家来说，可以通过操作一般的遥控玩具车，从而达到一定程度上得"驾驶快感"。

随着汽车产业的迅速发展，对于汽车的研究也就越来越受人们关注。

国内外每年都有对智能小车这方面研究的题目，全国各高校也都很重视对小车的研究。

可见其研究意义很大。

单片机的体积小，以其低成本，性价比好的特点，已经被应用于工业、交通、移动设备、智能家电等领域。

本设计就是在这样的背景下提出的。

21世纪是高速发展的社会,是技术现代化、智能化的社会。

随着红外技术的发展，红外遥控已经成为人们最常用的近距离无线通信方式。

红外遥控是通过将数字信号用红外线送出去的方式实现的。

由于使用方便、功耗低、抗干扰能力强，所以在智能产品行业中越来越受到人们的重视，并在这几年来得到了迅猛发展;正是因为红外遥控有如此多的优点，所以本次设计是一种基于STC12C5A60S2的红外遥控控制。

1.2红外线

1.2.1红外线的简介

红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，波长在760纳米至1毫米之间,其波段处于微波和可见光之间。

我们可以利用红外线的这种激发机制来烧烤食物，红外线波长较长，给人的感觉是热的感觉，产生的效应是热效应，红外线频率较低，能量不够，远远达不到原子、分子解体的效果。

红外线只能穿透了原子分子的间隙中，而不能穿透到原子、分子的内部，由于红外线只能穿透到原子、分子的间隙，会使原子、分子的振动加快、间距拉大，即增加热运动能量。

1.2.2红外线的应用

红外线的应用，从日常生活到军工产品有1.红外线开关2.医疗保健3.遥控器4.红外接口5.防盗装置6.红外遥感7.红外侦察8.红外制导等。

主要的应用事例如下：

比如在夜间行走，夜视仪可以探测人体的热量，红外线成像;

测距仪可以测量距离，以红外线作为载波的一种测量距离的精密仪器；

理疗机在医疗方面使用，远红外线的热效应治疗；

热寻的导弹——跟踪飞机尾部热量的导弹，著名的美国响尾蛇。

当今红外技术的一个重要分支是红外通信技术的应用，这个应用的发展非常迅速，尤其是红外通信应用于计算机设备中，科技的进步，红外线遥控技术的成熟，红外也成为了一种被广泛应用的通信和遥控手段。

1.3国内外研究现状

随着全球科技技术的飞速发展，人们对现场遥控以及红外通信的技术要求越来越高，尤其是在红外技术的巨大进步下背景下，大大加速了这个趋势。

目前，国内外都开始研究和生产智能红外遥控系统，红外遥控已被广泛地应用到日常生活中及工业中，电视机遥控器、视频监控系统、电视演播系统、电视会议系统、微格教学系统、多媒体教学系统、工业智能控制等多种领域都有应用。

可以说，红外遥控是人们在近距离无线通信方式中常用的，是生活在各个方面都体现着现代化，方便、简单是红外遥控电子产品的重要优势，现在，玩具用遥控的方式不但实现了商品化，而且产品的质量也越来越高，形成了许多系列和品种，具有准确度高，速度快，既方便又实用等诸多优点，能满足不同层次的爱好者及不同模型的技术要求。

国内外遥控小车的发展最近几年有如下几个趋势：

（1）遥控小车性能不断提高，其速度不断提高，质量得到保证，维修起来越来越方便，而且小车里面的核心部分的单片机售价越来越低。

（2）由遥控到智能化，小车无需人工控制，自动识别方向运行，能够在外界不干预的情况下正确的处理好突发情况。

（3）其架构越来越小，以前一个模块就只能实现一个功能，而现在伺服电机、减速机和检测系统一体化后，整个小车看起来轻巧许多。

1.4STC12C5A60S2单片机

1.4.1STC12C5A60S2单片机的简介

STC12C5A60S2是一款完全兼容传统8051，速针对电机控制，强干扰场合，具有高速，低功耗，超强抗干扰的新一代8051单片机。

该系列单片机包含了中央处理器，程序存储器，数据存储器，计数/定时器，I/O接口，高速A/D转换，SPI接口，PCA,看门狗，片内R/C振荡器，外部晶体震荡器等。

几乎包含了采集和控制所需的所有单元模块，可以说是一个片上系统。

STC12C5A60S2内部有一个PCA模块，PCA模块可实现软件定时器，捕获外部脉冲，高速输出，脉宽调制功能，而本设计就是运用了PCA的捕获功能实现了对编码器脉冲信号的捕获以及旋转方向的判断。

1.4.2STC12C5A60S2单片机的主要特点

1、由于该单片机属于8051系列，所以片内自带4K的ROM/EPROM；

2、该单片机执行I/O口操作读外部状态是4个时钟；

3、有完整的P4口，未扩展外部INT2/INT3中断；

4、I/O口的驱动能力超强，驱动大电流时不容易烧坏；

5、单片机的看门口寄存器里增加了看门狗复位标志位；

6、外部时钟和内部时钟的结构上略有不同；

7、环境适应能力强。

1.4.3STC12C5A60S2单片机的主要参数

工作电压：

3.5V~5.5V

工作频率：

0~35MHZ

型号：

STC12C5A60S2

时钟/机械周期：

1T

时钟源外部：

高精度晶体/时钟内部R/C振荡器

R/C振荡器频率：

11MHZ~17MHZ

通用I/O口个数：

44个

A/D转换速度：

250K/S

工作温度：

-40~+85S（工业级）/0~75（商业级）

1.5论文的主要内容及章节安排

小车控制系统以STC12C5A60S2单片机为控制器，采用红外遥控，控制小车实现“前进”、“后退”、“左转”、“右转”等功能，考虑单片机经过处理将信号送入脉宽调速专用集成电路L298芯片，芯片L298接收到脉冲信号，控制左右2个电机的驱动,从而实现小车迹行走、前进、转弯、停止等功能。

进行小车结构设计制作，绘制控制电路原理图和PCB图，制作电路板；进行软硬件调试。

成功后，探讨其在日常生活和工程中的应用。

本文从一开始介绍了遥控小车设计的目的意义，以及小车在国内外的现状。

以及开展本课题研究的一些基本情况的绪论部分，本文还包括以下几个部分：

第二章，进行了方案的设计，要做成一个红外遥控小车我们要从多方面考虑，控制模块的选择：

选用的是STC12C5A60S2；车身的选择：

选用的是市场上用于实验室的小车车架（有机玻璃成分），小车底盘采用5mm厚有机玻璃经激光切割整体成形（同时提供金属底盘），小车顶面采用激光切割的3mm有机玻璃，预留位置大，并在预留位置加工了多组安装孔，扩展能力强。

利用小车的圆形底盘特性，在底面左右两边直流电机和放滑轮，后面二个万向轮起平衡小车作用；电机驱动模块的选择：

选用的是L298，工作电压高，最高工作电压可达46V。

输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A，内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；电池的选择：

选用的是干电池，干电池易于购买，且符合此次设计的电压需求，6节干电池。

第三章，硬件设计主要介绍：

STC12C5A60S2单片机、红外遥控发射模块、驱动模块、直流供电模块：

9v的干电池作为整个系统的电源。

第四章，软件部分主要介绍：

红外发射接收的原理和发射程序。

运行的软件KeiluVision4软件是美国KeilSoftware公司推出的C语言程序开发软件。

与汇编语言相比，C语言的主要优点是功能强大，可读性好，灵活方便，可移植性好。

它吸收了高级语言的优点，有拥有低级语言的特点。

KeiluVision开发环境集中了包括C编译器在内的许多功能。

Keil软件需要运行在WIN98以上的操作系统

第二章方案设计

2.1系统结构

本课题是设计一辆红外遥控小车。

小车的电路系统由单片机STC12C5A60S2、红外遥控发射和接收模块、小车驱动和小车行动指示四个模块组成。

小车的车身是采用购买来的小车模型。

系统基本工作过程是基于单片机的控制，采用编码解码芯片发送和接收操作控制指令，并对信号快速处理。

输出两路不同的信号给驱动模块L298来控制电机的动作。

从而控制整个小车的运动。

小车的运动完全取决于控制两个主动轮的直流电机。

电机单个启动时小车实现左右转弯，电机同时运动时小车实现前进后退。

小车后面装有2个懒轮来稳定小车的运动。

这样的智能小车效果显著且使电路简单化，直流电动机也具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，还可以实现频繁的前进和后退等优点。

整个小车系统功能框架见图2-1。

图2-1功能框架图

2.2模块选择

2.2.1控制模块的选择

此部分是小车的核心部分

方案1：

采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。

它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产（一般在10,000件以下）之中。

但是本系统并不需要复杂的逻辑运算功能，对数据处理要求也并不很高。

方案2：

采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。

处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。

但是我们这系统并不需要强大的语音处理能力。

方案3：

采用STC12C5A60S2单片机作为主控制器。

STC12C5A60S2是一个低功耗，高性能的8位单片机，片内含32K空间的Flash只读存储器，具有1280字节的随即存取数据存储器（RAM），36个IO口，4个16位可编程定时计数器。

且STC12C5A60S2系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试[2]。

本文选用方案3。

2.2.2车身的选择

方案1：

自己做一个小车车架。

采用尼龙板制作，需要切割板并在板上打孔安装电机会大大加大本课题的设计的制作的时间。

方案2：

购买市场上的用于我们实验的小车车架。

找到了现成的小车模型，小车底盘采用5mm厚有机玻璃经激光切割整体成形（同时提供金属底盘），小车顶面采用激光切割的3mm有机玻璃，预留位置大，并在预留位置加工了多组安装孔，扩展能力强。

利用小车的圆形底盘特性，在底面左右两边直流电机和放滑轮，后面二个万向轮起平衡小车作用。

四个轮构成轿车状态，稳定车身，能够方便地实现转速、小车的直线前进与后退。

直流电机更是容易控制及调速，而且这种玩具车架一般都价格便宜。

本文采用方案2购买小车车架。

2.2.3遥控控制模块的选择

方案1：

采用RF无线发射模块F05V、RF无线接收模块J04V,以及编码芯片PT2262解码芯片PT2272组成的无线遥控模块，此遥控模块在开阔地参考距离大于150米，而且能够在有障碍物的情况下实现遥控，但是实验室的不需要那么高精度的遥控。

此模块也是红外遥控，自动解码和编码。

此方案作为接口预留。

方案2：

采用红外遥控模块，采用红外发射器、红外接收器构成，这样的遥控方式控制距离比较短，在遇到障碍物时，对绕过障碍物的遥控能力比较差。

但我们的小车不需要在有障碍物的情况下能灵活的运动。

所以红外遥控可以适用。

本文采用方案2。

2.2.4电机的选择

方案1：

步进电机一般分为混合式、反应式和永磁式三种。

混合式电机结合了反应式和永磁式两种电机的长处。

有两相的和五相的。

两相的步进电机步进角是1.8度两相的步进电机步进角0.72度。

因此，混合式步进电机得以广泛使用。

反应式步进电机通常是三相的。

广泛应用在大转矩输出的场合。

它的步进角是1.5度。

主要缺点是震动很强且会产生很大噪声。

永磁式步进电机通常是两相的。

它的转矩以及体积都很小。

它的步进角是15度和7.5度。

方案2：

直流电机的控制相对比较简单，但其定位精度不高，可用于对速度要求高，而对于位移的定位要求不高的场合；步进电机可实现精确定位，广泛应用于精确定位场合，但其控制复杂。

从本课题研究要求、控制要求以及性价比等综合方面考虑，我们采用方案2。

2.2.5供电模块

由于本设计中电机、芯片的供电电压不同。

主电源要采用6节1.5v的干电池供电。

芯片需要5v的电压，所以采用AMS1117满足不同模块的电压需要。

第三章硬件设计

3.1控制模块STC12C5A60S2单片机

（1）STC12C5A60S2单片机功能介绍

STC12C5A60S2是一种低功耗、高性能的新一代8051单片机，具有8K用户应用程序空间的存储器。

指令代码完全兼容传统8051，但是速度快8-12倍。

允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，使得STC12C5A60S2为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

STC12C5A60S2具有以下标准功能:

工作频率在0-35MHZ，1280字节RAM,36位I/O口线，看门狗定时器，4个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，STC12C5A60S2可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

8位微控制8K字节在系统可编程STC12C5A60S2。

（2）单片机的最小系统

STC12C5A60S2单片机最小控制系统电路主要包括：

单片机芯片、复位电路、时钟电路。

如图3-1为单片机最小系统电路原理图。

图3-1单片机最小系统

复位电路：

41号引脚接复位电路，接高电平，复位引脚VCC接一个0.1UF的贴片电容，当输入5V电压时，由于复位电路有20K和10K的分压电阻，分压后受到1.66V的电压，当供电电压低于1.33V时产生复位，如果电压恢复后重新启动程序运行，可以设置成低电压中断，或者复位。

当按键按下时，电压降到1.33V以下，产生复位。

电源及时钟：

电源采用5V电压供电接Vcc引脚，时钟采用24MHz晶振为系统提供时钟基准，振荡脉冲信号从XTAL1和XTAL2输入。

与晶振相连的是两个30pF的电容，它是晶振的负载电容，会影响到晶振的谐振频率和输出幅度。

3.2红外遥控发射模块

红外通信是利用红外技术实现两点近距离保密通信和信息转发的,它一般由红外发射系统和接收系统两部分组成。

发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号,接收系统则用光学装置和红外探测器进行接收,这样就构成了红外通信系统,并针通信系统常用的方法有两种,即通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制（PWM）方法和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制（PPM）方法。

本次毕业设计所使用的方法是PWM。

矩阵键盘分两步：

第一步是扫描有没有键按下，第二步是扫描是哪个键按下的。

首先我们要读取键盘的状态，获得它的的编码。

我们可以举一个例子来说明如何获得按键的编码的：

假设第一个键被按下，我们要得到它的编码，那么我们从P1口的高四位输出低电平，那么P1.4-P1.7为输出口。

低四位输出高电平，那么P1.0-P1.3为输入口。

P1口的低四位状态为1101，其值为0DH，类似的道理，P1口高四位输出高电平，那么P1.4-P1.7为输入口。

低四位输出低电平，那么P1.0-P1.3为输出口。

P1口的低四位状态为1110，其值为E0H，最后进行运算得到编码EDH，其他的15个键是同样的方式，得到它们的编码。

在红外遥控系统中,虽然发射、接收芯片内部均含有抗干扰及杂波滤除功能,但红外干扰源对系统的影响仍无法完全避免;另外,某些意外情况也可能造成译码的错误.为了提高系统的抗干扰能力,杜绝误操作,在软件上采用了多种抗干扰措施。

距离50米以内的2.4G无线模块，2.4G模块3V也可以供电，不一定用3.3V供电。

市场上一般采用CC2500无线模块。

其中工业场合，就用CC2500IC做的模块，如CC2500M无线模块;一般的应用场合，就用CC2500S无线模块。

它采用TI公司的CC2500晶圆绑定，具有很高的性价比。

该模块的尺寸大小为12*18mm，有效距离20到50米。

最高速率250kbps（预留）。

红外发射灯部分电路主要组成有红外发光管D1，限流电阻R9，三极管Q1（放大）和滤波的电阻R11、电容C5。

对于三极管Q1，这个放大信号实际上是电源加在集电极上的信号，而不是三极管自身放大出来的。

三极管的放大原理实际上可以概括为用基极的小信号去控制三极管集电极上的电源信号，让它跟随基极信号变化而变化。

发射极与基极之间只相差一个PN结，而且在放大状态中这个结是正向导通的，导通电压0.7V，并不会随基极信号变化而变化；限流电阻R9减小负载端电流，例如这个电路发光二极管一端添加一个限流电阻可以减小流过发光二极管的电流，防止损坏LED灯；设置滤波电容C5会使电子电路的工作性能更加稳定，同时也降低了交变脉动波纹对电子电路的干扰。

见图3-2。

图3-2红外发射模块

3.3驱动模块

采用L298作为电机的驱动模块。

系统通过两台直流的减速电机提供动能，分别完成前进、后退、左转、右转四个动作。

由于单片机型号不较弱，不可能驱动两个驱动扭矩大的直流电机，所以需要通过单片机控制L298电机驱动模块实现。

在直流电机调速的时候，主要使用的是L298的线性放大功能和开关功能。

L298是工作在线性区的。

它的优点是易于控制，输出稳定。

缺点是功率低下，不易散热。

L298可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。

4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。

输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。

1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。

L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4输出为电机的接入端，IN1，IN2，IN3，IN4为单片机控制信号输入端，控制电机的正反转。

控制输入端A端输入PWM信号，控制输入端B端输入PWM的反向信号，在一个PWM周期里，电机的电枢承受双极性的电压，电机的速度和方向均由PWM决定。

占空比越大，平均电压越大。

下图为原理图

图3-3驱动电路图

由于L298的逻辑电源采用5V供电，故其5、7、10、12四个引脚可直接连接到单片机上。

通过单片机的片内程序可以实现两个直流电机的PWM调速以及正反转等功能。

L298芯片是一种常用的电机驱动芯片。

根据数据手册可知，它的里面含有四通道的逻辑驱动电路。

它以双H桥的独特结构而被广泛用于驱动两相和四相的电动机。

使用逻辑电平对它进行控制，能承受46V的工作电压和2A的工作电流。

其中的8个续流二极管是在电机换向和停止使用的，电机在转动，产生电流，二极管就是用来续流使用的。

电机采用的是2个直流电机，型号：

1B48-1812L,其额定电压：

6V，电流限制在200mA以内，减速比在1:

48。

L298控制逻辑真值表如表2-1所示。

表3-1L298控制逻辑真值表

输入

状态

ENABLEA=H

INPUT1=H，INPUT2=L

电机正转

INPUT1=L,INPUT2=H

电机反转

INPUT1=L,INPUT2=L

电机停止

INPUT1=H,INPUT2=H

电机急停

3.4直流供电模块

由于我们只有9v的干电池作为整个系统的电源，所以必须通过一个稳压电路来得到单片机及其他芯片的电源。

干电池广泛应用于社会生活的方方面面。

普通干电池构造简单，多为锰锌电池。

它主要由碳棒，石墨和二氧化锰的混合物以及纤维网组成。

电池放电其实就是锌与氯化氨的电解反应，