红外遥控汽车设计毕业论文Word文件下载.docx
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使用AT89C51作为主芯片，使用蓄电池供电，PT2262和PT2272作为遥控部分，使用三极管搭建模拟电路进行直流电机和步进电机的驱动，遥控模块发射出信号后通过单片机对接收模块的脉冲检测判断出是哪个键按下从而在相应的口上输出特定个数和相位的脉冲，控制步进电机和直流电机完成相应的动作。
该遥控方式遥控器的有效距离能够达到30米。
三极管用过开关管，用来放大单片机IO口的电流从而保证稳定地驱动电机。
H桥驱动直流电机扭矩和稳定性都能够很好的达到要求。
但是蓄电池价格比较昂贵，而且也大大增加了小车的负重，对马达的扭矩力要求比较高，这也会大大增加系统的功耗，使得电池很快就会用竭。
而且PT2262,2272控制按键比较有限，使得系统的功能变得单一，不利于系统以后的扩展，而且现成的模块价格也比较高，所以这种方案最终被否决。
2.2方案二
使用AT89C51作为主芯片，用红外进行遥控，使用298进行直流电机的驱动，2803进行步进电机的驱动，采用变压器和整流稳压电路从市电取电，这种方案硬件电路相对比较简单，使用现成芯片进行驱动也使得电路的总体性能变得更加稳定，变压器取市电的方式在一定程度上节省了系统的成本，而且也能够很方便的得到电机和控制器的工作电压，红外接收头接在单片机的外部中断引脚上，通过定时器和外部中断来测量接收到的信号高低电平的时间就可以解出接收到的红外遥控码，在本设计中我丢弃了其余三个，只取了数据码作为有效的控制信息。
红外遥控的方式比较省钱，控制距离也可做到十米以上。
但是298和2803的价格比较高，整个系统成本因此上升了很大一部分。
所以这种方案最终也被否决。
2.3方案三
使用AT89C51作为主芯片，用红外进行遥控，使用三极管搭建模拟电路进行直流电机和步进电机的驱动，采用变压器和整流稳压电路从市电取电，这种方案综合了方案一和方案二各自的优点。
取市电的方式使得整个电路成本降低而且不必担心电池耗竭的问题，红外遥控的方式在降低系统成本的基础上也使得系统的可扩展性能变得更加优秀，红外数据码有很多种不同的方式，我们可以通过这些方式的区分来控制小车完成各种复杂的动作。
模拟电路驱动电机经过试验能够完全满足我们对驱动能力的要求，在小车长期运行
之后不发热。
而且使得成本能够控制在非常低的水平上。
这种方案不但成本低，稳定性高，并且方便以后的扩展。
2.4方案确定
三种方案的比较：
方案一的优缺点：
H桥驱动直流电机扭矩和稳定性能够很好的达到要求。
但蓄电池价格比较昂贵，而且也大大增加了小车的负重，对马达的扭矩力要求比较高，这也会大大增加系统的功耗，使得电池很快就会用竭。
而且PT2262,2272控制按键比较有限，使得系统的功能变得单一，不利于系统以后的扩展，而且现成的模块价格也比较高。
方案二的优缺点：
用现成芯片使性能更加稳定，红外遥控的方式也比较省钱。
但298和2803的价格比较高，整个系统成本因此上升了很大一部分。
方案三使用AT89C51作为主芯片，用红外进行遥控，使用三极管搭建模拟电路进行直流电机和步进电机的驱动，采用变压器和整流稳压电路从市电取电，此方案综合了方案一和方案二的优点。
不但成本低，稳定性高，并且方便以后的扩展，所以最终采用方案三。
2.5系统的组成
系统主要由红外发射和接收的硬件电路和，电机驱动控制的软件部分组成，硬件电路部分的主要功能是红外信号的发射和接收，电机的驱动等，软件部分的功能主要是电机的驱动控制。
而AT89C51单片机的主要是对接收到得红外线信号的解码、控制电机正/反转、起动、停止和左/右转等工作，控制电路的系统框图如图2.1所示。
图2.1控制电路系统框图
2.5本章小结
本章主要介绍了红外遥控汽车设计的总体设计思路及其原理，通过介绍并分析比较几种设计方案，最终确定了本次设计所使用的设计方案。
第三章主要芯片的介绍
3.1AT89C51的介绍
AT89C51单片机是1989年有ATMEL公司推出，片内有4KB的FlashROM，128B的RAM，32根I/O线，2个16位的定时器/计数器，一个可编程全双工串行通信口，它是一款在线可编程的单片机，通过对应的ISP软件，用户完全可以对单片机程序存储Flash中的代码进行方便的改变。
由于此类单片机机构及其所采用的半导体生产工艺，此类单片机有集成度高、便于嵌入式应用、控制性能好、应用系统组成灵活。
可靠性好等特点。
这也决定了C51系列单片机在众多领域有广泛的应用。
AT89C51引脚图如下图3.1所示：
图3.1AT89C51引脚图
单片机主要功能引脚：
（1）VCC（40）：
电源引脚，接+5V电源。
（2）VSS（20）：
接地引脚，也就是GND。
（3）XTL1（19）、XTL2（18）：
振荡电路引脚。
单片机是一种时序电路，有脉冲信号时它才能工作，它的内部集成了一个时钟产生电路，具体有两种振荡方式，一种是外部振荡方式，当采用外部振荡时，需在XTL2引脚上加上外部的时钟脉冲信号；
另一种是内部振荡方式要在引脚上接上两个电容和一个晶振。
（4）PSEN（29）：
片外ROM选通信号，低电平有效，高电平时读片内ROM。
（5）ALE/PROG（30）：
地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。
（6）RST/VPD（9）：
复位信号输入端/备用电源输入端。
（7）EA/VPP（31）：
内/外部ROM选择端。
（8）P0口（39-32）：
双向I/O口。
（9）P1口（1-8）：
准双向通用I/0口。
（10）P2口（21-28）：
准双向I/0口。
主要特性：
8051系列单片机的内部RAM去区中开辟了4个通用工作寄存区，共有32个通用寄存器，可以适用于多种中断或子程序嵌套的情况。
另外还在内部RAM中开辟1个位寻址区，利用位操作指令对位寻址区中每一个单元直接进行操作，特别适合于解决各种开关控制和逻辑问题。
8051在单芯片应用方式下其4个并行I/O口（P0－P3）都可以作为输入/输出之用，在扩展应用方式下则需要采用P0和P2口作为片外扩展地址总线之用。
8051单片机内部集成了一个两个16位定时器/计数器，可以很方便地进行定时和计数操作，还集成了一个全双工的异步串行接口，可以发送和接收数据，为单片机之间的相互通信与上位通信带来极大的方便。
（1）振荡器特性：
AT89C51单片机的时钟信号来源有两种方式：
内部振荡方式和外部振荡方式，单片机AT89C51的内部有一个用于构成内部振荡器的反向放大器，XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端，在这两个引脚之间只要外接一个石英晶体振荡器，构成的自激振荡器就是AT89C51的内部振荡方式。
外部振荡方式就是把已有的时钟引脚引入单片机，外部振荡脉冲信号有XTAL1端输入单片机，而把XTAL2端悬空，这种外部振荡方式便于多块芯片同时、同步工作。
（2）芯片擦除：
片内存储器配置了FlashROM的形式用于可通过电擦除或写入的程序存储器来修改片内ROM的程序，电擦除方式是通过正确的控制信号来保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作过程中，代码阵列全部写入“1”并且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
另外，AT89C51单片机内有稳态逻辑，支持多种软件选择掉电模式。
在空闲模式下，芯片的CPU停止工作。
但片内的RAM、中断系统、定时系统和串口仍在工作。
（3）掉电保护方式：
掉电保护方式时振荡器停止工作，片内所有功能部件都停止工作。
片内RAM和其他SFR的内容保持不变，I/O引脚的状态均保持在对应的SFR中，ALE和PSEN均为低电平。
当CPU执行一条置PCON.1（PD）为1的指令后，系统进入掉电保护方式。
退出掉电保护方式是硬件复位方式。
复位后片内RAM区的数据不变。
在进入掉电保护方式之前，应将有关寄存器的内容送到RAM中，当退出掉电保护方式后，再恢复到各寄存器中。
3.2AT89C2051的介绍
AT89C2051是低电压、高性能CMOS8位单片机，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C2051单片机在电子类产品中有广泛的运用。
AT89C2051共有20条引脚，如图3.2所示。
图3.2AT89C2051的引脚图
P1口共8脚，准双向端口。
P3.0～P3.6共7脚，准双向端口，如P3.0、P3.1的串行通讯功能，P3.2、P3.3的中断输入功能，P3.4、P3.5的定时器输入功能。
在引脚的驱动能力上，AT89C2051具有很强的下拉能力，P1、P3口的下拉能力均可达到20mA相比之下，而AT89C51的端口下拉能力每脚最大为15mA。
但是限定9脚电流之和小于71mA，引脚的平均电流只9mA。
AT89C2051驱动能力的增强。
相对于AT89C51它少了一些功能，但是它的功耗少，便于携带，更经济使它在发射电路中起着重要的地位。
因此，在本设计红外发射的电路中就用了它来实现脉冲信号的产生。
3.3ULN2003A的介绍
本设计主要采用ULN2003A为步进电机提供脉冲信号。
ULN2003A达林顿连接晶体管是低逻辑电平数字电路和大电流高电压要求的负载间的接口的理想器件。
通常用于工业控制，计算机和消费类电子产品中。
全部器件拥有集电极的开路输出与用于瞬变抑制的续流箝位二极管。
ULN2003A的设计和标准的TTL系列电路兼容。
它的管脚连接图如图3.3所示:
图3.3ULN2003A的引脚图
其主要特性为：
表3.1ULN2003A主要特性表
极限值（若无其他规定，Tamb=25℃）
参数名称
符号
数值
单位
输入电压
VIN
30
V
输入电流
IIN
25
mA
功耗
PD
1
W
工作环境温度
Topr
-20~+85
℃
贮存温度
Tstg
-55~+150
ULN2003A芯片概述与特点：
ULN2003A芯片是高耐压、大电流达林顿阵列，由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。
功率电子电路大多要求具有大电流输出能力，以便于驱动各种类型的负载。
功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分。
ULN2003A芯片高压大电流达林顿晶体管阵列产品属于可控大功率器件。
步进电机驱动电路的工作过程是：
首先从P1口输出00000001B，由于单片机与ULN2003A连接只用到了P1.0—P1.3，所以ULN2003A与单片机连接的四个管脚中每时刻只有一个管脚处于导通状态（采用单拍方式对步进电机控制），其他管脚处于断开状态。
这样就使得与ULN2003A连接的步进电机只有一个引出端导通。
3.4本章小结
本章主要简单介绍了设计所需要的芯片的引脚、引脚功能及所用环境。
着重介绍了AT89C51的振荡、电擦除等特性。
第四章电机驱动电路的设计
4.1MCU最小系统的设计
单片机最小系统仿真如下图4.1所示：
图4.1单片机最小系统的仿真设计
复位电路：
对于单片机而言，复位RESET是一项很重要的归零调整操作。
AT89C51的RESET是将高电平加到RESET引脚上，时间超过两个机器周期以上，也就是2us（12MHZ晶振），不管手有多快，只要按下KEY，复位引脚上的高电平时间都会超过2us，换句话说，只要按下KEY，就一定会使系统复位。
当系统复位时，CPU内部寄存器将回归初始状态，程序将从0000H处开始执行。
本设计中，复位电路使用的是RC按键电平复位，当KEY未按下时RSET脚被R8下拉成低电平，单片机正常运行。
一旦KEY被按下，则电容迅速放电，RSET端电压上升为VCC，在KEY放开后，VCC通过R8对电容进行充电，此时RSET端的电压又开始降低，当RSET端的电压低于1/3VCC，也就是电容上的电压充到2/3VCC时，复位结束。
时钟电路：
时钟电路是最常用的在18和19脚接晶振的方式，晶振使用的是12MHZ，起振电容选用的是33PF瓷介电容。
另外此设计中未使用外部程序存储器，所以我们需要把EA拉高。
4.2原始电机桥式驱动介绍
图4.2中所示为一个典型的直流电机控制电路。
由于它的连线的形状相识于“H”因此称其为“H桥式驱动电路”。
它是由4个三极管所搭成的，有4条垂直腿，直流电动机就是H中的横杠，如图H桥式电机驱动电路由4个三极管和一个直流电机组成。
当导通对角线上的一对三极管时，直流电机就会运转。
根据三极管的不同导通情况，电流会从左至右或从右至左流过电机，从
而能控制电机的转向。
图4.2H桥式电机驱动电路
如图4.3所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从Q1从左至右穿过直流机，
然后再穿过三极管Q4。
按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。
图4.3
H桥式电机驱动电路
图4.4所示为驱动直流电机逆时钟转动的情况，三极管Q2和Q3导通，电流将从右至左流过电机。
驱动电机沿另一方向转动，如图4.4所示。
图4.4
在设计的电路中，我将原始的H桥做了相应改进，使其驱动电流变得更大，具体电路将会在后面会论述到。
4.3步进电机
步进电机是一种将电脉冲信号转换成相应角位移的控制装置。
由于步进电机具有起、停、速度快、精确步进和定位等特点，因而在很多领域都有广泛的应用。
常用的步进电机有三相、四相、五相、六相等，本节以四相步进电机为例，简单介绍控制原理和程序设计。
四相步进电机内部有A、B、C、D四相绕组，其旋转方向与内部绕组的通电顺序及方式有关，常用的单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形分别如图4.5、4.6、4.7所示：
图4.5单四拍
图4.6双四拍
图4.7八拍
（1）步进电机的硬件驱动电路：
步进电机的驱动电流一般比较大，单片机难以提供如此大的电流，所以一般需要在单片机和步进电机之间加驱动电路。
目前市场上已经有很多种类的通用步进电机驱动器，也可以自行设计驱动电路，满足其电压电流的需求即可。
图4.8就是其中一种简单的三相步进电机的仿真驱动电路。
图4.8三相步进电机仿真驱动电路
这种驱动方式是全电压驱动，即在步进电机移步与锁存时都加载额定电压，为防止电动机过电流以及改善驱动特性，需要加限流电阻。
由于步进电机锁步时，限流电阻要消耗很大的功率电容，并且开关也要有比较高的负载能力。
（2）步进电机的控制软件设计：
如果三相步进电机按照上述方式和通电顺序，则步进电机正向转动，如果按照上述相反的方向顺序通电，则步进电机反向转动。
下面以三相六拍的步进电机驱动为例介绍步进电机的软件驱动设计。
选择单片机的输出接口控制三相步进电机的每一相绕组。
例如，用8位接口控制三相步进电动机时，可用D0、D1、D2分别接到三相步进电动机的A、B、C三相绕组的驱动电路。
根据控制方式写出对应的控制字，步进电动机的正转控制字见图4.9，步进电机的反转控制字见下图4.10。
图4.9步进电机正转控制字
图4.10步进电机反转控制字
步进电机的控制流程图如下图所示：
步进电机控制流程图
三相六拍的步进电机驱动程序段具体如下：
STEPEQU60H
ORG1000H
MOVR7,#STEP;
设定电动机运行步数STEP
LOOP0:
MOVR2,#00H
MOVDPTR,#TAB
JNB00H,LOOP2;
判断电动机正反转
LOOP1：
MOVA,R2;
取正转工作状态
MOVCA,@A+DPTR;
取控制字
JZLOOP0;
控制字为0，则工作状态超过5，则从0状;
态开始
MOVP1，A;
从P1口输出控制信号
CALLDELAY;
延迟
INCR2;
修改工作状态
DJNZR7，LOOP1;
判断预定步数是否走完
LOOP2:
MOVA,R2
ADDA,#07H;
取反转工作状态
MOVR2,A;
修改反转变量
AJMPLOOP1
DELAY:
;
延迟子程序（略），用于相邻两拍之间延时
TAB:
DB01H,03H,02H,06H,04H,05H,00H
DB01H,05H,04H,06H,02H,03H,00H
END
4.4本章小结
本章主要介绍了系统的电机硬件设计部分。
分别介绍了MCU最小系统的设计、电机和步进电机的驱动设计及步进电机的软件驱动程序。
第五章红外遥控电路的设计
5.1红外遥控系统概述
红外遥控系统主要由遥控发射器、一体化接收头、单片机、接口电路组成，遥控器用来产生遥控编码脉冲，驱动红外发射管输出红外遥控信号，遥控接收对遥控信号的放大、检波、整形、解调出遥控编码脉冲。
遥控编码脉冲是一组串行二进制码，对于一般的红外遥控系统，此串行码输入到微控制器，由其内部CPU完成对遥控指令解码，并执行相应的遥控功能。
使用遥控器作为控制系统的输入，需要解决几个关键性的问题，例如如何接收红外遥控信号，如何识别红外遥控信号以及解码软件的设计、控制程序的设计。
远程遥控技术又被称之为遥控技术，主要功能是实现对被控制目标的远程的控制，在工业制造、航空领域和家用电器领域应用广泛。
红外线遥控技术是一种无线的、非接触式的控制技术，红外遥控技术具有极强抗干扰能力，稳定的信息传输能力及耗能低、成本低和易实现等显著优点，被现在的电子设备广泛采用，并越来越多的应用到计算机系统中。
红外线是太阳光线中众多不可见光线中的一种，是由德国科学家霍胥尔于1800年发现，又称为红外热辐射，他用三棱镜将太阳光分解开，在各种不同颜色的色带位置上放置了温度计，试图测量各种颜色的光的加热效应。
结果发现，位于红光外侧的那支温度计升温最快。
因此得到结论：
太阳光谱中，红光外侧必定存在看不见的光线，这就是红外线。
也可以当作传输之媒介。
太阳光谱上红外线的波长大于可见光线，波长为0.75~1000μm。
红外线可根据波长分为三部分，即近红外线，中红外线，远红外线。
红外遥控器在家用电器（如电视机、空调器、报警器、自动水龙头等）、工业控制（如机器人、自动门）等许多领域都得到了广泛应用、尤其在高压、辐射、有毒、粉尘等工业环境中有很大优势。
红外线不仅可以用作遥控装置，红外线信号也可以用作数据传输。
红外控制器的优点：
（1）用非可见光非接触传输，保密性好。
（2）传播速度快，不受无限电波干扰。
（3）发射功率小，耗电小。
（4）稳定性好。
红外遥控发射接收距离主要由发射功率决定。
红外遥控发射器由指令编码电路、载波发射器、调制电路、驱动电路、红外发射电路组成。
红外遥控发射器结构图如图5.1所示：
图5.1红外线遥控发射器结构图
指令送编码电路按特定格式编码，编码信号作为调制信号送至调制电路进行振幅键控（ASK）调制，载波频率一般采用38kHz，当编码调制信号为1时有38kHz载波信号输出，当编码调制为0时，没有38kHz载波信号输出，已调制信号送至信号送至驱动电路输出电流信号驱动红外线发射管发出红外线。
红外线遥控接收器由红外接收电路、前置放大电路、解调电路、指令译码电路、执行电路组成。
红外遥控接收器结构图如图5.2所示：
图5.2红外线遥控接收器结构图
红外线接收管接收到红外线后，转换成电流信号送至前置放大电路放大，在送至解调电路，解调出编码信号，再由指令译码电路译码后得到控制信号并送至执行电路。
5.2控制系统实现方法
遥控系统采用脉冲个数编码，不同的脉冲个数代表不同的码，最小为2个脉冲，最大为17个脉冲。
第一位码宽为3ms，其余为1ms，遥控码数据帧间隔大于10ms，本系统采用的是AT89C2051芯片。
P1口为键盘，获取键值，内部定时器1产生一个38KHz的软件定时中断，当作红外线的调制基波，当某个操作按键按下时，单片机先读出键值，然后根据键值设定遥控码的脉冲个数，再调制成38kHz方波由红外线发光管发射出去。
P3.5端口的输出调制波。
当红外线接收器输出脉冲帧数据时，第一位码的低电平将启动中断程序，实时接收数据帧。
在数据帧接收时，将对第一位（起始位）码的码宽进行验证。
若第一位低电平码的脉宽小于2ms，将作为错误码处理。
当间隔位的高电平脉宽大于3ms时，结束接收，然后根据累加器A中的脉冲个数，执行相应输出口的操作。
在这一系列过程中将会产生整个红外线遥控码波形。
整个红外线遥控码波形如下图5.3所示：
图5.3红外线遥控码波形
遥控码分段波形如下图5.4所示：
5.3红外发射电路
遥控发射通过键盘，每按下一个键，即产
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