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遥控船控制系统设计
第1章绪论
1.1概述
随着现代通信技术的飞速发展，近距离无线电通信技术受到了很多关注，呈现非常好的发展势头，，因为在我们现实生活中存在着如此多这样的应用领域，系统需要不断地实时传输小量的突发信号，在传统的无线电通信系统中，短距离的无线通信技术可以在相对较近距离内实现相互之间通信或相关操作，无线电数据传输系统已成为现在通信业乃至整个信息业的热点，被广泛应用于报警、无线遥控、军事通信、无线局域网等范围，具有很大的实际应用价值。
一般情况下，单片机在获取实时数据之后，仍需要将数据传出去，而有线的数据传输主要依赖于有线的线路。
例如采用CAN总线、串并行总线等，且有线的线路具有成本非常高，维护不方便等缺点。
无线数据传输是如何发展起来的呢？
它是在有线数据传输基础上逐渐发展起来的。
而无线数据通信时通过接收模块和发射模块进行传送数据的，具有不占空间，成本较低且可靠性高，传输过程中的干扰小及维护方便等特点，提高了信息传输过程中的可靠性。
因此，我们借此单片机课程设计机会，深深体会无线电的实用价值，初步了解并研究单片机无线遥控原理，从简单的遥控小车开始，设计一个完整的遥控系统，以对日后的学习研究中做一个很好的基础与铺垫。
1.2课题研究背景
无线遥控，顾名思义，就是一种用来远程控制机器的装置。
现代的遥控器，主要是由集成电路电板和用来产生不同讯息的按钮所组成。
时至今日，无线遥控器已经在生活中得到了越来越多的应用，给人们带来了极大的便利。
而现在无线遥控技术越来越多的运用在我们的生活当中，随着科技的进步无线遥控器也扩展到了许多种类，简单来说常见的有2种，一种是家电常用的红外遥控模式（IRRemoteControl），另一种是防盗报警设备、门窗遥控、汽车遥控等等常用的无线电遥控模式（RFRemoteControl）[][11]。
无线遥控船所讲的遥控技术正是无线遥控模式，无线遥控是无线电遥控，它是利用无线电信号对远方的各种机构进行控制的遥控设备。
这些信号被远方的接收设备接收后，可以指令或驱动其它各种相应的机械或者电子设备，去完成各种操作，如闭合电路、移动手柄、开动电机，之后再由这些机械进行需要的操作。
作为一种与红外遥控器相补充的遥控器种类，在车库门、电动门、道闸遥控控制、防盗报警器、工业控制以及无线智能家居领域得到了广泛的应用，当然我们的无线遥控车也正是运用的这种技术。
在当今高速发展的社会，无线遥控技术广泛的运用于我们生活的各个领域，其中包括遥控技术在工业生产、家用电器、安全保卫、遥控玩具上的运用。
当然还有一些更重要的场所还用到了无线遥控技术，比如所矿业开采，野外探险等一些复杂而危险的工作，而这些都离不开我们的无线遥控技术。
1.3国内外研究现状
目前，在企业生产技术的不断提高，对自动化技术要求不断加深的情况下，遥控智能控制系统所涉及的自动化产品已经是机器人学中的一个重要分支。
无线电遥控控制系统起源于美国，由于政府对无线遥控控制系统研发的资助以及相关技术的推动作用，日本、美国、德国等工业大国在智能无线遥控控制技术上占据着明显优势，新崛起的韩国在这方面的研发也逐渐走向前沿。
我国遥控车船的发展起步比较晚，技术水平相对落后，目前对遥控车船的研究主要集中在导航路径识别、图像识别等领域，对遥控车船的转向控制系统研究较少。
因此，研究开发一套能够实现完全自动转向控制的车船系统对开展遥控车船技术的研究有着非常重要的意义。
由于资金问题，我国对大型遥控车船的研发和使用都存在很大困难，一般用于军事领域的侦察，巡逻，战场运输，扫雷和导弹发射等，以及艰苦工作环境中的侦察采样，搜集信息工作等等。
车体转向系统的灵活、协调工作，以及通讯信息的实时、准确是遥控车船安全性和可靠性的有力保障，是科研实践的基础。
1.4课题主要研究内容
无线电遥控系统是在控制端把控制指令以某种编码方式形成易于传输的信号，通过无线传输，在受控端经解码等处理形成相应的控制操作。
无线电遥控作为新一代的信息传送方式，具有绕射和穿透特性，只要在有效工作范围之内，无线设备就可以不受角度，障碍物的限制而自由使用。
无线控制方式多种多样，可以根据不同的应用需要采用适宜的方式。
本次设计是基于AT89C52单片机以及一些外围电路并且使用的是NRF905无线收发模块来控制小船的前进，转向。
第2章系统总体设计
2.1系统功能模块划分
按照设计要求，系统可以分为以下几个基本功能模块：
电源模块、无线发射模块、键盘模块、无线接收模块、电机驱动模块和舵机模块。
系统原理图见附录1所示。
由于无线电应用广泛，所以选取设计比较方便，程序处理也较简单，并且在遥控方面能够满足要求且观察到现象的遥控小船系统，本次设计的无线遥控小船，采用以AT89C52单片机作为小船的遥控控制核心，检测开关状态，并通过串口传输至无线发送模块NRF905；以AT89C52单片机为作为小船的接收和驱动输出核心,它根据无线模块NRF905接收到的状态信号判断其开关状态，然后控制直流电机正反转，即小船的快速前进和缓慢前进；采用无线遥控模块NRF905作为无线传输的通讯工具，通过串口和单片机连接；采用H桥格式作为直流电机的驱动电路[12]。
根据设计思路，初步分析完成本设计需要的以下几个模块：
系统接收发射原理图如图2-1和图2-2所示:
图2-1无线遥控部分系统原理图
图2-2无线接收部分系统原理图
2.2主要模块硬件设计方案
本节主要讨论无线模块和驱动模块的选取，因为无线模块的选取直接影响了软件编写的难易程度和硬件图的焊接，驱动模块决定了电机的停转。
电源模块以及按键模块将在后面章节具体讨论，
2.2.1无线模块方案设计
无线模块作为整个系统的核心模块，对系统稳定性能具有决定性的作用，因此，为了保证系统能够正常运行，对以下两种方案，进行对比，选择其一。
方案一：
无线电模块采用PT2262/PT2272。
PT2262/PT2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/PT2272最多可有12位（A0-A11）三态地址端管脚（悬空,接高电平,接低电平）,最多可有6位（D0-D5）数据端管脚,设定的地址码和数据码17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。
当解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码需要两次比较核对，当核对完后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平。
如果无线发送端一直按住有效按键，编码芯片同样也会不断地发射。
方案二：
无线收发一体数传模块NRF905在业界居领先水平，该芯片性能优异。
由于它的所需外围元件非常少，这正是它的显著优点，因而在硬件上设计非常方便。
该模块在内部高度集成了高频接收、高频发射、FSK调制／解调、PLL合成、功率放大、参量放大、频道切换等功能，因而就目前来说，该芯片是集成度较高的无线数传产品。
该模块采用的FSK调制／解调方式，抗干扰能力较强，其外围元件少、工作频率稳定可靠、便于设计生产且功耗极低，正是这些优异特性，便携及手持产品的设计对于该模块较为青睐。
另外，由于它采用了高灵敏度、低发射功率设计，从而完全满足无线管制的要求，并且不需要使用许可证，是目前低功率无线数传的理想选择。
2.2.2驱动模块方案设计
驱动电路所要完成任务就是根据有效信号，能够独自完成直流电动机的驱动问题，无需软件设计。
因此，驱动电路使用比较常用的H桥驱动电路，其具体原理见章节3.4所示。
下面对此有两种方案：
方案一：
应用独立元件，进行画图，制版，焊接；
方案二：
应用高度集成芯片L298，它含有两个H桥电路。
2.2.3主要模块各方案对比选择
无线模块：
NRF905无线模块不但能够发射，且能够接收，实现一机多用的功能。
它可以直接和单片机串口相连接，能独自实现信号的编码和解码，不必像PT2262/PT2272需要编程对信号进行解码，对于软件设计，相对简单了许多。
另外，PT2262/PT2272只能接四个遥控键，若需要功能较多的话，它无法满足。
最后，和单片机的硬件连接方面，NRF905模块也较为简单。
基于以上几个方面的原因，无线电模块采用NRF905。
驱动电路：
用L298芯片，电路简单，且只需一个芯片就足够，给编程都带来了很大方便。
但是容易弄混引脚，使芯片短路烧毁芯片。
单独元件焊接电路板时，首先该方案花费较少，节省资源。
其次所需原件容易买到，而且电路图比较简单因此，进行对比，驱动电路应用单独元件焊接。
主要模块硬件应用方案如下：
该系统由处理单元，发射模块，接收模块，外接电路等构成。
当使用相应按键使发射模块的发出信号时，接收模块对应电机设备就会执行相应的操作，以遥控船的行驶方向来显示相应按键的状态。
发射和接收装置：
发射和接收单元选用了NRF905无线电模块。
NRF905无线传输模块是一种低功耗、超小型、高速率的无线收发数字传输模块。
433MHz开放ISM频段免许可证使用。
最高工作速率50kbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合。
125频道，满足多点通信和跳频通信需要。
内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制。
低功耗1.9-3.6V工作，待机模式下状态仅为2.5uA。
收发模式切换时间小于650us等[10]。
处理单元：
发射与接收部分，遥控板的按键，电机的驱动，舵机控制，使用选择兼容性比较好和性能稳定的AT89C52足够完成任务了。
直流电机的驱动：
让直流电动机实现正反转的H桥电路。
通过改变两对大功率PNP、NPN三极管的导通，控制流入直流动电机里的电流方向。
以实现直流电动机的正反转。
2.3模块软件设计简介
软件在一个智能系统中扮演着举足轻重的作用，软件设计的好坏直接关系着整个系统的性能。
所以从软件的设计方面一定要精心细致。
在学习单片机之前，我们学习对单片机的编程语言主要是汇编语言和C语言。
虽然汇编语言作为我们学习单片机的最基本的语言，简单易懂，而且较之C语言，单片机执行速度较快；但是本人对汇编不太熟悉。
而C语言作为高级语言，在逻辑上不易出错，而且我比较说对C语言比较熟悉。
所以，综合考虑我选择用C语言进行软件设计。
本设计采用keil软件的汇编语言来完成系统的编程工作。
目前流行的51系列单片机开发软件是德国Keil公司推出的KeilC51软件，它是一个基于32位Windows环境的应用程序，支持C语言和汇编语言编程。
Keil提供包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整软件。
第3章系统硬件的设计
硬件及电路的设计主要包括船体设计、单片机系统及无线电发射电路、无线电接收电路和电机驱动电路三部分。
单片机AT89C52可通过串行通信和无线电发射模块进行连接，P1口作为I/O口对开关状态进行扫描，并通过串口把数据送至无线发射模块。
单片机AT89C52也是通过其串行通信与无线接收模块进行连接，当无线发射模块发射的数据被接收模块接收，然后单片机AT89C52根据相应的控制信号进行动作。
电机驱动采用让直流电动机实现正反转的H桥电路。
3.1遥控船体设计
遥控船体原本方案是买现成的玩具船，但是考虑到空间，吃水量的问题，最终选择自己制作，制作材料为薄铁皮，拼接材料为热熔胶。
船体制作的图纸是以网上船模图纸为基础，然后自我设计的，这样既提高了动手能力，也保证了船体其他部件能够有足够的空间。
3.2单片机的选择
AT89C52是CMOS8位单片机，它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP），也可用传统方法进行编程，所以低价位AT89C52单片机可为提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域，对于简单的测温系统已经足够。
单片机AT89C52具有低电压供电和体积小等特点，四个端口只需要两个口就能满足电路系统的设计需要，很适合便携手持式产品的设计使用系统可用二节电池供电[1]。
主要特性如下
●与MCS-51兼容
●4K字节可编程闪烁存储器
●寿命：
1000写/擦循环
●数据保留时间：
10年
●全静态工作：
0Hz-24Hz
●三级程序存储器锁定
●128*8位内部RAM
●32可编程I/O线
●两个16位定时器/计数器
●5个中断源
●可编程串行通道
●低功耗的闲置和掉电模式
●片内振荡器和时钟电路
图3-1AT89C52单片机引脚图
3.2.1AT89C52引脚功能介绍
AT89C52单片机为40引脚双列直插式封装。
其引脚排列和逻辑符号如图3-1所示。
各引脚功能简单介绍如下：
●VCC：
供电电压
●GND：
接地
●P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个管脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚写“1”时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部电位必须被拉高。
●P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入“1”后，电位被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
●P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚电位被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
作为输入时，P2口的管脚电位被外部拉低，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉的优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
●P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
●RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
●ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
●PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期PSEN两次有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。
●EA/VPP：
当EA保持低电平时，访问外部ROM；注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，访问内部ROM。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
●XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
●XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3.2.2单片机最小系统
单片机的最小系统就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分，也可理解为是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。
对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：
单片机、时钟电路、复位电路、输入/输出设备等如图3-2所示[4]。
图3-2单片机最小系统框图
电路详解依据上文的内容，设计51系列单片机最小系统见图3-3所示。
图3-351系列单片机最小系统
3.3无线电遥控模块的设计
遥控模块采用无线遥控方式，因为采用红外遥控控制距离比较有限，一般在几米之内，且有障碍物时，会严重影响控制效果。
另外，NRF905与单片机接口电路简单。
鉴于本设计要求，所以综合考虑之下采用无线遥控较为合适。
本设计中要求能用无线遥控器控制小船的快速前进、缓慢前进、左转、右转、停止等功能。
3.3.1无线模块NRF905引脚说明
NRF905引脚及说明如图3-4及表3-1所示，其分别介绍了引脚的排列及各引脚的功能。
图3-4PTR2000引脚结构图
表3-1NRF905引脚说明表
管脚
名称
管脚功能
说明
管脚
名称
管脚功能
说明
1
VCC
电源
电源+3.3~3.6VDC
8
DR
数字输出
接收或发射数据完成
2
TX_EN
数字输入
TX_EN=1TX模式TX_EN=0RX模式
9
MISO
SPI接口
SPI输出
3
TRX_CE
数字输入
使能芯片发射或接收
10
MOSI
SPI接口
SPI输入
4
PWR_UP
数字输入
芯片上电
11
SCK
SPI时钟
SPI时钟
5
uCLK
时钟输出
本模块该脚废弃不用，向后兼容
12
CSN
SPI使能
SPI使能
6
CD
数字输出
载波检测
13
GND
地
接地
7
AM
数字输出
地址匹配
14
GND
地
接地
3.3.2NRF905与单片机硬件接口电路
NRF905与单片机硬件接口电路如下图所示:
图3-5PTR2000与单片机接口电路图
3.3.3选择无线电遥控原因
无线电遥控器与红外遥控器的区别，红外遥控和无线遥控是对不同的载波来说的，红外遥控器是用红外线来传送控制信号的，它的特点是不能有阻挡、有方向性、距离一般不超过7米，然而不受电磁干扰，红外遥控器在近距离无障碍应用较为广泛，如电视机遥控器；无线电遥控器采用无线电波来传送控制信号，它具有无方向性、距离远（可达数十米，甚至数公里）、可以不“面对面”控制的特点，但是容易受电磁干扰。
在需要无方向性控制领域或者远距离穿透，比如工业控制等等，使用无线电遥控器比较容易解决。
综合以上原因，选择无线电遥控，而非红外遥控[2]。
3.3.4无线电遥控分类及原理
我们常用的无线电遥控系统一般由发射和接收两个部分组成。
无线电发射部分一般分为两种类型，即发射模块与遥控器。
对于使用方式的不同，可将之分为遥控模块和遥控器。
首先，遥控器可以充当一个整体来使用，只需将接线头接到外面即可；而当需要无线模块作为一个元件使用时，则需要根据其引脚定义进行应用，之所以使用无线模块，其优势在于可以和应用电路完美的连接、体积孝价格低，主要是物尽其用，但是使用者必须真正懂得电路原理，否则无法正确使用。
接收部分一般来说也分为两种类型，即超外差与超再生接收方式，超再生解调电路也称超再生检波电路，它实际上是工作在间歇振荡状态下的再生检波电路。
超外差式解调电路与超外差收音机基本相同，它是设置一本机振荡电路产生振荡信号，与接收到的载频信号混频后，得到中频信号，经中频放大和检波，解调出数据信号。
由于载频频率是固定的，所以其电路要比收音机简单一些。
超外差式的接收器稳定、灵敏度高、抗干扰能力也相对较好；超再生式的接收器体积孝价格便宜。
无线电遥控常用的载波频率为315mHz或者433mHz，遥控器使用的是国家规定的开放频段，在这一频段内，发射功率小于10mW、覆盖范围小于100m或不超过本单位范围的，可以不必经过“无线电管理委员会”审批而自由使用。
我国的开放频段规定为315mHz，而欧美等国家规定为433mHz，所以出口到上述国家的产品应使用433mHz的遥控器。
无线电遥控常用的编码方式有两种类型，即固定码与滚动码两种，滚动码是固定码的升级换代产品，目前凡有保密性要求的场合，都使用滚动编码方式。
滚动码编码方式有如下优点：
●保密型强，每次发射后自动更换编码，别人不能用“侦码器”获得地址码；
●编码容量大，地址码数量大于10万组，使用中“重码”的概率极小；
●对码容易，滚动码具有学习存储功能，不需动用烙铁，可以在用户现场对码。
●误码小，由于编码上的优势，使得接收器在没有收到本机码时的误动作几乎为0。
固定码的编码容量仅为6561个，重码概率极大，其编码值可以通过焊点连接方式被看出，或是在使用现场用“侦码器”来获取，所以不具有保密性，主要应用于保密性要求较低的场合，因为其价格较低所以也得到了大量的应用。
无线电遥控就是利用电磁波在远距离上，按照人们的意志实现对物体对象的无线操纵和控制，这种无线控制的方式就叫做无线电遥控。
无线电遥控技术起源于无线电通讯技术，最初的构想是无线电电报技术的建立，真空电子管的发明使得无线电技术的应用和普及很快应用在民用和军用等各个领域。
后来随着晶体管的发明和集成电路的诞生，无线电遥控技术达到了更加完善的程度，现如今我们所知道导弹、卫星、航天飞机等高科技技术都是利用无线电遥控技术的结晶。
它已经不再是军事领域唯一成员，在我们的日常生活中，可以说是已经离不了无线电遥控，如：
报警、遥控监视、遥控玩具、遥控电视等等。
遥控器，它是用来操控我们的模型的，如车模或者船模。
首先遥控指令通过机壳外部的控制开关或者按钮，经过内部电路的调制、编码；其次，由于它外部有一个长长的天线，信号通过高频信号放大电路，从而经过天线将电磁波发射出去。
目前比较常用的模型遥控发射机有三种类型：
一种是便携杆式遥控发射机；一种是盒式按键手持用的小型遥控发射机；另一种是手持枪式遥控发射机。
前一种多为开关式模拟电路的遥控系统，为一般普通的玩具遥控车模、船模或航模使用，电路的设计和制作比较简单，动作的指令都为“开”和“关”两种，虽然通道的数量可以很多，遥控的性能和距离较低。
而发射机为杆式和枪式两种通常为比例式的无线电遥控器，在动态仿真模型中是当今最为流行的遥控操作系统，由于这两种在调制、编码和电路的组成等方式的不同，其性价比有很大的差异，所以在价格上也不同。
比例遥控杆式发射机一般有两个操纵杆，左边的杆主要用来控制小车的速度和刹车（前进或后退），右边的杆控制小车的方向（左或者右）。
枪式发射机用一个转轮（方向盘）和一个类似手枪扳机的操纵杆来分别控制方向和速度。
除了这些基本功能之外，一些较高级发射机还运用了先进的电脑技术，增加了许多附加的功能，如储存多种模型车、船的调整数据，一机多用；有计时、计圈功能，方便练习和比赛；有大型液晶显示屏幕，可显示工作状态和各种功能。
发射机基本上是由操纵器、编码电路、开关电路、高频电路所组成。
操纵器与可变电位器电路连接，而可变电位器又与信号发生电路和编码器电路连接，编码器所产生的信号通过开关电路搭载在高频无线电发射器上由天线发送出去,这个过程有点像用火车运载货物,操纵者相当于货运调度员,动作指令信号相当于货物，而高频无线电波相当于火车，把“货物”搬上“火车”的这个过程称为调制，将信号调制为AM称调幅，而将信号调制为FM则称调频。
至于说在遥控器中标明PPM和PCM，只是编码调制的方式不同，PPM为脉位调制，而PCM则为脉宽调制，前者是在发射时将模拟信号转换为数字信号，而接收时再将数字信号转换为模拟信号，经放大电路驱动执行机械动作。
而PCM则不同，它是一种纯数字信号输出的形式，所以信号还原好，受到的外界干扰也小，并且电路的设计和调试也相对简单。
3.3.5影响无线电遥控距离因素
影响无线电遥控距离的因素主要有如下几点：
1.发射功率：
发射功率大则距离远，但耗电大，容易产生干扰；
2.接收灵敏度：
接收器的接收灵敏度提高，遥控距离增大，但容易受干扰造成误动或失控；
3.天线：
采用直线型天线，并且相互平行，遥控距离远，但占据空间大，在使用中把天线拉长、拉直可增加遥控距离；
4.高度：
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