基于單片機的無線遙控小車設(shè)計與制作*

郭興龍

（廣州市市政職業(yè)學校，廣東廣州 510507）

0 引言

在科技技術(shù)更新日異月新的情況下，終身學習觀念已經(jīng)深入人心，學習對于人們來說已經(jīng)必不可少了。但是，人們還是比較傾向于既能夠體驗樂趣，又能夠?qū)W到專業(yè)知識的學習方法。本系統(tǒng)小車的制作，就是讓學習者在制作過程中，不僅體驗制作樂趣，又學習了較強的專業(yè)知識，集趣味性、專業(yè)性于一體，其可行性是可以驗證的。學習者完成該項目之后，電路板還可以擴展制作其它科技作品，為后續(xù)的可持續(xù)學習提供素材。在制作完成過程中，學習者能夠詳細的了解電子元器件焊接技術(shù)、單片機技術(shù)、PCB板制作、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、電機控制技術(shù)、PWM控制理論以及上位機軟件應(yīng)用等的知識[1]，為今后的學習工作的深入發(fā)展，打下良好基礎(chǔ)?；谶@一出發(fā)點，本文詳細介紹了遙控小車的設(shè)計與制作過程。

1 遙控小車系統(tǒng)整體設(shè)計

本小車系統(tǒng)，主要由遙控發(fā)射板和接收驅(qū)動板兩部分組成，接收驅(qū)動板安裝在小車底盤上，底盤采用左右一個輪子和車架尾部一個萬向輪的三角支撐結(jié)構(gòu)。輪子由T130的直流電動機，經(jīng)過1:48變速后帶動，系統(tǒng)控制左右電機的轉(zhuǎn)速不一樣，存在一個轉(zhuǎn)速差，從而實現(xiàn)小車的不同角度的轉(zhuǎn)向控制。整個系統(tǒng)采用可充電電池供電的模式。

系統(tǒng)以NF-04-MI-2.4G無線模塊作為通訊介質(zhì)，以STC15W408AS為核心控制器，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。發(fā)送板單片機利用自帶的AD功能，對兩向手柄搖桿電位器的電壓信號進行采樣，按一定周期將AD數(shù)據(jù)和按鍵等信息，通過2.4G模塊發(fā)送出去。接收板的2.4G模塊，接收到有效信息之后，接收板單片機通過查詢的方式，將信息讀取出來。單片機再結(jié)合避障傳感器信號，利用PWM技術(shù)控制左右兩個電機正反轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)小車的各種運動狀態(tài)控制。PC機端上位機軟件，通過RS232串口與接收板、發(fā)送板通訊連接，將獨立的地址碼下載到單片機[2]，保存在單片機的EEROM，這樣，發(fā)送板和接收板地址一樣，就可以通訊連接上，并且保證不同的小車，地址碼不一樣，相互不干擾，能夠獨立控制。

圖1 遙控小車系統(tǒng)原理框圖

2 遙控小車硬件設(shè)計

小車硬件設(shè)計，包括主要元器件選型和電路設(shè)計等部分。

2.1 STC15W408AS單片機控制芯片

STC15W408AS單片機是深圳宏晶公司生產(chǎn)一款低成本、低功耗、超高速的、具有ISP功能的8051內(nèi)核單片機，最高工作頻率可以達到33 MHz，芯片采用SOP-16封裝，I/O口達到14個管腳，具有1路SPI、3路PWM、8路ADC、3個定時器和1個USART串口，8 kB的flash存儲器容量，512字節(jié)的SRAM和5 kB的EEPROM等資源，工作電壓是2.5～5.5V，內(nèi)部集成了晶振電路、看門狗電路和復位電路，芯片功能豐富，使用方便，開發(fā)靈活，完全能夠滿足小車控制要求[3]。該芯片具有的ISP在線下載功能，可以通過串口，直接將編譯器生成的可執(zhí)行HEX文件燒錄到單片機，可以多次燒錄，開發(fā)方便。

2.2 無線模塊NF-04-MI-2.4G[4]

NF-04-MI-2.4G無線模塊是一款基于BK245芯片設(shè)計的2.4G無線通信模塊，該模塊采用SPI接口模式，具有高穩(wěn)定性，高性價比，抗干擾強，低輻射，性價比高等優(yōu)點。該模塊集成了發(fā)送、接收等鏈路層，有效數(shù)據(jù)量可達32字節(jié)，數(shù)據(jù)收發(fā)全部自動完成，收發(fā)自動產(chǎn)生應(yīng)答信號。發(fā)送時，內(nèi)置CRC校驗碼自動生成，接收數(shù)據(jù)時，CRC自動校驗，能夠檢測數(shù)據(jù)的有效性。該模塊還可以設(shè)置重復發(fā)送的時間和次數(shù)。單片機和無線模塊，通過SPI接口相連，接口簡單，傳輸速率快，易于開發(fā)。其主要特點參數(shù)如下：

（1）支持GFSK/FSK等通用調(diào)制方式，支持六通道數(shù)據(jù)收發(fā)；

（2）支持2Mbit/s/1Mbit/s/250kbit/s等數(shù)據(jù)速率；

（3）頻點多達126點，實現(xiàn)多點通信和跳頻通信需要；

（4）內(nèi)部集成高PSRR的LDO；

（5）寬電源電壓范圍：1.9～3.6 V；

（6）功耗低，平均發(fā)射電流低至110 mA；

（7）接收靈敏度：-96dBm@250 kbit/s；

（8）最高發(fā)射功率：+7dBm。

其通訊數(shù)據(jù)包格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)包格式

其中，引導碼是固定格式的，地址碼3～5字節(jié)，由用戶設(shè)置，成套的設(shè)備地址碼必須一樣，否則通訊信息無效。通訊包控制位由相應(yīng)寄存器設(shè)置，控制通訊方式。有效數(shù)據(jù)可由用戶根據(jù)需要，決定數(shù)據(jù)量字節(jié)數(shù)，數(shù)據(jù)滿足需要即可，如果數(shù)據(jù)量較大，通訊時間相應(yīng)增加。CRC校驗碼，在發(fā)送模式下，由系統(tǒng)自行計算產(chǎn)生，并且自動發(fā)送；在接收模式下，系統(tǒng)根據(jù)接收的數(shù)據(jù)自動核對校驗碼，如果校驗碼不對，接收的數(shù)據(jù)將被舍棄。

2.3 發(fā)送板電源設(shè)計[5]

為了同時滿足單片機和無線模塊同時工作，提高芯片工作穩(wěn)定性，發(fā)送板的工作電壓統(tǒng)一采用3.3 V。發(fā)送板主要由兩節(jié)五號電池供電，電池電壓經(jīng)過升壓芯HT7733S轉(zhuǎn)換之后，電壓穩(wěn)定在3.3 V，滿足系統(tǒng)工作要求。HT7733S是一款低噪聲，低紋波的同步型DC-DC升壓轉(zhuǎn)換芯片，采用SOT-23封裝，啟動電壓低至0.7 V，轉(zhuǎn)換效率可達80%，輸出電壓誤差范圍為±2.5%，輸出電流可達100 mA。外圍電路簡單，只需要搭配一個10μH的功率電感即可，如圖2所示。

圖2 HT7733S電源設(shè)計電路

2.4 驅(qū)動板電源設(shè)計電路

遙控小車動力常用兩個130直流電機，其額定工作電壓是5 V，工作電壓范圍是3～9 V，空載電流是130 mA，小車一般使用可充電鎳鎘電池組，標稱電壓是7.2 V，為滿足單片機和無線模塊電源需要，采用AMS1117-3.3電源芯片設(shè)計電路。AMS1117-3.3芯片是一款低功耗、低紋波的線性穩(wěn)壓電源集成模塊，采用SOT-223封裝，輸入電壓范圍為4～15 V，輸出電壓3.3 V，輸出電流可達1 A，電路簡單、可靠，能夠完全滿足電路設(shè)計要求。電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 驅(qū)動板電源設(shè)計

2.5 驅(qū)動板電機驅(qū)動電路設(shè)計[6]

小車的運動，主要是由兩個130直流有刷電動機驅(qū)動，電機驅(qū)動采用MX612E芯片，其內(nèi)部采用H橋電路結(jié)構(gòu)設(shè)計，電流內(nèi)阻低，內(nèi)部集成了N溝道和P溝道的功率MOSFET管，工作電壓范圍為2～9.6 V，工作可持續(xù)電流達1.4 A，峰值電流可達2.5 A，具有過熱保護功能，比較適合驅(qū)動線圈、馬達等感性負載。其功能圖框如圖4所示。

圖4 MX612E原理結(jié)構(gòu)圖

如圖4所示，OUTA和OUTB接直流電動機，VCC是邏輯控制電源，VDD是電機電源。INA和INB是控制電機的正反轉(zhuǎn)的邏輯輸入，連接到單片機的I/O口管腳。根據(jù)INA和INB輸入值，決定該芯片的工作狀態(tài)，其真值表如表2所示。

表2 真值表

MX612E芯片四種工作狀態(tài)如圖5所示。

當INB或者INA為邏輯高電平的時候，另外一邊輸出PWM信號，直流電動機在導通和剎車模式之間切換，電機轉(zhuǎn)速將受到PWM信號占空比控制，達到穩(wěn)定平滑調(diào)速效果。在剎車模式下，馬達儲存的能量通過低邊的NMOS管快速釋放。此外，如果PWM信號工作頻率過低，在PWM占空比較低的情況下，電機由剎車模式進入導通模式下，會導致電機出現(xiàn)無法平滑轉(zhuǎn)動的情況。為減小電機噪音，PWM信號頻率控制在10 kHz～50 kHz的范圍之內(nèi)。

圖5 MX612E的四種工作模式

2.6 避障傳感器電路設(shè)計[5]

避障傳感器，主要采用紅外傳感器檢測，由紅外發(fā)光二極管和接收二極管組成。紅外發(fā)射二極管發(fā)射波長約為940 nm的紅外線，如沒有遇到障礙物，紅外線將散射出去，遇到障礙物，紅外線被障礙物反射回來，光敏二極管接收到紅外線后，根據(jù)紅外線的光輻照度，其內(nèi)阻發(fā)生變化。

紅外傳感器避障利用此原理，電路設(shè)計如圖6所示，發(fā)射管不斷發(fā)出紅外線，接收管與電阻串聯(lián)，連接到電壓運放的同相端，當接收管接收紅外線之后，內(nèi)部導通，使同相端輸入電壓，與反相端電壓比較，輸出信號傳輸?shù)絾纹瑱C。調(diào)整電位器，可以調(diào)節(jié)紅外傳感器的檢測距離。

圖6 避障紅外傳感器電路設(shè)計

3 遙控小車程序設(shè)計[1]

3.1 遙控小車發(fā)送程序設(shè)計

遙控小車發(fā)送板，為提高通訊可靠性，NF-04-MI-2.4G模塊采用250 kbit/s的通訊速率，地址碼為5字節(jié)，CRC校驗為2字節(jié)，重復發(fā)送次數(shù)是3次，通訊有效數(shù)據(jù)是5字節(jié)。通過計算，完成一次發(fā)送的時間約為0.48 ms，為保證CPU具有足夠的時間處理，采用10 ms的周期通訊一次。發(fā)送板單片機對兩個搖桿電位器進行連續(xù)電壓采樣，為提高數(shù)據(jù)的有效性，數(shù)據(jù)經(jīng)過平均值處理。10 ms的周期，采用定時器控制，定時時間一到，單片機將搖桿的AD數(shù)據(jù)、按鍵等信息發(fā)送出去。如果發(fā)送失敗，無線模塊自動重發(fā)，若超過了設(shè)置的重復次數(shù)，單片機讀取到發(fā)送失敗的信息后，指示燈以1 Hz的頻率閃爍，如果通訊成功，以25 Hz的頻率閃爍。程序設(shè)計流程圖如圖7所示。信號的AD采樣，采用中斷方式，采樣實時性要求不高，為降低CPU工作負荷，采樣周期是540時鐘，采樣次數(shù)達到15次之后，取平均值作為一次有效數(shù)據(jù)，其工作流程圖如圖8所示。

圖7 發(fā)送程序流程圖

3.2 遙控小車接收程序設(shè)計

圖8 AD采樣流程圖

接收驅(qū)動板采用查詢控制方式。主函數(shù)不斷查詢無線模塊，檢測是否接收到有效信息。如果沒有檢測到有效信息或者通訊失敗，程序?qū)㈦妱訖C做停機處理。如果接收到有效信息，根據(jù)AD采樣到的數(shù)據(jù)，決定小車的運動狀態(tài)。電機的轉(zhuǎn)速，由AD數(shù)據(jù)經(jīng)過運算，利用單片機自帶的PWM發(fā)送控制寄存器，產(chǎn)生PWM信號，直接控制直流電動機的轉(zhuǎn)速，從而使小車速度平滑控制，系統(tǒng)采用開環(huán)的控制方式。驅(qū)動板接收程序流程圖如圖9所示。

系統(tǒng)初始化部分程序：

Timer0Init();

InitADC();

InitPCA();

Read_ADDRESS();

NF_04_MI_Init();

單片機STC15W408AS的PWM輸出，主要是由PCA模塊產(chǎn)生。PCA含是一個16位定時/計數(shù)器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，其時基可以是系統(tǒng)時鐘SYSclk、定時器0溢出和外部輸入ECI（P1.2），通過設(shè)置CMOD和CCON寄存器來選擇[3]。

為了提高電機控制的平滑度，PWM控制采8位的控制方式，其頻率是：

fPWM=PCA時基頻率/256

為提高系統(tǒng)處理速度，單片機采取內(nèi)部時鐘，沒有經(jīng)過分頻，其工作時鐘頻率是18.432 MHz的。PCA時基采用SYSclk/4，由上式計算：

fPWM=18 kHz，該頻率滿足電機控制的頻率范圍。

PWM控制初始化程序：

圖9 接收程序流程圖

CCON=0; //初始化PCA控制寄存器

CMOD=0x0a; //設(shè)置PCA時鐘源sysclk/4

CL=0; //復位PCA計數(shù)寄存器

CH=0;

PCA_PWM0=0x00;//PCA模塊工作于8位PWM

PCA_PWM1=0x00;PCA_PWM2=0x00;

4 上位機地址碼下載軟件[7]

為了防止不同的遙控小車控制信號相互干擾控制，為每個無線模塊分配個地址，利用VB6.0開發(fā)平臺，開發(fā)上位機軟件。串口通訊編程主要基于MSComm控件實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，傳輸協(xié)議由用戶自定義。地址碼由軟件生成，其中，班級、學號等信息由下拉控件選擇，軟件按照一定的規(guī)程，生成不一樣的地址碼。串口通訊幀格式由引導碼、數(shù)據(jù)和校驗碼組成，引導碼固定，數(shù)據(jù)是班級、學號變換組成，校驗碼是幀之前所有數(shù)據(jù)的累加和后，取低兩位字節(jié)。

MSComm串口控件初始化程序：

Private Sub ComInit()

Dim TempTxt As String

On Error GoTo Comm_Error

MSComm1.CommPort = Val(Right(Combo1.Text，1))

MSComm1.Settings=Val(Combo2.Text)&"，M，8，1"

MSComm1.InputMode=comInputModeBinary

MSComm1.InBufferCount=0

MSComm1.RThreshold=7

MSComm1.PortOpen=True

Exit Sub

MSComm串口控件發(fā)送數(shù)據(jù)程序：

MSComm1.InBufferCount=0

MSComm1.OutBufferCount=0

SendData(0)=&H55

SendData(1)=&HAD

SendData(2)=&H65

SendData(3)=Combo3.ListIndex*3+100

SendData(4)=Val(Combo4.Text)+43

SendData(5)=Val(Combo4.Text)+77

SendData(6) = (CLng(SendData(0)) +CLng(SendData(1))

+CLng(SendData(2))+CLng(SendData(3))+CLng(SendData(4))

+CLng(SendData(5)))Mod 256

MSComm1.Output=SendData

5 總結(jié)

經(jīng)過制作試驗，本系統(tǒng)遙控小車，能夠?qū)崿F(xiàn)前進、后退和轉(zhuǎn)向等狀態(tài)控制，遇到障礙物，能夠及時停下來，在空曠地方，有效遙控范圍達到70多米。其中PWM控制的應(yīng)用，使小車的運行速度可連續(xù)調(diào)節(jié)，特別是在轉(zhuǎn)彎的過程中，通過調(diào)節(jié)兩個輪子轉(zhuǎn)速差，可以控制轉(zhuǎn)向的大小，提升了用戶操控性體驗性，克服了傳統(tǒng)的小車轉(zhuǎn)彎要么不轉(zhuǎn)、要么全轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向角度無法控制的弊端。通過上位機軟件，每套系統(tǒng)小車設(shè)置不一樣的地址后，多部小車同時運行，沒有出現(xiàn)相互控制或者干擾的現(xiàn)象。小車驅(qū)動續(xù)航能力，根據(jù)電池容量大小不一樣而不同。不足之處是，小車出于成本考慮，沒有使用傳感器檢測將電機轉(zhuǎn)速反饋給單片機，采用開環(huán)控制，在運行過程中，一旦某一邊輪子負載過重，小車就偏離了原先路徑。整體上，遙控小車的功能基本上達到預期效果。

參考文獻：

［1］李全利.單片機原理及接口技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［2］徐愛鈞.keil C51單片機高級語言應(yīng)用編程技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2015.

［3］宏晶科技公司官網(wǎng).STC15W404AS系列資料.http：//www.stcmcu.com/［EB/OL］.

［4］深圳市安信可科技有限公司.NF-04-MI無線模塊資料.https：//www.ai-thinker.com/home［EB/OL］.

［5］深圳市嘉立創(chuàng)科技發(fā)展有限公司.芯片資料.http：//www.sz-jlc.com/home/index.html［EB/OL］.

［6］重慶中科芯億達電子有限公司.MX612E芯片資料.http：//mixic.com.cn/［EB/OL］.

［7］李俊.Visual Basic 6.0程序設(shè)計與應(yīng)用教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013.