基于nRF2401無(wú)線通信系統(tǒng)控制的智能小車設(shè)計(jì)

魯益帆

摘 要：智能小車可以根據(jù)人們的需求，添加一些特定的功能，比如工廠里，檢測(cè)一定區(qū)域的溫度或氣體參數(shù)，在人不便暴露的情況下，智能小車就可以代替人們工作了，它可以沿著一定的軌跡，按照設(shè)計(jì)好的道路前進(jìn)，進(jìn)行探測(cè)。但是一旦遇到規(guī)定道路以外的情況又該怎么辦，這時(shí)還需要人對(duì)小車進(jìn)行控制，就產(chǎn)生了無(wú)線控制的需求，本文正是以無(wú)線通信作為重點(diǎn)，對(duì)智能小車進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本文設(shè)計(jì)智能小車實(shí)現(xiàn)的主要功能是利用電腦端上位機(jī)通過(guò)nRF24L01模塊發(fā)送信息給以STC89C51單片機(jī)為核心的智能小車，來(lái)完成實(shí)時(shí)無(wú)線通信并對(duì)實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程操控。

關(guān)鍵詞：智能小車;nRF2401;循跡行駛;串口通信;無(wú)線通信

概述

本文是基于STC89C51系列單片機(jī)進(jìn)行智能循跡小車的設(shè)計(jì)與制作。小車依靠紅外光電傳感器檢測(cè)道路和反饋路況信號(hào)，自主控制小車按照規(guī)定的路徑行駛，并能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、停車、蔽障、入庫(kù)、報(bào)警等功能，當(dāng)小車發(fā)現(xiàn)規(guī)定路徑以外的情況，可以人工干預(yù)，采用遠(yuǎn)程無(wú)線控制的操作，進(jìn)行查看。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用STC89C51單片機(jī)為核心的智能小車進(jìn)行循跡行駛，且電腦可以與其實(shí)時(shí)無(wú)線通信并對(duì)其遠(yuǎn)程控制。設(shè)計(jì)使用到了STC89C51單片機(jī)、nRF24L01無(wú)線通信模塊、信號(hào)采樣模塊、驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、電源模塊等模塊來(lái)完成。

1.1系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

1.2單片機(jī)最小系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)的控制核心為STC89C51單片機(jī)，通過(guò)各個(gè)IO口來(lái)控制每一個(gè)模塊。STC89C51采用的是8051核的ISP在系統(tǒng)可編程芯片，單片機(jī)兼容標(biāo)準(zhǔn)的111條MCS-51算數(shù)運(yùn)算指令及80C51引腳結(jié)構(gòu)。時(shí)鐘頻率從0～35MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz，4KB的flash，512B RAM，共有27個(gè)IO口，有2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，2路外部中斷。具有UART和SPI，可支持全雙工通信。本設(shè)計(jì)需要8個(gè)采樣信號(hào)輸入IO口，6個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)IO口，8個(gè)無(wú)線模塊數(shù)據(jù)傳輸IO口，完全可以滿足本文的設(shè)計(jì)。

1.3采樣模塊

這里，采用TCRT5000型號(hào)的傳感器。目前，循跡軌跡的顏色大都是黑色，因?yàn)楹谏軌蛭沾蟛糠值墓猓瑢?dǎo)致反射的光減少。當(dāng)紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線遇到黑色物體時(shí)，大部分紅外線都被吸收了，反射出來(lái)的紅外線就變得極少;若是照射到白色物體上時(shí)，大部分的紅外線都會(huì)被反射回來(lái)。TCRT5000傳感器的紅外發(fā)射二極管一直不間斷地發(fā)射紅外線，如果沒(méi)有檢測(cè)到反射回來(lái)的紅外線，則光敏三極管一直處于斷開狀態(tài)，模塊輸出低電平;相反，如果檢測(cè)到的紅外線達(dá)到要求值，則可以導(dǎo)通光敏三極管，讓模塊輸出高電平。由此，就可以判斷小車是否在規(guī)定的路徑上行駛了。

有了TCRT5000檢測(cè)黑線，還不夠。還需要添加外部檢測(cè)電路，才能實(shí)現(xiàn)采樣功能，可以有多種選擇，本文采用LM339（四路差動(dòng)比較器）。電路設(shè)計(jì)如圖3所示：比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，“+”號(hào)表示的為同輸入端，“-”示的為反向輸入端。比較信號(hào)電壓時(shí)，哪一端的電壓高邊輸出哪一端的電壓。R4為滑動(dòng)變阻器，作分壓電阻來(lái)提供合適的比較電壓，根據(jù)路面情況和小車底盤距離地面的高度可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。

1.4驅(qū)動(dòng)模塊

STC89C51的每一個(gè)IO口最多只能輸出20mA左右的電流，這樣小的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。因此必須借助驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。本文采用了較為常見的L298N驅(qū)動(dòng)芯片。本設(shè)計(jì)L298N采用封裝是15腳Multiwatt封裝。可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)接直流電機(jī)，使用單片機(jī)的IO口提供信號(hào);而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。L298N驅(qū)動(dòng)模塊中驅(qū)動(dòng)一個(gè)直流電機(jī)的信號(hào)有三個(gè)（ENA， OUT1， OUT2），分別連接MCU的P2.0， P2.2， P2.3， 分別負(fù)責(zé)芯片的使能和電機(jī)正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，本設(shè)計(jì)中的EA端接+5V信號(hào)。

1.5電源模塊

為了使輸入電壓達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的值，電源模塊的芯片采用了LM2576HVT-5.0，穩(wěn)壓降壓效果很好，最高輸入電壓不超過(guò)45V。電源插口出，設(shè)計(jì)有整流橋，將交流轉(zhuǎn)化為直流，也可以防止反接。本設(shè)計(jì)采用的是通用的18650電池組，供電電壓為7.4V。

1.6無(wú)線模塊

nRF24L01是一款單片無(wú)線收發(fā)器芯片，工作在2.4～2.5GHz世界通用ISM頻段。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置都是通過(guò)SPI接口進(jìn)行設(shè)置。ISM頻段是主要開放給工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)學(xué)機(jī)構(gòu)使用，這一頻段是免費(fèi)使用的，而且無(wú)需申請(qǐng)。

整體模塊的配置，包括工作模式，輸出功率和頻道的選擇，協(xié)議的設(shè)置等等都可以通過(guò)SPI串口與單片機(jī)連接進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)傳輸無(wú)線數(shù)據(jù)。

本設(shè)計(jì)中，nRF24L01采用的是模塊化產(chǎn)品，在主板位置預(yù)留出接口即可，即插即用。CE引腳的作用是使能，讓芯片發(fā)射或者接收，CSN，SCK，MOSI，MISO這四個(gè)是SPI串口通信的引腳，分別是片選線，時(shí)鐘線，輸入線和輸出線。MCU可通過(guò)這四個(gè)引腳來(lái)控制和配置nRF24L01;另外IRQ為中斷標(biāo)志。

2 電機(jī)控制

本文對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊的信號(hào)控制設(shè)計(jì)方面，采用了PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制，這是一種非常經(jīng)濟(jì)、方便且實(shí)用的方法，搭配L298N的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的調(diào)速。單片機(jī)引腳輸出的波形，一般是矩形波，且周期是固定的。改變每一個(gè)周期中高電平的脈沖寬度，即高電平在整個(gè)周期之中的占有比例，也稱作占空比，就是PWM。

有一些單片機(jī)，本身就含有硬件PWM 模塊，這樣設(shè)計(jì)程序時(shí)就變得較為簡(jiǎn)單，但STC89C51系列，就不具備這個(gè)條件。在沒(méi)有 PWM 硬件的單片機(jī)上實(shí)現(xiàn) PWM，并不困難，只需一個(gè)定時(shí)器，讓它在中斷方式工作即可，控制其中斷的時(shí)間，這樣就可以控制高電平輸出的時(shí)間，從而改變其占空比，完成PWM控制。

電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由電機(jī)電壓進(jìn)行控制的，電壓越大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也就越快，而電機(jī)兩端的電壓是由控制信號(hào)波形中的占空比來(lái)決定的，占空比越大，電壓也就越大，相當(dāng)于占空比越大，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也就越快。當(dāng)占空比=1時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大。在實(shí)際操作過(guò)程中，控制信號(hào)的頻率不用很高，400Hz以下就足夠使用了，占空比的多級(jí)調(diào)節(jié)可由實(shí)際進(jìn)行設(shè)計(jì)，10級(jí)，20級(jí)調(diào)節(jié)都是可以的。此外，在小車前進(jìn)時(shí)，占空比不需要太高，太高會(huì)導(dǎo)致小車全速行駛，這樣循跡信號(hào)的檢測(cè)，就變得很不穩(wěn)定了。直線行駛和轉(zhuǎn)彎行駛應(yīng)該分開來(lái)設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，車速不宜過(guò)快，否則方向不易控制，小車容易滑出規(guī)定的線路之外，若是設(shè)計(jì)的太慢了，未免過(guò)于浪費(fèi)時(shí)間，可以根據(jù)實(shí)際情況，進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 軟件開發(fā)

常用的開發(fā)思維即是模塊化編程，先將系統(tǒng)需求分劃開來(lái)，分成多個(gè)模塊，然后按每個(gè)模塊來(lái)細(xì)化編寫，主要在keil5軟件平臺(tái)進(jìn)行編寫，使用STC燒寫軟件進(jìn)行燒寫。

主要分為一下幾個(gè)模塊：

1.采樣檢測(cè)模塊：主要檢測(cè)路面的黑色循跡線路，當(dāng)識(shí)別到黑色循跡線路時(shí)，要給單片機(jī)一個(gè)反饋信息，同時(shí)要點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的二極管方便查看。

2.PWM調(diào)速模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)通過(guò)定時(shí)中斷來(lái)控制IO口輸出波形中高電平的占空比，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)兩端電壓的調(diào)整，完成加速和減速操作。

3. 小車控制模塊：通過(guò)L298N驅(qū)動(dòng)來(lái)操控電機(jī)的前進(jìn)后退等基本操作。根據(jù)PWM調(diào)速模塊和采樣檢測(cè)模塊，實(shí)時(shí)調(diào)整電機(jī)的速度，通過(guò)左右輪速差，來(lái)做到轉(zhuǎn)彎前進(jìn)。

4. 無(wú)線通信模塊：電腦端通過(guò)上位機(jī)對(duì)nRF24L01模塊的操作，發(fā)射無(wú)線信息給智能小車，小車通過(guò)nRF24L01模塊來(lái)接收信息，進(jìn)行判斷，執(zhí)行操作。所以要對(duì)nRF24L01模塊進(jìn)行配置。

4. 總結(jié)

本文基于nRF24L01芯片展開了設(shè)計(jì)，目的就是通過(guò)無(wú)線操作智能小車，來(lái)完成一些人類不便進(jìn)入的區(qū)域的任務(wù)，既然是模塊化的設(shè)計(jì)，就如同搭積木一般，可裝可拆，本設(shè)計(jì)還有更多的展望，如添加一個(gè)溫度檢測(cè)傳感器、氣體檢測(cè)傳感器等等，在一些較為危險(xiǎn)的地方，可以代替人類進(jìn)行探測(cè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張毅剛.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]， 人民郵電出版.