基于51單片機的遙控噴灌小車的設計要點淺析

陳志斌 林壽英

摘 要 設計一款遙控小車能夠根據使用者的意愿來實現相對應的動作與功能，不僅為花草栽培愛好者提供一種不一樣的澆花方式，還能減輕勞動負擔，增添娛樂性。該小車是以STC89C51為核心控制模塊，所采用的功能模塊有NRF24L01無線模塊、L298N電機驅動模塊和7805穩壓模塊。

關鍵詞 MCU;NRF24L01;小車;噴灌

中圖分類號：TS95 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.33.092

隨著物聯網概念的普及與科技技術的不斷發展，無線通信技術在生活中的運用越來越廣泛。通過無線通信技術來控制驅動的小車也逐步進入人們的視野中。對于智能小車，我國國內的各大高校都有相關研究。例如，王剛等對智能小車的ABS（防抱死系統）進行了研究，通過采用調節占空比的方法來實現防抱死功能[1]。此次的小車研究是針對于小車的應用來進行論述的，該小車搭載了噴頭、水泵、顯示器，能夠在多種環境中應用。其控制系統為STC89C51單片機，搭載的功能能夠滿足設計所需。

1 灌溉小車的組成

1.1 微型控制器及其最小系統

系統設計采用的是STC89C51。STC89C51是采用8051核的在系統編程ISP（In System Programming）芯片，亦稱在線編程，最高工作時鐘頻率為80 MHz，片內含4K可反復擦寫1 000次的閃爍存儲器（Flash ROM）。同時芯片內集成了有128字節的數據存儲器（RAM）、5個中斷源以及兩個優先級。STC89C51系列單片機是單時鐘/機器周期的兼容8051內核單片機，是高速/低功耗的新一代8051單片機。該系列單片機入門門檻低，寄存器功能簡便，程序編輯可采用C語言編輯，符合人類的邏輯思維，是目前我國教學領域中使用最廣泛的微處理器。

1.2 NRF24L01無線通信模塊

目前，市場上一些成熟的短距離、低功耗無線技術有ZigBee技術、藍牙技術、WiFi技術以及NRF2401技術。ZigBee技術所用的成本高于同類產品且衍射能力與穿墻能力弱。而藍牙技術從計算機和移動手機的普及性來看具有很大的優勢。藍牙有效通信距離不超過10 m，這與本研究所設計小車預期實現的功能不符。WiFi技術帶寬大、可傳視頻，具有優越的通信能力，但是對于采用電池供電的小車系統來說待機功耗大，滿足不了長時間使用的需求[2]。所以在此次設計中，采用NRF2401技術作為小車無線通信點，該技術具有功耗低、噪聲干擾弱、工作距離適中的特點。

1.3 電機驅動模塊

L298N是專用驅動集成電路，屬于H橋集成電路，其輸出電流增大，功率增強。其輸出電流為2 A，最高電流4 A，最高工作電壓50 V[3]。L298N芯片能夠驅動兩個二相電機或者一個四相電機，電路簡單，使用方便，而且通過I/O口的控制實現電機正、反轉，實現正反轉具體方法如表1所示。

1.4 人機交互界面

在使用51單片機進行控制系統設計時，人機交互元件有以下3種：1）數碼管;2）液晶顯示器;3）有機發光二極管（OLED）。其中液晶顯示屏分為兩種型號：1602與12864。在本次小車設計中所采用的是1602。八段數碼管所顯示的內容存在局限性，編程較為復雜。而有機發光二極管售價高，所采用IIC或者SPI通信協議的內容多，程序編輯起來容易出現錯誤。1602液晶顯示器分為上下兩行總共能夠顯示32個字符，能夠滿足本設計要求且編程簡單易懂。

1.5 系統供電與降壓模塊

由于本次系統設計中，單片機、L298N電機驅動模塊和NRF24L01無線模塊所需要的電力供應要求是不一樣的，分別是5 V、12 V、3.3 V。考慮到所使用的驅動電機是兩個5 V直流電機，電流消耗量大，所以電源供應采用航模電池，其電池容量大、電壓高。為了保證單片機的正常使用，需要加入7805和AMS1117-3.3V芯片。

1.6 繼電器、水泵模塊

繼電器模塊的使用能夠使單片機的弱電流、小電壓來驅動電壓高、電流大的負載。本次實驗所選擇的水泵所帶的電機是12 V的，能為吸水提供可靠的動力。

2 控制系統設計

2.1 系統程序

系統程序流程圖如圖1所示，軟件系統主要包括主程序、NRF24L01子程序、電機驅動程序、液晶顯示程序4部分。在系統上電運行之后，接收板等待發送板的發送信號，進行標志位的識別并作出相應的識別操作，最后通過液晶顯示進行操作讀出。

2.2 電機驅動程序

在單片機的使用中，編寫電機驅動程序時一般采用改變一個周期內高低電平所占時間的比例，即占空比，來控制電機的轉速。常用的使用方法有編寫微秒級延時和定時器中斷程序。在主程序中采用微秒級延時將不能精確控制占空比，誤差大，且占用CPU內部存儲空間，因此采用定時中斷產生PWM波，避免占用CPU的空間，所產生的占空比精確[4]。驅動程序如圖2所示。

3 結論

此次設計的遙控灌溉小車在系統上電運行后表現出良好的可靠性、穩定性與響應速度快等優點。與趙文鈺等人設計的自主循跡灌溉小車相比，減少了預先布線的工序，降低了人工成本和時間成本，提高了小車的靈活性[5]。且該系統能夠為一些愛好栽培花草但又行動不便的人提供澆花的便捷。但此次設計的小車還存在一些不足之處，如不能夠進行電機速度調節、小車的整車穩定性不高等，希望在接下來的研究中能夠對小車進行彌補與功能完善。

參考文獻：

[1] 王剛，吳鐘鳴.基于STC89C52RC的多功能電動玩具小車設計[J].電腦知識與技術，2017，13（7）：158-161.

[2] 曾建，榮聯城，姜水明，等.基于Arduino平臺的智能遙控小車設計[J].電子世界，2014（7）：142.

[3] 劉新蕊，郭志強，馮飛.多功能遙控小車的設計[J].科技展望，2016，26（23）：180.

[4] 馮敏.基于51單片機的智能臺燈系統設計[J].機電工程技術，2017（S2）：275-277.

[5] 趙文鈺，郭橋雨，張成杰，等.基于51單片機自主循跡灌溉小車[J].信息記錄材料，2018，19（3）：85-86.

（責任編輯：趙中正）