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1.1整体方案设计的思路2
1.2整体方案的流程图2
2遥控音乐小车系统概况3
2.1PT2262/2272无线遥控模块原理3
2.2驱动原理的简介5
2.3直流电机简介9
2.4显示模块的综合概括11
2.5音乐功放芯片LM386的简介16
3模块方案比较与论证:
18
3.1车体设计18
3.2电机模块的选择18
3.3电机驱动模块的选择18
3.4控制器模块的选择19
4系统硬件电路设计20
4.1显示模块的设计20
4.2LED与MUSIC的整合设计21
4.3无线模块的设计23
4.4直流电机的驱动模块24
5软件的简单介绍26
5.1Keil的简介26
5.2protues的简介26
5.3Protel的简介27
5.4STC_ISP_V480的简介28
6后期展望30
参考文献31
附录一:
实物图32
附录二:
总体仿真图33
附录三:
总程序34
谢辞42
引言
随科学技术的进步,智能化和自动化技术越来越普及,也广泛应用于机器人玩具制造领域,使智能机器人越来越多样化。
智能机器人是一个多种高新技术的集成体,它融合了机械、电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识,涉及到当今许多前沿领域的技术。
而随着社会的不断发展,智能设备的不断出现,无线遥控的运用也越来越广泛。
无线遥控器由于控制距离远,抗干扰性强,已越来越多的出现在生活的各个方面。
本文使用了一款通用的无线遥控电路,基于STC89C52作为控制核心,采用专用编码解码电路,由于其体积小、功能强大,因此可非常方便的移植到遥控机器人、遥控小车上等,并实现远距离控制。
在早期,遥控小车并不少见,但大多产品制造简单,实现的功能少,往往只有一些简单的功能,例如左转右转,前进后退等,大多采用红外控制,外加一些复杂的电路组合而成。
遥控小车的使用者针对的是小孩子,但笨重的设备和昂贵的价格往往让许多小孩的甜美梦想落空。
在现在,用单片机进行无线遥控小车的方案,利用较少的外设实现了基本的功能。
其较强的抗干扰性使得该遥控器具有很好的通用性其功能也日趋完善。
其中包括防撞防爆系统和基本的方向控制,另外在行进中可以尽享柔美的音乐,看美丽的灯光随音律而闪烁,让孩子玩得更开心!
此外,电路的简化,材料的减少使得价格也降低了不少,真的是物美价廉,可以为孩子的童年再添一些笑语。
1整体方案设计
1.1整体方案设计的思路
利用无线发射和无线接收模块控制单片机,让单片机翻译传输指令,从而实现相应的功能。
具体的过程如下:
无线发射模块发出指令,无线接收模块接收信号后,传递给单片机A,单片机A翻译接收到信号后,传输给驱动电路驱动电机旋转,从而实现让小车的前进、后退、左转和右转,另外单片机A控制LCD显示时间与温度,接收到开启信号后,时钟芯片DS1302记录的时间,温度传感器DS18B20检测的温度,其值都会显示在LCD1602上。
本设计还采用了两个单片机进行串口通信,单片机B控制MUSIC与LED,并由于串口通信受控于单片机A,单片机A发出指令控制单片机B的音乐演奏和发光二极管的闪烁,而发光二极管会随着音律的变化而产生相应的变换。
除了可以进行无线遥控外,还设置了若干个按钮,也可以进行相应的调控,作用等级略低于无线遥控的按钮。
1.2整体方案的流程图
基于单片机STC89C52整体设计的智能小车,根据原来设计的思路上画出了相对应的流程路,由于是整体结构图,就只是画出了大致的结构流程,而细节将在后面做出介绍。
图1整体方案的流程图
2遥控音乐小车系统概况
2.1PT2262/2272无线遥控模块原理
2.1.1PT2262/2272的简介
PT2262/2272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,PT2262/2272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),任意组合可提供531441地址码,PT2262最多可有6位(D0-D5)数据端管脚,在通常使用中,我们一般采用8位地址码和4位数据码,这时编码电路PT2262和解码PT2272的第1~8脚为地址设定脚,有三种状态可供选择:
悬空、接电源正极、接地三种状态,3的8次方为6561,所以地址编码不重复度为6561组,只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同,才能配对使用,遥控模块的生产厂家为了便于生产管理,出厂时遥控模块的PT2262和PT2272的八位地址编码端要全部悬空,这样用户可以很方便选择各种编码状态,用户如果想改变地址编码,只要将PT2262和PT2272的1~8脚设置相同即可,例如将发射机的PT2262的第1脚接地第5脚接正电源,其它引脚悬空,那么接收机的PT2272只要也第1脚接地第5脚接正电源,其它引脚悬空就能实现配对接收。
当两者地址编码完全一致时,接收机对应的D1~D4端输出约4V互锁高电平控制信号,同时VT端也输出解码有效高电平信号。
用户可将这些信号加一级放大,便可驱动继电器、功率三极管等进行负载遥控开关操纵。
2.1.2应用范围
车辆防盗系统、家庭防盗系统、遥控玩具、其他电器遥控等。
2.1.3编码电路PT2262引脚图及管脚说明
表2.1管脚说明
名称
管脚
说明
A0-A11
1-8、10-13
地址管脚,用于进行地址编码,可置为“0”,“1”,“f”(悬空),
D0-D5
7-8、10-13
数据输入端,有一个为“1”即有编码发出,内部下拉
Vcc
18
电源正端(+)
Vss
9
电源负端(-)
TE
14
编码启动端,用于多数据的编码发射,低电平有效;
OSC1
16
振荡电阻输入端,与OSC2所接电阻决定振荡频率;
OSC2
15
振荡电阻振荡器输出端;
Dout
17
编码输出端(正常时为低电平)
图2编码电路PT2262引脚图
在具体的应用中,外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节,阻值越大振荡频率越慢,编码的宽度越大,发送一帧的时间越长。
一般用2262/1.2M/2272/200K组合的,少量产品用2262/4.7M/2272/820K。
2.1.4解码电路PT2272引脚图及管脚说明
表2.2管脚说明
地址管脚,用于进行地址编码,可置为”0”,“1”,“f”(悬空),必须与2262一致,否则解码无效
地址或数据管脚,当作为数据管脚时,只有在地址码与2262一致,数据管脚才能输出与2262数据端对应的高电平,否则输出为低电平,锁存型只有在接收到下一数据才能转换
DIN
数据信号输入端,来自接收模块输出端
VT
解码有效确认输出端(常低)解码有效变成高电平(瞬态)
图3解码电路PT2272引脚图
PT2272解码芯片有不同的后缀,表示不同的功能,有L4/M4/L6/M6之分,其中L表示锁存输出,数据只要成功接收就能一直保持对应的电平状态,直到下次遥控数据发生变化时改变。
M表示非锁存输出,数据脚输出的电平是瞬时的而且和发射端是否发射相对应,可以用于类似点动的控制。
后缀的6和4表示有几路并行的控制通道,当采用4路并行数据时(PT2272-M4),对应的地址编码应该是8位,如果采用6路的并行数据时(PT2272-M6),对应的地址编码应该是6位。
图4PT2272-L4遥控应用的简单电路
目前运用在小车上的模块主要涉及到:
驱动模块、音乐与LED综合模块、显示模块、电机模块。
2.2驱动原理的简介
驱动模块的核心实际上是H桥驱动电路组成的L298芯片。
2.2.1H桥驱动电路的内部原理解析如下
图5中所示为一个典型的直流电机控制电路。
电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。
4个三极管组成H的4条垂直腿,而电机就是H中的横杠(注意:
图5及随后的两个图都只是示意图,而不是完整的电路图,其中三极管的驱动电路没有画出来)。
如图所示,H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。
要使电机运转,必须导通对角线上的一对三极管。
根据不同三极管对的导通情况,电流可能会从左至右或从右至左流过电机,从而控制电机的转向。
图5H桥驱动电路
要使电机运转,必须使对角线上的一对三极管导通。
例如,如图6所示,当Q1管和Q4管导通时,电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机,然后再经Q4回到电源负极。
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。
当三极管Q1和Q4导通时,电流将从左至右流过电机,从而驱动电机按特定方向转动(电机周围的箭头指示为顺时针方向)。
图6H桥电路驱动电机顺时针转动
图7所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况,电流将从右至左流过电机。
当三极管Q2和Q3导通时,电流将从右至左流过电机,从而驱动电机沿另一方向转动(电机周围的箭头表示为逆时针方向)。
图7H桥驱动电机逆时针转动
2.2.1使能控制和方向逻辑
驱动电机时,保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。
如果三极管Q1和Q2同时导通,那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。
此时,电路中除了三极管外没有其他任何负载,因此电路上的电流就可能达到最大值(该电流仅受电源性能限制),甚至烧坏三极管。
基于上述原因,在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。
图8所示就是基于这种考虑的改进电路,它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。
4个与门同一个“使能”导通信号相接,这样,用这一个信号就能控制整个电路的开关。
而2个非门通过提供一种方向输人,可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。
(与本节前面的示意图一样,图8所示也不是一个完整的电路图,特别是图中与门和三极管直接连接是不能正常工作的。
)
图8具有使能控制和方向逻辑的H桥电路
采用以上方法,电机的运转就只需要用三个信号控制:
两个方向信号和一个使能信号。
如果DIR-L信号为0,DIR-R信号为1,并且使能信号是1,那么三极管Q1和Q4导通,电流从左至右流经电机(如图4.16所示);
如果DIR-L信号变为1,而DIR-R信号变为0,那么Q2和Q3将导通,电流则反向流过电机。
图9使能信号与方向信号的使用
实际使用的时候,用分立元件制作H桥是很麻烦的,好在现在市面上有很多封装好的H桥集成电路,接上电源、电机和控制信号就可以使用了,在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。
比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。
2.2.2恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N
L298是SGS公司的产品,比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N,内部同样包含4通道逻辑驱动电路。
可以方便的驱动两个直流电机,或一个两相步进电机。
L298N芯片可以驱动两个二相电机,也可以驱动一个四相电机,输出电压最高可达50V,可以直接通过电源来调节输出电压;
可以直接用单片机的IO口提供信号;
而且电路简单,使用比较方便。
L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS,VSS可接4.5~7V电压。
4脚VS接电源电压,VS电压范围VIH为+2.5~46V。
输出电流可达2.5A,可驱动电感性负载。
1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻,形成电流传感信号。
L298可驱动2个电动机,OUT1,OUT2和OUT3,OUT4之间可分别接电动机,本实验装置我们选用驱动一台电动机。
5,7,10,12脚接输入控制电平,控制电机的正反转。
EnA,EnB连接控制使能端,控制电机的停转。
表1是L298N功能逻辑图。
In3,In4的逻辑图与表1相同。
由表1可知EnA为低电平时,输入电平对电机控制起作用,当EnA为高电平,输入电平为一高一低,电机正或反转。
同为低电平电机停止,同为高电平电机刹停。
等。
图10单片机利用L298控制电机的原理图
15脚是输出电流反馈引脚,其它与L298相同。
在通常使用中这两个引脚也可以直接接地。
上图是其与51单片机连接的电路图
2.3直流电机简介
2.3.1直流电机的应用
电动机简称电机,是使机械能与电能相互转换的机械,直流电机把直流电能变为机械能。
作为机电执行元部件,直流电机内部有一个闭合的主磁路。
主磁通在主磁路中流动,同时与两个电路交联,其中一个电路是用以产生磁通的,称为激磁电路;
另一个电路是用来传递功率的,称为功率回路或电驱回路。
现行的直流电机都是旋转电驱式,也就是说,激磁绕组及其所包围的铁芯组成的磁极为定子,带换向单元的电驱绕组和电驱铁芯结合构成直流电机的转子。
直流电机有以下4方面的优点:
1)调速范围广,且易于平滑调节。
2)过载、启动、制动转矩大。
3)易于控制,可靠性高。
4)调速时的能量损耗较小。
所以,在调速要求高的场所,如轧钢机、轮船推进器、电机、电气铁道牵引、高炉送料、造纸、纺织、拖动、吊车、挖掘机械、卷扬机拖动等方面,直流电机均得到广泛的应用。
2.3.2直流电机的基本工作原理
直流电机工作原理:
当电刷A,B接在电压为U的直流电源上时,若电刷A是正电位,B是负电位,在N极范围内的导体ab中的电流是从a流向b,在S极范围内的导体cd中的电流是从c流向d。
载流导体在磁场中要受到电磁力的作用,因此ab与cd两导体都受到电磁力的作用。
根据磁场方向和导体中的电流方向,利用电机左手定则判断,ab边受力的方向是向左的,而cd边则是向右的。
由于磁场是均匀的,导体中流过的又是相同的电流,所以ab边和cd边所受电磁力的大小相等。
这样,线圈上就受到了电磁力的作用而按逆时针转动。
当线圈转到磁极的中性面上时,线圈中的电流等于零,电磁力等于零,但是由于惯性的作用,线圈继续转动。
线圈转过半周之后,虽然ab与cd的位置调换了,ab边转到S极范围内,cd边转到N极范围内,但是由于换向片和电刷的作用,转到N极下的cd边中电流方向也变了,是从d流向c,在s极下的ab边中的电流则是从b流向a。
因此电磁力的方向仍然不变,线圈仍然受力按逆时针方向转动。
可见,分别处在N,S极范围内的导体中电流方向总是不变的,因此线圈两个边的受力方向也不变,这样线圈就可以按照受力方向不停地旋转,通过齿轮或皮带等机构的传动,便可以带动其他机械工作。
从以上分析可以看到,要使线圈按照一定的方向旋转,关键问题是当导体从一个磁极范围转到另一个异性磁极范围时(也就是导体经过中性面后),导体中电流的方向也要同时改变,换向器和电刷就是完成这一任务的装置。
在直流电机中,换向器和电刷把输入的直流电变为线圈中的交流电。
可见,换向器和电刷是直流电机中不可缺少的关键部件。
当然,在实际的直流电机中,不只有一个线圈,而是有许多线圈牢固地嵌在转子铁芯槽中,当导体中通过电流在磁场中因受力而转动时,就带动整个转子旋转,这就是直流电机的基本工作原理。
2.3.3直流电机的参数
转矩-电机得以旋转的力矩,单位为㎏•m或N•m。
转矩系数-电机所产生转矩的比例系数,一般表示每安培电驱电流所产生的转矩大小。
摩擦转矩-电刷、轴承、换向单元等因摩擦而引起的转矩损失。
启动转矩-电机启动时所产生的旋转力矩。
转速-电机旋转的速度,工程单位为r/min,即转每分。
在国际单位制中为rad/s,即弧度每秒。
电枢电阻-电枢内部的电阻,在有刷电机里一般包括电刷与换向器之间的接触电阻,由于电阻中流过电流时会发热,因此总希望电枢电阻尽量小。
电枢电感-因为电枢绕组由金属线圈构成,必然存在电感,从改善电机运行性能的角度来说,电枢电感越小越好。
电气时间常数-电枢电流从零开始达到稳定值的63.2%时所经历的时间。
测定电气时间常数时,电机应处于堵转的状态并施加阶跃性质的驱动电压。
工程上,常常利用电动机转子的转动惯量J、电枢电阻Ra、电机反电动势系数Ke和转矩系数Kt求出机械时间常数:
…1-1
转动惯量-具有质量的物体维持其固有运动状态的一种性质。
反电动势系数-电机旋转时,电枢绕组内部切割磁力线所感应的电动势相对于转速的比例系数,也称发电系数或感应电动势系数。
功率密度-电机每单位质量所能获得的输出功率值。
功率密度越大,电机的有效材料的利用率就越高。
转子-rotor;
定子-stator;
电枢-armature;
励磁-excitation。
2.4显示模块的综合概括
显示模块包括:
LCD1602,温度传感器DS18B20,时钟芯片DS1302三个部分组成。
2.4.1LCD1602的简介
1602B可以显示2行16个字符,有8位数据总线D0-D7,和RS、R/W、EN三个控制端口,工作电压为5V,并且带有字符对比度调节和背光。
该模块也可以只用D4-D7作为四位数据分两次传送。
这样的话可以节省MCU的I/O口资源。
1602B引脚说明如下:
表2.3LCD液晶显示器各引脚功能及结构
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
D2
双向数据口
2
VDD
电源正极
10
D3
3
VL
对比度调节
11
D4
4
RS
数据/命令选择
12
D5
5
R/W
读/写选择
13
D6
6
E
模块使能端
D7
7
D0
BLK
背光源地
8
D1
BLA
背光源正极
注意事项:
从该模块的正面看,引脚排列从右向左为:
15脚、16脚,然后才是1-14脚(线路板上已经标明):
VDD:
电源正极,4.5-5.5V,通常使用5V电压;
VL:
LCD对比度调节端,电压调节范围为0-5V。
接电源的正极时对比度最弱,接地电源时对比度最高,但对比度过高时会产生“鬼影”,因此通常使用一个10K的电位器来调整对比度,或者直接串接一个电阻到地;
RS:
MCU写入数据或者指令选择端。
MCU要写入指令时,使RS为低电平;
MCU要写入数据时,使RS为高电平;
R/W:
读写控制端。
R/W为高电平时,读取数据;
R/W为低电平时,写入数据;
E:
LCD模块使能信号控制端。
写数据时,需要下降沿触发模块。
D0-D7:
8位数据总线,三态双向。
如果MCU的I/O口资源紧张的话,该模块也可以只使用4位数据线D4-D7接口传送数据。
本充电器就是采用4位数据传送方式;
BLA:
LED背光正极。
需要背光时,BLA串接一个限流电阻接VDD,BLK接地,实测该模块的背光电流为50mA左右;
BLK:
LED背光地端。
2.4.2温度传感器DS18B20的简介
Dalla
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