【毕业论文】基于单片机的智能小车（word档）P42

【毕业论文】基于单片机的智能小车（word档）P42 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 基于单片机的智能小车的设计 摘 要 智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。本设计主要体现多功能小车的智能模式，设计中的理论 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 、分析方法及特色与创新点等可以为自动运输机器人、采矿勘探机器人、家用自动清洁机器人等自动半自动机器人的设计与普及有一定的参考意义。同时小车可以作为玩具的发展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济收益，形成商业价值。 片机为控制核心，通过无线遥控实现前进后退和转向整个小车平台主要以51单 行驶;通过LCD液晶显示器，实现小车的坐标、温度的显示。同时当所在环境温度高于预设值的情况下，停止工作并发出警报。 设计采用对比选择，模块独立，综合处理的研究方法。通过翻阅大量的相关文献资料，分析整理出有关信息，在此基础上列出不同的解决方案，结合实际情况对比方案优劣选出最优方案进行设计。 从电机车体，最小系统到无线遥控，GPS定位再到LCD显示，完成各模块设计。通过调试检测各模块，得到正确的信号输出，实现其应有的功能。最后将各个调试成功的模块结合到小车的车体上，结合程序，通过单片机的控制，将各模块有效整合在一起，达到所预期的目标，完成最终设计与制作，能使小车在一定的环境中智能化运转。 关键词:智能 STC12C5A60S2 GPS 综合处理 I 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) Multifunctional Intelligent Vehicle Design Based on SCM Abstract As a new product of modern society, intelligence is the trend in future development. It can work in some specific environment according to the mode which sets in advance. Dispensing with behavior adjustment management, but it can achieve the expected， even higher goal. The design mainly reflected a smart-car model. The theoretical scheme, analysis method, uniqueness and innovation etc. that pointed in this paper, I think they are will be certain reference value in design and popularity of automatic or semi-automatic robot such as automatic transportation robot, prospecting robot, cleaning household robot etc.. This car can be used as a model of development of toy, to make up the deficiency of technical content in the Chinese toy market, to realize economic profit and to form commercial value. The design takes micro-controller 51 as control center, use wireless control to make car go forward, go backward or turn around; use LCD to show the temperature and the location.There will be a warning when the temperature level becomes too hot. Using methods of contrast selection, module independence, integrated treatment; consulting a large number of related literature and data; and listing different solution; according to practical situation and choose the best scheme to design. The motor car body, the minimum system and wireless control, GPS and LCD, step by step, the design is forming gradually. And then, debugging and checking every single module, getting the correct signal output. Finally, combining program, conforming every module efficiently to make it work. Key words: Intelligence STC12C5A60S2 GPS Combined Processing II 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 目 录 前 言 ..................................................... 1 第1章 绪论 .................................................. 2 第1.1节 选题背景 ............................................ 2 第1.2节 研究目的与研究方法 .................................. 2 第1.3节 设计任务 ............................................ 3 第2章 总体设计 .............................................. 4 第2.1节 各模块分析选择 ...................................... 4 第2.2节 总体设计框图 ........................................ 7 第3章 硬件设计 .............................................. 9 第3.1节 单片机控制核心 ...................................... 9 第3.2节 电机驱动模块 ....................................... 11 第3.3节 LCD显示模块 ........................................ 14 第3.4节 GPS模块 ............................................ 19 第3.5节 温感报警模块 ....................................... 20 第3.6节 无线遥控模块 ....................................... 22 第4章 软件设计 ............................................. 24 第4.1节 主函数 ............................................. 24 第4.2节 行走简析 ........................................... 24 第4.3节 程序内容 ........................................... 26 结 论 .................................................... 33 III 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 附 录 .................................................... 34 谢 .................................................... 38 致 IV 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 前 言 现在智能设备是越来越受到人们的青睐，智能产品也是层出不穷，人们在感受这些智能产品给我们的生活生产带来方便的同时，也对智能产品提出了更高的要求，现在出现了许多具有代表性的智能化产品，例如:智能机器人、无人驾驶飞机等，它们的出现都在不同程度上改变着我们的生活方式。 本设计以智能化全面发展的普及与应用为目的，整体开发过程简单易懂，所选择的平台与各电子元件恰当合理，无需花费过多的人力财力便可达到预期所要求各功能的实现，也符合课题研究的意义。设计的理论方案、分析方法及特色与创新点等对于国内运输机器人、勘探机器人等自动半自动机器人的设计与普及有一定的参考意义。小车也可以作为玩具的发展对象，为中国玩具市场技术含量的缺乏进行一定的弥补，实现经济收益，形成商业价值。同时作为高校设计研究课题，对学生的思维、动手能力以及总结论述等综合能力得到充分锻炼，有利于以后独立及全面的发展。 设计主要以简易智能机器人为开发平台，选择通用、价廉的51单片机为控制平台，选择常见的电机模型车为机械平台，通过细化设计要求，结合传感器技术、电机控制技术、无线通信技术等相关知识实现小车的各种功能。设计并完成由LCD显示电路、无线数传、温度传感器以及GPS全球定位系统接收器的硬件模块结合软件设计组成多功能智能小车，共同实现小车的前进倒退、转向行驶、坐标定位、检测温度和超出预设值报警等功能，实现智能控制，达到设计目标。 1 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 第1章 绪论 第1.1节 选题背景 随着机器人技术的发展，人们发现某些只能固定于某一位置操作的机器人，如用 、点焊、喷涂等用途的机器人，并不能满足各方面的需求。因此，20 世于机械加工 纪 80 年代后期，许多国家开始有 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 的开展移动机器人的研究。目前国内外都以推出了多种移动机器人系统。如Pioneer 系列，climber 移动机器人等。所谓移动机器人就是一种具有高度自规划、自组织、自适应能力，适合于在复杂的非结构化环境中 [1]工作的机器人。而机器人的智能性按层次高低又有初级、中级和高级之分。可以说，业界对于移动机器人的研究正是方兴未艾。 进入20世纪以来，在科学探测活动中，由于自然条件、现场环境等原因，使工作人员无法深入现场去收集环境信息。在这种社会大环境下智能小车凭借着其体形 [2]小、高行动力和智能控制等优点无疑成为了最佳探测工具。在人员无法到达的现场，最重要的就是能快速到达指定地点并快速获取环境状况。 这些都充分表明，智能小车虽然是在不断发展，但是都难以在真实的灾难现场发挥作用。相比之下，国内对移动机器人的研究要晚于国外，因此我国的智能探测小车还有很大的发展空间。 第1.2节 研究目的与研究方法 1.2.1研究目的 本小车可应用于科学勘探，灾难现场的探测和协助救援。 (1)科学勘探:本小车可以很大程度上代替工作人员进行实地勘探，从而在节省人力资源，保障人身安全，提高工程落实的效率等众多方面大有裨益。 (2)灾难现场的探测和协助救援:对于近年自然灾害频发，诸如地震、火灾等 2 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 给人类造成巨大损失，为尽可能减少损害，高效准确的组织灾后救援等相关工作已十分重要，本小车可以到达危险或者人员不易到达的环境，可以探测环境信息以实现定点、有针对性的后续救援;可以运送物品协助救援。 1.2.2研究方法 (1)文献法。本研究涉及单片机编程、无线数据传输、多模块结合等技术，需要对涉及的知识精通才能实现方案的成功设计，只有通过对大量相关书籍期刊进行阅读、整理、分析，才能得到有价值的研究资料。因此，本研究把文献法作为最重要的研究方法。 (2)观察法。科学的观察具有目的性和计划性、系统性和可重复性。在科学实验和调查研究中，观察法具有扩大人们的感性认识、启发人们的思维、导致新的发现等几个方面的作用。因此对于本研究有很大帮助。 第1.3节 设计任务 本次设计制作的这款小车以单片机为控制核心，搭配温度传感器、LCD显示模块、无线数传模块、以及GPS模块，实现远程遥控、温度采集及上限报警、GPS定位、无线数据传输等功能 。当小车开关打开之后，小车上的单片机等待上位机的指令，操作人员通过上位机端的终端发送指令，通过无线数传模块传送至小车端的单片机，小车端的单片机判断指令前往预定的目基地，到达指定地点之后，采集周边的数据(温湿度、经纬度、海拔等)通过数传模块传送至上位机，以便操作人员能够及时掌握准确的监控目基地周边的情况。本车以采集温度和经纬度为例，丰富了小车作为一个多功能移动平台的扩展功能，对采集到的数据进行无线传输，打破了传统操作中距离受限的问题。本设计的理论方案、分析方法及特色与创新点等对于国内运输机器人、勘探机器人等自动半自动机器人的设计与普及有一定的参考意义。 3 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 第2章 总体设计 从小车底盘到电机驱动，最小系统到无线遥控，GPS定位再到LCD显示，必须完成各模块的分别设计调试，最后再将各个调试成功的模块结合到小车的车体上，结合程序，通过单片机的控制，将各模块有效整合在一起，才能达到所预期的目标，完成最终设计与制作。因此模块的选择极为重要和关键。 第2.1节 各模块分析选择 2.1.1主控单元方案比较与选择 方案一:采用CPLD可编程逻辑器件 利用CPLD可编程逻辑器件作为主控制器。CPLD可实现各种复杂的逻辑功能，规模大、密度高、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展，并可应用EDA软件仿真、调试，适合作为大规模控制系统的控制核心，但小车系统并没有复杂的逻辑运算，且数据处理速度的要求也不高，不能完全发挥CPLD的优势，同时，由于其集成度较高，硬件成本偏高，同时由于芯片引脚较多，实物硬件电路布线复杂，加重了电路设计和焊接的工作。 方案二:采用STC12C5A60S2单片机来作为控制单元。 STC12C5A60S2是增强型51单片机的一种，单片机(single-chip microcomputer)是一块集成芯片，但不是一块实现某一个逻辑功能的芯片，而是在这块芯片当中，集成了一个计算机系统。如中央处理器(CPU)、存储器(ROM,RAM)、I/O接口、定时器/计数器、中断系统等。中央处理器是单片机的核心单元，他由运算器和控制器组成，他的主要功能是实现算术运算、逻辑运算和控制。 其特点为:有优异的性价比，集成度高、体积小、有很高的可靠性，控制功能强，扩展性能好，非常容易构成各种 [3]应用系统。 采用51系列单片机来作为整机的控制单元。GPS模块与测温模块采集数据，经过调制处理后由控制系统发送至上位机。通过集成模块收发的无线遥控信号面信号，也 4 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 送至单片机系统处理，以完成相应动作。此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。 比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，更能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现。 2.1.2小车驱动电路与电机方案比较与选择 (1)电机 方案一:采用舵机和直流电机分别控制小车转向和驱动。舵机控制两个轮的转向，没法控制小车的前进，若想保证既能转弯又能前进，需要更大的功率，对电源要求高。另外，舵机转向方式平缓且灵活，但是转向弧度较大不能实现原地转向，而且费用高[4]。 方案二:小车采用双直流电机实现驱动和转向，动力强劲。利用电机差速原理控制小车转向，极易实现原地任意角度的转向。在小车的后方安装两个从动轮，可任意转向。 综合以上，选取方案二。 (2)驱动芯片 方案一:用NPN三极管连接成双极式H型控制电动机。 用双极式H型控制可以控制电动机的正反转以及电动机的转速控制。由于小车需要驱动力比较大，所以需要加载的电压相对比较高;三极管的基极由于外界干扰，导致误通;功率大的从而使得产生的温度就比较高，使得三极管烧坏或灵敏度降低。考 [5]虑到其驱动能力、灵敏度以及散热问题，方案一放弃。 方案二:用L298N驱动两台电动机。 L298N是内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器可驱动46v,2A以下电机。考虑到其驱动能力高，抗干扰强，并且还专门配有散热片，同时在价格方面也比较低。 综合考虑以上条件，选择方案二。 电机采用普通的直流电机。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便。调整范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动、制动 [6]和反转，能满足各种不同的特殊运行要求。驱动部分因为小车电机装有减速齿轮组，考虑不需调速功能，所以采用市面易购的电机驱动芯片L298N，该芯片是利用TTL电平进行控制，对电机的操作方便，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进 5 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) [7]行正反转操作，很方便单片机的操作，亦能满足直流减速电机的要求。 2.1.3 无线遥控单元方案比较与选择 方案一:由发射和接收两大部分组成红外遥控系统，应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作，发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器;接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路等。相对结构比较复杂，而且使用的时候 [8]必须将遥控器前的红外发射孔对准接收管才可以。 方案二:无线电遥控也由发射和接收两大部分组成，由于无线电遥控模块在市场上非常普及，加上无线电遥控有传输距离远、抗干扰能力强、无方向性等优点，对于小车的控制是一个不错的选择。 方案三:超声波遥控是利用超声波来传送指令的遥控，可以应用于需要遥控、遥测的场合。采用由AX5326与AX5327等构成的遥控系统具有体积小、功耗低、功能强 [9]大、抗干扰能力强等优点。但由于超声波遥控价格相对上面两种价格较贵，而且对于小车的遥控也太过于夸大化。 结合三种方案，最终选择用电量、发射、接受功率都不大，一般的小障碍也可以穿越，而且遥控无方向性的无线电遥控。 NRF24L01 是 NORDIC 公司生产的一款无线通信芯片，采用 FSK 调制，内部集成 NORDIC自己的 Enhanced Short Burst 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 。可以实现点对点或是1对6的无线通信。无线通信速度可以达到 2M(bps)。NORDIC 公司提供通信模块的 GERBER 文件，可以直接加工生产。嵌入式工程师或是单片机爱好者只需要为单片机系统预留 5 个GPIO，1个中断输入引脚，就可以很容易实现无线通信的功能，非常适合用来为单片 [6]机系统构建无线通信功能。 2.1.4 小车供电系统 方案一:采用普通电池。 选用干电池给直流电机供电，经7805稳压管对单片机、红外传感器、LM339等供电，但对直流电机影响很大，电机转速变化大，对任务的完成极为不利。 方案二:采用锂电池。 采用二节锂电池串联供电，经过稳压对单片机、红外传感器、LM339等额定电压为5V器件供电，单片机和传感器工作正常，直流电机转速变化不大且平稳行进，且 [10]电池体积较小，重量较轻，能够满足系统要求。实验证明，电池组可保持系统稳定， 6 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 所以选取方案二。 第2.2节 总体设计框图 此系统由小车端与上位机端两部分构成。 小车部分是以单片机为控制核心，处理执行各个外部传感器检测到的电平信号，其中外部信号由四部分得到:GPS模块，遥控模块和温感报警模块。最后把处理结果传递给单片机，并作出相应动作。 上位机部分主要负责小车与上位机的通讯，因此主要有单片机与遥控模块组成。 设计框图如图2.1、2.2所示 遥控模块 电GPS模块 机 单片机控制核心 驱 动 温感报警模块 模 块 显示模块 图2.1 小车部分系统框图 7 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 单 遥控模块 片 机 核 上位机 心 图2.2 上位机部分系统框图 8 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 第3章 硬件设计 本系统硬件主要有六大模块组成:单片机控制模块、电机驱动模块、LCD显示模块、GPS模块、测温模块和遥控模块。 第3.1节 单片机控制核心 3.1.1 STC12C5A60S2概述 本模块采用STC12C5A60S2单片机作为核心处理器。单片机控制系统基本由最小系统和外围信号I/O口组成，其中最小系统包括电源(地)，CPU时序电路(一般使用11.0592MF或者12MF和30PF电容组成)，复位电路。有了以上三块，单片机就能够正 [11]常工作。 STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。 3.2.2 STC12C5A60S2特点 1.增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051 2.工作电压:STC12C5A60S2系列工作电压;5.5V- 3.3V(5V单片机)STC12C5A60S2系列工作电压:3.6V- 2.2V(3V单片机) 3.工作频率范围:0-35MHz，相当于普通8051的0,420MHz 4.用户应用程序空间8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字节 5.片上集成1280字节RAM 6.通用I/O口(36/40/44个)，复位后为:准双向口/弱上拉 (普通8051传统I/O口)。可设置成四种模式:准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开 9 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 漏。 每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA 7.ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专用仿真 )直接下载用户程序，数秒即可完成一片 器可通过串口(P3.0/P3.1 8.有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM) 9.看门狗 10.内部集成MAX810专用复位电路(外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地) 11.外部掉电检测电路:在P4.6口有一个低压门槛比较器 5V单片机为1.32V，误差为+/-5%,3.3V单片机为1.30V，误差为+/-3% 12.时钟源:外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内) 1用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟 常温下内部R/C振荡器频率为:5.0V单片机为:11MHz,15.5MHz 3.3V单片机为: 8MHz,12MHz 精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准 13.共4个16位定时器:两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器 14. 2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟 15.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块，Power Down模式可由外部中断唤醒，INT0/P3.2, INT1/P3.3, T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0，CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通过寄存器设置到P4.3) 16.PWM(2路)/PCA(可编程计数器阵列,2路),也可用来当2路D/A使用，或用来再实现2个定时器，也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持) 17.A/D转换, 10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次) 18.通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口 10 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 19.STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3) 工作温度范围:-40 - +85?(工业级) / 0-75?(商业级) 20. 21.封装:PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48 I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595(均可级联)来扩展I/O口，还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。 第3.2节 电机驱动模块 L298N是SGS公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是:工作电压高，最高工作电压可达46V;输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A;额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载;采用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 逻辑电平信号控制;具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作;可以外接检测 [12]电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。 3.2.1 引脚功能及描述 L298N芯片的引脚图如下图3.1，其引脚功能见表3.1 图3.1 L298N引脚图 图3.1 11 L298N外部引脚 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 表3.1 L298N引脚功能表 引符号 功能 脚 此两端与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测1 SENSING A 到的信号 15 SENSING B 此两脚是全桥式驱动器A的两个输出端，用来连接负载 2 OUT 1 3 OUT 2 4 Vs 电机驱动电源输入端 输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器5 IN 1 A的开关 7 IN2 ENABLE 使能控制端.输入标准TTL逻辑电平信号;低电平时全6 桥式驱动器禁止工作。 A 11 ENABLE B 8 GND 接地端，芯片本身的散热片与8脚相通 9 Vss 逻辑控制部分的电源输人端口 输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器10 IN 3 B的开关 12 IN 4 此两脚是全桥式驱动器B的两个输出端，用来连接负载 13 OUT 3 14 OUT 4 3.2.2 L298N工作原理 使用L298N驱动两台直流电机。直流电机分别为M1和M2(图3.2为L298N连接图)。引脚A，B可用于输入PWM脉宽调制信号对电机进行调速控制。(如果无须调速可将两引脚接5V，使电机工作在最高速状态，既将短接帽短接)实现电机正反转就更容易了，输入信号端IN1接高电平输入端IN2接低电平，电机M1正转。(如果信号端IN1接低电平， IN2接高电平，电机M1反转)控制另一台电机是同样的方式，输入信号端IN3接高电平，输入端IN4接低电平，电机M2正转。(反之则反转)，PWM信号端A控制M1调速，PWM信号端B控制M2调速。 可参考图表3.2: 12 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 图3.2 L298N原理图 表3.2 L298N驱动两台直流电机逻辑关系表 控 制 控 控控输入PWM信号改变电旋转端 制 制 制 脉宽可调速 机 方式 IN1 端 端 端 调速端调速端 IN2 IN3 IN4 A B 正转 高 低 / / 高 / M1 反转 低 高 / / 高 / 停止 低 低 / / 高 / 正转 / / 高 低 / 高 M2 反转 / / 低 高 / 高 停止 低 低 / / / 高 3.2.3红外码盘测距 由于采用上位机对其进行控制，因此需要测量小车所走距离。测距选择的是红外对管和码盘结合，当码盘随轮子转动时，红外对管将产生计数脉 冲，用计数脉冲可以很简单的算出小车的行进距离。我们的码盘 分为24格，即产生24个脉冲前进轮子周长的距离。格子的一格 为30cm，轮子周长为20.4cm，即产35个脉冲走完一格，然后计 数脉冲清零，重新计数。 图3.3 光电码盘 13 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 第3.3节 LCD显示模块 在本设计中显示模块采用了比较常用的1602字符型液晶显示器。液晶显示器具 [13]有显示质量高，数字式接口，体积小，重量轻，功耗低等显著优点得到广泛应用。 16字*2行的LCD1602即是其中一种。 3.3.1 1602LCD的基本参数及引脚功能 1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比 不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别。 1602LCD主要技术参数: 显示容量:16×2个字符 芯片工作电压:4.5—5.5V 工作电流:2.0mA(5.0V) 引脚功能说明 1602LCD采用标准的14脚(无背光)或16脚(带背光)接口，各引脚接口说明 如表3.3所示: 表3.3 引脚接口说明表 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 VSS 电源地 9 D2 数据 2 VDD 电源正极 10 D3 数据 3 VL 液晶显示偏压 11 D4 数据 4 RS 数据/命令选择 12 D5 数据 5 R/W 读/写选择 13 D6 数据 6 E 使能信号 14 D7 数据 7 D0 数据 15 BLA 背光源正极 8 D1 数据 16 BLK 背光源负极 第1脚:VSS为地电源。 14 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 第2脚:VDD接5V正电源。 第3脚:VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度 ”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。 最高，对比度过高时会产生“鬼影 第4脚:RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第5脚:R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。 第6脚:E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第7,14脚:D0,D7为8位双向数据线。 第15脚:背光源正极。 第16脚:背光源负极。 3.3.2 1602LCD的指令说明及时序 1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表3.4所示: 表3.4 控制命令表 序号 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 清显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 光标返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 * 3 置输入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 4 显示开/关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光标或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 6 置功能 0 0 0 0 1 DL N F * * 7 置字符发生存贮器地址 0 0 0 1 字符发生存贮器地址 8 置数据存贮器地址 0 0 1 显示数据存贮器地址 9 读忙标志或地址 0 1 BF 计数器地址 10 写数到CGRAM或DDRAM 1 0 要写的数据内容 11 从CGRAM或DDRAM读数 1 1 读出的数据内容 15 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。(说明:1为高电平、0为低电平) :清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。 指令1 指令2:光标复位，光标返回到地址00H。 指令3:光标和显示模式设置 I/D:光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。 指令4:显示开关控制。 D:控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C:控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B:控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。 指令5:光标或显示移位 S/C:高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。 指令6:功能设置命令 DL:高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N:低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。 指令7:字符发生器RAM地址设置。 指令8:DDRAM地址设置。 指令9:读忙信号和光标地址 BF:为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。 指令10:写数据。 指令11:读数据。 读写操作时序如图3.4和3.5所示: 图3.4读操作时序 16 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 图3.5 写操作时序 3.3.3 1602LCD的RAM地址映射及标准字库表 液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图3.6是1602的内部显示地址。 图3.6 1602LCD内部显示地址 例如第二行第一个字符的地址是40H，那么是否直接写入40H就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢,这样不行， 因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是 01000000B(40H)+10000000B(80H)= 11000000B(C0H)。 17 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。 )已经存储了160个不同的点阵字1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM 符图形，如图3.7所示，这些 字符有:阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是 01000001B(41H)，显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我 们就能看到字母“A” 表3.5 标准字库表 3.3.4 1602LCD的一般初始化(复位)过程 延时15mS 写指令38H(不检测忙信号) 延时5mS 写指令38H(不检测忙信号) 延时5mS 写指令38H(不检测忙信号) 以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号 18 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 写指令38H:显示模式设置 写指令08H:显示关闭 :显示清屏 写指令01H 写指令06H:显示光标移动设置 写指令0CH:显示开及光标设置 第3.4节 GPS模块 3.4.1 GPS 系统及其工作原理 全球定位系统(Global Positioning System 简称 GPS)是美国第二代军用导航系统，可实现全球范围内的实时导航和定位。GPS 由太空卫星、地面控制系统、用户设备三个部分组成。 太空卫星共有27颗，24颗运行，3颗备用。24颗可操作的工作卫星以 55?的倾角分布在地球上空20,200KM 的6个轨道面上。这些卫星轨道上的分布状态使地球上的任何位置在任意时候都可以同时收到至少6颗卫星的定位信息，这些卫星则不断地 [14]给全球用户发送位置和时间的广播数据。 地面控制系统主要作用有:根据监控系统对GPS的观测数据计算出卫星的星历和卫星钟的改正参数等，并将这些数据注入到卫星中去;对卫星进行控制，对卫星进行发布指令;接收卫星信号，监测卫星状态等。 用户设备用于接收GPS卫星所发出的信号，利用这些信号进行导航定位等工作。 GPS系统的基本定位原理是:每颗GPS卫星时刻发布其位置和时间数据信号，用户接收机可以测量每颗卫星信号到接收机的时间延迟，根据信号传输的速度可以计算出接收机到不同卫星的距离。同时收集至少4颗卫星的数据时，就可以算出三维坐标、速度和时间。 由于GPS具有全球覆盖以及精度高、定位速度快、实时性好、抗干扰能力强等特点，近年来在国内外得到了广泛的应用，在各个领域发挥了极大的作用，已成为了信息时代不可以或缺的一部分。 在本设计中GPS模块选用了台湾环天公司生产的BR-355GPS模块。BR-355具特殊轻巧造型及100%防水设计，使用SiRF Star III芯片组加上内建的主动型陶瓷天线让 19 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 定位更为精准;特别适合配合各种户外活动时使用，防滑的底部可容易运用在更为广 [15]阔的场所。信号采集质量高，稳定信号，抗干扰能力强，适用于本设计的具体要求。 3.2.4 GPS模块硬件连接图 本款GPS导航模块内部含有MAX232协议，所以可以直接和上位机进行通信，对于上位机来说高电平是-15V，低电平是+15V。所以装载在小车上需要进行MAX232的反转换，将内部电平转换为TTL电平。连接图如下所示: 图3.7 GPS模块硬件连接图 第3.5节 温感报警模块 温感报警模块的作用在于测量所在环境的温度，并当温度超出预设的上限值时发出声光警报，并可通过无线通讯模块把小车所在地的GPS坐标及温度回传给上位机。模块主要由两部分构成，温度传感器DS18B20和蜂鸣器。 3.5.1 DS18B20 DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等测温元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要 [16]求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。 DS18B20的性能特点如下: 20 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 1. 独特的单线接口方式仅需要一个端口引脚进行通信; 2. 多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点组网功能; 无需外部器件; 3. 4. 可通过数据线供电，电压范围:3.0-5.5; 5. 测温范围-55?- +125?，在-10- +85?时精度为?0.5?; 6. 零待机功耗; 温度以9或12位数字量读出; 7. 8. 用户可定义的非易失性温度报警设置; 9. 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度的器件; 10.负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 DS18B20管脚: 图3.8 DS18B20管脚图 GND 1 接地 接地 DQ 2 数字 信号输入输出，一线输出:源极开路 VDD 3 电源 电源管脚(在寄生电源接线方式时接地)。 3.5.2 蜂鸣器 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、 打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中 作发声器件。 由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以致于单片机的I/O 口是无法直接驱动的， 所以要利用放大电路来驱动，一般使用三极管来放大电流就可以了。 21 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 图3.9 蜂鸣器电路图 第3.6节 无线遥控模块 nRF24L01是一款工作在2.4,2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片，它的内部包括:频率发生器、增强型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制解调器、输出功率及频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置，极低的电流消耗，当工作在发射模式下发射功率为-6dBm时电流消耗为9.0mA，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。 nRF24L01模块的基本特点: 1(是一种GFSK的单收发芯片; 2(内置链路层; 3(增强型ShockBurstTM; 4(具有自动应答及自动重发功能; 5(具有地址及CRC检验功能; 6(数据传输率为1或2Mbps; 7(SPI接口数据速率0,8Mbps; 8(125个可选工作频道; 22 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 9(很短的频道切换时间可用于跳频; 10(与nRF24XX系列完全兼容; 11(可接受5V电平的输入; nRF24L01模块接口电路引脚分布图如图3.11所示。 图3.10 nRF24L01模块引脚分布图 NRF24L01模块需要3.3V稳压供电，所以本电路采用KIS-3R33S模块。KIS-3R33S vcc电压范围宽，电源为4.75v~23v;输出电压:0.925~20v, 输出端Vout与地Gnd之间接可调电阻200k,输出端电位可灵活方便地选用。电路图3.12如下所示: 图3.11 稳压模块连接图 23 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 第4章 软件设计 第4.1节 主函数 开始 初始化 等待指令 N 收到指令 Y 行走/采集数据 图4.1 主函数 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图 在主函数中，可以在1602上显示环境数据信息，等待上位机发送指令。 第4.2节 行走简析 24 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 定坐标 指 X/Y是否走完 N N Y Y 正负转角 N N N Y/X是否走完 N Y Y 是否回到原点 Y 停止 图4.2 小车移动流程图 小车到达目的地后，采集周边数据。在1602上显示并且发送至上位机。当走到 目的地完成环境探测后，小车可以自动返回到原点。若在途中遇到温度过高的地方。 蜂鸣器会报警。 25 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 第4.3节 程序内容 主程序 void main() { *(RevTempDate+6)='\0'; LCMInit();//1602初始化 LCD_cls();//1602清屏 sys_init(); GETGPS();//小车定位 NRF24L01Int();//无线模块初始化 Outside_Init();//中断开关初始化 while(1) { DisplayListChar(0,0,"Pressbuttom"); DisplayListChar(0,1,"DATE:loading"); NRFSetRXMode();//设置为接收模式 GetDate();//开始接受数 } } 上位机端 void main() { extern char TxDate[5]; unint k=4; 26 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) unint i = 0; NRF24L01Int(); Com_Init(); while(1) { if(k) {MAX232SendDate(); 数据在上位机显示 k--; } NRFSetTxMode(TxDate);//发送坐标 while(CheckACK()); //检测是否发送完毕 MAX232(); } } 小车行走程序: void initime() { TMOD=0x06; //T1计数器，T0定时器，方式1 TL0=0xC4;//计数脉冲60个 TH0=0xC4; ET0=1; EA=1; } timer() interrupt 1 using 1 { lc=lc+60; TL0=0xC4;//计数脉冲60个 27 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) TH0=0xC4; } void XZ(unsigned int del) {unsigned int x=0,x1=0,XL=0; lc=0; x1=del*300; x=lc; XL=x1-x; while(XL>0) {qian; x=lc; XL=x1-x; } } void YZ(unsigned int del) {unsigned int y = 0,y1=0,YL=0; lc=0; y1=del*300; y=lc; YL=y1-y; while(YL>0) {qian; y=lc; YL=y1-y; } } void Szhuan() { 28 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) zuo; CDelay(196); 0; lc= }//顺时针转角90度 void Nzhuan() {you; CDelay(200); }//逆时针转角90度 void XINGZOU(Sx,Sy) { //数传传送的XY坐标 int X,Y; X=1; Y=1; initime(); TR0=1; //开定时器中断0 en1=1; en2=1; if(X>0&&Y>0) {YZ(Y); Szhuan(); XZ(X); Szhuan(); stop; while (h--) { 29 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) wendu2=ReadTemperature(); if (wendu2>18) voice(); CDelay(200); } ; YZ(Y); Szhuan(); XZ(X); Szhuan(); stop; CDelay(3000);}} if(X<0&&Y>0) {X=-X; Nzhuan(); XZ(X); Szhuan(); YZ(Y); Szhuan(); stop; while (h--) { wendu2=ReadTemperature(); if (wendu2>18) voice(); CDelay(200); } XZ(X); Szhuan(); 30 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) YZ(Y); Nzhuan(); stop; CDelay(3000);} if(X<0&&Y<0) {X=-X; -Y; Y= Nzhuan(); XZ(X); Nzhuan(); YZ(Y); Nzhuan(); stop; while (h--) { wendu2=ReadTemperature(); if (wendu2>18) voice(); CDelay(200); } XZ(X); Nzhuan(); YZ(Y); stop; CDelay(3000);} if(X>0&&Y<0) {Y=-Y; Szhuan(); XZ(X); Szhuan(); 31 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) YZ(Y); Szhuan(); stop; while (h--) { wendu2=ReadTemperature(); if (wendu2>18) voice(); CDelay(200); } XZ(X); Szhuan(); YZ(Y); stop; CDelay(3000);} } 32 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 结 论 本次毕业设计所制作的基于单片机的智能小车，采用STC12C5A60S2单片机作为小车的控制核心，搭配温度传感器、LCD显示模块、无线数传模块、以及GPS等模块。 和老师同学们的帮助下，终于完成了论文的硬件及软件编程的在自己的不断学习努力 设计，使小车实现了远程遥控、温度采集及上限报警、GPS定位、无线数据传输等功能。该设计的创新之处在于它应用单片机与无线发射模块实现无线遥控，并能够采集温度和经纬度数据，无需操作人员身在现场便可了解现场的一些基本情况。本智能小车功能强大，成本低，系统稳定，具有很强的实用性。 此次设计的智能小车选用NRF24L01无线收发模块，频率稳定性高，可实现小车与上位机的高精确通信。L298N驱动芯片搭配直流电机操作简单方便，保证了小车准确快速平稳的行进。GPS模块和DS18B20温感报警模块扩展了小车的功能，让小车能够完成更多的任务。当然，本设计仍然存在一定的不足之处，比如LCD液晶显示模块较小，显示的信息不全面;GPS模块精确度不够高;没有视频录像功能，给操作人员远程遥控时可能造成一定困难。这些问题需要在今后的研究工作中加以改进，使系统更完善，更好的为人们服务。 在科技高速发展的今天，机器人在工业和生活中地位越来越高，它给人们生产生活提供了方便快捷的服务。随着自动化技术的普及、可靠性的提高及成本的下降，智能机器人必将得到更加广泛的应用。 33 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 附 录 图1 小车成品图 34 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 图2 系统电路图 35 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 表1 元件清单 元件 数量 STC12C5A60S2 1片 24L01射频 2片 GPS 1个 光电编码器 1个 QSKJ稳压 1个 KIS-3R33S 1个 L298N 1个 直流减速电机 2个 DS18B20 1个 LCD1602 1个 蜂鸣器 1个 小车底盘 1个(自制) 车轮 4个 三极管 1个 锂电池 2套 滑动变阻器 2个 发光二极管 若干 电阻 若干 导线 若干 电容 若干 排针 若干 36 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 参考文献 [1]张毅.移动机器人技术及其应用[M](电子工业出版社,2007.9( [2]陈永芳.移动机器人全局最优规划的研究[J](同济大学学报(1999, 27(4):450-453( [3]李建忠(单片机原理及应用[M](西安电子大学出版社,2002( [4]常玉保，杨春晖(简易智能电动车[J](电子世界(2004(9) :33-36( [5]Bah IP( Padmanabhan V N. 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Powder and Bulk Engineering(1995( [16] 霍孟友(单片机原理与应用[M](机械工业出版社,2004( 37 北京化工大学北方学院毕业设计(论文) 致 谢 紧张、充实而又难忘的大学学习生涯即将结束，在大学四年和撰写论文期间得到了许多人的帮助，使我终身难以忘怀。轻风系不住流云，流云却带走了岁月，打开尘封的记忆，往事如风却又历历在目，大学的学习生活即将结束。在这里我首先要感谢这四年来为我授课的各位老师，真心地说一句:你们辛苦了～感谢xxx老师在我的论文选题、定稿以及中期检查等方面都给了我精心的指导。您提出的宝贵意见使我在论文选题、撰写以及修改的过程中，不再像当初那样茫然无措，而是知道自己论文的不足和修改的方向。您正直、严谨的治学态度对我影响颇深，受益匪浅，无论在今后的学习还是工作当中，我都铭记于心。 38