單片機(jī)無線遙控船模設(shè)計(jì)與制作

1、單片機(jī)無線遙控船模設(shè)計(jì)與制作第 1 章 緒論1.1 概述隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，近距離無線電通信技術(shù)受到了很多關(guān)注，呈現(xiàn)非常好的發(fā)展勢(shì)頭，因?yàn)樵谖覀儸F(xiàn)實(shí)生活中存在著如此多這樣的應(yīng)用領(lǐng)域，系統(tǒng)需要不斷地實(shí)時(shí)傳輸小量的突發(fā)信號(hào)，在傳統(tǒng)的無線電通信系統(tǒng)中，短距離的無線通信技術(shù)可以在相對(duì)較近距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)相互之間通信或相關(guān)操作，無線電數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)已成為現(xiàn)在通信業(yè)乃至整個(gè)信息業(yè)的熱點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于報(bào)警、無線遙控、軍事通信、無線局域網(wǎng)等范圍，具有很大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。一般情況下，單片機(jī)在獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)之后，仍需要將數(shù)據(jù)傳出去，而有線的數(shù)據(jù)傳輸主要依賴于有線的線路。例如采用 CAN 總線、串并行總線等，且有線的

2、線路具有成本非常高，維護(hù)不方便等缺點(diǎn)。無線數(shù)據(jù)傳輸是如何發(fā)展起來的呢？它是在有線數(shù)據(jù)傳輸基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來的。而無線數(shù)據(jù)通信時(shí)通過接收模塊和發(fā)射模塊進(jìn)行傳送數(shù)據(jù)的，具有不占空間，成本較低且可靠性高，傳輸過程中的干擾小及維護(hù)方便等特點(diǎn)，提高了信息傳輸過程中的可靠性。因此，我們借此單片機(jī)課程設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)，深深體會(huì)無線電的實(shí)用價(jià)值，初步了解并研究單片機(jī)無線遙控原理，從簡(jiǎn)單的遙控小車開始，設(shè)計(jì)一個(gè)完整的遙控系統(tǒng)，以對(duì)日后的學(xué)習(xí)研究中做一個(gè)很好的基礎(chǔ)與鋪墊。1.2 課題研究背景無線遙控，顧名思義，就是一種用來遠(yuǎn)程控制機(jī)器的裝置。現(xiàn)代的遙控器，主要是由集成電路電板和用來產(chǎn)生不同訊息的按鈕所組成。時(shí)至今日，無線

3、遙控器已經(jīng)在生活中得到了越來越多的應(yīng)用，給人們帶來了極大的便利。而現(xiàn)在無線遙控技術(shù)越來越多的運(yùn)用在我們的生活當(dāng)中，隨著科技的進(jìn)步無線遙控器也擴(kuò)展到了許多種類，簡(jiǎn)單來說常見的有 2 種，一種是家電常用的紅外遙控模式（IRRemote Control），另一種是防盜報(bào)警設(shè)備、門窗遙控、汽車遙控等等常用的無線電遙控模式（RF Remote Control）11。無線遙控船所講的遙控技術(shù)正是無線遙控模式，無線遙控是無線電遙控，它是利用無線電信號(hào)對(duì)遠(yuǎn)方的各種機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制的遙控設(shè)備。這些信號(hào)被遠(yuǎn)方的接收設(shè)備接收后，可以指令或驅(qū)動(dòng)其它各種相應(yīng)的機(jī)械或者電子設(shè)備，去完成各種操作，如閉合電路、移動(dòng)手柄、開動(dòng)電機(jī)

4、，之后再由這些機(jī)械進(jìn)行需要的操作。作為一種與紅外遙控器相補(bǔ)充的遙控器種類，在車庫門、電動(dòng)門、道閘遙控控制、防盜報(bào)警器、工業(yè)控制以及無線智能家居領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，當(dāng)然我們的無線遙控車也正是運(yùn)用的這種技術(shù)。在當(dāng)今高速發(fā)展的社會(huì)，無線遙控技術(shù)廣泛的運(yùn)用于我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，其中包括遙控技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、家用電器、安全保衛(wèi)、遙控玩具上的運(yùn)用。當(dāng)然還有一些更重要的場(chǎng)所還用到了無線遙控技術(shù)，比如所礦業(yè)開采，野外探險(xiǎn)等一些復(fù)雜而危險(xiǎn)的工作，而這些都離不開我們的無線遙控技術(shù)。1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前，在企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，對(duì)自動(dòng)化技術(shù)要求不斷加深的情況下，遙控智能控制系統(tǒng)所涉及的自動(dòng)化產(chǎn)品已經(jīng)是機(jī)器人

5、學(xué)中的一個(gè)重要分支。無線電遙控控制系統(tǒng)起源于美國，由于政府對(duì)無線遙控控制系統(tǒng)研發(fā)的資助以及相關(guān)技術(shù) 的推動(dòng)作用，日本、美國、德國等工業(yè)大國在智能無線遙控控制技術(shù)上占據(jù)著明顯優(yōu)勢(shì)，新崛起的韓國在這方面的研發(fā)也逐漸走向前沿。我國遙控車船的發(fā)展起步比較晚，技術(shù)水平相對(duì)落后，目前對(duì)遙控車船的研究主要集中在導(dǎo)航路徑識(shí)別、圖像識(shí)別等領(lǐng)域，對(duì)遙控車船的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)研究較少。因此，研究開發(fā)一套能夠?qū)崿F(xiàn)完全自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制的車船系統(tǒng)對(duì)開展遙控車船技術(shù)的研究有著非常重要的意義。由于資金問題，我國對(duì)大型遙控車船的研發(fā)和使用都存在很大困難，一般用于軍事領(lǐng)域的偵察，巡邏，戰(zhàn)場(chǎng)運(yùn)輸，掃雷和導(dǎo)彈發(fā)射等，以及艱苦工作環(huán)境中的偵察

6、采樣，搜集信息工作等等。車體轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的靈活、協(xié)調(diào)工作，以及通訊信息的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確是遙控車船安全性和可靠性的有力保障，是科研實(shí)踐的基礎(chǔ)。1.4 課題主要研究?jī)?nèi)容無線電遙控系統(tǒng)是在控制端把控制指令以某種編碼方式形成易于傳輸?shù)男盘?hào)，通過無線傳輸，在受控端經(jīng)解碼等處理形成相應(yīng)的控制操作。無線電遙控作為新一代的信息傳送方式，具有繞射和穿透特性，只要在有效工作范圍之內(nèi)，無線設(shè)備就可以不受角度，障礙物的限制而自由使用。無線控制方式多種多樣，可以根據(jù)不同的應(yīng)用需要采用適宜的方式。本次設(shè)計(jì)是基于 STC 單片機(jī)以及一些外圍電路并且使用的是 NRF24L01 無線收發(fā)模塊來控制小船的前進(jìn)，轉(zhuǎn)向。第 2 章 系統(tǒng)總體

7、設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)功能模塊劃分按照設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)可以分為以下幾個(gè)基本功能模塊：電源模塊、無線發(fā)射模塊、鍵盤模塊、無線接收模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和舵機(jī)模塊。系統(tǒng)原理圖見附錄1 所示。由于無線電應(yīng)用廣泛，所以選取設(shè)計(jì)比較方便，程序處理也較簡(jiǎn)單，并且在遙控方面能夠滿足要求且觀察到現(xiàn)象的遙控小船系統(tǒng)，本次設(shè)計(jì)的無線遙控小船，采用以 STC 單片機(jī)作為小船的遙控控制核心，檢測(cè)開關(guān)狀態(tài)，并通過串口傳輸至無線發(fā)送模塊 NRF24L01；以 STC 單片機(jī)為作為小船的接收和驅(qū)動(dòng)輸出核心,它根據(jù)無線模塊 NRF24L01 接收到的狀態(tài)信號(hào)判斷其開關(guān)狀態(tài)，然后控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)，即小船的快速前進(jìn)和緩慢前進(jìn)；采用無線遙控

8、模塊NRF24L01作為無線傳輸?shù)耐ㄓ嵐ぞ?，通過串口和單片機(jī)連接；采用 H 橋格式作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路12。根據(jù)設(shè)計(jì)思路，初步分析完成本設(shè)計(jì)需要的以下幾個(gè)模塊：系統(tǒng)接收發(fā)射原理圖如圖 2-1 和圖 2-2 所示:圖 2-1 無線遙控部分系統(tǒng)原理圖圖 2-2 無線接收部分系統(tǒng)原理圖2.2 主要模塊硬件設(shè)計(jì)方案本節(jié)主要討論無線模塊和驅(qū)動(dòng)模塊的選取，因?yàn)闊o線模塊的選取直接影響了軟件編寫的難易程度和硬件圖的焊接，驅(qū)動(dòng)模塊決定了電機(jī)的停轉(zhuǎn)。電源模塊以及按鍵模塊將在后面章節(jié)具體討論，2.2.1 無線模塊方案設(shè)計(jì)無線模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的核心模塊，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性能具有決定性的作用，因此，為了保證系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行

9、，對(duì)以下兩種方案，進(jìn)行對(duì)比，選擇其一。方案一：無線電模塊采用 PT2262/PT2272。PT2262/PT2272 是臺(tái)灣普城公司生產(chǎn)的一種 CMOS 工藝制造的低功耗低價(jià)位通用編解碼電路，PT2262/PT2272 最多可有12 位(A0-A11)三態(tài)地址端管腳 (懸空 ,接高電平 , 接低電平 ), 最多可有 6 位(D0-D5)數(shù)據(jù)端管腳,設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼 17 腳串行輸出，可用于無線遙控發(fā)射電路。當(dāng)解碼芯片 PT2272 接收到信號(hào)后，其地址碼需要兩次比較核對(duì)，當(dāng)核對(duì)完后，VT 腳才輸出高電平，與此同時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平。如果無線發(fā)送端一直按住有效按鍵，編碼芯片同樣也會(huì)不斷

10、地發(fā)射。方案二：無線收發(fā)一體數(shù)傳模塊 NRF24L01 在業(yè)界居領(lǐng)先水平，該芯片性能優(yōu)異。由于它的所需外圍元件非常少，這正是它的顯著優(yōu)點(diǎn)，因而在硬件上設(shè)計(jì)非常方便。該模塊在內(nèi)部高度集成了高頻接收、高頻發(fā)射、FSK 調(diào)制解調(diào)、PLL 合成、功率放大、參量放大、頻道切換等功能，因而就目前來說，該芯片是集成度較高的無線數(shù)傳產(chǎn)品。該模塊采用的 FSK 調(diào)制解調(diào)方式，抗干擾能力較強(qiáng)，其外圍元件少、工作頻率穩(wěn)定可靠、便于設(shè)計(jì)生產(chǎn)且功耗極低，正是這些優(yōu)異特性，便攜及手持產(chǎn)品的設(shè)計(jì)對(duì)于該模塊較為青睞。另外，由于它采用了高靈敏度、低發(fā)射功率設(shè)計(jì)，從而完全滿足無線管制的要求，并且不需要使用許可證，是目前低功率無線

11、數(shù)傳的理想選擇。2.2.2 驅(qū)動(dòng)模塊方案設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路所要完成任務(wù)就是根據(jù)有效信號(hào)，能夠獨(dú)自完成直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)問題，無需軟件設(shè)計(jì)。因此，驅(qū)動(dòng)電路使用比較常用的H 橋驅(qū)動(dòng)電路，其具體原理見章節(jié) 3.4 所示。下面對(duì)此有兩種方案：方案一：應(yīng)用獨(dú)立元件，進(jìn)行畫圖，制版，焊接；方案二：應(yīng)用高度集成芯片 L298，它含有兩個(gè) H 橋電路。2.2.3 主要模塊各方案對(duì)比選擇無線模塊：NRF24L01 無線模塊不但能夠發(fā)射，且能夠接收，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的功能。它可以直接和單片機(jī)串口相連接，能獨(dú)自實(shí)現(xiàn)信號(hào)的編碼和解碼，不必像 PT2262/PT2272 需要編程對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，對(duì)于軟件設(shè)計(jì)，相對(duì)簡(jiǎn)單了許多。另外，

12、PT2262/PT2272 只能接四個(gè)遙控鍵，若需要功能較多的話，它無法滿足。最后，和單片機(jī)的硬件連接方面，NRF24L01 模塊也較為簡(jiǎn)單?；谝陨蠋讉€(gè)方面的原因，無線電模塊采用 NRF24L01。驅(qū)動(dòng)電路：用 L298 芯片，電路簡(jiǎn)單，且只需一個(gè)芯片就足夠，給編程都帶來了很大方便。但是容易弄混引腳，使芯片短路燒毀芯片。單獨(dú)元件焊接電路板時(shí)，首先該方案花費(fèi)較少，節(jié)省資源。其次所需原件容易買到，而且電路圖比較簡(jiǎn)單因此，進(jìn)行對(duì)比，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用單獨(dú)元件焊接。主要模塊硬件應(yīng)用方案如下：該系統(tǒng)由處理單元，發(fā)射模塊，接收模塊，外接電路等構(gòu)成。當(dāng)使用相應(yīng)按鍵使發(fā)射模塊的發(fā)出信號(hào)時(shí)，接收模塊對(duì)應(yīng)電機(jī)設(shè)備就會(huì)

13、執(zhí)行相應(yīng)的操作，以遙控船的行駛方向來顯示相應(yīng)按鍵的狀態(tài)。發(fā)射和接收裝置：發(fā)射和接收單元選用了 NRF24L01 無線電模塊。NRF24L01無線傳輸模塊是一種低功耗、超小型、高速率的無線收發(fā)數(shù)字傳輸模塊。433MHz開放ISM 頻段免許可證使用。最高工作速率50kbps，高效GFSK 調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合。125 頻道，滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要。 內(nèi)置硬件CRC 檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制。低功耗1.9 - 3.6V 工作，待機(jī)模式下狀態(tài)僅為2.5uA。收發(fā)模式切換時(shí)間 小于650us 等10。處理單元：發(fā)射與接收部分，遙控板的按鍵，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，舵機(jī)控制，使用選擇兼容性比

14、較好和性能穩(wěn)定的STC11F02E 足夠完成任務(wù)了。直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)：讓直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的 H 橋電路。通過改變兩對(duì)大功率 PNP、NPN 三極管的導(dǎo)通，控制流入直流動(dòng)電機(jī)里的電流方向。以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。2.3 模塊軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介Keil C51 是美國 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容單片機(jī) C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用 C 來開發(fā)，體會(huì)更加深刻。Keil C51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編

15、譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到 Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語言的優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)的軟件編程使用的是美國 Keil Software 公司出品的 Keil C51，是51 系列兼容單片機(jī) C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)。Keil C51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows 界面。另外重要的一點(diǎn)，Keil C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之 高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能 體現(xiàn)高級(jí)語言的優(yōu)勢(shì)。C

16、51 工具包的整體結(jié)構(gòu)中，Vision 與 Ishell 分別是 C51 for Windows 和for Dos 的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開發(fā)流程。開發(fā)人員可用 IDE 本身或其它編輯器編輯 C 或匯編源文件。然后分別由 C51 及 A51 編譯器編譯生成目標(biāo)文件(.OBJ)。目標(biāo)文件可以由 LIB51 軟件生成，也可以生成絕對(duì)目標(biāo)文件。絕對(duì)目標(biāo)文件由 OH51 軟件部分轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械碼 HEX 文件，可由仿真器直接對(duì)板子進(jìn)行調(diào)試。STC 系列單片機(jī)下載程序使用的是宏晶科技自行開發(fā)的 STC 單片 機(jī)ISP下載編程軟件。本論文程序調(diào)試過程中，使用

17、的是 STC-ISP-v3.1 版。ISP 工具的功能主要是將由 PC 機(jī)串接來的 8 位并行數(shù)據(jù)與單片機(jī)的 串行數(shù)據(jù)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)與單片機(jī)的 RXD 及 TXD 口通訊。 當(dāng)用戶將不管是匯編語言還是C 語言編寫的程序經(jīng)軟件檢查語法無誤并生成機(jī)械代碼時(shí)后，就可以將程序生成的機(jī)械代碼下載到 單片機(jī)內(nèi)部的 Flash 中。用戶可以使用調(diào)試軟件的對(duì)話界面，在程序中設(shè)置斷點(diǎn)，在單片機(jī)中，可以同時(shí)設(shè)置 3 個(gè)硬件斷點(diǎn)，它是經(jīng)過串口的傳輸，由芯片中的幾組斷點(diǎn)條件寄存器實(shí)現(xiàn)的。用戶可以通過調(diào)試環(huán)境軟件的人機(jī)對(duì)話界面，檢查或修改 Flash 芯片 內(nèi)的各種存儲(chǔ)器、寄存器的數(shù)據(jù)。軟件在一個(gè)智能系

18、統(tǒng)中扮演著舉足輕重的作用，軟件設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的性能。所以從軟件的設(shè)計(jì)方面一定要精心細(xì)致。在學(xué)習(xí)單片機(jī)之前，我們學(xué)習(xí)對(duì)單片機(jī)的編程語言主要是匯編語言和 C 語言。雖然匯編語言作為我們學(xué)習(xí)單片機(jī)的最基本的語言，簡(jiǎn)單易懂，而且較之C語言，單片機(jī)執(zhí)行速度較快；但是本人對(duì)匯編不太熟悉。而 C 語言作為高級(jí)語言，在邏輯上不易出錯(cuò)，而且我比較說對(duì) C 語言比較熟悉。所以，綜合考慮我選擇用 C 語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用 keil 軟件的匯編語言來完成系統(tǒng)的編程工作。目前流行的 51 系列單片機(jī)開發(fā)軟件是德國 Keil 公司推出的 Keil C51 軟件，它是一個(gè)基于 32 位Windows

19、環(huán)境的應(yīng)用程序，支持 C 語言和匯編語言編程。Keil 提供包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整軟件。第 3 章 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)硬件及電路的設(shè)計(jì)主要包括船體設(shè)計(jì)、單片機(jī)系統(tǒng)及無線電發(fā)射電路、無線電接收電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路三部分。STC 單片機(jī)可通過串行通信和無線電發(fā)射模塊進(jìn)行連接，P3 口作為 I/O 口對(duì)開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行掃描，并通過串口把數(shù)據(jù)送至無線發(fā)射模塊。STC 單片機(jī)也是通過其串行通信與無線接收模塊進(jìn)行連接，當(dāng)無線發(fā)射模塊發(fā)射的數(shù)據(jù)被接收模塊接收，然后 STC 單片機(jī)根據(jù)相應(yīng)的控制信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用讓直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的 H 橋電路。3.1

20、 遙控船體設(shè)計(jì)遙控船體原本方案是買現(xiàn)成的玩具船，但是考慮到空間，吃水量的問題，最終選擇自己制作，制作材料為塑料船型外殼，拼接材料為熱熔膠。船體制作的圖紙是以網(wǎng)上船模圖紙為基礎(chǔ)，然后自我設(shè)計(jì)的，這樣既提高了動(dòng)手能力，也保證了船體其他部件能夠有足夠的空間。3.2 單片機(jī)的選擇STC15F2K60S2 系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。STC15F2K60S2 系列單片機(jī)中包含中央處理器 (CPU)CPU)、程序存儲(chǔ)器 (Flash)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SRAM)、定時(shí)器、I/O 口、高速 A/D 轉(zhuǎn)換、看門狗、UART 高速異步串行通信口 1/串行通信口 2，CCP/PWM/PCA，1 組高速同步串行

21、端口 SPI，片內(nèi)高度 R/C時(shí)鐘及高可靠復(fù)位等模塊。STC15F2K60S2 系列單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)集和控制中所需的所有單元模塊，可稱得上是一個(gè)片上系統(tǒng)(SysTem Chip 或 SysTem onChip,簡(jiǎn)寫為 STC,這是宏晶科技 STC 名稱的由來)。與 MCS-51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容60k 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲(chǔ)器1000 次擦寫周期全靜態(tài)操作：0HZ24MHZ三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器256×8 字節(jié)內(nèi)部 RAM38 個(gè)可編程 I/O 口線3 個(gè)16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器8 個(gè)中斷源可編程串行UART 通道低功耗空閑和掉電模式圖 3-1 STC 單片機(jī)引腳圖3.

22、2.1 STC 單片機(jī) 引腳功能介紹1. 增強(qiáng)型 8051 CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，速度比普通8051快8-12倍2. 工作電壓： STC15F2K60S2 系列工作電壓：5.5V - 3.8V（5V 單片機(jī)） STC15L2K60S2 系列工作電壓：3.6V - 2.4V（3V 單片機(jī)）3. 8K/16K/24K/32K/40K/48K/56K/60K/61K字節(jié)片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，擦寫次數(shù)10萬次以上4. 片內(nèi)大容量?jī)?nèi)大容量2048字節(jié)的的SRAM5. 大容量片內(nèi)EEPROM，擦寫次數(shù)10萬次以上6. ISP/IAP，在系統(tǒng)可編程/在應(yīng)用可編程，無需編程器，無需仿真器7. 共

23、8通道10位高速ADC，速度可達(dá)30萬次/秒，3路PWM還可當(dāng)3路D/A使用8. 共3通道捕獲/比較單元(CCP/PWM/PCA) -也可用來再實(shí)現(xiàn)3個(gè)定時(shí)器或3個(gè)外部中斷(支持上升沿/下降沿中斷)或3路D/A9. 內(nèi)部高可靠復(fù)位，ISP編程時(shí)8級(jí)復(fù)位門檻電壓可選，可徹底省掉外部復(fù)位電路10.內(nèi)部高 度R/C時(shí)鐘(±0.3%)，±1%溫飄(-40+85)，常溫下溫飄±0.6%(-20+65)，內(nèi)部時(shí)鐘從 5MHz35MHz可選 (5.5296MHz / 11.0592MHz /22.1184MHz / 33.1776MHz)11.工作頻率范圍：5MHz 35MHz

24、，相當(dāng)于普通8051的60MHz420MHz12.兩組高速異步串行通信端口(可同時(shí)使用)，可在5組管腳之間進(jìn)行切換，分時(shí)復(fù)用可當(dāng) 5組 串口使用： 串口 1(RxD/P3.0, TxD/P3.1) 可以切換到(RxD_2/P3.6, TxD_2/P3.7), 還可以切換到(RxD_3/P1.6, TxD_3/P1.7)； 串口2(RxD2/P1.0, TxD2/P1.1)可以切換到(RxD2_2/P4.6, TxD2_2/P4.7)13. 一組高速異步串行通信端口SPI，如果I/O口不夠用，可外接74HC595(參考價(jià)0.21元)來擴(kuò) 展I/O口，并可多芯片級(jí)聯(lián)擴(kuò)展幾十個(gè)I/O口。14. 低功

25、耗設(shè)計(jì)：低速模式，空閑模式，掉電模式/停機(jī)模式.15. 可將掉電模式/停機(jī)模式喚醒的定時(shí)器：有內(nèi)部低功耗掉電喚醒專用定時(shí)器。 16. 可將掉電模式/停機(jī)模式喚醒的資源有：INT0/P3.2, INT1/P3.3(INT0/INT1上升沿下降沿 中斷均可 ), INT2 /P3.6, INT3/P3.7, INT4/P3.0(INT2 /INT3 /INT4 僅可下降沿中斷)；管腳CCP0/CCP1/CCP2；管腳RxD/RxD2；管腳T0/T1/T2(下降沿，不產(chǎn)生中斷，前提是在進(jìn)入掉電模式/停機(jī)模式前相應(yīng)的定時(shí)器中斷已經(jīng)被允許)；內(nèi)部低功耗掉電喚醒專用定時(shí)器. 17. 共6個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，

26、3個(gè)16位可重裝載定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T0/T1/T2，其中T0/T1兼容普通 8051的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器)，并均可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)對(duì)外可編程時(shí)鐘輸出(3通道)，3路CCP/PWM/PCA還可再實(shí)現(xiàn)3個(gè)定時(shí)器 18. 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2，也可實(shí)現(xiàn)1個(gè)16位重裝載定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,T2也可產(chǎn)生時(shí)鐘輸出T2CLKO 19. 可編程時(shí)鐘輸出功能(對(duì)內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘或?qū)ν獠抗苣_的時(shí)鐘輸入進(jìn)行時(shí)鐘分頻輸出 ) ：由于 STC15系列 5V 單片機(jī) I/O口的對(duì)外輸出速度最快不超過13.5MHz，所以5V單片機(jī)的對(duì)外可編程時(shí)鐘輸出速度最快也不超過13.5MHz.； 而3.3V單片機(jī)I/O口的對(duì)外輸出速度最快不超過8MHz，故

27、3.3V單片機(jī)的對(duì)外可編程時(shí)鐘輸出速度最快也不超過8MHz. T0在P3.5/T0CLKO進(jìn)行可編程輸出時(shí)鐘 (對(duì)內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘或?qū)ν獠抗苣_T0/P3.4的時(shí)鐘輸入進(jìn)行可編程時(shí)鐘分頻輸出)； T1在P3.4/T1CLKO進(jìn)行可編程輸出時(shí)鐘 (對(duì)內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘或?qū)ν獠抗苣_T1/P3.5的時(shí)鐘輸入進(jìn)行可編程時(shí)鐘分頻輸出)； T2在P3.0/T2CLKO進(jìn)行可編程輸出時(shí)鐘 (對(duì)內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘或?qū)ν獠抗苣_T2/P3.1的時(shí)鐘輸入進(jìn)行可編程時(shí)鐘分頻輸出)；以上3個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器均可165536級(jí)分頻輸出。 主 時(shí) 鐘 在 P5.4/MCLKO 對(duì) 外 輸 出 時(shí) 鐘 ， 并 可 如 下 分 頻MCLK/1,M

28、CLK/2,MCLK/4./1, MCLK/2, MCLK/4.主時(shí)鐘可以是內(nèi)部R/C時(shí)鐘，也可是外部輸入的時(shí)鐘或外部晶體振蕩產(chǎn)生的時(shí)鐘。MCLK是指主時(shí)鐘頻率，MCLKO是指主時(shí) 鐘輸 出。 STC15 系列 8-pin 單 片機(jī) ( 如STC15F104W系 列) 的主時(shí) 鐘在MCLKO/P3.4口輸出主時(shí)鐘， STC15系列 16-pin及其以上單片機(jī) (如STC15W4K60S4系列和STC15F2K60S2系列等)的主時(shí)鐘均在MCLKO/P5.4口輸出主時(shí)鐘。20. 硬件看門狗看門狗(WDT)21. 先進(jìn)的指令集結(jié)構(gòu)，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令22. 封裝：LQFP

29、-44(12x12mm), SOP-32(此系列現(xiàn)未生產(chǎn)SOP-32的封裝，建議選擇LQFP-32封 裝), LQFP-32(9x9mm), SOP-28, SKDIP-28, PDIP-40(此系列現(xiàn)未生產(chǎn)PLCC-44的封裝，建議選擇LQFP-44封裝).23. 全部175小時(shí)高溫烘烤，高品質(zhì)制造保證24. 開發(fā)環(huán)境：在 KeilCKeil C 開發(fā)環(huán)境中，選擇 Intel 8052 編譯，頭文件包含<reg51.h>即可引腳定義V SS ：地。 V CC ：電源，提供掉電、空閑、正常工作電壓；通用I/O口（42/38/30/26/38/30/26個(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口，復(fù)位

30、后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設(shè)置四種模式：準(zhǔn)雙向口 /弱上拉，強(qiáng)推挽強(qiáng)推挽推挽 /強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏 每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到 20mA，但40-pin及40-pin以上單片機(jī)的整個(gè)芯片電流最大不要超過120mA，16-pin及以上/32-pin及以下單片機(jī)的整個(gè)芯片電流最大不要超過90mA.3.2.2單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)的最小系統(tǒng)就是讓單片機(jī)能正常工作并發(fā)揮其功能時(shí)所必須的組成部分，也可理解為是用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。對(duì)51 系列單片機(jī)來說， 最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括： 單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、輸入/ 輸出設(shè)備等如圖3-2 所示4。圖 3

31、-2 單片機(jī)最小系統(tǒng)框圖電路詳解依據(jù)上文的內(nèi)容，設(shè)計(jì) 51 系列單片機(jī)最小系統(tǒng)見圖 3-3 所示。圖 3-3 51 系列單片機(jī)最小系統(tǒng)3.3 無線電遙控模塊的設(shè)計(jì)遙控模塊采用無線遙控方式，因?yàn)椴捎眉t外遙控控制距離比較有限，一般在幾米之內(nèi)，且有障礙物時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響控制效果。另外，NRF24L01 與單片機(jī)接口電路簡(jiǎn)單。鑒于本設(shè)計(jì)要求，所以綜合考慮之下采用無線遙控較為合適。本設(shè)計(jì)中要求能用無線遙控器控制小船的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等功能。3.3.1 無線模塊 NRF905 引腳說明NRF24L01 引腳及說明如圖 3-4 及表 3-1 所示，其分別介紹了引腳的排列及各引腳的功能。圖 3-4 NRF

32、24L01 引腳結(jié)構(gòu)圖表 3-1 NRF24L01 引腳說明表管腳 名稱 管腳功能 說明 管腳 名稱 管腳功能 說明1 VCC 電源 電源+3.33.6V DC 8 DR 數(shù)字輸出 接收或發(fā)射數(shù)據(jù)完成2 TX_EN 數(shù)字輸入 TX_EN= 1 TX 模式 9 MISO SPI 接口 SPI 輸出TX_EN= 0 RX 模式3 TRX_CE 數(shù)字輸入 使能芯片發(fā)射或接收 10 MOSI SPI 接口 SPI 輸入4 PWR_UP 數(shù)字輸入 芯片上電 11 SCK SPI 時(shí)鐘 SPI 時(shí)鐘5 uCLK 時(shí)鐘輸出 本模塊該腳廢棄不用，向 12 CSN SPI 使能 SPI 使能后兼容6 CD 數(shù)字

33、輸出 載波檢測(cè) 13 GND 地 接地7 AM 數(shù)字輸出 地址匹配 14 GND 地 接地3.3.2 NRF24L01 與單片機(jī)硬件接口電路NRF905 與單片機(jī)硬件接口電路如下圖所示:圖 3-5 NRF24L01 與單片機(jī)接口電路圖3.3.3 選擇無線電遙控原因無線電遙控器與紅外遙控器的區(qū)別，紅外遙控和無線遙控是對(duì)不同的載波來說的，紅外遙控器是用紅外線來傳送控制信號(hào)的，它的特點(diǎn)是不能有阻擋、有方向性、距離一般不超過 10 米，然而不受電磁干擾，紅外遙控器在近距離無障礙應(yīng)用較為廣泛，如電視機(jī)遙控器；無線電遙控器采用無線電波來傳送控制信號(hào)，它具有無方向性、距離遠(yuǎn)（可達(dá)數(shù)十米，甚至數(shù)公里）、可以不

34、“面對(duì)面”控制的特點(diǎn)，但是容易受電磁干擾。在需要無方向性控制領(lǐng)域或者遠(yuǎn)距離穿透，比如工業(yè)控制等等，使用無線電遙控器比較容易解決。綜合以上原因，選擇無線電遙控，而非紅外遙控2。3.3.4 無線電遙控分類及原理我們常用的無線電遙控系統(tǒng)一般由發(fā)射和接收兩個(gè)部分組成。無線電發(fā)射部分一般分為兩種類型，即發(fā)射模塊與遙控器。對(duì)于使用方式的不同，可將之分為遙控模塊和遙控器。首先，遙控器可以充當(dāng)一個(gè)整體來使用，只需將接線頭接到外面即可；而當(dāng)需要無線模塊作為一個(gè)元件使用時(shí)，則需要根據(jù)其引腳定義進(jìn)行應(yīng)用，之所以使用無線模塊，其優(yōu)勢(shì)在于可以和應(yīng)用電路完美的連接、體積孝價(jià)格低，主要是物盡其用，但是使用者必須真正懂得電路

35、原理，否則無法正確使用。接收部分一般來說也分為兩種類型，即超外差與超再生接收方式，超再生解調(diào)電路也稱超再生檢波電路，它實(shí)際上是工作在間歇振蕩狀態(tài)下的再生檢波電路。超外差式解調(diào)電路與超外差收音機(jī)基本相同，它是設(shè)置一本機(jī)振蕩電路產(chǎn)生振蕩信號(hào)，與接收到的載頻信號(hào)混頻后，得到中頻信號(hào)，經(jīng)中頻放大和檢波，解調(diào)出數(shù)據(jù)信號(hào)。由于載頻頻率是固定的，所以其電路要比收音機(jī)簡(jiǎn)單一些。超外差式的接收器穩(wěn)定、靈敏度高、抗干擾能力也相對(duì)較好；超再生式的接收器體積孝價(jià)格便宜。無線電遙控常用的載波頻率為 315mHz 或者 433mHz，遙控器使用的是國家規(guī)定的開放頻段，在這一頻段內(nèi)，發(fā)射功率小于 10mW、覆蓋范圍小于 1

36、00m 或不超過本單位范圍的，可以不必經(jīng)過“無線電管理委員會(huì)”審批而自由使用。我國的開放頻段規(guī)定為 315mHz，而歐美等國家規(guī)定為 433mHz，所以出口到上述國家的產(chǎn)品應(yīng)使用 433mHz 的遙控器。無線電遙控常用的編碼方式有兩種類型，即固定碼與滾動(dòng)碼兩種，滾動(dòng)碼是固定碼的升級(jí)換代產(chǎn)品，目前凡有保密性要求的場(chǎng)合，都使用滾動(dòng)編碼方式。滾動(dòng)碼編碼方式有如下優(yōu)點(diǎn)：保密型強(qiáng)，每次發(fā)射后自動(dòng)更換編碼，別人不能用“偵碼器”獲得地址碼；l 編碼容量大，地址碼數(shù)量大于 10 萬組，使用中“重碼”的概率極??；l 對(duì)碼容易，滾動(dòng)碼具有學(xué)習(xí)存儲(chǔ)功能，不需動(dòng)用烙鐵，可以在用戶現(xiàn)場(chǎng)對(duì)碼。l 誤碼小，由于編碼上的優(yōu)勢(shì)

37、，使得接收器在沒有收到本機(jī)碼時(shí)的誤動(dòng)作幾乎為 0。固定碼的編碼容量?jī)H為 6561 個(gè)，重碼概率極大，其編碼值可以通過焊點(diǎn)連接方式被看出，或是在使用現(xiàn)場(chǎng)用“偵碼器”來獲取，所以不具有保密性，主要應(yīng)用于保密性要求較低的場(chǎng)合，因?yàn)槠鋬r(jià)格較低所以也得到了大量的應(yīng)用。無線電遙控就是利用電磁波在遠(yuǎn)距離上，按照人們的意志實(shí)現(xiàn)對(duì)物體對(duì)象的無線操縱和控制，這種無線控制的方式就叫做無線電遙控。無線電遙控技術(shù)起源于無線電通訊技術(shù)，最初的構(gòu)想是無線電電報(bào)技術(shù)的建立，真空電子管的發(fā)明使得無線電技術(shù)的應(yīng)用和普及很快應(yīng)用在民用和軍用等各個(gè)領(lǐng)域。后來隨著晶體管的發(fā)明和集成電路的誕生，無線電遙控技術(shù)達(dá)到了更加完善的程度，現(xiàn)如今

38、我們所知道導(dǎo)彈、衛(wèi)星、航天飛機(jī)等高科技技術(shù)都是利用無線電遙控技術(shù)的結(jié)晶。它已經(jīng)不再是軍事領(lǐng)域唯一成員，在我們的日常生活中，可以說是已經(jīng)離不了無線電遙控，如：報(bào)警、遙控監(jiān)視、遙控玩具、遙控電視等等。遙控器，它是用來操控我們的模型的，如車模或者船模。首先遙控指令通過機(jī)殼外部的控制開關(guān)或者按鈕，經(jīng)過內(nèi)部電路的調(diào)制、編碼；其次，由于它外部有一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的天線，信號(hào)通過高頻信號(hào)放大電路，從而經(jīng)過天線將電磁波發(fā)射出去。 目前比較常用的模型遙控發(fā)射機(jī)有三種類型：一種是便攜桿式遙控發(fā)射機(jī)；一種是盒式按鍵手持用的小型遙控發(fā)射機(jī)；另一種是手持槍式遙控發(fā)射機(jī)。前一種多為開關(guān)式模擬電路的遙控系統(tǒng)，為一般普通的玩具遙控車模

39、、船模或航模使用，電路的設(shè)計(jì)和制作比較簡(jiǎn)單，動(dòng)作的指令都為“開”和“關(guān)”兩種，雖然通道的數(shù)量可以很多，遙控的性能和距離較低。而發(fā)射機(jī)為桿式和槍式兩種通常為比例式的無線電遙控器，在動(dòng)態(tài)仿真模型中是當(dāng)今最為流行的遙控操作系統(tǒng)，由于這兩種在調(diào)制、編碼和電路的組成等方式的不同，其性價(jià)比有很大的差異，所以在價(jià)格上也不同。 比例遙控桿式發(fā)射機(jī)一般有兩個(gè)操縱桿，左邊的桿主要用來控制小車的速度和剎車（前進(jìn)或后退），右邊的桿控制小車的方向（左或者右）。槍式發(fā)射機(jī)用一個(gè)轉(zhuǎn)輪（方向盤）和一個(gè)類似手槍扳機(jī)的操縱桿來分別控制方向和速度。除了這些基本功能之外，一些較高級(jí)發(fā)射機(jī)還運(yùn)用了先進(jìn)的電腦技術(shù)，增加了許多附加的功能，

40、如儲(chǔ)存多種模型車、船的調(diào)整數(shù)據(jù)，一機(jī)多用；有計(jì)時(shí)、計(jì)圈功能，方便練習(xí)和比賽；有大型液晶顯示屏幕，可顯示工作狀態(tài)和各種功能。發(fā)射機(jī)基本上是由操縱器、編碼電路、開關(guān)電路、高頻電路所組成。操縱器與可變電位器電路連接，而可變電位器又與信號(hào)發(fā)生電路和編碼器電路連接，編碼器所產(chǎn)生的信號(hào)通過開關(guān)電路搭載在高頻無線電發(fā)射器上由天線發(fā)送出去,這個(gè)過程有點(diǎn)像用火車運(yùn)載貨物 ,操縱者相當(dāng)于貨運(yùn)調(diào)度員 ,動(dòng)作指令信號(hào)相當(dāng)于貨物，而高頻無線電波相當(dāng)于火車，把“貨物”搬上“火車”的這個(gè)過程稱為調(diào)制，將信號(hào)調(diào)制為 AM 稱調(diào)幅，而將信號(hào)調(diào)制為 FM 則稱調(diào)頻。至于說在遙控器中標(biāo)明 PPM 和 PCM，只是編碼調(diào)制的方式不同

41、，PPM 為脈位調(diào)制，而 PCM則為脈寬調(diào)制，前者是在發(fā)射時(shí)將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，而接收時(shí)再將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，經(jīng)放大電路驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)械動(dòng)作。而 PCM 則不同，它是一種純數(shù)字信號(hào)輸出的形式，所以信號(hào)還原好，受到的外界干擾也小，并且電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試也相對(duì)簡(jiǎn)單。3.3.5 影響無線電遙控距離因素影響無線電遙控距離的因素主要有如下幾點(diǎn)：1.發(fā)射功率：發(fā)射功率大則距離遠(yuǎn)，但耗電大，容易產(chǎn)生干擾；2.接收靈敏度：接收器的接收靈敏度提高，遙控距離增大，但容易受干擾造成誤動(dòng)或失控；3.天線：采用直線型天線，并且相互平行，遙控距離遠(yuǎn)，但占據(jù)空間大，在使用中把天線拉長(zhǎng)、拉直可增加遙控距離；4.高度：天

42、線越高，遙控距離越遠(yuǎn)，但受客觀條件限制；5.阻擋：目前使用的無線遙控器使用國家規(guī)定的 UHF 頻段，其傳播特性和光近似，直線傳播，繞射較小，發(fā)射器和接收器之間如有墻壁阻擋將大大打折遙控距離，如果是鋼筋混泥土的墻壁，由于導(dǎo)體對(duì)電波的吸收作用，影響更甚6。3.4 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊3.4.1 電機(jī)的選擇對(duì)于無線遙控小船來說，其驅(qū)動(dòng)螺旋槳的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和撒料電機(jī)的選擇是十分重要。表 3-2 電機(jī)選擇方案比較方案 起停和正反轉(zhuǎn) 其他特點(diǎn)方案一 步進(jìn)電機(jī) 快速起停，正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制靈 負(fù)荷不超過動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值啟動(dòng)活 或反轉(zhuǎn)靈敏價(jià)格昂貴方案二 直流電機(jī) 無極快速起、制動(dòng)和反轉(zhuǎn) 體積小，重量輕，轉(zhuǎn)配簡(jiǎn)單，使用方便，性價(jià)比

43、高綜上所述，我們選擇了方案二。3.4.2 驅(qū)動(dòng)電路及原理驅(qū)動(dòng)電路的選擇方案一：使用直流電機(jī)，加上適當(dāng)減速比的減速器。直流電機(jī)具有良好的調(diào)速性能，控制起來也比較簡(jiǎn)單。直流電機(jī)只要通上直流電就可連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)節(jié)電壓的大小就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際上就是一個(gè)功率放大器。常用的驅(qū)動(dòng)方式是 PWM 方式，即脈沖寬度調(diào)制方式。PWM 的理論基礎(chǔ)是：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在電機(jī)電驅(qū)上的脈沖電壓頻率不變，調(diào)節(jié)其脈沖寬度。電機(jī)是一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，它的電驅(qū)電流和轉(zhuǎn)速均不能突變，很高的頻率的 PWM 加在電機(jī)上，效果相當(dāng)于施加一個(gè)恒定電壓的直流電，如圖所示。電壓可以由脈沖的寬度調(diào)節(jié)。圖 3-

44、6 脈沖寬度調(diào)節(jié)可以用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電源以脈沖控制電流的方向控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如下圖 3-7 所示3圖 3-7 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路方案二：使用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)具有良好的控制性能，當(dāng)給步進(jìn)電機(jī)輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的輸出軸就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，因此可以實(shí)現(xiàn)精確的位置控制。與直流電機(jī)不同，要使步進(jìn)電機(jī)連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)，需要連續(xù)不斷的輸入點(diǎn)脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速的大小由外加的脈沖頻率決定，而且其轉(zhuǎn)動(dòng)不受電壓波動(dòng)和負(fù)載變化的影響，也不受溫度、氣壓等環(huán)境因素的影響，僅與控制脈沖有關(guān)。但步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)相對(duì)較復(fù)雜，要由控制器和功率放大器組成。這兩種方案都能達(dá)到很好的控制效果，鑒于此處實(shí)驗(yàn)不要求十分精確，使用直

45、流電機(jī)足以滿足題目所需精度，因此選擇方案二。如圖 3-8 所示，此圖為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。之所以該電路得名于“H 橋驅(qū)動(dòng)電路”，是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜?H。如圖 3-8 所示，我們可以認(rèn)為電機(jī)就是 H 中的橫杠，而 4 個(gè)三極管組成 H 的 4 條垂直腿。正如下圖所畫，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括一個(gè)電機(jī)和 4 個(gè)三極管。若想要讓電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)角線上的一對(duì)三極管必須導(dǎo)通。當(dāng)不同的三極管對(duì)導(dǎo)通情況不同時(shí)，電流方向也會(huì)不同，可能會(huì)從左至右，也可能從右至左流過電機(jī)，這樣就控制了電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向7。圖3-8 H 橋驅(qū)動(dòng)電路若要使電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，則使對(duì)角線上的一對(duì)三極管必須導(dǎo)通。比如，如圖3-9 所示，要使

46、電流就從電源正極經(jīng) Q1 從左至右流過電機(jī)，那么必須是 Q1 和Q4 三極管同時(shí)導(dǎo)通。這樣，電流先從正極經(jīng)過三極管 Q1，然后再經(jīng) Q4 回到電源負(fù)極，這樣才能使直流電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，正如圖中電流箭頭所示，此時(shí) Q1 和Q4 導(dǎo)通，電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)。圖3-9 H 橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)圖 3-10 所示為另一種情況，當(dāng)三極管 Q2 和 Q3 同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電流從正極開始，流經(jīng) Q2，再經(jīng)過直流電機(jī)，最后到達(dá) Q3，這樣直流電機(jī)的電流從右至左，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在小船上表現(xiàn)為左右旋轉(zhuǎn)。圖中箭頭方向?yàn)殡娏髁鹘?jīng)電機(jī)方向。圖 3-10 H 橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)正如上面所述，直流電機(jī)導(dǎo)通，必須使處于對(duì)角線的兩

47、個(gè)三極管同時(shí)導(dǎo)通，也就是說不能使同側(cè)的兩個(gè)三極管同時(shí)導(dǎo)通，比如三極管 Q1 和 Q2 同時(shí)導(dǎo)通，那么電流就會(huì)從正極穿過兩個(gè)三極管直接回到負(fù)極，三極管肯能會(huì)被燒壞，因此，為了保證 H 橋上兩個(gè)同側(cè)的三極管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，需要采取一些措施。3.5 電源模塊當(dāng)無線遙控模塊使用時(shí)，電源只需給 STC 單片機(jī)和無線模塊 NRF24L01 供電，故耗電功率相對(duì)較低。另外，無線遙控模塊需要 3.3V 和單片機(jī)所需電壓是5V，所以直接選用 5v 干電池供電。無線模塊的降壓電路選用 LM1117 芯片所構(gòu)成的電路。無線接收電路電源需要完成以下任務(wù)：首先，電源必須能給 STC 單片機(jī)和無線模塊 NRF24L01 供

48、電，且供電電壓分別為 5V 于 3.3V，其次，電源必須能夠給兩個(gè)直流電機(jī)供電，也就意味著電源必須有較大的容量，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)消耗功率相對(duì)較大。若用 5V 干電池供電，電池會(huì)很快消耗完，因此電源必須有大容量，且能夠充電。最后，由于無線電模塊NRF905 對(duì)于電源有較高要求，需要電壓穩(wěn)定。并且船體空間較小，綜合考慮選擇了一個(gè) 8V 的充電電池為電源，選擇了以LM7805 先使 8V 降到 5V 然后再用 LM117 芯片電路降到 3.3V，這樣就可達(dá)到所有部件都可供電8。但是有可能導(dǎo)致電壓不穩(wěn)。圖 3-11 8V 轉(zhuǎn) 5v 電路圖 3-12 5v 轉(zhuǎn) 3.3v 電路3.6 鍵盤模塊鍵盤模塊需要實(shí)現(xiàn)

49、控制小船的方向及前進(jìn)問題，故發(fā)射按鍵個(gè)數(shù)定為 3 個(gè)。每個(gè)按鍵共接一個(gè) 10K 的排阻作為上拉電阻，并與單片機(jī) I/O 端口相連接，另一端接地。當(dāng)按鍵不作用時(shí)，每個(gè)按鍵均為高電平，作用時(shí)，對(duì)應(yīng)按鍵變?yōu)榈碗娖健? 個(gè)按鈕分別接到 P3.2、P3.3、P3.4。通過對(duì)端口不斷的掃描，判斷對(duì)應(yīng)按鍵是否按下。如有鍵閉合，則去除鍵抖動(dòng)，判斷鍵號(hào)并轉(zhuǎn)入對(duì)應(yīng)的鍵處理。如果沒有按鍵按下，單片機(jī)重新掃描端口。圖 3-13 按鍵電路3.7 舵機(jī)的選型及原理舵機(jī)也叫伺服電機(jī)，最早用于船舶上實(shí)現(xiàn)其轉(zhuǎn)向功能，由于可以通過程序連續(xù)控制其轉(zhuǎn)角，因而被廣泛應(yīng)用智能車船以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向以及機(jī)器人各類關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中舵機(jī)是轉(zhuǎn)向的控制機(jī)構(gòu)，具

50、有體積小、力矩大、外部機(jī)械設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，無論是在硬件設(shè)計(jì)還是軟件設(shè)計(jì)，舵機(jī)設(shè)計(jì)是控制部分重要的組成部分。3.7.1 舵機(jī)工作原理控制電路板接受來自信號(hào)線的控制信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計(jì)是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓信號(hào)到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。其工作流程為：控制信號(hào)控制電路板電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪組減速舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)位置反饋電位計(jì)控制電路板反饋。圖 3-14 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路舵機(jī)的控制信號(hào)周期為 20MS 的脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，其

51、中脈沖寬度從0.5-2.5MS,相對(duì)應(yīng)的舵盤位置為 0180 度，呈線性變化。也就是說，給他提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持一定對(duì)應(yīng)角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎么改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)位置上。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為 20MS，寬度 1.5MS 的基準(zhǔn)信號(hào)，有一個(gè)比出較器，將外加信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)相比較，判斷出方向和大小，從而生產(chǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)。由此可見，舵機(jī)是一種位置伺服驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍不能超過180 度，適用于那些需要不斷變化并可以保持的驅(qū)動(dòng)器中，比如說機(jī)器人的關(guān)節(jié)、飛機(jī)的舵面等。圖 3-15 舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖的關(guān)系3.7.2 舵機(jī)使

52、用中應(yīng)注意的事項(xiàng)1.常用舵機(jī)的額定工作電壓為 6V，可以使用 LM1117等芯片提供 6V 的電壓，如果為了簡(jiǎn)化硬件上的設(shè)計(jì)直接使用 5V 的供電影響也不是很大，但最好和單片機(jī)進(jìn)行分開供電，否則會(huì)造成單片機(jī)無法正常工作。2.一般來說可以將來信號(hào)線連接至單片機(jī)的任意引腳，對(duì)于 51 單片機(jī)需通過定時(shí)器模塊出 PWM 才能進(jìn)行控制。但是如果連接像飛思卡爾之類的芯片，由于飛思卡爾內(nèi)部帶有 PWM 模塊，可以直接輸出 PWM 信號(hào)，此時(shí)應(yīng)將信號(hào)線連于專用的 PWM 輸出引腳上。第 4 章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)4.1 軟件設(shè)計(jì)需要完成任務(wù)由上章節(jié)對(duì)系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)我們可以清楚知道，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)都由硬件單獨(dú)可以完

53、成。所以，系統(tǒng)軟件所要完成的任務(wù)包括五個(gè)部分：一、鍵盤掃描程序；二、無線電發(fā)射程序，當(dāng)單片機(jī)掃描鍵盤有鍵按下時(shí)，需要單片機(jī)串口給NRF24L01 無線模塊發(fā)送有效數(shù)據(jù)；三、無線電接受程序，當(dāng)有效數(shù)據(jù)接受時(shí)，需要 NRF24L01 無線模塊給單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。四、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序，根據(jù)接收到的有效信號(hào)來控制電機(jī)的前進(jìn)，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)；五、控制單片機(jī)的 PWM 輸出值，來控制舵機(jī)的擺動(dòng)角度5。程序見附錄 2所示。4.2 系統(tǒng)軟件主要程序的設(shè)計(jì)4.2.1 發(fā)射部分控制程序設(shè)計(jì)遙控部分有單片機(jī)和鍵盤模塊組成，單片機(jī)對(duì)按鍵端口掃描，然后判斷是否是有效信息，若是則通過串口給無線模塊進(jìn)行發(fā)射。程序流程圖如圖 4-1

54、所示。圖 4-1 無線發(fā)射部分程序流程圖4.2.2 接收部分控制程序設(shè)計(jì)被控部分主要由單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)芯片、無線接收模塊和直流電機(jī)組成，無線電接收信息，單片機(jī)分析數(shù)據(jù)，然后調(diào)用子程序，從而控制直流電機(jī)動(dòng)作。程序流程圖如下圖 4-2 所示。圖 4-2 無線接收部分程序流程圖第 5 章系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試可以分為軟件調(diào)試和硬件調(diào)試，當(dāng)然軟件調(diào)試的前提是必須硬件沒有問題，即硬件調(diào)試成功。5.1 硬件調(diào)試硬件調(diào)試主要是檢測(cè)硬件電路是否有短路、斷路、虛焊等。具體步驟及測(cè)試結(jié)果如下：1.檢查電源與地線是否全部連接上，用萬用表對(duì)照電路原理圖測(cè)試各導(dǎo)線是否完全連接，測(cè)試結(jié)果所有連接線都已連接好。2.檢查所有有極性的元

55、器件是否安裝正確，并改正發(fā)現(xiàn)的問題。3.嘗試下載程序，看能否把程序下載到單片機(jī)里面，并解決遇到的問題。硬件調(diào)試時(shí)，遇到了幾個(gè)問題，在老師幫助下都得到了解決，問題如下：1.當(dāng)程序通過燒錄器寫入單片機(jī)時(shí)，單片機(jī)沒有按照預(yù)定設(shè)計(jì)工作，后經(jīng)過老師提醒，用示波器檢測(cè)晶的震蕩電路是否正確。開始檢測(cè)時(shí)，晶振沒有產(chǎn)生鋸齒波形，后來給震蕩電路換了一個(gè)電容，才產(chǎn)生了鋸齒波形。2.檢測(cè)無線傳輸模塊傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，編寫了一個(gè)簡(jiǎn)單程序，但是無線模塊不能正常工作，后用萬能表檢測(cè)出無線傳輸模塊引腳電平，發(fā)現(xiàn)一個(gè)引腳不對(duì)，沒有接地，從而連接了一個(gè)跳線。5.2 軟件調(diào)試在系統(tǒng)調(diào)試中，軟件調(diào)試占主要地位。軟件調(diào)試需要使用了仿真器，示

56、波器，和萬能表。其具體步驟如下：1.由于開始無法確定發(fā)射程序是否正確，因此可使發(fā)射程序先簡(jiǎn)單點(diǎn)兒，讓程序控制使無線模塊一直發(fā)射 00H,FFH,0EH(任意一個(gè)十六進(jìn)制數(shù))，用 Keil 軟件將編寫的程序打開，進(jìn)行編譯，調(diào)試，然后生成后綴為 HEX 文件，之后通過stc-isp 系列的燒錄器把該文件寫入發(fā)射板單片機(jī)中。2.當(dāng)把無線發(fā)射程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)后，接上電源，用示波器檢測(cè)無線模塊 DO引腳，如果看到示波器中顯示不同占空比的高低電平時(shí)，說明程序正確。否則，程序不正確。3.確定發(fā)射程序正確后，用仿真器接到無線接收板上，作為其控制單片機(jī)。應(yīng)用仿真器進(jìn)行程序調(diào)試，是給我?guī)砹撕艽蟮姆奖恪．?dāng)接入仿真器后，把編好的程序用 Keil 軟件打開，然后進(jìn)行仿真測(cè)試。程序控制無線電模塊