基于AVR的遙控小車的設(shè)計

1、天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)Tianjin University of Technology and Education畢 業(yè) 設(shè) 計專 業(yè)： 自動化 班級學(xué)號： 自0904班 08號 學(xué)生姓名： 段星辰 指導(dǎo)教師： 邵善峰 高級工程師 二一三年 六月天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)本科生畢業(yè)論文基于AVR的遙控小車的設(shè)計Design of Remote Car Control SystemBased On AVR專業(yè)班級：自0904班學(xué)生姓名：段星辰指導(dǎo)教師：邵善峰 高級工程師學(xué) 院：自動化與電氣工程學(xué)院2013年 6月摘 要近年來隨著計算機產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，大規(guī)模集成電路也漸漸滲透到社會的各個領(lǐng)域，而單片機由于

2、它的體積小，功耗低，價格便宜，工作可靠等優(yōu)點，并且又是嵌入系統(tǒng)的核心，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到我們的生活中像電子、科技、通信、汽車、工業(yè)等領(lǐng)域中。本設(shè)計采用了2片AVR單片機(芯片采用的是ATmega16）作為處理器，由AVR芯片控制整個小車的運行，然后由單片機與nRF24L01無線模塊構(gòu)成主從式的控制系統(tǒng)，雙機采用無線串行通信。遙控部分采用杭州茂葳科技有限公司生產(chǎn)的FSK無線模塊（nRF24L01），從而提高了控制的可靠性；該小車與遙控器采用了協(xié)議式的通信，根據(jù)它們之間所制定的協(xié)議，進行數(shù)據(jù)傳輸，從而提高了控制的有效性?？刂撇糠植捎玫氖歉咝阅堋⒌凸牡?位AVR微處理器ATmega16。驅(qū)動小車部分

3、采用了L298N單塊集成電路，四通道驅(qū)動設(shè)計，用來接收DTL或者TTL邏輯電平，驅(qū)動感性負載和開關(guān)電源晶體管。本次設(shè)計基于完備的軟硬件系統(tǒng)，很好的實現(xiàn)了小車遙控、任意曲線行駛等功能。關(guān)鍵詞：ATmega16；無線遙控；電機驅(qū)動ABSTRACTWith the development of computer industry in recent years, LSI has gradually penetrated into all areas of society, while the single chip microcomputer because of its small volume,

4、 low power consumption, low price, low price, reliable work, and is the core of embedded system, has been widely used in our life, like electronic technology, communication, automobile, industry and other fields .This design uses two AVR microcontroller (ATmega16) as the processor,which is run by th

5、e AVR chip to control the entire car.Two AVR microcontroller ATmega16 and nRF24L01 wireless module were used in this design in order to form a master-slave control system. Dual use wireless serial communication. The part of remote control use the FSK wireless the module rfm12b (433mhz) which produce

6、 by Hangzhou Mao Wei Science Co., Ltd. Because it can let the data have higher reliability. The trolley and remote control type communication protocol for data transmission, in accordance with the protocol established between them, thereby improving the effectiveness of the control. The control part

7、 is AVR microcontroller ATmega16 which have high-performance, low-power. Drive the car part of the of L298N single monolithic, four-channel driver designed to receive DTL or TTL logic levels and drive inductive load and switching power transistors. The design is based on a complete hardware and soft

8、ware systems. So some function achieve perfectly, such as car remote control and any curve of travel.Key Words：ATmega16;Wireless remote control;Driving motor目 錄1 緒 論11.1本課題研究的背景11.2本課題研究的目的及意義11.3本課題研究的主要內(nèi)容21.3.1AVR單片機21.3.2基于nRF24L01無線模塊的無線傳輸31.3.3基于L298N芯片驅(qū)動電路31.4無線控制系統(tǒng)的分類及區(qū)別32 遙控小車系統(tǒng)的硬件設(shè)計42.1本課題總

9、體設(shè)計概述42.2小車系統(tǒng)的硬件模塊簡介42.2.1主控芯片Atmega1642.2.2無線模塊nRF24L0182.2.3電機驅(qū)動芯片L298N112.3無線發(fā)射電路及接收電路143 硬件調(diào)試153.1進行硬件調(diào)試的過程153.1.1硬件電路的檢測153.1.2調(diào)試的步驟153.2硬件調(diào)試存在的問題以及解決方案163.3硬件調(diào)試的心得與體會164 軟件設(shè)計17致 謝20參考文獻21附錄A 系統(tǒng)硬件電路圖22附錄A1無線發(fā)射電路圖22附錄A2無線接收電路圖22附錄B程序清單23附錄B1遙控接收部分程序清單23附錄B2無線發(fā)射部分程序清單33附錄C 小車實物圖35天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)2013屆本

10、科生畢業(yè)設(shè)計 1 緒 論1.1本課題研究的背景伴隨著電子技術(shù)的跨越式發(fā)展,單片機依靠其強大的控制能力已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域，輔助以各種接口傳感器就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化,單片機與無線遙控已逐漸構(gòu)成了自動化技術(shù)現(xiàn)代化不可或缺的重要工具。不論是在工業(yè)控制領(lǐng)域、醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域亦或是在國防軍事領(lǐng)域、航天航空領(lǐng)域，微控制器都起著舉足輕重的作用。從先前的8位控制器到如今的16位、32位，控制器的發(fā)展和應(yīng)用都還有很大的上升空間。“無線遙控wireless remote control”，就是一種用來進行遠程控制設(shè)備的裝置?，F(xiàn)代的遙控器，主要是由集成電路電板和用來產(chǎn)生不同訊息的按鈕鎖組成的。無線遙控小車是上世

11、紀(jì)提出的一種新型小車，由于在軍事偵察、反恐、防暴、防核化及污染等危險與惡劣環(huán)境作業(yè)中有著廣闊的應(yīng)用前景，所以成為了一個重要的研究熱點。無線技術(shù)在智能家居方面的應(yīng)用則更為廣泛，基于FSK無線方式通信，性能穩(wěn)定，有很好的應(yīng)用前景。工業(yè)領(lǐng)域無線遙控小車的發(fā)源地是美國?；谡畬o線遙控小車研發(fā)的大力資助以及相關(guān)技術(shù)的推動作用，美國、德國、日本等一些工業(yè)強國在無線遙控小車技術(shù)上一直占據(jù)著龍頭老大的地位，但是最新崛起的韓國在無線遙控小車的研發(fā)方面也正在走向世界的最前列。我國的無線遙控小車研究開發(fā)工作始于20世紀(jì)70年代末，在國家“863”、“973”、“九五攻關(guān)”等高技術(shù)重點發(fā)展計劃的支持下，獲得了飛速

12、的發(fā)展。從上世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)有關(guān)無線遙控小車的研究已大范圍地開始進行。1.2本課題研究的目的及意義經(jīng)過了20多年的艱辛探索，國內(nèi)在應(yīng)用、研究等方面已經(jīng)卓有成效。但是，跟西方發(fā)達國家相比，我們?nèi)跃哂幸欢ǖ牟罹?。以中國科學(xué)院、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等高校、科研院所為代表，重點對無線遙控小車基礎(chǔ)技術(shù)進行了研究，諸如無線遙控小車機構(gòu)的運動學(xué)、動力學(xué)分析與綜合，無線遙控小車運動的控制算法，多傳感器控制系統(tǒng)，遙控操作技術(shù)等均取得長足進展；大批專業(yè)生產(chǎn)無線遙控小車以及自動化設(shè)備的公司相繼成立，推動了無線遙控小車技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程；從應(yīng)用方面來說，差距會相對更大一些。在日本，無線遙控小車技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛

13、，一般的工廠已經(jīng)使用無線遙控小車進行生產(chǎn)。而在國內(nèi)，只有比較先進的工廠或者是外資企業(yè)才使用無線遙控小車；從研究的角度來說，差距較應(yīng)用方面小一些。國際上目前研究的課題，國內(nèi)的研究人員也有涉及，甚至在某些方面還比國外超前。國外無線遙控小車領(lǐng)域最近幾年的發(fā)展趨勢：工業(yè)無線遙控小車的性能不斷提高，高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修，而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10.3萬美元降至97年的6.5萬美元；機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造無線遙控小車整機；國外已有模塊化裝配無線遙控小車產(chǎn)品問市；工業(yè)無線

14、遙控小車控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制器日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維護性；無線遙控小車中的傳感器的作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接無線遙控小車還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而無線遙控小車則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用；虛擬現(xiàn)實技術(shù)在無線遙控小車中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使無線遙控小車操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱無線遙控小車。本設(shè)計主要是為了進一步掌握關(guān)

15、于單片機各方面的知識，再次熟悉C語言程序的使用，以及對相關(guān)器件的了解和單片機與相關(guān)器件的整合，以提高實際應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計能力。通過本次設(shè)計，使我掌握了AVR單片機用C語言編寫程序和微機接口的基本方法，并且能綜合運用所學(xué)的知識分析實際問題，在解決實際問題方面的能力有所提高。因此，我借此做畢業(yè)設(shè)計的寶貴機會，深刻體會了無線電的實用價值，初步了解并研究單片機無線遙控原理，從簡單的遙控小車著手，設(shè)計一個較為完整的遙控小車系統(tǒng)，作為對日后學(xué)習(xí)研究的一個很好的基礎(chǔ)與鋪墊。1.3本課題研究的主要內(nèi)容1.3.1AVR單片機單片機又稱單片微控制器，它是把一個計算機系統(tǒng)的基本功能集成到一個芯片上，簡單的講：一塊芯片

16、就成了一臺計算機。單片機技術(shù)是計算機技術(shù)的一個重要分支，也是簡易機器人的核心元件。1997年，由ATMEL公司挪威設(shè)計中心的A先生與V先生利用ATMEL公司的Flash新技術(shù)，共同研發(fā)出RISC精簡指令集的高速8位單片機，簡稱AVR。與出現(xiàn)較早也較為成熟的51系列單片機相比，AVR系列單片機片內(nèi)資源更為豐富，接口也更為強大，同時由于其價格低等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用到市場中。單片機可以說是無所不能的，我們通常提到的“微電腦控制”場合的核心，就是單片機。單片機的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，涵蓋了日常生活、工業(yè)生產(chǎn)、科研儀器儀表、軍事設(shè)備等所有智能化應(yīng)用場合。1.3.2基于nRF24L01無線模塊的無線傳輸nRF2

17、4L01是一款由NORDIC公司所生產(chǎn)的無線通信芯片，無線通信速度可以達到2M（bps）。它采用了FSK調(diào)制，其內(nèi)部集成了自己的Enhanced Short Burst協(xié)議，能夠?qū)崿F(xiàn)1對6或者點對點的無線通信。該公司還提供了通信模塊的GERBER文件，可以直接進行生產(chǎn)加工，可以很容易實現(xiàn)無線通信的功能，非常適合用來為MCU系統(tǒng)構(gòu)建無線通信功能。1.3.3基于L298N芯片驅(qū)動電路L298是SGS(通標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)服務(wù)有限公司)公司所生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。我們經(jīng)常使用的是15腳Multiwatt封裝的L298N，其內(nèi)部包含有4通道邏輯驅(qū)動電路，能夠順利的驅(qū)動一個兩相步進電機或者兩個直

18、流電機。1.4無線控制系統(tǒng)的分類及區(qū)別紅外遙控系統(tǒng) 紅外遙控器（IR Remote Control）是利用波長為0.761.5m之間的近紅外線來傳送控制信號的遙控設(shè)備。特點：不影響周邊環(huán)境、不干擾其他電器設(shè)備。由于其無法穿透墻壁，故不同房間的家用電器可使用通用的遙控器而不會產(chǎn)生相互干擾；電路調(diào)試簡單，只要按給定電路連接無誤，一般不需要任何調(diào)試即可投入工作；編解碼容易，可進行多路遙控。因此，現(xiàn)在紅外遙控在家用電器、室內(nèi)近距離（小于10米）遙控中得到了廣泛的應(yīng)用。無線遙控系統(tǒng) 無線電遙控器（RF Remote Control）是利用無線電信號對遠方的各種機構(gòu)進行控制的遙控設(shè)備。這些信號被遠方的接收

19、設(shè)備接收后，可以指令或驅(qū)動其他各種相應(yīng)的機械或者電子設(shè)備，去完成各種操作，如閉合電路、移動手柄、開動電機、之后再由這些機械進行需要的操作。作為一種與紅外遙控器相補充的遙控控制器種類，在車庫門、電動門、道閘遙控控制、防盜報警器、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。無線遙控器和紅外遙控器的區(qū)別 紅外遙控器和無線遙控器是對不同的載波來說的，紅外遙控器是用紅外線來傳送控制信號的，它的特點是有方向性，不能有阻擋；無線遙控器是用無線電波來傳送控制的信號的，它的特點是無方向性，可以不面對面控制，距離遠（可達數(shù)十米，甚至數(shù)公里），容易受電磁干擾，在需要遠距離穿透或者無方向性控制領(lǐng)域，比如工業(yè)控制等等

20、，使用無線電遙控器較易解決。2 遙控小車系統(tǒng)的硬件設(shè)計2.1本課題總體設(shè)計概述圖2-1硬件設(shè)計框圖該遙控小車系統(tǒng)主要由AVR芯片、無線模塊以及驅(qū)動電路三部分構(gòu)成。硬件設(shè)計框圖如圖2-1所示。其中，發(fā)射模塊主要包含有ATmega16芯片、nRF24L01無線發(fā)射模塊以及按鍵編碼電路。按鍵編碼電路是由普通的I/O口作為輸入，操縱者通過操縱器使按鍵編碼電路產(chǎn)生所需要的控制指令，再把控制指令信號加載到單片機的內(nèi)部寄存器中，再在單片機內(nèi)部轉(zhuǎn)化成為通信數(shù)據(jù)，進而傳給nRF24L01無線模塊，模塊通過其內(nèi)部發(fā)射電路加載到波上去發(fā)射，從而完成了發(fā)射功能。接收模塊主要包含有接收電路和譯碼電路。接收是通過nRF2

21、4L01模塊內(nèi)部數(shù)字電路的的處理以后進入ATmega16單片機的，單片機通過識別傳過來的命令來執(zhí)行與之相關(guān)的動作，進而控制電機驅(qū)動電路模塊，使兩個電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，驅(qū)動小車，從而完成無線遙控。2.2小車系統(tǒng)的硬件模塊簡介2.2.1主控芯片Atmega16ATmega16芯片是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，其數(shù)據(jù)吞吐率有1MIPS/MHz之高，很大程度上有助于減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度這兩方面之間存在的矛盾。ATmega16所有的寄存器都直接與運算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通

22、的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega16有如下特點:16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP封裝)的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。工作于空閑模式時CPU停止工作，而USART、兩

23、線接口、A/D轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時終止CPU和除了異步定時器與ADC以外所有I/O模塊的工作，以降低ADC轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲；Standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴展Standby模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。本芯片是以Atmel高密度非易失性存儲器技術(shù)生產(chǎn)的。通過將8位RISC CPU與

24、系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash集成在一個芯片內(nèi)，ATmega16成為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。ATmega16具有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括：C語言編譯器、宏匯編、程序調(diào)試器、軟件仿真器、仿真器及評估板。ATmega的產(chǎn)品特性：1.采用先進的RISC結(jié)構(gòu)的AVR內(nèi)核(1)131條機器指令，且絕大多數(shù)指令的執(zhí)行時間為單個時鐘周期。(2)全靜態(tài)工作。(3)32個8位通用工作寄存器。(4)工作在16MHz時具有16MIPS的性能。(5)配備只需要兩個時鐘周期的硬件乘法器。2.較大容量、非易失性的存儲器(1)16K字節(jié)的在線可編程（ISP）Flash程序存

25、儲器，擦寫壽命10000次。(2)1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM數(shù)據(jù)存儲器。(3)512字節(jié)的片內(nèi)在線可編程EEPROM數(shù)據(jù)存儲器，擦寫壽命100000次。(4)具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)；通過片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程。(5)可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密。3.片內(nèi)含JTAG接口（與IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)兼容）(1)支持符合JTAG標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能，用于芯片檢測。(2)支持擴展的片內(nèi)在線調(diào)試功能。(3)可通過JTAG口對片內(nèi)的Flash、EEPROM、配置熔絲位和鎖定加密位實現(xiàn)下載編程。4.外圍接口豐富(1)兩個帶有分別獨立并可設(shè)置預(yù)分頻器的8位定時器/計數(shù)器。(2)一

26、個帶有可設(shè)置預(yù)分頻器，具有比較、捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器。(3)片內(nèi)含獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC。(4)四路PWM通道。(5)8路10位ADC，8個單端通道，或者7個差分通道；2個具有可編程增益的差分通道。(6)兼容總線的兩線接口TWI。(7)可編程的串行USART。(8)可工作于主/從機模式的SPI串行接口。(9)具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器。(10)片內(nèi)模擬比較器。5.寬電壓、高速度、低功耗(1)工作電壓寬：ATmega16L為2.7V5.5V，ATmega16為4.5V5.5V。(2)運行速度：ATmega16L為08MHz，ATmega16為016MHz。(3)低功耗

27、：ATmega16L工作在1MHz、3V時的典型功耗：正常模式為1.1mA，空閑模式為0.35mA，掉電模式小于1A。6.其他功能(1)上電復(fù)位以及可編程的低電壓監(jiān)測電路BOD。(2)片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的RC振蕩器。(3)片內(nèi)/片外中斷源。(4)6種休眠工作模式:空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴展的Standby模式。7.I/O端口和封裝(1)32個可編程的I/O口。(2)40引腳PDIP封裝,44引腳TQFP封裝,與44引腳MLF封裝。ATmega的引腳功能： 圖2-2ATmega16的PDIP封裝及引腳定義VCC電源正GND電源地端口A(PA7-PA0)

28、端口A做為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。端口A為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口A處于高阻狀態(tài)。端口B(PB7-PB0)端口B為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口B處于高阻狀態(tài)。端口B也可以用做其他不同的特殊功能。端口C(PC7-PC0)端口C為8位雙向I/

29、O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口C處于高阻狀態(tài)。如果JTAG接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳PC5(TDI)、PC3(TMS)與PC2(TCK)的上拉電阻被激活，端口C也可以用做其他不同的特殊功能。端口D(PD7-PD0)端口D為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口D處于

30、高阻狀態(tài)。端口D也可以用做其他不同的特殊功能。RESET為復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。持續(xù)時間小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。XTAL1為反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端。XTAL2為反向振蕩放大器的輸出端。AVCC是端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用ADC時，該引腳應(yīng)直接與VCC連接。使用ADC時應(yīng)通過一個低通濾波器與VCC連接。A/D的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。2.2.2無線模塊nRF24L01nRF24L01是一款工作在2.42.5GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。引腳功能如表2-1所示。無線收發(fā)器包括:頻率發(fā)生器、增強型SchockBur

31、stTM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進行。極低的電流消耗，當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為6dBm時，電流消耗為9.0mA，接收模式時為12.3mA。掉電模式和待機模式下電流消耗更低。nRF24L01可應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)通訊；遙控裝置；無線鼠標(biāo)鍵盤；無線門禁；游戲機操縱桿；安防系統(tǒng)；遙感勘測；智能運動設(shè)備；工業(yè)傳感器；玩具等。nRF24L01的特性如下：真正的GFSK單收發(fā)芯片內(nèi)置鏈路層增強型ShockBurstTM自動應(yīng)答及自動重發(fā)功能地址及CRC檢驗功能數(shù)據(jù)傳輸率1或2MbpsSPI接口數(shù)據(jù)速率08Mbps125個可選工作頻道很

32、短的頻道切換時間可用于跳頻與nRF24XX系列完全兼容可接受5V電平的輸入20腳QFN44mm封裝極低的晶振要求60ppm低成本電感和雙面PCB板工作電壓1.93.6V圖2-3nRF24L01引腳表2-1nRF24L01引腳功能引腳名稱引腳功能描述1CE數(shù)字輸入RX或TX模式選擇2CSN數(shù)字輸入SPI片選信號3SCK數(shù)字輸入SPI時鐘4MOSI數(shù)字輸入從SPI數(shù)據(jù)輸入腳5MISO數(shù)字輸出從SPI數(shù)據(jù)輸出腳6IRQ數(shù)字輸出可屏蔽中斷腳7VDD電源電源+3V8VSS電源接地0V9XC2模擬輸出晶體震蕩器2腳10XC1模擬輸入晶體震蕩器1腳/外部時鐘輸入腳11VDD_PA模擬輸出給RF的功率放大器提

33、供的+1.8V電源12ANT1天線天線接口113ANT2天線天線接口214VSS電源接地0V15VDD電源電源+3V16IREF模擬輸入?yún)⒖茧娏?7VSS電源接地0V18VDD電源電源+3V19DVDD電源輸出去耦電路電源正極端20VSS電源接地0V 圖2-4無線模塊與主電路鏈接表2-2本系統(tǒng)的通信協(xié)議方向代碼前OXFE后OXFd左OXFb右OXF72.2.3電機驅(qū)動芯片L298N小車電機為直流減速電機，帶有齒輪組。由于考慮到不需要調(diào)速功能，故采用電機驅(qū)動芯片L298N。L298N控制電機表見表2-3。L298N芯片采用15腳封裝。其主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，

34、瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W；轉(zhuǎn)速可調(diào)，抗干擾能力強，具有過電壓和過電流保護；可單獨控制兩臺直流電機，PWM脈寬平滑調(diào)速，可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。L298N可以直接對電機進行控制，無須隔離電路。通過單片機的I/O端口輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機進行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止的操作，亦能滿足直流減速電機的大電流要求，非常方便。調(diào)試時再依照L298N控制電機表2-3，用程序輸入對應(yīng)的碼值，就能夠?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)的動作，調(diào)試通過。與主控芯片連接的電路圖見圖2-5。表2-3L298N控制電機表電機旋轉(zhuǎn)方式控制端IN1控制端IN2控制端IN3控制端IN4輸入PWM信號改變脈寬可調(diào)速調(diào)速端A調(diào)速

35、端BM正轉(zhuǎn)高低/高/反轉(zhuǎn)低高/高/停止低低/高/圖2-5與主控芯片連接的電路圖L298控制器原理如下：圖2-6是控制器原理圖，由3個虛線框圖組成。圖2-6控制器原理圖 下面是3個虛線框圖功能： （1）虛線框圖1控制電機正反轉(zhuǎn)，U1A，U2A是比較器，VI是來自爐體壓強傳感器的電壓。當(dāng)VI大于VRBF1時，U1A輸出高電平，U2A輸出高電平經(jīng)反相器變?yōu)榈碗娖?，電機正轉(zhuǎn)。同理VI小于VRBF1時，電機反轉(zhuǎn)。電機正反轉(zhuǎn)可控制抽氣機抽出氣體的流量，從而改變爐體壓強。 （2）虛線框圖2中，U3A，U4A兩個比較器組成雙限比較器，當(dāng)VB小于VI，VI小于VA時輸出低電平，當(dāng)VI小于VA，VI小于VB時輸出

36、高電平。VA，VB是由爐體壓強轉(zhuǎn)感器轉(zhuǎn)換電壓的上下限，即反應(yīng)爐體壓強控制范圍。根據(jù)工藝要求，我們可自行規(guī)定VA，VB的值，只要爐體壓強在VA，VB所確定范圍之間電機停轉(zhuǎn)（注意VB小于VRBF1，VRBF1小于VA，如果不在這個范圍內(nèi)，系統(tǒng)不穩(wěn)定）。 （3）虛線框圖3是一個長延時電路。U5A是一個比較器，Rs1是采樣電阻，VRBF2是電機過流電壓。Rs1上電壓大于VREF2，電機過流，U5A輸出低電平。由上面可知，框圖1控制電機正反轉(zhuǎn)，框圖2控制爐體壓強的紋波大小。當(dāng)爐體壓強太小或太大時，電動機轉(zhuǎn)到兩端固定位置停止，根據(jù)直流電機穩(wěn)態(tài)運行方程，如下： UCeNRaIa (2-1)其中:為電機每極磁

37、通量； Ce為電動勢常數(shù)； N為電機轉(zhuǎn)數(shù)； Ia為電樞電流； Ra電樞回路電阻。電機轉(zhuǎn)數(shù)N為0，電機的電流急劇增加，時間過長將會使電機燒壞。但電機起動時，電機中線圈中的電流也急劇變大，因此我們必須把這兩種狀態(tài)分開。長延時電路可把這兩種狀態(tài)區(qū)分出來。長延時電路工作原理：當(dāng)Rs1過流，U5A產(chǎn)生一個負脈沖經(jīng)過微分后，脈沖觸發(fā)555的2腳，電路置位，3腳輸出高電平，由于放電端7腳開路，C1，R5及U6A組成積分器開始積分，電容C1上的充電電壓線性上升，延時運放積分常數(shù)為100R5C1。當(dāng)C1上充電電壓，即6腳電壓超過2/3VCC，555電路復(fù)位，輸出低電平。電機啟動時間一般小于0.8s，C1充電時間

38、一般為0.81s。U5A輸出電平與555的3腳輸出電平經(jīng)U7相或，如果U5A輸出低電平大于C1充電時間，U7在C1充電后輸出低電平由與門U8輸入到L298N的6腳ENA端使電機停止。如果U5A的輸出電平小于C1充電時間，6腳不動作電機的正常啟動。長延時電路吸收電機啟動過流電壓波形，從而使電機正常啟動。2.3無線發(fā)射電路及接收電路圖2-7無線發(fā)射電路圖圖2-8無線接收電路圖遙控模塊采用無線遙控方式，因為采用紅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，會嚴重影響控制效果。另外，nRF24L01與單片機接口電路簡單。鑒于本設(shè)計要求，所以綜合考慮之下采用無線遙控較為合適。本設(shè)計中要求能用無

39、線遙控器控制小車的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等功能。無線遙控接收電路由ATmega16單片機和nRF24L01無線收發(fā)模塊組成，nRF24L01接收模塊接收到信號傳送給ATmega16單片機，ATmega16單片機再發(fā)出相應(yīng)的控制指令控制電機驅(qū)動執(zhí)行相應(yīng)的操作。無線發(fā)射、接收電路圖見圖2-7、圖2-8。3 硬件調(diào)試3.1進行硬件調(diào)試的過程3.1.1硬件電路的檢測硬件調(diào)試主要是檢測硬件電路是否有問題。1、首先是焊接的問題。我們采用萬用板來做電路板，手工把元件根據(jù)電路圖一一焊接上，因此焊接的順序很重要。正確的方法應(yīng)該是按照根據(jù)功能劃分的器件進行焊接，順序是功能部件的焊接、調(diào)試(OK)、另一功能部件的焊

40、接，只有這樣才容易找到問題所在。2、如果調(diào)試時按功能劃分的器件出現(xiàn)了問題，可以按照以下步驟進行檢查：1）檢查原理圖連接是否正確；3）檢查原理圖與器件的DATASHEET上引腳是否一致；4）用萬用表檢查是否有虛焊、引腳短路的現(xiàn)象；5）查詢器件的DATASHEET，分析一下時序是否一致，同時分析一下命令字是否正確；6）有條件的可以用示波器。3.1.2調(diào)試的步驟硬件設(shè)計從布線到焊接安裝完成之后，就開始進入硬件的調(diào)試階段。調(diào)試大體分為以下幾步：1、排除邏輯故障。這類故障往往由于設(shè)計和加工制板過程中工藝性錯誤所造成的。主要包括錯線、開路、短路。排除的方法是：首先將加工的印制板認真和原理圖相對照，看兩者是

41、否一致。應(yīng)特別注意電源系統(tǒng)的檢查，以防止電源短路和極性錯誤，并重點檢查系統(tǒng)總線（地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線）是否存在相互之間短路或與其它信號線路短路的情況。必要的時候利用數(shù)字萬用表的短路測試功能，可以縮短排錯時間。2、排除原件失效。造成這類錯誤的原因有兩個：一個是元器件買來時就已經(jīng)壞了；另一個是由于安裝錯誤，造成器件燒壞了?？梢圆扇〉姆椒ㄊ菣z查元器件與設(shè)計所要求的型號、規(guī)格和安裝是否一致。在確保安裝無誤之后，用替換的方法排除錯誤。3、排除電源故障。在通電之前，一定要檢查電源電壓的幅值和極性，否則很容易造成集成塊的損壞。上電之后檢查各插件上引腳的電位，一般先檢查VCC與GND之間的電位，若在5

42、V4.8V之間則屬正常。若有高壓，聯(lián)機仿真器調(diào)試時，將會損壞仿真器等，有時會使應(yīng)用系統(tǒng)中的集成塊因發(fā)熱而損壞。3.2硬件調(diào)試存在的問題以及解決方案1、當(dāng)程序通過燒錄器寫入單片機時，單片機沒有按照預(yù)定設(shè)計工作，后經(jīng)過老師提醒，用示波器檢測震蕩電路是否正確。開始檢測時，晶振沒有產(chǎn)生鋸齒波形，后來給震蕩電路換了一個電容，才產(chǎn)生了鋸齒波形。2、檢測無線傳輸模塊傳輸數(shù)據(jù)時，編寫了一個簡單程序，但是無線模塊不能正常工作，后用萬能表檢測出無線傳輸模塊引腳電平，發(fā)現(xiàn)一個引腳不對，沒有接地，從而連接了一個跳線。3.3硬件調(diào)試的心得與體會經(jīng)過一段時間的調(diào)試，小車能夠基本上實現(xiàn)任務(wù)要求。按下前進鍵時，小車前進；按下

43、后退鍵時，小車后退；按下左轉(zhuǎn)鍵時，小車左轉(zhuǎn)；按下右轉(zhuǎn)鍵時，小車右轉(zhuǎn)。這和要求實現(xiàn)的任務(wù)基本一致。但是，在這期間也遇到了一些問題，就是無線模塊不太穩(wěn)定，就是遙控部分，由于未知原因的影響，容易受到干擾，使遙控不太靈敏。由于這個原因，怎么解決小車飛車成為了一個主要問題。整個系統(tǒng)的硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是不能分開的，許多硬件錯誤是在軟件調(diào)試中被發(fā)現(xiàn)和糾正的。但通常是先排除明顯的硬件故障以后，再和軟件結(jié)合起來調(diào)試，以進一步排除故障。可見硬件的調(diào)試是基礎(chǔ)，如果硬件調(diào)試不通過，軟件設(shè)計則是無從做起的。軟件的調(diào)試要和硬件配合進行，往往問題可能不是硬件上的。4 軟件設(shè)計遙控小車系統(tǒng)的軟件設(shè)計分為兩部分，分別是無線發(fā)

44、射模塊的軟件設(shè)計和無線接收模塊的軟件設(shè)計。圖4-1小車流程圖接收模塊軟件設(shè)計，首先進行IO初始化，然后進行電機驅(qū)動控制初始化，進而進行nRF24L01無線模塊的初始化，下來查詢nRF24L01是否接收到命令。如果接收到命令，則根據(jù)接收到的命令控制電機，繼而重新查詢nRF24L01是否接收到命令；如果沒有接收到命令，則直接開始重新查詢nRF24L01是否接收到命令。小車流程圖如圖4-1所示。圖4-2遙控器流程圖發(fā)射模塊軟件設(shè)計，首先進行IO初始化，然后進行nRF24L01無線模塊的初始化，繼而進行按鍵掃描。如果有按鍵被按下，那么nRF24L01發(fā)送對應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后開始新一次的按鍵掃描；如果沒有檢

45、測到有鍵按下，則直接重新進行按鍵掃描。設(shè)計總結(jié)本文在總結(jié)了所學(xué)知識的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一個基于AVR單片機和無線模塊的遙控小車系統(tǒng)。該設(shè)備主要由發(fā)射模塊、接收模塊及執(zhí)行機構(gòu)三部分組成。發(fā)射模塊、接收模塊主要由ATmega16單片機和nRF24L01模塊組成。發(fā)射模塊主要由nRF24L01無線發(fā)射模塊，按鍵編碼電路組成。按鍵編碼電路由普通的IO口作為輸入，操縱者通過操縱器使按鍵編碼電路產(chǎn)生所需要的控制指令，再把控制指令信號加載到單片機內(nèi)部寄存器，再傳給模塊，模塊通過內(nèi)部發(fā)射電路加載到波上去發(fā)射，完成發(fā)射功能。接收模塊由接收電路及譯碼電路組成。通過nRF24L01模塊內(nèi)部數(shù)字電路的的處理后進入ATme

46、ga16單片機，單片機通過識別傳過來的命令執(zhí)行與之相關(guān)的動作，進而控制電機驅(qū)動模塊，令兩個電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，驅(qū)動小車，從而完成無線電的遙控。致 謝時光飛逝，伴隨著九周畢業(yè)設(shè)計的結(jié)束我的大學(xué)生活也接近了尾聲。大學(xué)的生活充滿了歡聲笑語，這九周更是忙碌而又充實的。在我做畢設(shè)的這段時間，指導(dǎo)老師給予了我耐心的指導(dǎo)和熱情的幫助。在我完成畢業(yè)設(shè)計的過程中提供了很多指導(dǎo)性的意見，使我受益匪淺。這次的畢業(yè)設(shè)計工作中，在老師的悉心指導(dǎo)和嚴格要求下，我掌握了豐富的專業(yè)理論知識；在硬件和軟件的組合上認真聽取了指導(dǎo)老師以及一些優(yōu)秀同學(xué)的意見和建議，這在很大程度上幫助我高質(zhì)量完成這次的畢業(yè)設(shè)計工作。而且在遙控小車的設(shè)計

47、過程中，根據(jù)課題內(nèi)容的要求，我查閱了大量的文獻資料，對大學(xué)四年所學(xué)過的專業(yè)知識又進行了認真細致的梳理和鞏固。與此同時，我的實踐能力得到了極大地提高，并對當(dāng)前無線通信領(lǐng)域的研究狀況和發(fā)展方向有了一定的認識，單片機的運用使我對編程語言的理解也更進一步了。在此，我忠心感謝老師的不斷鼓勵和耐心指導(dǎo)，感謝我身邊的朋友提出的寶貴建議。這次的畢業(yè)設(shè)計工作能夠按時順利的完成，離不開你們的傾力幫助。在未來的工作和學(xué)習(xí)中，我將會以更好的成績來回報母校，回報各位領(lǐng)導(dǎo)和老師的辛勤栽培，努力成為一名優(yōu)秀的大學(xué)畢業(yè)生，用自己掌握的技能來創(chuàng)造更加美好的未來。 參考文獻1 李輝,孫權(quán),白成磊,張奇良.基于AVR單片機的智能小

48、車設(shè)計J.才智，2011，第29期：372 梁啟成.談?wù)剢纹瑱C入門學(xué)習(xí)J.教育教學(xué)論壇,2012,第3期:74-763 程紅躍，吳三元.用AVR單片機設(shè)計無線鍵盤接口J.CJFD收錄刊，2009年09期4 陳群挺.基于AVR單片機的直流無刷電機控制系統(tǒng)的設(shè)計J.科技致富向?qū)В?011年20期5 李群芳,張士軍等.單片微型計算機與接口技術(shù)M.第三版.電子工業(yè)出版社,20086 周興華.手把手教你學(xué)AVR單片機C程序設(shè)計.北京航空航天大學(xué)出版社，20097 張肅文.高頻電子線路M.5版.高等教育出版社，20098 AVR單片機開發(fā)從入門到精通M.中國電力出版社，20069 蘇小紅.C言大學(xué)實用教程

49、M.電子工業(yè)出版社，200710 樊昌信.通信原理教程M.電子工業(yè)出版社,200811 郭天祥.AVR單片機C語言教程M.電子工業(yè)出版社,200912 金明日.淺談單片機抗干擾技術(shù)J.科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2012，第10期：3813 晉會杰,楊娜.單片機硬件抗干擾方法研究J.電子世界,2012,第5期：98-9914 李長林等.AVR單片機應(yīng)用設(shè)計M.電子工業(yè)出版社,200515 欒兵.淺談單片機硬件設(shè)計需要注意的問題J.中國科技縱,2012，第2期附錄A 系統(tǒng)硬件電路圖附錄A1無線發(fā)射電路圖附錄A2無線接收電路圖附錄B程序清單附錄B1遙控接收部分程序清單#include<iom16v.h&

50、gt;#include <macros.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define RX_ADR_WIDTH 5 #define RX_PLOAD_WIDTH 5 uchar RX_ADDRESSRX_ADR_WIDTH = 0x34,0x43,0x10,0x10,0x01;#define TX_ADR_WIDTH 5 #define TX_PLOAD_WIDTH 5 uchar TX_ADDRESSTX_ADR_WIDTH = 0x34,0x43,0x10,0x10,0x01;/-/spi標(biāo)志#def

51、ine DDR_SPI DDRB#define DD_MOSI 5#define DD_SCK 7#define DD_SS 4/-NRF24L01接口定義-/-/#define NRF24L01_MISO PB6 /輸入0 #define Hign_24L01_MISO PORTB|=(1 << PB6)#define Low_24L01_MISO PORTB &= (1 << PB6)#define Read_24L01_MISO PINB & (1 << PB6)/#define NRF24L01_MOSI PB5 /輸出1#defin

52、e Hign_24L01_MOSI PORTB |= (1 << PB5) #define Low_24L01_MOSI PORTB &= (1 << PB5)#define Read_24L01_MOSI PINB & (1 << PB5)/#define NRF24L01_SCK PB7 /輸出1#define Hign_24L01_SCK PORTB |= (1 << PB7) #define Low_24L01_SCK PORTB &= (1 << PB7) #define Read_24L01_SCK

53、 PINB & (1 << PB7);/#define NRF24L01_CSN PB4 /輸出1#define Low_24L01_CSN PORTB &= (1 << PB4)#define Hign_24L01_CSN PORTB |= (1 << PB4)/#define NRF24L01_CE PB3 /輸出1#define Hign_24L01_CE PORTB |= (1 << PB3) #define Low_24L01_CE PORTB &= (1 << PB3) #define Read_24L01_CE PINB & (1 << PB3)/SPI(nRF24L01) commands#define READ_REG 0x00 #define WRITE_REG 0x20 #define RD_RX_PLOAD 0x61 #define WR_TX_PLOAD 0xA0 #define FLUSH_TX 0xE1 #