电子信息类红外线控小车设计论文

电子信息类红外线控小车设计论文

　　论文关键字：单片机89C51 脉宽调制 直流电机 LED显示

　　论文摘要：本课题组设计制作了一款具有智能功能的小车，功能强大。小车具有以下几个功能：可遥控小车的车速，方向，可按喇叭，小车的状态用LED和数码管显示。 而小车的车速和转的方向则是通过直流控制电机的正转反转和转速来控制，以及PWM的占空比通过转换成二进制显示在数码管上以显示小车的车速。而本文即是设计了用89C51和74HC138等控制的直流电机实现脉宽调制（PWM）调速系统，硬件电路实现了小车正转，反转，加速，减速的功能，给出了程序流程图程序及仿真结果。

　　1目的及意义

　　大学毕业实习是完整大学生活的一部分，是本科学生毕业前的一个重要的实践教学环节，是成长为一名高级专门技术人才所得到专门实践训练的重要手段。通过毕业实习可以使学生在毕业前有一定的职业意识、职业素养、职业经验，可以使学生能较深入地了解本专业的生产技术、生产过程和知识，进一步加深对所学专业理论知识的理解，进一步熟悉实际产品研发的方法与过程，培养学生分析问题、解决问题的能力以及工程实际能力，为实际工作打下良好基础。

　　（1）巩固、联系、充实、加深、扩大所学知识基础理论和专业知识；

　　（2）提高运用所学知识来解决实际问题的能力；

　　（3）初步掌握专业设计工作的流程和方法；

　　（4）学习体会典型电子产品项目开发团队的角色构成及团队角色协同工作技巧；

　　（5）学习典型的电子产品开发技术；

　　（6）学习体验课堂理论知识在实际工程项目中的应用，积累项目实战经验；

　　（7）感受电子产品研发对学生知识结构、技术技能、综合素质的要求；

　　（8）加速由学生向员工的身份转变，增强同学的就业能力和信心；

　　（9）学习体会电子产品企业规范化、专业化、标准化、规模化的电子产品设计、开发流程、典型开发团队中人员角色设置。

　　2实习任务及要求

　　实习题目：红外遥控小车

　　实习具体要求：

　　(1) 可遥控小车的车速、方向、可按喇叭，同时小车的状态用LED灯和数码管显示。

　　(2) 独立查资料，同时订立方案，然后画出原理图及其相应的PCB板，并且相关的程序并进行仿真。

　　(3) 焊接电路板，下载源程序进行调试。

　　3实习时间及地点

　　实习时间：2010年3月2日～2010年3月19日（3周）

　　实习地点：西华大学电气信息学院专业实验中心

　　4实习情况及完成情况

　　4.1主要芯片介绍

　　MCS—51系列单片机及其特点            

　　（1）可靠性高：

　　因为芯片是按测控要求设计的，故抗干扰的能力优于PC机。系统软件（如：程序指令，常数，表格）固化在ROM中，不易受到破坏。许多信号的通道均在一个芯片内，故运作时系统稳定可靠。

　　（2）便于扩展：

　　片内具有正常运行所必需的部件，片外有很多供扩展用的（总线，并行和串行的输入/输出）管脚，很容易组成一定规模的系统。

　　（3）控制功能

　　具有丰富的控制指令：如：条件分支转移指令，I/O口的操作指令，未处理指令。

　　（4） 使用性好

　　体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。

　　单片机的发展简介

　　（1）第一阶段（1971年到1978年），以MCS-48系列为代表，称4位单片机。在片内：CPU有四位或8位，ROM有4KB或8KB,RAM有64B或128B,只有并行接口，无串行接口，只有一个8位的定时/计数器，中断源只有两个。在片外，寻址范围只有4K,芯片引脚只有40个。

　　（2）第2阶段（1978年到1983年），以MCS-51系列为代表的成为8为单片机：在片内：CPU有8位，ROM有4KB或8KB,RAM有256B或128B,只有并行接口，有串/并行接口，有2个或3个16位的定时/计数器，中断源有5个至7个。在片外：寻址范围有64KB，芯片引脚有40个。

　　（3）第3阶段（1983以后），以MCS-96系列为代表，称16位单片机。在片内：CPU有16位，ROM有8KB,RAM有232B,有串/并行接口，有4个16位的定时器，中断源有8个，增加了D/A和A/D转换电路。在片外：寻址范围有64KB，芯片引脚有48个或68个。

　　以上MCS-51系列以及优良的性价比，在我过得到了广泛的应用。

　　4.2硬件模块的设计

　　在本次的设计中，我们涉及的硬件模块主要包括电源电路、串口电路、晶振电路、复位电路、显示电路以及红外收发电路组成。整体的组成框图如图4.1所示：

　　SHAPE  \* MERGEFORMAT

　　图4.1 硬件组成框图

　　4.2.1电源电路的设计

　　这次的设计我们选择用USB接口供电的电路图，是因为用USB接口供电比较方便，并且在此次的设计中，USB仅作供电用，不参与与PC机的数据传输。

　　在电路设计中，用LED灯来显示电路是否通电，用一个开关制电源的通与断。电源电路如图4.2所示：

　　图4.2 电源电路

　　4.2.2串口电路

　　RS-232C是美国电气协会推广使用的一种串行总路线标准，是DCE(数据通信设备，如微机)和DTE(数据终端设备，如CRT)间传输串行数据的接口总线。RS-232C最大传输距离为15m，最高传输速率约20kbps，信号的0电平为+3V～+15V。逻辑1电平为-3V～-15V。RS-232信号线和DB-9引脚关系如表4.1所示。

　　表4.1 RS-232管脚功能表

　　该产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。由于电脑串口rs232电平是-10v +10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是ttl电平0 +5v,max232就是用来进行电平转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器将TTL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。MAX232是电荷泵芯片，可以完成两路TTL/RS-232电平的转换，它的的9、10、11、12引脚是TTL电平端，用来连接单片机的。

　　在设计中，若要使单片机和上位机进行，则必须要考虑接口电路。由于单片机通过串口发送出来的是TTL电平（0V和5V），而RS-232总线上输入、输出数据和控制信号为+12V左右的电压，单片机要和PC的上位机通信就必须是电平一致，所以发送部分关键的部分是电平转换和串口发送，电平转换可以用模拟器件进行转换，但是为了方便起见，本次设计采用的是集成芯片，一个芯片加上它的外围电路即可完成电平的转换的工作。结构简单、方便容易，精确度高。本次所采用的是MAX232，我们要对其外围电路进行设计。

　　MAX232是标准的串口通信接口，对于一般的双向通讯，只需要使用串行输入口RXD(第3脚)、串行输出TXD(第2脚)和地线（第7脚）。该电路主要将TTL电平转换为RS232电平注意：单片机的晶振选11.0592MHz，主要是让其串口通信的初试化波特率时可更接近9600。MAX232逻辑电平的规定如表4.2，  其电路如图4.3所示。

　　表4.2 逻辑电平表

　　图4.3 串行通讯电路

　　4.2.3晶振电路的设计

　　晶体震荡电路是为单片机提供稳定的11.0592MHZ的频率。其电路图如图4.4所示：

　　图4.4晶振电路

　　4.2.4复位电路的设计

　　复位电路可以在单片机不正常工作时，让其复位，使其跳出错误的循环，重新开始进行新的运行。本次设计采用了如图4.5的设计。

　　图4.5 复位电路

　　4.2.5显示电路的设计

　　此次设计我们要用到数码管显示电路和LED灯的显示电路用以显示小车状态。数码管显示电路采用74LS138译码器来选择控制数码管的显示，通过PNP三极管对输出信号进行放大来驱动数码管的显示。数码管采用共阳极，显示数据信息通过P2口传输给数码管，这样就能完成数码管对小车状态的显示功能，其电路图如图4.6所示：

　　图4.6 数码管显示电路

　　此次电路设计的显示小车状态的电路还有LED显示电路，LED显示电路采用74HC573锁存器将P0口传来的数据用以控制LED灯的亮灭，其电路图如图4.7所示：

　　图4.7 LED显示电路

　　4.2.6红外收发电路的设计

　　该模块使用一体化红外接收头，其电路如图4.8所示。瓷片电容为去耦电容，DOUT即是解调信号的输出端，直接与单片机的P3.7口相连。有红外编码信号发射时，输出为检波整形后的方波信号，并直接提供给单片机。

　　图4.8 红外收发电路

　　4.3软件的设计

　　要对然间进行设计，首先我们应该考虑到红外接收的波形，在熟悉了红外接收的波形的基础上，才好更进一步的对然间进行设计。图4.9是这次设计所用的遥控板的红外接收信号的波形图：

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　　图4.9 红外接收波形图

　　在搞清楚了红外接收波形的原理以后，下面我们就可以开始设计本设计的程序了，图4.10是本次设计的软件流程图：

　　该流程图设计了P3.7口是否接收到低电平的判断程序,解码程序,遥控执行程序等主要的软件模块。

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　　图4.10 软件流程图

　　4.4系统调试

　　系统调试包括硬件调试和软件调试两部分。

　　4.4.1硬件调试

　　在完成了电路板的焊接之后,我们首先要做的是硬件的调试。我们将电路板通过USB接上电源后，电源的显示灯亮了，这表示此电路板已通上电了，把电源处的开关按下之后，指示灯熄灭，这表示此时可以通过电源处的开关来给电路板供电。

　　然后分别按下与单片机相连的八个开关，对应的LED灯也都亮了，除了第四个灯没亮之外。因此我么就用万用表分别挨着侧了一下与这个LED相关的器件，发现是LED接反了，将其接正了之后，此LED就能正常显示了。由于这个电路比较简单，在加上我们焊接板子的时候比较仔细，因此在硬件调试的时候没有发现电路板有什么大的错误。

　　4.4.2软件调试

　　Keil C是重要的软件仿真软件，对软件的编写有着重要的作用。

　　Keil C51 Vision2集成开发是Keil Software，Inc/Keil Elektronik GmbH开发的基于80C51内核的微处理器软件开发平台，内嵌多种符合当前标准的开发工具，可以完成从工程建立到、编译、链接、目标代码的生成、软件仿真、硬件仿真等完整的开发流程尤其是C编译工具在产生代码的准确性和效率方面达到了较高的水平，而且可以附加灵活的控制选项，在开发大型项目时非常理想。Keil C51集成开发环境的主要功能有以下几点：

　　Vision2 for Windows：是一个集成开发环境，它将项目管理、源代码编辑和程序调试等组合在一个功能强大的环境中；

　　C51国际际准化C交叉编译器：从C源代码产生可重定位的目标模块；

　　A51宏汇编器：从80C51汇编源代码产生可重定位的目标模块；

　　BL51链接器/定位器：组合由C51和A51产生的可重定位的目标模块，生成绝对目标模块；

　　LIB51库管理器：从目标模块生成连接器可以使用的库文件；

　　OH51目标文件至HEX格式的转换器，从绝对目标模块生成Intel Hex文件；

　　RTX-51实时操作系统：简化了复杂的实时应用软件项目的设计。

　　这个工具套件是为专业软件开发人员设计的，但任何层次的编程人员都可以使用，并获得80C51单片机的绝大部分应用。

　　Keil Software提供了一流的80C51系列开发工具软件，下面描述每个套件及其内容：

　　⑴PK51专业开发套件。PK51专业开发套件提供了所有工具，适合专业开发人员建立和调试80C51系列微控制器的复杂嵌入式应用程序。专业开发套件可针对80C51及其所有派生系列进行配置使用。

　　⑵DK51开发套件。DK51开发套件是PK51的精简版，它不包括RTX51 Tiny实时操作系统。开发套件可针对80C51及其所以派生系列进行配置使用。

　　⑶CA51编译器套件。如果开发者只需要一个C编译器而不需要调试系统，则CA51编译器套件就是最好的选择。CA51编译器套件只包含Vision2 IDE集成开发环境，CA51不提供Vision2调试器的功能。这个套件包括了要建立嵌入式应用的所有工具软件，可针对80C51及其所有派生系列进行配置使用。

　　⑷A51汇编器套件。A51汇编器套件包括一个汇编器和创建嵌入式应用所需要的所有工具。它可针对80C51及其所有派生系列进行配置使用。

　　⑸RTX51实时操作系统（FR51）。RTX51实时操作系统是80C51系列微控制器的一个实时内核。RTX51 Full提供RTX51 Tiny的所以功能和一些扩展功能，并且包括CAN协议接口子程序。

　　一下是用KEIL C 运行本实验程序的结果如图4.11所示：

　　图4.11 软件调试图

　　将用KEILC仿真程序所生成的HEX文件通过串行下载到单片机上之后，通过遥控板的控制，就可以实现此次设计的功能：按方向键的时候，相应的LED亮，按档位键的时候，数码管分别显示1、2、3，同时led还要闪烁。

　　5产品的功能及指标参数

　　本次实习产品是红外遥控小车，小车的功能：

　　(1)显示小车的方向，车速，分别用LED灯和数码管显示了其状态；

　　(2)当遥控板按下方向键时，相应的LED灯会亮，以此表示小车的前行方向；

　　(3)当按下遥控板的档位键时，数码管会分别显示相应的车速1、2、3，同时伴随着LED灯的闪烁，以此表示小车在变速。

　　6与体会

　　通过三周的努力我们设计出了红外遥控小车的设计、制作和调试的任务。虽然没有真正的小车实物，但我们用了数码管和LED灯来代替了小车的状态，通过遥控板对其进行了控制。

　　在设计的过程中用到了单片机，用到了Protel 99se。在Protel的界面中找到单片机芯片，画出电源电路，复位电路，晶体振荡电路，LED接口电路连线后实现PCB的转换。做课程设计是为了让我们对平时学习的理论知识与实际操作相结合，在理论和实验教学基础上进一步巩固已学基本理论及应用知识并加以综合提高，学会将知识应用于实际的方法，提高分析和解决问题的能力。在做课程设计的过程中，我深深地感受到了自己所学到知识的有限，明白了只学好课本上的知识是不够的，要通过和互联网等各种渠道来扩充自己的知识。同时我认为我们的工作是一个团队的工作，团队需要个人，个人也离不开团队，只有在充分的分工合作中才可以事半功倍做到最好，所以必须发扬团结协作的精神。

　　此次任务中主要做了下面几点较突出的工作：

　　（1）通过查阅大量的相关资料，详细了解了红外遥控系统的原理，明确了研究目标。

　　（2）通过本次毕业实习进一步加深了对专业软件的了解，并能够灵活运用Protel 99se。

　　（3）通过此次毕业实习重新复习并进一步学习了单片机；熟练掌握了WORD软件的使用。

　　同时此次实习中也存在很多的问题，特别是软件方面对程序的编写还比薄弱，编写出的程序还不能完全实现预期的目标。通过这次设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。有了这次的设计经验，相信在以后的学习设计实践过程中，我们可以做到更好。

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