基于陀螺仪的遥控小车的设计毕业论文.doc
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1、学号: 10463324 常 州 大 学 毕业设计(论文)(2014届)题 目 基于陀螺仪的遥控小车的设计 学 生 学 院 怀德学院 专 业 班 级 电气101 校内指导教师 专业技术职务 讲师 校外指导老师 专业技术职务 二一四年三月基于陀螺仪的遥控小车的设计摘 要:该文设计了一款四驱小车的遥控系统。遥控板以STC12C5A60S2单片机为控制核心,MMA7361模块来采集遥控板的倾斜角度,NRF905模块进行无线传输。小车系统采用的是NRF905进行接收遥控板的指令,通过单片机进行数据处理,并且用L298N电机驱动来带动电机从而使四驱小车行驶。遥控板系统倾斜角度采集使用的是MMA7361传
2、感器,它相对于目前水银开关的倾斜角度采集,具有角度测量精度高、安全、性能可靠等特点。无线传输采用的是NRF905模块,并且通过软件加密进行传输,使用起来更安全,并且抗干扰能力强。电机驱动采用的是L298N驱动,一个驱动模块能够驱动两个电机,相对于目前主流的BTS驱动来说单个驱动数量多,并且驱动能力足够。实验结果表明,该设计具有成本低、可靠性高、角度精度高、安装调试方便等特征,非常适用于四驱车制造厂商,提高市场竞争力,具有较好的应用前景。关键字:陀螺仪;无线传输;电机驱动Design of the smart car which is based on GyroscopeAbstract:In
3、this paper, an intelligent control system for Gyroscope car was designed. Remote control panels regard the STC12C5A60S2 microcontroller as core and use the MMA7361 to capture the remote board tilt angle. Remote control panels use the NRF905 to wireless transmission. The car system is using the NRF90
4、5 to receiving control instruction , process data by STC89C52 microcontroller and drive the motor with L298N.The remote control system use the MMA7361 sensor to acquisition tilt angle, it is relative to the current tilt angle of the mercury switch acquisition, has the characteristics of high precisi
5、on of angle measurement, safety, reliable performance. The wireless transmission is used in NRF905 module, and its safe to transmission by the software encryption, and strong anti-interference ability. The motor drive is by the L298N. One module can drive two motors. Relative to the current mainstre
6、am BTS driver is a number of single drive.The experimental results show that, this design has the advantages of low cost, high reliability, high precision, convenient installation and debugging of features. Its very suitable for car manufacturers to improve market competitiveness and it has a good a
7、pplication prospect.Keywords: gyroscope; wireless transmission; motor drive目 录摘 要I1 引 言11.1课题的开发背景和意义11.2基于陀螺仪的遥控小车的设计的研究现状11.3课题任务12 系统分析与总体方案设计32.1系统的基本原理32.2基于陀螺仪的遥控小车的设计的整体设计32.3遥控板倾斜角度的测量方案32.4无线传输方案42.5电机驱动方案53 系统硬件电路设计63.1 单片机63.1.1功能描述63.1.2特点63.1.3引脚功能63.1.4最小系统电路83.2倾斜角度采集电路83.2.1 MMA7361芯
8、片功能83.2.2 MMA7361引脚功能93.2.3 MMA7361采集角度电路93.3无线传输电路设计103.3.1主要特点103.3.2 引脚功能103.3.3 发送接收电路113.4驱动电路设计113.4.1 L298N集成芯片介绍113.4.2 L298N的工作原理123.4.3 L298N引脚功能123.4.4电机驱动与控制电路134 软件设计144.1主程序设计144.2 MMA7361采集程序设计144.3无线通讯程序设计154.4电机控制程序设计164.5 LED显示程序175 系统调试185.1 MMA7361角度采集调试185.2 实物展示196 展望217 结论22参考
9、文献23致谢24附录A25附录B261 引 言1.1课题的开发背景和意义国外遥控车辆的研究历史较长,始于上世纪50年代。它的发展历程大致分为三个阶段:第一阶段 20世纪50年代是遥控车辆研究的初始阶段。1954年美国Barrett lectronics公司研究开发了世界上第一台自主导航车系统AGVS。第二阶段 从80年代中后期开始,世界主要发达国家对遥控车辆开展了卓有成效的研究。在欧洲,普罗米修斯项目开始在这个领域的探索。在亚洲日本成立了高速公路先进巡航研究会。第三阶段 从90年代开始,遥控车辆进入深入、系统、大规模研究阶段。最为突出的是,美国卡内基梅隆大学机器人研究所一共完成了Navlab系
10、列的10台自主车的研究,取得了显著成就。当然遥控车还可以作为小孩子的玩具。美国玩具协会的调查统计,近年来全球玩具销量增幅与全球平均GDP 增幅大致相当。而全球玩具市场的内在结构比重却发生了重大变化:传统玩具的市场比重正在逐步缩水,高科技含量的电子玩具则蒸蒸日上。美国玩具市场的高科技电子玩具的年销售额2004年较2003年增长52%,而传统玩具的年销售额仅增长3%。英国玩具零售商协会选出的2001圣诞夜最受欢迎的十大玩具中,有七款玩具配有电子元件。生活中遥控小车不仅仅可以作为小孩的玩具还可以用到一些更重要的场合。一些存在安全隐患但是人不宜靠近的地方,我们可以用遥控小车去排除这些隐患。比如现在美国
11、等发达国家已经将这种小车运用到警方拆除爆破装置。还比如说化工厂一些有毒原料泄露,我们可以用遥控小车去现场勘查情况,然后人们根据当前的情况来制定措施,这样就能更快更安全的解决隐患。1.2基于陀螺仪的遥控小车的设计的研究现状工业无线遥控小车起源于美国。由于政府对无线遥控小车的资助以及相关技术的推动作用,日本、美国、德国等工业大国在遥控无线遥控小车技术上占据着明显优势,新崛起的韩国在无线遥控小车的研发方向也逐渐走向前沿。我国的无线遥控小车的研发工作起始于20世纪70年代末,在国家“863”“973”“九五攻关”等高技术发展计划的重点支持下,取得了重大的发展。从上世纪80年代开始国内已经开始大范围地进
12、行有关无线遥控小车的研究。经过20多年的发展,国内在应用、研发方面已经发展的比较好。但是跟发达国家相比,还存在一定的差距。1.3课题任务设计一个基于陀螺仪的无线遥控小车,用陀螺仪作为遥控器的倾斜角度采集传感器,通过无线将遥控板的指令发送到小车上,小车通过STC89C52单片机进行指令处理,并且通过电机驱动来驱动电机从而带动小车行驶。设计的主要要求如下:实现小车的前进、后退、加速、减速、左转、右转。2 系统分析与总体方案设计2.1系统的基本原理本设计主要由陀螺仪来采集遥控板的倾斜角度,通过无线射频模块将指令发送到小车上面,小车接收到指令通过单片机进行处理,再根据指令来驱动电机,从而带动小车完成相
13、应动作。2.2基于陀螺仪的遥控小车的设计的整体设计基于陀螺仪的遥控小车的设计由4部分组成:1、数据采集模块,实现遥控板的倾斜角度采集,是控制器核心部分。2、信息处理单元,用单片机作为信息处理单元,实现对数据的采样及数据分析运算,并发出控制指令。3、无线传输模块,将遥控板的指令传输到小车。 4、控制单元,控制单元主要由电机驱动组成,实现对小车的控制。控制系统框图如图2.1所示。图2.1 总体方案设计图图2.1中陀螺仪采集遥控板的倾斜角度并将数据送到MCU进行数据处理,然后通过无线模块将指令发送到小车的MCU上面,再根据指令来驱动电机正反转,来带动小车前进后退左转弯右转弯的操作。2.3遥控板倾斜角
14、度的测量方案1陀螺仪测量方案图2.2 陀螺仪测量方案示意图陀螺仪测量方案如图2.2所示。陀螺仪的工作方式是把角度的变化转变成内部电压的变化,再将电压传送到引脚,我们只需要用AD芯片将电压输出端口的电压变化进行采集,即可以通过电压值的变化来判断陀螺仪被倾斜的角度,在做设计前先做好一些校验,比如倾斜在某个角度的时候然后采集当前的电压值,作为一个基准,然后再倾斜一点,再来采集电压值,这样两个电压值作比较,这样可以根据一定的比例来判断倾斜的角度。2.水银开关测量方案图2.3 水银开关剖析图水银开关测量方案如图2.3所示。因为重力的关系,水银水珠会向容器中较低的地方流去,如果同时解除到两个电极的话,开关
15、便会将电路闭合,开启开关。容器的形状亦影响水银水珠解除电极的条件,例如邮包炸弹使用的会是倒V字型的,令收件人在不知情的情况下倾侧邮包,闭合电路,制动爆炸,但送件人则不会。但是水银对人体及环境均有毒害,因此使用水银开关时,务必小心谨慎,以免破出;在不再使用时,也应该妥善处理。相比较方案2,方案1的优点有:稳定、安全、便于开发、利用价值大这几个优点,当然可能没有方案2简洁,但是方案2是利用的是水银,都知道水银对人体有一定危害,不慎将水银开关弄坏水银接触到皮肤会非常的危险。本次小车的设计必须要安全并且稳定,因此我选择了方案1。2.4无线传输方案1加密传输方案图2.4 加密无线传输方案示意图加密传输如
16、图2.4所示。加密无线传输就是先将上面陀螺仪采集的值进行编码,然后通过NRF905无线模块将当前的编码发送到小车上的NRF905无线模块,然后小车上面的单片机经过解码得到当前遥控板的操作指令。2不加密传输方案图2.5 不加密无线传输方案示意图不加密传输如图2.5所示。不加密无线传输就是先将上面陀螺仪采集的值直接通过NRF905传输到小车上的NRF905模块然后小车上面的单片机得到当前遥控板的操作指令。综合上面两种方案我选择了方案1,因为无线传输存在一定的干扰性,所以用加密传输是非常好的,而且抗干扰也很强,因此选择了方案1。2.5电机驱动方案1L298N驱动模块L298N能够承受的最高电压能够达
17、到48V而且输出电流大,瞬间峰值电流能够达到3A,持续工作电流为2A,额定功率达到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机、步进电机和继电器线圈等感性负载。该模块采用逻辑电平信号控制;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。该芯片可以驱动两个直流电机。2BTS7971驱动BTS7971是应用于电机驱动的大电流板桥高集成芯片,它带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道低边MOSFET和一个驱动IC。集成的IC具有逻辑电平出入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护功能。BTS7971通态电阻
18、典型值为16mQ,驱动电流可达到43A。一个BTS7971芯片能够驱动一个直流电机。综合上面两种驱动方案选择了方案1,因为方案1中一个驱动模块能够驱动两个直流电机,基于陀螺仪的遥控小车设计的小车有四个电机,因此需要两个模块,如果用了方案2那么就需要用到4个BTS7971价格贵,虽然驱动能力比方案1好,但是方案1的驱动能力小车用已经足够了,因此我选择了方案1。3 系统硬件电路设计硬件电路是系统的核心。系统的硬件电路采用的是STC89C52单片机作为核心处理器,NRF905模块作为无线传输,MMA7361作为角度采集以及L298N作为电机驱动。3.1 单片机STC89C52是遥控小车的核心处理器。
19、它完成的主要工作包括:接收到MMA7361采集到的角度进行加密传输;小车上面的单片机在接收遥控命令并解析;控制4个电机的正反转。下面对STC89C52进行详细的介绍。3.1.1功能描述STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核,但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能: 8k字节Flash,512字节RAM, 3
20、2 位I/O 口线,看门狗定时器,内置4KB EEPROM,MAX810复位电路,3个16 位定时器/计数器,4个外部中断,一个7向量4级中断结构(兼容传统51的5向量2级中断结构),全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU 停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz,6T/12T可选。3.1.2特点STC89C52具有以下几个特点:1、 增强型的8051单片机,6时钟/机器周期和12时钟
21、/机器周期可以选择,指令代码完全兼容8051。2、 工作电压:5.5V3.3V(5V单片机)/3.8V2.0V(3V单片机)。3、 用户应用程序空间为8K字节。4、 片上集成512字节RAM。5、 通用I/O口32个,P1P2P3是准双向口/弱上电,P0口是漏极开路输出作为总线扩展用是不需要加上拉电阻,作为I/O口用时,需加上拉电阻。6、 具有EEPROM功能。7、 具有看门狗功能。8、 共3个16位定时器/计数器。即T0、T1、T2。9、 外部中断4路,下降沿中断或低电平触发电路。3.1.3引脚功能图3.1是STC89C52单片机的引脚图。图3.1 单片机引脚图07脚:通用I/O接口P1.0
22、P1.7。8脚:RST复位键。9 ,10脚:RXD串口输入,TXD串口输出。1118:I/OP3接口 (12,13脚为INT0中断0和INT1中断1)。13,14:计数脉冲T0 T1。15,16:WR写控制 RD读控制输出端。17,18:晶振谐振器。19:地线。2027:P2 接口高8位地址总线。28: PSEN片外rom选通端,单片机对片外rom操作时。29:ALE/PROG 地址锁存器。30:EA rom取指令控制器,高电平片内取,低电平片外取。3139:P0.7P0.0(注意此接口的顺序与其他I/O接口不同 与引脚号的排列顺序相反)。39:电源+5V。3.1.4最小系统电路图3.2 单片
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