四輪驅(qū)動(dòng)的無線遙控智能車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

四輪驅(qū)動(dòng)的無線遙控智能車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),四輪驅(qū)動(dòng),無線,遙控,智能,設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn) 本次設(shè)計(jì)的小車?yán)盟欧C(jī)驅(qū)動(dòng)，單片機(jī)控制的。小車為機(jī)器人的雛形，由于使用伺服機(jī)控制，其動(dòng)作的精度非常高，用途非常的廣泛，比如可用于較窄的人無法進(jìn)入的管道進(jìn)行查看，像下水管道，大型工廠的排線管道，軍事上的排除炸彈等等。 一、小車系統(tǒng)介紹 控制系統(tǒng)原理如圖1所示： 圖1 電氣控制圖 伺服機(jī)控制系統(tǒng)的控制電路分為以下幾部分： （1）單芯片89C51 控制部分的核心元件,采用89C51。 （2）伺服機(jī)的接口 伺服機(jī)的接口所示如圖2。 圖2 伺服機(jī)接口 圖3 按鍵電路 為伺服機(jī)提供電源。 （3）控制按鍵電路 按鍵電路如圖3所示。 用來控制小車前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)。 （4）電源電路 圖4 電源電路 圖5 晶振電路 圖6 復(fù)位電路 電源電路如圖4所示。 為單片機(jī)和伺服機(jī)提供電源。 （5）晶振電路 晶振電路如圖5所示。 為單片機(jī)提供脈沖，晶振頻率范圍為1.2～33HZ。 （6）復(fù)位電路 復(fù)位電路如圖6所示。 使單片機(jī)復(fù)位。 二、89C51單片機(jī)的組成 1.中央處理器CPU 中央處理器簡稱CPU，是單片機(jī)的核心，用于完成運(yùn)算和控制操作。中央處理器包括運(yùn)算器和控制器兩部分電路。 （1）運(yùn)算電路 運(yùn)算電路是單片機(jī)的運(yùn)算部件，用于實(shí)現(xiàn)算術(shù)和邏輯運(yùn)算。算術(shù)邏輯單元ALU、累加器、B寄存器、程序狀態(tài)字和兩個(gè)暫存寄存器等都屬于運(yùn)算器電路。 運(yùn)算電路以ALU為核心，基本的算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算均在其中進(jìn)行，包括加、減、乘、除、增量、減量、十進(jìn)制調(diào)整、比較等算術(shù)運(yùn)算，“與”、“異或”等邏輯運(yùn)算，左、右移位和半字節(jié)交換等操作。 （2）控制電路 控制電路是單片機(jī)的指揮控制部件，保證單片機(jī)各部分能自動(dòng)而協(xié)調(diào)地工作。程序計(jì)數(shù)器、PC加1寄存器、指令寄存器、指令譯碼器、定時(shí)控制電路以及振蕩電路等均屬于控制電路。 1. 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器包括RAM（128*8）和RAM地址寄存器，用于存放可讀/寫的數(shù)據(jù)。實(shí)際上80C51芯片中共有256個(gè)RAM單元，但其中后128個(gè)單元為專用寄存器，能作為普通RAM存儲(chǔ)器供用戶使用的只是前128個(gè)單元。因此，通常所說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是指前128個(gè)單元，簡稱“內(nèi)部RAM”。 2．內(nèi)部程序存儲(chǔ)器 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器包括ROM（4K*8）和程序地址寄存器等。80C51共有4KB掩膜ROM，用于存放程序和原始數(shù)據(jù)，因此稱之為程序存儲(chǔ)器，簡稱“內(nèi)部ROM” 3．定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 由于控制應(yīng)用的需要，80C51共有兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1表示，用于實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)功能，并以其定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制。 4. 并行I/O口 80C51共有4個(gè)8位并行I/O（P0、P1、P2、P3），以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入/輸出。 三．89C51單片機(jī)的封裝與信號(hào)引腳 1.芯片封裝形式 80C51有40引腳雙列直插式DIP和44引腳方形扁平式QFP共兩種封裝形式。其中雙列直插式封裝芯片的引腳排列及芯片邏輯符號(hào)如圖7所示。 圖7 89C51芯片 2.芯片引腳介紹 P0.0~P0.7 P0口8位雙向口線 P1.0~P1.7 P1口8位雙向口線 P2.0~P2.7 P2口8位雙向口線 P3.0~P3.7 P3口8位雙向口線 地址鎖存控制信號(hào)ALE 在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)可作為外部時(shí)鐘或外部定時(shí)脈沖使用。 外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)PSEN非 在讀外部ROM時(shí)PSEN非有效（低電平），以實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。 訪問程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)EA非 當(dāng)EA非信號(hào)為低電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作室針對(duì)外部程序存儲(chǔ)器的；而當(dāng)EA非信號(hào)為高電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開始，并可延續(xù)至外部程序存儲(chǔ)器。 復(fù)位信號(hào)RST 當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù)2個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)即為有效，用于完成單片機(jī)的復(fù)位操作。 外接晶體引線端XTAL1和XTAL2 當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，XTAL1和XTAL2用于外接石英晶體諧振器和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于接入外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。 地線Vss· +5V電源Vcc 3.控制鍵盤電路 鍵盤是單片機(jī)不可缺少的人機(jī)交互設(shè)備，鍵盤上的鍵猶如一個(gè)機(jī)械開關(guān)，手按下鍵閉合，手放開鍵釋放。單片機(jī)系統(tǒng)中通常使用的鍵盤是價(jià)格便宜的非編碼矩陣式鍵盤。矩陣式鍵盤的鍵排列成矩陣形式，在行與列的每個(gè)交點(diǎn)上對(duì)應(yīng)有一個(gè)鍵。 4.消除抖動(dòng) 由于按鈕是機(jī)械觸點(diǎn)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時(shí)，會(huì)有抖動(dòng)，輸入端的波形。這種抖動(dòng)對(duì)于人來說是感覺不到的，但對(duì)計(jì)算機(jī)來說，則是完全能感應(yīng)到的，因?yàn)橛?jì)算機(jī)處理的速度是在微秒級(jí)，而機(jī)械抖動(dòng)的時(shí)間至少是毫秒級(jí)，對(duì)計(jì)算機(jī)而言，這已是一個(gè)漫長的時(shí)間了。就是說按鈕有時(shí)靈，有時(shí)不靈，其實(shí)就是這個(gè)原因，你只按了一次按鈕，可是計(jì)算機(jī)卻已執(zhí)行了多次中斷的過程，如果執(zhí)行的次數(shù)正好是奇數(shù)次，那么結(jié)果正如你所料，如果執(zhí)行的次數(shù)是偶數(shù)次，那就不對(duì)了。 為使CPU能正確地讀出P1口的狀態(tài)，對(duì)每一次按鈕只作一次響應(yīng)，就必須考慮如何去除抖動(dòng)，常用的去抖動(dòng)的辦法有兩種：硬件辦法和軟件辦法。單片機(jī)中常用軟件法。軟件法其實(shí)很簡單，就是在單片機(jī)獲得的信息后，不是立即認(rèn)定開關(guān)已被按下，而是延時(shí)10毫秒或更長一些時(shí)間后再次檢測，如果仍為低，說明開關(guān)的確按下了，這實(shí)際上是避開了按鈕按下時(shí)的抖動(dòng)時(shí)間。而在檢測到按鈕釋放后再延時(shí)5-10個(gè)毫秒。當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)按鈕的要求也是千差萬別，要根據(jù)不一樣的需要來編制處理程序，但以上是消除鍵抖動(dòng)的原則。 三．伺服電機(jī) 伺服機(jī)是在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)是可以連續(xù)旋轉(zhuǎn)的電機(jī)械轉(zhuǎn)換器。屬于功率很小的微特電機(jī)，以永磁式直流伺服電機(jī)和并激式直流伺服電機(jī)最為常用。伺服電機(jī)可控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確。 1．直流伺服電機(jī) 直流伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與輸入電壓成正比，并能實(shí)現(xiàn)正反向速度控制。具有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，調(diào)速范圍寬，機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度好，控制方便等優(yōu)點(diǎn)，但換向電刷的磨損和易產(chǎn)生火花會(huì)影響其使用壽命。近年來出現(xiàn)的無刷直流伺服電機(jī)避免了電刷摩擦和換向干擾，因此靈敏度高，死區(qū)小，噪聲低，壽命長，對(duì)周圍電子設(shè)備干擾小。而直流力矩伺服電機(jī)（即低速直流伺服電機(jī)）可在幾十轉(zhuǎn)/分的低速下，甚至在長期堵轉(zhuǎn)的條件下工作，故可直接驅(qū)動(dòng)被控件而不需減速。 2.伺服機(jī)的選擇 本次將利用無線電遙控飛機(jī).遙控船上一定會(huì)用到的伺服機(jī)當(dāng)作驅(qū)動(dòng)器，結(jié)合89C51單片機(jī)來設(shè)計(jì)一個(gè)簡易的伺服機(jī)控制系統(tǒng) ，此系統(tǒng)可以以簡易的電路連接配合驅(qū)動(dòng)器程序，可以精確的控制伺服機(jī)動(dòng)作，凡是需要以單片機(jī)控制想要拉動(dòng)或是做簡易的機(jī)械式傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)都可能有機(jī)會(huì)使用到它。 直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：電阻大，機(jī)械特性軟。線性；滑動(dòng)接觸；火花干擾；慣性大；體積大；相對(duì)價(jià)高。 本次采用的規(guī)格如圖8： 電壓 扭矩 速度 5V 44.4 oz-in. 0.23 sec/60° 6.0V 56.9 oz-in. 0.16 sec/60° 尺寸 重量 1.6 x 0.8 x 1.4 in. 1.3 oz. 圖8 伺服機(jī)規(guī)格圖 3．伺服機(jī)的改裝 一般玩具遙控模型店中所購得的標(biāo)準(zhǔn)伺服機(jī)只能轉(zhuǎn)動(dòng)180度，用途有限，為了做更多的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，經(jīng)幾個(gè)伺服機(jī)的改裝步驟，使伺服機(jī)可以轉(zhuǎn)動(dòng)360度，適合用于遙控車上作為推動(dòng)車論轉(zhuǎn)動(dòng)用。標(biāo)準(zhǔn)伺服機(jī)由于動(dòng)作角度有限，因此在機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸上有阻擋越位的凸點(diǎn)，同時(shí)也利用可變電阻的移位來偵測所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，了解起動(dòng)作原理后，要將起改裝為360度轉(zhuǎn)動(dòng)便不困難了。拆開伺服機(jī)在改裝前再仔細(xì)看其各個(gè)零件相關(guān)的特殊位置，特別是旋轉(zhuǎn)軸的凸點(diǎn)，及可變電阻的高度，是改裝過程中要修改的部分。 注意整個(gè)可變電阻高度已經(jīng)降下來了，因此當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)并不會(huì)帶動(dòng)可變電阻轉(zhuǎn)動(dòng)，使得回授信號(hào)為固定，當(dāng)送出控制信號(hào)后馬達(dá)可以一直往某個(gè)方向正轉(zhuǎn)或是反轉(zhuǎn)。 整個(gè)改裝步驟說明如下： （1） 將伺服機(jī)螺絲松開，小心取出各個(gè)部分零件及齒輪，并依序防止整齊，方便稍后組裝回去。 （2） 小型馬達(dá)要推出來時(shí)，要以小改錐稍微由外向內(nèi)施力推出，電路板比較脆弱，小心折斷。 （3） 以斜口鉗剪斷所示的凸點(diǎn)，并以小刀修平。 （4） 將變電阻用按入凹槽就可以了。 （5） 將改裝的零件結(jié)合各式齒輪完整組裝回去。 在改裝后凸點(diǎn)不見了，而可變電阻中間的旋轉(zhuǎn)柄降低了，因此在伺服機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)也不會(huì)帶動(dòng)可變電阻轉(zhuǎn)，因此控制器偵測不到端點(diǎn)，只要單片機(jī)不斷地送出適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)，便可以使伺服機(jī)不斷地正轉(zhuǎn)或是反轉(zhuǎn)一直持續(xù)下去，不會(huì)只轉(zhuǎn)動(dòng)180度便卡住了。 由于其體積小設(shè)計(jì)上采用特殊集成電路設(shè)計(jì)，在松開螺絲后小心將其零件分解，可以看到其內(nèi)部零件：（控制芯片、小型直流馬達(dá)、轉(zhuǎn)換齒輪、旋轉(zhuǎn)軸、回授可變電阻） 伺服機(jī)以5V電源便可以推動(dòng)，控制方式是以脈沖調(diào)制/解調(diào)的方式來控制。其外部3個(gè)引腳如下： 黑色：GND 地線 紅色：5V電源線（位置在中間） 白色：控制信號(hào) 四．小車底座組成 驅(qū)動(dòng)器：以改裝過的伺服機(jī)當(dāng)驅(qū)動(dòng)器件。 輪子：為了配合現(xiàn)成的伺服機(jī)機(jī)構(gòu)連接，以現(xiàn)成的飲料瓶蓋來改裝。 前輔輪：以現(xiàn)成的圓形物體代替。 連接座：用來固定伺服機(jī)用，以現(xiàn)成的“L”鐵座來連接。 車體底盤：以不銹鋼板來組裝。 螺絲包：做各部分零件的組裝及固定。 前輪改裝： 1.準(zhǔn)備兩塊長方形的鋁片 （長：8CM 寬：1.5CM） 2.一套四驅(qū)車導(dǎo)輪 3.兩個(gè)墊片 組裝成如圖9、圖10： 圖9 小車底部組裝圖 圖10 小車控制部分組裝圖 八．伺服車外形 電池使用4只，可用一般電池測試，但使用充電電池較省錢。左右伺服機(jī)接線會(huì)影響車子行進(jìn)方向，若方向不對(duì)請(qǐng)自行對(duì)調(diào)調(diào)整。由于車子采用后輪驅(qū)動(dòng)，因此重心要擺在后方，電池放在后方底座。 組裝成如圖11： 圖11 小車整體圖 一．小車工作流程圖 在主控程序循環(huán)中掃描是否有按鍵，若有按鍵則做相對(duì)應(yīng)的功能處理，若按下K1鍵車體做前進(jìn)展示，若按下K2鍵車體做后退展示，若按下K3鍵車體左轉(zhuǎn)展示，若按下K4鍵車體做右轉(zhuǎn)展示。所有按鍵動(dòng)作都是等按鍵放開來才開始執(zhí)行車體動(dòng)作。 小車工作流程圖如圖12： 圖12 流程圖 二．小車控制程序 由于伺服車上伺服機(jī)的安裝是在左右兩側(cè)，伺服機(jī)正反轉(zhuǎn)與前進(jìn)方向剛好相反，前面理論上說明的前進(jìn)，應(yīng)該是左伺服機(jī)正轉(zhuǎn)且右伺服機(jī)也正轉(zhuǎn)，不過實(shí)際上控制程序是伺服機(jī)1正轉(zhuǎn)控制，伺服機(jī)2反轉(zhuǎn)控制。因此控制程序車體前進(jìn)部分設(shè)計(jì)如下。 Go_for:; 車體前進(jìn) Mov r3,#ts; 設(shè)置計(jì)數(shù)次數(shù) J1:call pu_for; 伺服機(jī)1正轉(zhuǎn)控制 Djnz r3,j1; 伺服機(jī)2反轉(zhuǎn)控制 Ret 其他3個(gè)方向的動(dòng)作原理一樣 1.指令詳解 DELAY:延遲子程序 LED_BL:工作指示閃爍 PU_BACK:伺服機(jī)1反轉(zhuǎn)控制 PU_FOR:伺服機(jī)1正轉(zhuǎn)控制 DEMO_FOR:伺服機(jī)正轉(zhuǎn)展示 DEMO_BACK:伺服機(jī)反轉(zhuǎn)展示 DEL:0.1ms延遲子程序 PUR_BACK:伺服機(jī)2反轉(zhuǎn)控制 PUR_FOR:伺服機(jī)2正轉(zhuǎn)控制 GO_FOR:車體前進(jìn) GO_BACK:車體后退 GO_LEFT:車體左轉(zhuǎn) GO_RIGHT:車體右轉(zhuǎn) 2.程序清單 equ 3； 伺服機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)間常數(shù) deb equ 25； 伺服機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)間常數(shù) ts equ 18； 脈沖信號(hào)個(gè)數(shù) k1 equ p0.3； 按鍵1引腳定義 k2 equ p0.4； 按鍵2引腳定義 k3 equ p0.5； 按鍵3引腳定義 k4 equ p0.6； 按鍵4引腳定義 wled equ p3.7； 工作指示燈引腳定義 pul equ p1.7； 伺服機(jī)1控制線 pur equ p1.6； 伺服機(jī)2控制線 start:clr pul； 送出低電平至伺服機(jī) clr pur； call led_bl； led閃動(dòng)，表示程序開始執(zhí)行 loop:jb k1,x1； 未按下K1鍵則繼續(xù)掃描 jnb k1,$； 等按鍵放開來 call led_bl； call go_for； 車體前進(jìn) jmp loop； 繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行 x1:jb k2,x2； 未按下K2鍵則繼續(xù)掃描 jnb k2,$； 等按鍵放開來 call led_bl； call go_bac； 車體后退 jmp loop； 繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行 X2:jb k3,x3； 未按下K3鍵則繼續(xù)掃描 Jnb k3,$； 等按鍵放開來 call led_bl； call go_left； 車體左轉(zhuǎn) jmp loop； 繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行 x3:jb k4,x4； 未按下K4鍵則繼續(xù)掃描 jnb k4,$； 等按鍵放開來 call led_bl； call go_right； 車體右轉(zhuǎn) jmp loop； 繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行 x4:jmp loop； 繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行 delay: 延時(shí)子程序 mov r6,#32h d1:mov r7,#64h djnz r7,$ djnz r6,d1 djnz r5,delay ret led_bl: 工作指示燈閃爍 mov r4,#02h l0:cpl wled； 位反向 mov r5,#05h； 延遲50ms call delay； djnz r4,l0； setb wled；LED OFF ret pu_back:setb pul； 伺服機(jī)反轉(zhuǎn)控制，送出高電平 mov r4,#deb a1:call del djnz r4,a1 clr pul； 送出低電平 call loop1 ret pu_for:setb pul； 伺服機(jī)正傳控制，送出高電平 mov r4,#dea b1:call del djnz r4,b1 clr pul； 送出低電平 call loop2 ret del:mov r5,#01h； 0.1秒延時(shí)子程序 delay1: mov r6,#02h f1:mov r7,#11h djnz r7,$ djnz r6,f1 djnz r5,delay ret pur_back:setb pur； 伺服機(jī)反轉(zhuǎn)控制，送出高電平 mov r4,#deb g1:call del djnz r4,g1 clr pur； 送出低電平 call loop1 ret pur_for:setb pur； 伺服機(jī)正傳展示，送出高電平 mov r4,#dea h1:call del djnz r4,h1 clr pur； 送出低電平 call loop2 ret loop1:mov r4,#0c5h l:call del djnz r4,l ret loop2:mov r4,#0afh l1:call del djnz r4,l1 ret go_for: 車體前進(jìn) mov r3,#ts j1:call pu_back call pur_for djnz r3,j1 ret go_back: 車體后退 mov r3,#ts s1:call pu_for call pur_back djnz r3,s1 ret go_right: 車體右轉(zhuǎn) mov r3,#ts m1:call pu_back call pur_back djnz r3,m1 ret go_left: 車體左轉(zhuǎn) mov r3,#ts q1:call pu_for call pur_for djnz r3,q1 ret end 元 件 清 單 元件名稱 規(guī)格 數(shù)量 備注 實(shí)驗(yàn)板 50*70 1 電阻 1K 7 電容 20PF 2 電容 10uF 1 發(fā)光二極管 紅色 1 發(fā)光二極管 綠色 1 晶振 12MHZ 1 芯片 89C51 1 底座 40引腳 1 電源接插件 2腳 4 電源接插件 3腳 2 按鈕 5 伺服機(jī) FUTABA S3003 2 電池接線盒 2 干電池 5號(hào) 4 前輪 2 小車底座 1 17