基于单片机的无线遥控小车设计与制作*

郭兴龙

（广州市市政职业学校，广东广州 510507）

0 引言

在科技技术更新日异月新的情况下，终身学习观念已经深入人心，学习对于人们来说已经必不可少了。但是，人们还是比较倾向于既能够体验乐趣，又能够学到专业知识的学习方法。本系统小车的制作，就是让学习者在制作过程中，不仅体验制作乐趣，又学习了较强的专业知识，集趣味性、专业性于一体，其可行性是可以验证的。学习者完成该项目之后，电路板还可以扩展制作其它科技作品，为后续的可持续学习提供素材。在制作完成过程中，学习者能够详细的了解电子元器件焊接技术、单片机技术、PCB板制作、传感器技术、通信技术、电机控制技术、PWM控制理论以及上位机软件应用等的知识[1]，为今后的学习工作的深入发展，打下良好基础。基于这一出发点，本文详细介绍了遥控小车的设计与制作过程。

1 遥控小车系统整体设计

本小车系统，主要由遥控发射板和接收驱动板两部分组成，接收驱动板安装在小车底盘上，底盘采用左右一个轮子和车架尾部一个万向轮的三角支撑结构。轮子由T130的直流电动机，经过1:48变速后带动，系统控制左右电机的转速不一样，存在一个转速差，从而实现小车的不同角度的转向控制。整个系统采用可充电电池供电的模式。

系统以NF-04-MI-2.4G无线模块作为通讯介质，以STC15W408AS为核心控制器，其系统框图如图1所示。发送板单片机利用自带的AD功能，对两向手柄摇杆电位器的电压信号进行采样，按一定周期将AD数据和按键等信息，通过2.4G模块发送出去。接收板的2.4G模块，接收到有效信息之后，接收板单片机通过查询的方式，将信息读取出来。单片机再结合避障传感器信号，利用PWM技术控制左右两个电机正反转运动转速，从而实现小车的各种运动状态控制。PC机端上位机软件，通过RS232串口与接收板、发送板通讯连接，将独立的地址码下载到单片机[2]，保存在单片机的EEROM，这样，发送板和接收板地址一样，就可以通讯连接上，并且保证不同的小车，地址码不一样，相互不干扰，能够独立控制。

图1 遥控小车系统原理框图

2 遥控小车硬件设计

小车硬件设计，包括主要元器件选型和电路设计等部分。

2.1 STC15W408AS单片机控制芯片

STC15W408AS单片机是深圳宏晶公司生产一款低成本、低功耗、超高速的、具有ISP功能的8051内核单片机，最高工作频率可以达到33 MHz，芯片采用SOP-16封装，I/O口达到14个管脚，具有1路SPI、3路PWM、8路ADC、3个定时器和1个USART串口，8 kB的flash存储器容量，512字节的SRAM和5 kB的EEPROM等资源，工作电压是2.5～5.5V，内部集成了晶振电路、看门狗电路和复位电路，芯片功能丰富，使用方便，开发灵活，完全能够满足小车控制要求[3]。该芯片具有的ISP在线下载功能，可以通过串口，直接将编译器生成的可执行HEX文件烧录到单片机，可以多次烧录，开发方便。

2.2 无线模块NF-04-MI-2.4G[4]

NF-04-MI-2.4G无线模块是一款基于BK245芯片设计的2.4G无线通信模块，该模块采用SPI接口模式，具有高稳定性，高性价比，抗干扰强，低辐射，性价比高等优点。该模块集成了发送、接收等链路层，有效数据量可达32字节，数据收发全部自动完成，收发自动产生应答信号。发送时，内置CRC校验码自动生成，接收数据时，CRC自动校验，能够检测数据的有效性。该模块还可以设置重复发送的时间和次数。单片机和无线模块，通过SPI接口相连，接口简单，传输速率快，易于开发。其主要特点参数如下：

（1）支持GFSK/FSK等通用调制方式，支持六通道数据收发；

（2）支持2Mbit/s/1Mbit/s/250kbit/s等数据速率；

（3）频点多达126点，实现多点通信和跳频通信需要；

（4）内部集成高PSRR的LDO；

（5）宽电源电压范围：1.9～3.6 V；

（6）功耗低，平均发射电流低至110 mA；

（7）接收灵敏度：-96dBm@250 kbit/s；

（8）最高发射功率：+7dBm。

其通讯数据包格式如表1所示。

表1 数据包格式

其中，引导码是固定格式的，地址码3～5字节，由用户设置，成套的设备地址码必须一样，否则通讯信息无效。通讯包控制位由相应寄存器设置，控制通讯方式。有效数据可由用户根据需要，决定数据量字节数，数据满足需要即可，如果数据量较大，通讯时间相应增加。CRC校验码，在发送模式下，由系统自行计算产生，并且自动发送；在接收模式下，系统根据接收的数据自动核对校验码，如果校验码不对，接收的数据将被舍弃。

2.3 发送板电源设计[5]

为了同时满足单片机和无线模块同时工作，提高芯片工作稳定性，发送板的工作电压统一采用3.3 V。发送板主要由两节五号电池供电，电池电压经过升压芯HT7733S转换之后，电压稳定在3.3 V，满足系统工作要求。HT7733S是一款低噪声，低纹波的同步型DC-DC升压转换芯片，采用SOT-23封装，启动电压低至0.7 V，转换效率可达80%，输出电压误差范围为±2.5%，输出电流可达100 mA。外围电路简单，只需要搭配一个10μH的功率电感即可，如图2所示。

图2 HT7733S电源设计电路

2.4 驱动板电源设计电路

遥控小车动力常用两个130直流电机，其额定工作电压是5 V，工作电压范围是3～9 V，空载电流是130 mA，小车一般使用可充电镍镉电池组，标称电压是7.2 V，为满足单片机和无线模块电源需要，采用AMS1117-3.3电源芯片设计电路。AMS1117-3.3芯片是一款低功耗、低纹波的线性稳压电源集成模块，采用SOT-223封装，输入电压范围为4～15 V，输出电压3.3 V，输出电流可达1 A，电路简单、可靠，能够完全满足电路设计要求。电路设计如图3所示。

图3 驱动板电源设计

2.5 驱动板电机驱动电路设计[6]

小车的运动，主要是由两个130直流有刷电动机驱动，电机驱动采用MX612E芯片，其内部采用H桥电路结构设计，电流内阻低，内部集成了N沟道和P沟道的功率MOSFET管，工作电压范围为2～9.6 V，工作可持续电流达1.4 A，峰值电流可达2.5 A，具有过热保护功能，比较适合驱动线圈、马达等感性负载。其功能图框如图4所示。

图4 MX612E原理结构图

如图4所示，OUTA和OUTB接直流电动机，VCC是逻辑控制电源，VDD是电机电源。INA和INB是控制电机的正反转的逻辑输入，连接到单片机的I/O口管脚。根据INA和INB输入值，决定该芯片的工作状态，其真值表如表2所示。

表2 真值表

MX612E芯片四种工作状态如图5所示。

当INB或者INA为逻辑高电平的时候，另外一边输出PWM信号，直流电动机在导通和刹车模式之间切换，电机转速将受到PWM信号占空比控制，达到稳定平滑调速效果。在刹车模式下，马达储存的能量通过低边的NMOS管快速释放。此外，如果PWM信号工作频率过低，在PWM占空比较低的情况下，电机由刹车模式进入导通模式下，会导致电机出现无法平滑转动的情况。为减小电机噪音，PWM信号频率控制在10 kHz～50 kHz的范围之内。

图5 MX612E的四种工作模式

2.6 避障传感器电路设计[5]

避障传感器，主要采用红外传感器检测，由红外发光二极管和接收二极管组成。红外发射二极管发射波长约为940 nm的红外线，如没有遇到障碍物，红外线将散射出去，遇到障碍物，红外线被障碍物反射回来，光敏二极管接收到红外线后，根据红外线的光辐照度，其内阻发生变化。

红外传感器避障利用此原理，电路设计如图6所示，发射管不断发出红外线，接收管与电阻串联，连接到电压运放的同相端，当接收管接收红外线之后，内部导通，使同相端输入电压，与反相端电压比较，输出信号传输到单片机。调整电位器，可以调节红外传感器的检测距离。

图6 避障红外传感器电路设计

3 遥控小车程序设计[1]

3.1 遥控小车发送程序设计

遥控小车发送板，为提高通讯可靠性，NF-04-MI-2.4G模块采用250 kbit/s的通讯速率，地址码为5字节，CRC校验为2字节，重复发送次数是3次，通讯有效数据是5字节。通过计算，完成一次发送的时间约为0.48 ms，为保证CPU具有足够的时间处理，采用10 ms的周期通讯一次。发送板单片机对两个摇杆电位器进行连续电压采样，为提高数据的有效性，数据经过平均值处理。10 ms的周期，采用定时器控制，定时时间一到，单片机将摇杆的AD数据、按键等信息发送出去。如果发送失败，无线模块自动重发，若超过了设置的重复次数，单片机读取到发送失败的信息后，指示灯以1 Hz的频率闪烁，如果通讯成功，以25 Hz的频率闪烁。程序设计流程图如图7所示。信号的AD采样，采用中断方式，采样实时性要求不高，为降低CPU工作负荷，采样周期是540时钟，采样次数达到15次之后，取平均值作为一次有效数据，其工作流程图如图8所示。

图7 发送程序流程图

3.2 遥控小车接收程序设计

图8 AD采样流程图

接收驱动板采用查询控制方式。主函数不断查询无线模块，检测是否接收到有效信息。如果没有检测到有效信息或者通讯失败，程序将电动机做停机处理。如果接收到有效信息，根据AD采样到的数据，决定小车的运动状态。电机的转速，由AD数据经过运算，利用单片机自带的PWM发送控制寄存器，产生PWM信号，直接控制直流电动机的转速，从而使小车速度平滑控制，系统采用开环的控制方式。驱动板接收程序流程图如图9所示。

系统初始化部分程序：

Timer0Init();

InitADC();

InitPCA();

Read_ADDRESS();

NF_04_MI_Init();

单片机STC15W408AS的PWM输出，主要是由PCA模块产生。PCA含是一个16位定时/计数器，其内部结构如图所示，其时基可以是系统时钟SYSclk、定时器0溢出和外部输入ECI（P1.2），通过设置CMOD和CCON寄存器来选择[3]。

为了提高电机控制的平滑度，PWM控制采8位的控制方式，其频率是：

fPWM=PCA时基频率/256

为提高系统处理速度，单片机采取内部时钟，没有经过分频，其工作时钟频率是18.432 MHz的。PCA时基采用SYSclk/4，由上式计算：

fPWM=18 kHz，该频率满足电机控制的频率范围。

PWM控制初始化程序：

图9 接收程序流程图

CCON=0; //初始化PCA控制寄存器

CMOD=0x0a; //设置PCA时钟源sysclk/4

CL=0; //复位PCA计数寄存器

CH=0;

PCA_PWM0=0x00;//PCA模块工作于8位PWM

PCA_PWM1=0x00;PCA_PWM2=0x00;

4 上位机地址码下载软件[7]

为了防止不同的遥控小车控制信号相互干扰控制，为每个无线模块分配个地址，利用VB6.0开发平台，开发上位机软件。串口通讯编程主要基于MSComm控件实现数据发送和接收，传输协议由用户自定义。地址码由软件生成，其中，班级、学号等信息由下拉控件选择，软件按照一定的规程，生成不一样的地址码。串口通讯帧格式由引导码、数据和校验码组成，引导码固定，数据是班级、学号变换组成，校验码是帧之前所有数据的累加和后，取低两位字节。

MSComm串口控件初始化程序：

Private Sub ComInit()

Dim TempTxt As String

On Error GoTo Comm_Error

MSComm1.CommPort = Val(Right(Combo1.Text，1))

MSComm1.Settings=Val(Combo2.Text)&"，M，8，1"

MSComm1.InputMode=comInputModeBinary

MSComm1.InBufferCount=0

MSComm1.RThreshold=7

MSComm1.PortOpen=True

Exit Sub

MSComm串口控件发送数据程序：

MSComm1.InBufferCount=0

MSComm1.OutBufferCount=0

SendData(0)=&H55

SendData(1)=&HAD

SendData(2)=&H65

SendData(3)=Combo3.ListIndex*3+100

SendData(4)=Val(Combo4.Text)+43

SendData(5)=Val(Combo4.Text)+77

SendData(6) = (CLng(SendData(0)) +CLng(SendData(1))

+CLng(SendData(2))+CLng(SendData(3))+CLng(SendData(4))

+CLng(SendData(5)))Mod 256

MSComm1.Output=SendData

5 总结

经过制作试验，本系统遥控小车，能够实现前进、后退和转向等状态控制，遇到障碍物，能够及时停下来，在空旷地方，有效遥控范围达到70多米。其中PWM控制的应用，使小车的运行速度可连续调节，特别是在转弯的过程中，通过调节两个轮子转速差，可以控制转向的大小，提升了用户操控性体验性，克服了传统的小车转弯要么不转、要么全转，转向角度无法控制的弊端。通过上位机软件，每套系统小车设置不一样的地址后，多部小车同时运行，没有出现相互控制或者干扰的现象。小车驱动续航能力，根据电池容量大小不一样而不同。不足之处是，小车出于成本考虑，没有使用传感器检测将电机转速反馈给单片机，采用开环控制，在运行过程中，一旦某一边轮子负载过重，小车就偏离了原先路径。整体上，遥控小车的功能基本上达到预期效果。

参考文献：

［1］李全利.单片机原理及接口技术［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［2］徐爱钧.keil C51单片机高级语言应用编程技术［M］.北京：电子工业出版社，2015.

［3］宏晶科技公司官网.STC15W404AS系列资料.http：//www.stcmcu.com/［EB/OL］.

［4］深圳市安信可科技有限公司.NF-04-MI无线模块资料.https：//www.ai-thinker.com/home［EB/OL］.

［5］深圳市嘉立创科技发展有限公司.芯片资料.http：//www.sz-jlc.com/home/index.html［EB/OL］.

［6］重庆中科芯亿达电子有限公司.MX612E芯片资料.http：//mixic.com.cn/［EB/OL］.

［7］李俊.Visual Basic 6.0程序设计与应用教程［M］.北京：电子工业出版社，2013.