本科毕业论文---寻迹小车智能控制系统的设计与制作正文.doc

毕业设计（论文）任务书题目 寻迹小车智能控制系统的设计与制作 主要内容、基本要求、主要参考资料等：1、主要内容1）利用摄像头采集道路行车线基本信息；2）分析车体的空间位置；3）提出车速控制及优化方案；4）舵机调节控制方案的设计与实现。2、基本要求设计四轮小车自动行驶方案，优化道路边线自动识别算法及基本调速方案，完成实物制作。3、参考资料1 河南工程学院本科毕业设计管理规范。2 姚佳. 智能小车的避障及路径规划D.东南大学，2005.3 毛建国，顾筠.移动机器人避障规划的一种实现方法J.重庆工学院学报(自然科学版);2009，(09):213-216.4 史久根，徐胜生. 基于文化粒子群算法的机器人路径规划算C.2011中国仪器仪表与测控技术大会论文集，2011。完 成 期 限：指导教师签名： 专业负责人签名： 年 月 日寻迹小车智能控制系统的设计与制作目 录摘 要IABSTRACTII1 绪 论11.1 智能循迹小车概述11.1.1 循迹小车的发展历程回顾11.1.2 智能循迹分类21.1.3 智能循迹小车的应用31.2 智能循迹小车研究中的关键技术42总体设计方案52.1 整体设计方案52.1.1 无线遥控器的设计方案52.1.2 循迹小车的设计方案62.2 系统设计步骤62.3 确定整体控制系统方案73 系统的硬件设计83.1 单片机电路83.1.1 单片机的简介83.1.2 单片机的主要特点93.2 路径检测模块103.2.1 TSL1401线性CCD简介103.2.2 线性CCD的主要工作原理113.2.3 环境光影响问题113.3 无线模块123.3.1 无线NRF24L01简介123.3.2 无线NRF24L01的工作原理133.4 避障模块153.4.1 超声波HC-SR04简介153.4.2 超声波的主要工作原理153.5 显示模块173.5.1 NOKIA5110液晶显示简介173.5.2 液晶的主要工作原理183.6 电机驱动电路193.7 红外测速电路224 系统的软件设计244.1 程序设计框图244.2 AD程序254.3 nokia5110程序274.4 NRF24L01无线程序304.5 TSL1401线性CCD程序314.6 超声波HC_SR04程序324.7 电机驱动程序335 制作安装与调试355.1 小车的安装355.2 小车的调试355.3 智能小车的功能36结束语37致 谢38参考文献39附录一 小车循迹控制系统原理图40附录二 无线遥控器原理图41附录三 部分程序代码42寻迹小车智能控制系统的设计与制作摘 要本文论述了基于单片机的智能循迹小车的控制过程。智能循迹是基于自动引导机器人系统，用以实现小车自动识别路线，以及选择正确的路线。智能循迹小车是一个运用传感器、单片机、电机驱动及自动控制等技术来实现按照预先设定的模式下，不受人为管理时能够自动实现循迹导航的高新科技。该技术已经应用于无人驾驶机动车，无人工厂，仓库，服务机器人等多种领域。本设计采用STC12C5A60S2单片机作为小车的控制核心；采用TSL1401线性CCD作为小车的循迹模块来识别白色路面中央的黑色引导线，采集信号并将信号转换为能被单片机识别的数字信号；采用PNMOS对管构成H桥控制直流电机，其中软件系统采用C程序，本设计的电路结构简单，容易实现，可靠性高。关键词 单片机/自动循迹/驱动电路DESIGN AND REALITY OF CONTROL SCHEME FOR SMART TRACING CARABSTRACTThe intelligent tracing electric trolley control process was discussed here. Automatic tracing is used to make the car indentify route automatically , and choosing the right route, based on the automatic guide robot system. Intelligent tracing electric trolley is an advanced technology to realize automatic tracing navigation. It is out of human management but under the designed mode that use of the use of a transducer, single chip, motor drive and automatic control .This technology has been applied in unmanned vehicle, unmanned factory, warehouse, service robot and many other fields.During the design of Intelligent tracing electric trolley, STC12C5A60S2 single clip is used as the control core; at the same time with TSL1401 linear CCD transducer switch to identify the black guide line at the central of the white road, which used as the car tracing module, it can gather the signal and transfer it into digital signal that can be recognized by single chip. And the driving chip PNMOS constitute the H bridge constitute of driving chip PNMOS can control direct current motor. Among which the software system is using C program. In a nutshell, the design of the circuit has the advantages of simple structure, easy implementation, and high reliability.KEY WORDS single chip microcomputer,automatic tracing,driving circuit441 绪 论进入二十一世纪，随着计算机技术和科学技术的不断进步，机器人技术较以往已经有了突飞猛进的提高，智能循迹小车即带有视觉和触觉的小车就是其中的典型代表。1.1 智能循迹小车概述智能循迹小车又被称为Automated Guided Vehicle，简称AGV，是二十世纪五十年代研发出来的新型智能搬运机器人。智能循迹小车是指装备如电磁，光学或其他自动导引装置，可以沿设定的引导路径行驶，安全的运输车。工业应用中采用充电蓄电池为主要的动力来源，可通过电脑程序来控制其选择运动轨迹以及其它动作，也可把电磁轨道黏贴在地板上来确定其行进路线，无人搬运车通过电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作，无需驾驶员操作，将货物或物料自动从起始点运送到目的地。AGV的另一个特点是高度自动化和高智能化，可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等改变而灵活改变行驶路径，而且改变运行路径的费用与传统的输送带和传送线相比非常低廉。AGV小车一般配有装卸机构，可与其它物流设备自动接口，实现货物装卸与搬运的全自动化过程。此外，AGV小车依靠蓄电池提供动力，还有清洁生产、运行过程中无噪音、无污染的特点，可用在工作环境清洁的地方。1.1.1 循迹小车的发展历程回顾随着社会的不断发展，科学技术水平的不断提高，人们希望创造出一种来代替人来做一些非常危险，或者要求精度很高等其他事情的工具，于是就诞生了机器人这门学科。世界上诞生第一台机器人诞生于1959年，至今已有50多年的历史，机器人技术也取得了飞速的发展和进步，现已发展成一门包含：机械、电子、计算机、自动控制、信号处理，传感器等多学科为一体的性尖端技术。循迹小车共历了三代技术创新变革： 第一代循迹小车是可编程的示教再现型，不装载任何传感器，只是采用简单的开关控制，通过编程来设置循迹小车的路径与运动参数，在工作过程中，不能根据环境的变化而改变自身的运动轨迹。支持离线编程的第二代循迹小车具有一定感知和适应环境的能力，这类循迹小车装有简单的传感器，可以感觉到自身的的运动位置，速度等其他物理量，电路是一个闭环反馈的控制系统，能适应一定的外部环境变化。第三代循迹小车是智能的，目前在研究和发展阶段，以多种外部传感器构成感官系统，通过采集外部的环境信息，精确地描述外部环境的变化。智能循迹小车，能独立完成任务，有其自身的知识基础，多信息处理系统，在结构化或半结构化的工作环境中，根据环境变化作出决策，有一定的适应能力，自我学习能力和自我组织的能力。为了让循迹小车能独立工作，一方面应具有较高的智慧和更广泛的应用，研究各种新机传感器，另一方面，也掌握多个多类传感器信息融合的技术，这样循迹小车可以更准确，更全面的获得所处环境的信息1。1.1.2 智能循迹分类AGV从发明至今已经有50多年的历史，随着应用领域范围的不断扩大，其种类和形式也变得更加多样化。一般根据行驶的导航方式将智能循迹小车分为以下几种类型：(1)电磁感应式电磁感应式引导一般在地面上，沿预定路径埋电线，当高频电流通过导线，电线周围产生电磁场流动， AGV小车上安装两个对称的电磁感应传感器，他们收到的电磁信号差异可以反映的AGV偏离程度路径的程度。AGV自动化控制系统，基于这种偏差值，以控制车辆的转向，连续的动态的闭环控制设置能够保证AGV对设定路径的稳定自动跟踪。在目前商业用途的AGV中，特别是大型和中型小车，绝大多数都采用电磁感应导航。(2)激光式安装有可旋转的激光扫描器的AGV，可安装在墙壁或有高反射激光定位标志的支柱上或者路径上运行，AGV依靠激光扫描器发射激光束，然后接收由四周定位标志反射回的激光束，车载计算机，计算出当前车辆的位置和运动方向，通过内置的数字地图和校准位置相比，以实现自动处理。目前，这种AGV类型的应用比较广泛。基于同样的原理，如果激光扫描仪被红外线发射器，或超声波发射取代，激光制导的AGV小车可以转变为红外引导和超声引导的AGV。(3)视觉式视觉引导式AGV是的迅速发展和比较成熟的AGV，这种AGV配备CCD摄像机，传感器和车载电脑，在车载计算机中设置有AGV欲行驶路径周围环境图像数库。在AGV的行驶过程中，相机得到的图像与图像数据库进行比较，以确定当前位置和车辆周围的图像信息并对驾驶下一步作出决定。这种AGV小车并不需要设置任何的人工物理路径，所以在理论上具有灵活性，在计算机图像采集，存储和处理技术飞速发展的今天，这种类型的AGV实用性越来越强。此外，还有铁磁陀螺惯性引导式AGV、光学引导式AGV等多种形式的AGV2。1.1.3 智能循迹小车的应用智能循迹小车发展历史及主要应用场所如下：(1)仓储业1954年，来自美国南卡罗来纳州的Mercury Motor Freight公司成为第一批把AGV小车的应用到仓库的使用者，来实现出入库货物的自动处理。至今世界上有超过2100个厂家把大约2万台大型或小型的AGV小车应用到自己的仓库中。中国的海尔集团在2000年把9台AGV小车投产到了自己的仓库区，形成一个灵活的AGV自动数据库处理系统，轻松地完成了每天至少33500的储存和装卸货物的任务。(2)制造业在制造业的的生产线中AGV小车大显身手，快速，精确，灵活的完成材料的运送任务。由多台AGV小车组成的物流运输处理系统，较人工搬运系统来说更灵活，运输路线可以根据生产过程及时调整，使一条生产线，生产十几个产品，大大提高了生产的灵活性，企业的竞争力。在1974年瑞典的沃尔沃卡尔马的汽车组装厂，提高了运输系统的灵活性，使用以AGV小车为载运工具的装配线，采用该装配线后，减少了20%装配时间、减少了39%组装错误，减少了57%投资资金回收时间以及减少了5%的员工费用。目前，在世界主要的汽车生产厂家，如通用、丰田、克莱斯勒、大众AGV小车已被广泛应用。 (3)邮局、图书馆、港口码头和机场在邮局，图书馆，码头和机场候机楼等人口密集的公众场所，存在着大量的物品的运送工作，充满不定性和动态性强的特点，搬运过程往往也很单一。AGV有着可并行工作、自动化、智能化和处理灵活的特点，可以很好的满足这些场合的运输要求。1983年瑞典的大斯得哥尔摩邮局，1988年日本东京的多摩邮局，1990年中国上海的邮政相继开始使用AGV小车来完成邮品的搬运工作。在荷兰的鹿特丹港口，50辆被称为“院子里的拖拉机”的AGV小车每天都在把集装箱从船边运送到几百米以外的仓库中。(4)烟草、医药、化工、食品对于处理一些需要在清洁、安全、无排放污染等其他特殊环境要求的产品生产如烟草、制药、食品、化工等产品时应考虑AGV小车的应用。在全国许多卷烟企业，如青岛颐中集团、玉溪红塔集团、红河卷烟厂、淮阴卷烟厂，应用激光引导式AGV完成托盘货物的搬运工作。1.2 智能循迹小车研究中的关键技术现在全世界越来越多的国家都在做着研究智能化、多样化的自动汽车导航的工作。自动汽车导航是一个非常复杂的系统，它不仅应具有正常的运动功能的成分，而且还应具有任务分析，路径规划，信息感知，自主决策等类似人类的智能行为。人类可以利用自己的听觉、视觉、味觉、触觉等功能获取事物的信息，人类的大脑再根据已经掌握的知识对这些信息进行综合分析，从而全面了解认知事物。这样一个认识事物、分析事物和处理信息的过程称之为信息融合过程。多传感器信息融合的基本原理就是模仿人类大脑的这个过程，得到一个对复杂对象的一致性解释或结论。多传感器信息融合是协调多个分布在不同地点，相同或不同种类的传感器所提供的局部不完整观测量信息加以综合，协调使用，消除可能存在的冗余和矛盾，并加以互补，以减少不确定性，得到对物体或环境的一致性描述的过程4。多传感器信息融合具有许多性能上的优点：(1)增加了系统的生存能力；(2)减少了信息的模糊性；(3)扩展了采集数据覆盖范围；(4)增加了可信度；(5)改善了探测性能；(6)提高了空间的分辨力；(7)改善了系统的可靠性(8)信息的低成本性5。本文主要由五章组成，第1章为绪论，主要讲述循迹小车的发展历程及在目前所应用领域中的作用。第2章为总体规划智能循迹小车系统的设计，包含主系统流程图。第3章是系统的硬件设计，其中包含单片机电路的设计、NRF24L01无线模块、TSL1401线性CCD模块和电机驱动电路等。第4章为系统的软件设计，主要介绍的是软件实现过程的框图。第5章是制作安装与调试，最终保证了系统的正常运行。2总体设计方案2.1 整体设计方案图2-1 系统总体框图 智能循迹小车主要包括了无线遥控器、线性CCD循迹模块，电机驱动模块，小车车模等。通过无线传输的数据或者线性CCD检测道路黑线处理得到数据，从而通过电机驱动模块控制电机的状态和舵机的转向，最终实现小车可以无线遥控器控制，或者自动识别路线，完成循迹行车。2.1.1 无线遥控器的设计方案图2-2 无线遥控器控制系统结构框图无线遥控器主要有STC12C5A60S2单片机主控电路模块，NRF24L01无线发射模块，手机锂电池充、供电模块，NOKIA5110显示模块，TL431基准电压模块和摇杆模块等。主要工作原理是通过STC12C5A60S2单片机控制AD采集摇杆的X,Y轴电位值，并将电位值通过NRF24L01无线模块发送给小车，从而控制小车转向和加、减速等。2.1.2 循迹小车的设计方案图2-3 智能循迹小车控制系统结构框图智能循迹小车主要包括了STC12C5A60S2单片机主控电路模块，TSL1401线性CCD循迹模块，NRF24L01无线接收模块，超声波HC_SR04避障模块，红外ST188测速模块，NOKIA5110显示模块和PNMOS对管构成的H桥电机驱动模块等。主要工作原理是通过TSL1401线性CCD循迹模块采集的黑线路经或NRF24L01无线接收模块接收遥控器的数据，然后由STC12C5A60S2产生PWM来控制电机驱动模块改变电机的工作状态，最后实现小车循迹。2.2 系统设计步骤1. 根据设计要求，确定控制方案。2. 利用Altium Designer设计合理的硬件原理图。3. 画出程序流程图，使用C语言进行编程。4. 将各元件焊接在PCB板上，并将程序烧录到单片机内。5. 进行调试以实现控制功能。2.3 确定整体控制系统方案1. 主控使用40引脚的STC12C5A60S2单片机芯片，因为其内部集成10位ADC、2路PWM等，可以节省外围设备。2. 整个系统由7.2V、3V、5V三种直流电供电。其中7.2V电源是由直接提供的可充电电池供电，5V、3.3V是通过7.2V电池来实现的。3. 电机驱动模块由2片PMOS管IRF4905和2片NMOS管IRF3205组成了一个H桥，可以通过PWM来控制电机的启停和正反转。4. 路径识别采用TSL1401线性CCD，通过对赛道黑白的识别来控制舵机转向。5. 无线模块采用NRF24L01来传输数据，从而可以通过遥控器控制小车。6. 避障模块主要是通过超声波HC_SR04测距，提前控制舵机转向，避开障碍物。7. 速度检测模块由红外对管ST188检测后轮胎转速，然后数据处理为速度并实时显示在现实。8. 显示模块采用NOKIA5110通过5个普通IO口与单片机通信，84x48 的点阵，可以显示4 行汉字，能充分满足需求。3 系统的硬件设计图3-1 系统总体原理图3.1 单片机电路图3-2 STC12C5A60S2单片机最小系统3.1.1 单片机的简介STC12C5A60S2/AD/PWM 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S，即25万次/秒)，针对电机控制，强干扰场合。3.1.2 单片机的主要特点1. 增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；2. 通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA；3. 内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）；4. 时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为5% 到10%以内)用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟常温下内部R/C振荡器频率为： 5.0V 单片机为：11MHz17MHz 3.3V 单片机为：8MHz12MHz5. 共4个16位定时器 两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；6. 3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出P3.5/T1输出时钟，独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟；7. 外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模式，Power Down模式可由外部中断唤醒， INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2), CCP1/P1.4(也可通过寄存器设置到P4.3)；8. PWM（2路）/ PCA（可编程计数器阵列,2路）- 也可用来当2路D/A使用- 也可用来再实现2个定时器- 也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)；9. A/D转换, 10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)；10. 通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口；11. STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口， RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)。3.2 路径检测模块图3-3 TSL1401线性CCD循迹模块路径检测模块是智能车系统信号的输入模块主要检测的赛道对道路偏离量，这些信息是小车沿赛道运行的信息基础获得更多、更远、更精确的塞到信息是提高车模运行速度的关键。所以，路径检测的好坏直接关系到最终性能的优劣。对于小车路径信息的采集的方式如下所示：方案一：红外传感器的检测方式，优点：电路设计相对简单、检测速度信息快、调试简单、成本低。缺点：道路参数检测精度低、道路参数检测种类少、传感器的个数较多、检测距离前瞻较短、耗电量较大。方案二：线阵CCD检测方法，优点：检测前瞻距离大、检测范围宽、检测道路参数较多。缺点：电路设计复杂、软件计算量大、监测信息更新速度快。综上所述每个方案都有自己的优缺点，综合考虑线阵CCD检测方法比较好，它能够使检测到的道路信息更加的精确，有利于小车的速度提高。3.2.1 TSL1401线性CCD简介TSL1401线性CCD传感器阵列由一个1281的光电二极管阵列，相关的电荷放大器电路，和一个内部的像素数据保持功能，它提供同时集成起始和停止时间所有像素。该阵列是由128个像素，其中每一个具有光敏面积3,524.3平方微米。像素之间的间隔是8微米。操作简化内部控制逻辑，需要只有一个串行输入端(SI)的信号和时钟。主要特点：1. 1281个传感器单元组织；2. 每英寸400点（DPI）传感器间距；3. 高线性度和均匀度；4. 宽动态范围：4000：1（72分贝）；5. 输出参考地；6. 低图像延迟：0.5典型值；7. 操作为8MHz；8. 单3V到5V供应；9. 轨到轨输出摆幅（AO）；10. 没有外部负载电阻。3.2.2 线性CCD的主要工作原理TSL1401CL的核心是128个光电二极管组成的感光阵列，阵列后面有一排积分电容，光电二极管在光能量冲击下产生光电流，构成有源积分电路，那么积分电容就是用来存储光能转化后的电荷。积分电容存储的电荷越多，说明前方对应的那个感光二极管采集的光强越大。反映在像素点上就是，像素灰度低。光强接近饱和，像素点灰度趋近于全白，则呈白电平。模拟输出(A0)的电压由公式(3-1)给出： (3-1)Vout是为白色状态下的模拟输出电压；Vdrk是黑暗条件下的模拟输出电压；Re是器件的响应性，对于给定的光的的波长在；Ee是在的时间辐照；Tint为积分时间，以秒为单位。3.2.3 环境光影响问题试验表明TSL1401线性CCD的输出信号和环境光线密切相关，在自然光条件比晚上灯光下AO引脚输出电压值高出很多，正对着光线比背着光线输出电压高，白炽灯光下比日光灯下输出电压高。因此，同一参数（曝光时间、镜头光圈）难以适应各种环境，在光线较弱环境下的参数在强光下会出现输出饱和，在较强光线下调节好的参数在弱光下输出电压过低，甚至处于截止状态。在智能车应用中，白天自然光环境和晚上灯光环境、正对光和背光、不同的比赛场地之间都不能采用相同的曝光参数。与输出电压密切相关的参数是曝光量，曝光量取决于CCD模块所采用的镜头光圈大小和程序所控制的曝光时间。智能车为适应各种运行环境，必须实时感知环境，并根据环境闭环调节曝光量，使得在不同环境中曝光量都处于一个合理的范围，这样才能保证在不同环境中CCD 输出电压在合理范围，以利于算法提取黑线信息。镜头相关参数一旦选定在智能车运行难以改变，曝光时间比较容易通过程序控制，因此比较容易实现的调整曝光量方法是通过软件调整曝光时间。3.3 无线模块图3-4 NRF24L01无线数据传输模块3.3.1 无线NRF24L01简介NRF24L01是NORDIC公司最近生产的一款无线通信通信芯片，采用 FSK调制，内部集成NORDIC自己的Enhanced Short Burst协议。可以实现点对点或是1对6的无线通信。无线通信速度可以达到2M(bps)。NORDIC公司提供通信模块的GERBER文件，可以直接加工生产。嵌入式工程师或是单片机爱好者只需要为单片机系统预留5个GPIO，1个中断输入引脚，就可以很容易实现无线通信的功能，非常适合用来为MCU系统构建无线通信功能。主要特点：1. 2.4GHz全球开放ISM频段，最大0dBm发射功率，免许可证使用；低工作电压：正常工作电压1.93.6V；2. 高速率：最高2Mbps，这样使得信号空中停留时间极短，减小了无线碰撞的可能(软件设置1Mbps或者2Mbps的空中传输速率)；3. 多频点：125频点，可以应用于多点通信以及跳频的实现；4. 超小型：2.4GHz天线内置，体积小巧，规格：15x29mm（包括天线）；低功耗：快速的传输速率也降低了收发功耗；5. 很低的应用成本：NRF24L01集成了RF。NRF24L01应用的是SPI接口，可以与单片机的SPI接口直接相连。没有SPI接口的单片机可以利用单片机的I/O口进行模拟，内部有FIFO，用于数据缓存，因此NRF24L01可以与各种高低速微处理器接口，便于使用低成本单片机。3.3.2 无线NRF24L01的工作原理NRF24L01模块的原理图如图3-5所示：图3-5 NRF24L01模块的原理图从单片机控制的角度来看，我们只需要它的的六个控制和数据信号，分别为 CSN、SCK、MISO、MOSI、IRQ、CE。 CSN；芯片的片选线，CSN为低电平芯片工作; SCK；芯片控制的时钟线（SPI时钟）; MISO：芯片控制数据线（Master input slave output）; MOSI：芯片控制数据线（Master output slave input）; IRQ：中断信号。无线通信过程中MCU主要是通过IRQ与NRF24L01进行通信; CE：芯片的模式控制线。在CSN为低的情况下，CE协同NRF24L01的CONFIG 寄存器共同决定NRF24L01的状态（掉电、发射、接收、待机、待机）。发射数据时，首先将NRF24L01配置为发射模式：接着把接收节点地址TX_ADDR和有效数据TX_PLD按照时序由SPI口写入NRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10s，延迟130s后发射数据;若自动应答开启，那么NRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址TX_ADDR一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从TXFIFO中清除;若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC)达到上限，MAX_RT置高，TXFIFO中数据保留以便在次重发;MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，产生中断，通知MCU。最后发射成功时,若CE为低则NRF24L01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。接收数据时,首先将NRF24L01配置为接收模式，接着延迟130s进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在RXFIFO中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，产生中断，通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则NRF24L01进入空闲模式1。3.4 避障模块图3-6 超声波HC-SR04避障模块原理图3.4.1 超声波HC-SR04简介模块性能稳定，测度距离精确，模块高精度，盲区小。产品应用领域：机器人避障、物体测距、液位检测、公共安防、停车场检测。主要技术参数：1. 使用电压：DC-5V；2. 静态电流：小于2Ma；3. 电平输出：高5V；4. 电平输出：低0V；5. 感应角度：不大于15度；6. 探测距离：2cm-450cm；7. 高精度：可达0.2cm。3.4.2 超声波的主要工作原理超声波传感器的工作原理是陶瓷的压电效应。超声波传感器在测量过程中，声波信号由传感器发出，经液体或固体物体表面反射后折回由同一传感器接收，可以测量声波的整个运行时间，从而实现物位的测量。超声测距大致有以下方法：一种是取输出脉冲的平均值电压，该电压(其幅值基本固定)与距离成正比，测量电压即可测得距离；另一种是测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t，如图3-5所示，故被测距离为。本系统测量采用第二种方案。由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0MHz晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。超声波发射超声波接收时间T障碍物图3-7 超声波测距原理假定S为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为，超声波传播速度为表示，则有关系式(3-2): (3-2)在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按公式(3-3)对超声波传播速度加以修正，以减小误差。温度与声速的关系参照表3-1。 (3-3)式中：T为实际温度单位为；V为超声波在介质中的传播速度单位为。表3-1 温度与声速参照表温度与声速参照表温度-30-20-100102030声速3133193223313373443503.5 显示模块图3-8 NOKIA5110显示模块原理图方案一：采用数码管显示。数码管具有接线简单、成本低廉、配置简单灵活、编程容易、对外界环境要求较低、易于维护等特点。电压和电流的显示可以用数码管，但数码管显示的信息量有限，只能显示简单的数字，其电路复杂，占用的系统I/O资源较多，显示信息少，不宜显示大量信息。 方案二：考虑到本系统中显示的内容以及系统的实用性，采用液晶显示(LCD)。液晶显示具有功耗低、体积小、质量轻、无辐射危害、平面直角显示以及影响稳定不闪烁、画面效果好、分辨率高、抗干扰能力强等优点。点阵式LCD不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线及汉字，并且可以实现屏幕上下左右滚动、动画、闪烁、文本特征显示等功能。因为NOKIA5110液晶显示模块可以显示出数字、字母、汉字等，一面了然、外观比较好看。而且液晶显示功耗低、体积小、质量轻、无辐射危害，与单片机连接较简单。故经过比较选择方案二 3.5.1 NOKIA5110液晶显示简介图3-9 NOKIA5110液晶显示器原理图液晶显示模块引脚说明如表3-2所示：表3-2 NOKIA5110液晶显示模块的管脚引脚序号引脚名称功能引脚序号引脚名称功能1SDIN串行数据线5RES复位2SCLK串行时钟线6VCC电源正3D/C模式选择7LIGHT背光灯4SCE芯片使能8GND电源地NOKIA5110液晶显示特点：1. 性价比高，可以显示15个汉字、30个字符，价格相对便宜；2. 接口简单，仅四根I/O线即可驱动；3. 速度快，是LCD12864的20倍，是LCD1602的40倍；4. NOKIA5110工作电压2.3V，正常显示时工作电流200uA以下，具有掉电模式，适合电池供电的便携式移动设备。3.5.2 液晶的主要工作原理(1)SPI接口时序写数据/命令NOKIA5110的通信协议是一个没有MISO只有MOSI的SPI协议：图3-10 串行总线协议-传送1个字节(2)NOKIA5110的初始化接通电源后，内部寄存器和RAM的内容是不确定的，这需要一个RES低电平脉冲复位一下。图3-11 NOKIA5110复位时序(3)显示英文字符英文字符占用个点阵，通过建立一个ASCII的数组font6x86来寻址。(4)显示汉字显示汉字可以采用两种点阵方式，一种是12*12点阵，一种是16*16点阵。3.6 电机驱动电路图3-12 PNMOS管H桥电机驱动原理图方案一：采用直流电机，配合LM293驱动芯片组合。优点在于硬件电路的设计简单。当外加额定直流电压时，转速几乎相等。这类电机用于录音机、录相机、唱机或激光唱机等固定转速的机器或设备中。也用于变速范围很宽的驱动装置。容易受到外部因素干扰，影响稳定的转速和转矩输出。电路如图3-13：图3-13 直流电机+LM293组合电路原理方案二：采用步进电机，配合LM298驱动芯片组合。步进电机可以实现精确的转脚输出，只要施加合适的脉冲序列，电机可以按照人们的预定的速度或方向进行连续的转动，便于控速，但是软件程序的编写较直流电机稍显复杂。但是LM298芯片的硬件电路比较复杂。如图3-14：图3-14 步进电机+LM298