基于上位机的运动小车的设计(共28页).doc
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1、精选优质文档-倾情为你奉上基于上位机的运动小车的设计摘 要:本系统是通过上位机与下位机通信,实现控制运行的系统。系统以计算机、51单片机为中央控制、处理器,通过串口通信、无线射频通信将上位机与下位机连接,运用控制指令实现小车运动。系统控制过程是计算机应用上位机软件,通过串口(COM口)下达各种指令,与计算机相连的MCU(Micro Control Unit,微控制单元)接收串口指令,进行数据处理,通过无线设备发送相应指令。下位机MCU通过无线设备接收指令,进行数据处理,通过各种接口标准控制大量的控制单元,使小车按要求运动。使上位机可以实时对下位机下达各种指令,从而控制下位机机器设备的状态。在本
2、次的论文设计中,系统将完成上位机对下位机控制体系的相应设计,完成整个系统所有设计中的硬件设计、软件设计、系统的总体设计以及系统的最终整合、调试,最终能够实现计算机控制运动小车工作的功能。 关键词:智能;上位机;下位机;控制The design of the sport car based on the PCAbstract: This system uses the upper machine and lower machine communication to control the operation of the system. Moreover, to realize the car
3、movement.this System uses computer, 51 single-chip microcomputer as central control, processor, through a serial port communication, wireless radio frequency communication connect the upper machine and lower machine. The system applys upper software to the controlling process,through a serial port (
4、COM) of various instructions to connect to the computer (STC89C52) receiving serial port MCU instruction, data processing,and use the wireless device send the corresponding instructions. A machine under MCU through the wireless receiving to recept order,control data processing unit, make use of a va
5、riety of interface standards controlling to make the car movement as required.By this way the upper machine can send a variety of instructions from the lower machine at any time, to control the state of the lower machine equipment. Finally,it comes to the conclusion,this system not only complete the
6、 connection of the upper machine to the lower machine ,but also software design, the overall design and system debugging,at the end realize the computer control of the sports car.Keywords:Capacity;Position machine;Lower machine;Control专心-专注-专业目 录9一 引 言1.1 课题背景科技技术的腾飞是现今时代进步的主题,是世界进步的主旋律之一,随着现代化的信息技术
7、的爆炸式飞跃、迅猛的发展,使计算机通信技术广泛应用于一系列得科学技术之中。在工业迅猛发展的今天,计算机技术、人工智能技术已成为科技发展过程中不可或缺的一部分,应用计数机智能控制的技术在各个领域越来越受到人们的欢迎。在计算机平民化的信息化时代基础下,其相关技术的迅速普及,并伴随着快速发展的计算机控制等技术,使得计算机在现代社会的所有的控制领域都被普遍的使用。运用计算机实现一个控制过程,需要用到计算机的控制系统1-3。这种系统是现代化控制系统的重要组成部分4,它一般由上位机和下位机组成,这种组成方式与传统控制方式相比,具有需要控制人员少,自动执行的智能化高;不需人工感觉控制,计算机直接控制的精确度
8、高;不需逐级对数据记录,计算机实时监控使系统的实时性强;不需要大量人工、设备,实施成本低;易实现和能在特殊环境下运行等特点。上位机控制下位机的系统是基于计算机控制平台发展的控制系统,其本身具有智能处理的能力,在各个领域都非常突出,为各行业发展做出了突出贡献。上位机控制系统软件,是在Windons系统上运行以.Net开发环境为平台,使用C#语言编写的操作控制软件。其再连接通过串口通信、无线射频通信来接收、发送控制数据、指令的单片机;下位机是通过串口通信、无线射频通信来接收、发送控制数据、指令的单片机,并且能采集数据、控制相应的单元。达到完成上位机与下位机的连接通信的目的,最终达到数据信号的传输和
9、数据信息的采集、处理5。此选题拟用运动小车为控制对象,利用计算机对运动小车进行通信、控制,从而实现上位机、下位机之间的通信、控制,为基于上位机的控制系统提供设计理念。 1.2 课题研究的目的及意义 现今工业测控、商业控制乃至家庭电器的控制系统,上位机、下位机的控制使用已近非常普遍。本系统的选题基于上位机的运动小车的控制,旨在研究计算机控制系统中,上位机控制下位机的系统。研究控制过程的数据处理、命令的处理等,使系统本身和使用者可以实现受控双方的信息共享、信息反馈等。从而达到人机交互,真正实现“智能化、人性化”。在系统设计时,要处理各种传感器检测数据和控制单元参数,需要将各种接口按照接口标准和计算
10、机、单片机进行连接,通过MCU(STC89C52)进行各种数据的实时处理,再通过上位机的可视化控制按键,经过MCU进行命令的处理,对控制单元进行实时测控,使系统更加“智能化、人性化”。这种系统以其自身的优势在各种测控领域都有广泛应用,为人们节省大量的成本、时间等。如:在一条较长的工业控制线上,不需要每一个质量检测控制点上安排一名专业人员,只要放上控制传感器,他就会实时监控,实时把关,自动执行;在一些检测点或一些过程控制点上,不需要人为的感控,使用一些灵敏度高的传感器、控制装置,事先在电脑上设定好参数,整个过程就不需要专门的技术人员去实时感控,减少人力、减少人为的错误感控;在一些关联性较大的工业
11、线上,各个设备、各条产线、各个车间甚至各个厂区之间的数据结合处理,关系到生产、质量、产能等一系列问题,仅仅依靠人工,不仅效率不高,可靠性也大打折扣,使用计算机对各个数据进行收集、处理、反馈,不仅效率大幅度提高,而且实现了数据的实时性,减少中间环节对数据的破坏;在一些特殊、极其恶劣的环境下,人工不能实时处理的地方,如矿井、电力输送线路等,就可以使用上位机控制下位机的方式,轻而易举解决各种不便。上述就是我们现代智能上位机下位机的测控系统,其对不同领域的贡献,提高工作效率,使各种测控系统井然有序的进行。1.3 系统设计主要任务系统设计时,主控制器发送控制指令,通过串口通信、无线通信技术,发送到从控制
12、器,从控制器处理指令,控制小车,实现小车按指令运动。1.3.1 硬件部分系统硬件由三大部分构成: (1)串口接收、无线发送单元。单片机(STC89C52)是单元主要部分,它控制串口接收,无线发送。(2)无线接收、控制单元。单片机(STC89C52)是单元主要控制系统,它控制无线接收,数据处理8。 (3)受控部分。经过控制单元、指令处理单元,来控制运动小车,实现系统设计的指定功能、检验系统的性能。 1.3.2 软件部分系统软件由三部分构成:(1) 机算机上位机软件。控制小车的运动状态,控制指令输出。(2) 指令收发部分。处理计算机指令,发送控制命令。(3) 分析控制部分。接收控制指令,处理数据,
13、操作受控部分。 二 方案设计系统以计算机为系统的主控制器,单片机(STC89C52)为从控制器,运用单片机接口技术、无线数据通信技术、串口数据通信技术,将串口通信模块、无线通信模块、小车控制模块等有机结合,组成一个上位机控制运动小车的系统2.1 上位机方案系统使用单片机做上位机的转换主芯片,选用NRF24L01射频模块做无线信息收发模块,电脑做上位机主控和显示系统,用户控制指令输入系统,一起组成上位机控制系统。10各类信号的收集处理、系统决策上位机发送指令给单片机无线发送地址和指令 无线接收数据单片机处理接收的数据窗口显示用户控制数据指令指令数据图1 上位机控制系统2.2 下位机方案系统利用5
14、1系列的单片机做下位机的MCU主控芯片,使用射频数据传输模块NRF24L01做无线数据信息接收、发送的通信模块,运动小车做指令执行系统,共同组成下位机被控系统6。无线接收数据、指令MCU(单片机)收集、处理数据并决策小车运动无线发送地址和指令测控指令数据图2 运动小车控制系统2.3 总体控制系统串行信号转换(单片机)无线收发装置无线收发装置决策主控芯片(单片机)无线通信图3 系统总体控制图三 系统硬件电路设计硬件系统设计由两个主要部分组成,上位机(指令发送设备)和下位机(运动小车),上位机的部分主要包括以单片机为主的中央控制处理器、串口传输模块、无线传输模块;下位机部分包括单片机中央控制模块、
15、无线传输模块、小车运动模块、小车及其配件。硬件电路整体设计紧凑、简约、可靠,为软件设计编写打下良好基础。3.1 主控模块系统设计时采用STC89C52单片机。其有小巧且灵活、安全性好、适用的温度范围较宽、易与扩展、指令丰富等优点和较强的实用功能,且STC89C52价格较为便宜。一般可用在工业的自动化、智能仪表仪器、消费性的电子产品、信息通讯方面、智能化的武器装备、手持终端以及外部测控设备等,尽管精确度较ARM有所降低,但是其内部的系统包含有8位的CPU(中央微处理器)一个、内部4K的EPROM一个、其内部RAM有128个字节一个、内部含21个系统的特殊功能寄存器、8位并行的I/O数据口四个、含
16、有全双工的串行数据传输接口一个、含有16位工作方式可调的定时器/计数器两个、工作方式可调的内部和外部的中断控制系统等,已经基本可以满足本系统的各项要求,且相对容易控制。并行传输数据的八位I/O数据连接接口共有四个,分别是P1数据接口,准双向数据传输的I/O数据连接接口,能够驱动起LS类型的TTL式负载四个1;P2数据接口,准双向传输的I/O数据接口,能够和其内部地址的高八位信号总线进行复用,能够驱动起LS类型的TTL式负载四个1;P3数据口,准双向传输的I/O数据接口,可以双功能的复用数据接口,能够驱动LS类型的TTL式负载四个1;P0数据口,具有三态的双向I/O数据传输接口,可以与内部地址的
17、低八位数据总线及系统数据的总线的分时进行复用I/O数据接口,能够驱动起LS类型的TTL式负载八个,其中P1数据接口、P2数据接口、P3数据接口的内部都有片内上拉电阻,在进行硬件电路系统设计时不用再加外部上拉电阻,P0数据口内部没有上拉电阻,要在外部加一个103的上拉电阻。P3.0数据接口、P3.1数据接口是串行信号数据的传输通讯数据接口RXD和TXD,可以完成串行地数据信息的发送和接收功能,P3.2数据信号接口、P3.3数据信号接口是系统外部的中断接口和,软件设定完成后可被触发启动。硬件设计中,单片机供电的电源外部接线引脚Vcc(40号接口)、Vss(20号接口)分别接正五伏电源和接地;与外部
18、连接的时钟引脚接口XTAL1(18号接口)、XTAL2(19号接口),必须连接适合外部晶振器件;单片机的控制信号引脚接口:(29号接口)是片内程序储存器是否允许输出的数据控制端接口、ALE(30号接口)是地址锁存信号是否允许输出的数据端接口、(31号接口)是内部与外部的程序储存器进行选择的控制输出端接口、RESET(RST 9号接口)是系统用于复位的信号输入端数据接口,接复位电路。 图4 STC89C21单片机最小系统3.2 射频模块数据信号间的无线射频传输,选择无线信息数据收发的传输模块NRF24L01完成,其含有全球的开放式且免许可证即可使用的2.4Ghz ISM频段功能,其拥有的最高工作
19、传输速率为2Mbps,空中的传输时间很短,避免了无线传输中的碰撞现象,提高传输速率;高效的GFSK调制,抗干扰能力强;内置2.4GHz天线,体积小巧;125个无线频道,可以满足多点的通信要求和跳频的通信技术需求,能耗较低6,产品价格相对便宜;电路完全集成于模块上的链路层,方便于产品的开发和应用;信号数据包在传输的过程中,具有重发丢失数据包的功能和自动检测数据传输的功能,它的重新发送的次数和时间是可以由系统相应软件程序进行设定控制6;NRF24L01无线数据传输模块中的SPI数据接口,能够使用单片机的I/O数据接口进行SPI功能模拟,或者直接使用电路硬件的SPI数据接口与单片机的接口连接,因含有
20、FIFO在其内部,能够和各种高、低速的微处理器进行连接,降低单片机成本等优点。射频模块上的电源(VCC)接线引脚,可连接1.9伏到3.6伏之间的低电压,超过3.6伏就可能使射频模块停止工作、甚至烧毁;GND引脚接地;由于本设计的硬件系统上没有SPI,就要使用普通的单片机I/O数据口模拟SPI功能,则可以不使用单片机的串行数据口,且此模块的数据传输接口能够和普通的5V单片机的I/O数据接口直接进行连接,不需要加电平转换装置。NRF24L01射频数据传输模块有四种工作方式,三种接收、发送数据信号的模式,使用何种数据收发模式是由具体的硬件电气配置而决定的6。1 GND2 VCC3 CE4 CSN5
21、SCK6 MOSI7 MISO8 IRQ用单片机I/O口模拟SPI,要运用各个引脚接口,完成各时序指令,从而达到特定功能。图5 NRF24L01 引脚图 图6 NRF24L01 内部结构图3.3 串口通信本系统使用的是232串行数据接口通信电路,选用的是使用MAX232转换芯片,其可以适用RS-232C技术类标准所有的要求,只要提供简单的+5伏稳定的电源,芯片上的自带片载式电荷泵拥有对电压的极性进行反转、提升工作电压的功能,功耗低,内部有RS-232接收器两个和RS-232启动器两个。MAX232芯片可以使计算机串行数据接口的rs232数据信号输出电平(-10伏,+10伏)2,将其转换成普通单
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