新型消防車的研究,新型,消防車,研究,鉆研 1 引言 1.1問題的提出 國家相關(guān)部門統(tǒng)計(jì)資料顯示，我國的消防車保有量約為2.3萬輛，近年新增和更新消防車近3000輛。但我國的消防車車型結(jié)構(gòu)不盡合理，特種車比例過低，水罐消防車約占總量的70％，而特種車（除水罐、干粉、泡沫以外的車輛）僅占10％，且車型較老。 有專家預(yù)測：目前，我國消防車市場，從總體上看正處于一個高增長的階段。在未來的5年之內(nèi)，這種增長的勢頭一直不會減弱。每年平均增長量會維持在2000臺左右。一方面我國的消防車有待更新，市場前景看好；另一方面國內(nèi)消防車生產(chǎn)廠家卻在產(chǎn)量小、效益少的低谷中徘徊不前。 現(xiàn)有消防車只是將少數(shù)人接救到車頂?shù)钠脚_處，或者從車壁上的云梯下到地面，這種傳統(tǒng)的解救方式有兩大缺點(diǎn)，首先平臺空間有限，不足以容納太多的逃生人員，當(dāng)遇到著火樓層逃生人員多時，解救速度太慢，勢必會拖延時間，造成原本可以避免的傷亡。再者消防車高空作業(yè)，逃生人員通過云梯向下攀爬，可能產(chǎn)生暈厥現(xiàn)象，不僅逃生速度慢而且安全系數(shù)小。但遇到弱勢群體時，比如老人，婦孺，殘疾人等請況，會給營救工作帶來很大困難。 經(jīng)過改裝后的消防車可以有效的解決上述問題，皮帶傳動裝置和可升降逃生電梯的應(yīng)用，不僅解決救生空間的問題，而且提高了增強(qiáng)了消防車的救援速度。因此設(shè)計(jì)了新型消防車系統(tǒng)。 1.2課題研究的意義? 本作品設(shè)計(jì)出了一種新型的消防車，在現(xiàn)有消防車的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)緩沖裝置以增加消防車的救援功能。具體如下： 1． 營救部分采用皮帶傳送和電梯裝置。皮帶上固定營救箱，并箱內(nèi)安裝有保險 帶；電梯裝置類似吊籃裝置，豎直上升和下降，加快了營救人員的速度，同時電梯門設(shè)計(jì)巧妙，通過一個簡易閥門實(shí)現(xiàn)電梯的閉合和打開，大大的提高了工作效率。 2． 消防車上安裝有攝像頭，在一些特定場所消防人員難以進(jìn)入到事故現(xiàn)場，在 消防車上安裝攝像頭，不僅可以實(shí)時監(jiān)測事故現(xiàn)場的狀況，而且可以通過無線模塊實(shí)現(xiàn)對消防車的遠(yuǎn)程控制。 2 系統(tǒng)概述 2.1 系統(tǒng)功能要求 1． 設(shè)計(jì)并制作消防車的車體結(jié)構(gòu)、車輪的制作、電機(jī)的選擇安裝等； 2． 設(shè)計(jì)并制作可完成人機(jī)交互工作的控制電路板； 3． 消防車上安裝有攝像頭，在一些特定場所消防人員難以進(jìn)入到事故現(xiàn)場，不僅可以實(shí)時監(jiān)測事故現(xiàn)場的狀況，而且可以通過無線模塊實(shí)現(xiàn)對消防車的遠(yuǎn)程控制。 4． 設(shè)計(jì)控制板的程序。 2.2 系統(tǒng)組成 經(jīng)過分析系統(tǒng)功能的要求，可以將各部分功能分別由硬件完成，或硬件與軟件共同完成。 硬件部分應(yīng)該包含：底盤電機(jī)控制電路，轉(zhuǎn)盤電機(jī)和升降電機(jī)控制電路，鍵盤輸入電路，電源電路。 圖2-1 系統(tǒng)組成 軟件部分應(yīng)該實(shí)現(xiàn)：鍵盤按鍵的捕捉識別，底盤電機(jī)的控制，轉(zhuǎn)盤電機(jī)和升降電機(jī)的控制，無線數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，電腦視頻數(shù)據(jù)的顯示，得出系統(tǒng)的框圖如圖2-1所示。 3 方案論證 3.1控制器的方案論證與選擇 方案1：采用可編程邏輯器件CPLD作為控制器。CPLD可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富、易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經(jīng)濟(jì)的角度考慮我們放棄了此方案。 方案2：采用凌陽公司的16位單片機(jī)，它是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動能力高、集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。處理速度高，尤其適用于語音處理和識別等領(lǐng)域。但是當(dāng)凌陽單片機(jī)在語音處理和辨識時，由于其占用的CPU資源較多而使得處理其它任務(wù)的速度和能力降低。 方案3：采用Atmel公司的ATmaga16單片機(jī)作為主控制器。ATmaga16是一個低功耗，高性能的8位單片機(jī)，片內(nèi)含16k空間的可反復(fù)擦些100,000次的Flash只讀存儲器，具有1Kbytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個IO口，2個8位可編程定時計(jì)數(shù)器，1個16位可編程定時計(jì)數(shù)器，四通道PWM，內(nèi)置8路10 位ADC。且maga系列的單片機(jī)可以在線編程、調(diào)試，方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試。 從各個角度考慮，方案3的可行性高。 3.2 無線通訊芯片的選擇 方案1：nRF905功能特點(diǎn)： nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9～3.6V，32引腳QSON封裝(5×5mm)，工作于433/868/915MHz三個ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時間小于650us。nRF905支持多點(diǎn)間通信，最高傳輸速率可達(dá)100Kb/s，有125個頻道可供選擇，可滿足多頻及跳頻需要，主要工作參數(shù)大都可通過芯片狀態(tài)字由用戶根據(jù)需要自行配置，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。nRF905沒有復(fù)雜的通信協(xié)議，它完全對用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通信。所以nRF905是業(yè)界體積最小、功耗最少、外圍元件最少的低成本射頻系統(tǒng)級芯片之一。此外，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時電流只有11mA，工作于接收模式時的電流為12.5mA，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。nRF905適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線報(bào)警及安全系統(tǒng)、無線開鎖、無線監(jiān)測、家庭自動化和玩具等諸多領(lǐng)域。 方案2：也可選用nRF2401以及其他收發(fā)芯片，但它們有的需要外圍元件過多，有的協(xié)議復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)，有的費(fèi)用較高，增加了成本，有的傳輸距離較短。 根據(jù)以上兩種方案的比較，因此在本電路設(shè)計(jì)時采用的是nRF905芯片。 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4.1單片機(jī)電路 4.1.1 AVR單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) AVR單片機(jī)內(nèi)部資源非常豐富，集成了各種常用的外圍設(shè)備，主要由以下部分組成： l 16K字節(jié)擦寫壽命 10000 次的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash l 具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot 代碼區(qū) l 片上Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程 l 可同時讀寫操作的512字節(jié)擦寫壽命100000 次的EEPROM l 1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM l 可以對鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密 l JTAG接口，標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能 l 通過JTAG 接口實(shí)現(xiàn)對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程 l 兩個具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時器/ 計(jì)數(shù)器 l 一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/ 計(jì)數(shù)器 l 具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時計(jì)數(shù)器RTC l 四通道PWM l 8路10 位ADC l 2個具有可編程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道 l 面向字節(jié)的兩線接口IIC l 兩個可編程的串行USART l 可工作于主機(jī)/ 從機(jī)模式的SPI 串行接口 l 具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器TWI l 片內(nèi)模擬比較器 l 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測BOD l 片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的RC 振蕩器 l 片內(nèi)/ 片外中斷源 l 6種睡眠模式: 空閑、ADC 噪聲抑制、省電、掉電、Standby 模式 l 32 個可編程的I/O 口 AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC 微控制器最高至10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。 AVR的ATmega16 有如下特點(diǎn):16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32 個通用I/O 口線，32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計(jì)數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益(TQFP 封裝) 的ADC ，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。 工作于空閑模式時CPU 停止工作，而USART、兩線接口、A/D 轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運(yùn)行，允許用戶保持一個時間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； ADC 噪聲抑制模式時終止CPU 和除了異步定時器與ADC 以外所有I/O 模塊的工作，以降低ADC 轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲； Standby 模式下只有晶體或諧振振蕩器運(yùn)行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴(kuò)展Standby 模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。是以Atmel 高密度非易失性存儲器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi)ISP Flash 允許程序存儲器通過ISP 串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過運(yùn)行于AVR 內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用Flash存儲區(qū)(ApplicationFlash Memory)。在更新應(yīng)用Flash存儲區(qū)時引導(dǎo)Flash區(qū)(Boot Flash Memory)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了RWW 操作。 通過將8 位RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的Flash 集成在一個芯片內(nèi)， ATmega16 成為一個功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為本系統(tǒng)的應(yīng)用提供了靈活的解決方案。 圖4-1 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 4.1.2 AVR單片機(jī)引腳功能 圖4-2 AVR單片機(jī)引腳功能 圖4-2是AVR單片機(jī)DIP封裝的引腳圖，以下是各引腳功能說明。 VCC 數(shù)字電路的電源 GND 地 端口A(PA7..PA0) 端口A 做為A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。端口A 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口A 處于高阻狀態(tài)。 端口B(PB7..PB0) 端口B 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口B 處于高阻狀態(tài)。端口B 也可以用做其他不同的特殊功能。 端口C(PC7..PC0) 端口C 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口C 處于高阻狀態(tài)。如果JTAG接口使能，即使復(fù)位出現(xiàn)引腳 PC5(TDI)、 PC3(TMS)與 PC2(TCK)的上拉電阻被激活。端口C 也可以用做其他不同的特殊功能。 端口D(PD7..PD0) 端口D 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口D 處于高阻狀態(tài)。端口D 也可以用做其他不同的特殊功能。 RESET 復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。門限時間見P36Table 15。持續(xù)時間小于門限間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。 XTAL1 反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端。 XTAL2 反向振蕩放大器的輸出端。 AVCC AVCC是端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用ADC時，該引腳應(yīng)直接與VCC連接。使用ADC時應(yīng)通過一個低通濾波器與VCC 連接。 AREF A/D 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。 4.1.3 AVR單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 圖4-3 AVR單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 圖4-3是AVR單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖，圖中U1是AVR單片機(jī)，是整個系統(tǒng)的核心控制單元，R1和C1組成單片機(jī)的復(fù)位電路，晶振XTAL，和C1，C2是單片機(jī)時鐘源的輔助電路。AVR單片機(jī)的外圍電路非常簡單，使系統(tǒng)更加的簡單，提高可靠性，降低故障率。 復(fù)位電路是為了保證單片機(jī)在正式運(yùn)行程序之前，將內(nèi)部各個功能寄存器的狀態(tài)回復(fù)到初始狀態(tài)，以保證單片機(jī)按照程序設(shè)計(jì)者的意圖運(yùn)行。R1與C1構(gòu)成RC電路，在系統(tǒng)上電后，單片機(jī)復(fù)位端電壓漸漸升高，當(dāng)電壓升高到復(fù)位端RESET門限電壓0.9V時，單片機(jī)完成復(fù)位，在系統(tǒng)斷電后，C1通過復(fù)位引腳內(nèi)部電路放電，在下一次上電時又可以進(jìn)行復(fù)位過程。由于剛上電時，電路中的電容，電感的存在，電路電源的穩(wěn)定需要一定時間才能使單片機(jī)正?？煽窟\(yùn)行，所以復(fù)位時間長對系統(tǒng)的可靠性有利。電路中R1選10k，C1選10uF，復(fù)位時間在10MS以上，可以可靠的對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。R1，C1應(yīng)該靠近單片機(jī)，與單片機(jī)的連線短些，可以減少因?yàn)橹車蓴_一起的錯誤復(fù)位動作。 使用外部晶振速度快，頻率穩(wěn)定，抗干擾強(qiáng)，適合在周圍用電環(huán)境復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性要求高的電路中。晶振XTAL，和C1，C2與單片機(jī)內(nèi)部時鐘源電路一起組成8M的時鐘頻率，供給單片機(jī)內(nèi)部使用，單片機(jī)的熔絲配置中應(yīng)該選擇使用外部晶振選項(xiàng)。晶振，校正電容C2，C3，與單片機(jī)的連線應(yīng)該越短越好，且周圍不要有大電流回路，盡量不要在晶振底部走線，晶振的金屬外殼要與地相連，可以提高時鐘電路的穩(wěn)定性和可靠性。 4.2 電源電路 圖4-4 系統(tǒng)電源電路原理 由于電機(jī)的驅(qū)動電路需要24V的工作電壓，而單片機(jī)、L298電機(jī)驅(qū)動芯片、光電耦合器等工作電壓需要5V，所以變壓器的24V輸出需要經(jīng)過穩(wěn)壓模塊穩(wěn)定到單片機(jī)的工作電壓范圍?？紤]到電機(jī)驅(qū)動電路必須和單片機(jī)分開供電，這樣可以避免電機(jī)電路對單片機(jī)電路的干擾所以采取對單片機(jī)單獨(dú)供電，步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)橋臂共用一個24V電源。其系統(tǒng)電源電路原理如上圖4-4所示。 4.2.1 電源電路的結(jié)構(gòu) 由變壓器出來的交流信號經(jīng)過橋式整流和電容濾波之后送給LM7805，穩(wěn)壓5V輸出，它的輸出單獨(dú)供給單片機(jī)。在三端穩(wěn)壓管的輸入輸出端與地之間連接大容量的濾波電容，使濾掉紋波的效果更好，輸出的直流電壓更穩(wěn)定。接小容量高頻電容以抑制芯片自激，輸出引腳端連接高頻電容以減小高頻噪聲，使單片機(jī)工作在一個良好的電源環(huán)境中，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。 4.2.2 電源芯片引腳功能 電源電路主要運(yùn)用到7805穩(wěn)壓芯片，該系列芯片技術(shù)成熟，所需的外圍器件少，性價比高，運(yùn)用的非常廣泛，其內(nèi)部原理圖如圖4-5所示。 圖4-5 7805內(nèi)部原理圖 圖4-6為7805的引腳圖 INPUT 電源輸入端，最大可達(dá)35V GROUND 電源地 OUTPUT +8V輸出端 圖4-6 7805的引腳圖 4.3無線通訊模塊nRF905 nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9～3.6V，32引腳QSON封裝(5×5mm)，工作于433/868/915MHz三個ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時間小于650us。nRF905支持多點(diǎn)間通信，最高傳輸速率可達(dá)100Kb/s，有125個頻道可供選擇，可滿足多頻及跳頻需要，主要工作參數(shù)大都可通過芯片狀態(tài)字由用戶根據(jù)需要自行配置，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。nRF905沒有復(fù)雜的通信協(xié)議，它完全對用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通信。所以nRF905是業(yè)界體積最小、功耗最少、外圍元件最少的低成本射頻系統(tǒng)級芯片之一。此外，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時電流只有11mA，工作于接收模式時的電流為12.5mA，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。nRF905適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線報(bào)警及安全系統(tǒng)、無線開鎖、無線監(jiān)測、家庭自動化和玩具等諸多領(lǐng)域。下面介紹nRF905的功能特性、芯片結(jié)構(gòu)、引腳定義和工作模式。 4.3.1 功能特性 1. GFSK調(diào)制收發(fā)合一。 2. ShockBurst收發(fā)模式特適用于低功耗應(yīng)用。 3. 多頻道應(yīng)用——兼容ETSI/FCC，頻道切換時間小于650us。 4. 最大輸出功率＋10dBm可調(diào),接收靈敏度高達(dá)-100dBm。 5. 載波監(jiān)聽功能有效防止RF傳輸碰撞。 6. 成功收發(fā)數(shù)據(jù)包信號提示。 7. 接收數(shù)據(jù)包自動地址匹配。 8. 發(fā)送數(shù)據(jù)包自動重傳。 9. 自動生成數(shù)據(jù)包報(bào)頭及CRC校驗(yàn)碼。 10. 數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)100kbps。 11. 16腳雙排接口，可直接與TTL/COMS模式MCU引腳連接。 12. 接口協(xié)議：同步串行SPI接口（可用單片機(jī)IO模擬）。 4.3.2 芯片結(jié)構(gòu) nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，不需外加聲表濾波器，曼徹斯特編碼/解碼由片內(nèi)硬件完成，無需用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，因此使用非常方便。它的結(jié)構(gòu)框圖如下圖4-7所示： 圖4-7 nRF905芯片結(jié)構(gòu)框圖 4.3.3 引腳定義 表4-1 nRF905引腳定義 管腳 名稱 描述 1 GND 電源地 2 VCC 系統(tǒng)電源 3 TRX_CE 使能芯片接收和發(fā)送 4 TXEN 收發(fā)狀態(tài)選擇：TXEN=’1’ 發(fā)射狀態(tài)； TXEN=’0’ 接收狀態(tài) 5 uPCLK 系統(tǒng)時鐘分頻輸出 6 PWR_UP 工作狀態(tài)控制：PWR=’1’ 正常工作狀態(tài)； PWR=’0’ 待機(jī)微功耗狀態(tài) 7 GND 電源地 8 GND 電源地 9 AM 地址匹配 10 CD 載波監(jiān)聽 11 MISO SPI輸出,MCU由此口從RF芯片讀入數(shù)據(jù) 12 DR 接收或發(fā)送就緒 13 SCK SPI時鐘 14 MOSI SPI輸入,MCU由此口向RF芯片寫入數(shù)據(jù) 15 GND 電源地 16 CSN SPI使能，低激活 4.3.4 工作模式 nRF905有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式分別是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM發(fā)送模式，兩種節(jié)能模式分別是關(guān)機(jī)模式和空閑模式。nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三個引腳決定，詳見下表4-2所示： 表4-2 nRF905工作模式 PWR_UP TRX_CE TX_EN 工作模式 0 × × 關(guān)機(jī)模式 1 0 × 空閑模式 1 1 0 射頻接收模式 1 1 1 射頻發(fā)送模式 ShockBurstTM模式: 與射頻數(shù)據(jù)包有關(guān)的高速信號處理都在nRF905片內(nèi)進(jìn)行，數(shù)據(jù)速率由微控制器配置的SPI接口決定，數(shù)據(jù)在微控制器中低速處理，但在nRF905中高速發(fā)送，因此中間有很長時間的空閑，這很有利于節(jié)能。由于nRF905工作于ShockBurstTM模式，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。在ShockBurstTM接收模式下，當(dāng)一個包含正確地址和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包被接收到后，地址匹配(AM)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好(DR)兩引腳通知微控制器。在ShockBurstTM發(fā)送模式，nRF905自動產(chǎn)生字頭和CRC校驗(yàn)碼，當(dāng)發(fā)送過程完成后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。由以上分析可知，nRF905的ShockBurstTM收發(fā)模式有利于節(jié)約存儲器和微控制器資源，同時也減小了編寫程序的時間。下面具體詳細(xì)分析nRF905的發(fā)送流程和接收流程。 1． 發(fā)送流程 典型的nRF905發(fā)送流程分以下幾步： A.?當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，通過SPI接口，按時序把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給nRF905，SPI接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時確定； B.?微控制器置高TRX_CE和TX_EN，激發(fā)nRF905的ShockBurstTM發(fā)送模式； C.?nRF905的ShockBurstTM發(fā)送： 射頻寄存器自動開啟； 數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗(yàn)碼)； 發(fā)送數(shù)據(jù)包； 當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳被置高； D.?AUTO_RETRAN被置高，nRF905不斷重發(fā)，直到TRX_CE被置低； E.?當(dāng)TRX_CE被置低，nRF905發(fā)送過程完成，自動進(jìn)入空閑模式。 ShockBurstTM工作模式保證，一旦發(fā)送數(shù)據(jù)的過程開始，無論TRX_EN和TX_EN引腳是高或低，發(fā)送過程都會被處理完。只有在前一個數(shù)據(jù)包被發(fā)送完畢，nRF905才能接受下一個發(fā)送數(shù)據(jù)包。 2． 接收流程 A.?當(dāng)TRX_CE為高、TX_EN為低時，nRF905進(jìn)入ShockBurstTM接收模式； B.?650us后，nRF905不斷監(jiān)測，等待接收數(shù)據(jù)； C.?當(dāng)nRF905檢測到同一頻段的載波時，載波檢測引腳被置高； D.?當(dāng)接收到一個相匹配的地址，地址匹配引腳被置高； E.?當(dāng)一個正確的數(shù)據(jù)包接收完畢，nRF905自動移去字頭、地址和CRC校驗(yàn)位，然后把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳置高； F.?微控制器把TRX_CE置低，nRF905進(jìn)入空閑模式； G.?微控制器通過SPI口，以一定的速率把數(shù)據(jù)移到微控制器內(nèi)； H.?當(dāng)所有的數(shù)據(jù)接收完畢，nRF905把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳和地址匹配引腳置低； I.?nRF905此時可以進(jìn)入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM發(fā)送模式或關(guān)機(jī)模式。 當(dāng)正在接收一個數(shù)據(jù)包時，TRX_CE或TX_EN引腳的狀態(tài)發(fā)生改變，nRF905立即把其工作模式改變，數(shù)據(jù)包則丟失。當(dāng)微處理器接到地址匹配引腳的信號之后，其就知道nRF905正在接收數(shù)據(jù)包，其可以決定是讓nRF905繼續(xù)接收該數(shù)據(jù)包還是進(jìn)入另一個工作模式。 3． 節(jié)能模式 nRF905的節(jié)能模式包括關(guān)機(jī)模式和節(jié)能模式。 在關(guān)機(jī)模式，nRF905的工作電流最小，一般為2.5uA。進(jìn)入關(guān)機(jī)模式后，nRF905保持配置字中的內(nèi)容，但不會接收或發(fā)送任何數(shù)據(jù)。 空閑模式有利于減小工作電流，其從空閑模式到發(fā)送模式或接收模式的啟動時間也比較短。在空閑模式下，nRF905內(nèi)部的部分晶體振蕩器處于工作狀態(tài)。nRF905在空閑模式下的工作電流跟外部晶體振蕩器的頻率有關(guān)。 4.4 直流電機(jī)驅(qū)動芯片L298N L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片的主要特點(diǎn)是:工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V;輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器、線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作；有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。其管腳圖和實(shí)物圖分別如圖4-8和圖4-9所示，管腳功能如表4-3所示。 圖4-8 L298N管腳圖 圖4-9 L298N實(shí)物圖 管腳 符 號 功 能 1 15 SENSING A SENSING B 此兩端與地連接電流檢測電阻，并向驅(qū)動芯片反饋檢測到的信號 2 3 OUT 1 OUT 2 此兩腳是全橋式驅(qū)動器A的兩個輸出端，用來連接負(fù)載 4 Vs 電機(jī)驅(qū)動電源輸入端 5 7 IN 1 IN2 輸入標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號，用來控制全橋式驅(qū)動器A的開關(guān) 6 11 ENABLE A ENABLE B 使能控制端.輸入標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號；低電平時全橋式驅(qū)動器禁止工作。 8 GND 接地端，芯片本身的散熱片與8腳相通 9 Vss 邏輯控制部分的電源輸人端口 10 12 IN 3 IN 4 輸入標(biāo)準(zhǔn)的TTL邏輯電平信號，用來控制全橋式驅(qū)動器B的開關(guān) 13 14 OUT 3 OUT 4 此兩腳是全橋式驅(qū)動器B的兩個輸出端，用來連接負(fù)載 表4-3 L298N管腳功能 圖4-10 直流電機(jī)驅(qū)動電路 4.5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動采用專用的驅(qū)動電路模塊，使用模塊電路可以加快產(chǎn)品開發(fā)速度，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定，可靠。且單片機(jī)只需2個接口就可以完成步進(jìn)電機(jī)的方向和步進(jìn)控制。所選用的驅(qū)動器型號為森創(chuàng)公司的SH-20403，它的主要參數(shù)如下： l 10V～40V直流供電 l H橋雙極恒相流驅(qū)動 l 最大3A的8種輸出電流可選 l 最大 64細(xì)分的7種細(xì)分模式可選 l 輸入信號光電隔離 l 標(biāo)準(zhǔn)共陽單脈沖接口 l 脫機(jī)保持功能 5 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 軟件部分主要完成對鍵盤的分析及無線數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，來控制消防車救援。包括底盤電機(jī)（步進(jìn)電機(jī)）的正反向、轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動（直流電機(jī)）和救援箱體的升降等功能。 5.1直流電機(jī)控制子程序 直流電機(jī)控制子程序完成電機(jī)的救援箱體的升降工程，其執(zhí)行流程如圖5-1所示。 圖5-1 直流電機(jī)控制流程圖 5.2鍵盤子程序 鍵盤程序完成鍵盤的掃描，除抖動，鍵碼保存的功能，其執(zhí)行流程如圖5-2所示。 圖5-2鍵盤識別流程圖 5.3 無線通訊模塊驅(qū)動程序 5.3.1 器件配置 所有配置字都是通過SPI接口送給nRF905。SIP接口的工作方式可通過SPI指令進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)nRF905處于空閑模式或關(guān)機(jī)模式時，SPI接口可以保持在工作狀態(tài)。 1． SPI接口配置 SPI接口由狀態(tài)寄存器、射頻配置寄存器、發(fā)送地址寄存器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和接收數(shù)據(jù)寄存器5個寄存器組成。狀態(tài)寄存器包含數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳狀態(tài)信息和地址匹配引腳狀態(tài)信息；射頻配置寄存器包含收發(fā)器配置信息，如頻率和輸出功能等；發(fā)送地址寄存器包含接收機(jī)的地址和數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器包含待發(fā)送的數(shù)據(jù)包的信息，如字節(jié)數(shù)等；接收數(shù)據(jù)寄存器包含要接收的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)等信息。 2． 射頻配置 射頻寄存器的各位的長度是固定的。然而，在ShockBurstTM收發(fā)過程中，TX_PAYLOAD、RX_PAYLOAD、TX_ADDRESS和RX_ADDRESS 4個寄存器使用字節(jié)數(shù)由配置字決定。nRF905進(jìn)入關(guān)機(jī)模式或空閑模式時，寄存器中的內(nèi)容保持不變。 5.3.2 程序流程圖 圖5-3 nRF905數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖 典型ShockBurst TX： 1. 當(dāng)應(yīng)用MCU有遙控?cái)?shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)時，接收節(jié)點(diǎn)的地址（TX-address）和有效數(shù)據(jù)（TX-payload）通過SPI接口傳送給nRF905。應(yīng)用協(xié)議或MCU設(shè)置接口速度。 2. MCU設(shè)置TRX_CE,TX_EN為高來激活nRF905 ShockBurst傳輸。 3. nRF905 ShockBurst:無線系統(tǒng)自動上電數(shù)據(jù)包完成(加加導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼)數(shù)據(jù)包發(fā)送（100kbps,GFSK,曼切斯特編碼）。 4. 如果AUTO_RETRAN被設(shè)置為高，nRF905將連續(xù)地發(fā)送數(shù)據(jù)包，直到TRX_CE被設(shè)置為低。 5. 當(dāng)TRX_CE被設(shè)置為低時，nRF905結(jié)束數(shù)據(jù)傳傳輸并將自己設(shè)置成standby模式。 ShockBurst工作模式確保一個傳輸包發(fā)送開始后，總是能夠完成，不管在發(fā)送過程中TRX_CE,TX_EN如何被設(shè)置。當(dāng)發(fā)送結(jié)束后，新的模式被激活。 圖5-4 nRF905數(shù)據(jù)接收流程圖 典型ShockBurst RX： 1． 通過設(shè)置TRX_CE高，TX_EN低來選擇ShockBurst RX模式。 2． 650us以后，nRF905監(jiān)測控制的信息。 3． 當(dāng)nFR905發(fā)現(xiàn)和接收頻率相同的載波時，載波檢測CD被置高。 4． 當(dāng)nFR905 接收導(dǎo)有效的地址時，地址匹配AM被置高。 5． 當(dāng)nFR905 接收到有效的數(shù)據(jù)包（CRC校驗(yàn)正確）時，nFR905去掉前導(dǎo)碼，地址和CRC位，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒DR被置高。 6． MCU設(shè)置TRX_CE低，進(jìn)入standby模式（低電流模式）。 7． MCU可以以合適的速率通過SPI接口讀出有效數(shù)據(jù)。 8． 當(dāng)所有的有效數(shù)據(jù)被讀出后，nFR905將AM和DR置低。 9． nFR905 將準(zhǔn)備進(jìn)入ShockBurst RX，ShockBurst TX或Powerdown模式。 5.4步進(jìn)電機(jī)控制子程序 步進(jìn)電機(jī)控制子程序完成電機(jī)方向控制，步數(shù)控制，其執(zhí)行流程如圖5-5所示。 圖5-5 步進(jìn)電機(jī)控制流程圖 5.5主程序流程圖 主程序完成各模塊程序的調(diào)度，其中消防車主控制程序最關(guān)鍵，其執(zhí)行流程如下圖5-6所示。 圖5-6 主程序 6 系統(tǒng)調(diào)試 按下電源開關(guān)，按下發(fā)射控制端的“前進(jìn)”按鈕，新型消防車會執(zhí)行前進(jìn)的動作，一直按著，消防車一直前進(jìn)，松開按鈕，消防車停止；按下“后退”的按鈕，新型消防車會執(zhí)行后進(jìn)的動作，一直按著，消防車一直后進(jìn)，松開按鈕，消防車停止；按下“左轉(zhuǎn)”的按鈕，新型消防車會執(zhí)行左轉(zhuǎn)的動作，一直按著，消防車一直左轉(zhuǎn)，松開按鈕，消防車停止；按下“右轉(zhuǎn)”的按鈕，新型消防車會執(zhí)行右轉(zhuǎn)的動作，一直按著，消防車一直右轉(zhuǎn)，松開按鈕，消防車停止。 按下地盤“順時針轉(zhuǎn)動”的按鈕，消防車的地盤會執(zhí)行順時轉(zhuǎn)動的動作，一直按著，消防車的地盤一直順時針轉(zhuǎn)，松開按鈕，地盤停止轉(zhuǎn)動；按下地盤“逆時針轉(zhuǎn)動”的按鈕，消防車的地盤會執(zhí)行逆時針轉(zhuǎn)動的動作，一直按著，消防車的地盤一直順時針轉(zhuǎn)動，松開按鈕，地盤停止轉(zhuǎn)動。 按下吊籃“上升”的按鈕，消防車會執(zhí)行上升的動作，一直按著，吊籃一直上升，直到到達(dá)最高點(diǎn)，松開按鈕，吊籃停止上升；按下吊籃“下降”的按鈕，新型消防車會執(zhí)行下降的動作，一直按著，消防車一直下降，直到安全下降到地面，松開按鈕，吊籃停止下降。 按下皮帶傳送“上升”的按鈕，傳動帶會一直執(zhí)行上升的動作；按下皮帶傳送“停止”的按鈕，傳送帶會執(zhí)行停止的動作。 結(jié) 論 經(jīng)過各項(xiàng)功能的調(diào)試，不斷的修正，系統(tǒng)以達(dá)到良好效果，各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)到目標(biāo)要求， 1 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，控制精確，操作簡單。 2 該系統(tǒng)最后通過實(shí)際使用，系統(tǒng)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)程序跑亂的現(xiàn)象，符合其最終的標(biāo)準(zhǔn)。 3 系統(tǒng)的某些指標(biāo)已超過了設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了良好效果。 這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，從開始設(shè)計(jì)到設(shè)計(jì)的完成，現(xiàn)場調(diào)試，都讓我感覺收獲挺多，這不僅是理論上的升華，還有實(shí)踐中的鍛煉。在系統(tǒng)調(diào)試過程中，由于每個電路板出現(xiàn)的問題都不一樣，因此，做完這個畢業(yè)設(shè)計(jì)后，不僅提高了我的獨(dú)立分析問題能力，而且還加強(qiáng)了實(shí)際解決問題的能力。 參考文獻(xiàn) [1] 童詩白主編.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，1998. 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Frey. “Scalable Geographic Routing Algorithms for Wireless Ad Hoc Networks,” IEEE Network Mag., July/Aug. 2004：18～22 附錄1：原理圖 附錄2：程序源代碼： #include #include //可以嵌套 #include //不可嵌套，執(zhí)行時總中斷被關(guān)閉 #include "UART16.h" #define SCK_1 PORTB|= _BV(1) #define SCK_0 PORTB&=~_BV(1) #define RCK_1 PORTB|= _BV(0) #define RCK_0 PORTB&=~_BV(0) #define SER_1 PORTB|= _BV(2) #define SER_0 PORTB&=~_BV(2) #define CLK_1 PORTA|= _BV(0) #define CLK_0 PORTA&=~_BV(0) #define DIN_1 PORTA|= _BV(1) #define DIN_0 PORTA&=~_BV(1) #define CS_1 PORTA|= _BV(2) #define CS_0 PORTA&=~_BV(2) /*-----------------------------------------------------------------------------------*/ uint zg[16]={0x8000,0x4000,0x2000,0x1000,0x0800,0x0400,0x0200,0x0100,0x0080, 0x0040,0x0020,0x0010,0x0008,0x0004,0x0002,0x0001}; uin zd[16]={0x7fff,0xbfff,0xdfff,0xefff,0xf7ff,0xfbff,0xfdff,0xfeff,0xff7f,0xffbf,0xffdf, 0xffef,0xfff7,0xfffb,0xfffd,0xfffe}; //模擬板吸合 uint dfs[4]={0x0000,0x0000,0x0000,0x0000};//緩存的數(shù)據(jù)，帶發(fā)送的 /*-----------------------------------------*/ uchar cs=0,ss=0;//中斷函數(shù)中的次數(shù) /*----------------------------------------------------*/ void delay(uint n) { uint i,j; for(i=0;i=2;n--) { dat=dfs[n-2]; for(i=0;i<16;i++) { SCK_0; if(dat&0x0001) SER_1; else SER_0; SCK_1; dat=dat>>1; } } RCK_1;asm("nop");RCK_0; } /*--------判斷跳轉(zhuǎn)-------------------------*/ void pdtz(void) { uchar pd,dz; pd=js[0]&0xc0;//狀態(tài) dz=js[1]; switch(dz) { case 0x01:{ switch(pd) { case 0x00: dfs[0]&=zd[dz-1];dfs[0]&=zd[dz];clear_5618(dz);Txshuju();break; case 0x40: dfs[0]&=zd[dz]; dfs[0]|=zg[dz-1];Txshuju();break;//01 開路 case 0x80: dfs[0]&=zd[dz-1];dfs[0]&=zd[dz];Txshuju();break; case 0Xc0: dfs[0]|=zg[dz]; dfs[0]|=zg[dz-1];Txshuju();TLC5618(dz);break;// } };break; case 0x03:{ switch(pd) { case 0x00: dfs[0]&=zd[dz-1];dfs[0]&=zd[dz];clear_5618(dz);Txshuju();break; case 0x40: dfs[0]&=zd[dz]; dfs[0]|=zg[dz-1];Txshuju();break;//01 case 0x80: dfs[0]&=zd[dz-1];dfs[0]&=zd[dz];Txshuju();break; case 0Xc0: dfs[0]|=zg[dz]; dfs[0]|=zg[dz-1];Txshuju();TLC5618(dz);break;// } };break; case 0x05:{ switch(pd) { case 0x00: dfs[0]&=zd[dz-1];dfs[0]&=zd[dz];clear_5618(dz);Txshuju();break; case 0x40: dfs[0]&=zd[dz]; dfs[0]|=zg[dz-1];Txshuju();break;//01 開路 case 0x80: dfs[0]&=zd[dz-1];dfs[0]&=zd[dz];Txshuju();break; case 0Xc0: dfs[0]|=zg[dz]; dfs[0]|=zg[dz-1];Txshuju();TLC5618(dz);break;//模擬電壓轉(zhuǎn) } };break; case 0x07:{ switch(pd) { case 0x00: dfs[0]&=zd[dz-1];dfs[0]&=zd[dz];clear_5618(dz);Txshuju();break; case 0x40: dfs[0]&=zd[dz]; dfs[0]|=zg[dz-1];Txshuju();break;//01 開路 case 0x80: dfs[0]&=zd[dz-1];dfs[0]&=zd[dz];Txshuju();break; case 0Xc0: dfs[0]|=zg[dz]; dfs[0]|=zg[dz-1];Txshuju();TLC5618(dz);break;//模擬電壓轉(zhuǎn) } };break; case 0x09:{ switch(pd) { case 0x00: dfs[0]&=zd[dz-1];dfs[0]&=zd[dz];clear_5618(dz);Txshuju();break; case 0x40: dfs[0]&=zd[dz]; dfs[0]|=zg[dz-1];Txshuju();break;//01 開路 case 0x80: dfs[0]&=zd[dz-1];dfs[0]&=zd[dz];Txshuju();break; case 0Xc0: dfs[0]|=zg[dz]; dfs[0]|=zg[dz-1];Txshuju();TLC5618(dz);break;//