自动寻轨机器车

设计狂人＃0706 自动寻轨机器车 任雁胜 视频演示：http://designnews.com.cn/0707-802.aspx www.designnews.com.cn 第一章 机器人系统的总体设计思路 如 图（一）机器人整体外观设计图 （一）整个系统由前端光电检测系统，单片机系统，和机械控制部分构成 下图所示： 图（二）系统原理框图 （二）自动寻轨机器车工作原理 给定环节 执 行 机构 放 大 环节 给串联校 正装置 反馈校正装置 测量装置 传感器 步进电 图（三）闭环控制系统职能框图 。其原理框图 光电检测系统 单片机系统 机械控制部分 被 控 对象 机 原理 ： 外部信号 电压信号 高低电平 “黑”“白” 命令 改变小车位置 光电传感器 执行机构 单片机 门限比较器电路 自动寻轨机器车的工作原理是以单片机为控制核心的一阶闭环控制系统。在实验室条件 下，在一张白纸上用黑色胶纸制出机器车预先设定的运行轨迹。由于本次采用的前端传感器 具有识别黑、白颜色的能力。因此，由前端光电传感器，单片机和执行机构共同作用，保证 机器车能够在预先设定的轨迹上行驶。 在小车的前后，左、右放置有四个反射式光电检测器，用于实时地检测小车当前的位置 是否已经偏离了预定轨迹，并产生相应的电压信号，经过比较器电路，处理后的高低电压信 号被输入到单片机 CPU中，单片机对光电传感器采集的数据进行处理，并调用相应的子程序 处理。单片机通过端口输出相应的高低电平控制步进电机的运动，从而改变小车的位置，达 到了反馈控制的目的。 图（四）机器人小车结构图 第二章 机器人单片机的型号及相关参数 §4.1单片机型号的选择 一、AT89C51单片机简介 AT89C51引脚图如下 AT89C51 是一种低功耗、高性能的片内含有 8KB 快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROM ——FLASH PROGRAMMABLE AND ERASABLE READ ONLY MEMORY）的 8位 CMOS微控制器，使用 高密度、非易失存储技术制造，并且与 80C31 引脚和指令系统完全兼容。芯片上的 FPEROM 允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。 AT89C51（ 以下简称 89C51）将具有多种功能的 8位 CPU与 FPEROM结合在一个芯片上， 为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜（现价 20多元）的，其性能价格 比远高于 8751。 由于片内带 EPROM的 87C51价格偏高，而片内带 FPEROM的 89C51价格低且与 INTEL80C51 兼容，这就显示出了 89C51的优越性。 AT89C51方块原理图如 二、AT89C51性能及特点 1． 片内有 4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器 2． 存储器数据保存时间为 10年 3． 存储器可循环写入/擦除 1000次 4． 宽工作电压范围：VCC可为 2.7V—6V 5． 全静态工作：可从 0HZ至 24MHZ 6． 程序存储器具有 3级加密保护 7． 256与 MCS—51微控制器产品系列兼容 8． *8位内部 RAM 9． 32条可编 I/O线 10.3个 16位定时器/计数器 11.中断结构具有 6个中断源和 2个优先级 12.可编程全双工串行通道 13.空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容 §4.2单片机外围辅助元件的选择 1、 电平式开关复位 复位的核心是必须保证 RST引脚出现 10毫秒以上的高电平，这样就可以实现可靠的复位。 Cr CAP R2 R1 VCC RST C 与 R 的值随着时钟频率的变化而变化，可由实验测得。在通电瞬间， RC 电路充电过程 中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位，当采用 6MHz时钟时 C取 22Uf,R1取 200欧， R2取 1 千欧。 2、晶体振荡电路 VCC C2C1 X2 X1 晶体振荡器与电容 C1 和 C2 组成并联谐振电路。电容的大小会影响振荡频率的高低、振荡 器的稳定性、起振的快速性。当接晶振时，C1和 C2常选用 30pF左右。本次设计选用振荡 频率为 6MHz的晶振，C1、C2选用 27Pf的电容。 第三章 机器人光电传感器的原理及应用 §3.1传感器的选择 我们采用的是国产 ST-188传感器组成原理图及参数性能如下： 项 目 符号 测试条件 最小 典型 最大 单位 正向压降 VF IF=20mA - 1.25 1.5 V 输入 反向电流 IR VR=3V - - 10 μA 集电极暗 电流 Iceo Vce=20V - - 1 μA L3 0.30 - - mA L4 0.40 - - mA 集电极亮 电流 IL Vce=15V IF=8 mA L5 0.50 - - mA 集电极电 流比 IC Vce=15V IF=8 mA 0.71 - 1.4 输出 饱和压降 VCE IF=8mA Ic=0.15mA - - 0.4 V Tr - 5 - μs 传输 特性 响应时间 Tf IF=20mA Vce=5V Rc=100Ω - 5 - μs 注：集电极亮电流 IL、饱和压降 VCE、电流比、响应时间是在红外光电传感器前端面与亮 检测面距离 5-10mm处测得，其数值受亮检测面的表面光洁度及平整度影响。 一、ST-188传感器特点 1． 采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。 2． 检测距离可调整范围大，近距离 5-10mm可用。 3． 采用非接触检测方式。 §3.2传感器相关参数的确定 在这个检测系统设计中，最关键的问题就是传感器的有效检测距离与输出信号值的大小. 因此，必须对 R1,R2进行搭配实验，使得光电检测器的有效检测距离和灵敏度达到最佳配置, 同时获得一个合适的输出电压值. 经过选定,在 R1=1000Ω,R2=44kΩ,VCC=+5V的条件下,在 一张 A4的白纸上用黑色墨汁绘出 12cm*3cm的标记，保持传感器的出射面与纸面平行,分别 对黑色标记和白色纸面进行实验。得到系列数据，如下表所示 : 检测距离 D (cm) 5 4 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0.2 黑色 V b 4.47 4.47 4.47 4.48 4.0 4.2 4.1 3.4 3.2 输出 电压 Vout (V) 白 色 Vw 1.2 0.4 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.6 1.9 Vb---Vw (V) 3.27 4.07 4.27 4.28 3.8 4.0 3.9 2.8 1.3 IST188电压、距离测试数据表格 由上表可以看出，在检测距离 D=1.3cm---1.5cm 的范围里，黑、白颜色对应的输出电压 值差距比较明显,而且这个有效测试距离的范围可以满足实际要求.在实验中，只要能够保证 光电检测管的出射面和被检测面的距离在这个范围以内，就可以利用光电检测管来识别由黑 白颜色区分构成的轨迹标志了。 §3.3传感器电路设计 在实验过程中，随着周围环境光反射，温度影响以及其它因素的变化，光电检测管的输 出电压值也有波动，在一定程度上影响了系统的稳定性。为了消除这种干扰,必须设定一个 合适的门限电压，将光电检测管的输出电压值通过门限电压比较器 74HC125（四总线三态 缓冲门）,得到相应的稳定输出“1”,“0”值，然后把这个信号输入到单片机中，作为机器 车运行轨迹的检测信号。 一路传感器电路原理图 第四章 机器人电机驱动的原理及控制 §5.1步进电机的型号选择 步进电机控制系统的研制与开发有很长时间了，但由于控制系统数控特点的要求,往往 使系统本身较为复杂,电子计算机的发展以及各种电力电子元件的相继出现,使步进电机以其 数控电动机的优秀品质迅速发展起来。步进电机大致可分为:反应式、永磁式、混合式 3种, 其中反应式和混合式应用较为广泛·混合式步进电机因其结构上的特点既具有反应式步进电 机的高分辨率,又具有永磁式步进电机的高效率及绕组电阻小的优点。两相混合式步进电机 是这类电机中最常见的一种,除了具有步进频率高、反应速度快等优点外,更为重要的是两相 混合式步进电机具有明显的零电流定位转矩。 本次设计选用浙江横店电机厂生产的型号为 20BY-0的永磁两相混合式步进电动机，该 机额定电压为 4.5伏，步矩脚为 1.8度。如图所示该电动机为六线式，分别为两个中心抽头 和四个驱动级。 20BY-0永磁步进电机外观图 20BY-0永磁步进电机内部绕组图 步进电机的驱动控制系统 步进电机的使用和控制必须要有环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下： 1、脉冲信号的产生。 脉冲信号一般由单片机或 CPU产生，一般脉冲信号的占空比为 0.3-0.4左右，电机转高， 占空比则越大。 2、信号分配 感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种， 具体分配如下：二相四拍为 ,步距角为 1.8度；二相八拍为 ,步距角为 0.9度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为 AB-BC-CD-DA-AB,步距角为 1.8度；四相八拍为 AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为 0.9度）。 3、功率放大 功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平 均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达 到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的驱动方 式。驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分线等。 4、电机正反转控制 当电机绕组通电时序为 AB-BC-CD-DA或( )时为正转，通电时序为 DA-CA-BC-AB或( )时为反转。 5、步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力距越大 则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如下： 6、电机的共振点： 步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在 180-250pps 之间（步距角 1.8度）或在 400pps左右（步距角为 0.9度），电机驱动电压越高，电机电 流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大， 不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。 7、力矩与功率换算 步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩 与功率换算如下： P= Ω·M Ω=2π·n/60 P=2πnM/60 其 P为功率单位为瓦，Ω为每秒角速度，单位为弧度，n为每分钟转速，M为力矩单位 为牛顿·米 P=2πfM/400(半步工作） 其中 f为每秒脉冲数（简称 PPS） §5.3步进电机的驱动电路 选用广州市宜硕泰电子有限公司生产的 JT-2HB01步进电动机驱动芯片 技术特点：适配二相及四相混合式步进电机 最大驱动电压 40VDC 最大输出电流 1.5A 整步、半步驱动可选 接线端子说明 1、 CP：步进脉冲输入端 2、 U/D：电机正反转控制端，低电平正转，高电平反转 3、 F/H：整步、半步控制端，低电平整步，高电平半步 4、 5V：驱动器前置工作电源，必须稳压 5、 VH：驱动电源，最高为 40V，，此电源也必须接步进电机的两个中心抽头 6、 GND：所有电源和信号的地线 7、 A：步进电机 A相绕组 8、 -A：步进电机 A相绕组的另一端 9、 B：步进电机 B相绕组 10、 -B：步进电机 B相绕组的另一端 步进电机绕组电流的计算 1、 用万用表电阻档测电机一相绕组对中心抽头的电阻情况，所加电压 VH，绕组中的 电流 I为：I=VH/R 2、 I值必须小于 1.5A 3、 VH的值为电动机铭牌上的标称电压。 步进电机与驱动芯片的连接 将步进电动机的黄、蓝、白、红四根电缆线分别与驱动芯片的 7、8、9、10引脚相连， 两根蓝色中心抽头电缆线与驱动芯片的 5脚相接。 自动寻轨机器车执行机构设计 执行机构主要由转向装置和动力装置构成。转向装置由步进电动机直接驱动，精确控 制机器车的运动方向。动力装置由步进电动机和两个齿轮构成二级减速系统驱动后按要求低 速前后转动。 在自制机器人的时候，选择一个合适的驱动电路也是非常重要的，本文详细介绍了几种常用 的机器人驱动芯片。 介绍几种机器人驱动芯片 (注：本文已经投稿至《电子制作》) 在自制机器人的时候，选择一个合适的驱动电路也是非常重要的。最初，通常选用的驱动电 路是由晶体管控制继电器来改变电机的转向和进退，这种方法目前仍然适用于大功率电机的 驱动，但是对于中小功率的电机则极不经济，因为每个继电器要消耗 20~100mA的电力。 当然，我们也可以使用组合三极管的方法，但是这种方法制作起来比较麻烦，电路比较复杂， 因此，我在此向大家推荐的是采用集成电路的驱动方法： 马达专用控制芯片 LG9110 片 点： 芯 特 ""低静态工作电流； 5V-12V ； 能力； 兼容，可直接连 CPU ； 是为控制和驱动电机设计的 两通道推挽式功率放大专用集成电路 脚、2和 3 电源电压、4 B 路输出管脚、5和 8 地线、6 A 路输入管脚、7 B 路 输入管脚 桥式 1A驱动芯片 L293 与 51单片机连接的电路原理图 ""宽电源电压范围：2. ""每通道具有 800mA 连续电流输出 ""较低的饱和压降； ""TTL/CMOS 输出电平 ""输出内置钳位二极管，适用于感性负载； ""控制和驱动集成于单片 IC 之中； ""具备管脚高压保护功能； ""工作温度：0 ℃-80 ℃。 描述： LG9110 器件，将分立电路集成在单片 IC之中， 使外围器件成本降低，整机可靠性提 高。该芯片有两个 TTL/CMOS 兼容电 平的输入，具有良好的抗干扰性；两 个输出端能直接驱动电机的正反向运 动，它具有较大的电流驱动能力，每 通道能通过 750 ～800mA 的持续电 流，峰值电流能力可达 1.5 ～2.0A ； 能释放感性负载的反向冲击电流，使它 使用上安全可靠。LG9110 被广泛应用于玩具汽车电机驱动、步进电机驱动和开关功率管等 电路上。 管脚定义： 同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管 在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的 1 A 路输出管 2、恒压恒流 图 2是其内部逻辑框图 图 3是其 L293是著名的 SGS公司的产品，内部包含 4通道逻辑驱动电路。其后缀有 B、D、E等，除 L293E为 20脚外，其它均为 16引脚。其额定工作电流为 1A，最大可达 1.5A，Vss电压最小 B） IN1（IN3） IN2（IN4） 电机运行情况 4.5V，最大可达 36V；Vs电压最大值也是 36V，但经过我的实验，Vs电压应该比 Vss电压高， 否则有时会出现失控现象。下表是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系（电路按图 3 连接）： EN A（ H H L 正转 H L H 反转 H 同 IN2 ） 同 IN1 ） 快速停止 （IN4 （IN3 L X X 停止 片3、恒压恒流桥式 2A驱动芯 L298N 是 15脚 Multiwatt封装的 L298N，内部同样包含 4 通道逻辑驱动电路。图 4是其引脚图： L298也是 SGS公司的产品，比较常见的 1、15脚是输出电流反馈引脚，其它与 L293相同。在通常使用中这两个引脚也可以直接接 地。图 5是其与 51单片机连接的电路图。 第五章 数码管 LED显示原理及应用 第六章 机器人电路板焊接及调试 电烙铁（用于焊接元器件及导线） 起焊枪（用于去除焊接错误的焊点） 焊锡丝（融化后用于焊接） 拨线钳（去除导线外部的橡胶绝缘皮） 螺丝刀（旋紧螺母，固定电路板） 专用剪刀（） 第七章 机器人软件设计及编程 开始 检测光电信号 信号编码 是否偏离轨道左偏 右偏 是否复位 是否复位 否否 继续左转 继续右转 向左运动 向右运动 结束 是否 终点 是 否 继续前进 是 是 否 第八章 机器人整体的安装及测试 应用前几章所述内容，对实验小车进行了制作和试验。试验包含两个部分：悬空试验和 着地试验。在悬空试验中，将模拟小车架空，并用黑色导轨纸对其各个方位上的传感器进行 检查，悬空试验记录见表 7-1。试验结果完全达到预定要求。 表 7-1试验结果记录表 导引指令 指令意义 左侧电机动作 右侧电机动作 0000 停止 保持静止 保持静止 0001 直进 正向运动 正向运动 0010 后退 反向运动 反向运动 0011 直进 正向运动 正向运动 0100 左进 反向运动 正向运动 0101 左进 反向运动 正向运动 0110 左进 反向运动 正向运动 0111 直进 正向运动 正向运动 1000 右进 正向运动 反向运动 1001 右进 正向运动 反向运动 1010 右进 正向运动 反向运动 1011 直进 正向运动 正向运动 1100 左进 反向运动 正向运动 1101 直进 正向运动 正向运动 1110 左进 反向运动 正向运动 1111 直进 正向运动 正向运动 此外，还进行了着地试验。将四个红外线光电传感器固定于实验小车底部中央，将其放 置于特制的轨道上，启动小车，观察小车运动情况。着地试验路径见图 7-2。 图 7-2 小车轨道图 自动寻轨机器车