机器人毕业设计-----绕迷宫机器人

机器人毕业设计-----绕迷宫机器人 绕迷宫机器人 摘 要 本文对一种基于路径规划的走迷宫轮式移动机器人的设计给予了简要介绍。该设计的目的是设计一种在与地面颜色有较大差别的导引线行进环境中，反射式光电传感器感知导引线，障碍判断采用红外传感器，驱动电机采用直流电机电机控制方式为单向PWM开环控制，控制核心采用51单片机控制系统。基于自动导引小车的原理，实现小车识别路线，判断并自动躲避障碍，选择正确的行进路线。控制上采用分时复用技术，仅用一块单片机就实现了信号采集、路线判断和电机控制等功能。 机器鼠可以分为三部分——传感器部分、控制器部分、执行器部分。以51单片机控制系统控制和红外传感器;微控制器根据检测到的传感信号，通过驱动芯片L293D控制电机驱动电路，调整行走，按照载入算法进行迷宫的探测，寻找最佳路径，最终实现从起点到终点。 关键词: 导引线 传感器 单片机 信号采集 Robot around the maze Abstract In this paper, based on the maze path planning the design of wheeled mobile robot given a brief introduction. The design objective is to design a ground color with large difference in the guide line of the road environment, the reflective optical sensor sensing guide wire, barriers to judge by infrared sensors, drive motors with DC Motor Control PWM mode for the one-way opening loop control, control, control system microcontroller core with 51. Automatic Guided Vehicle Based on the principle of achieving recognition car line, determine and automatically avoid obstacles, to choose the right road routes. Control using time-multiplexing, only a single chip to achieve signal acquisition, line judge and the motor control functions. Machine mouse can be divided into three parts - part of the sensor, the controller part of the actuator part. 51 single chip control system to control and detect infrared sensor; micro-controller, the sensor signals in accordance detected by driver IC L293D control the motor drive circuit, adjustments to walk the labyrinth in accordance with load detection algorithm to find the best path, and ultimately From start to finish. Key words: Guide lines Sensor SCM Signal Acquisition 目 录 1 引言 ............................................................................................................................1 2 绕迷宫机器人概述 .....................................................................................................5 3总体 .....................................................................................................................6 3.1 系统方框图介绍 ...............................................................................................6 3.2方案论证与比较 ................................................................................................6 3.2.1轨迹探测模块设计与比较 .......................................................................6 3.2.2数据存储比较 ..........................................................................................7 3.2.3障碍探测模块方案分析与比较 ...............................................................7 3.2.4刹车机构功能方案比较 ...........................................................................7 4硬件部分设计 ..............................................................................................................9 4.1传感系统设计 ....................................................................................................9 4.1.1光电传感器电路模块 ...............................................................................9 4.1.2光电传感器TCRT5000 .......................................................................... 10 4.1.3 LM324运放集成电路 ............................................................................ 11 4.1.4红外接收器/发射器对 ............................................................................ 11 4.2微控制器系统设计 .......................................................................................... 14 4.2.1 单片机AT89C51的简介....................................................................... 14 4.2.2单片机最小系统..................................................................................... 17 4.2.3时钟电路 ................................................................................................ 18 4.2.4复位电路 ................................................................................................ 18 4.3电机控制系统 .................................................................................................. 19 4.3.1 L293D 电机驱动芯片............................................................................ 19 4.3.2直流电机 ................................................................................................ 20 4.3.3主电路图 ................................................................................................ 20 4.3.4模块电路板 ............................................................................................ 21 5 模块的软件设计和调试 ........................................................................................... 23 5.1 系统软件设计说明 ......................................................................................... 23 5.2 机器鼠自动寻路的软件流程图设计 .............................................................. 23 6软件调试及仿真 ........................................................................................................ 25 7结论 ........................................................................................................................... 27 8致谢 ........................................................................................................................... 28 参考文献 ...................................................................................................................... 28 附 录 ............................................................................................................................ 29 外文资料 ................................................................................... 错误～未定义书签。35 1 引言 随着科学技术的不断发展，机器人技术在航天、海洋、军事、建筑、交通、工业及服务业等领域已经取得广泛的应用和发展。而在一些特殊场合(如航天、深海作业及核工业等领域)，以无人探察车、无人排险车及无人运输车等为代表的机器人技术越来越受到关注。 随着科学的进步和社会的发展,机器人的应用越来越普及。它不仅广泛应用于工业生产和机械制造,而且在航天、海洋探测以及在危险和恶劣的特殊环境中也得到了大量的应用,并且它还逐步渗透到了日常生活。科技的不断进步和人类活动领域的不断拓宽,机器人的功能也在不断提高,性能不在断增强。随着系统性能增强的作为信息采集系统的前端单元,传感器的作用越来越重要。传感器已成为自动化系统和机器人技术中的关键部件,作为系统中的一个重要组成部分,其重要性变得越来越明显。避障是要实现的一个重要功能。传感器接收到信号,传送给单片机,单片机通过判断和分析来躲避运行过程中的各种障碍物。 机器人是高级整合控制论、机械电子、 计算机。在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。 现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义:“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机;或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统等组成。 驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。 检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类:一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。另一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。 1 控制系统有两种方式。一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散(级)式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息;作为下级从机，各关节分 ，进行插补运算和伺服处理处理，实现给定的运动，并向主机反馈别对应一个CPU 信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力(力矩)控制。 随着社会的不断发展，各行各业的分工越来越明细，尤其是在现代化的大产业中，有的人每天就只管拧一批产品的同一个部位上的一个螺母，有的人整天就是接一个线头，就像电影《摩登时代》中演示的那样，人们感到自己在不断异化，各种职业病逐渐产生，于是人们强烈希望用某种机器代替自己工作，因此人们研制出了机器人，用以代替人们去完成那些单调、枯燥或是危险的工作。由于机器人的问世，使一部分工人失去了原来的工作，于是有人对机器人产生了敌意。“机器人上岗，人将下岗。”不仅在我国，即使在一些发达国家如美国，也有人持这种观念。其实这种担心是多余的，任何先进的机器设备，都会提高劳动生产率和产品质量，创造出更多的社会财富，也就必然提供更多的就业机会，这已被人类生产发展史所证明。任何新事物的出现都有利有弊，只不过利大于弊，很快就得到了人们的认可。比如汽车的出现，它不仅夺了一部分人力车夫、挑夫的生意，还常常出车祸，给人类生命财产带来威胁。虽然人们都看到了汽车的这些弊端，但它还是成了人们日常生活中必不可少的交通工具。英国一位著名的政治家针对关于工业机器人的这一问题说过这样一段话:“日本机器人的数量居世界首位，而失业人口最少，英国机器人数量在发达国家中最少，而失业人口居高不下”，这也从另一个侧面说明了机器人是不会抢人饭碗的。 美国是机器人的发源地，机器人的拥有量远远少于日本，其中部分原因就是因为美国有些工人不欢迎机器人，从而抑制了机器人的发展。日本之所以能迅速成为机器人大国，原因是多方面的，但其中很重要的一条就是当时日本劳动力短缺，政府和企业都希望发展机器人，国民也都欢迎使用机器人。由于使用了机器人，日本也尝到了甜头，它的汽车、电子工业迅速崛起，很快占领了世界市场。从现在世界工业发展的潮流看，发展机器人是一条必由之路。没有机器人，人将变为机器;有了机器人，人仍然是主人。 我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括:服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器 2 人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类:制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。 空中机器人又叫无人机器，近年来在军用机器人家族中，无人机是科研活动最活跃、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰富的领域。80多年来，世界无人机的发展基本上是以美国为主线向前推进的，无论从技术水平还是无人机的种类和数量来看，美国均居世界之首位。 人类与机器人的关系，随着社会的不断发展，各行各业的分工越来越明细，尤其是在现代化的大产业中，有的人每天就只管拧一批产品的同一个部位上的一个螺母，有的人整天就是接一个线头，就像电影《摩登时代》中演示的那样，人们感到自己在不断异化，各种职业病逐渐产生，于是人们强烈希望用某种机器代替自己工作，因此人们研制出了机器人，用以代替人们去完成那些单调、枯燥或是危险的工作。由于机器人的问世，使一部分工人失去了原来的工作，于是有人对机器人产生了敌意。“机器人上岗，人将下岗。”不仅在我国，即使在一些发达国家如美国，也有人持这种观念。其实这种担心是多余的，任何先进的机器设备，都会提高劳动生产率和产品质量，创造出更多的社会财富，也就必然提供更多的就业机会，这已被人类生产发展史所证明。任何新事物的出现都有利有弊，只不过利大于弊，很快就得到了人们的认可。比如汽车的出现，它不仅夺了一部分人力车夫、挑夫的生意，还常常出车祸，给人类生命财产带来威胁。虽然人们都看到了汽车的这些弊端，但它还是成了人们日常生活中必不可少的交通工具。英国一位著名的政治家针对关于工业机器人的这一问题说过这样一段话:“日本机器人的数量居世界首位，而失业人口最少，英国机器人数量在发达国家中最少，而失业人口居高不下”，这也从另一个侧面说明了机器人是不会抢人饭碗的。 美国是机器人的发源地，机器人的拥有量远远少于日本，其中部分原因就是因为美国有些工人不欢迎机器人，从而抑制了机器人的发展。日本之所以能迅速成为机器人大国，原因是多方面的，但其中很重要的一条就是当时日本劳动力短缺，政府和企业都希望发展机器人，国民也都欢迎使用机器人。由于使用了机器人，日本也尝到了甜头，它的汽车、电子工业迅速崛起，很快占领了世界市场。从现在世界工业发展的潮流看，发展机器人是一条必由之路。没有机器人，人将变为机器;有了机器人，人仍然是主人。 北京奥运会曾经使用过的机器人: 一、福娃机器人 福娃机器人能够感应到一米范围内的游客，与人对话、摄影留念、唱歌舞蹈， 3 还能回答与奥运会相关的问题。 二、翻译机器人 能够实现在任何时间、场所，对任何人和任何设备的多语言服务。 三、安保机器人 其杰出代表为排爆机器人。 4 2 绕迷宫机器人概述 绕迷宫机器人主要是基于自动导引小车的原理，实现小车识别路线，判断并自动规避障碍，选择正确的行进路线。 控制上采用分时复用技术仅用一块单片机就实现了信号采集、路线判断和电机控制等功能。该技木可以应用于无人工厂、仓库及服务型机器人等领域。 对于走迷宫小车控制系统设计主要有三个方面:一是控制电路设计;二是传感器选择以及安放位置设计:最后是程序设计。从多方面考虑传感器的使用数量应尽量少以减少单片机的信号处理量但是又必须能使小车行驶自如。控制电路要根据选用的电机和传感器来设计主要考虑稳定性和抗干扰性。 在现有电动车的基础上，加装红外发射器、检测器，实现对机器鼠的运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制，以更好的完成寻迹功能。这种方案能实现对机器鼠的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。 本设计采用ATMEL公司生产的AT89S51型单片机作为控制单元，因为该型单片机价格便宜，功能比较强大，性价比高。通过红外传感器、接触开关等器件来采集各类信息，送入主控单元单片机，处理数据后完成相应动作，以达到自身控制。其中寻迹(黑带检测)采用市面上通用的发射管及接收头，经过单片机调制后发射。该系统比较灵活，更重要的是采用软件来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求，其中黑带寻迹采用红外线发射和接受原理。 检测系统主要实现光电检测，即利用各种传感器对电动车的避障、位置、行车状态进行测量。 本系统采用反射式红外线光电传感器用于检测路面的起始、终点。行车方向检测电路采用反射接收原理各配置了一对红外线发射、接收传感器。该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏三极管及其上拉电阻。红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体，红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后为低，发出一个电平跳变信号。 此套红外光电传感器固定在底盘前沿，贴近地面。正常行驶时，发射管发射红外光照射地面，光线经地面反射后被接收管接收，输出高电平信号;电动车经过黑色绝缘条时，发射端发射的光线被黑条吸收，接收端接收不到反射光线，传感器输出低电平信号后送AT89S51单片机处理，判断执行哪一种预先编制的程序来控制机器鼠的行驶状态。 5 3总体方案 3.1 系统方框图介绍 绕迷宫机器人的硬件设计主要由电源、传感系统、电机控制系统和微控制器单元4个部分的设计组成。电脑鼠硬件系统主要包括51微控制器、光电传感器、机械式传感器、直流减速电机。 传感系统 电 源-51微 控制器 电机控制 系统 图3-1设计系统方框图 其硬件结构图如图所示。其中51微控制器是电脑鼠的核心，对光电传感器进行控制和检测，通过检测到的传感信号，结合载入的算法，控制电机，实现电脑鼠在迷宫中的行走。 3.2方案论证与比较 3.2.1轨迹探测模块设计与比较 方案一、使用简易光电传感器结合外围电路探测。 由于所采用光电传感器实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极易出现问题，而且容易因为 该部件造成整个系统的不稳定。故最终未采用该方案。 方案二、利用两只光电开关。 分别置于轨道的两侧，根据其接受到白线来控制小车转向来调整车向，但测试表明，如果两只光电开关之间的距离很小，则约束了速度,如果着重于小车速度的提升，则随着车速的提升，则势必要求两只光电开关之间的距离加大，从而使得小车的行驶路线脱离轨道幅度较大，小车将无法快速完成准确的导向从而有可能导致 6 寻迹失败。 综合考虑到寻迹准确性和行驶速度的要求，采用方案二。 3.2.2数据存储比较 方案一、采用外接ROM进行存储。 采用外接ROM进行存储是保存实验数据的惯用方法，其特点是在单片机断电之后仍然能保存住数据，但无疑将增大软硬开销和时间开销。 方案二、直接用单片机内部的RAM进行存储。 虽然不能在断电后保存数据，但可以在实验结束后根据按键显示相应值。而且本实验的数据存储不大，采用RAM可以减少IO接口的使用，便利IO接口分配，故此方案具有成本低、易实现的优点，更符合实际需求。 鉴于方案二的以上优点，综合比较，本方案采用方案二。 3.2.3障碍探测模块方案分析与比较 考虑到在测障过程中小车车速及反应调向速度的限制，小车应在距障碍物40CM的范围内做出反应，这样在顺利绕过障碍物的同时还为下一步驶入车库寻找到最佳的位置和方向。否则，如果范围太大，则可能产生障碍物的判断失误;范围过小又很容易造成车身撞上障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想定向方案。 方案一、采用一个红外线发射和检测器对置于小车中央。 一只红外传感器小车中央安装简易，也可以检测到障碍物的存在，但难以确定小车在水平方向上是否会与障碍物相撞，也不易让小车做出精确的转向反应。 方案二、采用两个红外线发射和检测器对分置于小车两边。方向与小车前进方向平行，对小车与障碍物相对距离和方位能做出较为准确的判别和及时反应。 红外线(IR)接收/检测器有内置的光滤波器，除了需要检测的980 nm波长的红外线外，它几乎不允许其它光通过。红外检测器还有一个电子滤波器，它只允许大约38.5 kHz 的电信号通过。换句话说，检测器只寻找每秒闪烁38,500次的红外光。这就防止了普通光源像太阳光和室内光对IR的干涉。太阳光是直流干涉(0Hz)源，而室内光依赖于所在区域的主电源，闪烁频率接近100或120 Hz。由于120 Hz在电子滤波器的38.5 kHz通带频率之外，它完全被IR探测器忽略。二只红外传感器分别置于小车的底端两侧，方向与小车前进方向平行，对小车与障碍物相对距离和方位能做出较为准确的判别和及时反应 智能小车应以准确、智能见优，采用方案二。 3.2.4刹车机构功能方案比较 方案一、自然减速式。 7 当系统发出停止信号时停止给驱动电机供电，小车在无动力状态因阻力而自然变为静止。由于惯性，小车全速行驶时需1.8秒后才能停止，因车轮滑行造成的误差较大。无法实现精确制动的目标。 方案二、反转式。 当小车需要停车时给驱动电机以反转信号，利用轮胎与跑道的摩擦力抵消惯性效应。由于车速是渐减的，反向驱动信号长度也要渐减，否则小车可能反向行驶。使用此方案后全速刹车反应时间减少为0.5s。 本系统中采用方案二。 8 4硬件部分设计 4.1传感系统设计 4.1.1光电传感器电路模块 根据白纸和黑线反射系数不同，通过以光电传感器为核心的光电检测电路将路面两种颜色进行区分，转化为不同电平信号，将此电平信号送，由控制器控制转向电机作相应的转向，保证小车沿轨迹行驶。考虑到小车与路面的相对位置，采用红外光电传感器TCRT5000，它是一种光电子扫描，光电二极管发射，三极管接收并输出的装置。它的特点是尺寸小、使用方便、信号高输出、工作状态受温度影响小。它的外围电路简单，如图所示: 5V TCRT5000 474LS05-2A 3 right1 2 74LS05R3R4 200100kLM32411 5V 5V r-2 10K 图4-1光电传感系统模块图 二极管的C端和三极管的E端接地，二极管的A端通过一电阻和电源相接，组成偏置电流电路;三极管的C端也通过一电阻和电源相接，组成输出电路。当检测器检测到白色时，其输出低电平;当检测到黑色时，则输出高电平。为提高检测精度，采用了多传感器信息融合技术。设计中，在车头底部均匀布置两个光电传感器。若两侧某一传感器检测到黑线，表明小车正脱离轨道，将2个检测点的结果融合后作为控制器的输入，对机器人进行判断调整，实现路径跟踪和自动纠偏。 9 4.1.2光电传感器TCRT5000 TCRT5000 图4-2红外光电传感器 图4-3TCRT5000机器内部电路 TCRT5000应用场合: 1电度表脉冲数据采样 2传真机碎纸机纸张间检测 3障碍检测 4黑白线检测 基本参数: 外形尺寸:长32mm-37mm;宽7.5mm;厚5mm 工作电压:DC 3V-5.5V，推荐工作电压为5V 检测距离:1mm-8mm适用，焦点距离为2.5mm TCRT5000传感器的工作原理与一般的红外传感器一样，一传一感。TCRT5000具有一个红外发射二级管和一个红外接收的光敏三级管，当发射管的红外信号经反射管接收后，接收管的电阻会发生变化，在电路上一般以电压的变化形式体现出来，当发射出的红外线没有被反射回来或反射回来但强度不够大时，光敏三级管一直处于关断状态，此时模块的输出端为低电平，被检测物体出现在检测范围内时。红外线被反射回来且强度足够大，光敏三极管饱和此时模块输出为高电平。而经过LM324等电路的整形后得到处理等候的输出结果，电阻的变化起取于接收管所接受的红外信号强度，场边现在反射面的颜色和反射面接收管的距离两方面。 10 4.1.3 LM324运放集成电路 图4-4 LM324引脚电路 LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，lm324原理图如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。 每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-(-)为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反;Vi+(+)为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。 4.1.4红外接收器/发射器对 你将要在机器人上建立的红外光探测物体系统在许多方面就像汽车的前灯系统。当汽车前灯射出的光从障碍物体反射回来时，人的眼睛就发现了障碍物体，然后大脑处理这些信息，并据此控制身体动作驾驶汽车。机器人使用红外线二极管LED作为前灯。 红外线二极管发射红外光，如果机器人前面有障碍物，红外线从物体反射回来，相当于机器人眼睛的红外检测(接收)器，检测到反射回的红外光线，并发出信号来表明检测到从物体反射回红外线。机器人的大脑——单片机AT89S51基于这个传感器的输入控制伺服电机。 红外线(IR)接收/检测器有内置的光滤波器，除了需要检测的980 nm波长的红外线外，它几乎不允许其它光通过。红外检测器还有一个电子滤波器，它只允许大约38.5 kHz 的电信号通过。换句话说，检测器只寻找每秒闪烁38,500次的红外光。这就防止了普通光源太阳光和室内光对IR的干涉。太阳光是直流干涉(0Hz)源，而室内光依赖于所在区域的主电源，闪烁频率接近100或120 Hz。由于120 Hz在电子滤波器的38.5 kHz通带频率之外，它完全被IR探测器忽略。 11 图4-5 用红外光探测障碍物示意图 图4-6 红外发射器/接收器对的各个部件 需要两个红外检测器,两个IR LED ,四个470?电阻和两个9013三极管电路板的每个角安装一个IR组(IR LED和检测器)。 建立图如图所示的连接图 12 VCC VCC接收器L 1VCCR10R12VCC接收器R 1VCC2GND470470 2GNDP0.43OUT 3OUTD4D5IRDETECTP2.6 IRDETECT R9R11 NPN_1NPN_1P0.5P2.7 470470 图4-7红外发射器/接收器对的电路连接图 因为AT89C51的驱动能力较弱，这里我们加入三极管使其工作在开关状态。三极管是一种控制元件，主要用来控制电流大小，简单地说，是用小电流去控制大电流。通过的方法，把两个二极管背靠背地连接起来就组成了三极管。按 PN 结的组合方式不同分为 PNP型和NPN型。 电路中用到的是NPN型三极管9013，结构示意图及符号: 图4-8三极管的结构图及符号图 13 图 4-9 三极管9013管脚图 简单地说下三极管9013的工作原理。它的基区做得很薄，当按电路连接时，发射结正偏，集电结反偏，发射区向基区注入电子，这时由于集电结反偏，对基区的电子有很强的吸引力，所以由发射区注入基区的电子大部分进入集电区，于是集电极的电流得到了增大。在这个任务中，三极管相当于一个开关:当P0_5(P2_7)置高时，从集电区经基区到发射区电路导通，加载在 IR LED 上的电压为 VCC(5V)，IR LED 向外发射红外线;当 P0_5(P2_7)置低时，电路又断开，IR LED 停止发射。 4.2微控制器系统设计 4.2.1 单片机AT89C51的简介 AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器(FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。 主要特性: ?与MCS-51 兼容 ?4K字节可编程闪烁存储器 ?寿命:1000写/擦循环 ?数据保留时间:10年 ?全静态工作:0Hz-24MHz 14 ?三级程序存储器锁定 ?128×8位内部RAM ?32可编程I/O线 ?两个16位定时器/计数器 ?5个中断源 ?可编程串行通道 ?低功耗的闲置和掉电模式 ?片内振荡器和时钟电路 图4-10 AT89C51引脚排列如图 VCC:供电电压。 GND:接地。 P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口:P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上 15 拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示: 表4-1 P3口特殊功能 管脚 备选功能 P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 INT0(外部中断0) P3.3 INT1(外部中断1) P3.4 T0(记时器0外部输入) P3.5 T1(记时器1外部输入) P3.6 WR(外部数据存储器写选通) P3.7 RD(外部数据存储器读选通) RST:复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。 EA/VPP:当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET;当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 16 XTAL2:来自反向振荡器的输出。 4.2.2单片机最小系统 图4-11单片机最小系统电路图 其作用主要是为了保证单片机系统能正常工作。如图2所示，单片机最小系统主要由AT89S51单片机、外部振荡电路、复位电路和+5V电源组成。在外部振荡电路中，单片机的XTAL1和XTAL2管脚分别接至由12MHZ晶振和两个30PF电容构成的振荡电路两侧，为电路提供正常的时钟脉冲。在复位电路中，单片机RESET管脚一方面经20 F的电容接至电源正极，实现上电自动复位，另一方面经开关s接电源。其主要功能是把PC初始化为0000H，是单片机从0000H单元开始执行程序，除了进入系统的初始化之外，当由于程序出错或者操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按复位键重新启动，因此，复位电路是单片机系统中不可缺少的一部分。 17 4.2.3时钟电路 图4-12时钟电路 单片机的时钟信号用来提供单片机内各种操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到:内部震荡和外部震荡。 AT89c51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚xtal1和xtal2分别是此放大器的输入端和输出端，由于采用内部方式是电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式，在其外接晶体振荡器或陶瓷谐振器就构成了内部震荡方式，片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器仪器可构成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。 本课题采用的晶体振荡器频率为12KHz以及2个20pf电容构成并联谐振电路其稳定振荡频率的作用。晶体振荡器的两个引脚分别接单片机的18脚和19脚构成本系统的时钟电路。 -6单片机AT89S51一个时钟周期(即晶振频率的倒数)为:T=1/12M=(1/12)*10S而单片机的操作是用机器周期来计算的，一个机器周期为十二个时钟周期。 4.2.4复位电路 本系统采用复位电路的目的是:在必要的时候，是单片机复位以保证系统正常的循环。考虑到成本和系统的复杂程度问题，本课题采用按钮来实现复位功能，复位电路接单片机的9脚9(RESET)，如图所示 18 图4-13复位电路图 4.3电机控制系统 电机控制系统，单片机通过电机驱动芯片L293D连接两个电动机，通过L293D来控制电机的正传或反转。 VCC 816VSVSS19EN 1EN 2 M1514-+IN 4OUT 4 1011IN 3OUT 376IN 2OUT 2 23IN 1OUT 1 M 413-+GNDGND512GNDGND L293D 图4-14电机控制系统原理图 4.3.1 L293D 电机驱动芯片 L293D采用16引脚DIP封装，其内部集成了双极型H-桥电路，所有的开量都做成n型。这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点，如电流连续;电机可四角限运行;电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区:低速平稳性好等。L293D通过内部逻辑生成使能信号。H-桥电路的输入量可以用来设置马达转动方向，使能信号可以用于脉宽调整(PWM)。另外，L293D将2个H-桥 19 电路集成到1片芯片上，这就意味着用1片芯片可以同时控制2个电机。每 1个电机需要3个控制信号EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信号，IN1、IN2为电机转动方向控制信号，IN1、IN2分别为1，0时，电机正转，反之，电机反转。选用一路PWM连接EN1与EN2引脚，通过调整PWM的占空比可以调整电机的转速。选择一 发出信号控制电机的正反转。其峰值输出电流1.2 A,连续输出电流600MA。 路I/O口 4.3.2直流电机 输出或输入为直流电能的旋转电机，称为直流电机，它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能;作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。直流电机:直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压越高则电机转速越高。对于直流电机的速度调节，可以采用改变电压的方法，也可采用PWM调速方法。PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。通过微控制器AT89C51向电机驱动芯片L293D发送信号来控制电机的正反转 电动机控制表 表4-2电机控制表图 4.3.3主电路图 前面分别介绍了四部分电路的设计，将这几部分电路进行连接整合得到整体电路的原理图，如图 20 VCCVCC 816VSVSS19EN 1EN 2 Mleft1514-+IN 4OUT 41011K1VCC接收器LIN 3OUT 3761VCCR10R12IN 2OUT 2VCC接收器R 23IN 1OUT 11VCC2GND470470M413-+GNDGND2GNDC1 512P0.43OUTrightGNDGNDR730pF3OUTD4D5IRDETECTP2.6470L293D299C2 PSENRESETIRDETECT30ALE/PRDG5V1618WR/P36XTAL2172RD/P37 C1030pF316MHZTCRT5000EA/VPPR9R11NPN_1NPN_1P0.5C3P2.72819174LS05-1A470470P2.7P27XTAL1 27P2.6P26left2615P25P35/T130pF2514P24P34/T0+5V2413 P23P33/INT174LS05R2LM3242312P22P32/INT0R1100K2211R5P21P31/TXD20021102005VP20P30/RXD D1power5V328r-1P07P1733 710KP06P16P0.5346P05P155VP0.4355D2P04P14364left P03P13373TCRT5000P02P12382P01P11D3P0.4391474LS05-2AVCCGND 3rightright1+5VAT89C512 74LS05R3R4200100kLM32411 5V 5Vr-2 10K 图4-15主电路原理图 电路中包括光电传感模块、微控制器模块、红外线发射接收模块和电机控制模块，通过光电传感模块和红外线发射接收模块检测外界的引导线或障碍物，发出高低电平信号到微控制器ATM8951，微控制器经过算法运算，控制电机模块的运作，从而达到机器鼠自动引导寻路的效果。 4.3.4模块电路板 图4-16电路板图 21 图4-17电路板3D正面图 图4-18电路板3D背面图 22 5 模块的软件设计和调试 5.1 系统软件设计说明 在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件更为重要。 在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括:数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。 为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。所谓“模块”，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。 模块程序设计法的主要优点是: 单个模块比起一个完整的程序易编写及调试; 模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用; 模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。 本系统软件采用模块化结构，由主程序)左转子程序、右转子程序、倒退子程序)红外发射子程序构成。 5.2 机器鼠自动寻路的软件流程图设计 机器鼠以引导线引导方式为主，当检测到引导线(黑)，会沿着引导行走，如果检测不到引导线，以自动避障引导方式行走，躲避障碍，自动行走。 机器鼠以引导线引导为主，首先检查是否有引导线，若检测到引导线，且左右光电传感器都检测到，保持直走，若左(右)光电传感器检测到引导线，另一端传感器没有检测到，则向右(左)偏转，这样左右保持方向，使机器鼠保持沿着引导线方向运动 23 开始初始化或从新分配 初始化 Y 复位键是否按下 N 是否检测到引导线 左传感器为1 左传感器为0 左传感器为0 左传感器为1 右传感器为1 右传感器为1 右传感器为0 右传感器为0 左偏 直走 右偏 左接收器为0 左传感器为1 左接收器为1 左传感器为0 右接收器为1 右传感器为1 右接收器为0 右传感器为0 右偏 直走 左转 左偏 : 若左右光电传感器都没有检测到引导线，则进入自动避障引导方式行走，若左右红外线发射和检测器对都没有检测到障碍物，则直走，若左(右)红外线发射和检测器对检测到障碍物，则右(左)转，若左右红外线发射和检测器对都检测到障碍物，则倒退然后再左转，继续行走。 24 6软件调试及仿真 任何系统在设计过程中总会存在或大或小的错误与缺陷，只有经过调试，发现并纠正错误、弥补缺陷后，才能投入运行。本次设计主要用Keil C51软件和Proteus软件进行单片机程序的编译，调试及仿真。 下图为Keil C51软件编译调试界面 图6-1 KeilC51软件编译调试界面 通过KeilC51软件对单片机程序进行编译，发现错误及时改正，以确保程序的正确性。但该程序是否能够在单片机中正常运行以及硬件是否连接错误，还需进行仿真。 下图为Proteus软件仿真界面 25 图6-2 Proteus软件仿真界面 仿真时发现电机能随光电传感器输入的电位变化进行相应的变化，发光二极管正常发光，L293D芯片正常运作，各个模块工作基本正常。 26 7结论 本文基于单片机机器人技术的设计,研究机器人对科学技术发展和对人类社会进步的巨大推进作用,在新的21世纪必将得到越来越大的发展,特别是将成熟的单片机技术应用于机器人技术以提高机器人智能性方面的研究一直是一个活跃的研 单片机在未来的机器人智能化的研究中,会变得越来越重要。 究领域. 本设计采用的是80C51单片机，这主要是因为该单片机的稳定性比较好。还可以采用其它系列的单片机。 采用的光电传感器TCRT5000检测较准确，容易使用，极其适合检测与地面颜色差别较大的引导线。其特点是耐高压，耐阻抗，电器隔离性能好，抗干扰性能好，应用简单，精准度高，随着传感技术和计算机技术进一步发展，机器人在教育领域内将起着越来越大的作用。 该机器鼠系统抗干扰性能强，平稳可靠，不仅满足了机器人大赛的设计要求，同时为智能机器人搭建了良好的控制平台，达到了预期的效果，但是其智能化程度还有待提高。随着人工智能和机器人技术的不断研究和深入，机器人的智能化水平会越来越高。 本文介绍的机器鼠利用传感器系统和微控制器系统控制电动机，实现自动寻路及自动避障功能，为人工智能化的研究和设计的基础。 27 8致谢 历经一个学期的毕业设计终于完成了，毕业设计和以往的课程设计不同，培养的是自己自身的能力，从头到尾要自己提出问题，再去解决它，都要自己能单独完成。从开始对这方面了解少到逐渐认识，最后完成它，需要一个很长的过程。前期工作做得好坏直接影响后面的进度，所以务必做好前期的工作，这必须自己从网上，图书馆搜集很多的资料，并且和一些有经验的人以及一些动手能力强的同学交流，这样可以让自己少走一些弯路，从选题到方案确定，以及硬件的选型及调试，明白做硬件的艰辛，在调试硬件时出现的任何问题都是无法预料的，从发现问题到解决问题过程是辛苦的，做硬件要特别的谨慎，要有一丝不苟的精神，因为把硬件做好，才能使以后的调试顺利进行，在这个过程中，学到了很多课本以外的知识，培养了自己的动手能力同时得到了一些经验。 感谢***老师提出了本课题，在*老师的悉心指导下，我能完成毕业设计，*老师在百忙之中抽出时间指导我们，在这个过程中，*老师将他的宝贵经验毫不保留的传给我们，特别再做硬件时给了我们很多宝贵经验，在调试过程无法进展时，王老师及时地给我们提出建议和意见，真的很感谢王老师，他的教诲对将来我的学习和工作有很大的帮助。 通过这次毕业设计，我受益匪浅，学到了很多书本学不到的东西，积累的许多实践经验，对硬件设计有了进一步的认识并对单片机极其控制有了更深刻的了解，为以后的工作打好了基础。我相信将来我会努力工作，来报答一直支持和关心我的人。 参考文献 [1] 宋立博.从动轮式溜冰机器人原理与直线溜冰时的动力学性能分析.上海交通大学学报， 28 2001，35(7):1027-1031 [2] 何利民.单片机应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社.1994. [3] 林风云，吕恬生.从动轮机器人原理及其控制器设计.机械与电子报，2003(5):1001-2257(2003)05-0043-03 [4] Hirose S, etc. Study on roller _ walk: basic characteristics and its control[A].In Proc.ICAR’95[c].IEEE,Minneapolis1995,3265-3270. [5] 刘海波，21世纪智能机器人发展预测，机器人13卷，4期，1991. [6] 杨嘉樨、戴汝为，智能控制在国内的进展，机械与电子，1994(1). [7] 王祚斌.国内外机器人发展概况，电气自动化，1995，(2) [8] 王东，郭兆正.机器人避障功能的设计，长春师范学院学报，2005(1):1008-178X(2005) 06-0044-03. [9] 弘毅，侯庭波.单片机实现自控机器人小车[J].电子世界.2003，(1):3-5. [10]杨东燕.机器人小车的电机控制系统.内蒙古科技与经济.2008 (3):1007-6921(2008)20-0099-02. [11] 方建军.基于PLC单片机控制的智能玩具机器人[J].机器人技术与应用.2003,(1):37-39. [12] 路晶，梁杰，郑文彬.自动跟踪运输机器人模型的设计.山东交通学院报.2006(1): 1672-0032(2006)02-0052-04. [13] 耿德根.SL积木式机器人.电子制作报.2003(12). [15] Perez-Pinal Calderon FJ. A raujo- Vargas G,eta.l Relative Coupling Strategy[C]//IEEE International Electric Machines and Drives Conference 2003,2(03):1162-1166. [16] 吴其华，徐邦荃.多电机同步传动控制系统分析[J].自动控制技术，2003，122(1):12-16. [17] 孙文焕,程善美,王晓翔,秦忆.多电机协调控制的发展[J].电气传动, 1999(6): 51-55. [18] Hirose S,Takeuchih.Study on roller walk: basic character-istics and its control[A]. In Proc. of ICRA’96[C].IEEE,Minneapolis,1996, 3265-3270. [19] KazerouniB.H.MoradiM.B.Ka:erouniP.H.VariablePrioritiesjnMazeSolvingAjgorithmsforRobot， 5Movementl seville:Proeeedings IEEE International Confereneeon Industrial informatjes， voJ.5，2003，pp.81-185.t 附 录 程序清单 29 #include #include #define L_MACHINER1_IN1 P2^0//左电机输入端口1连接到 P2_0 #define L_MACHINER1_IN2 P2^1//左电机输入端口2连接到 P2_1 #define R_MACHINER1_IN1 P2^2//右电机输入端口1连接到 P2_2 #define R_MACHINER1_IN2 P2^3//右电机输入端口2连接到 P2_3 #define SENSOR_INPUT P2 //光电传感器总端口(逆时针排序) #define SENSOR1 P2^4 //右光电传感器1连接到 P2_4 #define SENSOR2 P2^5 //左光电传感器2连接到 P2_5 #define LeftIR P0^4 //左边红外接收连接到 P0_4 #define RightIR P2^6 //右边红外接收连接到 P2_6 #define LeftLaunch P0^5 //左边红外发射连接到 P0_5 #define RightLaunch P2^7 //右边红外发射连接到 P2_7 //复位函数*/ void RecoverBalance() { L_MACHINER1_IN1 = 0; L_MACHINER1_IN2 = 0; R_MACHINER1_IN1 = 0; R_MACHINER1_IN2 = 0; } /*转左函数*/ void TurnLeft() { char i = 50; while(i--) { L_MACHINER1_IN1 = 0; L_MACHINER1_IN2 = 0; R_MACHINER1_IN1 = 1; R_MACHINER1_IN2 = 0; } } 30 void Backward(void) //向后行走子程序 { int 50; while(i--) { L_MACHINER1_IN1 = 1; L_MACHINER1_IN2 = 0; R_MACHINER1_IN1 = 0; R_MACHINER1_IN2 = 1; } } /*转右函数*/ void TurnRight() { char i = 50; while(i--) { L_MACHINER1_IN1 = 0; L_MACHINER1_IN2 = 1; R_MACHINER1_IN1 = 0; R_MACHINER1_IN2 = 0; } } void IRLaunch(unsigned char IR) { int counter; if(IR=='L') //左边发射 for(counter=0;counter<38;counter++) //发射时间 { LeftLaunch=1; LeftLaunch=0; } if(IR=='R') //右边发射 31 for(counter=0;counter<38;counter++) { RightLaunch=1; RightLaunch=0; } } /*主函数*/ void main(void) { uchar pre_dir=0; //保存先前转向 1为右,0为左 system_initial(); //系统开机初始化 L_MACHINER1_IN1 = 0; L_MACHINER1_IN2 = 0; R_MACHINER1_IN1 = 0; R_MACHINER1_IN2 = 0; while(1) /* 循环判断 */ { /* 如果右传感器为1(黑),且左传感器为0(白)，则可能需要向右转 */ if(SENSOR1 == 1 && SENSOR2 == 0) { delay(2); /* 延时，再次判断，防止赛道杂色 */ if(SENSOR1 == 1 && SENSOR2 == 0) { TurnRight(); /* 调用右转函数 */ pre_dir = 1; /* 将pre_dir置1(右) */ } } /* 如果左传感器为1(黑),且右传感器为0(白)，则可能需要向左转 */ else if(SENSOR2 == 1 && SENSOR1 == 0) { delay(2); /* 延时，再次判断，防止赛道杂色 */ if(SENSOR2 == 1 && SENSOR1 == 0) 32 { TurnLeft(); /* 调用左转函数 */ pre_dir = 0; /* 将pre_dir置0(左) */ } } /* 如果前传感器为1(黑),且后传感器为1(黑)，则小车在黑线路径上， 不需要转向 */ else if(SENSOR0 == 1 && SENSOR3 == 1) { RecoverBalance(); } /* 如果左右传感器为0(白)，则可知小车已出黑线，则根直走进行避障 行走 */ else if(SENSOR0 == 0 && SENSOR3 == 0) { break; } while(1) { IRLaunch('R'); //右边发射 irDetectRight = RightIR;//右边接收 IRLaunch('L'); //左边发射 irDetectLeft = LeftIR;//左边接收 if((irDetectLeft==0)&&(irDetectRight==0)) //两边同时接收到红外线 { Backward(); TurnLeft (); TurnLeft (); } else if(irDetectLeft==0)//只有左边接收到红外线 { Backward(); TurnRight (); 33 } else if(irDetectRight==0)//只有右边接收到红外线 { Backward(); LeftTurn(); } else Forward(); } } } 34 35