【正文】 壁 障 小 車(chē) 技 術(shù) 報(bào) 告 學(xué) 校： 江蘇城市職業(yè)學(xué)院班 級(jí)： 09應(yīng)用電子（1）班姓 名： 朱杰學(xué) 號(hào)： 18 目 錄摘 要 I第一章 引 言 1 設(shè)計(jì)背景介紹 1 本文章節(jié)安排及文獻(xiàn)綜述 2第二章 方案選擇 5 C8051F360微處理器 7第三章 硬件介紹 20第四章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 19 車(chē)模組裝與改造 19 車(chē)模組裝 19 前輪定位的調(diào)整 19 差速的調(diào)整 20 電路板的固定與安裝 20第五章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 31 電源模塊 31 電機(jī)模塊 32第六章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 55 系統(tǒng)初始化 55第七章 開(kāi)發(fā)與調(diào)試 61 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境介紹 61 小車(chē)車(chē)整體調(diào)試 61第八章 結(jié)論 63 總結(jié) 63 展望 63參考文獻(xiàn) I附錄A：C8051F360 封裝管腳圖及信號(hào)說(shuō)明（48Pin TQFP） I摘 要此文基于我們所學(xué)的單片機(jī)、嵌入式控制及紅外傳感等相關(guān)知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)可以自動(dòng)壁障的機(jī)器人。學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用技術(shù)，應(yīng)該是在基于某種嵌入式微處理器核的系統(tǒng)芯片應(yīng)用平臺(tái)上進(jìn)行。鑒于CIP51系列處理器核的優(yōu)良特性及其在業(yè)界的廣泛應(yīng)用狀況，并結(jié)合使用基于機(jī)器人項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)的嵌入式實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的需要，本節(jié)對(duì)如何構(gòu)造CIP51嵌入式開(kāi)發(fā)環(huán)境等基本情況進(jìn)行介紹。第一章 引 言 設(shè)計(jì)背景介紹機(jī)器人作為機(jī)械電子學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能等的典型載體被廣泛地用來(lái)作為工科生的講授課程之一；模型機(jī)器人則逐漸成為素質(zhì)教育，技能實(shí)踐的選題之一，各種機(jī)器人比賽正蓬勃發(fā)展。于信息技術(shù)教育與機(jī)器人教育的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，智能機(jī)器人涉及了信息技術(shù)的幾乎所有內(nèi)容，可以讓學(xué)生接觸并看到信息技術(shù)的全景，尤為重要的是智能機(jī)器人是信息技術(shù)的開(kāi)放性開(kāi)發(fā)平臺(tái)，學(xué)生可以充分發(fā)揮想象力去開(kāi)發(fā)各種智能裝置，從而培養(yǎng)學(xué)生對(duì)信息技術(shù)的開(kāi)發(fā)能力，在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，培養(yǎng)各種能力，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣。因此，智能教育機(jī)器人平臺(tái)就顯得非常重要，直接關(guān)系到學(xué)生知識(shí)的學(xué)習(xí)、能力的鍛煉、知識(shí)的應(yīng)用及創(chuàng)新思想的形成。以應(yīng)用為中心的嵌入式系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，適應(yīng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，具有以下特點(diǎn)：《1》相對(duì)于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的軟硬件資源較少。一般嵌入式系統(tǒng)都是功耗低、體積小，結(jié)構(gòu)緊湊、軟件實(shí)時(shí)性強(qiáng)?！?》嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)需要特殊方法和專(zhuān)用工具，每一種嵌入式系統(tǒng)之間存在很大的差別。在嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)等階段都離不開(kāi)通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。《3》嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)在大多數(shù)情況下考慮的是系統(tǒng)的成本。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期的處理器選擇要考慮很多方面的因素，其中成本的大小占有很大比重。由于成本、功耗、功能的不斷擴(kuò)展、運(yùn)行環(huán)境的不可預(yù)知性等因素起了極大的負(fù)面影響，制約了機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展?；谇度胧较到y(tǒng)的機(jī)器人控制器以其功耗低、體積小、集成度高、可靠性強(qiáng)等無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，為機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展提供了廣闊的前景。以C8051F360 應(yīng)用處理器為核心，開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)一款開(kāi)放式的機(jī)器人控制系統(tǒng)，它包括機(jī)器人主控系統(tǒng)、機(jī)器人傳感器系統(tǒng)、機(jī)器人執(zhí)行系統(tǒng)、上層編程軟件系統(tǒng)。機(jī)器人上層編程軟件系統(tǒng)編寫(xiě)機(jī)器人的應(yīng)用控制程序，通過(guò)仿真器、UART 或USB 把應(yīng)用程序下載到機(jī)器人主控系統(tǒng)中，根據(jù)機(jī)器人傳感器系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器人執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的執(zhí)行功能。 本文章節(jié)安排及文獻(xiàn)綜述本文系統(tǒng)的介紹了制作本智能模型車(chē)的各項(xiàng)技術(shù)。具體章節(jié)安排如下：第一章 引言 介紹了本次比賽的背景，引出下文。第二章 方案選擇 將智能車(chē)控制系統(tǒng)分解為模塊，分別從各個(gè)模塊討論本壁障小車(chē)系統(tǒng)將要采用的控制方案。在這部分中，為了確定方案我們查找了很多文獻(xiàn)，有關(guān)于傳感器和傳感器技術(shù)的，如參考文獻(xiàn)[3]，[4]；還有關(guān)于機(jī)器人技術(shù)的，如參考文獻(xiàn)[5]；以及關(guān)于去年比賽的論文，如參考文獻(xiàn)[6]。第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 介紹了智能車(chē)的搭建與調(diào)整，以及攝像頭、光柵編碼器與電路板的安裝。應(yīng)用了一些相關(guān)的汽車(chē)?yán)碚撝R(shí)，如參考文獻(xiàn)[8]。第四章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn) 分析智能車(chē)系統(tǒng)各組成部分為實(shí)現(xiàn)特定功能應(yīng)采用什么樣的電路，能達(dá)到最好效果同時(shí)產(chǎn)生的噪聲和對(duì)其他電路的干擾最小。參考的主要資料是芯片的datasheet，如參考文獻(xiàn)[7]，[9]，[10]，[11]，[12]。第五章 理論分析與算法實(shí)現(xiàn) 從建模的角度分析車(chē)的運(yùn)動(dòng)形式，最后得出控制算法。其中，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)理論參考了文獻(xiàn)[13]。在控制算法上，我們對(duì)比了模糊控制和PID控制，最終采用模糊控制。主要參考文獻(xiàn)有[14]，[15]，[16]。第六章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 介紹了本智能車(chē)系統(tǒng)的初始化，并且壁障程序的設(shè)計(jì)與分析第七章 開(kāi)發(fā)與調(diào)試 介紹了軟件開(kāi)發(fā)的環(huán)境，以及對(duì)各部分的調(diào)試方法。我們軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為 Silicon Labs 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，因此，我們仔細(xì)研究了Silicon Labs 使用指南（參考文獻(xiàn)[17]）。第八章 總結(jié)與展望 總結(jié)了幾個(gè)月來(lái)的工作，對(duì)未來(lái)進(jìn)行了展望。第二章 方案選擇本智能車(chē)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，分為測(cè)量模塊、控制模塊和執(zhí)行模塊。機(jī)器人主控器系統(tǒng)是機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心，它有硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。(1)硬件系統(tǒng)機(jī)器人主控系統(tǒng)硬件包括：微處理器、存儲(chǔ)器、鍵盤(pán)電路、LCD液晶顯示電路、I/O驅(qū)動(dòng)電路、電源供電電路等。硬件電路框圖如圖123所示。 (2)軟件系統(tǒng)機(jī)器人主控系統(tǒng)軟件包括：系統(tǒng)啟動(dòng)程序、各模塊硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（Real Time Operating System，RTOS）等。軟件框圖如圖124所示。機(jī)器人傳感器系統(tǒng)起到了環(huán)境數(shù)據(jù)采集及處理的作用，它把處理的數(shù)據(jù)傳給機(jī)器人控器系統(tǒng)。它有模擬量傳感器系統(tǒng)和數(shù)字量傳感器系統(tǒng)組成。(1)模擬量傳感器系統(tǒng)模擬量傳感器系統(tǒng)包括：紅外測(cè)距、灰度、接近開(kāi)關(guān)、溫度傳感器等。其硬件系統(tǒng)框圖如圖125所示。(2)數(shù)字量傳感器系統(tǒng)數(shù)字量傳感器系統(tǒng)包括：模擬量傳感器擴(kuò)展模塊、電子羅盤(pán)、光電傳感器擴(kuò)展模塊等。其組成包括：MCU、模擬量傳感器、I2C通訊接口等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?圖123機(jī)器人控制器系統(tǒng)硬件框圖圖124機(jī)器人主控制器系統(tǒng)軟件框圖圖125模擬量傳感器系統(tǒng)硬件框圖機(jī)器人的所有動(dòng)作均由起執(zhí)行系統(tǒng)完成，對(duì)于小型機(jī)器人來(lái)說(shuō)，它的執(zhí)行系統(tǒng)一般由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)完成動(dòng)作。本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要設(shè)計(jì)輪式機(jī)器人的執(zhí)行系統(tǒng)，完成前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎等基本功能。這兒把執(zhí)行系統(tǒng)分成輪式機(jī)器人本體設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、輪子驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)三部分。機(jī)器人本體設(shè)計(jì)包括傳感器的位置安裝、著地點(diǎn)的位置、重心位置等的設(shè)計(jì)；電機(jī)選擇控制精度較高的步進(jìn)電機(jī)；輪子驅(qū)動(dòng)采用兩輪驅(qū)動(dòng)的方式。基于C8051F系列單片機(jī)的集成軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)（IDE）對(duì)于工程研發(fā)人員來(lái)說(shuō)是一個(gè)功能強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)工具。在EWARM 環(huán)境下可以使用C/C++和匯編語(yǔ)言方便地開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用程序。比較其他的ARM 開(kāi)發(fā)環(huán)境，IAR EWARM 具有入門(mén)容易、使用方便和代碼緊湊等特點(diǎn)。 C8051F360微處理器C8051F360器件是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU。其主要特性如下：（1）高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP51內(nèi)核（可達(dá)100MIPS）。(2 ) 高速、流水線結(jié)構(gòu)的與8051 兼容的微控制器核（可達(dá)100MIPS）。 （3）全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)）。 （4）真10位、200 ksps ADC，16路單端/差分模擬輸入，帶模擬多路器。 （5）10位電流輸出DAC。（6）2周期的16 x 16乘法和累加引擎。 （7） （8）達(dá)32KB 的片內(nèi)FLASH 存儲(chǔ)器——1024字節(jié)被保留。 （9）1280字節(jié)片內(nèi)RAM。（10）64KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口。 （11）硬件實(shí)現(xiàn)的SMBus/ I2C、增強(qiáng)型UART和增強(qiáng)型SPI串行接口。（12）4個(gè)通用的16位定時(shí)器。（13）具有6個(gè)捕捉/比較模塊和看門(mén)狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列（PCA）。（14）片內(nèi)上電復(fù)位電路、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。 （15）兩個(gè)片內(nèi)電壓比較器。 （16）多達(dá)39個(gè)端口I/O（容許5V電壓）。具有片內(nèi)上電復(fù)位電路、VD