【正文】 號： 0103101702 系 (院)： 機械工程系 專業(yè)班級： 機械設(shè)計制造及其自動化 機械037 指導(dǎo)者： 黃大志 講師 評閱者： 2007年 6月 連 云 港畢業(yè)設(shè)計（論文）中文摘要尋跡機器人控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機器人在社會各領(lǐng)域的作用越來越大。在本設(shè)計中，尋跡機器人的前面、中間和后面都布置有灰度傳感器，尤其是在頭部和尾部都布置了7個傳感器。本設(shè)計中使用的電動機是直流電動機，驅(qū)動芯片是L298N，直流電動機經(jīng)過三級直齒輪減速器將傳動傳給車輪。關(guān)鍵詞：尋跡機器人 單片機 光電傳感器 PWM畢業(yè)設(shè)計（論文）外文摘要Design of control systems for Tracing robotsAbstract: With the development of science and technology, the robot in all areas of society is increasing. Tracing robots play an important role in industry or the various petitions. The design using high performance microcontroller AT89S52 as tracing robots’ the main controller, and extend a multipurpose interface chip 8155. Detection of floor and white belt, using reflective photoelectric sensor (also named as gray sensor) which is designed and produced by myself, This sensor input signal type to the controller is switch. In this design, tracing robot has a gray sensor in the front。 PWM. 目 錄1 引言…………………………………………………………………………… 12 功能要求和方案論證……………………………………………………………… 2………………………………………………………………………… 2 功能要求…………………………………………………………………… 2 輸入輸出信號……………………………………………………………… 2 方案論證……………………………………………………………………… 2 車體設(shè)計…………………………………………………………………… 2 控制器模塊…………………………………………………………………… 3 直流電動機驅(qū)動調(diào)速模塊………………………………………………… 4 灰度傳感器模塊…………………………………………………………… 4 電源模塊…………………………………………………………………… 5 景點檢測模塊………………………………………………………………… 5 最終方案………………………………………………………………… 53 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計……………………………………………………………………… 7 整體構(gòu)思…………………………………………………………………… 7 微控制器模塊的設(shè)計…………………………………………………………………… 8 單片機選型依據(jù)……………………………………………………………………… 8 8155芯片的介紹……………………………………………………………………… 11 微控制器電路原理圖………………………………………………………………… 13 與能力風(fēng)暴機器人的控制系統(tǒng)比較………………………………………………… 14 灰度傳感器模塊的設(shè)計………………………………………………………………… 15 灰度傳感器原理……………………………………………………………………… Y 灰度傳感器電路設(shè)計………………………………………………………………… Y 灰度傳感器電路原理圖………………………………………………… Y 直流電動機調(diào)速模塊…………………………………………………………………… Y 驅(qū)動芯片L298N的介紹及電路……………………………………………………… Y 與能力風(fēng)暴機器人驅(qū)動模塊的比較………………………………………………… Y 電源電路的設(shè)計………………………………………………………………………… Y 鋰離子電池介紹……………………………………………………………………… Y 系統(tǒng)電路設(shè)計………………………………………………………………………… Y 碰撞開關(guān)…………………………………………………………………………… Y 蜂鳴器…………………………………………………………………………… Y4 系統(tǒng)程序的設(shè)計…………………………………………………………………………… Y 程序功能………………………………………………………………………… Y 流程圖……………………………………………………………………… Y 程序編寫………………………………………………………………………… Y 主程序………………………………………………………………………… Y 灰度傳感器檢測子程序…………………………………………………………… Y 碰撞開關(guān)檢測子程序………………………………………………………………… Y PWM調(diào)速子程序…………………………………………………………………… Y 沿線走子程序………………………………………………………………………… Y5 調(diào)試及性能分析…………………………………………………………………………… Y 調(diào)試所用到的軟件……………………………………………………………………… Y Protel 99 SE …………………………………………………………………………… Y Keil uVision2……………………………………………………………………………Y Easy 51Pro …………………………………………………………………………… Y 調(diào)試所出現(xiàn)的問題及解決方法………………………………………………………… Y 電源和控制系統(tǒng)……………………………………………………………………… Y 直流電動機 …………………………………………………………………………… Y 灰度傳感器 …………………………………………………………………………… Y 性能分析 ………………………………………………………………………………… Y結(jié)論 …………………………………………………………………………………… Y致謝 …………………………………………………………………………………… Y參考文獻………………………………………………………………………………Y附錄A 尋跡機器人源程序 ………………………………………………………… Y附錄B 能力風(fēng)暴機器人的源程序 ………………………………………………………… Y圖1 尋跡機器人控制系統(tǒng)電路圖………………………………………………………… Y淮海工學(xué)院二○○七屆畢業(yè)設(shè)計（論文） 第42頁 共42頁1 引言機器人技術(shù)是自動化技術(shù)的精華，它對未來社會有極大的影響。尋跡機器人比賽又可以被稱為機器人旅游比賽、機器人走規(guī)定圖形比賽和機器人尋跡比賽等。樂高機器人、美國VEX系列機器人、博思威龍系列機器人、中鳴機器人、廣茂達能力風(fēng)暴系列機器人和雙龍機器人等是目前中國機器人市場上的主流產(chǎn)品。部分單片機的晶振頻率不高，處理數(shù)據(jù)速度有限。本設(shè)計的研究的內(nèi)容有傳感器技術(shù)、單片機控制、信號處理、程序的編制、電機驅(qū)動芯片的選擇、PWM調(diào)速等。但總的方面來說，連島人還沒有完全發(fā)揮到一流的水平，與其它學(xué)校優(yōu)秀的代表隊相比，還有一些不足，表面上看是我們的機器人運行的速度還不夠快，其實是由于我們的機器人本身的特性所決定的。經(jīng)過我們發(fā)現(xiàn)、比較、摸索，要想在機器人游江蘇比賽中獲得優(yōu)異的成績，必須對機器人的控制系統(tǒng)進行大改或重新設(shè)計。在控制系統(tǒng)方面，利用現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)非常成熟的AT89S52單片機，使用12MHZ的晶振。通過調(diào)試，使輸出的信號為開關(guān)量。一片L298N芯片控制兩個直流電動機，可以實現(xiàn)PWM調(diào)速。由于本次使用的灰度傳感器比較多，編寫的程序也得使用一套獨特的算法。 功能要求本設(shè)計要求尋跡機器人的最大尺寸必須小于等于30cm30cm30cm，由單片機對尋跡機器人進行控制，機器人所使用的傳感器為灰度傳感器，用來檢測地面不同顏色，借助灰度傳感器，實現(xiàn)機器人沿著白色的條帶行走，完成特定的任務(wù)，機器人行走借助于能力風(fēng)暴機器人小車，要求能在5分鐘內(nèi)完成機器人游江蘇的任務(wù)。指示燈輸出的電壓在程序中只要對指定的I/O口置0或置1即可，便于實現(xiàn)。為較好的實現(xiàn)各模塊的功能，我分別提出了幾種方案并分別進行了論證，并最終選擇了一套合適的方案。其次，這種電動車一般都是前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動，不能適應(yīng)該本設(shè)計中的方格地圖，不能方便迅速的實現(xiàn)原地保持坐標轉(zhuǎn)90度甚至180度的彎角。方案二：使用能力風(fēng)暴機器人小車。在安裝時它能保證兩個驅(qū)動電機同軸。經(jīng)過反復(fù)思考，選用方案二。且從使用及經(jīng)濟的角度考慮我放棄了此方案。但是當凌陽單片機應(yīng)用語音處理和辨識時，由于其占用的CPU資源較多而使得凌陽單片機同時處理其它任務(wù)的速度和能力降低。方案三：采用Atmel公司的AT89S52單片機作為主控制器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。更主要的問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。而且它正好也采用了含由達林頓管組成的雙H型電路。這種方案的缺點在于其他環(huán)境光源會對光敏三極管的工作產(chǎn)生很大干擾，一旦外界光亮條件改變，很可能造成誤判和漏判。由于采用紅外管代替普通可見光管，可以降低環(huán)境光源干擾。當光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。這樣制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求，但是工作不夠穩(wěn)定，且容易受外界光線的影響，因此我也放棄了這個方案。雖然電動機啟動瞬間電流很大，而且PWM驅(qū)動的電動機電流波動很大，但鋰離子電池容量比較大，可以減少這種影響。而且電機驅(qū)動模塊需要與控制系統(tǒng)電路共地。方案二：使用超聲波測距模塊。其次，它輸入的是一個開關(guān)量，未碰到物體時，它輸入的是1，碰到物體后，它輸入的是0。（2）采用Atmel公司的AT89S52單片機作為主控制器。（6）景點檢測采用碰撞開關(guān)。為此，我將系統(tǒng)框架設(shè)計為：圖31 系統(tǒng)框架圖其中電機驅(qū)動、邏輯控制部分均為獨立的單片機系統(tǒng)，這樣設(shè)計主要出于：（1） 單片機已十分便宜，可以像普通IC那樣使用； （2）直流電動機驅(qū)動邏輯比較簡單，但是實時性要求較高，所以獨立出來，編程較為容易，便于初學(xué)者上手； （3）直流電動機驅(qū)動部分通常會有較大的干擾，尤其是驅(qū)動普通的直流有刷電機，電刷的火花干擾很強，單獨使用簡單，但抗干擾能力強的單片機可使系統(tǒng)更加可靠； （4）直流電動機驅(qū)動部分獨立做成一個模塊后可以在以后的其它項目上使用，增加投入的附加值，例如作為RCX(樂高的控制器)的大功率電機驅(qū)動器； （5）對于走軌跡項目而言，邏輯部分并不十分復(fù)雜，完全可以將電機控制部分融入其中，但是這樣系統(tǒng)就不容易修改為其它用途，編程難度也增加了，不利于學(xué)習(xí)。 微控制器模塊的設(shè)計微控制器是尋跡機器人的控制核心，其地位可見不一般。選擇用于學(xué)習(xí)的單片機我認為主要考慮以下方面： （1）價格便宜； （2）開發(fā)手段便宜； （3）自己動手焊接相對容易（最好不選用BGA封裝的，）。封裝有PDIP、PLCC及TQFP模式，很好焊接。其它還有許多51架構(gòu)的單片機具有優(yōu)異的特性和特點，如：（1）兼容MCS51指令系統(tǒng)；（2）32個雙向I/O口； （3）3個16位可編程定時/計數(shù)器； （4）全雙工UART串行中斷口線；（5）8個中斷源； （6）中斷喚醒省電模式； （7）看門狗（WDT）定時器； （8）靈活的ISP字節(jié)和分頁編程； （9）8k可反復(fù)擦寫(1000次）ISP Flash ROM； （10）； （11）時鐘頻率033MHz； （12）256x8bit內(nèi)部RAM； （13）低功耗空閑和省電模式； （14）3級加密程序存儲器；（15）軟件設(shè)置空閑和省電功能； （16）雙數(shù)據(jù)寄存器指針。從另一個角度來說，由于目前編程通常使用C語言，所以對單片機的依附已不十分緊密，只是在設(shè)計硬件線路及程序中對硬件初始化時要涉及器件，而程序的邏輯部分幾乎與硬件無關(guān)，所以選擇什么單片機學(xué)習(xí)沒有什么絕對的好與壞，關(guān)鍵看自己可利用的資源。此外，由于ALE是以晶振1/6的固定頻率輸出的正脈沖，因此,可作為外部時鐘或外部定時脈沖使用。當信號為低電平時，對ROM的讀操作限定在外部程序存儲器；當信號為高電平時，對ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲器開始，并可延至外部