【正文】 號(hào)： 0103101702 系 (院)： 機(jī)械工程系 專業(yè)班級(jí)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 機(jī)械037 指導(dǎo)者： 黃大志 講師 評(píng)閱者： 2007年 6月 連 云 港畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要尋跡機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在社會(huì)各領(lǐng)域的作用越來(lái)越大。在本設(shè)計(jì)中，尋跡機(jī)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(gè)傳感器。本設(shè)計(jì)中使用的電動(dòng)機(jī)是直流電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)芯片是L298N，直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)三級(jí)直齒輪減速器將傳動(dòng)傳給車(chē)輪。關(guān)鍵詞：尋跡機(jī)器人 單片機(jī) 光電傳感器 PWM畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(hào)……………………………………………………………… 2 方案論證……………………………………………………………………… 2 車(chē)體設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 2 控制器模塊…………………………………………………………………… 3 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速模塊………………………………………………… 4 灰度傳感器模塊…………………………………………………………… 4 電源模塊…………………………………………………………………… 5 景點(diǎn)檢測(cè)模塊………………………………………………………………… 5 最終方案………………………………………………………………… 53 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)……………………………………………………………………… 7 整體構(gòu)思…………………………………………………………………… 7 微控制器模塊的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 8 單片機(jī)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(jī)器人的控制系統(tǒng)比較………………………………………………… 14 灰度傳感器模塊的設(shè)計(jì)………………………………………………………………… 15 灰度傳感器原理……………………………………………………………………… Y 灰度傳感器電路設(shè)計(jì)………………………………………………………………… Y 灰度傳感器電路原理圖………………………………………………… Y 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速模塊…………………………………………………………………… Y 驅(qū)動(dòng)芯片L298N的介紹及電路……………………………………………………… Y 與能力風(fēng)暴機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊的比較………………………………………………… Y 電源電路的設(shè)計(jì)………………………………………………………………………… Y 鋰離子電池介紹……………………………………………………………………… Y 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)………………………………………………………………………… Y 碰撞開(kāi)關(guān)…………………………………………………………………………… Y 蜂鳴器…………………………………………………………………………… Y4 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………… Y 程序功能………………………………………………………………………… Y 流程圖……………………………………………………………………… Y 程序編寫(xiě)………………………………………………………………………… Y 主程序………………………………………………………………………… Y 灰度傳感器檢測(cè)子程序…………………………………………………………… Y 碰撞開(kāi)關(guān)檢測(cè)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(wèn)題及解決方法………………………………………………………… Y 電源和控制系統(tǒng)……………………………………………………………………… Y 直流電動(dòng)機(jī) …………………………………………………………………………… Y 灰度傳感器 …………………………………………………………………………… Y 性能分析 ………………………………………………………………………………… Y結(jié)論 …………………………………………………………………………………… Y致謝 …………………………………………………………………………………… Y參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………Y附錄A 尋跡機(jī)器人源程序 ………………………………………………………… Y附錄B 能力風(fēng)暴機(jī)器人的源程序 ………………………………………………………… Y圖1 尋跡機(jī)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(jì)（論文） 第42頁(yè) 共42頁(yè)1 引言機(jī)器人技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)的精華，它對(duì)未來(lái)社會(huì)有極大的影響。尋跡機(jī)器人比賽又可以被稱為機(jī)器人旅游比賽、機(jī)器人走規(guī)定圖形比賽和機(jī)器人尋跡比賽等。樂(lè)高機(jī)器人、美國(guó)VEX系列機(jī)器人、博思威龍系列機(jī)器人、中鳴機(jī)器人、廣茂達(dá)能力風(fēng)暴系列機(jī)器人和雙龍機(jī)器人等是目前中國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。部分單片機(jī)的晶振頻率不高，處理數(shù)據(jù)速度有限。本設(shè)計(jì)的研究的內(nèi)容有傳感器技術(shù)、單片機(jī)控制、信號(hào)處理、程序的編制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇、PWM調(diào)速等。但總的方面來(lái)說(shuō)，連島人還沒(méi)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(duì)相比，還有一些不足，表面上看是我們的機(jī)器人運(yùn)行的速度還不夠快，其實(shí)是由于我們的機(jī)器人本身的特性所決定的。經(jīng)過(guò)我們發(fā)現(xiàn)、比較、摸索，要想在機(jī)器人游江蘇比賽中獲得優(yōu)異的成績(jī)，必須對(duì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行大改或重新設(shè)計(jì)。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(jī)，使用12MHZ的晶振。通過(guò)調(diào)試，使輸出的信號(hào)為開(kāi)關(guān)量。一片L298N芯片控制兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速。由于本次使用的灰度傳感器比較多，編寫(xiě)的程序也得使用一套獨(dú)特的算法。 功能要求本設(shè)計(jì)要求尋跡機(jī)器人的最大尺寸必須小于等于30cm30cm30cm，由單片機(jī)對(duì)尋跡機(jī)器人進(jìn)行控制，機(jī)器人所使用的傳感器為灰度傳感器，用來(lái)檢測(cè)地面不同顏色，借助灰度傳感器，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿著白色的條帶行走，完成特定的任務(wù)，機(jī)器人行走借助于能力風(fēng)暴機(jī)器人小車(chē)，要求能在5分鐘內(nèi)完成機(jī)器人游江蘇的任務(wù)。指示燈輸出的電壓在程序中只要對(duì)指定的I/O口置0或置1即可，便于實(shí)現(xiàn)。為較好的實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，我分別提出了幾種方案并分別進(jìn)行了論證，并最終選擇了一套合適的方案。其次，這種電動(dòng)車(chē)一般都是前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動(dòng)，不能適應(yīng)該本設(shè)計(jì)中的方格地圖，不能方便迅速的實(shí)現(xiàn)原地保持坐標(biāo)轉(zhuǎn)90度甚至180度的彎角。方案二：使用能力風(fēng)暴機(jī)器人小車(chē)。在安裝時(shí)它能保證兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸。經(jīng)過(guò)反復(fù)思考，選用方案二。且從使用及經(jīng)濟(jì)的角度考慮我放棄了此方案。但是當(dāng)凌陽(yáng)單片機(jī)應(yīng)用語(yǔ)音處理和辨識(shí)時(shí)，由于其占用的CPU資源較多而使得凌陽(yáng)單片機(jī)同時(shí)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(jī)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(wèn)題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。而且它正好也采用了含由達(dá)林頓管組成的雙H型電路。這種方案的缺點(diǎn)在于其他環(huán)境光源會(huì)對(duì)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(jiàn)光管，可以降低環(huán)境光源干擾。當(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，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(gè)方案。雖然電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大，而且PWM驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)電流波動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)模塊需要與控制系統(tǒng)電路共地。方案二：使用超聲波測(cè)距模塊。其次，它輸入的是一個(gè)開(kāi)關(guān)量，未碰到物體時(shí)，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(jī)作為主控制器。（6）景點(diǎn)檢測(cè)采用碰撞開(kāi)關(guān)。為此，我將系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)為：圖31 系統(tǒng)框架圖其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)、邏輯控制部分均為獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)，這樣設(shè)計(jì)主要出于：（1） 單片機(jī)已十分便宜，可以像普通IC那樣使用； （2）直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯比較簡(jiǎn)單，但是實(shí)時(shí)性要求較高，所以獨(dú)立出來(lái)，編程較為容易，便于初學(xué)者上手； （3）直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通常會(huì)有較大的干擾，尤其是驅(qū)動(dòng)普通的直流有刷電機(jī)，電刷的火花干擾很強(qiáng)，單獨(dú)使用簡(jiǎn)單，但抗干擾能力強(qiáng)的單片機(jī)可使系統(tǒng)更加可靠； （4）直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分獨(dú)立做成一個(gè)模塊后可以在以后的其它項(xiàng)目上使用，增加投入的附加值，例如作為RCX(樂(lè)高的控制器)的大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器； （5）對(duì)于走軌跡項(xiàng)目而言，邏輯部分并不十分復(fù)雜，完全可以將電機(jī)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(jì)微控制器是尋跡機(jī)器人的控制核心，其地位可見(jiàn)不一般。選擇用于學(xué)習(xí)的單片機(jī)我認(rèn)為主要考慮以下方面： （1）價(jià)格便宜； （2）開(kāi)發(fā)手段便宜； （3）自己動(dòng)手焊接相對(duì)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(jī)具有優(yōu)異的特性和特點(diǎn)，如：（1）兼容MCS51指令系統(tǒng)；（2）32個(gè)雙向I/O口； （3）3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器； （4）全雙工UART串行中斷口線；（5）8個(gè)中斷源； （6）中斷喚醒省電模式； （7）看門(mén)狗（WDT）定時(shí)器； （8）靈活的ISP字節(jié)和分頁(yè)編程； （9）8k可反復(fù)擦寫(xiě)(1000次）ISP Flash ROM； （10）； （11）時(shí)鐘頻率033MHz； （12）256x8bit內(nèi)部RAM； （13）低功耗空閑和省電模式； （14）3級(jí)加密程序存儲(chǔ)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(gè)角度來(lái)說(shuō)，由于目前編程通常使用C語(yǔ)言，所以對(duì)單片機(jī)的依附已不十分緊密，只是在設(shè)計(jì)硬件線路及程序中對(duì)硬件初始化時(shí)要涉及器件，而程序的邏輯部分幾乎與硬件無(wú)關(guān)，所以選擇什么單片機(jī)學(xué)習(xí)沒(méi)有什么絕對(duì)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(shí)鐘或外部定時(shí)脈沖使用。當(dāng)信號(hào)為低電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作限定在外部程序存儲(chǔ)器；當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開(kāi)始，并可延至外部