【正文】 如圖 29 所示，電機(jī)反轉(zhuǎn)。設(shè)計(jì)用來接收 DTL 或者 TTL 邏輯電平 ， 驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載 (比如繼電器 ， 直流電機(jī) )，和開關(guān)電源晶體管。 利用單片機(jī)自帶的 PWM 控制器。 設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí) ， 電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為 Vmax， 且設(shè)占空比為 D=t／ T， 則電機(jī)的平均速度 Vd 為： Vd=Vmax 直流電機(jī)調(diào)速原理 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 可以用 式 21 表示： n=(UIR)/Kφ （ 21） 其中 U 為電樞端電壓 ， I 為電樞電流 ， R 為電樞電路總電阻 ，φ 為每 極磁通量 ， K 為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。直流電機(jī)能夠?qū)⑤斎氲碾妷盒盘栕兂赊D(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出 ， 改變控制電壓即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向 ， 用途很廣泛 ， 主要有 如下優(yōu)點(diǎn)： (1) 寬廣的調(diào)速范圍。 (2) 高精度。同時(shí) ， ISP 的下載接口如圖 26， 在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn) ， 否則會(huì)造成程序下載的失敗。本設(shè)計(jì)就是用的按鍵手動(dòng)復(fù)位。為了提高溫度穩(wěn)定性 ， 應(yīng)采用 NPO 電容 ， 時(shí)鐘電路如圖 23 所示。 89C52 單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方法有兩種。 最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 89C52 是片內(nèi)有 ROM/EPROM 的單片機(jī) ， 因此 ， 這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單﹑可靠。 (7) P0 口、 P1 口、 P2 口、 P3 口 為 4 個(gè)并行 8 位 I/O 口。但對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。 主控電路設(shè)計(jì) 167。 小車的避障流程如下： 在車前方?jīng)]有障礙物時(shí) ， 小車沿直線向前走。 系統(tǒng)組成 系統(tǒng)組成框圖如圖 11 所示。 167。 因此 ， 采用 L298N 芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 相比方案一與方案三 ， 由于兩者價(jià)格相差不大 ， 紅外傳感器體積更小 ， 精度更高 ， 反 應(yīng)更快 ， 因此 ， 本課題將采用紅外傳感器來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的避障。 167。 51 單片機(jī)應(yīng)用廣泛 ， 能滿足一般控制的需要。但自己制作小車設(shè)計(jì)制作周期較長 ， 且費(fèi)用較高 。 (4) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)穩(wěn)速運(yùn)行要求。 (4) 完成硬件電路板的 PCB 設(shè)計(jì)和調(diào)試。 3. 課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容 智能機(jī)器人是集計(jì) 算機(jī)技術(shù)、智能控制、傳感器、電子學(xué)、檢測等技術(shù)于一體的機(jī)器人。 在國內(nèi) ， 對移動(dòng)機(jī)器人的研究起步較晚 ， 主要的研究工作有： （ 1）清華大學(xué)智能移動(dòng)機(jī)器人于 1994 年通過鑒定。 （ 2） 高完整性機(jī)器人?，F(xiàn)代機(jī)器人從誕生到現(xiàn)在 ， 已經(jīng)發(fā)展到了第三代。因此 ， 自動(dòng)避障系統(tǒng)的研發(fā)就應(yīng)運(yùn)而生。 硬件調(diào)試 ................................... 33 167。 初始化模塊 ..................................... 31 167。 障礙物檢測電路設(shè)計(jì) ............................. 23 167。 本章小結(jié) ........................................ 9 第 2 章 硬件設(shè)計(jì) ........................................ 10 167。 主控制器選擇 ................................ 5 167。自動(dòng)避障 機(jī)器人 可以作為地域探索機(jī)器人和緊急搶險(xiǎn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng) ， 讓機(jī)器人在行進(jìn)中自動(dòng)避過障礙物。因此 ， 自動(dòng)避障系統(tǒng)的研發(fā)就應(yīng)運(yùn)而生。 控制系統(tǒng)要求 .................................... 4 167。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) .................................... 8 167。 智能小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求 .................... 16 167。 主程序模塊 ..................................... 29 167。 本章小結(jié) ....................................... 32 第 4 章 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試 ................................ 33 167。 移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)的一個(gè)重要分支 ， 而自主式移動(dòng)機(jī)器人是智能程度最高的機(jī)器人 ， 是移動(dòng)機(jī)器人的重要發(fā)展方向。機(jī)器人在完成任務(wù)的過程中面臨著如何去檢測路面上的障礙物并選擇最佳的路徑繞開障礙物的問題 ， 即移動(dòng)機(jī)器人的避障問題。 在國外 ， 研究工作有： （ 1） 室外幾種典型應(yīng)用的移動(dòng)機(jī)器人 ： 由美國 NASA 資助研制的 “ 丹蒂 II” 八足行走機(jī)器人 ， 是一個(gè)能提供對高移動(dòng)性機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的了解和遠(yuǎn)程機(jī)器人探險(xiǎn)的行走機(jī)器人。 （ 5）生態(tài)機(jī)器人學(xué)（生物機(jī)器人學(xué)）?；窘Y(jié)構(gòu)由傳感器、控制器和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。 研究開發(fā)出一套 簡易智智能 避障 機(jī)器人 ， 要實(shí)現(xiàn)的主要目標(biāo)有： (1) 利用 STC89C52RC 單片機(jī)設(shè)計(jì)出智能機(jī)器人的硬件系統(tǒng) 。 (2) 實(shí)時(shí)性要求。 方案一：自己設(shè)計(jì)制作車架 自己制作小車底盤 ， 用兩個(gè)直流減速電機(jī)作為主動(dòng)輪 ， 利用兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速差完成直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、左后轉(zhuǎn)、右后轉(zhuǎn)、倒車等動(dòng)作。這樣不僅精度有保障 ， 也增加了設(shè)計(jì)的靈活性。其指令系統(tǒng)和傳統(tǒng)的 8051 系列單片機(jī)指令系統(tǒng)兼容 ， 降低了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的難度 ， 電路設(shè)計(jì)簡單、價(jià)格低廉。 方案二：使用視頻采集處理裝置 使用 CCD 實(shí)時(shí)采集小車前進(jìn)路線上的圖像并進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸及處理 ， 這是最精確的障礙物信息 采集方案 ， 可以對障礙物進(jìn)行精確定位和測距。但分立原件 H 橋電路工作性能不夠穩(wěn)定 ， 較易出現(xiàn)硬件上的故障 ， 故 本設(shè)計(jì) 放棄了這一方案。 由于本設(shè)計(jì)采用的 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電路板 可以提供 +5V 輸出 ，可以方便給 5V 的單片機(jī)供電 ， 因此采用單電源供電即可。 (5) 采用 紅外傳感器 進(jìn)行障礙檢測。由單片機(jī)主控核心模塊根據(jù)感測模塊給予的信息控制小車兩電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)工作狀態(tài)。 本章小結(jié) 本章介紹了 智能避障 機(jī)器人的 設(shè)計(jì)內(nèi)容及控制要求，提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對系統(tǒng) 硬件的選型 進(jìn)行了方案比較，選擇了合適的系統(tǒng)方案。 圖 2－ 1 單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)框圖 STC89C52 單片機(jī)是把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個(gè)尺寸有限的集成電路芯片上。 (5) 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 片內(nèi)有 2 個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ， 具有四種工作方式。 1 位機(jī)在開關(guān)決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而 8 位機(jī)在數(shù)據(jù)采集 ， 運(yùn)算處理方面有明顯的長處。 (3) 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。電容值無嚴(yán)格要求 ， 但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響 ， CX CX2 可在 20pF 到 100pF 之間取值 ， 但在 60pF 到 70pF 時(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。只要 Vcc 的上升時(shí)間不超過 1ms， 就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。該器件內(nèi)置 USB 功能控制器、 USB 收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器 控制信號 的 UART， 只需外接幾只電容就可實(shí)現(xiàn) USB 信號與 RS232 信號的轉(zhuǎn)換 ， 能夠方便嵌入到各種設(shè)備；該器件作為 USB/RS232 雙向 轉(zhuǎn)換器 ， 一方面從 主機(jī) 接收 USB 數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為 RS232 信息流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面從 RS232 外設(shè)接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 USB 數(shù)據(jù)格式傳送回 主機(jī) 。 智能小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求 控制電機(jī)是本次設(shè)計(jì)中的重要元件 ， 如果控制電機(jī)的性能不佳或使用不當(dāng) ， 將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。 (5) 良好的抗干擾能力、體積小、重量輕。線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高自控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中 ， 當(dāng)電機(jī)通電時(shí)其速度增加 ， 電機(jī)斷電時(shí)其速度減低。當(dāng)高電平延時(shí)時(shí)間到時(shí) ， 對 I/O 口電平取反變成低電平 ， 然后再延時(shí)；當(dāng)?shù)碗娖窖訒r(shí)到時(shí) ， 再對 I/O 口電平取反 ，如此循環(huán)就可得到 PWM 信號。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要功能是將主控芯片發(fā)出的信號通過電機(jī)控制芯片轉(zhuǎn)化為小車實(shí)際的動(dòng)作?？蓪?shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速、啟動(dòng)性能好、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。 L298N 芯片的 1 腳和 15 腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號，本電路未用到采樣所以將其接地。 輸出端口的八個(gè)續(xù)流二極管是為了消除電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的尖峰電壓保護(hù)電機(jī)而設(shè)計(jì)，簡化電路時(shí)可以不加。 障礙物 檢測 電路 設(shè)計(jì) 避障檢測采用紅外傳感器 ， 這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。傳感器由于發(fā)射和接受的是紅外光，所以常見光對它的干擾較小。 報(bào)警 電路 設(shè)計(jì) 報(bào)警模塊通過單片機(jī)給定不 同頻率 的高低電平 利用蜂鳴器發(fā)出不同聲音。 L298N 理論上可以最高輸入 46V， 但是理論上L298N 芯片的最高功率只有 25W， 在 50V 最高工作電壓時(shí) ， 電流不應(yīng)超過 ， 實(shí)際模塊上有 7805 芯片給單片機(jī)提供 5V， 7805 的正向工作電壓不應(yīng)超過 28V， 所以模塊 VCC 理論最大工作電壓不應(yīng)超過 28V， 實(shí)際建議不應(yīng)該超過 24V， 在 24V 工作電壓下 ， 單個(gè)電機(jī)的電流不應(yīng)超過 1A， 2 個(gè)電機(jī)同時(shí)使用單個(gè)電機(jī)的電流不應(yīng)超過； VCC 輸入多少 伏 ， 完全取決于電機(jī)的額定電壓 ， OUT 的高電平電壓等于 VCC， 低電平電壓等于 0V，本設(shè)計(jì)采用的 減速電機(jī)額 定電壓為 6V 左右。 27 圖 215 穩(wěn)壓電源 電路 167。 主程 序 模塊 167。 首先小車進(jìn)行上電初始化程序，接下來單片機(jī)控制小車開始前進(jìn)，前進(jìn)過程中單片機(jī)通過 紅外傳感器 模塊不斷檢測前方 30 厘米內(nèi) 障礙物 ，并將開關(guān)量傳送給單片機(jī) 。 167。 167。 2. 放置、焊接各元件 按原理圖的位置放置各元件 ， 在放置過程中要先放置、焊接較低的 元件 ， 后焊較高的和要求較高的元件。說明電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路無誤。 軟件調(diào)試 軟件調(diào)試采用單片機(jī)仿真器 protues 和單片機(jī)編程軟件 Keil，將編好的程序 進(jìn)行調(diào)試 ， 主要是檢查語法錯(cuò)誤并確認(rèn)硬件完整無誤。在進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試時(shí) ， 經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn) ， 不斷 修改參數(shù)來完善結(jié)果。 雖然本次設(shè)計(jì)的智能小車系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn) ， 但在設(shè)計(jì)當(dāng)中也存在著以下幾個(gè)問題： 1. 傳感器 模塊的穩(wěn)定性不是很高 ， 偶有失靈的現(xiàn)象 ， 單片機(jī)程序有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)亂飛的現(xiàn)象 。 作為一個(gè)本科生的畢業(yè)設(shè)計(jì) ， 由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏 ， 難免有許多考慮不周全的地方 ， 如果沒有導(dǎo)師的督促指導(dǎo) ， 同學(xué)們的支持 合作 ，想要完成這個(gè)設(shè)計(jì)是難以想象的。 // 電機(jī) 1 的使能位 INA=1，電機(jī)開始工作， INA=0，電機(jī)停止工作 sbit IN3=P1^2。 //一個(gè)簡短的延時(shí)函數(shù) extern void go(uchar spe1,uchar spe2)。 //定時(shí)器初始化函數(shù) extern void dd()。j)。 delay(500)。 IN2=1。 //此處速度可以任意調(diào)， 0~100 之間，左邊的速度要小于右邊速度值 delay(1400)。 go(0,0)。 } void start() //開始 { TR0=1。 //右電機(jī)使能端為 0 } void ISP_init() { TMOD=0X11。 //開定時(shí)器 T1 44 INA=1。 IN2=0。 } void turn_right() { // 電機(jī)右轉(zhuǎn) IN1=1。 IN4=1。 speed2=spe2。 delay(500)。 void delay(uint xms) //簡單的延時(shí) { uint i。 //電機(jī)前進(jìn)函數(shù) extern void back()。 sbit INB=P1^5。 這些在我以后的社會(huì)生活中將會(huì)是一筆寶貴的財(cái)富。 2. 小車避障方式單一 。 167。如小車紅外線 避障 程序 、 PWM 調(diào)速程序 ， 在調(diào)試時(shí)將它放在一個(gè)子程序里單獨(dú)測試 ， 看其是否能夠完成預(yù)定的功能 ， 如能 ，測試通過 ， 否則 ， 修改并反復(fù)測試直到通過。接下來加入 調(diào)速 子程序，看 調(diào)速 正常與否。 167。 給對應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片控制端口 IN IN IN IN4傳送高低電平即可實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停車操作。 167。 30 圖 31 系統(tǒng)軟件的整體流程圖 開始 初始化 前進(jìn) 蜂鳴器報(bào)警 前方有障礙物？ 左轉(zhuǎn) 90176。各個(gè)程序的功能不一樣其中 PWM 波產(chǎn)生子程序是利用單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生的其主要目的是利用產(chǎn)生的 PWM 波控制 L29N 的使能端使其電機(jī)的平均電壓隨著 PWM 波的占空比改變而改變，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 圖 216 系統(tǒng)