【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?hào)變成轉(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(duì)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(cè)等技術(shù)于一體的機(jī)器人。 在國內(nèi) ， 對(duì)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(cè)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(cè)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(duì)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(duì)障礙物進(jìn)行精確定位和測(cè)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(cè)。由單片機(jī)主控核心模塊根據(jù)感測(cè)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(duì)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(duì)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(hào) 的 UART， 只需外接幾只電容就可實(shí)現(xiàn) USB 信號(hào)與 RS232 信號(hào)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(duì) 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(duì) I/O 口電平取反 ，如此循環(huán)就可得到 PWM 信號(hào)。 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(hào)通過電機(jī)控制芯片轉(zhuǎn)化為小車實(shí)際的動(dòng)作。可實(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(hào)，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(cè) 電路 設(shè)計(jì) 避障檢測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)試 ， 看其是否能夠完成預(yù)定的功能 ， 如能 ，測(cè)試通過 ， 否則 ， 修改并反復(fù)測(cè)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(duì)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)