【正文】 如圖 29 所示，電機反轉(zhuǎn)。設(shè)計用來接收 DTL 或者 TTL 邏輯電平 ， 驅(qū)動感性負載 (比如繼電器 ， 直流電機 )，和開關(guān)電源晶體管。 利用單片機自帶的 PWM 控制器。 設(shè)電機始終接通電源時 ， 電機轉(zhuǎn)速最大為 Vmax， 且設(shè)占空比為 D=t／ T， 則電機的平均速度 Vd 為： Vd=Vmax 直流電機調(diào)速原理 直流電動機轉(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 為電動機結(jié)構(gòu)參數(shù)。直流電機能夠?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轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向 ， 用途很廣泛 ， 主要有 如下優(yōu)點： (1) 寬廣的調(diào)速范圍。 (2) 高精度。同時 ， ISP 的下載接口如圖 26， 在設(shè)計時應(yīng)注意以下兩點 ， 否則會造成程序下載的失敗。本設(shè)計就是用的按鍵手動復(fù)位。為了提高溫度穩(wěn)定性 ， 應(yīng)采用 NPO 電容 ， 時鐘電路如圖 23 所示。 89C52 單片機的時鐘產(chǎn)生方法有兩種。 最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計 89C52 是片內(nèi)有 ROM/EPROM 的單片機 ， 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 167。 小車的避障流程如下： 在車前方?jīng)]有障礙物時 ， 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)動電機。 相比方案一與方案三 ， 由于兩者價格相差不大 ， 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現(xiàn)移動機器人的避障。 167。 51 單片機應(yīng)用廣泛 ， 能滿足一般控制的需要。但自己制作小車設(shè)計制作周期較長 ， 且費用較高 。 (4) 驅(qū)動電機穩(wěn)速運行要求。 (4) 完成硬件電路板的 PCB 設(shè)計和調(diào)試。 3. 課題設(shè)計的內(nèi)容 智能機器人是集計 算機技術(shù)、智能控制、傳感器、電子學(xué)、檢測等技術(shù)于一體的機器人。 在國內(nèi) ， 對移動機器人的研究起步較晚 ， 主要的研究工作有： （ 1）清華大學(xué)智能移動機器人于 1994 年通過鑒定。 （ 2） 高完整性機器人?，F(xiàn)代機器人從誕生到現(xiàn)在 ， 已經(jīng)發(fā)展到了第三代。因此 ， 自動避障系統(tǒng)的研發(fā)就應(yīng)運而生。 硬件調(diào)試 ................................... 33 167。 初始化模塊 ..................................... 31 167。 障礙物檢測電路設(shè)計 ............................. 23 167。 本章小結(jié) ........................................ 9 第 2 章 硬件設(shè)計 ........................................ 10 167。 主控制器選擇 ................................ 5 167。自動避障 機器人 可以作為地域探索機器人和緊急搶險機器人的運動系統(tǒng) ， 讓機器人在行進中自動避過障礙物。因此 ， 自動避障系統(tǒng)的研發(fā)就應(yīng)運而生。 控制系統(tǒng)要求 .................................... 4 167。 系統(tǒng)總體設(shè)計 .................................... 8 167。 智能小車驅(qū)動電機的要求 .................... 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。 移動機器人是機器人學(xué)的一個重要分支 ， 而自主式移動機器人是智能程度最高的機器人 ， 是移動機器人的重要發(fā)展方向。機器人在完成任務(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 ， 即移動機器人的避障問題。 在國外 ， 研究工作有： （ 1） 室外幾種典型應(yīng)用的移動機器人 ： 由美國 NASA 資助研制的 “ 丹蒂 II” 八足行走機器人 ， 是一個能提供對高移動性機器人運動的了解和遠程機器人探險的行走機器人。 （ 5）生態(tài)機器人學(xué)（生物機器人學(xué)）?；窘Y(jié)構(gòu)由傳感器、控制器和運動機構(gòu)構(gòu)成。 研究開發(fā)出一套 簡易智智能 避障 機器人 ， 要實現(xiàn)的主要目標有： (1) 利用 STC89C52RC 單片機設(shè)計出智能機器人的硬件系統(tǒng) 。 (2) 實時性要求。 方案一：自己設(shè)計制作車架 自己制作小車底盤 ， 用兩個直流減速電機作為主動輪 ， 利用兩電機的轉(zhuǎn)速差完成直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、左后轉(zhuǎn)、右后轉(zhuǎn)、倒車等動作。這樣不僅精度有保障 ， 也增加了設(shè)計的靈活性。其指令系統(tǒng)和傳統(tǒng)的 8051 系列單片機指令系統(tǒng)兼容 ， 降低了系統(tǒng)軟件設(shè)計的難度 ， 電路設(shè)計簡單、價格低廉。 方案二：使用視頻采集處理裝置 使用 CCD 實時采集小車前進路線上的圖像并進行實時傳輸及處理 ， 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 放棄了這一方案。 由于本設(shè)計采用的 L298N 電機驅(qū)動 電路板 可以提供 +5V 輸出 ，可以方便給 5V 的單片機供電 ， 因此采用單電源供電即可。 (5) 采用 紅外傳感器 進行障礙檢測。由單片機主控核心模塊根據(jù)感測模塊給予的信息控制小車兩電機轉(zhuǎn)動工作狀態(tài)。 本章小結(jié) 本章介紹了 智能避障 機器人的 設(shè)計內(nèi)容及控制要求，提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計思路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對系統(tǒng) 硬件的選型 進行了方案比較，選擇了合適的系統(tǒng)方案。 圖 2－ 1 單片機基本結(jié)構(gòu)框圖 STC89C52 單片機是把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。 (5) 定時器 /計數(shù)器 片內(nèi)有 2 個 16 位的定時器 /計數(shù)器 ， 具有四種工作方式。 1 位機在開關(guān)決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而 8 位機在數(shù)據(jù)采集 ， 運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 時振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。只要 Vcc 的上升時間不超過 1ms， 就可以實現(xiàn)自動上電復(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 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 。 智能小車驅(qū)動電機的要求 控制電機是本次設(shè)計中的重要元件 ， 如果控制電機的性能不佳或使用不當 ， 將直接影響到整個系統(tǒng)的工作性能。 (5) 良好的抗干擾能力、體積小、重量輕。線性的機械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高自控系統(tǒng)的動態(tài)精度。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中 ， 當電機通電時其速度增加 ， 電機斷電時其速度減低。當高電平延時時間到時 ， 對 I/O 口電平取反變成低電平 ， 然后再延時；當?shù)碗娖窖訒r到時 ， 再對 I/O 口電平取反 ，如此循環(huán)就可得到 PWM 信號。 電機驅(qū)動模塊主要功能是將主控芯片發(fā)出的信號通過電機控制芯片轉(zhuǎn)化為小車實際的動作。可實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)及調(diào)速、啟動性能好、啟動轉(zhuǎn)矩大、可同時驅(qū)動兩臺直流電機。 L298N 芯片的 1 腳和 15 腳可單獨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。 輸出端口的八個續(xù)流二極管是為了消除電機轉(zhuǎn)動時的尖峰電壓保護電機而設(shè)計，簡化電路時可以不加。 障礙物 檢測 電路 設(shè)計 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。 報警 電路 設(shè)計 報警模塊通過單片機給定不 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 ， 電流不應(yīng)超過 ， 實際模塊上有 7805 芯片給單片機提供 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， 實際建議不應(yīng)該超過 24V， 在 24V 工作電壓下 ， 單個電機的電流不應(yīng)超過 1A， 2 個電機同時使用單個電機的電流不應(yīng)超過； VCC 輸入多少 伏 ， 完全取決于電機的額定電壓 ， OUT 的高電平電壓等于 VCC， 低電平電壓等于 0V，本設(shè)計采用的 減速電機額 定電壓為 6V 左右。 27 圖 215 穩(wěn)壓電源 電路 167。 主程 序 模塊 167。 首先小車進行上電初始化程序，接下來單片機控制小車開始前進，前進過程中單片機通過 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 。 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。說明電機及驅(qū)動電路無誤。 軟件調(diào)試 軟件調(diào)試采用單片機仿真器 protues 和單片機編程軟件 Keil，將編好的程序 進行調(diào)試 ， 主要是檢查語法錯誤并確認硬件完整無誤。在進行聯(lián)合調(diào)試時 ， 經(jīng)過反復(fù)的實驗 ， 不斷 修改參數(shù)來完善結(jié)果。 雖然本次設(shè)計的智能小車系統(tǒng)有很多優(yōu)點 ， 但在設(shè)計當中也存在著以下幾個問題： 1. 傳感器 模塊的穩(wěn)定性不是很高 ， 偶有失靈的現(xiàn)象 ， 單片機程序有時也會出現(xiàn)亂飛的現(xiàn)象 。 作為一個本科生的畢業(yè)設(shè)計 ， 由于經(jīng)驗的匱乏 ， 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 ，想要完成這個設(shè)計是難以想象的。 // 電機 1 的使能位 INA=1，電機開始工作， INA=0，電機停止工作 sbit IN3=P1^2。 //一個簡短的延時函數(shù) extern void go(uchar spe1,uchar spe2)。 //定時器初始化函數(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。 //右電機使能端為 0 } void ISP_init() { TMOD=0X11。 //開定時器 T1 44 INA=1。 IN2=0。 } void turn_right() { // 電機右轉(zhuǎn) IN1=1。 IN4=1。 speed2=spe2。 delay(500)。 void delay(uint xms) //簡單的延時 { uint i。 //電機前進函數(shù) extern void back()。 sbit INB=P1^5。 這些在我以后的社會生活中將會是一筆寶貴的財富。 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)試時將它放在一個子程序里單獨測試 ， 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)動芯片控制端口 IN IN IN IN4傳送高低電平即可實現(xiàn)小車的前進、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 蜂鳴器報警 前方有障礙物？ 左轉(zhuǎn) 90176。各個程序的功能不一樣其中 PWM 波產(chǎn)生子程序是利用單片機的定時器產(chǎn)生的其主要目的是利用產(chǎn)生的 PWM 波控制 L29N 的使能端使其電機的平均電壓隨著 PWM 波的占空比改變而改變，進而控制電機的轉(zhuǎn)速。 圖 216 系統(tǒng)