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正文內(nèi)容

畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于spce061a單片機(jī)的自主移動(dòng)機(jī)器人小車設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

2024-07-11 02:08 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 和 DAC2 中,進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換的電流模擬信號(hào)分別從 AUD1 和 AUD2 輸出,輸入的數(shù)字量分別寫(xiě)入 PDAC1 和 PDAC2單元。 超聲波測(cè)距模塊 1. 基本特性與參數(shù)指標(biāo) 超聲波傳感器諧振頻率: 40KHz 模組傳感器工作電壓: 模組接口電壓: 自主移動(dòng)機(jī)器人小 車設(shè)計(jì) 9 2. 主要功能 三種測(cè)距模式選擇跳線 J1(短距、中距、可調(diào)距): 短距: 20cm100cm左右(根據(jù)被測(cè)物表面材料決定),精度 1cm; 中距: 70cm400cm左右(根據(jù)被測(cè)物表面材料決定); 可調(diào):范圍由可調(diào)節(jié)參數(shù)確定,當(dāng)調(diào)節(jié)在合適的值時(shí),最遠(yuǎn)測(cè)距 700cm左右; 3. 結(jié)構(gòu)示意圖 圖 31 超聲波測(cè)距模組硬件框圖 圖 32 超聲波實(shí)物圖 一般應(yīng)用時(shí),只需要用兩條 10PIN排線把 J5與 SPCE061A的 IOB口低八位連接, J4與 IOB口高八位連接,同時(shí)設(shè)置好 J J2跳線就完成硬件的連接了。不同測(cè)距模式的選擇只需改變測(cè)距模式跳線 J1的連接方法即可。模組工作的性能與 被測(cè)物表面材料有很大關(guān)系,如毛料、布料對(duì)超聲波的反射率很小,會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量結(jié)果 自主移動(dòng)機(jī)器人小 車設(shè)計(jì) 10 4. 超聲波測(cè)距原理 聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長(zhǎng)的目標(biāo)物體阻擋時(shí)就會(huì)發(fā)生反射;反射波稱為回聲。假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的,而且聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間可以測(cè)量得到,那么就可以計(jì)算出從聲波到目標(biāo)的距離。這就是本系統(tǒng)的測(cè)量原理。這里聲波傳播的介質(zhì)為空氣,采用不可見(jiàn)的超聲波 , 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即返回來(lái),超聲波 接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s,根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 (s),即: s=340t/2 超聲波測(cè)距模組的電路原理圖 圖 33 超聲波測(cè)距模組的主要電路原理圖 自主移動(dòng)機(jī)器人小 車設(shè)計(jì) 11 整個(gè)電路可分為兩大部份,一部份是超聲波發(fā)射調(diào)理電路,另一部份是 超聲波回波接收處理電路。用于驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的 40KHz 的方波由一片 NE555 搭成的多諧振蕩器生成,受控于控制器的 PLUS_EN 信號(hào); 40KHz 的方波經(jīng) CD4049 調(diào)理后,成為振幅 18V 的方波,提高發(fā)射功率。 發(fā)射頭發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射后,反射到接收頭,而接收到的波形幅度非常小,所以在回波處理電路中,把接收到的波形放大了 5000 倍,用的是 NE5532搭成的兩級(jí)交流放大電路。經(jīng)放大后的波形送入, LM311 比較器;經(jīng)比較器調(diào)理后的波形成為方波,可送給 SPCE061A 的 EXT1 外部中斷。 在模塊電路的設(shè)計(jì)中一定要注意,超聲波發(fā)射頭和接收頭之間的干擾;一般壓電式的超聲波換能器都會(huì)存在余波的干擾,發(fā)射頭和接收頭間要有 5cm 的距離;而在 發(fā)射頭發(fā)射超聲波后的 3ms 內(nèi),接收頭會(huì)一直接收到發(fā)射頭傳過(guò)來(lái)的非反射波,這是干擾波,在軟件處理的時(shí)候一定要注意清除掉此類的干擾。 超聲波電源接口 圖 34 超聲波電源接口 J3 為外部電源接口,最高電壓不要超過(guò) 12V, J2為電源選擇跳線, VCC_5 即為由 61 板通過(guò) 10PIN 的排線引入模組的電源, VCC 即為模組的放大器,調(diào)理電路的供電電源。當(dāng)用戶使用 61 板為其供電時(shí),要把 VCC 與 VCC_5 短接;而使用外部電源時(shí),要把 VCC 與 VCC_5 短接。 超聲波測(cè)距模組與 61 板的接口如圖 35,36 所示: 自主移動(dòng)機(jī)器人小 車設(shè)計(jì) 12 圖 35 超聲波測(cè)距模 組 接口 圖 36 超聲波與 61板進(jìn)行 測(cè)距 連接實(shí)物圖 測(cè)距程序流程圖 超聲波測(cè)距的功能函數(shù)流程圖如圖 37。用戶只需進(jìn)行六次測(cè)距操作,這六次的測(cè)量結(jié)果需要經(jīng)過(guò)處理后才可得到最終的測(cè)距返回值,然后將返回值化成距離。 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 [4] L298N 是 SGS 公司的產(chǎn)品 ,內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器,即內(nèi)含二個(gè) H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器,接收標(biāo)準(zhǔn) TTL邏輯電平信號(hào),可驅(qū)動(dòng) 46V、 2A以下的電機(jī)。 其實(shí)物及引腳圖如 圖 38及 39所示 自主移動(dòng)機(jī)器人小 車設(shè)計(jì) 13 測(cè) 距 初 始 化鍵 盤(pán) 掃 描 初 始 化啟 動(dòng) 測(cè) 距 鍵是 否 按 下 ?進(jìn) 行 一 次 測(cè) 距測(cè) 距 結(jié) 果 播 報(bào)及 出 錯(cuò) 處 理清 看 門(mén) 狗開(kāi) 始YN 圖 37測(cè)距程序流程圖 圖 38 L298N實(shí)物圖 自主移動(dòng)機(jī)器人小 車設(shè)計(jì) 14 圖 39 L298N管腳圖 L298N 主要特點(diǎn) (1)工作電壓高,最高工作電壓可達(dá) 46V; (2)輸出電流大,瞬間峰值電流可達(dá) 3A,持續(xù)工 作電流為 2A;額定功率 25W。 (3)內(nèi)含兩個(gè) H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器,可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載; (4)采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控 制; (5)具有兩個(gè)使能控制端,在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端,使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作; (6)可以外接檢測(cè)電阻,將變化量反饋給控制電路。使用 L298N 芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī),該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī),也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊連接圖 [5] 小車 的兩個(gè)直流 電機(jī)和驅(qū)動(dòng)模 塊 L298N 的連接如圖 310。 L298 有兩路電源分別為邏輯電源和動(dòng)力電源,圖 310 中 6V 為邏輯電源, 12V 為動(dòng)力電源。 J4接入邏輯電源, J6 接入動(dòng)力電源, J1與 J2分別為單片機(jī)控制兩個(gè)電機(jī)的輸入端, J3與 J5 分別與兩個(gè)電極的正負(fù)極相連。 ENA 與 ENB 直接接入 6V 邏輯電源也就是說(shuō)兩個(gè)電機(jī)時(shí)刻都工作在使能狀態(tài),控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)只有通過(guò) J1與 J2兩個(gè)接口。輸入信號(hào)端IN1接高電平輸入端 IN2 接低電平, J3 連接的電機(jī)正轉(zhuǎn)。(如果信號(hào)端 IN1接低電平, IN2接高電平, J3連接的電機(jī)反轉(zhuǎn))控制另一臺(tái)電機(jī)是同樣的 方式,輸入信號(hào)端 IN3自主移動(dòng)機(jī)器人小 車設(shè)計(jì) 15 接高電平,輸入端 IN4接低電平, J5 連接的電機(jī)正轉(zhuǎn)。(反之則反轉(zhuǎn)), PWM 信號(hào)端 A控制電機(jī) 1調(diào)速, PWM 信號(hào)端 B控制電機(jī) 2 調(diào)速。 圖 310電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊連接圖 通過(guò) 對(duì) 驅(qū)動(dòng)模塊的邏輯輸入端輸入不同的電平,其對(duì)應(yīng)的 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)表如表31 表 31 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)表 左電機(jī) 右電機(jī) 左電機(jī) 右電機(jī) 小車運(yùn)行狀態(tài) IN1 IN2 IN3 IN4 1 0 1 0 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 前行 1 0 0 1 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 左轉(zhuǎn) 1 0 1 1 正轉(zhuǎn) 停 以左電機(jī)為中心原地左轉(zhuǎn) 0 1 1 0 反轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn) 1 1 1 0 停 正轉(zhuǎn) 以右電機(jī)為中心原地右轉(zhuǎn) 0 1 0 1 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 后退 通過(guò)編寫(xiě)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序,用單片機(jī)的 IOA 口來(lái)控制驅(qū)動(dòng)模塊, 進(jìn)而控制小車的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài), 來(lái)完成小車的避障功能。 自主移動(dòng)機(jī)器人小 車設(shè)計(jì) 16 4 軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)小車智能運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵所在,相當(dāng)于人類大腦思維活動(dòng),通過(guò)軟件設(shè)計(jì)可將各個(gè)變化信號(hào)數(shù)據(jù)有效的結(jié)合處理,產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作反應(yīng)。 軟件調(diào)試平臺(tái) 軟件調(diào)試采用 μ’nSP?集成開(kāi)發(fā)環(huán)境, μ’nSP?集成開(kāi)發(fā)環(huán)境集程序的編輯,編譯,鏈接,調(diào)試以仿真等功能為一體。具有友好的交互界 面,下拉菜單,快捷鍵和快速訪問(wèn)命令列表等,使編輯,調(diào)試工作方便且高效。此外。它的軟件仿真功能可以在不連接仿真板的情況下模擬硬件的各項(xiàng)功能來(lái)調(diào)試程序 。 IDE 的開(kāi)發(fā)界面如圖 41 圖 41 μ’nSP? IDE的開(kāi)發(fā)界面 對(duì)于超聲波測(cè)距模塊 的數(shù)據(jù)采集的變化,則可以通過(guò)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境在線觀察,其對(duì)應(yīng)變量的數(shù)值在如圖 42的變量表 watch 窗口 圖 42變量表 Watch窗口界面 自主移動(dòng)機(jī)器人小 車設(shè)計(jì) 17 程序設(shè)計(jì)流程圖 根據(jù)本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路,機(jī)器人小車的 主要 程序設(shè)計(jì) 包括: 主 程序, 超聲波測(cè)距 程序,其程序設(shè)計(jì)流程圖如圖 43所示 初 始 化測(cè) 距是 否 有 障 礙倒 車左 轉(zhuǎn)前 進(jìn)是否報(bào) 警比 較 距 離 是 否 2 0 c m 圖 43程序設(shè)計(jì)流程圖 自主移動(dòng)機(jī)器人小 車設(shè)計(jì) 18 5 制作安裝與調(diào)試 硬件制作 由于 61板制板比較復(fù)雜且工藝要求較高,手工制板無(wú)法滿足要求則選擇了現(xiàn)成的 61 精簡(jiǎn)開(kāi)發(fā)板,車體源于廢舊的小車玩具進(jìn)行改裝。此后將 61 板、車體、驅(qū)動(dòng)電路板按照設(shè)計(jì)要求組裝,各 部分之間用自制杜邦線連接。確認(rèn)組裝無(wú)誤則上電測(cè)試。61板的結(jié)構(gòu)圖及說(shuō)明如圖: 圖 51 61板的結(jié)構(gòu)圖 表 51 61板 框圖說(shuō)明 POWER 5vamp。3V供電電路 PLL 鎖向環(huán)外部電路 Power-電源指示燈 Sleep-睡眠指示燈 RESET 復(fù)位電路 K4 復(fù)位按鍵 PROBE 在線調(diào)試器串行 5pin接口 S5 EZPROBE和 PROBE切換的撥斷開(kāi)關(guān) J1 J3 耳機(jī)插孔和兩 pin喇叭插針 DAC 一路音頻輸出電路, 采用 SPY0030集成音頻放大器 MIC 麥克風(fēng)輸入電路 OSC 32768晶振電路 VREF A/D轉(zhuǎn)換外部參考電壓輸入接口 R/C 芯片其他外圍電阻、電容電路 K1~K3 擴(kuò)展的按鍵:接 IOA0~IOA2 SPCE061A 61板核心: 16位微處理器 PORTA/B 32個(gè) I/O口 自主移動(dòng)機(jī)器人小 車設(shè)計(jì) 19 凌陽(yáng) 61精簡(jiǎn)開(kāi)發(fā)板的實(shí)物圖如圖 52 所示 。 圖 52 61開(kāi) 發(fā)板實(shí)物圖 系統(tǒng)調(diào)試 本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分:硬件調(diào)試,軟件調(diào)試和軟硬件調(diào)試。 由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用模塊設(shè)計(jì)法,所以方便對(duì)各電路模塊功能進(jìn)行逐級(jí)測(cè)試: 61 板 的 測(cè) 試 、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 的調(diào)試 、超聲波測(cè)距模塊 的調(diào)試 。 最后將各模塊組合后結(jié)合軟件進(jìn)行整體測(cè)試 。 硬件調(diào)試 (1) 61 板測(cè)試 第一步、連接電源,可以連接 3節(jié)電池,也可以直接接 5V的穩(wěn)壓源 現(xiàn)象:當(dāng)電源接通時(shí),紅色的發(fā)光二極管會(huì)點(diǎn)亮。同時(shí)會(huì)有語(yǔ)音提示: 歡迎進(jìn)入自檢模式 ,此時(shí)因?yàn)檫€沒(méi)有連線,所以會(huì)聽(tīng)到: I/O 測(cè)試失敗 的警告,所以 就要進(jìn)行第二步的操作; 第二步、用連線分別將 I/OA 口的低 8 位和 IOB 口的低 8 位相連, IOA 口的高 8自主移動(dòng)機(jī)器人小 車設(shè)計(jì) 20 位和 IOB 口的高 8位相連,然后按下 REST 復(fù)位鍵 現(xiàn)象:當(dāng)按下復(fù)位鍵后,程序從第一調(diào)開(kāi)始運(yùn)行開(kāi)始執(zhí)行,語(yǔ)音提示 歡迎進(jìn)入自檢模式 ,當(dāng)聽(tīng)到語(yǔ)音: I/O 測(cè)試成功 后,進(jìn)行第三步操作; 第三步、按 K1 鍵進(jìn)行睡眠功能測(cè)試 現(xiàn)象:如果測(cè)試成功,會(huì)看到綠色的發(fā)光二極管亮滅一下,并有語(yǔ)音提示 睡眠測(cè)試成功 ,否則提示 睡眠測(cè)試失敗 ,然后進(jìn)行第四步操作; 第四步、按下 K2鍵進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換 的測(cè)試 現(xiàn)象:語(yǔ)音提示: A/D 測(cè)試成功 ,否則提示 A//D 測(cè)試失敗 ,進(jìn)入最后一步操作; 第五步、拔掉第一步測(cè)試時(shí)的連接線,并按下 K3鍵測(cè)試 MIC 輸入及 D/A 轉(zhuǎn)換輸出是否正常 現(xiàn)象:可以在 MIC上輕輕的拍幾下,同時(shí)聽(tīng)是否有聲音輸出,如果有,則說(shuō)明MIC輸入和 D/A 轉(zhuǎn)換輸出部分正常。 以上操作,只有當(dāng) I/O測(cè)試成功時(shí),按鍵才會(huì)有效 經(jīng)過(guò)上述檢驗(yàn),各個(gè)部分工作都是正常的。 (2)超聲波測(cè)距模塊 調(diào)試 對(duì)于超聲波測(cè)距模塊的調(diào)試是結(jié)合軟件共同實(shí)現(xiàn),將編寫(xiě)好的超聲波測(cè)距程序下載到 61板中, 同時(shí)在線用 μ’nSP?集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的觀測(cè)。 期望實(shí)現(xiàn)的功能是, Back_data 顯示測(cè)得的距離,如果測(cè) 量出錯(cuò)則 Back_data 為 0,則喇叭發(fā)出“咚”的聲音, 測(cè)量正確,則 Back_data 顯示測(cè)的距離,同時(shí)喇叭語(yǔ)音播報(bào)距離 ,播報(bào)的格式為“ ..點(diǎn) ..米”。如表 52 是超聲波調(diào)試記錄。 表 52 超聲波調(diào)試記錄 測(cè)試次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 放置距離 20cm 25cm 40cm 45cm 55cm 65cm 70cm 80cm 90cm 100cm Back_dat值 0 35 65535 48 351 0 65535 655 92 0 由上表可以看出,超聲波測(cè)距模塊工作不正常, 10 次測(cè)量中僅有兩次正確,出現(xiàn)了問(wèn)題,我首先檢查測(cè)距程序,經(jīng)過(guò)反復(fù)的修改,程序確定無(wú)誤。那就是硬件的問(wèn)題了,由于超聲波測(cè)距模塊是買的成品,我研究
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