【正文】 是對路面要求較高，適于平整硬質(zhì)路面。 機器人電路硬件選擇 根據(jù)規(guī)則所描述，要求機器人尺寸較為小巧，直徑為 22cm，并且不允許人工干設(shè)其操作，需要自動控制。 單片機價格低廉，體積小巧，一般為 20 引腳或 40 引腳封裝，其中包括了中央處理器，數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器輸入輸出設(shè)備。 電機選擇方面，考慮到機器人本身自重不大，必且場地尺寸有限，可選用小型直流伺服電機，可用電樞 電壓作為速度控制信號，但必須加裝減速箱以適應(yīng)低轉(zhuǎn)速和大扭矩的應(yīng)用環(huán)境。 發(fā)出紅外光的足球意味著機器人必須有紅外傳感器來對其進行檢測。常用的紅外線接收元件為光電二極管和光電三極管。 比賽的場地圖紙為縱向的黑白灰度漸變，這意味著機器人對進攻方向作出正確判斷必須要能讀出場地的灰度變化信息。該元件由紅外發(fā)光管和接受管組成。紅外接收管可用上述光電二極管或三極管。本文所選用的51 系列單片機， 為了提高數(shù)據(jù)處理速度和控制精度，本次設(shè)計采用并口技術(shù)。 圖 11足 球車機器人的算法 Figure 11 soccer robot vehicles algorithm 然而在這一過程中 最關(guān)鍵 的一步是把球攻進正確的球門 ， 其難點在于找球的傳感器與地面方向的傳感器是相互獨立的兩套系統(tǒng)，怎樣才能讓機器人判斷當前狀態(tài)是找球過程還是在帶球進攻過程。 怎樣解決找球程序和進攻方向判斷程序的銜接，避免烏龍球 和無效的進攻，這是算法設(shè)計要解決的重要問題。 由于機器人套件的外形限制，在外形上做一些改動以適應(yīng)算法需要的想法無法實現(xiàn)。 參考圖如圖12所示。利用該信號作為是否持球的判斷標志，單片機不斷查詢該標志位。 簡要流程如圖 13所示： 圖 13 簡要流程圖 Figure 13 brief flow chart 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 1 足球機器人的總體設(shè)計 5 用繪圖軟件做小車模型如圖 14所示： 圖 14 小車內(nèi)部結(jié)構(gòu) Figure 14 car internal structure 各零部件的介紹如圖 15(a)、 (b)、 (c)所示： 圖 a 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 1 足球機器人的總體設(shè)計 6 圖 b 圖 c 圖 15 各零部件圖 Figure 15 various spare parts chart 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 2 動力驅(qū)動及硬件電路設(shè)計 7 2 動力驅(qū)動及硬件電路設(shè)計 動力驅(qū)動部件與運動方式設(shè)計 在各種機電一體化設(shè)備中動力驅(qū)動部件與運動方式，是系統(tǒng)中最終的執(zhí)行機構(gòu)，是最終的實現(xiàn)者對系統(tǒng)各方面的性能有幾大的影響。足球機器人也不例外，因此為機器人找一個好驅(qū)動方式，是必需的。 三輪配置 機器人車體配置結(jié)構(gòu)雖然簡單，但穩(wěn)定性差， 遇到?jīng)_撞容易傾倒，與 三 輪 配置 相比， 四 輪 配置的 穩(wěn)定性更 好，四輪 輪典型配置有如 下 兩種 。其靈活性穩(wěn)定性都比較好。 圖 22 四 輪 典型配置二 Figure 22 The four typical configuration 圖 22 的 配置方式是常見的所謂汽車配置方式，車的穩(wěn)定性較高。 綜合各種因素考慮，本設(shè)計采用圖 21 所示的四輪配置方案 硬件電路設(shè)計 本章按照機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊，把本機器人分解為主控部分，傳感器部分， AD轉(zhuǎn)換部分，電源供電部分以及電機驅(qū)動部分。 機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 按照現(xiàn)代機器人理論，機器人分為機械手，環(huán)境，任務(wù)和控制器 4 個相互作用的部分。 8051 單片機包含中央處理器、程序存儲器 (ROM)、數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)、定時 /計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別 加以說明： 中央處理器 中央處理器 (CPU)是整個單片機的核心部件，是 8 位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理 8位二進制數(shù)據(jù)或代碼， CPU 負責控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作 。 程序存儲器 (ROM) 8051 共有 4096 個 8位掩膜 ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。 中斷系統(tǒng) 8051 具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時 /計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有 2 級的優(yōu)先級別選擇。 單片機的結(jié)構(gòu)有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈佛結(jié)構(gòu) 原理 ，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結(jié)構(gòu)，即 馮諾依曼 結(jié)構(gòu) 原理。 圖 2— 5 單片機封裝圖形 Figure 25 SCM Packaging Graphics MCS51 系列單片機中的 803 8051 及 8751 均采用 40Pin 封裝的雙列直接 DIP結(jié)構(gòu)，右圖是它們的引腳配置， 40 個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根， 4組 8位共 32 個 I/O 口，中斷口線與 P3 口線復(fù)用。片內(nèi)是一個振蕩電路反相放大器的輸出端。片內(nèi)是一個振蕩電路反相放大器的輸入端。高電平有效，寬度在 24 個時鐘周期寬度以上，使單片機復(fù)位。 ALE/（ /PROG）（ 30腳）：地址鎖存信號端。平時不訪問片外存貯器時，該端以六分之 一的時鐘振蕩頻率固定輸出脈沖。該引腳有復(fù)用功能， 為片內(nèi)程序存貯器編程（固化）的編程脈沖輸入。負載能力為 8LSTTL 門。 /EA 端接低電平時， CPU 僅從片外程序存貯器取指令。 (4)輸入 /輸出引腳 P0、 P P2 和 P3 口 ～ （ 39～ 32 腳）：訪問片外存貯器時作為低八位地址線和八位數(shù)據(jù)線（復(fù)用）。 ～ （ 1～ 8腳）： 8位準雙向 I/O 口。 ～ （ 21～ 28腳）：訪問片外存貯器時作為高八位地址線。負載能力為 3 個 LSTTL 門。 P3 口的第二功能是 （ 10腳）： RXD（串行口輸入端） （ 11腳）： TXD（串行口輸出端） （ 12腳）： /INT0（外部中斷 0輸入端） （ 13腳）： /INT1（外部中斷 1輸入端） （ 14腳）： T0（定時器 /計數(shù)器 0外部輸入端） （ 15腳）： T1（定時器 /計數(shù)器 1外部輸入端） （ 16腳）： /WR（片外數(shù)據(jù)存貯器寫選通信號輸出端） （ 17腳）： /RD（片外數(shù)據(jù)存貯器讀選通信號輸出端） 8051 的最小系統(tǒng)連接 線路連接圖 如圖 26所示： 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 2 動力驅(qū)動及硬件電路設(shè)計 12 圖 26 單片機最小系統(tǒng) Figure 26 SCM minimum system (1)找球傳感器 根據(jù)比賽用球為紅外發(fā)射裝置，故采用的傳 感器為紅外接收的傳感器，根據(jù)車體前方的兩個紅外傳感器接收紅外光輸出電壓不同比較來判斷球的方位指導(dǎo)車體前進方向。 (2)控球判傳感器 控球判斷傳感器也是一只紅外三極管，安裝在控球探測臂上，感光方向為正下方 見前面的模型中 其原理同上，因只需判斷持球與否連個狀態(tài)，所以不需要 AD轉(zhuǎn)換比較，輸出量為數(shù)字量直接輸入到單片機 口進行判讀?；叶葌鞲衅饔煞瓷涫郊t外光電判 讀器組成，即一個紅外發(fā)光管和紅外三極 管并排綁定構(gòu)成，其電路圖 如圖27所示： 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 2 動力驅(qū)動及硬件電路設(shè)計 14 圖 27 判斷進攻電路原理圖 Figure 27 schematic circuit judge attack 當?shù)孛婊叶茸兓瘯r，對紅外光的反射量隨之變化，白色對紅外光反射力強，輸出電壓高；黑色對紅外光吸收力強，輸出低電壓。 (4)碰撞傳感器 當機器人與墻體發(fā)生碰撞時，裝于持球檢測臂上部的微動開關(guān)會被按下，導(dǎo)致一個中斷脈沖，使機器人進入中斷處理程序 —— 倒退，轉(zhuǎn)向，避開障礙。 電路和前的最小系統(tǒng)電路連在一起。 (5)A/D 轉(zhuǎn)換部分硬件電路 [7] A/D 數(shù)模變換是把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機可以識別的數(shù)字信號。 A/D轉(zhuǎn)換器的類型最為常見的有二種：逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器和積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器。 雙 積分分式 A/D 轉(zhuǎn)換器具有精度、抗擾性好、價格便宜等優(yōu)點，但是轉(zhuǎn)換速度慢。封裝電路圖形如圖 28： 圖 28 AD0809封裝模型 Figure 28 AD0809 Packaging Model 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 2 動力驅(qū)動及硬件電路設(shè)計 15 AD0809 內(nèi)部主要是由 8路模擬選擇開關(guān)、 8位 A/D 轉(zhuǎn)換器三態(tài)輸出鎖存緩沖器構(gòu)成。 DB0~DB7： 8 位數(shù)字量輸出端。上升沿復(fù)位 0809，下降沿啟動 A/D 轉(zhuǎn)換器。在信號前沿處把 ADDA、 ADDB、 ADDC 三條選擇狀態(tài)鎖存在寄存器中，當該線為高電平時，地址才解鎖，便可選擇通道。 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束標志輸出端。 OE： 輸出允許控制信號。 CLK：時鐘信號輸入端。 V（ +）：正參考電壓輸入端，通常 VREF(+) 接班人 +5V 電源。 ADDA、 ADDB、 ADDC： 8 路模擬形狀的三位地址選通輸入線。 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 2 動力驅(qū)動及硬件電路設(shè)計 16 圖 29 A/D轉(zhuǎn)換電路圖 Figure 29 A / D converter circuit 電源供應(yīng)部分 (1)穩(wěn)壓塊選用 本系統(tǒng)所有芯片都需要 +5V 的工作電壓，而干電池足能提供的電壓為 的倍數(shù)的電壓，并且隨著使 用時間的延長，其電壓會逐漸下降，想要得到穩(wěn)定的 +5V工作電壓，則需要 L7805 穩(wěn)壓芯片。 單電池組：用一組電池同時給控制電路和驅(qū)動電機供電。 雙電池組：用兩組電池分別給控制電路和驅(qū)動電機供電 ， 可減少電機開關(guān)時的能量波動。 (3)電機的驅(qū)動與控制 本次設(shè)計采用了 H橋式電機驅(qū)動電路 直流 H 橋功放電路是用于控制直流電機雙向運動的基本電路，該電路使電機在單電源供電下可以雙向運轉(zhuǎn) 。為使電機順時針轉(zhuǎn)，應(yīng)接通三極管 A 和 D,對電機而言，其電壓右負左正 ；逆時針轉(zhuǎn)時， 應(yīng)接通三極管 B 和 C,對電機而言，其電壓 左 負 右 正 。 焦作大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 2 動力驅(qū)動及硬件電路設(shè)計 17 圖 211 三極管構(gòu)成的 H橋集成功放電路 Figure 211 triode constitute the Hbridge integrated amplifier circuit L298 雙通道直流電機驅(qū)動芯片 L298N 是 Description ST 公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動電路。其引腳排列如圖 1中 U4 所示， 1 腳和 15 腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳號。 12 腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)， ENA， ENB接控制使能端， 同時也是 PWM脈沖是輸入腳， 控制電機的停轉(zhuǎn)。它可被用來驅(qū)動兩個直流電機或者是雙極性步進電機。 L298 還有過熱自動關(guān)斷功能，并有反饋電流檢測功能。 模擬信號的值可以連續(xù)變化，其時間和幅度的分辨率都沒有限制。與此類似，從電池吸收的電流也不限定在一組可能的取值范圍之內(nèi)。 模擬電壓和電流可直接用來進行控制，如對汽車收音機的音量進行控制。擰動旋鈕時，電阻值變大或變