基于avr單片機的迷宮機器人設計畢業論文-文庫吧

【正文】 器人走迷宮的硬件需要，電機驅動電路用 L298n 驅動模塊，驅動電機能正常前進 ，同時在對一些經典的智能搜索算法深度優先搜索算法和廣度優先搜索算法的基礎上進行總結，我設計出一種坐標法。 迷宮場地要求 如下圖 21 所 示，迷宮場地由 88 個 18cm18cm 大小相同的正方形單元所組成。 圖 21 迷宮場地圖 終點 起點 3 迷宮的隔墻高 5cm，厚 ，迷宮的地面為木質，使用油漆漆成黑色 迷宮隔墻的側面為白色，頂部為紅色。因此兩個隔墻所構成通道的 。 實際距離為 16cm。外墻將整個迷宮封閉。隔墻側面和頂部的涂料能夠反射紅外線，地板的涂料 則能夠吸收紅外線。迷宮的起始單元可選設在迷宮四個角落之中的任何一個。迷宮制作的尺寸精度誤差應不大于 6%，或小于 3cm。起始單元必須三面有隔墻，只留一個出口。除了終點區域的格點外，每個格點至少要 與一面隔墻相接觸 。 迷宮地板的接縫不能大于 ，接合點的坡度變化不超過 5 度。隔墻之間的空隙不大于 。在每個單元的四角可以插上一個小立柱，其截面為正方形。立柱長 ，寬 ，高6cm。小立柱所處的位置稱為 “格點 ”。使用紅外傳感器計算穿越迷宮時間，起點處放置起點紅外傳感器，用于觸發啟動計時；終點處放 置終點紅外傳感器，用于結束計時。 傳感器沿水平方向 。 發射紅外線，高出地面約 1cm。 迷宮機器人要求 機器人必須自成獨立系統，只能使用 電 作為機器人的動力，并不能用帶線的電源供電，不能使用遙控，機器人的長和寬限定在 15cm15cm。每次運行中機器人幾何尺寸的變化不能超過 17cm17cm。對機器人的高度不能高出迷宮墻壁的 1/3。機器人不能跳越、攀爬、鉆挖和損毀迷宮隔墻。并且機器人在迷宮的行駛過程中任何東西都不允許留下。 4 第二 章 迷宮機器 硬件設計 機器人的主部件對于機器人來說是至關重要的，這種時間比賽， 絕大部分是硬件結構的較量，強硬精妙合理的硬件結構再加上好的控制策略必定能常立于不敗之地。機器人的主部件主要包括：電機、輪子、傳感器、控制器以及其他的一些輔助作材料等。 小車 結構設計 迷宮機器人要求小巧靈活，能在最短時間達到目的地，因此小車地盤的選擇尤為重要，本次設計我選擇 的 底盤 的材料是有機玻璃板 ，自己用鋼鋸加工而成，輕便靈活而不失韌度， 旋轉快捷， 底盤為類圓形， 使得小車在迷宮中能很好的旋轉而不碰壁， 贏得較短時間；底盤直徑加大 至 150MM，可以安裝更多的傳感器，為小車提供了更多的升級空間。 底盤留有直徑 的推球槽，載重更強。車輪由 2 片車輪片拼裝而成，并帶有一個不銹鋼萬向輪。增加了車體的承重機械強度。 輪胎材質選用抗老化的防滑硅膠， 不管是爬坡的路面還是適應光滑路面都適合 。電源方案選用 2 節 AA 電池盒，適合 51 系列、 AVR 系列、 PIC 系列等多種單片機或數字電路供電，本車還設計有鋰電池盒預留位，車體上安裝 2 支銅柱 。 用于固定小車主控板；并且還能提升小車空間，可以加大傳感器和控制器的安裝位置，為了方便升級小車，底盤預留了許多安裝孔，適合安裝配套的主控板和傳感器模塊等一系列配件，也可以安裝小車所需的其它電路板。 綜合所述，我們選用小車地盤的基本參數如下： 底盤直 徑： 150MM 車輪直徑： 50MM 安裝孔： 3MM 推球槽： 80MM 萬向輪： 5MM 5 圖 21 小車 底 部結構 電機 迷宮機器人大賽是一場速度的較量，時間性比賽，這就要求該機器人具有很強的推動力、靈活性好且能夠承受頻繁地加速、減速、改變轉向和制動，因此我在選擇電機時就要注意選擇的電機必須滿足以下性能：控制簡單、穩定性高、加減速性能好。 目前市場應用的電機種類繁多，根據電能種類分為交流電機和直流電機，由于交流電機需要交流電源控制 ，眾所周知，交流電不易存貯，而機器人要求能夠自主快速移動，所以機器人不方便到場地外引用交流電源，最重要的一點就是，交流電 6 機的控制非常復雜，所以選用直流電機。 直流電機又分為直流無刷電機和直流有刷電機，直流無刷電機噪音低，電磁干擾低，轉速高，可靠性受電子元器件影響，通常還要配驅動器，價格比較貴。直流有刷電機，相對噪音高，電磁干擾強（電刷、渦流等），轉速低，可靠性高，通常給電就可以轉，價格相對便宜一些，所以本機器人選用直流有刷 電機 [2]。 綜合所述，我們選用 DC3V6V 長尾軸直流減速電機 ，該電機的基本參數如下 ： 電壓： 3V～ 6V 電流： 80100mA 轉速： 5000 轉 /分鐘 減速比： 256 輸出負載轉速： 1422 轉 /分 輸出扭矩： 圖 22 小車電機 主控芯片選擇 鑒于本次設計需要，我選用 AVRmegal6L 單片機，高可靠性、功能強、高速度、低功耗和低價位 ,采用精簡指令集，以字作為指令長度單位，將內容豐富的操作數與操作碼安排在一字之中，取指周期短，又可預取指令，實現流水作業，故可高速執行指令 [3]。該單片機硬件結構采取 8 位機與 16 位機的折中策略，即采用局部寄存器存堆和單 體高速輸入 、 輸出的方案 (即輸入捕獲寄存器、輸出比較匹配寄存器及相應控制邏輯 )。 AVR 單片機內嵌高質量的 Flash 程序存儲器，擦寫方便，支持 ISP 和 7 IAP，便于產品的調試、開發、生產、更新。 AVR 單片機的 I/O 線全部帶可設置的上拉電阻、可單獨設定為輸入 、 輸出、可設定（初始）高阻輸入、驅動能力強（可省去功率驅動器件）等特性，使的得 I/O 口資源靈活、功能強大、可充分利用。 AVR單片機有自動上電復位電路、獨立的看門狗電路、低電壓檢測電路 BOD，多個復位源 (自動上下電復位、外部復位、看門狗復位、 BOD 復位 )，可設置的 啟動后延時運行程序，增強了嵌入式系統的可靠性。 AVR 單片機具有多種省電休眠模式，且可寬電壓運行（ ），抗干擾能力強，可降低一般 8 位機中的軟件抗干擾 。 設計工作量和硬件的使用量。結合以上所說的優點， 因此我選擇此單片機 [4]。 根據外圍硬件的特點，我 軟件用的是 Altium Designer 版 本 PCB 繪圖軟件設計出單片機的最小系統電路板，并 。印制出單片機最小系統 PCB 板，并焊上所需原件，并通過實驗，證明此電路板有效和運行穩定。得到如下圖的電路板。 圖 23 本機器人所選用的單片機 電機驅動器 本設計采用 L298N。直流電機驅動，它是 S。T 公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片采用 1把。 5腳封裝。主要特點是 L298N 雙 H 橋直流 /步進電機驅動芯片 工作電壓高， 電機驅動電源電壓 DC 5。40V， 在本次設計中用兩節鋰電池供電，供電電壓為 9V 左右 。 輸出電流大，瞬間峰值電流可達 3A，最大輸出功率 2。5W。可單獨控制 2。臺直流電機或 1臺兩相 。4線 (或 6。線 )步進電機。 在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分 。在低電壓下 。工作；可以外接檢測 電阻，將變化量反饋給控制電路。 可以采用 把并聯接法控制一臺高達 3【【 A 的直流電機。可實現電機正反轉。直流電機轉速可通過 P。W【【 M 方式實現調速。 8 綜合所述，我選用 L298N 芯片驅動 ，該驅動的基本參數如下： 尺寸： 80mm*45mm 主要芯片： L298N、光電耦合器 工作電壓：控制信號直流 5V； 最大工作電流： 3A 額定功率： 25W 圖 24 選用直流電機驅動 檢測迷宮墻壁的傳感器 由于迷宮場地是黑色地面，白色的墻，所選用的傳感器為光電開關（光電傳感器）。它是光電接近開關的簡稱，它是利用被檢 測物對光束的遮擋或反射，由同步 回路選通電路，從而檢測物體有無的 物體不限于金屬，所有能反射光 的物體均 （即除開黑色的物體） 可被檢測。光電開關將輸入 光信號轉換為電信號輸出 。 它的用途非常廣泛，在安防系統中常用 光電開關煙霧報警器 的檢測傳感器 ， 自動門用來檢測是否有人進入， 工業中經常用它來記數 。 產品的生產個數 。本次設計用來檢查前方或兩側是否有墻，從而辨別機器 。 人所在迷宮的位置 ， 從而精確定位 [5]。 綜合所述，我選光電傳感器，該傳感器的基本參數如下： 9 型號： E3FDS30C4 品名：光電開關漫反射型 外形：直徑 18 毫米圓 柱體 檢測距離： 30 CM 距離可調 檢測物體：不透明體 工作電壓：直流 DC636V 以內 輸出方式： NPN 三線常開 輸出電流： 300 毫安 外殼材料：塑料 ABS 圖 25 光電傳感器 10 第三 章 電路設計 設計軟件的介紹 電路設計軟件用的是 Altium Designer 它 是 Protel 的升級版本， Altium Designer Summer 6. 9 功能更加強大，這必將 把 幫助用戶更輕松地創建電子設計，更符合電子 設計師 的要求， Altium 的一體化設計結構將硬件、 軟件 和可編程 。 硬件集合在一個單一的環境中，這將令用戶自由地探索新的設計構想，在整個設計構成中，每個人都使用同一個設計界面， Summer 版本解決了大量歷史遺留的工具問題，其中就包括了增加更多的機械層設置、增強的原理圖網絡類定義， 新版本中更關注于改進測試點的分配和管理、精簡 嵌入式軟件開發 、軟設計中智能化調試和流暢的License 理等功能 [6]。 Altium Designer Summer 所具有的新功能和新特性： （ 1） 增強了圖形化 DRC 違規顯示 Summer 版本改進了在線實時及批量 DRC 檢測中顯示的傳統違規的圖形化信息，其含蓋了主要的設計規則，利用與一個可定義的指示違規信息的掩蓋 圖形的合成，用戶現在已經可以更靈活的解決出現在設計中的 DRC 錯誤 [7]。 （ 2） 用戶自定制 PCB 布線網絡顏色 Summer 版本允許用戶在 PCB 文件中自定義布線網絡顯示的顏色。現在，用戶完全可以使用一種指定的顏色替代常用當前板層顏色作為布線網絡顯示的顏色，并將該特性延伸到圖形迭層模式，進一步增強了 PCB 的可視化特性。 （ 3） PCB 板機械層設定增加到 32 層 Altium Designer 版本為板級設計新增了 16 個機械層定義，使總的機械層定義達到 32 層， 3D 單層顯示模式，改進了測試點管理 系統。 （ 4） 改進了 Direct X 圖形重建速度 在 Altium Designer Summer 的 PCB 應用中增強了 Direct X 圖形引擎的功能，直接關系到圖形重建的速度，由于圖形重構是不常用到的，如果不是非常必要，將不再執行重構的操作，同時也優化了 Direct X 數據填充特性，經過測試， Summer 將在原版本的基礎上提升 20%的圖形 處理性能 [8]。 11 圖 31 Altium Designer 全新界面 控制器最小系統電路 控 該系統模塊的控制核心是 AVR 高速 單片機 ATmega16。 其 CPU 工作頻率最高可達 16MHz，內部集成了 8 通道的高達 10 位精度的 A/D 采集模塊和 8 通道的 8 位或者 4 通道 16 位的脈沖寬度調制 PWM， 具有速度快、價格低、可靠性高，穩定性強， I/O 口線驅動能力強和片內集成外設資源豐富等特點， 其硬件最小系統是指可以使內部程序運行的所必須的外圍電路，也可以包括寫入器接口電路，一般情況下，硬件最小系統有電源、晶振電路組成，芯片要工作必須有電源與工作時鐘，至 于復位電路則提供了不掉電情況下 MCU 重新啟動的手段， 由于 AVR 單片機 具有高速性，可利用 I/O 端口線以 軟件 方式模擬 PDIUSBD12 的時序，對其讀寫 ， 大部分芯片提供了在板或在系統（ On System） 。 寫入程序功能， 這種方式可根據不同的 微處理器 。速度靈活控制 PDIUSBD12 的時序和地址，無需譯碼電路， 即把空白芯片焊接到電路板上后，再通過寫入器把程序下載到芯片中，這樣，硬件最小系統應該把寫入器接口電路也包含在其中，基于這個思路，該硬件最小系統包括電源及其濾波電路、復位電路、晶振電路和寫入器接口 電路 [9]。其最小系統原理圖如下 。 12 圖 32 控制器最小系統電 圖 33 控制器最小系統 PCB板走線圖 13 電機驅動電路 驅動模塊內含兩個 H 橋的高電壓大電流全橋式驅動器，其設計是為接受標準 。TTL 邏輯電平信 號，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈和驅動電感負載 ， 采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用 L298N 芯片驅動電機，該芯片可以驅動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅動兩臺直流電機。驅動的控制電壓來自于控制器，最高為 5V，而驅動電壓為兩節電池直接供電。當ENA 使能 IN1 IN2 控制 OUT1 OUT2，當 ENB 使能 IN3 IN4 控制 OUT3 OUT4。 圖 34 驅動控制 圖 35