基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 中受控電機(jī)的容量和直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向，本設(shè)計采用PWM波進(jìn)行調(diào)速。PWM的產(chǎn)生可通過單片機(jī)中的定時器來實現(xiàn)，但是驅(qū)動能力有限，因此PWM的輸出需通過驅(qū)動電路才能驅(qū)動電機(jī)正常運轉(zhuǎn)。綜上，考慮到本設(shè)計重在尋跡，且PWM波可由軟件直接實現(xiàn)，簡單方便，因此本設(shè)計選擇方案三。 電機(jī)驅(qū)動模塊方案一：在直流電機(jī)中，可用功率管構(gòu)成驅(qū)動電路來驅(qū)動電機(jī)，如GTR集電極輸出型和射極輸出性驅(qū)動電路。其性能可靠，具有自動保護(hù)功能，但是它們都屬于不可逆變速控制， 其電流不能反向， 無制動能力， 也不能反向驅(qū)動， 電機(jī)只能單方向旋轉(zhuǎn)， 因此這種驅(qū)動電路受到了很大的限制。方案二：采用集成芯片L298N驅(qū)動直流電機(jī)。L298N是一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；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。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)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(qū)動電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動兩臺直流電機(jī)。綜上分析，本設(shè)計選擇方案二。 電源模塊方案一：利用電池組構(gòu)成5V電源，直接給系統(tǒng)各部件供電，此電路結(jié)構(gòu)簡單成本低，但穩(wěn)定性不好，電機(jī)工作時易產(chǎn)生較大干擾電流竄入控制系統(tǒng)影響系統(tǒng)正常運行。方案二：用電池串聯(lián)68V電壓，接后續(xù)穩(wěn)壓電路，單片機(jī)與大電流器件分重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計10AT89C51LN289N 直流電機(jī)晶振 復(fù)位ST188 放大電路電源開供電，避免大電流器件對單片機(jī)造成干擾。在不超過單片機(jī)工作電壓范圍的情況下，又能驅(qū)動直流電機(jī)。且這個電源結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，容易得到。綜上所述，本設(shè)計選擇方案二。 顯示模塊本系統(tǒng)采用兩個顏色不同的的LED燈來顯示系統(tǒng)的運行狀況。當(dāng)系統(tǒng)正常運行時，，綠色LED燈亮，紅燈熄滅，電機(jī)正常運行。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，，綠燈熄滅，紅燈亮，電機(jī)停轉(zhuǎn)，系統(tǒng)須復(fù)位后才能正常運行。 系統(tǒng)工作原理本次設(shè)計利用ST188紅外傳感器作為路經(jīng)檢測元件，由于傳感器輸出信號微弱且?guī)в性胍舾蓴_，因此傳感器輸出接放大電路（施密特觸發(fā)器）進(jìn)行濾波整形，將傳感器信號轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的高低電平以供單片機(jī)查詢。系統(tǒng)上電后，單片機(jī)開始不停地掃描與檢測電路連接的I/O 口狀態(tài)。一旦檢測到某個I/O 口有信號變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，并通過電機(jī)驅(qū)動LN298N驅(qū)動左、右電機(jī)。在驅(qū)動過程中，單片機(jī)采用T0定時計數(shù)器，通過來產(chǎn)生PWM波，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)左右電機(jī)轉(zhuǎn)速相同時則小車直走，若不同則實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。小車轉(zhuǎn)向主要通過兩不同占空比的PWM波通過驅(qū)動電路來控制左右輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速，由于占空比不同因此兩輪轉(zhuǎn)速不同，左輪快則向右轉(zhuǎn)反之則左轉(zhuǎn)從而糾正小車的狀態(tài)，使之回到預(yù)設(shè)軌道上。 系統(tǒng)原理圖重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計11根據(jù)各模塊方案選擇結(jié)果，本次設(shè)計所涉及到的硬件部分主要包括：1) 電源模塊，電源采用干電池接后續(xù)穩(wěn)壓電路為各模塊獨立供電。2) 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊，使單片機(jī)能正常工作。3) 前向通道模塊，包括傳感器電路和放大電路。4) 后向通道模塊，利用單片機(jī)通過驅(qū)動芯片L298N驅(qū)動直流電機(jī)。 電源模塊設(shè)計 智能車電源設(shè)計要點由于電機(jī)在正常工作時對電源的干擾很大， 只用一組電源時會影響單片機(jī)的正常工作， 所以選用雙電源供電。一組5V 電源給單片機(jī)和控制電路供電， 另外一組5V、9V 電源給L298N 的+VSS、+VS供電。電源是整個系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提，因此必須有一個合理的電源設(shè)計，且應(yīng)該主要注意穩(wěn)壓壓差和最大輸出電流兩個指標(biāo)能否滿足設(shè)計要求。對于小車來說電源設(shè)計應(yīng)注意兩點：1. 與一般的穩(wěn)壓電源不同，小車的電池電壓一般在68V ，還要考慮在電池?fù)p耗的情況下電壓的降低，因此常用的78系列穩(wěn)壓芯片不再能夠滿足要求，因此必須采用低壓差的穩(wěn)壓芯片， 為核心器件。2. 單片機(jī)必須與大電流器件分開供電，避免大電流器件對單片機(jī)造成干擾，影響單片機(jī)的穩(wěn)定運行。 低壓差穩(wěn)壓芯片 LM2940 簡介LM2940 系列是輸出電壓固定的低壓差三端端穩(wěn)壓器；輸出電壓有5V、8V、10V 多種；最大輸出電流1A；輸出電流1A 時，最小輸入輸出電壓差小；最大輸入電壓26V；工作溫度40～+125℃；內(nèi)含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過熱保護(hù)、電池反接和反插入保護(hù)電路。同時LM2940 價格適中而且較容易購買，非常適合在本設(shè)計中使用。 所示。重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計12 LM2940 封裝和實物圖 與78 系列完全相同，實際應(yīng)用中電路也大同小異。 為參考電路圖。圖 LM2940 參考電路圖 所示，采用兩路供電，這樣可以使用其中一路單獨為單片機(jī)，指示燈等供電。另外一路提供L298N、光電管工作電壓。 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計AT89C51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。用89C51單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng) [4]時，只要將單片機(jī)接上時鐘電路和復(fù)位電路即可 [2]。由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應(yīng)用特點：有可供用戶使用的大量I/O口線，內(nèi)部存儲器容量有限，應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。1) 時鐘電路AT89C51雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。AT89C51單片機(jī)的時鐘產(chǎn)生方法有兩種。內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計13本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTALXTAL2引腳上外接定時元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。本設(shè)計采用最常用的內(nèi)部時鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。12MHZ之間選擇。電容值無嚴(yán)格要求，CXCX2可在20pF到100pF之間取值。所以本設(shè)計中，電容選擇30pF。在設(shè)計印刷電路板時，晶體和電容應(yīng)盡可能靠近單片機(jī)芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用NPO電容。2) 復(fù)位電路AT89C51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。復(fù)位引腳RST通過在每個機(jī)器周期的對復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。最簡單的上電自動復(fù)位電路中上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。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。時鐘頻率，R取10KΩ。 51 單片機(jī)最小系統(tǒng)除了上電復(fù)位外，有時還需要按鍵手動復(fù)位。本設(shè)計就是用的按鍵手動復(fù)位。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過RST端經(jīng)電阻與電源Vcc接通而實現(xiàn)的。時鐘頻率選用6MHZ時，C取22uF，Rs取200Ω，RK取1KΩ。XTAL1XTAL2RESR110kX1CRYSTALC130pC230pC310uF重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計14 80C51復(fù)位電路3) 程序存儲器MCS51具有64kB程序存儲器尋址空間，可以分為片內(nèi)ROM空間和片外ROM空間，主要用于存放程序（可執(zhí)行的二進(jìn)制代碼映像文件，包括程序中的數(shù)據(jù)信息）以及初始化代碼等軟件。在MCS51系列中，8051/89C51片內(nèi)分別駐留最低地址空間的4KB的ROM/EPROM，而8031則無內(nèi)部程序存儲器，需要外部擴(kuò)展EPROM [6]。80C52內(nèi)部駐留最低地址空間的8KB ROM，8032無內(nèi)部程序存儲器，也需要外部擴(kuò)展EPROM[5]。MCS51系列的程序計數(shù)器PC是16位的寄存器，它具有64KB的尋址能力。在使用邏輯地址尋址程序存儲器時，不分內(nèi)部和外部，CPU會自動按指定地址去片內(nèi)或片外讀取程序的指令代碼。但是MCS51不會把程序的執(zhí)行從程序存儲器地址空間轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)存儲器地址空間，它不提供這種轉(zhuǎn)移指令 [5]。 前向通道設(shè)計單片機(jī)用于測控系統(tǒng)時，總要有與被測對象相聯(lián)系的前向通道 [5]。因此，前向通道設(shè)計與被測對象的狀態(tài)、特征、所處環(huán)境密切相關(guān)。在前向通道設(shè)計時要考慮到傳感器或敏感元件選擇、通道結(jié)構(gòu)、信號調(diào)節(jié)、電源配置、抗干擾設(shè)計等。在通道電路設(shè)計中還涉及到模擬電路諸多問題。1) 前向通道的含義當(dāng)將單片機(jī)用作測控系統(tǒng)時，系統(tǒng)中總要有被測信號輸入通道，有計算機(jī)拾取必要的輸入信息。作為測試系統(tǒng)，對被測對象拾取必要的原始參量信號是系統(tǒng)的核心任務(wù)，對控制系統(tǒng)來說，對被控對象狀態(tài)的測試以及對控制條件的監(jiān)測也是不可缺少的環(huán)節(jié)。對被測對象狀態(tài)的測試一般都離不開傳感器或敏感元件，這是因為被測對象RSTRKC230pCRS重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計15的狀態(tài)參數(shù)常常是一些非電物理量，如溫度、壓力、載荷、位移等，而計算機(jī)是一個數(shù)字電路系統(tǒng)。因此，在前向通道中，傳感器、敏感元件及其相關(guān)電路占有重要地位。對被測對象的信號的拾取其主要任務(wù)就是最忠實地反映被測對象的真實狀態(tài)，它包括實時性與測量精度。同時使這些測量信號能滿足計算機(jī)輸入接口的電平要求。因此，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的前向通道體現(xiàn)了被測對象與系統(tǒng)相互聯(lián)系的信號輸入通道，原始參數(shù)輸入通道。由于在該通道中主要是傳感器與傳感器有關(guān)的信號調(diào)節(jié)、變換電路，故也可稱為傳感器接口通道 [7]。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，對信號輸入、傳感、變換應(yīng)作廣義理解，例如開關(guān)量的檢測及信號輸入，在單片機(jī)的各種應(yīng)用系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。最簡單的開關(guān)量輸入通道就是一個具有TTL電平的狀態(tài)開關(guān)，如水銀溫度觸點、溫度晶閘管、時間繼電器、限位開關(guān)等。故只要反映外界狀態(tài)的信號輸入通道都可稱為前向通道。并不是所有單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)都有前向通道，例如時序控制系統(tǒng)，只根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部的時間序列來控制外部的運行狀態(tài)；分布式測控系統(tǒng)中的智能控制總站完成上級主計算機(jī)與現(xiàn)場測、控子站計算機(jī)之間的指令、數(shù)據(jù)傳送。這些應(yīng)用系統(tǒng)沒有被測對象，故不需要前向通道。2) 前向通道的設(shè)計本設(shè)計采用ST188紅外傳感器作為探測行車路徑的檢測元件。紅外線傳感器采用反射接收原理，一個紅外線傳感器配置了一個紅外線發(fā)接受器、一個紅外線接受器及其上拉電阻。紅外線發(fā)射器通電后不斷會發(fā)射一定強(qiáng)度的紅外線照射物體。紅外線接收器在接受到一定強(qiáng)度的紅外線會后導(dǎo)通。如圖通過在紅外線的正極接出一個信號來觀察紅外線接收器是否導(dǎo)通。當(dāng)紅外線接收器導(dǎo)通時，輸出信號為0；反之則為1。紅外線在不同顏色的物體上反射程度是不同的，當(dāng)紅外線傳感器在黑色物體時，黑色物體吸收大量紅外線，反射少量紅外線，紅外線接收其不足以導(dǎo)通，輸出信號為1。當(dāng)紅外線傳感器在白色物體上時，白色物體吸收的紅外線少，反射的紅外線少，紅外線接收器導(dǎo)通，輸出信號為0。因此本設(shè)計采用紅外線傳感器模塊與有黑線的路面組合使用。重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計16 紅外線傳感器的應(yīng)用電路3) 紅外傳感器ST188簡介ST188含一個反射模塊（發(fā)光二極管）和一個接收模塊（光敏三極管），實。通過發(fā)射紅外信號，看接收信號變化判斷檢測物體狀態(tài)的變化。A、K之間接發(fā)光二極管，C、E之間接光敏三極管（二者在電路中均正接，但要串聯(lián)一定阻值的電阻），其特點如下：① 采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成。② 檢測距離：413mm。圖 ST188 實物圖③ 光電特性如表 31：（Ta=25℃）表 31：ST188 光電特性（Ta=25℃）項目 符號 測試條件 最小 典型 最大 單位輸入 正向壓降 VF IF=20mA V反向電流 IR VR=3V 10 uA集電極暗電流 Iceo Vce=20V 1 uAL3 mAL4 mA輸出 集電極亮電流 ILVce=15VIF=8mA L5 mA紅 外 線 紅 外 線接 收 器發(fā) 射 器V C CR215KR1220G N D輸 出 信 號重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 基于單片機(jī)的簡易尋跡機(jī)器人設(shè)計17左X2左X1右Y1右Y2 右輪左輪飽和壓降 Vce IF=8mA，Ic= VTr 10 us傳輸特性 響應(yīng)時間 TfIF=200mA，Vce=5VRc=100Ω 10 us4) 傳感器的安裝在小車具體的循跡行走過程中，為了能精確測定黑線位置并確定小車行走的方向，需要同時在底盤裝設(shè)4個紅外探測頭，進(jìn)行兩級方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。： 傳感器安裝圖圖中循跡傳感器全部在一條直線上。其中X1與Y1為第一級方向控制傳感器，X2與Y2為第二級方向控制傳感器，并且黑線同一邊的兩個傳感器之間的寬度不得大于黑線的寬度。小車前進(jìn)時，始終保持在X1和Y1這兩個第一級傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時，第一級傳感器就能檢測到黑線，把檢測的信號送給小車的處理、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號對小車軌跡予以糾正。若小車回到了軌道上，即4個探測器都只檢測到白紙，則小車會繼續(xù)行走；若小車由于慣性過大依舊偏離軌道，越出了第一級兩個