智能避障機(jī)器人設(shè)計(jì)與研究畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 制 步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的反映 。 圖 2－ 1 單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)框圖 STC89C52 單片機(jī)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(gè)尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分 ， 它由如下功能部件組成 ， 即微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、并行I/O 口、串行口、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷 系統(tǒng)及特殊功能寄存器。11 它們都是通過(guò)片內(nèi)單一總線連接而成 ， 其基本結(jié)構(gòu)依舊是 CPU 加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對(duì)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。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖 2－ 1 所示： (1) 微處理器 該 單片機(jī)中有一個(gè) 8 位的微處理器 ， 與通用的微處理器基本相同 ， 同樣包括了運(yùn)算器和控制器兩 大部分 ， 只是增加了面向控制的處理功能 ， 不僅可處理數(shù)據(jù) ， 還可以進(jìn)行位變量的處理。 (2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 片內(nèi)為 128 個(gè)字節(jié) ， 片外最多可外擴(kuò)至 64k 字節(jié) ， 用來(lái)存儲(chǔ)程序在運(yùn)行期間的工作變量、運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等 ， 所以稱 為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 (3) 程序存儲(chǔ)器 由于受集成度限制 ， 片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器一般容量較小 ， 如果片內(nèi)的只讀存儲(chǔ)器的容量不夠 ， 則需用擴(kuò)展片外的只讀存儲(chǔ)器 ， 片外最多可外擴(kuò)至 64k 字節(jié)。 (4) 中斷系統(tǒng) 具有 5 個(gè)中斷源 ， 2 級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。 (5) 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 片內(nèi)有 2 個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ， 具有四種工作方式。 (6) 串行口 1 個(gè)全雙工的串行口 ， 具有四種工作方式。可用來(lái)進(jìn)行串行通訊 ， 擴(kuò)展并行 I/O 口 ， 甚至與多個(gè)單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng) ， 從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。 (7) P0 口、 P1 口、 P2 口、 P3 口 為 4 個(gè)并行 8 位 I/O 口。 (8) 特殊功能寄存器 共有 21 個(gè) ， 用于對(duì)片內(nèi)的個(gè)功能的部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。實(shí)際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器 ， 是一個(gè)具有特殊功能的 RAM 區(qū)。 由上可見(jiàn) ， STC89C52 單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全 ，12 功能強(qiáng)等特點(diǎn)。特別值得一提的是該單片機(jī) CPU 中的位處理器 ， 它實(shí)際上是一個(gè)完整的 1 位微計(jì)算機(jī) ， 這個(gè)一位微計(jì)算機(jī)有自己的CPU、位寄存器、 I/O 口和指令集。 1 位機(jī)在開(kāi)關(guān)決策、邏輯電路仿真、過(guò)程控制方面非常有效；而 8 位機(jī)在數(shù)據(jù)采集 ， 運(yùn)算處理方面有明顯的長(zhǎng)處。 MCS51 單片機(jī)中 8 位機(jī)和 1 位機(jī)的硬件資源復(fù)合在一起 ， 二者相輔相承 ， 它是單片 機(jī)技術(shù)上的一個(gè)突破 ， 這也是MCS51 單片機(jī)在設(shè)計(jì)的精美之處。 167。 最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 89C52 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(jiǎn)單﹑可靠。用 89C52 單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí) ， 只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可 ， 如圖 22 所示 89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng)。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(diǎn)： (1) 有可供用戶使用的大量 I/O 口線。 (2) 內(nèi)部存儲(chǔ)器容量有限。 (3) 應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)具有特殊性。 13 圖 22 89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng) 1. 時(shí)鐘電路 MCS51 單片機(jī) 各功能部件運(yùn)行都是以時(shí)鐘控制信號(hào)為基準(zhǔn) ， 有條不紊的一步一步地工作 ， 因此 ， 時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度 ，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 89C52 雖然有內(nèi)部振蕩電路 ， 但要形成時(shí)鐘 ， 必須外部附加電路。 89C52 單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方法有兩種。內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。 本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式 ， 利用芯片內(nèi)部的振蕩電路 ， 在XTAL XTAL2 引腳上外接定時(shí)元件 ， 內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。本設(shè)計(jì)采用最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式 ， 即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在 到 12MHZ 之間選擇 。電容值無(wú)嚴(yán)格要求 ， 但電容取值對(duì)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(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。所以本設(shè)計(jì)中 ， 振蕩晶體選擇 12MHZ， 電容選擇 65pF。 在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí) ， 晶體和電容應(yīng)盡可能靠近單片機(jī)芯片安14 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 ， 時(shí)鐘電路如圖 23 所示。 圖 23 時(shí)鐘電路 2. 復(fù)位電路 89C52 的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位引腳 RST 通過(guò) 一個(gè)斯密特觸發(fā)器用來(lái)抑制噪聲 ， 在每個(gè)機(jī)器周期的 S5P2， 斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(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(hào)。 復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。 最簡(jiǎn)單的上電自動(dòng)復(fù)位電路是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。只要 Vcc 的上升時(shí)間不超過(guò) 1ms， 就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。時(shí)鐘頻率用 12MHZ 時(shí) C 取 22uF， R 取 1KΩ。 除 上電復(fù)位外 ， 有時(shí)還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)就是用的按鍵手動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)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(guò) RST 端 經(jīng)電阻與電源 VCC 接 通而實(shí)現(xiàn)的。 三種 復(fù)位電路 如圖 24 所示 ，從左到右依次是上電自動(dòng)復(fù)位、手動(dòng)電平復(fù)位和手動(dòng)脈沖復(fù)位 。 15 圖 24 復(fù)位電路 3. 燒寫(xiě)接口電路 如圖 25 所示 就是 USB 供電 下載接口 ， 圖中 PL2303 芯片 是Prolific 公司生產(chǎn)的一種高度集成的 RS232USB 接口轉(zhuǎn)換器 ， 可提供一個(gè) RS232 全雙工 異步串行通信 裝置與 USB 功能接口便利連接的解決方案。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(hào) 的 UART， 只需外接幾只電容就可實(shí)現(xiàn) USB 信號(hào)與 RS232 信號(hào)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(jī) 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(jī) 。這些工作全部由器件 自動(dòng)完成 ， 開(kāi)發(fā)者無(wú)需考慮 固件 設(shè)計(jì) 。 只需將 ISP 下載線插到電腦 USB 接口上就可以向單片機(jī)燒寫(xiě)程序。同時(shí) ， ISP 的下載接口如圖 26， 在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn) ， 否則會(huì)造成程序下載的失敗。 (1) 下載線接口中的電源和單片機(jī)共用一個(gè)電源。 (2) 下載線接口中用到的 到 腳不能連接外部器件 ，如果要連接外部器件可以設(shè)計(jì)為可插拔的方式 ， 防止影響程序的下載。 16 圖 25 USB 供電下載電路 圖 26 ISP 程序下載電路 167。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 167。 智能小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求 控制電機(jī)是本次設(shè)計(jì)中的重要元件 ， 如果控制電機(jī)的性能不佳或使用不當(dāng) ， 將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。智能小車控制系統(tǒng)中對(duì)控制電機(jī)要求其體積小、重量輕、耗電少 ， 另外還要求其有高可靠性、高精度和快速響應(yīng)等特點(diǎn) ， 主要集中在以下幾個(gè)方面 ： 17 (1) 高可靠性。控制電機(jī)的可靠性對(duì)保證任何自動(dòng)控制系統(tǒng)的正常工作極為重要 ， 一旦發(fā)生故障 ， 將會(huì)直接導(dǎo)致本次設(shè)計(jì)的失敗。 (2) 高精度。在本次設(shè)計(jì)中對(duì)電機(jī)的響應(yīng)精度要求較高 ， 因?yàn)?本設(shè)計(jì) 所加的脈沖 寬度是毫秒級(jí) 的 ， 有時(shí)甚至是微秒級(jí)的。從廣義上而言 ， 直流電機(jī)特性的線性度和失靈區(qū)會(huì)直接影響到系統(tǒng)的精度。 (3) 啟動(dòng)、停止和反向均能連續(xù)有效的進(jìn)行 ， 具有良好的響應(yīng)特性。 (4) 正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)的特性相同 ， 且運(yùn)行特性穩(wěn)定。 (5) 良好的抗干擾能力、體積小、重量輕。 常用的控制電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)兩大類。步進(jìn)電機(jī)效率較低 ， 功率較小 ， 雖然近年來(lái)不斷有小體積大功率的步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn) ，但其價(jià)格昂貴 ， 因此在小車類控制中常用的是直流電機(jī)。直流電機(jī)能夠?qū)⑤斎氲碾妷盒盘?hào)變成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出 ， 改變控制電壓即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向 ， 用途很廣泛 ， 主要有 如下優(yōu)點(diǎn)： (1) 寬廣的調(diào)速范圍。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠隨著控制電壓的改變?cè)趯拸V的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。 (2) 線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。直流電機(jī)在控制電壓一定時(shí) ， 轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的變化而變化。轉(zhuǎn)矩一定時(shí) ， 轉(zhuǎn)速則隨電壓的變化而線性調(diào)節(jié)。線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高自控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度。 (3) 與步進(jìn)電機(jī)相比 ， 小體積較易獲得大功率。 167。 直流電機(jī)調(diào)速原理 直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制可分為勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。大多18 數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步 ， 改變電樞電壓可通過(guò)多種途徑實(shí)現(xiàn) ， 其中 PWM(脈寬調(diào)制 )便是常用的改變電樞電壓的一種調(diào)速方法。 PWM 調(diào)速控制的基本原理是按一個(gè)固定頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源 ， 并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)接通和斷開(kāi)的時(shí)間比 (占空比 )來(lái)改變直流電機(jī)電樞上電壓的 “ 占空比 ” ， 從而改變平均電壓 ， 控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中 ， 當(dāng)電機(jī)通電時(shí)其速度增加 ， 電機(jī)斷電時(shí)其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電 的時(shí)間 ， 即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。而且采用 PWM 技術(shù)構(gòu)成的無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)．啟停時(shí)對(duì)直流系統(tǒng)無(wú)沖擊 ， 并且具有啟動(dòng)功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。 設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí) ， 電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為 Vmax， 且設(shè)占空比為 D=t／ T， 則電機(jī)的平均速度 Vd 為： Vd=Vmax D （ 22） 由公式可知 ， 當(dāng)改變占空比 D=t／ T 時(shí) ， 就可以得到不同的電機(jī)平均速度 Vd， 從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格地講 ， 平均速度與占空比 D 并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系 ， 在一般的應(yīng)用中 ， 可將其近似地看成線性關(guān)系。 在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路中 ， PWM 信號(hào)由 單片機(jī)產(chǎn)生 ， 驅(qū)動(dòng) L298N 的 H 橋 左右兩邊的三極管 開(kāi)關(guān)來(lái)改變直流電機(jī)電樞上平均電壓 的大小 ， 從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速 ， 實(shí)現(xiàn)直流電機(jī) PWM 調(diào)速。 當(dāng)用單片機(jī) I/O 口輸出 PWM 信號(hào)時(shí) ， 可采用以下三種方法： 利用軟件延時(shí)。當(dāng)高電平延時(shí)時(shí)間到時(shí) ， 對(duì) I/O 口電平取反變成低電平 ， 然后再延時(shí)；當(dāng)?shù)碗娖窖訒r(shí)到時(shí) ， 再對(duì) I/O 口電平取反 ，如此循環(huán)就可得到 PWM 信號(hào)。 利用定時(shí)器。控制方法相同 ， 只是在這里利用單片機(jī)定時(shí)器來(lái)定時(shí)進(jìn)行高低電平的翻轉(zhuǎn) ， 而不用軟件延時(shí)。 利用單片機(jī)自帶的 PWM 控制器。但本實(shí)驗(yàn)用的 STC89C52 并沒(méi)有 PWM 控制器 ， 所以采用定時(shí)器產(chǎn)生 PWM 信號(hào)。 167。 L298N 電機(jī) 驅(qū)動(dòng) 原理 前面已經(jīng)提到，由于單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力不足，無(wú)法驅(qū)動(dòng)像電機(jī)19 這樣的大功率外部器件，因此必須外加驅(qū)動(dòng)電路。電機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)芯片很多，在本設(shè)計(jì)中筆者選用硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)效率高的L298N 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片， L298N 芯片是一種集成大功率 H 橋芯片。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要功能是將主控芯片發(fā)出的信號(hào)通過(guò)電機(jī)控制芯片轉(zhuǎn)化為小車實(shí)際的動(dòng)作。本設(shè)計(jì)中采用的 L298N 電機(jī) 驅(qū)動(dòng) 電路板使用 ST 公司的 L298N 作為主驅(qū)動(dòng)芯片，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，發(fā)熱量低，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。 L298N 是歐洲著名的 SGS 公司的產(chǎn)品 ， 為單塊集成電路、高電壓、高電流、四通道驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)用來(lái)接收 DTL 或者 TTL 邏輯電平 ， 驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載 (比如繼電器 ， 直流電機(jī) )，和開(kāi)關(guān)電源晶體管。 L298N 芯片有一個(gè)電源引腳 VCC 和接地引腳GND。四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)引腳和四個(gè) PWM 波控制引腳。 VCC 引腳可以接+12V 電源用來(lái)給芯片和電動(dòng)機(jī)供電。 模塊板載 7805 三端穩(wěn)壓集成電路 穩(wěn)壓芯片 ， 可以方便給單片機(jī)以及其他需要 5V 的系統(tǒng)供電 ，前提是 VCC 接大于 6V 電壓 。可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速、啟動(dòng)性能好、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。 L298N 是雙 H 橋驅(qū)動(dòng)芯片，包含兩個(gè) H 橋電路。每個(gè) H 橋電路原理大體如圖 27 所示： 圖 27 H 橋電路圖 20 若 H 橋的 1 端為低電平， 2 端為高電平時(shí)，三極管 Q4 導(dǎo)通，Q1 截止，此時(shí) Q3 的基極為低電平， Q2 的基極為高電平，因此三極管 Q2 和 Q6 導(dǎo)通， Q3 和 Q5 截止，電流流向如圖 28 所示，電機(jī)正轉(zhuǎn)。 圖 28 電機(jī)正轉(zhuǎn)示意圖 若 H 橋的 1 端為高電平， 2 端為低電平時(shí)，三極管 Q1 導(dǎo)通，Q4 截止，此時(shí) Q3 的基極為高電平， Q2 的基極為低電平，因此三極管 Q3 和 Q5 導(dǎo)通， Q2 和 Q6 截止，電流流向如圖 29 所示，電機(jī)反轉(zhuǎn)。 21