避障機(jī)器人設(shè)計(jì)報(bào)告

巡線避障機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作開放性實(shí)驗(yàn)報(bào)告避障機(jī)器人設(shè)計(jì)系 別：智能科學(xué)與技術(shù)姓 名：唐繼鵬姚武浩姜飛鵬鄭光旭指導(dǎo)老師：袁立行、王曙光、亢紅波時(shí) 間：2011.9.162012.4.28目 錄1 系統(tǒng)功能介紹12 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求13 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)13.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖13.2尋線模塊(ST188)23.3電機(jī)控制模塊33.4單片機(jī)最小模塊43.5數(shù)碼管顯示模塊54 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)64.1 設(shè)計(jì)思路64.2 軟件程序流程圖74.3程序代碼見附錄75 調(diào)試結(jié)果76 實(shí)驗(yàn)總結(jié)8附錄10附錄18 附錄191 系統(tǒng)功能介紹本設(shè)計(jì)以單片機(jī)作為控制核心，電路分為最小系統(tǒng)模塊，黑線檢測(cè)模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，數(shù)碼管顯示模塊。黑線檢測(cè)模塊采用反射式關(guān)電傳感器st188，并且接相應(yīng)的三級(jí)管來規(guī)劃傳感器的輸出，當(dāng)輸出高電平為正常情況。電機(jī)為伺服電機(jī)，給定脈寬為1.5ms的信號(hào)電機(jī)保持不動(dòng)，給定脈寬為1.7ms的信號(hào)電機(jī)正向轉(zhuǎn)到給定脈寬為1.3ms的信號(hào)電機(jī)逆向轉(zhuǎn)到。數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示機(jī)器人行進(jìn)過程所用的時(shí)間。2 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求u 熟悉51系列單片機(jī)的原理及應(yīng)用。u 掌握ST188設(shè)計(jì)電路和傳感器的使用。u 掌握直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方法。u 掌握動(dòng)態(tài)數(shù)碼管顯示的方法。u 設(shè)計(jì)機(jī)器人的硬件電路及軟件程序。u 制作機(jī)器人的硬件電路，并調(diào)試軟件，最后實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)測(cè)量黑線。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖該系統(tǒng)中51單片機(jī)作為主微控芯片，其外多個(gè)I/O口作為通用I/O口接受傳感器的信號(hào)并輸出相應(yīng)的控制信號(hào)。系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)框圖如下圖3.1-1所示。圖3.1-1系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)框圖3.2尋線模塊(ST188)該系統(tǒng)中的尋線模塊我們采用的是ST188傳感器。ST188是一個(gè)無限紅外模塊，它有一個(gè)發(fā)射管（白色）和一個(gè)接收管（黑色），一般情況下接收管能收到發(fā)射管發(fā)送的紅外光，但當(dāng)遇到吸光介質(zhì)（如黑色物體）時(shí)接收管便不能收到發(fā)射管的紅外光。由于這種現(xiàn)象，加上合適的硬件電路（如圖3.2-1），我們可以引出一條信號(hào)線，當(dāng)一切正常時(shí)，信號(hào)線處于一種狀態(tài)，但當(dāng)遇到吸光介質(zhì)時(shí)信號(hào)線便處于另一種狀態(tài)，利用這種不同狀態(tài)的差異我們便可以通過微控制器來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的尋線行駛。ST188詳細(xì)資料見附錄下圖3.2-1是該系統(tǒng)中我們的ST188外接硬件電路圖：圖3.2-1 尋線模塊電路圖圖中R1為發(fā)射管的限流電阻，若R1阻值過大，則發(fā)射管功率會(huì)大幅降低，所以其阻值在50-200歐之間。R4為發(fā)光二極管的保護(hù)電阻。R2，R3，RV1為起分流的作用，其阻值可根據(jù)情況而定。其工作原理是通過R2，R3，RV1來確定輸出信號(hào)的門限值，當(dāng)發(fā)射管端高于RV1上的壓降時(shí)，由于運(yùn)放的飽和特性，輸出低電壓0V：當(dāng)V低于RV1上的電壓時(shí)，輸出電壓為5V。圖中的通過發(fā)光二極管指示是否有信號(hào)輸出。實(shí)際硬件中我們可以通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的R5電阻值來選取理想的反射距離，從而提高ST188傳感器的靈敏度。本設(shè)計(jì)中我們利用ST188來控制機(jī)器人尋線。由以上敘述可知，為使機(jī)器人尋線穩(wěn)定，最好選擇差異較大的環(huán)境，例如在白地板上貼上黑線，可使ST188尋線模塊工作更加靈敏穩(wěn)定。3.3電機(jī)控制模塊本次實(shí)驗(yàn)采用的伺服電機(jī)的工作模式如下所示：通過I/O口給電機(jī)的信號(hào)輸入如圖3.3-1所示的信號(hào)電機(jī)保持靜止，這個(gè)信號(hào)稱為電機(jī)的零標(biāo)定信號(hào)，這個(gè)指令由時(shí)間間隔為20ms脈寬為1.5ms的一系列脈沖組成。圖3.3-1電機(jī)控制信號(hào)（靜止?fàn)顟B(tài)）通過I/O口給電機(jī)的信號(hào)輸入如圖3.3-2所示的信號(hào)電機(jī)將全速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，這個(gè)指令由時(shí)間間隔為20ms脈寬為1.3ms的一系列脈沖組成。圖3.3-2電機(jī)控制信號(hào)（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)狀態(tài)）通過I/O口給電機(jī)的信號(hào)輸入如圖3.3-3所示的信號(hào)電機(jī)將全速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，這個(gè)指令由時(shí)間間隔為20ms脈寬為1.7ms的一系列脈沖組成。圖3.3-3電機(jī)控制信號(hào)（順時(shí)針旋轉(zhuǎn)狀態(tài)）3.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片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)。其引腳排列如圖1中U4所示，1腳和15腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號(hào)。L298可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個(gè)電動(dòng)機(jī)。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA，ENB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。也利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM信號(hào)接到ENA，ENB端子，對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。L298N的邏輯功能：表1 SHARP GP2D12實(shí)物圖外形及封裝： L298N實(shí)物圖 由于一片L298N可以直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，但是為了加大驅(qū)動(dòng)力，我們采用兩路并聯(lián)的方式來驅(qū)動(dòng)電機(jī)3.5單片機(jī)最小模塊 整個(gè)實(shí)驗(yàn)的控制器件是51單片機(jī)，它在實(shí)驗(yàn)中起了核心作用，采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，給它的XTAL1和XTAL2引腳外接晶振，這樣就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)，給晶振的每個(gè)角又接了一個(gè)30PF的電容，讓晶振快速起振并可以達(dá)到12M穩(wěn)定頻率，給單片機(jī)的RST口按鍵開關(guān)使之構(gòu)成復(fù)位電路。具體電路如圖3.4-1所示圖3.4-1單片機(jī)最小模塊3.5數(shù)碼管顯示模塊由于時(shí)鐘電路顯示的內(nèi)容是變化的，因此本實(shí)例采用動(dòng)態(tài)顯示實(shí)驗(yàn)時(shí)數(shù)碼管采用的是共陽極的數(shù)碼管，4個(gè)數(shù)碼管的段選相應(yīng)并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位的I/O控制，動(dòng)態(tài)顯示時(shí)，各位數(shù)碼管輪流通，要使其穩(wěn)定顯示必須采用掃描的方式，即在某一時(shí)刻只選通以位數(shù)碼管，并送出相應(yīng)的段碼，在另一時(shí)刻選通另一位數(shù)碼管，并送出此想相應(yīng)的段碼，依次規(guī)律循環(huán)，即可使各位數(shù)碼管顯示將要顯示的字符，雖然這些字符是不不同的時(shí)刻分別顯示的，但由于人眼存在暫留效應(yīng)，只要每位顯示時(shí)間足夠短就可以給人不同的顯示感覺。采用動(dòng)態(tài)顯示方式時(shí)，采用三極管的放大作用，以增加led的亮度。具體電路圖如3.5-1所示。其中數(shù)碼管的ds1端的各位1、2、3、4、5、6、7接I/O的P2口，位選端接I/O的P1口。圖3.5-1數(shù)碼管硬件電路4 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)4.1 設(shè)計(jì)思路在程序中用定時(shí)器0用用于輸出機(jī)器人電機(jī)所需的脈沖波形，定時(shí)器1用于數(shù)碼管顯示。計(jì)數(shù)器0，1初始化后，進(jìn)入while循環(huán)，在while循環(huán)中等待定時(shí)器1中斷并相應(yīng)的相應(yīng)時(shí)間。否則等待定時(shí)器0輸出脈沖波形。由于中斷1只是為了顯示時(shí)間，而0中斷影響到機(jī)器人的行進(jìn)與否，所以在程序中設(shè)置1中斷的優(yōu)先級(jí)高于0中斷。從而使從而使/O口輸出穩(wěn)定的脈沖波形。4.2 軟件程序流程圖 圖4.2-1系統(tǒng)軟件程序流程圖4.3程序代碼見附錄5 調(diào)試結(jié)果開放性試驗(yàn)使我掌握了不少知識(shí)，在實(shí)驗(yàn)開始之前我什么都不會(huì)，通過壁障機(jī)器人的訓(xùn)練使我掌握了51單片機(jī)，基本電路的設(shè)計(jì)和分析。但本次試驗(yàn)對(duì)我印象最深的是我自己在調(diào)試程序的時(shí)候出現(xiàn)的問題，開始小車應(yīng)該在驅(qū)動(dòng)和程序的控制下應(yīng)該調(diào)速，但事實(shí)是車根本沒有減速的跡象并且是全速前進(jìn)。我檢查自己的程序感覺程序是沒有問題的，然后自然的把問題想到了驅(qū)動(dòng)上，但驅(qū)動(dòng)不是我自己焊接的，根本不知道錯(cuò)誤從哪里找。焊接驅(qū)動(dòng)的同學(xué)回家了，沒辦法看驅(qū)動(dòng)電路。只能是我自己看電路但自己對(duì)電路根本就沒有多接觸，當(dāng)時(shí)自己檢查電路圖不知從何開始，整整檢查了一天感覺沒有問題感覺已經(jīng)盡力了。晚上回到宿舍自己想了半天還是沒有找到問題。第二天回到實(shí)驗(yàn)室問題還是沒有找到，但就在自己已經(jīng)沒有精力在檢查的時(shí)候無意間看到了程序又看了一會(huì)ST188然后就突然感覺問題找到了，自己看看了循跡模塊然后感覺中間的燈沒有亮，那就是意味這他給51的管腳一直是低電平是自己的程序一直就沒進(jìn)入其他程序，所以就出現(xiàn)了全速前進(jìn)的問題。還有一次在給壁障機(jī)器人調(diào)試程序時(shí)他根本就不遍歷所有的道路，自己給51已經(jīng)下了一百多次程序，還是沒有找到問題還是?；氐剿奚崴X，下午原本打算不去了，但自己心里還是在想再試試。來到實(shí)驗(yàn)室，我的第三個(gè)程序便成功遍歷了所有的道路。通過上面的經(jīng)歷使我自己明白了很多，只要自己有足夠的耐心和毅力就一定能過實(shí)現(xiàn)你要完成的事情。6 實(shí)驗(yàn)總結(jié)附錄程序代碼如下：#include <reg52.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit ENA=P10;/左輪使能端/*左輪電壓*/sbit d0=P11;sbit d1=P12;/*右輪電壓*/sbit d2=P13;sbit d3=P14; sbit ENB=P15; /右輪使能端/*循跡兩側(cè)傳感*/sbit right_red=P02; /右側(cè)sbit left_red=P01; /左側(cè)sbit redlight=P03; /紅外sbit goright=P00;/拐彎檢測(cè)/*向前*/void gohead()d0=1;d1=0;d2=1;d3=0;/左轉(zhuǎn)void turnleft()d0=0;d1=0;d2=1;d3=0;/右轉(zhuǎn)void turnright()d0=1;d1=0;d2=0;d3=0;/倒轉(zhuǎn) void turnback() d0=1; d1=0; d2=0; d3=1; /*延時(shí)函數(shù)*/void delay_ms(uint i) uint j;for(;i>0;i-)for(j=110;j>0;j-);/*循跡模塊*/void xunjin() int i;if(left_red=0)&&(right_red=0)&&(goright=0)gohead(); for(i=20;i>0;i-) if(i>16)ENA=1;ENB=1;delay_ms(6); else ENA=0;ENB=0;delay_ms(5);else if(left_red=0)&&(right_red=1)turnright();for(i=20;i>0;i-)if(i>17)ENA=1;ENB=0;delay_ms(4); else ENA=0;ENB=0;delay_ms(5);else if(left_red=1)&&(right_red=0)turnleft();for(i=20;i>0;i-)if(i>17)ENA=0;ENB=1;delay_ms(4);elseENA=0;ENB=0;delay_ms(5); else if(goright) gohead(); for(i=20;i>0;i-) if(i>17)ENA=1;ENB=1;delay_ms(7); else ENA=0;ENB=0;delay_ms(5); while(1) turnright(); for(i=20;i>0;i-)if(i>17)ENA=1;ENB=0;delay_ms(4);elseENA=0;ENB=0;delay_ms(5); if(right_red=1) break; /避障程序 void goback() while(1) uint i; turnback(); for(i=20;i>0;i-)if(i>17 )ENA=1;ENB=1;delay_ms(5); else ENA=0;ENB=0;delay_ms(5); if( right_red=1) break; /*主程序*/void main() while(1) xunjin(); /循跡if(!redlight) /判斷 goback(); 數(shù)碼管顯示程序：#include <reg52.h>#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit d1=P10;sbit d2=P11;sbit d3=P13;uchar code DSY_CODE=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90; /4位一體共陽極數(shù)碼管/uint k=0;uchar int_time,second;void delay(uchar x)uchar i ; for(;x>0;x-)for(i=0;i<120;i+);void showtime()d1=0;P2=DSY_CODEk%10; /顯示各位/delay(2);P2=0Xff;d1=1;d2=0;P2=DSY_CODEk/10%10; /顯示十位/delay(2);P2=0Xff ;d2=1; d3=0; P2=DSY_CODEk/100； /顯示百位/delay(2);P2=0X00 ; d3=1;void main()TMOD=0x01;TR0=1;EA=1;ET0=1;IT0=0;P2=0xc0;TH0 =(65535 - 50000)/256;TL0 = (65535 - 50000)%256;while(1)showtime();void timer0() interrupt 1int_time+;if(int_time = 20)int_time = 0;k+;if(k = 999)k = 0;TH0 = (65535-50000)/256;TL0 = (65535-50000)%256;附錄19