基于單片機(jī)的運(yùn)水機(jī)器人設(shè)計(jì)論文（C語(yǔ)言）

1、 某某某某大學(xué) xxxxx xxxxxxx universityxxxxxx學(xué)院電子綜合實(shí)踐姓名 題目 運(yùn)水機(jī)器人 目錄、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求41.1 基本設(shè)計(jì)任務(wù)41.2 控制設(shè)計(jì)任務(wù)41.3 軟件設(shè)計(jì)任務(wù)5、方案設(shè)計(jì)與論證52.1 電源方案52.2 驅(qū)動(dòng)電路方案52.3 距離控制方案5、總體設(shè)計(jì)63.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)63.1.1 探測(cè)傳感器模塊63.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊83.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)83.2.1 軟件計(jì)時(shí)的分析與計(jì)算83.2.3 系統(tǒng)軟件流程圖9、測(cè)試結(jié)果及結(jié)果分析94.1 測(cè)試儀器及工具94.2 測(cè)試步驟94.2.1 預(yù)備工作94.2.2 正式測(cè)試104.3 測(cè)試結(jié)果104.4 測(cè)

2、試結(jié)果分析10、創(chuàng)新點(diǎn)115.1 添加計(jì)時(shí)模塊115.2 實(shí)用性11、總結(jié)與心得11參考文獻(xiàn)11附件一：參考程序12附件二：總原理圖15附件三：元器件清單16摘要：命題要求設(shè)計(jì)自動(dòng)運(yùn)水機(jī)器人。本設(shè)計(jì)是以stc89c52單片機(jī)為核心器件，應(yīng)用紅外開(kāi)關(guān)，直流電機(jī)等器件，實(shí)現(xiàn)命題要求。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該機(jī)器人達(dá)到所有命題所要求的技術(shù)指標(biāo)。在此基礎(chǔ)之上，本設(shè)計(jì)添加了計(jì)時(shí)模塊，使設(shè)計(jì)更具實(shí)用性。關(guān)鍵詞：運(yùn)水；電機(jī)驅(qū)動(dòng)；探測(cè)傳感器運(yùn)水機(jī)器人、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求本任務(wù)為f題：運(yùn)水機(jī)器人。設(shè)計(jì)任務(wù)具體內(nèi)容如下：圖1-1 參考圖圖1-2 路線圖1.1 基本設(shè)計(jì)任務(wù)依據(jù)命題題意，本設(shè)計(jì)采用直流電機(jī)帶輪式小車帶實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)

3、動(dòng)。機(jī)器人上面要裝有盛水容器，以便完成在ac之間的運(yùn)水任務(wù)。當(dāng)紅外光電開(kāi)關(guān)探測(cè)到黑色邊線的時(shí)候停止小車運(yùn)動(dòng)，小車停在a區(qū)是通過(guò)手動(dòng)控制小車重新運(yùn)動(dòng)，小車停在c區(qū)通過(guò)軟件延時(shí)控制小車重新運(yùn)動(dòng)，這樣達(dá)到循環(huán)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而完成運(yùn)水任務(wù)。1.2 控制設(shè)計(jì)任務(wù)由于本設(shè)計(jì)采用手動(dòng)完成整個(gè)過(guò)程中的裝水、卸水任務(wù)，因此控制任務(wù)即為控制ac之間的距離。這里通過(guò)紅外光電開(kāi)關(guān)掃描是否達(dá)到黑色邊線，即為判斷是否達(dá)到題目要求的2000mm（黑色邊線即為圖1-2中的起始/返回邊線），通過(guò)與軟件配合，以完成要求。1.3 軟件設(shè)計(jì)任務(wù)機(jī)器人的所有動(dòng)作由都要由軟件控制實(shí)現(xiàn)。用軟件對(duì)紅外開(kāi)關(guān)掃描所得信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，以控制直流電機(jī)的停止

4、/正反轉(zhuǎn)。通過(guò)軟件對(duì)按鍵的識(shí)別控制硬件啟動(dòng)。用軟件來(lái)控制時(shí)間顯示模塊的計(jì)數(shù)周期。、方案設(shè)計(jì)與論證 本設(shè)計(jì)主要需要完成運(yùn)水小車在ac之間運(yùn)水任務(wù)。利用紅外光電開(kāi)關(guān)對(duì)由黑色電膠布制作的起始/返回邊線進(jìn)行探測(cè)，再通過(guò)軟件的配合，對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，并控制小車車輪的停止/正反轉(zhuǎn)，讓小車在ac之間固定距離內(nèi)行進(jìn)。通過(guò)單片機(jī)與軟件的集合對(duì)時(shí)間顯示模塊進(jìn)行控制，達(dá)到顯示時(shí)間的任務(wù)。2.1 電源選擇方案方案一：采用雙電源供電，在設(shè)計(jì)中，將cpu電源和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源完全靠光電耦合器隔離，這樣電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的沖擊信號(hào)就不會(huì)對(duì)cpu有影響，增加了系統(tǒng)的可靠性。缺點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，電路成本較高。設(shè)計(jì)要求較低，且此方案較為復(fù)

5、雜、成本高，故放棄。方案二：采用單電源供電，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和cpu邏輯控制電源采用同一個(gè)電源。該方案設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，而且成本較低，缺點(diǎn)是電機(jī)啟動(dòng)的瞬間電流過(guò)大，容易對(duì)上一級(jí)電路產(chǎn)生沖擊，電路的穩(wěn)定性不好。這個(gè)方案已經(jīng)可以滿足實(shí)驗(yàn)的要求了，采用此方案。2.2 驅(qū)動(dòng)電路選擇方案方案一：采用三極管驅(qū)動(dòng)電機(jī)，濾波效果好，在單片機(jī)跟電機(jī)共用一個(gè)電源，在電流較高的情況下，單片機(jī)仍能不受干擾而正常工作。優(yōu)點(diǎn)：電路壓降較小，所以在大電流的情況下，發(fā)熱很小。缺點(diǎn)：電路連接較為復(fù)雜，驅(qū)動(dòng)功率較小，不適于大功率驅(qū)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)電路的功率不能滿足要求，故放棄此方案。方案二：使用專用芯片l298所組成的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)芯片l298

6、是驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的專用芯片，我們利用它內(nèi)部的橋式電路來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：控制比較簡(jiǎn)單，電路簡(jiǎn)單，集成芯片簡(jiǎn)化了電路的復(fù)雜性，驅(qū)動(dòng)功率大。缺點(diǎn)：電路發(fā)熱較大，成本略高。結(jié)合作品要求，采用此方案。2.3 距離控制方案方案一：直接采用軟件控制距離，即：根據(jù)小車的平均速度設(shè)定相應(yīng)前進(jìn)/后退時(shí)間，達(dá)到控制前行/后退目的。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需其他硬件支持，節(jié)約成本，制作簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)：不易自動(dòng)控制，距離控制不精確，多次循環(huán)后會(huì)導(dǎo)致小車偏離預(yù)定路徑?？紤]到設(shè)計(jì)要求的距離控制精度較高，放棄此方案。方案二：采用光電傳感器根據(jù)固定在地面上的兩個(gè)邊線的探測(cè)（如：固定在地面的兩條黑色膠帶）進(jìn)行探測(cè)，通過(guò)固定邊線之間的距離來(lái)達(dá)到距離

7、控制的距離的目的，進(jìn)而達(dá)到要求。缺點(diǎn)：增加成本，增加軟件設(shè)計(jì)難度，制作較為困難。優(yōu)點(diǎn)：距離控制精確，易于自動(dòng)控制。由于本設(shè)計(jì)對(duì)距離有較高的要求，故采用此方案。、總體設(shè)計(jì)光電探頭at89c52按鍵電機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)間顯示經(jīng)過(guò)對(duì)各個(gè)方案分析比較，最終確定總方案如圖3-1所示。該系統(tǒng)所有模塊都由主單片機(jī)控制。其中，設(shè)計(jì)各個(gè)模塊，包括單片機(jī)、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、光電探測(cè)由四節(jié)aa電池供電。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用l298驅(qū)動(dòng)芯片控制。用光電傳感器對(duì)邊線的探測(cè)來(lái)控制距離。通過(guò)單片機(jī)的機(jī)器周期計(jì)算時(shí)間計(jì)數(shù)周期，以達(dá)到計(jì)時(shí)目的。圖3-1 系統(tǒng)方案圖3.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1.1 探測(cè)傳感器探測(cè)傳感器采用cny-70反射式光

8、電開(kāi)關(guān)。紅外線光電開(kāi)關(guān)屬于光電接近開(kāi)關(guān)，它利用被測(cè)物體對(duì)紅外光束的遮光或反射，對(duì)所有能反射光線的物體均可檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)方式的不同，分為漫反射式、鏡反射式、對(duì)射式、槽式、光纖式光電開(kāi)關(guān)等。圖3-2為cny-70的輸入輸出特性曲線：圖3-2 cny70特性曲線從圖3-2可以看出，隨著發(fā)光管電流逐漸增加，輸出電流逐漸變大，因此我們選擇輸入電流為20ma。cny-70的發(fā)光管的導(dǎo)通壓降大約為1.5v，輸入電壓選擇5v，因此電阻我們選擇200。圖3-3 探測(cè)傳感器通過(guò)電壓比較器，將傳感器的輸出電壓轉(zhuǎn)換成邏輯電平，通過(guò)單片機(jī)判斷探測(cè)是否有黑線，然后通過(guò)軟件調(diào)整，使小車能夠完成b區(qū)的動(dòng)作。由于cny-70受

9、自然光影響，因此在使用時(shí)比較器比較電壓采用電位器調(diào)節(jié)，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)適應(yīng)不同的光照環(huán)境。3.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊l298 芯片是一種高電壓、大電流、高功率驅(qū)動(dòng)器，其設(shè)計(jì)是為接受標(biāo)準(zhǔn)ttl邏輯電平信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載的，例如繼電器、圓筒形線圈、直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。每橋的三級(jí)管的射極是連接在一起的， 相應(yīng)外接線端可用來(lái)連接外設(shè)傳感電阻。可安置另一輸入電源，使邏輯能在低電壓下工作。l298 芯片是具有15 個(gè)引出腳的多瓦數(shù)直插式封裝的集成芯片。圖3-4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.2.1 軟件計(jì)時(shí)的分析與計(jì)算單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器有4種工作模式，方式0是13位計(jì)數(shù)器，由于計(jì)時(shí)時(shí)間過(guò)短，中斷頻率高，

10、所以不選用此模式；方式2是自動(dòng)重裝式計(jì)數(shù)器，是8位計(jì)數(shù)器，同樣中斷頻率過(guò)高；方式3也是8位計(jì)數(shù)器；方式1是16位計(jì)數(shù)器，綜合考慮，選用方式1做精確計(jì)時(shí)。由于51單片機(jī)是12分頻，因此機(jī)器周期=晶振頻率/12。在該設(shè)計(jì)中，選用頻率為12mhz的晶振，因此機(jī)器周期=1s。定時(shí)1s需要1000000個(gè)機(jī)器周期，因此通過(guò)20次定時(shí)器中斷完成1s的定時(shí)，每次完成50000個(gè)周期的定時(shí)，因此每次給定時(shí)器的初值應(yīng)該是th0=b0h,tl0=3ch。3.2.3 系統(tǒng)軟件流程圖注：d為電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向標(biāo)記。圖3-5 系統(tǒng)流程圖、測(cè)試結(jié)果及結(jié)果分析4.1 測(cè)試儀器及工具測(cè)試儀器及工具： 100ml量筒兩個(gè)，卷尺（兩米

11、以上）一把，黑色電膠布一卷，大號(hào)水桶兩個(gè)，水量充足。4.2 測(cè)試步驟4.2.1 測(cè)試前預(yù)備工作、用卷尺在地面標(biāo)出兩米距離，并用黑色電膠布在兩米的兩端各粘貼一條縱邊線。、將水桶裝滿水，置于a端，量筒也置于a端，空水桶置于另外c端。、根據(jù)測(cè)試場(chǎng)地光照條件，將小車的探測(cè)器調(diào)試到最佳狀態(tài)。4.2.2 正式測(cè)試、將小車置于初試邊線，即有水的水桶的一端，啟動(dòng)小車電源。、用量筒量取100ml水置于小車上的水杯里。按下出發(fā)鍵，同時(shí)秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)。小車從a端，經(jīng)過(guò)b區(qū)域到c端停止。、小車在c端停止后，數(shù)碼管顯示卸水倒計(jì)時(shí)8s，此時(shí)，取下車上的水，倒入空桶內(nèi)，并將水杯放回小車，8s結(jié)束后，小車返回，數(shù)碼管顯示小車前

12、進(jìn)時(shí)間與卸水時(shí)間（8s）之和，并在此基礎(chǔ)上繼續(xù)計(jì)時(shí)。、小車返回a端后，秒表停止計(jì)時(shí)。、循環(huán)-步驟若干次。、關(guān)閉電源，清空水杯中的水。清理測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)。4.3 測(cè)試結(jié)果如下表 項(xiàng)目趟次小車顯示運(yùn)行一個(gè)周期時(shí)間（s）實(shí)際運(yùn)行一個(gè)周期時(shí)間（s）運(yùn)水量(ml)第一趟14s14.56s100ml第二趟14s14.23s100ml第三趟15s15.19s100ml第四趟14s14.86s100ml第五趟14s14.35s100ml第六趟14s14.66s100ml第七趟14s14.85s100ml第八趟15s14.88s100ml第九趟15s15.26s100ml第十趟14s14.79s100ml表4-1 調(diào)

13、試結(jié)果4.4 測(cè)試結(jié)果分析通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析，可以看出，小車已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了在abcba區(qū)域較為穩(wěn)定的循環(huán)運(yùn)水過(guò)程，即小車已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了題目所給出的所有要求。另外，小車顯示每周期時(shí)間與實(shí)際每周期所用時(shí)間誤差小于1s，達(dá)到了額外添加計(jì)時(shí)模塊的目的。通過(guò)計(jì)算，可得出小車的平均速度為0.63m/s，單位時(shí)間運(yùn)水量大約為7ml/s。、創(chuàng)新點(diǎn)5.1 添加計(jì)時(shí)模塊在題目要求之外，本設(shè)計(jì)增加了周期計(jì)時(shí)裝置，在此基礎(chǔ)上，若通過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)，可自動(dòng)顯示小車平均速度。據(jù)此又可以在沒(méi)有其他額外裝置的情況下大概知道電池電量(事先測(cè)量好小車在不同電量情況下的速度，并畫出不同電量對(duì)應(yīng)不同速度的曲線圖，用實(shí)測(cè)速度與此曲線圖對(duì)比可知大

14、概電量)。另外，通過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算，還達(dá)到了計(jì)算單位時(shí)間運(yùn)水量的目的。5.2 實(shí)用性、將該設(shè)計(jì)用于餐廳、酒吧等餐飲場(chǎng)所，所用于傳菜、續(xù)杯等較為簡(jiǎn)單的服務(wù)。既可增加娛樂(lè)性和趣味性，亦可節(jié)省雇員成本。、用該設(shè)計(jì)取代某些高功耗、高壓電機(jī)帶動(dòng)的傳送帶，降低能耗，增加安全系數(shù)。、總結(jié)與心得通過(guò)對(duì)該作品的制作，了解了各個(gè)模塊之間相互協(xié)同工作的重要性，初步掌握如何控制好各個(gè)模塊之間的關(guān)系。通過(guò)對(duì)探測(cè)傳感器的使用，了解了傳感器在設(shè)計(jì)中的重要作用，有益于對(duì)傳感器的進(jìn)一步學(xué)習(xí)。本次電子綜合實(shí)踐也鍛煉了我們的動(dòng)手能力，但最重要的是鍛煉了如何解決問(wèn)題的能力。參考文獻(xiàn)：1、胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社

15、，20052、閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，20013、童詩(shī)白 華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，20014、郁有文等.傳感器原理及工程應(yīng)用.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008附件一：參考程序如下：16#include #define segport0 p2#define segport1 p0#define motor_port p3#define front_sensor p1_4#define back_sensor p1_5#define start_button p1_7#define stop_time 8 /卸水延時(shí)#define t_h (65

16、536-50000)/256#define t_l (65536-50000)%256/電機(jī)操作指令#define stop_motor 0x00#define run_forward 0x05#define run_back 0x0aunsigned char code disptab=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40;/顯示譯碼unsigned char count=0;/中斷計(jì)數(shù)unsigned char min=0;unsigned char sec=0;unsigned char min_s;unsigned

17、 char sec_s;unsigned char success=0; /完成階段標(biāo)志bit input;bit direction=0;bit showflag=1;/*延時(shí)1ms*/void delay_ms(void)unsigned char i,j;for(i=5;i0;i-)for(j=98;j0;j-);/*延時(shí)n個(gè)ms*/void delay_nms(unsigned int t)for(;t0;t-)delay_ms();/*定時(shí)器初始化*/void timer_init()th0=t_h;tl0=t_l;tmod=0x01;et0=1;ea=1;tr0=0;/并不啟動(dòng)定時(shí)

18、器/*外圍硬件初始化*/void device_init()count=0;min=0;sec=0;success=0;direction=0;showflag=1;segport0=disptabsec%10;/顯示初始化值segport1=disptabmin%10;p3=stop_motor; /停止馬達(dá)/*時(shí)鐘中斷子程*/void timer() interrupt 1 th0=t_h;tl0=t_l;count+;if(showflag=1)segport0=disptabsec%10;segport1=disptabmin%10;if(count=20)count=0; sec+;

19、 if(sec=10) sec=0;min+;if(min=10)min=0;/*主函數(shù)*/void main(void)device_init();timer_init();/檢測(cè)啟動(dòng)按鍵是否按下while(1)start_button=0;input=start_button;if(input)delay_nms(5);input=start_button;if(input)success=1;direction=0;break;tr0=1;delay_nms(1000);/待命延時(shí)motor_port=run_forward;/檢測(cè)start 鍵完成啟動(dòng)馬達(dá)前進(jìn)delay_nms(1000);/屏蔽起始黑線的檢測(cè)while(1) switch(success) case 1: front_sensor=0; /檢測(cè)前面的傳感器if(front_sensor=1)/已經(jīng)檢測(cè)到前面?zhèn)鞲衅鬟^(guò)線 則開(kāi)始檢測(cè)后面的傳感器success=(direction)? 0:2;if(success=0)/返回時(shí) 前輪過(guò)線 則停止 motor_port=stop_motor; tr0=0; else success=direction? 1:1;break