西安交通大學(xué)agv設(shè)計(jì)自動(dòng)循跡代步輪椅設(shè)計(jì)使用說(shuō)明

1、I動(dòng)循跡代步輪椅也逞曾匚L - I£機(jī)自16班 機(jī)械部分 王劍虹2110101145 電路部分 侶昶 2110302019軟件部分 羅運(yùn)運(yùn)211010114112目錄1、概述1.1總體概述1.2市場(chǎng)背景1.3適用人群2、機(jī)械部分2.1設(shè)計(jì)要求2.2具體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)件選擇2.2.1車(chē)架設(shè)計(jì)2.2.1.1前車(chē)架設(shè)計(jì)2.2.1.2后車(chē)架設(shè)計(jì)2.2.2電機(jī)選擇2.2.3后輪選擇2.2.4前輪選擇2.3可靠性分析3、控制電路部分9.3.1主芯片選擇3.2位置檢查模塊12.3.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選擇1.34 .系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)1.84.1應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì).18.4.2軟件測(cè)試1.&4.3電機(jī)選

2、擇2Q.4.4輪椅轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)264.5具體程序代碼28.參考文獻(xiàn)37.1、概述1.1總體概述自動(dòng)循跡代步輪椅是一款輔助老人、殘疾人士出行的自動(dòng)循跡電動(dòng)輪椅。其整體外觀如 圖1.1所示。其設(shè)計(jì)思想是使用光電循跡原理，結(jié)合軟件編程，機(jī)械控制等方法，達(dá)到自動(dòng) 循跡的效果。此產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中綜合了機(jī)電一體化設(shè)計(jì)思想，將機(jī)械和電子有機(jī)結(jié)合起來(lái),用電子輔助機(jī)械，使在功能不變的前提下結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，運(yùn)作可靠。產(chǎn)品的設(shè)計(jì)從用戶(hù)角度出發(fā)，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)得人性化。材結(jié)構(gòu)，保證強(qiáng)度的前提下,本產(chǎn)品使用電瓶作為動(dòng)力，能源清潔，獲取方便。車(chē)架選用鋼 使結(jié)構(gòu)緊湊可靠。輪胎使用實(shí)心橡膠輪胎，減震性能良好，避免用戶(hù)充氣的麻煩。1

3、*圖1.1自動(dòng)循跡輪椅整體外觀1.2背景市場(chǎng)隨著能源短缺和環(huán)保需要，電動(dòng)車(chē)所占的比重越來(lái)越大。 相對(duì)傳統(tǒng)機(jī)車(chē)，電動(dòng)車(chē)擁有結(jié)1.2。構(gòu)簡(jiǎn)單，能源清潔，重量輕，運(yùn)行可靠，維修方便，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了機(jī)電一體化設(shè)計(jì)思路，使機(jī)械與電子部分充分結(jié)合起來(lái)，機(jī)電一體化設(shè)計(jì)模式見(jiàn)圖圖1.2機(jī)電一體化設(shè)計(jì)模式簡(jiǎn)介近幾年，電動(dòng)輪椅也逐步發(fā)展起來(lái)，并且逐年改進(jìn)，功能越來(lái)越完善?？梢?jiàn)在電動(dòng)輪椅使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)這個(gè)方向是很有市場(chǎng)前景的。 本產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)上對(duì)普通電動(dòng)輪椅進(jìn)行了優(yōu)化,行可靠。在功能上加入了自動(dòng)循跡功能，主要使用對(duì)象是不能自主活動(dòng)的老人，病人和殘疾 人。對(duì)比老式電動(dòng)輪椅，本產(chǎn)品主要有以下優(yōu)點(diǎn):1 ）

4、、結(jié)構(gòu)更加輕便、可靠;2）、設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了機(jī)電一體化設(shè)計(jì)思想，用電子控制機(jī)械，使功能更加齊全，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;3）、加入了自動(dòng)循跡功能，特別適合用于醫(yī)院，療養(yǎng)院，養(yǎng)老院使用;4 ）、電機(jī)，電瓶等部件使用標(biāo)準(zhǔn)件，維修方便，價(jià)格低廉;1.3適用人群本產(chǎn)品主打功能是自動(dòng)循跡功能，即不需要外部人員和乘坐者的操作便可以循著事先規(guī) 劃好的路線前進(jìn)，到達(dá)標(biāo)準(zhǔn)位置停下，返回等過(guò)程。適合用于醫(yī)院，療養(yǎng)院，養(yǎng)老院使用。而在使用本產(chǎn)品后， 一名護(hù)士未至于本產(chǎn)品時(shí)，一個(gè)護(hù)士或者工作人員只能照看一個(gè)病人,可以同時(shí)照看多名病人。 每位病人的輪椅按著事先安排好的路線前進(jìn)，在病人運(yùn)輸，休閑散 步等方面有著極大優(yōu)勢(shì)。相信本產(chǎn)品能為

5、這些事業(yè)帶來(lái)極大的方便。2、機(jī)械設(shè)計(jì)部分2.1設(shè)計(jì)要求本產(chǎn)品要實(shí)現(xiàn)的功能主要有1 ）、能載人正常行走，遇到緊急情況能安全停車(chē);2 ）、給老人、病人、殘疾人使用，要求避震效果好;3 ）、能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡功能;4 ）、結(jié)構(gòu)合理，安全可靠;因此具體的設(shè)計(jì)要求如下:1 ）、能載重80kg以上，主要受力機(jī)構(gòu)應(yīng)力不超過(guò)需用值，保證一定的安全系數(shù)，變形 不查過(guò)許用值;2 ）、通過(guò)對(duì)測(cè)得電路的分析，機(jī)械部分接受到電路部分的控制后能正確實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，后 退，轉(zhuǎn)彎，停車(chē)等功能;3 ）、有良好避震功能;4 ）、為方便攜帶和搬運(yùn)，重量不超過(guò)70kg ；22具體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和標(biāo)準(zhǔn)件選擇2.2.1車(chē)架設(shè)計(jì)為達(dá)到良好的避震效果， 車(chē)

6、架分為前后兩個(gè)部分， 前后兩車(chē)架使用螺栓和減震機(jī)構(gòu)進(jìn)行連接。連接情況如圖1.3所示。<r/ a圖1.3車(chē)架總體結(jié)構(gòu)2.2.1.1前車(chē)架設(shè)計(jì)材料為前車(chē)架的主要結(jié)構(gòu)如圖1.4所示。前車(chē)架設(shè)計(jì)中重要使用了標(biāo)準(zhǔn)的方鋼和圓管,低碳鋼，通過(guò)焊接的方式進(jìn)行連接。為保證強(qiáng)度和足夠空間，前車(chē)架采用雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。車(chē)架前方伸出圓管為連接腳踏板用。前車(chē)架通過(guò)螺栓與后車(chē)架和減震機(jī)構(gòu)連接。側(cè)邊的圓環(huán)是連接扶手和前車(chē)輪用。圖1.4前車(chē)架結(jié)構(gòu)展示2.2.1.2后車(chē)架設(shè)計(jì)后車(chē)架主要使用標(biāo)準(zhǔn)圓管焊接而成，主要結(jié)構(gòu)如圖1.5所示。前方通過(guò)螺栓與前車(chē)架連接，中間圓鋼與電機(jī)連接， 圓鋼上焊接的方塊用于電機(jī)的定位。中間中空的部位用

7、于放置電瓶，為保證足夠運(yùn)行時(shí)間和路程，預(yù)留了較大空間來(lái)存放大容量的電瓶。后方伸出的部分用 于安裝防傾倒的后輪。圖1.5后車(chē)架結(jié)構(gòu)示意圖12v電壓。電機(jī)和減速2.2.2電機(jī)選擇計(jì)算電機(jī)所需轉(zhuǎn)速和扭矩，考慮減速器減速比，選擇直流電機(jī), 器外觀如圖1.6所示。0尸,圖1.6電機(jī)及減速器外形展示2.2.3后輪選擇考慮到電機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩，所需的運(yùn)行速度為10km/h，有良好的減震性能。選擇14寸實(shí)心橡膠輪作為驅(qū)動(dòng)后輪。外形如圖1.7所示。輪轂為鋁合金材質(zhì)，輪胎為實(shí)心橡膠。后輪為驅(qū)動(dòng)輪，通過(guò)兩個(gè)后輪的轉(zhuǎn)速差來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。選用實(shí)心橡膠輪胎在保證良好避震性能的前提下避免了用戶(hù)充氣的麻煩。圖1.7后輪外形圖2.2.

8、4前輪選擇前輪選擇8寸萬(wàn)向輪，材質(zhì)為塑料和橡膠。在后輪的驅(qū)動(dòng)下，前輪隨著轉(zhuǎn)向。外形如圖1.8所示。2.3可行性分析取前車(chē)架和后車(chē)架主要部件進(jìn)行受理分析，受力分析報(bào)告見(jiàn)附錄。滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。3.控制電路的設(shè)計(jì)控制電路作為控制程序的載體，主要分為主控芯片、位置檢測(cè)模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。3.1主控芯片的選擇經(jīng)小組討論，我們決定采用技術(shù)成熟且被廣泛使用的80C51單片機(jī)。80C51單片機(jī)屬于MCS-51系列單片機(jī)，由In tel公司開(kāi)發(fā)，其結(jié)構(gòu)是8048的延伸，改進(jìn)了 8048的缺點(diǎn),增加了如乘（MUL ）、除（DIV ）、減（SUBB ）、比較（CMP ）、16位數(shù)據(jù)指針、布爾代數(shù) 運(yùn)算等指令，以及串行

9、通信能力和 5個(gè)中斷源。采用40引腳雙列直插式 DIP（ Dual In LinePackage），內(nèi)有128個(gè)RAM 單元及4K的ROM。80C51有兩個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，兩個(gè)外中斷，兩個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)中斷，及一個(gè)串行中斷，并有4個(gè)8位并行輸入口。 80C51內(nèi)部有時(shí)鐘電路，但需要石英晶體和微調(diào)電容外接。由于80C51的系統(tǒng)性能滿(mǎn)足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及以下時(shí)間精度的要求，而且產(chǎn)品產(chǎn)量豐富來(lái)源廣，應(yīng)用也很成熟，故采用來(lái)作為控制核心。對(duì)其管腳進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。Vss（20腳）:接地Vcc （40腳）：主電源+5VXTAL1 （19 腳）用外部時(shí)鐘時(shí)，對(duì)于為驅(qū)動(dòng)端。XTAL2 （ 18 腳）Tif>i.a

10、|TT2£XiPkl7PtM巨P1.5TPl iyP"叵 ”眶 p«-y ftST叵"C-Fa.lpii'PTlaj 徑7g-TP3-3p5TCVPH 叵71'P3 5Q對(duì)即戸K5ZJ_2 匹 >LM空C-JMi'k-_IIM=FWXMWs回VccFC l AOaPCi 問(wèn)PC !.-AWFC d 'TOPC_m心FC日心PC Ti'Wl?PZ TfAliPZ.Sf'AliPZJ'AUFi 3' ArP22'A1O<P2.yfi£圖3.1 80C51管腳圖:接外

11、部晶體的一端。在片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸入端。在采HMOS單片機(jī)，該端引腳必須接地；對(duì)于 CHMOS單片機(jī)，此引腳作:接外部晶體的另一端。在片內(nèi)它是一個(gè)振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率是晶體振蕩頻率。若需采用外部時(shí)鐘電路，對(duì)于HMOS單片機(jī)，該引腳輸入外部時(shí)鐘脈沖；對(duì)于 CHMOS單片機(jī)，此引腳應(yīng)懸浮。24RST （9腳）：?jiǎn)纹瑱C(jī)剛接上電源時(shí)，其內(nèi)部各寄存器處于隨機(jī)狀態(tài)，在該腳輸入個(gè)時(shí)鐘周期寬度以上的高電平將使單片機(jī)復(fù)位（RESET）PSEN （29腳）：在訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器時(shí)，此端輸出負(fù)脈沖作為存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。CPU在向片外存儲(chǔ)器取指令期間，PSEN信號(hào)在12個(gè)時(shí)鐘周期中兩

12、次生效。不過(guò)，在訪問(wèn)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效PSEN信號(hào)不出現(xiàn)。PSEN端同樣可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。我們根據(jù)PSEN、ALE和XTAL2輸出端是否有信號(hào)輸出，可以判別80C51是否在工作。ALE/PROG （ 30腳）：在訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器時(shí)，此端輸出負(fù)脈沖作為存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。CPU在向片外存儲(chǔ)器取指令期間，PSEN信號(hào)在12個(gè)時(shí)鐘周期中兩次生效。不過(guò)，在訪問(wèn)片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效PSEN信號(hào)不出現(xiàn)。PSEN端同樣可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。我們根據(jù) PSEN、ALE和XTAL2輸出端是否有信號(hào)輸出，可以判別80C51是否在工作。EA/VPP （31腳）：當(dāng)EA端輸入高電平時(shí)，C

13、PU從片內(nèi)程序存儲(chǔ)器地址 0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。當(dāng)?shù)刂烦?KB時(shí)，將自動(dòng)執(zhí)行片外程序存儲(chǔ)器的程序。當(dāng)EA輸入低電平時(shí)，CPU僅訪問(wèn)片外程序存儲(chǔ)器。在對(duì)87C51EPROM 編程時(shí)，此引腳用于施加編程電 壓 VPP。輸入/輸出引腳:(1)P0.0 -P0.7 (39 腳一32 腳)(2)P 1.0 -P 1.7（1腳一8腳）(3)P2.0 -P2.7（26 腳一21 腳）(4)P3.0 -P 3.7（10 腳一17 腳）X1 I_CRYSTAL191829303TU1XTAL1XTAL2RSTP SEN ALE EAP0.0/AD0 P0.1/AD1P0.2/AD2P0.3/AD3P0.

14、4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6P0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P 2.2/A10P 2.3/A11P 2.4/A12P 2.5/A13P 2.6/A14P 2.7/A15GND38SEN2/37SEN3/39 sent /36 5 34 r 32_2122 23 24F262728L IN22匕IN33.IN44L ENA5L ENB6Z8111 11 111P 3.0/RXDP 3.1/TXDP 3.2/INT0P3.3/lNTrP 3.4/T0P3.5/T1 P3.6/WR P 3.7/RD10T4話(huà)26T780C51圖3.2主控芯片外圍電路主控芯片選擇完畢后， 還

15、需對(duì)其外接電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。 外接電路要與電機(jī)控制模塊和位置檢測(cè)模塊相適應(yīng)，同時(shí)一些基本的電路如晶振的接法和頻率的選擇,則參照有關(guān)資料進(jìn)行連接。下面結(jié)合實(shí)際電路來(lái)介紹一下。每個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，全稱(chēng)是叫晶體震蕩器，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振的作用非常大,他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路， 產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的，晶振的提供的時(shí)鐘頻率越高，那單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。其實(shí)晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作,以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。在通常工作條件下， 普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬(wàn)分之五十。高級(jí)的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范

16、圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱(chēng)為壓控振蕩器（VCO ）。晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。 有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過(guò)電子調(diào)整頻率的方法保持同步如上圖所示，給單片機(jī)加上晶振X1，查閱單片機(jī)資料。將其頻率調(diào)到22MHz 。RC復(fù)位電路的工作原理是，上電前電容里的電荷放光，上電瞬間，電源通過(guò)電阻向電容充電，在充電過(guò)程中，RESET的電壓慢慢上升，對(duì)外部電路進(jìn)行復(fù)位，當(dāng)RESET上升到復(fù)位高電平時(shí)，外部系統(tǒng)開(kāi)始工作。 這里存在兩個(gè)問(wèn)題， 一個(gè)是必須合理選擇電阻和電容的值否則復(fù)位時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短都不能滿(mǎn)足要求，第二個(gè)問(wèn)題是當(dāng)系統(tǒng)正常復(fù)位后在工作狀態(tài)

17、下,電源突然有一個(gè)較短時(shí)間的大幅度抖動(dòng)。因此設(shè)計(jì)復(fù)位電路主要考慮這兩個(gè)問(wèn)題來(lái)選取 電阻電容值。P1.0 P 1.5與L298N 使能端和輸入端相連，P0.0 P0.2因?yàn)橛蠥D轉(zhuǎn)化功能,所以用來(lái)與光電檢測(cè)器相連，接受位置信號(hào)。2.2位置檢測(cè)模塊位置檢測(cè)采用反射式光電傳感器。其原理如下:圖3.3 TCRT5000及其信號(hào)放大電路光電傳感器由兩部分組成，一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光敏二極管。 給發(fā)光二極管通電, 使其發(fā)光。若檢測(cè)到黑線，則發(fā)出的光被黑線吸收，光敏二極管接收不到反射回來(lái)的光,OUT端輸出則為低電平。反之則為高電平。我們通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，了解到 TCRT5000比較常用，且性能可以滿(mǎn)足需求，所以

18、決定采用TCRT5000作為位置檢測(cè)傳感器。以下為它的基本參數(shù):光學(xué)-反射式-模擬輸出檢測(cè)距離：0.591" (15mm)檢測(cè)方法：反射電壓-集電極發(fā)射極擊穿(最大)：70V電流-集電極(Ic)(最大):100mA電流-DC 正向(If): 60mA輸出類(lèi)型：光電晶體管工作溫度：-25 °C85 °C考慮到控制系統(tǒng)和整體性能，我們決定采用三個(gè)TCRT5000檢測(cè)位置。有關(guān)TCRT5000個(gè)數(shù)選擇，在控制算法設(shè)計(jì)中進(jìn)行具體介紹。2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的選擇經(jīng)討論，我們決定選擇 L298N芯片對(duì)兩個(gè)直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊具有以下特點(diǎn)：1.可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)

19、及調(diào)速;2.啟動(dòng)性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩答;3.工作電壓可達(dá)到 36V，4A ；4.可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。L298N 是SGS公司的產(chǎn)品，即是15腳Multiwatt 封裝的。內(nèi)部包含 4通道邏輯驅(qū)因采用單個(gè)直流電機(jī)動(dòng)電路，可以方便的驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。動(dòng)，故設(shè)計(jì)成單直流雙橋合并電路。暑促電壓最高可達(dá) 50V ,可以直接通過(guò)電源來(lái)節(jié)輸出電壓，而且可以直接用單片機(jī)的10 口提供信號(hào)，而且電路簡(jiǎn)單，使用方便。L298N使能端為高電平使能，使能端EN1、EN2可以接I/O 口控制也可直接接源正一直使能，至于使能端是接固定電平還是接I/O 口，視具體情況而定，若I/O 口資源夠用可接I/O

20、口控制，若不夠用，可直接接高電平。同時(shí)，控制電機(jī)的PWM 脈沖也可以從兩個(gè)使能端輸入，那么四個(gè)輸入引腳IN1、IN2、IN3、IN4只需設(shè)置為相應(yīng)的高低電平可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，假如 IN1給固定高電平，IN2給固定低電平電機(jī)正轉(zhuǎn),那么IN1給低IN2給高就可實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn),IN3、IN4 同理。L298N的基本參數(shù)如下:類(lèi)型：半橋輸入類(lèi)型：非反相輸出數(shù)：4電流-輸出/通道：2A電流-峰值輸出：3A電源電壓 :4.5 V - 46 V工作溫度：-25 °C - 130 °C安裝類(lèi)型：通孔封裝/外殼：Multiwatt-15 （垂直，彎曲和錯(cuò)列引線）供應(yīng)商設(shè)備封裝：15-Multi

21、watt包裝：管件器件型號(hào)L298N制造商 STMicroelectronics產(chǎn)品型號(hào) Motion Motor ControlQjftVrfT 3如辱曲WIRTMomvriHPi.JTlEJU0UEDWPLTT JI DOC 空jPPi 科 g TA<3f ”匕OSOWPJTJ肌 PL 11CfUrjl2OhfKJl I應(yīng)砂E牯rs&哮1N0A圖3.4 L298N管腳圖上圖是L298N的管腳圖VSS:芯片電壓5V。VCC :電機(jī)電壓,最大可接50V。GND :共地接法。OUT1OUT4 :輸出端，接電機(jī)。ENA、ENB :高電平有效， ENA、ENB分別為IN1和IN2、IN

22、3和IN4的使能端。IN1 IN4 :輸入端，輸入端電平和輸出端電平是對(duì)應(yīng)的。我們使用的是兩個(gè)直流電機(jī)，其接線示意圖如下:7CCMortalirrjoirrzOUT?tm拄首片機(jī)訊1 ” 捷單呂執(zhí) EAA 高見(jiàn)乎-方註* 捲單片機(jī)EKE,圖3.5直流電機(jī)與L298N接線示意圖L298還提供了兩個(gè)負(fù)載電流的由于電機(jī)是感性負(fù)載，所以需要在L298的輸出端接四個(gè)快速二極管IN5822組成續(xù)流電路，將電機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電流消耗，防止對(duì)電路產(chǎn)生影響。反饋引腳：1腳和15腳，將它們同時(shí)接一個(gè) 0.1歐姆，12W的電流檢測(cè)電阻，再接地,此時(shí)就可以通過(guò)對(duì)1腳或者15腳進(jìn)行A/D采樣，來(lái)得到電路中負(fù)載電流， 實(shí)現(xiàn)恒

23、流控制。L298有4腳（VS）和9腳（VSS）兩個(gè)電源引腳，4腳為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源輸入端，該電壓需9腳為芯片工作電壓輸入端。要比9腳輸入電壓大，否則將會(huì)影響芯片的正常工作，而+5Vvcc8U5:A<JD5OUT1VCCSEN112LM3926TU41D4$ D3GND+5VVCCVCCD10i i1N41481N41482D9OUT14VSOUT3OUT2OUT1R310kU2亠OUT2D8iD7GNDOUT3OUT41314OUT3OUT4C1C2U175D11N414822PFC31nF29WI N1TNT5IN1VCCIN1IN2IN3IN4ENAENBSENSAGNDSENSBSEN

24、21+5V48U5:AR610kU66|XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4P0.5/AD5P0.6/AD6RSTP0.7/AD7P2.0/A8P2.1/A9P2.2/A10PSENP2.3/A11ALEP2.4/A12EA-P2.5/A13P2.6/A14P2.7/A15P1.0P3.0/RXDP1 1P3.1/TXDP1.2P3.2/IN"P1.3P3.3/INIIP1.4P3.4/T0P1.5P3.5/T1P1.6P3.6/WP1.7P3.7/rL91013239SEN1 HSEN3SEN3圖3.6控制電路總圖+5

25、VU8:AR8U76812LM39251-nPN以上是控制電路的總圖。為了精簡(jiǎn)起見(jiàn)，采用總線將各部分連接起來(lái)。4 .系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)根據(jù)具體要求現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，確定單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)地目標(biāo),確定系統(tǒng)的功能與性能。 系統(tǒng)的功能主要有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、輸出控制等，每一功能又細(xì)分若干子功能。比如，數(shù)據(jù)采集可分為模擬信號(hào)采集和數(shù)字信號(hào)采樣,數(shù)據(jù)處理可分為預(yù)處理、功能性處理、抗干擾處理等子功能；輸出控制按對(duì)象不同可分為各種控制功能,如機(jī)電控制、D/A轉(zhuǎn)換控制，數(shù)碼管顯示控制等。系統(tǒng)功能主要由控制精度、 速度、功耗、體積、重量、價(jià)格、可靠性的技術(shù)指標(biāo)來(lái)衡量。而一旦這些指標(biāo)一旦確定下來(lái)，

26、整個(gè)系統(tǒng)將在這些標(biāo)定下進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的速度、功耗、體積、重量、價(jià)格、可靠性的等指標(biāo)會(huì)左右系統(tǒng)軟硬件的功能劃分。4.1應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)用軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能進(jìn)行設(shè)計(jì)的，應(yīng)盡可能的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能,般應(yīng)用軟件應(yīng)具有:軟件結(jié)構(gòu)清洗，簡(jiǎn)捷，流程合理。各功能程序事先模塊化、系統(tǒng)化。這樣既便于調(diào)試、連接，又便于移植、修改和維護(hù)。程序存儲(chǔ)區(qū)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)規(guī)劃合理，既能節(jié)約存儲(chǔ)容量，又能給程序的設(shè)計(jì)與操作帶來(lái)方便。運(yùn)行程序?qū)崿F(xiàn)標(biāo)志化管理。各個(gè)功能程序運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行結(jié)果以及運(yùn)行需求都設(shè)置標(biāo)志狀態(tài)設(shè)置標(biāo)志位以便于檢查，程序的轉(zhuǎn)移、運(yùn)行、控制都可通過(guò)狀態(tài)標(biāo)志來(lái)控制。經(jīng)過(guò)調(diào)試修改后的程序應(yīng)該進(jìn)行規(guī)范化, 除去修改痕跡。

27、規(guī)范化的程序便于交流、借鑒，也為軟件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化打下基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)全面軟件抗干擾設(shè)計(jì)。軟件抗干擾是計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提高可靠性的有力措施。為提高運(yùn)行的可靠性，在軟件中設(shè)置自診斷系統(tǒng)，在系統(tǒng)運(yùn)行前先運(yùn)行自診斷程序, 以檢查系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)是否正常。4.2軟件調(diào)試421軟件調(diào)試過(guò)程軟件調(diào)試是通過(guò)對(duì)用戶(hù)程序的匯編、連接、執(zhí)行來(lái)發(fā)現(xiàn)程序中存在的語(yǔ)法錯(cuò)誤與邏輯錯(cuò) 誤并加以排除糾正的過(guò)程。圖4-1軟件調(diào)試過(guò)程圖4.2.2軟件調(diào)試一般方法先獨(dú)立后聯(lián)機(jī)軟件是硬件的靈魂，沒(méi)有軟件系統(tǒng)將無(wú)法工作；同時(shí)大多數(shù)軟件的運(yùn)行又依賴(lài)于硬件,當(dāng)軟件測(cè)試參數(shù)進(jìn)行事務(wù)處理時(shí)，往往是和硬件無(wú)關(guān)的，即這樣可以通過(guò)對(duì)用戶(hù)程序的仔細(xì) 分析，把

28、與硬件無(wú)關(guān)的、功能相對(duì)獨(dú)立的程序抽取出來(lái)，形成與硬件無(wú)關(guān)和依賴(lài)硬件的兩大 類(lèi)用戶(hù)程序塊。在具有交叉匯編軟件或主機(jī)聯(lián)機(jī)仿真的基礎(chǔ)上，形成與硬件無(wú)關(guān)的程序調(diào)試與硬件同步進(jìn)行，以提高軟件調(diào)試速度。當(dāng)與硬件無(wú)關(guān)的程序塊全部調(diào)試完且用戶(hù)系統(tǒng)調(diào)試也已完成以后,可以將仿真機(jī)與主機(jī)、用戶(hù)系統(tǒng)連接，進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，先對(duì)依賴(lài)于硬件的程序塊進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試成功后,再進(jìn)行兩大程序的有機(jī)結(jié)合及總調(diào)試。先分塊后組合如果系統(tǒng)的用戶(hù)規(guī)模較大， 任務(wù)較多，那么即使先行將用戶(hù)程序分為與硬件無(wú)關(guān)和依賴(lài)于硬件兩部分，如果這兩部分程序依舊較為龐大的話(huà)，采用順序從頭到尾的調(diào)試方法既浪費(fèi)時(shí)間又不易進(jìn)行錯(cuò)誤性定位，所以常規(guī)的調(diào)試方法都是分別對(duì)兩

29、類(lèi)程序塊進(jìn)一步采用分模塊調(diào)試，以提高軟件調(diào)試的有效性。每個(gè)程序模塊調(diào)試完畢后， 將相互關(guān)聯(lián)的程序模塊組合起來(lái)加以調(diào)試,以解決在程序模塊連接中可能出現(xiàn)的邏輯錯(cuò)誤， 對(duì)所有程序模塊的整體組合是在系統(tǒng)聯(lián)調(diào)中進(jìn)行得。由于各個(gè)程序模塊已通過(guò)調(diào)試排除了內(nèi)部錯(cuò)誤，所以軟件總體調(diào)試的錯(cuò)誤就大大減少了,而調(diào)試成功可能性就大大的提高了。先單步后連續(xù)調(diào)試好程序模塊的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)對(duì)錯(cuò)誤的正確定位。準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)程序中錯(cuò)誤的最有效的方法是采用單步加斷點(diǎn)運(yùn)行的方法調(diào)試程序。單步運(yùn)行可以了解被調(diào)試程序中每條指令被執(zhí)行的情況，分析指令的運(yùn)行結(jié)果可以知道該指令的正確性,并且進(jìn)一步了解是硬件電路錯(cuò)誤、數(shù)據(jù)錯(cuò)誤還是程序設(shè)計(jì)錯(cuò)誤等引起該指令

30、的執(zhí)行錯(cuò)誤，從而發(fā)現(xiàn)和排除錯(cuò)誤。但是所有程序都單步運(yùn)行的方式查找錯(cuò)誤，是一件費(fèi)時(shí)又費(fèi)力的工作，所以為了提高調(diào)這樣做到調(diào)試的快捷和準(zhǔn)確。試效率，一般采用先使用斷電運(yùn)行的方式來(lái)精確定位錯(cuò)誤所在,有些實(shí)時(shí)性操作利用單步運(yùn)行方法無(wú)法調(diào)試，必須采用連續(xù)運(yùn)行方法進(jìn)行調(diào)試，為了提高對(duì)錯(cuò)誤的定位，可使用連續(xù)加斷點(diǎn)運(yùn)行方式調(diào)試這類(lèi)程序，即利用斷點(diǎn)定位的改變，一步 步縮小范圍，直至最終確定出錯(cuò)誤位置并加以排除。423系統(tǒng)聯(lián)調(diào)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)是讓用戶(hù)系統(tǒng)的軟件在其硬件上運(yùn)行,進(jìn)行軟、硬件聯(lián)合調(diào)試，從而發(fā)現(xiàn)硬件故障錯(cuò)誤或軟、硬件設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。系統(tǒng)聯(lián)調(diào)主要解決以下問(wèn)題:系統(tǒng)軟硬件是否能按預(yù)定的要求配合工作;系統(tǒng)運(yùn)行中是否有潛在的設(shè)

31、計(jì)時(shí)難以預(yù)料的錯(cuò)誤;系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求;4.3電機(jī)的選擇常用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)有步進(jìn)驅(qū)動(dòng)、伺服驅(qū)動(dòng)、變頻驅(qū)動(dòng)，其中伺服驅(qū)動(dòng)又分為開(kāi)環(huán)、半閉環(huán)、閉環(huán)系統(tǒng)。圖4-2開(kāi)環(huán)系統(tǒng)流程圖圖4-4閉環(huán)系統(tǒng)流程圖4.3.1步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)技術(shù)它的步進(jìn)電機(jī)是一種將數(shù)字式電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移或線位移的機(jī)電元件。機(jī)械位移與輸入的數(shù)字脈沖信號(hào)有著嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即一個(gè)脈沖信號(hào)可使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)前進(jìn)一步，又由于它的輸入信號(hào)為脈沖電壓，因此又被稱(chēng)作脈沖電動(dòng)機(jī)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作 為數(shù)字控制系統(tǒng)的佳配，它是一種比較理想的執(zhí)行元件。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)是典型的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，主要用于位置或角位移變化的運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域。圖4-5

32、步進(jìn)電機(jī)選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要特點(diǎn)：位置控制，成本較低。Vi,控制器腳冷號(hào)IIIIIIill三工步逬電機(jī)環(huán)行方向信號(hào)分電胳11:A1功率 "K大B-3IIIIIIII圖4-6步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器432變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)連續(xù)、精確地復(fù)現(xiàn)輸變頻控制系統(tǒng)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械平臺(tái)或回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的速度的自動(dòng)、 入指令信號(hào)的變化規(guī)律的自動(dòng)控制系統(tǒng)。圖4-7變頻器通用系統(tǒng)框圖整流器：將交流電變換成直流的電力電子裝置，其輸入電壓為正弦波， 輸入電流非正弦，帶有豐富的諧波 。逆變器：將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的電力電子裝置，其輸出電壓為非正弦波， 輸出電流近似正弦。變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要用于轉(zhuǎn)速或頻率變化的節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域。50HZ

33、*2空20圖4-8雙極性SPWM回路iliiiTi!圖4-9輸出電壓波示意圖變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的主要特點(diǎn)：速度控制，成本適中。4.3.3伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)方伺服控制系統(tǒng)是一種能夠準(zhǔn)確、快速和穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)機(jī)械平臺(tái)或回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的位置、（或給定值）的任意變化位、速度、轉(zhuǎn)矩或者其它機(jī)械狀態(tài)的輸出被控量跟隨輸入目標(biāo)值的自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要用于速度、位置和轉(zhuǎn)矩變化的全閉環(huán)準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域。伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的主要特點(diǎn)：速度、位置和轉(zhuǎn)矩的全閉環(huán)控制，成本較高。步謹(jǐn)電機(jī)腿諭fl逓伺劇電機(jī)租交茨解電機(jī)皤動(dòng)力拒范a中小力!&fe在鄧F6VF】小.申、大，全!E0B35范58低LiS在rOWRPM 如勸拒電PW吁 lO

34、OCrPXn高何達(dá)j啊冊(cè)山S滝伺ffi電枇可達(dá)卜】萬(wàn)薦分観S萬(wàn)Sies&af?s事澤化書(shū)S化fms方式aa方s平郵左低速時(shí)育振軸但用細(xì)幷型蘢動(dòng) 器則可明S改善i8,運(yùn)行平淆S（具悻養(yǎng)瘠SSSBBW誹承«a時(shí)，力矩下歸快力距刪好刪轉(zhuǎn)険a栽特性titt時(shí)主先步同卜岡信atfe底時(shí)gtanrt炒助fWE制，也可攥粥 備防止先步間祐益aiggas響38-K耐振動(dòng)»般航轉(zhuǎn)孌圧器型可耐振珀溫升Sff溫度高-S;生護(hù)fe歸可帰歸較好低較ra圖4-10常用伺服裝置比較434電機(jī)控制方式選擇不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)控制用電動(dòng)機(jī)的性能密度的要求也有所不同。NC工作機(jī)械的進(jìn)給（1）對(duì)于起停頻率

35、低（如幾十次/分），但要求低速平穩(wěn)和扭矩脈動(dòng)小，高速運(yùn)行時(shí)振動(dòng)、噪聲小，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)均可穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的機(jī)械，如運(yùn)動(dòng)、機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，其功率密度是主要的性能指標(biāo);（2）對(duì)于起停頻率高（如數(shù)百次/分），但不特別要求低速平穩(wěn)性的產(chǎn)品，如高速打印機(jī)、繪圖機(jī)、打孔機(jī)、集成電路焊接裝置等主要的性能指標(biāo)是高比功率。(3) 在額定輸出功率相同的條件下，交流伺服電動(dòng)機(jī)的比功率最高、直流伺服電動(dòng)機(jī)次之、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最低。而我們的自動(dòng)循跡輪椅由于要求要有足夠的響應(yīng)速度,同時(shí)要能夠要有優(yōu)良的調(diào)速性能,并且在控制上能夠和軟件的設(shè)計(jì)進(jìn)行較好的結(jié)合，所以充分結(jié)合各種控制電機(jī)調(diào)速方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并且根據(jù)輪椅的能源裝置需要隨身攜

36、帶，只能采用類(lèi)似蓄電池式的能源裝置，我們選3個(gè)光電對(duì)管的控制形式，只設(shè)置定直流調(diào)速電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。為了便于控制，同時(shí)適應(yīng) 兩檔調(diào)速，實(shí)際情況可以增加多檔調(diào)速，同時(shí)將控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度提高以適應(yīng)變速過(guò)程。4.4輪椅轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)利用紅外式傳感器檢測(cè)地面上引導(dǎo)線的光強(qiáng)模擬信號(hào),3路模數(shù)轉(zhuǎn)換通道AD0AD2與各個(gè)紅外式傳感器的反射信號(hào)相連，通過(guò)80C51自身的AD轉(zhuǎn)換通道處理數(shù)據(jù)。反射后光的強(qiáng)弱是通過(guò)模擬電壓來(lái)表征的，每一個(gè)接收管都對(duì)應(yīng)了一個(gè)模擬電壓，將他們進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,并將所得的數(shù)值與每個(gè)光電管設(shè)置的閾值電平相比較,進(jìn)而判斷輪椅的行進(jìn)狀態(tài)是否需要改變，要進(jìn)行調(diào)整，將3個(gè)光電管同時(shí)位于檢測(cè)區(qū)，安

37、裝位置大致如圖4-11所示。位置狀態(tài)= 010位置狀態(tài) = 100位g我態(tài) = 001圖4-11輪椅檢測(cè)位置示意圖小車(chē)采用兩輪驅(qū)動(dòng)，其中使用L298是控制直流電機(jī)的專(zhuān)用集成芯片，它是雙H橋高電壓功率大電流功率集成電路，可驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電動(dòng)機(jī)等感性負(fù)載。L298可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)運(yùn)動(dòng),A組控制電機(jī)，B組控制另一個(gè)電機(jī)。 其中，ENA、IN1、IN2為L(zhǎng)298的A組輸入使能控制,IN1 與 IN2為輸入端，輸出端為0UT1、0UT2。當(dāng)ENA=1 ，IN1=1 ，IN2=0 時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn);ENA=1，IN1=0 ，IN2=1 時(shí),電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)；B組控制方式與A組是一樣的。反射式紅外二極管檢測(cè)地面引導(dǎo)線

38、,通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換得到一個(gè)值,反射光越強(qiáng)，值越大;反射光越小，值越小。程序開(kāi)始執(zhí)行時(shí),位置檢測(cè)裝置位于引導(dǎo)線上,測(cè)出引導(dǎo)線與地面背令狀態(tài)dStatue=1景值，求出平均值，作為閾值avg。規(guī)定：當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換的檢測(cè)值大于閾值, 若A/D轉(zhuǎn)換的檢測(cè)值小于閾值，令狀態(tài) dStatue=0用定時(shí)器1控制定時(shí)采樣輪椅的位置量，根據(jù)車(chē)的位置控制其運(yùn)動(dòng)， 程序流程圖如下:(a)主程序流程圖(c)定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程圖圖4-12系統(tǒng)控制流程圖具體程序代碼如下:#in clude<reg51.h>#defi ne TMOD_VALUE 0x20II定義C/t1的工作方式#defi ne TH1_VA

39、LUE 0xE6/定義TH1的值#defi ne TL1_VALUE 0xE6II定義TL1的值typ edef un sig ned char uchar;II留意空格uchar data value3 _at_ 0x40 ;uchar data adNum;IIAD通道號(hào)uchar data flagi;II完成3路數(shù)據(jù)采集，標(biāo)志=1uchar data flag2;II完成閾值計(jì)算，標(biāo)志=1uchar data avg;閾值uchar xdata adAddr;II定義ADC0809地址，假設(shè)為 0x2000uchar bdata dStatue=0;sbit dStatue_0=dSt

40、atue0;sbit dStatue_仁dStatueX;sbit dStatue_2=dStatue2;sbit P1_0=Piy； sbit P1_仁P "1;sbit P1_2=P1A2;sbit P1_3=PIA3； sbit P1_4=P 1人4;sbit P1_5=PIA5； void in iTimerl(void)TMOD=TMOD_VALUE;定時(shí)器1方式2TH1=TH1_VALUE;/定時(shí)器1預(yù)置數(shù)TL1=TL1_VALUE;/定時(shí)器1置重裝載數(shù)TR1=1;/啟動(dòng)定時(shí)器return;void coun t(void)avg=value0/2+value1/2;閾值

41、計(jì)算完flag2=1;return;void delay(void) / 延時(shí)uchar data i;while(i<5000)i+；return;void tur n( uchar x)/小車(chē)方向控制函數(shù)/左轉(zhuǎn)if(x=0)P1_3=1; P1_2=0; P1_4=0; P1_5=1;/ 使 L298 的 ENA=1 , ENB=1，右輪電機(jī)全速前進(jìn)while(1)P1_1=1; P1_2=0;/左輪半速前進(jìn)delayO;/延時(shí)P1_1= P1_1; P1_2= P1_2;/全速delay();if(x=1)/右轉(zhuǎn)P1_3=1; P1_2=0; P1_4=0; P1_5=1;/左輪電

42、機(jī)全速while(1)P1_4=1; P1_5=0;/左輪電機(jī)半速delayO;P1_1=0; P1_2=0;/左輪停轉(zhuǎn)P1_1= P1_1; P1_2=-P1_2;/全速delay();if(x=2)/前進(jìn)P1_3=1; P1_0=1;/ 使 L298ENA=1 , ENB=1 ;P1_1=1; P1_2=0;/左輪前進(jìn)P1_4=0; P1_5=1;/右輪前進(jìn)return;if(x=3)/停止P1_3=0; P1_0=0;/ 使 L298ENA=0 , ENB=0P1_4=0;P1_5=0;/ 右輪停轉(zhuǎn)return;void motorc on trol(uchar x)switch(x)c

43、ase O:tur n( 0);break;case 1:tur n( 1);break;case 2:tur n( 2);break;case 3:tur n( 3);break;void judge(void)if(valueO<avg)II小于閾值置位變量 dState 0=0elsedStatue_O=O;dStatue_0=1;/AD轉(zhuǎn)換值大于閾值，置位變量dState_0=1if(value1<avg)dStatue_O=O;elsedStatue_0=1;if(value2<avg)dStatue_O=O;elsedStatue_0=1;return;mai n

44、()in iTimer1();adNum=O;IT1=1;EA=1;EX1=1;ET1=1;flag1=0;flag2=0;motorco ntrol(2);adAddr=adNum;while(1)if(flag1=1)if(flag2=0)coun t();flag1=0;judgeO;switch(dStatue)case 0:motorc on trol(3);break;case 1:motorc on trol(1);break;case 2:motorc on trol(2);break;case 4:motorc on trol(0);break;default:motorc on trol(3);br