第六屆山東省高校機(jī)器人大賽技術(shù)報(bào)告書

第六屆山東省高校機(jī)器人大賽技術(shù)報(bào)告關(guān)于技術(shù)報(bào)告和研究論文使用授權(quán)的說明本人完全了解第六屆山東省高校機(jī)器人大賽關(guān)于保留、使用技術(shù)報(bào)告和研究論文的規(guī)定，即：參賽作品著作權(quán)歸參賽者本人，比賽組委會(huì)可以在相關(guān)主頁上收錄并公開參賽作品的設(shè)計(jì)方案、技術(shù)報(bào)告以及參賽機(jī)器人的視頻、圖像資料，并將相關(guān)內(nèi)容編纂收錄在組委會(huì)出版論文集中。參賽隊(duì)員簽名：指導(dǎo)教師簽名：日期：摘要本系統(tǒng)以設(shè)計(jì)題目的要求為基礎(chǔ)，采用8051單片機(jī)為控制核心，利用光電傳感器檢測道路上的障礙，控制電動(dòng)小汽車的自動(dòng)避障，快慢速行駛。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性能高。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果基本滿足要求，本文著重介紹了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方法及軟件的編寫。智能作為現(xiàn)代社會(huì)的新產(chǎn)物，是以后的發(fā)展方向，他可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)特定的環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，無需人為管理，便可以完成預(yù)期所要達(dá)到的或是更高的目標(biāo)。具有制作成本低廉，電路結(jié)構(gòu)簡單，程序調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。在備戰(zhàn)比賽的過程中，學(xué)院、老師和同學(xué)都給予了我們很大的幫助和鼓勵(lì)，在此謹(jǐn)表達(dá)對(duì)他們由衷的感謝。關(guān)鍵詞：智能小車；單片機(jī)；光電檢測；第一章引言-1-作品制作背景-1-設(shè)計(jì)要求-1-技術(shù)報(bào)告章節(jié)安排-1-第二章總體設(shè)計(jì)方案-2-設(shè)計(jì)思想-2-總體設(shè)計(jì)框圖-2-各模塊分析選擇-3-小車底盤分析-3-控制芯片的選擇-3-電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的分析與選擇-4-避障模塊的分析與選擇-4-智能小車最后方案-4-第三章系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)-5-單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-5-電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)-5-檢測電路的設(shè)計(jì)-6-電源的設(shè)計(jì)-6-第四章軟件設(shè)計(jì)-7-系統(tǒng)主程序流程圖-7-輸入輸出控制-7-第五章總結(jié)-8-不足以及改進(jìn)方向-8-附錄-9-附錄1部分程序源碼-9-附錄2電路板設(shè)計(jì)原理圖-11-第一章引言作品制作背景隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展人們發(fā)明了各式各樣的具有感知，決策，行動(dòng)和交互能力的機(jī)器人。智能小車可以理解為機(jī)器人的一種特例，它是一種能夠通過編程手段完成特定任務(wù)的小型化機(jī)器人。與普遍意義上的機(jī)器人相比智能小車制作成本低廉，電路結(jié)構(gòu)簡單，程序調(diào)試方便，具有很強(qiáng)的趣味性，為此其深受廣大機(jī)器人愛好者以及高校學(xué)生的喜愛。全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽每年都設(shè)有智能小車類的題目，由此可見國家對(duì)高校機(jī)器人研究工作的重視程度。本次設(shè)計(jì)的智能小車應(yīng)該能夠調(diào)節(jié)速度，具有自動(dòng)避障功能，可以記錄行駛速度、顯示小車與前面障礙物的距離。設(shè)計(jì)要求本系統(tǒng)以設(shè)計(jì)題目的要求為基礎(chǔ)，采用8051單片機(jī)為控制核心，利用光電傳感器檢測道路上的障礙，控制電動(dòng)小汽車的自動(dòng)避障，快慢速行駛。使用12單片機(jī)的輸出端口產(chǎn)生四路占空比可調(diào)的PWM信號(hào),驅(qū)動(dòng)四輪兩路智能小車的軟件實(shí)現(xiàn)方法。程序中T0定時(shí)器采用中斷的方式控制PWM信號(hào)的頻率,T1定時(shí)器采用查詢的方式控制PWM信號(hào)的占空比。并通過單片機(jī)自帶的串行口接收主機(jī)傳輸過來的控制智能小車運(yùn)動(dòng)方向和速度（即占空比）的信號(hào),方便、及時(shí)、可靠、簡潔地控制智能小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。技術(shù)報(bào)告章節(jié)安排第一章引言第二章總體設(shè)計(jì)方案第三章系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)第四章軟件設(shè)計(jì)第二章總體設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)思想利用光電檢測模塊檢測道路前面的障礙物，然后把回響信號(hào)交給單片機(jī)處理，如果前面有障礙物，單片機(jī)的引腳會(huì)輸出兩個(gè)高電平信號(hào)控制小車剎車，當(dāng)距離接近到一定程度以后控制小車向左轉(zhuǎn)，與此同時(shí)繼續(xù)檢測障礙物。當(dāng)然小車啟動(dòng)的時(shí)候就要求開始顯示小車與前面障礙物的距離。當(dāng)小車又檢測到障礙物時(shí)，說明剛才向左轉(zhuǎn)的動(dòng)作行不通，此時(shí)就要求小車退后，一定時(shí)間以后再向右轉(zhuǎn)，然后再檢測障礙，如果又遇到障礙物就停車。在小車上加裝光電傳感器以后，小車后輪每轉(zhuǎn)過一圈，就計(jì)一個(gè)脈沖，通過記錄單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)就可以算出小車的速度總體設(shè)計(jì)框圖E18-D80NK漫反射式紅外光電開關(guān)STC12C5A60S2單片機(jī)L9110E18-D80NK漫反射式紅外光電開關(guān)STC12C5A60S2單片機(jī)L9110電機(jī)驅(qū)動(dòng)圖2-1各模塊分析選擇小車底盤分析小車底盤為圓形合金板，動(dòng)力源采用微型直流減速電機(jī)，帶負(fù)載能力強(qiáng)，調(diào)速方面對(duì)程序要求不高。電機(jī)分布于圓形底盤兩側(cè)，同時(shí)前后有兩個(gè)萬向滾珠。通過兩個(gè)電機(jī)通過一快一慢完成轉(zhuǎn)向。減速電機(jī)扭矩大，轉(zhuǎn)速較慢，易于控制和調(diào)速，符合避障小車的要求。考慮到利用合金板做車架開發(fā)周期短，可留夠充分的時(shí)間用于系統(tǒng)調(diào)試，且硬件上的不足可以通過優(yōu)良的算法來彌補(bǔ)?？刂菩酒倪x擇宏晶科技的STC12C5A60S2單片機(jī)是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S）,針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。，具有體積小、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、具有語音處理、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)。共4個(gè)16位定時(shí)器兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,16位定時(shí)器T0和T1，沒有定時(shí)器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器；PWM（2路）/PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列,2路）：——也可用來當(dāng)2路D/A使用——也可用來再實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器——也可用來再實(shí)現(xiàn)2個(gè)外部中斷（上升沿中斷/下降沿中斷均可分別或同電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的分析與選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)L9110一組H橋單輸出驅(qū)動(dòng)。輸入電壓：2.5-12V，電流800mA,適合驅(qū)動(dòng)小型直流、慢速電機(jī)?？梢酝瑫r(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)，和1個(gè)4線2相式步進(jìn)電機(jī)L9110是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC之中，使外圍器件成本降低，整機(jī)可靠性提高。該芯片有兩個(gè)TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，它具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，每通道能通過750～800mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá)1.5～2.0A；同時(shí)它具有較低的輸出飽和壓降；內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流，使它在驅(qū)動(dòng)繼電器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或開關(guān)功率管的使用上安全可靠。L9110被廣泛應(yīng)用于玩具汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和開關(guān)功率管等電路上。避障模塊的分析與選擇采用紅外線避障，利用單片機(jī)來產(chǎn)生38KHz信號(hào)對(duì)紅外線發(fā)射管進(jìn)行調(diào)制發(fā)射，發(fā)射出去的紅外線遇到避障物的時(shí)候反射回來，紅外線接收管采用數(shù)字接受器件HS0038對(duì)反射回來信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，輸出TTL電平，外界對(duì)紅外信號(hào)的干擾比較小，且易于實(shí)現(xiàn)，價(jià)格也比較便宜。但是這種電路在戶外容易受陽光的影響。因此放棄此方案。用漫反射式光電開關(guān)進(jìn)行避障。光電開關(guān)的工作原理是根據(jù)光線發(fā)射頭發(fā)出的光束，被物體反射，其接收電路據(jù)此做出判斷反應(yīng)，物體對(duì)紅外光由同步回路選通而檢測物體的有無。當(dāng)有光線反射回來時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒有光線反射回來時(shí)，輸出高電平。且抗干擾性強(qiáng)，即使在有光照的場合下也能正常平穩(wěn)工作。智能小車最后方案經(jīng)過上面的思考和分析最終確定智能避障小車的最終方案如下：?采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為整個(gè)電路的控制核心。?使用航模鋰電池進(jìn)行穩(wěn)壓提供基準(zhǔn)電源。?采用直流減速電機(jī)作為小車系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。?使用電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L9110作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。?采用光電開關(guān)進(jìn)行障礙檢測。第三章系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本模塊采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為核心處理器。STC12C5A60S2是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，內(nèi)含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反復(fù)擦寫10000次以上的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的STC89C52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。其應(yīng)用范圍廣，性能良好，可用于解決復(fù)雜的控制問題。利用STC12C5A60S2的I/O端口對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷監(jiān)控來控制步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的反映。STC12C5A60S2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。它們都是通過片內(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。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)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?高可靠性?？刂齐姍C(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。?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)槲覀兯拥拿}沖寬度是毫秒級(jí)得，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。?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。?正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)的特性相同，且運(yùn)行特性穩(wěn)定。?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)：?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)。?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。?與步進(jìn)電機(jī)相比，小體積較易獲得大功率。3.3檢測電路的設(shè)計(jì)小車采用光電傳感器E18-D80NK漫反射式紅外光電開關(guān)，用漫反射式光電開關(guān)進(jìn)行避障。光電開關(guān)的工作原理是根據(jù)光線發(fā)射頭發(fā)出的光束，被物體反射，其接收電路據(jù)此做出判斷反應(yīng)。光電開關(guān)E18的技術(shù)參數(shù):1輸出電流DC/SCR/繼電器Controloutput：100mA/5V供電2消耗電流DC<25mA3、響應(yīng)時(shí)間<2ms4、有效距離80CM可調(diào)5、檢測物體：透明或不透明體6、工作環(huán)境溫度：-25℃~+55℃7、標(biāo)準(zhǔn)檢測物體：太陽光10000LX以下白熾燈3000LX以下8、外殼材料：塑料3.4電源的設(shè)計(jì)采用L7805穩(wěn)壓電路對(duì)7.4伏電源降壓為5伏再進(jìn)行供電，這樣做的目的主要是為了解決電壓不穩(wěn)定和電壓值不固定。假如直接采用電池供電，在充滿電時(shí)電壓值相對(duì)較高，慢慢的電壓值就越用越低，電機(jī)的轉(zhuǎn)速也由快至慢。原理圖如圖3-2所示

第四章軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)主程序流程圖輸入輸出控制并行輸入/輸出控制器(PIO)可管理高達(dá)32位的可編程輸入/輸出線。每個(gè)I/O線可作為通用功能,I/O或分配給一個(gè)內(nèi)置外設(shè)。這將確保產(chǎn)品引腳的有效優(yōu)化。每個(gè)I/O線均有一個(gè)與32位寬的用戶接口的32位寄存器相關(guān)的位序號(hào)。PIO控制器的每個(gè)I/O線有如下特性：任意I/O線上的輸入改變中斷將使能電平變化檢測。毛刺濾波器可拒絕低于1.5時(shí)鐘周期的脈沖。類似于開漏I/O線的多驅(qū)動(dòng)能力?？刂艻/O線上拉。輸入可見，輸出控制。PIO控制器還有同步輸出特性，可在單寫操作中提供高達(dá)32位的數(shù)據(jù)輸出。第五章總結(jié)5.1不足以及改進(jìn)方向?小車的整體結(jié)構(gòu)需要重新布局，單片機(jī)控制板與光電開關(guān)接線太多，易出現(xiàn)插錯(cuò)線的情況。?小車避障方式單一，只能在比賽場地來去自如，而無法應(yīng)對(duì)復(fù)雜的路況障礙，這些問題都需要我以后慢慢解決。參考文獻(xiàn)[1]閆石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京:高等教育出版社.2000.[2]陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn).北京:高等教育出版社.2000.[3]謝自美.電子線路設(shè)計(jì)?實(shí)驗(yàn)?測試.武漢:華中科技大學(xué)出版社.2006.[4]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程.電子工業(yè)出版社.2009.[5]譚浩強(qiáng).C語言設(shè)計(jì).北京.清華大學(xué)出版社.2005.[6]何希才.傳感器及其應(yīng)用電路.電子工業(yè)出版社.2001.[7]戴仙金.51單片機(jī)及其C語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì).北京:清華大學(xué)出版社.2005[8]楊西明.單片機(jī)編程與應(yīng)用入門.機(jī)械工業(yè)出版社.2005.[9]柳郭等.單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用技能與技巧.北京:中國電力出版社.2008[10]楊西明.單片機(jī)編程與應(yīng)用入門.機(jī)械工業(yè)出版社.2005.附錄附錄1部分程序源碼voiddisplay0(){if(!upper){if((!side1)&&(side2)){a=1。b=1。num=0。}if((!side1)&&(!side2)){if(three){a=2。b=1。if(num>=6){d=0。one=3。}}else{a=3。b=1。}}if((side1)&&(side2)){a=1。b=3。num=0。}}else{a=1。b=0。}if(!two)if((!front1)&&(!front2))one=1。if(d>=60)if((!front1)||(!front2))