基于单片机的武术擂台轮式机器人控制系统设计软件

题 目 基于单片机的武术擂台轮式机器人控制系统设计（软件）英文题目 Martial arts challenge wheeled robot control system design based on MCU 作 者 声 明本人以信誉郑重声明：所呈交的学位毕业设计（论文），是本人在指导教师指导下由本人独立撰写完成的，没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。文中引用他人的文献、数据、图件、资料均已明确标注出，不包含他人成果及为获得东华理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本设计（论文）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本毕业设计（论文）引起的法律结果完全由本人承担。本毕业设计（论文）成果归东华理工大学所有。特此声明。毕业设计（论文）作者（签字）：日期： 年 月 日本人声明：该学位论文是本人指导学生完成的研究成果，已经审阅过论文的全部内容，并能够保证题目、关键词、摘要部分中英文内容的一致性和准确性。学位论文指导教师签名： 日期： 年 月 日 东华理工大学毕业设计（论文） 摘要摘 要本文介绍了一种基于单片机的武术擂台轮式机器人控制系统设计，从中国机器人大赛武术擂台赛比赛规则入手，分析合理的比赛策略，详细介绍了武术擂台轮式机器人硬件和软件组成以及自身的技术特点。通过以 STC12C5A60S2 单片机作为控制器的控制核心，在 STC12C5A60S2 单片机的基础上搭载以红外接近传感器、红外测距传感器和灰度传感器组成的检测模块、以直流电机以及电机驱动、舵机及其驱动组成的驱动模块、报警电路、复位电路、晶振时钟电路、电源电路、程序下载电路和指示灯显示电路等而搭建成的武术擂台轮式机器人。根据自己的 C 语言编程算法，通过“层次化结构和模块化”设计的研究方法，能够实现“无接触启动”、“自主登上擂台”、“根据灰度选择速度”、“寻找棋子并推下棋子”、“寻找柱子并推柱子”、“边沿检测”、“自我循迹”、“寻敌并推敌”、“逃跑”等功能。找到棋子，推下擂台的同时保证自身不掉下擂台；找到柱子，顺利推倒柱子；找到“敌人”时，不仅能够主动攻击“敌人”，而且还能保全自身。当自己处于不利局面时，还能抓准机会逃跑，进而进行下一步策略，从而取得胜利的智能闭环控制系统。对未来武术擂台轮式机器人的系统设计提供一些参考意义。关键字：STC12C5A60S2 单片机； 红外传感器； 驱动模块； 智能闭环控制系统东华理工大学毕业设计（论文） ABSTRACTIABSTRACTThis paper introduces a kind of martial arts challenge wheeled robot control system based on single chip design, robot competition from China martial arts contest rules of the game, analysis the reasonable competition strategy, martial arts challenge wheeled robot was introduced in detail of hardware and software as well as its technical characteristics. By STC12C5A60S2 microcontroller as the control core of the controller, on the basis of STC12C5A60S2 SCM carry with infrared proximity sensors, infrared distance of gray level sensor and sensor detection module, DC motor and motor drive, steering gear and drive of drive module, alarm circuit and reset circuit, vibration crystal clock circuit, power circuit, indicator light display circuit and program download circuit and take challenge wheeled robot built in martial arts.According to their own C language programming algorithm, through the study of the hierarchical structure and modular design method, to achieve “no contact start“, “Allodium get up competition terrain“, “According to the gray level speed choice“, “Look for and push down chess pices“, “ Look for and push over pillar“, “ Competition terrain confine detection“, “self -tracking“, “ Look for and push down the enemy“, “escape“and so on. Find chess pieces, push down chess pices with oneself does not drop down competition terrain; Find pillars, smooth down pillars; Find the “enemy“, not only can take the initiative to attack the “enemy“, but also can save itself. When their are in a disadvantageous situation, still can grab the opportunity to escape, then the next step policy, to win the intelligent closed-loop control system. Martial arts for the future challenge of wheeled robot system design to provide some reference. Key words: STC12C5A60S2 microcontroller; Infrared sensor; Driver module; The intelligent closed-loop control system东华理工大学毕业设计（论文） 目录II目 录摘 要 .IABSTRACT .II目 录 .III绪论 .11. 课题研究的背景 .12. 课题研究的意义 .13. 武术擂台机器人发展现状 .14. 课题研究内容及安排 .21. 系统总体设计以及方案论证 .31.1 方案的选择 .31.2 系统控制框图 .42. 硬件设计 .52.1 控制电路 .52.2 电源电路 .52.3 电机驱动电路 .72.4 检测电路 .72.5 时钟电路 .82.6 复位电路 .92.7 报警电路 .92.8 硬件电路总原理图 .93. 软件设计 .103.1 擂台策略 .103.1.1 上擂台策略 .103.1.2 边沿检测策略 .103.1.3 推棋子策略 .113.1.4 推柱子策略 .113.1.6 推敌人及反推敌人策略 .113.1.7 逃跑策略 .123.2 电机的编程 .123.2.1 74HC595 芯片的简介 .133.2.2 芯片 L298N 的简介 .143.2.3 L298N 控制电机的原理分析 .15东华理工大学毕业设计（论文） 目录III3.2.4 PWM 调速方式的选择及原理 .163.3 传感器的编程 .173.4 舵机的编程 .193.5 推对手流程图 .203.5.1 推对手主程序流程图 .203.5.2 边沿检测子函数流程 .213.5.3 寻找对手子函数流程 .233.5.4 反推子函数流程 .243.5.5 （推对手）得到灰度值的子流程图 .263.5.6 攻击对手子流程图 .273.6 推棋子柱子流程图 .283.6.1 推棋子柱子主流程 .283.6.2 推棋子柱子边沿检测流程 .293.6.3 寻找棋子柱子的流程图 .313.6.4 推棋子左边调整流程图 .333.6.5 推棋子)得到灰度值流程图 .343.6.6 推柱子动作的子流程图 .353.7 软件编程环境 .384 仿真测试 .394.1 电机调速仿真测试及结果 .394.2 舵机仿真测试及结果 .40总结及展望 .411. 总结 .412. 展望 .41致 谢 .42参考文献 .43附录 1.44附录 2（硬件原理图） .67东华理工大学毕业设计（论文） 绪论0绪论1. 课题研究的背景随着科学和技术的发展,机器人技术已迅速发展和机器人技术正在逐步运用于工业和日常生活中,大大提高工业生产力和整个世界的人民的生活水平。同时,当今社会经济发展有重大影响科学技术、机器人技术的迅速发展,形成在第二次世界大战,每一个国家增加投资,加速本国的经济发展。本人参加过 2015 年中国机器人大赛暨 RoboCup 公开赛中标准平台仿人组的武术擂台比赛并获得亚军。大赛由多个机构共同主办，决赛地点在贵州贵阳市。机器人武术擂台赛是机器人技术较量的平台之一，该赛事在国内外备受关注，目前在国内已经成为很重要比赛项目。同时，武术擂台机器人也是很多专家研究的重点之一。除此之外，中国每一年有很多各种与机器人有关的比赛，各个高校都积极参加，学生们都受益很多。2. 课题研究的意义机器人技术是计算机控制技术的集合体，它可以体现现代各类先进的科学技术，在社会经济发展的过程中，各种各样的机器人对各每行每业均有着极大的促进作用。它可以帮助人类所无法完成的各种高危险性、高精密性以及高工作量的生产要求，解放了劳动力、提高了效率、提升了科学技术发展的速度，加快国家的经济发展。同时，一个国家综合技术实力的强弱从某个角度上体现在机器人技术水平。机器人大赛已经成为了全国乃至世界各大高校进行盛会，不仅要将学到的知识用于实践，还要学会很多课外知识及技能，而且锻炼了高校学生的心里素质、团队精神、动手能力以及对科学技术产出浓厚的兴趣等。同时，带动了学生的积极性，积极学习、积极努力积累知识。三人行必有我师焉，在团队合作过程中，自己学会取长补短。机器人大赛将会推进教育改革和进步，为社会生产力发展贡献自己一份力量。通过教育与兴趣的结合，从而带动学生参与这种活动，培养和发掘他们的潜力，全面提升学生的综合素质。3. 武术擂台机器人发展现状世界机器人大赛兴起于 20 世纪末，机器人大赛的发展从简单和单一，到后来的复杂和综合的过程，并且仍在不断的发展和壮大。同时，比赛的知识和技术越来越高，用到的东西也越来越多。由于其他技术也在快速发展，所以很多所需元件都能生产且价格合理。机器人比赛推动技术发展，也是技术的发展成就了机器人比赛。东华理工大学毕业设计（论文） 绪论1今后，机器人发展可能更加趋于多元化、智能化。随着智能技术突飞猛进的发展、教育的不断提升，机器人技术综合了机械结构、电子电路、检测技术、程序控制、算法、经典和现代自动控制等多学科知识，也在为教育的改革贡献自己一份力量。未来推动机器人技术的快速发展，培养学生的创新能力、创新思维。在全世界范围内逐渐出现了一系列的机器人比赛。目前，全世界为机器人的智能化和多元化方向发展，正在加大科研力度，加大各方面投入，进行机器人技术的研究。主要有以下几个方面：（1） 机器人控制技术（2） 多种传感器系统（3） 机器人的结构（4） 多智能体调控技术（5） 仿人和仿生技术（6） 机器人遥控技术和自主技术（7） 软机器人技术4. 课题研究内容及安排本设计采用层次化结构和模块化设计的研究方法。分层设计的模式是把整个系统组成一个相对独立的多层次结构，每层有一个或多个模块构成。这种解决问题的方法是把大问题或复杂问题分解成多个小问题，然后再把小问题分解成更小的问题，以此类推，逐层分解。最后，将解决的问题再综合起来，形成一个完整系统结构，进而对该系统结构进行完善，达到最终要求机器人系统。主要工作有：控制器核心芯片的选择与控制器设计、直流电机的选择与设计、驱动电路设计、底层函数的设计、传感器的选择与设计、检测电路选择与设计、报警电路的设计、电源电路的设计、端口扩展电路、键盘电路、舵机选择与电路设计、画流程图以及分析流程图、C 语言软件的编程与调试和部分电路的仿真等等，最终对机器人进行综合的测试，发现问题并找到方案解决问题。安排如下面所示：第一章：绪论。主要讲述武术擂台轮式机器人发展的背景、意义现状和发展趋势。第二章：系统的总体设计和方案论证。讲述方案选择和芯片选型及系统原理图.第三章：硬件设计。各个功能模块电路功能的简介。第四章：软件设计。机器人在擂台上的策略，底层函数的设计和程序，流程图分析和程序编写。第五章：总结与展望。主要是对该毕业设计完成的任务进行总结以及不足的地方进行改进。东华理工大学毕业设计（论文） 系统总体设计以及方案论证21. 系统总体设计以及方案论证本毕业设计一个武术擂台轮式机器人，能够让它以“非接触启动”的方式从擂台下方登上武术比赛擂台，并且能够具有边沿检测保证自身不掉下擂台的情况下，能够自主寻找棋子并将棋子推下擂台、寻找柱子并打倒柱子。再另一个程序中，寻找对手并与对手进行对抗，进而将对手推下擂台甚至在擂台上打倒对手，最终取得胜利。在武术擂台轮式机器人的运行过程中，边沿检测的优先级必须是最高的。本武术擂台轮式机器人具有如下功能：1) 非接触启动，并在规定的 10S 内沿两侧斜坡中某一个登上武术擂台2) 具有边沿检测，保证自身不掉下武术擂台3) 具有灰度识别，能够及时知道自身位置4) 具有检测棋子、柱子和对手的功能5) 具有将棋子推下擂台和推倒柱子的功能6) 具有将对手机器人推下擂台和自身逃跑的功能1.1 方案的选择1） 主控芯片的方案选择方案 1：选择 STC89C52 的单片机，这是 STC 公司生产的加强版 51 内核单片机，这款单片机我们在课程学过，它具有简单易懂等优点，缺点：内部没有 AD 转换和PWM 输出等等，所以我放弃这款的单片机方案 2：选择 ARM 系列的的单片机，这是当今社会手机行业用的最多的单片机，也是功能最强大的单片机之一，它的处理速度快，内存大等等，缺点：对于我们来说不熟悉，也不会，所以我放弃这款的单片机方案 3:选择 STC12C5A60S2 单片机，这款单片机虽然本人没有学过，但是它完全兼容 C51 单片机，处理速度比较快，学起来因为比较顺手，内含 AD 转换和 PWM 输出。故此，选择了这款单片机。2） 电源电路芯片的方案选择方案 1：首先购买符合要求的锂电池（24V/3A），然后通过其他一些处理，最后通过 LM7805 转换为 5V 电压。虽然可以转化为 5V 电压，能够带动单片机，但是带负载能力较弱，不能带动其他负载。所以放弃这种方案。方案 2：首先购买符合要求的锂电池（24V/3A），然后通过芯片 LM2596-5 转换为 5V 电压，同时采用 LM