基于AVR单片机码垛机器人设计

基于AVR 单片机码垛机器人设计目 录第一章 绪 论 .41.1课程设计主要目的与任务 .41.2课程设计要求 .41.3课程设计的意义 .4第二章 硬件设计 .62.1硬件电路的系统概述 .62.2 主芯片 .72.3 多自由度机械手 .91.认识角度舵机 .92.零点定义 .103. 姿态调试 .104. 机械手应用 .125. 角度舵机与 Atmega328p的接线 .132.4 伺服电机 .131. 认识伺服电机 .132. 伺服电机的调零 .133.伺服电机与 Atmega328p的接线 .142.5 QTI传感器 .141.认识 QTI传感器 .142.QTI传感器的引脚定义 .143.QTI传感器的性能参数 .154. QTI传感器与 Atmega328p的接线 .152.6 颜色传感器 .151.认识 TCS230颜色传感器 .152.TCS230传感器的引脚定义 .163.TCS230传感器的特点 .164.TCS230颜色传感器的工作原理 .165.白平衡 .176. TCS230颜色传感器与 Atmega328p的接线 .187、 TCS230 颜色传感器测试 .182.7 超声波传感器 .191. 认识超声波传感器 .192. 超声波传感器的工作原理 .193. 超声波传感器与 Atmega328p的接线 .20第三章 软件设计 .213.1 项目的主流程图 .213.2 Arduino语言及它专门定义的函数 .223.3 颜色传感器的检测程序 .243.4 QTI传感器的检测程序 .253.5 超声波传感器的检测程序 .26附录 1 实 物 图 .27附录 2 程 序 . 1、 主程序 .282、#include “MsTimer2.h“ .1013、颜色传感器的应用程序 .1054、 QTI 传感器的应用 .1115、机械手的应用程序 .1126、 伺服电机的应用程序 .1207、 QTI 传感器的应用程序 .120第一章 绪 论1.1课程设计主要目的与任务本课题是基于 AVR单片机码垛机器人设计，主要是硬件电路的设计和软件电路的设计。主要的目的就是掌握 ATmega328p处理器为核心的 Openduino控制板中硬件电路的设计方法；单片机软件程序的编写和调试方法；软件Eclipse、串口调试助手、OpenMachineHand 的使用方法。本课题的主要任务就是通过传感器的使用，设计一个智能的搬运机器人。主要的任务是通过各种传感器的使用使得机器人更加智能化。划分为这几个模块：1、能够沿规定的路线或者寻迹直行；2、机械手臂能够抓去物块；3、能够识别出物块的颜色；4、能够测量物块与自身的距离，并作出相应的判断；5、能够把 9个色块，搬运到目标区域；搬运完成能回到起始区域。1.2课程设计要求 1、掌握 ATmega328p处理器为核心的 Openduino控制板等硬件电路设计方法。2、熟练掌握单片机软件程序的编写和调试方法。3、掌握软件 Eclipse、串口调试助手、OpenMachineHand 的使用。1.3课程设计的意义 本课程设计是培养学生综合运用所学理论知识、发现问题、提出问题、分析问题、解决实际问题、锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。随着科学技术发展的日新日异，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域，在生活中可以说得是无处不在。因此作为二十一世纪的大学来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。回顾起此次课程设计，我仍感慨颇多，从选题到定稿，从理论到实践，这几个星期，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，这毕竟第一次做的，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，对以前所学过的知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说不懂一些元器件的使用方法，对单片机汇编语言掌握得不好通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。通过这次单片机课程设计，我不仅加深了对单片机理论的理解，将理论很好地应用到实际当中去，而且我还学会了如何去培养我们的创新精神，从而不断地战胜自己，超越自己。创新可以是在原有的基础上进行改进，使之功能不断完善，成为真己的东西。第 2章 硬件设计2.1硬件电路的系统概述相对于智能搬运机器人来说，码垛机器人系统地用到多种传感器来完成码垛色块任务，有更好的稳定性。Openduino 控制器的核心是 ATmega328p处理器，可以满足系统的复杂性要求。系统中用到的传感器有用来循迹的 QTI传感器，用来测距的超声波传感器，用来识别色块颜色的颜色传感器。码垛机器人控制平台的架构如下图所示。图 2-1 码垛机器人系统架构码垛机器人需要执行循线，测距和抓取色块等动作，循线过程中需要测距，抓取色块后才进行颜色识别，并把物体搬运到目标区域。特色描述： 支持 USB连接线在集成开发环境下调试和下载程序； 既可用 USB接口供电，不需外接电源，也可以使用外部 6VDC输入； 独立的电机驱动电源设计； 各种传感器和电子元器件标准接口（例如：温湿度、红外线、超声波、热敏电阻、光敏电阻、GPS 等）； CMU cam 摄像头和液晶显示屏接口； 16 路数字舵机接口； 两路直流电机和两路微型步进电机接口（无需额外驱动）； 8 路专用数字 IO扩展口、6 路 PWM输出、8 路 10位的 ADC扩展接口（电机占用资源包括在内）； 可以独立于 PC机运行等。技术参数： 主控芯片 Atmega328 晶振：16M 控制电源：46VDC，电机驱动电源：924VDC 通过开关转换的 USB编程接口 主板外形尺寸：130mmx120mm 适用环境：-4085C2.2 主芯片图 2-2 ATmega328p 特征：高性能，低功耗 AVR8位微处理器32K字节 Flash，1K 字节 EEPROM，2K 字节 RAM，中断向量大小为 2个指令字。高级精简指令集体系结构 131 条强大指令-大多数是单一时钟周期执行 32 个（8bit）通用工作寄存器 完全静态操作 在 20MHz下，数据吞吐率达到每秒 20百万条指令 循环乘法器高耐力非易失性内存片段 系统内置 4/8/16/32K字节自行 Flash程序存储器 56/512/512/1K 字节电可擦只读存储器 512/1K/1K/2K 字节内部静态随机存储器 写入/擦除周期：10000Flash/100000EEPROM 数据保持：20 年外围设备特征 2 个独立预分频器和比较模式的 8位定时器/计数器 1 个独立预分频器，比较模式和捕获模式的 16位定时器/计数器 独立振荡器的实时计数器 6 个 PWM通道 8 通道的 10位 ADC在 MLF封装温度测量 可编程串行通用同步异步收发器 主/从设备串行外部接口 按字节 2线串行接口 可编程的独立片上振荡器的看门狗定时器 片上模拟比较器 引脚改变的中端与唤醒特殊微处理器功能 电源复位和可编程低功率欠压检测 内部校准振荡器 外部/内部中断源 6 种睡眠模式2.3 多自由度机械手1.认识角度舵机本设计是利用 5个角度舵机相互协作、共同作用来夹取物块。简单地说，通过机械手姿态调试助手改变舵机的脉冲值，使机械手的所在的位置发生改变，从而实现抓取物块，放置物块的能力。如图 3-2所示：图 2-3 多自由度机械手1号舵机接 SVO1接口，2 号舵机接 SVO2接口，3 号舵机接 SVO3接口，4号舵机接 SVO4接口，5 号舵机接 SVO5接口。如下图所示：图 2-4 舵机接口2.零点定义手爪舵机的零点：当两个手爪旋转部位成 180度时，舵机对应的角度就是手爪的零点位置。关节舵机的零点：当机械臂与安装底盘面成 90度夹角时，每个舵机的角度就是对应舵机的零点位置。每个舵机均可从 0度位置旋转到 180度，从图上看，舵机偏左转（相对机器人是后仰）是从 90度向 0度转，舵机偏右转（相对机器人是前俯）是从90度向 180度转。注意：上述的 90度是视觉上相对的 90度，不一定是每个舵机 90度脉冲对应的位置。图 2-5 机械手臂零点位置3.姿态调试为了方便机械手姿态控制，编写调试机械手姿态对应的上位机和下位机软件，软件代码开放，控制板使用的是 Openduino Board Ver3.0，上位机软件是使用在 Windows XP上运行的 VC+6.0开发环境编写的机械手姿势调试助手，下位机软件是使用配置成可开发 AVR程序的 Eclipse开发环境编写的，上、下位机必须配合使用才可完成调试。将机械手上各个舵机正确连接到