基于单片机自动壁障机器人的研究_毕业论文1.doc

编号 淮安信息职业技术学院毕业论文题 目自动避障机器人的研究学生姓名许路路学 号42911115系 部电气工程系专 业 机电一体化 班 级429111指导教师龚希宾顾问教师揭志远摘 要随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成程度越来越高，单片机已可以在一块芯片上同时集成cpu、存储器、定时器计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器、ad转换器、da转换器等多种电路，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统。这种技术促使机器人技术也有了突飞猛进的发展，目前人们已经完全可以设计并制造出具有某些特殊功能的简易智能机器人。关键字: 单片机,传感器,转换器,机器人.11abstractabstractabstract: with the development of microelectronic technology, microprocessor chip integration degree more and more high, scm has in one chip and integrated cpu, memory, timer / counter, parallel and serial interface, watchdog, preamplifier, a / d converter, d / a converter and other circuits, it is easy to the combination of computer technology and measurement and control technology, intelligent measurement and control system. this technology to robot technology has make a spurt of progress of development, at present has been entirely simple intelligent robot is designed and manufactured with certain special functions. keywords: microcontroller, sensor, transducer, robot1目录 目 录摘 要i目 录iv第一章 绪论11.1 机器人的定义11.2 国内外移动机器人研究现状及发展趋势11.3 课题研究的意义21.4 本设计任务和主要内容2第二章 系统主要硬件电路设计32.1 系统原理组成框图32.2系统主控模块电路32.2.1 stc89c52单片机性能优点32.2.2主控模块电路42.3 电机控制52.4电源及稳压模块52.4.1方案1：采用交流电经直流稳压处理后供电52.4.2方案2：采用干电池组进行供电62.4.3方案3：采用可充电蓄电池供电62.5传感器模块72.6逻辑模块82.7感测模块92.1.1 方案1：使用超声波探测器92.1.2 方案2：使用光电对管探测92.7.3方案3：使用视频采集处理装置进行探测92.7.4 方案4：使用光电开关进行障碍物信息采集92.8连接模块102.9电机驱动模块112.9.1方案1：使用分立原件搭建电机驱动电路112.9.2方案2：使用l298n芯片驱动电机122.10显示模块：122.10.1方案1：采用数码管显示122.10.2 方案2：采用液晶显示13第三章 系统软件设计143.1程序设计流程图143.2系统主程序设计153.4 pwm信号控制机器人走向流程图163.5 pwm信号控制电机流程序173.5 液晶12864初始化及各显示子程序18第四章 结束语21 5第二章 系统主要硬件电路设计第一章 绪论 1.1 机器人的定义机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，集合了多学科的发展。新机型、新功能不断涌现且机器人涉及到人的概念，各国关于机器人都有自己的定义。我国科学家对机器人的定义为机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协调能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”日本工业机器人协会把工业机器人定义为“一种装备有记忆装置和末端执行器的，能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器”。联合国标准化组织定义为：机器人是一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能机械手，这种机械手具有几个轴，能够借助于可编程操作来处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，我国也面临讨论和制定关于机器人技术的各项标准问题。1.2 国内外移动机器人研究现状及发展趋势斯坦福研究院(ski)在1966年至年中研制出了第一台自主移动机器人，其目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规 划 和 控 制。与 此同时，最早的操作式步行机器人也研究成功，以解决机器人不平整地域内的运动问题，设计并研制出了多足步行机器人。70年代末期，随着计算机的应用和传感技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮，80年代中期世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现。1996年。美 国 航 空 航 天 局nasa研制的活性探测移动机器ksojourner首次登上活性执行科学考察任务，利用移动机器人技术进行空间探测和开发成为21世纪全球各主要国家开展科技和空间资源竞的主要目标。为了在火星上进行长距离探险，又开始了新一代样的研制，命名为rocky7，并在lavic湖的岩溶流上和干涸的湖床上进行了成功的实验。2002年丹麦irobot公司推出了吸尘器机器人roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。2003年7月7曰美国的“机遇”号火星探测机器人成功升空，开始踏上去火星找寻水和生命存在踪迹的慢慢旅途。在欧美、日本等发达国家，移动式服务机器人已广泛应用于医疗福利服务、商场超市服务、餐厅旅馆服务、维修清洗服务和家庭服务。1.3 课题研究的意义移动避障机器人是新生的计算机控制领域中的最年轻一代，并在1985年后成为此领域中的主角，被广泛应用于社会生活的各方各而。由于移动机器人具有一般机器人所不具备的移动能力，从而使之更具备“代替人”作业的实力。移动机器人在移动过程中不可避免会遇到各式各样的障碍物，灵活、实时的躲开这些障碍物是衡量其性能的关键指标。具有避障功能移动机器人拥有相当高的社会价值，不仅可以代替人们在有辐射、有粉尘、有毒等环境智能化作业，还可以广泛用于科学考察、地质勘探、灾难营救等多个领域，对人类了解地球、征服自然、探索宇宙具有重要意义此外在军事领域与航空航天需要这种技术，用于军事侦察、排雷除险和无人作战等，以次提高我军的综合作战能力。在外太空进行星球表面的探测，使用这种自主移动机器人，可以增加探测的可靠性，降低风险。21世纪，机器人将用于提高人民健康水平与生活水准、丰富人民文化生活。例如服务机器人将进入家庭，从事清洁卫生、园艺、炊事、垃圾处理、家庭护理与服务等作业在医院，机器人可以从事手术、化验、助残、导盲、运输、康复及病人护理等作业:在商业和旅游业中导购机器人、导游机器人和表演机器人都将得到发展，智能机器人玩具和智能机器人宠物的种类将不断增加，从而使人类生活更加丰富多彩1.4 本设计任务和主要内容本设计是对以单片机stc89c52为核心的系统根据感测模块传输的前方路面信息控制机器人行驶走向的软、硬件设计开发。系统要能够做到准确及时监测前方路面信息并传输给主控模块，做到根据前方路面信息及时调整机器人的走向，做到显示机器人的走向和机器人已经行驶过的路程。主要内容是： 感测模块实时监测路面情况并及时传输给单片机； 单片机核心模块根据感测模块给予的信息控制机器人两电机转动； 电机驱动模块驱动两电机转动，实现转向与行走； 液晶显示模块显示走向和已行驶过的路程。13第2章 系统主要硬件电路设计第二章 系统主要硬件电路设计2.1 系统原理组成框图 图21 系统原理组成框图2.2系统主控模块电路2.2.1 stc89c52单片机性能优点课堂上我们学习的是at89c51单片机，但实际应用中现在我们是不会再用at89c51单片机了。学习at89c51单片机是学习一种方法，学习单片机的基本结构，指令。现在单片机种类繁多，各有各的优点，结合具体情况恰当选择单片机型号也是非常重要的，在此系统中采用stc89c52为主控模块芯片，选此芯片的理由是：(1) 与mcs-51单片机完全兼容：指令兼容，引脚兼容高保密性：无法读出，因此无法解密；(2) 超强抗干扰能力：电源、i/o接口、时钟均有抗干扰措施；(3) 高可靠性： 宽电压范围，不怕电源波动5v产品3.4v6v； 宽温度范围：400c850c；(4) 低电磁辐射： 可禁止ale输出，降低辐射； 可选6时钟/机器周期，降低晶振频率，降低辐射； 单片机时钟振荡器增益可设为1/2；(5) 超低功耗： 掉电模式典型功耗：1ua，可由外中断唤醒； 空闲模式典型功耗：2ma； 正常工作典型功耗：4 ma7 ma； 可在线编程，节约投资； 强驱动能力，无论灌电流还是拉电流，均优于mcs-51单片机； 高速度，最高晶振达到90mhz；(6) 内部资源更丰富，与mcs-51单片机相比增加了： t2定时/计数器； 内部数据存储器ram增加了18倍； 自带a/d和pwm； 有p4口；2.2.2主控模块电路图22 系统核心stc89c52连接电路图2.3 电机控制本机器人采用了双电机双轮驱动的小车作为其底座。2个电机分别独立控制其左右两边的车轮，靠两边电机的转速的不同来实现转弯功能，还可让其原地转弯，便于控制。而传统的小车是靠动力电机和转向电机驱动，转弯角度难以控制，不便于使用。电机控制电路采用大功率对管bdl39、bdl40组成的h型驱动电路，通过单片机产生占空比不同的pwm脉冲，精确调整电机的转速。这种电路由于工作在晶体管饱和或截止状态，避免了在线性放大区工作时晶体管的管耗，可以最大限度地提高效率；h型电路保证了可以简单地实现电机转速和方向的控制；电子开关的速度和稳定性也完全可满足需要，整套驱动电路是一种被广泛采用的电机驱动技术。电路见图2-3。 图2-3 电机控制电路图2.4电源及稳压模块2.4.1方案1：采用交流电经直流稳压处理后供电采用交流电提供直流稳压电源，电流驱动能力及电压稳定性最好，且负载对电源影响也最小。但由于需要电线对机器人供电，极大影响了避障机器人行动的灵活性及地形的适应能力。而且避障机器人极易把拖在地上的电线识别为障碍35淮安信息职业技术学院毕业论文设计物，人为增加了不必要的障碍。故放弃了这一方案。2.4.2方案2：采用干电池组进行供电采用四节干电池降压至5v后给单片机及其他逻辑单元供电，另取六节干电池为电机及光电开关供电。这样电机启动及制动时的短暂电压干扰不会影响到逻辑单元和单片机的工作。但由于电机驱动需要比较大的电流，所以采用干电池供电使用的周期不能很长，实用性不太好。故放弃了这一方案。2.4.3方案3：采用可充电蓄电池供电采用可充电蓄电池给驱动和感测模块供电，其它采用蓄电池经lm2575稳压后供电。虽然蓄电池的重量比较大，但是蓄电池能够供电的时间长而稳定，况且买来的机器人负重能力好，所以采用此方案完全可行。故采用了此方案。其原理图如下图所示： 图2-4供电电源及稳压模块16第二章 系统主要硬件电路设计2.5传感器模块整个机器人共采用了9个传感器，分布在整个机器人的不同部位，相互配合起不同的作用，见图2-5。机器人图2-5 传感器分布示意图457326189图2-5中各传感器说明如下：传感器1置于机器人正前方朝下的金属探测传感器，用于探测金属。传感器2置于机器人正前方朝前的超声波传感器，用于检测障碍物。超声波来源于555产生40 khz的方波信号，经超声波发射头发出。发射头不断发出信号，当遇到障碍物时，信号会被反射回来，从而接收头会接受到信号，将信号送入单片机进行相应的判断和处理。传感器3置于机器人正前方朝下的红外光电传感器，用于检测停止线。红外发射管发出信号，经不同的反射介质反射，根据红外接收管是否接收到信号做出相应的判断。传感器4、5置于机器人底座下方朝下的红外光电传感器，用于检测地面的引导线，原理同传感器3。传感器6、7置于机器人正前方朝前的光敏电阻传感器，用于寻找光源。当机器人前方有光源照射时，光敏电阻的大小将会改变，将2个传感器的改变量进行比较处理后送入单片机，单片机将会产生相应的调整信号，使机器人朝光强的方向行走。传感器8置于机器人后方两侧朝外的超声波传感器，用于在机器人遇到障碍物时的转弯处理，判断机器人是否完全绕开障碍物，原理同传感器2。传感器9置于机器人正后方的光电码盘，用于计里程，借助于鼠标原理，17第2章 系统主要硬件电路设计选用直径为2.6cm的塑料小轮自制光电码盘，经过打磨使其周长为8cm，再在该小轮上打等距离的8个孔，如图5所示。最小测距精度可达到1cm，足以满足要求，两侧装上光电传感器，将其安装在车尾，使之与车的行驶同步。就实际情况自制出来的各个孔之间的距离无法精确相等，但经过具体测量该光电码盘，能保证行驶50 cm产生50个脉冲，于是采用其作为计算距离的基准单位。在直道区，可由该电路产生的脉冲数，计算出铁片中心线至起跑线间的距离。 计算机发射装置计数齿数接收装置计算机图2-6 计数齿数此外，为了清楚直观地观察到各传感器的工作状态，电路中还专门为每个传感器设计了工作指示灯，实时显示每个传感器的工作状态。2.6逻辑模块在感测模块和单片机中断接口之间，需要经过电平的逻辑处理，信息才能被单片机所感知。主要是一块三输入或非门，所以我们采用现成的74ls27芯片实现逻辑功能。图2-7 信号逻辑模块:74ls27电路图2.7感测模块2.1.1 方案1：使用超声波探测器超声波探测器探测距离远，测距方便。但由于声波衍射现象较严重，且波包散面太大，易造成障碍物的错误判断。同时，超声波探测具有几厘米甚至几十厘米的盲区，这对于我们的避障机器人是个致命的限制。故放弃了这一方案。 2.1.2 方案2：使用光电对管探测 光电对管价格低廉，性能稳定，但探测距离太近（一般不超过3cm），使得机器人必须制动迅速。而我们由于采用普通直流电机作为原动力，制动距离至少需要10cm。因此不采取这一方案。 2.7.3方案3：使用视频采集处理装置进行探测 使用ccd实时采集机器人前进路线上的图像并进行实时传输及处理，这是最精确的障碍物信息采集方案，可以对障碍物进行精确定位和测距。但是使用视频采集会大大增加机器人成本和设计开发难度，而且考虑到我们机器人行进转弯的精确度并未达到视频处理的精度，因而使用视频采集在实际应用中是个很大的浪费，所以放弃了这一方案。 2.7.4 方案4：使用光电开关进行障碍物信息采集 使用三只e3f-ds30c4光电开关，分别探测正前方，前右侧，前左侧障碍物信息，在特殊地形（如障碍物密集地形）可将正前方的光电开关移置后方进行探测。e3f-ds30c4光电开关平均有效探测距离030cm可调，且抗外界背景光干扰能力强，可在日光下正常工作（理论上应避免日光和强光源的直接照射）。机器人换档调速后的最大制动距离不超过30cm，一般在1020cm左右，因而探测距离满足机器人需求。故采用此方案。光电开关排列如图所示： 图2-8 光电开关示意图2.8连接模块 此模块的主要作用是，连接单片机和电机驱动模块，并消除干扰，让单片机能够准确的控制电机驱动模块，在此采用了一集成了四个光耦的集成电路tlp521-4，而不采用单个的光耦，且一个集成电路也显得更美观，价钱也不高，市场上也容易买到。其原理图如下图所示： 图2-9 连接模块：tlp521-4电路图992.9电机驱动模块此模块的主要作用的驱动直流电机，让直流电机有足够的动力。2.9.1方案1：使用分立原件搭建电机驱动电路 使用分立原件搭建电机驱动电路造价低廉，在大规模生产中使用广泛。但分立原件h桥电路工作性能不够稳定，较易出现硬件上的故障，故放弃了这一方案。 第二章 系统硬件主要电路设计2.9.2方案2：使用l298n芯片驱动电机 一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，输出电压最高可达50v，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的io口提供信号，而且带有使能端，方便pwm调速，电路简单，性能稳定，使用比较方便。l298n芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，正好符合机器人两个直流电机的驱动要求。其原理图如下所示：图2-10 驱动模块：l298电路图2.10显示模块： 2.10.1方案1：采用数码管显示 数码管完全可用来显示已行驶过的路程，且数码管亮度大，夜间观测也比较方便，所以数码管在一般场合是首选，但是数码管只能显示数字，发挥的空间比较窄。所以不采用此方案。111淮安信息职业技术学院毕业论文设计2.10.2 方案2：采用液晶显示用12864的液晶屏作为显示器件，可以显示机器人行驶的方向，机器人行驶过的路程，机器人行驶过的时间等等，最重要的是液晶能够显示汉字，提供的信息非常直观，故采用此方案。其原路图如下所示： 图2-11 显示模块：12864电路图112第三章 系统软件设计3.1程序设计流程图 本系统设计流程图如下所示： 图3-1 系统软件主流程图3.2系统主程序设计 org 0000h ljmp main org 0003h ljmp intt0 ;外部中断0入口 org 000bh ;定时器/计时器0中断入口 ljmp time0 org 0050hmain: mov sp,#6fh ;主程序 setb ea ;开总中断 setb ex0 ;开外部中断0 setb it0 ;设置外部0为边沿触发 sjmp $ ;等待外部中断intt0: mov a,#00h ;累计器清零mov c,p2.0 ;光电管1传来的信号 mov acc.0,c ;光电管1值送累加器0位 mov c,p2.1 ;光电管2传来的信号 mov acc.1.c ;光电管2值送累加器1位 mov c,p2.2 ;光电管3传来的信号 mov acc.2,c ;光电管3值送累加器2位 cjne a,#00h,loop1 ;是000，左前中都有障碍物，转loop1 cjne a,#01h,loop2 ;是001，左前有障碍物，右方无障碍物，转loop2 cjne a,#02h,loop3 ;是010，左右有障碍物，前方无障碍物，转loop3 cjne a,#03h,loop4 ;是011，左方有障碍物，前右无障碍物，转loop4 cjne a,#04h,loop5 ;是100，左方无障碍物，前右有障碍物，转loop5 cjne a,#05h,loop6 ;是101，左右无障碍物，前方有障碍物，转loop6 cjne a,#06h,loop7 ;是110，左中无障碍物，右方有障碍物，转loop7 lo0p1: loop2: loop3: loop4: loop5: loop6: loop7: reti3.4 pwm信号控制机器人走向流程图 图3-2 pwm信号控制电机流程图3.5 pwm信号控制电机流程序pwmh1 data 30h ;直流电机1高电平脉冲的个数pwmh2 data 31h ;直流电机2高电平脉冲的个数 zheng1 bit 20h.0 ;直流电机1正转标志 0正转，1反转 zheng2 bit 20h.1 ;直流电机2正转标志 0正转，1反转pwm data 34h ;pwm周期counter1 data 35h ;直流电机1计数counter1counter2 data 36h ;直流电机2计数counter20rg 2000h pwm: mov sp,#60h ;设置堆栈，首地址为#60h mov pwmh1,#08h ;电机1高电平脉冲赋初值 mov pwmh2,#08h ;电机2高电平脉冲赋初值 ，与电机1相同 mov counter1,#01h ;counter1赋初值1 mov counter2,#01h ;counter2赋初值1 mov zheng1,#00h ;电机1正转标志位置0 mov zheng2,#00h ;电机2正转标志位置0 mov pwm,#15h ;pwm周期赋初值15h mov p1,#00h ;p0口都为低电平，方便电机控制 mov tmod,#02h ;定时器0在模式2下工作 mov tl0,#38h ;定时器200us产生一次溢出 mov th0,#38h ;自动重装的值 setb et0 ;使能定时0中断 setb ea ;使能总中断 setb tr0 ;开始计时time0: push psw ;现场保护 push acc inc counter1 ;counter1加1 inc counter2 ;counter2加1 mov a,counter1 cjne a,pwmh,time011 ;如果等于高电平脉冲数第三章 系统软件设计 mov cy,zheng1 ;判断是否要反转 jz cy,z1 ;是否反转 clr p1.1 ;电机1一端变为低电平,反转引脚 z1: clr p1.0 ;电机1一端变为低电平，正传引脚time011: cjne a,pwm,time02 ;如果等于周期数 mov counter1,#01h ;计数器1复位 mov cy,zheng1 ;判断是否要反转 jz cy,z11 ;是否反转 setb p1.1 ;置p1.0为高电平,反转引脚 z11: setb p1.0 ;置p1.0为高电平, 正传引脚 mov a,counter2 cjne a,pwmh,time021 ;如果等于高电平脉冲数 mov cy,zheng2 ;判断是否要反转 jz cy,z2 ;是否反转 clr p1.3 ;电机2一端变为低电平,反转引脚 z2: clr p1.2 ;电机2一端变为低电平，正传引脚time012: cjne a,pwm,time02 ;如果等于周期数 mov counter2,#01h ;计数器1复位 mov cy,zheng2 ;判断是否要反转 jz cy,z21 ;是否反转 setb p1.3 ;置p1.3为高电平,反转引脚 z21: setb p1.2 ;置p1.2为高电平,正转引脚time02: ;出堆栈 pop acc pop psw reti3.5 液晶12864初始化及各显示子程序 ret bit p2.7 ;液晶与单片机连接脚 psb bit p2.6 en bit p2.5117淮安信息职业技术学院毕业论文设计 rw bit p2.3 rs bit p2.4 com bit 30h ;命令/数据128*64: clr ret ;液晶初始化 lcall delay10ms setb ret setb psb clr en mov com,#30h ;液晶功能设定 lcall w_com mov com,#0ch ;液晶显示状态 lcall w_com mov com,#01h ;液晶清楚显示 lcall w_com mov com,#06h ;液晶地址归位 lcall w_comcheckbusy: ;液晶查忙 mov p0,#ff h clr rs setb rw setb en mov a,#ffh anl a,p0 cpl a jz checkbusy clr en retw_com: lcall checkbusy ;液晶写指令 clr rs clr rw setb en mov p0,com lcall delay10ms118第三章 系统软件设计 clr en retw_data: lcall checkbusy ;液晶写数据 setb rs clr rw setb en mov p0,com lcall delay10ms clr en retdelay10ms: ;延时10ms mov r6,#20 d1: mov r7,#250 djnz r7,$ djnz r6,d1 ret119第4章结束语第四章 结束语以上就是我这次期末课程设计全部内容。本系统是以stc89c52为核心，外加各个模块，最终达到让机器人遇障碍物灵活避障的目标。本系统硬件电路比较简单，主要是通过软件来实现各个功能，这样就可以让机器人负载轻，机器人行动就变得更灵活了。硬件电路感测模块的光电开关组价格昂贵