第六届山东省高校机器人大赛技术报告书.doc

第六届山东省高校机器人大赛技 术 报 告学 校： 菏泽学院 队伍名称： 天泽队 参赛队员：隋浩/徐研/张龙龙/李康/王子琪指导教师： 祝凤金 第六届山东省高校机器人大赛技术报告关于技术报告和研究论文使用授权的说明本人完全了解第六届山东省高校机器人大赛关于保留、使用技术报告和研究论文的规定，即：参赛作品著作权归参赛者本人，比赛组委会可以在相关主页上收录并公开参赛作品的设计方案、技术报告以及参赛机器人的视频、图像资料，并将相关内容编纂收录在组委会出版论文集中。参赛队员签名： 指导教师签名： 日 期： 摘要本系统以设计题目的要求为基础，采用8051单片机为控制核心，利用光电传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。实验测试结果基本满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及软件的编写。智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。具有制作成本低廉，电路结构简单，程序调试方便等优点。在备战比赛的过程中，学院、老师和同学都给予了我们很大的帮助和鼓励，在此谨表达对他们由衷的感谢。关键词：智能小车；单片机；光电检测；第一章引言- 1 -1.1作品制作背景- 1 -1.2设计要求- 1 -1.3技术报告章节安排- 1 -第二章总体设计方案- 2 -2.1设计思想- 2 -2.2总体设计框图- 2 -2.3各模块分析选择- 3 -2.3.1小车底盘分析- 3 -2.3.2控制芯片的选择- 3 -2.3.3电机驱动模块的分析与选择- 4 -2.3.4避障模块的分析与选择- 4 -2.3.5智能小车最后方案- 4 -第三章系统电路设计- 5 -3.1单片机最小系统的设计- 5 -3.2电机驱动电路的设计- 5 -3.3检测电路的设计- 6 -3.4电源的设计- 6 -第四章软件设计- 7 -4.1系统主程序流程图- 7 -4.2输入输出控制- 7 -第五章总结- 8 -5.1不足以及改进方向- 8 -附录- 9 -附录1部分程序源码- 9 -附录2电路板设计原理图- 11 -III第六届山东省高校机器人大赛技术报告第一章引言1.1作品制作背景随着电子技术的不断发展人们发明了各式各样的具有感知，决策，行动和交互能力的机器人。智能小车可以理解为机器人的一种特例，它是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人。与普遍意义上的机器人相比智能小车制作成本低廉，电路结构简单，程序调试方便，具有很强的趣味性，为此其深受广大机器人爱好者以及高校学生的喜爱。全国大学生电子设计竞赛每年都设有智能小车类的题目，由此可见国家对高校机器人研究工作的重视程度。本次设计的智能小车应该能够调节速度，具有自动避障功能，可以记录行驶速度、显示小车与前面障碍物的距离。1.2设计要求本系统以设计题目的要求为基础，采用8051单片机为控制核心，利用光电传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶。使用12单片机的输出端口产生四路占空比可调的PWM信号,驱动四轮两路智能小车的软件实现方法。程序中T0定时器采用中断的方式控制PWM信号的频率,T1定时器采用查询的方式控制PWM信号的占空比;并通过单片机自带的串行口接收主机传输过来的控制智能小车运动方向和速度(即占空比)的信号,方便、及时、可靠、简洁地控制智能小车的运动状态。1.3技术报告章节安排第1章 引言第2章 总体设计方案第3章 系统电路设计第4章 软件设计第二章总体设计方案2.1设计思想利用光电检测模块检测道路前面的障碍物，然后把回响信号交给单片机处理，如果前面有障碍物，单片机的引脚会输出两个高电平信号控制小车刹车，当距离接近到一定程度以后控制小车向左转，与此同时继续检测障碍物。当然小车启动的时候就要求开始显示小车与前面障碍物的距离。当小车又检测到障碍物时，说明刚才向左转的动作行不通，此时就要求小车退后，一定时间以后再向右转，然后再检测障碍，如果又遇到障碍物就停车。在小车上加装光电传感器以后，小车后轮每转过一圈，就计一个脉冲，通过记录单位时间内的脉冲数就可以算出小车的速度2.2总体设计框图图2-12.3各模块分析选择2.3.1小车底盘分析小车底盘为圆形合金板，动力源采用微型直流减速电机，带负载能力强，调速方面对程序要求不高。电机分布于圆形底盘两侧，同时前后有两个万向滚珠。通过两个电机通过一快一慢完成转向。减速电机扭矩大，转速较慢，易于控制和调速，符合避障小车的要求。考虑到利用合金板做车架开发周期短，可留够充分的时间用于系统调试，且硬件上的不足可以通过优良的算法来弥补。2.3.2控制芯片的选择宏晶科技的STC12C5A60S2单片机是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。，具有体积小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单、具有语音处理、运算速度快等优点。共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；PWM(2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）：也可用来当2路D/A使用也可用来再实现2个定时器也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)其基本结构框图如图31图所示：图2-22.3.3电机驱动模块的分析与选择电机驱动L9110一组H桥 单输出驱动。输入电压：2.5-12V，电流800mA,适合驱动小型直流、慢速电机。可以同时驱动2个直流电机，和1个4线2相式步进电机L9110 是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片 IC 之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。该芯片有两个 TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过 750800mA 的持续电流，峰值电流能力可达 1.52.0A；同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。L9110 被广泛应用于玩具汽车电机驱动、步进电机驱动和开关功率管等电路上。2.3.4避障模块的分析与选择采用红外线避障，利用单片机来产生38KHz信号对红外线发射管进行调制发射，发射出去的红外线遇到避障物的时候反射回来，红外线接收管采用数字接受器件HS0038对反射回来信号进行解调，输出TTL电平，外界对红外信号的干扰比较小，且易于实现，价格也比较便宜。但是这种电路在户外容易受阳光的影响。因此放弃此方案。用漫反射式光电开关进行避障。光电开关的工作原理是根据光线发射头发出的光束，被物体反射，其接收电路据此做出判断反应，物体对红外光由同步回路选通而检测物体的有无。当有光线反射回来时，输出低电平。当没有光线反射回来时，输出高电平。且抗干扰性强，即使在有光照的场合下也能正常平稳工作。2.3.5智能小车最后方案经过上面的思考和分析最终确定智能避障小车的最终方案如下：采用STC12C5A60S2单片机作为整个电路的控制核心。使用航模锂电池进行稳压提供基准电源。采用直流减速电机作为小车系统的驱动电机。使用电机专用驱动芯片L9110作为直流电机的驱动芯片。采用光电开关进行障碍检测。第三章系统电路设计3.1单片机最小系统的设计本模块采用STC12C5A60S2单片机作为核心处理器。STC12C5A60S2是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写10000次以上的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的STC89C52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。其应用范围广，性能良好，可用于解决复杂的控制问题。利用STC12C5A60S2的I/O端口对传感器信号进行实时判断监控来控制步进电机做出相应的反映。STC12C5A60S2单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。3.2电机驱动电路的设计控制电机是本次设计中的重要元件，如果控制电机的性能不佳或使用不当，将直接影响到整个系统的工作性能。智能小车控制系统中对控制电机要求其体积小、重量轻、耗电少，另外还要求其有高可靠性、高精度和快速响应等特点，主要集中在以下几个方面高可靠性。控制电机的可靠性对保证任何自动控制系统的正常工作极为重要，一旦发生故障，将会直接导致本次设计的失败。高精度。在本次设计中对电机的响应精度要求较高，因为我们所加的脉冲宽度是毫秒级得，有时甚至是微秒级的。从广义上而言，直流电机特性的线性度和失灵区会直接影响到系统的精度。启动、停止和反向均能连续有效的进行，具有良好的响应特性。正转反转的特性相同，且运行特性稳定。良好的抗干扰能力、体积小、重量轻。常用的控制电机有步进电机和直流电机两大类。步进电机效率较低，功率较小，虽然近年来不断有小体积大功率的步进电机出现，但其价格昂贵，因此在小车类控制中常用的是直流电机。直流电机能够将输入的电压信号变成转轴的角位移或角速度输出，改变控制电压即可改变电机转速和转向，用途很广泛，主要有如下优点：宽广的调速范围。直流电机的转速能够随着控制电压的改变在宽广的范围内连续调节。线性的机械特性和调节特性。直流电机在控制电压一定时，转速随着转矩的变化而变化。转矩一定时，转速则随电压的变化而线性调节。线性的机械特性和调节特性有利于提高自控系统的动态精度。与步进电机相比，小体积较易获得大功率。3.3检测电路的设计小车采用光电传感器E18-D80NK 漫反射式红外光电开关，用漫反射式光电开关进行避障。光电开关的工作原理是根据光线发射头发出的光束，被物体反射，其接收电路据此做出判断反应。光电开关E18的技术参数:1输出电流DC/SCR/继电器 Control output：100mA/5V供电2 消耗电流 DC25mA3、响应时间 =6)d=0; one=3;elsea=3; b=1; if(side1)&(side2)a=1; b=3; num=0;elsea=1; b=0; if(!two)if(!front1)