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基于微处理器的轮式自动定位抓捕器系统毕业论文目 录 第1章 绪 论11.1国内外研究现状及生产需求状况11.1.1 移动机器人国内外研究现状11.1.2 移动机器人生产需求现状21.2 移动机器人的研究意义21.3设计内容31.4 章节安排4第2章 系统方案设计52.1总体设计方案52.2系统方案论证52.2.1 控制器模块比较与论证52.2.2 黑线检测传感器的选择62.2.3 电机模块62.2.4 电机驱动模块62.2.5 显示模块72.2.6 测距模块72.2.7 抓手模块72.2.8 电源模块82.2.9 车体的选择82.2.10 路线布局图82.3 本章小结8第3章 系统硬件设计103.1最小系统模块设计103.2路面循迹电路设计103.3 电机驱动模块113.3.1 L9110H驱动模块113.3.2 L298N驱动模块123.4 12864液晶显示模块123.5 HC-SR04超声波测距模块设计133.6 提升架设计与制作153.7 货架的设计与制作163.8 本章小结16第4章 轮式自动抓捕器系统的软件设计174.1主程序的设计174.2 直流电机驱动模块软件设计184.2.1电机的工作原理184.2.2 L298N车轮驱动模块软件设计184.3红外循迹模块的软件设计224.4超声波测距模块的软件设计244.3.4 抓捕与提升模块的软件设计274.5 显示部分软件设计314.3.1 LCD12864液晶显示的基础314.3.2介绍相关信息的显示324.3.3 系统状态实时显示334.6 本章小结34第5章 系统的调试及运行355.1软件调试355.1.1 Keil Vision4 软件的介绍355.1.2 Keil Vision4 软件的使用355.2硬件调试355.2.1 运动平台的硬件介绍355.2.2 调试过程375.3调试过程中的问题及解决方法385.4本章小结40第6章 结论与展望416.1 结论416.2展望41参考文献42致 谢44附录I 控制部分总电路图45附录II 实物图46附录III 源程序49III第1章 绪 论当今社会，现代化工商业迅猛发展，仓储业和物流业由于其作业量大，作业环境恶劣，时间紧及众多系统性不安全隐患，使得仓储机械化、自动化成为仓储业发展的必然趋势。轮式自动定位抓捕器属于移动机器人的一种，研究自动定位抓捕器，能够提高仓储作业效率，降低劳动成本同时减少人身伤害和货物损害，实现仓储现代化。本章从轮式自动定位抓捕器的设计与应用的角度出发，简要介绍了其在国内外研究现状、生产需求现状及研究意义，并对本文的内容进行了简要的说明。1.1国内外研究现状及生产需求状况轮式自动定位抓捕器主要应用在自动化领域，是计算机等新型研究成果与现代汽车相结合的产物。通常情况下，具有自动识别道路、自动避障、自动变速等功能。下面，我们将对移动机器人的国内外研究现状和生产需求状况做一些简要的分析。1.1.1 移动机器人国内外研究现状移动机器人是机器人学中的一个重要分支，出现于20世纪60年代。它运用传感、计算机、通信、信息、导航、自动控制及人工智能等技术，可以通过计算机编程来实现其对行驶方向、速度以及启停的控制，无需人工干预，是一个典型的高新技术综合体，集规划决策、自动行驶、环境感知等功能于一体，它具有道路障碍自动识别、自动保持安全距离、自动制动、自动报警、巡航控制和测速等功能。20世纪80年代初，美国国防高级研究计划局（DARPA）制定了地面无人作战平台战略计划，拉开智能移动机器人在全世界的发展序幕4。目前，移动机器人已经取得了令世界瞩目的成果，2005年Boston Dynamics公司、大众特-米勒公司、喷气推进实验室以及哈福大学康德菲尔德研究站共同研发一款新的、名为“Spot”的机器狗，Spot采用四条液压机械腿来运动，在全身安装着各种各样的传感器，甚至在关节位置以及接触地面的脚掌上也有传感器。安装在其身上的计算机接收这些传感器的信号，处理后对机械狗进行导航以及平衡控制。“Spot”能够行走、小跑、上楼梯，并且可以负重180公斤跟随士兵在崎岖道路行军,甚至被踢之后还能恢复姿势。轮式自动抓捕机器人最典型的应用代表是美国Kiva Systems 公司的 Kiva 移动执行系统 （KivaMFS）“机器人”采用ADI公司的基于Blackfin处理器的视觉系统，对信号和图像进行实时分析处理，从而实现对仓库地面的智能导航。国内对移动智能机器人的研究则起于20世纪80年代，现仍处于对单项技术研究的阶段，与国外移动智能机器人在技术方面尚有一定差距，总体上落后于发达国家。但在国家“七五”、“八五”计划和“863”计划等支持下，发展极为迅速，某些领域取得突破性进展，逐步缩短与西方发达国家的技术差距。中国科学院沈阳自动化研究所的“CASIA-I”机器人，采用多DSP和CAN总线来控制和处理移动机器人各类传感器，能够在非结构环境下具有试听和语音交互功能3。上海市“智能汽车车内自主导航系统”的一种样车，2000年7月19日通过市科委鉴定，它标志着上海智能交通系统进入实质性实施阶段。飞思卡尔智能移动机器人竞赛以迅猛发展、前景广阔的汽车电子为背景，包含理论设计、实际制作、整车调试、现场比赛等环节，推动了移动机器人智能化的研究。2013年，扫地机器人集成摄像头等众多传感器已经步入千家万户，成为与人们生活最贴近的机器人。同年，无人驾驶月球车“玉兔”号作为中国首辆月球车成功登上月球，软着陆月球后与嫦娥三号着陆器完成精彩互拍，标志着中国成为继前苏联，美国之后第三个掌握月球软着陆，月面巡视探测技术的国家2。同时国内有些企业异军突起，自主研发的智能移动机器并得到了广泛的应用。它们的典型案例有：上海广茂AS-RO、北京博创Up-Voyager、上海英集斯的MT-OR等。1.1.2 移动机器人生产需求现状机器人的出现很大程度就是为了控制成本，这个成本包括人工成本，还包括质量成效率提高等等。使用机器人使得出错机会更少，机器人不会因为长时间的工作疲劳而导致速度和精度下降，工作质量得到了有效的保证，同时节约和减少检测环节，降低了企业的成本。当然一些特殊生产工艺以及生产现场，比如高温、高压、粉尘、噪声以及带有放射性和污染的场合不得不使用机器人。如2011年日本福岛核泄漏事件，救援与检修人员即使穿着防辐射服也不适宜长时间在辐射区进行工作，这给及时控制核泄漏带来了很大的阻力5。机器人的制造主要是用来为人类服务的，单凭这一点就注定它会有很大的存在价值。随着国内经济的迅猛发展，企业之间的竞争愈演愈烈，但劳动力成本的不断爬升令中国的制造工厂们感到无比苦恼。要想在行业里时刻占有一席之地，就必须在成本上保持优势。这便为轮式自动定位抓捕器提供了很大的生存空间。目前，各大型仓库搬运货物仍然使用的是传统的叉车，需要单人单机操作，效率低，作业强度大，机器与机器之间没有通信，容易造成仓储区域分配不合理现象，同时，由于仓库面积达太大，常常因为找不到货物存储区域等原因导致出货速度大大降低。但如果使用轮式自动抓捕机器人，并且对机器人之间进行联机通信，则可以成倍提高仓库的收发货效率，省时省力。相信不久以后，它将会像电脑一样普及到每一个家庭，每一个单位。在军事、工业生产等各领域对智能移动机器人都有很大的需求。尤其是随着电商促销节“双11”、“网络星期一”以及“黑色星期五”等的来临，像阿里巴巴和Amazon这样需要对数以百万计的产品进行日常管理和分配的公司，使用人力既费时又耗力，同时容易威胁人身安全。使用智能移动机器人来对仓库进行管理是势在必行的。因而轮式自动定位抓捕器将成为未来仓库以及工厂不可或缺的一份子。1.2 移动机器人的研究意义现代社会，伴随着工、商业的迅猛发展，劳动力成本的不断爬升，怎样降低生产、仓储成本、为了企业老板日益关心的焦点。智能化作为现代化的新产物，是将来各个领域的发展方向。轮式自动定位抓捕器在工业生产和仓储运输中将扮演着重要的角色，而对其智能化的研究更加具有实际的意义。轮式自动定位抓捕器是一种高新技术密集的自动抓捕器，是在网络环境下利用信息技术、智能控制技术、自动控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机和机械等多个学科的最新科技成果，使抓捕器具有自动识别行驶道路、自动驾驶等先进功能。近年来，轮式自动定位抓捕器在国外大型仓库中已经有了广泛运用，已成为人工智能领域研究和发展的热点。轮式自动定位抓捕器课题的研究，构建智能抓捕器系统，使得我将综合课堂上的知识，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计小车的检测、驱动和显示等外围电路，采用智能算法实现小车的智能寻迹。此次设计使我了解单片机的发展与使用，加深巩固已学知识，培养设计并实现自动控制系统的能力，培养锻炼自己的设计能力、发现分析并解决问题的能力、检索文献资料的能力以及团队合作的能力，达到理论与实践的统一，充分了解科学研究的过程，掌握收集、整理和利用材料的方法，通过指导老师的指导，减少一些失误，切身体会科学研究的全过程，系统地、全面地锻炼自己，对以后的工作、学习有很大的帮助。本次设计与实际相结合，以STC89C52为主控芯片模型车体为基础结构，包括电机驱动模块，12864数据显示模块，超声波测距模块，自主循迹模块，提升和抓捕模块等，设计出一个实时性好、可靠性高、价格低廉的轮式自动定位抓捕器，现实意义很强。1.3设计内容本文介绍了轮式自动定位抓捕器的设计，主要设计轮式自动定位抓捕器方案，控制轮式自动定位抓捕器的控制板，以及仓库货架的布局图，最终完成轮式自动定位抓捕器的制作轮式自动定位抓捕器可实现自动识别路线，选择正确的行进路线，并且随机械爪的上下、抓取运动进行控制，并完成论文的撰写。主要设计内容如下：1. 以AT89C52RC为控制器控制直流电机进行各项动作。2. 通过4对红外对管进行路面检测，反馈回来的高低电平送给单片机，进而控制小车的运动方式，实现寻迹。3. 使用超声波模块进行测距定位。4. 使用L298N驱动车轮电机，从而带动小车运动。5. 使用L9110H控制提升电机，从而控制抓捕模块的升降。6. 通过舵机控制机械手张开与闭合。7. 通过12864液晶实时显示系统当前状态、货架距离。8. 制作小车的车身、提升架和货架。9. 绘制小车的行驶路径图。1.4 章节安排1.第一章为绪论，详细介绍了轮式自动定位抓捕器的国内外研究现状、生产需求现状，以及研究意义，使读者对轮式自动定位抓捕器有一个初步的认识。2.第二章为系统总体方案设计，主要介绍各模块方案的对比，以选择最优方案。3.第三章为系统硬件电路设计，简要介绍硬件各模块电路的确定。4.第四章为系统的软件设计，详细介绍了小车寻迹模块、液晶显示模块、超声波测距模块，提升与抓捕模块的软件设计，包括流程图和程序代码分析。5.第五章为系统的调试及运行，将硬件与软件联合进行调试，介绍Keil软件的使用，并对系统出现的一些问题进行了分析。 6.第六章为结论与展望，简要介绍了本设计得出的最终结论，并作出展望，对可改进和添加的功能作了说明。10第2章 系统方案设计本章主要介绍系统总体设计方案，经过分析比较确定电路元器件的型号，在理论上论证各硬件模块的可行性，并选择最优方案，为系统的设计提供指导性的意见。2.1总体设计方案本设计采用STC89C52控制，系统的总体设计框图分别如图2.1所示。图2.1 小车的控制设计框图从图2.1可见，本设计以STC89C52芯片作为小车运动控制系统的核心，分别为小车控制部分和显示部分。从图2.1可知，控制部分利用直流电机、寻迹传感器、测距传感器、发光二极管、数码管等，实现了小车在既定轨迹上自行寻迹和抓捕等功能。显示部分使用12864液晶显示屏实时显示小车的当前状态等信息。2.2系统方案论证2.2.1 控制器模块比较与论证控制器模块的设计可选择EasyARM2131开发板或单片机STC89C52，其优缺点比较如表2.1所示。由于单片机STC89C52具有三个计数器中断，两个外部中断以及32个I/O端口，已经可以满足本设计的要求，再结合其成本考虑，最终选择单片机STC89C52作为主控制器。表2.1 控制器方案的比较方案特性优点缺点使用EasyARM2131作为主控制器 处理能力较强、功耗低、内存大，片内资源丰富电压低、能上很多操作系统，I/O口功能较多 与硬件联合调试时需使用仿真器，成本高 使用STC89C52作为主控制器 功耗低、性能高，可在线编程或使用编译器重复编程、提供三个计数器中断 成本低、结构简单、体积小I/O口较少，片内资源较少，只能上一些较简单的实时系统2.2.2 黑线检测传感器的选择方案一：使用CCD传感器。采用图像传感器CCD。它是由高感光度的半导体材料制作而成，能够把光学影像转化为数字信号。传送给单片机进行处理。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。具有很高的灵敏度和分辨率，抗干扰性好，但成本较高、实时性差。方案二：使用红外对管。采用红外发射管和红外接收管，利用光的反射特性，以及黑色不反光和白色反光的原理，实现对黑线和障碍物的检测。此传感器使用方便，外围电路简单，编程容易，价格低，满足此次设计的硬件要求。缺点为检测距离短。综合考虑，虽然CCD有分辨率高，抗干扰性强等众多优点，但由于本自动定位抓捕器系统采用STC89C52芯片，其处理速度较慢，导致实时性本来就不好的CCD性能更差。同时，由于其成本较高，而此次经费有限，故决定采用方案二。2.2.3 电机模块方案一：直流减速电机。直流电机具有优越的调速性能、较强的过载能力以及较大的热动和制动转矩，调速方便。驱动比较简单，如常用的L298N和LG9110均可以作为驱动芯片使用。方案二：步进电机。步进电机动作精确，在控制脉冲的控制下能迅速起动、正转、反转、停止及在很宽的范围内进行转速调节，步距角小，输出转矩大，可直接带动负载。但步进电机转速太低、不适合作为车轮的驱动电机。由以上分析可得，采用直流减速电机作为抓捕器的执行器件，方便实用，故选择方案二。2.2.4 电机驱动模块方案一：使用LG9110进行驱动。该驱动板可驱动一路直流电机，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控制方式简单，可靠性高。方案二：使用L298N进行驱动。该驱动板可驱动两台直流电机，控制方式简单，可以进行pwm 调速控制。价格便宜，且控制可靠性高。方案三：利用继电器的打开和闭合来控制电机的转速和方向，电路规模小，但是由于内部采用机械动触点，故可靠性较低。综合考虑，小车的左右两个驱动轮需要调节速度，故采用L298N来驱动，提升机不需要调节速度，采用LG9110来驱动，使得每个驱动模块得到充分利用。2.2.5 显示模块方案一：使用LED数码管进行显示。LED数码管分为共阴极数码管和共阳极数码管，显示较清晰，成本低，使用简单。但显示较单一，只能显示数字和一些简单的字符，显示汉字比较困难，功耗大，实际电路较复杂。方案二：使用1602液晶显示屏显示信息。LCD1602能显示2行共32个字符，是一种专门用来显示数字、字母和符号等的点阵型液晶模块。其体积小、功耗低、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。但是，LCD1602不能用来显示汉字或图像等。方案三：使用LCD12864液晶显示屏显示。带字库的LCD12864液晶为中文汉字图形点阵液晶显示模块，可显示字符、汉字及图形，内置8192个中文汉字，128个字符及64256点阵显示RAM，功耗低、字迹清晰、美观、显示信息量大、显示质量高、画面效果好。本次设计中，需要显示的抓捕器的实时状态和一些相关基本信息，所以对此部分的显示选择方案三；而对于小车运行状态的显示，我们选择方案二。2.2.6 测距模块选用HC-SR04超声波传感器，采用IO触发测距，感应角度小于等于15度，测试距离2cm到450cm，精度可达到3mm，且成本低，本设计要求测距范围在100cm以内，完全满足要求，故选用HC-SR04超声波传感器。2.2.7 抓手模块选用全金属机械抓手，配用MG946R舵机，扭力大，反应速度快，0.17sec/60degree(4.8v) 0.14sec/60degree(6v)，满足抓手要求，故选用此机械抓手和舵机。2.2.8 电源模块方案一：采用2节3.7V电池供电。采用2节3.7V电池给小车电机，同时通过7805稳压芯片给单片机、LCD12864液晶、超声波传感器、红外循迹模块供电。这样比较节约资源。方案二：采用电源箱供电。实验室的电源箱可提供双电源，分别给显示模块和小车驱动模块供电，其优点是可提36V以内的任意值稳定输出，电流也可根据需要输出，但是占用资源过大，并且需要使用长导线连接220V电源，不便于小车自由行驶。方案三：使用6节3.7V电池供电。使用2节3.7V电池为小车电机、另用2节3.7V电池为LCD12864、超声波传感器以及红外循迹模块供电。还有两节电池为控制抓手的舵机稳定供电综合考虑，方案一由于负载太多，导致电机不转并且显示屏较暗。方案二由于需要使用长导线会影响小车行驶。故选择方案三。2.2.9 车体的选择方案一：购买车体。购买组装完整的车体，包括电机、车轮和车架，装配紧凑、安装较方便、外形美观，但是成本较高、不易于改造。 方案二：自己制作车体。自己制作车体，用锯将绝缘板锯出所需大小，再使用螺丝和螺丝帽将电机和万向轮与绝缘板即车体组装在一起。缺点是车体较粗糙、不美观；优点是车身的大小可根据实际需要进行确定，易于改造，价格低廉。综合考虑，我们选择方案二作为我们的初步方案。2.2.10 路线布局图方案：自己绘制布局图。购买一张合适大小的白纸，使用铅笔和尺子勾勒景点分布路线，然后用毛笔和碳素墨汁将道路涂黑，而景点处粘贴可代表此处景点的图片，并在旁边写出景点名字。此方案的缺点是实现起来较复杂；优点是景点和布局图的大小可自行修改，成本低。2.3 本章小结经过反复论证，本设计最终确定了“基于微处理器自动定位抓捕器系统”的方案，具体如下：1.采用单片机STC89C52RC作为主控制器。2.在小车前方安装4对红外对管进行寻迹过程中的纠偏控制。3.选用一个L298N和一个LG9110电机驱动芯片分别驱动两个和一个直流电机，从而控制小车运动和提升机动作。4.使用LCD12864液晶显示小车状态以及一些作品相关信息。5.采用2节电池给电机供电，另用2节为LCD12864、超声波传感器以及红外循迹模块供电。还有两节电池为舵机供电6.轮式自动定位抓捕器的车体和路线布局图均自己制作。第3章 系统硬件设计本章主要介绍与系统方案相关的硬件电路模块及其连接方法的设计，包括51单片机核心模块、路面检测模块、电机驱动模块、显示模块、DS1302实时时钟电路、DS18B20温度传感器、测速模块及小车车身壳体设计和制作过程；另外经过大量考察设计并制作基于微处理器的轮式自动定位抓捕器系统的游览布局图。3.1最小系统模块设计 本设计使用STC89C52RC作为主控芯片。单片机最小系统电路图如图3.1所示。图3.1 单片机最小系统图3.2路面循迹电路设计本设计的功能要求主要为循迹功能。循迹功能的实现主要是利用光的反射特性，以及红外对管的工作原理。光具有反射特性，对不同物质的反射特性不同：白色物体对光的反射性比较强，因而红外光线的反射量将会多一点；而黑色不反光的物体，红外反射量将会大量地减少。因此，利用不同物质对光的反射能力的差异可进行黑白的判断。本设计采用4对红外对管进行配合循迹。将4对红外对管垂直安装在车的前下方并靠近路面，用来检测地面的信号。当道路为白色时，红外接收管接收到信号，红外对管与单片机的连接端为低电平，从而送给单片机低电平信号；当道路为黑色时，单片机接收到高电平信号。单对红外对管的硬件电路图如图3.2所示。图3.2 红外对管硬件电路图3.3 电机驱动模块电机驱动模块包括三个直流电机、一个LG9110电机驱动芯片以及一个L298N驱动芯片。3.3.1 L9110H驱动模块LG9110的IA、IB与单片机的P1.6、P1.7连接，使用软件控制电机的正转、反转和停转。下面主要对电机、LG9110以及电机驱动电路进行详细的介绍。LG9110驱动模块的硬件原理图如图3.3所示。图3.3 LG9110驱动模块的硬件电路由图可知，LG9110芯片的IA、IB引脚与单片机引脚相连接，IA脚为正转信号输入端，IB脚为反转信号输入端。当单片机给IB脚高电平信号，同时给IA脚低电平信号时，电机反转；当单片机给IB脚低电平信号，同时给IA脚高电平信号时，电机正转；单片机同时给IA、IB脚低电平时，电机停转。由此，单片机可通过控制电机驱动模块，从而控制抓手的升起和下放。3.3.2 L298N驱动模块L298N是15脚Multiwatt封装的，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器。L298N驱动模块的硬件原理图如图3.5所示。图3.4 L298N驱动模块的硬件电路由图可知，L298N的引脚OUT1，OUT2，OUT3，OUT4为L298N芯片输入到电动机的输出端，其中引脚OUT1和OUT2能控制两相电机，对于直流电动机，即可控制一个电动机。同理，引脚OUT3和OUT4也可控制一个直流电动机。引脚ENA和ENB为电动机的使能接线脚。引脚IN1，IN2，IN3，IN4为单片机输入到L298N芯片的输入引脚。当单片机给ENA或ENB脚高电平信号时，其控制的相应电机正转；单片机同时给ENA、ENB脚低电平或高电平时，电机停转。由此，单片机可通过控制电机驱动模块，从而控制小车的升起和下放。当左轮和右轮同时正转时，小车前进；当左轮和右轮同时反转时，小车后退；当左轮反转、右轮正转时，小车左转；当左轮正转、右轮反转时，小车右转。通过以上分析可知，根据实际情况，在软件中，单片机传送给L298N相应的信号，驱动直流电机正反转，从而实现小车的各项运动。3.4 12864液晶显示模块此模块主要内容为12864液晶显示模块的焊接，通过软件控制实现对小车当前状态的显示。12864液晶的详细说明如图3.5。图3.5 LCD12864液晶的示意图 VSS：电源地端。 VDD：电源正端。 VO：对比度调节引脚。 RS：寄存器选择引脚。当该引脚为高电平时选择的是数据寄存器，为低电平是选择的是指令寄存器。 R/W：读/写操作引脚。当该引脚为高电平时选择读操作；反之，选择写操作。 E：使能信号引脚，在该引脚的下降沿，数据被写入12864液晶；当该引脚为高电平时，可以对12864液晶进行数据读操作。 DB0DB7：数据总线引脚。 PSB：并/串行接口选择。该引脚为高电平时，并行；为低电平时，串行。 NC：空脚。 RST：复位引脚，低电平有效。 BLA：背光源正极。 BLK：背光源负极3。3.5 HC-SR04超声波测距模块设计HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。HC-SR04 超声波测距电路如图3.6所示，HC-SR04 内部原理如图3.7所示。图3.6超声波测距电路图图3.7 HC-SR04内部原理图3.6 提升架设计与制作提升架采用透光性强、抗冲击力强、绝缘性能优良的亚克力板，按照所需要求设计开槽打孔，具体见图4.7.1。3.8 提升架设计图如图3.8所示，提升架模块由5部分组成，第一部分为是提升架的主体，提供吊轮上下运行轮的轨道。第二部分为挡轴，提供吊轮轨道，保证吊轮能按照预定轨道行进，防止运行时走偏脱离预设轨道。第三部分为吊轮，是提升的核心部分，每个吊轮有四个小轮子，平衡性好，行进时阻力小，本设计共用到4个吊轮，左右两组，每组前后两个。第四部分为横梁，固定吊轮与提升架主体，本设计共用到2个横梁。第五部分为定滑轮部分，由一个定滑轮和两边的固定块构成，是提升电机与抓手连接的桥梁，保证抓手平滑上下运动。最后通过螺丝将第三部分吊轮，第四部分横梁和第一部分主体联结在一起，用502胶水将第二部分、第五部分和第一部分主体粘在一起，最终组装好提升架，实际组装好的提升架如图3.9所示。3.7 货架的设计与制作货架如图3.10 所示。图3.10 货架设计图所示，1为货架，2为货物，货架分为两层，货物由塑料泡沫切成。3.8 本章小结本章概括地介绍了“轮式自动定位抓捕器”方案相关的单片机STC89C52RC的引脚及基本参数，具体说明了直流电机及其驱动芯片的工作原理及控制方法，并设计了红外传感器的基本原理和接线方式，分析了各硬件电路的工作原理，陈述了提升架与货架的设计和制作过程；另外经过大量考察设计并制作轮式自动定位抓捕器的硬件行进布局图。为系统的联合调试奠定了坚实的理论基础。第4章 轮式自动抓捕器系统的软件设计本章主要从软件方面论述轮式自动定位抓捕器系统的设计与实现方法。包括系统运行的主程序、循迹子程序、提升与抓捕子程序、测距子程序、以及显示子程序。通过流程图以及部分程序详细地描述了小车路面检测、提上与抓捕、测距以及显示的设计原理及实现方法4.1主程序的设计本设计采用STC公司的STC89C52芯片作为主控芯片，实现对轮式自动定位抓捕器的控制，主要用到的技术是利用定时器向I/O输出PWM波形来控制减速电机以及舵机。设计的轮式自动抓捕器系统的主程序流程图如图4.1所示。图4.1 轮式自动抓捕器系统的主程序流程图系统上电，程序开始执行。首先对硬件进行初始化，然后LCD12864显示作品相关信息，接着电机工作，驱动小车向前行驶。在前进过程中采用查询方式不断对各I/O口进行扫描，以获取各传感器采集到的路面现状的信息，根据扫描得到的信息，调用相应的子程序，实现相应的功能要求。使小车保持在既定轨迹上，并进行抓取或放置货物。在小车前进过程中寻迹模块发挥作用，实时检测小车是行驶在既定轨迹上，如果小车前进方向偏离出既定轨迹，则调用纠偏子程序使小车寻回到既定轨迹，如果没有偏离轨迹，则直行前进并检测是否找到货架，此时，超声波传感器发挥作用。如果检测到货架，则进行抓取或者放置货物。抓取和放置货物时，提升机以及舵机模块发挥作用。当抓手放置完货物后，小车自行掉头并循迹返回起点。4.2 直流电机驱动模块软件设计4.2.1电机的工作原理直流电机的原理如图4.2所示。直流电动机中固定有半圆形永磁体，产生磁场。转子上有线圈，当给线圈两端加上直流电源时，有电流从“+”极流入，经过线圈从“-”极 流出，绕组线圈受到电磁力的作用，根据左手定则可知，电磁力的所形成的转矩方向为逆时针方向。绕组线圈所受力的大小可根据电磁力定律F=BIL得到。当绕组线圈转到与磁场平行时，由于惯性就在继续旋转，两边电刷将分别和另一个换向片接触，直流电流方向反向。此时绕组线圈所受力的方向可根据左手定则判定，他们产生的转矩仍然使得转子逆时针方向转动。因而电动机能保持一个方向转动。简而言之，直流电动机的工作原理便是：外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。 图4.2 直流电机原理图4.2.2 L298N车轮驱动模块软件设计1. 小车左右转和L298N的关系本设计采用L298N电机驱动芯片对带动轮子的两个电机进行驱动，L298N的引脚图如图4.3所示。图4.3 L298N引脚图一块L298N可以直接驱动两台直流电机，分别为M1和M2。引脚enable a（ENA），enable b(ENB)可用于输入PWM脉宽调制信号对电机进行调速控制（如果无须调速可将两引脚接5V，使电机工作在最高速状态，即将短接帽短接，此时控制方法与L9110H一样）。实现电机正反转就更容易了，输入信号端input1(IN1)接高电平输入端input2(IN2)接低电平，电机M1正转。（如果信号端IN1接低电平，IN2接高电平，电机M1反转。）控制另一台电机是同样的方式，输入信号端input3(IN3)接高电平，输入端input4(IN4)接低电平，电机M2正转。（反之则反转），PWM信号端ENA控制M1调速，ENB控制M2调速。由以上分析可知，L298N芯片接收到单片机信号后，控制左轮电机M1和右轮电机M2正反转，从而控制小车运行状态，其具体控制见表4.1。表4.1 L298N控制小车运行状态表IN1IN2IN3IN4ENAENB小车状态dddd00停止111111停止000011停止101011直行010111后退101111慢速右转100111快速右转111011慢速左转011011快速左转 2. PWM信号控制电机转速由于本设计所选直流电机转矩较大，电机全速前进时速度过快，导致小车容易冲出既定轨迹，再也循不回来。因此考虑使用PWM脉宽调制信号对电机进行调速控制。程序设计中利用定时器0产生1ms定时，并产生中断，在定时器0中断处理子程序中对L298N的两个控制端分别输送PWM调制信号以控制车轮转速。具体方法通过程序来说明。void Timer0(void) interrupt 1 using 1 static unsigned char Cnt,Cnt1;TH0=(65536-1000)/256; /定时1mSTL0=(65536-1000)%256; if(left=CYCLE)Cnt=CYCLE; /左轮占空比为100%的情况else Cnt+; /每中断一次，自加1if(Cnt=left) ENA = 0; /高电平时间到，控制端跳变为低电平if(Cnt = CYCLE) ENA = 1; Cnt=0; /低电平时间到if(right=CYCLE)Cnt1=CYCLE; /右轮控制方法同左轮一样else Cnt1+;if(Cnt1=right)ENB = 0; /高电平时间到if(Cnt1 = CYCLE) ENB = 1; Cnt1=0; /低电平时间到由以上程序可以看出，当Cnt（Cnt1）的小于left（right）时，控制端ENA（ENB）输出高电平；当Cnt（Cnt1）的大于left（right）时，控制端ENA（ENB）输出低电平；当Cnt（Cnt1）等于CYCLE时，则给Cnt（Cnt1）赋值为0，如此循环往复。如果left、right两个变量中的值改变时，便会影响两轮控制端的高电平时间，从而控制两轮转速。此外，转速还受到控制循环周期的变量CYCLE的影响，CYCLE值越大，则转速越慢，反之转速越快。3. 控制小车动作的算法与流程图控制小车前进的算法是编写程序的依据，是轮式自动定位抓捕器完成各动作任务的关键。本设计的设计算法主要体现在电机驱动的实现。轮式自动抓捕器运动过程的基本动作有：前进、后退、左转、右转、掉头、停车等。本系统使用两侧电机驱动，只要改变两侧电机的转动方向，就可以实现这些基本动作。小车的基本动作情况与电机控制的逻辑关系见表4.1。在主程序中，主要采用调用子程序的方式并根据路面的情况改变运动状态来实现寻迹。控制小车动作的子程序流程图如图4.3所示。当调用到控制小车动作子程序时，首先子程序首先控制运动平台停止，然后根据形参所传递的参数进行判断，当形参为0时，则运动平台继续保持停止状态；当形参为1时，则控制两轮同速正转，运动平台前进，当形参为2时，则控制两轮同速反转，运动平台后退，当形参为3时；则控制左轮后退、右轮前进，运动平台左转；当形参为4时，则控制左轮前进、右轮后退，运动平台右转。图4.3 控制小车动作程序流程图 4. 小车控制子程序清单 void controlcar(unsigned int function) IN1=0; IN2=0; IN3=0; IN4=0; delay(1); /将此状态延时一段时间 switch(function) /判断小车控制指令类型 case 0: /小车停止 IN1=0; IN2=0; IN3=0; IN4=0; ENA=0; ENB=0; DisplayListChar(0,3,carstatus6);/显示字库中的中文 break; case 1: /小车径直前行 TR0=1;left=3;right=3; CYCLE=12; /周期12msIN1=1; IN2=0; IN3=1; IN4=0; DisplayListChar(0,3,carstatus1);/显示字库中的中文break; /控制小车后退、左转、右转的程序省略 由程序可以看出，根据形参function的值的不同，可以控制运动平台不同的运动状态。同时可以根据全局变量left、right中的值调整左右轮的转速，从而使运动平台平稳运动。4.3红外循迹模块的软件设计1. 红外对管的工作原理红外对管分为红外发射管和红外接收管。如图4.4中，D1为红外发射管，D2为红外接收管。R1阻值为180，可以对红外发射管进行分压和限流，对红外发射管起到保护作用。（为可变电阻，最大阻值为1000，调节该电阻阻值，可以对红外发射管进行分压和限流，改变红外发射管所发射红外光的强度。同时对红外发射管的起到保护作用）；R2阻值为10K，其功能是将反射回来的光信号转换成电信号。由图4.5可知，电源上电后，D1处于持续工作状态中，会持续发射红外光（类似于发光二极管被点亮），当红外光遇到白色等对光的反射能力较强的物体被反射回来时，D2接收到红外线，当红外光强度达到一定程度时，D2将导通（类似于三极管的导通过程），向单片机引脚送出低电平“0”。反之，遇到黑色等放射能力较差的物体时，向外输出高电平“1”。图4.5 红外对管工作原理图2. 循迹与红外对管的关系使用符号Left1、Left、Right和Right1依次代表小车前方四对红外对管输出端的状态，在程序中，CPU会不断对单片机的I/O口进行查询，并根据各端口电平的高低来判断需要执行哪个子程序。4对红外对管的组合状态与小车要执行的功能的逻辑关系见表4.2。表4.2小车循迹控制表Left1LeftRightRight1控制小车状态0000/0001右转0010右转0011右转0100左转0101/0110直行0111右转1000左转1001/1010/1011/1100左转1101/1110直行1111右转3. 循迹程序设计与流程图循迹程序是基于遇到需右转的道路时或小车跑偏后进行纠偏而设计的程序，其流程图如图4.6所示。小车在既定轨迹上行驶中，当小车向左偏离黑色道路时，单片机查询到红外对管反馈回来的左偏信号，控制小车右转，并在12864上显示小车状态为“右转”，使小车回到黑色道路上继续行驶；向右偏离道路时，单片机同样查询到红外对官反馈回来的右偏信号，控制小车左转，并在12864上显示小车状态为“左转”，使小车正常行驶。本设计中，当遇见丁字路口时，在寻迹程序中设置小车向右转。 图4.6 寻迹程序流程图4. 循迹程序部分清单while(1)while(Left1=0)&(Left=0)&(Right=0)&(Right1=1) ;/小车左偏controlcar(4); /小车右转while(Left1=1)&(Left=0)&(Right=0)&(Right1=0); /小车右偏controlcar(3); /小车左转 while(Left1=0)&(Left=1)&(Right=0)&(Right1=0); /小车右偏controlcar(3); /小车左转while(Left1=0)&(Left=1)&(Right=1)&(Right1=0); /小车未偏离controlcar(1); /小车直行. . . /其他纠偏程序与前面类似，此处省略。 可以看出，当运动平台前下方四个红外对管送给主控芯片的信号依次为“低、低、低、高”时，说明只有最右侧的红外对管模块能检测到黑色轨迹，运动平台偏向了左侧，因此需要向转弯以纠正偏离状态。由图4.3知，向右转弯时，形参传递的值应该是4，故调用子函数controlcar（4）来纠正偏运动平台的左偏状态。4.4超声波测距模块的软件设计1.超声波测距原理超声波模块采用IO口TRIG触发测距。测距子程序流程图如图4.3所示。图4.7超声波测距程序流程图在程序中只需给TRIG引脚大于10us高电平，然后拉低此引脚电位，该模块便会自动发送8个40khz的方波，并且将ECHO端置为高电平，定时器1开始计时。当ECHO端检测到反射回来的信号时定时器1停止计时，根据定时器1所计ECHO端高电平持续时间，可得到超声波从发射到返回的时间，通过这个时间就可以计算测得的距离。计算公式为：距离=（高电平时间*声速）/2。由于当系统的运动平台偏离既定路线时，超声波模块由于方向偏离，检测不到货架的位置，因此本设计中仅在移动平台直行前进时进行测距，既提高了测距的精度，又节省了不必要的测距占用CPU的时间。当检测到前方货架距离小于15cm时，则调用提升与抓捕子程序2. 超声波测距子程序设计如下：启动子程序：void ultrasonic(void)StartModule();