机器小强竞速论文.doc

第八届长通杯电子设计大赛机器小强竞速 学院：电气工程学院 班级: 电自094班 姓名: 刘永帅，曹文博 贾浩然机器小强竞速摘要 该机器小强竞速电路是以AT89S51单片机为核心控制器,其外围电路主要包括舵机模块，电源模块，循迹模块，机械传动模块。实现具有自动行走功能的机器。整个系统使用单片机的C语言进行编程，实行软硬件结合的方法，用最少的硬件实现高性价比的机器。关键词：AT89S51 舵机 循迹 C语言 AbstractThis mechanical Xiaoqiang on AT89S51 racing circuit for core controller, its periphery circuit include steering gear module, the power modules, followed, mechanical transmission module tracing module. With automatic walking function realization of the machine. The whole systems use MCU assembly C programming language, implement software and hardware of the method of combining, with the least amount of hardware realize high performance machines. Key Words: AT89S52，rudder，tracking, C language programme.引言：随着科学技术的发展，电子产品的更新速度不断加快，人们也对技术提出了更高的要求。而作为当代大学生，我们更应该多掌握知识，要求自己进步。恰逢学校举办电子设计竞赛之际，我们通过对机器小强的设计，以实践来更好检验自己的能力。我们将以单片机为控制器核心，配以驱动原件和红外线传感器作为检测原件来实现机器小强的自动循迹前行。目录一系统设计1基本要求42机器小强的原理53模块方案比较与论证53.1单片机芯片的选择方案和论证 53.2电机的选择方案和论证63.3小强六足材料的选择方案和论证63.4小强自动循迹的选择方案和论证73.5电源的选择方案与论证84.最终方案8二理论分析与计算91足部行走模型92步态行走原理103舵机的控制10三电路与程序设计111电路原理图112控制程序12四测试方案与测试结果131硬件调试131.1单片机调试131.2舵机调试131.3循迹调试132软件调试133功能测试及结果分析143.1 测试仪器143.2测试结果分析143.3测试结论14五参考文献14一系统设计1基本要求：设计并制作一个具有自动行走功能的机器小强通过步行的方式从起点线走到终点线。竞赛开始启动小强放置于起跑线后（本次比赛跑道中设有弯道），从放手后开始计时任其自由前行，其间不允许走出边线，并要求在规定时间内走到终点（终点有挡板要求小强能自动停下）。参赛小强未在3分钟内走到终点者，比赛失败。2机械小强的原理机械小强基于仿生学原理，以单片机为控制器核心，以伺服马达为驱动元件，再配以不同类型的传感器，再加上智能软件的控制，制作一个具有自动行走功能的机器小强。3模块方案比较与论证3.1单片机芯片的选择方案和论证：方案一: 采用89C51芯片作为硬件核心，采用Flash ROM，内部具有4KB ROM 存储空间,能于3V的超低压工作,而且与MCS-51系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于不具备ISP在线编程技术, 当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。方案二: 采用是ST89E58,片内ROM全都采用Flash ROM；能以3V的超底压工作；同时也与MCS-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8KB ROM 存储空间，同样具有89C51的功能，且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。所以选择采用ST89E58作为主控制系统。图一为ST89E58单片机芯片引脚图。图1. ST89E58单片机芯片引脚图3.2电机的选择方案和论证方案一：采用直流电机。直流电机最大的问题是没法精确控制电机转的圈数。必须加上一个编码盘，来进行反馈，来获得实际转的圈数。但是直流电机的速度控制相对就比较简单，用一种叫PWM（脉宽调速）的调速方法可以很轻松的调节电机速度。现在也有很多控制芯片带调速功能的。方案二： 采用步进电机。它可以一个角度一个角度旋转，不象直流电机，可以很轻松的调节步进电机的转角位置，如果发一个转10圈的指令，步进电机就不会转11圈，但是如果是直流电机，由于惯性作用，它可能转11圈半。步进电机的调速是通过控制电机的频率来获得的。一般控制信号频率越高，电机转的越快，频率越低，转的越慢。方案三: 采用伺服马达。伺服马达内部包括了一个小型直流马达；一组变速齿轮组；一个反馈可调电位器；及一块电子控制板。其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低3.3小强六足材料的选择方案和论证方案一：采用凸轮机构。会使机械小强的三角步态走法困难。方案二：采用杆结构。实现机械足的上升、下降、伸缩、弯曲较方便。3.4小强自动循迹的选择方案和论证小强的路线循迹部分是整个小强最重要的，就如同人的眼睛。故采用的是单光束红外光电传感器 RPR221，因为红外线具有很强的反射能力，采用专门的红外接收和发射一体的传感器可以有效的防治可见光和相邻传感器之间的干扰。 红外传感器电路图 如图，传感器发射管发出同样的光强，当发射光遇到黑色物体时光会被吸收故接收管接不到信号，三极管不导通，输出高电平。当发射光被反射，接收管能收到信号时，三极管导通，输出低电平。通过将输出信号输出单片机判断高低电平即可实现判断小车位置的功能，再通过单片机控制电机驱动电路即可实现小强自动循迹的功能。 小强可以考虑共采用 3 个传感器，其中 2 个同一直线安装在小小强底盘下面的最前端，传感器向下放置，如图所示： 红外线传感器安装位置这样安装能使小强更稳定的行使在规定的路线上，即中间的两个传感器是第一级保护，当小强偏离路线时快速的反应使小车能纠正回到规定路线，外面左右的两个是第二级保护，即当小强速度过快，第一级传感器没有得到反应时用于对小强路线的纠正，这样能使小强更稳定的运行。 3.5电源的选择方案与论证采用6v充电电池。由于3个舵机同时运动最大电流可以达到4 A,对电源电量要求较高。4.最终方案经过反复论证，我们最终确定了如下方案：（1）采用ST89E58单片机作为主控制器；（2）采用伺服马达作为动力系统。（3）通过单光束红外传感器来实现循迹。（4）编程语言使用汇编语言。（4）能源系统使用6v干电池。 ST89E58主控制模块舵机模块循迹模块等机械传动模块电源模块二理论分析与计算1 足部行走模型“六足纲”昆虫多以交替的三角步态运动进行直线行走，即行走是有3条腿同时着地，另外3条腿迈步，中间腿向上提时一侧前后腿向前迈，另一侧迈小步的方式实现转向。我们在对一些六足昆虫的行走过程进行观察和测量的基础上对其三角步态进行了优化和创新，设计了一款六足防生机器人。图1为前后足三维实体图。（图一） （图二）图二为中间足部三维实体图，该机器人各足均采用图一图二所示的整体式结构，每条腿有一个关节一个自由度，而且一侧的前后腿用连杆连接起来，形成联动装置；另一侧则是相同，同时还要用连杆把中间的两条腿连接起来，也形成联动装置；腿部与主板的连接靠螺栓；整机具有两个自由度，都是通过连杆和电机连接起来实现动作；其中中间两腿用于支撑，进而实现转弯和前进后退时两侧腿的前摆和后摆作用；两侧腿实现前后摆动，进而来前进后退，控制两腿前进后退的电机放在主板宽阔之处，中间电机放在前面，整个机器人的功能用集成电路来实现。具体结构见图三。2步态行走原理 图三机器人步态原理图即电机安装图，前进运动时，其中一侧前后腿抬足先行向前侧摆一定角度，当其刚好落地时，中间的两腿支撑起前部，实现其中四支腿着地，进而来让另一侧腿抬足，侧摆相同的角度后落地，实现前进；后退的原理同上。3舵机的控制标准的微型伺服马达有三条控制线，分别为：电源、地及控制。电源线与地线用于提供内部的直流马达及控制线路所需的能源，电压通常介于4V6V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服马达会产生噪音）。甚至小伺服马达在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms2ms之间，而低电平时间应在5ms到20ms之间，并不很严格。三电路与程序设计1电路原理图在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的。 （部分电路图）单片机实现舵机转角控制 可以使用FPGA、模拟电路、单片机来产生舵机的控制信号，但FPGA成本高且电路复杂。对于脉宽调制信号的脉宽变换，常用的一种方法是采用调制信号获取有源滤波后的直流电压，但是需要50Hz(周期是20ms)的信号，这对运放器件的选择有较高要求，从电路体积和功耗考虑也不易采用。5mV以上的控制电压的变化就会引起舵机的抖动，对于机载的测控系统而言，电源和其他器件的信号噪声都远大于5mV，所以滤波电路的精度难以达到舵机的控制精度要求。 也可以用单片机作为舵机的控制单元，使PWM信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高舵机的转角精度。单片机完成控制算法，再将计算结果转化为PWM信号输出到舵机，由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。 单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两个任务：首先是产生基本的PWM周期信号，本设计是产生20ms的周期信号；其次是脉宽的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整占空比。 当系统中只需要实现一个舵机的控制，采用的控制方式是改变单片机的一个定时器中断的初值，将20ms分为两次中断执行，一次短定时中断和一次长定时中断。这样既节省了硬件电路，也减少了软件开销，控制系统工作效率和控制精度都很高。如图2 产生PWM信号的软件流程四测试方案与测试结果1硬件调试1.1单片机调试使用示波器观察AT89S52芯片30引脚ALE端是否有正脉冲信号输出。如果有脉冲信号输出，则单片机基本上是好的。1.2舵机调试 将三个舵机舵脚安装上，编制一个舵机微调角度的小程序，将中间舵机调到90度，两边舵机在左右调到最大角度后通过程序。1.3循迹调试小强的循迹是依靠安装在小强底盘的红外传感器实现的，在小强的底盘下面一线安装着4 个传感器如上图，检测到黑色的路线时就会有高电平信号送入单片机，当检测到浅色的线路时就会有低电平进入单片机。单片机就可以根据这种信号判断小车所在的位置，进而控制小强的运行方式，从而达到调试作用。2软件调试本程序采用C语言编写。首先通过keil仿真软件调试运行，在线调试中测试小强的三角步态直线行走，并在传感器作用下作出自动循迹。在线仿真正确后，再将程序烧写进芯片中，进行最终测试。3功能测试及结果分析启动小强放置于起跑线后，从放手后开始计时让其沿轨道而行，期间时而偏离轨道，我们对程序进行细微改动后，可以继续前行，并沿轨道