全向机器人控制系统设计

目 录摘 要 .1关键字 .11 前言 .22 总体方案设计 .22.1 总体方案简述 .22.2 各模块论证与选择 .32.2.1 中央处理模块 .32.2.2 直流电机及其驱动模块 .32.2.3 循迹模块 .52.2.4 速度检测模块 .52.2.5 通信模块 .63 硬件部分设计 .83.1 中央处理模块 .83.2 直流电机及其驱动模块 .103.3 循迹模块 .113.3.1 循迹原理分析 .113.3.3AD 采样芯片简介 .123.4 避障模块 .133.5 测速模块 .143.6 电源模块 .15 3.7 输入和输出显示模块 .163.7.1 模块分析 .163.7.2 按键消抖 .163.8 硬件抗干扰措施 .173.9 印制电路板可靠性和抗干扰设计 .174 算法的方案论证 .184.1 循迹板采集算法 .184.2 控制算法 .184.2.1 总控制方案的确定 .184.2.2PID 算法简介 .194.2.3 模糊控制介绍 .204.3 方向控制 .214.3.1PID 算法设计 .214.3.2PID 控制算法的具体实现 .224.3.3 滤波算法介绍 .235 软件部分设计 .255.1 程序流程图 .255.1.1 主控板程序流程图 .255.1.2 循迹控制板程序流程图 .265.1.3 路径偏差计算流程图 .275.2PWM 产生 .285.3 通信模式的选择 .295.3.1USART 简介 .305.3.2USART 寄存器说明与选择 .31 6 开发与调试 .327 结论 .33参考文献 .33致谢 .34附录 .35附录 1 主控板程序代码 .36附录 2 循迹控制板程序代码 .53 湖南农业大学全日制普通本科生毕业设计诚 信 声 明本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。毕业设计作者签名：年 月 日1全向机器人控制系统设计摘 要：本机器人控制系统由中央处理单元模块、循迹采样模块与电机驱动模块等组成。中央处理单元模块由 AVR8 位微处理器 ATMEGA128、ATMEGA16 为主控芯片，通过循迹采样模块采集信号并处理，利用串口通信将信号传给中央处理单元，由中央处理单元根据信号控制机器人伺服电机的运转状态，从而实现对机器人运动状态的控制。电机驱动电路采用四通道集成芯片 L297 和 L298。通过循迹技术来实现机器人的运动路径和运动位置的判定。循迹部分采用光敏电阻接收发光二级管经过物体反射回来的光从而实现机器人按照预定轨迹移动。经试验证明，该机器人控制系统能较好完成任务。关键词：机器人控制系统；循迹；ATMEGA128；光敏电阻；2Universal wheel robot control system designAbstract: The robot control system consists of a central processing unit module, a tracking sampling module and the motor driver module. A central processing unit module for the master chip microprocessor from AVR8 of ATMEGA128, ATMEGA16 collection signal by tracking the sampling module and processing, the use of serial communication signals to the central processing unit, by a central processing unit according to the signal to control the robot servo motor operating state, in order to achieve the control of the state of motion of the robot. Motor drive circuit using four-channel chip L297 and L298.By tracking technology to achieve the determination of the path of movement and the movement position of the robot.The tracking part photoresistor receiving a light emitting diode, the light reflected by the object in order to achieve the robot moves in accordance with a predetermined trajectory. The test proved that the robot control system can better complete the task.Key words: Robot control system; tracking; ATmega128; Guangmin Resistance;31 前言机器人作为人类最伟大的发明之一,长久以来一直受到国内外的研究人员的关注,而全向机器人的研究无疑是智能机器人研究中最具有挑战性的研究课题之一。它涵盖了自动控制技术、计算机技术、电子技术、智能控制理论、传感器技术等诸多学科的知识,基如此使得对全向机器人的研究已经成为了人工智能和机器人学的研究热点。每年举办一次的亚太机器人国内选拔赛中是典型的全向机器人的比赛平台。全向机器人比赛既是高科技应用于娱乐的一种体现,也是培养人工智能、自动化领域科技人才的重要窗口,同时也是促进全向机器人领域科技进步的有效途径,其研究意义深远而重大。随着近年来全向机器人比赛的热烈展开,吸引了越来越多的国内外大学投入更多人力物力到比赛中,各参赛队伍的水平也在逐年提高。然而比赛过程中全向机器人普遍存在中断不受控制、启动及控制较慢、无法达到预定位置、启动转矩较小、运行速度较小、动作的精度不高等问题。全向机器人要想在比赛中完成既定任务,必须有一个控制精度高、稳定性好的运动控制系统。全向机器人的运动控制是指控制机器人按照预先规划好的运动轨迹运动,运动控制系统对机器人性能有最直接的影响。本设计是机器人控制系统的综合研究，初步实现了多学科的综合研究及机电一体化专业各个课程的应用。对毕业生能实现一个全面的锻炼。2 总体方案设计2.1 总体方案简述本设计是基于 ATMEGA128 单片机 2的机器人。本系统主要由中央处理模块、直流电机驱动模块、循迹模块、避障模块、速度检测模块、通信模块、人机交互模块与电源模块等组成。中央处理模块是整个系统的核心。它与其它各个模块之间通过各种电路和接口协议进行相连。循迹模块、速度检测模块、避障模块等传感器输入部分对系统外界信息进行采集和处理后，将数据通过异步串行通信等方式发送到中央处理模块。由中央处理模块根据软件设计中的流程图和所设计的算法，对数据进行分析与处理。从而得到相关的最优输出操作，通过输出 PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）波的方式进行驱动直流电机模块进行工作；按照通信协议，接口协议等要求和其他模块进行信息交换。其对应的系统方框图如图 1 所示。4图 1 系统方框图Figure1 Schematic Block Diagram2.2 各模块论证与选择2.2.1 中央处理模块中央处理模块是整个机器人的核心环节。它是实现信息处理、命令输出与智能算法等的场所。本设计提出以下两种方案。方案一：采用 ATMEL 公司的 AT89C51。51 单片机的价格便宜，应用广泛，但是功能单一。本系统需要进行寻迹采集信息，要处理的量比较大，电机控制需要同时输出三路 PWM 调制波，实现较为困难。此外，51 单片机还需要仿真器来实现硬件调试，较为繁琐。方案二：采用 ATMEL 公司研制发的 ATMEGA128 与 ATMEGA16。AVR 单片机是高速嵌入式单片机 1，数据处理速度快、中断响应迅速。其次，AVR 单片机耗能低，且其快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号 FLASH 非常大，特别适用于使用高级语言进行开发。 由于 AVR 单片机具有更优良的性能，我们选择了 ATMEGA128 与 ATMEGA16作为中央处理单元的控制芯片。即选择方案二。2.2.2 直流电机及其驱动模块直流电机驱动模块是机器人的动力系统，通过接收来自中央处理模块传来的的PWM，来实现对电机的智能控制。（1）电机的论证和选择。电机模块选择是整个方案的关键部分，按照设计要求，需要实现对机器人的高精度运动控制，高精度的运动能让系统的调整算法与控制压力中央处理模块ATMEGA128循迹模块电源模块电机驱动模块人机交互模块速度检测模块壁障模块空心杯电机通信模块5大大减小。因此，普通的直流电机很难满足题目的要求。为此，我们提出如下两种方案。方案一：采用步进电机来实现对机器人运动的控制。步进电机有较高的定位精度，无位置累积误差，但如果控制不当容易产生共振，难以运转到较高的转速。另外，步进电机在体积重量方面没有优势，能源利用率低。 方案二：采用空心杯直流伺服控制机器人运动。空心杯电动机具有突出的节能特性、灵敏方便的控制特性和稳定的运行特性，作为高效率的能量转换装置，代表了电动机的发展方向。空心杯电机具有十分突出的节能、控制和拖动特性，而直流减速电机力矩大转动速度快，采用闭环的控制控制系统后，能达到更高的精度。由于步进电机在重量、高速转动和能源利用率方面不如空心杯直流伺服电机，本系统最终选择了方案二。（2）驱动方案的论证与选择。方案一：采用线性驱动方式。线性驱动方式可以看做是个数控电压源。其中该驱动方式的优点是驱动电机的力矩纹波很小，可应用于对电机转速精度要求非常高的地方，但是实现它的成本较高，比较复杂。由于线性放大驱动方式效率和散热问题严重，尤其是要提高电机的驱动功率，相应的成本将大幅度的增加，需要耗费大量的时间精力来完成。方案二：采用达林顿管或 MOS（Metal-Oxide-Semiconductor，金属半场效应晶体管的简称）管搭制 H 桥的开关驱动方式。采用达林顿管或 MOS 管搭制 H 桥 PWM 脉宽调制体积较大，由于分立元器件的特性不同，使得驱动器具有一定的离散性；此外，由于功率管的开关电阻比较大，因此功耗也很大，需要散热片，这无疑进一步加大了驱动器的体积。方案三：采用驱动芯片 L297、L298 3来驱动电机的开关驱动方式。随着技术的迅猛发展，基于大功率 MOS 管的 H 桥驱动芯片逐渐显示出了它的优势。L298 是SGS 公司的产品，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芯片，即内部含有两个 H 桥高压大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL（Transistor-Transistor Logic，逻辑门电路）逻辑电平信号，可驱动 46V、2A 以下的电机。由于方案三的芯片 L298、L298 不仅能满足电路本身的功能，其集成的电路使得它的体积很小，失真度底，功耗也很小，这正符合电路设计中节能和稳定的基本要求。我们最终选择方案三。62.2.3 循迹模块方案一：用激光二极管做反射式光电传感器光源，通过红外对管来实现。激光二极管测量距离近，灵敏、准确，且发出的光的频率较集中，传感器只接收很窄的频率范围信号，不容易被干扰但价格较贵。方案二：用普通的发光二级管和光敏电阻实现。光敏电阻和发光二极管价格低廉，响应快速，功耗较小。虽然这种方案容易受到外界环境的干扰影响，但是采用对反射光强进行测量的方法和一定的机械结构优化可以提高系统的可靠性和准确性。经综合考虑成本及控制难度等因素，我们选择了方案二的寻迹方案。2.2.4 速度检测模块随着电池电压的逐渐下降，电机供给电压也会随之降低，导致电机的转速不断下降。若采用闭环控制，将车轮转速信息反馈给控制器，从而使电机的实际转速值等于指令转速值，就能提高速度的准确性。根据常用的有两种测速传感器：本设计提出以下两种方案。方案二： 模拟转速计 它也被安装到电机的输出轴上，但输出的是正比于电机转速的电压。方案一： 轴编码器 它常被用来测量旋转轴的位置和转速。 “绝对式位置编码器”被用来测量轴的实际位置，这种编码器长被用于伺服系统中来获得一定的转轴位置。“增量式轴编码器”常被用来测量转轴的转速（速率和方向） 。增量式轴编码器可以产生直接对应于轴转速的脉冲序列，如果采用有两相信号输出的增量式轴编码器实际只能称之为转速计。工程中应用最多的是光学编码器，但也有一些利用电磁原理制成的霍尔效应编码器。比较两种方案，从输出信号的格式看，轴编码器输出的是方波信号，很容易输入到控制器中，而模拟转速器输出的是模拟信号，还需 AD 转换，另外，模拟转速器对动力大小也有影响，而轴编码器对它几乎没有影响，要对智能车进行速度的测量，故比较之下选用方案二增量式轴编码器。增量式轴编码器又可分为反射式光学编码器、光栅式编码器和基于霍尔效应的编码器。如图 3 所示。光栅式编码器的可靠性高于反射式编码器，而基于霍尔效应的编码器采用纯机械的方法无法承受长时间的使用，且精度不高。因此，速度的测量采用光栅式编码器。其实物见图 2 空心杯电机实物图，其尾部为编码盘。7图 3 增量式轴编码器原理图Figure3 Schematic diagram of incremental shaft encoder principle 2.2.5 通信模块通信方式的选择。由于串行通信方式具有使用线路少，成本低，特别是在远程传输时，避免了并行通信中多条线路的特性不一致，因而被广泛的采用。在串行通信时，要求通信双方都采用一个标准接口，使不同设备可以方便的连接起来通信。RS-232-C（recommended standard，一种推荐串行通信接口标准）是目前最常用的一种串行通信接口。它是在 1970 年由美国电子工业协会联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准 4。由于串口通信的优势和普及性，其技术已经趋于普及和成熟，本设计亦选择串口通信方式。2.2.6 避障模块壁障模块主要用来检测前方是否有障碍物。对此，我们提出两种方案来实现。方案一：采用红外测距的方式。利用红外测距传感器测量出机器人和障碍物之间的距离。然后计算出与障碍物之间的距离，从而实现智能的避障路线。但是红外测距传感器容易产生测量误差，如焊接时温度过高，环境中不同颜色对红外线反射效果不同，接收时间差等因素都可以导致测量出现问题。方案二：采用光电开关检测障碍物。它是利用被检测物体对红外光束 5的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。由于方案一中的红外测距传感器的不稳定性。本设计选用方案二。方案二中的光电开关，通过软件上的提前预防与及时对检测到的障碍物进行避开措施，同样能达到很好的避障效果。2.2.7 人机交互模块人机交互模块主要为了让我们能在调试过程中便于对机器人操作和及时查看调试过程中的系统所处状态。1602 液晶 6它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符位组成进行输入设置相关参数。8它具有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧等特点，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。由于本设计的输入要求不高，只需要在采样时和系统开始，系统复位时用到输入。因此，输入部分本设计选用普通的按键。2.2.8 电源模块电源模块为整个系统提供稳定高质量的电源，是所有设计能最终实现的重要保障。本设计提出以下两种方案。方案一：采用电池组进行供电，电池组的重量轻，便于安放，但是其供电的能力不够，不能长期的供应较大的电流。方案二：采用高性能的 li-poly 电池，它能直接提供稳定的 12V、3.3A 、30C 的电源，满足机器人的所有模块供电要求。为了提供稳定高性能的电源，我们采用了方案二中的 li-poly 电池。3 硬件部分设计3.1 中央处理模块本设计中采用 ATMEL 公司研制发的 ATMEGA128。ATMEGA128 是基于 AVR RISC 结构的 8 位低功耗 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)微处理器。中断响应迅速，数据处理速度快，其数据吞吐率高达 1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。其次，AVR 单片机耗能低，且其快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号 FLASH非常大，特别适用于使用高级语言进行开发。 图 5 为 ATMEGA128 的引脚配置图、图 6 为机器人最小控制系统图。9图 5 ATMEGA128 的引脚配置图Figure5 The ATMEGA128 pins configuration diagram机器人最小控制系统主要包括晶振电路、JTAG（Joint Test Action Group，联合测试行为组织，一种测试访问端口和边界扫描结构标准）电路 7，复位按键电路、AD参考电源电路等部分。其原理图如图 5 所示。1012Y.059MHzS6KEDN48R7PC3uFAGTXLJOI (/)BVWUmega-+_图 6 机器人最小控制系统图Figure6 The minimize control system of Car晶振电路：晶振电路的主要元器件为晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，为系统提供基本的时钟信号。两端与单片机的 XTAL0 脚和XTAL1 脚， 为了电路的稳定性起见，ATMEL 公司建议在晶振的两引脚处接进两个10pf-50pf 的瓷片电容接地来削减谐波对电路的稳定性的影响，没有什么计算公式。JTAG 电路：J TAG 也 是 一 种 国 际 标 准 测 试 协 议 ， 相 关 JTAG 引 脚 的 定 义 为 ：TCK 为 测 试 时 钟 输 入 ； TDI 为 测 试 数 据 输 入 ， 数 据 通 过 TDI 引 脚 输 入 JTAG 接 口 ；TDO 为 测 试 数 据 输 出 ， 数 据 通 过 TDO 引 脚 从 JTAG 接 口 输 出 ； TMS 为 测 试 模 式选 择 ， TMS 用 来 设 置 JTAG 接 口 处 于 某 种 特 定 的 测 试 模 式 。11复位按键电路：单 片 机 在 启 动 时 都 需 要 复 位 ， 以 使 CPU（ Central Processing Unit， 计 算 机 中 央 处 理 器 ） 及 系 统 各 部 件 处 于 确 定 的 初 始 状 态 ， 并从初态开始工作。手动按钮复位需要在复 位 输 入 端 RST 上 加 入 高 电 平 ， 在 RST 端 和 正 电源 Vcc之 间 接 一 个 按 钮 。 电 路 如 图 3 所 示 。根据 ATMEGA128 数据使用手册、以及基本的电路知识，设计出如图 3 所示的机器人最小控制系统图。3.2 直流电机及其驱动模块 本设计采用驱动芯片 L297、L298 来驱动电机 8。随着技术的迅猛发展，基于大功率 MOS 管 H 桥驱动芯片逐渐显示出了它的优势。L298 是 SGS 公司的产品，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芯片，即内部含有两个H 桥高压大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL 逻辑电平信号，可驱动 46V、2A 以下的电机 22。芯片 L298、L298 不仅能满足电路本身的功能，其集成的电路使得它的体积很小，失真度底，功耗也很小，这正符合电路设计中节能和稳定的基本要求。其驱动电路图如图 7 所示。SYNG 引脚为斩波器输出端。A、B 、C、D 四个引脚分别是A、B、 C、D 四相的输出端。INH1 引脚为控制 A 相和 B 相的驱动极，INH2 与之功能类似，控制 C 相和 D 相，当引脚为低电平时， A 相和 B 相的驱动控制被禁止。CONTROL 引脚为斩波器功能控制端。当它为低电平时使 INH1 和 INH2 起作用，当它为高电平时 A、B、C 、 D 起作用。LK18W/EN0F9256YIOMG+.upd图 7 电机驱动电路图Figure7 Circuit diagram of Motor driver3.3 循迹模块 3.3.1 循迹原理分析发光二极管发出的调制光经地面反射到光敏电阻。光敏电阻接收到光信号后，其阻值发生变化，使得电路产生电流与电平的变化。当机器人偏离了应走的黑线，循迹12板上的光敏电阻就会得到对应的不同的电阻值和电平值，通过专用的 AD 转换芯片 9得到其 AD 值，再由单片机在算法上进行处理，就可以把这种变化检测出来，判断某一个检测点是否在黑色引导线的上方，从而判断智能电动机器人和黑色引导线的相对位置。循迹板包括 LED（ Light Emitting Diode，发光二极管）灯电路图和信号放大与选择电路图。如图 8、图 9 所示：光R12345670.KDLEGNA+VIS图 8 LED 灯电路图Figure8Circuit diagram of LED3.3.2 复用开关芯片简介MAX306CWI为多路复用开关，高精度，单输出，COMS模拟多路复用器 10。具有较快的开关速度。表1为MAX306CWI的逻辑真值表。本设计中，将EN引脚经过电阻后接到电源，使EN引脚保持高电平，从而简化了芯片工作过程中的设置。表 1 MAX306CWI 的逻辑真值表Table1 Logic really value table of MAX306CWI A3 A2 A1 A0 EN ON/SwitchX X X X 0 None0 0 0 0 1 10 0 0 1 1 20 0 1 0 1 30 0 1 1 1 4续表1A3 A2 A1 A0 EN ON/Switch0 1 0 0 1 50 1 0 1 1 613A3 A2 A1 A0 EN ON/Switch0 1 1 0 1 70 1 1 1 1 81 0 0 0 1 91 0 0 1 1 101 0 1 0 1 111 0 1 1 1 121 1 0 0 1 131 1 0 1 1 141 1 1 0 1 151 1 1 1 1 16IN23456ABCDGKRV_OUT+-EMXWnFPS图 9 信号放大与选择电路图Figure9 Circuit diagram of amplification and choose3.3.3 AD 采样芯片简介AD976是一个 单电源供电的高速、低功耗16位逐次逼近式MD转换器，转换速5V度为100kSPS ，功耗为100mW。AD976的集成性好，内部包含2.5v参考电压源、高速并行接口和时钟。出厂前芯片的所有线性误差都得到了补偿，并且诸如信噪比和总谐波失真等的交流参数及失调、增益和线性度都得到全面测试。以下为部分引脚介绍：其中IN引脚为模拟输入,该引脚与模拟信号源连接一个 的电阻。如图8中2014所示。 和 同为模拟地。作为REF引脚的参考地。REF引脚为基准输入1R1IGND2I输出。该引脚为内部 基准的输出或从该引脚输出一个外部基准。一般都是在该.5V引脚和地之间接入 的钽电容。如图8中电容 所示。 引脚为字节选择脚，uF4CBYTE为片选输入。当 为低电平时，数据输出从高到低，当 为低电平时，CSBYTES读/转换输入引脚才能有效工作。 为忙输出检测脚。经参考AD976 11数据RBUSY手册及相关应用论文，得到图10所示的AD976电路图，其程序代码见附录。图 10 AD976 电路图Figure10 Circuit diagram of AD9763.4 避障模块避障模块主要由光电开关组成。属于光电接近开关。它是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。根据光电开关在检测物体时，发射器所发出的光线被折射回接到接收器的途径的不同，可分为漫反射式，镜反射式，对射式等。综合考虑到本设计中需要面对的障碍物的复杂多样性，因此本设计采用的为漫反射式。输出形式：分NPN二线、NPN 三线、NPN四线、PNP二线、PNP三线、PNP四线、AC二线、AC五线（自带继电器） ，及直流NPN/PNP/常开/常闭多功能等几种常用的输出形式。本设计中选用分NPN 三线常开式。当无检测物体时，常开型的光电开关所接通的负载由于光电开关内部的输出晶体管的截止而不工作，PD1 端口通过上拉电阻使得PD1引脚为高电平，当检测到物体时，03679+AP_OK15晶体管导通，负载得电工作。PD1端口变为低电平。图11为光电开关电路图。图 11 光电开关电路图Figure11 Circuit diagram of photoelectric switch circuit 3.5 测速模块图 12 编码盘采样电路Figure12 Circuit diagram of coding dish sampling 如图 12 所示测试模块主要有编码盘来实现。HCP2-2630 12为优质小型大功率继电器，当 1 和 2 端输入差值达到一定数值时候，7 脚会引起动作。同理，1、3 脚的变化能引起 6 脚的动作， 。图中的两个二极管的作用为保护 1 和 4 引脚电压不至于过低。两个电容为滤波电容，用来滤除尖刺和防止干扰信号。通过采样输入模块，把信号送入 ATMEGA128 的 IC1 和 IC3 脚。3.6 通信模块MAX232 芯片是美信公司为 RS-232 标准串口设计的接口电路, 使用+5v 单电源供电。MAX232 芯片的作用是将单片机输出的 TTL 电平转换成 PC 机能接收的 232 电平或将 PC 机输出的 232 电平转换成单片机能接收的 TTL 电平。内部结构基本可分三个部分：第一部分是电荷泵电路。由 1、2、3、4、5、6 脚和 4 只电容构成。功能是产生+12v 和 -12v 两个电源，提供给 RS-232 串口电平的需要。光KR8GNDVCTXP90A+-UHSEncode_Iar16第二部分是数据转换通道。由 7、8、9、10、11、12、13、14 脚构成两个数据通道。其中 13 脚（R1IN） 、12 脚（R1OUT） 、11 脚（T1IN） 、14 脚（T1OUT）为第一数据通道。8 脚（R2IN） 、9 脚（R2OUT） 、10 脚（T2IN） 、7 脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS 数据从 T1IN、T2IN 输入转换成 RS-232 数据从 T1OUT、T2OUT输出；DP9 插头的 RS-232 数据从 R1IN、R2IN 输入转换成 TTL/CMOS 数据后从R1OUT、R2OUT 输出。第三部分是供电。15 脚 DNG、16 脚 VCC（+5v） 。图 13 为 MAX232 接线图。其中 P8 为向外传输数据的接口。图 13 MAX232 电路图Figure13 Circuit diagram of MAX2323.6 电源模块电源模块为系统其他各个模块提供所需要的电源。设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止干扰和电路简单等方面进行优化。可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。本设计中采用高性能的 Li-Poly 电池，高性能的电池能减轻硬件电路设计的难度，直接提供稳定的 12V、3.3A、30C 的电源，满足机器人的所有模块供电要求。此外，机器人的不同模块所需的电压不同，如主控板和循迹板需要电压为 5V，电机则为 12V。因此，我们需要对主控板进行减压稳压，稳压芯片选型为：REG1117-5。图 14 为电源电路图。10C243PTXDRVS-6OUINGMAHeadr1710uF/6VC94D3N758GIOUT2RE-JPW.S B+Headr图 14 电源电路图Figure14 Circuit diagram of power supply 3.7 输入和输出显示模块3.7.1 模块分析为了完善智能电动机器人控制系统的功能，使其更加人性化，同时也为了方便调试，在设计中，我们加入了输入和输出显示模块。通过显示模块把系统状态下一些重要的参数显示出来。图 15 为按键电路和 1602 显示电路原理图 13。其中 R 为上拉电阻。 KYA按 键 电 路L接 口图 15 按键电路和 1602 显示电路图Figure15 Circuit diagram of key circuits and 1602 display为了简化控制系统电路及算法代码的复杂程度，本电路的输入部分使用按键来实现，输出显示部分使用 LCD1602 液晶显示器。根据设计任务，按键的需要完成的功能主要为采样时按键、复位按键、参数调整与选择按键。通过液晶显示出的对应提示，我们的每个按键可以实现在不同阶段起到不同作用。183.7.2 按键消抖由 于 按 键 所 用 开 关 为 机 械 弹 性 开 关 ， 当 机 械 触 点 断 开 、 闭 合 时 ， 由 于 机 械 触 点的 弹 性 作 用 ， 一 个 按 键 开 关 在 闭 合 时 不 会 马 上 稳 定 地 接 通 ， 在 断 开 时 也 不 会 一 下 子断 开 。 因 而 在 闭 合 及 断 开 的 瞬 间 均 伴 随 有 一 连 串 的 抖 动 ， 抖 动 时 间 的 长 短 由 按键 的 机 械 特 性 决 定 ， 一 般 为 5ms 10ms。 为 确 保 CPU 对 按 键 的 一 次 闭 合 仅 作 一 次 处 理 ， 必 须 去 除 键 抖 动 。 在 键 闭 合 稳定 时 读 取 键 的 状 态 ， 并 且 必 须 判 别 到 键 释 放 稳 定 后 再 作 处 理 。 常 用 软 件 方 法 去 抖 ，即 检 测 出 按 键 闭 合 后 执 行 一 个 延 时 程 序 ， 5ms 10ms 的 延 时 ， 让 前 沿 抖 动 消 失 后再 一 次 检 测 键 的 状 态 ， 如 果 仍 保 持 闭 合 状 态 电 平 ， 则 确 认 为 真 正 有 键 按 下 。 当 检 测到 按 键 释 放 后 ， 也 要 给 5ms 10ms 的 延 时 ， 待 后 沿 抖 动 消 失 后 才 能 转 入 该 键 的 处理 程 序 。 按 键 的 程 序 代 码 见 附 录 。3.8 硬件抗干扰措施在嵌入式系统中，系统的抗干扰技术是系统可靠性的重要方面。一个系统的正确与否,不仅取决于系统的设计思想和方法，同时还取决于系统的抗干扰措施。嵌入式系统的干扰源一般有三个渠道：一是空间干扰,电磁信号通过空间辐射进入系统；二是过程通道干扰，干扰信号通过与系统相连的前、后通道及与其它系统的连接通道进入，它叠加在有用信号之上，扰乱信号传输，使有效信号产生畸变。使得数据采集误差加大，导致控制状态失灵，导致程序运行失常；三是系统干扰，电磁信号通过供电通道进入系统或系统本身产生干扰 。虽然抗干扰问题是嵌入式系统在实际应用中最令人头疼的问题，而且没有一定之规,也没有一成不变的方法,但若进行科学的分析并加以合理的设计，采取一定的措施，将系统的硬件和软件结合起来,是可以有效地提高应用系统的可靠性的。3.9 印制电路板可靠性和抗干扰设计印制电路板是嵌入式系统中，器件、信号、电源线的高密度集合体，印刷电路板设计的好坏对抗干扰能力的影响很大 14。设计时应合理走线、合理接地，三总线分开走线 15。尽量将数字、模拟电路分开走线，电源线和地线应尽量加宽，同时使电源线、地线的走向与数据传递的方向一致。应尽量使用 45折线而不要使用 90折线，以减少高频信号对外的发射与耦合，减少互感振荡；将接地和屏蔽正确结合起来使用。CPU、RAM 、ROM 等主芯片以及 VCC、GND 之间接电解电容和瓷片电容；去掉高、低频干扰脉冲；石英晶体振荡器的外壳接地而不要走信号线，且要适当加大接19地面积；时钟线要尽量短，并用地线将时钟区圈起来，使周围电场尽可能地减小。独立系统结构，减少接插件与连线；输入输出驱动器件、功率放大器件应尽量靠近线路板边的引出接插件；提高可靠性，减少故障率。集成块与插座接触可靠，用双簧插座，最好集成块直接焊在印制板上，防止器件接触不良。信号的输入、输出端以使用光耦进行光电隔离为好。这样既可以防止外围器件动作时产生的回流冲击系统，又可使输入端的干扰信号没有足够的功率去干扰发光二极管的正常工作。4 算法的方案论证4.1 循迹板采集算法采用整齐均匀排列的发光二级管光敏电阻循迹板，对于简单又普通的路面条件（主要是白色和另外一种较深颜色） ，将采集到的电压值和一个适当的电压进行比较，从而标识为高电压和低电压。从而可以判断该对应的光敏电阻是否在白线之上。由于循迹板上光敏电阻有一定数量，此算法能大致的判断出车身相对于道路的位置，确定路径信息。这种离散算法的优势主要为简便易行，对硬件及算法要求都比较低，在传感器数目较多的情况下也可以实现较高的识别准确性。但是，这种算法有个致命的缺陷，由于采集后的数据是离散的，循迹板无法识别两个传感器之间的“盲区” ，因此，在机器人沿着曲线运动时，机器人无法较高精度的识别路径，同时也会造成无法及时发现路线的偏移，导致调整方向时需要通过较大的调整幅度来实现补偿，较大的波动将导致系统的不稳定和性能的下降。由于离散算法在较快速的运动中，无法快速的识别和控制难度大。因此，在较复杂的控制系统中，连续化的数据采集量成为了实现真正智能的关键。事实上，光敏电阻特性并非如方案一那么简单（白色区高电压，深色区低电压） ，其电压大小与光明电阻受到光照程度有关。在常见的白色线为引导线的路面中，离白色越近，其电压越高；离白色越远，其电压越低。具体的对应关系与光明电阻的特性及电路等有关，只要掌握了传感器电压-偏移距离的特性关系，通过相关算法，就可以得到循迹板相对于标记线连续的相对位置信息。从而消除了传感器间隙“盲区” ，实现连续路径的识别。4.2 控制算法4.2.1 总控制方案的确定对智能车的控制就是对机器人的速度与方向进行控制，我们比较了模糊控制和PID 控制的优缺点，鉴于