第六届山东省高校机器人大赛技术报告书

第六届山东省高校机器人大赛第六届山东省高校机器人大赛 技技 术术 报报 告告 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 I 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 第六届山东省高校机器人大赛技术报告 II 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 关键词 智能小车 单片机 光电检测 第六届山东省高校机器人大赛技术报告 III 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 第六届山东省高校机器人大赛技术报告 1 第一章第一章 引言引言 1 11 1 作品制作背景作品制作背景 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 21 2 设计要求设计要求 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 31 3 技术报告章节安排技术报告章节安排 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 第六届山东省高校机器人大赛技术报告 2 第二章第二章 总体设计方案总体设计方案 2 12 1 设计思想设计思想 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 22 2 总体设计框图总体设计框图 图 2 1 第六届山东省高校机器人大赛技术报告 3 2 32 3 各模块分析选择各模块分析选择 2 3 12 3 1 小车底盘分析小车底盘分析 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 22 3 2 控制芯片的选择控制芯片的选择 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 3 1 图所示 图 2 2 第六届山东省高校机器人大赛技术报告 4 2 3 32 3 3 电机驱动模块的分析与选择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 750 800mA 的持续电流 峰值电流能力可达 1 5 2 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 42 3 4 避障模块的分析与选择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 52 3 5 智能小车最后方案智能小车最后方案 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 第六届山东省高校机器人大赛技术报告 5 第三章第三章 系统电路设计系统电路设计 3 13 1 单片机最小系统的设计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 CMOS 8 位单片机 内含 4k Bytes ISP In system programmable 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 ISP Flash 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 23 2 电机驱动电路的设计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 第六届山东省高校机器人大赛技术报告 6 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 33 3 检测电路的设计检测电路的设计 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 DC 25mA 3 响应时间 6 d 0 one 3 else a 3 b 1 if side1 b 3 num 0 else a 1 b 0 第六