红外线课程设计报告模板

摘 要本次设计采用工业模型机器人，以机械手为例，完成生产中的一整套流程。设计内容有：硬件设计、软件设计、仿真、实物调试四个部分组成。机器人在运动过程中主要通过电机运行过程中的限位开光和对开关计数来实现对机器人具体位置的检测与控制，以单片机的汇编语言为核心，外加直流电机驱动芯片，通过在线下载功能，在程序设计时能不断的修改，通过不断的实验直至精确的控制机器人运动。关键词： 机器人模型 单片机 直流电机AbstractThis design USES industrial robots to model robot as an example, the complete set production process. Contents: design of hardware design, software design and simulation and real debugging four parts. Robot in athletic process, mainly through the motor running process of the dedication and limit switch count to achieve robot location of test and control, with MCU assembly language as the core, plus dc motor drive chip, through online download function in program design, can unceasing revision, through continuous experiment until the precise control robot movement.Keywords: robot model MCU DC motor 目 录引言-3一、硬件电路的设计-31.1总体设计-31.1.1 系统实现的功能-31.1.2 方案的选择与比较-31.1.3 系统总体结构布局-41.2 CPU模块-41.2.1 STC12C5410AD单片机简介-41.2.2与8051单片机的结构功能比较-51.2.3 单片机的应用-61.3串口模块-61.3.1 串口简介-61.3.2 与单片机连接硬件原理与分析-71.4驱动电机模块-71.4.1 L298N芯片简介-71.4.2 芯片工作原理分析-71.4.3直流电机驱动原理-8二、软件设计-10 2.1机器人模型-102.2初始化设计-102.3 延时-112.4机器人的运动具体运动方向和轨迹-11三、仿真、调试以及出现的问题-12四、总结评价-13谢词-13参考文献-13附录-14附录一：复杂方案电路原理图-14附录二：现行方案电路原理图-15附录三：元器件清单-16附录四：PCB印刷图-17附录五：实物图-17附录六：电路板与机器人连接图-18附录七：程序清单-19引 言现代超大规模集成电路技术的迅速发展和不断完善，各种新颖的单片机层出不穷，使得单片机在工业控制领域也因某些功能用于其他控制器而被广泛的应用。机器人是机械技术、电子技术、传感技术、控制工程等多种学科相互渗透,紧密结合的典型机电一体化技术紧密型高新技术产品。随着工厂自动化、家庭自动化、办公自动化、国防武器装备自动化的发展和需要，机器人将越来越成为其必不可缺的“执行者”。直流电机体积小、重量轻、操作简单等特点安装在机器人的各个运动关节。将直流电机安装在机器人的运动关节，再加上限位开关、计数开关，以单片机为核心编写程序，驱动直流电机动作，直流电机带动机器人运动，即可完成一整套运动。一、 硬件电路的设计1.1总体设计1.1.1系统实现的功能通过单片机编程，控制直流电机芯片驱动机器人的运动。制作一个机器人驱动程序，机器组成部分包括：四个直流电机，四个限位开关，四个计数开关；运动方式包括：水平左右旋转，上下升降，手臂伸长与收缩，机械手夹紧与放松。左右旋转、上下升降、手臂伸缩、机械手夹放，分别由四个电机的正传与反转控制。1.1.2方案的选择与比较方案中主要是单片机的接口问题和驱动电机芯片的驱动能力问题。（1）驱动芯片的选择：对于L298N直流电机驱动芯片应用最为广泛。该芯片可驱动电机范围+2.5V-+46V，而机器人上安装的电机5-9V，因此满足驱动要求。每个芯片中有两路电机驱动模块，则设计中只要用到两块芯片就足够。因此电路中选定两片L298N芯片。（2）单片机的选择比较分析：对于本次设计的机器人，只带有限位开关和计数开关，而大多数的机器人为了运行时能准确定位，都采用AD采样技术。为能做到一板多用的功能，因次选择AT89C51与AD0809组合，考虑到四个限位开关，四个计数开关则就要占用单片机八个脚，在加上每个电机芯片要占用七个管脚，在加上AD0809芯片控制采样占用15个口，单片机的接线口就不够用，根据L298N芯片内部电路的分析，驱动一个电机的运行，两个输入端必须是相反，因此加入74LS04芯片，减少电机驱动模块占用单片机的接口数。这种设计虽然都满足了电路的要求，但在PCB的制作上，无法布出单层板。因此改用新型的单片机STC带AD系列，不仅能满足上述要求，还节省了AD0809和74LS04芯片，而且STC系列单片机有ISP/IAP功能，无需专用编程器。因此确定选用的单片机型号为STC12C5410AD。1.1.3系统整体结构布局系统所需功能电路是以单片机作为控制核心，配以电子元件构成。采用单片机控制的优点是电路简洁，控制精确，可靠性高。图1 总体系统框图1.2 CPU模块1.2.1STC12C5410AD单片机简介STC12C5410系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线/渐渐的指令集结构，内部集成MAX810专用复位电路。1.特点：（1）增强型1T流水线/精简指令集结构8051CPU（2）工作电压：5.5V-3.4V（5V单片机）/3.8V-2.0V（3V单片机）（3）工作频率范围0-35MHZ，相当于普通8051的0-420MHZ，实际工作频率可达48MHZ（4）用户应用程序空间12K/8K/6K/4K/2K字节（5）片上集成512字节RAM（6）通用I/O口，复位后为准双向/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上啦，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏每个I/O口驱动功率均可达20mA,但整个芯片最大不得超过55mA（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器（8）EEPROM功能（9）看门狗（10）内部集成MAX810专用复位电路（外部晶振20M下时，可省外部复位电路）（11）时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶振/时钟常温下内部R/C振荡器频率为：5.2MHZ-6.8MHZ精度要求不高时可选择内部时钟，但因为有温漂，应认为是4MHZ-8MHZ（12）共2个16位定时器/计数器（13）外部中断2路，下降沿中断或低电平触发中断，POWER DOWN模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒（14）PWM(4路)/PCA(可编程计数器阵列)，也可用来实现4个定时器也可用来实现4个定时器或4个外部中断（上升中断/下降沿中断均可支持）(15）ADC,10位精度ADC，共8路（16）通用异步串行口(UART)（17）SPI同步通信口，主模式/从模式（18）工作温度范围：0-75/-40-+851.2.2与8051单片机的结构功能比较图2 STC12C5410AD单片机管脚排列 图3 AT89C51单片机管脚排列 STC12C5410AD单片芯片相比传统的8051没有P0口，但是却有8051的所有功能 ，例如定时/计数、并行I/O口、串行口等，而且增加了P1口的AD功能，P1口即可作为普通I/O口，也可最为AD输入口，是对8051单片机的继承和发展。1.2.3 单片机的应用单片机作为核心元件，虽然内部带有复位和晶振，但是为了使单片机工作安全可靠，电路中加入了晶振电路、复位电路。将单片机的P1.0-P1.3做为AD采样口，P1.4-P1.7做为电机芯片控制口，将P2口最为电机芯片的输入口，P3口则为限位开关与技术开关检测口。单片机的所有管脚都得到应用。图4 单片机硬件接线图1.3 串口模块1.3.1 串口简介STC12C5410AD 系列单片机具有在系统可编程（ISP）特性，ISP 的好处是：省去购买通用编程器，单片机在用户系统上即可下载/ 烧录用户程序，而无须将单片机从已生产好的产品上拆下，再用通用编程器将程序代码烧录进单片机内部。1.3.2 与单片机连接硬件原理与分析在线下载主要运用电平转换芯片STC232芯片与单片机P3.0、P3.1连接进行通讯，在运用串口与电脑端的连接，将程序直接烧至单片机内。图5 STC232接线图1.4驱动芯片模块1.4.1 L298N芯片简介 L298N管脚排列如图6：图6 L298N芯片管脚排列 由图可知：L298N芯片中有两个驱动模块，可同时驱动两块电机。1.4.2芯片工作原理分析芯片内部结构如图7：图7 L298N芯片内部原理结构 L298N芯片的工作原理：由图可知ENA为第一块驱动的控制口，与IN1,IN2通过三极管共同控制OUT1/OUT2的输出，假设左边这块电路中的上面两个三极管由左至右分别为V1,V2,下面的两个三极管从左至右分别为V3,V4。V1的基极=IN1*ENA，V3的基极=IN1(非)*ENA,V2的基极=IN2*ENA,V4的基极=IN2(非)*ENA。例如：ENA=0，由上述公式的V1,V2,V3,V4的基极都为0，则V1的发射极为0，V3的集电极为0，则OUT1=0，V2发射极为0，V4的基极为0，则OUT2=0；ENA=1，IN1=1，IN2=0,则V1发射极为1，V3的集电极为0，则OUT1=1,V2的发射极为0，V4的集电极为0，则OUT2=0则电机正转；ENA=1,IN1=0,IN2=1,则V1发射极为0，V3的集电极为1，则OUT1=0，V2的发射极为1，V4的集电极为0，则OUT2=0则电机反转。ENB工作原理相同。1.4.3直流电机驱动原理驱动直流电机只要通过控制电机正反转来控制机器人的运行状态，驱动控制原理为H桥原理，如图8：图8 电机驱动H桥原理以机械手手臂伸缩为例：假设控制电机的两个控制线分别标为1线，2线，1线高电平为正传，2线高电平为反转。当电机的控制线1线与电路中的1脚相连，2线与2脚相连，K1开关闭合，则电机正传；当电机的控制线2线与电路中的1脚相连，1线与2脚相连，K2开关闭合，则电机反转。如图9：输入端与控制口接单片机口，输出口接电机，在通过单片机内部程序控制电机的运行。图9 L298N电机驱动接线图二、 软件设计2.1机器人模型本次设计以及其模型机械手为例，进行软件编程及演示。模型如图10：图10 机器人模型图2.2初始化开始时，单片机系统要进行初始化和自检。按照设计要求，通电后系统要进行自检，而单片机开始运行必须先进行初始化。因此程序开始的第一步就是初始化，初始化主要是针对单片机的程序设计特点进行一些必要的控制设定，为程序运行做好准备。流程如图11：图11 初始化流程 2.3延时延时的第一次运用：在程序中，为了说明初始化程序已运行结束，则加入了一段延时程序，暂停机器人运动，表示即将进入正式运行工作。延时的第二次运用：在此次设计中，是通过电机的运行带动齿轮运作，在齿轮控制旋转，每转动一圈，碰到四次计数开关，在碰触过程中就涉及到了去抖动问题。2.4机器人的运动具体运动方向和轨迹流程图：图12 机器人运动流程 三、 仿真、调试以及出现的问题在进行实物调试过程中，碰到以下问题：（1）计数开关问题：由于在仿真时涉及到计数开关，过程中必须手动的关、开按钮，因此仿真时只设置3次测试对错。当程序设置完好之后，进行实物调试时，计数开关确最多最能工作一次，后来发现，在仿真的时候，没考虑到按键去抖动的问题，在调试实物中没有去抖动则无法实现控制。（2）在线下载问题：由于串口有公、母之分，而以前设计中未用过这种串口。导致安装全部完成之后，无法下载。后来经过示波器测量发现管脚接错，在进行改正之后，实现了在线下载。（3）具体运行时的精确控制问题：根据具体物体放置的高度、大小要控制机器人下降的高度、身体旋转的幅度以及机械手夹紧的幅度大小。通过实物运行不断修改程序中的计数值的大小，以实现准确控制。四、 总结评价花了一两个月时间，毕业设计总算完成了。通过这次毕业设计，学到不少东西，也加深了理论学习。在学校学的只是基础，很多的东西还需要在深入学习。通过在设计硬件电路对STC12C5410AD单片机的了解，软件上与AT89C51系列单片机的编程原理相同。及后计好软件流程，就开始按照流程图编写代码了。有流程图辅助，加上单片机仿真软件PROTEUS的辅佐，编程就比较容易。这里面编写代码模式都是一样的，也是非常简单的。完成了硬件和软件，接下来要做的就是调试和参数测试。调试部分是个考验电路知识的环节，通过反反复复的修改、调试，直到最后达到设计要求的目标。参考文献1 杨宁，胡学军.单片机与控制技术M，北京:北京航空航天大学出版社.20052林志琦等.基于PROTEUS的单片机可视化软硬件仿真M，北京:北京航空航天大学出版社.20063 先锋工作室.单片机程序设计实例M. 北京：清华大学出版社.2003.4 （美）迈克普瑞德科著；宗光华，李大寨译.器人控制器与程序设计M.北京：科学出版社.20045 潘家寿.机器人在先进铸造生产中的应用A.第八届中国铸造协会年会论文集C.20086 席裕庚, 陈卫东. 机器人向智能化的发展及其关键技术 A. 05中国自动化产业高峰会议暨中国企业自动化和信息化建设论坛论文集 C.2005附录一：现行方案电路原理图附录二：复杂方案电路原理图附录三：元件清单附录四：附录五：实物图附录六：电路板与机器人连接图附录七：单片机源程序：ORG 0000H;假设一号电机控制手臂前进和后退;假设二号电机控制柱体左右运行 ;假设三号电机控制机械手夹紧放松运行;假设四号电机控制身体上升下降MOTOR1_RUN EQU P1.6 ;一号电机运行控制口MOTOR2_RUN EQU P1.7 ;二号电机运行控制口MOTOR3_RUN EQU P1.4 ;三号电机运行控制口MOTOR4_RUN EQU P1.5 ;四号电机运行控制口MOTOR1_Z EQU P2.0 ;正转前进MOTOR1_F EQU P2.1 ;反转后退MOTOR2_Z EQU P2.2;正转右转MOTOR2_F EQU P2.3 ;反转左转MOTOR3_Z EQU P2.4 ;正转夹紧MOTOR3_F EQU P2.5 ;反转放松MOTOR4_Z EQU P2.6 ;正传下降MOTOR4_F EQU P2.7 ;反转上升MOTOR1_Z_STOP EQU P3.0 ;前进计数MOTOR1_F_STOP EQU P3.1 ;后退限位MOTOR2_Z_STOP EQU P3.2 ;右转计数MOTOR2_F_STOP EQU P3.3 ;左转限位MOTOR3_Z_STOP EQU P3.4 ;伸到计数MOTOR3_F_STOP EQU P3.5 ;缩到最短MOTOR4_Z_STOP EQU P1.2 ;下降计数MOTOR4_F_STOP EQU P1.3 ;上升限位 MOV SP,#60H;运行初始化,回归到原点，即手臂缩到最短，身体转到最左边，上升在最高位，机械手最放松状态 CLR P1.4 CLR P1.5 CLR P1.6 CLR P1.7MOTOR4: JNB P1.3,MOTOR1 CLR MOTOR4_ZSETB MOTOR4_FSETB MOTOR4_RUNMOTOR1:JB P1.3,MOTOR4 CLR MOTOR4_RUN JNB P3.1,MOTOR2 CLR MOTOR1_ZSETB MOTOR1_FSETB MOTOR1_RUNMOTOR2: JB P3.1, MOTOR1 CLR MOTOR1_RUN JNB P3.3,MOTOR3 CLR MOTOR2_Z SETB MOTOR2_FSETB MOTOR2_RUN MOTOR3:JB P3.3,MOTOR2CLR MOTOR2_RUN JNB P3.5, NEXT5 CLR MOTOR3_ZSETB MOTOR3_FSETB MOTOR3_RUN JB P3.5,MOTOR3 CLR P1.4NEXT5:CLR P1.4 JB P3.1,MOTOR1 JB P3.3,MOTOR2JB P3.5,MOTOR3JB P1.3,MOTOR1;开始运行;身体转到固定位置MOV R0,#10H D: LCALL DELAY DJNZ R0,D ;初始化完成暂停一会;身体旋转到固定位置 MOV A,#00HBEGAIN1:LCALL TURN_RIGHTJB P3.2,BEGAIN1LCALL DELAYJB P3.2,BEGAIN1JNB P3.2,$INC A CJNE A,#10H,BEGAIN1 CLR P1.7;身体下降 MOV A,#00HBEGAIN2: LCALL TURN_DOWN JNB P1.2,BEGAIN2 LCALL DELAY JNB P1.2,BEGAIN2 JB P1.2,$ INC A CJNE A,#10H,BEGAIN2 CLR P1.5 ;手臂伸前 MOV A,#00HBEGAIN3:LCALL GO_ON JB P3.0,BEGAIN3 LCALL DELAY JB P3.0,BEGAIN3 JNB P3.0,$ INC A CJNE A,#0BH,BEGAIN3 CLR P1.6 ;机械手夹紧 MOV A,#00HBEGAIN4:LCALL TURN_SMALLJB P3.4,BEGAIN4LCALL DELAYJB P3.4,BEGAIN4JNB P3.4,$INC ACJNE A,#0BH,BEGAIN4CLR P1.4 ;身体上升BEGAIN5:LCALL TURN_UP JB P1.3,BEGAIN5 CLR P1.5;身体旋转回原位BEGAIN6:LCALL TURN_LEFT JB P3.3,BEGAIN6 CLR P1.7;身体下降 MOV A,