瓦力机器人的制作与实现

毕业设计（论文）设计论文题目瓦力机器人的制作与实现学院（系）电子信息工程专业电气工程及其自动化2011年6月16日目录前言1第一章机器人的介绍311机器人的发展3111机器人的发展史3112机器人的发展现状和趋势512机器人的应用领域713机器人的核心技术8第二章单片机的介绍921什么是单片机9211单片机的应用特点9212单片机的应用领域1022单片机的中断与I/O口设置10221AVR单片机中断系统11222AVR单片机的I/O口设置14第三章系统的硬件组成1831瓦力机器人视觉系统1832瓦力机器人运动系统19321运动系统的概述19322L298电机驱动芯片2233瓦力机器人机械系统25331舵机使用方法25332MG995舵机2634瓦力机器人中枢系统27341单片机最小系统2735全局供电系统29351DCDC电源变换器的使用29352太阳能电池板的原理30第四章软件程序的设计3341程序设计33总结39参考文献40致谢41附录42瓦力机器人的制作与实现学院（直属系）电子信息工程学院专业班级电气071501姓名冯小军指导教师曹金亮摘要近几年，单片机在各个领域得到广泛的应用。从工业到人们的日常生活，大部分的科技产品都是通过单片机来控制。在它问世之前，自动控制设备不能被广泛的应用，这是因为控制设备的体积庞大，耗电量大，价格昂贵。在第一台微处理器成功研制不久，第一个单片机就问世了。因为其小巧的体积，低功耗，以及高效的性能，单片机受到了大家的欢迎。今天，单片机成为了解决低复杂度，中等复杂度控制问题的传统选择。文章介绍了单片机在中断，I/O口使用的基本功能。机器人技术代表着一个国家的综合实力，我国也非常重视，经常派代表参见国外或组织国内的机器人比赛。机器人技术对科学技术发展和对人类社会进步的巨大推动作用，在21世纪必将得到越来越大的发展，特别是将成熟的单片机技术应用于机器人技术以提高机器人智能性方面的研究一直是一个活跃的研究领域，但在我国这方面的研究相对滞后。本次设计是为一个机器人瓦力，实现自主行走，自主识别，机器人身体转动。我选择的方法是单片机开发设计使用的传统方法，通过本次设计，可以了解整个单片机开发的流程。文章首先介绍了AVR单片机的基本知识。并且给出了框图，流程图等。论文涵盖了从需求分析，系统设计，编程，原理图以及最后的试验板焊制等产品开发的基本过程。关键词单片机，机器人，软件编程，原理图MAKEANDIMPLEMENTPERFORMANCEOFTHEROBOTELECTRONICSANDINFORMATIONENGINEERINGELECTRICAL071501FENGXIAOJUNDIRECTORCAOJINLIANGABSTRACTSINGLECHIPMICROCOMPUTERHASACHIEVEDAIMMENSEPOPULARITYINALLFILEDINRECENTYEARSFROMINDUSTRYTOPEOPLESCOMMONLIVES,THEMOSTOFTECHNICALAPPLICATIONSARECONTROLLEDBYMCUBEFOREITAPPEARED,THEAUTOMATICDEVICESCANTBEWIDELYUSEDBECAUSEOFTHEIRHUGESIZE,LARGEQUANTITYOFPOWERCOSTANDHIGHPRICETHEFIRSTSCMAPPEAREDASSOONASTHEFIRSTMCUMICROCONTROLLERUNITWASSUCCESSFULLYDEVELOPEDDUETOITSSMALLSIZE,LOWPOWERCOSTANDHIGHPERFORMANCE,ITHASBEENWELCOMEDBYPEOPLENOWADAYS,MCUHASBEENSELECTEDASATRADITIONALSOLUTIONFORLOWORMEDIUMCOMPLEXITYPROBLEMSABOUTDEVICESCONTROLLINGTHISPAPERINTRODUCESTHEMICROCONTROLLERINTERRUPT,I/OPORTTOUSETHEBASICFUNCTIONSROBOTTECHNOLOGYSTANDSFORACOUNTRYSNATIONALPOWEROURCOUNTRYSHOWSMUCHATTENTIONTOTHIS,ANDUSUALLYDISPATCHESDELEGATIONTOATTENDINTERNATIONALROBOTCONTESTACCORDINGTOTHERULEOFTHECONTEST,THETASKOFTHEROBOTISANALYZED,ANDITMAINLYINCLUDESEIGHTITEMSCOURSEIDENTIFICATION,SPACEORIENTATION,ENVIRONMENTIDENTIFICATION,ERRORCORRECTION,SPEEDCONTROL,AUTODECISION,INSIDEDETECTIONANDOBJECTSEIZINGTHEAPPROACHWECHOOSEISTHECOMMONWAYFORMCUDEVELOPINGFROMWHICHWECANGETANACKNOWLEDGEABOUTTHEMCUDEVELOPFLOWINGPROCESSTHEPAPERFIRSTINTRODUCESKNOWLEDGEONAVRSERIALMCU,THENCOMPARESSOMEPOSSIBLEMETHODOLOGIESATTHESAMETIME,ITALSOSHOWSBLOCKDIAGRAMS,FLOWINGPROCESSDIAGRAMSANDSOONITPRESENTSTHEPROCESSINCLUDINGREQUIREMENTANALYSIS,SYSTEMDESIGN,MCUPROGRAMMING,PROGRAMEMULATION,ANDFINALWELDINGOFTHEBOARDWHICHFORMSACOMPLETEPROCEDUREFORPRODUCTMANUFACTURE。KEYWORDSMCU，ROBOT,SOFTWARETRANSLATION，SCHEMATIC前言机器人是一门综合性的学科，它集工程力学、机械制造、电子技术、技术科学、自动控制等为一体。机器人技术的发展，是一个科学技术发展的一个综合性的结果，也是对社会经济发展产生重大影响的一门科学技术。机器人技术的发展把我们从危险和枯燥中解脱出来。机器人技术已经被开发用于处理核能和放射性化学制品的很多不同用途，包括核武器、电厂、环境清洁和某些药品的处理。机器人也用于执行很多乏味、不愉快但必需的任务，如焊接和看门工作。另外机器人还可用于干人干不了的活，比方说人们对太空的认识，人上不的时候，叫机器人上天，上月球，以及到海洋，进入到人体的小机器人，还有在微观环境下，对原子分子进行搬迁的机器人，都是人们不可达的工作。其次，发展机器人技术可以提高国防实力。在海湾战争、波黑战争、科索沃战争中，各种无人机和地面军用机器人系统在战场侦察、探雷排雷、监视、通讯中继、电子对抗、火力导引、战果评估、骚扰、攻击等方面都起了特殊的作用。鉴于高新技术对未来战争的指挥系统、战场环境将产生重大影响。另外，机器人可以形成一个巨大的产业。尽管目前发展相对成熟的只有工业机器人，但从世界机器人的发展趋势看，服务机器人、个人机器人具有巨大的市场潜力，可以预见，个人机器人将会像个人电脑一样走进千家万户，成为了社会必不可少的生活用品。近年来本等开发了多种可以应用于常生活里的机器人。例如在电视上频频露面的类人型机器人ASIMO（由日本田开发）。2007年8月，ASIMO随日本首相访问捷克，开始了它的“外交”之路。SONY亦不甘落后，先是开发了风靡全球的AIBO机器狗，后来又推出拎人型机器人SDR4X。美国一家公司开发了一种IBOT自动平衡轮椅，并已经获得FDA的认证。这种轮椅可以为残疾人的行动带来更多的便利，将为他们的生活带来革命性的变化。机器人技术成了科技经济的必争之地，世界各国都非常重视机器人技术的开发与研究。目前本继前两个机器人计划“极限作业机器人”计划和“微机械技术”开发计划之后，正在实施第三个“人型机器人”计划；美国仅花在无人机上的费用就已达25亿美元。我国政府也非常重视机器人的研究，早在“七五”期间就开始了工业机器人和水下机器人攻关计划，并取得了一定的成绩。1986年，国家“863”计划将智能机器人列入其中。经过十几年的艰苦奋斗，从跟踪世界先进水平到自主开发，取得了举世瞩目的成果。例如，我国在争取公海海域优先开采权的过程中，由国家“863”计划研制的6000米水下无缆自治机器人系统先后两次出海，获得了海底锰结核分布的珍资料，使我国成为世界上少数几个具有深海探测能力的国家之一。我国对培养机器人时代所需要的人才也非常重视。近几年来，我国举办了多次机器人大赛，也派队伍参加许多国际性的竞赛，比如机器人足球、机器人灭火、机器人走迷宫、机器人相扑等等。第一章机器人的介绍11机器人的发展111机器人的发展史“机器人”一词起源于捷克语，意为强迫劳动力或奴隶。这个词是由剧作家KARELCAPEK引入的，他虚构创作的机器人很象FRANKENSTEIN博士的怪物由化学和生物学方法而不是机械方法创造的生物。美国美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称“机器人王国“的日本起步至少要早五六年。经过30多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。综观它的发展史，道路是曲折的，不平坦的。尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。具体表现在（1）性能可靠，功能全面，精确度高；（2）机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首；（3）智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用；（4）高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。英国早在1966年，美国UNIMATION公司的尤尼曼特机器人和AMF公司的沃莎特兰机器人就已经率先进入英国市场。1967年英国的两家大机械公司还特地为美国这两家机器人公司在英国推销机器人。接着，英国HALLAUTOMATION公司研制出自己的机器人RAMP。70年代初期，由于英国政府科学研究委员会颁布了否定人工智能和机器人的LIGHTHALL报告，对工业机器人实行了限制发展的严厉措施，因而机器人工业一蹶不振，在西欧差不多居于末位。但是，国际上机器人蓬勃发展的形势很快使英政府意识到机器人技术的落后，导致其商品在国际市场上的竞争力大为下降。于是，从70年代末开始，英国政府转而采取支持态度，推行并实施了一系列支持机器人发展的政策和措施，如广泛宣传使用机器人的重要性、在财政上给购买机器人企业以补贴、积极促进机器人研究单位与企业联合等，使英国机器人开始了在生产领域广泛应用及大力研制的兴盛时期。法国法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列，而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平。这主要归功于法国政府一开始就比较重视机器人技术，特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。德国德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。这里所说的德国，主要指的是原联邦德国。它比英国和瑞典引进机器人大约晚了五六年。其所以如此，是因为德国的机器人工业一起步，就遇到了国内经济不景气。但是德国的社会环境却是有利于机器人工业发展的。因为战争，导致劳动力短缺，以及国民技术水平高，都是实现使用机器人的有利条件。到了70年代中后期，政府采用行政手段为机器人的推广开辟道路；在“改善劳动条件计划”中规定，对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。这个计划为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展。日尔曼民族是一个重实际的民族，他们始终坚持技术应用和社会需求相结合的原则。除了像大多数国家一样，将机器人主要应用在汽车工业之外，突出的一点是德国在纺织工业中用现代化生产技术改造原有企业，报废了旧机器，购买了现代化自动设备、电子计算机和机器人，使纺织工业成本下降、质量提高，产品的花色品种更加适销对路。到1984年终于使这一被喻为“快完蛋的行业“重新振兴起来。与此同时，德国看到了机器人等先进自动化技术对工业生产的作用，提出了1985年以后要向高级的、带感觉的智能型机器人转移的目标。经过近十年的努力，其智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。俄罗斯在前苏联，从理论和实践上探讨机器人技术是从50年代后半期开始的。到了50年代后期开始了机器人样机的研究工作。1968年成功地试制出一台深水作业机器人。1971年研制出工厂用的万能机器人。早在前苏联第九个五年计划（1970年1975年）开始时，就把发展机器人列入国家科学技术发展纲领之中。到1975年，已研制出30个型号的120台机器人，经过20年的努力，前苏联的机器人在数量、质量水乎上均处于世界前列地位。国家有目的地把提高科学技术进步当作推动社会生产发展的手段，来安排机器人的研究制造；有关机器人的研究生产、应用、推广和提高工作，都由政府安排，有计划、按步骤地进行。中国有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986年3月开始的国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。日本日本在60年代末正处于经济高度发展时期，年增长率达11。第二次世界大战后，日本的劳动力本来就紧张，而高速度的经济发展更加剧了劳动力严重不足的困难。为此，日本在1967年由川崎重工业公司从美国UNIMATION公司引进机器人及其技术，建立起生产车间，并于1968年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。日本政府的一系列扶植政策，使日本机器人产业迅速发展起来，经过短短的十几年，到80年代中期，已一跃而为“机器人王国”，其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位。按照日本产业机器人工业会常务理事米本完二的说法“日本机器人的发展经过了60年代的摇篮期，70年代的实用期，到80年代进人普及提高期。”并正式把1980年定为“产业机器人的普及元年”，开始在各个领域内广泛推广使用机器人。112机器人的发展现状和趋势随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了迅猛发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了很大的进展。国际上，工业机器人的发展呈以下特点1通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用,国外机器人操作机已实现了优化设计。2通过采用并联机器人机构,实现高精度测量及加工,这是机器人技术向数控技术的拓展,为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。3控制系统性能进一步提高,已由过去控制标准的6轴机器人发展到现在能够控制21轴甚至27轴,并且实现了软件伺服和全数字控制,人机界面更加友好,基于图形操作的界面也已问世,在某些领域的离线编程已实现实用化。激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用,大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。4许多新产品具有网络通信功能,使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步,也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展了一大步。5由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路应用,使机器人系统的可靠性有了很大提高。国内机器人的发展状况从80年代开始至今,我国已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件、软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出用于喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离。工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的103万美元降至97年的65万美元。机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。12机器人的应用领域（1）水下机器人美国的AUSS、俄罗斯的MT88、法国的EPAVLARD等水下机器人已用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等方面，形成了有缆水下机器人（REMOTEOPERATEDVEHICLE）和无缆水下机器人（AUTONOMOUSUNDERWATERVEHICLE）两大类。（2）空间机器人空间机器人一直是先进机器人的重要研究领域。目前美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人。如美国NASA的空间机器人SOJANOR等。SLJANOR是一辆自主移动车，重量为115KG，尺寸63048MM，有6个车轮，它在火星上的成功应用，引起了全球的广泛关注。（3）核工业用机器人国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手，以及半自主和自主移动机器人。已完成的典型系统，如美国ORML基于机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器，加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的C7灵巧手等。（4）地下机器人地下机器人主要包括采掘机器人和地下管道检修机器人两在类。主要研究内容为机械结构、行走系统、传感器及定位系统、控制系统、通信及遥控技术。目前日、美、德等发达国家已研制出了地下管道和石油、天然气等大型管道检修用的机器人，各种采机器人及自动化系统正在研制中。（5）医用机器人医用机器人的主要研究内容包括医疗外科手术的规划与仿真、机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。美国已开展临场感外科（TELEPRESENCESURGERY）的研究，用于战场模拟、手术培训、解剖教学等。法、英、意、德等国家联合开展了图像引导型矫形外科（TELEMATICS）计划、袖珍机器人（BIOMED）计划以及用于外科手术的机电手术工具等项目的研究，并已取得一些卓有成效的结果。（6）建筑机器人日本已研制出20多种建筑机器人。如高层建筑抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光机器人、擦玻璃机器人等，并已实际应有和。美国卡内基梅隆重大学、麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设机器人、内墙安装机器人等型号的研制、并开展了传感器、移动技术和系统自动化施工方法等基础研究。英、德、法等国也在开展这方面的研究。（7）军用机器人近年来，美、英、法、德等国已研制出第二代军用智能机器人。其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务，在战场上具有看、嗅和角摸能力，能够自动跟踪地形和选择道路，并且具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能。如美国的NAVPLAB自主导航车、SSV半自主地面战车，法国的自主式快速运动侦察车（DARDS），德国MV4爆炸物处理机器人等。目前美国ORNL正在研制和开发ABRAMS坦克、爱国者导弹装电池用机器人等各种用途的军用机器人。可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。13机器人的核心技术一个机器人包括两个主要部分机器人的身体和某种形式的人工智能（ARTIFICIALINTELLIGENCE，AI）系统。很多不同的身体部分都可以叫做机器人。关节手臂被用于焊接和上漆；起重机和传送带系统在工厂中运送零件；巨型机器人机器搬运矿井深处的泥土。一般说来，机器人最有趣的一个方面是它们的行为，这需要一种形式的智能。机器人最简单的行为是移动。典型地，轮子被作为让机器人从一点移动到下一点的基本机械装置。还需要某种力（如电力）让轮子在命令时转动。第二章单片机的介绍21什么是单片机单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MICROCONTROLLERUNIT），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。211单片机的应用特点单片机与通用微型计算机相比较，它在硬件结构、指令设置上均有其独到之处，主要特点如下（1）单片机中的存储器ROM和RAM是严格分工的。ROM为程序存储器，只存放程序、常数及数据表格。而RAM则为数据存储器，用作工作区及存放变量。这样的结构主要是考虑到单片机用于控制系统中，有较大的程序存储空间，把已调试好的程序固化在ROM中，而把少量的随机数据存放在RAM中，这样，小容量数据存储器能以高速RAM形式集成在单片机内，以加快单片机的执行速度。但单片机上RAM是作为数据存储器用，而不是当作高速数据缓冲存储器（CACHE）用。（2）采用面向控制的指令系统。为满足控制的需要，单片机的逻辑控制能力要优于同等级的CPU，持别是单片机具有很强的位处理能力。单片机的运行速度也较高。（3）单片机的I/O引脚通常是多功能的。由于单片机芯片上引脚数有限，了解决实际引脚数和需要的信号线数的矛盾，采用了引脚功能复用的方法，引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。（4）系列齐全，功能扩展性强。单片机有内部掩膜ROM、内部EPROM和外接ROM等形式，并可方便地扩展外部的ROM、RAM及I/O接口，与许多通用的微机接口芯片兼容，对应用系统的设计和生产带来极大的方便。（5）单片机的功能是通用的。单片机虽然主要作控制器用，但是功能上还是通用的，可以象一般微处理器那样广泛应用在各个方面。212单片机的应用领域单片机在控制应用领域中，有如下几方面的优点（1）体积小、成本低、运用灵活、易于产品化，它能方便地组成各种智能化的控制设备和仪器，做到机电仪一体化（2）面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务，因而能获得最佳的性能价格比；（3）抗干扰能力强，适应温度范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其它机种无法比拟的；（4）可以方便地实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。单片机的应用范围十分广泛，下面仅列举一些典型的应用领域。（1）工业控制数控机床，温度控制，可编程程序控制，电机控制，工业机器人，智能传感器，离散与连续过程控制；（2）仪器仪表智能仪器，医疗器械，液体和气体色谱仪；（3）电讯技术调制解调器，声象处理，数字滤波，智能线路运行控制；（4）办公自动化和计算机外部设备传真机，复印机，打印机，绘图仪，磁盘/磁带机，智能终端机；（5）汽车与节能点火控制，变速控制，防滑车控制，排气控制，计费器，交通控制；（6）导航与控制导弹控制，鱼雷制导，智能武器装置，航天导航系统；22单片机的中断与I/O口设置中断是为使单片机具有对外部或内部随机发生的事件实时处理而设置的，中断功能的存在，很大程度上提高了单片机的处理外部或内部事件的能力。它是单片机最重要的功能之一。I/O口是单片机对外输出，对内输入的桥梁，不同的单片机有着不同的I/O口设置，本次设计采用的是ATMEGA16单片机，与其他单片机有着不同的设置。221AVR单片机中断系统ATMEGA16共21个中断源，包含1个非屏蔽中断（RESET，不能软件关断）3个外部中断（INT0，INT1，INT2）和17个内部中断。系统复位RESET中断是一个特殊的中断源，是AVR中唯一的不可屏蔽的中断。当ATMEGA16由于各种原因被复位后，程序将跳到复位向量（缺省为0X0000）处，在该地址处通常放置一条跳转指令，跳转到主程序继续执行。图21ATMEGA16中断向量本次设计主要涉及的是外部中断，下面对外部中断进行详细介绍。INT0、INT1和INT2是3个外部中断源，它们是分别由芯片外部引脚PD2、PD3、PB2上的电平的变化或状态触发的。通过对控制寄存器MCUCR和控制与状态寄存器MCUCSR的配置，外部中断可以定义为由PD2、PD3、PB2引脚上的电平的下降沿、上升沿、逻辑电平变化，或者低电平（INT2仅支持电平变化的边沿触发）触发，这为外部硬件电路和设备向AVR申请中断服务提供了很大方便。图22外部中断控制BIT3,2ISC11，ISC10中断触发方式控制1BIT1与BIT0外部中断1由引脚INT1激发，在检测边沿前MCU首先采集INT1引脚的电平，如果选择了边沿触发方式或电平变化触发方式，那么持续时间大于一个时钟周期的脉冲将触发中断，过短的脉冲则不能保证触发中断。如果选择低电平触发方式，那么低电平必须保持到当前指令执行完成。图23中断1触发方式控制BIT1,0ISC01，ISC00中断触发0方式控制BIT1与BIT0外部中断0由引脚INT0激发，在检测边沿前MCU首先采集INT0引脚的电平，如果选择了边沿触发方式或电平变化触发方式，那么持续时间大于一个时钟周期的脉冲将触发中断，过短的脉冲则不能保证触发中断。如果选择低电平触发方式，那么低电平必须保持到当前指令执行完成。图24中断0触发方式控制图25MCU控制与状态寄存器BITISC2中断2触发方式控制异步外中断2友外部引脚INT2激活。若ISC2写0，INT2的下降沿激活中断。若ISC2写1，INT2的上升沿激活中断。INT2的边沿触发方式是异步的。只要INT2引脚上产生宽度大于图26所示数据的脉冲就会引发中断。若选择了低电平，低电平必须保持到当前指令完成，然后才会产生中断。而且只要将引脚拉低，就会引发中断请求。图26异步（外部）中断请求图27通用中断控制寄存器BIT7INT1使能外部中断请求1当INT1为1，而且状态寄存器SREG的全局状态中断使能位置位，相应的外部中断就能使能了。MCU通用寄存器MCUCR的中断敏感电平控制1位1/0ISC11与ISC10决定中断是由上升沿，下降沿，还是INT1电平触发的。只要使能，即使INT1引脚被配置为输出，只要引脚电平发生了相应的变化，中断可产生。BIT6INT0使能外部中断请求0当INT1为1，而且状态寄存器SREG的全局状态中断使能位置位，相应的外部中断就能使能了。MCU通用寄存器MCUCR的中断敏感电平控制0位1/0ISC01与ISC00决定中断是由上升沿，下降沿，还是INT0电平触发的。只要使能，即使INT0引脚被配置为输出，只要引脚电平发生了相应的变化，中断可产生。BIT5INT2使能外部中断请求2当INT1为1，而且状态寄存器SREG的全局状态中断使能位置位，相应的外部中断就能使能了。MCU通用寄存器MCUCR的中断敏感电平控制2位1/0ISC2与ISC2决定中断是由上升沿，下降沿，还是INT2电平触发的。只要使能，即使INT2引脚被配置为输出，只要引脚电平发生了相应的变化，中断可产生。图28通用中断标志寄存器GIFRBIT7INTF1外部中断标志1INT1引脚电平发生跳变时触发中断请求，并置位相应的中断标志INTF1如果SREG的全局状态中断使能置位以及GICR寄存器相应的中断使能位INT1为1，MCU即跳到相应的中断向量。进入中断服务程序之后该标志自动清零。BIT6INTF0外部中断标志0INT0引脚电平发生跳变时触发中断请求，并置位相应的中断标志INTF0如果SREG的全局状态中断使能置位以及GICR寄存器相应的中断使能位INT1为1，MCU即跳到相应的中断向量。进入中断服务程序之后该标志自动清零。BIT5INTF2外部中断标志2INT2引脚电平发生跳变时触发中断请求，并置位相应的中断标志INTF2如果SREG的全局状态中断使能置位以及GICR寄存器相应的中断使能位INT1为1，MCU即跳到相应的中断向量。进入中断服务程序之后该标志自动清零。注意，当INT2中断禁止进入某些休眠模式时，该引脚的输入缓冲将禁用。这会导致INTF2标志设置信号的逻辑变化。222AVR单片机的I/O口设置作为通用数字I/O使用时，所有AVR的I/O端口都具有真正的读修改写的功能。这意味着用指令改变某些管教的方向（或者是端口电平，禁止/使能上拉电阻）时不会无意的改变其他管教的方向（或者是端口电平，禁止/使能上拉电阻）。输出缓冲器具有对称的驱动能力，可以输出和吸收大电流，直接驱动LED。所有的端口引脚都具有与电压无关的上拉电阻。并有保护二极管与VCC和地相连。如图29所示。图29I/O引脚等效原理图ATMEGA16的I/O口具有两个功能。1作为通用数字I/O端口为具有可选上拉电阻的双向I/O端口。图210通用数字I/O口每个端口引脚都具有三个寄存器位DDRXN，PORTXN和PINXN。DDXN位于DDRX寄存器，PORTXN位于PORTX寄存器，PINXN位于PINX寄存器。DDXN用来选择引脚的方向。DDXN为1时，PXN配置为输出。否则配置为输入。引脚配置为输入时，若PORTXN为1，上拉电阻将使能。如果需要关闭这个上拉电阻，可将PORTXN清零，或者将这个引脚配置为输出。复位时各引脚为高阻态，即使此时并没有时钟在运行。端口引脚配置说明图图211端口引脚配置2I/O端口的第二功能除了通用数字I/O口功能之外，大多数端口引脚都具有第二功能。下面分别介绍I/O口第二功能。端口A的第二功能（图212）图212端口A的第二功能端口B的第二功能（图213）图213端口B的第二功能端口C的第二功能（图214）图214端口C的第二功能端口D的第二功能（图215）图215端口D的第二功能第三章系统的硬件组成31瓦力机器人视觉系统在此设计中,我们仅要求机器人发现并跟踪目标,不需要识别目标。因此采用最常用的红外线反射传感器来作为机器人的视觉功能,检测机器人前方是否有目标。该功能的实现采用的是两个型号为TX05D的红外线反射传感器。TX05D常用的红外反射式接近开关,它内部有一红外线发射管和一红外线接收管。发射管发出红外线,如果其正前方没有物体,那么接收管接收不到红外线反馈信号。当前方出现物体时,红外线信号经过物体被反射了回来,这时接收管接收到信号,向单片机发出高电平信号,以告知单片机其前方出现障碍物。两个红外线传感器安装在机器人前方的两侧,在机器人工作时,两个传感器始终向外发射红外线探测信号,当其中一个传感器接收到反馈信号时,便向单片机发出高电平信号,告知单片机该方向发现目标,单片机经过判断后,控制电动机向该方向转向,以实现跟踪功能，控制舵机使机器人的身体先该方向旋转。当两个传感器都感应到目标时,机器人便向着目标直着前进,直到撞上目标，并且舵机不会控制身体旋转。传感器的电路原理图如下图31传感器的电路原理图32瓦力机器人运动系统321运动系统的概述当你逐步建造好一个可移动的机器人时，为了驱动它，就需要考虑机器人的一些物理特性。包括其形状、体积、重量以及驱动方式。这里主要讨论设计机器人运动系统所涉及的各种原则、建议和注意事项。由于运动系统直接与机器人的骨架有关，所以讨论也涉及骨架结构、重量以及重量分布情况。首要问题重量如果机器人的重量相对于其骨架或其驱动系统来说过重，或者运动系统不能提供足够的稳定性，都会极大地妨害你的机器人发挥作用。因此机器人的重量轻一些是必要的。大多数个人机器人的重量在20磅（1磅09斤）以下，有一些在10磅以下。重量是影响机器人运动的最重要的因素之一。较重的机器人就需要大功率的马达和高能量的电池驱动，而这两者又要使机器人增加更大的重量。因此机器人经常仅仅由于需要运动而超重。当然，某些为完成重型工作而设计的机器人，也常常需要一定的尺寸和重量才能完成预定的工作。这一点在设计时也应该考虑到。成为机器人重量来源的主要部件如下按典型值，降序排列电池；驱动马达；骨架。12V的电池包重约1磅，大容量铅酸电池可能重约58磅。较重的马达要靠移动电池的位置来平衡。而越大、越强的马达就越重，因为它们必须用金属制造，并且使用较重的衬套。正是这些部件使得机器人变得超重而且昂贵。一、减少重量的秘诀如果你觉得机器人太重了，想要它减肥，可以先从电池开始。在提供同样电流时，镍一镉和镍一氢电池的重量比相应的铅一锌电池轻得多。而且，由于自身重量减轻，镍一镉或镍一氢电池不需要释放同样的安培/小时，所以电池数目也可以减少。如果必须使用铅酸电池，也要认真考虑是否真的需要所选定的电池容量和型号。比如，可否安装较小的，安一时数少的电池，以减轻重量。当然，这样以来可能需要更经常地充电。一般充电间隔在601加分钟比较合适。如果机器人需要较长的连续工作时间，而又希望减轻重量。可以考虑采用更换式电池子系统。即将电池组放在便于更换的地方。在电池放完电后，立即用充好电的电池组更换它，而将用过的电池拿去充电。好在小型、低容量的电池比大容量的电池便宜得多，可以用买一个大电池的钱买好几个小电池。制造机器人时，常常是根据功率和价格而不是根据重量和构造来选择马达的。事实上，很多机器人是围绕马达来进行设计的。马达选定后，再跟据它设计骨架，配上适当的电池。因此，对于马达选择给予更多的注意是很重要的。要避免选择功率大大超过机器人需要的马达。因为大功率的马达会给机器人增加多余的重量，还需要较大功率因此也较沉的电池去驱动它。二、注意骨架的重量机器人的骨架结构能够明显地增加其重量。一个18平方英寸，2英尺高的由铝型材和塑料板组成的机器人骨架，重量可能会超过20磅。而木制的同样大小同样强度的机器人骨架可能更重。必须设法在不损害其强度的基础上尽量减轻机器人的重量。这可以通过选择不同的材料和使用不同的结构技术来做到。例如不使用实心的铝板做框架的底版，而采用带横梁的框架结构来加强稳定性。将电池、马达安装在铝横梁上。如果需要一个平面来安装部件，可以增加一块薄的塑料板，用来安装电路板、传感器及其他较轻的元件。除了铝和塑料之外也可以使用金属材料，如铁或铜板、杆或管。这些材料很容易在业余商店买到，而且强度较高。但是，它们的比重大大高于铝和塑料。所以，除非机器人需要提高强度，否则应避免使用，因为它们会大大增加机器人的重量。普通丙烯塑料材料比较致密，因此也比较沉。重量较轻的塑料材料有用于水管的ABS、PVC类塑料，但一般不太容易买到。可以在大型塑料批发商店找到专用的杆、管或板材。这些材料重量很轻，强度又较高。还有一类带有泡沫内芯和光滑表面的复合塑料板，十分适用。但选用各种塑料材料时，必须首先考虑相应的黏结材料，以便组装。运动方式的讨论机器人从A点到达B点的过程称作运动。机器人可以采用各种方式运动。其中最为普通的是轮子和履带，带腿的机器人也常见到。在此讨论各种方式的优缺点，供设计时参考一、轮式或履带式运动车轮和小尺寸的履带是机器人运动的最普通方式。而对于机器人运动来说，轮子比其他方式更好。下面列出一些在设计中需要遵循的原理轮子越宽，机器人越容易保持原方向。使用非常窄的轮子，机器人就会有转向一边或另一边的倾向，走出一条曲线而非直线。反之，如果机器人轮子太宽，由于接触地面区域过大而增加摩擦力，所以可能妨害机器人作平滑的转弯。在机器人的两侧放置两个驱动轮并且在后部放置一个或两个小脚轮，就可以提供全部的灵活性。这也是最普通的驱动轮配置方式。履带在转向时依赖于滑动所以最好应用于松土类的地面上，比较容易转向。每侧装有4个或更多的车轮的机器人功能更像履带，在拐小弯时，车轮要经受明显的滑动，因此在任何表面上都会增加摩擦力。你应该根据机器人所要使用的地面来选择车轮的材料。橡胶和塑料是最常用的选择，它们对于大多数表面都能产生足够的抓紧力。塑料轮胎比较轻，但在硬的表面如砖、硬木地板上不能很好地滑动。二、有腿机器人的运动由于有了智能微处理器和低价无线控制RC伺服系统可以利用。所以有腿的机器人已经成为普通的形式。但建造有腿机器人需要更为精细的结构，成本也更高。即使是最基本的6腿机器人，也至少需要23个伺服系统。而某些6或8腿机器人的设计，要用12个或更多的马达。而每个伺服系统约需12美元，这使得消耗大幅上升。显然，在最初设计时就应该决定腿的数量。一条腿或两条腿的机器人建造起来最困难。因为难以保持平衡，这里不加讨论。最为普通的是有6或8条腿的机器人。静止时，6条腿可以提供静态平衡。运动时，任何时候都至少有3条腿接触地面，组成稳定的3脚支撑，能够保证机器人不会倒下。机器人有4条腿时，既可以每次动一条腿，其他3条腿接触地面，以保持平衡。也可以每次动两条腿，另两条腿站在地面上，保持动态平衡。动态平衡一般通过移动机器人的一部分重量如头或手臂，以便恢复机器人的重心来实现。每走一步，平衡中心都要重新分配重量，以防止机器人摔倒。动态平衡的算法和实现算法的机械都比较复杂，所以4腿机器人很难操纵。除非为每条腿增加关节，或者将机器人的身体分为多节，像城市公共汽车一样。与机器人的身体相比，腿的结构在设计中常常被忽视。典型的6腿机器人具有6条相同的腿。但是它所要模仿的6腿爬行昆虫实际上具有6条不同长度，不同功能的腿。例如昆虫的后腿常常比较长，适合于向后推；前腿的结构则适合于携带物品、作战和走路。如果希望你的机器人的腿部设计与昆虫类似，就需要观察有关昆虫的腿部构造和关节连接方式。因为昆虫已经进化了几百万年，体现了非常先进的生物工程原理。三转向控制方法可以有几种方法来控制机器人的方向。下面讨论几种最常用的方法1、差动转向对于轮式或履带式的机器人，差动转向是一种最为普通的转向控制方法。这种方法类似于坦克的驾驶方法。一侧的轮子或履带停止或反转，同时另一侧继续保持前进状态，结果机器人将转向轮子停止的方向。由于摩擦力影响，差动转向对于两轮驱动的机器人系统最为适宜。因为过多的轮子相橡胶履带一样，在转弯时会增加摩擦。此时，机器人将绕着同侧两个轮子中间的一点旋转。如果使用履带驱动，要选择一种摩擦力相对较低的材料制作履带。如布或硅橡胶。非常软的橡胶履带在光滑的地面上不能很好地转向。如果无法改造，只能通过履带反转来转向，这样可以减少摩擦力。底座一双轮被紧紧放在一起。如果它们放得比较远，机器人就不容易转弯。2、汽车式转向像汽车一样，在前方安装转向轮是机器人转向控制的一种方法。汽车式转向系统不像差动转向那么灵活。但更为适于室外使用的机器人。特别是在松土地上驾驶。而且如果转向轮在转向轴的内侧，就比在外侧可以获得更大的推力，并且转向更精确。这种技术称作AKEMMN转向，常在大多数汽车而非机器人上看到。3轮转向控制差动转向的最大缺点是如果有一个轮子稍慢一点，机器人就会自动转弯。当然，你可以通过监控两个马达的速度来对此加以补偿，确保两轮子同速旋转。但这一般需要一台控制用的计算机，还要增添机械和电子元件来传送轮子速度的数据，开销较大。上面讨论的汽车式转向是一种避免由于马达速度不同而引起偏斜的简单方法。因为机器人仅仅依靠一台马达来驱动。但是，汽车式转弯方式用作室内运动的机器人，显得十分笨重。更好的方案是用一个马达来驱动尾部的两个轮子，而在前面专设一个转向轮。这样的结构就像孩子们的小三轮车，这样的机器人可以在仅比本身宽度稍大的圆中转弯。但要注意机器人的轮距，轮距过短会造成转弯时的稳定性差，机器人可能朝与转弯相反的方向摔倒。机器人瓦力是采用履带式行走方式，用2个减速设置的电机来控制，采用PWM电机驱动方式。322L298电机驱动芯片机器人瓦力是依靠电机驱动芯片L298来控制完成的。L298是专门控制电机的。在此给予介绍。图32L298电机驱动芯片L298是SGS通标标准技术服务有限公司公司的产品，比较常见的是15脚MULTIWATT封装的L298，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，即内含二个H桥的高电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。其引脚排列如下图中所示。L298的引脚9为LOGICSUPPLYVOLTAGEVSS，即逻辑供应电压。引脚4为SUPPLYVOLTAGEVS，即驱动部分输入电压。VSS电压要求输入最小电压为45V，最大可达36V；VS电压最大值也是36V，但经过我的实验，VS电压应该比VSS电压高，否则有时会出现失控现象。它的引脚2，3，13，14为L298芯片输入到电动机的输出端，其中引脚2和3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13和14也可控制一个直流电动机。引脚6和11脚为电动机的使能接线脚。引脚5，7，10，12为单片机输入到L298芯片的输入引脚。下表是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系表31L298逻辑关系表控制使能引脚ENA或者ENB就可以实现PWM脉宽速度调整。1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号，也可以直接接地。在可设计中就将它们直接接地。引脚8为芯片的接地引脚，它与L298N芯片的散热片连接在一起。由于本芯片的工作电流比较大，发热量也比较大，所以在本芯片的散热片上又连接了一块铝合金，以增大