自动寻轨机器车

第一章机器人系统的总体设计思路如下图所示图（一）机器人整体外观设计图（一）整个系统由前端光电检测系统，单片机系统，和机械控制部分构成。图（二）系统原理框图（二）自动寻轨机器车工作原理给定环节执行机构放大环节给串联校正装置反馈校正装置测量装置传感器步进电机图（三）闭环控制系统职能框图其原理框图光电检测系统单片机系统机械控制部分被控对象原理外部信号电压信号高低电平“黑”“白”命令改变小车位置光电传感器执行机构单片机门限比较器电路自动寻轨机器车的工作原理是以单片机为控制核心的一阶闭环控制系统。在实验室条件下，在一张白纸上用黑色胶纸制出机器车预先设定的运行轨迹。由于本次采用的前端传感器具有识别黑、白颜色的能力。因此，由前端光电传感器，单片机和执行机构共同作用，保证机器车能够在预先设定的轨迹上行驶。在小车的前后，左、右放置有四个反射式光电检测器，用于实时地检测小车当前的位置是否已经偏离了预定轨迹，并产生相应的电压信号，经过比较器电路，处理后的高低电压信号被输入到单片机CPU中，单片机对光电传感器采集的数据进行处理，并调用相应的子程序处理。单片机通过端口输出相应的高低电平控制步进电机的运动，从而改变小车的位置，达到了反馈控制的目的。图（四）机器人小车结构图第二章机器人单片机的型号及相关参数41单片机型号的选择一、AT89C51单片机简介AT89C51引脚图如下AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有8KB快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROMFLASHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存储技术制造，并且与80C31引脚和指令系统完全兼容。芯片上的FPEROM允许在线编程或采用通用的非易失存储编程器对程序存储器重复编程。AT89C51（以下简称89C51）将具有多种功能的8位CPU与FPEROM结合在一个芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了非常灵活而又价格适宜（现价20多元）的方案，其性能价格比远高于8751。由于片内带EPROM的87C51价格偏高，而片内带FPEROM的89C51价格低且与INTEL80C51兼容，这就显示出了89C51的优越性。AT89C51方块原理图如二、AT89C51性能及特点1片内有4KB可在线重复编程的快闪擦写存储器2存储器数据保存时间为10年3存储器可循环写入/擦除1000次4宽工作电压范围VCC可为27V6V5全静态工作可从0HZ至24MHZ6程序存储器具有3级加密保护7256与MCS51微控制器产品系列兼容88位内部RAM932条可编I/O线103个16位定时器/计数器11中断结构具有6个中断源和2个优先级12可编程全双工串行通道13空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储内容42单片机外围辅助元件的选择1、电平式开关复位复位的核心是必须保证RST引脚出现10毫秒以上的高电平，这样就可以实现可靠的复位。CRCAPR2R1VCCRSTC与R的值随着时钟频率的变化而变化，可由实验测得。在通电瞬间，RC电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位，当采用6MHZ时钟时C取22UF,R1取200欧，R2取1千欧。2、晶体振荡电路VCCC2C1X2X1晶体振荡器与电容C1和C2组成并联谐振电路。电容的大小会影响振荡频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性。当接晶振时，C1和C2常选用30PF左右。本次设计选用振荡频率为6MHZ的晶振，C1、C2选用27PF的电容。第三章机器人光电传感器的原理及应用31传感器的选择我们采用的是国产ST188传感器组成原理图及参数性能如下项目符号测试条件最小典型最大单位正向压降VFIF20MA12515V输入反向电流IRVR3V10A集电极暗电流ICEOVCE20V1AL3030MAL4040MA集电极亮电流ILVCE15VIF8MAL5050MA集电极电流比ICVCE15VIF8MA07114输出饱和压降VCEIF8MAIC015MA04VTR5S传输特性响应时间TFIF20MAVCE5VRC1005S注集电极亮电流IL、饱和压降VCE、电流比、响应时间是在红外光电传感器前端面与亮检测面距离510MM处测得，其数值受亮检测面的表面光洁度及平整度影响。一、ST188传感器特点1采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。2检测距离可调整范围大，近距离510MM可用。3采用非接触检测方式。32传感器相关参数的确定在这个检测系统设计中，最关键的问题就是传感器的有效检测距离与输出信号值的大小因此，必须对R1,R2进行搭配实验，使得光电检测器的有效检测距离和灵敏度达到最佳配置,同时获得一个合适的输出电压值经过选定,在R11000,R244K,VCC5V的条件下,在一张A4的白纸上用黑色墨汁绘出12CM3CM的标记，保持传感器的出射面与纸面平行,分别对黑色标记和白色纸面进行实验。得到系列数据，如下表所示检测距离DCM5432521510502黑色VB4474474474484042413432输出电压VOUTV白色VW120402020202020619VBVWV3274074274283840392813IST188电压、距离测试数据表格由上表可以看出，在检测距离D13CM15CM的范围里，黑、白颜色对应的输出电压值差距比较明显,而且这个有效测试距离的范围可以满足实际要求在实验中，只要能够保证光电检测管的出射面和被检测面的距离在这个范围以内，就可以利用光电检测管来识别由黑白颜色区分构成的轨迹标志了。33传感器电路设计在实验过程中，随着周围环境光反射，温度影响以及其它因素的变化，光电检测管的输出电压值也有波动，在一定程度上影响了系统的稳定性。为了消除这种干扰,必须设定一个合适的门限电压，将光电检测管的输出电压值通过门限电压比较器74HC125（四总线三态缓冲门）,得到相应的稳定输出“1”,“0”值，然后把这个信号输入到单片机中，作为机器车运行轨迹的检测信号。一路传感器电路原理图第四章机器人电机驱动的原理及控制51步进电机的型号选择步进电机控制系统的研制与开发有很长时间了，但由于控制系统数控特点的要求,往往使系统本身较为复杂,电子计算机的发展以及各种电力电子元件的相继出现,使步进电机以其数控电动机的优秀品质迅速发展起来。步进电机大致可分为反应式、永磁式、混合式3种,其中反应式和混合式应用较为广泛混合式步进电机因其结构上的特点既具有反应式步进电机的高分辨率,又具有永磁式步进电机的高效率及绕组电阻小的优点。两相混合式步进电机是这类电机中最常见的一种,除了具有步进频率高、反应速度快等优点外,更为重要的是两相混合式步进电机具有明显的零电流定位转矩。本次设计选用浙江横店电机厂生产的型号为20BY0的永磁两相混合式步进电动机，该机额定电压为45伏，步矩脚为18度。如图所示该电动机为六线式，分别为两个中心抽头和四个驱动级。20BY0永磁步进电机外观图20BY0永磁步进电机内部绕组图步进电机的驱动控制系统步进电机的使用和控制必须要有环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下1、脉冲信号的产生。脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0304左右，电机转高，占空比则越大。2、信号分配感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下二相四拍为,步距角为18度；二相八拍为,步距角为09度。四相电机工作方式也有二种，四相四拍为ABBCCDDAAB,步距角为18度；四相八拍为ABBBCCCDDAB,步距角为09度）。3、功率放大功率放大是驱动系统最为重要的部分。步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。因而不同的场合采取不同的驱动方式。驱动方式一般有以下几种恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分线等。4、电机正反转控制当电机绕组通电时序为ABBCCDDA或时为正转，通电时序为DACABCAB或时为反转。5、步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。电压对力矩影响如下6、电机的共振点步进电机均有固定的共振区域，二、四相感应子式步进电机的共振区一般在180250PPS之间（步距角18度）或在400PPS左右（步距角为09度），电机驱动电压越高，电机电流越大，负载越轻，电机体积越小，则共振区向上偏移，反之亦然，为使电机输出电矩大，不失步和整个系统的噪音降低，一般工作点均应偏移共振区较多。7、力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下PM2N/60P2NM/60其P为功率单位为瓦，为每秒角速度，单位为弧度，N为每分钟转速，M为力矩单位为牛顿米P2FM/400半步工作）其中F为每秒脉冲数（简称PPS）53步进电机的驱动电路选用广州市宜硕泰电子有限公司生产的JT2HB01步进电动机驱动芯片技术特点适配二相及四相混合式步进电机最大驱动电压40VDC最大输出电流15A整步、半步驱动可选接线端子说明1、CP步进脉冲输入端2、U/D电机正反转控制端，低电平正转，高电平反转3、F/H整步、半步控制端，低电平整步，高电平半步4、5V驱动器前置工作电源，必须稳压5、VH驱动电源，最高为40V，此电源也必须接步进电机的两个中心抽头6、GND所有电源和信号的地线7、A步进电机A相绕组8、A步进电机A相绕组的另一端9、B步进电机B相绕组10、B步进电机B相绕组的另一端步进电机绕组电流的计算1、用万用表电阻档测电机一相绕组对中心抽头的电阻情况，所加电压VH，绕组中的电流I为IVH/R2、I值必须小于15A3、VH的值为电动机铭牌上的标称电压。步进电机与驱动芯片的连接将步进电动机的黄、蓝、白、红四根电缆线分别与驱动芯片的7、8、9、10引脚相连，两根蓝色中心抽头电缆线与驱动芯片的5脚相接。自动寻轨机器车执行机构设计执行机构主要由转向装置和动力装置构成。转向装置由步进电动机直接驱动，精确控制机器车的运动方向。动力装置由步进电动机和两个齿轮构成二级减速系统驱动后按要求低速前后转动。在自制机器人的时候，选择一个合适的驱动电路也是非常重要的，本文详细介绍了几种常用的机器人驱动芯片。介绍几种机器人驱动芯片注本文已经投稿至电子制作在自制机器人的时候，选择一个合适的驱动电路也是非常重要的。最初，通常选用的驱动电路是由晶体管控制继电器来改变电机的转向和进退，这种方法目前仍然适用于大功率电机的驱动，但是对于中小功率的电机则极不经济，因为每个继电器要消耗20100MA的电力。当然，我们也可以使用组合三极管的方法，但是这种方法制作起来比较麻烦，电路比较复杂，因此，我在此向大家推荐的是采用集成电路的驱动方法马达专用控制芯片LG9110片点芯特“低静态工作电流；5V12V；能力；兼容，可直接连CPU；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脚、2和3电源电压、4B路输出管脚、5和8地线、6A路输入管脚、7B路输入管脚桥式1A驱动芯片L293与51单片机连接的电路原理图“宽电源电压范围2“每通道具有800MA连续电流输出“较低的饱和压降；“TTL/CMOS输出电平“输出内置钳位二极管，适用于感性负载；“控制和驱动集成于单片IC之中；“具备管脚高压保护功能；“工作温度080。描述LG9110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750800MA的持续电流，峰值电流能力可达1520A；能释放感性负载的反向冲击电流，使它使用上安全可靠。LG9110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。管脚定义同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的1A路输出管2、恒压恒流图2是其内部逻辑框图图3是其L293是著名的SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。其后缀有B、D、E等，除L293E为20脚外，其它均为16引脚。其额定工作电流为1A，最大可达15A，VSS电压最小B）IN1（IN3）IN2（IN4）电机运行情况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。下表是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系（电路按图3连接）ENA（HHL正转HLH反转H同IN2）同IN1）快速停止（IN4（IN3LXX停止片3、恒压恒流桥式2A驱动芯L298N是15脚MULTIWATT封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。图4是其引脚图L298也是SGS公司的产品，比较常见的1、15脚是输出电流反馈引脚，其它与L293相同。在通常使用中这两个引脚也可以直接接地。图5是其与51单片机连接的电路图。第五章数码管LED显示原理及应用第六章机器人电路板焊接及调试电烙