【基于单片机的真空吸附方式爬墙机器人的控制系统设计11000字（论文）】

基于单片机的真空吸附方式爬墙机器人的控制系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u27725第1章绪论 2172021.1课题的研究背景和意义 2301471.2国内外研究发展现状 2163901.3课题的研究技术和主要内容 325675第2章总体设计 3131822.1本设计研究内容 35942.2总体设计方案 3202892.3爬墙机器人整体结构 412320第3章硬件设计 468313.1单片机模块设计 4181533.1.1单片机的选型 410823.1.2单片机最小系统电路设计 6136273.2气动模块设计 867983.3驱动模块设计 10102393.3.1电机的选型 1051473.3.2舵机模块设计 12277573.3.3驱动电路设计 13163093.4电源模块设计 14231943.5传感器模块设计 1439383.5.1测距传感器设计 15219063.5.2压力传感器设计 16139823.6遥控模块设计 1653973.7按键模块设计 17244633.8报警模块设计 17200833.8.1电压检测设计 17222713.8.2报警电路设计 1815648第4章软件设计 18197434.1主程序设计 18207154.2防碰撞程序设计 19310664.3报警程序设计 21140884.4自动模式程序设计 2286384.5按键程序设计 2323625第五章系统仿真及调试 24191515.1系统仿真原理图 24149055.2系统仿真试验 25150335.3仿真调试总结 283574总结 294918参考文献 30摘要随着社会的进步，机器人的应用越来越广泛，本次爬墙机器人控制系统中采用STC89C5RC单片机作为最主要的控制器。采用真空吸附方式，保证机器人及其搭载装备紧紧吸附在墙上作业。该机器人具有手动和自动两种模式，自动模式下机器人按照设定路线行驶，同时利用超声波技术实现自动避障；手动模式下该机器人通过无线遥控器控制电机的运转，进而控制爬墙机器人的运行。同时机器人具有电量不足及超重时蜂鸣器报警功能。最终通过仿真实现验证。关键词STC89C52RC单片机真空吸附遥控报警第1章绪论1.1课题的研究背景和意义随着人们生活质量的提高，人们的生活越来越先进，但是总有一些复杂的活动需要去做，于是机器人就诞生了，有的机器人源于人类的天性，一个字，懒，人因为要学懒，发明了很多很多东西，比如电梯，比如空调，比如汽车，机器人也是人类想要偷懒的产物，都是想让自己没那么劳累，多方便点。因此也就开始孜孜不倦的发明机器人，这些年来机器人的发展是真的比较快，数据加上肢体上的改进，很不错。现在的社会是智能化社会，一切事物都发展的特别快，机器人也随着社会的大浪潮在发展，古代的时候，人们根本就没有想过要创造机器人，对于古代人来说自动化的东西都可能引起轩然大波，如果机器人真的在古代出现，可能会被认为不祥，他们可能还会觉得机器人会伤人性命。但是社会在进步，进步的社会带来进步的学者，进步的学者带来进步的技术，现在人在尝到自动化带来的好处之后便一发不可收拾，一头扎进研究机器人的浪潮之中，期待着实现机器人的各种功能。本次设计的爬墙机器人就是人们研发出来的用于减轻人力劳动的产物。机器人的控制系统核心采用的是STC89C52RC单片机。在前行的过程中，如果碰到障碍物可以自动进行避障。本设计设计的机器人可以载物，通过爬墙来传输物品，可以给人们带来很多方便。基于这样的背景本设计设计了一款可以自动避障，可以遥控控制的爬墙机器人。1.2国内外研究发展现状国际上，日本是比较早开发爬墙机器人且技术比较好的国家之一。19世纪70年代，日本研究出来了第一台机器人样机，在接下来的十多年时间里，日本又相继研究出来了吸盘式爬墙机器人和磁铁式爬墙机器人，到20世纪80年代末期，爬墙机器人已经开始运用于生产中;1990年之后，日本又成功的设计研发了各种爬墙机器人。同样的美国也热衷于研究各类机器人，美国大学研究出来了一种壁虎状机器人，美国不仅致力于研究地球上的机器人，同时还想把机器人运用到航天航空领域，一步一步拓展着机器人的功能。国内爬墙机器人的研究开展比较慢,不过技术进步的很快。20世纪90年代，我国第一台爬墙机器人在哈尔滨工业大学机器人研究所被研发出来，这个机器人的作用是检验具有放射性的废液储存罐。2007年，哈尔滨工业大学机器人研究所研究出来了一款机器人来进行反恐。从1996年起,我国研究出来了一种像壁虎一样的机器人，过了几年，又成功研发了一种用于擦窗的机器人。当今社会是智能化的社会，智能化科技不仅可以维护我们国家的稳定，而且可以提高我国人民的生活质量，作为祖国的希望，我们要承担起这个责任，努力钻研，开发出更先进的科技。1.3课题的研究技术和主要内容设计一款爬墙机器人控制系统。选择合适的核心控制芯片作为控制器；确定机器人总体运动结构；采用真空吸附方式，保证机器人及其搭载装备紧紧吸附在墙上作业；通过无线通讯实现对机器人前、后行驶及转弯等动作控制，且机器人具有电量监测及报警功能。第2章总体设计2.1本设计研究内容随着人类社会的发展，机器人的种类越来越多，其功能也是越来越丰富。有的机器人可以帮你打扫家务，有的机器人还可以帮你解决一些未知的突然出现的情况，而本次设计的可以爬墙的机器人是通过单片机进行控制的，其基本功能如下：自动避障。在爬墙机器人自由前进的过程中，它会根据前方道路的情况，来对自己左转右转的方向进行调节，如果前边有障碍物，机器人就会绕过障碍物继续行驶载物。可以载重3kg。自动报警。在爬墙机器人电量不足和载重过多时自动报警。遥控控制。可以通过遥控器操作爬墙机器人完成一系列动作。2.2总体设计方案本设计主要设计了一款基于超声波传感器的爬墙机器人控制系统。该爬墙机器人系统由单片机模块、舵机驱动模块、传感器模块、电机驱动模块、按键模块、报警模块、气动模块、遥控模块及防碰撞模块组成。其中，由标准驱动电路驱动的单片机是最主要的模块,单片机与其他模块是有着密切联系的，它可以通过发送信号控制各个模块的运行。单片机通过无线遥控器控制电机的运转，进而控制爬墙机器人的运行。采用舵机和电机驱动机器人的前进、后退、左转、右转的功能，采用真空吸附方式，保证机器人及其搭载装备紧紧吸附在墙上作业。爬墙机器人中的防碰撞模块是利用超声波可以测距的原理来进行工作的。机器人正常行驶的过程中会检测前进的方向有没有障碍物，当机器人与前方障碍物之间的距离大于等于30cm时，爬墙机器人会按照原先设定好的速度正常前行；当检测到爬墙机器人与障碍物之间的距离小于等于30cm时，爬墙机器人转弯90度后绕过障碍物继续行驶。在爬墙机器人的底部有一个电源开关键，来控制爬墙机器人电能的导通与关闭。系统框图如图2.1所示图2.1系统总体设计框图2.3爬墙机器人整体结构本文将爬墙机器人的六个吸盘足分为两组，每一组用等边三角形形状的刚体连接在一起一块工作，从图2.2可以看出来爬墙机器人主要是由走行大骨架、走行小骨架、垂向步进电机、横向步进电机、垂向导轨、横向导轨、舵机和六个吸盘足组成[1]。横向导轨在走行大骨架上，横向导轨上有一个滑块，这个滑块与垂向导轨相连，垂向导轨上也有一个滑块，这个滑块连接着舵机，同时舵机又连接着走行小骨架，三个吸盘足在走行小骨架上。这里横向步进电机启动决定爬墙机器人的前进或者后退，垂向步进电机启动决定吸盘是否紧贴着墙面，当不需要其中一个骨架的吸盘足工作时，可以利用垂向电机将其悬空。舵机调节走行大、小骨架的工作姿态和起到一个转向的作用[2]。图2.2爬墙机器人整体结构第3章硬件设计3.1单片机模块设计3.1.1单片机的选型本设计的爬墙机器人的控制系统可以用来接收超声波传感器传送的信号，然后经过单片机的判断，给其他的模块命令信号。主要的是给驱动模块和舵机模块，命令给驱动模块，可以控制电机的启动。命令给予舵机模块，可以控制电机是否转向。通过单片机的命令协调各个模块之间的工作，完成爬墙机器人的自动避障的功能以及爬墙机器人的自动模式。有两种类型进行选择：方案一：STC89C52RC单片机。它的主要特点是消耗的功率非常低、不怕电源抖动；能够适应的温度的范围比较宽，-40°C~85°C；抗干扰能力厉害，也特别抗静电；下载程序更加的方便快捷，该单片机的工作电压为3.3V-5V，由于这个单片机低功耗/高速/超强抗干扰，所以这个单片机很受欢迎。方案二：AT89S52单片机。这个单片机历史比较长，现在的市场更新换代比较快，这个单片机已经不能满足人们的需要，考虑到经济问题，这个单片机的能力与它的价格不匹配，而且这个单片机封装比较大，不利于工业生产。综合经济因素和其他各种因素考虑选择STC89C52RC单片机。如图3.1就是STC89C52RC单片机的实物图。图3.1STC89C52RC单片机实物图STC89C52RC单片机引脚图如图3.2所示：图3.2STC89C52RC单片机引脚图3.1.2单片机最小系统电路设计单片机、复位电路和晶振起振电路组成STC89C52RC单片机的最小电路系统，如图3.3所示电阻、按键开关和电容组成一个复位电路[3]。单片机系统的复位方式有上电复位和按键复位，上电复位是指单片机在最开始上电的时候，把单片机的程序复位到从main函数开始进行[4]，按键复位就是就是单片机运行出现故障时，只需按下复位按钮，程序就可以重新开始，不用重启电源，把一个正在运行的程序改变到重新开始运行就是单片机复位电路所能做到的。复位电路如下图3.3所示：图3.3复位电路晶振起振电路对单片机来说是非常重要的，晶振起振电路为单片机提供振荡周期，单片机每个机械周期所运行时间由晶振决定。因此，单片机的速度受晶振起振频率的制约，晶振起振电路的质量好坏也直接影响单片机系统的稳定性大小[5]。这个电路可以使单片机在稳定的条件下进行工作，使单片机在工作中不会被外界“打扰”，因此晶振起振电路是必不可少的。晶振起振电路如图3.4所示：图3.4晶振起振电路单片机最小系统电路图如下图3.5所示：图3.5单片机最小系统电路图3.2气动模块设计气动模块就是真空吸附系统，真空吸附很容易理解，在生活中为了保鲜食物，往往会抽空食物周围的空气，使食物存在于一个密封系统中，同样的真空吸附系统还可以用于工业，可以用来搬运东西，人力搬运的话如果稍有不慎就可能弄坏，但是如果用真空吸附的话，可以做到不损伤物品的同时更快的运输东西。本文所研究的爬墙机器人之所以能够吸在墙上不掉下来是因为它的脚与墙面紧紧的吸附在了一起，爬墙机器人能吸在墙上就是靠真空吸附系统。本文采用的是外置空压机将压缩空气转化为真空的方法，空压机产生的压缩空气通过进气管进来，通过三通接头分别给3个真空发生器供气，真空发生器与三通接头相连。气管出来与真空电磁阀相连。一共3个真空发生器，每个真空发生器负责排出2个吸盘里面的空气从而产生真空。每个吸盘配备1个真空电磁阀[7]，打开电磁阀就会使吸盘吸附在墙面。本次设计的爬墙机器人为六个吸盘足，其中三个吸盘为主足，三个吸盘为副足，主足用大骨架相连，副足用小骨架相连，开始的时候６只吸盘足一块吸在墙上，机器人运动时，先让主足的吸盘牢牢吸在墙上，关闭副足上的控制电磁阀，这时副足与墙面之间就失去了吸附力，接着让小骨架带着副足离开墙面，根据接受到的信号向上或向下运动，小骨架移动一段距离后，使小骨架带着副足接近墙壁，打开副足上的控制电磁阀，使副足的３个吸盘吸附在墙面上，然后移动大骨架使大骨架带着吸盘足向上或向下移动。这样就可以完成机器人的运动。本次设计的机器人的重量为3kg，最多可爬5m,气管采用PVC材料，密度为1.38g/cm²，半径为1cm，厚度为1.2mm，气管重量为m=ρv=0.5kg,则本次设计的机器人的最大重量为6.5kg，运动时吸附在墙上的足为3个，设每个吸盘的最小吸力为F，安全系数为μ=3，标准大气压为P=1.03kg/cm²，每个吸盘的面积为S，每个吸盘的最小吸力F=6.5/3kg,就可以计算出机器人吸盘的面积，真空吸盘吸力计算公式为：F=SP/μ由此公式便可得出机器人吸盘的面积为6.3cm²，所以机器人吸盘的最小直径为2.8cm。电磁阀3.3驱动模块设计3.3.1电机的选型无论是直流还是交流，它们的应用都特别广泛。不同的电机可以应用到不同的设备上，根据本设计的设计要求，有两种方案可供选择：方案一直流电动机。直流电动机是一种旋转电机，它可以将电转化成能量，施电于直流电动机，直流电动机的转子可以很快的转动起来，直至达到要求的转速。直流电动机比交流电动机对环境的影响更小。方案二步进电动机。步进电动机中有磁性材料，电机通电时就会出现反向电动势，反向电动势会对电机的转动产生不利影响，反向电动势变大时电流就会减小，电流减小电压就会变大，当电压太大时，就会烧坏电动机。所以步进电机的速度不能太大,因为在高速时会受到反向电动势的制约。综上所述，本设计选择方案一直流电动机作为本设计的动力装置。本设计采用两个电机，横向直流电机和垂向直流电机，前者可以使机器人按照命令向前或向后运动，后者可以使机器人的吸盘上下运动。机器人的大骨架、小骨架采用铝合金，密度为2.72g/cm3,部分支撑件采用Q235钢，密度为7.85g/cm3。本次设计的机器人的自重为3.5kg，其中包括机器人的重量3kg，外置气管0.5kg，机器人的载重为3kg，最大限速为0.4m/s。横向电机的功率如表3.6所示。表3.6横向电机的功率计算表机器人的自重GKg3.50机器人的载重G1Kg3.00机器人的摩擦系数μ0.06行驶速度Vm/s0.40总效率η0.92加速度am/s20.02摩擦阻力计算Ff=mg*μN3.9加速时阻力计算Fj=maN0.13行驶阻力∑F=Ff+Fj+mgN69需要的电机功率（单台）Pj=∑FVW27.6电机额定功率P0=Pj/ηW30根据计算可以得出本设计所需要的横向直流电机的功率为30W,所以本设计所选的横向直流电机的型号为42BL50S03-230TR0。表3.7横向直流电机型号电机型号电压（V）额定功率（W）额定电流（A）额定转速（rpm）额定转矩（Nm）42BL50S03-230TR024301.630000.1垂向直流电机的功率如表3.8所示表3.8垂向电机的功率计算表机器人的摩擦系数μ0.06行驶速度Vm/s0.40总效率η0.90加速度am/s20.02摩擦阻力计算Ff=mg*μN3.9加速时阻力计算Fj=maN0.13行驶阻力∑F=Ff+FjN4.03需要的电机功率（单台）Pj=∑FVW1.612电机额定功率P0=Pj/ηW1.8根据计算，功率为1.8W,所以选用DC5-9V型号。表3.9垂向直流电机型号电机型号电压（V）额定功率（W）额定电流（A）额定转速（rpm）额定转矩（Nm）DC5-9V91.80.23100.83.3.2舵机模块设计转向模块是机器人中必不可少的一部分，该模块具有控制机器人前进、后退、左转、右转的功能。因为机器人要根据接受到的信号行驶，本设计要求机器人必须可以转向，所以本设计必须有转向模块，选取两种方案。方案一：舵机。舵机调节机器人走行大骨架、小骨架的工作姿态和起到一个转向的作用。舵机的主要组成部分为伺服电机。其中包含伺服电机控制电路+减速齿轮组。伺服电机没有减速齿轮组，而舵机有减速齿轮组[8]。该伺服电机的转速和它转动的位置是靠电路和传感器来进行比较精确的控制。舵机说简单点就是在一个壳子里面安装了减速器、电机控制器和直流电动机等元器件，这个整体就是一个小的伺服单元。舵机是一种可以改变角度的驱动器，它可以改变角度并保持这个角度。方案二：双电机差速控制转向。如果机器人想要不受约束的转弯，便需要一个设备使内外两侧的速度不同，这样一来便可以安全的进行转弯。这个设备就是差速器，双电机差速控制转向就是两个电机按照一定的差速比运转。当机器人的转向需要发生改变时两侧的直流电机转速便会发生改变，例如当机器人需要右转时，左右两侧的电机转速就会开始变化，右侧电机的转速变小，左侧电机转速变大。虽然差速器解决转弯困难的问题，但是对于爬墙机器人来说，无法限制打滑会损失机器人的通过性和操控性，因此双电机差速控制转向在爬墙机器人中不常用。综上所述，对本设计选用方案一舵机来进行转向。3.3.3驱动电路设计驱动电路位于电机与单片机之间，将单片机输出的信号进行放大，使其可以驱动电机，本设计采用L298N芯片来接收信号，驱动电机，L298N芯片的输入端可以直接与单片机相连，很方便的受单片机的控制，L298N芯片的OUT1和OUT2接垂向直流电机，OUT3和OUT4接横向直流电机。IN1、IN2、IN3、IN4分别与单片机的P1.1、、P1.2端口相连接。ENA、ENB连接到单片机P1.4、P1.5端口。当ENA为低电平时，输入电平对电机起控制作用，当ENA为高电平时，输入电平为一高一低，电机正传或反转，同为低电平时停止。可以用程序来控制单片机的输出电平，从而改变电机的正反转和停止。因为本次设计的爬墙机器人是可以在自动模式下检测到障碍物并绕过，也可以根据遥控器发出的信号向左或向右行驶。所以需要一个舵机来进行转弯。舵机控制的电路和控制电机的电路同理。先把舵机与L298N芯片连接，再将芯片与单片机连接。驱动电路图如图3.6所示。图3.6电机控制电路3.4电源模块设计机器人需要电源进行供电，在电源的选择上本设计开始时设计了两种方案：方案一：采用氢电池为机器人提供电能。氢燃料电池就是将化学能转化成电能的电池。氢气和氧气都是纯天然无公害的气体，燃烧出来的水更是对环境没有丝毫影响，是丝毫不用考虑环境问题的电池，但是氢燃料电池相当于一种发电装置，需要对技术有严格要求，用在机器人上有点大材小用，而且因为氢电池价格较贵,安全性较差。所以并不适合作为机器人的供电源。方案二：采用锂电池提供爬墙机器人所需要的电能。考虑到机器人在墙上的稳定性，最好用重量比较轻的电池，锂电池的重量就比较轻。考虑到机器人的特点不能经常更改电池，所以就需要选用使用寿命长的，锂离子电池的使用寿命长达几年以上。而且机器人经常在室外工作，室外的温度不定，有时会遇到高温或极寒天气，所以就需要所选用的电池适应性好，锂离子电池就可以胜任这一点，在恶劣环境条件下也不影响使用。锂离子电池还绿色环保，无论是使用还是报废都不产生有害重金属物质。本次设计的爬墙机器人经常室外作业，所以选用的电池需要性能好，在恶劣环境条件下也不影响使用。综上所述本设计采用第二种方案锂电池为机器人供电。选用标准电压为24V的锂电池，但是机器人横向直流电机、垂向直流电机和单片机所需要的电压是不同的，分别是24V、9V和5V，所以这时候就需要使用一个转压电路。提供给垂向直流电机的电压为9V，提供给单片机的电压为5V。电源电路如下图3.7所示：图3.7电源电路图3.5传感器模块设计爬墙机器人必须要有传感器，本设计的爬墙机器人需要在自动模式下行驶时避开障碍物，同时机器人的载重不能超过3kg，所以就需要测量距离和压力，所以机器人需要两种传感器。3.5.1测距传感器设计方案一：超声波传感器。超声波之所以能够用来测距是因为超声波发射出去之后，碰到机器人前方的障碍物就可以反射回来，根据这个特性就可以测量出来与障碍物之间的距离，并判断要不要转弯。超声波传感器不受光线的限制，当机器人身处黑暗时也可以准确的测量距离，因为机器人是在室外工作，难免会遇到灰尘高湿度高的情况，许多传感器在大量的水或灰尘的积累下会产生不正确的读数，但超声波传感器不受外界水或灰尘的限制。同时超声波传感器还不受光线或烟雾的影响，很适合经常在室外进行工作的爬墙机器人。方案二：红外传感器。传感器发射红外线时，只要被测量的物体本身具有温度，它就能辐射红外线，这时传感器就可以感应到目标辐射。红外传感技术应用在我国的各个方面。但红外传感器也有缺点，在测量时红外线会受太阳光的干扰。所以红外传感器不适用于野外。所以不太适用于爬墙机器人。综上所述，本设计选用了方案一：超声波传感器。本设计的机器人所选用的用来测距的模块是HC-SR04超声波模块，该模块的工作电压为5V。该模块是受单片机的控制，通过单片机的命令来发送超声波，单片机的P1.6端口与超声波模块的ECHO端口相连，P1.7端口与TR端口相连。超声波传感器电路图如图3.8所示。图3.8超声波传感器模块3.5.2压力传感器设计考虑到机器人的安全性，机器人的载重不能超过3kg，超过3kg就会报警，所以需要一个压力传感器来控制机器人所载的物体的重量。有两种方案可供选择。方案一：薄片式压力传感器。选用具有弹性的应变片，当受到力时应变片会产生形变，形变越大说明机器人的载物重量越大。薄片式压力传感器具有高灵敏度、快速的响应时间和良好的稳定性，对重量较小的物体具有较强灵敏性等特点。方案二：陶瓷压力传感器。当物体放在陶瓷膜片的前表面时，膜片就会产生特别小的形变，这时在膜片背后的电阻就会有变化，这个压力信号就可以转化成电信号。但该技术缺点是信号输出灵敏度低，而且当机器人的载重太大时，陶瓷膜片可能会裂。因为机器人的载物重量不是特别大，所以就需要灵敏度高的压力传感器，所以选用第一种方案：薄片式压力传感器。薄片式压力传感器电路图如图3.9所示。图3.9薄片式压力传感器3.6遥控模块设计本设计设计的爬墙机器人是可以遥控控制的机器人。遥控器用来控制爬墙机器人的行驶路线。首先从爬墙机器人控制系统的设计上来看，是基于无线遥控器可实现各个方向的运动。有两个选择方案。方案一：无线电遥控器。无线电遥控器就是通过无线电信号对需要进行控制的设备发送信号，如果用在机器人身上，机器人接收这些信号之后，就可以根据指令转动电机使机器人向前或向后运动。但无线电遥控器容易受到电磁干扰。所以不太适用于在室外工作的爬墙机器人。方案二：红外遥控器。红外遥控器的发射部分是在普通发光二极管的两端施加电压形成的一种特殊发光二极管，它安装在遥控器上。接收部分为红外接收二极管，安装在机器人上。红外遥控不会对其他的设备进行干扰，不受电磁的干扰，比较适用于工作环境比较复杂的爬墙机器人。综上所述，本设计选用方案二：红外遥控器。运用红外遥控器控制爬墙机器人，可以用遥控上的按键来决定机器人的前进后退等。按键与单片机相连。按一次时机器人是前进，第二次是后退，第三次是自动模式，第四次是左转，第五次是右转。遥控按键电路如图3.10所示：图3.10遥控按键电路3.7按键模块设计按键模块在爬墙机器人系统中是不可缺少的，按键模块的作用就是启动机器人时打开电源，关闭机器人时关闭电源。这样可以节省电源的电量，增加机器人各个电子元件的寿命。将电源开关安装在电源的正极的主路上，便可以控制电源电路的导通与否。按键电路如图3.11所示：图3.11按键电路3.8报警模块设计3.8.1电压检测设计本设计的电压检测是用来检测爬墙机器人的电源电压，当电源电压降低到一定值时蜂鸣器就会发出警报，电压检测电路使用的是电阻分压式电路，在这种电路中电阻阻值越大，它所分配到的电压就越大。从而对电源电压进行实时的检测。设采集到的电压为U，串联电阻分压公式为：根据公式P=UI，可以知道当电压变低时，电流变大。当横向直流电机电流短路时，机器人便会报警。设定电机的短路电流是额定电流的5倍，所以横向直流电机的短路电流为8A，此时的电压为3V，所以当横向直流电机的电压小于等于3V时，机器人便会报警。电压检测电路如图3.12所示。图3.12电压检测电路3.8.2报警电路设计本设计中电源电压过低或载重过大时就会发出警报来提醒我们，本设计采用蜂鸣器来发出警报。电路采用的是蜂鸣器与三极管的集电极连接的方式。报警电路与单片机的P3.4端口连接。因为电压过低和载重过大时都会报警，但是需要区分出来是哪种问题引起的报警，所以需要蜂鸣器发出两种声音。报警电路图如3.13所示：图3.13报警电路图第4章软件设计4.1主程序设计主程序在运行开始阶段先进行初始化，因为机器人的载重不能超过3kg，所以需要检测一下机器人所载物体的重量，如果机器人所载物体的重量在合适的范围内继续向下检测，如果不在合适的范围内机器人就会静止并发出报警，人工处理直至载重正常。然后再检测电压，也是同样的流程。接下来就是判断一下爬墙机器人是否为自动模式，如果不是自动模式，机器人静止在原地并判断是否有按键输入，如果有则解析按键命令，按照命令输出，如果是自动模式则执行自动模式代码，无论哪种模式都可以回到程序初始化状态。主流程图如4.1所示：开始开始程序初始化程序初始化载重正常 载重正常处理静止并报警 否处理静止并报警 是处理电压正常静止并报警 否处理电压正常静止并报警 自动模式 是自动模式静止 否静止 是 否按键输入 是按键输入执行自动模式代码执行自动模式代码 是解析按键命令解析按键命令输出输出图4.1主流程图4.2防碰撞程序设计防碰撞模块开始时先进行程序初始化，发射的超声波碰到机器人前方的障碍物就可以反射回来，根据这个特性就可以测量出来与障碍物之间的距离，并判断要不要转弯。机器人与前方障碍物的距离用公式S=1/2Vt来计算，其中S表示机器人与障碍物的距离，V表示超声波在空气中的传播速度，t是从发射到接收这一过程的时间。由于超声波传播速度受温度的影响，所以需要设计一个温度补偿在不同的温度下用不同的传播速度进行计算V=331.5+0.6×T。其中T为温度，单位为摄氏度。当测得距离S小于等于30cm时，爬墙机器人转弯90度后绕过障碍物继续行驶。设定三个传感器，在前方传感器发现障碍物时进行90度旋转，这时两侧的传感器发挥作用，检测是否已经越过障碍物，越过障碍物之后可以继续九十度旋转按原定的方向前进。当测得的距离大于30cm时，机器人正常直行。这个检测是一直在进行中，超声波测距流程图如图4.2所示：开始开始 程序初始化程序初始化发射超声波发射超声波 有障碍物有障碍物 是温度补偿温度补偿计算距离S计算距离SS小于等于30厘米S小于等于30厘米 否 是转弯90度转弯90度越过障碍物越过障碍物直行直行 否是反向转弯90度反向转弯90度直行直行图4.2防碰撞流程图4.3报警程序设计程序开始时需要检测一下机器人所载物体的重量，如果机器人所载物体的重量在合适的范围内继续向下检测，如果不在合适的范围内机器人就会静止并发出报警，人工处理直至载重正常。然后再检测电压，也是同样的流程。报警流程图如图4.3所示：开始 开始检测载重检测载重 载重正常载重正常处理静止并报警 是 否处理静止并报警 是检测电源电压检测电源电压 电压正常电压正常处理静止并报警 否处理静止并报警 是返回返回图4.3报警流程图4.4自动模式程序设计本设计的爬墙机器人具有自动演示的功能。当按下自动演示的按钮时，系统会开始执行自动模式的代码。开始时会进行代码初始化，爬墙机器人直行，并判断是否有障碍物，如果有障碍物，爬墙机器人转弯90度后绕过障碍物继续行驶，如果没有则继续直行，并判断是否有命令输入，如果有，执行命令操作，如果没有，进行代码初始化重复这一操作。自动模式流程图如图4.4所示：开始开始代码初始化代码初始化 直行直行 有障碍物否有障碍物 否直行是直行转弯90度转弯90度命令出入 命令出入是执行命令操作执行命令操作返回返回图4.4自动模式流程图4.5按键程序设计程序运行进入按键初始化，如果有信号输入，判断输入按键并输出，没有信号输入回到按键初始化。按键模块流程图如图4.5所示：开始开始按键初始化按键初始化 否按键信号输入 按键信号输入 是判断输入按键判断输入按键输出输出图4.5按键流程图第五章系统仿真及调试5.1系统仿真原理图如图5.1所示爬墙机器人控制系统仿真原理图包含几大电路模块，由复位电路、晶振起振电路、LCD1602显示电路、电机驱动电路、电磁阀电路、电压与重量采集电路、按键电路、报警电路配合完成。图5.1系统仿真原理图5.2系统仿真试验仿真前首先将程序下载至仿真单片机中，然后开始仿真，按照编好的程序逐步进行验证，观察其是否运行稳定，是否按照顺序进行。如果哪个模块仿真出现错误或不稳定，及时进行相应程序检查和接线连接。如图5.2所示其为仿真初始化显示界面，点击运行仿真，会在LCD1602上显示全速前进。电机启动，爬墙机器人向前行驶。界面会显示超声波测量的距离，机器人载物的重量和电压的大小。如图5.3所示按下按键可以切换到向左行驶，电机和舵机同时启动，会在LCD1602上显示向左行驶。图5.2仿真运行初始化界面图5.3向左行驶界面如图5.4所示其为自动模式显示界面，按下按键可以切换至自动模式，在自动模式下，会在LCD1602上显示自由行驶，各个电机会随系统的设计来转动，这时如果测距传感器测到机器人与障碍物的距离小于30cm时，舵机就会启动使机器人自动转弯。图5.4自动模式下的工作界面如图5.5和5.6所示分别为载重过大报警界面和电压过低报警界面。当爬墙机器人所载的物体过重或电压过低时蜂鸣器就会报警。图5.5载重过大的工作界面图5.6电压过低的工作界面5.3仿真调试总结通过对程序仿真