【《某矿用运输机器人结构的详细方案设计案例综述》4800字】

某矿用运输机器人结构的详细方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u4874某矿用运输机器人结构的详细方案设计案例 1202791.1硬件电路 2306331.2监测障碍物 2216531.3清除障碍物 3131761.1.1元件介绍 332121.1.2控制电路介绍 4235581.4单片机最小系统 6270481.4.1AT89S52单片机简介 6266271.4.2单片机规划 8258271.5供电模块 9320951.6循迹模块 9229101.7电机驱动 12144111.8软件开发平台 15276051.10系统软件流程 17152521.11寻迹软件流程 19160481.12障碍物检测及清理软件流程 201.1硬件电路主要由机械与电气两个部分组成本课题设计的新型智能小车软硬件系统，机械部图1.1系统电路原理图Fig.1.1Systemcircuitdiagram单片机最小系统2.电源1.循迹模块4.驱动模块5.障碍物监测分图1.1系统电路原理图Fig.1.1Systemcircuitdiagram单片机最小系统2.电源1.循迹模块4.驱动模块5.障碍物监测1.2监测障碍物由2.2.6可知，用于检测障碍物传感器选用的是点触式开关，当点触开关断开时，前方没有障碍物，不需要顶升叉工作；当点触开关闭合时，前方有障碍物，需要顶升叉工作清除障碍物。图1.2是监测模块用到的电路。图1.图1.2监测电路Fig.1.2monitoringcircuit点触式触控开关的直接设定和手动安装使用方式及工作位置大致情况如图1.3所示，当所有障碍物从中断夹持器中自动进入连接到一个单片的主机中断夹持器上并通过触碰连接到该触控开关后，整个单片机有可能因为受到干扰而中断，进而导致控制系统瘫痪。如果靠前安装的话，就会导致工作停止时障碍物还没有从整个夹持器顶部的升叉开始运转，无法完全能够实现自动清障的工作功能;但是若整个点触触发开关被完全安装得过靠后，会导致障碍物检测和清除功能无法正常使用。图图1.3点触开关安装位置Fig.1.3Installationpositionoftouchswitch1.3清除障碍物1.1.1元件介绍电动顶升叉：顾名思义，驱动力来自电机，可以叉起物体进行抬升。在可以满足强度的情况下，选用优质abs塑料制作电动顶升叉，可以有效的降低顶升叉的质量，进而避免车体头重脚轻。首先寻找障碍物需要障碍物监测模块；其次利用顶升叉抬高物体；最后，将障碍物推出行驶路径之外，此时顶升叉下降放下物体。然后小车就可以继续循迹行驶了。顶升叉只是起到引导叉起其他物体的作用。1.1.2控制电路介绍本次毕业设计题目设计的顶升叉的驱动是由舵机完成的。控制电路如图1.4，所使用的的单片机I/O连接舵机信号线之前，应先接上拉电阻，不然单片机提供的电流过于微弱，不足以驱动舵机。图图1.4舵机控制电路Fig.1.4Steeringgearcontrolcircuit需要使用PWM信号才能对舵机进行控制，所以虽然电路不复杂，但是却很不容易编程[22]。，具体的舵机控制器数据结构原理如下图1.5所示，舵机的两个脉宽调制脉冲信号需要采用一个固定周期20ms的脉宽来对其进行脉冲调制，其中舵机脉冲的固定宽度大约为1ms-2ms，相应的对应于飞机舵盘的固定位置大约为0-180°，呈现非线性的宽度变化，也就是说，给它们都需要提供一定的脉宽，外界的转矩是否改变，输出轴都会在一个固定的角度，直到另一个宽度的脉冲信号提供给它，它才能够有可能发生改变并使输入和输出脉冲的旋转角度可以达到一个新的固定位置上，详细情况见下图1.6。值得注意的两个地方主要是:获取舵机的响应时间，需要通过机械方式或者修改PWM周期。利用控制舵机的高速输入和转位响应空间的剩余量，将其高速旋转时的角度大小进行了自动放大，加快了对控制舵机的快速响应。图图1.5工作信号Fig.1.5gearworkingsignal图图1.6角度控制Fig.1.6gearanglecontrol1.4单片机最小系统单片机最小时钟控制管理系统主要包括时钟复位控制电路、时钟驱动控制电路三个组成部分共同组成，单片式电机最小时钟控制管理系统的内部集成电路总体结构如本框图1.7所示。复位键的操作就是对整个单片机的一个程序初始化进行操作，其主要的操作功能之一就是为了能够使得整个单片机从0000h的工作单元中一次性地重新开始执行程序，当一个程序在正常运行中如果发生系统出错或者因为是出现操作系统失败等各种问题而直接导致系统崩溃时，想要让整个系统正常快速地开始工作，也可说就是我们通常可以通过对它重新进行一次复位。该最小系统采用上电自动复位方式。图图1.7单片机最小系统Fig.1.7Minimumsystemofsinglechipmicrocomputer1.4.1AT89S52单片机简介美国一家叫ATMEL公司生产了一种的高性能CMOS8位单片机，叫AT89S52，还具有低功耗的优点。ATMEL公司用高密度技术生产出来的器件的储存能力也很好，兼容标准8051指令系统及引脚。它的编程方法不紧急局限于传统方法，利用Flash程序存储器还可以在线编程。AT89S52单片机的功能强、价格低，许多具有较高性价比的应用场合也都选用了AT89S52型号的单片机，在不同的控制范围都能十分适合[23]。a.主要参数：完全兼容MCS-51产品指令系统；拥有八千字节大小的超大Flash闪速存储器；最小额定电压为4V,最大额定电压为5.5V；最小频率为0Hz，最大可达到33MHz；内部RAM可容纳128*8字节；三十二个I/O口线，均可编程；两个可以通过编程实现四种工作方式的十六位计数器；一个具有四个优先级六个中断源的结构；系统处于空闲模式时，可以利用中断对系统进行唤醒；看门狗及双数据指针；使用该系统编程时十分灵活；b.可能会用到的引脚部分功能：Vcc：连接降压后的五伏电压；Vss：接地以保证电势为0；XTAL1：单片机内部的第一个引脚，作为一个输入端，使用外部振荡器时需要接地；XTAL2：单片机内部的第二个引脚，作为一个输出端，输入到内部时钟发生器。当使用外部振荡器时可以接收信号；XTAL1和XTAL2一起构成了片内振荡器；P1，P2，P3：8位准双向I/O口，内部含有上拉电阻；P3还附带了特殊功能，可以实现串行通信等功能；RST：仅在高电平时会生效的一种信号，在振荡器工作时，每两个周期的高电平信号都会导致器件复位；EA/\Vpp：仅在低电平时候会生效的一种信号。当该口接地时，CPU不需要执行片内储存器内的程序；当EA/\Vpp和Vcc两口相接时，CPU执行片外存储器程序之前，会有限执行片内程序存储器中的程序；1.4.2单片机规划CMOS8位单片机中具有强大的系统资源的是AT89S52型号，充分利用了其自身的特性来开发系统集成电路，详见表3-1。因为p3口不仅的功能比较复杂，因而不用p3口;p1，p2口内部有上拉电阻，但是还有其他的用处，只有无上拉电阻的p0口合适，但是想要让p0口可以输出高电平，所以还需加上一个上拉电阻，选择p0口。表3-1单片机资源分配表Table3-1SCMresourceallocationtable资源类型用处看门狗防错定时器定时外部中断发现障碍物输入P1.1控制左边电机转向输出P1.2控制左边电机转速输出P1.5控制右边电机转向输出P1.6控制右边电机转速输出P1.8控制舵机运动输出P2.1循迹，反馈左微动信号输入P2.2循迹，反馈右微动信号输入P2.5循迹，反馈左转信号输入P2.6循迹，反馈右转信号输入1.5供电模块主系统电路中的各个机构的可靠工作电压都由供电电压模块负责。系统使用两个独立电源供电，需要12V电压的和5V的各使用一个电源，两个直流电源共同互相进行连接。图1.8是该模块的集成电路图，电路用于滤波的是是哪两个电容，以便在其中滤除一些直流电源中不必要的一些交流电路元件和滤波成分，使得直流资源电平滑，低频率的交流电也可以通过电容滤波除去。图图1.8直流电源转换电路Fig.1.8DCpowerconversioncircuit1.6循迹模块一辆小车在地面上沿着一条黑色的线行驶，这个过程就交错循迹。rpr220型光电对管可以识别黑线，进而可以实现该项功能。因为物体的颜色各不相同，可以通过发光二极管反射性质不同进行判断；比如白线发生的漫反射和黑线不反射。当碰到黑线不反射有色光时，三极管接断路，此时处于低电平，反之白光处于高电平；LM339型比较器反馈信号到单片机后，单片机就可根据高低电平来完成循迹。寻迹模拟电路基本结构如软件图1.9，LM339作为该电路中的主要芯片，将模拟电压信号与基准电压相比较，通过比值不同，反馈高低电平给单片机。图1.图1.9寻迹电路Fig.1.9Trackingcircuit总共使用了四对光电对管组成了寻迹模块，如图1.10当前面两对光电对管在路径上，后面两对光电对管在路径外，此时小车并没有偏离路径，可以继续前进；在前进的过程中，当前面的X1光电对管偏出了路径，小车可以向右微调来回到原来的路径上，如图1.11；当前面的Y1光电对管偏出路径的时候，小车可以向左微调来回到原来的路径上，如图1.12；只有当前端两个传感器都在路径内的时候，小车才可以继续前行。左侧X1光电对管在路境内，当右侧Y1光电对管在路径外，前端两个光电对管均在路径之外，小车应当向左转弯如图1.13。当小车处于图1.14状态，当左侧X1光电对管在路径之外，而右侧Y1光电对管在路径之内，前端两个光电对管均在路径之外，此时小车应当右转来回倒路径，详情见表3-2。图1.10图1.10寻迹右微动Fig.1.10Tracingrightfretting图1.图1.11寻迹直走Fig.1.11Gostraight图1.图1.12寻迹左微动Fig.1.12Traceleftfretting图1.图1.13寻迹左转传感器位置图Fig.1.13Locationmapoftrackingleftturnsensor图图1.14寻迹右转传感器位置图Fig.1.14locationoftrackingrightturnsensor表3-2光电传感器状态真值表Table3-2photoelectricsensorstatustruthtable1.7电机驱动小车轮子是由电机进行驱动的，小车行进的驱动力即是电机给的[24]，需要使用包含四个通道逻辑驱动电路的芯片，故而选用的是生产自SGS公司的L298N芯片，常用于驱动二相和四相电机，该驱动器内部有两个H桥，最高可以驱动四十六伏特，二安培的电机，属于高电压大电流驱动器。如图1.15，小车上有四个直流电机，左右两边各有两个，分别为一组电机，连接在两个芯片的八个接口处，相同的分别并联在一起，这样通过四个端口就能控制四个电机运动，控制信号详见表3-3。图图1.15电机驱动模块硬件电路图Fig.1.15hardwarecircuitdiagramofmotordrivemodule表3-3电机转动状态编码Table3-3Motorrotationstatecode我们可以选用PWM调速方式对电动机进行调节。开关管在一个周期内的导通时间为t，周期为T，就可以求出电机两端平均电压和时间的函数U=a*Vcc=Vcc(t1/T)，占空比为a=t/T，电源是Vcc，如图1.16。易得电机速度与占空比成正比，也就是说想让电机转得快，就需要提高电机的占空比。图1.图1.16PWM波形Fig.1.16PWMwaveform图1.17的驱动就是用来驱动直流电机的。对其进行连线的时候，小车左边的两个电机是一组，右边的两个电机是另一组；分别接在输出端口A和B上接在电机驱动的电机A输出端口电机B输出端口上，电机的使能端是EA、EB两个接线口，电机旋转方向控制是IA、IB两个端口，驱动部分端子（Vms）和逻辑部分端子（Vcc）最低需要5伏电压，驱动部分端子（Vms）最高可以承受35伏电压，但是逻辑部分端子（Vcc）最高只能承受7伏电压。图1.图1.17L298N双H桥直流电机驱动Fig.1.17L298NdualH-bridgeDCmotordrive1.8软件开发平台keilforc51是一款由一家美国keilsoftware公司设计生产和开发制造的基于c方言语言手机应用程序并是软件开发者和管理操作系统[25]。而且与其它汇编语言的强相比，c++语言的强在功能、架构、可读性、可定期维修等诸多方面。keilforc51软件具有极为丰富的库函数，keilforc51软件的集成开发调试工具功能也十分强大。想要知道keilforc51生成代码的效率到底有多高，只需要看一下编译后的编汇代码，你就会发现它的代码结构紧凑，通俗易懂。而且在后期进行各种大型化的编程软件开发中更是要求能够充分体现和写出一种高级化的编程语言。开发c51时，除了必须的汇编硬件外，汇编软件同样也是必不可少的存在，我们所需要撰写的软件源程序可能需要转换成新的c51，而且我们目前可以正常运行的这种汇编机器人源代码主要采用有两种编码方式，一种主要采用的方式是手动进行汇编，另一种则主要采用的方式是通过机器人自己编码进行自动汇编，但是现在大家基本都是使用第二种方法进行编码。国内开发的c51技术一天比一天成熟，支持在线调试的串口烧写也被Keil软件开发出来了。Keil有一整套完善的开发方案，将C编译器和连接器等组合起来了，在这个集成开发环境下，这个仿真调试器的强大功能被完美的发挥了出来，如图1.18所示。图图1.18Keil开发平台Fig.1.18KEILdevelopmentplatform我们使用的是C语言进行编写程序，编译的进行是在在uVision3开发环境中完成的，自己编写程序中的不合理之处都可以清楚地看到，这个设计让设计程序变得简单便捷起来。仿真调试做完之后，就可以了解每一步单片机所占用的I/O口和所耗费的时间，如图1.19。图图1.19程序调试图Fig.1.19programd