《单片机C51项目设计与开发》-项目6 机器人的控制和制作

任务1追光机器人的设计与制作任务描述制作一个追光机器人，以轮代步，能够实现追逐光源行进。任务分析1.硬件电路分析使用单片机P1口的P1.3和P1.4分别连接左右光电传感器核心板模块，PO口的P0.0~P0.4连接电动机驱动模块，单片机的RST引脚和P1口的P1.7,P1.6和P1.5连接ISP下载接口，用于和主机相连，下载程序。追光机器人的电路原理框图如图6-1所示。下一页返回任务1追光机器人的设计与制作2.软件设计思路框图中的左、右光电传感器核心板模块用于寻找光源，由光敏三极管和处理模块组成，处理模块中使用LM393设计。电动机控制模块用于控制机器人四轮的运动，对电动机的驱动采用脉宽调试的方式进行，把驱动过程以时问周期为单位，在每个周期中，都有导通时问和截止时问。调节导通和截止时问的占空比，就可以像车一样，控制动力、速度。机器人四轮电动机的控制见表6-1。追光机器人完整程序流程图如图6-2所示。参考源程序上一页下一页返回任务1追光机器人的设计与制作上一页下一页返回任务1追光机器人的设计与制作上一页下一页返回任务1追光机器人的设计与制作上一页下一页返回任务1追光机器人的设计与制作上一页下一页返回任务1追光机器人的设计与制作上一页下一页返回任务1追光机器人的设计与制作上一页下一页返回任务1追光机器人的设计与制作系统调试系统调试步骤如下。①ISP下载器一端连接PC的USB接口，另一端连接机器人主板上的ISP接口，打开电源开关。②用“progisp.exe”软件将“…\程序\追光机器人”文件夹下的“追光机器人.hex”下载到单片机中。③程序正确写入完成后，关闭机器人电源，拔下ISP下载线，提供足够的运行空问，把机器人放到地面上，点上一支蜡烛，打开机器人电源，这时机器人静止不动;移动蜡烛，小车朝光线亮的地方移动，否则向前运行。追光机器人系统效果如图6-3所示。上一页下一页返回任务1追光机器人的设计与制作知识拓展12V直流电动机控制方法1.本设计采用的电动机控制方法本设计通过一个电动机控制模块(该模块采用L293D设计)和单片机相连，用单片机的P0.4引脚控制模块的输出，当P0.4=1时，模块开始工作，P0.3,P0.2对应的模块输出分别接右侧电动机的反转和正转端了，P0.1,P0.0对应的模块输出分别接左侧电动机的反转和正转端了，当单片机的对应端了有相应电平输出时，电动机执行相应动作;当P0.4=0时，模块的输出端全为低电平“0”，电动机停止。电动机驱动时采用脉宽调制的方式进行，通过调整电动机的导通和截止时问来调整电动机控制信号的占空比，从而达到控制电动机速度的目的。上一页下一页返回任务1追光机器人的设计与制作2.L293D芯片(1)概述L293D是一款单片集成的高电压、高电流、4通道电动机驱动，设计用于连接标准DTL或TTL逻辑电平，驱动电感负载(诸如继电线圈、DC和步进电动机)和开关功率晶体管等。为了简化为双桥，L293D每个通道都配备了一个使能输入端。L293D逻辑电路具有独立的供电输入，可在更低的电压下工作。此外，L293D还内置了箱位二极管。L293D适用于频率达5kHz的开关。(2)特性①L293D每个通道的电流输出能力达600mA;②L293D每个通道的峰值输出电流达1.2A(非重复);③便于使能;④L293D具有过温保护作用;上一页下一页返回任务1追光机器人的设计与制作⑤逻辑“0”输入电压高达⑥内置箱位二极管。(3)基本参数工作电压:4.5^'36V;单通道输出电流:600mA;峰值输出电流:1.2A0C4)其他特性输出数:4;类型:半桥式;输入类型:正相;L293D封结与引脚:DIP16.1.5V(高抗噪性);SOIC20。上一页下一页返回任务1追光机器人的设计与制作3.其他，2V直流电动机控制方法(1)用单片机直接驱动12V直流电动机如果仅用单片机直接驱动一个12V的直流电动机，只要求转动即可，不需要调速，可直接采用图6-4所示的简单控制方式，单片机输出高电平可以实现电动机转动。然而，单片机输出高电平，提供的电流有限，即使经过8050放大，也难以达到使电动机转动的需求。可以再加一级放大，用8550即可，原来的1kΩ电阻可以适当减小，470-680Ω即可。如图6-5所示，此时，单片机输出低电平时，电动机转动。上一页下一页返回任务1追光机器人的设计与制作(2)通过H型PWM电路实现12V直流电动机控制也可以采用由达林顿管组成的H型PWM电路或者集成芯片，实现12V直流电动机控制，可以用单片机控制达林顿管，使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管了的饱和截止模式下，效率非常高，H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制，电了开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。PWM在12V直流电动机控制技术中的应用1.PWM调速工作方式①双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。上一页下一页返回任务1追光机器人的设计与制作②单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。2.PWM调脉宽方式调脉宽的方式有三种:定频调宽、定宽调频和调宽调频。我们采用了定频调宽方式。采用这种方式，电动机在运转时比较稳定，并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。3.PWM软件实现方式①采用定时器作为脉宽控制的定时方式。这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只有儿微秒。上一页下一页返回任务1追光机器人的设计与制作②采用软件延时方式。这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。但是基于不占用定时器资源，且对于直流电动机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围内，所以一般采用方案二。光电传感器光电传感器一般由光敏三极管和处理模块组成。可以自行设计，也可以在市场上购买现成的光电传感器模块或者芯片。1.光敏三极管光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。(1)光敏三极管的主要技术特性上一页下一页返回任务1追光机器人的设计与制作1)暗电流ID在无光照的情况下，集电极与发射极问的电压为规定值时，流过集电极的反向漏电流称为光敏三极管的暗电流。2)光电流IL在规定光照下，当施加规定的工作电压时，流过光敏三极管的电流称为光电流。光电流越大，说明光敏三极管的灵敏度越高。3)集电极一发射极击穿电压VCE在无光照下，集电极电流IC为规定值时，集电极与发射极之问的电压降称为集电极一发射极击穿电压。4)最高工作电压Vrm在无光照下，集电极电流IC为规定的允许值时，集电极与发射极之问的电压降称为最高工作电压。上一页下一页返回任务1追光机器人的设计与制作5)最大功率PM最大功率指光敏三极管在规定条件下能承受的最大功率。6)峰值波长λP当光敏三极管的光谱响应为最大时，对应的波长叫做峰值波长。7)光电灵敏度在给定波长的入射光输入单位为光功率时，光敏三极管管芯单位面积输出光电流的强度称为光电灵敏度。8)响应时问响应时问指光敏三极管对入射光信号的反应速度，一般为1x10-3^~1x10-7S。上一页下一页返回任务1追光机器人的设计与制作

9)开关时问开关时问一般分为脉冲上升时问ts、脉冲下降时问tt、脉冲延迟时问td和脉冲储存时问ts

。(2)温度特性温度对光敏三极管的暗电流及光电流都有影响。由于光电流比暗电流大得多，在一定温度范围内，温度对光电流的影响比对暗电流的影响要小。图6-6给出了光敏三极管的温度特性曲线。(3)光敏三极管的结构和工作原理光敏三极管与二极管不同的是，有两个背对相接的PN结。与普通三极管相似的是，它也有电流增益。需要指出的是，因光敏三极管无须电参量控制，所以一般没有基极引出线，只有集电极C和发射极e两个引脚，而且外形和光敏二极管极为相似，很难区别开，需认真看清管壳外缘标注的型号，以免混淆。上一页下一页返回任务1追光机器人的设计与制作(4)光敏三极管的应用下面列举了儿种常见光敏三极管的基本应用。1)测量光亮度在教室，很多时候日光灯自天也亮着;在宿舍里面，日光灯经常样夜不息，造成资源浪费。可以利用光敏三极管附加电磁继电器在教室和宿舍安装一个控制电路，当亮度达到一定程度的时候，教室和宿舍的日光灯将无法启动。2)光电隔离光敏三极管的另一个作用是传输信号。光祸合器(OpticalCoupler,OC)亦称光电隔离器，简称光祸，它以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。上一页下一页返回任务1追光机器人的设计与制作3)非接触测量转速转矩传感器在旋转轴上安装齿缝测速轮，在传感器外壳上安装一只由发光二极管及光敏三极管组成的槽形光电开关架。测速轮的每一个齿将发光二极管的光线遮挡住时，光敏三极管就输出一个高电平;当光线通过齿缝射到光敏管的窗口时，光敏管就输出一个低电平。旋转轴每转一圈，可以计算出得到的脉冲个数，每分钟检测到的脉冲数除以每转一圈的脉冲数就是每分钟的转速值。2.处理模块在光电传感器的设计中，处理模块是必不可少的一部分，一般把从光敏三极管引出的信号经过一个电压比较器进行处理。电压比较器的一个输入端了接入一个参考电压Vref，另一端接光敏三极管的输出，当光敏三极管输出电压高于参考电压时，电压比较器的输出端为高电平“l”，否则输出为低电平“0”。本设计中采用双电压比较器集成电路LM393。上一页返回任务2灭火机器人的设计与制作任务描述制作一个自主运行的机器人，让机器人在一定的环境场合中找到火灾点(燃烧的蜡烛)，然后启动灭火装置将它扑灭。任务分析1.硬件电路分析灭火机器人在进行设计时，四个轮了是必不可少的，它们用12V直流电动机进行驱动，实现机器人的行走。电动机与单机的连接和控制方法与追光机器人的设计一样，电动机控制模块设计时，采用L293D芯片，输入端和单片机的P0.0~P0.4引脚相连，输出端了直接驱动电动机。下一页返回任务2灭火机器人的设计与制作为了灭火，要用到光电传感器模块寻找火灾(对本设计进行实验时，用点燃的蜡烛代替)发生地点，光电传感器模块的设计和单片机的连接方式与追光机器人的相同，仍然采用光敏三极管和处理模块进行设计，左、右光电传感器模块分别和单片机的P1.3,P1.4引脚相连。在寻找光源的过程中，机器人应该能够躲避障碍物，设计避障传感器实现这一功能，前、左、右避障传感器分别和单片机的P0.5,P0.6,P0.7引脚相连。寻找到光源之后，机器人启动灭火动作，这一动作利用电动机带动一个小风扇转动，利用小风扇的风力实现灭火功能。风扇控制模块和单片机的P3.4~P3.7引脚相连。灭火机器人的设计原理框图如图6-7所示。上一页下一页返回任务2灭火机器人的设计与制作2.软件设计思路如果只有一组光电传感器，则可以检测到火源，但不能有效定位。实际使用中，通常在左右两边分别安装一组光电传感器，机器人在前进中通过摆头来寻找火源。当左边检测到，而右边没有检测到时，机器人向左转一个角度并前进一段距离，然后继续寻找，反之也一样。只有当左右两边同时检测到时，在有效范围内就可以启动灭火风扇完成灭火。其程序流程图如图6-8所示。参考源程序//核心板的P15,P16接口接寻轨传感器接口#pragmaSMALL#include<at89x51.h>上一页下一页返回任务2灭火机器人的设计与制作上一页下一页返回任务2灭火机器人的设计与制作上一页下一页返回任务2灭火机器人的设计与制作上一页下一页返回任务2灭火机器人的设计与制作上一页下一页返回任务2灭火机器人的设计与制作上一页下一页返回任务2灭火机器人的设计与制作系统仿真调试系统仿真调试步骤如下。①ISP下载器一端连接Pc的USB接口，另一端连接机器人主板上的ISP接口，打开电源开关。②用“progisp.exe”软件将“…、程序、灭火机器人”文件夹下的“灭火机器人.hex”下载到单片机中。③程序正确写入完成后，关闭机器人电源，拔下ISP下载线，提供足够的运行空问，把机器人放到场地上，正前方点燃蜡烛(火苗高度与光电接收传感器水平)，在蜡烛前方放一个定位标志(黑色)，再打开机器人电源，使其向前方运行，通过火焰传感器找到火焰，启动灭火机构实现灭火。灭火机器人效果调试如图6-9所示。上一页下一页返回任务2灭火机器人的设计与制作知识拓展避障传感器1.红外线的特点人的眼睛能看到的可见光，若按波长排列，依次(从长到短)为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，如图6-10所示。红外线的特点是不干扰其他电器设备工作，也不会影响周边环境。电路调试简单，若对发射信号进行编码，可实现多路红外遥控功能。2.红外线发送和接收人们见到的红外遥控系统分为发射和接收两部分。发射部分的发射元件为红外发光二极管，它发出的是红外线而不是可见光，如图6-11所示。上一页下一页返回任务2灭火机器人的设计与制作常用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右，外形与普通发光二极管的相同，只是颜色不同，一般有透明、黑色和深蓝色三种。判断红外发光二极管的好坏与判断普通二极管的方法一样。单只红外发光二极管的发射功率约为100mW。红外发光二极管的发光效率需用专用仪器测定，而业余条件下，只能凭经验用拉距法进行粗略判定。接收电路的红外接收管是一种光敏二极管，使用时要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作而获得高的灵敏度。红外接收二极管一般有圆形和方形两种。由于红外发光二极管的发射功率较小，红外接收二极管收到的信号较弱，所以接收端就要增加高增益放大电路。然而现在不论是业余制作还是正式生产的产品，大都采用成品的一体化接收头。红外线一体化接收头是集红外接收、放大、滤波和比较器输出等的模块，性能稳定、可靠。上一页下一页返回任务2灭火机器人的设计与制作所以，有了一体化接收头，人们不再制作接收放大电路，这样红外接收电路不仅简单，而且可靠性大大提高。3.红外线遥控和发射电路红外线遥控发射电路组成如图6-12所示。图6-12是目前所有红外遥控器发射电路的功能组成框图，其中的编码器即调制信号，按遥控器用途进行编码的方式可以很简单，也可以很复杂。例如用于电视机、VCD,DVD和组合音响的遥控发射的编码器，因其控制功能多达50种以上，此时的编码器均采用专用的红外线编码协议进行严格的编程，然而对控制功能少的红外遥控器，其编码器简单而灵活。前者是由生产厂家的专业人员按红外遥控协议进行编码，而后者适用于一般电了技术人员和电了爱好者编码。上一页下一页返回任务2灭火机器人的设计与制作4.频分制编码的遥控发射器在红外发射端利用专用(彩电、VCD,DVD等)的红外编码通信协议作编码器，对一般电了技术人员或业余爱好者来说，是难以实现的，但对路数不多的遥控发射电路，可以采用频分制的方法制作编码器，而对一路的遥控电路，还可以不用编码器，直接发射38kHz红外信号，即可达到控制的目的。图6-13是一种一路的红外遥控发射电路，在该电路中，使用了一片IC1高速CMOS型4-2输入的“与非”门74HC00集成电路，组成低频振荡器作编码信号(f1)，用IC2555电路作载波振荡器，振荡频率为fo(38kHz)。f1对fo进行调制，所以IC2的3脚的波形是断续的载波，该载波经红外发光二极管发送到空问。上一页下一页返回任务2灭火机器人的设计与制作5.遥控接收解调电路图6-14为红外接收解调控制电路，图6-14中IC2是LM567。LM567是一种锁相环集成电路，采用8脚双列直插塑封装，工作电压为+4.75~+9V，工作频率从直流到500kHz，静态电流约8mA。8脚为输出端，静态时为高电平，由内部的集电极开路的三极管构成，允许最大灌电流100mA。鉴于LM567的内部电路较复杂，这里仅介绍该电路的基本功能。上一页返回任务3相扑机器人的设计与制作任务描述制作一个自主运行的机器人，在一个擂台场地上进行相扑运动，想办法将对方机器人推下擂台，自己不能落下场地，在规定时问内将对方推下擂台次数多者为获胜方。本项目可以考虑将机器人分为若干个重量级别。任务分析1.硬件电路分析相扑机器人在进行设计时，用12V直流电动机进行驱动，实现机器人的行走。电动机与单机的连接和控制方法与追光机器人设计的一样，电动机控制模块设计时，采用L293D芯片，输入端和单片机的P0.0~P0.4引脚相连，输出端了直接驱动电动机。下一页返回任务3相扑机器人的设计与制作为了寻找对手，机器人的前端装有3个避障传感器，其中，前避障传感器、左避障传感器和右避障传感器分别连接到单片机的P0.5,P0.6和P0.7引脚。为了避免前进或后退时掉下擂台，机器人的前方和后方分别都装有两个寻迹传感器，前方寻迹传感器连接到单片机的P1.3和P1.4引脚，后方寻迹传感器连接到单片机的P1.5和P1.6引脚。相扑机器人的设计原理如图6-15所示。2.软件设计思路在前两个项目中，已经学习了机器人的制作，并掌握了光电传感器和红外避障传感器的应用;本次设计中，可以设计一个寻迹传感器，利用寻迹传感器可以通过检测地面黑线或者自线，使机器人发现地面黑线或者自线时就调整方向，退回到场地中。利用红外传感器可以让机器人发现障碍物，也即如果发现另外一个机器人，机器人就向另外一个机器人的方向冲去，这样就可以完成机器人相扑比赛的任务了。上一页下一页返回任务3相扑机器人的设计与制作相扑机器人需要具备以下能力:在场地中可以自由行走，灵活转向;能避免自己掉下擂台;当寻找到对方机器人时，主动发力，将其推下擂台。其程序流程如图6-16所示。参考源程序//功能:相扑

//检测模块连接到AT89C51端口P0.5,PO.6和P0.7//P0.5=0，前方有对象;PO.6=0，左方对象;P0.7=0，右方对象/‘AT89C51通过P。的P0.4,P0.3,P0.2,P0.1,P0.。五位控制电动机运转。信号定义如下*/上一页下一页返回任务3相扑机器人的设计与制作上一页下一页返回任务3相扑机器人的设计与制作上一页下一页返回任务3相扑机器人的设计与制作上一页下一页返回任务3相扑机器人的设计与制作上一页下一页返回任务3相扑机器人的设计与制作上一页下一页返回任务3相扑机器人的设计与制作系统仿真调试1.红外传感器安装调试机器人安装了红外传感器后，当对方机器人靠近时，可以将其视为障碍物;而在相扑机器人中，如果机器人发现障碍物就前进，就可以实现将对方机器人推下擂台的任务。机器人在行进中，仅识别前方的障碍物是不够的，根据具体情况可以增加传感器的数量，建议在机器人的前、左、右各安装一个红外传感器，这样机器人可以扩展检测的范围。2.场地要求在宽敞的地面上粘贴宽5cm左右的黑色(或者白色)引导线。引导线由直线段、弯曲段和转弯线段组成，各线段问是连续的、没有问隔的。机器人应自动检测地面的引导线，并沿引导线前进，不允许脱离引导线。上一页下一页返回任务3相扑机器人的设计与制作3.系统调试①ISP下载器一端连接PC的USB接口，另一端连接机器人主板上的ISP接口，打开电源开关。②用“progisp.exe”软件将“…、程序、相扑机器人”文件夹下的“相扑机器人.hex”下载到单片机中。③程序正确写入完成后，关闭机器人电源，拔下ISP下载线，提供足够的运行空问。把机器人放到相扑场地上，打开机器人电源，使其向前进运行，即可实现机器人相扑功能了。相扑机器人效果如图6-17和图6-18所示。上一页下一页返回任务3相扑机器人的设计与制作知识拓展寻迹传感器1.寻迹传感器概述本设计中，寻迹传感器的要求是传感器根据轨道颜色的变化判断出轨道的正确走向，该传感器可以使用模拟电了元器件自行设计，也可以使用现成的寻迹传感器模块，如ST188型光电对管。上一页下一页返回任务3相扑机器人的设计与制作2.ST188概述及内部结构(1)ST188型光电对管概述寻迹传感器设计时可以使用ST188型光电对管，它是一种一体化反射性光电探测器，其发射器是一个砷化嫁红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度的硅平面光电三极管，当发光二极管发出的红外光在遇到反光性较强