【《炒菜机器人系统硬件和软件系统设计案例》4000字】

/22炒菜机器人系统硬件和软件系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u21317炒菜机器人系统硬件和软件系统设计案例 1164351炒菜机器人系统硬件设计 1196911.1单片机模块 193301.1.1晶振电路设计 2318071.1.2复位电路设计 249581.2显示模块电路设计 213691.3按键电路设计 342401.4测温电路设计 3301801.5电机驱动电路的设计 3291021.6舵机驱动电路设计 4309571.7指示电路设计 4147322系统的软件测试 4250982.1Keil软件简介 484962.2主函数流程图的设计 548092.3按键字函数流程图的设计 6261253实物调试 752583.1系统调试 7283953.2实物演示 7炒菜机器人系统硬件设计单片机模块单片机使用的是STC12C5A60S型号的单片机，其归属于51单片机，其外部也是具备40个接口，40个外部引脚分别是4个16位的位定时器、2个时钟输出口、7个外部中断接口、8个A/D转换接口、2个串口、2个可编程计数器等接口组成。STC12C5A60S型号的单片机具备兼容模式，能够兼容8051单片机的指令代码、并且数据处理的速度比8051单片机要快10倍左右，而且还是一款低功耗处理器，其工作的频率位在零到三十五兆赫兹，工作电压在三伏到五伏，具有较高的性价比。其电路图如图3-1所示。3-1STC12C5A60S单片机晶振电路设计晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络。电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分，其中较低的频率是串联谐振；较高的频率是并联谐振。由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。晶振电路如图3-2所示图3-2晶振电路复位电路设计复位电路是一种用来使电路恢复到起始状态的电路设备，它的操作原理与计算器有着异曲同工之妙，只是启动原理和手段有所不同。复位电路，就是利用它把电路恢复到起始状态。就像计算器的清零按钮的作用一样，以便回到原始状态，重新进行计算。和计算器清零按钮有所不同的是，复位电路启动的手段有所不同。一是在给电路通电时马上进行复位操作；二是在必要时可以由手动操作；三是根据程序或者电路运行的需要自动地进行。复位电路都是比较简单的大都是只有电阻和电容组合就可以办到了，再复杂点就有三极管等配合程序来进行了。复位电路如图3-3所示。图3-3复位电路设计显示模块电路设计LCD1602又称为液晶显示，液晶不具备显示的功能，是通过电处理以后改变液晶内部光的折射方向，我们会看到液晶上面有一块是亮的，一块是暗的，从而达到显示的功能，LCD1602的含义是每一款LCD显示屏幕上面能够显示16个字符，分为两行显示，一共能显示32个字符，LCD1602其内部不自带文字库，所以不能够进行显示汉字，只能够进行显示出英文、图形、数字等。LCD1602的电路如图3-4所示。图3-4LCD1602显示电路按键电路设计按键电路的设计，采用了独立按键，每一个按键都是通过导线直接和单片机进行连接的，按键命名为KEY1、KEY2、KEY3、KEY4，每个按键所代表的功能为炒、爆、煸、烧。KEY1是和单片机的P1.4接口进行连接、KEY2是和单片机的P1.5接口进行连接、KEY3是和单片机的P1.6接口进行连接、KEY4是和单片机的P1.7接口进行连接，用户可以通过按键来进行控制炒菜机器人。按键电路如图3-5所示。图3-5按键电路设计测温电路设计测温电路使用的是DS18B20模块、DS18B20是一款数字式的温度检测模块，具有精度高、体积小、测量范围广、工作电源低、抗干扰能力强等优点。在其进行封装后，能够在工业、农业等领域当中使用，能够适用于各种狭小的空间当中，本次设计采用DS18B20模块来进行检测炒菜机器人的锅内温度，其电路图如图图3-6测温电路设计电机驱动电路的设计炒菜机器人的炒菜装置使用的是步进电机，因为步进电机不能够直接接到单片机当中使用，需要和步进电机的驱动模块配套使用，本次步进电机的驱动模块就使用了ULN2003驱动器，步进电机能够准确进行启停，炒菜的时候，每一样菜在不同的温度下要翻炒多少下都是要精确下来的，防止炒出来的菜品被炒的发黑，发糊。ULN2003是一款大电流驱动阵列，在单片机当中使用比较广泛。电机驱动电路如图3-7所示。图3-7步进电机驱动电路设计舵机驱动电路设计舵机主要就是传送物料，将我们要进行炒制的菜品放进舵机当中，舵机能给自动将物料传送到炒菜机当中进行炒菜，当菜品炒制完成后，菜品也需要通过舵机来将炒制好的菜品进行传送出来，舵机的驱动电路如图3-8所示。图3-8舵机驱动电路设计指示电路设计指示电路采用了5个LED等来充当温控系统，在温度低的时候，LED灯光只亮越高，在我们需要更高的温度的时候，通过按键调节我们需要的温度，在温度上升的时候，相对于的LED灯光就会进行发光，来提示用户当前的炒菜温度。指示电路如图3-9所示。图3-9指示电路设计系统的软件测试Keil软件简介在完成整个系统的硬件电路设计后，需要编写相应的软件来使得整个系统的功能运转起来，协调各个模块之间相互进行运转。对于单片机来说，无论是STM32，51系列或者是MSP430，几乎都是采用C语言进行底层应用程序的编写，因为汇编语言由于其易读性难，维护成本高，已经逐渐被潮流所淘汰。而编程平台在此同样是选择主流的keiluvision5，该版本目前是最新的版本，相较于前面的几个版本，其进行了大量的更新，编译效率更高，速度更快，界面的人机交互能力更强。该软件是专门被开发用来进行嵌入式系统程序编写的，其目前被广大的技术人员使用，其支持的处理器也变的越来越丰富，几乎涵盖了市场上所有的控制器。在进行程序编写时，首先需要新建一个工程，在此工程文件下面分别新建各个子文件.C和.H文件，其中.C文件主要用于编写各个功能模块函数的主要功能，.H文件则是库函数，供其他函数进行调用。在完成程序编写后，则开始对程序进行编译解决相应的警告和错误等等，然后就可以进行程序的下载。同时KEIL还提供了在线联机调试功能，方便用户实时观看控制器的寄存器状态以进行程序的修改和调试。主函数流程图的设计本次设计的炒菜机器人的主流程图如下图所示，炒菜机器人启动的时候，放炒菜料进去，然后通过按键来进行选择炒菜的模式。单片机检测到有按键按下时，单片机会输出信号给来控制电机的转速来实现炒菜。在炒菜机器人运行的时候，温度模块会自动进行检测当前的炒菜温度，并实现温度控制并且会在LCD显示屏上进行显示。在设计好的时间内，炒菜机器人完成工作，会自动的把炒好的菜进行装盘。图4-1主程序流程图设计按键字函数流程图的设计按键检测过程中，流程如下图4-2所示，当开始按键程序后，首先检测按键是否按下，如果按下了则先进行延时，以进行消除抖动的处理，然后再次进行按键按下判定，如果还是得到按下的指令，则执行指令。图4-2按键子程序流程图实物调试系统调试在搭建完原理图后，我们就需要进行软件编程调试，在对软件进行调试的过程中，首先需要做的是在软件上对系统内部应用到的主程序以及各项子功能模块的程序进行相对应的调试工作，并在软件上进行完成调试，在运行和调试的过程中，需要考虑到运行和调试各程序语法的准确性，同时保证程序逻辑的可实行性，一旦发生调试出错的情况，需要及时对相对应的代码语句进行修改，避免输入以及逻辑的错误出现。然后需要将已经经过调试的可以正常运行的主程序以及各个子模块程序烧写到单片机内部，在调试好程序之后，通过观察液晶显示的具体情况，查看显示是否正确，然后利用单片机上的按键查看按键与单片机是否连接正常，可实现正常通信。实物演示在实物测试的过程中，需要利用万用表以及直流电源和示波器对已经焊接好的电路板进行系统的整体调试工作，主要目的是为了检查电路板上的各个部件是否可以保证正常的运行工作，这一过程主要可以分为动态调试以及静态调试两个部分。在静态调试的工程中，首先应当里用肉眼进行过观察，主要是为了查看各个焊接点是为焊接完整，电路板上各个模块器件之间是否相互连接，各个管脚是否焊接清楚，避免路线由于焊接问题造成的短路现象的出现。然后利用万用表进行系统的调试工作，在具体的调试过程中，查看电源是否出现了短路的现象，避免出现管脚或者接连的基础性错误的出现。然后接通电源，查看整个系统在通电的条件下，是否可以确保电路板上的每个器件保持正常的工作，并进行逐一的调试。最后进行综合性的检查操作，这一方法主要适用于利用单片机作为整体系统开发的情况。而在动态调试的具体情况中，是在静态调试的基础之上，查看每个器件正常工作的具体状态，能够满足系统开发的具体功能的实现，保障系统整体性能良好运行，在实际调试过程中，此次控制系统的设计整体符合要求，测试正常。经过测算，系统测试正常，如下图所示。图5-1实物图当系统初始化完成后，系统进入正常运行的界面，我们能够看见LCD显示屏幕显示出当前系统运行的时间，当前检测出的温度为11摄氏度，我们系统设置的温度为25摄氏度，并且炒菜机器人处于停止工作状态，如图5-2所示。图5-2LCD显示图看完LCD显示屏幕显示的数据后，要进一步去调试炒菜机器人，用户可以通过按键来进行调节当前炒菜机器人的工作模式，系统按键如图5-3所示。图5-3系统按键图通过图5-3的按键来进行调节当前炒菜机的工作模式，按下设置按键后，我们能够发现LCD显示屏幕上面的数据进行变化，然后通过加减按键来进行调节温度，本次将炒菜机的温度设置为17摄氏度，系统设置初始图如图5-4所示。系统设置完成图如图5-5所示。图5-4设置炒菜温度图5-5系统温度设置完成图将温度设置完成后，要通过按键来进行设置炒菜机的炒菜时间，本次将炒菜机的炒菜时间设置为1分钟30秒，如图5-6所示。图5-6炒菜时间设置图