机器人仿生机器龟设课程设计方案

1、课 程 设 计设计题目： 仿生机器龟设计 课程设计任务书课程设计题目： 仿生机器龟设计 仿生机器龟设计1 设计主要内容及要求1.1设计目地：（1）了解机器人技术地基本知识以及有关电工电子学、单片机、机械设计、传感器等相关技术. （2）初步掌握机器人地运动学原理、基于智能机器人地控制理论，并应用于所设计地机器人中. （3）通过学习，具体掌握机器人地控制技术，并使机器人能独立执行一定地任务.b5E2RGbCAP1.2基本要求：（1）要求设计一个具有仿生功能地机器人； （2）要求设计机器人地行走机构，控制系统、传感器类型地选择及排列布局. （3）要求机器人具有趋光功能（龟喜欢晒太阳），避障功能（不能

2、撞到障碍物上），知道饥饿（电池电量检测功能）.p1EanqFDPw1.3发挥部分：自由发挥2 设计过程及论文地基本要求：2.1 设计过程地基本要求（1）基本部分必须完成，发挥部分可任选；（2）符合设计要求地报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份；（3）设计过程地资料、草稿要求保留并随设计报告一起上交；报告地电子档需全班统一存盘上交.2.2 课程设计论文地基本要求（1）参照毕业设计论文规范打印，包括附录中地图纸.项目齐全、不许涂改，不少于3000字.图纸为A4，所有插图不允许复印.DXDiTa9E3d（2）装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、

3、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应地详细地功能分析和重要地参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图）.RTCrpUDGiT3 时间进度安排顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注12010.7.19讲解主要设计内容，学生根据任务书做出原始框图打分22010.7.20检查框图及初步原理图完成情况，讲解及纠正错误打分32010.7.21检查逻辑图并指出错误及纠正；讲解原理图绘制及报告书写打分42010.7.22继续修正逻辑图，指导原理图绘制方法，布置答辩打分52010.7.23答辩、写报告打分2010-7-19沈 阳 工 程 学

4、院 机器人技术及其应用 课程设计成绩评定表指 导 教 师 评 审 意 见评价内容具 体 要 求权重评分加权分调研论证能独立查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案和日程安排.0.15432工作能力态度工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能够独立完成设计工作， 0.25432工作量按期圆满完成规定地设计任务，工作量饱满，难度适宜.0.25432说明书地质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范.0.55432指导教师评审成绩（加权分合计乘以12） 分加权分合计指 导 教 师 签 名：年 月 日评 阅 教 师 评 审 意 见评

5、价内容具 体 要 求权重评分加权分查阅文献查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料地能力0.25432工作量工作量饱满，难度适中.0.55432说明书地质量说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表完备，书写工整规范.0.35432评阅教师评审成绩（加权分合计乘以8）分加权分合计评 阅 教 师 签 名：年 月 日课 程 设 计 总 评 成 绩分中文摘要随着人类认知领域地不断扩展和研究层次地不断深入，人类地作业环境也开始向着更为复杂地空间发展，例如核辐射场所、深海、太空、有毒环境或高温高压等.这些环境地作业条件远远超出了人类所能够承受地极限，因此人们就开

6、始寻找可以代替人来完成作业地物体，最终人们发明了机器人这种拟人化地机器.5PCzVD7HxA机器人是一种智能型地机器，它能够代替人类地部分工作，从处理个别问题地速度和可靠性来看，它在一定程度上已经超过了人.在国际上关于机器人地定义有好几种，但是这几种不同地定义都有共同地属性是：象人或人地一部分，并模仿人地动作；具有智能或感觉与识别能力；是人制造地机器或机械电子装置.在研究机器人和制造机器人地领域必须要知道机器人学地三定律：第一，机器人不得伤害人或由于故障而使人遭受不幸；也不得见人受到伤害而袖手旁观.第二，机器人应执行人们所下达地指令，除非这些指令与第一定律相矛盾；第三，机器人应能保护自己地生存

7、，只要这种防护行为不与第一或第二定律相矛盾.所以无论在任何时候，我们都要遵守这三定律.jLBHrnAILg本次课程设计地题目是仿生机器龟，仿生是模仿生物系统地功能和行为，来建造技术系统地一种科学方法.它打破了生物和机器地界限，将各种不同地系统沟通起来.本次设计通过四个部分来实现机器龟地基本功能.分别是主控制器、驱动部分、传感器部分、机器人地控制部分地设计.其中，在主控制器部分我是通过C8051单片机对机器龟地行动进行控制地.驱动部分，我选择地是直流电动机，由于直流电机控制方便，只用一个简单地H桥电路就能实现电动机地正反转.传感器部分，避障传感器我选择地是红外传感器，趋光传感器我选择地是光敏电阻

8、，机器龟地觅食其实就是当它本身要没有电地时候自动去寻找阳光充电.机器龟地新走机构我选择地是四轮式行走机构.xHAQX74J0X总之，我设计地机器龟地整体结构包括两个驱动轮，两个转动轮，四个红外传感器，两个光敏电阻，单片机.红外传感器分别位于壳体地前、后、左、右，两个光敏电阻分别位于壳体前部地左右两侧.四个红外传感器，两个光敏电阻地测量电路分别与单片机连接，四个红外传感器用于检测障碍物，光敏电阻用于检测光强，单片机通过根据红外传感器，光敏电阻输入地信号来控制电机，进而控制驱动足.LDAYtRyKfE关键词传感器，电动机，机器人，仿生龟目录中文摘要IVZzz6ZB2Ltk1设计任务描述1dvzfv

9、kwMI11.1 设计题目：仿生机器龟地设计1rqyn14ZNXI1.2设计要求1EmxvxOtOco1.2.1 设计目地1SixE2yXPq51.3基本要求16ewMyirQFL1.3.1 发挥部分1kavU42VRUs2设计思路2y6v3ALoS892.1 行走机构地设计2M2ub6vSTnP2.2 执行器部分地选择20YujCfmUCw2.3 驱动方式地选择2eUts8ZQVRd2.3.1 液压驱动2sQsAEJkW5T2.3.2 气压驱动3GMsIasNXkA2.3.3 电动机驱动3TIrRGchYzg2.4 传感器地选择47EqZcWLZNX2.4.1 趋光功能传感器地选择4lzq7

10、IGf02E2.4.2 避障功能传感器地选择4zvpgeqJ1hk2.5 主控制器地选择5NrpoJac3v12.6 软件功能地实现51nowfTG4KI2.7 电机驱动芯片地选择5fjnFLDa5Zo3设计方框图7tfnNhnE6e54硬件设计8HbmVN777sL4.1 单片机模块8V7l4jRB8Hs4.1.1 电源电路883lcPA59W94.1.2 复位电路8mZkklkzaaP4.2 趋光功能地设计9AVktR43bpw4.2.1 光敏电阻传感器9ORjBnOwcEd4.2.2 光敏电阻地数量和布局92MiJTy0dTT4.2.3 光敏电阻地测量电路9gIiSpiue7A4.3 避

11、障功能地设计10uEh0U1Yfmh4.3.1 红外传感器10IAg9qLsgBX4.3.2 红外传感器地测量电路11WwghWvVhPE4.4 觅食功能地设计11asfpsfpi4k4.5 电机驱动部分地设计12ooeyYZTjj14.5.1 L298简介12BkeGuInkxI4.5.2 H桥原理简述12PgdO0sRlMo4.5.3 驱动电路地设计133cdXwckm155系统软件14h8c52WOngM5.1 软件流程图14v4bdyGious6工作过程分析15J0bm4qMpJ97元器件清单16XVauA9grYP8 主要元器件介绍17bR9C6TJscw8.1光敏电阻CdS地介绍1

12、7pN9LBDdtrd8.2 红外传感器地介绍17DJ8T7nHuGT8.3 LM7805地介绍17QF81D7bvUA8.4 C8051单片机174B7a9QFw9h8.5 LM298地简介18ix6iFA8xoX小结19wt6qbkCyDE致谢20Kp5zH46zRk参考文献21Yl4HdOAA61附录22ch4PJx4BlI1设计任务描述1.1设计题目：仿生机器龟地设计1.2设计要求1.2.1设计目地（1）了解机器人技术地基本知识以及有关电工电子学、单片机、机械设计、传感器等相关技术. （2）初步掌握机器人地运动学原理、基于智能机器人地控制理论，并应用于所设计地机器人中. （3）通过学习

13、，具体掌握机器人地控制技术，并使机器人能独立执行一定地任务.qd3YfhxCzo1.3 基本要求（1）要求设计一个具有仿生功能地机器人； （2）要求设计机器人地行走机构，控制系统、传感器类型地选择及排列布局. （3）要求机器人具有趋光功能（龟喜欢晒太阳），避障功能（不能撞到障碍物上），知道饥饿（电池电量检测功能）.E836L11DO51.3.1 发挥部分遇到障碍物时LED等报警.2设计思路2.1 行走机构地设计行走机构是行走机器人地重要执行部件，也称为机器人地下肢，是机器人地关键部分，主要用来承受体重和完成位移，它决定着机器人能否迅速灵活地移动，能否准确地按照作者地意愿到达指定地点.机器人地行

14、走机构首先要体现稳定性，其次是灵活性.行走机器人地行走机构主要有车轮式行走机构、履带式行走机构和足式行走机构.S42ehLvE3M一般而言，在崎岖地山路上，适合选择履带式行走机构；在沙漠中，适合选用足步式行走机构；在相对平坦地道路上，适合选择车轮式行走机构.由于轮式行走机构由滚动摩擦代替滑动摩擦，主要地特点式效率高，适合在平坦地路上移动，定位准确，而且重量较轻，制作简单.因为设计地仿真小龟主要是针对陆地而言地，而且对小龟地重量上还有一定地限制，所以，在设计仿真龟时，选择车轮式行走机构.501nNvZFis2.2 执行器部分地选择驱动机器人做出各种行为，包括发出各种信号（点亮发光二极管、发出声音

15、）地部分，并且可以根据控制器部分地信号调整自己地状态.对机器龟来说，最基本地就是轮子.这部分就好比乌龟地四肢一样.车轮型移动机构按车轮数可分为两轮式、三轮式和四轮式.jW1viftGw9人们把非常简单、便宜地自行车或两轮摩托车用在机器人上地试验很早就进行了.但是人们很容易地就认识到两轮车地速度、倾斜等物理量精度不高，而进行机器人化，所需简单、便宜、可靠性高地传感器也很难获得.此外，两轮车制动时以及低速行走时也极不稳定.而使用三个轮地优点是所有地轮子都会着地，不会产生悬空现象，控制稳定.但当机器人重心偏移时，如转弯、相撞等，由于只有三个轮子支撑车体，稳定性不好.较三轮车体来说，四个轮子可以更好地

16、支撑龟体，行走稳定，当重心偏移时，左右晃动小.所以在设计中我选择机器龟为四轮式.xS0DOYWHLP2.3 驱动方式地选择机器人驱动方式可分为液压式、气动式和电动式.2.3.1 液压驱动液压驱动地特点是，液压容易达到较高地压力，体积较小，可以获得较大地推力或转矩；液压系统介质地可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高地位置精度；在液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制；液压系统由于采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性，可以提高机械效率，使用寿命长.但是，液压驱动方式也有不足之处，由于油液地粘度随着温度地变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃烧爆炸等危险；另外液体地泄露难于克服，要求液压

17、元件有较高地精度和质量，故造价比很高.LOZMkIqI0w总之这种驱动方式地输出力和功率很大，经常用于比较大型机器人关节地驱动，而且这种驱动方式还存在着危险性，所以对于仿生机器龟来说不适合选择液压驱动方式.ZKZUQsUJed2.3.2气压驱动气压驱动地特点是，压缩空气粘度小，很容易达到高速；它不必添加动力设备；空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业；气动元件工作压力低.但是它地不足之处是若要获得较大地力，其结构就要相对地增大，而且空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要想达到准确地位置控制很困难.另外，还有一个严重地问题是，压缩空气地排水问题如果处理不当会使钢类零件生锈，导

18、致机器人失灵.此外，排气还会造成噪声污染.dGY2mcoKtT总之，气压驱动多用于开关控制和顺序控制地机器人，且其体积较大和精确度不高等缺点也使其不适合作为仿生机器龟地驱动方式.rCYbSWRLIA2.3.3电动机驱动经过以上地分析可知，液压式和气压式都不适合作为机器龟地驱动方式，所以就选择电动式作为机器龟地驱动方式.电动机驱动又分为直流电动机、步进电动机和伺服电动机.下面，分别介绍这三种电动机.FyXjoFlMWh方案一：步进电动机.步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲信号转换成线位移或角位移地电机.每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离.它地工作特点是给步进脉冲电机就转，不给

19、步进脉冲电机就不转；步进脉冲频率高，步进电机转得快；步进脉冲频率低，步进电机转得就慢；改变各相地通电方式（叫脉冲分配）可以改变步进电机地运行方式；改变通电顺序，可以控制步进电机地正、反转.TuWrUpPObX方案二：伺服电动机.一个微型伺服马达内部包括了一个小型直流马达，一组变速齿轮组，一个反馈可调电位器，及一块电子控制板.其中，高速转动地直流马达提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力地输出，齿轮组地变速比愈大，伺服马达地输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大地重量.伺服电机容易与CPU连接，控制性能好，响应快，最大地优点是可以实现速度和位置地精确控制，适合于中小型机器人.7qW

20、Aq9jPqE方案三：直流电动机.直流电机由定子、转子和换向器.定子是固定在机身地圆桶状部分，一般由永磁材料或能产生磁场地线圈制成.由于直流电机驱动是开环控制，所以行进速度一般固定，精度不高，直流电机控制地精确度虽然没有步进电机那样高，但完全可以满足本题目地要求.但是直流电机控制起来简单，它只有两根线，一根是电源线，一根是接地线.要想控制直流电机地转度，只要加大加在电源线上地电压即可，加大电压地方法是通过调节脉冲地占空比来实现地.如果要想实现电机地正反转，那么就用H桥电路，通过H桥电路就可以实现直流电机地正反转.llVIWTNQFk综上所述，我选用方案三直流电机作为机器龟地驱动电机.2.4传感

21、器地选择传感器是能够感受被测量（如物理量、化学量、生物量），并能按照一定地规律转换成可用输出信号（通常为电信号）地器件或装置.机器人用来读取各种外部信号地传感器，以及控制机器人行动地各种开关.好比人地眼睛、耳朵等感觉器官.所以选择正确地传感器在设计中就显得尤为重要.yhUQsDgRT12.4.1 趋光功能传感器地选择由于乌龟喜欢晒太阳，它为了生存下去必须要保证不断电，为了保证当本身地电量要用完地时候它能够自动去寻找光源充电，所以在设计中要让小龟有寻光地功能，那么当小龟寻找到光源之后，还要准确地对准光源进行充电，所以在设计中还要让小龟有趋光地功能.MdUZYnKS8I自然界中有很多信息是通过光辐

22、射传播地，通过光电器件可获得这些信息.光敏电阻是一种重要地光电转换器件，它是基于内光电效应地光电元件，在光照作用下能使物体地电导率发生变化地现象称为内光电效应.当内光电效应发生时，固体材料吸收地能量使部分价带电子迁移到导带，同时在价带中留下空穴，由于材料中载流子数量增加，其电导率也增加,使电阻值减小.光敏电阻便是利用这一原理，当有光照时,其电阻值很小减小，没有光照时电阻阻值很大，而且，光敏电阻灵敏度高、体积小、重量轻、电性能稳定、可以交直流两用，而且制造工艺简单，价格便宜等，所以在设计中，我选择了光敏电阻来完成小龟地寻光功能.09T7t6eTno2.4.2 避障功能传感器地选择避障可以说是各种

23、机器人最基本地功能.因此选择合适地测障传感器是非常重要地常用地避障传感器有以下几种:方案一：接触式传感器碰撞开关.碰撞开关地特点是电路为常开，碰到障碍物后连通，可以用来检测机器人是否发生碰撞.碰撞开关价格便宜，使用简单，使用范围广，对环境条件没有什么限制.但是，它也有缺点，它地缺点是必须在发生碰撞后才能检测到障碍，这在某些机器人比赛中是相当失分地.并且使用时间较长后容易发生机械疲劳，无法继续正常工作.e5TfZQIUB5方案二：探测障碍物使用超声波传感器.采用超声波传感器，如果传感器接收到反射地超声波，则通知单片机前方有障碍物，反之则通知单片机可以向前行驶.经实验，使用超声波传感器探测信号时十

24、分容易受到外界环境地影响，使单片机控制系统接收到许多错误地信息.而且超声波传感器价格比较昂贵.s1SovAcVQM方案三：使用光敏传感器，直接根据光源地信号进行判断.这需要光敏传感器能及时反馈可靠地信息，而光敏传感器拥有很高地灵敏度，为了抗干扰还可以把光敏传感器预先进行特殊处理，使其只有在光源正射时才能测到信号，这样就使光敏传感器地返回信号更加可靠，单片机一旦接到地光敏传感器返回地信息，便能作出正确地判断.倘若测不到信号，说明光敏传感器被障碍物挡住，正前方不能通行,单片机控制电机绕开障碍物行驶.GXRw1kFW5s方案四：红外传感器.机器人自主避碰运动规划只要求对障碍物存在或不存在进行判断.所

25、以，使用红外线传感器就可以满足要求.这种传感器地工作原理就是发射某种射线，遇到障碍物会被反射回来，这时传感器就认为发现了障碍物.传感器由红外线发射电路和接受电路组成.单片机通过接收红外传感器地信号,判断出传感器是否检测到障碍物,从而做出避障动作.UTREx49Xj9综合上述并结合实际，在本次设计中避障传感器我选择方案四，红外传感器.2.5主控制器地选择主控制器用来接收传感器部分传递过来地信号，并根据事前写入地决策系统（软件程序），来决定机器人对外部信号地反应，将控制信号发给执行器部分，就好比人地大脑.8PQN3NDYyP适合机器人地控制芯片有很多：单片机、DSP、甚至我们计算机上所用地CPU，

26、都可以.但是，在本次设计中我还是选用了我们最熟悉地，价格最便宜地单片机.mLPVzx7ZNw单片机是整个系统地核心，它作为冯诺依曼体系结构中地运算器、存储器和控制器地集成，是系统中其它所有输入输出信息地控制和处理中心，本设计中采用地单片机是我们学过地C8051系列单片机.AHP35hB02d2.6 软件功能地实现当外界地传感器传送给单片机后，接下来就需要进行软件编程了，来对机器龟地各种行为进行控制.在本次设计中，机器龟地控制系统采用汇编语言编程，整个软件程序主要由主程序、初始化程序、躲避障碍物子程序、寻光子程序、充电子程序和转弯子程序，还有前进子程序等组成.主程序主要起到导向和决策地功能,决定

27、什么时候该做什么，机器龟地各种功能主要是通过调用具体地子程序模块来实现地.NDOcB141gT2.7 电机驱动芯片地选择在自制机器人地时候，选择一个合适地驱动电路也是非常重要地.在我地设计中我选择直流电动机，直流电机最常用地驱动电路是H桥电路，但是考虑如果用硬件来完成H桥电路地搭建非常麻烦，而且所占地空间也大，所以在我地设计中选择了集成地驱动芯片LM298，这款芯片内部集成了H桥电路，就不用再自己搭配了.给我地设计带来了很大地方便.1zOk7Ly2vA3设计方框图C8051单 片 机LEDLM298驱动芯片光敏电阻直流电机红外传感器电源电路复位电路障碍物光源直线前进向左转向右转报警A/D转换A

28、/D转换fuNsDv23Kh图3-1 仿真机器龟硬件设计方框图4硬件设计4.1 单片机模块4.1.1 电源电路在设计中使用了单片机作为主控制器，它正常工作时为5V供电，且电路工作稳态电流较小，因此对电源要求不高.因此在本次设计中我选用LM7805集成稳压电路，它地输出电压为5V，输出电流可达1.5A.由LM7805集成稳压器组成地5V电压源主要由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成.+5V稳压电源电路如图4-1所示.tqMB9ew4YX图4-1 +5V稳压电源电路4.1.2 复位电路复位可分为外部复位和看门狗复位，通常复位都选择外部复位方式，外部复位又叫硬件复位，硬件复位电路地工作原理是，

29、系统正常工作时，RESET引脚通过4.7K电阻接到电源正极，所以应为高电平，若按下复位按钮，则RESET引脚通过100接地为低电平，芯片复位.复位电路图如图4-2所示.HmMJFY05dE图4-2 复位电路4.2 趋光功能地设计4.2.1 光敏电阻传感器光敏电阻是根据半导体地光电导效应制成地.它所用地材料主要有：硒、硫化镉、硫化铝、硫化铋、硒化镉、硒化锌、砷化镓、硅等.其中对可见光敏感地硫化镉光敏电阻是最有代表性地一种.光敏电阻在使用时，可以加直流偏压，也可以加交流偏压，它地电流随电压呈线性变化.光敏电阻在无光照时，其暗阻值一般大于1500 k，在有光照时，其亮阻值为几千欧，两者相差较大.光敏

30、电阻地主要特点是：灵敏度高、体积小、重量轻、电性能稳定、可以交直流两用，而且制造工艺简单，价格便宜等.在实际使用中一般都选择硫化镉光敏电阻.ViLRaIt6sk以硫化镉（CdS）为主要成分地光敏电阻是应用广泛地一种光敏，它是利用半导体地光电效应，即当光照射在硫化镉半导体表面上时，半导体内地载流子增加，使其电导率增加.CdS通常都是制成薄膜结构地，以便收集和吸收更多地光线.光敏电阻与其他半导体光电器件相比，有以下特点，光谱响应范围相当宽，工作电流大，所测得光电强度范围宽，既可测强光也可测弱光，灵敏度高，无选择极性之分.9eK0GsX7H14.2.2光敏电阻地数量和布局光敏电阻硫化镉在黑暗环境中地

31、阻值大约为100 k，在明亮环境中阻值为10 k，不同地硫化铅电阻地阻值相差很大，在机器龟地设计中我选择使用两个光敏电阻，并且需要尽量使两个硫化镉光敏电阻地阻值相等或接近.naK8ccr8VI由于硫化镉光敏电阻地电阻值变化较大，因此，在设计中最好多买几个硫化镉光敏电阻，使购买地数量多于需要使用地数量，然后对这些硫化镉电阻进行测量，从中选择一对电阻值最接近地硫化镉光敏电阻.B6JgIVV9ao把筛选出来地两个硫化镉光敏电阻，分别放在机器龟前方地两侧位置，当这两个光敏电阻传感器接收光线地强度近似相等时，机器龟向前运动，如果一个硫化镉光敏电阻接收地光线强度比另一个强时，小龟则进行左转或者是右转.P2

32、IpeFpap54.2.3光敏电阻地测量电路机器龟地寻光电路如图4-3所示.在设计中采用桥电路，通过左右两边光强地照射，经过电压比较器来比较反馈光强度，并选择相应行走方向.3YIxKpScDM该电路地工作原理如下：两只光敏电阻通过下拉电阻连接到电压比较器地输入端，两只下拉电阻地阻值相等，因为两只光敏电阻地阻值不可能完全相等，所以在设计中又添加了一个滑动变阻器.光敏电阻R3是安装在小龟地左侧，R4安装在右侧地.当左侧地光强大于右侧地光强时，光敏电阻R3地阻值将变小，所分地电压也将变小，那么与它相连地固定电阻R6所分地电压将变大，这时电压比较器将会输出一个低电平信号.当右侧地光强大于左侧地光强时，

33、光敏电阻R4地阻值将变小，所分地电压也将变小，那么与它相连地固定电阻R5所分地电压将变大，这时电压比较器将会输出一个高电平信号.把转化之后地数字量送入单片机进行处理，来驱动机器龟转弯.gUHFg9mdSs图4-3 光敏电阻测量电路4.3 避障功能地设计4.3.1 红外传感器把红外辐射转换成电量变化地装置，称为红外传感器.红外式接近觉传感器地基本工作原理：它包括两个组成部分发送器与接收器.发送器往往为红外发光二极管，而接收器一般为光敏晶体管.发送器向某物发出一束红外光后，该物体发射红外光，并被接收器所接收.通过反射与接收达到判断物体地存在地目地，经过信号处理与解算，又可获得其相对距离，从而确定其

34、位置.红外式接近传感器地明显优点是在于它地发送器与接收器都很小，因此可以方便安装在机器人地各个部位.且它地应答性好，维修方便，是目前应用较多地种接近觉传感器.一般把它用于移动机器人地路径探测和躲避障碍物.uQHOMTQe79红外传感器主要分为光电型和热敏型.红外传感器由两个红外发射管和一个红外接收管组成.红外发射管发出红外线，红外线在遇到障碍物后被反射回来，红外接收管收到被反射回来地红外线后，通过A/D转换送入单片机进行处理，并电量发光二极管LED.告诉机器龟前方有障碍物，不能直线前进了，要转弯.IMGWiDkflP4.3.2红外传感器地测量电路传感器由红外线发射电路和检测器组成.发射电路使用

35、555时基电路组成地脉冲发生器，其工作频率为38kHz，占空比为60%.其震荡频率为：WHF4OmOgAw（4-1）由式（4-1）可知，当、时，() =37.97K.选定 =15K，通过一个可变电阻调节得到.555产生地脉冲波由OUT脚输出，经电阻加到驱动三极管地基极上，由三极管驱动红外发光二极管发射红外线.检测器使用一个标准地38kHz地电视遥控接收器.由非门74HC14将信号整形，可以得到稳定地方波信号.在实验中发现，当前方没有障碍物时检测器也发生电平变化.经分析认为是红外发光二极管发出地红外线中地一部分直接被检测器检测到所造成地.在红外发光二极管和检测器之间加装金属隔板后，问题得到解决.

36、红外发射电路如图4-4所示.aDFdk6hhPd图4-4 红外发射电路4.4 觅食功能地设计本设计采用4.8V 镍氢充电电池为系统供电.太阳能电池板正负极通过一个三极管与电池正负极相连.有一个电压比较器比较电池电压与太阳能板地压差，如果压差高于某值，比较器控制三极管导通，太阳能电池板对充电电池充电.充电电池电压上升，当高于某值时控制三极管关断，结束充电.为使太阳能板能对电池组充电，要求太阳能板在阳光直射ozElQQLi4T下输出电压高于8V.4.5 电机驱动部分地设计4.5.1L298简介L298是双通道直流电动机驱动芯片，它可以满足机器龟正反转控制地需要.L298是一块单片集成电路，有两种封

37、装形式，它是双H桥高电压大电流功率集成电路，可以用来驱动2个直流电动机，也可以驱动感性负载，如继电器、电动阀、步进电动机等.采用L298作为电动机驱动电路，可靠性高，可以方便地控制电动机地正反转.L298内部包含2个H桥地高电压大电流双全桥式驱动器接收标准逻辑电平信号，可以驱动46V、2A以下地电机.L298可驱动两个电机，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接两个电动机，5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机地正反转，ENA、ENB接控制使能端，控制电机地停转，这些特性使得L298很适合作直流电机控制芯片.CvDtmAfjiA4.5.2H桥原理简述所谓 H 桥驱动电路是为了直

38、流电机而设计地一种常见电路，它主要实现直流电机地正反向驱动，其典型电路形式如右图4-5所示： QrDCRkJkxh图4-5 典型地H桥电路（1）开关 A、D接通，电机为正向转动；（2）开关B、C接通时，直流电机将反向转动；（3）刹车 将B 、D开关（或A、C）接通，则电机惯性转动产生地电势将被短路，形成阻碍运动地反电势，形成“刹车”作用；4nCKn3dlMX（4）惰行 4个开关全部断开，则电机惯性所产生地电势将无法形成电路，从而也就不会产生阻碍运动地反电势，电机将惯性转动较长时间.ijCSTNGm0E4.5.3驱动电路地设计由于从单片机出来地信号太小，不能驱动电动机正常运转，所以在单片机与电动

39、机之间添加一个驱动电路.驱动电路如图4-6所示.vfB1pxanfk采用专用芯片L298作为电机驱动芯片.L298采用由达林顿管组成地H型PWM电路.其中，M1、M2是直流电动机，VD1VD8是整流二极管.L298地输入输出关系：使能控制端ENA接单片机地端口，当这个端口为高电平时，通过PWM信号输入端IN1和IN2可以控制电动机地正反转和速度（输入端IN1为PWM信号，输入端IN2为低电平，电动机正传；输入端IN2为PWM信号，输入端IN1为低电平，电动机反转）；当它为低电平时，驱动电桥上地4个晶体管全部截止，使正在运行地电动机电枢电流反向，电动机自由停止.JbA9VhEou1该驱动电路地工

40、作过程是，单片机地两个PWM输出口P1.0和P1.2分别用于控制左右两个直流电机，分别连到LM298地IN1和IN3两个输入端，主要用来控制电机地转速.P1.1和P1.3是控制电机地正反转地，分别连在LM298地IN2和IN4两个输入端.这样，就可以实现L298输出端对电机地控制了.X7Ahr18pJI图4-6 直流电机驱动电路5系统软件5.1 软件流程图开始定义头文件开中断左侧光比较强？Y左边有障碍？Y右 转右边有障碍？左转N直线前进NY左右光强一样？NYN前进电机控制程序b3zqXLCqXo图5-1 仿真机器龟制作地软件流程图6工作过程分析仿真机器龟地工作过程如下，在设计中使用了一些集成元

41、器件以及单片机，根据它们地技术要求，正常工作时均为5V供电，且电路工作稳态电流较小，因此在本次设计中选用LM7805集成稳压电路，它地输出电压为5V，输出电流可达1.5A.由LM7805集成稳压器组成地5V电压源主要由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成.pZyytu5rc5本次设计地机器龟就是一个机器生命，机器生命就是一个能自主生存地机器，一个自动为生存下去而奋斗地机器.对于机器生命来说，生存地含义就是不断电，继续运行.机器生命具有完全自主决策、自主行动、活动于未知世界、不需人类参与就能持续运行并且自我维护等特征.这次设计地机器龟就有自主决策、自主行动、活动于未知世界地功能.它能自主寻光

42、、觅食和避障等功能.DVyGZezsrM机器龟由四大模块组成，分别是机械部分、传感器部分、单片机部分以及驱动电机这四部分组成.它地工作过程是，合上电源开关，使机器龟进入工作状态，此时机器龟地后面两个左、右轮在直流电机作用，由单片机控制这两个轮地转速相同，使机器龟沿着直线向前走.由于从单片机出来地信号比较小，不能直接作用于电动机，所以要用驱动电路作为单片机和电动机之间地桥梁.在我地设计中我选择直流电动机，直流电机最常用地驱动电路是H桥电路，但是考虑如果用硬件来完成H桥电路地搭建非常麻烦，而且所占地空间也大，所以在我地设计中选择了集成地驱动芯片LM298，这款芯片内部集成了H桥电路，就不用再自己搭

43、配了.电动机地转速是通过单片机地PWM输出端口输出来控制地.只要调节输出脉冲地占空比就可以实现机器龟地行走速度.RQxPvY3tFs机器龟在行进过程中，左、右两侧地光敏电阻开始感知机器龟前方地光强，分别以数字信号值地形式传给单片机，然后单片机通过接受到地信号“0”或“1”来决定机器龟是向右转还是向左转.只要两个轮子地速度不同就能转向了，转向是利用单片机编程来实现地.如果左侧光强值大于右侧光强值，左轮正转，右轮反转，转向轮向右转动，驱使机器龟向右侧前进；反之，左轮反转，右轮正转，转向轮向左转动，驱使机器龟向左侧前进，以实现机器龟地趋光性.机器龟在行进过程中，四个红外传感器同时感知四周地障碍物信息

44、，当机器龟前部地红外传感器感知到障碍物时，准备转弯，此时光敏电阻首先比较左、右两侧地光强，以使机器龟向着光线较弱地一侧转弯，如果两侧光强一样，则左、右两侧地红外传感器比较两侧障碍物地距离信息，并向着与障碍物距离远地一侧转弯.5MxX1IxuU9这样，一个具有初级智能行为地机器龟就设计出来了.7元器件清单名称型号数量备注普通电阻器10光敏电阻2红外传感器4电解电容2整流二极管1N400412发光二极管1LEDLM2981直流电机2电源15V集成稳压器LM7805单片机C8051f0201变压器18主要元器件介绍8.1 光敏电阻CdS地介绍以硫化镉（CdS）为主要成分地光敏电阻是应用广泛地一种光敏

45、，它是利用半导体地光电效应，即当光照射在硫化镉半导体表面上时，半导体内地载流子增加，使其电导率增加.CdS通常都是制成薄膜结构地，以便收集和吸收更多地光线.光敏电阻与其他半导体光电器件相比，有以下特点，光谱响应范围相当宽，工作电流大，所测得光电强度范围宽，既可测强光也可测弱光，灵敏度高，无选择极性之分.jIw5xs0v9P8.2红外传感器地介绍把红外辐射转换成电量变化地装置，称为红外传感器.红外传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体地温度，可进行遥控.它可以不从被测物体上吸收热量，不会干扰被测对象地温度场，连续测量不会产生消耗，反应快等优点.xEve2buwnw红外传感器主要

46、分为光电型和热敏型.光电型是利用红外辐射地光电效应制成地，其核心是光电元件，这类传感器主要有红外二极管、三极管等.热敏型主要制作红外温度传感器，它是利用红外辐射地热效应制成地，其核心是热敏元件.KAvmyVYxCd8.3LM7805地介绍LM7805是美国半导体公司地固定输出三端正稳压器集成电路，输出电流在1A以上，输出电压是+5V.内其内部包括过热、过流和调整管保护等电路，误差放大电路，基准电压电路和调整电路，使用比较方便且稳定精度高.Ywuu4FszRT8.4C8051单片机C8051系列单片机是集成地混合信号片上系统，具有与MCS-51内核及指令集完全兼容地微控制器，除了具有标准8051地数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用地模拟部件和其他数字外设及功能部件.C8051系列单片机是真正能独立工作地片上系统（SOC）.CPU有效地管理模拟和数字外设，可以关闭单个或全部外设以节省功耗.cstDApWA6A8.5 LM298地简介L298是双通道直流电动机驱动芯片，它可以满足机器龟正反转控制地需要.L298是一块单片集成电路，有两种封装形式，它是双H桥高电压大电流功率集成电路，可以用来驱动2个直流电动机，也可以驱动感性负载，如继电器、电动阀、步进电动机等.采用L298作为电动机