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山西工程技术学院毕业设计说明书毕业生姓名：史金云专业：机械制造及其自动化学号：150514030指导教师：郭晓霞所属系（部）：机械电子工程系二一九年六月轮式智能移动机器人的结构设计与开发摘要循迹避障小车是行走机器人的一种， 这种小车可以适应不同环境， 不受温度、湿度、磁场辐射、重力等条件的影响，在人类无法进入或生存的环境中完成人类无法完成的探测任务，适用于国防及民用等多个领域。本课题要求采用自行设计制作的轮式智能移动机器人实现自主避障测距与巡线功能。主要任务是设计和实现基于 89C52RC单片机的寻迹避障小车，包括硬件和软件两个部分。硬件电路部分主要包括控制器、循迹电路、避障电路、电机驱动电路等。在轮式智能移动机器人道路信息采集方面，本文采用机器人实验室提供的SRF04超声波测距传感器、 TCRT5000 红外线传感器作为避障传感器和巡线传感器。本课题采用51系列单片机中的89C52RC单片机作为主控制芯片并配有总电压为12V容量为1800mA的充电锂电池及其相应稳压电路来为轮式移动机器人提供能量。在软件编程方面，本文使用C语言在KEIL4.0编译软件上进行避障与巡线程序的编写。在本设计中，系统硬件和软件都采用了模块化结构，整个系统的电路结构简单，可靠性高，在机械结构设计上采用solidwork软件进行三维建模并生成加工图纸。最终，本课题自行设计制造的轮式智能移动机器人可分别实现自主躲避障碍物功能和循白线行走功能。关键词：轮式移动机器人；巡线；避障；51系列单片机The Development and Structure Design of Intelligent Wheeled Mobile RobotAbstractSelf-tracing and obstacle avoidance electric vehicle is a kind of mobile robot, which is able to adapt various environments, humidity, magnetic radiation and gravity. Consequently the vehicle take the place of human to implement many tasks in the environment where human cannot set foot, which is applicable in many fields in the national defence and civilian.This subject requires the self-designed wheeled intelligent mobile robot to achieve the function of autonomous obstacle avoidance, ranging and line inspection. The main task is to design and implement the vehicle based on 89C52RC single chip microcomputer, including hardware and software. The hardware circuit includes controller, tracking circuit, obstacle avoidance circuit and motor drive circuit. In terms of road information collection of wheeled intelligent mobile robot, this paper adopts SRF04 ultrasonic ranging sensor and TCRT5000 infrared sensor provided by robot laboratory as obstacle avoidance sensor and line patrol sensor. The wheeled intelligent mobile robot designed and manufactured by ourselves in this topic can realize the function of avoiding obstacles and walking along the white line independently.Keywords: Wheeled mobile robot; Obstacle avoidance; single chip microcomputerii目 录摘要iAbstractii1.引言11.1.课题研究的背景11.2.课题研究的目的与意义11.3.轮式智能移动机器人发展概况与现状21.4.设计与开发的主要内容42.相关技术72.1.单片机技术72.2.智能电动小车技术72.3.红外传感技术82.4.超声波技术93.系统方案的分析选择113.1.主控系统选用123.2.电机模块的选用133.2.1.电动机的选择133.2.2.驱动器选择153.3.供电电源模块选用163.4.自主循迹和避障方案的选用173.4.1.自主循迹方案183.4.2.循迹方案与传感器183.4.3.自主避障方案203.4.4.避障方案与传感器203.5.传感器的选用223.5.1.超声波传感器223.5.2.红外线传感器223.5.3.SRF04超声波测距模块233.5.4.五路巡线传感器模块244.机械结构的设计与制作274.1.机械设计的基本要求274.1.1.对机器整机设计的基本要求274.1.2.对零件设计的基本要求274.2.移动机器人车体结构设计原则284.3.机械结构总体设计方案294.3.1.底盘结构设计304.3.2.传感器支架设计314.3.3.电机支架设计324.3.4.电机的选型与计算334.4.机械材料选择334.4.1.机械材料选用原则335.硬件电路设计375.1.微控制器模块375.2.电源模块385.3.自主避障模块395.4.巡线检测模块395.5.电机驱动模块406.软件程序的设计416.1.软件开发平台的选择416.2.控制软件的设计与实现426.2.1.概述426.2.2.软件的结构设计436.3.循迹模式程序流程图446.4.避障模式程序流程图447.轮式智能移动机器人功能测试及效果477.1.自主避障功能的测试及效果477.2.自主巡线功能的测试及效果48结束语49参考文献51附录53基于89C52RC单片机程序C代码53外文资料63中文译文71致 谢75 山西工程技术学院毕业设计说明书1. 引言1.1. 课题研究的背景机器人是20世纪人类最伟大的发明之一。自从1959年世界上第一个机器人诞生以来，它已经改变人们以往的生产方式，使人面对生产环境直接变成人面对机器人，然后机器人面对生产。人类已经真正成为智慧的象征。移动机器人的祖先始于20世纪60年代末，反映了工业控制的整体进步方向。轮式移动机器人，又称自动导引车(AGV)，是一种利用轮子作为移动设备，实现自主行驶的机器人。移动机器人已经成为机器人研究的一个重要分支。它应用于军事、危险作业和服务业等许多场合。它要求机器人以无线方式实时接受控制命令，并以所需的速度、方向和轨迹灵活自由地移动。现在，为了加强大学生实践能力、创新能力和团队精神的培养，促进高等教育教学改革，全国大学生智能车竞赛由教育部高等教育司主办，教育部高等教育司委托。竞赛是以智能车为研究对象的创新科技竞赛，是全国大学生探索性的工程实践，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。上述比赛中提到的智能车是轮式智能移动机器人之一。在包括全国大学生“飞思卡尔”杯智能车竞赛在内的各种科技创新竞赛如火如荼的同时，各行各业的智能轮式移动机器人爱好者相继设计开发了不同的智能轮式移动机器人产品并投放市场。为了响应教育部培养学生实践和创新能力的号召，各高校开始竞相设计和开发自己的轮式智能移动机器人产品。同时，中小学也重视培养学生对机电产品的兴趣。1.2. 课题研究的目的与意义为了适应大学生机器人竞赛、电子设计竞赛等科技竞赛的需要，有必要开发一种轮式智能移动机器人，包括移动机器人路径规划、定位地图构建技术和多移动机器人协作技术的研究。其意义在于轮式智能移动机器人平台能够满足不同层次学生的需求。同时，该平台也可以作为高校重大科技竞赛等活动的开发平台。其次，它还可以推广到中小学生的科技创新活动中，起到普及机电一体化知识的作用。本课题选择单片机作为控制器的主要核心模块。全称为单片微型计算机的单片机，具有集成度高、体积小、可靠性高、实用温度范围宽、性价比优异、控制功能强、外部总线丰富、功能扩展性强、功耗低的独特优异性能，已得到广泛应用。它促进了嵌入式系统的发展，并深入到各个领域。它已经成为工业、农业、国防、科学研究、教育和日常生活各个领域的智能工具。它也是现代电子系统中重要的智能工具。它在促进各行各业的技术改造和产品升级方面发挥了巨大作用。目前，模块化、功能化、低成本智能小车的开发已经成为全国电子技能竞赛的热点。随着传感技术、计算机科学、人工智能等相关学科的快速发展，它正朝着智能化方向发展。智能控制系统包括计算机技术、自动控制技术、传感器技术、人工智能技术等技术。它是一个具有环境感知功能、实时决策和规划功能以及行为控制和执行功能的综合体。它是典型的机电一体化产品。此外，基于单片机的智能移动汽车的设计，旨在通过理论与实践的结合，从日常生活中可能接触到的细微之处，阐明自己所学到和使用的东西。此外，在实践中也发现了自己理论的不足，对广泛使用的单片机有了更理性、感性的认识，从而在理论和实践上发挥出最佳水平。在此基础上，从一般应用出发，设计了一种具有避障、循迹、测距等相关运动状态的轮式移动机器人平台。平台可以向任意方向移动，操作灵活，并根据可以根据具体环境条件实现相应的功能。本文是机器人外形设计和编程的基础环节，可为后续机器人研究提供有价值的参考和有益的思路。1.3. 轮式智能移动机器人发展概况与现状自20世纪50年代以来，智能汽车的研究开始在国外展开。其发展过程大致经历了三个阶段:初步研究、卓有成效的研究和深入系统、大规模的研究。具体如下:初始阶段：20世纪50年代，美国出现了自主导航车辆系统。该系统具有智能车辆最基本的特点无人驾驶。这是一个标志，一个智能车辆的明显标志。卓有成就的阶段：20世纪80年代中后期，欧美一些国家主要开展了智能汽车的可行性研究和如何使智能汽车实用化的研究，并取得了显著成效。深入系统大规模的研究阶段：自20世纪90年代以来，一些发达国家，特别是欧洲的德国和美国，对智能车辆进行了广泛、大规模的研究。尤其突出的是美国Navlab系列自主车辆的研究。这项研究在卡内基梅隆大学机器人研究所进行，并取得了显著的成果。就AGV而言，也就是说轮式移动机器人的研究。在国外起步较早，世界上第一辆AGV是由美国巴雷特电子公司在20世纪50年代成功开发的。这是一个牵引式的小车系统。小车遵循导线引导的路径，并具有基于真空管技术的微控制处理器。随着计算机和传感器技术的发展，移动机器人的研究进入了一个小高潮。美国和欧洲的一些制造商已经标准化了地面移动机器人的尺寸和结构，并进行了大量的研究和制造，推动了移动机器人的快速发展。进入20世纪80年代后，美国国防部高级研究项目署(DARRA)投资6亿美元制定了地面无人作战战略计划，并为此作为了一个立项。该计划全面推动了地面移动机器人研究在一些高等院校和科研机构的发展。例如，由能源部制定的为期十年的机器人智能系统计划(RIPS 1986-1995)，美国国防部高级研究计划局“战略计算机”计划(1983-1990)中的自动地面车辆(ALV)计划，以及随后的空间机器人计划。从那时起，全世界开始了对户外移动机器人的全面研究。美国国家航空航天局（NASA）资助了“月球第二座”八足步行机器人的开发。美国国家航空航天局开发的火星探测机器人索杰纳(Sojourner)于1997年登陆火星，反映了移动机器人上的信息融合技术。德国成功开发了轮椅机器人，并在乌尔姆市中心车站客流高峰环境和1998年汉诺威工业商品交易会展厅环境中进行了现场表演，展示了其他现有轮椅机器人或移动机器人无可比拟的性能。2004年，美国漫游者“勇气”和“机遇”号登陆火星，并且成功完成了预期的探索任务，这代表了世界上最高水平的移动机器人。2007年11月，日本东京早稻田大学的研究人员推出了一种新的人形机器人“Twenty-one”。它功能齐全，灵活性高，活动范围广，可以自由移动，活动自如的为人类服务。这是一个可以和人类和谐共处的复杂机器人。目前，国外智能移动机器人在自主推理、规划控制能力、环境建模、复杂任务规划决策等重要方面取得了较大突破。在一些国家，AGV研究也已经系列化，如美国国防部Demo系列、美国卡内基梅隆大学Navlab系列、德国慕尼黑国防部VAMP、法国Cybercar、德国卡拉维尔(Caravelle)和欧洲卡森斯(Carsense)等。日本第一家AGV工厂于1996年由一家运输设备供应工厂与美国韦伯的合资企业合作开办。到1998年，日本已有20多家智能移动机器人制造厂，如大富、Fanuc公司、Murata等。在我国，移动机器人研究的“七五”计划刚刚开始。国家“863”计划中遥控反核侦察车的建立，标志着移动机器人研究的开始。在国防科学技术工业委员会和国家863计划的支持下，国防科技大学、清华大学等大学联合开发了军用室外移动机器人7B.8，并于1995年12月通过验收。7B.8的车身是由跃进客车改进而来，它有二维彩色摄像机、三维激光雷达和超声波传感器。系统结构以横向为主，采用传统的“感知-建模-规划-执行”算法。直线跟踪速度达到20公里/小时，避障速度达到5-10公里/小时。 经过多年的研究，已经取得了一定的成果:北京起重运输机械研究所、中国邮政科学研究院、中国科学院沈阳自动化研究所、大连模块化机床研究所、清华大学、国防科技大学和华东理工大学都在开发不同类型的AGV，并将其小批量投入生产。1975年，北京起重运输机械研究所完成了我国第一台电磁导向定点通信智能移动机器人。1989年，北京邮电科学研究院完成了我国第一台用于双向无线电通信的智能移动机器人。该研究所已经能够大规模生产AGV。20世纪90年代，清华大学CIMS工程中心成功地将国外引进的AGV应用于EIMS的实验研究。清华大学计算机技术应用系开发了自动导航系统的AGV用于邮政中心。昆明船舶设备研究所研制了激光制导智能移动机器人。北京航空航天大学与北京铁路局科学研究所合作开发的玻璃天花板清洁机器人；哈尔滨工业大学于1996年成功开发了一种导游机器人。华中科技大学于2005年开发的肢体移动机器人实现了基于模块化多足爬行的腿臂功能融合。目前，我国高智能自主移动机器人的研发还没有系统化。它基本上是各大学和研究所根据国外的研究情况或为了培养学生的兴趣而进行的一些分散的研究。例如，机器人竞赛是中国相对权威的城市，集高科技、娱乐和竞赛于一体。它发起了各种机器人比赛，如机器人足球、机器人舞蹈、机器人相扑、机器人射击等。它主要是为人们特别是学生搭建一座桥梁，关注和了解人工智能和智能机器人科学技术的发展。作为智能车辆的缩小模型，对智能车辆的深入研究也能对智能车辆的研究起到相应的推动作用。研发成本相对较低，设计方便。因此，本研究以轮式智能移动小车为研究对象。1.4. 设计与开发的主要内容本课题设计制作的轮式智能移动机器人基于单片机，主要完成小车控制系统的硬件电路和软件设计。控制系统的硬件电路主要包括控制器、信号检测电路、电机驱动电路、电源电路等。电机驱动使用软件产生不同占空比的脉宽调制波（PWM）来控制电机的转向和转速。单片机作为整个智能小车的控制系统，控制与其相连的模块。通过软件编程，控制汽车实现前进、后退、加速、减速、左转、右转等功能。传感器构成的信号检测电路用于实时检测电动汽车的行驶速度、行驶位置和行驶状态。单片机接收并处理信号检测电路检测到的各种数据，然后发出指令控制电动车的运行。该设计方案能够实现电动汽车运动状态的实时控制。控制应灵活、可靠、精度高，并满足系统的所有要求。通过对在电机驱动器的选型，选定采用步进电机控制，通过使用红外距离传感器和超声波距离传感器实现检测障碍物和一定的避障功能，使用光电开关巡线传感器实现简单巡线的功能。将底盘、传感器、电机支架的结构设计图纸进行绘制达到可以建模加工的程度。通过软件的开发设计、模拟仿真等实现对硬件电路的设计与开发、控制程序编写和调试，最终实现控制系统开发。小车由驱动模块、控制模块和外部感应模块组成。小车的核心硬件平台采用的是STC系列微控制器，本课题设计的产品要求做到可供各层次学生进一步的学习开发和使用，并且基本达到可对外销售程度。2. 相关技术2.1. 单片机技术全名是单片微型计算机（Single Clip Microcomputer）的单片机，主要由中央处理器（CPU）、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)、定时/计数器、输入输出接口电路等组成，把这些功能部件集成在一块芯片上，便构成了一个完整的微型计算机 。自从 1974 年 12 月美国 Fairchild 公司研制出了世界上第一台单片机 F8 以来，单片机迅速发展，各种新型、高性能单片机不断推陈出新。迄今为止，单片机的发展经历了 4 个时期：第一阶段(19741978 年)：单片机初级阶段该阶段最具有代表性的单片机就是英特尔生产的 MCS-48。该阶段的单片机运用了落后的制造工艺，其 CPU 为 8 位，I/O 接口为并行，定时器/计数器为 8 位。并且，I/O 口不能串行通信，寻址范围小（低于 4KB）。其代表产品为仙童公司的单片机 F8 等 。第二阶段(19781983 年)：单片机完善阶段以 Intel 公司的 MCS-51 系列单片机为代表，该时期的单片机的特点是：“串行I/O 口，带有多级中断处理系统，16 位的定时器/计数器，片内存储器的容量相对增大，而且寻址范围可达 64KB。第三阶段(19831990 年)：单片机巩固和推新阶段此阶段的单片机，既完善第一阶段的单片机，又发展第二阶段的单片机，还推出了新的 32 位的单片机，也出现了专用单片机。第四阶段(1990 至今)：单片机全面发展阶段适合于不同领域要求的单片机相继出现。其特点是运算速度快，存储容量大，运算能力强。类型有通用型和专用型。当然也有专用于单一领域的廉价的单片机。单片机自身的特点决定了其应用非常广泛，它已成为工业、农业、国防、科研、教育以及日常生活等各个领域的智能化工具，对各行业的技术改造以及产品的更新换代起到了极大的推动作用。2.2. 智能电动小车技术随着传感技术、计算机科学、人工智能等相关学科的飞速发展，智能移动小车正朝着智能化方向发展。智能移动小车控制系统包括计算机、控制技术、传感技术、机械和人工智能等各种方面的知识，这是一个综合化系统。它有单片机控制模式、光传感器控制模式、语音控制模式等控制模式。它的功能是感知环境，做出动态决策和计划，控制和执行行为。为了充分利用单片机的中央处理器、内存等资源，本系统引入了多任务软件结构，即从宏观角度来看，单片机同时在进行多件事情。分析了通用多任务系统的软件结构，系统的核心是任务调度器。在适当的时候，任务调度器将保存当前任务的场景，恢复要运行的任务的场景并将其投入运行。简而言之，通用多任务系统是一个任务调度器，它循环调用需要执行的各种任务，从而更有效地利用系统的各种资源。受此启发，定时器可以定时中断，每个任务对应的函数在处理函数中依次调用一次，每个函数可以在短时间内返回，这样在一定的时间内，每个任务对应的函数可以像多个任务同时运行一样执行。还有一点需要注意的是，每个任务都由一些函数和一些静态变量组成。定时器中断处理函数的在该定期中断程序内调用该函数，前提是该函数可以在短时间内返回，否则其他任务将无法及时调用，不满足“实时”的要求。静态变量保存任务的各种状态，其他模块通过设置这些静态变量与任务通信。2.3. 红外传感技术红外技术已经广泛应用于车速测量系统中，许多产品已经利用红外技术实现车速测量、检测等研究。当红外线应用于速度测量领域时，最难克服各种包含红外线的光源如强日光的干扰。外界光源的干扰已经成为红外应用领域的瓶颈。为了解决这一问题，提出了一种红外速度传感器的设计方案。该设计方案可为实时速度和相位加速度的多点测量提供技术支持，可应用于工业生产中的速度测量，如高速公路速度测量和生产线下料的速度、称重。红外发射器的驱动可分为两种驱动模式:电平型和脉冲型。独立的光电传感器由红外计数管阵列组成。这种传感器的创新之处在于它能够抵抗外界强烈的光干扰。太阳光包含干扰红外接收管的红外线。光线会开启红外接收二极管，导致系统误判，甚至整个系统瘫痪。本发明的优点是可以设置多点采集，可以根据需要选择发射器阵列的间距和阵列数量。红外技术是众所周知的，已经广泛应用于现代科学技术、国防科学技术、工农业科学技术等领域。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。2.4. 超声波技术超声波是一种频率高于20000赫兹的声波。它方向性好，穿透力强，易于获得集中声能，在水中传播距离长。它可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌等。它在医学、军事、工业和农业中有许多应用。超声波之所以被命名是因为它的频率下限大于听力上限。科学家称每秒振动的次数为声音的频率，单位是赫兹。我们人类耳朵能听到的声波频率是20赫兹-20000赫兹。因此，我们称频率高于20000赫兹的声波为“超声波”。“通常用于医疗诊断的超声波频率为1兆赫至30兆赫。超声波技术是20世纪发展起来的高新技术，是一门新兴的跨学科前沿科学。超声波技术的发展为化学工业、食品、生物、医学等学科的研究开辟了新的领域，并在应用方面对上述行业产生了重大影响。作为声学研究的重要组成部分，超声波在现代分离技术中的研究也取得了一些进展。它已经引起了美国、德国、加拿大、日本和中国科学家的广泛关注。超声波技术的发展为化学工业、食品、生物、医学等学科的研究开辟了新的领域，并在应用方面对上述行业产生了重大影响。作为声学研究的重要组成部分，超声波在现代分离技术中的研究也取得了一些进展。超声波有三种基本作用机制，即机械机制、热机制和空化机制。由于其独特的功能，超声波在各种分离领域越来越显示出其重要性。超声波对两相或多相体系的作用会产生各种效应，如空化效应、湍流效应、扰动效应、界面效应和能量积累效应，其中湍流效应使边界层变薄，提高传质速率。扰动效应加强了微孔的扩散。界面效应增加了传质表面积。能量效应激活分离物质的分子。所有这些效应都会引起传播介质的特定变化，从而促进整个分离过程。超声波可以应用于各行各业。一般来说，它可以分为检测超声和功率超声。检测超声被用作超声中的信号，例如b超、雷达和水声应用。功率超声是利用机械、热、空化、生物医学(粉碎、乳化等)的高功率超声。)和声能的化学效应。可用于超声波焊接、超声波催化、超声波清洗、超声波加工(冲压、雕刻、抛光等)。)、超声波治疗、超声波手术、超声波美容、超声波雾化、超声波测距、超声波马达和超声波悬浮。 3. 系统方案的分析选择当今，智能系统正在知识工程、计算机科学、机电一体化和工业集成等许多领域得到应广泛的应用。人们要求系统变得越来越智能。显然，传统的控制理念不能满足人们的需求，而智能控制和这些传统控制有机地结合起来，相互学习，提高整体优势，更好地满足人们的需求。随着人工智能技术、计算机技术和自动控制技术的飞速发展，智能控制必将迎来其发展的新时代。计算机控制与电子技术的结合为智能电子设备开辟了广阔的前景。因此，智能技术的研究和应用具有重要意义和很高的市场价值。每个轮式智能移动机器人都可以看作是一个自动控制系统。该系统可分为两部分:控制硬件和控制软件。控制硬件包括执行器(驱动电机和驱动轮)、硬件电路和传感器。控制软件涵盖信息处理和控制算法。自动控制系统信息处理控制算法执行机构控制硬件控制软件硬件电路传感器图1 系统原理框图根据设计要求和设计内容，采用基于单片机的控制方案，设计出系统总体框图如图2所示。图2 系统总体框图3.1. 主控系统选用根据设计要求，我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。据此，拟定了以下两种方案并进行了综合的比较论证，具体如下：方案一：选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。方案二：采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。现在，具有智能功能的电子产品通常用的控制器为单片机，它具有集成度高、体积小，可靠性高、实用温度范围宽，有优良的性能价格比，控制功能强，外部总线丰富，功能扩展性强及低功耗等特有的优良性能，因而得到了广泛应用。它推动了嵌入式系统的发展并深入到各个领域，已经成为工业、农业、国防、科研、教育以及日常生活的各个领域的智能化工具，也是现代电子系统中重要的智能化工具，对各行各业的技术改造以及产品的更新换代起到了极大的推动作用。但是，当今社会单片机厂商多如牛毛，产品性能不尽相同。常用的典型的单片机有 Intel公司的 MCS-51 系列单片机、Motorola 公司的 M68 系列单片机、Philips 公司的 P系列单片机、WinBond（华邦）公司的 W77、W78 系列单片机、Atmel 公司生产的 AT89 系列单片机、EPSON 公司的单片机等 。本设计设计的是一个复杂程序控制系统，具有多开关量输入的特点。因此，控制核心需要用擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简 I/O 口和程序存储器的小体积单片机。针对本设计特点多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D功能也不必选用。在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，本设计最终决定采用一片STC公司的 STC89C52RC 单片机，充分利用 STC89C52RC 单片机的资源和适合复杂控制应用场合的特点。51单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K，对于本设计也绰绰有余，更可贵的是51单片机价格非常低廉。图3 89C52RC型单片机3.2. 电机模块的选用3.2.1. 电动机的选择轮式移动机器人中使用的驱动电机除了具有一定的电机功能标准之外，还应该参考以下几点特殊性：(1)方便性。驱动电机应该具有简单的操作性。在本设计中，对电机的要求仅仅是利用主控芯片的 PWM 对驱动电机在不同场合下的电机调速。(2)可靠性。在驱动电机调速过程中，要求的非常精确，这就使得驱动电机必须要有可靠的执行命令的能力。可靠性能强，反应快速，适合复杂的环境操作。(3)适应性。移动机器人中应用的电机不同于其他环境的静态使用的电机，这就要求驱动电机能够适应很多复杂的环境。(4)低成本性。在一些移动机器人中，应用的驱动电机非常多，例如舞蹈机器人中每个关节都需要一个驱动电机。为了满足上面的特殊性，还得要求控制成本，那么就需要选择一个性价比较高的驱动电机。因此，步进电动机与直流电动机在轮式移动机器人的执行机构中常常作为首选。步进电机最基本的功能是将外部的电脉冲信号经过信号处理转变为角位移或线位移的开环控制执行机构。在理想条件 下，步进电机的电机转速、停止的位置、调零的位置均只取决于外部电脉冲信号的频率大小和脉冲数。在电机没有超负荷运转的情况下，如果给电机加一个脉冲信号，并且有足够的电压范围，驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)。当步进电机驱动器接收到外部的一个脉冲信号，便可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。使得在速度、位置等工业控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。直流电机就是将直流电能转换成机械能的电机，由定子和转子组成。直流电动机因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。直流电动机按励磁方式分为永磁、他励和自励3类，其中自励又分为并励、串励和复励3种。直流电动机的调速方法分为两种：励磁控制和电枢电压控制。其中励磁控制方法的控制功率小，在低速时受到磁饱和的限制，在高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制，且由于励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以通常采用电枢电压控制法即通过改变电枢端电压的控制方法进行调速。综合以上选择标准以及两种电动机的调速原理、购买成本、结构尺寸和操作性等方面，本课题决定选用步进电机作为轮式智能移动机器人的执行电机。在电机型号的选取方面，由于此款轮式机器人在相对平坦且有足够摩擦力的地面上行驶，不需要大扭矩大功率的执行电机，因此本文选用电机市场上最常见且性价比相对较高的42系列步进电机中的两相四线制步进电机，选 用型号为42-2S39Q-05026。其驱动装置则采用A4988高性能驱动器。图4 42系列步进电机及A4988电机驱动芯片3.2.2. 驱动器选择方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。方案二：采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。 方案三：采用带转换器和过流保护的DMOS微步进电机驱动器，用于操作双极步进电机，只需要一路PWM就能驱动，时序简单，方便控制分步、电流细分、静止电流。只要在“STEP”引脚输入一个脉冲，即可驱动电动机产生微步。无须进行相位顺序表、高频率控制行或复杂的界面编程。A4988界面非常适合复杂的微处理器不可用或过载的应用。该产品可在全、半、1/4、1/8及1/16步进模式时操作双极步进电动机，且在步进模式，输出驱动的能力35V和2A。A4988包括一个固定关断时间电流稳压器，该稳压器可在慢或混合衰减模式下工作。综上所述，选择方案三的A4988型步进电动机器驱动，它主要特点为：1、控制简单，只需要控制STEP与DIR两个端口；2、精度调整，五种不同的步进模式：全、半、1/4、1/8、1/16；3、可调电位器可以调节输出电流，从而获得更高的步进率；4、兼容3.3V和5V逻辑输入；5、可以自动电流衰减模式检测/选择；6、具有过热关闭电路、欠压锁定、交叉电流保护；接地短路保护和加载短路保护；图5 A4988驱动合成模块及散热器3.3. 供电电源模块选用方案一：采用实验室有线电源通过稳压芯片供电，其优点是可稳定的提供5V电压，但占用资源过大。方案二：采用4支1.5V电池单电源供电，但6V的电压太小不能同时给单片机与与电机供电。方案四：采用11.1v 25c锂电池作为主电源分别给单片机与电机供电可解决方案二的问题且能让小车完成其功能。所以，我选择了方案三来实现供电。图6 使用的12V 1800mAh电源本设计软件程序设计采用了模块化思想，分为循迹模块、避障模块两个部分。通过单片机接收到循迹模块、避障模块采集的信号，经过处理，再由单片机对电机驱动程序来控制小车的动作，完成指定目标。采用此种供电方式可以减轻智能小车的体积和重量，能够满足节能和高效的要求。5V稳压芯片的选择考虑7805稳压块和LM317T系列两种方法，而7805的转换效率低于40，LM317T的转换效率可达到75以上。通过分析比较。采用LM317T稳压芯片，芯片电路图如图7所示。图7 LM317T稳压芯片原理图图8 LM317T电源芯片及合成模块3.4. 自主循迹和避障方案的选用根据本课题的要求，即实现轮式智能移动机器人的自主避障与自主巡线功能。所谓自主避障就是在寻找到最优路径到达目的地的过程中如何搜索到障碍物、自动躲避及越过障碍物的问题；自主巡线也称自主导航即在无人引导情况下如何自主沿着特定的路径到达目的地的问题。3.4.1. 自主循迹方案依上文所述，现代自动AGV系统即轮式智能移动机器人系统是一个自动控制系统，导航技术是其核心技术。根据引导信息的来源，引导方式可分为外导式和内导式；根据AGV引导线路的形式，又分为有线式和无线式，以上两大类的具体引导方法见表2.1。表1 常见的引导方式引导方法工作原理优点缺点光学反射式在工作区域的地上绘制或铺设特定颜色和形状的路径标识线，应用光电探头检测标识线的存在及其偏移位置，以控制机器人的运行成本费用较低这种导引方式对运动环境的清洁性要求较高埋线电磁感应式在工作区域的地下埋设导线，施加特定频率的交流电而产生相应的交变磁场信号，磁场传感器检测此信号并控制轮式移动机器人的运动过程埋线隐蔽，不易污染破坏，易于控制和通信，抗声光干扰强路径设置复杂且变更柔性较差、成本较高、激光反射式在工作区域的固定位置安装反射板，AGV顶端设计安放一个可旋转的激光发射接收器，检测机器人与各反射板的夹角或距离，然后根据反射板坐标计算出机器人的二维坐标方向反射板的设置简单、路径的变柔性较好对空间的无障碍性要求较高视觉导航式通过光学摄像头获取周边或者地面路径标示图像后，再进行图像处理识别出环境信息，感知AGV的位置，从而引导AGV行进信息量丰富，柔性好，且易于布置容易受到外界环境干扰坐标引导式按直角坐标系统将机器人行走区域分成网格，网格交义点安装若干磁性体或其他种类的内存信息的标码测知位置，机器人根据地图坐标行走，并且用编码器进行测距简化路面铺设，对环境无特别要求引导精度差，不适合大车间作业惯性导航式采用陀螺仪检测机器人方位角并根据从某一个参考点出发所测定的行驶距离来确定当前位置，通过与已知的地图路线进行比较来控制机器人的运动方向和距离灵活性强，便于组合和兼容，尤其适合背陀式车型需要辅助地图信息因此，综合考虑成本费用、实验条件以及各个导航方式的优缺点和在本课题能力范围内的可操作性等，本文研究决定采取光学反射式导航方式作为轮式移动机器人的自主巡线方案。3.4.2. 循迹方案与传感器路径识别模块也就是循迹模块，是智能小车控制系统的关键模块之一，它将路况的信息输给控制模块，获取更多、更远、更精确的道路信息以提高智能车的运行速度和运行稳定性。通常采用的路径识别方案有红外光电传感器寻迹和红外对管寻迹两种方案。方案一：采用简易光电传感器结合外围电路探测，但实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测机率较大、易受光线环境和路面介质影响。在使用过程中极易出现问题，而且容易因为 该部件造成整个系统的不稳定。故最终未采用该方案。 图9 光电传感器外围探测电路方案二：采用红外对管寻迹(图10)，分别置于小车车身中轨道的两侧，根据两只光电开关接受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向，测试表明，只要合理安装好两只光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。方案三：采用三只红外对管，一只置于轨道中间，两只置于轨道外侧，当小车脱离轨道时，即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时，等待外面任一只检测到黑线后，做出相应的转向调整，直到中间的光电开关重新检测到黑线（即回到轨道）再恢复正向行驶。现场实测表明，小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆不定，虽然可以正确的循迹但其成本与稳定性都次与第二种方案。 通过比较，我选取第二种方案来实现循迹。图10 红外对管红外光电传感器路径识别电路由一系列发光二极管、接收二极管组成，由于赛道中存在轨迹指示黑线，落在黑线区域内的光电二极管接收到的反射光线强度与白色的赛道不同，由此判断行车方向。其优点是对单片机资源消耗少、响应速度快，缺点是受制于传感器的数量，赛道空间分辨率低，对于智能车前方路面不能预判，前瞻性差。TCRT5000红外反射传感器的红外发射二极管不断发射红外线，当发射出的红外线没有被反射回来或被反射回来但强度不够大时，光敏三极管一直处于关断状态，此时模块的输出端为高电平，指示二极管一直处于熄灭状态；被检测物体出现在检测范围内时，红外线被反射回来且强度足够大，光敏三极管饱和，此时模块的输出端为低电平，指示二极管被点亮，原理图如图10所示。综上所述，本设计选用红外发发射与接收管，通过红外发射管发射红外线。当检测到黑线路径时，红外线被反射回来，被接红外接收管接收，再通过比较器处理后，可以使得周围光线干扰减少。而且该模块具有便于安装、使用便利等特点。3.4.3. 自主避障方案根据上文提到的有关避障的定义，本课题采用利用超声波传感器测量机器人与前方障碍物的距离参数并设定一定的安全距离的方法来实现自主避障功能。3.4.4. 避障方案与传感器方案一：采用一只红外对管置于小车中央。其安装简易，也可以检测到障碍物的存在，但难以确定小车在水平方向上是否会与障碍物相撞，也不易让小车做出精确的转向反应。方案二：采用二只红外对管分别置于小车的前端两侧，方向与小车前进方向平行，对小车与障碍物相对距离和方位能作出较为准确的判别和及时反应。但此方案过于依赖硬件、成本较高、缺乏创造性，而且置于小车左方的红外对管用到的几率很小，所以最终未采用。方案三：采用一只超声波距离模块置于小车前侧。通过测试此种方案就能很好的实现小车避开障碍物，且充分的利用资源而不浪费。通过比较我采用方案三。该系统在前进的道路遇到障碍物，便无法正常通过。该系统设计采用超声波传感器模块进行障碍物的检测，并设计了避障判断子程序实现避障功能。该系统用于检测前方是否有障碍物的元件是 HC-SR04 小型超声波传感器。该传感器发射器发出的超声波信号会在小车前方出现障碍物时被反射回来。该传感器的接收器负责接收反射信号。该信号经过处理后传输给主控芯片，由程序实现避障判断。当该系统检测到前方有障碍物时，可自行调整方向，绕开障碍物，继续前进。图11 HC-SR04 小型超声波传感器超声波模块部分使用的是 HC-SR04 测距模块，可以提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达3mm。模块由超声波发射器，接收器和控制电路组成。采用单片机 I/O 口来触发测距，模块自动发送 8 个 40kHz 的方波，同时检测是否有信号返回，然后通过 I/O 口输出高低电平，高电平持续的时间为超声波从发射到返回的时间，根据声音传播的公式8：距离=（时间 * 声速（340m/S）/2 可得：测试距离=（高电平时间 * 声速（340m/S）/2。在控制口发出高电平，等待接收口接收到高电平时即打开计时器定时，当接收到低电平时读取定时器的值，取两者的差值即为本次测量的时间，不断进行周期测量，再通过上述的公式即可达到超声波测距的功能。通过在车上搭载的超声波测距模块可以实现超声波避障功能。当小车启动时同时启动超声波模块，舵机归中以确保超声波模块正对小车前方，在程序中给超声波测距模块设定一个阈值开始工作，如设定的阈值为 10cm，那么当检测到前方障碍物小于该值（10cm）时，小车停止并运用舵机配合超声波测量小车左方和右方离障碍物的距离，同时将这两个距离送由单片机作比较，如果左边离障碍物的距离大于右边的测量值小车左转，反则同理。3.5. 传感器的选用无论采用哪种方式来实现智能移动机器人的自主巡线与避障，传感器的选择和使用都是至关重要的，因为它好比智能轮式移动机器人的眼睛，路径识别的好坏直接关系到移动机器人控制性能的优劣。在轮式智能移动机器人的避障系统中，传感器的主要作用是在机器人躲避障碍物过程中为系统提供两种信息：(1) 机器人附近障碍物的存在信息。(2) 障碍物与机器人间的距离信息。目前，应用较为广泛的避障传感器一般包括视觉传感器、红外传感器、超声波传感器等。关于自主巡线传感器的选用，由于本文自主巡线方式选用表1中提到的光学反射式，因此目前可供选用的传感器多为红外传感器、光电开关等。3.5.1. 超声波传感器超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，在碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波。超声波传感器就是根据超声波在物体界面上的反射、散射特性检测物体存在与否的。超声波频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好，而且超声波传感器信息处理简单并且价格低廉，被广泛用在机器人环境建模、测量距离等任务中。但超声波传感器受环境温度、湿度等条件的影响，且存在测量盲区，而且对于过大的障碍物可能发生镜面反射，所以利用超声测距时，所得测量值与实际值存在一定的误差。目前超声波测距的方法有很多种，如渡越时间检测法、声波幅值检测法、相位检测法等。渡越时间检测法是利用控制芯片将回波的返回延时换算成与障碍物的距离；声波幅值检测法是看回波的幅度大小，在软件上实现距离的检测；相位检测法是通过测量返回波与发射波之间相差多少相位，来判断距离。 3.5.2. 红外线传感器红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，便能判断是否存在障碍物，是一种比较有效的近距离传感器。红外传感器具有以下特点：不受电磁波的干扰、可以实现非接触性测量。而且，红外线不受可见光的影响，可在昼夜进行测量。但由于发射的红外线容易受物体的颜色、周围的光线的影响，导致经常出现一定的测量误差，而且测距范围较小。3.5.3. SRF04超声波测距模块该SRF04超声波模块是由韩国制造的用于测量与物体之间距离的传感器模块，其外形如图12所示。根据该模块的使用手册，SRF04超声波测距模块的测量范围为2cm-10.7m，工作电压为5V直流电源。其工作时序图如图13所示。图12 SRF04超声波测距模块图13 SRF04工作时序根据SRF04的时序图可知，用户必须在软件编程上给它提供一个不少于10的触发脉冲信号才能使该超声波测距模块工作。之后该模块会自动发出一组具有8个周期的40kHz超声波并且将其回声线置位，当回声超声波触碰到障碍物后该模块立即将回声线复位。因此回声脉冲的宽度与障碍物的距离成正比例，即该超声波测距模块的测量方法属于上文提到的渡越时间检测法。利用该模块测量距离的计算公式为：（1）在公式（1）中，P为回声脉冲即回波延时，以计算；D代表测量距离。以cm计算。SRF04超声波测距模块的引脚功能图如图14所示。图14 SRF04引脚功能图由图14可知，SRF04引脚由上往下依次为5V电源引脚、回声输出引脚、触发引脚、空引脚和接地引脚。3.5.4. 五路巡线传感器模块五路巡线传感器模块是为智能小车、机器人等自动化机械装置提供一种巡线传感器的解决方案。使用 TCRT5000 传感器，降低其它光源对接收管工作状态的不利影响，以期达到一种理想的状态。表2 TCRTC传感器主要参数使用芯片74HC14D工作电压3.3V-5V输出模式数字信号测量距离1CM-1.5CM检测探头TCRT5000L检测信号探测黑线输出低电平，探测白线输出高电平，超出探测低电平LED状态LEDLED图15 单路原理图说明：图为单一电路，模块上共有5 路相同的电路。主要特性：1.易于安装，使用简便2.模块高度12 毫米3.安全工作电压范围在 3 伏特至 9 伏特之间4.工作电流 40 毫安至 145 毫安之间5.测到不反光表面时，相应引脚输出低电平 6.VCC、GND:电源接线端7.1OUT、2OUT、3OUT、4OUT：探测到不反光表面时，相应引脚输出低电平8.R1、R2、R3、R4：对应比较电压调节9.输出端为极电极开路，板载 5.1 千欧上拉电阻10.适用于宽度17 毫米以下的色条或者宽度为 17 毫米电工胶带检测表3 传感器模块主要参数项目名称测试条件数 值单位最小值典型值最大值输入电压25 摄氏度3.05.09.0伏特输入电流40.075.0145.0毫安限流电阻温度45摄氏度图16 产品外观及引脚功能图图17 传感器安装位置示意图774. 机械结构的设计与制作在轮式移动机器人系统中，任何一种控制算法和软件程序都需要一定的机械结构来执行和实现的，因此在设计电路硬件和软件编程之前应对轮式移动机器人的机械结构有较好的认识与把握从而做出适合的机械结构设计。4.1. 机械设计的基本要求机械结构设计的要求，包括对机器整机的设计要求和对组成零件的设计要求两个方面，两者相互联系、相互影响。4.1.1. 对机器整机设计的基本要求对机器使用功能方面的要求：实现预定的使用功能是机械设计的最基本的要求，好的使用性能指标是设计的主要目标。另外操作使用方便、工作安全可靠、体积小、重量轻、效率高、外形美观、噪声低等往往也是机械设计时所要求的。对机器经济性的要求：机器的经济性体现在设计、制造和使用的全过程中，在设计机器时要全面综合的进行考虑。设计的经济性体现为合理的功能定位、实现使用要求的最简单的技术途径和最简单合理的结构。4.1.2. 对零件设计的基本要求机械零件是组成机器的基本单元，对机器的设计要求最终都是通过零件的设计来实现，所以设计零件时应满足的要求是从设计机器的要求中引申出来的，即也应从保证满足机器的使用功能要求和经济性要求两方面考虑。要求在预定的工作期限内正常可靠的工作，从而保证机器的各种功能的正常实现。这就要求零件在预定的寿命内不会产生各种可能的失效，即要求零件在强度、刚度、震动稳定性、耐磨性和温升等方面必须满足的条件，这些条件就是判定零件工作能力的准则。要尽量降低零件的生产成本，这要求从零件的设计和制造等多方面加以考虑。设计时合理的选择材料和毛坯的形式、设计简单合理的零件结构、合理规定零件加工的公差等级以及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性等。另外要尽量采用标准化、系列化和通用化的零部件。任何一种机器都有动力机、传动装置和工作机组成。动力机是机器工作的能量来源，可以直接利用自然资源（也称为一次能源）或二次能源转换为机械能，如内燃机、气轮机、电动机、电动马达、水轮机等。工作机是机器的执行机构，用来实现机器的动力和运动能力，如机器人的末端执行器就是工作机。传动装置则是一种实现能量传递和兼有其它作用的装置。轮式移动机构预期设计要求实现零半径回转，便于控制。车轮的旋转和转向是独立控制的。4.2. 移动机器人车体结构设计原则设计移动机器人车体是应遵循以下几个原则：（1）总体结构应容易拆卸，便于平时的试验、调试、和修理。（2）在设计的移动平台应能够给机器人暂时没有安装的传感器、功能元件、电池等元件预留安装位置，以备将来功能改进和扩展。车体是实现移动和实现功能的部分，也是安装其他元件的主体。它同样是保证机器人具有良好的环境适应能力的关键。本文设计的车体采用的是亚克力板式结构，上层安装超声波传感器模块、控制按钮、集线器、装配电路板、电机驱动器和电源驱动模块等；在底层安装车轮旋转机构、驱动电机部分以及电池。本结构的设计使得机器人机构紧凑，易于维护，而且提高了机器人控制系统的抗干扰能力。对比绪论中各转向机构的优缺点，本文选用万向轮式转向机构来设计。轮式机器人的运动包括纵向和左右转向的运动。车轮形移动机构的特征与其他移动机构相比车轮形移动机构有下列一些优点：能高速稳定的移动，能量利用率高，机构的控制简单，而且它可以能够借鉴日益完善的汽车技术和经验等。它的缺点是移动只限于平面。目前，需要机器人工作的场所，如果不考虑特殊环境和山地等自然环境，几乎都是人工建造的平地。所以在这个意义上车轮形移动机构的利用价值可以说是非常高的。图18 全方位轮式移动机构的示意图。4.3. 机械结构总体设计方案机器人机械本体的设计是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路，全方位移动机器人可以实现在平面内任意方向的移动，能够有效的到达预定位置。根据这一总体思想，进行本机器人移动机构的本体设计。目前人类研制出的移动机器人按其行走方式主要分为轮式移动机器人、履带式移动机器人、角足式移动机器人等。依据轮子的多少，轮式移动机器人可分为1轮、2轮、3轮、4轮和多轮结构。很明显，对于1轮和2轮存在难以解决的稳定平衡问题，尤其是1轮式的结构最为难以实现。因此在实际的设计中，轮式移动机器人的轮式移动机制一般多采用的是3轮和4轮。因此本课题研究设计的轮式机器人采用三轮式结构。轮式移动机器人机械平台部分主要包括底盘、传感器支架、电机支架、驱动步进电机和车轮。本课题设计的四轮制轮式智能移动机器人将采用在底盘中间安放驱动轮且中间驱动轮与驱动电机轴直接相连；前轮采用一个万向轮作为起支撑和辅助转向作用的从动轮。由于本课题要求设计的轮式机器人结构紧凑且总体尺寸不得超过200150 mm2，所以本文设计底盘采用双层结构，即在下底盘上安装执行机构；上层底盘安放控制系统板和12V2600mA的锂电池组。机械结构整体布局如图19所示。图19 机械结构整体示意图图纸基于solid work合成，SolidWorks是基于Windows系统下的原创的三维设计软件。其易用和友好的界面，能够在整个产品设计的工作中，SolidWorks完全自动捕捉设计意图和引导设计修改。在SolidWorks的装配设计中可以直接参照已有的零件生成新的零件。不论设计用自顶而下方法还是自底而上的方法进行装配设计，SolidWorks都将以其易用的操作大幅度地提高设计的效率。4.3.1. 底盘结构设计本课题将底盘结构设计成相对稳定的矩形结构且将四个直角除去成弧度，便于安装传感器支架，便于传感器检测正前方、左前方和右前方的路况信息同时也符合现在车体设计中的流线型设计。由于M3的连接螺钉应用最为广泛，所以将连接孔均设计成。底盘结构如所示。图20 底盘结构4.3.2. 传感器支架设计由上文可知本课题选择的传感器为SRF04超声波传感器。因此传感器支架需要根据传感器的外形尺寸进行设计。为方便底盘与传感器支架连接，将支架设计成L型，在外型上吸收了超声波的特点。设计成了外星面孔式，增加了其的美观性。同样连接孔也设计成。其具体结构形状如图21所示。图21 传感器支架结构4.3.3. 电机支架设计由于本课题选用的是42系列的两相四线制步进电机作为智能轮式移动机器人的驱动电机，其具体型号为2S39Q-05026。该电机的外形尺寸为393925mm。因此根据此步进电机设计出电机支架。为将电动固定在底盘上，在此将支架设计成L型结构，连接孔设计成。如图22所示。图22 电机支架结构图最后，轮式智能移动机器人机械结构总体装配效果如图23所示。图23 总体装配图4.3.4. 电机的选型与计算电机性能的比较在机器人的驱动器一般采用以下几种电机：直流电机、步进电机和舵机。几种电机有关参数进行如表4所示。表4 几种电机比较电机类型优 点缺 点直流电机容易购买型号多功率大接口简单转速太快，需减速器电流较大较难与车轮装配价格较贵控制复杂（PWM）步进电机精确的速度控制型号多样适合室内机器人的速度接口简单价格便宜功率与自重比小电流通常较大外形体积大较难与车轮装配，负载能力低功率小舵 机内部带有齿轮减速器型号多样适合室内机器人的速度接口简单功率中等价格便宜负载能力低速度调节的范围小4.4. 机械材料选择4.4.1. 机械材料选用原则机械零件材料的选择是机械设计的一个重要问题，不同材料制造的零件不但机械性能不同，而且加工工艺和结构形状也有很大差别。机械零件常用的材料由黑色金属、有色金属、非金属材料和各种复杂的复合材料等。选择材料主要应考虑以下三方面的问题。. 使用要求使用要求一般包括：零件的受载情况和工作状况；对零件尺寸和质量的限制；零件的重要程度等。若零件尺寸取决于强度，且尺寸和重量又受到某些限制，应选用强度较高的材料。静应力下工作的零件，应分布均匀的（拉伸、压缩、剪切），应选用组织均匀，屈服极限较高的材料；应力分布不均匀的（湾区、扭转）宜采用热处理后在应力较大部位具有较高强度的材料。在变应力工作的零件，应选用疲劳强度较高的材料。零件尺寸取决于接触强度的，应选用可以金星表面强化处理的材料，如：调质钢、渗碳钢、氮化钢。零件尺寸取决于刚度的，则应选用弹性模量较大的材料。碳素钢与合金钢的弹性模量相差很小，故选用优质合金钢对提高零件的刚度没有意义。截面积相同，改变零件的形状与结构可使刚度有较大提高。滑动摩擦下工作的零件应选用摩擦性能好的材料；在高温下工作的零件应选用耐热材料；在腐蚀介质中工作的零件应选用耐腐蚀材料等。. 工艺要求材料的工艺要求有三个方面内容（1）毛坯制造 大型零件且批量生产时应用铸造毛坯。形状复杂的零件只有用毛坯才易制造，但铸造应选用铸造性能好的材料，如铸钢、灰铸铁或球铸铁等等。大型零件只少量生产，可用焊接件毛坯，但焊接件要考虑材料的可焊性和生产裂纹的倾向等，选用焊接性能好的材料。只有中小型零件采用锻造毛坯，大规模生产的锻件可用模锻，少量生产时可用自由锻。锻造毛坯主要考虑材料的延展性、热膨胀性和变形能力等，应选用锻造性能好的材料。（2）机械加工 大批批量生产的零件可用自动机床加工，以提高产量和产品质量，应考虑零件材料的易切削性能、切削后能达到的表面粗糙度和表面性质的变化等，应选用切削性能好的材料，如易削断、加工表面光洁、刀具磨损小的材料。. 经济性要求 （1）经济性首先表现为材料的相对价格。当用价格低廉的材料能满足使用要求时，就不应该选用价格高的材料。这对大批量制造的零件尤为重要。材料的选择与确定在进行机械结构的制作之前，首先进行零件材料的选取。选择合适的制造材料是制作出本课题轮式移动机器人机械结构的关键环节之一。一般来说，在机械设计与制造中，材料的选用主要考虑以下三个方面的要求：（1）使用要求。满足使用要求是选择材料的最基本原则。这里使用要求包括：零件的承载情况和工作环境等。（2）工艺性要求。零件加工应考虑到零件结构的复杂程度和尺寸大小等，还要考虑所选材料的易加工性。（3）经济性要求。在机械的成本中，材料的费用约占30%以上，可见选用性价比高的材料有着重大意义。综上所述，本课题选用亚克力板作为移动轮式机器人机械结构的材料。就是人们常说的聚甲基丙烯酸甲酯薄板。亚克力板具有水晶般的透明度，透光率在92%以上，光线柔和、视觉清晰，用染料着色的亚克力又有很好的展色效果。亚克力板具有极佳的耐候性、较高的表面硬度和表面光泽，以及较好的高温性能。有良好的加工性能，既可采用热成型，也可以用机械加工的方式。具有可与玻璃比拟的透光率，但密度只有玻璃的一半。此外，它不像玻璃那么易碎，即使破坏，也不会像玻璃那样形成锋利的碎片。亚克力板的耐磨性与铝材接近，稳定性好，耐多种化学品腐蚀。具有良好的适印性和喷涂性，采用适当的印刷和喷涂工艺，可以赋予亚克力制品理想的表面装饰效果。5. 硬件电路设计如上文所述，轮式智能移动机器人可以看作一个自动控制系统。这个自动控制系统可分为硬件电路和控制软件部分。硬件电路以微控制器为控制核心，并且配有传感器检测模块、电源模块、执行机构以及相关的驱动电路。硬件电路的好坏将直接影响智能移动机器人功能的实现与否。硬件电路系统框图如图24所示。传感器模块微控制器电机驱动模块电源模块步进电机PW方波信号检测信号图24 硬件电路系统框图5.1. 微控制器模块就轮式智能移动机器人来说，微控制器是该机器人的大脑，起着判断决策的重要作用。目前在工业控制领域内单片机主要使用 8 位、16 位处理器，32 位和 64 位以上的芯片还暂时无法完全的应用。另外 8 位、16 位的单片机硬件外围电路设计技术比较成熟，软件编程相对简单，主要是以 C 语言为主，开发环境比较可靠。而且本课题只要求实现简单的自主巡线和避障功能，因此并不需要高端复杂的微处理器。纵观全系列AVR产品，52系列单片机体现了物美价廉，适用范围广的定位特色，且开发入门方便，因此本文采用52系列单片机89C52RC作为移动机器人的控制核心芯片。STC89C52系列单片机是STC推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰、超低价的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟周期和6时钟每机器周期可以任意选择。STC89C52单片机中包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、I/O接口、EEPROM、看门狗等模块。STC89C52系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。图25 微控制接口图5.2. 电源模块电源好比轮式智能移动机器人的心脏，它为机器人的各个模块提供能量动力，以保证机器人能够实现要求的特定功能。在本课题中考虑电压供应的稳定性和使用接线方便等因素，根据传感器、单片机和电机驱动器的供电要求，系统所有芯片都需要 V 的工作电压 ，而干电池只能提供 V 倍数的电压 ，并且随着使用时间的延长 ，其电压会逐渐下降 。 对此 ，采用 V 电源作为外部电源 ，电源是小车的动力来源，为小车上的控制器、执行器、传感器提供可靠的工作电源，它在整个系统的可靠工作起着至关重要的作用，智能小车系统根据各部件正常工作的需要，采用12V 2000mAH 的充电锂电池组作为轮式机器人的总电源，并设计相应分压电路将电压分配给各个工作模块。12V经过电压变换成5V后为单片机和其他电路供电。智能轮式移动机器人的电压分配如图26所示。12V电源电机驱动模块传感器模块51系列单片机5V稳压图26 轮式智能移动机器人电压分配图5.3. 自主避障模块在本文第二章中提到，本课题分别采用SRF04超声波测距传感器作为机器人避障传感器。在传感器的布局方面，根据机器人底盘的设计，使用一个SRF04超声波测距传感器，将传感器用传感器支架连接件安装在机器人前。传感器的布局如图27所示。图27 避障传感器布局图5.4. 巡线检测模块本课题采用五路巡线传感器来实现移动机器人的巡线功能，将传感器通过用长螺栓在底盘上进行固定，保证与地面之间保留10-20mm的缝隙，实现根据不同的轨迹来调整传感器距离的高低。由于设计的尺寸关系，将传感器固定在底板的下方。两个传感器的水平距离平均为2mm。传感器的位置布置如图29所示。图28 巡线传感器布局图5.5. 电机驱动模块采用2个A4988高性能驱动器，分别驱动两个步进电机。其驱动过程如图31所示。12V电源驱动器步进电机PWM图29 步进电机驱动过程6. 软件程序的设计在搭建好机器人的机械结构和硬件电路后，进行控制程序的编写。软件程序是智能轮式移动机器人实现巡线和避障功能的关键环节之一。6.1. 软件开发平台的选择单片机软件开发平台Keil软件是目前最流行的开发 STC系列单片机的软件，Keil 提供了包括 C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部份组合在一起。根据本课题任务要求，采用keil4 开发平台。keil4编译软件是一款为是德国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，使用接近于传统c语言的语法来开发，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用,而且大大的提高了工作效率和项目开发周期，可以在WIN2000、XP、Vista操作系统下运行。KEILC51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境,同时保留了汇编代码高效,快速的特点。C51编译器的功能不断增强， 使你可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。C51已被完全集成到uVision2的集成开发环境中，这个集成开发环境包含：编译器，汇编器，实时操作系统，项目管理器，调试器。keil4 开发环境如图32所示。图30 keil4 开发环境6.2. 控制软件的设计与实现6.2.1. 概述在进行微机控制系统设计时，一方面要进行系统的硬件设计，另一方面还要对系统的软件进行设计。对于基于单片机的智能玩具电动小车系统而言，大量的工作还有应用程序的设计，这个工作对于该系统而言更为重要。. 应用软件的一般要求在应用系统软件设计的过程中，想要设计出一个高质量的程序，必须清楚地掌握程序的功能、程序运行的环境以及用户对系统的要求。而在通常情况下，对软件应用程序的要求大致可以包括以下几个方面：1.实时性实时性是指单片机应用系统的软件应具有实时性，在工业或其它各个领域中控制系统一般都是实时控制的，所以对应用软件的执行速度都会或多或少有一定的要求，即要求设计出来的程序在速度上要尽可能的快。2.程序的简练性程序的简练性是指设计出来的程序应尽可能的简练，既要完成目标要求，还要以最简洁的方式表达出来。在完成功能和技术要求的前提下，程序应当越简单越好，程序占用的存储空间越小越好，这样可减少空间应用，避免资源的浪费。3.程序的灵活性、可扩展性该要求主要是指设计出的系统程序应该具有较强的适应能力，在设计的过程中应尽量编写子程序来增加程序的灵活性，当计算机应用系统的功能需要扩展时，程序在原有基础是否容易修改，即源程序的扩展性。4.程序的可靠性在单片机应用系统设计的过程中，系统运行的过程中如果经常出现因软件问题而产生的故障，那么就失去了程序应该具有的可靠性，系统的可靠性在整个系统中是至关重要的，是决定系统正常工作的保障。单片机应用系统的可靠性一方面取决于硬件系统，另一方面也取决于软件系统。. 应用软件的设计过程根据程序设计的要求，以及应用系统功能及性能的要求，我们便可以进行单片机汇编语言程序设计了，具体的设计步骤为：1.明确要求，划定软硬件界面。2.分析具体问题，建立数学模型。3.根据数学模型确定相应的算法。4.绘制出各程序模块，如主程序、子程序的流程图。5.选择合适的语言，如 C51 或汇编语言等，根据流程图编制源程序，编写的过程中，应尽量使用子函数，以提高程序设计的速度。6.最后将各个程序模块组合在一起，构成一个完整的程序。. 应用软件的设计注意事项在软件系统的设计过程中，应用软件是根据系统的功能和技术要求，需要根据硬件设计进行设计。然而，由于应用系统有很多种类，不同硬件有不同的特点，因此，单片机应用系统的软件设计也是千差万别的。一般在设计的过程中应注意以下几点：1.尽量增强软件抗干扰能力；2.各功能的程序尽量模块化和层次化；3.存储空间规划合理、分配明确，并注意节省内存；4.软件结构要简洁，软件流程要合理，软件布局要清晰；5.及时整理和备份软件资料，使软件档案工作规范化。由于软件陷阱都安排在正常程序执行不到的地方，故不影响程序执行效率，在当前 EPROM 容量不成问题的条件下，还是多多益善。6.2.2. 软件的结构设计软件控制系统有两个基本的类型：数据处理和过程控制。数据处理有标度的变换、数据的采集和数字滤波等。过程控制主要指单片机按一定的算法实行计算，计算后输出，从而控制生产。实际工作流程如下：首先单片机上电初始化，然后进入状态检测，然后分别根据不同的需要做以下处理：串口通信处理，正常工作处理，故障处理以及关机处理。其中串口通信处理是指与参数配置界面进行数据交互，完成对系统操作控制参数的配置；故障处理是系统上电自检后检测出不良情况进行处理，防止系统故障给用户带来危险；运行处理是系统检测无故障且没有串口通信处理情况后进行的工作处理，主要是对电机正常工作的处理，包括对电机驱动，调速等处理工作；制动处理主要是指系统检测到制动信号后对系统进行的处理，及时制动电机，保证用户安全。在进行软件设计时，通常把整个控制分解成很多个部分，每一个小的部分叫做一个控制模块。所说的“模块”，实际上就是为了实现一定功能而相对独立的小程序段，这种设计程序的方法就叫做程序的模块设计法。该系统软件的软件结构设计采用了模块化结构设计，由主程序模块、避障程序模块显示程序模块电机驱动调速程序模块等构成。6.3. 循迹模式程序流程图智能小车底盘装有五个红外传感器模块，用来探测地面的轨迹信号，由黑线代替轨迹。假如左边检测到黑线，小车向左边行驶，右边检测到黑线，则小车向右边行驶。两个传感器持续检测轨迹，从而修正行驶方向，使小车始终保持沿正确的轨迹行驶。 循迹电路模块程序流程图如图30所示。图31 循迹电路程序流程图6.4. 避障模式程序流程图小车在前进过程中，会检测前方是否有障碍物，如果小车前方左测检测到有障碍，左侧红外避障模块将对单片机持续输出一个低电平，这时我们要控制小车按照程序往右行驶，避开障碍。同理，如果小车前方右测检测到有障碍，右侧红外避障模块将对单片机持续输出一个低电平，这时我们要控制小车按照程序往左行驶，避开障碍。避障电路模块程序流程图如图28所示。图32 避障电路程序流程图7. 轮式智能移动机器人功能测试及效果经过几个月的辛勤努力，本文设计开发的轮式智能移动机器人终于制作完成，成品展示如图33所示。将编写好的自主避障与自主巡线程序利用专门的程序下载器下载到本机器人平台上后，便可以进行功能测试。图33 轮式智能移动机器人成品7.1. 自主避障功能的测试及效果根据避障传感器的安装位置，本文决定采用在机器人的正前方、左前方和右前方设置特定障碍物，利用机器人实验室随机障碍和人体阻挡三种方案来进行主避障功能的测试。在采取上述三种方案进行测试后，本课题设计制作的轮式智能移动机器人可以自主灵活躲避设置的凳子，盒子，纸袋和放置的开水壶等，并且当有人站在机器人面前时才，机器人可以灵活转弯。其实际检测效果见上交资料中的相关视频文件。图34 自主避障障碍物设计7.2. 自主巡线功能的测试及效果由于本课题所使用的巡线传感器TCRT5000 传感器即对黑白两种颜色的检测精确度相对较高，且本文所使用的巡线导航方式为上文提供的光学反射式。因此在自主巡线功能测试方面，本文决定采用白色胶带作为导航路线。其次，本文决定将导航路线形状设计成如图35所示。本课题设计制作的轮式智能移动机器人可以灵活自主地沿着图35所示的路线行走，在弯道处亦可以灵活转弯。自主巡线的具体检测效果详见有相关视频文件。图35 自主巡线路线图结束语本课题自行设计的轮式智能移动机器人采用2S39Q-05026步进电机和塑料车轮作为执行机构，89C52RC单片机最小系统板作为主控制系统，利用1个SRF04超声波测距传感器实现自主避障功能；利用5个 TCRT5000红外线传感器实现自主沿白线行走功能。完成了既定的目标：小车循迹、避障。在对小车的实现功能进行综合考虑的基础上, 设计并制作了硬件电路，为小车的控制提供了良好的硬件平台，主要包括：电源模块电路的设计、 单片机接口和数据处理电路、红外线路径识别电路、 超声波避障电路、电机驱动电路。 完成了小车控制系统的软件编程， 在该系统中采用keil4.0编译器，用 C 语言实现模块化结构设计，主要包括：主程序模块、循迹模块、避障模块。在设计该轮式移动机器人的机械结构过程中，我深刻体会到要想做出好的结构设计，不仅需要丰富的理论知识与统筹兼顾的思想，还要考虑到实际的使用情况。比如，在设计传感器支架与电机支架时，就必须要事先选定相应的传感器和电动机，然后根据传感器和电机的结构特点和尺寸要求进行相应的结构设计。经过这次设计与制作我总结出：如果机械设计做出来的结构不能投入实际生产使用，那么这样的设计就不是好的设计。由于本课题为轮式智能移动机器人的首次设计与开发，对轮式移动机器人的整体布局等方面不尽完善。因此，如有机会继续从事该课题方面的研究，我将会对机器人的机械结构进行改进：一是将一层机械结构改为二层的上下结构，增加其美观性的同时还在增加其的耐用度，避免接触导线，造成导线脱落。对接口进行处理，减少短路的概率增加安全性。二是将电机支架与底盘合为一体即将底盘进行弯折，减少空间的占用率，减少安装调试，时间设计出电池固定支架将电池固定在底盘下面。三是在底盘上设计出可调安装位置的安装孔，使其更加完善通用性更高。在控制系统程序设计编写方面，使用更高级的单片机，加入更为复杂的控制算法和多传感器融合技术等，使得智能轮式移动机器人在自主巡线的同时又可以自主躲避障物。在后续的设计中加入通迅模块，实现远程遥控小车。此次做的小车系统的规模相对较小，在后续研究中应不断丰富小车的功能，使其更加贴近实际，并且朝着可以在实际中使用的方向去研究制作。参考文献1Md.Nazmul Hasan,S.M Didar-A1-Alam,Sikder Rezwanul Huq.Intelligent carControl for a Smart CarJ.Intemational Journal of Computer Applications. 2011,14(3):1 5；2.H.W.Stone,G Edmonds.A hazardous materials emergency response mobile RobotC.Proceeding of the 1992 IEEE international Corference on Robotics and Automation,Nice,France,1992:67-73；3.刘洲,全方位移动混联式操作臂机器人系统分析设计D.南京航空航天学,2011:4.5；4.Massimo Bertozzi,Alberto Broggi,Alessandra Fascioli.Vision-based intelligent vehicles:State of the art and perspectivesJRobotics and Autonomous Systems,2000,32(1)；5.蔡自兴,贺汉根,陈虹.未知环境中移动机器人导航控制理论与方法M.京:中国科学出版社,2009；6.胡海峰,史忠科,徐德文.智能汽车发展研究J.计算机应用研究,2004(6):20-23；7.QaSim Siddique.Intelligent Car SystemJ.Annals.Computer ScienceSerieses. 2009, 7 (2)113；8.Solidworks,生信实维.Solidworks基本建模技术(上、下)M.北京:清华大学出版社；9.闫晶,移动机器入避障系统设计D.沈阳理工大学,2008:49-50；10.李朝青,单片机原理及接口技术(第3版)M.北京:航空航天大学出版社,2011；11.过磊,基于SAT89S52的多功能循迹机器人设计J.制造技术与机床,2014(11).83-87；12.Tian Yu. A Study on RRT-based path planning algorithm in real environmentD. South Korea：The Gradual School Kyungpook National University,2006；13.杨莹,国内外机器人研究邻域的知识计量D.辽宁:大连理工大学,2009:2.5；14.徐保国,智能移动机器人技术现状及展望J.机器人技术与应用,2007.2:29.30；15.孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理(第八版),高等教育出版社,2013.5；16.濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计(第九版),高等教育出版社,2013.5；17.宗光华，张慧慧译.机器人设计与控制.科学出版社，2004；18.罗云青.基于单片机的循迹避障小车的设计与实现J.智能机器人,2017(01):67-69；19.张逸博.移动机器人结构设计及仿真分析J.电子世界,2018(14):126+129；20.赵春,郭秀珍.智能循迹避障小车的设计J.内蒙古科技与经济,2018(24):107+109；21.刘洁,无线循迹避障智能小车的设计J.工业控制计算机,2018,31(09):163-164；22.付喜锦,高晓红.多功能智能循迹避障小车的设计与实现J.陇东学院学报,2018,29 (03): 11-14；23.谢晓敏,闵锐.基于89C51单片机的智能寻迹避障小车设计J.太原学院学报(自然科学版),2018,36(01):15-18；24.祝松柏,李清宇.基于STC89C52的循迹避障智能小车的设计J.轻工科技,2018, 3 (03):65-66；25.周生远,王浩，于汇鑫.基于单片机的智能小车避障循迹系统设计J.科技传播, 2017, 9(07)；26.李帅男,基于STM32的循迹避障智能小车的设计,D.吉林:吉林化工学院,2018, 36(8)；27.陈文,澄张辉,张晋滔.一种多功能循迹避障智能小车的研制,科技创新与应用, 2019, (4)；28.谭浩强.C程序设计教程M.北京.清华大学出版社2007:69-109；29.田瑶.基于PC控制的智能小车循迹系统的实现D.武汉：华中师范大学,2011.附录基于89C52RC单片机程序C代码#include reg51.h#include intrins.hsfr T2CON = 0xC8; /timer2 control registersfr RCAP2L = 0xCA;sfr RCAP2H = 0xCB;sfr TL2 = 0xCC;sfr TH2 = 0xCD;typedef unsigned char BYTE;typedef unsigned int WORD;#define FOSC 11059200L /System frequency/#define BAUD 115200 /UART baudrate#define T1MS (65536-FOSC/12/25600) /1ms timer calculation method in 12T mode 3072FOSC/12/150/2 就是频率sbit STEP1= P10; /work LED, flash once per secondsbit STEP2= P12;sbit DIR1= P11; /work LED, flash once per secondsbit DIR2= P13;sbit P37= P37;sbit Left_1= P24;sbit Left_2= P23;sbit Middle= P22;sbit Right_2= P21;sbit Right_1= P20;BYTE count,count2 ; /1000 times counterBYTE K1,K2;unsigned short Tick;unsigned short S;sbit bit9 = P22; /P2.2 show UART data bit9bit busy;bit Bi_mode;bit err;sbit Trig = P33; /产生脉冲引脚sbit Echo = P32; /回波引脚void SendData(BYTE dat);void SendString(char *s);void tm1_isr() interrupt 3 using 1 TL1 = T1MS; /reload timer1 low byte TH1 = T1MS 8; /reload timer1 high byte if (count+ = K1) /1ms * 1000 - 1s count = 0; /reset counter STEP1 = ! STEP1; /work LED flashTick+; if (count2+ = K2) /1ms * 1000 - 1s count2 = 0; /reset counter STEP2 = ! STEP2; /work LED flash void Delay10ms()/11.0592MHzunsigned char i, j;i = 18;j = 235;dowhile (-j); while (-i);void Delay1ms()/11.0592MHzunsigned char i, j;_nop_();i = 2;j = 199;dowhile (-j); while (-i); void Conut(void) WORD time; float S1; /BYTE STRING8; time=TH0*256+TL0; S1=0.185*time; /算出来是CM S=S1;void Bizhang(void) if(S 8; /initial timer1 high byte TR1 = 1; /timer1 start running ET1 = 1; /enable timer1 interrupt EA = 1; count = 0; /initial countercount2 = 0;K1=2;K2=2;DIR1=1;DIR2=0;Bi_mode=0; /SendString(STC89-90xxrnUart Test !rn);/Conut(); while(1) P37=1;Delay100ms(); while(P37=1) Trig=1; Delay20us(); Trig=0; TH0=0; TL0=0; TR0=1; err=0; while(!Echo); if(TH00x5d)/大于23ms err=1; TR0=0; break; TL0 = 0; TH0 = 0; while(Echo); if(TH00x5d)/大于23ms err=1; break; if(err=0) Conut(); else S=2000; TR0=0; TH0=0; TL0=0; Bizhang(); if(Bi_mode=1)&(Tick6000) DIR2=1; else Bi_mode=0; DIR2=0; Delay100ms(); P37=1;Delay100ms();while(P37=0) Xunji(); void Uart_Isr() interrupt 4 using 1 if (RI) RI = 0; /Clear receive interrupt flag P0 = SBUF; /P0 show UART data bit9 = RB8; /P2.2 show parity bit if (TI) TI = 0; /Clear transmit interrupt flag busy = 0; /Clear transmit busy flag void SendString(char *s) while (*s) /Check the end of the string SendData(*s+); /Send current char and increment string ptr 外文资料Single-chipSCM is also known as micro-controller (Microcontroller Unit), commonly used letters of the acronym MCU that it was first used in industrial control. Only a single chip by the CPU chip developed from a dedicated processor. The first design is by a large number of peripherals and CPU on a chip in the computer system, smaller, more easily integrated into a complex and demanding on the volume control device which. INTELsZ80 is the first designed in accordance with this idea processor, then on the development of microcontroller and dedicated processors have parted ways. Are 8-bit microcontroller early or4 bits. One of the most successful is the INTEL 8031, for a simple, reliable and good performance was a lot of praise. Then developed in 8031 out of MCS51 MCU Systems. SCM systems based on this system until now is still widely used. With the increased requirements of industrial control field, began a 16-bit microcontroller, because the cost is not satisfactory but have not been very widely used. After 90 years with the great development of consumer electronics, microcontroller technology has been a huge increase. With INTEL i960 series, especially the later series of widely used ARM, 32-bit microcontroller quickly replace high-end 16-bit MCU status and enter the mainstream market. The traditional 8-bit microcontroller performance have been the rapid increase capacity increase compared to 80 the number of times. Currently, high-end 32-bit microcontroller clocked over 300MHz, the performance catching the mid-90s dedicated processor, while the average model prices fall to one U.S. dollars, the most high-end model only 10 dollars.Modern SCM systems are no longer only in the development and use of bare metal environment, a large number of proprietary embedded operating system is widely used in the full range of SCM. The handheld computers and cell phones as the core processing of high-end microcontroller can even use a dedicated Windows and Linux operating systems. SCM is more suitable than the specific processor used in embedded systems, so it was up to the application. In fact the number of SCM is the worlds largest computer. Modern human life used in almost every piece of electronic and mechanical products will be integrated single chip.Phone, telephone, calculator, home appliances, electronic toys, handheld computers and computer accessories such as a mouse with a 1-2 in both the Department of SCM. Personal computer will have a large number of SCM in the work. General car with more than 40 SCM, complex industrial control systems may even have hundreds of SCM in the same time work! SCM is not only far exceeds the number of PC and other computing the sum, or even more than the number of human beings Single chip, also known as single-chip microcontroller, it is not complete a certain logic chips, but to a computer system integrated into a chip.Equivalent to a micro-computer, and computer than just the lack of a microcontroller I/O devices. General talk: a chip becomes a computer. Its small size, light weight, cheap, for the study, application and development of facilities provided. At the same time, learning to use the MCU is to understand the principle and structure of the computer the best choice. SCM and the computer functions internally with similar modules, such as CPU, memory, parallel bus, the same effect as well, and hard disk memory devices, and different is its performance of these components were relatively weak many of our home computer, but the price is low , usually not more than 10 yuan you can do with it . some control for a class is not very complicated electrical work is enough of. We are using automatic drum washing machine, smoke hood, VCD and so on appliances which could see its shadow! . It is primarily as a control section of the core components It is an online real-time control computer, control-line is that the scene is needed is a stronger anti-jamming ability, low cost, and this is, and off-line computer (such as home PC), the main difference. Single chip MCU is through running, and can be modified. Through different procedures to achieve different functions, in particular special unique features, this is another device much effort needs to be done, some great efforts are very difficult to do. A not very complex functions if the 50s with the United States developed 74 series, or the 60s CD4000 series of these pure hardware buttoned, then the circuit must be a large PCB board! But if the United States if the 70s with a series of successful SCM market, the result will be a drastic change! Just because you are prepared by microcomputer programs can achieve high intelligence, high efficiency and high reliability! As the microcontroller on the cost-sensitive, so now the dominant software or the lowest level assembly language, which is the lowest level in addition to more than binary machine code language, and as so low why is the use? Many high-level language has reached the level of visual programming Why is not it? The reason is simply that there is no home computer as a single chip CPU, not as hard as a mass storage device.A visualization of small high-level language program which even if only one button, will reach tens of K of size! For the home PCs hard drive in terms of nothing, but in terms of the MCU is not acceptable. SCM in the utilization of hardware resources to be very high for the job so although the original is still in the compilation of a lot of use. The same token, if the giant computer operating system and applications run up to get home PC, home PC, also can not afford to. Can be said that the twentieth century across the three power era, that is, the age of electricity, the electronic age and has entered into the computer age. However, this computer, usually refers to the personal computer, referred to as PC. It consists of the host, keyboard, monitor and other components. Another type of computer, most people do not know how. This computer is to give all kinds of intelligent machines single chip (also known as micro-controller). As the name suggests, this computer system took only a minimal integrated circuit, can be a simple operation and control. Because it is small, usually hidden in the charged mechanical stomach in. It is in the device, like the human brain plays a role, it goes wrong, the whole plant was paralyzed. Now, this microcontroller has a very broad field of use, such as smart meters, real-time industrial control, communications equipment, navigation systems, and household appliances. Once all kinds of products were using SCM, can serve to upgrade the effectiveness of products, often in the product name preceded by the adjective - intelligent, such as intelligent washing machines. Now some technical personnel of factories or other amateur electronics developers to engage in out of certain products, not the circuit is too complicated, that function is too simple and can easily be copied. The reason may be stuck in the product did not use a microcontroller or other programmable logic device. SCM history SCM was born in the late 20th century, 70, experienced SCM, MCU, SOC three stages. First model 1.SCM the single chip microcomputer (Single Chip Microcomputer) stage, mainly seeking the best of the best single form of embedded systems architecture. Innovation model success, laying the SCM and general computer completely different path of development. In the open road of independent development of embedded systems, Intel Corporation contributed. 2.MCU the micro-controller (Micro Controller Unit) stage, the main direction of technology development: expanding to meet the embedded applications, the target system requirements for the various peripheral circuits and interface circuits, highlight the object of intelligent control.It involves the areas associated with the object system, therefore, the development of MCUs responsibility inevitably falls on electrical, electronics manufacturers. From this point of view, Intel faded MCU development has its objective factors. In the development of MCU, the most famous manufacturers as the number of Philips Corporation. Philips company in embedded applications, its great advantage, the MCS-51 single-chip micro-computer from the rapid development of the micro-controller. Therefore, when we look back at the path of development of embedded systems, do not forget Intel and Philips in History. Embedded Systems Embedded system microcontroller is an independent development path, the MCU important factor in the development stage, is seeking applications to maximize the solution on the chip; Therefore, the development of dedicated single chip SOC trend of the natural form. As the microelectronics, IC design, EDA tools development, application system based on MCU SOC design have greater development. Therefore, the understanding of the microcontroller chip microcomputer can be, extended to the single-chip micro-controller applications. MCU applications SCM now permeate all areas of our lives, which is almost difficult to find traces of the field without SCM. Missile navigation equipment, aircraft, all types of instrument control, computer network communications and data transmission, industrial automation, real-time process control and data processing, extensive use of various smart IC card, civilian luxury car security system, video recorder, camera, fully automatic washing machine control, and program-controlled toys, electronic pet, etc., which are inseparable from the microcontroller. Not to mention the area of robot control, intelligent instruments, medical equipment was. Therefore, the MCU learning, development and application of the large number of computer applications and intelligent control of the scientists, engineers. SCM is widely used in instruments and meters, household appliances, medical equipment, aerospace, specialized equipment, intelligent management and process control fields, roughly divided into the following several areas: 1.In the application of Intelligent Instruments SCM has a small size, low power consumption, controlling function, expansion flexibility, the advantages of miniaturization and ease of use, widely used instrument, combining different types of sensors can be realized Zhuru voltage, power, frequency, humidity, temperature, flow, speed, thickness, angle, length, hardness, elemental, physical pressure measurement. SCM makes use of digital instruments, intelligence, miniaturization, and functionality than electronic or digital circuits more powerful. Such as precision measuring equipment (power meter, oscilloscope, various analytical instrument). 2.In the industrial control application With the MCU can constitute a variety of control systems, data acquisition system. Such as factory assembly line of intelligent control 3.In Household Appliances can be said that the appliances are basically using SCM, praise from the electric rice, washing machines, refrigerators, air conditioners, color TV, and other audio video equipment, to the electronic weighing equipment, varied, and omnipresent. 4.In the field of computer networks and communications applications MCU general with modern communication interface, can be easy with the computer data communication, networking and communications in computer applications between devices had excellent material conditions, are basically all communication equipment to achieve a controlled by MCU from mobile phone, telephone, mini-program-controlled switchboards, building automated communications call system, train radio communication, to the daily work can be seen everywhere in the mobile phones, trunked mobile radio, walkie-talkies, etc. 5.Microcomputer in the field of medical device applications SCM in the use of medical devices is also quite extensive, such as medical respirator, the various analyzers, monitors, ultrasound diagnostic equipment and hospital beds, etc. call system. 6.In a variety of major appliances in the modular applications Designed to achieve some special single specific function to be modular in a variety of circuit applications, without requiring the use of personnel to understand its internal structure. If music integrated single chip, seemingly simple function, miniature electronic chip in the net (the principle is different from the tape machine), you need a computer similar to the principle of the complex. Such as: music signal to digital form stored in memory (like ROM), read by the microcontroller, analog music into electrical signals (similar to the sound card). In large circuits, modular applications that greatly red