单片机项目报告.docx

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单片机项目报告

智能车及采摘机器人系统的设计与制作

姓名：

刘冠姣、李齐、胡浩松、张伟民

课题分工：

刘冠姣：

机械手臂及手爪制作、调试、PPT

李齐：

机械手臂及手爪制作、调试、PPT

胡浩松：

说明书制作、PPT、零件图、调试

张伟民：

三维实体仿真、二维工程图、调试、PPT

课程名称：

单片机基础

指导教师：

王洪波

2011年10月

智能车及采摘机器人系统的设计与制作

刘冠姣，李齐，胡浩松，张伟民

（燕山大学机械工程学院）

摘要：

智能小车机电一体化系统，以单片机为核心控制模块，充分利用了自动检测技术、液晶显示模块电路，以及光信号的控制、电机的驱动电路。

通过方案的论证、硬件及软件的设计，在完成车体组装后，通过实践操作与调试，用两个红外传感器和两个循迹传感器，一起控制小车运动，完成小车的黑白循迹和避障功能的智能控制系统。

1.前言

智能小车是在机电一体化系统设计课程理论的基础上，结合单片机微处理系统和机器人技术，将机械系统、微电子系统、传感监测系统和控制系统相结合的机电一体化系统。

主要是锻炼我们的独立设计机电一体化产品的能力，更好地培养专业技能和综合素质。

在机器人相关领域内，已有“基于单片机的AGV智能车的设计”“带摄像头的智能车硬件设计”“带有路径记忆的智能车”等方面的研究。

智能小车，又称轮式机器人，可以在人类无法适应的恶劣和危险环境中代替人工作。

它是一个集环境感知，规划决策，自动驾驶等功能于一体的智能系统。

现如今已在诸多领域有广泛的应用。

例如:

在生活中，它可以作为导盲车帮助盲人；在工厂流水线上，它可以完成货物搬运，装卸；在军事上它可以代替人完成排雷，侦查；在航天领域中，可以完成外星球的矿藏勘探等科学任务。

尤其是在地震，泥石流，矿难等灾害面前，更急需高危险复杂环境下智能小车的应用。

它可通过灵活智能的特性经过狭窄弯曲人无法到达的地方，探测生命迹象，运送药品食品等急救物资。

根据前人的研究，经过比较筛选，我们选定了自己的设计方案，主要是完成智能小车的黑白轨迹循迹和避障功能。

2.整体设计思路

智能车设计主要通过设计和实验，完成小车本体组装和采摘机械臂设计、电路板焊接及测试、程序的编写及烧制、电机的正反转、脉宽速度调制和红外避障及循迹等内容。

要求掌握以下知识点：

1.掌握只能小车的结构、控制电子元气件组成及其工作原理；

2.掌握检测传感系统的设计方法，掌握常用传感器的原理和使用方法；

3.掌握基本电路的原理图和电路连线图；

4.掌握软件编程的使用、仿真调试以及单片机程序的烧写；

5.掌握小型直流电机的选择、驱动及控制方法

6.掌握单片机的选型及系统搭接方法；

7.掌握机电一体化系统的设计、制作和调试方法。

3.方案论证

3.1电动机的选择

电动机有两种方案可供选择，即可用步进电机驱动或普通的直流电机驱动。

由于步进电机具有快速启停能力，而且转换精度高，正反转控制灵活。

因考虑到小车的主要功能是用来寻迹的，需要准确的启停控制及正反转控制，所以采用直流电动机来驱动小车的前轮。

3.2电动机驱动方案的选择

电动机驱动方案有以下几种：

方案一：

采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速目的。

但是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，而且可能存在干扰，更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。

方案二：

采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整，这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。

方案三：

采用四个大功率晶体管组成H桥电路，四个大功率晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制是指工作在开关状态，进而控制电动机的运行。

该控制电路由于四个大功率晶体管之工作在饱和和截止状态下，效率非常高，并且大功率晶体管开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的电路。

由于小车电机的驱动必须迅速及时，且具有较强的稳定性，而第三种方案是由四个大功率晶体管只工作在饱和与截止状态下，效率非常高，并且大功率晶体管开关的速度非常快，稳定性也极强，因此采用H桥电路驱动电机。

电机驱动部分所需元件：

电机驱动部分电路图如下：

3.3供电方案的选择

小车可采用单一电源供电，也可以采用两个电源供电。

但两个电源供电会使电路复杂，而且增加车身的重量，增加惯性，降低小车的灵活性，因此采用单一电源供电的方法。

电源部分电路图如下

3.4光电传感器的分布

方案一：

两个光电传感器的距离大于黑色轨道的距离。

小车沿着黑色轨道前进，当检测到黑色时变为高电平，根据检测到的方向发生相应的转向。

方案二：

：

两个光电传感器的距离小于黑色轨道的距离。

小车沿着黑色轨道前进，当检测到白色时变为低电平，根据检测到的方向发生相应的转向。

因为方案二相对于方案一来说，结构更为紧凑，所以选择方案二。

4.硬件设计

4.1智能车的系统框图

智能小车以单片机为小车的控制核心，系统有机的模块组成，循迹、壁障等功能是通过各个模块独立实现的。

图3-1是智能车系统模块联系图，在这个途中我们将看到本次课程设计中我们所需要完成的各个模块任务。

4.2路面黑线检测设计与实现

路面黑线检测主要通过黑白线检测传感器实现,黑白线检测传感器有效探测距离达5cm,最远可达10cm.这款黑白线传感器受可见光干扰小,输出信号为开关量,信号处理简单,使用非常方便,还增加了探测距离调节器，改进了探测距离、加强了探测精度黑白线传感器如右图所示。

图6-1-1黑白线传感器外观

当检测到黑线时，红外光管接受到反射回来的红外光，其输出立即发生高低电平跳变，该信号经逻辑比较后送单片机分析处理。

为保证小车沿黑线行驶，采用了两个检测器并行排列。

在小车行走的过程中，若向左方偏离黑线，则左方的探头就会检测到白纸，把信号传给单片机，单片机控制车头向右转。

4.3舵机的介绍

4.3.1舵机简介

舵机是一种位置伺服的启动器。

他接受一定的控制信号，输出一定的角度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。

在微机电系统和航模中，他是一个基本的输出执行机构。

4.3.2舵机的工作原理

舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。

其工作原理是：

控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。

它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。

最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。

当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。

4.3.3舵机的控制方法

标准舵机有3条导线，分别是：

电源线、地线、控制线，即棕色、红色、黄色分别是GND、V+、S（信号），如图所示：

电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源，电压通常介于4-5V，现在取6V。

注意，给舵机供电电源应能提供足够的功率。

控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20ms（即频率为50Hz）。

当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。

该舵机的输出转轴角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用下图来表示：

4.3.4舵机的调速

当给定初始角度和终止角度是舵机将以一定的速度从初始角度运动到终止角度，这个速度是无法调节的，但若舵机转速较快，需要调节怎么办的？

这里我们可以通过将角度分割法将舵机进行调速，我们将初始角度到终止角度之间分成若干份，每一度为一份，每次运动1°知道运动到终止角度为止（即加入初始角为45°要运动到90°，我们就将其分成45分，先让起运动到46°，然后运动到47°依次运动没出运动一度知道运动到90°），这样我们就能够通过控制每运动1°后的延时来实现舵机的调速。

4.4三维设计图

5.软件设计

5．1流程图

5.2程序思想

我们采用INT1中断，循迹程序作为主程序，避障程序作为中断程序。

中断口P3.3接左避障传感器，这样，当循迹结束时左侧避障传感器恰检测到障碍，从而引发中断，自然完成两个程序的衔接。

用程序控制探头发射信号，然后捕捉反射信号，若无反射信号说明无障碍，如有反射信号说明有障碍。

当两侧都有障碍时，车向前行走；当单侧出现障碍时，向相反的方向转弯。

5.3程序源代码

见附表

6.项目心得

在这次智能小车的设计与调试工程中，我小组成员在机电一体化系统设计课程理论的基础上，结合单片机微处理系统和机器人技术，将机械系统、微电子系统、传感监测系统和控制系统相结合，尽最大可能完成小车的设计。

在整个过程中，我小组成员发现问题，解决问题。

每当遇到难题我们就集思广益，积极讨论，提高了我们解决问题的能力，更好的培养了机电一体化学生的专业技术能力和综合素质。

智能车的完成是团队成员相互合作的结果，结合了我组每个成员的劳动成果，同时也让我们体会到了团队合作的重要性。

同时，小车任务的完成也离不开各位老师的指导和帮助，在此向各位老师表示真诚的感谢。

7.主要参考文献

1.熊有伦.机器人技术基础.武汉:

华中科技大学出版社,2002.

2.李广弟,朱月秀,冷祖祁.单片机技术基础.北京:

北京航空航天大学出版社,2008.

3.GordonMcComb，MykePredko.机器人设计与实现.北京:

科学技术出版社,2004.

4.王立权.机器人创新设计与制作.北京:

清华大学出版社,2007.

附录：

程序清单

ORG0000H;程序从0地址开始

JMPXUNJI;跳过中断向量

ORG13H;INT1中断向量

JMPBIZHANG;执行INT1中断子程序

;-------------------------------------------------

;-------------------------------------------------

XUNJI:

MOVIE,#10000100B;打开总开关与EX1分路开关

MOVSP,#30H;设定堆栈地址

SETBIT1;采用负缘触发信号

;-------------------------------------------------

;---------循迹程序--------------------------------

SETBP3.4;循迹端接口，输入端

SETBp3.5;循迹端接口

SETBP2.5

SETBP2.6

START1:

CLRp2.2;直走

CLRp2.4

SETBp2.3

SETBp2.1

RIGHT1:

JBp3.5,TURNR;寻白线右转

LEFT1:

JBp3.4,TURNL;寻白线左转.

LJMPstart1

TURNR:

JBp3.4,STOP;两个端口均为白线，停止

setbp2.1;电机1（左）正转

clrp2.2

clrp2.3;电机2（右）制动

clrp2.4

JMPRIGHT1

ACALLdelay3

TURNL:

;左转

clrP2.1;电机1（左）制动

clrP2.2

setbP2.3;电机2（右）正转

CLRP2.4

ljmpRIGHT1

ACALLdelay3

STOP:

CLRP2.1

CLRP2.2

CLRP2.3

CLRP2.4

;------------------------------------------------

;---------------INT1中断子程序//避障-------------

BIZHANG:

SETBP2.5

SETBP2.6

SETBP3.3;避障端接口，输入端，左端避障

SETBP1.4;避障端接口，输入端，前段避障

START2:

CLRp2.2;直走

CLRp2.4

SETBp2.3

SETBp2.1

C1:

JNBp3.3,urnr;左端有障碍，跳检测2

JMPurnl

URNr1:

;大概九十度右转

setbp2.1;电机1（左）正转

clrp2.2

clrp2.3;电机2（右）反转

setbp2.4

ACALLDELAY1

LjmpC1

URNr:

JNBP1.4,urnr1;右转

setbp2.1;电机1（左）正转

clrp2.2

clrp2.3;电机2（右）制动

SETBp2.4

LjmpC1

URNl:

JBP1.4,START2;右侧也没有障碍，则直走，否则左转

CLRp2.1;电机1（左）制动

CLRp2.2

SETBp2.3;电机2（右）正转

CLRp2.4

ACALLDELAY2

ljmpC1

RETI

;------------------------------------------------

;---------------延时子程序-----------------------

delay:

movr2,#0ffh

s1:

movr3,#0ffh

s2:

djnzr3,s2

djnzr2,s1

ret

delay1:

movr4,#6

a1:

calldelay

djnzr4,a1

ret

delay2:

movr5,#3

b1:

calldelay

djnzr5,b1

ret

delay3:

movr0,#020h

D1:

movr1,#0f0h

D2:

djnzr1,D2

djnzr0,D1

ret

end