机器人避障实训.docx

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机器人避障实训

项目六机器人避障实训

实训目的：

通过设计机器人避障的目的是为了掌握电路设计的方法和技巧。

如何将学习到的理论知识运用到实际当中去，怎样能够活学活用，深入的了解电子元器件的使用方法，了解各种元器件的基本用途和方法，能够灵活敏捷的判断电路中出现的故障，学会独立设计电路，积累更多的设计经验，加强焊接能力和技巧，完成基本的要求。

并能完美的完成这次实训。

技能训练:

掌握基本的电路设计方法和技巧，能够独立的分析解决一般性质的问题。

巩固单片机基本的知识，加强理论与实践的结合能力。

能够分析一般性的电路，了解各种元器件的基本用途和方法，积累更多的设计经验，加强焊接能力和技巧。

1•寻迹检测方案的选择

探测路面黑线的基本原理：

光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不同，可以根据接收到的反射光强弱来判断是否是黑线。

利用这个原理，可以控制小车行走的路迹。

下面几种可行的方案是根据本原理设计的：

方案一：

采用普通的发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案，如图1-1所示。

其工作原理：

当无光照时，光敏电阻呈现高阻状态，又分压公式可知，电阻R2无压降三极管

截止，三极管的集电极输出高电平；反之，当有光照的时候，光敏电阻接收到反射的光，其阻值下降，由分压公式，R2有压降三极管导通，输出低电平，利用高低电平可以判断控制小车的形程和方向。

本方案能达到基本的控制要求，但是它的缺点在于容易受到外界光线的干扰，不易于控制小车的行迹，损坏了信号采集的效果。

主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、材料的反射情况有关直接影响到检测效果。

1-1发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案

方案二：

脉冲调制的反射式红外发射接收器。

由于采用该有交流分量的调制信号，侧可大幅度减少外界干扰；另外红外发射接收管的最大工作电流取决于平均电流。

如果采用占空比小的调制信号，再平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50~100mA，贝氏大提高

了信噪比。

并且其反应灵敏，外围电路也很简单。

如图1-2所示。

它的优点是消除了外界光

线的干扰提高了灵敏度，制作比较简单。

1-2脉冲调制的反射式红外发射接收方案

由以上两种方案比较可知。

方案二要比方案一优势大，市场上很多红外观点探头也都基于这个原理。

其电路简单，工作可靠，性能比较稳定。

从而避免了电路的复杂性，因此我先用方案二作为小车的监测系统。

2.电动机的选择

市场上用很多种类的小电压直流电动机，很方便的选择到。

主要有普通电动机、和步进电动机。

方案一：

采用步进电机，步进电动机的一个显著的特点就是具有快速启动和停止能力，能够达到我们所要求的标准。

如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即是步进电机启动或反转。

其转换灵敏度比较高。

正转、反转控制灵活。

但是步进电机的价格比较昂贵，对于我们的现状相差太远。

方案二：

采用普通的直流电机。

直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便。

调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转。

能满足各种不容的特殊运行要求。

由于普通直流电机价格适宜，更易于购买，并且电路相对简单，因此建议采用直流电机作为动力源。

3.电动机驱动方案的选择

方案一：

采用电路网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调整速度目的。

但是组织网络只能是先有极调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，且可能存在于干扰。

更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小丹电流很大，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关控制，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，易于损坏，寿命较短、可靠性小。

方案三：

采用四个大功率晶体管组成H桥式电路，四个大功率晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制使之工作在开关状态，进而控制电机的运行。

该控制电路由于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很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的电路。

由以上三种方案，我们选择了四个大功率晶体管组成H桥式电路的293集成芯片如

图1-3所示运用方便简单，软件也简单。

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1-3L293集成芯片

4•障碍物探测方案的选择

方案一：

脉冲调制的反射式红外线发射接受器。

由于采用该有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外红外线接受官的最大工作电流取决于平均电流。

如果采用占空比小的调制信号，再品均电流不变的情况下，顺势电流很大（50~100mA，则大大提高了

信噪比。

并且其反应灵敏，外围电路也很简单。

如图1-2所示。

它的优点是消除了外界光线

的干扰提高了灵敏度。

方案二：

采用超声波传感器，如果传感器接收到反射的超声波，则通知单片机前方有障碍物，如则通知单片机可以向前行驶。

市场上很多红外光电探头也都是基于这个原理。

这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性

我们在这里采用的和寻迹传感器相同的电路，也就是第一种方案如图1-2所示。

因

为第二种方案超声波传感器价格比较昂贵。

5.供电方案的选择

方案一：

米用两个电源供电，将电动机驱动电源与电片机以及其周边电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。

这样可以使电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性，但是多一组电池，增加了小车的重量，同时也增加了小车的惯性，消弱因为电动机的控制性能，降低了灵敏度。

方案二：

采用单一电源供电。

电源直接给电动机供电，因电动机起动瞬间电流较大，会造成电源电压波动，因而控制与检测部分电路通过集成稳压块供电，将电压稳定在一定数值范围内，以免有波动电压造成电路的损毁，其供电也比方案一简单。

我们在选用的时候，根据自己的经济情况采用了第二种方案，并且选取的是二手手机电池，作为供电电源。

我们用两节手机电池，输出8伏然后，经1117（如图1-4所示），稳压之后为总电路供电。

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3

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a）

b）

1-4a）A1117芯片实物图；b）A1117构成的供电原理图

6.控制核心CPU勺选择

方案一：

市场上流通很多种类的单片机，在一般性能上都可以达到要求，例如AT89C51AT89C52等都可以用于控制小车，唯一缺点在于不能在线下载，造成了不便的烦恼,下载器，AT系列单片机价钱比较贵。

不利于小资本实验。

方案二:

STC系列单片机价钱容易接受，可以在线下载，下载器也比较容易购买到，方便携带应用。

例如，STC89C51其可以用于控制小车，性能功能上要比AT系列突出，因此,我选择了第二种方案，作为控制核心，以便控制小车。

如图1-5所示。

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1-5STC89C5引脚图

通过以上各部分方案比较，我们选择STC89C5作为控制核心器件、脉冲调制的反射式红外发射接收器作为寻迹和蔽障器件、采用普通直流电机来驱动小车、采用四个大功率晶体管组成H桥式电路驱动直流电机、采用CA358E运算放大器作为传感器核心部件、采用单一电源供电为整个系统供电。

整个系统我们做了细心的比较、与现实情况相联系起来，最终选取的。

二、硬件设计

如下图1-6所示，是本次设计机器人的电路框图。

以STC89C5伪电路的中央处理器，来处理传感器采集来的数据，处理完毕之后以便去控制电机驱动电路来驱动电机。

电源部分是为整个电路模块提供电源，以便能正常工作。

1-6机器人的电路框图

1.CPU中央处理器的设计

STC89C5是40脚的集成芯片如下图1-7所示。

可以在线下载，减少了插拔芯片的工作。

图1-7-1，是本芯片部分管脚的说明框图。

根据我们设计的电路的要求，为了保证芯片和电路能正常的工作，选择了12.0000MHz晶振，和两个30pF的电容作为中央处理理器的时间标准，这样就保证了正常的工作时序。

如图1-7-2所示。

本芯片的40和20脚分别是接五伏电源的正负极，在接入电源之前，40脚处

并接了103和10微法的电容以保证电路能正常工作，防止从电源外界来的干扰，以免造成死

机。

这样芯片就能正常地工作了。

为了便于下载另外外接了一个4芯的下载口如图1-7-2所示，下载口的1和2脚分别接于单片机的TXD和RXD管脚，下载口的3和4脚分别接正五伏和地。

本次设计，所用到芯片的管脚是P1和P2口，P1.0主要是为传感器发送脉冲调制信号，P1.1~P1.6控制电机驱动芯片293,P2.0~P2.3是接受从传感器发送来的信号。

P2.4是寻迹和蔽障的切换口。

具体内容请参照总的电路原理图（1-

主要功能是控制电机和传感器，处理从传感器发送来的信号

1-7STC89C51引脚图，以及晶振连接图

PortPin

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1-7-1部分引脚说明

2•寻迹、避障检测设计与实现

工作原理

寻迹和避障所用的的传感器电路如下图1-8所示。

其工作原理：

V1三极管的基极通过从单片机P1.0口发送的的脉冲调制信号，控制发光二极管发送信号。

当接收二极管D2接

收到发送来的信号，立刻导通去给由C1、R6组成的微分电路充电，这样便给运算放大器同相端传输信号，运算放大器度信号进行放大后送入第二个运算放大器组成的比较器，进行调制电平以便单片机所能接受。

控制V3导通输出低电平让单片机处理信号并控制其它电路。

反之,无光照时，输出高电平。

对其进行调试时，可以通过，改变R2电阻的阻值来改变其灵敏度，或者改变R4R5R6的阻值去控制传感器的灵敏度。

寻迹应用

当检测到黑线时，红外光敏二极管接收到反射回来红外光，其输出立即发生高低点平转换，该信号经放大器放大后送到单片机进行分析处理。

然后将处理后的结果发送到电机驱动模块，进行校正。

为了保证小车沿黑线行驶，采用了两个检测器进行并行排列，左右方向都可以进行控制，控制精度得以提高。

在小车行

走过程中，诺向左方向偏离黑线，则右侧的探头就会检测到黑线，把信号传送到单片机。

进行处理校正。

控制其向右转，反之，向左转。

避障的应用

避障与寻迹的设计原理是相同的，区别在于传感器的灵敏度不同，蔽障的灵敏度要比寻迹的灵敏度高，只要小车前方有障碍物，红外线通过障碍物反射到光敏管，传感器输出低点平，发送到单片机进行处理，然后单片机处理后去控制小车运行和方向。

传感器中的运放

我们在这里选择的是CA358E运算放大器，一般情况下可以运用到本次设计当中。

在

性能上虽然比258运算放大器略有缺点。

但可以满足我们的要求。

如下图1-8-1所示。

CA358E简介

CA358E芯片是8脚DIP封装形式，有两组运算放大器组成，5伏供电如图1-8-1所示1脚是第一个运算放大器的输出端，2和3脚分别是第一个运算放大

1OUT[

I

J8

VCC

1IN-

2

1

2OUT

1IN+

3

6

2IN-

GND[

4

5

2IN+

1-8-1CA358E引脚图

器的反相输入和同相输入，第4脚是地线接口，5和6脚是第二个运算放大器的同相输入和反相输入，第7脚是第二个运算放大器的输出端，8脚是正5伏输入端。

3•电动机驱动电路设计与实现

293集成芯片由四大功率管组成H桥式电路。

是十六脚封装的直流电机驱动电路芯片，能够同时驱动两个直流电机。

图1-9-1是293的逻辑关系图表，根据1-9和1-9-1，我们可以使用293集成芯片了。

使用原理

293的使用非常简单，如图1-9所示，管脚1、2、7、9、10、15是用来控制电机动、停的关键，是由单片机的P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6控制的。

前三个管脚是用来控制第一个电机，后三个是用来控制第二个电机的。

当使能端1或9脚接收到单片机发送的

高电平时，芯片就可以由2、7或10、15脚分别控制两个电机正反转。

如果，2、7同时为高或低电平时电机停止运转。

只要这两个管脚电平不同电机就可以运转，10、15两个管脚同2、

7一样。

293芯片的输出分别是3、6脚和11、14脚。

其余的4、5、12、13是接地用的，VSSVS分别接5V、8V。

四大功率管分为两组，交替到通截止，以保证小车完成前进和后退、左、右转弯等运行动作。

原理图如1-9-2所示。

是具体的电路连接图，各个管脚都有标注，电机分别连接在out1、out2和out3、out4其余分别于单片机和电源部分连接。

1-9、293芯片图

1-9-1、293逻辑图

1-9-2293基本连接图

5.电源部分的设计

电源采用了两块手机电池供电，之后通过470uF和104滤波之后经1117整流后再次经47uF电容滤波输出平稳的5伏电压。

如下图1-10所示。

如图1-11所示，是本次设计的整体电路原理图，本电路是由四个同样的传感器电路、电源部分、控制部分（单片机）、电机驱动四大部分组成。

三、软件设计

硬件设计焊接完毕后，进行调试无误，根据老师基本的要求和自己的发挥，联系硬件结构进行编程，运算。

在编程之前首先将程序框图编写出来。

然后根据程序框图和硬件电路进行编程调试，如下图所示分别是总程序框图、寻迹子程序框图、避障子程序框图。

程序编写的同时，必须根硬件相联系起来，负责达不到原想的效果。

编完一段的下载到芯片上去进行软硬件调试，调试到与原本效果相同为止。

下面是部分程序，因为篇幅的关系只将部分程序载入，仅供参考。

主程序框图

r.

：

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Rl1

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P2.0

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炽-g-i"'I".

T^FKfT

—

二

右料

避障子程序

寻迹子程序

程序全文：

;系列单片机

・******************************************************

J

;*自定义头文件

区

・******************************************************

CLK

EQUP1.0

;脉冲为传感器提供脉冲

ENA

EQUP1.1

;293第一个使能端

INA1

EQUP1.2

;293第一个输入

INA2

EQUP1.3

;293第二个输入

ENB

EQUP1.4

;293第二个使能端

INB1

EQUP1.5

;293第三个输入

INB2

EQUP1.6

;293第四个输入

LBZ

EQUP2.2

;左避障

RBZ

EQUP2.3

;右避障

LXJ

EQUP2.0

;左寻迹

RXJ

EQUP2.1

;右寻迹

.******************************************************

J

;*入口向量

区

.******************************************************

LJMPGAA01

ORGOOOBH

LJMPGAC01

*******************

；TO定时器中断（）

・・***********************************

;*主程序

区

.******************************************************

ORG0060H

GAA01:

CLRP2.5

;寻迹与蔽障传感器切换开关，0为寻迹

SETBP2.6

;指示灯，亮为寻迹，灭为蔽障

SETBP2.4

;蔽障寻迹开关，0为蔽障

MOVR2,#022H

;R2、R3R4是寻迹定时器

MOVR3,#0FFH

MOVR4,#0FFH

MOVR5,#30H

MOVSP,#5FH

;堆栈指针

MOVAUXR,#01H;内寄存器，关ALE

MOVTMOD,#01H

MOVIE,#082H

CLRP2.5

SETBTR0

JNBP2.4,BZ

LCALLYS2

JNBP2.4,BZ

判断是寻迹还是蔽障

LCALLXHH

;寻迹子程

;反向

LCALLFXXJ0

LCALL

TZ

LCALL

UU

LCALL

FXXJ0

LCALL

TZ

LCALL

UU

；停止

；前进

MOVR2,#022H

MOVR3,#OFFH

MOVR4,#02HLCALLYHDMOVR2,#02H

MOVR3,#01FH

MOVR4,#O2H

LCALL

XHH

LCALL

FXXJ1

LCALL

TZ

LCALL

UU

LCALL

FXXJ1

LCALL

UU

;R2、R3R4是寻迹定时器

LCALLXHH

；右换道

;R2、R3R4是寻迹定时器

；寻迹

；反向

LCALLTZ

MOVR2,#021H

MOVR3,#0FFH

LCALLXHH

；寻迹

BZ

LCALL

XHH

LCALL

FXXJ0

LCALL

UU

LCALL

FXXJ0

LCALL

TZ

LCALL

UU

MOVR2,#031H

MOVR3,#0FFH

LCALL

XHH

LCALL

JSDY

MOVR2,#021H

LCALL

QJ

LCALL

TZ

MOVR3,#OFFH

JB

SETB

P2.5

CLR

JB

LCALL

JB

LJMP

；左反向

MOVR3,#0FFH

；前进

LCALL

TZ

P2.4,$

；蔽障

P2.6

YS1

P2.4,GAA12

P2.4,GAA12

BZZGAA12:

LJMP

GAA01

BZZ:

MOVR4,#00H

SETBC

GAA22:

JBP2.4,GAA12

MOVR2,#02FH

MOVR3,#02FH

LJMPGAA021

GAA021:

JBLBZ,GAA23

HT1:

LCALLDD

LCALL

LCALL

LCALL

LCALL

LCALLYS2

YS2

YS2

RR3

YS2

JNBRBZ,HT1

LCALLYS2

JNBRBZ,HT1

LCALLRR2

YS2

JNBRBZ,HT1LCALL

JNBRBZ,HT1

LCALLYS2

JNBRBZ,HT1

DJNZR2,GAA021

LJMPGAA22

GAA23:

JBRBZ,GAA24

GAA24JB

LCALL

YS2

LCALL

YS2

LCALL

YS2

JNB

LBZ,HT;

LCALL

YS2

JNB

LBZ,HT;

LCALL

LL2

JNB

LBZ,HT;

LCALL

YS2

JNB

LBZ,HT;

LCALL

YS2

DJNZ

R3,GAA23

LJMP

GAA22

RXJ,GAA25

LCALL

UU

LCALL

YS2

LCALL

YS2

LCALL

YS2

LCALL

YS2

LCALL

YS2

LCALL

FXXJ

LJMP

GAA22

LCALL

JNB

LCALL

LL3

LBZ,HT;

YS2

GAA112:

JNB

LBZ,GAA113

M0VR4,#00H

LJMP

GAA22

BJ:

JC

GAA112

SETB

C

LCALLFXXJN

LJMP

GAA22

GAA113:

JB

RBZ,HHH

INC

R4

CJNE

R4,#02H,BJ

LJMP

GAA112

HHH:

LJMPGAA22

中断服务程序

区

；=================寻迹子程序

=========================GAA02:

JBLBZ,GAA03

LCALLRR1

LJMPGAA02

GAA03:

JBRBZ,GAA04

LCALLLL1

LJMPGAA02

LJMPGAA02

RR1

GAA05:

JNBRXJ,GAA06LCALL

LJMPGAA02

GAA06:

LCALLUU

RET

；=============寻迹正===============

XHH:

LCALLGAA02

LCALL

GAA02

JNB

P2.4,BZ1