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毕业设计运水机器人
理工类
本科生毕业设计(论文)
(2011届)
题目:
运水机器人
学院:
数理与信息工程学院
专业:
电子信息工程
学生姓名:
叶程学号:
07220140
指导教师:
张浩然职称:
教授
合作导师:
职称:
完成时间:
2011年04月23日
成绩:
浙江师范大学本科毕业设计(论文)正文
运水机器人
数理与信息工程学院电子信息工程专业叶程(07220140)
指导老师:
张浩然(教授)
摘要:
本系统在以C8051F020单片机为主控制核心的监控下实现小车自动运水各项功能。
在给水模块中,采用C8051F330单片控制水泵来实现定时定量给水功能。
利用红外收发传感器检测黑色引导线,来引导小车前进、后退、停止;利用超声模块波实现小车蔽障;采用主控单片机的PWM波输出控制左右直流电动机转速,从而改变小车的运动状态及转向;利用两个舵机来实现小车自动卸水功能;NRF24L01无线发射接收模块实现小车平台和给水站台间的数据传输;采用车载液晶mzlh12864实现小车运水量和运水时间的显示。
本系统硬件配置合理,控制方案优化,实现了小车在不同外部环境下的准确控制。
关键词:
C8051F020;红外传感器;无线收发模块;舵机;蔽障
Waterrobot
YechengDirector:
ZHANGHaoran
(CollegeofMathematics,PhysicsandInformationEngineering,ZhejiangNormalUniversity,Jinhua)
Abstract:
C8051F020SCMinthissystemasthecoretocontrolthemonitoringmainlyrealizeC8051F020SCMinthissystemasthecoretocontrolthemonitoringmainlyrealizeprecisecontrolofcar.Inthewatersupplymodule,usingC8051F330single-chipcontroltorealizethefunctionofwaterpump,Usingtheinfraredemissiontestforpipereceivesblackguidelinetoguidethecartostop,forward,backward,Ultrasonicwaveconditiondeclivitouscar;realizingmodules,DirectMCUcontrolPWMoutputportdcspeedandturnaround,thuschangingtheAnglemotionandsteeringcar,Usingtwosteeringgeartorealizethefunctionofwaterdischargecar,NRF24L01wirelesstransmittingreceivingmodulesrealizecarplatformsandwaterofdatatransmissionbetweenplatform,Mzlh12864achievecartransportvehiclecrystalwaterandwatertimedisplay.Thehardwareconfigurationandcontrolschemeoptimization,reasonablerealizedthecarindifferentexternalenvironmentaccurately
Keywords:
C8051F020;Infraredsensor;Wirelessmodule;steering;keepawayfromobstacles
1引言
在最近几年,随科学技术的进步,智能化和自动化技术越来越普及。
本设计就把这一设想基本变成了现实,小车利用传感器实现了对小车的智能控制使它可以沿地面黑线行走,实现了对机器人运送水的基本智能控制。
1.1课题研究背景
本课题为应用型课题,来源于时下科学界较热门的话题:
现今汽车电子正在迅猛发展,智能车涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技,这对进一步深化高等工程教育改革,培养本科生获取知识、应用知识的能力及创新意识,培养学生从事科学、技术研究能力,培养学生动手能力、技术创新具有重要意义。
在当今劳动力昂贵,智能化快速发展的时代里智能化机器人的出现显得尤为重要。
同时运水也是我们生活生产中必不可少的部分,由此社会急切希望出现一种快速运水的机器人设备。
世界各国在智能微型车领域进行了很多研究,己经应用于各个领域,在探测和军事领域使用特别多。
近年来,我国也开展了很多研究工作,以满足不同用途的需要。
随着汽车工业的迅速发展,关于汽车的研究也就越来越受人关注。
全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目,全国各高校也都很重视该题目的研究。
可见其研究意义很大。
智能小车是智能行走机器人的一种,这种智能小车可以适应不同环境,不受温度、湿度、空间、磁场辐射、重力等条件的影响河以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。
1.2系统功能和指标
本系统主要设计一套自动送水机器人系统,由送水机器人(以下简称小车)将水从A区通过B区运至C区。
该系统包括A区的自动(或手动)给水装置;往返于A、C区之间的小车;C区存水装置;固定底板。
如下图所示:
图1-1参考图(单位:
mm)
1.2.1系统功能
(1)小车能完成运水和自动贮水功能。
(2)小车可显示运水量和运水时间。
(3)小车上的贮水器水溢出时有自动报警功能。
(4)在1分钟内运送尽可能多的水。
(5)小车及安放的运水容器总垂直高度不得超过300mm,小车上的储水装置容量小于等于600ml,口径小于100mm。
小车所载的水卸到C容器采用自动贮水。
(6)A区给水采用自动方式完成。
(7)小车在1分钟内完成100ml定量自动取水、送水和贮水。
(8)小车在尽可能短的时间内,完成1000ml自动取水,送水和贮水。
(9)小车在1分钟内运送100ml水时必须绕过D障碍物(放置在B区,距黑色引导线5cm的任意一点,直径为5cm,高度10cm的黑色园柱体)。
1.2.2系统指标
(1)小车在1分钟内完成100ml准确度:
定量自动取水、送水和贮水。
误差<5%。
(2)小车运水1000ml自动取水,送水和贮水精度:
误差<5%。
(3)小车平均运水速度>1000ml/1分钟
2设计任务与方案论证
2.1设计任务
运水车模块包含以下部分,用来实现小车的循迹,无线数据收发,自动卸水,运水量、运水时间实时显示、贮水溢出自动报警、蔽障等功能。
表2-1运水车模块设计任务
设计任务
功能及要求
注水模块
小车能够自动的进行注水
卸水部分
小车能够自动的进行卸水
MCU部分
完成数据处理、计算,控制小车与主控台的正常通信
循迹部分
实现小车正确的前进后退
报警部分
当有水溢出时,进行声光报警
显示部分
对运水量,运水时间进行实时显示
无线部分
能够与主控台进行数据的无线传输
2.2系统总体方案
运水机器人系统整体框图如下图所示:
图2-1运水机器人系统总体框图
基于题目要求实现的各项功能及难易程度,在车辆选择上,对坦克模型车进行简单改装,车辆性能良好,易于控制,运行稳定。
在处理器方面,运水机器人采用C8051F020单片机作为核心的控制系统,结合C8051F330单片机实现小车沿黑线正常运水、无线数据收发、自动贮水、运水量、运水时间实时显示、贮水溢出自动报警、蔽障等功能。
模块电路主要包括:
引导线检测电路、报警电路、电机驱动电路、无线收发电路、键盘和液晶显示电路、蔽障电路等。
给水装置与小车之间采用两块C8051F330单片机及外围电路实现无线数据收发。
2.3循迹模块部分方案
循迹模块是整个设计的关键部分,小车能够按照黑线运行到目的地位置是运水过程能够顺利完成的重要环节。
小车首先能够按照黑线路径行驶,其次能够准确检测判断起点和终点。
为了能够实现小车的这些功能。
我们需要制作循迹电路。
考虑几种方案如下。
方案一:
采用红外反射式探测。
用红外对管发射红外线垂直射到板面,白色会反射大部分红外线,黑色吸收大部分红外线。
红外对管在黑白交界处产生跳变信号,信号经过电压比较器处理后送入单片机可以在程序里实现相应的功能。
方案二:
采用多路阵列式光敏电阻组成的光电探测器。
光敏电阻探测到黑线时,黑线上方的电阻值发生变化,经过电压比较器比较,将信号送入单片机处理,从而控制小车做出相应的动作,考虑到室内、室外、白天和黑夜光线强度不同,光敏电阻阻值变化不同,因此运水小车的设计对环境的要求较高,增加了问题复杂性。
经过测试,方案一对环境的适应性较强。
因此,我们采用了方案一。
在这里我们采用红外发射管和红外接收管一对一配对使用。
由于检测路线都为直线,我们这里采用四对红外收发管构成一组循迹电路。
我们将红外发射管和一个500欧姆电阻限流电阻串联构成红外发射电路。
将红外接收管和一个100K电阻构成红外接收到电路,当D0红外管照射到白线时反射回接收管内的红外光比较多时,红外接收管阻抗较低,O0输出较高的电压信号,经过比较器后可输出高电平。
当D0红外对管照射到黑线时反社会接收管内的红外光比较少,红外接收管阻抗较高相当于开路,O0输出较低的电压信号,经过比较器后可输出低电平。
具体硬件电路连接图如图2-2,图2-3所示。
图2-2红外收发管电路
图2-3比较器连接图
由于本设计中小车需要来回运水,为了实现小车在前进和后退过程中都能遵循黑线轨迹,我们需要在小车前后各方一组红外传感器电路。
2.4MCU部分
2.4.1方案论证
MCU是整个系统的处理中心,它实现采集和处理传感器数据,控制无线收发模块收发数据,控制显示设备显示系统相关数据等功能。
由于MCU实现功能相对校对较多,是系统的处理中心,也是整个设计的核心。
常用的MCU有51系列的AT89C51单片机,c8051f020单片机等,有图为AT89C51单片机的引脚图。
对MCU的选取我们也综合分析了几种方案。
图2-4单片机引脚图
方案一:
采用MCSE-51系列单片机。
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机,片内含2kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128bytes的随机数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元。
传统的51单片机具有价格低廉,使用简单等特点,但存在预算速度低,功能单一,RAM,ROM空间小等缺点。
方案二:
C8051F020。
C8051F020是完全集成的混合信号片上系统MCU,其控制器内核与MCS-51指令完全兼容。
C8051F020采用流水线结构,最高处理速度可达25MIPS特别适合用于对实时性要求极高的控制系统。
同时C8051f020内置锁相环电路和看门狗电路提高了系统的稳定性。
多个I/O口和丰富的外设资源使得C8051f020单片机使用更加方便使用。
为了能够实现系统的快速处理传感器数据要求,本设计采用方案二C8051F020作为系统的处理芯片。
2.5电机驱动部分方案
控制电路的输出信号一般都比较小,不足以带动大功率器件工作,因此往往需经过多级放大才能满足要求。
通常其前置级是电压放大级,最后一级是功率放大级,把前置级送来的低频信号经功率放大,以获得足够大的功率输出,去推动负载工作。
电机是一种大功率器件,单片机不能提供大电流来驱动电机工作。
因此单片机需要配合驱动电路来驱动电机,才能控制小车的前进与后退。
电机驱动电路方案对比如下。
方案一:
单片机通过对继电器的控制实现对电机的控制,端口的不同状态可以实现电机的正转、反转、调速等功能。
由于继电器是机械式开关,响应时间慢,使小车运动的灵敏度降低,限制了单片机的PWM波控制功能。
方案二:
采用集成的驱动芯片L298,该芯片具有体积小,驱动电流大,可靠性安全性高,抗干扰能力强等优点,内置过热保护电路等特点,是常用的电机驱动芯片。
适合小车的运动。
同时一片L298具有四路独立的电机驱动电路,能够同时驱动4个电机。
如需增大驱动电流还可以将两路并联成一路使用。
经过比较,集成的驱动电路芯片相对于继电器有较大的电流驱动能力,连接方便,简单,可很方便地实现电机的转速控制、制动以及舵机的方向转动角控制。
综合以上特点,此模块选择L298驱动直流电机。
电机驱动电路是单片机控制信号的数字信号和电机驱动信号的模拟信号相互衔接的地方。
为了减少电机运行过程中对单片机的影响,增加系统的稳定性,我们用光耦芯片将单片机控制信号与模拟信号隔离开。
具体硬件电路连接图如图2-5所示。
图2-5电机驱动电路
在电机驱动模块的输出端口,本设计还增加了二极管保护电路。
2.6卸水装置
卸水装置是完成将小车内部水卸入到储水容器中的装置。
卸水装置的选取不仅关系到电路的难易程度,同时也会影响运水小车的运水效率。
下面比较几种常用的卸水方案。
方案一:
采用水泵将小车上的水直接抽到储水装置中。
水泵控制简单,而且速度较快,效率较高,但是采用水泵时,由于水泵安装位置的限制,必定不可能将小车上的水完全抽干,从而造成小车上都会滞留一定量的水,会对运水总量引起误差。
方案二:
采用舵机控制的简单机械臂结构。
舵机带动机械臂运动,将处于水平位置的水杯抬高,并使水杯在上抬的过程中呈竖直状态保证水不溢出杯口,抬至最高点后,利用舵机控制水杯转向,使水注入储水装置中。
该方案的卸水速度更加迅速,电路也比较简单。
经过比较,结合选择的单片机有直接的PWM输出通道资源,所以方案二的控制更加简单,而且卸水的速度更加快,故选择方案二。
2.7液晶显示模块
方案一:
采用LCD1602液晶显示。
1602结构简单,编程也较简单,但是一般只用于显示有限的数字和符号,显示能力有限。
1602采用并口方式进行数据传输,占用端口比较多。
不能满足本设计复杂的显示要求。
方案二:
采用SMG12864ZK液晶显示。
128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块,可显示汉字及图形,内置国标GB2312码简体中文字库(16X16点阵)、128个字符(8X16点阵)及64X256点阵显示RAM(GDRAM)。
可与CPU直接接口,提供两种界面来连接微处理机:
8-位并行及串行两种连接方式。
具有多种功能:
光标显示、画面移位、睡眠模式等。
由于题目要求实时显示小车运动状态、运动时间、运水量及设定给水量等复杂显示,同时SMG12864液晶采用SPI通信方式传输数据能够节省IO口占用数量。
故选择方案二。
2.8无线传输方案
为了满足本设计数据的双向传输功能,我们需要选用NRF24L01无线收发模块实现小车与给水区之间的数据传输。
在给水系统主控台中用一块单独的c8051f330控制此收发模块,运水小车系统上用c8051f020控制此模块。
利用NRF24L01与单片机的巧妙结合既可以减轻小车的负重,又可对小车实现远程控制。
2.9主控台方案
在本设计中除了运水小车部分,还包括主控台部分。
主控台部分包括MCU电路,电磁阀控制电路,无线收发电路。
主控台部分的MCU配置无线收发模块接收运水车发送的数据,根据数据控制注水水阀的开关,实现小车系统的自动注水过程。
本模块采用C8051F330作为主控芯片。
C8051f330体积小,处理速度快,自带SPI通信模块,能够和无线通信模块nrf24l01的SPI引脚相互兼容。
2.10方案确定
经过不断分析、验证已经查找资料,最终确定了小车部分和主控台设计方案。
如下表所示:
表2-2各功能部分主要元器件
功能部分
主要器件
无线通信模块
NRF24L01
小车部分MCU
C8051F020单片机
主控台部分MCU
C8051F330单片机
循迹部分电路
光电传感器
液晶显示电路
SMG12864ZK液晶显示
电机驱动电路
L298驱动电路
卸水部分
舵机卸水装置
3单元电路设计
本设计采用C8051F020单片机作为整个系统的控制核心,负责系统运行过程中的数据处理、计算、直流电机的控制、无线收发器件的读写。
3.1C8051F020系列单片机简介
3.1.1系统概述
C8051F020器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片,具有64个数字I/O引脚(C8051F020/2)或32个数字I/O引脚(C8051F021/3)。
下面列出了一些主要特性;
●高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核(可达25MIPS)
●全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)
●真正12位(C8051F020/1)或10位(C8051F022/3)、100ksps的8通道ADC,带PGA和模拟多路开关
●真正8位500ksps的ADC,带PGA和8通道模拟多路开关
●两个12位DAC,具有可编程数据更新方式
●64K字节可在系统编程的FLASH存储器
●4352(4096+256)字节的片内RAM
●可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口
●硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口
●5个通用的16位定时器
●具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列
●片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器
具有片内VDD监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的C8051F020/1/2/3是真正能独立工作的片上系统。
所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。
FLASH存储器还具有在系统重新编程能力,可用于非易失性数据存储,并允许现场更新8051固件。
片内JTAG调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式(不占用片内资源)、全速、在系统调试。
该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器,支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。
在使用JTAG调试时,所有的模拟和数字外设都可全功能运行。
每个MCU都可在工业温度范围(-45℃到+85℃)内用2.7V-3.6V的电压工作。
端口I/O、/RST和JTAG引脚都容许5V的输入信号电压。
3.1.2CIP-51TMCPU
(1)与8051完全兼容
C8051F020系列器件使用SiliconLabs的专利CIP-51微控制器内核。
CIP-51与MCS-51TM指令集完全兼容,可以使用标准803x/805x的汇编器和编译器进行软件开发。
CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件,包括5个16位的计数器/定时器、两个全双工UART、256字节内部RAM、128字节特殊功能寄存器(SFR)地址空间及8/4个字节宽的I/O端口。
(2)速度提高
CIP-51采用流水线结构,与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。
在一个标准的8051中,除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期,最大系统时钟频率为12-24MHz。
而对于CIP-51内核,70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期,只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。
CIP-51共有111条指令。
下表列出了指令条数与执行时所需的系统时钟周期数的关系。
表3-1周期数与指令数
CIP-51工作在最大系统时钟频率25MHz时,它的峰值性能达到25MIPS。
(3)增加的功能
C8051F020系列MCU对CIP-51内核和外设有几项关键性的改进,提高了整体性能,更易于在最终应用中使用。
扩展的中断系统向CIP-51提供22个中断源(标准8051只有7个中断源),允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。
一个中断驱动的系统需要较少的MCU干预,因而有更高的执行效率。
在设计一个多任务实时系统时,这些增加的中断源是非常有用的。
MCU可有多达7个复位源:
一个片内VDD监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器0提供的电压检测器、一个软件强制复位、CNVSTR引脚及/RST引脚。
/RST引脚是双向的,可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到/RST引脚。
除了VDD监视器和复位输入引脚以外,每个复位源都可以由用户用软件禁止;使用MONEN引脚使能/禁止VDD监视器。
在一次上电复位之后的MCU初始化期间,WDT可以被永久性使能。
MCU内部有一个独立运行的时钟发生器,在复位后被默认为系统时钟。
如果需要,时钟源可以在运行时切换到外部振荡器,外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、RC或外部时钟源产生系统时钟。
时钟切换功能在低功耗系统中是非常有用的,它允许MCU从一个低频率(节电)外部晶体源运行,当需要时再周期性地切换到高速(可达16MHz)的内部振荡器。
3.1.3片内存储器
CIP-51有标准的8051程序和数据地址配置。
它包括256字节的数据RAM,其中高128字节为双映射。
用间接寻址访问通用RAM的高128字节,用直接寻址访问128字节的SFR地址空间。
数据RAM的低128字节可用直接或间接寻址方式访问。
前32个字节为4个用寄存器区,接下来的16字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。
C8051F020/1/2/3中的CIP-51还另有位于外部数据存储器地址空间的4K字节的RAM块和一个可用于访问外部数据存储器的外部存储器接口(EMIF)。
这个片内的4K字节RAM块可以在整个64K外部数据存储器地址空间中被寻址(以4K为边界重叠)。
外部数据存储器地址空间可以只映射到片内存储器、只映射到片外存储器、或两者的组合(4K以下的地址指向片内,4K以上的地址指向EMIF)。
EMIF可以被配置为地址/数据线复用方式或非复用方式。
MCU的程序存储器包含64K字节的FLASH。
该存储器以512字节为一个扇区,可以在系统编程,且不需特别的外部编程电压。
从0xFE00到0xFFFF的512字节被保留,由工厂使用。
还有一个位于地址0x10000-0x1007F的128字节的扇区,该扇区可作为一个小的软件常数表使用。
3.1.4JTAG调试和边界扫描
C8051F020系列具有片内JTAG边界扫描和调试电路,通过4脚JTAG接口并使用安装在最终应用系统中的产品器件就可以进行非侵入式、全速的在系统调试。
该JTAG接口完全符合IEEE1149.1规范,为生产和测试提供完全的边界扫描功能。
SiliconLabs的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器,支持断点、观察点、堆栈指示器和单步执行。
不需要额外的目标RAM、程序存储器、定时器或通信通道。
在调试时所有的模拟和数字外设都正常工作。
当MCU单步执行或遇到断点而停止运行时,所有的外设(ADC和SMBus除外)都停止运行,以保持与指令执行同步。
开发套件C8051F020D
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