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1、智能避障機(jī)器人設(shè)計(jì)與研究（硬件） 摘 要 在科學(xué)探索和緊急搶險(xiǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到對(duì)一些危險(xiǎn)或人類不能直接到達(dá)的地域的探測(cè)，這些就需要用機(jī)器人來完成。而機(jī)器人在復(fù)雜地形中行進(jìn)時(shí)自動(dòng)避障是一項(xiàng)必不可少也是最基本的功能。因此，自動(dòng)避障系統(tǒng)的研發(fā)就應(yīng)運(yùn)而生。自動(dòng)避障機(jī)器人就是基于這一系統(tǒng)開發(fā)而成的。隨著科技的發(fā)展，對(duì)于未知空間和人類所不能直接到達(dá)的地域的探索逐步成為熱門，這就使機(jī)器人的自動(dòng)避障有了重大的意義。自動(dòng)避障機(jī)器人可以作為地域探索機(jī)器人和緊急搶險(xiǎn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，讓機(jī)器人在行進(jìn)中自動(dòng)避過障礙物。 本文提出了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的智能避障機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，采用了小車底盤作為載體、直流電機(jī)作為執(zhí)

2、行元件、紅外傳感器作為檢測(cè)元件、STC89C52單片機(jī)作為主控芯片、L298N作為驅(qū)動(dòng)芯片和穩(wěn)壓電源芯片完成了檢測(cè)電路設(shè)計(jì)、主控電路設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)等硬件設(shè)計(jì)和制作，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和綜合調(diào)試，解決了一系列的難題，成功實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)避障功能。 關(guān)鍵詞：智能避障機(jī)器人，紅外傳感器，單片機(jī)，L298N，PWM調(diào)速 THE DESIGN AND STUDY OF INTELLIGENT OBSTACLE AVOIDANCE ROBOT(HARDWARE) ABSTRACT In scientific exploration and emer

3、gency rescue often encounter some danger or human can not directly reach the area of detection, these will need to use the robot to complete. The robots automatic obstacle avoidance movement in complex terrain is an essential and most basic function. Therefore, the automatic obstacle avoidance syste

4、m development is made. Automatic obstacle avoidance robot development based on this system is made of. With the development of technology for the unknown space and mankind can not be directly accessible to gradually become a hot area of exploration, which makes the automatic obstacle avoidance robot

5、 has great significance. Automatic obstacle avoidance robot can serve as a regional exploration and emergency rescue robot system that allows robots to automatically avoid obstacles in the road. This paper presents an economical and practical design of intelligent obstacle avoidance robot system,

6、using the car chassis as the carrier, the DC motor as the actuator, infrared sensors as detection devices, STC89C52 microcontroller as the main chip, L298N as the driver chip and regulated power supply chip to complete the detection circuit design, master control circuit design, motor driver circuit

7、 design, voltage regulator circuit design of hardware design and production. A lot of simulation and integrated debugging have been done to the system and a series of problems have been solved. Finally, the automatic obstacle avoidance function is accomplished successfully. KEY WORDS：Intellige

8、nt obstacle avoidance robot, infrared sensor, MCU, L298N, PWMspeedadjusting 目　錄 前　言 1 第1章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 4 1.1 系統(tǒng)任務(wù)描述 4 1.2 控制系統(tǒng)要求 4 1.3 方案設(shè)計(jì)與論證 4 1.3.1 機(jī)器人載體選擇 4 1.3.2 主控制器選擇 5 1.3.3 傳感器選擇 5 1.3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)選擇 6 1.3.5 穩(wěn)壓電源選擇 7 1.3.6 智能小車最終方案 7 1.4 系統(tǒng)總體設(shè)

9、計(jì) 8 1.4.1 系統(tǒng)組成 8 1.4.2 系統(tǒng)工作原理 8 1.5 本章小結(jié) 9 第2章 硬件設(shè)計(jì) 10 2.1 主控電路設(shè)計(jì) 10 2.1.1 STC89C52單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)簡介 10 2.1.2 最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 15 2.2.1 智能小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求 15 2.2.2 直流電機(jī)調(diào)速原理 16 2.2.3 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理 17 2.3 障礙物檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 22 2.4 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 23 2.5 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì) 24 2.6 系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì) 25 2.7 本章小結(jié) 26 第3章 軟件設(shè)計(jì)簡介 27 3.

10、1 主程序模塊 27 3.1.1 程序控制設(shè)計(jì) 27 3.1.2 主程序流程圖 27 3.2 初始化模塊 29 3.3 延時(shí)模塊 29 3.4 中斷模塊 29 3.5 報(bào)警模塊 29 3.6 驅(qū)動(dòng)模塊 29 3.7 本章小結(jié) 30 第4章 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試 31 4.1 安裝步驟 31 4.2 系統(tǒng)調(diào)試 31 4.2.1 硬件調(diào)試 31 4.2.2 軟件調(diào)試 32 4.2.3 聯(lián)合調(diào)試 32 4.3 本章小結(jié) 32 結(jié)　論 33 參考文獻(xiàn) 34 致　謝 35 附　錄 36 前　言 1. 設(shè)計(jì)的依據(jù)與意義 機(jī)器人作為人類的新型生產(chǎn)工具，在減輕勞

11、動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率，改變生產(chǎn)模式，把人從危險(xiǎn)、惡劣、繁重的工作環(huán)境下解放出來等方面，顯示出極大的優(yōu)越性。機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，幾乎滲透到所有領(lǐng)域。 移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)的一個(gè)重要分支，而自主式移動(dòng)機(jī)器人是智能程度最高的機(jī)器人，是移動(dòng)機(jī)器人的重要發(fā)展方向。在科學(xué)探索和緊急搶險(xiǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到對(duì)與一些危險(xiǎn)或人類不能直接到達(dá)的地域的探測(cè)，這些就需要用機(jī)器人來完成。而在機(jī)器人在復(fù)雜地形中行進(jìn)時(shí)自動(dòng)避障是一項(xiàng)必不可少也是最基本的功能。因此，自動(dòng)避障系統(tǒng)的研發(fā)就應(yīng)運(yùn)而生。本設(shè)計(jì)的智能避障機(jī)器人就是基于這一系統(tǒng)開發(fā)而成的。安全避障具體的實(shí)現(xiàn)方法有很多種，主要有超聲避障、視覺避障、紅外傳感器、激光避障、接近覺

12、傳感器、微波雷達(dá)等避障方法。 隨著計(jì)算機(jī)、智能控制、傳感器技術(shù)、信息技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)等的進(jìn)一步發(fā)展，人們對(duì)機(jī)器人性能的要求也越來越高。智能機(jī)器人可以在“了解＂周圍環(huán)境的情況下自己進(jìn)行邏輯判斷和分析，在無人控制的情況下，自主完成任務(wù)。機(jī)器人在完成任務(wù)的過程中面臨著如何去檢測(cè)路面上的障礙物并選擇最佳的路徑繞開障礙物的問題，即移動(dòng)機(jī)器人的避障問題。對(duì)避障的研究具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，為交通運(yùn)輸業(yè)帶來巨大的變革，也為車輛的自主導(dǎo)航和無人駕駛車輛的實(shí)現(xiàn)提供了重要技術(shù)。 2. 國內(nèi)外同類設(shè)計(jì)的概況綜述 1962年第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人Unimate在美國通用汽車公司投入使用，標(biāo)志著第一代機(jī)器人的誕生?，F(xiàn)代

13、機(jī)器人從誕生到現(xiàn)在，已經(jīng)發(fā)展到了第三代。 第一代機(jī)器人主要指以“示教一再現(xiàn)”方式工作的機(jī)器人。示教內(nèi)容為機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的空間軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序等。 第二代機(jī)器人具有一定的感覺裝置，能獲取作業(yè)環(huán)境操作對(duì)象的簡單信息，通過計(jì)算機(jī)分析處理后，由機(jī)器人做一定的推理，對(duì)動(dòng)作進(jìn)行反饋控制，表現(xiàn)出低級(jí)的智能。 第三代機(jī)器人是指具有高度適應(yīng)性和自主決策能力的機(jī)器人，它具有復(fù)雜的感知和檢測(cè)功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯判斷、自主規(guī)劃和決策，在作業(yè)環(huán)境中獨(dú)行動(dòng)。 在國外，研究工作有： （1）室外幾種典型應(yīng)用的移動(dòng)機(jī)器人：由美國NASA資助研制的“丹蒂II”八足行走機(jī)器人，是一個(gè)能提供對(duì)高移動(dòng)性機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的

14、了解和遠(yuǎn)程機(jī)器人探險(xiǎn)的行走機(jī)器人。美國NASA研制的火星探測(cè)機(jī)器人索杰那于1997年登上火星，這一事件向全世界進(jìn)行了報(bào)道。德國研制了一種輪椅機(jī)器人，并在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環(huán)境和1998年漢諾威工業(yè)商品博覽會(huì)的展覽大廳環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)表演。 （2）高完整性機(jī)器人。意指機(jī)器人在工作時(shí)一定是正確的，并不一定要連續(xù)工作。 （3）遙控移動(dòng)機(jī)器人。 （4）環(huán)境與機(jī)器人集成。像人需要道路、交通信號(hào)燈等一樣，機(jī)器人為了在一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中行動(dòng)，也同樣需要基礎(chǔ)設(shè)施。 （5）生態(tài)機(jī)器人學(xué)（生物機(jī)器人學(xué)）。 （6）多機(jī)器人系統(tǒng)。主要是獲取機(jī)器人團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)和控制技術(shù)，并將其應(yīng)用于戰(zhàn)略重要情況

15、。 在國內(nèi)，對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究起步較晚，主要的研究工作有： （1）清華大學(xué)智能移動(dòng)機(jī)器人于1994年通過鑒定。 （2）中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所的AGV和防暴機(jī)器人。 （3）哈工大機(jī)器人技術(shù)有限公司開發(fā)研制成功了我國第一臺(tái)智能型服務(wù)機(jī)器人。采用了先進(jìn)的傳感系統(tǒng)（CCD攝像機(jī)、紅外、紅外等），智能水平很高，機(jī)器人帶有的視覺系統(tǒng)、語音系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)使其言行舉止更像人。 （4）2003年1月，中科院自動(dòng)化所成功研制開發(fā)了集多種傳感器、視覺、語音識(shí)別與會(huì)話功能于一體的智能移動(dòng)機(jī)器人。基本結(jié)構(gòu)由傳感器、控制器和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成。 綜上所述，移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)取得了很多可喜的進(jìn)展，研究成果令人鼓舞

16、，但還遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)用要求。隨著傳感技術(shù)、智能技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等的不斷提高，智能移動(dòng)機(jī)器人一定能夠在生產(chǎn)和生活中某種程度上扮演人的角色。 3. 課題設(shè)計(jì)的內(nèi)容 智能機(jī)器人是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制、傳感器、電子學(xué)、檢測(cè)等技術(shù)于一體的機(jī)器人。智能機(jī)器人的研究是目前科學(xué)領(lǐng)域的重要研究課題之一，智能機(jī)器人各方面性能的提高更是現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)。智能機(jī)器人能夠通過傳感器來感知外面的環(huán)境，并可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)決策的特性正是智能機(jī)器人性能的一個(gè)重要體現(xiàn)。本課題主要內(nèi)容是利用STC89C52RC單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)簡易智能機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)，并從硬件上予以實(shí)現(xiàn)。 本課題的研究主要包括以下主要內(nèi)容： 首先，利用

17、傳感器對(duì)移動(dòng)機(jī)器人周圍障礙物進(jìn)行探測(cè)，并及時(shí)傳輸給單片機(jī)；其次，確定移動(dòng)機(jī)器人的避障方法及其控制算法；最后，實(shí)物進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的實(shí)時(shí)避障。 研究開發(fā)出一套簡易智智能避障機(jī)器人，要實(shí)現(xiàn)的主要目標(biāo)有： (1) 利用STC89C52RC單片機(jī)設(shè)計(jì)出智能機(jī)器人的硬件系統(tǒng)。 (2) 進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的論證和總體設(shè)計(jì)。 (3) 進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。 (4) 完成硬件電路板的PCB設(shè)計(jì)和調(diào)試。 第1章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 1.1 系統(tǒng)任務(wù)描述 該系統(tǒng)的任務(wù)就是讓移動(dòng)機(jī)器人在行進(jìn)的過程中，能夠自動(dòng)檢測(cè)存在的障礙物、并且采取有效的避障措施。 1.2 控制

18、系統(tǒng)要求 該控制系統(tǒng)要滿足以下幾點(diǎn)要求： (1) 能對(duì)車體四周的環(huán)境進(jìn)行探測(cè)以獲得障礙物的存在情況。 (2) 實(shí)時(shí)性要求。 (3) 交互功能。主要是設(shè)定小車正常行進(jìn)、轉(zhuǎn)彎時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的速度；初始化系統(tǒng)時(shí)的一些參數(shù)設(shè)定。 (4) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)穩(wěn)速運(yùn)行要求。 (5) 控制系統(tǒng)工作可靠、耐用，抗干擾能力強(qiáng)。 1.3 方案設(shè)計(jì)與論證 1.3.1 機(jī)器人載體選擇 由于水平有限無法制作出雙足行走機(jī)器人，因此本設(shè)計(jì)選擇小車作為智能避障機(jī)器人的載體。 方案一：自己設(shè)計(jì)制作車架 自己制作小車底盤，用兩個(gè)直流減速電機(jī)作為主動(dòng)輪，利用兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速差完成直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、左后轉(zhuǎn)、右后轉(zhuǎn)、

19、倒車等動(dòng)作。減速電機(jī)扭矩大，轉(zhuǎn)速較慢，易于控制和調(diào)速，符合避障小車的要求。而且自己制作小車框架，可以根據(jù)電路板及傳感器安裝需求設(shè)計(jì)空間，使得車體美觀緊湊。但自己制作小車設(shè)計(jì)制作周期較長，且費(fèi)用較高。 方案二：購買玩具電動(dòng)車 玩具電動(dòng)車價(jià)格低廉，有完整的驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和控制單元，其中傳動(dòng)裝置是本設(shè)計(jì)所需的，縮短了開發(fā)周期。但玩具電動(dòng)車采用普通直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶負(fù)載能力差，調(diào)速方面對(duì)程序要求較高。同時(shí)，玩具電動(dòng)車轉(zhuǎn)向依靠前輪電機(jī)帶動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向完成，精度低。 綜合考慮到制作周期和精度問題，最終選擇了在淘寶購買小車車體零部件自己組裝。這樣不僅精度有保障，也增加了設(shè)計(jì)的靈活性。 1.3.2 主控

20、制器選擇 處理器可以選擇采用DSP或51單片機(jī)，DSP適合用于控制電機(jī)，功能強(qiáng)大。51單片機(jī)應(yīng)用廣泛，能滿足一般控制的需要。由于對(duì)51單片機(jī)比較熟練，價(jià)格便宜，而DSP控制相對(duì)而言復(fù)雜，故采用51單片機(jī)。 市場(chǎng)上流通很多種類的單片機(jī)，在一般性能上都可以達(dá)到要求，例如AT89C51、AT89C52等都可以用于控制小車，唯一缺點(diǎn)在于不能在線下載，造成了不便的煩惱，下載器，AT系列單片機(jī)價(jià)錢比較貴，不利于小資本實(shí)驗(yàn)。而STC系列單片機(jī)價(jià)錢容易接受，可以在線下載，下載器也比較容易購買到，方便攜帶應(yīng)用。故本設(shè)計(jì)采用STC89C52作為該智能小車控制模塊的核心，通過STC89C52利用程序來精確控制小

21、車的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的自動(dòng)控制，在對(duì)于智能小車的控制方面，STC89C52是一個(gè)超低功耗，和標(biāo)準(zhǔn)51系列單片機(jī)相比較具有運(yùn)算速度快，抗干擾能力強(qiáng)，支持ISP在線編程，片內(nèi)含8k空間的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀存儲(chǔ)器，具有256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)I/O口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器。其指令系統(tǒng)和傳統(tǒng)的8051系列單片機(jī)指令系統(tǒng)兼容，降低了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的難度，電路設(shè)計(jì)簡單、價(jià)格低廉。且在運(yùn)用過程中STC89C52的精確度和運(yùn)算速度也都完全符合系統(tǒng)的要求。 綜合以上分析選用了比較普通的且更為熟悉的STC89C52單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。 1.

22、3.3 傳感器選擇 方案一：使用超聲波傳感器 在壁障模塊中，可以選擇超聲波壁障。其優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)速度靈敏，距離遠(yuǎn)。但由于聲波衍射現(xiàn)象較嚴(yán)重，且波包散面太大，易造成障礙物的錯(cuò)誤判斷。超聲波受環(huán)境影響較大，電路復(fù)雜，而且地面對(duì)超聲波的反射，會(huì)影響系統(tǒng)對(duì)障礙物的判斷。 方案二：使用視頻采集處理裝置 使用CCD實(shí)時(shí)采集小車前進(jìn)路線上的圖像并進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸及處理，這是最精確的障礙物信息采集方案，可以對(duì)障礙物進(jìn)行精確定位和測(cè)距。但是使用視頻采集會(huì)大大增加小車成本和設(shè)計(jì)開發(fā)難度，而且考慮到本設(shè)計(jì)的小車只是進(jìn)行簡單的避障，因而使用視頻采集在實(shí)際應(yīng)用中是個(gè)很大的浪費(fèi)，所以本設(shè)計(jì)放棄了這一方案。 方案三：使

23、用紅外傳感器 使用紅外傳感器，這是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，其有效探測(cè)距離3~80cm可調(diào)，且抗外界背景光干擾能力強(qiáng)，價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便，可在日光下正常工作（理論上應(yīng)避免日光和強(qiáng)光源的直接照射）。 相比方案一與方案三，由于兩者價(jià)格相差不大，紅外傳感器體積更小，精度更高，反應(yīng)更快，因此，本課題將采用紅外傳感器來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的避障。 1.3.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)選擇 方案一：采用繼電器控制 采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對(duì)小車的進(jìn)行調(diào)整。此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢，易損壞，壽命較短，可靠性不高。 方案二：使用分立原件搭建

24、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 使用分立原件搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路造價(jià)低廉，在大規(guī)模生產(chǎn)中使用廣泛。但分立原件H橋電路工作性能不夠穩(wěn)定，較易出現(xiàn)硬件上的故障，故本設(shè)計(jì)放棄了這一方案。 方案三：使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī) L298N是一個(gè)內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流雙H橋式驅(qū)動(dòng)芯片，輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號(hào)，而且?guī)в惺鼓芏?，方便PWM調(diào)速，電路簡單，性能穩(wěn)定，使用比較方便。L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，正好符合本設(shè)計(jì)小車兩個(gè)二相電機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求。 因此，采用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 1.3.5 穩(wěn)壓電源選擇 方案

25、一：采用單一電源供電 這樣供電比較簡單，但是由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大，會(huì)造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成單片機(jī)系統(tǒng)掉電，使之不能完成預(yù)定行程。 方案二：采用雙電源供電 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源采用5節(jié)五號(hào)電池，單片機(jī)及其外圍電路電源采用5V鈕扣電池供電，兩路電源完全分開，這樣做雖然可以將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。但是不如單電源方便靈活。 由于本設(shè)計(jì)采用的L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板可以提供+5V輸出，可以方便給5V的單片機(jī)供電，因此采用單電源供電即可。只有給L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板供電大于6V時(shí)，才能輸出+5V電壓。綜合考慮到本設(shè)計(jì)采用的直流電機(jī)為強(qiáng)磁電機(jī)以及線

26、路壓降，因此本設(shè)計(jì)選擇了7.2V的鎳鎘充電電池組來供電。 1.3.6 智能小車最終方案 經(jīng)過上面的思考和分析最終確定智能避障小車的最終方案如下： (1) 采用STC89C52單片機(jī)作為整個(gè)電路的控制核心。 (2) 采用可充電鎳鎘電池組提供基準(zhǔn)電源。 (3) 采用小車底盤作為機(jī)器人載體，強(qiáng)磁直流減速電機(jī)作為小車系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 (4) 采用電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L298N作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。 (5) 采用紅外傳感器進(jìn)行障礙檢測(cè)。 1.4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 1.4.1 系統(tǒng)組成 系統(tǒng)組成框圖如圖1-1所示。 直流電機(jī) STC89C

27、52 控制模塊 障礙物檢測(cè)模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 穩(wěn)壓電源模塊 報(bào)警模塊 圖1-1 系統(tǒng)組成框圖 1.4.2 系統(tǒng)工作原理 智能避障機(jī)器人采用小車底盤作為載體。小車采用前輪驅(qū)動(dòng)，前輪左右兩邊各用一個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，分別控制兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)從而達(dá)到轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬向輪，起支撐的作用。將紅外傳感器裝在車體的前方，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路面情況并及時(shí)傳輸給單片機(jī)。由單片機(jī)主控核心模塊根據(jù)感測(cè)模塊給予的信息控制小車兩電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)工作狀態(tài)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)兩電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)或者左、右轉(zhuǎn)。 本小車使用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，當(dāng)小車與障礙物的距離小于30cm時(shí)

28、，小車轉(zhuǎn)彎以避開障礙物，并且此時(shí)蜂鳴器報(bào)警。小車的避障流程如下： 在車前方?jīng)]有障礙物時(shí)，小車沿直線向前走。 在車前方有障礙物時(shí)，小車能避開障礙物，避障方法如下： (1) 先向左邊轉(zhuǎn)90度，如果前面沒有障礙物，再沿直線向前走。 (2) 如果前面仍有障礙物，則向右轉(zhuǎn)180度，如果前面沒有障礙物，則直線行走。 (3) 如果前面仍有障礙物，則向右90度，然后直線行走。 1.5 本章小結(jié) 本章介紹了智能避障機(jī)器人的設(shè)計(jì)內(nèi)容及控制要求，提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對(duì)系統(tǒng)硬件的選型進(jìn)行了方案比較，選擇了合適的系統(tǒng)方案。最終選擇了STC89C52單片機(jī)作為整個(gè)電路的控制核心，采用

29、可充電鎳鎘電池組提供基準(zhǔn)電源，采用小車底盤作為機(jī)器人載體，強(qiáng)磁直流減速電機(jī)作為小車系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L298N作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，采用紅外傳感器進(jìn)行障礙檢測(cè)。 第2章 硬件設(shè)計(jì) 2.1 主控電路設(shè)計(jì) 2.1.1 STC89C52單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)簡介 本模塊采用STC89C52單片機(jī)作為核心處理器。STC89C52是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫10000次以上的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)

30、準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及89C52引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的STC89C52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。其應(yīng)用范圍廣，性能良好，可用于解決復(fù)雜的控制問題。利用STC89C52的I/O端口對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷監(jiān)控來控制步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的反映。 圖2－1 單片機(jī)基本結(jié)構(gòu)框圖 STC89C52單片機(jī)是把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個(gè)尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、并行I/O口、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄

31、存器。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對(duì)各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖2－1所示： (1) 微處理器 該單片機(jī)中有一個(gè)8位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運(yùn)算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行位變量的處理。 (2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 片內(nèi)為128個(gè)字節(jié)，片外最多可外擴(kuò)至64k字節(jié)，用來存儲(chǔ)程序在運(yùn)行期間的工作變量、運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 (3) 程序存儲(chǔ)器 由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器一般容量

32、較小，如果片內(nèi)的只讀存儲(chǔ)器的容量不夠，則需用擴(kuò)展片外的只讀存儲(chǔ)器，片外最多可外擴(kuò)至64k字節(jié)。 (4) 中斷系統(tǒng) 具有5個(gè)中斷源，2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。 (5) 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有四種工作方式。 (6) 串行口 1個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式?？捎脕磉M(jìn)行串行通訊，擴(kuò)展并行I/O口，甚至與多個(gè)單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。 (7) P0口、P1口、P2口、P3口 為4個(gè)并行8位I/O口。 (8) 特殊功能寄存器 共有21個(gè)，用于對(duì)片內(nèi)的個(gè)功能的部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。實(shí)際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)具

33、有特殊功能的RAM區(qū)。 由上可見，STC89C52單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強(qiáng)等特點(diǎn)。特別值得一提的是該單片機(jī)CPU中的位處理器，它實(shí)際上是一個(gè)完整的1位微計(jì)算機(jī)，這個(gè)一位微計(jì)算機(jī)有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位機(jī)在開關(guān)決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而8位機(jī)在數(shù)據(jù)采集，運(yùn)算處理方面有明顯的長處。MCS-51單片機(jī)中8位機(jī)和1位機(jī)的硬件資源復(fù)合在一起，二者相輔相承，它是單片機(jī)技術(shù)上的一個(gè)突破，這也是MCS-51單片機(jī)在設(shè)計(jì)的精美之處。 2.1.2 最小應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 89C52是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機(jī)，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單

34、﹑可靠。用89C52單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可，如圖2-2所示89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)。由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應(yīng)用特點(diǎn)： (1) 有可供用戶使用的大量I/O口線。 (2) 內(nèi)部存儲(chǔ)器容量有限。 (3) 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。 圖2-2 89C52單片機(jī)最小系統(tǒng) 1. 時(shí)鐘電路 MCS51單片機(jī)各功能部件運(yùn)行都是以時(shí)鐘控制信號(hào)為基準(zhǔn)，有條不紊的一步一步地工作，因此，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。89C52雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外部附加電路。8

35、9C52單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方法有兩種。內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。 本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。本設(shè)計(jì)采用最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在1.2MHZ到12MHZ之間選擇。電容值無嚴(yán)格要求，但電容取值對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響，CX1、CX2可在20pF到100pF之間取值，但在60pF到70pF時(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。所以本設(shè)計(jì)中，振蕩晶體選擇12MHZ，電容選擇65pF。 在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶體和電容應(yīng)盡可能靠近單片機(jī)芯

36、片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用NPO電容，時(shí)鐘電路如圖2-3所示。 圖2-3 時(shí)鐘電路 2. 復(fù)位電路 89C52的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位引腳RST通過一個(gè)斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2，斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。 復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。 最簡單的上電自動(dòng)復(fù)位電路是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。只要Vcc的上升時(shí)間不超過1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。時(shí)鐘頻率用12MHZ時(shí)C取22uF，R取1KΩ。 除上電

37、復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)就是用的按鍵手動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過RST端 經(jīng)電阻與電源VCC接通而實(shí)現(xiàn)的。三種復(fù)位電路如圖2-4所示，從左到右依次是上電自動(dòng)復(fù)位、手動(dòng)電平復(fù)位和手動(dòng)脈沖復(fù)位。 圖2-4 復(fù)位電路 3. 燒寫接口電路 如圖2-5所示就是USB供電下載接口，圖中PL2303 芯片是Prolific 公司生產(chǎn)的一種高度集成的RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器，可提供一個(gè)RS232 全雙工異步串行通信裝置與USB 功能接口便利連接的解決方案。該器件內(nèi)置USB功能控制器、USB 收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號(hào)的UART，

38、只需外接幾只電容就可實(shí)現(xiàn)USB 信號(hào)與RS232 信號(hào)的轉(zhuǎn)換，能夠方便嵌入到各種設(shè)備；該器件作為USB/RS232 雙向轉(zhuǎn)換器，一方面從主機(jī)接收USB 數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為RS232 信息流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面從RS232 外設(shè)接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB 數(shù)據(jù)格式傳送回主機(jī)。這些工作全部由器件自動(dòng)完成，開發(fā)者無需考慮固件設(shè)計(jì)。只需將ISP下載線插到電腦USB接口上就可以向單片機(jī)燒寫程序。同時(shí)，ISP 的下載接口如圖2-6，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)，否則會(huì)造成程序下載的失敗。 (1) 下載線接口中的電源和單片機(jī)共用一個(gè)電源。 (2) 下載線接口中用到的P1.5到P1.7 腳不能連接外部器件，如果要連

39、接外部器件可以設(shè)計(jì)為可插拔的方式，防止影響程序的下載。 圖2-5 USB供電下載電路 圖2-6 ISP程序下載電路 2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 2.2.1 智能小車驅(qū)動(dòng)電機(jī)的要求 控制電機(jī)是本次設(shè)計(jì)中的重要元件，如果控制電機(jī)的性能不佳或使用不當(dāng)，將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。智能小車控制系統(tǒng)中對(duì)控制電機(jī)要求其體積小、重量輕、耗電少，另外還要求其有高可靠性、高精度和快速響應(yīng)等特點(diǎn)，主要集中在以下幾個(gè)方面： (1) 高可靠性?？刂齐姍C(jī)的可靠性對(duì)保證任何自動(dòng)控制系統(tǒng)的正常工作極為重要，一旦發(fā)生故障，將會(huì)直接導(dǎo)致本次設(shè)計(jì)的失敗。 (2) 高精度。在本次設(shè)計(jì)中對(duì)電機(jī)的

40、響應(yīng)精度要求較高，因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)所加的脈沖寬度是毫秒級(jí)的，有時(shí)甚至是微秒級(jí)的。從廣義上而言，直流電機(jī)特性的線性度和失靈區(qū)會(huì)直接影響到系統(tǒng)的精度。 (3) 啟動(dòng)、停止和反向均能連續(xù)有效的進(jìn)行，具有良好的響應(yīng)特性。 (4) 正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)的特性相同，且運(yùn)行特性穩(wěn)定。 (5) 良好的抗干擾能力、體積小、重量輕。 常用的控制電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)兩大類。步進(jìn)電機(jī)效率較低，功率較小，雖然近年來不斷有小體積大功率的步進(jìn)電機(jī)出現(xiàn)，但其價(jià)格昂貴，因此在小車類控制中常用的是直流電機(jī)。直流電機(jī)能夠?qū)⑤斎氲碾妷盒盘?hào)變成轉(zhuǎn)軸的角位移或角速度輸出，改變控制電壓即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，用途很廣泛，主要有如下優(yōu)點(diǎn)： (1

41、) 寬廣的調(diào)速范圍。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速能夠隨著控制電壓的改變?cè)趯拸V的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)。 (2) 線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性。直流電機(jī)在控制電壓一定時(shí)，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的變化而變化。轉(zhuǎn)矩一定時(shí)，轉(zhuǎn)速則隨電壓的變化而線性調(diào)節(jié)。線性的機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性有利于提高自控系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)精度。 (3) 與步進(jìn)電機(jī)相比，小體積較易獲得大功率。 2.2.2 直流電機(jī)調(diào)速原理 直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以用式2-1表示： n=(U-IR)/Kφ （2-1） 其中U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞電路總電阻，φ為每極磁通量，K為電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)。 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制可分

42、為勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合都使用電樞電壓控制法。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，改變電樞電壓可通過多種途徑實(shí)現(xiàn)，其中PWM(脈寬調(diào)制)便是常用的改變電樞電壓的一種調(diào)速方法。 PWM調(diào)速控制的基本原理是按一個(gè)固定頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)接通和斷開的時(shí)間比(占空比)來改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”，從而改變平均電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)其速度增加，電機(jī)斷電時(shí)其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。而且采用PWM技術(shù)構(gòu)成的無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)．啟停時(shí)對(duì)直流系統(tǒng)無沖擊，并且具有啟動(dòng)功耗小、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。 設(shè)電機(jī)始終

43、接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax，且設(shè)占空比為D=t／T，則電機(jī)的平均速度Vd為： Vd=VmaxD （2-2） 由公式可知，當(dāng)改變占空比D=t／T時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格地講，平均速度與占空比D并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可將其近似地看成線性關(guān)系。 在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路中，PWM信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生，驅(qū)動(dòng)L298N的H橋左右兩邊的三極管開關(guān)來改變直流電機(jī)電樞上平均電壓的大小，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)PWM調(diào)速。 當(dāng)用單片機(jī)I/O口輸出PWM信號(hào)時(shí)，可采用以下三種方法： 利用軟件延時(shí)。當(dāng)高

44、電平延時(shí)時(shí)間到時(shí)，對(duì)I/O口電平取反變成低電平，然后再延時(shí)；當(dāng)?shù)碗娖窖訒r(shí)到時(shí)，再對(duì)I/O口電平取反，如此循環(huán)就可得到PWM信號(hào)。 利用定時(shí)器?？刂品椒ㄏ嗤皇窃谶@里利用單片機(jī)定時(shí)器來定時(shí)進(jìn)行高低電平的翻轉(zhuǎn)，而不用軟件延時(shí)。 利用單片機(jī)自帶的PWM控制器。但本實(shí)驗(yàn)用的STC89C52并沒有PWM控制器，所以采用定時(shí)器產(chǎn)生PWM信號(hào)。 2.2.3 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理 前面已經(jīng)提到，由于單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力不足，無法驅(qū)動(dòng)像電機(jī)這樣的大功率外部器件，因此必須外加驅(qū)動(dòng)電路。電機(jī)常用的驅(qū)動(dòng)芯片很多，在本設(shè)計(jì)中筆者選用硬件設(shè)計(jì)簡單，驅(qū)動(dòng)效率高的L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，L298N芯片是一種

45、集成大功率H橋芯片。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要功能是將主控芯片發(fā)出的信號(hào)通過電機(jī)控制芯片轉(zhuǎn)化為小車實(shí)際的動(dòng)作。本設(shè)計(jì)中采用的L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板使用ST公司的L298N作為主驅(qū)動(dòng)芯片，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，發(fā)熱量低，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。L298N是歐洲著名的SGS公司的產(chǎn)品，為單塊集成電路、高電壓、高電流、四通道驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)用來接收DTL或者TTL邏輯電平，驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載(比如繼電器，直流電機(jī))，和開關(guān)電源晶體管。L298N芯片有一個(gè)電源引腳VCC和接地引腳GND。四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)引腳和四個(gè)PWM波控制引腳。VCC引腳可以接+12V電源用來給芯片和電動(dòng)機(jī)供電。模塊板載7805三端穩(wěn)壓集成電路穩(wěn)壓芯片，可以方便

46、給單片機(jī)以及其他需要5V的系統(tǒng)供電，前提是VCC接大于6V電壓?？蓪?shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速、啟動(dòng)性能好、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。 L298N是雙H橋驅(qū)動(dòng)芯片，包含兩個(gè)H橋電路。每個(gè)H橋電路原理大體如圖2-7所示： 圖2-7 H橋電路圖 若H橋的1端為低電平，2端為高電平時(shí)，三極管Q4導(dǎo)通，Q1截止，此時(shí)Q3的基極為低電平，Q2的基極為高電平，因此三極管Q2和Q6導(dǎo)通，Q3和Q5截止，電流流向如圖2-8所示，電機(jī)正轉(zhuǎn)。 圖2-8電機(jī)正轉(zhuǎn)示意圖 若H橋的1端為高電平，2端為低電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，Q4截止，此時(shí)Q3的基極為高電平，Q2的基極為低電平，因此三極管Q3和Q5

47、導(dǎo)通，Q2和Q6截止，電流流向如圖2-9所示，電機(jī)反轉(zhuǎn)。 圖2-9 電機(jī)反轉(zhuǎn)示意圖 H橋電路雖然有著諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際制作過程中，由于元件較多，電路的搭建較為麻煩，增加了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，因此在本設(shè)計(jì)中筆者采用H橋集成驅(qū)動(dòng)芯片L298N。L298N 的工作原理和以上介紹的H橋相同，引腳圖如圖2-10所示： 圖2-10 集成H橋芯片L298N管腳圖 直流電機(jī)由驅(qū)動(dòng)芯片L298N提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要的電壓和電流，通過改變加在電動(dòng)機(jī)上的電壓的平均值來控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。通過單片機(jī)的I/0輸入芯片控制端的電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)、停止的操作，表2-1是其輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系。

48、 表2-1輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系 IN1(IN3) IN2(IN4) 電機(jī)運(yùn)行情況 1 0 正轉(zhuǎn) 0 1 反轉(zhuǎn) 1 1 剎車 0 0 停止 其外部電路原理圖如圖2-11所示。L298N芯片的1腳和15腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號(hào)，本電路未用到采樣所以將其接地。L298可以驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個(gè)電動(dòng)機(jī)。5腳、7腳、10腳、12腳接輸入控制信號(hào)，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ENA，ENB為電機(jī)控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)，本電路中分別與單片機(jī)89C52的P1.4、P1.5相連，進(jìn)行PWM調(diào)速。操作非常方

49、便，能滿足直流減速電機(jī)的大電流要求。 圖2-11集成H橋芯片L298N外部電路原理圖 VSS端口的電容是為了去除供電電壓的紋波波動(dòng)，根據(jù)電容的阻直流通交流的特性，供電電壓的交流波動(dòng)會(huì)通過此電容直流流向GND，這樣設(shè)計(jì)是為了使芯片的供電電源更穩(wěn)定有效。 當(dāng)電感線圈通電后再斷電時(shí)，繞組兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比電源電壓高N倍，極性與電源電壓相反的反向電壓，這就是自感電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)反向電壓就會(huì)加在L298的功率開關(guān)器件上，將L298的功率開關(guān)器件擊穿燒壞，所以要建立一個(gè)泄放通道，將繞組自感電動(dòng)勢(shì)所產(chǎn)生的高壓和電流釋放，以保護(hù)功率開關(guān)器件。輸出端口的八個(gè)續(xù)流二極管是為了消除電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的尖峰電壓保護(hù)電機(jī)而設(shè)計(jì)

50、，簡化電路時(shí)可以不加。D2、D3，D6、D7兩組的作用分別為：M1電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，OUT1為正，OUT2為地，電流從OUT1經(jīng)M1繞組流向OUT2。當(dāng)切斷電流，電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)M1電機(jī)繞組的感生電壓使OUT2為正，OUT1為負(fù)，這時(shí)接在正端(OUT2)的D6會(huì)正向?qū)?；而接在?fù)端(OUT1)的D3也導(dǎo)通將負(fù)端接地。為感生電流提供泄放通道向C12、C14充電。這時(shí)，C12、C14作為儲(chǔ)能器件將自感電流吸收儲(chǔ)存。電路中的二極管在為L298提供保護(hù)同時(shí)，也為感生電流向電源電路充電提供通道。C1、C2不但是濾波電容，也是儲(chǔ)能器件。 2.3 障礙物檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 避障檢測(cè)采用紅外傳感器，這是一種集發(fā)射與接

51、收于一體的光電傳感器。檢測(cè)距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。該傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、流水線計(jì)件等眾多場(chǎng)合。實(shí)物如圖2-12所示：其工作電壓為2—6v，滿足小車行進(jìn)過程中的電量消耗。 圖2-12 紅外傳感器 這種傳感器將發(fā)射管和接收管放置在一個(gè)塑料殼內(nèi)，發(fā)射管和接收管均為長方形，尺寸為4mm*3mm，系統(tǒng)中我們?cè)O(shè)計(jì)探測(cè)距離在30cm 左右,此時(shí)探測(cè)環(huán)境良好,不易受到其它光線的干擾。傳感器采用E18-D80NK式反射紅外傳感器。該封裝形狀規(guī)則,便于安裝。探測(cè)距離在3CM到80CM范圍內(nèi)可調(diào),完全能滿足探測(cè)距離要求。傳感器

52、由于發(fā)射和接受的是紅外光，所以常見光對(duì)它的干擾較小。 光電反射式傳感器的原理圖如2-13所示，其具體原理為：當(dāng)電源穩(wěn)定供電時(shí)，紅外發(fā)射管不斷地發(fā)射出紅外光，當(dāng)發(fā)射出的紅外光遇到障礙物時(shí)，發(fā)射出的紅外光會(huì)發(fā)生漫反射，反射回傳感器，這時(shí)傳感器的三極管就會(huì)導(dǎo)通，傳感器的I/O端口與地導(dǎo)通，輸出為低電平，反之，發(fā)射出的紅外光沒有遇到障礙物，發(fā)射出的紅外光無法返回傳感器，傳感器的三極管就會(huì)截止，傳感器的I/O口經(jīng)10K歐的電阻與電源相連，輸出為高電平。 所以從宏觀上來看，光電反射式傳感器在電路正常工作的情況下，有障礙物時(shí)輸出低電平，沒有障礙物時(shí)輸出高電平，為低電平有效器件。 在實(shí)際測(cè)試中，需要指出

53、，光電反射式傳感器是基于障礙物能反射部分紅外光，在極端條件下，比如黑色完全不反光的障礙物，這種障礙物能夠完全吸收紅外光，所以，光電反射式傳感器無法檢測(cè)這種障礙物，或者檢測(cè)精度下降。 圖2-13 E18-D80NK型反射紅外傳感器原理圖 E18-D80NK型反射紅外傳感器的技術(shù)參數(shù)： 1.輸出電流 DC：100mA/5V 2.消耗電流 DC：<25mA 3.響應(yīng)時(shí)間：<1ms 4.指向角：15 5.有效距離：3-80cm可調(diào) 6.監(jiān)測(cè)物體：反光物體（實(shí)際測(cè)試中黑色墻壁不可檢測(cè)） 7.工作環(huán)境：-25C ~ 55C 8.標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)光照強(qiáng)度：<3000LX 2

54、.4 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 報(bào)警模塊通過單片機(jī)給定不同頻率的高低電平利用蜂鳴器發(fā)出不同聲音。報(bào)警模塊電路圖如圖2-14所示。三極管主要是做驅(qū)動(dòng)用的。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的IO口驅(qū)動(dòng)能力不夠讓蜂鳴器發(fā)出聲音，所以通過三極管放大驅(qū)動(dòng)電流，從而可以讓蜂鳴器發(fā)出聲音，三極管采用PNP型，當(dāng)輸出低電平，三極管導(dǎo)通，集電極電流通過蜂鳴器讓蜂鳴器發(fā)出聲音，當(dāng)輸出高電平時(shí)，三極管截止，沒有電流流過蜂鳴器，不會(huì)發(fā)出聲音。 圖2-14 報(bào)警模塊電路圖 2.5 穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì) 對(duì)于一個(gè)實(shí)際的電子系統(tǒng)，要認(rèn)真的分析它的電源需求。不僅僅是關(guān)心輸入電壓，輸出電壓和電流，還要仔細(xì)考慮總功耗，電源實(shí)現(xiàn)的效率，電源部分對(duì)

55、負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)能力，關(guān)鍵器件對(duì)電源波動(dòng)的容忍范圍以及相應(yīng)的允許的電源紋波，還有散熱問題等等。 由于本設(shè)計(jì)采用的芯片L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板可以提供+5V輸出，可以方便給5V的單片機(jī)供電，因此采用單電源給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N供電即可。L298N理論上可以最高輸入46V，但是理論上L298N芯片的最高功率只有25W，在50V最高工作電壓時(shí)，電流不應(yīng)超過0.5A，實(shí)際模塊上有7805芯片給單片機(jī)提供5V，7805的正向工作電壓不應(yīng)超過28V，所以模塊VCC理論最大工作電壓不應(yīng)超過28V，實(shí)際建議不應(yīng)該超過24V，在24V工作電壓下，單個(gè)電機(jī)的電流不應(yīng)超過1A，2個(gè)電機(jī)同時(shí)使用單個(gè)電機(jī)的電流不

56、應(yīng)超過0.5A；VCC輸入多少伏，完全取決于電機(jī)的額定電壓，OUT的高電平電壓等于VCC，低電平電壓等于0V，本設(shè)計(jì)采用的減速電機(jī)額定電壓為6V左右。7805三端穩(wěn)壓集成電路，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜。穩(wěn)壓電路如圖2-15所示。 電源的選擇額定7.2V的可充電鎳氫電池組。它有低成本，循環(huán)壽命長，無污染，安全性能好，溫度使用范圍廣等特點(diǎn)。它的容量為2A，最高輸出電壓8.6V，有很強(qiáng)的續(xù)航能力。動(dòng)力電池組具有較強(qiáng)的電流驅(qū)

57、動(dòng)能力及穩(wěn)定的電壓輸出性能，經(jīng)測(cè)試在用此種供電方式下，單片機(jī)和傳感器工作穩(wěn)定，直流電機(jī)工作良好，且電池體積較小、可以充電、能夠重復(fù)利用等，能夠滿足系統(tǒng)的要求。 圖2-15穩(wěn)壓電源電路 2.6 系統(tǒng)整體電路設(shè)計(jì) 根據(jù)本章前面對(duì)設(shè)計(jì)的各個(gè)相關(guān)模塊的分別講述講述，再結(jié)合單片機(jī)的引腳功能，從而得到系統(tǒng)整體電路圖，如圖2-16所示。 圖2-16 系統(tǒng)整體電路圖 2.7 本章小結(jié) 本章主要設(shè)計(jì)了智能避障機(jī)器人的硬件系統(tǒng)，包括主控電路設(shè)計(jì)、障礙物檢測(cè)電路設(shè)計(jì)、報(bào)警電路設(shè)計(jì)、穩(wěn)壓電源電路設(shè)計(jì)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。對(duì)每一部分的硬件作了詳細(xì)介紹和電路設(shè)計(jì)，最終完成了智能避障機(jī)器人的整

58、體電路原理圖設(shè)計(jì)和硬件組裝。 第3章 軟件設(shè)計(jì)簡介 本設(shè)計(jì)采用的是模塊化的思路來進(jìn)行設(shè)計(jì)和編寫程序，程序主要由主程序模塊、延時(shí)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、報(bào)警模塊、中斷模塊等五大部分組成，每一部分都針對(duì)相應(yīng)的硬件電路。由于本設(shè)計(jì)軟件部分是由搭檔來完成這里只作簡要介紹介紹，整機(jī)程序見附錄。 3.1 主程序模塊 3.1.1 程序控制設(shè)計(jì) 小車的程序控制系統(tǒng)是由主程序模塊、延時(shí)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、報(bào)警模塊、中斷模塊五大模塊相互配合組成。各個(gè)程序的功能不一樣其中PWM波產(chǎn)生子程序是利用單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生的其主要目的是利用產(chǎn)生的PWM波控制L29N的使能端使其電機(jī)的平均電壓隨著PWM波

59、的占空比改變而改變，進(jìn)而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)控制子程序則是通過定義L298N的IN端口信號(hào)分別控制電機(jī)的起、停、前進(jìn)和后退。避障子程序則是單片機(jī)檢測(cè)P17端口信號(hào)當(dāng)信號(hào)由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)開始控制左右電機(jī)的PWM波的占空比通過調(diào)節(jié)不同占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使小車轉(zhuǎn)彎自動(dòng)避障。本次小車程序是利用C語言進(jìn)行編程通過不同子模塊的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)避障。 3.1.2 主程序流程圖 如圖3-1所示為系統(tǒng)主程序流程圖。 首先小車進(jìn)行上電初始化程序，接下來單片機(jī)控制小車開始前進(jìn)，前進(jìn)過程中單片機(jī)通過紅外傳感器模塊不斷檢測(cè)前方30厘米內(nèi)障礙物，并將開關(guān)量傳送給單片機(jī)。當(dāng)檢測(cè)到前方有障礙物時(shí)，蜂鳴器

60、報(bào)警與此同時(shí)單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成避障操作完，避障動(dòng)作完成后小車?yán)^續(xù)前進(jìn)并檢測(cè)前方障礙物。 開始 初始化 前進(jìn) 蜂鳴器報(bào)警 前方有障礙物？ 左轉(zhuǎn)90 右轉(zhuǎn)180 右轉(zhuǎn)90 前方有障礙物？ 前方有障礙物？ N Y Y Y N N 圖3-1 系統(tǒng)軟件的整體流程圖 3.2 初始化模塊 該模塊對(duì)定時(shí)器T0、T1做初始化，使定時(shí)器控制字為0x11，即“00010001”，并使定時(shí)器關(guān)閉Gate門控位，也就是僅由單片機(jī)內(nèi)部的控制寄存器TCON決定定時(shí)器的工作與否，當(dāng)TR0=0時(shí)定時(shí)器0停止工作，當(dāng)TR0=1時(shí)定時(shí)器0正常工作。CT=0，也意味著

61、定時(shí)器0工作在定時(shí)模式而不是計(jì)數(shù)模式，M1M0=01設(shè)置了定時(shí)器0的工作方式為方式一，為16位定時(shí)器計(jì)數(shù)器模式。 3.3 延時(shí)模塊 這個(gè)模塊定義了延時(shí)函數(shù)，具體原理是，單片機(jī)執(zhí)行空操作100*Z條，其中Z為調(diào)用函數(shù)的形參，單片機(jī)的晶振為11.0592Mhz，十二個(gè)晶振周期為一個(gè)指令周期，所以單片機(jī)的機(jī)器周期大約為1Mhz，也就是說，單片機(jī)在一秒之內(nèi)運(yùn)行1M條指令，那么單片機(jī)執(zhí)行一條指令的時(shí)間大約為一微妙，執(zhí)行100條指令的時(shí)間大約為0.1ms，該函數(shù)能使單片機(jī)延時(shí)0.1*Z的時(shí)間。 3.4 中斷模塊 中斷模塊主要是完成PWM調(diào)速功能，PWM調(diào)速的原因是小車左輪右輪轉(zhuǎn)速不一樣

62、，左輪轉(zhuǎn)速比右輪快20%，所以在兩輪全正轉(zhuǎn)的時(shí)候，理論上小車是直線前進(jìn)，但是實(shí)際上，因?yàn)樾≤囎筝啽扔逸喛?0%，所以小車行走路線是圓弧，為了讓小車能夠走直線，所以使用PWM調(diào)速的方法，當(dāng)需要小車直線行駛時(shí)，給左輪加83%的電壓，給右輪加100%的電壓，這樣左輪就按照83%的速度行駛，右輪全速行駛，使用這種方式后，小車能夠近似按照直線行駛。調(diào)用此函數(shù)后，小車直線行駛。也可利用PWM來進(jìn)行精確的轉(zhuǎn)彎。 3.5 報(bào)警模塊 報(bào)警模塊主要是在小車遇到障礙物時(shí)，進(jìn)行報(bào)警提示，可以利用延時(shí)函數(shù)來改變高低電平的占空比來實(shí)現(xiàn)蜂鳴器“滴滴滴”的報(bào)警。 3.6 驅(qū)動(dòng)模塊 主要完成直流電機(jī)啟動(dòng)、停

63、止、前進(jìn)和后退控制。給對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)芯片控制端口IN2、IN2、IN3、IN4傳送高低電平即可實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停車操作。 3.7 本章小結(jié) 本章簡單介紹了智能避障機(jī)器人的軟件系統(tǒng)和避障算法，對(duì)主程序模塊、延時(shí)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、報(bào)警模塊、中斷模塊等五大部分作了簡單扼要的闡述。 第4章 系統(tǒng)的安裝與調(diào)試 4.1 安裝步驟 1. 檢查元件的好壞 按電路圖買好元件后首先檢查買回元件的好壞，按各元件的檢測(cè)方法分別進(jìn)行檢測(cè)，一定要仔細(xì)認(rèn)真。而且要認(rèn)真核對(duì)原理圖是否一致，在檢查好后才可上件、焊件，防止出現(xiàn)錯(cuò)誤焊件后不便改正。 2. 放置、焊接各元件 按原理圖的位

64、置放置各元件，在放置過程中要先放置、焊接較低的元件，后焊較高的和要求較高的元件。特別是容易損壞的元件要后焊，在焊集成芯片時(shí)連續(xù)焊接時(shí)間不要超過10s，注意芯片的安裝方向。 4.2 系統(tǒng)調(diào)試 本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分：硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用模塊設(shè)計(jì)法，所以方便對(duì)各電路模塊功能進(jìn)行逐級(jí)測(cè)試：單片機(jī)控制模塊的調(diào)試、紅外傳感器模塊的調(diào)試以及電機(jī)控制模塊和報(bào)警模塊的調(diào)試，最后將各模塊組合后結(jié)合軟件進(jìn)行整體測(cè)試。 4.2.1 硬件調(diào)試 對(duì)各個(gè)模塊的功能進(jìn)行調(diào)試，主要調(diào)試各模塊能否實(shí)現(xiàn)指定的功能。首先燒入電機(jī)控制小程序，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，停止均正常。說明電機(jī)

65、及驅(qū)動(dòng)電路無誤。然后加入避障子程序，小車運(yùn)轉(zhuǎn)正常時(shí)，調(diào)節(jié)紅外傳感器模塊距離使達(dá)到理想效果。接下來加入調(diào)速子程序，看調(diào)速正常與否。最后加入報(bào)警模塊和傳感器模塊，看能否正常報(bào)警。在調(diào)試程序時(shí)，發(fā)現(xiàn)有的指令用的不正確，比如說忽略了while循環(huán)，導(dǎo)致單片機(jī)一直報(bào)警，另外軟件程序中的延時(shí)有的過長、有的過短。類似的現(xiàn)象還有很多就不一一列舉了。特別是電機(jī)PWM控制部分的調(diào)試很麻煩，需要不斷的試驗(yàn)，不過最終都完滿解決。 4.2.2 軟件調(diào)試 軟件調(diào)試采用單片機(jī)仿真器protues和單片機(jī)編程軟件Keil，將編好的程序進(jìn)行調(diào)試，主要是檢查語法錯(cuò)誤并確認(rèn)硬件完整無誤。由于本系統(tǒng)是分模塊進(jìn)行程序設(shè)計(jì)

66、的，所以調(diào)試時(shí)先分模塊進(jìn)行調(diào)試。如小車紅外線避障程序、PWM調(diào)速程序，在調(diào)試時(shí)將它放在一個(gè)子程序里單獨(dú)測(cè)試，看其是否能夠完成預(yù)定的功能，如能，測(cè)試通過，否則，修改并反復(fù)測(cè)試直到通過。 雖然在軟件的調(diào)試過程中，綜合利用了設(shè)定斷點(diǎn)、單步、跟蹤等調(diào)試手段，使得調(diào)試工作更易進(jìn)行。但是也出現(xiàn)了一定的問題，如小車一直轉(zhuǎn)彎，電機(jī)延時(shí)沒起到效果等等。通過了多次分離合并，修改測(cè)試語句以及單片機(jī)外加LED燈觀察現(xiàn)象等方法得以解決，達(dá)到綜合效果。 4.2.3 聯(lián)合調(diào)試 各模塊都調(diào)試通過之后，將各個(gè)模塊連接起來與硬件結(jié)合進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。在進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試時(shí)，經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，不斷修改參數(shù)來完善結(jié)果。使程序按照要求設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行。 4.3 本章小結(jié) 本章主要介紹了智能避障機(jī)器人的安裝和調(diào)試，通過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，不斷修改參數(shù)來完善結(jié)果，最終實(shí)現(xiàn)了智能避障機(jī)器人的自動(dòng)避障功能。 結(jié)　論 本設(shè)計(jì)