1、图书分类号：密 级：毕 业 设 计 (论 文 )智能清障小车设计DESIGN OF INTELLIGENT BARRIERSREMOVING CAR学 生 姓 名学 院 名 称 机 电 工 程 学 院专 业 名 称 机 械 设 计 制 造 及 其 自 动 化指 导 教 师2011 年 5 月 27 日徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )I徐州工程学院学位论文原创性声明本人郑重声明： 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体
2、，均已在文中以明确方式标注。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名： 日期： 年 月 日徐州工程学院学位论文版权协议书本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。论文作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日
3、徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )I摘要智能小车在自动化生产线、仓库管理、机器人服务、环境监测、航空航天等领域有广泛的应用。本文介绍了一款集自动寻迹、障碍物监测、障碍物清除等功能于一体的智能小车。智能小车采用 AT89S52 单片机为系统控制核心，利用反射式光电传感器检测识别黑线，通过比较器反馈高低电平信号给单片机，从而控制直流电机的运动，实现寻迹功能。安装于车体前端的点触开关实时监测黑线上的障碍物，一旦触发开关，拉低所接单片机 I/O 口，触发外部中断，从而控制机械手夹持障碍物，配合小车运动，达到清除障碍物的目的。本课题研制的智能小车样机实验证明了本文叙述的技术方案的有效性
4、和正确性，可以为今后全国及省内电子大赛提供宝贵的经验。关键词 单片机；传感器；循迹；清障；全套图纸，加 153893706徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )IIAbstractIntelligent car has been widely used in automated production lines, warehouse management, robotics services,environmental monitoring, aerospace and other fields.This paper introduces a intelligent car, w
5、ith the functions of automatic driving, barriers monitoring and barriers removing . The intelligent car use AT89S52 SCM as control core. By using reflective photoelectric sensor to detect the information of black track,the intelligent car acquires the information and sends them to the MCU to control
6、 the movements of the DC electric motors for tracing function. Point-touch switch installed at the front of the car monitor barriers on the black line everytime. Once the trigger switch, the signals of I/O trigger external interruption to achieve the purpose of remove barriers.The test shows that th
7、e intelligent vehicle design is the effectiveness and correctness.Consequently,the issue can provide invaluable experience for the electronic competition of the national and provincial.Keywords SCM sensor track finding barriers removing徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )I目 录摘要 IAbstract .II第 1 章 绪论 .11.1 智能化
8、小车发展现状与趋势 11.1.1 课题背景 .11.1.2 移动式机器人在国内外研究现状 .21.2 研究的目的和意义 21.3 研究的内容 2第 2 章 智能清障小车系统 .42.1 系统总体方案 42.2 系统方案论证 42.2.1 车体方案论证 .42.2.2 小车结构方案论证 .52.2.3 障碍物清理单元方案论证 .52.2.4 控制器方案论证 .62.2.5 供电单元方案论证 .62.2.6 障碍物识别单元方案论证 .72.2.7 运动单元方案论证 .82.2.8 循迹单元方案论证 .92.3 系统最终方案 10第 3 章 智能清障小车硬件设计 .123.1 系统硬件电路介绍 12
9、3.2 障碍物监测模块介绍 123.3 障碍物清理模块介绍 133.3.1 机械手介绍 .133.3.2 机械手控制电路介绍 .133.4 单片机最小系统介绍 153.4.1 AT89S52 单片机简介 163.4.2 单片机使用资源规划 .173.5 供电模块介绍 173.6 寻迹模块介绍 173.7 直流电机驱动模块介绍 19第 4 章 智能清障小车软件部分 .22徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )II4.1 软件开发平台 224.2 软件开发调试 234.2.1 舵机工作程序仿真 .234.2.2 直流电机工作程序仿真 .244.3 系统软件流程 254.4 寻迹软件流
10、程 274.5 障碍物检测及清理软件流程 28第 5 章 系统测试 .305.1 测试场景介绍 305.2 实际测试过程 305.3 测试结果分析 32结 论 .33致 谢 .34参考文献 .35附录 I36附录 II37徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )1第 1 章 绪论1.1 智能化小车发展现状与趋势1.1.1 课题背景肩负着人类探测火星使命的“勇气”号和“机遇”号分别于2004年1月3日和1月24日在火星不同区域着陆，并于2004年4月5日和2004年4月26日相继通过所有“考核标准”。美国宇航局的孪生火星车探测计划至此正式宣告取得圆满成功。美国宇航局科学家和工程师先设
11、立了一系列硬指标，作为判定两辆火星车联合探测计划是否能成功的依据。按照规定，每辆火星车都需要至少工作90个火星日(约地球上的92天)，在火星上行驶总里程至少达到600米，至少造访8个不同地点，必须拍下周围环境的立体和彩色全景照片。“勇气”号是迄今美国发射的最尖端的火星探测装置，其顶部的桅杆式结构上装有全景照相机及具有红外探测能力的微型热辐射分光计。火星车能够在火星上自主行驶，当火星车发现值得探测的目标，它会驱动六个轮子向目标行驶；在检测到前进方向上的障碍后，火星车会去寻找可能的最佳路径 1。类似火星车，以轮子作为移动机构，能够实现自主行驶的机器人，我们称之为智能小车，又称轮式机器人。智能小车是
12、一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的智能轮式机器人，它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。智能小车作为现代高科技的产物，是21世纪的科技亮点之一。智能小车技术的发展，应该说它是科学技术发展的一个综合性结果。同时，它为社会经济发展产生了一门有着重大影响的科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战后各国加强了经济的投入，而对轮式机器人的研究成果又提高了本国的经济的发展水平。比如说日本战后开始进行汽车工业，这时候由于它人力的缺乏，它迫切需要一种机器人来进行大批量的制造，提高生产效率降低劳动成本，这是社会发展本身的一个需求。另一方面它也是生产力
13、发展的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，人类在不断探讨自然、认识自然、改造自然过程中，需求一种能够解放人的自动化装置。那么这种自动化装置就是代替人们能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达到的世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。但另一方面，尽管人们有各种各样好的想法，它也归功于电子技术，计算机技术及制造技术等相关技术的发展提供额强大技术保证 2。目前，许多国家已经把智能小车方面的比赛作为创新教育的战略性手段。智能小车涉及到多个学科，如：电工、机械、自动控制、人工智能、传感技术等，是众多领域中的高科技。智能小车比赛是一种高科技对抗活动，各国专家学者通过这项竞赛，
14、不断推进了轮式机器人方面的研究，通过不断改进轮式机器人寻址速度和算法研究，试图让轮式机器人更接近智能化，它集高科技、娱乐和竞赛于一体，引起了各国的广泛关注和极徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )2大兴趣，从而推动了轮式机器人的研究热潮。1.1.2 智能化小车在国内研究现状我国智能化小车研究主要有：1)以MCS-51单片机为控制核心，结合多种传感器实现寻迹、测速、避障、清障等功能 3；2)基于FPGA的智能小车系统，即本地计算机通过接入Internet小车实现对远端工作现场、危险环境地段等特殊环境进行监视和控制的系统，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、
15、重力等条件的影响，可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 4；3)以Freesealel6位单片机MC9S12DGl28作为系统控制处理器，基于CCD传感器采集视频图像，通过对获得的图像进行处理分析，获得道路信息提取赛道黑线，并结合测速反馈实现对小车的闭环反馈控制，后轮驱动电机控制模块采用了模糊PID控制算法，充分利用了内部提供的模糊推理机 5；4)基于DSP的智能小车系统，该系统以DSP单片机作为处理器，用RFl2作为通信模块，将所采集的温湿度传送到上位机，利用蚁群算法实现路径规划，并在此基础上实现避障功能，避障功能模块我们采用多超声波传感器来实现 6；5) 以LPC23
16、68为核心搭建智能小车的控制系统的硬件平台，通过光电码盘、防碰开关、超声波传感器等来实现智能小车的多种功能 7。1.2 研究的目的和意义机器人要实现自动寻迹功能和检测障碍物功能就必须要有感知导引线，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。智能小车实现自动识别路线和检测障碍物使用传感器感知路线并作出判断和相应的执行动作,选择正确的行进路线。通过构建智能小车系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。在实践过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计小车的检测、驱动和显示等外围电路，结合障碍物监测和清除模块，实现小车的循迹清障功能。灵活应用机电等相关学科的理论知识，联系实际电路设计的具体实现方法，达到理论与实
17、践的统一。本课题利用 AT89S52 设计了一种嵌入式智能寻迹小车，在传感器、电机驱动和软件的控制下，能够智能地完成行走路线探测、监测障碍物、清除障碍物等任务，与传统的遥控玩具车相比，具有一定的独立性和智能性。1.3 研究的内容本课题设计的智能清障小车具有自动寻迹、障碍物检测、障碍物清除等功能。整体设计可分为机械和电气两部分：机械部分主要包括车体结构和机械手结构设计，目前车体主要有轮式和履带式两种可供选择，机械手设计需根据障碍物进行结构设计、加紧力计算等；电气部分主要包括单片机最小系统模块、供电模块、运动模块、寻迹模块、障碍物监测模块组成。采用 MCS-51系列中的 AT89S52单片机制作最
18、小系统，直流电机作为徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )3小车动力源并通过驱动芯片控制小车的前进和转向，利用光电传感器识别黑线，经比较器反馈信号最终实现寻迹功能，点触开关实时监测黑线上的障碍物，整个系统通过双电源供电，12V 稳压电源一部分供运动模块使用，另一部分经转换，供单片机最小系统模块、寻迹模块、障碍物监测模块使用，机械手上的舵机由5V 干电池供电。整个系统的电路结构比较简单、可靠性高。徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )4第 2 章 智能清障小车系统2.1 系统总体方案经过对本设计要求的分析，提出了不同的方案，需要进行方案论证：机械部分主要是车体和机械手
19、控制方式的选择；电气部分主要有主控制器的选择，供电模块的设计，循迹传感器的选择，障碍物监测传感器的选择。主要构成如图 2-1 的系统，单片机最小系统作为整个系统的控制核心，寻迹电路模块反馈信号给单片机，通过控制直流电机驱动模块，从而实现电机的正反转，使小车按要求运动，障碍物监测模块实时监测黑线上是否有障碍物，一旦触发，单片机控制清障单元模块清除障碍物。图 2-1 系统总体框图2.2 系统方案论证2.2.1 车体方案论证方案一：自己制作车体。自己制作的车体，一般采用左右两轮驱动，后万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动，车体头部装一个万向轮，当两个直流电机转
20、向相反同时转速相同就可以实现车体的旋转。但是制作车体的工具和材料有限，制作后的结构并不一定能按设计尺寸进行，同时材料的局限性可能使得车体比较笨重。方案二：购买玩具车体。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机、驱动电路等，其美观方便，只要制作所需电路板就可以方便的固定在车体上，能够稳定的实现小车运动，这种车体一般都是四轮驱动，左侧两轮和右侧两轮分别为一组，通过一侧电机正转，一侧电机反转实徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )5现小车转向，但电机一般为玩具直流电机，力矩小，负载性能差，不能适应原地转向。综合分析上述两方案，考虑到本设计制作的仅是模型，为了方便美观，所以选择方案二
21、。2.2.2 小车结构方案论证方案一：履带式小车。履带式小车能适应各种复杂地形，其抓地力大，行驶速度稳定。常用于工业领域，如履带式起重机、履带式装载机、履带式推土机等。但是采用履带式的车体行驶速度慢，只能通过两侧履带轮同速反向转动实现转向，同时对电机要求也比较高，一般玩具车电机负载能力小，不适用履带传动。方案二：轮式小车。轮式传动化滑动为滚动，大大减少了摩擦阻力，行驶速度远大于履带式小车，常用于对行驶速度要求较高的领域中。对于地形复杂的道路，通过加重车体，增加车底离地高度，轮式车辆也能在这些道路行驶，但其稳定性远不如履带式车体。由于本课题所使用路面平整，采用直流电机驱动，对车速要求为 0.3m
22、/s。综合考虑，采用方案二。经上述两方案论证，本课题使用的车体如图 2-2 所示。图 2-2 小车车体2.2.3 障碍物清理单元方案论证方案一：气动机械手 8气动机械手是以压缩空气的压力来驱动执行机构运动的机械手。其主要特点是：抓重可达几百斤以上、传动平稳、结构紧凑、动作灵敏。但对密封装置要求严格，不燃油的泄漏对机械手的工作性能有很大的影响，且不宜在高温、低温下工作。方案二：电动机械手 9电动机械手即有特殊结构的感应电动机、直流电机或功率步进电机直接驱动执行机徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )6构运动的机械手，因为不需要中间的转换机构，故其结构简单。其中直线电机机械手的运动速
23、度快，行程长，维护和使用方便。但此类机械手目前还不多，资料方面比较欠缺。鉴于价格、体积等因素，且本系统重量轻。决定采用方案二。本课题使用的机械手如图 2-3 所示。图 2-3 电动机械手2.2.4 控制器方案论证根据课题要求，控制器主要用于控制电机和舵机，通过相关传感器对路面的轨迹信息进行处理，并将处理信号传输给控制器，然后控制器做出相应的处理，实现电机的前进和后退、舵机的转向和转速。方案一：可以采用 ARM 为系统的控制器 10。优点是该系统功能强大，片上外设集成密度高，使其拥有高稳定性，同时系统的处理速度也很高，但是 ARM 芯片编程复杂，一般用于大型的项目控制系统中。方案二：采用 AT8
24、9S52 单片机作为系统控制核心 11。AT89S52 单片机算术运算功能强，软件编程灵活、功耗低、体积小、技术成熟。只要合理设计外接电路，其稳定性也满足要求。 综合考虑成本、工作量等，本设计选择用 AT89S52 单片机做控制器。2.2.5 供电单元方案论证整个系统需要电源的有：四个直流电机及驱动模块、寻迹模块、单片机、舵机。以上所有模块中只有四个直流电机及驱动模块需 12V 电压，其它均为 5V 电压，必须注意的是舵机在工作时，电路中的电流会产生较大波动，对单片机可能产生影响。方案一：采用单电源供电。通过单电源对整个系统进行供电，即 12V 稳压直流电源一部分对四个直流电机及驱动供电，另一
25、部分经过降压，对其它模块供电。此方案的优点是：减少机身的重量，操作简单，但当系统中个模块同时工作时，可能产生过电流太大，从而烧坏电压转换芯片，徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )7甚至烧坏单片机，且较大的电流波动影响单片机的稳定性。方案二：采用双电源供电。通过两个独立电源对整个系统供电，即 12V 稳压直流电源一部分对四个直流电机及驱动模块供电，另一部分经过降压，对除舵机以外的其它模块供电，另一 5V 电源单独对舵机供电，两电源共地连接。此方案的优点是：减少电路中电流波动，单片机具有更佳稳定性。唯一的缺点就是会增加小车的重量。综合上述两方案的的优缺点，考虑单片机稳定性等要求，决
26、定采用第二种方案。2.2.6 障碍物识别单元方案论证方案一：采用超声波探测器 12。超声波探测器利用超声波特有的指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远等特点，常用于距离的测量。其工作原理是：声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。对于本课题，可以先设定时间，一旦提前收到反射波，表明前方有障碍物，这样就能实现监测障碍物的功能。超声波测距电路如图 2-4 所示，其优点是测距远、可靠性高，但是电路复杂，编程繁碎。图 2-4 超声波接收和发射电路图方案二：采用 RPR220 型光电对管 12。R
27、PR220 是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )8而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。主要应用在游戏机、复印机和办公自动化等设备中。其优点是:体积小结构紧凑、较高灵敏度。其缺点是：测距有限，只有 1-3cm，受外界光线影响较大。电路框图如图 2-5 所示，相对于超声波测距电路，该方案使用电路简单，编程也容易。图 2-5 RPR220 型光电对管电路框图方案三：采用点触开关。点触式开关是一种通过触碰开关就能接通，松手就断开的简易开关。优点是：结构简单、价格低廉、无需程序控制。唯一缺点是需要触碰控制，即控制距离
28、近。在电路中只需将开关一端接单片机 I/O，另一端根据需要的反馈信号接在高或低电平上，电路框图如图 2-6 所示。图 2-6 点触开关电路框图综合三个方案的优缺点，考虑本系统设计需要高精度，对测距无要求，决定采用方案三。2.2.7 运动单元方案论证方案一：采用步进电机，配合 LM298 驱动芯片组合 13。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的电机。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，只要施加合适的脉冲序列，电徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )9机就按照人为预定的速度或方向进行转动。但是软件程序的编写较直流电机稍显复杂，驱动芯片的硬件
29、电路复杂，且步进电机的价格昂贵，如电路框图 2-7 所示。图 2-7 步进电机+LM298 组合电路图方案二：采用直流电机，配合 L298N 驱动芯片组合 10。直流电动机是将直流电能转换成机械能的旋转电机。通过驱动芯片控制电机的转向与转速，硬件电路简单，如 2-8 电路框图所示，一个芯片就能控制两个电机的运动，且不需要外接电路。但容易受到外部因素干扰，影响稳定的转速和转矩输出。图 2-8 直流电机+L298N 组合电路框图综合上述两种方案的优缺点，鉴于本系统设计体积较小，自身重量较轻，对电机输出功率要求不高，故采用方案二。2.2.8 循迹单元方案论证方案一：用光敏电阻组成光敏探测器 11。光
30、敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种阻值随入射光强弱而改变的电阻器，入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。在本课题中，当光线照射到白线上面时，光线发生强烈反射，光线照射到黑线上面时，光线反射较弱，利用光敏电阻在白线和黑线上的不同阻值，通过比较器将阻值转变成电信号反馈给单片机就能实现寻迹功能。此方案的优点是：光敏电阻价格低廉，技术成熟。但光敏电阻受外界光照影响很大，不能稳定的工作，电路框图如 2-9 所示。徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )10图 2-9 光敏电阻电路框图方案二：用红外发射管和接收管制作的光电传感器 11。红外对管是红外线发射管与红外线接收管配合在一起使用
31、时候的总称。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的红外线则表示是白线，若接收不到发射管发出的红外线则表示是黑线，通过比较器转换信号，继而向单片机反馈高低电平。这样的传感器基本能满足要求，但其工作不稳定，容易受外界光线的影响，因此每次工作前必须根据传感器的反馈电压来调整比较器的比较电压范围，电路框图如 2-10 所示。图 2-10 红外对管电路框图方案三：采用 RPR220 型光电对管 12。RPR220 是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。主要应用在游戏机、复印机和办公自动
32、化等设备中。其优点是:体积小结构紧凑、较高灵敏度。其缺点是：测距有限，只有 1-3cm。电路框图如图 2-5 所示，该方案使用电路简单，编程也容易。综合比较三种方案，根据制作的难以程度等因素，我们最终采用方案三。2.3 系统最终方案经过反复论证，我们最终确定了如下方案：1) 车体用购买的金属材料四轮驱动小车。徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )112) 电动机械手作为清障工具。3) 采用点触开关监测路面障碍。4) 采用 AT89S52 单片机作为主控制器。5) 通过双电源为系统供电：12V 稳压电源一方面为电机供电，另一方面经 LM7805 降压后为舵机以外的其它模块供电；5V
33、 干电池直接供舵机使用。6) L298N 作为直流电机的驱动芯片。7) 采用 RPR220 型光电对管进行路面信息采集。系统的结构框图如图 2-11 所示。图 2-11 系统结构图徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )12第 3 章 智能清障小车硬件设计3.1 系统硬件电路介绍本课题设计的智能小车硬件系统主要包括机械和电气两部分，机械部分主要有：障碍物监测模块和障碍物清理模块；电气部分主要有：单片机最小系统、供电模块、寻迹模块、直流电机驱动模块。障碍物监测模块顾名思义，就是实时进行黑线上障碍物的监测工作，主要通过点触开关结合图 3-1 中第 5 部分的电路，实现该模块监测障碍物的
34、功能；障碍物清除模块主要通过舵机驱动的机械手清除障碍物；单片机最小系统相当于“大脑”,是整个电路的控制核心；供电模块为整个系统提供电源；寻迹模块相当于“眼睛” ，为小车寻找道路上的黑线；直流电机驱动模块相当于“脚” ，控制小车的进退与转向。图 3-1 系统电路原理图1.单片机最小系统 2.供电单元 3.寻迹单元 4.直流电机驱动模块 5.监测障碍物模块3.2 障碍物监测模块介绍通过方案论证，系统最终确定采用点触开关作为障碍物检测传感器，小车在黑线上行驶的过程中，通过点触开关的开闭状态判断道路上是否有障碍物，障碍物监测电路如图 3-2 所示。点触开关闭合时，检测指示灯发光，此时 EX0 引脚为低
35、电平，触发了单片机的外部中断，从而控制机械手工作；断开时，检测指示灯不发光，EX0 引脚为高电平，不能触发外部中断，表明黑线上无障碍物，机械手不工作。徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )130.3kVccEX0图 3-2 障碍物监测电路点触开关的安装位置如图 3-3 所示，当障碍物进入夹持器并触碰开关后，就能触发单片机的中断，使整个系统停止当前一切动作，进入中断执行清除障碍物程序。若点触开关的安装位置太靠前，则触发中断的时候障碍物还未进入夹持器，机械手就开始动作，无法实现清障功能；若点触开关安装太靠后，即触头不在夹持器范围内，这样导致点触开关始终处于断开状态，障碍物监测模块和障
36、碍物清理模块都无法正常工作。图 3-3 点触开关安装位置3.3 障碍物清理模块介绍3.3.1 机械手介绍电动机械手是一种利用电机驱动并能夹持物体的机构。考虑到本课题设计的模型体积小、重量轻，且机械手安装于车体头部，为了防止车体前后不稳，机械手重量不能太大，故机械手材料采用优质 ABS 工程塑料制作，抓取的物体最大直径为53cm，夹持器张开后长度为85cm，闭合后长度为100cm。本设计清障的方案是：第一步，障碍物监测模块发现障碍物；第二步，机械手加紧障碍物；第三步，小车向黑线外运动，将障碍物推出黑线，此时松开机械手，小车回到黑线继续运动（清障过程详细参见图5-3、图5-4、图5-5） 。整个过
37、程只是通过机械手夹住障碍物，而不是仅仅通过机械手就达到清障目的，故设计中的机械手只起到夹持物体作用，对其要求只有夹持器范围，夹持力并无要求，只要夹住便可，设计模型使用的机械手见图2-3。3.3.2 机械手控制电路介绍本课题设计的机械手通过一个舵机驱动，控制电路如图3-4红圈中所示，所使用的单徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )14片机 I/O 先接上拉电阻，然后直接与舵机的信号线连接即可。由于单片机 I/O 口提供的电流有限，无法驱动机械手使用的舵机，所以通过上拉电阻，为舵机提供足够大的驱动电流。图3-4 舵机控制电路舵机电路虽然简单，但编程还是比较复杂的 16。舵机必须通过
38、PWM 信号控制，具体的数据如图 3-5 所示，舵机的控制信号是周期 20ms 的脉宽调制信号，其中脉冲宽度为1ms-2ms，相对应舵盘的位置为 0180 度，呈线性变化，也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供另外一个宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的位置上，详细参见表 3-6。值得注意的是：舵机的响应时间对于控制非常重要，一方面可以通过修改 PWM 周期获得，另一方面也可以通过机械方式，利用舵机的输出转距余量，将角度进行放大，加快舵机响应速度。图3-5 舵机工作信号徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )15
39、表3-6 舵机角度控制表3.4 单片机最小系统介绍单片机最小系统由复位电路、时钟电路组成，单片机最小系统电路如图 3-7 所示。复位是单片机的初始化操作，其主要功能是使单片机从 0000H 单元开始执行程序，除了进入系统的正常初始化之外，当程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为使单片机正常工作，也可以通过复位以重新启动。复位操作有上电自动复位、按键电平复位、外部脉冲复位和自动复位四种方式，该最小系统采用上电自动复位方式，使复位端经电容与 Vcc 电源接通而实现。时钟电路相当于“心脏” ，为单片机提供时钟电平，所需晶振为 12MHz。12M30pF30pF10uF10KVCC10kEX0
40、RNB2RNA2RNB1RNA1RST9RXD/P3.010INT0/P3.212 INT1/P3.313T0/P3.414 T1/P3.515EA/VPP 31XTAL119P0.0/AD0 39P0.1/AD1 38P0.2/AD2 37P0.3AD3 36P0.4/AD4 35P0.5/AD5 34P0.6/AD6 33P0.7/AD7 32P1.01 P1.12P1.23P1.45 P1.56P1.67 P1.78P2.0/A8 21P2.1/A922P2.2/A10 23P2.3/A11 24P2.4/A1225P2.5/A13 26P2.6/A14 27P2.7/A1528ALE/
41、PROG 30TXD/P3.111WR/P3.616 RD/P3.717PSEN 29XTAL218P1.34GND20Vcc 40AT89S52徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )16图 3-7 单片机最小系统3.4.1 AT89S52 单片机简介AT89S52 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗、高性能 CMOS8 位单片机。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 8051 指令系统及引脚。它集 Flash 程序存储器既可在线编程也可用传统方法进行编程。AT89S52 单片机的功能强、价位低，适用于许多高性价比的场合，可灵活应用于各种控制领域 1
42、7。a.主要性能参数：与 MCS-51 产品指令系统完全兼容；8K 字节在系统编程（ISP）Flash 闪速存储器；4.0-5.5V 的电压工作范围；全静态工作模式：0Hz-33MHz；128*8 字节内部 RAM；32 个可编程 I/O 口线（P0、P1、P2、P3） ；2 个 16 位定时/计数器，可通过编程实现 4 种工作方式；1 个具有 6 个中断源、4 个优先级的中断潜嵌套结构；中断可从空闲模式唤醒系统；看门狗（WDT）及双数据指针；灵活的在系统编程（ISP 字节或页写模式） ；b.所使用引脚功能：Vcc：接+5V 电压；Vss：接地；XTAL1：接外部晶振的一个引脚，在单片机的内部
43、，它是一个反相放大器的输入端，此反相放大器构成了片内振荡器；XTAL2：接外部晶体的另一个引脚，在单片机的内部，它是反相放大器的输出端，输入到内部时钟发生器。当使用外部振荡器时，XTAL1 接地，XTAL2 接收振荡器信号；P1：8 位准双向 I/O 口，内部含有上拉电阻；P2：8 位准双向 I/O 口，具有内部上拉电路；P3：8 位准双向 I/O 口，具有内部上拉电路，它还提供特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部随机存储器内容的读取或写入控制等功能；RST：复位输入信号，高电平有效。在振荡器工作时，在 RST 上作用两个周期以上的高电平，便可复位器件；EA/Vpp：片外程
44、序存储器访问允许信号，低电平有效。当 EA/Vpp 接地时，CPU 只执行片外存储器中的程序；当 EA/Vpp 接 Vcc 时，CPU 首先执行片内程序存储器中的程序徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )17（0000H0FFFH） ，然后自动转向执行片外程序存储器中的程序（1000HFFFFH） ；3.4.2 单片机使用资源规划AT89S52 单片机具有比较强大的系统资源，系统电路在设计时充分利用了它的自身特性，并进行合理的规划，详见表 3-8。P3 口具有普通 I/O 口功能外，还有第二功能，如定时器、中断等，所以一般不用，除非需要使用它的第二功能；P0 口内部无上拉电阻，需
45、外加上拉电阻才能输出高电平，在电路中未加上拉电阻，因而不用 P0 口；P1 口和 P2口作为普通 I/O 口，可任意使用。表 3-8 单片机资源分配表系统资源类型 用途 备注看门狗 防止系统跑飞定时器 1 定时喂狗外部中断 0 监测障碍物 输入P1.0 控制小车左侧电机转向 输出P1.1 控制小车右侧电机转向 输出P1.2 控制小车左侧电机转速 输出P1.3 控制小车右侧电机转速 输出P1.7 控制舵机运动 输出P2.0 监测黑线，反馈左微动信号 输入P2.1 监测黑线，反馈左转信号 输入P2.2 监测黑线，反馈右微动信号 输入P2.3 监测黑线，反馈右转信号 输入3.5 供电模块介绍供电模块
46、为系统的控制机构、执行机构、传感器等模块提供可靠的工作电压。该模型采用两个独立电源对整个系统供电，即12V 稳压直流电源一部分对四个直流电机及驱动模块供电，另一部分经过 LM7805降压到5V，分别对单片机最小系统、寻迹模块供电，另一5V 干电池电源单独对舵机供电，两电源共地连接。供电模块电路设计如图3-9所示，电路中的两个电容主要用于滤波，以滤除直流电源中不需要的交流成分，使直流电平滑，同时滤除高频交流电。图 3-9 12V 稳压直流电源转换电路3.6 寻迹模块介绍寻迹是指小车在白色地面上总是循着黑线行走。该功能通过 RPR220型光电对管对黑104IN GNDOUTLM780510uFDC
47、-12VGND12Vcc VDD徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )18线进行识别而实现,即利用发光二极管在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点,当可见光遇到白色地面时发生漫反射，反射光使安装于小车上的光电三极管导通并通过比较器 LM339反馈高低电平给单片机，当遇到黑线，可见光线则被吸收，光电三极管接收不到光线而无法导通 ,单片机根据是否收到反馈电平为依据来确定小车的行走路线 ,从而实现小车的寻迹功能。寻迹电路如图3-10所示，该电路中主要芯片是 LM339，它内部是将模拟电压信号与基准电压相比较的电路，通过比值不同，反馈高低电平给单片机。1 142 133 124 1
48、15 106 97 8LM33910k10k0.3kVCCVCCL4L5图3-10 寻迹模块电路寻迹模块中使用的光电对管共有四对，分别安装在小车两侧和前端，如图 3-12 所示，当“前 X1”与“前 Y1”在黑线上， “左 X1”与“右 Y1”在黑线外，小车前进。在前进的过程中，如果“前 X1”偏出黑线，如图 3-11，则小车向右微动，如果“前 Y1”偏出黑线，如图 3-13，则小车向左微动，最终使前端两个传感器处于黑线上。当小车处于图 3-14 状态，即“左 X1”在黑线上， “右 Y1”在黑线外，同时“前 X1”与“前 Y1”在黑线外，小车左转。当小车处于图 3-15 状态，即“左 X1”
49、在黑线外， “右 Y1”在黑线上，同时“前X1”与“前 Y1”在黑线外，小车右转，详细表 3-16 光电传感器真值表。图 3-11 寻迹右微动 图 3-12 寻迹直走 图 3-13 寻迹左微动徐 州 工 程 学 院 毕 业 设 计 (论 文 )19图 3-14 寻迹左转传感器位置图 图 3-15 寻迹右转传感器位置图表 3-16 光电传感器状态真值表左 X1 右 Y1 前 X1 前 Y1正常行驶 1 1 0 0左转 0 1 1 1右转 1 0 1 1左微动 1 1 0 1右微动 1 1 1 0停止 1 1 1 13.7 直流电机驱动模块介绍电机驱动模块用于驱动小车轮子转动，使小车行进 18。该模块中主要使用芯片L298N，它是 SGS 公司的产品，内部包含 4 通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个 H 桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL 逻辑电平信号，可驱动 46V、2A 以下的电机。如图 3-19，小车上有四个直流电机，左侧两个电机（M1,M3）为一组，右测两个电机（M2,M4）为一组，分别接在两个
