1、 毕业论文（设计）基于单片机的一种小型避障机器人的设计学 生 姓 名： 关惠元 指 导 教 师 ： 李向军 专 业 名 称 ： 自动化 所 在 学 院 ： 信息与工程学院 2015 年 5 月目 录摘 要 .IAbstract.II第一章 前 言 .11.1 研究目的和意义 .11.2 智能机器人的发展历史、现状以及发展趋势 .11.3 本课题要解决的问题 .2第二章 总体设计方案 .32.1 任务分析 .32.2 总体方案的设计 .3第三章 硬件电路的设计 .43.1 红外传感器电路设计 .43.3 伺服电机 .123.4 模数转换芯片简介 .133.5 串口通信简介 .163.6 行走路线
2、设计 .19第四章 系统软件设计 .204.1 软件简介 .204.2 基本巡航动作 .224.3 匀加速/减速运动 .234.4 避障程序 .23第五章 结 论 .26参考文献 .27附录 A .28附录 B .30附录 C .31大连海洋大学毕业设计（论文） 摘 要I摘 要随着科技的进步，机器人的发展已是一种社会进步的必然趋势，机器人技术的进展非常迅速，同时机器人在人类领域的应用越来越广泛，人类已经不单单为了探索那些危险领域，如太空，深海等，在我们的生活中也变得越来越重要。本次设计基于单片机的简单避障机器人，主要由单片机、电动机、红外传感器和电源等模块组成，是通过红外传感器采集数据，经过
3、A/D 转换，在经由单片机处理来控制伺服电机的转动，当机器人前行是红外线发射器左右两边信号发射器发出信号，左右接收器接受信号，当左边出现障碍时，红外线接收器得到信号输出为 0，机器人右转，转完后重复上面程序，当右边遇到障碍时过程和左边动作相同。其中单片机的程序是由VB 上位机显示程序结合 C 语言编程所完成的。关键词：单片机 红外传感器 伺服电机 避障大连海洋大学毕业设计（论文） AbstractIIAbstractWith the progress of science and technology, the development of the robot is a kind of tre
4、nd of social progress, robot technology progress very quickly, at the same time, more and more widely applied in the field of robot in the human, the human has not only to explore the dangerous areas, such as space, deep sea and so on, also becomes more and more important in our life. Simple robot o
5、bstacle avoidance, this design is based on single chip microcomputer is mainly composed of single chip, motor, infrared sensor and power supply modules, such as through infrared sensors to collect data, after A/D conversion, the processed by single chip microcomputer to control the servo motor rotat
6、ion, when robots are infrared transmitters on both sides signal emitter signal, control receiver signal reception, when problems to the left, infrared receiver signal output is 0, the robot turn right, turn after repeating the above procedure, when encounter problems when the process is the same as
7、the action on the left on the right. The MCU program by VB PC display program with C language programming.Keywords: SCM infrared sensors servo motor obstacle avoidance大连海洋大学毕业设计（论文） 第一章 前 言1第一章 前 言1.1 研究目的和意义随着科学的进步和社会的发展，人们为了探索一些未知的领域，如海洋深处，外太空这些人类不能到达的地方，机器人的应用越来越普及，就连我们的日常生活中机器人的应用也日趋变多，如搬运、加工、排障
8、，甚至连炒菜都在用。机器人是多学科技 术集成的产物 , 它涉及机械设计与制造技术往往一个国家的机器人制造水平反映着这个国家工业与制造业的发展程度。所以，机器人的研究越来越重要。1.2 智能机器人的发展历史、现状以及发展趋势智能机器人主要由单片机、电动机、红外传感器和电源等模块组成。一般来说，要求在运行的过程中，机器人车能够有效的避开前方的障碍物。它的根本原理就是，机器人在行进的过程中，通过红外传感器发射接收信号，并将信号送给单片机，单片机根据已经设定好的程序来命令伺服电机的转动，改变机器人的运行方向来达到我们想要的避障的目的 1。实用步行机器人首先在军事上使用，帮助士兵收集信息，吸引敌人，避免
9、伤害。这种机器人也将有助于公民救灾和科学，探索地球危险地带，在太空中，探索其他行星和卫星。随着成本下降，行走机器人就会出现我们的身边，改善我们的生活质量，尤其是对我们那些都是老年人，体弱者，或者只是累了在家休息的。在十九世纪后期，机器人的设计与制造在全球风靡，世界上一些著名的公司开始研制移动机器人，因而使得机器人的研究方向出现了很多种。90 年代以来，因为传感器技术的提高，信息处理技术的发展，机器人的适应能力越来越强。现在的机器人种类多，应用广。综合国外专家的解释，可普遍认为机器人一般有如下功能的机器 2：（1）行为动作与任何动物的某些活动类似；（2）应用性广，动作程序灵活多变；（3）具有学习
10、，推理，判断以及学习等一定简单的智能。（4）有一定独立性，在一个完整的系统里可以不需要人类的操作。随着智能技术、pc 技术、自动化的发展，机器人的发展必然越来越好。机器人近几年有如下趋势：（1）性价比逐步提高，性能不断提高，而单价不断下降。（2）由于 PC 技术的发展，集成电路技术的不断提高。机器人更便于操作，可靠性更强，维护性也大大地提高了。（3）传感器的发展越来越成熟，现在已经不单单是简单的定位，测速度等，越来越像人类来发展，如人体所具有的触觉，听觉等，都在用来建模与控制。(4)虚拟技术在机器人中的作用已经不仅仅是模拟，演算，而是向过控方向发展 3。大连海洋大学毕业设计（论文） 第一章 前
11、 言21.3 本课题要解决的问题(1)机器人电路设计，让组成机器人的各部分可以紧密的配合。(2)红外传感器的选择和调试，要求信号强，受干扰程度小。(3)运用 C 语言以及 VB 对软件系统的编程编程，做到简单有效的避障。(4)考虑生活中种种环境因素，设计出一条路线，让机器人能接触到各种各样的障碍。大连海洋大学毕业设计（论文） 第二章 总体设计方案3第二章 总体设计方案2.1 任务分析本设计的主要任务主要是在红外线传感器将数据采集来以后经过处理，通过单片的已经编好程序来控制机器人的前进，停止，左右转动，来达到避障的效果。机器人要实现下面的 4 个基本智能任务：(1)具有红外传感器(2)可以探测周
12、边环境(3)在红外传感器信息上做出判断(4)控制机器人运动2.2 总体方案的设计本次设计分为传感器机构、控制机构、执行机构、电源四个硬件。执行机构是来完成行走效果，传感器机构主要任务是信息采集，控制机构主要是信息处理，而电源是为前三个机构提供电力支持。本文研究的小型避障机器人是以单片机为核心，通过红外传感器接受信息，利用伺服电动机来控制机器人移动，从而达到避障效果的。传感器模块红外装置电源模块控制模块 执行器模块伺服电机图1 系统结构框图大连海洋大学毕业设计（论文） 第三章 硬件电路的设计4第三章 硬件电路的设计3.1 红外传感器电路设计3.1.1 红外发射二极管的选择红外发射二极管的按峰值波
13、长（p）主要为：850nm、870nm、880nm、940nm、980nm，我们接触较多的 850nm 和 940nm 。本次所用的就是后者，940nm 红外发射二极管具高强光度，快反应度。在红外遥控，红外探测，红外幕墙安保的系统中广泛的应用 4。表1 红外发射二极管极限参数参数名称 符号 额定值 单位 正向电流 IFM 3060 mA正向脉冲电流（1） IFPM 0.31 A 反向电压 VR 5 V耗散功率 PM 90 mW工作温度范围 Top -25+80 贮存温度范围 Tst -40+100 焊接温度（2） Tst 260 注（1）： f=1KHz,tp/T1% 注（2）： t3s,离器
14、件本体 4mm 以上 表2 红外发射二极管的光电参数(TA=25)参数 符号 测试条件 规范值 单位正向电压 VF IF50mA 1.5 V 反向电流 IR VR5V 10 A法向辐射强度 IE IF50mA 2 mW/sr峰值发射波长 p IF50mA 850940 nm光谱半宽度 IF50mA 50 nm 辐射度角 21/2 IF50mA 16 deg大连海洋大学毕业设计（论文） 第三章 硬件电路的设计5图 2 相对光谱灵敏度与波长的关系红外发射二极管发射管的辐射强度(Power)与输入电流(If)成正比。辐射强度：Power(单位:W,W/sr,W/cm2)的作用就是用来表示二极管的发出
15、的信号强度的大小的 5。发射距离与辐射强度(Power) 成正比。W/sr：是辐射强度的单位，为 IR 发射红外线光之单位立体角(sr)所辐射出的光功率的大小。W/cm 2：表示照度的单位，为 sensor 单位面积(cm 2)所接收 IR 发射之辐射功率的大小。半功率角：2 指红外线二极管其上下或左右两边所辐射出之红外线强度为该组件最大辐射强度的 50%时，其上下或左右两边所夹的角度称为半功率角 6。大连海洋大学毕业设计（论文） 第三章 硬件电路的设计6图 3 30 度半功率角辐射强度示意图3.1.2 红外接收器的选择本次设计选用 HS38B，该器件特性：低功耗、高灵敏度、优良的抗干扰能力。一般用于家用电器。表 3 红外接收器电路原理 极限参数：电源电压(v) 6.0 工作温度 -2585功耗(mw) 30 储存温度 -40125光电参数：（T=25 Vcc=5V F0=38Khz）参数 测试条件 Min Typ Max工作电压 4.5 5.51接收距离 测试信号=300mA 10 15载波频率 38K接收角度 距离衰减 +/-45BMP 宽度 -3Db Bandwidth 2 3.3 5静态电流 无信号输入时 0.8 1.5低电平输出 Vin=0V Vcc=5V 0.2 0.4高电平输出 Vcc=5V 4.5输出脉冲宽度 Vin=500Vp-p 500 600 700
