《单片机c51项目设计与开发教学课件作者张巍项目6机器人的控制和制作》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机c51项目设计与开发教学课件作者张巍项目6机器人的控制和制作（70页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、项目6 机器人的控制和制作,任务1追光机器人的设计与制作 任务2灭火机器人的设计与制作 任务3相扑机器人的设计与制作,返回,任务1 追光机器人的设计与制作,任务描述 制作一个追光机器人，以轮代步，能够实现追逐光源行进。 任务分析 1.硬件电路分析 使用单片机P1口的P1.3和P1.4分别连接左右光电传感器核心板模块，PO口的P0.0P0.4连接电动机驱动模块，单片机的RST引脚和P1口的P1.7,P1.6和P1.5连接ISP下载接口，用于和主机相连，下载程序。追光机器人的电路原理框图如图6-1所示。,下一页,返回,任务1 追光机器人的设计与制作,2.软件设计思路 框图中的左、右光电传感器核心板
2、模块用于寻找光源，由光敏三极管和处理模块组成，处理模块中使用LM393设计。电动机控制模块用于控制机器人四轮的运动，对电动机的驱动采用脉宽调试的方式进行，把驱动过程以时问周期为单位，在每个周期中，都有导通时问和截止时问。调节导通和截止时问的占空比，就可以像车一样，控制动力、速度。机器人四轮电动机的控制见表6-1。 追光机器人完整程序流程图如图6-2所示。 参考源程序,上一页,下一页,返回,任务1 追光机器人的设计与制作,上一页,下一页,返回,任务1 追光机器人的设计与制作,上一页,下一页,返回,任务1 追光机器人的设计与制作,上一页,下一页,返回,任务1 追光机器人的设计与制作,上一页,下一页
3、,返回,任务1 追光机器人的设计与制作,上一页,下一页,返回,任务1 追光机器人的设计与制作,上一页,下一页,返回,任务1 追光机器人的设计与制作,系统调试 系统调试步骤如下。 ISP下载器一端连接PC的USB接口，另一端连接机器人主板上的ISP接口，打开电源开关。 用“progisp.exe”软件将“程序追光机器人”文件夹下的“追光机器人.hex”下载到单片机中。 程序正确写入完成后，关闭机器人电源，拔下ISP下载线，提供足够的运行空问，把机器人放到地面上，点上一支蜡烛，打开机器人电源，这时机器人静止不动;移动蜡烛，小车朝光线亮的地方移动，否则向前运行。追光机器人系统效果如图6-3所示。,上
4、一页,下一页,返回,任务1 追光机器人的设计与制作,知识拓展 12V直流电动机控制方法 1.本设计采用的电动机控制方法 本设计通过一个电动机控制模块(该模块采用L293D设计)和单片机相连，用单片机的P0.4引脚控制模块的输出，当P0.4=1时，模块开始工作，P0.3, P0.2对应的模块输出分别接右侧电动机的反转和正转端了，P0.1, P0.0对应的模块输出分别接左侧电动机的反转和正转端了，当单片机的对应端了有相应电平输出时，电动机执行相应动作;当P0.4=0时，模块的输出端全为低电平“0”，电动机停止。 电动机驱动时采用脉宽调制的方式进行，通过调整电动机的导通和截止时问来调整电动机控制信号
5、的占空比，从而达到控制电动机速度的目的。,上一页,下一页,返回,任务1 追光机器人的设计与制作,2. L293D芯片 (1)概述 L293D是一款单片集成的高电压、高电流、4通道电动机驱动，设计用于连接标准DTL或TTL逻辑电平，驱动电感负载(诸如继电线圈、DC和步进电动机)和开关功率晶体管等。为了简化为双桥，L293D每个通道都配备了一个使能输入端。L293D逻辑电路具有独立的供电输入，可在更低的电压下工作。此外，L293D还内置了箱位二极管。L293D适用于频率达5 kHz的开关。 (2)特性 L293D每个通道的电流输出能力达600 mA ; L293D每个通道的峰值输出电流达1.2 A
6、(非重复); 便于使能; L293D具有过温保护作用;,上一页,下一页,返回,任务1 追光机器人的设计与制作,逻辑“0”输入电压高达 内置箱位二极管。 (3)基本参数 工作电压:4.536 V; 单通道输出电流:600 mA; 峰值输出电流:1.2A0 C4)其他特性 输出数:4; 类型:半桥式; 输入类型:正相; L293D封结与引脚:DIP16. 1.5 V(高抗噪性);S OIC20 。,上一页,下一页,返回,任务1 追光机器人的设计与制作,3.其他，2V直流电动机控制方法 (1)用单片机直接驱动12 V直流电动机 如果仅用单片机直接驱动一个12V的直流电动机，只要求转动即可，不需要调速
7、，可直接采用图6-4所示的简单控制方式，单片机输出高电平可以实现电动机转动。 然而，单片机输出高电平，提供的电流有限，即使经过8050放大，也难以达到使电动机转动的需求。可以再加一级放大，用8550即可，原来的1 k 电阻可以适当减小，470-680 即可。如图6-5所示，此时，单片机输出低电平时，电动机转动。,上一页,下一页,返回,任务1 追光机器人的设计与制作,(2)通过H型PWM电路实现12V直流电动机控制 也可以采用由达林顿管组成的H型PWM电路或者集成芯片，实现12V直流电动机控制，可以用单片机控制达林顿管，使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管了的
8、饱和截止模式下，效率非常高，H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制，电了开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。 PWM在12V直流电动机控制技术中的应用 1.PWM调速工作方式 双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。,上一页,下一页,返回,任务1 追光机器人的设计与制作,单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。 2. PWM调脉宽方式 调脉宽的方式有三种:定频调宽、定
9、宽调频和调宽调频。我们采用了定频调宽方式。采用这种方式，电动机在运转时比较稳定，并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。 3. PWM软件实现方式 采用定时器作为脉宽控制的定时方式。这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只有儿微秒。,上一页,下一页,返回,任务1 追光机器人的设计与制作,采用软件延时方式。这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。但是基于不占用定时器资源，且对于直流电动机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围内，所以一般采用方案二。 光电传感器 光电传感器一般由光敏三极管和处理模块组成。可以自行设计，也可以在市场上购买现成的光电传感器模块或者芯
10、片。 1.光敏三极管 光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。 (1)光敏三极管的主要技术特性,上一页,下一页,返回,任务1 追光机器人的设计与制作,1)暗电流ID 在无光照的情况下，集电极与发射极问的电压为规定值时，流过集电极的反向漏电流称为光敏三极管的暗电流。 2)光电流IL 在规定光照下，当施加规定的工作电压时，流过光敏三极管的电流称为光电流。光电流越大，说明光敏三极管的灵敏度越高。 3)集电极一发射极击穿电压VCE 在无光照下，集电极电流IC为规定值时，集电极与发射极之问的电压降称为集电极一发射极击穿电压。 4)最
11、高工作电压Vrm 在无光照下，集电极电流IC为规定的允许值时，集电极与发射极之问的电压降称为最高工作电压。,上一页,下一页,返回,任务1 追光机器人的设计与制作,5)最大功率PM 最大功率指光敏三极管在规定条件下能承受的最大功率。 6)峰值波长P 当光敏三极管的光谱响应为最大时，对应的波长叫做峰值波长。 7)光电灵敏度 在给定波长的入射光输入单位为光功率时，光敏三极管管芯单位面积输出光电流的强度称为光电灵敏度。 8)响应时问 响应时问指光敏三极管对入射光信号的反应速度，一般为1x10-31x10-7 S。,上一页,下一页,返回,任务1 追光机器人的设计与制作,9)开关时问 开关时问一般分为脉冲
12、上升时问ts、脉冲下降时问tt、脉冲延迟时问td和脉冲储存时问ts 。 (2)温度特性 温度对光敏三极管的暗电流及光电流都有影响。由于光电流比暗电流大得多，在一定温度范围内，温度对光电流的影响比对暗电流的影响要小。图6-6给出了光敏三极管的温度特性曲线。 (3)光敏三极管的结构和工作原理 光敏三极管与二极管不同的是，有两个背对相接的PN结。与普通三极管相似的是，它也有电流增益。需要指出的是，因光敏三极管无须电参量控制，所以一般没有基极引出线，只有集电极C和发射极e两个引脚，而且外形和光敏二极管极为相似，很难区别开，需认真看清管壳外缘标注的型号，以免混淆。,上一页,下一页,返回,任务1 追光机器
13、人的设计与制作,(4)光敏三极管的应用 下面列举了儿种常见光敏三极管的基本应用。 1)测量光亮度 在教室，很多时候日光灯自天也亮着;在宿舍里面，日光灯经常样夜不息，造成资源浪费。可以利用光敏三极管附加电磁继电器在教室和宿舍安装一个控制电路，当亮度达到一定程度的时候，教室和宿舍的日光灯将无法启动。 2)光电隔离 光敏三极管的另一个作用是传输信号。光祸合器(Optical Coupler, OC)亦称光电隔离器，简称光祸，它以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。,上一页,下一页,返回,任务1 追光
14、机器人的设计与制作,3)非接触测量转速 转矩传感器在旋转轴上安装齿缝测速轮，在传感器外壳上安装一只由发光二极管及光敏三极管组成的槽形光电开关架。测速轮的每一个齿将发光二极管的光线遮挡住时，光敏三极管就输出一个高电平;当光线通过齿缝射到光敏管的窗口时，光敏管就输出一个低电平。旋转轴每转一圈，可以计算出得到的脉冲个数，每分钟检测到的脉冲数除以每转一圈的脉冲数就是每分钟的转速值。 2.处理模块 在光电传感器的设计中，处理模块是必不可少的一部分，一般把从光敏三极管引出的信号经过一个电压比较器进行处理。电压比较器的一个输入端了接入一个参考电压Vref，另一端接光敏三极管的输出，当光敏三极管输出电压高于参
15、考电压时，电压比较器的输出端为高电平“l”，否则输出为低电平“0”。本设计中采用双电压比较器集成电路LM393 。,上一页,返回,任务2 灭火机器人的设计与制作,任务描述 制作一个自主运行的机器人，让机器人在一定的环境场合中找到火灾点(燃烧的蜡烛)，然后启动灭火装置将它扑灭。 任务分析 1.硬件电路分析 灭火机器人在进行设计时，四个轮了是必不可少的，它们用12V直流电动机进行驱动，实现机器人的行走。电动机与单机的连接和控制方法与追光机器人的设计一样，电动机控制模块设计时，采用L293D芯片，输入端和单片机的P0.0 P0.4引脚相连，输出端了直接驱动电动机。,下一页,返回,任务2 灭火机器人的
16、设计与制作,为了灭火，要用到光电传感器模块寻找火灾(对本设计进行实验时，用点燃的蜡烛代替)发生地点，光电传感器模块的设计和单片机的连接方式与追光机器人的相同，仍然采用光敏三极管和处理模块进行设计，左、右光电传感器模块分别和单片机的P1.3, P1.4引脚相连。在寻找光源的过程中，机器人应该能够躲避障碍物，设计避障传感器实现这一功能，前、左、右避障传感器分别和单片机的P0.5, P0.6, P0.7引脚相连。寻找到光源之后，机器人启动灭火动作，这一动作利用电动机带动一个小风扇转动，利用小风扇的风力实现灭火功能。风扇控制模块和单片机的P3.4P3.7引脚相连。灭火机器人的设计原理框图如图6-7所示。,上一页,下一页,返回,任务2 灭火机器人的设计与制作,2.软件设计思路 如果只有一组光电传感器，则可以检测到火源，但不能有效定位。实际使用中，通常在左右两边分别安装一组光电传感器，机器人在前进中通过摆头来寻找火源。当左边检测到，而右边没有检测到时，机器人向左转一个角度并前进一段距离，然后继续寻找，反之也一样。只有当左右两边同时检
