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1、 某某某某大学 XXXXX XXXXXXX UNIVERSITYXXXXXX学院电子综合实践姓名 题目 运水机器人 目录、设计任务与要求41.1 基本设计任务41.2 控制设计任务41.3 软件设计任务5、方案设计与论证52.1 电源方案52.2 驱动电路方案52.3 距离控制方案5、总体设计63.1 系统硬件电路设计63.1.1 探测传感器模块63.1.2 电机驱动模块83.2 系统软件设计83.2.1 软件计时的分析与计算83.2.3 系统软件流程图9、测试结果及结果分析94.1 测试仪器及工具94.2 测试步骤94.2.1 预备工作94.2.2 正式测试104.3 测试结果104.4 测
2、试结果分析10、创新点115.1 添加计时模块115.2 实用性11、总结与心得11参考文献11附件一：参考程序12附件二：总原理图15附件三：元器件清单16摘要：命题要求设计自动运水机器人。本设计是以STC89C52单片机为核心器件，应用红外开关，直流电机等器件，实现命题要求。经过测试，该机器人达到所有命题所要求的技术指标。在此基础之上，本设计添加了计时模块，使设计更具实用性。关键词：运水；电机驱动；探测传感器运水机器人、设计任务与要求本任务为F题：运水机器人。设计任务具体内容如下：图1-1 参考图图1-2 路线图1.1 基本设计任务依据命题题意，本设计采用直流电机带轮式小车带实现机器人的运
3、动。机器人上面要装有盛水容器，以便完成在AC之间的运水任务。当红外光电开关探测到黑色边线的时候停止小车运动，小车停在A区是通过手动控制小车重新运动，小车停在C区通过软件延时控制小车重新运动，这样达到循环运动，进而完成运水任务。1.2 控制设计任务由于本设计采用手动完成整个过程中的装水、卸水任务，因此控制任务即为控制AC之间的距离。这里通过红外光电开关扫描是否达到黑色边线，即为判断是否达到题目要求的2000mm（黑色边线即为图1-2中的起始/返回边线），通过与软件配合，以完成要求。1.3 软件设计任务机器人的所有动作由都要由软件控制实现。用软件对红外开关扫描所得信号进行对比，以控制直流电机的停止
4、/正反转。通过软件对按键的识别控制硬件启动。用软件来控制时间显示模块的计数周期。、方案设计与论证 本设计主要需要完成运水小车在AC之间运水任务。利用红外光电开关对由黑色电胶布制作的起始/返回边线进行探测，再通过软件的配合，对探测结果进行分析，并控制小车车轮的停止/正反转，让小车在AC之间固定距离内行进。通过单片机与软件的集合对时间显示模块进行控制，达到显示时间的任务。2.1 电源选择方案方案一：采用双电源供电，在设计中，将CPU电源和电机驱动电源完全靠光电耦合器隔离，这样电机启动时的冲击信号就不会对CPU有影响，增加了系统的可靠性。缺点是电路设计复杂，电路成本较高。设计要求较低，且此方案较为复
5、杂、成本高，故放弃。方案二：采用单电源供电，电机的驱动和CPU逻辑控制电源采用同一个电源。该方案设计简单，而且成本较低，缺点是电机启动的瞬间电流过大，容易对上一级电路产生冲击，电路的稳定性不好。这个方案已经可以满足实验的要求了，采用此方案。2.2 驱动电路选择方案方案一：采用三极管驱动电机，滤波效果好，在单片机跟电机共用一个电源，在电流较高的情况下，单片机仍能不受干扰而正常工作。优点：电路压降较小，所以在大电流的情况下，发热很小。缺点：电路连接较为复杂，驱动功率较小，不适于大功率驱动。该驱动电路的功率不能满足要求，故放弃此方案。方案二：使用专用芯片L298所组成的电机驱动电路。驱动芯片L298
6、是驱动步进电机的专用芯片，我们利用它内部的桥式电路来驱动直流电机。优点：控制比较简单，电路简单，集成芯片简化了电路的复杂性，驱动功率大。缺点：电路发热较大，成本略高。结合作品要求，采用此方案。2.3 距离控制方案方案一：直接采用软件控制距离，即：根据小车的平均速度设定相应前进/后退时间，达到控制前行/后退目的。优点：无需其他硬件支持，节约成本，制作简单。缺点：不易自动控制，距离控制不精确，多次循环后会导致小车偏离预定路径。考虑到设计要求的距离控制精度较高，放弃此方案。方案二：采用光电传感器根据固定在地面上的两个边线的探测（如：固定在地面的两条黑色胶带）进行探测，通过固定边线之间的距离来达到距离
7、控制的距离的目的，进而达到要求。缺点：增加成本，增加软件设计难度，制作较为困难。优点：距离控制精确，易于自动控制。由于本设计对距离有较高的要求，故采用此方案。、总体设计光电探头AT89C52按键电机驱动时间显示经过对各个方案分析比较，最终确定总方案如图3-1所示。该系统所有模块都由主单片机控制。其中，设计各个模块，包括单片机、显示模块、电机驱动、光电探测由四节AA电池供电。电机驱动采用L298驱动芯片控制。用光电传感器对边线的探测来控制距离。通过单片机的机器周期计算时间计数周期，以达到计时目的。图3-1 系统方案图3.1 系统硬件电路设计3.1.1 探测传感器探测传感器采用CNY-70反射式光
8、电开关。红外线光电开关属于光电接近开关，它利用被测物体对红外光束的遮光或反射，对所有能反射光线的物体均可检测，根据检测方式的不同，分为漫反射式、镜反射式、对射式、槽式、光纤式光电开关等。图3-2为CNY-70的输入输出特性曲线：图3-2 CNY70特性曲线从图3-2可以看出，随着发光管电流逐渐增加，输出电流逐渐变大，因此我们选择输入电流为20mA。CNY-70的发光管的导通压降大约为1.5V，输入电压选择5V，因此电阻我们选择200。图3-3 探测传感器通过电压比较器，将传感器的输出电压转换成逻辑电平，通过单片机判断探测是否有黑线，然后通过软件调整，使小车能够完成B区的动作。由于CNY-70受
9、自然光影响，因此在使用时比较器比较电压采用电位器调节，通过手动调节适应不同的光照环境。3.1.2 电机驱动模块L298 芯片是一种高电压、大电流、高功率驱动器，其设计是为接受标准TTL逻辑电平信号和驱动电感负载的，例如继电器、圆筒形线圈、直流电动机和步进电动机。每桥的三级管的射极是连接在一起的， 相应外接线端可用来连接外设传感电阻。可安置另一输入电源，使逻辑能在低电压下工作。L298 芯片是具有15 个引出脚的多瓦数直插式封装的集成芯片。图3-4 电机驱动模块3.2 系统软件设计3.2.1 软件计时的分析与计算单片机内部定时器有4种工作模式，方式0是13位计数器，由于计时时间过短，中断频率高，
10、所以不选用此模式；方式2是自动重装式计数器，是8位计数器，同样中断频率过高；方式3也是8位计数器；方式1是16位计数器，综合考虑，选用方式1做精确计时。由于51单片机是12分频，因此机器周期=晶振频率/12。在该设计中，选用频率为12MHz的晶振，因此机器周期=1s。定时1s需要1000000个机器周期，因此通过20次定时器中断完成1s的定时，每次完成50000个周期的定时，因此每次给定时器的初值应该是TH0=B0H,TL0=3CH。3.2.3 系统软件流程图注：D为电机转动方向标记。图3-5 系统流程图、测试结果及结果分析4.1 测试仪器及工具测试仪器及工具： 100ml量筒两个，卷尺（两米
11、以上）一把，黑色电胶布一卷，大号水桶两个，水量充足。4.2 测试步骤4.2.1 测试前预备工作、用卷尺在地面标出两米距离，并用黑色电胶布在两米的两端各粘贴一条纵边线。、将水桶装满水，置于A端，量筒也置于A端，空水桶置于另外C端。、根据测试场地光照条件，将小车的探测器调试到最佳状态。4.2.2 正式测试、将小车置于初试边线，即有水的水桶的一端，启动小车电源。、用量筒量取100ml水置于小车上的水杯里。按下出发键，同时秒表开始计时。小车从A端，经过B区域到C端停止。、小车在C端停止后，数码管显示卸水倒计时8S，此时，取下车上的水，倒入空桶内，并将水杯放回小车，8S结束后，小车返回，数码管显示小车前
12、进时间与卸水时间（8S）之和，并在此基础上继续计时。、小车返回A端后，秒表停止计时。、循环-步骤若干次。、关闭电源，清空水杯中的水。清理测试现场。4.3 测试结果如下表 项目趟次小车显示运行一个周期时间（S）实际运行一个周期时间（S）运水量(mL)第一趟14S14.56S100mL第二趟14S14.23S100mL第三趟15S15.19S100mL第四趟14S14.86S100mL第五趟14S14.35S100mL第六趟14S14.66S100mL第七趟14S14.85S100mL第八趟15S14.88S100mL第九趟15S15.26S100mL第十趟14S14.79S100mL表4-1 调
13、试结果4.4 测试结果分析通过对测试数据的分析，可以看出，小车已经实现了在ABCBA区域较为稳定的循环运水过程，即小车已经实现了题目所给出的所有要求。另外，小车显示每周期时间与实际每周期所用时间误差小于1S，达到了额外添加计时模块的目的。通过计算，可得出小车的平均速度为0.63m/s，单位时间运水量大约为7mL/s。、创新点5.1 添加计时模块在题目要求之外，本设计增加了周期计时装置，在此基础上，若通过进一步改进，可自动显示小车平均速度。据此又可以在没有其他额外装置的情况下大概知道电池电量(事先测量好小车在不同电量情况下的速度，并画出不同电量对应不同速度的曲线图，用实测速度与此曲线图对比可知大
14、概电量)。另外，通过简单计算，还达到了计算单位时间运水量的目的。5.2 实用性、将该设计用于餐厅、酒吧等餐饮场所，所用于传菜、续杯等较为简单的服务。既可增加娱乐性和趣味性，亦可节省雇员成本。、用该设计取代某些高功耗、高压电机带动的传送带，降低能耗，增加安全系数。、总结与心得通过对该作品的制作，了解了各个模块之间相互协同工作的重要性，初步掌握如何控制好各个模块之间的关系。通过对探测传感器的使用，了解了传感器在设计中的重要作用，有益于对传感器的进一步学习。本次电子综合实践也锻炼了我们的动手能力，但最重要的是锻炼了如何解决问题的能力。参考文献：1、胡汉才.单片机原理及其接口技术.北京：清华大学出版社，20052、阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，20013、童诗白 华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，20014、郁有文等.传感器原理及工程应用.西安：西安电子科技大学出版社，2008附
