避障机器人设计报告

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1、寸耕Ml IMriTiJTE OF ROST lELFCChWUCATlOHB开放性实验报告避障机器人设计系另上智能科学与技术姚武浩姜飞鹏郑光旭指导老师：袁立行、王曙光、亢红波时 间：2011.9.162012.4.28目录1系统功能介绍2设计任务与要求3系统硬件设计3.1系统总体设计框图3.2寻线模块(ST188)23.3电机控制模块33.4单片机最小模块43.5数码管显示模块64系统软件实现74.1设计思路74.2软件程序流程图84.3程序代码见附录I 85调试结果86实验总结9附录110附录1118附录皿191系统功能介绍本设计以单片机作为控制核心，电路分为最小系统模块，黑线检测模块，电

2、 机驱动模块，数码管显示模块。黑线检测模块采用反射式关电传感器st188，并 且接相应的三级管来规划传感器的输出，当输出高电平为正常情况。电机为伺服 电机，给定脉宽为1.5ms的信号电机保持不动，给定脉宽为1.7ms的信号电机正 向转到给定脉宽为1.3ms的信号电机逆向转到。数码管动态显示机器人行进过程 所用的时间。2设计任务与要求熟悉51系列单片机的原理及应用。掌握ST188设计电路和传感器的使用。掌握直流电机的驱动方法。掌握动态数码管显示的方法。设计机器人的硬件电路及软件程序。制作机器人的硬件电路，并调试软件，最后实现机器人的自动测量黑线。3系统硬件设计3.1系统总体设计框图该系统中51单

3、片机作为主微控芯片，其外多个I/O 口作为通用I/O 口接受 传感器的信号并输出相应的控制信号。系统硬件总体设计框图如下图3.1-1所示。检测模块图3.1-1系统硬件总体设计框图3.2寻线模块（ST188）该系统中的寻线模块我们采用的是ST188传感器。ST188是一个无限红外模 块，它有一个发射管（白色）和一个接收管（黑色），一般情况下接收管能收到 发射管发送的红外光，但当遇到吸光介质（如黑色物体）时接收管便不能收到发 射管的红外光。由于这种现象，加上合适的硬件电路（如图3.2-1），我们可以 引出一条信号线，当一切正常时，信号线处于一种状态，但当遇到吸光介质时信 号线便处于另一种状态，利用

4、这种不同状态的差异我们便可以通过微控制器来实 现机器人的寻线行驶。ST188详细资料见附录II下图3.2-1是该系统中我们的ST188外接硬件电路图:图3.2-1寻线模块电路图图中R1为发射管的限流电阻，若R1阻值过大，则发射管功率会大幅降低， 所以其阻值在50-200欧之间。R4为发光二极管的保护电阻。R2，R3，RV1为起 分流的作用，其阻值可根据情况而定。其工作原理是通过R2, R3, RV1来确定输 出信号的门限值，当发射管E端V高于RV1上的压降时，由于运放的饱和特性， 输出低电压0V:当V低于RV1上的电压时，输出电压为5V。图中的通过发光二 极管指示是否有信号输出。实际硬件中我们

5、可以通过调节滑动变阻器的R5电阻值来选取理想的反射距 离，从而提高ST188传感器的灵敏度。本设计中我们利用ST188来控制机器人寻线。由以上叙述可知，为使机器人 寻线稳定，最好选择差异较大的环境，例如在白地板上贴上黑线，可使ST188 寻线模块工作更加灵敏稳定。3.3电机控制模块本次实验采用的伺服电机的工作模式如下所示：通过I/O 口给电机的信号输入如图3.3-1所示的信号电机保持静止，这个信 号称为电机的零标定信号，这个指令由时间间隔为20ms脉宽为1.5ms的一系列 脉冲组成。| | 1.& ms1.5 ms:20 用图3.3-1电机控制信号（静止状态）通过I/O 口给电机的信号输入如图

6、3.3-2所示的信号电机将全速逆时针旋 转，这个指令由时间间隔为20ms脉宽为1.3ms的一系列脉冲组成。1.3-msVdd 5 V-vss ro V)Y 2D ms图3.3-2电机控制信号（逆时针旋转状态）通过I/O 口给电机的信号输入如图3.3-3所示的信号电机将全速逆时针旋 转，这个指令由时间间隔为20ms脉宽为1.7ms的一系列脉冲组成。4AV 1.7 ms.Vdd ,5 V)i-8 V) | 20 ins A图3.3-3电机控制信号(顺时针旋转状态)3.4电机驱动模块电机驱动芯片L298N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，即内含二6H

7、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。其引脚排列如 图1中U4所示，1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信 号。L298可驱动2个电机，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。 5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端， 控制电机的停转。也利用单片机产生PWM信号接到ENA，ENB端子，对电机的转 速进行调节。L298N的逻辑功能：表1 SHARP GP2D12实物图EffA (E)I1U tTHG)1112 CI1T4)电机运行，清况L正转LH反转同HHZ (I

8、H4)iHllHl (IN3)快速序止LX号1_外形及封装:CLLJARIZbJT W匚M； IHG tiUTHUy 4CJLTI!i 3IMUT 4EhMLG BiM-.,jr hLOGIC SUPPLY VOLTTOt Yss69IN=UT2EKWLb AIM=1JT SUPFLYVDLTAGI： VHI3UTTKJT2 rnjninji iCUhUtr4l SnS-in AL298N实物图由于一片L298N可以直接驱动两个电机，但是为了加大驱动力，我们采用两路并联的方式来驱动电机5v +:CHICfi；?CH2 RPjM 10CH2C1R12CHIPWrf:ELiIN1 VCCVSIN2

9、OUT1IN3I隅OUF2ENAENBOUT35EN5AOUT4SENSB GND946U1 :2112 :Sdi 2aooE SD4 UDOE 1g :静i11111zSD5 2DIODE SD6 2SD7 2DIODES D8 acre gn3.5单片机最小模块i=j最整个实验的控制器件是51单片机，它在实验中起了核心作用，采用内部 时钟方式，给它的XTAL1和XTAL2引脚外接晶振，这样就构成了自激振荡器并在 单片机内部产生时钟脉冲信号，给晶振的每个角又接了一个30PF的电容，让晶 振快速起振并可以达到12M稳定频率，给单片机的RST 口按键开关使之构成复位 电路。具体电路如图3.4-1

10、所示C15-MTAL1XTAL2H.ST7TE=；Ti-C2 FriTALpnuADnFO.irADI pniADZ pg.闩.口 pn.D F21.lfTr 1.1H jhP12p 1 mpmnmP1.+pi jP15P1.7Pl.&ljil：P3.7ffiF图3.5-1数码管硬件电路4系统软件实现4.1设计思路在程序中用定时器0用用于输出机器人电机所需的脉冲波形，定时器1用于 数码管显示。计数器0，1初始化后，进入while循环，在while循环中等待定时 器1中断并相应的相应时间。否则等待定时器0输出脉冲波形。由于中断1只是 为了显示时间，而0中断影响到机器人的行进与否，所以在程序中设置

11、1中断的 优先级高于0中断。从而使从而使I /O 口输出稳定的脉冲波形。4.2软件程序流程图图4.2-1系统软件程序流程图4.3程序代码见附录I5调试结果开放性试验使我掌握了不少知识，在实验开始之前我什么都不会，通过 壁障机器人的训练使我掌握了 51单片机，基本电路的设计和分析。但本次 试验对我印象最深的是我自己在调试程序的时候出现的问题，开始小车应该 在驱动和程序的控制下应该调速，但事实是车根本没有减速的迹象并且是全 速前进。我检查自己的程序感觉程序是没有问题的，然后自然的把问题想到 了驱动上，但驱动不是我自己焊接的，根本不知道错误从哪里找。焊接驱动 的同学回家了，没办法看驱动电路。只能是我自己看电路但自己对电路根本 就没有多接触，当时自己检查电路图不知从何开始，整整检查了一天感觉没 有问题感觉已经尽力了。晚上回到宿舍自己想了半天还是没有找到问题。第 二天回到实验室问题还是没有找到，但就在自己已经没有精力在检查的时候 无意间看到了程序又看了一会ST188然后就突然感觉问题找到了，自己看看 了循迹模块然后感觉中间的灯没有亮，那就是意味这他给51的管脚一直是 低电平是自己的程序一直就没进入其他程序，所以就出现了全速前进的问 题。还有一次在给壁障机器人调试程序时他根本就不遍历所有的道路，自己 给51已经下了一百多次程序，还是没有找到问题还是。回到宿舍睡觉，下 午原本打算不去