機器人避障實訓實訓目的通過設計機器人避障的目的是為了掌握電路設計的方法和技巧。如何將學習到的理論知識運用到實際當中去，怎樣能夠活學活用，深入的了解電子元器件的使用方法，了解各種元器件的基本用途和方法，能夠靈活敏捷的判斷電路中出現(xiàn)的故障，學會獨立設計電路，積累更多的設計經(jīng)驗，加強焊接能力和技巧，完成基本的要求。并能完美的完成這次實訓。技能訓練掌握基本的電路設計方法和技巧，能夠獨立的分析解決一般性質的問題。鞏固單片機基本的知識，加強理論與實踐的結合能力。能夠分析一般性的電路，了解各種元器件的基本用途和方法，積累更多的設計經(jīng)驗，加強焊接能力和技巧。方案論證、1尋跡檢測方案的選擇探測路面黑線的基本原理光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙對光的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光強弱來判斷是否是黑線。利用這個原理，可以控制小車行走的路跡。下面幾種可行的方案是根據(jù)本原理設計的方案一采用普通的發(fā)光二極管及光敏電阻組成的發(fā)射接收方案，如圖11所示。其工作原理當無光照時，光敏電阻呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，又分壓公式可知，電阻R2無壓降三極管截止，三極管的集電極輸出高電平；反之，當有光照的時候，光敏電阻接收到反射的光，其阻值下降，由分壓公式，R2有壓降三極管導通，輸出低電平，利用高低電平可以判斷控制小車的形程和方向。本方案能達到基本的控制要求，但是它的缺點在于容易受到外界光線的干擾，不易于控制小車的行跡，損壞了信號采集的效果。主要是因為可見光的反射效果跟地表的平坦程度、材料的反射情況有關直接影響到檢測效果。11發(fā)光二極管及光敏電阻組成的發(fā)射接收方案方案二脈沖調制的反射式紅外發(fā)射接收器。由于采用該有交流分量的調制信號，側可大幅度減少外界干擾；另外紅外發(fā)射接收管的最大工作電流取決于平均電流。如果采用占空比小的調制信號，再平均電流不變的情況下，瞬時電流很大（50100MA），則大大提高了信噪比。并且其反應靈敏，外圍電路也很簡單。如圖12所示。它的優(yōu)點是消除了外界光線的干擾提高了靈敏度，制作比較簡單。12脈沖調制的反射式紅外發(fā)射接收方案由以上兩種方案比較可知。方案二要比方案一優(yōu)勢大，市場上很多紅外觀點探頭也都基于這個原理。其電路簡單，工作可靠，性能比較穩(wěn)定。從而避免了電路的復雜性，因此我先用方案二作為小車的監(jiān)測系統(tǒng)。2電動機的選擇市場上用很多種類的小電壓直流電動機，很方便的選擇到。主要有普通電動機、和步進電動機。方案一采用步進電機，步進電動機的一個顯著的特點就是具有快速啟動和停止能力，能夠達到我們所要求的標準。如果負荷不超過步進電機所能提供的動態(tài)轉矩值，就能夠立即是步進電機啟動或反轉。其轉換靈敏度比較高。正轉、反轉控制靈活。但是步進電機的價格比較昂貴，對于我們的現(xiàn)狀相差太遠。方案二采用普通的直流電機。直流電機具有優(yōu)良的調速特性，調速平滑、方便。調整范圍廣；過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無極快速啟動、制動和反轉。能滿足各種不容的特殊運行要求。由于普通直流電機價格適宜，更易于購買，并且電路相對簡單，因此建議采用直流電機作為動力源。3電動機驅動方案的選擇方案一采用電路網(wǎng)絡或數(shù)字電位器調整電動機的分壓，從而達到調整速度目的。但是組織網(wǎng)絡只能是先有極調速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴，且可能存在于干擾。更主要的問題在于一般電動機的電阻比較小丹電流很大，分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。方案二采用繼電器對電動機的開關控制，通過控制開關的切換速度實現(xiàn)對小車的速度進行調整。這個電路的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應時間長，易于損壞，壽命較短、可靠性小。方案三采用四個大功率晶體管組成H橋式電路，四個大功率晶體管分為兩組，交替導通和截止，用單片機控制使之工作在開關狀態(tài)，進而控制電機的運行。該控制電路由于四個大功率晶體管只工作在飽和與截止狀態(tài)下，效率非常高，并且大功率晶體管開關的速度很快，穩(wěn)定性也極強，是一種廣泛采用的電路。由以上三種方案，我們選擇了四個大功率晶體管組成H橋式電路的293集成芯片如圖13所示運用方便簡單，軟件也簡單。13L293集成芯片4障礙物探測方案的選擇方案一脈沖調制的反射式紅外線發(fā)射接受器。由于采用該有交流分量的調制信號，則可大幅度減少外界干擾；另外紅外線接受官的最大工作電流取決于平均電流。如果采用占空比小的調制信號，再品均電流不變的情況下，順勢電流很大（50100MA），則大大提高了信噪比。并且其反應靈敏，外圍電路也很簡單。如圖12所示。它的優(yōu)點是消除了外界光線的干擾提高了靈敏度。方案二采用超聲波傳感器，如果傳感器接收到反射的超聲波，則通知單片機前方有障礙物，如則通知單片機可以向前行駛。市場上很多紅外光電探頭也都是基于這個原理。這樣不但能準確完成測量，而且能避免電路的復雜性我們在這里采用的和尋跡傳感器相同的電路，也就是第一種方案如圖12所示。因為第二種方案超聲波傳感器價格比較昂貴。5供電方案的選擇方案一采用兩個電源供電，將電動機驅動電源與電片機以及其周邊電路電源完全隔離，利用光電耦合器傳輸信號。這樣可以使電動機驅動所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是多一組電池，增加了小車的重量，同時也增加了小車的慣性，消弱因為電動機的控制性能，降低了靈敏度。方案二采用單一電源供電。電源直接給電動機供電，因電動機起動瞬間電流較大，會造成電源電壓波動，因而控制與檢測部分電路通過集成穩(wěn)壓塊供電，將電壓穩(wěn)定在一定數(shù)值范圍內，以免有波動電壓造成電路的損毀，其供電也比方案一簡單。我們在選用的時候，根據(jù)自己的經(jīng)濟情況采用了第二種方案，并且選取的是二手手機電池，作為供電電源。我們用兩節(jié)手機電池，輸出8伏然后，經(jīng)1117（如圖14所示），穩(wěn)壓之后為總電路供電。AB14AA1117芯片實物圖；BA1117構成的供電原理圖6控制核心CPU的選擇方案一市場上流通很多種類的單片機，在一般性能上都可以達到要求，例如AT89C51、AT89C52等都可以用于控制小車，唯一缺點在于不能在線下載，造成了不便的煩惱，下載器，AT系列單片機價錢比較貴。不利于小資本實驗。方案二STC系列單片機價錢容易接受，可以在線下載，下載器也比較容易購買到，方便攜帶應用。例如，STC89C51其可以用于控制小車，性能功能上要比AT系列突出，因此，我選擇了第二種方案，作為控制核心，以便控制小車。如圖15所示。15STC89C51引腳圖通過以上各部分方案比較，我們選擇STC89C51作為控制核心器件、脈沖調制的反射式紅外發(fā)射接收器作為尋跡和蔽障器件、采用普通直流電機來驅動小車、采用四個大功率晶體管組成H橋式電路驅動直流電機、采用CA358E運算放大器作為傳感器核心部件、采用單一電源供電為整個系統(tǒng)供電。整個系統(tǒng)我們做了細心的比較、與現(xiàn)實情況相聯(lián)系起來，最終選取的。二、硬件設計如下圖16所示，是本次設計機器人的電路框圖。以STC89C51為電路的中央處理器，來處理傳感器采集來的數(shù)據(jù)，處理完畢之后以便去控制電機驅動電路來驅動電機。電源部分是為整個電路模塊提供電源，以便能正常工作。16機器人的電路框圖1CPU中央處理器的設計STC89C51是40腳的集成芯片如下圖17所示。可以在線下載，減少了插拔芯片的工作。圖171，是本芯片部分管腳的說明框圖。根據(jù)我們設計的電路的要求，為了保證芯片和電路能正常的工作，選擇了120000MHZ晶振，和兩個30PF的電容作為中央處理理器的時間標準，這樣就保證了正常的工作時序。如圖172所示。本芯片的40和20腳分別是接五伏電源的正負極，在接入電源之前，40腳處并接了103和10微法的電容以保證電路能正常工作，防止從電源外界來的干擾，以免造成死機。這樣芯片就能正常地工作了。為了便于下載另外外接了一個4芯的下載口如圖172所示，下載口的1和2腳分別接于單片機的TXD和RXD管腳，下載口的3和4腳分別接正五伏和地。本次設計，所用到芯片的管腳是P1和P2口，P10主要是為傳感器發(fā)送脈沖調制信號，P11P16控制電機驅動芯片293，P20P23是接受從傳感器發(fā)送來的信號。P24是尋跡和蔽障的切換口。具體內容請參照總的電路原理圖（1主要功能是控制電機和傳感器，處理從傳感器發(fā)送來的信號。17STC89C51引腳圖，以及晶振連接圖171部分引腳說明172單片機基本連接圖2尋跡、避障檢測設計與實現(xiàn)工作原理尋跡和避障所用的的傳感器電路如下圖18所示。其工作原理V1三極管的基極通過從單片機P10口發(fā)送的的脈沖調制信號，控制發(fā)光二極管發(fā)送信號。當接收二極管D2接收到發(fā)送來的信號，立刻導通去給由C1、R6組成的微分電路充電，這樣便給運算放大器同相端傳輸信號，運算放大器度信號進行放大后送入第二個運算放大器組成的比較器，進行調制電平以便單片機所能接受?？刂芕3導通輸出低電平讓單片機處理信號并控制其它電路。反之，無光照時，輸出高電平。對其進行調試時，可以通過，改變R2電阻的阻值來改變其靈敏度，或者改變R4、R5、R6、的阻值去控制傳感器的靈敏度。尋跡應用當檢測到黑線時，紅外光敏二極管接收到反射回來紅外光，其輸出立即發(fā)生高低點平轉換，該信號經(jīng)放大器放大后送到單片機進行分析處理。然后將處理后的結果發(fā)送到電機驅動模塊，進行校正。為了保證小車沿黑線行駛，采用了兩個檢測器進行并行排列，左右方向都可以進行控制，控制精度得以提高。在小車行走過程中，諾向左方向偏離黑線，則右側的探頭就會檢測到黑線，把信號傳送到單片機。進行處理校正。控制其向右轉，反之，向左轉。避障的應用避障與尋跡的設計原理是相同的，區(qū)別在于傳感器的靈敏度不同，蔽障的靈敏度要比尋跡的靈敏度高，只要小車前方有障礙物，紅外線通過障礙物反射到光敏管，傳感器輸出低點平，發(fā)送到單片機進行處理，然后單片機處理后去控制小車運行和方向。18傳感器電路圖傳感器中的運放我們在這里選擇的是CA358E運算放大器，一般情況下可以運用到本次設計當中。在性能上雖然比258運算放大器略有缺點。但可以滿足我們的要求。如下圖181所示。CA358E簡介CA358E芯片是8腳DIP封裝形式，有兩組運算放大器組成，5伏供電如圖181所示1腳是第一個運算放大器的輸出端，2和3腳分別是第一個運算放大181CA358E引腳圖器的反相輸入和同相輸入，第4腳是地線接口，5和6腳是第二個運算放大器的同相輸入和反相輸入，第7腳是第二個運算放大器的輸出端，8腳是正5伏輸入端。3電動機驅動電路設計與實現(xiàn)293集成芯片由四大功率管組成H橋式電路。是十六腳封裝的直流電機驅動電路芯片，能夠同時驅動兩個直流電機。圖191是293的邏輯關系圖表，根據(jù)19和191，我們可以使用293集成芯片了。使用原理293的使用非常簡單，如圖19所示，管腳1、2、7、9、10、15是用來控制電機動、停的關鍵，是由單片機的P11、P12、P13、P14、P15、P16控制的。前三個管腳是用來控制第一個電機，后三個是用來控制第二個電機的。當使能端1或9腳接收到單片機發(fā)送的高電平時，芯片就可以由2、7或10、15腳分別控制兩個電機正反轉。如果，2、7同時為高或低電平時電機停止運轉。只要這兩個管腳電平不同電機就可以運轉，10、15兩個管腳同2、7一樣。293芯片的輸出分別是3、6腳和11、14腳。其余的4、5、12、13是接地用的，VSS、VS分別接5V、8V。四大功率管分為兩組，交替到通截止，以保證小車完成前進和后退、左、右轉彎等運行動作。原理圖如192所示。是具體的電路連接圖，各個管腳都有標注，電機分別連接在OUT1、OUT2和OUT3、OUT4其余分別于單片機和電源部分連接。19、293芯片圖191、293邏輯圖192293基本連接圖5電源部分的設計電源采用了兩塊手機電池供電，之后通過470UF和104濾波之后經(jīng)1117整流后再次經(jīng)47UF電容濾波輸出平穩(wěn)的5伏電壓。如下圖110所示。1105V電源圖如圖111所示，是本次設計的整體電路原理圖，本電路是由四個同樣的傳感器電路、電源部分、控制部分（單片機）、電機驅動四大部分組成。三、軟件設計硬件設計焊接完畢后，進行調試無誤，根據(jù)老師基本的要求和自己的發(fā)揮，聯(lián)系硬件結構進行編程，運算。在編程之前首先將程序框圖編寫出來。然后根據(jù)程序框圖和硬件電路進行編程調試，如下圖所示分別是總程序框圖、尋跡子程序框圖、避障子程序框圖。程序編寫的同時，必須根硬件相聯(lián)系起來，負責達不到原想的效果。編完一段的下載到芯片上去進行軟硬件調試，調試到與原本效果相同為止。下面是部分程序，因為篇幅的關系只將部分程序載入，僅供參考。主程序框圖尋跡子程序避障子程序程序全文系列單片機自定義頭文件區(qū)CLKEQUP10脈沖為傳感器提供脈沖ENAEQUP11293第一個使能端INA1EQUP12293第一個輸入INA2EQUP13293第二個輸入ENBEQUP14293第二個使能端INB1EQUP15293第三個輸入INB2EQUP16293第四個輸入LBZEQUP22左避障RBZEQUP23右避障LXJEQUP20左尋跡RXJEQUP21右尋跡入口向量區(qū)ORG0000H系統(tǒng)復位LJMPGAA01ORG000BHT0定時器中斷LJMPGAC01主程序區(qū)ORG0060HGAA01CLRP25尋跡與蔽障傳感器切換開關，0為尋跡SETBP26指示燈，亮為尋跡，滅為蔽障SETBP24蔽障尋跡開關，0為蔽障MOVR2,022HR2、R3、R4是尋跡定時器MOVR3,0FFHMOVR4,0FFHMOVR5,30HMOVSP,5FH堆棧指針MOVAUXR,01H內寄存器,關ALEMOVTMOD,01HMOVIE,082HCLRP25SETBTR0JNBP24,BZ判斷是尋跡還是蔽障LCALLYS2JNBP24,BZLCALLXHH尋跡子程序LCALLFXXJ0反向LCALLTZ停止LCALLUU前進LCALLFXXJ0LCALLTZLCALLUUMOVR2,022HR2、R3、R4是尋跡定時器MOVR3,0FFHMOVR4,02HLCALLXHHLCALLYHD右換道MOVR2,02HR2、R3、R4是尋跡定時器MOVR3,01FHMOVR4,02HLCALLXHH尋跡LCALLFXXJ1反向LCALLTZLCALLUULCALLFXXJ1LCALLTZLCALLUUMOVR2,021HMOVR3,0FFHLCALLXHH尋跡LCALLZHD左換道MOVR2,031HMOVR3,0FFHLCALLXHHLCALLFXXJ0左反向LCALLTZLCALLUULCALLFXXJ0LCALLTZLCALLUUMOVR2,031HMOVR3,0FFHLCALLXHHLCALLJSDYMOVR2,021HMOVR3,0FFHLCALLQJ前進LCALLTZJBP24,BZSETBP25蔽障CLRP26JBP24,GAA12LCALLYS1JBP24,GAA12LJMPBZZGAA12LJMPGAA01BZZMOVR4,00HSETBCGAA22JBP24,GAA12MOVR2,02FHMOVR3,02FHLJMPGAA021GAA021JBLBZ,GAA23HT1LCALLDDLCALLYS2LCALLYS2LCALLYS2LCALLRR3LCALLYS2JNBRBZ,HT1LCALLYS2JNBRBZ,HT1LCALLRR2JNBRBZ,HT1LCALLYS2JNBRBZ,HT1LCALLYS2JNBRBZ,HT1DJNZR2,GAA021LJMPGAA22GAA23JBRBZ,GAA24HTLCALLDDLCALLYS2LCALLYS2LCALLLL3LCALLYS2JNBLBZ,HTLCALLYS2JNBLBZ,HTLCALLLL2JNBLBZ,HTLCALLYS2JNBLBZ,HTLCALLYS2JNBLBZ,HTDJNZR3,GAA23LJMPGAA22GAA24JBRXJ,GAA25LCALLUULCALLYS2LCALLYS2LCALLYS2LCALLYS2LCALLYS2LCALLYS2LCALLFXXJLJMPGAA22GAA25LCALLUUGAA112JNBLBZ,GAA113MOVR4,00HLJMPGAA22BJJCGAA112SETBCLCALLFXXJNLJMPGAA22GAA113JBRBZ,HHHINCR4CJNER4,02H,BJLJMPGAA112HHHLJMPGAA22中斷服務程序區(qū)尋跡子程序GAA02JBLBZ,GAA03LCALLRR1LJMPGAA02GAA03JBRBZ,GAA04LCALLLL1LJMPGAA02GAA04JNBLXJ,GAA05LCALLLL1LJMPGAA02GAA05JNBRXJ,GAA06LCALLRR1LJMPGAA02GAA06LCALLUURET尋跡正XHHLCALLGAA02LCALLGAA02JNBP24,BZ1LCALLGAA02JNBP24,BZ1DJNZR2,XHHDJNZR3,XHHDJNZR4,XHHLJMPFXFXRETBZ1LJMPBZ前進QJLCALLUUJNBP24,BZ5LCALLUUJNBP24,BZ5DJNZR2,QJDJNZR3,QJDJNZR4,QJRETBZ5LJMPBZGAC01MOVTH0,0EDH中斷服務程序T0MOVTL0,000HCPLCLKRETI子程序區(qū)延時子程序YSMOVR6,010HYS0MOVR7,0FFHYS1DJNZR7,YS1DJNZR6,YS0RET前進子程序UUSETBINA1CLRINA2SETBINB1CLRINB2SETBENASETBENBRET后退子程序DDCLRINA1SETBINA2CLRINB1SETBINB2SETBENASETBENBRET左轉1子程序LL1SETBINA1SETBINA2SETBINB1CLRINB2SETBENASETBENBRET左轉2子程序LL2CLRINA1SETBINA2SETBINB1SETBINB2SETBENASETBENBRET左轉3子程序LL3CLRINA1SETBINA2SETBINB1CLRINB2SETBENASETBENBRET右轉1子程序RR1SETBINA1CLRINA2SETBINB1SETBINB2SETBENASETBENBRET右轉2子程序RR2SETBINA1SETBINA2CLRINB1SETBINB2SETBENASETBENBRET右轉3子程序RR3SETBINA1CLRINA2CLRINB1SETBINB2SETBENASETBENBRET右換道子程序區(qū)YHDLCALLRR1LCALLYS2LCALLTZLCALLYS2LCALLRR1LCALLYS2LCALLYS2RET左換道程序ZHDLCALLLL1LCALLYS2LCALLTZLCALLYS2LCALLLL1LCALLYS2LCALLYS2RET左反向FXXJ0LCALLLL1LCALLYS2LCALLYS2LCALLYS2LCALLYS2LCALLYS2LCALLYS2RET右反向FXXJ1LCALLRR