畢業(yè)設(shè)計(jì)---尋跡接力機(jī)器人設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　作 者： 學(xué) 號(hào)： </p><p>　　系 部： 電氣工程系 </p><p>　　專 業(yè)： 電機(jī)與電器 </p><p&

2、gt;　　題 目： 尋跡接力機(jī)器人設(shè)計(jì) </p><p>　　2011年 4 月 </p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　比爾·蓋茨曾向世界欲言：機(jī)器人將與30年前的個(gè)人電腦一樣邁入家家戶戶，徹底改變?nèi)祟惖纳罘绞健?lt;/p><p>　　機(jī)器人技

3、術(shù)的快速發(fā)展，使機(jī)器人進(jìn)入人類生活的各個(gè)領(lǐng)域，成為人類的助手和朋友。出于對(duì)機(jī)器人的濃厚興趣，通過個(gè)人對(duì)機(jī)器人的學(xué)習(xí)，以項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)為主旨，綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的尋跡接力機(jī)器人。設(shè)計(jì)中運(yùn)用到傳感器、電機(jī)控制、單片機(jī)、程序設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)及軟件的應(yīng)用等知識(shí)。</p><p>　　設(shè)計(jì)出的機(jī)器人應(yīng)能夠在規(guī)定的跑道內(nèi)完成4×４00mm的接力比賽。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電

4、機(jī)控制 傳感器 單片機(jī) 機(jī)械設(shè)計(jì) 軟件應(yīng)用</p><p>　　Title： Look for a vestige to connect a dint robot design </p><p><b>　　Abstract：</b></p><p>　　Bill·Cover Ci once

5、to desire speech in the world:The robot will be similar to the personal computer of 30 year agos to exceed into all families and thoroughly change the mankind's life style.</p><p>　　The rapid development

6、 of robot technique, make each realm that the robot gets into mankind to live, become the mankind's assistant and friend.Proceed from strong interest in robot, pass personal to the study of the robots, with the item

7、drive for subject, the professional foundation learned by comprehensive usage, design a robot for in brief looking for a vestige to connect dint.Design medium make use of to spread a feeling machine, electrical engineeri

8、ng control, list slice machine, program des</p><p>　　The robot that designs should can at stipulate of complete 4 connecting of the ×s 400 mseses dint games inside the runway.</p><p>　　Keyw

9、ords ：The electrical engineering controls Spread a feeling machine List slice machine The machine designs The software is applied</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 引言………………………………………

10、…………………………………………………… 2</p><p>　　1.1 機(jī)器人的誕生……………………………………………………………………………… 3</p><p>　　1.2機(jī)器人的定義…………………………………………………………………………………3</p><p>　　1.3機(jī)器人的分類與應(yīng)用…………………………………………………………………………4<

11、/p><p>　　1.4 機(jī)器人技術(shù)發(fā)展預(yù)測(cè)…………………………………………………………………………5</p><p>　　2 機(jī)器人電氣元件的介紹………………………………………………………………………5</p><p>　　2.1機(jī)器人電機(jī)的選擇……………………………………………………………………………5</p><p>　　2.2機(jī)器人傳

12、感器的選擇 …………………………………………………………………… 7</p><p>　　2.3機(jī)器人單片機(jī)的選擇 …………………………………………………………………… 8</p><p>　　2.3.1 存儲(chǔ)器…………………………………………………………………………………… 10</p><p>　　2.3.2 單片機(jī)引腳功能……………………………

13、…………………………………………… 11</p><p>　　2.3.3 單片機(jī)的工作方式……………………………………………………………………… 12</p><p>　　3 尋線接力機(jī)器人整體設(shè)計(jì)……………………………………………………………………13</p><p>　　3.1 項(xiàng)目要求……………………………………………………………………………………13&

14、lt;/p><p>　　3.2 項(xiàng)目分析 …………………………………………………………………………………14</p><p>　　3.3機(jī)器人項(xiàng)目設(shè)計(jì)………………………………………………………………………………15</p><p>　　3.3.1 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………15</p><p>　

15、　3.3.2 機(jī)器人電氣部分設(shè)計(jì)…………………………………………………………………… 16</p><p>　　4 機(jī)器人程序設(shè)計(jì)………………………………………………………………………………20</p><p>　　5 機(jī)器人系統(tǒng)的調(diào)試………………………………………………………………………… 26</p><p>　　結(jié)論 ………………………………………………

16、………………………………………………27</p><p>　　致謝 ………………………………………………………………………………………………28</p><p>　　參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………………28</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　

17、說到機(jī)器人大家都會(huì)感到很神秘，覺得是個(gè)高科技的集合體，離我們很遙遠(yuǎn)，其實(shí)不盡然。機(jī)器人是一個(gè)寬泛的概念，它們并不一定都有人的外形，而是形象各異、種類繁多，不僅有月球車、火星探測(cè)器、機(jī)器人士兵等先進(jìn)的智能性很高的機(jī)器人，也有供我們學(xué)習(xí)用的積木式教學(xué)機(jī)器人和用于機(jī)器人比賽的足球機(jī)器人、滅火機(jī)器人等。</p><p>　　由于近年來技術(shù)上的巨大進(jìn)步，許多工業(yè)生產(chǎn)過程已大量地實(shí)現(xiàn)了自功化，操作人員的作業(yè)也日益減小。全自動(dòng)

18、化和無人工廠的出現(xiàn)看來可能只需要幾十年時(shí)間了。</p><p>　　雖然全自動(dòng)化并不是新的概念，但在幾年前它并沒有被認(rèn)為是切實(shí)可行的。自動(dòng)控制的研究和自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)用可追溯到第二次世界大戰(zhàn)，但是在戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束幾年之后，自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)才取得巨大的進(jìn)展。第一個(gè)工業(yè)機(jī)器人的問世是這一巨大進(jìn)展的里程碑。此后，人們就開始應(yīng)用機(jī)器人學(xué)這一術(shù)語來描述這一新興學(xué)科和工業(yè)門類。</p><p>　　機(jī)器人技術(shù)

19、是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高度集成和交融的產(chǎn)物，它涉及機(jī)械、控制、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)、人工智能、知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)以及認(rèn)知科學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域，是當(dāng)代最具代表性的光機(jī)電一體化技術(shù)之一。經(jīng)過40 多年的發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防、航天航空、商業(yè)、旅游、醫(yī)藥衛(wèi)生、辦公自動(dòng)化及生活服務(wù)等眾多領(lǐng)域獲得了越來越普遍的應(yīng)用，21 世紀(jì)將是一個(gè)更為廣泛的開發(fā)和應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)的時(shí)代。計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展使機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展一次次達(dá)到一個(gè)新水平。上至太空艙、

20、宇宙飛船，下至微機(jī)器人、深海開發(fā)，機(jī)器人技術(shù)已拓展到全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的諸多領(lǐng)域，成為高科技中極為重要的組成部分。人類文明的發(fā)展，科技的進(jìn)步已和機(jī)器人的研究、應(yīng)用產(chǎn)生了密不可分的關(guān)系。人類社會(huì)的發(fā)展已離不開機(jī)器人技術(shù)，而機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步又對(duì)推動(dòng)科技發(fā)展起著不可替代的作用。</p><p>　　目前，對(duì)全球機(jī)器人技術(shù)發(fā)展最有影響力的國(guó)家應(yīng)該是美國(guó)和日本。美國(guó)在機(jī)器人技術(shù)的綜合研究水平上仍處于領(lǐng)先水平，而日本生產(chǎn)的機(jī)器人在

21、數(shù)量、種類方面則居世界首位。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了機(jī)器人學(xué)的建立，許多國(guó)家成立了機(jī)器人協(xié)會(huì)，美國(guó)、日本、英國(guó)、瑞典等國(guó)家設(shè)立了機(jī)器人學(xué)學(xué)位。</p><p>　　我國(guó)的機(jī)器人技術(shù)起步較晚，約于20 世紀(jì)70 年代末，80 年代初開始。20 世紀(jì)90 年代中期，6000 米以下深水作業(yè)機(jī)器人試驗(yàn)成功，以后的近10 年中，在步行機(jī)器人，精密裝配機(jī)器人，多自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人的研制等國(guó)際前沿領(lǐng)域逐步縮小了與世界先進(jìn)水平的差

22、距。當(dāng)今機(jī)器人技術(shù)正逐漸向著具有行走能力，多種感覺能力以及對(duì)作業(yè)環(huán)境的較強(qiáng)自適應(yīng)能力的方向發(fā)展。</p><p><b>　　1.1機(jī)器人的誕生</b></p><p>　　1920年捷克斯洛伐克作家卡雷爾?恰配克在他的科幻小說《類薩姆的機(jī)器人萬能公司》中，根據(jù)Robota（杰克文，原意為“勞役、苦工”）和Rotonik（波蘭文，原意為“工人”），創(chuàng)造出“Robot”

23、—“機(jī)器人”這個(gè)詞。</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化的發(fā)展，以及原子能的開發(fā)利用，人們強(qiáng)烈希望用某種機(jī)器代替自己去完成那些枯燥、單調(diào)、危險(xiǎn)的工作。由于原子能實(shí)驗(yàn)室的惡劣環(huán)境，迫切需要能代替人處理放射性物質(zhì)的機(jī)械裝置。美國(guó)原子能委員會(huì)的阿爾貢研究所于1947年開發(fā)了遙控機(jī)械手，1948年又開發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手，但這還不是真正意義上的機(jī)器人。直到1954年美國(guó)人喬治?德沃爾制造世界上第一臺(tái)可編程的裝置，它

24、能按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性，成為具有實(shí)際意義的機(jī)器人。</p><p>　　1.2 機(jī)器人的定義</p><p>　　科學(xué)家們對(duì)機(jī)器人的定義一直是仁者見仁，智者見智，沒有一個(gè)統(tǒng)一的意見。原因在于機(jī)器人還在發(fā)展和完善，新機(jī)型、新功能的機(jī)器人不斷涌現(xiàn)。隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展和信息時(shí)代的到來，機(jī)器人所涵蓋的內(nèi)容越來越豐富，機(jī)器人的定義也不斷充實(shí)和創(chuàng)新。也正是由于機(jī)器

25、人定義的模糊，才給人們充分的想象和創(chuàng)造空間。</p><p>　　實(shí)際意義上的機(jī)器人應(yīng)該是“能自動(dòng)工作的機(jī)器人”，它們有的功能比較簡(jiǎn)單，有的就非常復(fù)雜，但必須具備以下三個(gè)特征：</p><p>　　1、要有一個(gè)機(jī)械裝置，其結(jié)構(gòu)、大小、形狀、材料取決于它要完成的工作。</p><p>　　2、具有感知和控制功能，通過安裝在裝置上的各種傳感器獲取外界信息，根據(jù)收到的信息

26、，遵循人們編寫的程序指令作出反應(yīng)。</p><p>　　3、作業(yè)功能，即機(jī)器人的活動(dòng)功能，機(jī)器人在程序的指令下完成各種動(dòng)作。</p><p>　　總之，機(jī)器人是人制造出來的具有一定智能的先進(jìn)機(jī)器。</p><p>　　1987年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了定義：“工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)。”</p>

27、<p>　　我國(guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活的自動(dòng)化機(jī)器?！?lt;/p><p>　　機(jī)器人具有自動(dòng)化和智能能力，但機(jī)器人也要有原則，否則未來的世界可能就是機(jī)器人的世界。機(jī)器人的三原則是：</p><p>　　1、機(jī)器人不可傷害人，或眼看著人將遇害

28、而不管。</p><p>　　2、機(jī)器人必須服從人給它的命令，當(dāng)該命令與第一原則抵觸時(shí)，不予服從。</p><p>　　3、機(jī)器人必須在不違反第一，第二項(xiàng)原則的情況下保護(hù)自己。</p><p>　　1.3 機(jī)器人的分類與應(yīng)用</p><p>　　機(jī)器人如何分類，國(guó)際上沒有制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有的按負(fù)載重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的

29、按結(jié)構(gòu)分，還有按應(yīng)用領(lǐng)域分。我國(guó)機(jī)器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機(jī)器人分為兩大類，即工業(yè)機(jī)器人和特種機(jī)器人。</p><p>　　按開發(fā)內(nèi)容與應(yīng)用機(jī)器人可分為三大類：</p><p>　　1、工業(yè)機(jī)器人，工業(yè)機(jī)器人是在工業(yè)生產(chǎn)中使用的機(jī)器人的總稱，主要用于完成工業(yè)生產(chǎn)中的某些作業(yè)。目前應(yīng)用最多的工業(yè)機(jī)器人主要有焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人等。</p><p

30、>　　2、操縱性機(jī)器人，主要用于非工業(yè)生產(chǎn)的各種作業(yè)，又可分為服務(wù)機(jī)器人與特種作業(yè)機(jī)器人等。服務(wù)型機(jī)器人通常是可移動(dòng)的，在多數(shù)情況下，可由一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成，平臺(tái)上裝有一只或幾只手臂，代替或協(xié)助人類完成為人類提供服務(wù)和安全保障的各種工作，如清潔、護(hù)理、娛樂和執(zhí)勤等。特種作業(yè)機(jī)器人如水下機(jī)器人、墻壁清洗機(jī)器人、爬纜索機(jī)器人以及管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人等。這些機(jī)器人都是根據(jù)某種特殊目的設(shè)計(jì)的特種作業(yè)機(jī)器人，為幫助人類完成一些高強(qiáng)度、高危險(xiǎn)或無法完

31、成的工作提供了很大方便。</p><p>　　3、智能機(jī)器人，發(fā)展方向大致有兩種，一種是類人型智能機(jī)器人，這是人類夢(mèng)想的機(jī)器人；另一種是外形并不像人，但具有機(jī)器智能。機(jī)器人指揮、禮儀機(jī)器人、汽車裝配機(jī)器人、搬運(yùn)機(jī)器人。</p><p>　　1.4 機(jī)器人技術(shù)發(fā)展預(yù)測(cè)</p><p>　　隨著人類活動(dòng)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和對(duì)快捷舒適生活方式的要求，同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)

32、展和人工智能研究的逐步深入，在本世紀(jì)機(jī)器人技術(shù)仍將保持高速的發(fā)展態(tài)勢(shì)，并將呈現(xiàn)以下幾方面的趨勢(shì)：</p><p>　　1、開發(fā)具有高智能的智能機(jī)器人將成為機(jī)器人技術(shù)的一個(gè)發(fā)展重點(diǎn)。智能機(jī)器人具有較高的思維判斷能力，語言理解和表達(dá)能力，能夠較好地與人類交流，并能夠完成比較復(fù)雜的任務(wù)。</p><p>　　2、較強(qiáng)的自適應(yīng)性將成為未來機(jī)器人的一個(gè)重要發(fā)展方向。自適應(yīng)性強(qiáng)意味著機(jī)器人能夠自發(fā)調(diào)整

33、自己的行為狀態(tài)來適應(yīng)外部環(huán)境的變化，從而提高了機(jī)器人工作的穩(wěn)定性。</p><p>　　3、在工業(yè)機(jī)器人大力普及的同時(shí)，服務(wù)性機(jī)器人將快速走進(jìn)人類生活的方方面面，而且擁有較強(qiáng)的語言交流能力，仿人形的外部特征的仿人機(jī)器人將極大拉近人類與機(jī)器人之間的距離。</p><p>　　4、多機(jī)器人協(xié)作以發(fā)揮群體智能的多機(jī)器人系統(tǒng)將越來越受到重視。雖然隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的能力不斷提高，機(jī)器人應(yīng)

34、用的領(lǐng)域和范圍也在不斷擴(kuò)展，但是對(duì)于一些復(fù)雜的任務(wù)，單個(gè)機(jī)器人不再是最好的解決方案，而由是多個(gè)機(jī)器人組成的系統(tǒng)。</p><p>　　2 機(jī)器人電氣元件的介紹</p><p>　　2.1 機(jī)器人電機(jī)的選擇</p><p>　　以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力源和運(yùn)動(dòng)源，來驅(qū)動(dòng)工作機(jī)械的系統(tǒng)稱為機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)。它能將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，實(shí)現(xiàn)工作機(jī)械的啟動(dòng)、停止和速度調(diào)節(jié)。</p

35、><p>　　電動(dòng)機(jī)在機(jī)器人系統(tǒng)中充當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它是機(jī)器人的動(dòng)力源，是機(jī)器人完成指定功能的基礎(chǔ)部件。機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)從初級(jí)到高級(jí)逐步模仿人的運(yùn)動(dòng)功能和運(yùn)動(dòng)形式的，它已經(jīng)從輪代步發(fā)展到完全的雙足雙臂直立運(yùn)動(dòng)。目前，常用的教學(xué)機(jī)器人還是靠車輪運(yùn)動(dòng)，使用普通直流電動(dòng)機(jī)，但高等院校的類人型機(jī)器人已開始活躍在機(jī)器人比賽現(xiàn)場(chǎng)。國(guó)內(nèi)已有一些公司推出四足、六足以及類人型的教學(xué)機(jī)器人。初期機(jī)器人的動(dòng)作復(fù)雜程度已不亞于一般的工業(yè)自動(dòng)裝置

36、，類人型機(jī)器人更可以模仿人類肢體、軀干的各種動(dòng)作和功能。毫無疑問，當(dāng)前機(jī)器人的發(fā)展，給機(jī)械結(jié)構(gòu)和機(jī)電專業(yè)提供了一個(gè)廣闊的施展空間，自動(dòng)控制、數(shù)控技術(shù)等也都可以在此找到與己相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用。</p><p>　　一個(gè)機(jī)器人最簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)也需要解決電動(dòng)機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)問題，它會(huì)涉及普通直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)等，了解和掌握電機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)是機(jī)電技術(shù)、自動(dòng)控制和數(shù)控技術(shù)所要求的最基本的專業(yè)技能，也是機(jī)器人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)

37、知識(shí)。在此次設(shè)計(jì)中有上述幾種電動(dòng)機(jī)可供選擇，下面具體討論這幾種電機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)。普通微型直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速快，承載能力差，因?yàn)槔@組通電電流有限，且為軸向直接輸出轉(zhuǎn)矩，對(duì)于較大的負(fù)載難以承受，因此不可以采用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將脈沖信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移(或線位移)的電磁裝置，是一種特殊的電動(dòng)機(jī)。一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則有定位和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，每給它一個(gè)脈沖信號(hào)，它就轉(zhuǎn)過一定的角度。步進(jìn)電動(dòng)

38、機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在沒有脈沖輸入時(shí)，在繞組電源的激勵(lì)下氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置處于定位狀態(tài)。由此可見，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)精確定位控制，而其控制相對(duì)比較復(fù)雜，考慮此設(shè)計(jì)的要求，無需采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)也稱執(zhí)行</p><p>　　減速直流電動(dòng)機(jī)只是在直流電動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)上增加了

39、減速裝置，其工作原理和直流電動(dòng)機(jī)相同。為了說明直流電機(jī)的工作原理，先從一個(gè)最簡(jiǎn)單的直流電機(jī)模型開始研究。見圖2，在兩個(gè)空間固定的永久磁鋼北極N和南極S之間，有一個(gè)鐵制的圓柱體(稱為電樞鐵心)電樞鐵心與磁極之間的間隙稱為氣隙。兩根導(dǎo)體ab和cd連接成為一個(gè)線圈，并敷設(shè)在電樞鐵心表面上。線圈的首、末端分別連接到兩片圓弧形的銅片(稱為換向片)上。換向片固定于轉(zhuǎn)軸上，換向片之間以及換向片與轉(zhuǎn)軸都互相絕緣。這種由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。整個(gè)轉(zhuǎn)

40、動(dòng)部分稱為電樞。為了把電樞和外電路接通，特別裝置了兩個(gè)電刷A和B。電刷在空間上是固定不動(dòng)的。</p><p>　　當(dāng)外加直流電源到換向器上時(shí)，在轉(zhuǎn)子繞組中會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與定子磁場(chǎng)或是永磁體磁場(chǎng)相互作用時(shí)便會(huì)產(chǎn)生力的作用。由于換向器的作用使轉(zhuǎn)子磁極方向始終保持不變，從而保證電機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　2.2 機(jī)器人傳感器的選擇</p><p>　　傳

41、感器在機(jī)器人中作為感測(cè)和獲取信息的部件，是機(jī)器人最基本的組成部分。從最簡(jiǎn)單的接觸傳感器、聲音傳感器、光電傳感器、金屬探測(cè)傳感器、超聲波傳感器、方位傳感器到復(fù)雜的顏色、攝像識(shí)別傳感器等，都在機(jī)器人教學(xué)方面大量應(yīng)用。機(jī)器人作為智能型的裝置，能夠自行獲取信息是智能化的前提。在現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)中，機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化和自動(dòng)控制離不開各種檢測(cè)信息的傳感器。在高智能的設(shè)備和裝置中，各種各樣的傳感器更是無處不在。因此，傳感器應(yīng)用技術(shù)是專業(yè)必不可少的基礎(chǔ)知識(shí)。

42、下面介紹在本次設(shè)計(jì)中用到的幾種簡(jiǎn)單的傳感器。</p><p>　　傳感器是一種能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并依據(jù)一定的規(guī)律將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成可用的電信號(hào)輸出的器件或裝置。傳感器通常是由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、測(cè)量電路及輔助電源4部分組成的。方框圖如圖2-1。</p><p>　　此次設(shè)計(jì)中用聲控傳感器啟動(dòng)第一棒機(jī)器人。聲控傳感器是通過微型傳聲器（也叫駐極體電容傳聲器）拾取到聲音信號(hào)后，經(jīng)由反相器組成的電路

43、進(jìn)行放大，整形后輸出矩形波，給單片機(jī)提供TTL電平信號(hào)。聲控傳感器上配有信號(hào)指示燈，當(dāng)有聲音信號(hào)時(shí)輸出低電平，指示燈點(diǎn)亮；無聲音信號(hào)時(shí)輸出高電平，指示燈不亮。使用此聲控傳感器可以實(shí)現(xiàn)擊掌啟動(dòng)第一棒機(jī)器人其原理圖如圖2-2。</p><p>　　碰撞傳感器利用觸點(diǎn)的通斷實(shí)現(xiàn)高低電平變化，從而向單片機(jī)發(fā)送是否發(fā)生碰撞的信息。常用的碰撞傳感器由微動(dòng)開關(guān)與碰撞板共同構(gòu)成，通過物體間的彼此接觸而產(chǎn)生“觸覺”信號(hào)來識(shí)別物體。

44、使用時(shí)，利用碰撞板增大接觸面積，增強(qiáng)機(jī)器人檢測(cè)的可靠性。</p><p>　　反射式光電傳感器在機(jī)器人中有著廣泛的應(yīng)用。可以用來檢測(cè)地面明暗和顏色的變化，也可以探測(cè)有無接近的物體。這種光電傳感器的基本原理是，自帶一個(gè)光源和一個(gè)光接收裝置，光源發(fā)出的光經(jīng)過待測(cè)物體的反射被光敏元件接收，再經(jīng)過相關(guān)電路的處理得到所需要的信息。光電傳感器工作時(shí)，光電二極管發(fā)出光線，光敏電阻接收反射回來的光線，并隨接收反射回來光線強(qiáng)弱的不

45、同，形成強(qiáng)弱不同的電信號(hào)。光敏電阻輸出的電信號(hào)，經(jīng)過比較放大電路后輸出高低電平兩種信號(hào)：遇到淺色，光線反射較強(qiáng)，光敏電阻阻值減小，輸出端輸出低電平，狀態(tài)指示燈點(diǎn)亮；遇到深色地面，光線被吸收，反射回來的光線較弱，光敏電阻阻值增大，輸出端輸出高電平，狀態(tài)指示燈熄滅。在圖2-3中，JP1是光電管，接收光強(qiáng)在上面轉(zhuǎn)換成電流，在R上成為電壓信號(hào)，與RA1的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，從LM339輸出邏輯電平給單片機(jī)。R越大，光電流產(chǎn)生的電壓變化越大，傳感器也

46、就越靈敏。但是若R過大，當(dāng)光比較強(qiáng)的時(shí)候，R上的電壓會(huì)達(dá)到VCC而不再變化，這就是所謂的飽和。在這種比較型的傳感器電路中，飽和只會(huì)使強(qiáng)光與強(qiáng)光難以分辨，但仍可以區(qū)分強(qiáng)光和弱光，它并不是影響比較結(jié)果的重要因素。LM339是開</p><p>　　光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。構(gòu)成光敏電阻的材料有金屬的硫化物、硒化物、碲化物等半導(dǎo)體。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力完全取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。當(dāng)光敏電阻收到光照時(shí)，

47、若光電子能量hf大于該半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價(jià)帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導(dǎo)帶，成為自由電子，同時(shí)產(chǎn)生空穴，電子空穴對(duì)的出現(xiàn)使電子率變小。光照愈強(qiáng)，光生電子空穴對(duì)就愈多，阻值就愈低。入射光消失，電子空穴對(duì)逐漸復(fù)合，電阻也逐漸恢復(fù)原值。</p><p>　　相應(yīng)的，光譜范圍，靈敏度，抗干擾能力，輸出特性等都是反射式光電傳感器的重要參數(shù)。</p><p>　　2.3 機(jī)器人單片機(jī)的選擇

48、</p><p>　　在機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，需要完成各種信息采集、處理、執(zhí)行動(dòng)作，這些數(shù)據(jù)處理需要單片機(jī)來完成。其中單片機(jī)控制電機(jī)最為重要，這些控制決定機(jī)器人完成任務(wù)的復(fù)雜程度。</p><p>　　單片機(jī)介于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和可編程控制器之間。它有較強(qiáng)的控制功能、低廉的成本。人們?cè)谶x擇控制器時(shí)，常常是在先滿足功能的需要的同時(shí)，優(yōu)先選擇成本低的控制器，因此。單片機(jī)往往成為優(yōu)先選擇的目標(biāo)。從最

49、近的統(tǒng)計(jì)數(shù)字也可以看出，世界上每年要有25億片各種單片機(jī)投入使用。單片機(jī)是目前世界上使用量最大的微處理器。</p><p>　　在數(shù)字電路中，電壓信號(hào)只有兩種情況，高電平和低電平，用數(shù)字來記錄就是 1 和0。單片機(jī)內(nèi)部的CPU，寄存器，總線等等結(jié)構(gòu)都是通過1 和0 兩種信號(hào)來運(yùn)作的，數(shù)據(jù)也是以1 或者0 來保存的。單片機(jī)的輸入輸出管腳，也就是I/O 口，也是只輸出或識(shí)別1 和0 兩種信號(hào)，也就是高電平和低電平。當(dāng)

50、單片機(jī)輸出一個(gè)或一組電平信號(hào)到I/O 口后，外部的設(shè)備就可以讀到這些信號(hào)，并進(jìn)行相應(yīng)操作，這就是單片機(jī)對(duì)外部的控制。當(dāng)外部一個(gè)或一組電平信號(hào)送到單片機(jī)的I/O 口時(shí)，單片機(jī)也可以讀到這些信號(hào)，并進(jìn)行分析操作，這就是單片機(jī)對(duì)外部設(shè)備信號(hào)的讀取。當(dāng)然實(shí)際的操作中，這些信號(hào)可能十分復(fù)雜，必須嚴(yán)格地按照規(guī)定的時(shí)間順序（時(shí)序）輸入輸出。每種設(shè)備也都規(guī)定了自己的時(shí)序，只要都嚴(yán)格遵守，就可以控制任何設(shè)備，做出相應(yīng)的動(dòng)作。</p><

51、;p>　　2.3.1 存儲(chǔ)器</p><p>　　MCS-51系列單片機(jī)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)與典型的微型計(jì)算機(jī)不同，它把程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器截然分開，各有自己的尋址系統(tǒng)、控制信號(hào)和功能。程序存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)始終保留的固定程序和數(shù)據(jù)。程序存儲(chǔ)器用16位地址總線，由16位程序計(jì)時(shí)器（PC）和能產(chǎn)生16位地址的指令進(jìn)行尋址。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)空間較小，用8位地址總線尋址，它的存取速度一般比程序存儲(chǔ)器快。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器一

52、般用于存放程序運(yùn)行時(shí)所需要的常數(shù)或變量，且數(shù)目不會(huì)太多，所以，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器對(duì)8051集成128字節(jié)，以壓縮指令的長(zhǎng)度和執(zhí)行時(shí)間。</p><p>　　除上述兩個(gè)存儲(chǔ)空間外，MCS-51系列單片機(jī)還有另一個(gè)物理地址空間，它包括連接在內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上而分布在片內(nèi)各處的各種特殊功能寄存器。為了統(tǒng)一和增強(qiáng)靈活性而把累加器A、寄存器B、和程序狀態(tài)字寄存器PSW等納入這個(gè)空間進(jìn)行尋址。</p><p>

53、;　　MCS-51的這三種不同的物理地址空間，在尋址系統(tǒng)、讀/寫控制上是各有不同的。因此，MCS-51設(shè)有三種基本的存儲(chǔ)器地址空間：</p><p>　　●64K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器地址空間（包括片內(nèi)與片外）</p><p>　　●64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址空間</p><p>　　●256字節(jié)（8052/8032為384字節(jié)）的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，其中包括特殊功能

54、寄存器空間。</p><p>　　如圖2-4為8051存儲(chǔ)器映象圖。</p><p>　　2.3.2 單片機(jī)引腳功能</p><p>　　采用HMOS工藝的8051單片機(jī)都采用40條引腳的雙列直插封裝（DIP）方式，而CHMOS工藝的80C51單片機(jī)除采用DIP封裝方式外，還采用方形封裝方式，這里僅對(duì)DIP封裝方式的各引腳功能簡(jiǎn)單介紹，見表2-1</p>

55、;<p>　　表2-1 單片機(jī)引腳說明</p><p>　　2.3.3 單片機(jī)的工作方式</p><p>　　51單片機(jī)的工作方式包括:復(fù)位方式、程序執(zhí)行方式、單步執(zhí)行方式、低功耗操作方式以及EPROM編程和校驗(yàn)方式。</p><p>　　單片機(jī)的復(fù)位方式有上電自動(dòng)復(fù)位和手工復(fù)位兩種。在MCS-51的復(fù)位信號(hào)輸入端(RESET)上加上持續(xù)時(shí)間超過24

56、個(gè)時(shí)鐘周期的高電平，即可使單片機(jī)復(fù)位。當(dāng)該輸入端電平變低，即啟動(dòng)MCS-51從入口地址0000H開始工作。復(fù)位后各內(nèi)部寄存器的狀態(tài)如表2-2所示。單片機(jī)的復(fù)位并不影響芯片內(nèi)部 RAM狀態(tài)，只要RESET引腳保持高電平，單片機(jī)將循環(huán)復(fù)位。在復(fù)位有效期間內(nèi)，ALE、PSEN將輸出高電平。</p><p>　　表2-2 復(fù)位后的51內(nèi)部寄存器狀態(tài)表</p><p>　　程序執(zhí)行方式是單片機(jī)的基本

57、工作方式。所執(zhí)行的程序可以在內(nèi)部ROM、外部ROM或者同時(shí)放在內(nèi)外ROM中。</p><p>　　單步執(zhí)行方式是使程序的執(zhí)行處于外加脈沖的控制下，一條指令一條指令地執(zhí)行，即按一次鍵，執(zhí)行一條指令。</p><p>　　對(duì)于CMOS型單片機(jī)有兩種低功耗操作方式:節(jié)電操作方式和掉電操作方式，在節(jié)電方式時(shí)，CPU停止工作，而RAM、定時(shí)器、串行端口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。在掉電方式時(shí)，僅給片內(nèi)RAM

58、供電，片內(nèi)所有其他的電路都不工作。 </p><p>　　對(duì)于內(nèi)部集成有EPROM的MCS-51單片機(jī)，可以進(jìn)入編程或校驗(yàn)方式。編程時(shí)，時(shí)鐘頻率應(yīng)該在4～6MHz的范圍內(nèi)。而在程序的保密位未設(shè)置時(shí)，無論在寫入的當(dāng)時(shí)或?qū)懭胍院?，均可將片上程序存?chǔ)器的內(nèi)容讀出進(jìn)行校驗(yàn)。</p><p>　　此次設(shè)計(jì)采用教學(xué)機(jī)器人控制板，可配置AT89S51/52單片機(jī)，系統(tǒng)時(shí)鐘源為12MHz晶振。AT89S5

59、1/52是ATMEL公司生產(chǎn)的單片機(jī)，是一種低功耗、高性能CMOS8位單片機(jī)，與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容。</p><p>　　AT89S51單片機(jī)相比早期Intel公司的MCS51系列單片機(jī)具有以下突出特點(diǎn)：</p><p>　　Flash程序存儲(chǔ)器：常規(guī)工作電壓下電改寫程序存儲(chǔ)器，不用脫機(jī)使用紫外線清除，可反復(fù)改寫程序10000次，方便開發(fā)試驗(yàn)。</p><

60、p>　　在串行編程（ISP，in-System Programmable）功能：?jiǎn)纹瑱C(jī)可使用較少的ISP串行接口線與計(jì)算機(jī)相連，使用計(jì)算機(jī)程序?qū)纹瑱C(jī)進(jìn)行編程。修改更換程序時(shí)，只要把插頭接到主板ISP插座上就可實(shí)現(xiàn)。不需要編程器就可以對(duì)單片機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)和開發(fā)，既節(jié)約經(jīng)費(fèi)，又節(jié)省調(diào)試時(shí)間，還避免由于頻繁地插取芯片帶來的不便和芯片、電子控制主板的傷害。</p><p>　　看門狗定時(shí)器（WDT）：WDT可以避免程

61、序運(yùn)行時(shí)進(jìn)入混亂和死循環(huán)。早期的單片機(jī)系統(tǒng)為了加強(qiáng)安全性，都需要外設(shè)WDT電路，增加了系統(tǒng)開支。AT89S51/52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)片內(nèi)集成WDT電路，自帶獨(dú)立的計(jì)數(shù)器，如果使用WDT功能，在程序中需要在WDT計(jì)數(shù)器溢出之前，使用軟件指令清除WDT計(jì)數(shù)器，否則，WDT計(jì)數(shù)器溢出時(shí)將使單片機(jī)復(fù)位。</p><p>　　3 尋線接力機(jī)器人整體設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1 項(xiàng)目

62、要求</b></p><p>　　此設(shè)計(jì)是根據(jù)個(gè)人興趣愛好選擇的，在設(shè)計(jì)的過程中，以項(xiàng)目任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，整個(gè)設(shè)計(jì)過程圍繞尋線接力機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)，結(jié)合本專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)而設(shè)計(jì)。</p><p>　　此項(xiàng)目要求機(jī)器人能夠在形如操場(chǎng)的模擬場(chǎng)地進(jìn)行接力比賽。接力區(qū)長(zhǎng)度為330mm，寬度與跑道相同，接力區(qū)的顏色為黑色，起跑線同時(shí)為終點(diǎn)線。接力隊(duì)每隊(duì)四臺(tái)機(jī)器人，進(jìn)行機(jī)器人接力比賽。第一臺(tái)機(jī)

63、器人攜帶“接力棒”從起點(diǎn)線出發(fā)在跑道內(nèi)運(yùn)行。當(dāng)進(jìn)入到接力區(qū)內(nèi)時(shí)，將“接力棒”傳遞給第二臺(tái)機(jī)器人，再由第二臺(tái)機(jī)器人攜帶“接力棒”運(yùn)行，直到第四臺(tái)機(jī)器人到達(dá)終點(diǎn)。</p><p>　　第一臺(tái)機(jī)器人要求聲控啟動(dòng)，尋跡前進(jìn)、碰撞停車、遞棒。第二、三臺(tái)機(jī)器人要求碰撞延時(shí)啟動(dòng)、接棒、尋跡、前進(jìn)、碰撞停車、遞棒。第四臺(tái)機(jī)器人要求碰撞延時(shí)啟動(dòng)、接棒、尋跡前進(jìn)、于停止線停車。</p><p><b&g

64、t;　　3.2 項(xiàng)目分析</b></p><p>　　從項(xiàng)目要求看，本設(shè)計(jì)需要完成三種機(jī)器人的設(shè)計(jì)，但都有一個(gè)共同點(diǎn)，就是都有尋跡前進(jìn)的過程，不同點(diǎn)在于第一臺(tái)機(jī)器人和其它三臺(tái)啟動(dòng)方式不同，第四臺(tái)機(jī)器人停止方式與其它三臺(tái)不同。因此它們的程序和硬件設(shè)計(jì)都有所區(qū)別，但大體相同。</p><p>　　3.2.1 材料分析</p><p>　　上文已經(jīng)介紹此次設(shè)計(jì)

65、所用到的電氣元件，只有教學(xué)機(jī)器人主板沒有介紹，這將在下文設(shè)計(jì)中具體介紹。從項(xiàng)目要完成的任務(wù)看，機(jī)器人動(dòng)力源用五只直流減速電動(dòng)機(jī)及配套車輪，其中四只用于機(jī)器人驅(qū)動(dòng)源，還有一只用于機(jī)器人接力時(shí)的傳送工作。</p><p>　　機(jī)身底座采用有機(jī)玻璃制作，主要考慮到機(jī)械強(qiáng)度適中，且重量在電機(jī)可以承受范圍之內(nèi)。上層需要安裝鋰電池組合，分別是4.8V和12V兩組，最上層放置塑料板用于安放控制主板。控制主板采用教學(xué)機(jī)器人主板T

66、Y51-ZB-298及配套連接線。傳感器用到碰撞傳感器、聲控傳感器和光電傳感器三種。機(jī)器人的傳遞籃采用硬紙板制成，其傳接結(jié)構(gòu)支架用塑料板制造，傳遞物品采用乒乓球。制造工具采用實(shí)訓(xùn)所用的鉗工工具。</p><p>　　3.3 機(jī)器人項(xiàng)目設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)</p><p>　　經(jīng)過項(xiàng)目整體分析和材料分析后，可以著手設(shè)計(jì)接力機(jī)器人了，

67、首先是機(jī)器人硬件的設(shè)計(jì)，這需要根據(jù)機(jī)器人材料特征設(shè)計(jì)其機(jī)械外形。此次設(shè)計(jì)根據(jù)最大元器件尺寸確定其外形。長(zhǎng)度定為150mm，寬的定為100mm（不包括車輪），高度為50mm。機(jī)器人模型二維圖如圖3，三維圖如圖3-1。</p><p>　　機(jī)器人轉(zhuǎn)向有很多種設(shè)計(jì)方式，可以用萬向輪，可以設(shè)置轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，還可以用四只電機(jī)組成四輪驅(qū)動(dòng)。由于第一種方案只有兩只電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，承載能力可能不夠，因此不可取。第二種方案設(shè)計(jì)有難度，此次

68、設(shè)計(jì)沒有采用。采用四只電機(jī)組成四輪驅(qū)動(dòng)，每側(cè)的兩只電動(dòng)機(jī)同步控制，通過單片機(jī)編程可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，此次設(shè)計(jì)采用的控制主板完全可以滿足控制要求，可以采用四只電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案。將電機(jī)安裝采用緊固抱箍，在其中放入橡膠墊，可增大摩擦力，同時(shí)保護(hù)電機(jī)。電動(dòng)機(jī)的固定是通過固定橫梁固定到有機(jī)玻璃預(yù)先打好的孔位。其安裝方法是首先緊固電動(dòng)機(jī)到固定橫梁，然后將固定橫梁連同電動(dòng)機(jī)一起固定到有機(jī)玻璃上。然后再將主板控制開關(guān)和電動(dòng)機(jī)控制開關(guān)分別固定到兩橫梁之間并將插接頭

69、插好，做好絕緣并用扎線帶扎好。再安裝配套車輪后，機(jī)器人車身已經(jīng)安裝好了。上層的電池盒和控制主板的安裝需要注意絕緣問題，將有機(jī)玻璃上預(yù)先打孔攻絲的螺紋孔安裝好銅螺柱和安裝支架，并將電池組和控制主板固定在安裝支架和銅螺柱上。碰撞傳感器使用微動(dòng)開關(guān)和碰撞板共同構(gòu)成，碰撞板增大接觸面積，增強(qiáng)機(jī)器人檢測(cè)的可靠性。傳接機(jī)構(gòu)不僅要完成接收物品的任務(wù)，還要將接收到的物品傳遞出去。由于兩機(jī)器人停</p><p>　　3.3.2

70、機(jī)器人電氣部分設(shè)計(jì)</p><p>　　機(jī)器人的電氣設(shè)計(jì)包括各元器件的選型和安裝。在第二章節(jié)，已經(jīng)簡(jiǎn)單介紹了各元器件的選型和原理，下面主要介紹各元器件的主要參數(shù)和連接安裝。</p><p>　　機(jī)器人的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用直流減速電動(dòng)機(jī)，它的電壓在6~12V，轉(zhuǎn)速在320r/min。一般直流有刷電動(dòng)機(jī)的工作范圍在額定電壓的50%~125%之間，低于50%電動(dòng)機(jī)將無法運(yùn)行，高于125%電動(dòng)機(jī)將會(huì)

71、因過熱而損壞。在電動(dòng)機(jī)工作電壓范圍內(nèi)，電壓越高，速度越快。對(duì)于電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，采用脈寬調(diào)制的方式進(jìn)行。把驅(qū)動(dòng)過程以時(shí)間為單位，在每個(gè)周期中，都有導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間。調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間和截止時(shí)間的占空比，就可以像開汽車控制油門一樣，控制動(dòng)力、速度。驅(qū)動(dòng)電機(jī)分為兩組連接，在同側(cè)的為一組，方便編程控制。其電氣連接分別接L298驅(qū)動(dòng)板的1234引腳，要注意左右電機(jī)連接線，和正負(fù)極的區(qū)分。</p><p>　　電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制由控

72、制主板完成，控制主板是機(jī)器人的控制核心，負(fù)責(zé)信息的接收、處理和執(zhí)行指令的發(fā)出。它主要由單片機(jī)、穩(wěn)壓電路、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和通信接口組成。機(jī)器人TY51-ZB-298主板支持AT89S51/52單片機(jī)，主板采用兩組電源供電，一組由P1接口接入3~6V的直流電壓，通過VFM(可變頻率調(diào)制)升壓DC/DC轉(zhuǎn)換電路，輸出穩(wěn)定的５Ｖ電壓值，提供給單片機(jī)和外圍電路。另一組通過P2接口接入6~12V直流電壓，為電動(dòng)機(jī)提供電源。兩組電源獨(dú)立工</p

73、><p>　　作，互不干擾，既保證了機(jī)器人的動(dòng)力充足，又保證了電子電路的穩(wěn)定工作。</p><p>　　電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)采用一片L298N電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，組成兩個(gè)H橋式驅(qū)動(dòng)器，脈寬調(diào)制（PWM）工作方式，能驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。工作電壓最高可達(dá)46V；全部通道連續(xù)電流輸出能力4A；對(duì)輸入低電平“0”達(dá)1.5V，有較高的噪聲抑制能力，輸入信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)。</p&

74、gt;<p>　　通過P2接口為電動(dòng)機(jī)提供電源，P5接口與電動(dòng)機(jī)相連接。OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接電動(dòng)機(jī)。IN1、IN2、IN3、IN4、ENA、ENB與單片機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)。使能端ENA接入高電平，控制電路才能有效工作。電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)通過控制端接入的TTL電平控制；控制端IN1接高電平、IN2接低電平，Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3截止。若IN1接低電平、IN2接高電平，則Q2、Q3導(dǎo)通，

75、Q1、Q4截止。當(dāng)ENA接入低電平時(shí)，或IN1、IN2接入相同電平時(shí)，電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3-2所示是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，圖3-3是電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)原理圖。</p><p>　　機(jī)器人TY51-ZB-298主板還提供了大量的接口，方便用于機(jī)器人輸入/輸出信息以及與部件或其他系統(tǒng)進(jìn)行通信。如圖3-4是機(jī)器人TY51-ZB-298主板的接口示意圖。其中P17、P18、P19、與P20ISP公用單片機(jī)端口，在線編程、下載程序時(shí)要

76、將其上連接的硬件去掉，否則軟件會(huì)提示找不到器件。</p><p>　　機(jī)器人傳感器所輸出的是電平信號(hào)，為單片機(jī)提供高低不同的電平信號(hào)，以提供單片機(jī)可以識(shí)別信號(hào)完成控制。機(jī)器人要識(shí)別的引線是白色，而地面是深色，顏色反差比較大。光電傳感器通過接收物體表面反射光線的強(qiáng)弱來判斷顏色，由于深色吸收光線能力較強(qiáng)，反射出的光線弱，而白色則反射出的光線強(qiáng)。因此，可以通過調(diào)整光電傳感器的域值很容易地分辨引導(dǎo)線。光電傳感器的接收部分

77、根據(jù)機(jī)器人的功能要求，安裝在車體下面的不同位置。安裝時(shí)要加黑色的遮光罩，根據(jù)環(huán)境條件盡可能地靠近地面安裝，減少外界光線的干擾，傳感器調(diào)整板應(yīng)安裝在便于調(diào)整的位置，做好絕緣。環(huán)境對(duì)光電傳感器有很大的影響。在不同的環(huán)境光下，光電傳感器檢測(cè)到地面反射回的光線強(qiáng)弱是不一樣的。當(dāng)改變機(jī)器人所處環(huán)境時(shí)，首先要對(duì)光電傳感器進(jìn)行重新調(diào)整，保證在檢測(cè)到黑色時(shí)輸出高電平，電平指示燈熄滅；檢測(cè)到白色時(shí)輸出低電平，電平指示燈點(diǎn)亮。安裝好光電傳感器之后，必須對(duì)其

78、進(jìn)行調(diào)試。先關(guān)閉電動(dòng)機(jī)電源，開啟主板電源，把兩組光電傳感器均對(duì)在地面（無白色引導(dǎo)線的部分），分別調(diào)整對(duì)應(yīng)的電位器，觀察狀態(tài)指示發(fā)光管，調(diào)整到其不發(fā)光的狀態(tài)。兩組都調(diào)好后，再把兩組光電傳感器都對(duì)在白色引導(dǎo)線上面，觀察</p><p>　　控制主板接口分配見表3。</p><p>　　表3 控制主板接口分配</p><p>　　如圖3-4為各電氣元件連接情況，前文已經(jīng)

79、詳細(xì)介紹控制主板及主要電氣元件工作原理，在此通過控制主板接口示意圖能更好體現(xiàn)機(jī)器人電氣控制的原理。</p><p>　　控制主板的主要功能集中體現(xiàn)在單片機(jī)控制芯片上，其穩(wěn)壓功能通過穩(wěn)壓電路完成，工作原理不是很復(fù)雜，在此不再介紹。</p><p>　　4 機(jī)器人程序設(shè)計(jì)</p><p>　　此項(xiàng)目需要完成機(jī)器人尋線傳接動(dòng)作，根據(jù)項(xiàng)目情況看，機(jī)器人需要巡聲啟動(dòng)，并尋線

80、前行，在接力點(diǎn)停下傳接物品，機(jī)器人接到物品后繼續(xù)尋線前行，遇到彎道需控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，最后一個(gè)機(jī)器人到終點(diǎn)停下。從整個(gè)運(yùn)行過程看，控制機(jī)器人需要有五部分組成，分別是巡聲啟動(dòng)、尋線前行、傳接物品、彎道轉(zhuǎn)彎、尋線停止。</p><p>　　機(jī)器人功能的強(qiáng)弱主要靠軟件部分的支持，程序的設(shè)計(jì)優(yōu)劣決定機(jī)器人完成任務(wù)的好壞，因此應(yīng)通過程序設(shè)計(jì)及相關(guān)軟件的仿真、調(diào)試來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否符合要求。此次設(shè)計(jì)用匯編語言設(shè)計(jì)機(jī)器人程序，使用

81、Keil軟件來完成仿真調(diào)試工作，以此來驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性。</p><p>　　首先認(rèn)識(shí)傳感器相對(duì)地面位置與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。見表4。</p><p>　　設(shè)計(jì)算法是編寫程序的依據(jù)，是機(jī)器人完成動(dòng)作的任務(wù)關(guān)鍵，這就要求有科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和一絲不茍的工作作風(fēng)。本任務(wù)涉及的算法主要體現(xiàn)在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中的基本動(dòng)作有前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)彎、停止等。組裝的機(jī)器人控制方式選擇兩側(cè)電動(dòng)

82、機(jī)驅(qū)動(dòng)，只要改變兩側(cè)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，就可實(shí)現(xiàn)這些動(dòng)作。機(jī)器人的基本動(dòng)作和電動(dòng)機(jī)控制的邏輯關(guān)系見表4-1。</p><p>　　依據(jù)關(guān)于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的方案討論，采用脈寬調(diào)整方式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的基本動(dòng)作。脈寬調(diào)整的實(shí)現(xiàn)，需要解決動(dòng)作周期和導(dǎo)通/截止的占空比。</p><p>　　程序設(shè)計(jì)流程圖見圖4。</p><p><b>　　參考程序：</b>&l

83、t;/p><p>　　======================第一個(gè)機(jī)器人巡聲啟動(dòng)====================</p><p>　　======================第二、三機(jī)器人接力巡線==================</p><p>　　======================第四個(gè)機(jī)器人尋線停止==================

84、==</p><p>　　#include(at89s51.inc)</p><p><b>　　ORG 0000H</b></p><p>　　AJMP START</p><p><b>　　ORG 0040H</b></p><p>　　START: MOV

85、R3，#00H; 初始化寄存器</p><p>　　MOV R4，#00H;</p><p>　　MOV P0，#0EH; 初始化I/O口（P0口）</p><p>　　MOV P1，#0EH; 初始化P1口</p><p>　　MOV P2，#0EH; 初始化P2口</p><p>　　MOV P3，#0EH;

86、 初始化P3口</p><p>　　JB P1.3，$; 聲控啟動(dòng)</p><p>　　CLR P0.4; 清除電動(dòng)機(jī)使能端</p><p>　　SETB P0.0; 設(shè)定電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)口值</p><p>　　SETB P0.2;</p><p>　　SETB P0.4; 設(shè)定電動(dòng)機(jī)使能端</p>

87、<p>　　DELAY400：MOV R2，#45; 延時(shí)9秒</p><p>　　DELAY02：MOV R1，#255;</p><p>　　DL10MS-LOOP: MOV R0，#255;</p><p>　　DL1MS-LOOP: NOP</p><p>　　DJNZ R0，DL1MS-LO

88、OP;</p><p>　　DJNZ R1，DL10MS-LOOP;</p><p>　　DJNZ R2，DELAY02;</p><p>　　LOOP：JB P1.4,FORWARD; 后碰撞傳感器有效，轉(zhuǎn)前進(jìn)子程序</p><p>　　JB P2.7，ZH; P2.7接右光電傳感器，右探測(cè)-ZH左轉(zhuǎn)</p><

89、p>　　JB P2.6，YZ; P2.6接左光電傳感器，右白左黑-YZ右轉(zhuǎn)</p><p>　　MOV R3，#30; 設(shè)置導(dǎo)通時(shí)參數(shù)30，延時(shí)30ms</p><p>　　MOV R5，#20; 設(shè)置截止延時(shí)參數(shù)20，延時(shí)20ms</p><p>　　LCALL FORWARD; 雙側(cè)均白，調(diào)用前進(jìn)子程序</p><p>　　

90、AJMP LOOP; 返回到光電判斷</p><p>　　LOOP1: JB P3.3，STOP; 前碰撞有效停車，傳遞物品</p><p>　　LOOP2: JB P2.6，YZ; P2.6接左光電傳感器，右白左黑-YZ右轉(zhuǎn)</p><p>　　JB P2.7，ZH; P2.7接右光電傳感器，右探測(cè)-ZH左轉(zhuǎn)</p>

91、<p>　　MOV R3，#30; 設(shè)置導(dǎo)通時(shí)參數(shù)30，延時(shí)30ms</p><p>　　MOV R5，#20; 設(shè)置截止延時(shí)參數(shù)20，延時(shí)20ms</p><p>　　LACALL TZ; 雙側(cè)均黑停車，停車</p><p>　　AJMP LOOP; 返回到光電判斷</p><p>　　ZH:JB P2.6，T

92、Z; 右黑左黑-停止（TZ）</p><p>　　MOV R3，#30; 設(shè)置導(dǎo)通延時(shí)參數(shù)30，延時(shí)30ms</p><p>　　MOV R5，#20; 設(shè)置截止延時(shí)參數(shù)20，延時(shí)20ms</p><p>　　LACALL LEFT; 左白右黑，調(diào)用左轉(zhuǎn)子程序</p><p>　　AJMP LOOP;返回到光電判斷</p>

93、;<p>　　YZ:MOV R3，#30; 設(shè)置導(dǎo)通延時(shí)參數(shù)30，延時(shí)30ms</p><p>　　MOV R5，#20; 設(shè)置截止延時(shí)參數(shù)20，延時(shí)20ms</p><p>　　LACALL RIGHT; 右白左黑，調(diào)用右轉(zhuǎn)子程序</p><p>　　AJMP LOOP; 返回到光電判斷</p><p>　　F

94、ORWARD:ANL P0，#0; P0端口初始化</p><p>　　ORL P0，#15H; P0口"前進(jìn)"信號(hào)導(dǎo)通狀態(tài)</p><p>　　ACALL DELAY; 調(diào)用基本延時(shí)程序，實(shí)現(xiàn)30ms延時(shí)</p><p>　　ANL P0，#0; P0端口"前進(jìn)"信號(hào)截止?fàn)顟B(tài)</p><p

95、>　　MOV A,R5; 將截止延時(shí)參數(shù)傳遞給R3</p><p><b>　　MOV R3，A;</b></p><p>　　ACALL DELAY; 調(diào)用基本延時(shí)程序，實(shí)現(xiàn)20ms延時(shí)</p><p><b>　　RET</b></p><p>　　DELAY:NOP</p

96、><p>　　MOV R4，#0F9H;</p><p>　　DEL03：NOP</p><p><b>　　NOP</b></p><p>　　DJNZ R4,DEL03;</p><p>　　DJNZ R3,DELAY;</p><p><b>　　RET

97、</b></p><p>　　LEFT:ORG 0040H</p><p>　　ANL P0，#00; 初始化P0口</p><p>　　ORL P0,11H; 設(shè)定右側(cè)車輪正轉(zhuǎn)</p><p>　　MOV R2,16; 延時(shí)3s</p><p>　　ACALL DELAY1</p>

98、<p>　　ANL P0，#00H; 右側(cè)車輪停轉(zhuǎn)</p><p>　　MOV R2，#5; 延時(shí)1s</p><p>　　ACALL DELAY1</p><p>　　ORL P0，#12H; 設(shè)定右側(cè)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)</p><p>　　MOV R2，#16;</p><p>　　ACALL DELA

99、Y1</p><p>　　ANL P0，#0H; 車輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)</p><p><b>　　AJMP $</b></p><p>　　RIGHT:ORG 0040H</p><p>　　ANL P0，#00; 初始化P0口</p><p>　　ORL P0,14H; 設(shè)定左側(cè)車輪正轉(zhuǎn)

100、</p><p>　　MOV R2,16; 延時(shí)3s</p><p>　　ACALL DELAY1</p><p>　　ANL P0，#00H; 左側(cè)車輪停轉(zhuǎn)</p><p>　　MOV R2，#5; 延時(shí)1s</p><p>　　ACALL DELAY1</p><p>　　ORL P0

101、，#18H; 設(shè)定左側(cè)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)</p><p>　　MOV R2，#16;</p><p>　　ACALL DELAY1</p><p>　　ANL P0，#0H; 車輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)</p><p><b>　　AJMP $</b></p><p>　　DELAY1：MOV R1，#255

102、;</p><p>　　DL10MS-LOOP:MOV R0，#255;</p><p>　　DL1MS-LOOP: NOP</p><p>　　DJNZ R0，DL1MS-LOOP;</p><p>　　DJNZ R1，DL10MS-LOOP;</p><p>　　DJNZ R2，DELAY;</p

103、><p><b>　　RET</b></p><p>　　STOP:ANL P0,#0E0H; 停車</p><p>　　SETB P2.1; 啟動(dòng)傳遞物品電動(dòng)機(jī)</p><p><b>　　CLR P2.2;</b></p><p>　　LCALL DELAY;

104、延時(shí)保證物品傳遞成功</p><p><b>　　CLR P2.2;</b></p><p>　　AJMP $; 程序結(jié)束</p><p>　　TZ:ANL P0，#0E0H;</p><p><b>　　AJMP $</b></p><p><b>　

105、　END</b></p><p>　　5 機(jī)器人系統(tǒng)的調(diào)試</p><p>　　機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)成功后必須通過開發(fā)工具和軟件的調(diào)試才能驗(yàn)證機(jī)器人是否真正可以實(shí)現(xiàn)特定功能，此調(diào)試工作是機(jī)器人設(shè)計(jì)中必不可少而且非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在本次設(shè)計(jì)中使用keil來進(jìn)行單片機(jī)的調(diào)試和模擬仿真。Keil是目前較流行的單片機(jī)開發(fā)軟件，它提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿

106、真調(diào)試器在內(nèi)的完整開發(fā)工具，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)節(jié)（u Vision）將這些部分組合在一起。</p><p>　　在調(diào)試程序之后，要通過Easy 51Pro v2.0串行編程器將編好的程序拷貝到單片機(jī)。Easy 51Pro v2.0由編程軟件和下載線兩部分組成，編程軟件安裝在計(jì)算機(jī)上，具有在器件選擇、下載線選擇、通信協(xié)議設(shè)置、載人文件、顯示操作結(jié)果等功能。下載線是連接計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的，用于傳送器件的讀、寫、校驗(yàn)、擦

107、除、加密等信號(hào)。</p><p>　　下面通過程序的調(diào)試、仿真結(jié)果來驗(yàn)證此次設(shè)計(jì)的可行性。首先建立好工程后，keil中字體顏色變?yōu)椴噬?，再進(jìn)行工程詳細(xì)設(shè)置后便可進(jìn)行調(diào)試工作。工程設(shè)置參數(shù)見圖5。在進(jìn)行工程設(shè)置時(shí)，必須在輸出選項(xiàng)卡中選中“輸出HEX文件”，否則，最終生成的目標(biāo)文件中，不包括用于下載到單片機(jī)的HEX目標(biāo)文件。輸出項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如圖5-1。</p><p>　　對(duì)工程設(shè)置參數(shù)后，還要

108、對(duì)創(chuàng)建目標(biāo)文件以拷貝到單片機(jī)中。創(chuàng)建目標(biāo)文件包括對(duì)文件進(jìn)行編譯、鏈接，在此之后要對(duì)工程調(diào)試、仿真模擬并查看各端口的輸出狀態(tài)，以驗(yàn)證程序的可執(zhí)行性。調(diào)試成功后顯示的信息如圖5-2所示。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　通過此次設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)器人設(shè)計(jì)流程有較清晰的把握，基本掌握了機(jī)器人工作原理，和控制理論，再一次熟悉了單片機(jī)相關(guān)知識(shí)和編程知識(shí)。從

109、硬件設(shè)計(jì)，電氣設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)上看，機(jī)器人是綜合機(jī)械、電子、電氣和信息技術(shù)為一體的典型機(jī)電一體化電器。雖然此次設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，整體上也綜合運(yùn)用了專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，通過資料整合，設(shè)計(jì)出的機(jī)器人能夠按要求完成特定比賽。四個(gè)機(jī)器人都有所不同，其中第一個(gè)機(jī)器人有聲控傳感器，其它三個(gè)機(jī)器人沒有設(shè)置，能夠完成第一棒，第二、三兩機(jī)器人能夠巡跡前行，并完成接力，第四個(gè)機(jī)器人能夠巡跡前行并到終點(diǎn)停止。設(shè)計(jì)中，應(yīng)用到基本電器元件和一些編程理論，在設(shè)計(jì)中都有詳細(xì)介