毕业设计（论文）-基于凌阳单片机旅游机器人的设计

I基于凌阳单片机旅游机器人的设计摘要机器人是现代科学的产物。随着机械和电子技术的发展，用机器人进行操作已从幻想变成现实。本文主要介绍了一种基于凌阳 SPCE061A 的简易机器人系统的设计。 机器人系统的控制部分以凌阳十六位单片机为核心，包括驱动、光电传感器、碰撞传感器。实现自动寻迹、碰撞检测和线路识别和灭火功能。要求机器人旅游系统能够识别地面的白线，到达给定地图中所有的景点，并且能够返回原点。要求灭火系统能够找到每个房间的火源并将其扑灭，并且能回到原点。传感器系统相当于机器人的眼睛，是机器人行动的前提，也是本次研究的重点。文中设计了寻迹传感器和碰撞检测传感器，这两个模块构成了机器人的传感器系统，直接决定了机器人功能的好坏。经过调试，传感器基本达到设计要求。此外， 也简要介绍了一些机器人的相关知识以及与这次设计相关的软硬件的基础知识和应用技巧。关关 键键 词：词：机器人SPCE061A旅游传感器IIDesign For Tourism Robot Based On Sunplus MCUAbstractRobot is the product of the modern science. As the development of themechanism and the electronic technology, manipulation using robot has come to truthfrom fancy.This paper introduces the design of a system for the simple multifunctionalmobile robot based on Lingyang SPCE061A. The control part of the robot system isbased on Lingyang 16-bit SCM which includes drive, photosensitive sensors andcollision sensors so that the function of automatic tracks search, collision detection,recognition of paths and putting out a fire. The tourism robot can recognize the whitelines on the ground, reach all the spots appointed and return to the original point.Thefire fighting robot can find all fire in each room and put out them,then return to theoriginal point.Sensor system is just like the eyes of the robot and the prerequisite of robotactions. It is also the focus of this paper in which we design the sensor for pathssearch and the other one for collision detection. These two modules constitute therobot sensor system and influence the function of the robot directly. After thedebugging, the sensors basically satisfy the requirement of the design. In addition, thispaper briefly introduces some relevant knowledge of robots, the technique ofhardware and software concerned and some skills.Key word:Robot; SPCE061A; Tourism; SensorIII目录摘摘要要.IAbstractAbstract.II第一章第一章 绪绪 论论.11.1 机器人技术基础.11.2 旅游机器人的现状和发展前景.41.3 毕业设计任务.51.4 各章概要.5第二章第二章机器人主板设计机器人主板设计.62.1 凌阳十六位单片机 SPCE061.62.2 PROTEL 介绍.112.3 机器人主板分析.132.3.1 电源电路.132.3.2 红外发射接收电路.142.3.3 电机驱动电路.162.3.4 凌阳 SPCE061 主芯片电路.172.4 机器人本体系统设计.182.4.1 机器人本体.182.4.2 电源.19第三章第三章 旅游系统设计旅游系统设计.203.1 旅游系统总体结构以及旅游线路图.203.1.1 旅游系统总体结构图.203.1.2 旅游景点线路.213.2 系统流程图.223.3 寻迹模块.233.3.1 光电传感器的选择.233.3.2 比较器电路.243.3.3 寻迹分析.26IV3.4 碰撞模块.293.5 驱动系统.30第四章第四章 系统软件设计系统软件设计.334.1 设计思路.334.2 程序流程图.33第五章第五章 结束语结束语.355.1 设计总结.355.2 系统的优化设计.36参考文献参考文献.37致致谢谢.38附录附录 1:1: 旅游机器人程序旅游机器人程序.39附录附录 2 2：机器人主板电路图及：机器人主板电路图及 PCBPCB 图图.61南京工业大学本科生毕业设计（论文）1第一章 绪 论机器人1是现代科学技术发展的必然产物，因为人们总是设法让机器来取代人工作，从而发明了各种各样的机器。机器的发展和其他事物的发展一样，遵循着由低到高的发展规律，机器发展的最高形式必然是机器人。虽然现在机器人的能力还是非常有限的，但是它正处在迅速发展过程中，并开始对整个工业生产，太空和海洋探索以及人类生活的各个方面产生越来越大的影响。这次的课题是与其它两个同学组成一个团队，合作完成旅游，灭火机器人主板的设计与制作以及旅游系统设计与制作。 机器人的控制部分以凌阳十六位单片机2为核心，包括驱动、速度检测、撞击检测等环节，实现自动转弯、避让等功能。我的课题是旅游，灭火主板的设计，旅游系统的设计。旅游机器人作为机器人比赛的一个项目曾被列入全国和江苏省机器人大赛中， 它的目的是在尽量短的时间内走遍旅游地图中所有的景点，要求机器人小车可以自己识别线路。我们设计中重点要求实现的功能是寻迹和碰撞检测，机器人要能沿着地面的白线行走，到达所有指定的地点，并且被碰撞传感器检测到。整个设计分为驱动部分，电源部分，线路识别系统，碰撞检测系统。我们采用凌阳公司的 SPCE061A 单片机。机器人的研究和应用体现了广泛的学科交叉，涉及众多课题，如机器人的体系结构、机构、控制、智能、视觉、触觉、听觉、机器人装配以及机器人语言等。1.1 机器人技术基础机器人技术基础机器人是一种用于移动各种材料，零件，工具和专用装置，通过程序驱动来执行任务，并具有编程能力的多功能操作机。机器人是一种自动的，位置可控的，具有变成能力的多功能操作机，具有几个轴，能够借助可编程操作来处理各种材料，零件，工具和和专用装置，以执行各种任务。根据上述定义，我们可以理解机器人有以下特征：机器人是模仿人或动物肢体动作的机器，能象人那样使用工具和机械机器人具有智力或感觉与识别能力第一章绪 论2直接对外界工作机器人集中了机械工程，电子技术，计算机技术，自动控制理论以及人工智能等多学科的最新研究成果，代表了机电一体化的最高成就，是当代科学技术发展最活跃的领域之一。机器人的主要特征概括起来就是通用性和适应性。机器人的通用性取决于其几何特性和机械能力， 指的是某种执行不同的功能和完成多样的简单任务的实际能力，也就是说，机器人具有可变的几何结构，即根据生产工作需要进行变更的几何结构；或者说，在机械结构上允许机器人执行不同的任务或以不同的方式完成同一工作。 现有的大多数机器人都具有不同程度的通用性，包括机械手的机动性和控制系统的灵活性。机器人的适应性是指其对环境的自适应能力， 即所设计的机器人能够自我执行未经完全指定的任务，而不管任务执行过程中所发生的没有预计到的环境变化。这一能力要求机器人认识其环境，具有运用传感器感测环境的能力，分析任务空间和执行操作规划的能力以及具有自动指令模式。在这方面，机器人使用它的下述能力：（1）运用传感器感测环境的能力（2）分析任务空间和执行操作规划的能力（3）自动指令模式机器人系统是由机器人和作业对象及环境共同构成的。机器人由机器人本体、控制器和软件三大部分构成。同时，为了获取作业对象及环境信息还需要传感器系统。机器人的本体由机械手和移动机构两部分组成，单独存在的机械手或移动机构也称为机器人。机器人系统有四大部件组成， 包括： 机械手、 传感器、 控制器和功率变换器。如图 1-1 所示南京工业大学本科生毕业设计（论文）3关节式机械系统变速机构执行装置内内传传感感器器机器人模型环境模型工作任务控制算法控制器(计算机)环 境外传感器任 务控制内传感器信外传感器信息计算机语言交互作用任务环境执行机构控制器外传感器信息外传感器信息(a)(b)图 1-1 机器人系统的基本结构关于机器人如何分类， 一般的分类方式有： （1） 操作型机器人。 能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。（2）程控型机器人。按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。（3）示教再现型机器人。通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。 （4）数控型机器人。不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。 （5）感觉控制型机器人。利用传感器获取的信息控制机器人的动作。 （6）适应控制型机第一章绪 论4器人。机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动。 （7）学习控制型机器人。机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。 （8）智能机器人5。以人工智能决定其行动的机器人。从 20 世纪 60 年代初期到 70 年代初期，机器人技术的发展较为缓慢。进入20 世纪 70 年代之后，人工智能学界开始对机器人产生浓厚兴趣。他们发现，机器人的出现与发展为人工智能的发展带来了新的生机。随着自动控制理论、电子计算机和航天技术的迅速发展，到了 70 年代中期，机器人技术进入了一个新的发展阶段。到 70 年代末期，工业机器人有了更大的发展。进入 80 年代后，机器人生产继续保持 70 年代后期的发展势头。 到 80 年代中期机器人制造业成为发展最快和最好的经济部门之一。进入 20 世纪 90 年代以来，由于具有一般功能的传统工业机器人的应用趋向饱和， 而许多高级生产和特种应用则需要具有各种智能的机器人参与，因而促使智能机器人获得较为迅速的发展7。无论从国际或国内的角度来看， 复苏和继续发展机器人产业的一条重要途径就是开发各种智能机器人，以求提高机器人的性能，扩大其功能和应用领域。今天的智能机器人，有的能够模拟人类用两条腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移动，有的具有视觉和触觉功能，能够进行独立操作、自动装配和产品检验；有的具有自主控制和决策能力这些智能机器人，不仅应用各种反馈传感器，而且还运用人工智能中各种学习、推理和决策技术。智能机器人还应用许多最新的智能技术，如临场感技术、虚拟现实技术、多智能体技术、人工神经网络技术、遗传算法和遗传编程、仿生技术、多传感器集成和融合技术以及纳米技术等6。1.2 旅游机器人的现状和发展前景旅游机器人的现状和发展前景旅游机器人需要实现的功能是在无人控制的情况下，自主的识别线路，到达各个指定的地点。国内各个机器人大赛中都能见到寻迹机器人的踪影。传感器有光敏电阻或者红外等等，可谓殊途同归，都是让机器人沿着事前设定好的线路行走。旅游机器人已经被列为机器人比赛项目，例如“机器人游江苏”比赛。拥有此功能的机器人可以运用在很多地方，如安防机器人，可以沿着设定的线路在小区内巡逻；在旅游景区，机器人可以带领游客到达各个景点，并顺利返回。随着社会的发展，有路线识别功能的机器人必将运用在更广阔的领域7。南京工业大学本科生毕业设计（论文）51.3 毕业设计任务毕业设计任务此次毕业设计是以团队进行的。设计任务是以凌阳单片机为核心，设计一个简单移动机器人的总体系统功能和各子系统功能。 重点内容包括：旅游子系统（硬件部分、软件部分） ；灭火子系统（硬件部分） 。我所在的团队的主要任务是旅游子系统的软硬件开发。 小车安装有红外光电传感器和碰状传感器，用于寻迹和检测碰撞。要使小车能够自动识别地面的白线，完成直行、转弯以及调头等动作，并且在尽可能短的时间内到达各个指定的目的地，走完整幅地图，然后返回出发地点。1.4 各章概要各章概要毕业论文共分五章，第一章为绪论，介绍了机器人技术的基础，此次毕业设计团队的总体任务，旅游机器人的发展现状。第二章介绍机器人主板设计，凌阳十六位单片机 SPCE061A，凌阳开发环境（IDE）8。第三章介绍了旅游系统的总体结构和各个功能模块的流程图。 包括了红外寻迹传感器， 碰状检测传感器，驱动电路等。 第四章介绍了旅游系统的软件设计。第五章总结了此次毕业设计，并且提出了一些设计上的优化方案。第二章机器人主板设计6第二章机器人主板设计2.1 凌阳十六位单片机凌阳十六位单片机 SPCE061随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP，Digital Signal Processing）等领域。凌阳的 16 位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的 CPU 内核采用凌阳最新推出的TMnSP（Microcontroller and Signal Processor）16 位微处理器芯片（以下简称TMnSP） 。围绕TMnSP所形成的 16 位TMnSP系列单片机（以下简称TMnSP家族）采用的是模块式集成结构，它以TMnSP内核为中心集成不同规模的 ROM、RAM 和功能丰富的各种外设接口部件8。（一）凌阳单片机的特点1、体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展TMnSP家族把各功能部件模块化地集成在一个芯片里，内部采用总线结构，因而减少了各功能部件之间的连线，提高了其可靠性和抗干扰能力。另外，模块化的结构易于系统扩展，以适应不同用户的需求。2、具有较强的中断处理能力TMnSP家族的中断系统支持 10 个中断向量及 10 余个中断源，适合实时应用领域。3、高性能价格比TMnSP家族片内带有高寻址能力的 ROM、静态 RAM 和多功能的 I/O 口。另外，TMnSP的指令系统提供具有较高运算速度的 16 位16 位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了 DSP 功能，使得TMnSP家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利，又比专用的 DSP 芯片廉价。4、功能强、效率高的指令系统TMnSP指令系统的指令格式紧凑，执行迅速,并且其指令结构提供了对高级语言的支持,这可以大大缩短产品的开发时间。南京工业大学本科生毕业设计（论文）75、低功耗、低电压TMnSP家族采用 CMOS 制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式， 极大地降低了其功耗。 另外，TMnSP家族的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电。这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。（二） SPCE061A 简介1、SPCE061A 芯片简介SPCE061A 是继TMnSP系列产品 SPCE500A 等之后凌阳科技推出的又一款 16 位结构的微控制器。与 SPCE500A 不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能， SPCE061A 里只内嵌 32K 字的闪存（FLASH） 。较高的处理速度使TMnSP能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与 SPCE500A 相比，以TMnSP为核心的 SPCE061A 微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。2、芯片的性能1116 位TMnSP微处理器；工作电压(CPU) VDD 为 2.43.6V (I/O) VDDH 为 2.45.5V；CPU 时钟：0.32MHz49.152MHz ；内置 2K 字 SRAM；内置 32K FLASH；可编程音频处理；晶体振荡器；系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为 2A3.6V；16 位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；10 位 DAC(数-模转换)输出通道；32 位通用可编程输入/输出端口；14 个中断源可来自定时器 A / B，时基，2 个外部时钟源输入，键唤醒；具备触键唤醒的功能；第二章机器人主板设计8使用凌阳音频编码 SACM_S240 方式(2.4K 位/秒)，能容纳 210 秒的语音数据；锁相环 PLL 振荡器提供系统时钟信号；32768Hz 实时时钟；7 通道 10 位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器；声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；具备串行设备接口；具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；内置在线仿真电路 ICE（In- Circuit Emulator）接口；具有保密能力；具有看门狗功能。3、芯片的结构概览SPCE061A 的结构如图 2.1.1 所示：图 2-1-1 SPCE061A 内部结构图4、芯片的引脚排列和说明SPCE061A 的功能非常强大，2K 字 SRAM 和 32K 字闪存 ROM 仅占一页存储空间，具体特性参数如表所示。南京工业大学本科生毕业设计（论文）9表 2-1-1 SPCE061A 特性参数特性参数SPCE061A工作电压2.6V3.6V最大工作速率49.152MHzCPU16 位TMnSPSRAM 容量2K 字ROM 容量（字）32K 闪存 ROM并行 I/O 端口 AIOA150并行 I/O 端口 BIOB150音频输出方式DAC2中断源Timer A/B，时基信号发生器，外部中断，触键唤醒唤醒源IOA70其他中断源定时器/计数器双 16 位加计数定时器/计数器双通道 PWM 输出UART具备ADC7 通道 10 位电压模-数转换器（ADC） 和单通道声音模-数转换器（ADC）（三）凌阳 SPCE061A 单片机的输入/输出接口输入/输出接口（也可简称为I/O 口）是单片机与外设交换信息的通道。输入端口负责从外界接收检测信号、键盘信号等各种开关量信号。输出端口负责向外界输送由内部电路产生的处理结果、显示信息、控制命令、驱动信号等。TMnSP内有并行和串行两种方式的I/O 口。并行口线路成本较高，但是传输速率也很高；与并行口相比，串行口的传输速率较低但可以节省大量的线路成本。SPCE061A 有两个16 位通用的并行I/O 口：A 口和B 口。这两个口的每一位都可通过编程单独定义成输入或输出口。A 口的IOA0IOA7 用作输入口时具有唤醒功能，即具有输入电平变化引起CPU 中断功能。在那些用电池供电、追求低第二章机器人主板设计10能耗的应用场合，可以应用CPU 的睡眠模式（通过软件设置）以降低功耗，需要时以按键来唤醒CPU，使其进入工作状态。例如：手持遥控器、电子字典、PDA、计算器、移动电话等。I/O 端口结构SPCE061A 提供了位控制结构的I/O 端口，每一位都可以被单独定义用于输入或输出数据。通常，对某一位的设定包括以下3个基本项：数据向量Data、属性向量Attribution和方向控制向量Direction。3个端口内每个对应的位组合在一起，形成一个控制字，用来定义相应I/O 口位的输入输出状态和方式。例如，假设需要IOA0 是下拉输入管脚，则相应的Data、Attribution 和Direction 的值均被置为“0”。如果需要IOA1 是带唤醒功能的悬浮式输入管脚，则Data、Attribution 和Direction 的值被置为“010”。与其它的单片机相比，除了每个I/O 端口可以单独定义其状态外， 每个对应状态下的I/O 端口性质电路都是内置的， 在实际的电路中不需要再次外接。 例： 设端口A 口为带下拉电阻的输入口，在连接硬件时无需在片外接下拉电路。A 口和B 口的Data、Attribution 和Direction 的设定值均在不同的寄存器里， 在进行I/O 口设置时要特别注意这一点。同样 B 具有常规的与 A 口相同的输入/输出端口，此外，B 口还有一些特殊的功能。在 UART 通讯中用到的有：IOB7Rx通用异步串行数据接收端口IOB10Tx通用异步串行数据发送端口依靠B口的特殊功能来实现数据的传输。（四） 61 板61 板是 SPCE061A 精简开发板的简称，是“凌阳大学计划”专为电子爱好者和高校学生进行课程设计、毕业设计及电子竞赛所设计的，以凌阳 16 位单片机 SPCE061A 为核心的精简开发仿真实验板。硬件电路包括电源电路、音频电路（含 MIC 输入部分和 DAC 音频输出部分） 、复位电路等，让学生在掌握软件设计的同时，熟悉单片机硬件的设计制作，锻炼动手能力。而且它的体积小，采用电池供电，方便随身携带。南京工业大学本科生毕业设计（论文）11图 2-1-261 板接口说明图（五）凌阳TMnSP开发环境 （IDE）凌阳十六位单片机集成开发环境集软件编辑、 编译、 仿真、 链接、 在线编程、在线调试等众多功能于一体。具有友好的交互界面、下拉菜单、快捷键和快速访问命令列表等，使我们的编程、调试工作更加方便且高效。此外，它的软件仿真功能可以在不连接开发板的情况下模拟硬件的各项功能来调试程序， 使得原本复杂的软硬件结合的设计工作变得简单方便。2.2 PROTEL 介绍介绍protel 是最流行的电路设计及仿真的软件，目前版本有许多，如protel99,protel99se protel2004,protel DXP,protel2006.随着版本的更新， 它的功能越来越强大，对新器件的支持也越来越多。使用最广的应该还是 protel99SE。所以我们也选用此软件作电路设计。Protel99se 的特点：可生成 30 多种格式的电气连接网络表；强大的全局编辑功能；在原理图中选择一级器件，PCB 中同样的器件也将被选中；同时运行原理图和 PCB，在打开的原理图和 PCB 图间允许双向交叉查找第二章机器人主板设计12元器件、引脚、网络既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到 PCB） ，也可以进行反向注释（由 PCB 到原理图） ，以保持电气原理图和 PCB 在设计上的一致性；满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728 国标库） ；支持用 CUPL 语言和原理图设计 PLD，生成标准的 JED 下载文件；强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查；智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺；提供大量的工业化标准电路板做为设计模版；放置汉字功能；可以输入和输出 DXF、DWG 格式文件，实现和 AutoCAD 等软件的数据交换；智能封装导航（对于建立复杂的 PGA、BGA 封装很有用） ；方便的打印预览功能，不用修改 PCB 文件就可以直接控制打印结果；独特的 3D 显示可以在制板之前看到装配事物的效果；强大的 CAM 处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等；经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法， 信号完整性分析直接从 PCB 启动；图 2.2 Protel99se南京工业大学本科生毕业设计（论文）132.3 机器人主板分析机器人主板分析2.3.1 电源电路图 2-3-1 电源电路此为两路开关电源电路,一路经LM2575开关稳压滤波后变VCC得到+5V电压,此电压可以给下面的 74HC14,L298 前置级，LD1117 稳压块的输入等作电源。图 2-3-2 3.3V 稳压电路另一路经LM2576开关稳压成约11V的稳定电压Vmotor给电机驱动芯片L298第二章机器人主板设计14作驱动电源。其中 Vout2=1.23*(1+R8/R7),这里 R8=8.2K，R7=1K，Vout2=1.23*(1+8.2/1)=11.316V。LM2576，LM2575 的效率比流行的三端线性稳压器要高得多，其输入电压范围广，低功耗，可使用现成的标准电感，带热关断及电流限制保护。图 2-3-2 为 3.3V 稳压电路。稳定电压 AVDD，VDD 给凌阳 CPU 供电。2.3.2 红外发射接收电路图 2-3-3 38KHz 信号发生电路从信号发生器生成的 38KHz 方波信号经三极管 8550 放大供给三个红外发射管工作。IS4，IS5，IS6 分别接红外发射管。其中发射功率可以通过 VR64，VR63，VR62 调节。 接收管用的是 HS0038， 分别接 IR1 的 1， 2， 3 脚， 如图 2-3-5。 HS0038接收到信号则 1 变为低电平，发光二极管点亮提示已探测到。这样子对传感器的调节方便了很多。南京工业大学本科生毕业设计（论文）15图 2-3-4 发射电路图 2-3-5 红外接收电路第二章机器人主板设计162.3.3 电机驱动电路图 2-3-6 电机驱动电路L298 具有外围元件简单，工作稳定性好的特点。L298 集成块是专为步进电机驱动而设计。是双 H 桥式驱动器。它内含的功率输出器件设计制作在一块石英基片上，由于制作工艺的同一性，因而具有分立元件组合电路不可比拟的性能参数一致性，工作稳定。同时设于晶片内的 PWM 斩波线路容许以开关形式控制线路的电流。此电路外置了几个保护二极管，有效地减少了电机转动产生的反向电流，增强了此系统稳定性，对 L298 也有保护作用。南京工业大学本科生毕业设计（论文）172.3.4 凌阳 SPCE061 主芯片电路图 2-3-7 凌阳 SPCE061 主芯片电路图 2-3-8 做好的电路板第二章机器人主板设计182.4 机器人本体系统设计机器人本体系统设计2.4.1 机器人本体机器人的本体我们选用广茂达“能力风暴”机器人的底座。 “能力风暴”机器人底盘面积大，坚固，可以承受比较大的重量。如下图所示图 2-4-1 机器小车底盘前后轮为万向轮，左右轮为独立驱动轮，其自转中心与车体中心重合，适合在狭窄场地运动，灵活性和稳定性都比较好。我们保留了“能力风暴”原有的电机。减速电机是由直流电机和减速箱组成的，它是机器人的能量转化及驱动装置。电机经过减速器将转动传给轮子， 将高速转化为低速， 通过三级直齿轮传动减速， 以满足运行的速度和转矩。通 过 直 流 电 机 （ 额 定 电 压 12V， 额 定 电 流 0.66Amp ， 额 定 转 矩5.04m-Nm， 空载转速 11822Rpm） 可以把电能转化成动能； 通过减速箱 （三南京工业大学本科生毕业设计（论文）19级减速机构，减速比 28:1）将直流电机直接输出的转速降低，并输出到输出轴上使机器人实现转动或移动，从而满足机器人运行时的速度和转矩。直流电机在一定电压下，转速与转矩成反比，如果改变电压，则转速转矩线随着电压的升降而升降。在机器人负载一定时（即转矩一定时） ，降低电压，对应的转速 n1，n2 不同，这样就可实现用电机调速。2.4.2 电源61 板的内核 SPCE061A 电压要求为 3.3V，而 I/O 端口的电压可以选择3.3V 也可以选择 5V。我们用 15V 电池经 7805 稳压给 61 板供电。因为发热量大的问题，我们用 15V 电源，经 7812 一级稳压再经过两个 7805二级稳压，输出为 5V 供电机驱动芯片 L298 前置和寻迹部分的红外传感器以及比较器使用。 15V直接经过7809稳压输出给电机驱动芯片L298作电机驱动电源。7805 是固定式三端稳压电源17，由输出脚 OUTPUT，输入脚 INPUT 和接地脚COMMON 组成的。它的稳压值为+5V，属于 CW78XX 系列的稳定压器，输入端接电容可以进一步的滤波，输出端接电容可以改善负载的瞬间影响。如下图所示：图 2-4-2三端稳压电源 7805，7809，7812第三章旅游系统设计20第三章 旅游系统设计3.1 旅游系统总体结构以及旅游线路图旅游系统总体结构以及旅游线路图旅游机器人系统的设计综合软硬件，主要包括三大模块：驱动电路、碰撞电路、寻迹电路。这三大模块是旅游机器人的核心，其中寻迹电路是整个系统设计的关键，是机器人一切动作的前提，实现机器人在实验室特定的环境中，识别路线，按照指定的正确路线进行旅游。3.1.1 旅游系统总体结构图图 3-1-1 旅游系统总体结构图系统以 SPCE061 为核心， 从红外传感器上采集到的电压信号经信号比较器处理后的信号和碰撞传感器检测到的信号输出给单片机，经过处理，再输出给电机驱动芯片，从而控制电机的正转、反转、停转以及减速10。SPCE061电机驱动碰撞开关红外传感器信号比较器南京工业大学本科生毕业设计（论文）213.1.2 旅游景点线路图 3-1-2 旅游景点线路其中场地表面为绿色，没有明确的边界，但中心线是宽度为 2.4cm 的白线，用以方便机器人导航。在实际布置线路的时候，我们遇到了些问题。一是地毯。地毯并不是平坦的贴在地面上，有很多的起伏，同时上面的白线也就高低不平，这就导致了红外传感器在接收反射光时不稳定，从而输入单片机的信号也就不稳定。二是光线干扰的问题。我们发现，光线的强弱也会对传感器有影响。第三章旅游系统设计223.2 系统流程图系统流程图旅游系统总流程图是否是否是否图 3-2 系统流程图开始单个传感器是否探测到？相 应 左 右 轮速度调整是否探测到岔口？决定左拐还是右拐驱动电机左右拐碰撞开关是否有信号？碰撞，改变走向直走南京工业大学本科生毕业设计（论文）233.3 寻迹模块寻迹模块3.3.1 光电传感器的选择图 3-3-2 光电传感器原理图光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。 光电传感器在一般情况下，有三部分构成，图 3-3-3 光电传感器工作原理光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器.它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号.光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件三部分组成.光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛.这里选用 TCRT5000 光电传感器， 此传感器在距离较小时测量数据很准确。图 3-3-1 光电传感器第三章旅游系统设计24分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。 在接收器的前面， 装有光学元件如透镜和光圈等。 在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。这里我们选用了反光板型光电传感器 TCRT5000，该传感器特点是检测准确，反应迅速、使用容易、结构小巧、成本低廉。它的检测头里装有一个发光器和一个收光器。 正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。3.3.2 比较器电路为了得到单片机要处理的数字信号，直接用传感器测到的信号是不行的，有人用 AD 转换将测到的模拟信号转换为数字信号，凌阳内部也有十路 AD 转换，但是这种方法程序写起来复杂而且如果要调节传感器需要带单片机在线调节， 极为不便。所以我们想了另一种方法。就是用硬件处理，使给单片机 IO 口的直接就是数字信号。这里我们选用了 LM339 电压比较器来对传感器的探测器信号进行比较， 而后决定是要输出高电平还是低电平。南京工业大学本科生毕业设计（论文）25图 3-3-4 LM339 功能图而每路传感器采用如下电路：图 3-3-5 比较器模块原理图第三章旅游系统设计26工作原理是：TCRT5000 发射的光被白线反射到接收管上，接收管将其转为相应大小的电信号输出至 LM339 的比较输入的正端。 比较器的负端接的比较电压是由 7805 稳压而得的 5V 经二极管 1N5819 后得到的约 4.8V 稳定电压。 此电路即当 5 脚电压小于 4.8V 时（没有探测到白线）输出 L1 为 0（即低电平） ，当大于等于 4.8V（探测到了白线）时输出 L1 为 5V（即高电平） 。这样，给单片机输入的就是纯粹的数字信号了。图中 D2 平时点亮，当探测到白线时熄灭。这样的设计是为了便于传感器的调节。至此，无需连接 61 板即可调节传感器，方便了许多。3.3.3 寻迹分析针对旅游场地的白线，我们采用前后探测的方法，前后都安置了传感器，即让机器人两头都能走，且两头的传感器均一样放置。我们选用了七个传感器并排而放，传感器间距 26mm。如下图：图 3-3-6 实际传感器排列图传感器采集的信号向前分别由 IOA1IOA7 口向后分别由 IOA9IOA15 输入给单片机，CPU 监测到信号的变化，控制左右车轮独立驱。控制机器人的方向使之最后能够回到原来的路线并沿引导线自主行走15。现详细分析传感器探测的各种情况，以向前为例，向后类似。其中白圈为传感器，双线内为白线。南京工业大学本科生毕业设计（论文）27这种情况只有中间一个传感器探测到，机器人于路中间，左右轮等速向前。这种情况保持先前状态。这种情况只需根据相应传感器的偏移量设置相应速度则可。此时左右轮之速度不同。走直线是小车最基本的功能， 然而旅游线路图比较大， 有众多的景点和路口，如何让小车能够完整的走完线路图， 要在程序中加以控制， 也就是要在小车的 “头脑”中画好一副图。根据事先铺设好的线路，规划好小车的行走线路，在程序中依次记下要走过的所有的路口顺序，小车一旦到达一个路口，检测到的信号与单片机中存储的旅游图进行信息的交互，小车就知道这是第几个路口、是个什么样的路口，应该向什么方向走，利用计数器调用主程序来改变小车的方向或者直行通过路口。再根据光电传感进一步检测到的信号，配合程序告诉小车何时结束转向。第三章旅游系统设计28旅游地图中有诸多岔口，有丁字，十字还有五路岔口。下面加以分析。123456789上面只列出了几种情况，实际中还有好多种情况。基于以上几种情况，我们想出了拐弯条件：左右边上两个或三个或四个或五个传感器探测到则转弯。但并南京工业大学本科生毕业设计（论文）29非一探测到就转弯， 我们对机器人走的路途经过规划， 还对转弯的次数进行计数，到某个岔口要向左还是向右转弯要由计数的值决定。 比如机器人走到了第五个岔口，若岔口为十字路口，在我的规划中它是要向左转的，那么机器人在此岔口就只有左转的程序是激活的，右转的程序被屏蔽了，机器人只能左转。在实际的调试过程当中，遇到了不少问题，我们认识到，小车能否顺利的寻迹运行，关键是在能否有效的抗干扰。干扰主要来自以下几个方面。1.光线的干扰。当二极管的光线同时照射在白线和地毯上时，我们取此时的电压为阈值电压，给比较器进行比较，再由单片机处理从而通过芯片驱动电机。我们在某一环境下测量电压，设定比较器阈值电压值。但是当环境变化，光线变化之后，导致阈值电压有变化，影响了光电传感器对白线的检测。2. 小车速度的影响。15V 充电电池充电之后，电压可以达到 15.9V 左右。这时电机的转速高。单片机得到“有信号”后，经过处理再通过驱动芯片控制电机。但是当电机做出相应的变化之前，小车已经驶离白线，光电传感器也离开白线。这时可以看出小车有调整方向的动作，但是因调整后光电传感器已经在白线的一侧，所以无法再回到白线上来行驶进行二次调整。这样小车就走出白线，比赛就算了失败了。3. 小车感受信号的检测也不能太快,不然的话会出现很多的垃圾信息处理，这是没有必要的。4. 电机特性的干扰。这是个比较头痛的问题，用软件来调节也不理想，小车在相同的电压下，左电机慢，右电机快。在没有程序的情况下，向左偏行驶。电量足，速度快的情况下，左偏更加严重。还有减速箱也有问题，机器人在运动的时候会是上下颤动，让人看起来像个拖拉机。这种颤动让传感器时高时低，探测不准确。3.4 碰撞模块碰撞模块图 3-4 碰撞模块功能示意图前后碰撞开关单片机驱动电机正反转第三章旅游系统设计30在小车的前后端装有碰撞开关，检测前方是否有障碍。碰撞开关直接与 IOB口相连到，平时没有碰撞时碰撞开关是给高电平，一旦撞上障碍物，开关闭合，提供一低电平，触发了一个下降沿，给单片机一个信号，单片机通过驱动芯片控制电机，让电机反转调头。3.5 驱动系统驱动系统采用的是 L298 芯片，它是 H 桥式电机驱动芯片。该芯片应用简单，可带散热片。在 46V 的电压以下，可以提供最大 4A 的电流。图 3-5-2 L298 应用电路图J21，J22 分别接电机，Vmotor 为经过 7809 后的 9V 电源，Vcc 为 5V 电源。电机的转速可以通过改变电机电压的方式来改变的，CPU提供给电机的信号是方波，不同的方波它的平均电压是不同的，我们就利用这一点来进行机器人的速度控制。采用不同的脉宽调节平均电压的高低，进而调节电机的转速，即脉宽调制（PWM，Pulse Width Modulation）18。脉宽调制信号通过IOB8、IOB9 输入给L298，如果需要调速，可以直接调用SPCE061A的PWM资源，通过调节PWM的占空南京工业大学本科生毕业设计（论文）31比来实现速度的调节。调速部分直接连接到了61板的PWM输出，只要在程序中对PWM相关端口进行合理的设置，在MOTSP端就有PWM信号产生，加在小车电机两端的电压就是一个PWM电压信号，对应的电机电压波形如图示：图 3-5-3 脉宽调制此时加在电机两端的平均电压Uo=T h/(T h +T l)*VCC。可以通过调整PWM的占空比，来改变 T h 和 T l 的比值，从而改变 U o 的大小。这样就通过 PWM资源调节加在电机两端的平均电压，从而改变电机的转速，最终实现调节小车速度的目的。最后成品图：图 3-5-4 机器人实物图第三章旅游系统设计32图 3-5-5 赛场上的机器人南京工业大学本科生毕业设计（论文）33第四章 系统软件设计4.14.1 设计思路设计思路因旅游地图中有各种各样的岔口，我们分析过，要想游览完所有的景点必须给机器人一个固定的路径。为了让机器人能拐正确的弯，我们对机器人走过的路线所拐过的弯逐一计数，即只要完成一次拐弯则计数器加一。在程序中设定好机器人在哪个拐弯数处向左向右拐弯。此外为了防止现场有白色微粒的干扰，经老师提示，我们采用如下方法：先读取一个传感器数据，延时一小段时间后再读取一次，比较两次读取之数据，相同则为正确数据，不同则为干扰。可以说旅游机器人软件主要部分是拐弯，所以要着力于这个问题。经过上面的分析我们发现， 当探测到弯口时至少有两个传感器探测到， 仔细分析各种情况，我们拟定在不同的岔口实行不同的拐弯条件。 尤其是五岔口和约四十度的那两个岔口。考虑到不同场地有不同的摩擦力，而且电池的电量不同也会有不同的速度。我程序准备了三套程序，三个不同的速度，通过外接的拨码开关来选择。4.24.2 程序流程图程序流程图第四章系统软件设计34否是否是是否是否否是图 4-2-1 程序流程图初始化碰撞开关是否动作（IOB 口低 8 位）？n=2,跳到向后走程序n=1, 跳到向前走程序前（后）左转条件是否成立？前（后）右转条件是否成立？调用前（后）走直线程序传感器是否探测到信号？保持当前状态不变调用前（后）左拐程序，num 加一调用前（后）右拐程序，num 加一是否回到了起始点？停车开始南京工业大学本科生毕业设计（论文）35第五章 结束语5.1 设计总结设计总结此次设计的机器人旅游系统是单片机的实际运用， 对我们来说也是一个不小的挑战。系统的设计包括了许多方面的内容，凌阳单片机 SPCE061A、61 板的编程、光电传感器、碰撞开关、L298 和 L339 的运用，运动控制技术、PWM 技术等等，这些都需要我们不断的在探索中学习。从毕业设计的开始，我们就不断的遇到问题。挫折是让人沮丧的，但是每次取得成果又是让人喜悦的。这些都难以忘怀。我们一开始目的就很明确，要设计一块能完成旅游，灭火功能的主板，做一个能参加江苏机器人比赛的机器人，所以我们时刻不在告诉自己一定要做好。在我们的多加分析和老师的指导下，确定了设计方案，一开始我主要负责的是硬件方面，是机器人的躯体，如果硬件搞不好，就谈不上软件。在买齐了所需的电子元件之后，我开始了制作焊接工作。因为我本人对电子元件也有所了解，也可以说有这方面的经验，所以焊接并没有遇到什么大困难。早期焊的东西是用万能板做出来的，每个小部分的电路都是分别焊在不同的板子上面，结果发现，板子焊接的太乱会给后面的整和以及调试工作带来很大的麻烦， 在查找毛病的时候非常麻烦。于是将除了 61 板和传感器以外的所有电路全都设计在一块 PCB 板上，让电路整洁明了，电路的稳定性也提高了。在制作的过程中，不断遇到问题不断解决，不断完善硬件。测试阶段是个头疼的过程，干扰因素非常的多，设定的比较电压可能会改变，今天成功了，但是明天环境一变可能就会失败。还有程序的调试，因为我们没有任何以前的程序作参考，所有程序都是自己一点儿一点儿写出来的。开始写的程序只能走个直线，后来经过不断的思考，摸索出转弯的算法。至此以后机器人才走得像模像样，下而的工作就是针对旅游的地图来完善程序，减少干扰，设置不同的速度，对特殊的岔口进行特殊处理等。可以说从开始编出来的第一个程序到正式参加比赛，是一点点堆起来的。从开始的只有几十行到现在的一千多行，每一次的调试都有新的发现，都需要作程序修改。除此之外，硬件出现的毛病也让我们花费了好多力气。 比赛前一天晚上为了找一个毛病花了大第五章结束语36半天的时间。 可说测试花费了我们很长的时间， 但这个过程也锻炼了我们的耐心，增强了自信心。虽然以前也曾自学过凌阳单片机编程，也曾做过凌阳的硬件实验，但都不深入，这次设计主要依靠我们自己团队力量进行，好多东西都要自己完成，在此过程中所遇到的问题及解决的问题让我们从中学到了好多。通过这次设计，我取得了明显的进步。毕业设计给我带来的锻炼必将会对我今后的工作起到很大的帮助。功夫不负有心人，经过我们的努力，在机器人比赛中荣获了一个三等奖。这个就是给我们这些忙碌的日子里最大的安慰。5.2 系统的优化设计系统的优化设计旅游系统的设计已经基本达到了原先的要求，但仍然有需要改进的地方。在比赛过程中我们发现：路走长了机器人会变得不稳定，尤其是当速度提上去的时候，它会变得左右波动，不能走到白线中间来，我们这次比赛就是吃了这样子的亏使得机器人不能走完全部景点。其中我程序的处理是一个问题，还有另一个问题是机器人的底盘不好，太高，不易稳定。我们看到有的学校用的底盘和四轮底盘效果不错。虽然我们用了 7809 稳压给电机驱动供电，但是效果一点儿都不好，电池电压改变了电机的转速还是会变，不知道是什么原因。根据以上建议修改， 我相信我们的机器人在结构上会更加紧凑， 简单， 合理；实现功能上将更加完善和稳定。随着科技的发展，我相信，不久的将来具备旅游功能的机器人必将会走进人们的生活，为人类服务。南京工业大学本科生毕业设计（论文）37参考文献1 王灏，毛宗源编著. 机器人的智能控制方法M. 北京：国防工业出版社，20022 李广弟， 朱月秀， 王秀山编著. 单片机基础M. 北京： 北京航空航天大学出版社， 20013 方佩敏.传感器原理、应用、电路详解J.自动化学报:电子工业出版社,2002,24(3):307-3144 朱世强,王宣银编著.机器人技术及其应用M. 杭州:浙江大学,20015 张福学编著. 机器人学智能机器人传感技术M. 北京：电子工业出版社，20026 迈克 普瑞德科编著. 机器人控制器与程序设计M. 北京：科学出版社，20027 孙立宁.机器人技术发展状况EB/OL.http:/,2005-1-318 张彦斌编著. 凌阳 16 位单片机原理及应用M. 北京：北京航空航天大学出版社.20039美丹尼斯.克拉克,迈克尔.欧文斯. 机器人设计与控制 . 科学出版社,200410 钟长华等编著. 电子系统设计M. 杭州：浙江大学出版社，200211 凌阳大学计划组编.61 板使用手册DB/CD.凌阳公司12 Texas instruments incorporated.SN754410 QUADRUPLE HALF-H DRIVER EB/OL.http:/ 王秀杰编著. 模拟集成电路应用M. 西安：西安工业大学出版社，200114 方佩敏编著. 新编传感器原理、应用、电路详解M. 北京：电子工业出版社，199415 姚福安等编著. 电子电路设计与实践M. 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P_IOB_Attrib(volatile unsigned int *)0 x7008#define P_Watchdog_Clear(volatile unsigned int *)0 x7012#definetimepwm_1(volatile unsigned int *)0 x0070/脉宽选择 1/16#definetim