智能清障小車設計【含7張CAD圖紙優(yōu)秀畢業(yè)課程設計論文】

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購買設計文檔后加 購買設計文檔后加 費領取圖紙 圖 書 分類號： 密 級： 畢業(yè)設計 (論文 ) 智能清障小車設計 F 生姓名 學院名稱 專業(yè)名稱 指導教師 20**年 5 月 27 日 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) I 摘要 智能小車在自動化生產(chǎn)線、倉庫管理、機器人服務、環(huán)境監(jiān)測、航空航天等領域有廣泛的應用。本文介紹了一款集自動尋跡、障礙物監(jiān)測、障礙物清除等功能于一體的智能小車。智能小車采用 片機為系統(tǒng) 控制核心，利用反射式光電傳感器檢測識別黑線，通過比較器反饋高低電平信號給單片機，從而控制直流電機的運動，實現(xiàn)尋跡功能。安裝于車體前端的點觸開關實時監(jiān)測黑線上的障礙物，一旦觸發(fā)開關，拉低所接單片機 I/發(fā)外部中斷，從而控制機械手夾持障礙物，配合小車運動，達到清除障礙物的目的。本課題研制的智能小車樣機實驗證明了本文敘述的技術方案的有效性和正確性，可以為今后全國及省內(nèi)電子大賽提供寶貴的經(jīng)驗。 關鍵詞 單片機；傳感器；循跡；清障； 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) in a of CM as By to of to CU to of C at of on ,of 州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 錄 摘要 .................................................................................................................................................. I ......................................................................................................................................... 1 章 緒論 ................................................................................................................................. 1 能化小車發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 .............................................................................................. 1 題背景 ....................................................................................................................... 1 動式機器人在國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ............................................................................... 2 究的目的和意義 .............................................................................................................. 2 究的內(nèi)容 .......................................................................................................................... 2 第 2 章 智能清障小車系統(tǒng) ......................................................................................................... 4 統(tǒng)總體方案 ...................................................................................................................... 4 統(tǒng)方案論證 ...................................................................................................................... 4 體方案論證 ............................................................................................................... 4 車結構方案論證 ....................................................................................................... 5 礙物清理單元方案論證 ........................................................................................... 5 制器方案論證 ........................................................................................................... 6 電單元方案論證 ....................................................................................................... 6 礙物識別單元方案論證 ........................................................................................... 7 動單元方案論證 ....................................................................................................... 8 跡單元方案論證 ....................................................................................................... 9 統(tǒng)最終方案 .................................................................................................................... 10 第 3 章 智能清障小車硬件設計 ............................................................................................... 12 統(tǒng)硬件電路介紹 ............................................................................................................ 12 礙物監(jiān)測模塊介紹 ........................................................................................................ 12 礙物清理模塊介紹 ........................................................................................................ 13 械手介紹 ................................................................................................................. 13 械手控制電路介紹 ................................................................................................. 13 片機最小系統(tǒng)介紹 ........................................................................................................ 15 片機簡介 .................................................................................................. 16 片機使用資源規(guī)劃 ................................................................................................. 17 電模塊介紹 .................................................................................................................... 17 跡模塊介紹 .................................................................................................................... 17 流電機驅動模塊介紹 .................................................................................................... 19 第 4 章 智能清障小車軟件部分 ............................................................................................... 22 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 件開發(fā)平臺 .................................................................................................................... 22 件開發(fā)調試 .................................................................................................................... 23 機工作程序仿真 ..................................................................................................... 23 流電機工作程序仿真 ............................................................................................. 24 統(tǒng)軟件流程 .................................................................................................................... 25 跡軟件流程 .................................................................................................................... 27 礙物檢測及清理軟件流程 ............................................................................................ 28 第 5 章 系統(tǒng)測試 ....................................................................................................................... 30 試場景介紹 .................................................................................................................... 30 際測試過程 .................................................................................................................... 30 試結果分析 .................................................................................................................... 32 結 論 ........................................................................................................................................... 33 致 謝 ........................................................................................................................................... 34 參考文獻 ....................................................................................................................................... 35 附錄 I ............................................................................................................................................ 36 附錄 ......................................................................................................................................... 37 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 1 第 1 章 緒論 能化小車發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢 題背景 肩負著人類探測火星使命的“勇氣”號和“機遇”號分別于 2004年 1月 3日和 1月 24日在火星不同區(qū)域著陸，并于 2004年 4月 5日和 2004年 4月 26日相繼通過所有“考核標準”。美國宇航局的孿生火星車探測計劃至此正式宣告取得圓滿成功。美國宇航局科學家和工程師先設立了一系列硬指標，作為判定兩輛火星車聯(lián)合探測計劃是否能成功的依據(jù)。按照規(guī)定，每輛火星車都需要至少工作 90個火星日 (約地球上的 92天 )，在火星上行駛總里程至少達到 600米，至少 造訪 8個不同地點，必須拍下周圍環(huán)境的立體和彩色全景照片。“勇氣”號是迄今美國發(fā)射的最尖端的火星探測裝置，其頂部的桅桿式結構上裝有全景照相機及具有紅外探測能力的微型熱輻射分光計。火星車能夠在火星上自主行駛，當火星車發(fā)現(xiàn)值得探測的目標，它會驅動六個輪子向目標行駛；在檢測到前進方向上的障礙后，火星車會去尋找可能的最佳路徑 [1]。 類似火星車，以輪子作為移動機構，能夠實現(xiàn)自主行駛的機器人，我們稱之為智能小車，又稱輪式機器人。 智能小車是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策，自動行駛等功能于一體的 智能 輪式 機器人 ，它集中地運用了計 算機、傳感、信息、通信、導航及自動控制等技術，是典型的高新技術綜合體。 智能小車 作為現(xiàn)代高科技的 產(chǎn)物 ，是 21世紀的科技 亮 點之一。 智能小車 技術的發(fā)展，應該說它是科學技術發(fā)展的一個綜合性結果。同時，它為社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了一門有著重大影響的科學技術，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)后各國加強了經(jīng)濟的投入，而對輪式機器人 的研究成果又提高了本國的經(jīng)濟的發(fā)展水平。比如說日本戰(zhàn)后開始進行汽車工業(yè)，這時候由于它人力的缺乏，它迫切需要一種機器人來進行大批量的制造，提高生產(chǎn)效率降低勞動 成本 ，這是社會發(fā)展本身的一個需求。另一方面它也 是生產(chǎn)力發(fā)展的必然結果，也是人類自身發(fā)展的必然結果， 人類 在不斷探討自然、認識自然、改造自然過程中，需求一種能夠解放人的自動化裝置。那么這種自動化裝置就是代替人們能夠從事復雜和繁重的體力勞動，實現(xiàn)人們對不可達到的世界的認識和改造，這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個客觀需要。但另一方面，盡管人們有各種各樣好的想法，它也歸功于電子技術，計算機技術及制造技術等相關技術的發(fā)展提供 額 強大技術保證 [2]。 目前，許多國家已經(jīng)把智能小車方面的比賽作為創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段。智能小車涉及到多個學科，如：電工、機械、自動控制、人工 智能、傳感技術等，是眾多領域中的高科技。智能小車比賽是一種高科技對抗活動，各國專家學者通過這項競賽，不斷推進了輪式機器人方面的研究，通過不斷改進輪式機器人尋址速度和算法研究，試圖讓輪式機器人更接近智能化，它集高科技、娛樂和競賽于一體，引起了各國的廣泛關注和極大興趣，從徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 2 而推動了輪式機器人的研究熱潮。 能化小車在國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國智能化小車研究主要有： 1)以 合多種傳感器實現(xiàn)尋跡、測速、避障、清障等功能 [3]； 2)基于 本地計算機通過接入險環(huán)境地段等特殊環(huán)境進行監(jiān)視和控制的系統(tǒng)，這種智能小車可以適應不同環(huán)境，不受溫度、濕度、空間、磁場輻射、重力等條件的影響，可以在人類無法進入或生存的環(huán)境中完成人類無法完成的探測任務 [4]； 3)以 于 過對獲得的圖像進行處理分析，獲得道路信息提取賽道黑線，并結合測速反饋實現(xiàn)對小車的閉環(huán)反饋控制，后輪驅動電機控制模塊采用了模糊 分利用了內(nèi)部提供的模糊推理機 [5]； 4)基于 系統(tǒng)以 所采集的溫濕度傳送到上位機，利用蟻群算法實現(xiàn)路徑規(guī)劃，并在此基礎上實現(xiàn)避障功能，避障功能模塊我們采用多超聲波傳感器來實現(xiàn) [6]； 5) 以 過光電碼盤、防碰開關、超聲波傳感器等來實現(xiàn)智能小車的多種功能 [7]。 究的目的和意義 機器人要實現(xiàn)自動尋跡功能和檢測障礙物功能就必須要有感知導引線，感知導引線相當給機器人一個視覺功能。智能小車實現(xiàn)自動識別路線和檢測障礙物使 用傳感器感知路線并作出判斷和相應的執(zhí)行動作 ,選擇正確的行進路線。 通過構建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設計并實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的能力。在實踐過程中，熟悉以單片機為核心控制芯片，設計小車的檢測、驅動和顯示等外圍電路， 結合障礙物監(jiān)測和清除模塊， 實現(xiàn)小車的循跡 清障功能 。靈活應用機電等相關學科的理論知識，聯(lián)系實際電路設計的具體實現(xiàn)方法，達到理論與實踐的統(tǒng)一。 本課題利用 傳感器、電機驅動和軟件的控制下，能夠智能地完成行走路線探測、監(jiān)測障礙物、清除障礙物等任務，與傳統(tǒng)的遙控玩具車相比，具 有一定的獨立性和智能性。 究的內(nèi)容 本課題設計的智能清障小車具有自動尋跡、障礙物檢測、障礙物清除等功能。整體設計可分為機械和電氣兩部分：機械部分主要包括車體結構和機械手結構設計，目前車體主要有輪式和履帶式兩種可供選擇，機械手設計需根據(jù)障礙物進行結構設計、加緊力計算等；電氣部分主要包括單片機最小系統(tǒng)模塊、供電模塊、運動模塊、尋跡模塊、障礙物監(jiān)測模塊組成。采用 流電機作為小車動力源并徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 3 通過驅動芯片控制小車的前進和轉向，利用光電傳感器識別黑線，經(jīng)比較器 反饋信號最終實現(xiàn)尋跡功能，點觸開關實時監(jiān)測黑線上的障礙物，整個系統(tǒng)通過雙電源供電， 12V 穩(wěn)壓電源一部分供運動模塊使用，另一部分經(jīng)轉換，供單片機最小系統(tǒng)模塊、尋跡模塊、障礙物監(jiān)測模塊使用，機械手上的舵機由 5個系統(tǒng)的電路結構比較簡單、可靠性高。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 4 第 2 章 智能清障小車系統(tǒng) 統(tǒng)總體方案 經(jīng)過對本設計要求的分析，提出了不同的方案，需要進行方案論證：機械部分主要是車體和機械手控制方式的選擇；電氣部分主要有主控制器的選擇，供電模塊的設計，循 跡傳感器的選擇，障礙物監(jiān)測傳感器的選擇。主要構成如圖 2片機最小系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的控制核心，尋跡電路模塊反饋信號給單片機，通過控制直流電機驅動模塊，從而實現(xiàn)電機的正反轉，使小車按要求運動，障礙物監(jiān)測模塊實時監(jiān)測黑線上是否有障礙物，一旦觸發(fā)，單片機控制清障單元模塊清除障礙物。 圖 2統(tǒng)總體框圖 統(tǒng)方案論證 體方案論證 方案一：自己制作車體。 自己制作的車體，一般采用左右兩輪驅動，后萬向輪轉向的方案。即左右輪分別用兩個轉速和力矩基本完全相同的直流電機進行驅動，車體頭 部裝一個萬向輪，當兩個直流電機轉向相反同時轉速相同就可以實現(xiàn)車體的旋轉。但是制作車體的工具和材料有限，制作后的結構并不一定能按設計尺寸進行，同時材料的局限性可能使得車體比較笨重。 方案二：購買玩具車體。 購買的玩具電動車具有組裝完整的車架車輪、電機、驅動電路等，其美觀方便，只要制作所需電路板就可以方便的固定在車體上，能夠穩(wěn)定的實現(xiàn)小車運動，這種車體一般都是四輪驅動，左側兩輪和右側兩輪分別為一組，通過一側電機正轉，一側電機反轉實現(xiàn)小徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 5 車轉向，但電機一般為玩具直流電機，力矩小，負載性能差，不能適應原地轉向。 綜合 分析上述兩方案，考慮到本設計制作的僅是模型，為了方便美觀，所以選擇方案二。 車結構方案論證 方案一：履帶式小車。 履帶式小車能適應各種復雜地形，其抓地力大，行駛速度穩(wěn)定。常用于工業(yè)領域，如履帶式起重機、履帶式裝載機、履帶式推土機等。但是采用履帶式的車體行駛速度慢，只能通過兩側履帶輪同速反向轉動實現(xiàn)轉向，同時對電機要求也比較高，一般玩具車電機負載能力小，不適用履帶傳動。 方案二：輪式小車。 輪式傳動化滑動為滾動，大大減少了摩擦阻力，行駛速度遠大于履帶式小車，常用于對行駛速度要求較高的領域中。對于 地形復雜的道路，通過加重車體，增加車底離地高度，輪式車輛也能在這些道路行駛，但其穩(wěn)定性遠不如履帶式車體。 由于本課題所使用路面平整，采用直流電機驅動，對車速要求為 s。綜合考慮，采用方案二。經(jīng)上述兩方案論證，本課題使用的車體如圖 2示。 圖 2車車體 礙物清理單元方案論證 方案一：氣動機械手 [8] 氣動機械手是以壓縮空氣的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是：抓重可達幾百斤以上、傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏。但對密封裝置要求嚴格，不燃油 的泄漏對機械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。 方案二：電動機械手 [9] 電動機械手即有特殊結構的感應電動機、直流電機或功率步進電機直接驅動執(zhí)行機構徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 6 運動的機械手，因為不需要中間的轉換機構，故其結構簡單。其中直線電機機械手的運動速度快，行程長，維護和使用方便。但此類機械手目前還不多，資料方面比較欠缺。 鑒于價格、體積等因素，且本系統(tǒng)重量輕。決定采用方案二。本課題使用的機械手如圖 2示。 圖 2動機械手 制器方案論證 根據(jù)課題要求，控制器主要用 于控制電機和舵機，通過相關傳感器對路面的軌跡信息進行處理，并將處理信號傳輸給控制器，然后控制器做出相應的處理，實現(xiàn)電機的前進和后退、舵機的轉向和轉速。 方案一：可以采用 10]。 優(yōu)點是該系統(tǒng)功能強大，片上外設集成密度高，使其擁有高穩(wěn)定性，同時系統(tǒng)的處理速度也很高，但是 片編程復雜，一般用于大型的項目控制系統(tǒng)中。 方案二：采用 片機作為系統(tǒng)控制核心 [11]。 片機算術運算功能強，軟件編程靈活、功耗低、體積小、技術成熟。只要合理設計外接電路，其穩(wěn)定性也滿 足要求。 綜合考慮成本、工作量等，本設計選擇用 電單元方案論證 整個系統(tǒng)需要電源的有：四個直流電機及驅動模塊、尋跡模塊、單片機、舵機。以上所有模塊中只有四個直流電機及驅動模塊需 12V 電壓，其它均為 5V 電壓，必須注意的是舵機在工作時，電路中的電流會產(chǎn)生較大波動，對單片機可能產(chǎn)生影響。 方案一：采用單電源供電。 通過單電源對整個系統(tǒng)進行供電，即 12一部分經(jīng)過降壓，對其它模塊供電。此方案的優(yōu)點是：減少機身的重量，操作 簡單，但當系統(tǒng)中個模塊同時工作時，可能產(chǎn)生過電流太大，從而燒壞電壓轉換芯片，甚至燒壞單片機，且較大的電流波動影響單片機的穩(wěn)定性。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 7 方案二：采用雙電源供電。 通過兩個獨立電源對整個系統(tǒng)供電，即 12V 穩(wěn)壓直流電源一部分對四個直流電機及驅動模塊供電，另一部分經(jīng)過降壓，對除舵機以外的其它模塊供電，另一 5V 電源單獨對舵機供電，兩電源共地連接。此方案的優(yōu)點是：減少電路中電流波動，單片機具有更佳穩(wěn)定性。唯一的缺點就是會增加小車的重量。 綜合上述兩方案的的優(yōu)缺點，考慮單片機穩(wěn)定性等要求，決定采用第二種方案。 礙物識別單元方案論證 方案一：采用超聲波探測器 [12]。 超聲波探測器利用超聲波特有的指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播距離遠等特點，常用于距離的測量。其工作原理是： 聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。 對于本課題，可以先設定時間，一旦提前收到反射波，表明前方有障礙物，這樣就能實現(xiàn)監(jiān)測障礙物的功能。超聲波測距電路如圖 2優(yōu)點是測距遠、可靠性高，但是電路復雜，編程繁碎。 圖 2收和發(fā)射電路圖 方案二：采用 光電對管 [12]。 發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。主要應用在游戲機、復印機和辦公自動化等徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 8 設備中。其優(yōu)點是 :體積小結構緊湊、較高靈敏度。其缺點是：測距有限，只有 1外界光線影響較大。電路框圖如圖 2對于超聲波測距電路，該方案使用電路簡單，編程也容易。 圖 2方案三：采用點觸開關。 點觸式開關是一種通過觸碰開關就能接通， 松手就斷開的簡易開關。優(yōu)點是：結構簡單、價格低廉、無需程序控制。唯一缺點是需要觸碰控制，即控制距離近。在電路中只需將開關一端接單片機 I/O，另一端根據(jù)需要的反饋信號接在高或低電平上，電路框圖如圖2 圖 2觸開關電路框圖 綜合三個方案的優(yōu)缺點，考慮本系統(tǒng)設計需要高精度，對測距無要求，決定采用方案三。 動單元方案論證 方案一：采用步進電機，配合 13]。 步進電機 是將電 脈沖 信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的電機 。 在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖 信號的 頻率 和脈沖數(shù)， 只要施加合適的脈沖序列，電機 就按照人 為 預定的速度或方向進行轉動 。但是軟件程序的編寫較直流電機稍顯復雜，驅動芯徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 9 片的硬件電路復雜，且步進電機的價格昂貴，如電路框圖 2 圖 2進電機 +方案二：采用直流電機，配合 10]。 直流電動機是將直流電能轉換成機械能的旋轉電機。通過驅動芯片控制電機的轉向與轉速，硬 件電路簡單，如 2個芯片就能控制兩個電機的運動，且不需要外接電路。 但容易受到外部因素干擾，影響穩(wěn)定的轉速和轉矩輸出。 圖 2流電機 +綜合上述兩種方案的優(yōu)缺點，鑒于本系統(tǒng)設計體積較小，自身重量較輕，對電機輸出功率要求不高，故采用方案二。 跡單元方案論證 方案一：用光敏電阻組成光敏探測器 [11]。 光敏電阻器是利用半導體的光電效應制成的一種阻值隨入射光強弱而改變的電阻器，入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。在本課題中，當光線照射到白線上面時， 光線發(fā)生強烈反射，光線照射到黑線上面時，光線反射較弱，利用光敏電阻在白線和黑線上的不同阻值，通過比較器將阻值轉變成電信號反饋給單片機就能實現(xiàn)尋跡功能。此方案的優(yōu)點是：光敏電阻價格低廉，技術成熟。但光敏電阻受外界光照影響很大，不能穩(wěn)定的工作，電路框圖如 2 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 10 圖 2敏電阻電路框圖 方案二：用紅外發(fā)射管和接收管制作的光電傳感器 [11]。 紅外對管是 紅外線 發(fā)射管 與 紅外線接收管 配合在一起使用時候的總稱 。 紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的紅外線則表示是白線，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的紅外線則表示是黑線，通過比較器轉換信號，繼而向單片機反饋高低電平。這樣的傳感器基本能滿足要求，但其工作不穩(wěn)定，容易受外界光線的影響，因此每次工作前必須根據(jù)傳感器的反饋電壓來調整比較器的比較電壓范圍，電路框圖如 2 圖 2外對管電路框圖 方案三：采用 光電對管 [12]。 發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。主要應用在游戲機、復印機和辦公自動化等設備中。其優(yōu)點是 :體積小結構緊湊、較高靈敏度。其缺點是：測距有限，只有 1路框圖如圖 2方案使用電路簡單，編程也容易。 綜合比較三種方案，根據(jù)制作的難以程度等因素，我們最終采用方案三。 統(tǒng)最終方案 經(jīng)過反復論證，我們最終確定了如下方 案： 1) 車體用購買的金屬材料四輪驅動小車。 2) 電動機械手作為清障工具。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 11 3) 采用點觸開關監(jiān)測路面障礙。 4) 采用 5) 通過雙電源為系統(tǒng)供電： 12一方面經(jīng) 5 6) 7) 采用 系統(tǒng)的結構框圖如圖 2 圖 2統(tǒng)結構圖 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 12 第 3 章 智能清障小車硬件設計 統(tǒng)硬件電路介紹 本課題設 計的智能小車硬件系統(tǒng)主要包括機械和電氣兩部分，機械部分主要有：障礙物監(jiān)測模塊和障礙物清理模塊；電氣部分主要有：單片機最小系統(tǒng)、供電模塊、尋跡模塊、直流電機驅動模塊。障礙物監(jiān)測模塊顧名思義，就是實時進行黑線上障礙物的監(jiān)測工作，主要通過點觸開關結合圖 3部分的電路，實現(xiàn)該模塊監(jiān)測障礙物的功能；障礙物清除模塊主要通過舵機驅動的機械手清除障礙物；單片機最小系統(tǒng)相當于“大腦 ” ,是整個電路的控制核心；供電模塊為整個系統(tǒng)提供電源；尋跡模塊相當于“眼睛”，為小車尋找道路上的黑線；直流電機驅動模塊相當于“腳”，控制小 車的進退與轉向。 圖 3統(tǒng)電路原理圖 礙物監(jiān)測模塊介紹 通過方案論證，系統(tǒng)最終確定采用點觸開關作為障礙物檢測傳感器，小車在黑線上行駛的過程中，通過點觸開關的開閉狀態(tài)判斷道路上是否有障礙物，障礙物監(jiān)測電路如圖 3觸開關閉合時，檢測指示燈發(fā)光，此時 發(fā)了單片機的外部中斷，從而控制機械手工作；斷開時，檢測指示燈不發(fā)光， 腳為高電平，不能觸發(fā)外部中 斷，表明黑線上無障礙物，機械手不工作。 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 13 檢測指示燈 0 .3 c 0圖 3礙物監(jiān)測電路 點觸開關的安裝位置如圖 3障礙物進入夾持器并觸碰開關后，就能觸發(fā)單片機的中斷，使整個系統(tǒng)停止當前一切動作，進入中斷執(zhí)行清除障礙物程序。若點觸開關的安裝位置太靠前，則觸發(fā)中斷的時候障礙物還未進入夾持器，機械手就開始動作，無法實現(xiàn)清障功能；若點觸開關安裝太靠后，即觸頭不在夾持器范圍內(nèi)，這樣導致點觸開關始終處于斷開狀態(tài)，障礙物監(jiān)測模塊和障礙物清理模塊都無法正常工作。 圖 3點觸開關安裝位置 礙物 清理模塊介紹 械手介紹 電動機械手是一種利用電機驅動并能夾持物體的機構。考慮到本課題設計的模型體積小、重量輕，且機械手安裝于車體頭部，為了防止車體前后不穩(wěn)，機械手重量不能太大，故機械手材料采用優(yōu)質 取的物體最大直徑為 53持器張開后長度為 85合后長度為 100設計清障的方案是：第一步，障礙物監(jiān)測模塊發(fā)現(xiàn)障礙物；第二步，機械手加緊障礙物；第三步，小車向黑線外運動，將障礙物推出黑線，此時松開機械手，小車回到黑線繼續(xù)運動（清障過程詳細參見圖 5 5 5整個過程只是通過機械手夾住障礙物，而不是僅僅通過機械手就達到清障目的，故設計中的機械手只起到夾持物體作用，對其要求只有夾持器范圍，夾持力并無要求，只要夾住便可，設計模型使用的機械手見圖 2 械手控制電路介紹 本課題設計的機械手通過一個舵機驅動，控制電路如圖 3使用的單徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 14 片機 I/后直接與舵機的信號線連接即可。由于單片機 I/法驅動 機械手使用的舵機，所以通過上拉電阻，為舵機提供足夠大的驅動電流。 圖 3機控制電路 舵機電路 雖然簡單，但編程還是比較復雜的 [16]。舵機必須通過 號控制，具體的數(shù)據(jù)如圖 3示， 舵機的控制信號 是 周期 20脈寬調制信號，其中脈沖寬度 為1對應舵盤的位置為 0－ 180度，呈線性變化 ， 也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個相對應的角度上，無論外界轉矩怎樣改變，直到給它提供另外一個寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的位置上 ，詳細參見表 3值得注意的是：舵機的響應時間對于控制非常重要，一方面可以通過修改 一方面也可以通過機械方式，利用舵機的輸出 轉距余量，將角度進行放大，加快舵機響應速度。 圖 3機工作信號 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 15 表 3機角度控制表 片機最小系統(tǒng)介紹 單片機最小系統(tǒng)由復位電路、時鐘電路組成，單片機最小系統(tǒng)電路如圖 3位是單片機的初始化操作，其主要功能是使單片機從 0000了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當程序運行出錯或操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為使單片機正常工作，也可以通過復位以重新啟動。復位操作有上電自動復位、按鍵電平復位、外部脈沖復位和自動復位 四種方式，該最小系統(tǒng)采用上電自動復位方式，使復位端經(jīng)電容與 鐘電路相當于“心臟”，為單片機提供時鐘電平，所需晶振為 12 圖 3片機最小系統(tǒng) 1 2p p u 0舵機控制口R N B 2R N A 2R N B 1R N A 1R S D /P 3. 010 0 /P 3. 212 1 /P 3. 313T 0/ P 3. 414T 1/ P 3. 515E A /V P A L 119P A D 039P A D 138P A D 237P D 336P A D 435P A D 534P A D 633P A D 732P A 821P A 922P A 1023P A 1124P A 1225P A 1326P A 1427P A 1528A L E /P R O D /P 3. 111W R /P 3 / P 3 E A L 218P c 8 9S 52徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 16 片機簡介 美國 司生產(chǎn)的低功耗、高性能 單片機。器件采用 易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準 8051 指令系統(tǒng)及引腳。它集 序存 儲器既可在線編程也可用傳統(tǒng)方法進行編程。 片機的功能強、價位低，適用于許多高性價比的場合，可靈活應用于各種控制領域 [17]。 與 8 全靜態(tài)工作模式： 0 128*8字節(jié)內(nèi)部 32個可編程 I/ 2個 16位定時 /計數(shù)器，可通過編程實現(xiàn) 4種工作方式； 1個具有 6個中斷源、 4個優(yōu)先級的中斷潛嵌套結構； 中斷可 從空閑模式喚醒系統(tǒng)； 看門狗（ 雙數(shù)據(jù)指針； 靈活的在系統(tǒng)編程（ +5 地； 外部晶振的一個引腳，在單片機的內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，此反相放大器構成了片內(nèi)振蕩器； 外部晶體的另一個引腳，在單片機的內(nèi)部，它是反相放大器的輸出端，輸入到內(nèi)部時鐘發(fā)生器。當使用外部振蕩器時， 8位準雙向 I/O 口，內(nèi)部含有上拉電阻； 8位準雙向 I/O 口，具有內(nèi)部 上拉電路； 8 位準雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電路，它還提供特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、計時計數(shù)控制及外部隨機存儲器內(nèi)容的讀取或寫入控制等功能； 位輸入信號，高電平有效。在振蕩器工作時，在 作用兩個周期以上的高電平，便可復位器件； 外程序存儲器訪問允許信號，低電平有效。當 地時， ， 先執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器中的程序（ 0000H~0然后自動轉向執(zhí)行片外程序存儲器中的程序（ 1000H~ 徐州工程學院畢業(yè)設計 (論文 ) 17 片機使用資源規(guī)劃 片機具有比較強大的系統(tǒng)資源，系統(tǒng)電路在設計時充分利用了它的自身特性，并進行合理的規(guī)劃，詳見表 3，還有第二功能，如定時器、中斷等，所以一般不用，除非需要使用它的第二功能； 外加上拉電阻才能輸出高電平，在電路中未加上拉電阻，因而不用 2口作為普通 I/任意使用。 表 3片機資源分配表 系統(tǒng)資源類型 用途 備注 看門狗 防止系統(tǒng)跑飛 定時器 1 定時喂狗 外部中斷 0 監(jiān)測障礙物 輸入 制小車左側電機轉向 輸出 制小車右側電機轉向 輸出 制小車左側電機轉速 輸出 制小車右側電機轉速 輸出 制舵機運動 輸出 測黑線，反饋左微動信號 輸入 測黑線，反饋左轉信號 輸入 測黑線，反饋右微動信號 輸入 測黑線，反饋右轉信號 輸入 電模塊介紹 供電模塊為系統(tǒng)的控制機構、執(zhí)行機構、傳感器等模塊提供可靠的工作電壓。該模型采用兩個獨立電源對 整個系統(tǒng)供電，即 12V 穩(wěn)壓直流電源一部分對四個直流電機及驅動模塊供電，另一部分經(jīng)過 V，分別對單片機最小系統(tǒng)、尋跡模塊供電，另一 5電源共地連接。供電模塊電路設計如圖 3路中的兩個電容主要用于濾波， 以濾除直流電源中不需要的交流成分，使直流電平滑 ，同時 濾除高頻交流電。 圖 32跡模塊介紹 尋跡是指小車在白色地面上總是循著黑線行走。該功能通過 即利用發(fā)光二極管 在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點 ,1 04 7 80 51 0u - 12 c 論文 ) 18 當可見光遇到白色地面時發(fā)生漫反射，反射光使安裝于小車上的光電三極管導通并通過比較器 遇到黑線，可見光線則被吸收，光電三極管接收不到光線而無法導通 ,單片機根據(jù)是否收到反饋電平為依據(jù)來確定小車的行走路線 ,從而實現(xiàn)小車的尋跡功能。尋跡電路如圖 3電路中主要芯片是 內(nèi)部是將模擬電壓信號與基準電壓相比較的電路，通過比值不同，反饋高低電平給單片機。 1 142 133 124 115 106 97 8L M 3 3 91 0 3 -1