1、編號 淮安信息職業技術學院畢業論文題 目自動避障機器人的研究學生姓名許路路學 號42911115系 部電氣工程系專 業 機電一體化 班 級429111指導教師龔希賓顧問教師揭志遠摘 要隨著微電子技術的不斷發展，微處理器芯片的集成程度越來越高，單片機已可以在一塊芯片上同時集成cpu、存儲器、定時器計數器、并行和串行接口、看門狗、前置放大器、ad轉換器、da轉換器等多種電路，這就很容易將計算機技術與測量控制技術結合，組成智能化測量控制系統。這種技術促使機器人技術也有了突飛猛進的發展，目前人們已經完全可以設計并制造出具有某些特殊功能的簡易智能機器人。關鍵字: 單片機,傳感器,轉換器,機器人.abst

2、ractabstract: with the development of microelectronic technology, microprocessor chip integration degree more and more high, scm has in one chip and integrated cpu, memory, timer / counter, parallel and serial interface, watchdog, preamplifier, a / d converter, d / a converter and other circuits, it

3、 is easy to the combination of computer technology and measurement and control technology, intelligent measurement and control system. this technology to robot technology has make a spurt of progress of development, at present has been entirely simple intelligent robot is designed and manufactured w

4、ith certain special functions. keywords: microcontroller, sensor, transducer, robot 目 錄摘 要i目 錄iv第一章 緒論11.1 機器人的定義11.2 國內外移動機器人研究現狀及發展趨勢11.3 課題研究的意義21.4 本設計任務和主要內容2第二章 系統主要硬件電路設計32.1 系統原理組成框圖32.2系統主控模塊電路32.2.1 stc89c52單片機性能優點32.2.2主控模塊電路42.3 電機控制52.4電源及穩壓模塊52.4.1方案1：采用交流電經直流穩壓處理后供電52.4.2方案2：采用干電池組進行供

5、電62.4.3方案3：采用可充電蓄電池供電62.5傳感器模塊72.6邏輯模塊82.7感測模塊92.1.1 方案1：使用超聲波探測器92.1.2 方案2：使用光電對管探測92.7.3方案3：使用視頻采集處理裝置進行探測92.7.4 方案4：使用光電開關進行障礙物信息采集92.8連接模塊102.9電機驅動模塊112.9.1方案1：使用分立原件搭建電機驅動電路112.9.2方案2：使用l298n芯片驅動電機122.10顯示模塊：122.10.1方案1：采用數碼管顯示122.10.2 方案2：采用液晶顯示13第三章 系統軟件設計143.1程序設計流程圖143.2系統主程序設計153.4 pwm信號控制

6、機器人走向流程圖163.5 pwm信號控制電機流程序173.5 液晶12864初始化及各顯示子程序18第四章 結束語21 第一章 緒論 1.1 機器人的定義機器人技術是綜合了計算機、控制論、機構學、信息和傳感技術、人工智能、仿生學等多學科而形成的高新技術，集合了多學科的發展。新機型、新功能不斷涌現且機器人涉及到人的概念，各國關于機器人都有自己的定義。我國科學家對機器人的定義為機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規劃能力、動作能力和協調能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器”日本工業機器人協會把工業機器人定義為“一種裝備有記憶裝置和末端執行器

7、的，能夠轉動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器”。聯合國標準化組織定義為：機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可編程操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執行各種任務。隨著人們對機器人技術智能化本質認識的加深，我國也面臨討論和制定關于機器人技術的各項標準問題。1.2 國內外移動機器人研究現狀及發展趨勢斯坦福研究院(ski)在1966年至年中研制出了第一臺自主移動機器人，其目的是研究應用人工智能技術，在復雜環境下機器人系統的自主推理、規 劃 和 控 制。與 此同時，最早的操作式步行機器人也研究成功，以解決機器人不平整地域內

8、的運動問題，設計并研制出了多足步行機器人。70年代末期，隨著計算機的應用和傳感技術的發展，移動機器人研究又出現了新的高潮，80年代中期世界著名的公司開始研制移動機器人平臺，這些移動機器人主要作為大學實驗室及研究機構的移動機器人實驗平臺，從而促進了移動機器人學多種研究方向的出現。1996年。美 國 航 空 航 天 局nasa研制的活性探測移動機器ksojourner首次登上活性執行科學考察任務，利用移動機器人技術進行空間探測和開發成為21世紀全球各主要國家開展科技和空間資源競的主要目標。為了在火星上進行長距離探險，又開始了新一代樣的研制，命名為rocky7，并在lavic湖的巖溶流上和干涸的湖床

9、上進行了成功的實驗。2002年丹麥irobot公司推出了吸塵器機器人roomba，它能避開障礙，自動設計行進路線，還能在電量不足時，自動駛向充電座。2003年7月7曰美國的“機遇”號火星探測機器人成功升空，開始踏上去火星找尋水和生命存在蹤跡的慢慢旅途。在歐美、日本等發達國家，移動式服務機器人已廣泛應用于醫療福利服務、商場超市服務、餐廳旅館服務、維修清洗服務和家庭服務。1.3 課題研究的意義移動避障機器人是新生的計算機控制領域中的最年輕一代，并在1985年后成為此領域中的主角，被廣泛應用于社會生活的各方各而。由于移動機器人具有一般機器人所不具備的移動能力，從而使之更具備“代替人”作業的實力。移動

10、機器人在移動過程中不可避免會遇到各式各樣的障礙物，靈活、實時的躲開這些障礙物是衡量其性能的關鍵指標。具有避障功能移動機器人擁有相當高的社會價值，不僅可以代替人們在有輻射、有粉塵、有毒等環境智能化作業，還可以廣泛用于科學考察、地質勘探、災難營救等多個領域，對人類了解地球、征服自然、探索宇宙具有重要意義此外在軍事領域與航空航天需要這種技術，用于軍事偵察、排雷除險和無人作戰等，以次提高我軍的綜合作戰能力。在外太空進行星球表面的探測，使用這種自主移動機器人，可以增加探測的可靠性，降低風險。21世紀，機器人將用于提高人民健康水平與生活水準、豐富人民文化生活。例如服務機器人將進入家庭，從事清潔衛生、園藝、

11、炊事、垃圾處理、家庭護理與服務等作業在醫院，機器人可以從事手術、化驗、助殘、導盲、運輸、康復及病人護理等作業:在商業和旅游業中導購機器人、導游機器人和表演機器人都將得到發展，智能機器人玩具和智能機器人寵物的種類將不斷增加，從而使人類生活更加豐富多彩1.4 本設計任務和主要內容本設計是對以單片機stc89c52為核心的系統根據感測模塊傳輸的前方路面信息控制機器人行駛走向的軟、硬件設計開發。系統要能夠做到準確及時監測前方路面信息并傳輸給主控模塊，做到根據前方路面信息及時調整機器人的走向，做到顯示機器人的走向和機器人已經行駛過的路程。主要內容是： 感測模塊實時監測路面情況并及時傳輸給單片機； 單片機

12、核心模塊根據感測模塊給予的信息控制機器人兩電機轉動； 電機驅動模塊驅動兩電機轉動，實現轉向與行走； 液晶顯示模塊顯示走向和已行駛過的路程。第二章 系統主要硬件電路設計2.1 系統原理組成框圖 圖21 系統原理組成框圖2.2系統主控模塊電路2.2.1 stc89c52單片機性能優點課堂上我們學習的是at89c51單片機，但實際應用中現在我們是不會再用at89c51單片機了。學習at89c51單片機是學習一種方法，學習單片機的基本結構，指令。現在單片機種類繁多，各有各的優點，結合具體情況恰當選擇單片機型號也是非常重要的，在此系統中采用stc89c52為主控模塊芯片，選此芯片的理由是：(1) 與mc

13、s-51單片機完全兼容：指令兼容，引腳兼容高保密性：無法讀出，因此無法解密；(2) 超強抗干擾能力：電源、i/o接口、時鐘均有抗干擾措施；(3) 高可靠性： 寬電壓范圍，不怕電源波動5v產品3.4v6v； 寬溫度范圍：400c850c；(4) 低電磁輻射： 可禁止ale輸出，降低輻射； 可選6時鐘/機器周期，降低晶振頻率，降低輻射； 單片機時鐘振蕩器增益可設為1/2；(5) 超低功耗： 掉電模式典型功耗：1ua，可由外中斷喚醒； 空閑模式典型功耗：2ma； 正常工作典型功耗：4 ma7 ma； 可在線編程，節約投資； 強驅動能力，無論灌電流還是拉電流，均優于mcs-51單片機； 高速度，最高晶

14、振達到90mhz；(6) 內部資源更豐富，與mcs-51單片機相比增加了： t2定時/計數器； 內部數據存儲器ram增加了18倍； 自帶a/d和pwm； 有p4口；2.2.2主控模塊電路圖22 系統核心stc89c52連接電路圖2.3 電機控制本機器人采用了雙電機雙輪驅動的小車作為其底座。2個電機分別獨立控制其左右兩邊的車輪，靠兩邊電機的轉速的不同來實現轉彎功能，還可讓其原地轉彎，便于控制。而傳統的小車是靠動力電機和轉向電機驅動，轉彎角度難以控制，不便于使用。電機控制電路采用大功率對管bdl39、bdl40組成的h型驅動電路，通過單片機產生占空比不同的pwm脈沖，精確調整電機的轉速。這種電路由

15、于工作在晶體管飽和或截止狀態，避免了在線性放大區工作時晶體管的管耗，可以最大限度地提高效率；h型電路保證了可以簡單地實現電機轉速和方向的控制；電子開關的速度和穩定性也完全可滿足需要，整套驅動電路是一種被廣泛采用的電機驅動技術。電路見圖2-3。 圖2-3 電機控制電路圖2.4電源及穩壓模塊2.4.1方案1：采用交流電經直流穩壓處理后供電采用交流電提供直流穩壓電源，電流驅動能力及電壓穩定性最好，且負載對電源影響也最小。但由于需要電線對機器人供電，極大影響了避障機器人行動的靈活性及地形的適應能力。而且避障機器人極易把拖在地上的電線識別為障礙物，人為增加了不必要的障礙。故放棄了這一方案。2.4.2方案

16、2：采用干電池組進行供電采用四節干電池降壓至5v后給單片機及其他邏輯單元供電，另取六節干電池為電機及光電開關供電。這樣電機啟動及制動時的短暫電壓干擾不會影響到邏輯單元和單片機的工作。但由于電機驅動需要比較大的電流，所以采用干電池供電使用的周期不能很長，實用性不太好。故放棄了這一方案。2.4.3方案3：采用可充電蓄電池供電采用可充電蓄電池給驅動和感測模塊供電，其它采用蓄電池經lm2575穩壓后供電。雖然蓄電池的重量比較大，但是蓄電池能夠供電的時間長而穩定，況且買來的機器人負重能力好，所以采用此方案完全可行。故采用了此方案。其原理圖如下圖所示： 圖2-4供電電源及穩壓模塊2.5傳感器模塊整個機器人

17、共采用了9個傳感器，分布在整個機器人的不同部位，相互配合起不同的作用，見圖2-5。機器人圖2-5 傳感器分布示意圖457326189圖2-5中各傳感器說明如下：傳感器1置于機器人正前方朝下的金屬探測傳感器，用于探測金屬。傳感器2置于機器人正前方朝前的超聲波傳感器，用于檢測障礙物。超聲波來源于555產生40 khz的方波信號，經超聲波發射頭發出。發射頭不斷發出信號，當遇到障礙物時，信號會被反射回來，從而接收頭會接受到信號，將信號送入單片機進行相應的判斷和處理。傳感器3置于機器人正前方朝下的紅外光電傳感器，用于檢測停止線。紅外發射管發出信號，經不同的反射介質反射，根據紅外接收管是否接收到信號做出相

18、應的判斷。傳感器4、5置于機器人底座下方朝下的紅外光電傳感器，用于檢測地面的引導線，原理同傳感器3。傳感器6、7置于機器人正前方朝前的光敏電阻傳感器，用于尋找光源。當機器人前方有光源照射時，光敏電阻的大小將會改變，將2個傳感器的改變量進行比較處理后送入單片機，單片機將會產生相應的調整信號，使機器人朝光強的方向行走。傳感器8置于機器人后方兩側朝外的超聲波傳感器，用于在機器人遇到障礙物時的轉彎處理，判斷機器人是否完全繞開障礙物，原理同傳感器2。傳感器9置于機器人正后方的光電碼盤，用于計里程，借助于鼠標原理，選用直徑為2.6cm的塑料小輪自制光電碼盤，經過打磨使其周長為8cm，再在該小輪上打等距離的

19、8個孔，如圖5所示。最小測距精度可達到1cm，足以滿足要求，兩側裝上光電傳感器，將其安裝在車尾，使之與車的行駛同步。就實際情況自制出來的各個孔之間的距離無法精確相等，但經過具體測量該光電碼盤，能保證行駛50 cm產生50個脈沖，于是采用其作為計算距離的基準單位。在直道區，可由該電路產生的脈沖數，計算出鐵片中心線至起跑線間的距離。 計算機發射裝置計數齒數接收裝置計算機圖2-6 計數齒數此外，為了清楚直觀地觀察到各傳感器的工作狀態，電路中還專門為每個傳感器設計了工作指示燈，實時顯示每個傳感器的工作狀態。2.6邏輯模塊在感測模塊和單片機中斷接口之間，需要經過電平的邏輯處理，信息才能被單片機所感知。主

20、要是一塊三輸入或非門，所以我們采用現成的74ls27芯片實現邏輯功能。圖2-7 信號邏輯模塊:74ls27電路圖2.7感測模塊2.1.1 方案1：使用超聲波探測器超聲波探測器探測距離遠，測距方便。但由于聲波衍射現象較嚴重，且波包散面太大，易造成障礙物的錯誤判斷。同時，超聲波探測具有幾厘米甚至幾十厘米的盲區，這對于我們的避障機器人是個致命的限制。故放棄了這一方案。 2.1.2 方案2：使用光電對管探測 光電對管價格低廉，性能穩定，但探測距離太近（一般不超過3cm），使得機器人必須制動迅速。而我們由于采用普通直流電機作為原動力，制動距離至少需要10cm。因此不采取這一方案。 2.7.3方案3：使用

21、視頻采集處理裝置進行探測 使用ccd實時采集機器人前進路線上的圖像并進行實時傳輸及處理，這是最精確的障礙物信息采集方案，可以對障礙物進行精確定位和測距。但是使用視頻采集會大大增加機器人成本和設計開發難度，而且考慮到我們機器人行進轉彎的精確度并未達到視頻處理的精度，因而使用視頻采集在實際應用中是個很大的浪費，所以放棄了這一方案。 2.7.4 方案4：使用光電開關進行障礙物信息采集 使用三只e3f-ds30c4光電開關，分別探測正前方，前右側，前左側障礙物信息，在特殊地形（如障礙物密集地形）可將正前方的光電開關移置后方進行探測。e3f-ds30c4光電開關平均有效探測距離030cm可調，且抗外界背

22、景光干擾能力強，可在日光下正常工作（理論上應避免日光和強光源的直接照射）。機器人換檔調速后的最大制動距離不超過30cm，一般在1020cm左右，因而探測距離滿足機器人需求。故采用此方案。光電開關排列如圖所示： 圖2-8 光電開關示意圖2.8連接模塊 此模塊的主要作用是，連接單片機和電機驅動模塊，并消除干擾，讓單片機能夠準確的控制電機驅動模塊，在此采用了一集成了四個光耦的集成電路tlp521-4，而不采用單個的光耦，且一個集成電路也顯得更美觀，價錢也不高，市場上也容易買到。其原理圖如下圖所示： 圖2-9 連接模塊：tlp521-4電路圖2.9電機驅動模塊此模塊的主要作用的驅動直流電機，讓直流電機

23、有足夠的動力。2.9.1方案1：使用分立原件搭建電機驅動電路 使用分立原件搭建電機驅動電路造價低廉，在大規模生產中使用廣泛。但分立原件h橋電路工作性能不夠穩定，較易出現硬件上的故障，故放棄了這一方案。 2.9.2方案2：使用l298n芯片驅動電機 一個具有高電壓大電流的全橋驅動芯片，輸出電壓最高可達50v，可以直接通過電源來調節輸出電壓；可以直接用單片機的io口提供信號，而且帶有使能端，方便pwm調速，電路簡單，性能穩定，使用比較方便。l298n芯片可以驅動兩個二相電機，也可以驅動一個四相電機，正好符合機器人兩個直流電機的驅動要求。其原理圖如下所示：圖2-10 驅動模塊：l298電路圖2.10

24、顯示模塊： 2.10.1方案1：采用數碼管顯示 數碼管完全可用來顯示已行駛過的路程，且數碼管亮度大，夜間觀測也比較方便，所以數碼管在一般場合是首選，但是數碼管只能顯示數字，發揮的空間比較窄。所以不采用此方案。2.10.2 方案2：采用液晶顯示用12864的液晶屏作為顯示器件，可以顯示機器人行駛的方向，機器人行駛過的路程，機器人行駛過的時間等等，最重要的是液晶能夠顯示漢字，提供的信息非常直觀，故采用此方案。其原路圖如下所示： 圖2-11 顯示模塊：12864電路圖第三章 系統軟件設計3.1程序設計流程圖 本系統設計流程圖如下所示： 圖3-1 系統軟件主流程圖3.2系統主程序設計 org 0000

25、h ljmp main org 0003h ljmp intt0 ;外部中斷0入口 org 000bh ;定時器/計時器0中斷入口 ljmp time0 org 0050hmain: mov sp,#6fh ;主程序 setb ea ;開總中斷 setb ex0 ;開外部中斷0 setb it0 ;設置外部0為邊沿觸發 sjmp $ ;等待外部中斷intt0: mov a,#00h ;累計器清零mov c,p2.0 ;光電管1傳來的信號 mov acc.0,c ;光電管1值送累加器0位 mov c,p2.1 ;光電管2傳來的信號 mov acc.1.c ;光電管2值送累加器1位 mov c,p

26、2.2 ;光電管3傳來的信號 mov acc.2,c ;光電管3值送累加器2位 cjne a,#00h,loop1 ;是000，左前中都有障礙物，轉loop1 cjne a,#01h,loop2 ;是001，左前有障礙物，右方無障礙物，轉loop2 cjne a,#02h,loop3 ;是010，左右有障礙物，前方無障礙物，轉loop3 cjne a,#03h,loop4 ;是011，左方有障礙物，前右無障礙物，轉loop4 cjne a,#04h,loop5 ;是100，左方無障礙物，前右有障礙物，轉loop5 cjne a,#05h,loop6 ;是101，左右無障礙物，前方有障礙物，轉l

27、oop6 cjne a,#06h,loop7 ;是110，左中無障礙物，右方有障礙物，轉loop7 lo0p1: loop2: loop3: loop4: loop5: loop6: loop7: reti3.4 pwm信號控制機器人走向流程圖 圖3-2 pwm信號控制電機流程圖3.5 pwm信號控制電機流程序pwmh1 data 30h ;直流電機1高電平脈沖的個數pwmh2 data 31h ;直流電機2高電平脈沖的個數 zheng1 bit 20h.0 ;直流電機1正轉標志 0正轉，1反轉 zheng2 bit 20h.1 ;直流電機2正轉標志 0正轉，1反轉pwm data 34h ;

28、pwm周期counter1 data 35h ;直流電機1計數counter1counter2 data 36h ;直流電機2計數counter20rg 2000h pwm: mov sp,#60h ;設置堆棧，首地址為#60h mov pwmh1,#08h ;電機1高電平脈沖賦初值 mov pwmh2,#08h ;電機2高電平脈沖賦初值 ，與電機1相同 mov counter1,#01h ;counter1賦初值1 mov counter2,#01h ;counter2賦初值1 mov zheng1,#00h ;電機1正轉標志位置0 mov zheng2,#00h ;電機2正轉標志位置0 m

29、ov pwm,#15h ;pwm周期賦初值15h mov p1,#00h ;p0口都為低電平，方便電機控制 mov tmod,#02h ;定時器0在模式2下工作 mov tl0,#38h ;定時器200us產生一次溢出 mov th0,#38h ;自動重裝的值 setb et0 ;使能定時0中斷 setb ea ;使能總中斷 setb tr0 ;開始計時time0: push psw ;現場保護 push acc inc counter1 ;counter1加1 inc counter2 ;counter2加1 mov a,counter1 cjne a,pwmh,time011 ;如果等于高

30、電平脈沖數 mov cy,zheng1 ;判斷是否要反轉 jz cy,z1 ;是否反轉 clr p1.1 ;電機1一端變為低電平,反轉引腳 z1: clr p1.0 ;電機1一端變為低電平，正傳引腳time011: cjne a,pwm,time02 ;如果等于周期數 mov counter1,#01h ;計數器1復位 mov cy,zheng1 ;判斷是否要反轉 jz cy,z11 ;是否反轉 setb p1.1 ;置p1.0為高電平,反轉引腳 z11: setb p1.0 ;置p1.0為高電平, 正傳引腳 mov a,counter2 cjne a,pwmh,time021 ;如果等于高電

31、平脈沖數 mov cy,zheng2 ;判斷是否要反轉 jz cy,z2 ;是否反轉 clr p1.3 ;電機2一端變為低電平,反轉引腳 z2: clr p1.2 ;電機2一端變為低電平，正傳引腳time012: cjne a,pwm,time02 ;如果等于周期數 mov counter2,#01h ;計數器1復位 mov cy,zheng2 ;判斷是否要反轉 jz cy,z21 ;是否反轉 setb p1.3 ;置p1.3為高電平,反轉引腳 z21: setb p1.2 ;置p1.2為高電平,正轉引腳time02: ;出堆棧 pop acc pop psw reti3.5 液晶12864初

32、始化及各顯示子程序 ret bit p2.7 ;液晶與單片機連接腳 psb bit p2.6 en bit p2.5 rw bit p2.3 rs bit p2.4 com bit 30h ;命令/數據128*64: clr ret ;液晶初始化 lcall delay10ms setb ret setb psb clr en mov com,#30h ;液晶功能設定 lcall w_com mov com,#0ch ;液晶顯示狀態 lcall w_com mov com,#01h ;液晶清楚顯示 lcall w_com mov com,#06h ;液晶地址歸位 lcall w_comchec

33、kbusy: ;液晶查忙 mov p0,#ff h clr rs setb rw setb en mov a,#ffh anl a,p0 cpl a jz checkbusy clr en retw_com: lcall checkbusy ;液晶寫指令 clr rs clr rw setb en mov p0,com lcall delay10ms clr en retw_data: lcall checkbusy ;液晶寫數據 setb rs clr rw setb en mov p0,com lcall delay10ms clr en retdelay10ms: ;延時10ms mov r6,#20 d1: mov r7,#250 djnz r7,$ djnz r6,d1 ret第四章 結束語以上就是我這次期末課程設計全部內容。本系統是以stc89c52為核心，外加各個模塊，最終達到讓機器人遇障礙物靈活避障的目標。本系統硬件電路比較簡單，主要是通過軟件來實現各個功能，這樣就可以讓機器人負載輕，機器人行動就變得更靈活了。硬件電路感測模塊的光電開關組價格昂貴是本系統的一不足之處，但是其他擁