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巡迹广告机器人的硬件电路毕业论文

巡迹广告机器人的硬件电路设计毕业论文

第1章引言

1.1机器人概述

机器人是近年来迅速发展的一个重要的高技术领域。

机器人技术涉及到精密机械、机构运动学、动力学、控制工程、计算机科学、传感器技术、信息处理、仿生学、人工智能等各个学科领域。

机器人的出现及发展,己经使传统工业生产的面貌发生了根本性的变化,使人类的生产方式从手工作业、机械化、自动化跨入了智能化的新时代。

机器人并不是简单意义上的代替人的劳动,而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置,既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力,又有机器可以长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力,从某种意义上说它也是机器的进化过程产物,它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备,也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。

随着计算机技术不断向智能化方向发展,机器人应用领域的不断扩展和深化以及在各种系统中的群体应用,机器人也在不断向智能化、小型化方向发展,以满足社会化、多样化、商品化、个性化的需求,并适应多变的非结构环境作业,向各种领域进军。

机器人是一种智能化程度高,自由度数多,适应围广,不仅具有视觉、听觉、触觉等智能,而且还具有一定的逻辑思维能力,能进行推理、判断,能理解命令、识别对象、感知环境,甚至还能随机应变,进行更为复杂的劳动,代替人的部分脑力劳动。

目前,世界上己经有一定数量的智能机器人在从事各种不同的工作。

它们可以搬运重物、生产产品、打扫卫生、打捞沉物;还可以登天入海,从事各种危险的工作;甚至进入到人们的家庭生活中,充当扮演各种特殊的角色。

进入21世纪后,随着社会发展的进步趋势已出现了一种将机器人结合到从制造、娱乐到卫生保健的日常生活中。

机器人不仅可以将人从危险的情况中解脱出来,实质上也就是让机器人作为人类的部分功能替代品来使用,而且机器人正朝着更高层次、与人类生活更加密切的方向发展。

从而真正地体现出新世纪人类享受现代化科技成果的重要特色。

1.2设计任务及设计目标

本设计是设计一个具有巡迹及广告播放和广告显示功能的小型移动机器人,要求能在画有一定宽度的白线的深色(绿色)平面上按要求沿线平稳行走,路线设置为一段不交叉的曲线。

按开关启动及停止,采用3个反射式光电传感器用来检测白线,用二个步进电机驱动轮子前进、后退、左转和右转。

机器人设计采用前面一个万向轮,后面两个驱动轮的三轮支撑方式。

在移动的同时,具有语音播放广告和液晶显示广告的功能,可以循环播放和显示几种广告。

1.3巡迹广告机器人总体设计方案

图1.1是巡迹广告机器人的硬件结构图,它由微控制器、液晶显示模块,语音录放芯片,传感器和电机驱动,步进电机部分组成。

 

图1.1巡迹广告机器人的硬件框图

巡迹广告机器人设计采用80C51单片机作为控制核心,用光电传感器做为机器人的巡迹检测部分,将检测信号输入80C51单片机中处理,由单片机输出相应的控制行走程序控制机器人的驱动系统,使机器人按照预定的路线行走。

同时在行走的过程中,不断地检测机器人当前的位置状态,将此刻位置状态与理论正确状态相比较、判断,随时纠正机器人行走位置的偏差,确保机器人行走位置的准确性。

在行走过程中的播放和显示广告的功能则由语音录放芯片和液晶显示模块来完成。

第2章主控模块设计

2.1单片机的发展及介绍

单片机是单片微型计算机(Single-chipMicrocomputer)的简称,又可称为微控制器(Microcontroller)。

它在一块芯片上集成了中央处理器(CPU)、只读存储器(ROM)、随时存储器(RAM)、定时器/计数器及各种I/O口。

也就是说,一块单片机芯片,就相当于一台微型计算机。

单片机由于具有体积小、功能强、性价比高的特点,被广泛应用到控制系统中,把单片机应用到控制系统中,可以取代原来的复杂的电子线路或数字电路构成的控制系统,可以通过软件控制来实现,并能够实现智能化,现在单片机控制的畴无处不在,例如通信产品、家用电器、只能仪器仪表、过程控制和专用控制装置等等,单片机的应用领域越来越广泛,它从根本上改变了传统的控制方法和设计思想,是控制技术的一次革命,是一座里程碑。

随着半导体技术的飞速发展,单片机本身的设计中不断采用了一些新的抗干扰技术,使单片机的可靠性不断提高。

除了选择抗干扰能力强的单片机外,单片机系统中其他辅助元件的可靠性也是非常重要的,一些抑制干扰的元器件的使用有助于提高系统的可靠性。

单片机自身的抗干扰措施,可以提高系统的可靠性。

 我国目前最常用的单片机有如下几家:

Intel(MCS51系列MCS96系列)、Atmel(AT89系列MCS51核)、Microchip(PIC系列)、Motorola(68HCXX系列)、Zilog(Z86系列)、Philips(8780MCS51核)、Siemens(SAB80系列MCS51核)、NEC(78系列)、Epson(系列)。

在巡迹广告机器人设计中采用了Intel公司生产的80C51单片机,它对机器人信息的采集和处理,以及对各个部件的控制起到了关键的作用。

2.2 80C51单片机介绍

虽然目前单片机的品种很多,但其中最具代表性的当属Intel公司的MCS-51单片机系列。

MCS-51以其典型的结构、完善的总线、SFR的集中管理模式、位操作系统和面向控制功能的丰富的指令系统,为单片机的发展奠定了良好的基础。

MCS-51系列的典型芯片是80C51(CHMOS型的8051)。

为此,众多的厂商都介入了以80C51为代表的8位单片机的发展,如Philips、Siemens(Infineon)、Dallas、ATMEL等公司,我们把这些公司生产的与80C51兼容的单片机统称为80C51系列。

特别是在近年来,80C51系列又有了许多发展,推出了一些新产品,主要是改善单片机的控制功能,如部集成了高速I/O口、ADC、PWM、WDT等,以及低电压、微功耗、电磁兼容、串行扩展总线和控制网络总线性能等。

2.3单片机的最小系统设计

单片机最小系统是单片机工作的最简单电路,它具有可靠的复位电路和稳定的晶振电路。

单片机最小系统如图2.1所示。

图2.1单片机80C51最小系统

2.3.1  复位电路

无论用户使用哪种类型的单片机,总要涉及到单片机复位电路的设计。

单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作,例如复位后PC=0000H,使单片机从第一个单元取指令。

无论是在单片机刚开始接上电源时,还是断电后或者发生故障后都要复位,复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。

许多用户在设计完单片机系统,并在实验室调试成功后,在现场出现了“死机”程序“ 走飞”等现象,这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的。

本设计采用按键复位电路。

该电路除具有上电复位功能外,在单片机工作中若还需复位,只需按电路中的SW1键,此时电源VCC经电阻R15、R16分压,在RST端产生复位高电平。

具体设计见图2.2。

图2.2单片机按键复位电路

2.3.2晶振电路

晶振电路在单片机在工作时提供一个时钟信号,没有它电路不能工作。

晶振选11.0592M,主要因为它能够准确地划分时钟频率,与UART(通用异步接收器/发送器)常见的波特率相关。

特别是较高的波特率(19600,19200),不管多么古怪的值,这个晶振都是准确的,因此常被使用。

晶振的两个电容的作用:

这两个电容叫晶振的负载电容,分别接在晶振的两个脚上和对地的电容,一般在几十皮发。

它会影响到晶振的谐振频率和输出幅度。

一般选用30PF的电容。

设计中选用11.0952M、两个30PF的电容做晶振电路结构。

其电路如图2.3所示:

图2.3单片机的晶振电路

2.3.3电源电路设计

电源电路由滤波电路、集成稳压电路组成,为控制器提供稳定的+5V电源以及提高电源电路的抗干扰性。

其电路如图2.4所示:

图2.4电源电路接口电路

说明:

电容是旁路电容,作用是抑制电路中可能产生的自激振荡,尽量放在管脚根部,其中C12的电容大于C11的电容,是为了防止3处的电容漏电时,放电速度大于1处(输出端)的速度,导致稳压器倒置而损坏。

第3章巡迹系统的设计

3.1巡迹系统的原理

巡迹系统是巡迹广告机器人的一种简单“ 视觉”,它能有效地保证机器人在运动过程中位置的准确性。

它利用了光电检测原理,是光电检测在机器人中的应用。

巡迹广告机器人能够沿着引导线条自主前行,它是通过车体前部横向排列的3个光传感器检测引导线条,发送信号到微控制器。

微控制器对检测信号进行处理,并控制电机校正偏移量,从而实现巡迹行走。

图3.1解释了巡迹广告机器人巡迹原理。

如果位于中间的传感器检测到引导线条,传感器将发出“ 有线”信号,后轮的两台步进电机继续接通运转,驱动车体前行;如果除中传感器之外,左、右传感器中的任意一个检测到引导线条,则此传感器输出相应的信号,这时,该侧的驱动电机停止运行,另一侧的电机继续运行,以此达到校正方向的目的。

在设计上,应使三个传感器相邻二个之间的距离小于白线的宽度,而左右传感器之间的距离应大于白线的宽度,以避免出现3个传感器都没检测到白线或者都检测到白线的可能性。

 

引导线条

左、中传感器同时感知

左转

前行

中传感器感知

右转

右、中传感器同时感知

 

图3.1巡迹广告机器人巡迹检测原理图

巡迹系统的工作原理是:

整个巡迹系统主要是由比较电路板和光发射接收板两大部分组成,光发射接收板上的发光二极管发光,照射到地面上后,不同颜色的地面对光反射性能的不同,从而反射光进入到光电三极管中的强弱也跟随着发生变化,导致光电三极管产生的光电流大小有差异,光电流通过比较电路板将模拟电流信号经比较器比较后,转换为数字电压信号,电压信号经过放大器放大与整流器整流后,分别输入到单片机中,在单片机中将输入信号与理论信号(即阈值)进行比较,从而判断机器人的当前位置状态。

由于每个光电管的物理特性不一致,所以为了保证可靠性,在采样时,先分别对每个光电管在深色(墨绿色)区域进行采样,然后再采集浅色(白色)区域的电平值,这两个采样值经A/D转换后的平均数即为参考电压值。

但是一次采样是远远不够的,还需要采样多次,然后再取他们的平均值作为最终的参考电压值。

计算公式如下:

V1=1/2(x1+y1),V2=1/2(x2+y2)……Vn=1/2(xn+yn)(3.1)

Value=1/n(V1+V2……+Vn)(3.2)

其中x1…xn为深色区域某次的采样值, y1…yn为浅色区域某次的采样值,V1…Vn为某次深浅区域采样平均值,Value为最终的平均值即阈值。

3.1.1检测点的组成与结构

每一块光发射接收板就是机器人巡迹系统的一个检测点。

对每一个检测点来说,它是由3个白发红的高亮度发光二极管(LED)和一个NPN型光电三极管组成。

将三个检测点即三个反射式光电传感器安置于车体的前面,巡迹所用传感器安装位置如图3.2所示,A、C传感器在白线两测用于检测是否跑偏,B传感器在白线围用于辅助检测,以确保小车机器人随时在以如图3.2 的状态运行。

传感器状态决定下一步的运行方式,具体可参见程序设计中的相关容。

反射式传感器的原理图如图3.3 所示。

 

图3.2巡迹传感器安装位置示意图图3.3反射式传感器原理图

3.1.2光电三极管的工作原理

光电三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管,结构与一般晶体管相类似,在检测单元中发挥着极其重要的作用,主要完成对接收光的信号转换,即光电效应,也就是将接收到的光信号转化为电流信号。

其工作原理是:

当光照射到集电结的基极区时,产生电子一空穴对,由于集电结反向偏置,而使电场增加。

这样电子扩散到结区时,很容易漂移到集电极中去,在基极留下的空穴,促使基极对发射极的电位升高,更有利于发射集中的电子大量经过基极而流向集电极,从而形成光电流。

随着光照的增强,光电流也随之增加。

从三极管的原理中可以得出:

若光电三极管的放大倍数为

则:

(3.3)

(3.4)

所以光电三极管具有:

将光信号转换成电信号,起到一个光电二极管的作用;同时它又起到一般晶体三极管中集电结的作用,使光电流得以放大。

基于此两个作用可知,光电三极管比光电二极管的灵敏度要高得多。

3.1.3检测点的结构

由于设定机器人行走的地面为墨绿色的地板胶,在上粘有白色的指示线。

根据光学原理,红色光在绿色地面上的反射强度最低,采用红色光照射可以取得最佳的对比度,因此选用白发红的高亮度发光二极管。

2

120度

1

 

图3.4检测点的组成

检测点的组成如图3.4所示,图中1为发光二极管,2为光电三极管。

3个白发红的发光二极管成均布排列在光电三极管的周围,离光电三极管约6mm,调整每一个发光二极管的角度,使它们发出的光线会聚在地面上形成一个光斑,而其光斑的中心点又在光电三极管的正下方。

这样安排光路避免了地面的镜面效应,即不会出现由发光二极管发出的光经地面镜面反射而进入光电三极管的情况,保证了地面上形成的漫反射光能够有效地到达光电三极管。

同时为了防止检测点受外界自然光线的影响,将每一个检测点用一个圆形的黑色围罩进行保护,黑色围罩的上端固定在检测点的安装板上,下端离地面约5mm。

3个白发红的高亮度发光二极管发出的红色光照射到地面上,产生漫反射,反射光进入光电三极管后,光电三极管产生光电流,其产生光电流的能力随地面发射光的强弱而呈显著的变化。

因此,由于地面引导白线上的光强明显大于周围的其他颜色(如绿色)的光强,光电三极管在白线上方产生的光电流就明显大于在非白线处产生的光电流,每个光电三极管的光电流输出信号都通过比较器进行处理,通过调整比较器的比较基准电压,可确定光电三极管是否处于白线的上方,达到检测的目的。

3.2光电检测比较电路

在机器人的检测系统中,检测的模拟信号必须转化为数字信号后才能进入到AT89S52单片机中,信号的转化是由LM339比较器电路完成。

我们可以根据光电传感器的参数或者初次改进以后所得到的实验结果调节可变电阻去设定LM339比较器的参考电压。

3.2.1  LM339电压比较器的原理

VD

Vref

VI

VO-

VO+

VO

O

VI

Vref

VO

LM339比较器是一种用来比较输入信号V1和参考电压Vref的电路,图3.5(a)图为其基本电路。

参考电压Vref加于运放的反相端,它可以是正值,也可以是负值,图中给出的为正值,而输入信号V1则加于运放的同相端。

这时,运放处于开环工作状态,具有很高的开环电压增益。

电路的传输特性如图3.5(b)图所示,当输入信号的电压V1小于参考电压Vref时,即差动输入电压VD=VI一Vref<0时,运放将处于负饱和状态,V0=V0-;当输入信号电压V1略大于参考电压Vref时,即VD=VI一Vref>0,运放立即转入正饱和状态,Vo=V0+,如图3.5(b)图传输特性曲线中的实线所示,它表示V1在参考电压Vref附近有微小的减小时,输出电压将从正的饱和值V0+过渡到负的饱和值Vo-;若有微小的增加,输出电压又将从负的饱和值Vo-过渡到正的饱和值V0+。

如果将参考电压Vref和输入信号电压V1的接入端进行互换,即Vref接同相端,而V1接到反相端,则可得到比较器的另一条传输特性,如图3.5(b)图传输特性曲线中的虚线所示。

若参考电压Vref=0,即比较器的反相端直接与地相连,则输入信号电压Vl在每次过零时,其输出就要产生突然地变化。

这种过零比较器的传输特性曲线就相当于将图3.5(b)图中的曲线平行移动到坐标原点处。

由于比较器的以上性质,特将其用于模拟信号的转换,即将模拟信号转换为数字信号。

常用于光电检测方面,便于计算机对数据的快速批量处理。

 

(a)电路图(b)传输特性图

图3.5LM339电压比较器

3.2.2检测信号比较

图3.6中,仅表示出了机器人前寻线系统第一个检测信号的电压比较原理图,其它各路的检测信号电压比较原理图均与此相同。

各符号代表的元件如下:

U21A--LM339电压比较器;

U22A一7407正向驱动器;

R11一可调电阻(0-10KΩ);

D1,D2,D3一发光二极管;

Q1一光电三极管;

SM1—施密特同向触发器。

图3.6 检测信号比较原理图

图3.6中,仅表示出了机器人前寻线系统第一个检测信号的电压比较原理图,其它各路的检测信号电压比较原理图均与此相同。

各符号代表的元件如下:

图中左侧部分是巡迹系统的检测探头电路,在VCC在-5伏的电源作用下D1,D2,D3发光二极管发出高亮度的红光,通过地面的反射,反射光被Q1光电三极管接收,从而产生光电流,光电流的大小由进入到光电三极管Q1中反射光的强弱决定。

因此在光电三极管Q1的两端就存在电位差,若进入Q1的反射光越强,产生的光电流就越大,则Q1两端的电位差值就越小;反之,Q1两端的电位差值就越大。

随着机器人的不断前进,反射光的连续变化,Q1两端的电位差值就跟随发生变化,成为一个动态的模拟电压信号。

光电三极管Q1产生的电压模拟信号与LM339比较器的反向端4脚相连,而LM339比较器的正向端5脚与一个可调电阻R11连接,即相当于可调电阻R11提供了一个参考标准电压,且在调试的过程中,调整R11的阻值的变化,就可以选择一个最佳的电阻值,使LM339电压比较器的输出值2脚为一个比较敏感的数字变化值,即当机器人的检测点在白色指示线上和墨绿色的区域两种状态时,电压比较器的输出值应该是两种差别比较大的数字值,若一种为高电平值5V,则另一种就为低电平值,再经施密特同向触发器对信号进行整形,输入到单片机中。

因此,用二进制数1来表示相应的传感器检测到白线,用0来表示相应的传感器未检测到白线,通过分别对三个传感器的采样,由此判断机器人的行走状态,根据相应的程序改变步进电机脉冲以控制其运转,使机器人能沿着设定的白线行走。

电压比较器LM339通过对输入电压的比较,从2脚输出一个电压值,经过正向驱动器7407驱动、放大,再经施密特同向触发器整形进入到80C51单片机中,就完成了检测系统的采集信号的输入。

第4章步进电机驱动模块的设计

4.1步进电机

步进电机本质上是一种低速电机,被设计用来实现精确运动,一旦到达指定的位置就能保持在那里。

步进电机的最大工作转速为50~100r/min,这对于机器人来说恰好也是最合适的工作转速。

在同等功率的条件下步进电机的尺寸显的比直流电机要大且笨重。

但步进电机的输出转矩通常也不是十分强劲,因此不能用于质量很大的机器人。

4.1.1步进电机的基本原理及类型

步进电机其实是轮流的从一个特定的位置转到下一个特定位置来实现旋转的。

旋转一周所需要行进的次数是步进电机的一项技术指标,通常称之为步数或者步距角,很多个绕组在机壳被规则的有序的排列就是为了转子能够由一个位置精确的转到下一个位置。

绕组(分别设为A、B、C、D)被安装在定子(机壳)上。

定子的电极加上电压后,转子将被定子上相反的磁极相吸引而转动。

转子是由大量的永磁体组成的,当定子上的绕组通上电流后,这些永磁体将趋向于和绕组对准成一条直线。

转子上突出的磁极称为齿,转子最重要的特征就是所具有的齿数。

沿着机壳圆周,垫子的绕组被重复的,等间距的以交错的形式布置。

具体怎么排列绕组取决于步进电机的结构形式。

步进电机有两种类型:

一种是单极性步进电机,通常也称为四相步进电机;另外一种为双极性,通常也称为两相步进电机。

单极性步进电机有四对绕组交互的布置在机壳上,而双极性步进电机只有两对绕组,对称的布置着。

对于一个单极性步进电机而言,其线圈两端的电压方向是不变的,这也正是为什么称之为单极性的原因。

而双极性步进电机则是通过不断改变其绕组两端的电压方向来实现转动的,双极性便如此得来。

步进电机旋转一周需要的步数取决于转子上的永磁体的数量,也就是转子的齿数。

齿数越多,意味着旋转一周需要的步数越多,相应的分辨率也越高。

同样尺寸的步进电机,双极性与单极性比较,功率既强劲,速度又快。

因为双极性步进电机每次可以使用一半数量的绕组,也就是单极性步进电机每次所能的绕组数量的两倍。

因为双极性步进电机每次使用两倍于单极性步进电机的绕组,因而产生更大的磁场。

然而,双极性步进电机要求其绕组两端的电压可以变化方向,这使的驱动器的电路要复杂得多。

而单极性的驱动电路只要每一个绕组一个三极管就可以驱动。

由于驱动器电路要相对简单,所以单极性步进电机是机器人最为常用的步进电动机。

对于本设计制作的巡迹广告机器人,为使达到更好的控制精度,采用双极性步进电机。

 

4.1.2  步进电机的主要性能指标

要步进电机平稳的转动,其步距角最大不能超过3.6°,否则从视觉效果上都可以观察到冲击。

而原则上步角大可到30°,小可到0.9°。

步进电机的主要特性指标是启动转矩、保持转矩和加速转矩。

启动转矩是指步进电机从一个齿位转到下一个齿位时所具有的转矩,保持转矩是指步进电机在静止状态或者处于某工作状况点时维持在该平衡位置的能力。

加速转矩通常具有最大值,并取决于驱动脉冲的频率。

此外,驱动电压和绕组电阻的大小也对其施加影响。

步进电机的性能指标参数如下表4.1所示:

表4.1步进电机的性能指标参数

参数

定义

电压

额定电压(步进电机设计的正常工作电压)

绕组阻抗

单相绕组的直流阻抗

电流

绕组最大安全电流

步数

7.5°=48步,1.8°=200步

动态力矩

步进电机转动输出的最大力矩

4.1.3步进电机的一些特点

1)步进电机需加驱动电路,其驱动信号输入端为脉冲信号,若加入适当的脉冲信号,步进电机的转子就以一定的角度(称为步角)转动。

2)步进电机的步进角一般为1.8°,即200步完成一圈。

3)步进电机具有瞬间启动与急速停止的特性。

4)改变励磁顺序,可以改变步进电机的旋转方向。

5)一般步进电机的精度为步进角的3-5%,且不累积。

6)步进电机外表允许的最高温度。

步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁,从而导致力矩下降乃至于失步,因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点;一般来讲,磁性材料的退磁点都在摄氏130度以上,有的甚至高达摄氏200度以上,所以步进电机外表温度在摄氏80-90度完全正常。

7)步进电机的力矩会随转速的升高而下降。

当步进电机转动时,电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势;频率越高,反向电动势越大。

在它的作用下,电机随频率(或速度)的增大而相电流减小,从而导致力矩下降。

8)步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。

    步进电机有一个技术参数:

空载启动频率,即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率,如果脉冲频率高于该值,电机不能正常启动,可能发生丢步或堵转。

在有负载的情况下,启动频率应更低。

如果要使电机达到高速转动,脉冲频率应该有加速过程,即启动频率较低,然后按一定加速度升到所希望的高频(电机转速从低速升到高速)。

4.2步进电机驱动芯片L293

L293是著名的SGS公司的产品,部包含4通道逻辑驱动电路。

其后缀有B、D、E等,除L293E为20脚外,其它均为16引脚。

其额定工作电流为1A,最大可达1.5A,Vss电压最小4.5V,最大可达36V;Vs电压最大值也是36V,但经过我的实验,Vs电压应该比Vss电压高,否则有时会出现失控现象。

4.2表是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系。

表4.2L293使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系

ENA(B)

IN1(IN3)

IN2(IN4)

电机运行情况

H

H

L

正转

H

L

H

反转

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