紅外避障機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)-

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1、華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘 要 摘要 隨著紅外物理與技術(shù)的不斷發(fā)展, 紅外探測(cè)技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于軍 事、煤礦的安全生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域。把目標(biāo)或目標(biāo)區(qū)域的紅外輻射聚焦在 探測(cè)器上紅外接收光學(xué)系統(tǒng)的基本作用, 通常情況下其結(jié)構(gòu)類似于普通 的接收光學(xué)系統(tǒng), 但由于工作波段為紅外波段, 其光學(xué)材料和鍍膜必須 和它的工作波長(zhǎng)相匹配。 針對(duì)題目的要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)易的紅外避障小車。電路設(shè)計(jì) 主要有以下四個(gè)模塊：傳感器模塊（紅外發(fā)射和接收器） ，控制模塊 （AT89S52） ，執(zhí)行模塊（伺服電機(jī)） ，電源模塊。傳感器模塊主要通過 對(duì)左、右紅外傳感器的信號(hào)分別進(jìn)行采集，傳送給控制模塊。控制模塊 對(duì)采

2、集來的信號(hào)進(jìn)行處理，做出比較后把控制信號(hào)傳送給執(zhí)行模塊。 配合正確的軟件設(shè)計(jì)，小車能夠在設(shè)計(jì)的賽道中準(zhǔn)確快速地完成行 走任務(wù)。 關(guān)鍵詞： 紅外； 避障； 傳感器 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） Abstract Abstract All bodies has its own infrared radiation characteristics. For studying the various objects of infrared radiation, people use idealabsolute blackbody radiation body (hereinafter referr

3、ed to as in bold) the benchmark. Can absorb all the incident radiation and not the reflection of the object is called in bold. Good absorber must have also been good radiation body, so the blackbody radiation efficiency is highest, the radiation rate than a 1. Any real objects of radiation emission

4、quantity and the same temperature blackbody emission of quantity of launch than, called the object than radiation rate, its value is always less than 1. The object than radiation rate, and the material object types, characteristics, temperature, surface other factors, such as the wavelength. Accordi

5、ng to the topic request, we design a simple infrared obstacle avoidance of the car. The circuit design basically has the following four modules: sensor module (infrared transmitter and receiver), control module (AT89S52 devices), executive module (servo motor), power supply module. Sensor module mai

6、nly through to the left and right of the infrared sensor signal, respectively the collection, transfer to the control module. Control module to the acquisition of signal processing, make more the control after 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） Abstract signals to execute module. The software design includes basic ca

7、r to walk, walk, the combination of infrared obstacle avoidance program design, such as walking strategy improvement, through to the infrared signal processing to achieve the best car walk path. Cooperate with the right software design, the car can in the design of the track accurately and rapidly f

8、inish walking task. Keywords: infrared; Obstacle avoidance; sensor 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目 錄 目 錄 第一章 緒 論 .1 1.1 紅外線研究背景 .1 第二章 紅外避障機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案 .3 2.1 主要設(shè)計(jì)任務(wù) .3 2.2 任務(wù)分析與方案設(shè)計(jì) .3 2.2.1 任務(wù)分析 .3 2.2.2 方案設(shè)計(jì) .3 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) .5 3.1 紅外傳感器電路設(shè)計(jì) .5 3.1.1 紅外發(fā)射二極管的選擇 .5 3.1.2 紅外接收器的選擇 .7 3.2 控制電路設(shè)計(jì) .10 3.3 人機(jī)接口單元 .11 3.3.

9、1 LCD1602 顯示 .11 3.3.2 串口電路設(shè)計(jì) .12 3.4 執(zhí)行電路設(shè)計(jì) .13 3.4.1 伺服電機(jī) .13 3.4.2 伺服電機(jī)的信號(hào)控制 .14 3.5 電源電路設(shè)計(jì) .14 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目 錄 3.6 賽道設(shè)計(jì) .15 第四章 軟件設(shè)計(jì) .16 4.1 機(jī)器人基本行走命令 .16 4.1.1 基本巡航動(dòng)作 .16 4.1.2 勻加速/減速運(yùn)動(dòng) .17 4.2 紅外探測(cè) .19 4.2.1 測(cè)試紅外發(fā)射探測(cè)器 .19 4.2.2 紅外發(fā)射程序 .20 4.3 關(guān)于行走賽道的硬件調(diào)試與改進(jìn) .22 第五章 結(jié)束語 .23 5.1 結(jié)論和展望 .23 致

10、 謝 .24 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第一章 緒 論 1 第一章 緒 論 1.1 紅外線研究背景 在科學(xué)探索和緊急搶險(xiǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到對(duì)與一些危險(xiǎn)或人類不能直接到達(dá)的地域 的探測(cè)，這些就需要用機(jī)器人來完成。而在機(jī)器人在復(fù)雜地形中行進(jìn)時(shí)自動(dòng)避障是 一項(xiàng)必不可少也是最基本的功能。因此，自動(dòng)避障系統(tǒng)的研發(fā)就應(yīng)運(yùn)而生。我們的 自動(dòng)避障小車就是基于這一系統(tǒng)開發(fā)而成的。隨著生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展需要，機(jī)器人 的智能化與集成度越來越高，已經(jīng)越來越廣泛的應(yīng)用到生產(chǎn)生活中。伴隨的科技水 平的提高，機(jī)器人的能夠使用的傳感器種類也越來越多，其中紅外線傳感器已經(jīng)成 為機(jī)器人自動(dòng)行走和駕駛的重要部件。此系統(tǒng)是基于紅外傳

11、感器的系統(tǒng)，即運(yùn)用紅 外傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)前方障礙物的檢測(cè)。紅外傳感器的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航 系統(tǒng)，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能就必須要感知障礙物，對(duì)障礙物的感知相當(dāng)于給 機(jī)器人一個(gè)視覺功能。在現(xiàn)在生活中，例如在一些火宅或者一些自然災(zāi)害的現(xiàn)場(chǎng)， 經(jīng)常需要進(jìn)入到對(duì)一些危險(xiǎn)或人類不能直接到達(dá)的地方進(jìn)行觀察，采集數(shù)據(jù)，這些 就需要用機(jī)器人來完成。而在機(jī)器人在上述等環(huán)境中行進(jìn)時(shí)自動(dòng)避障是一項(xiàng)必不可 少也是最基本的功能。因此，自動(dòng)避障系統(tǒng)的研發(fā)就應(yīng)運(yùn)而生。自動(dòng)避障小車可以 作為困難環(huán)境檢測(cè)機(jī)器人和緊急搶險(xiǎn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，讓機(jī)器人在行進(jìn)中自動(dòng)避 過障礙物，幫助人們完成相應(yīng)的任務(wù) 1。 隨著科技的發(fā)展，對(duì)于

12、未知空間和人類所不能直接到達(dá)的地域的探索逐步成為 熱門，這就使機(jī)器人的自動(dòng)避障有了重大的意義。我們的自動(dòng)避障小車就是自動(dòng)避 障機(jī) 器人中的一類。自動(dòng)避障小車可以作為地域探索機(jī)器人和緊急搶險(xiǎn)機(jī)器人的運(yùn) 動(dòng)系 統(tǒng)，讓機(jī)器人在行進(jìn)中自動(dòng)避過障礙物。紅外傳感器的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇?智能導(dǎo)航系統(tǒng)，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能 就必須要感知障礙物，對(duì)障礙物的感知 相當(dāng)于給機(jī)器人一個(gè)視覺功能?；诩t外的自動(dòng)避障小車可以作為困難環(huán)境檢測(cè)機(jī) 器人或者緊急搶險(xiǎn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，讓機(jī)器人在行進(jìn)中自動(dòng)避過障礙物，完成指 定的任務(wù) 2。1.2 紅外避障的研究意義 紅外技術(shù)在軍事應(yīng)用的牽引和推動(dòng)下，得到快速發(fā)展。紅外系統(tǒng)有

13、如下 4 方面 優(yōu)點(diǎn)：1.環(huán)境適應(yīng)性好，在夜間和惡劣氣象條件下的工作能力優(yōu)于可見光；2.被動(dòng) 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第一章 緒 論 2 式工作，隱蔽性好，不易被干擾；3.靠目標(biāo)和背景之間各部分的溫度和發(fā)射率形成 的紅外輻射差進(jìn)行探測(cè)，因而識(shí)別偽裝目標(biāo)的能力優(yōu)于可見光；4.紅外系統(tǒng)的體積 小、質(zhì)量輕、功耗低。近年來，紅外技術(shù)在軍事領(lǐng)域和民用工程中都得到了廣泛應(yīng) 用。在民用工程領(lǐng)域大體分為：(1) 在氣象預(yù)報(bào)、地貌學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、遙感資源調(diào) 查等領(lǐng)域的應(yīng)用；(2) 在地下礦井測(cè)溫和測(cè)氣中的應(yīng)用；(3) 紅外熱像儀在電力、 消防、石化以及醫(yī)療和森林火災(zāi)預(yù)報(bào)中的應(yīng)用。另外，35 m 波段熱像

14、儀除具有 全天候工作能力外，還具有透過霧、雨、雪進(jìn)行觀察的能力 3。 1.3 紅外避障的發(fā)展 目前循跡機(jī)器人在多種行為沖突問題解決上尚存缺陷，且不能準(zhǔn)確識(shí)別 U 形等 復(fù)雜障礙，沒有最優(yōu)避障路徑。而我們以 AT89S52 單片機(jī)作為機(jī)器人小車的 MCU,使 用紅外和超聲波傳感器采集周圍環(huán)境信息，綜合優(yōu)先級(jí)裁決方法和模糊行為融合法 選取機(jī)器人的控制行為，較好地解決循跡過程中存在的各種行為以及行為沖突問題, 運(yùn)用均值濾波法，更準(zhǔn)確地檢測(cè)到障礙物、軌跡和標(biāo)識(shí)等信息，在以最優(yōu)路徑避開 U 形等復(fù)雜障礙的同時(shí)保證了循跡的快速性和準(zhǔn)確性，能夠滿足普通工業(yè)生產(chǎn)對(duì)自 動(dòng)化物流的需求。本智能循跡機(jī)器人設(shè)計(jì)用于重

15、復(fù)裝卸搬運(yùn)。 在物流系統(tǒng)、自動(dòng)化倉庫中裝卸搬運(yùn)的頻率極高,消耗的費(fèi)用占總費(fèi)用的比例較 大，國內(nèi)外一直在尋求智能化的搬運(yùn)技術(shù)和設(shè)備以降低搬運(yùn)成本和改善物料搬運(yùn)的 效率,以節(jié)省勞動(dòng)力，因此以該智能小車為模型的搬運(yùn)設(shè)備將在很大程度上滿足企業(yè) 生產(chǎn)對(duì)自動(dòng)化物流的需求 4。 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第二章 紅外避障機(jī)器人方案設(shè) 計(jì) 3 第二章 紅外避障機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案 2.1 主要設(shè)計(jì)任務(wù) 本系統(tǒng)要求自行設(shè)計(jì)制作一個(gè)智能小車，該小車在前進(jìn)的過程中能夠檢測(cè)到前 方障礙并自動(dòng)避開，達(dá)到避障的效果。我的設(shè)計(jì)思想是采用單片機(jī) AT89S52 為控制 核心，利用位置傳感器檢測(cè)道路上的障礙，通過采集數(shù)據(jù)并

16、處理后由單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn) 向和行動(dòng)控制，控制電動(dòng)小汽車的自動(dòng)避障，快慢速行駛，以及自動(dòng)停車。 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：機(jī)器人電路設(shè)計(jì) 機(jī)器人模型制作 C 語言軟件編程 機(jī)器人賽道設(shè)計(jì) 2.2 任務(wù)分析與方案設(shè)計(jì) 2.2.1 任務(wù)分析 這次設(shè)計(jì)利用 AT89S52 充分發(fā)揮其使用方便、功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，通過采集數(shù)據(jù) 并處理后由單片機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)向和行動(dòng)控制，控制電動(dòng)小汽車的自動(dòng)避障，快慢速行駛， 以及自動(dòng)停車，同時(shí)還能與用戶交換信息。以下就是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的 5 個(gè)基本智能任 務(wù)： (1)安裝紅外傳感器； (2)以探測(cè)周邊環(huán)境； (3)基于紅外傳感器信息做出決策； (4)控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)（通過操作帶動(dòng)輪子旋轉(zhuǎn)的電機(jī)） ；

17、(5)與用戶交換信息。 2.2.2 方案設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)分為傳感器模塊、控制模塊、執(zhí)行器模塊、電源模塊四個(gè)硬件模塊。 執(zhí)行模塊則是來實(shí)現(xiàn)行走效果，傳感器模塊主要負(fù)責(zé)信息采集，控制模塊主要負(fù)責(zé) 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第二章 紅外避障機(jī)器人方案設(shè) 計(jì) 4 信息處理，而電源模塊將給前三部分提供電力動(dòng)能。 控制模塊 A T 8 9 S 5 2 傳感器模塊 紅外裝置 執(zhí)行器模塊 伺服電機(jī) 電源模塊 用戶信息 圖 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第三章 硬件電路設(shè) 計(jì) 5 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括控制器電路設(shè)計(jì)、紅外傳感器電路設(shè)計(jì)、機(jī) 器人結(jié)構(gòu)

18、設(shè)計(jì)、電源設(shè)計(jì)等幾部分：。 3.1 紅外傳感器電路設(shè)計(jì) 3.1.1 紅外發(fā)射二極管的選擇 紅外發(fā)射二極管分為很多種。紅外發(fā)射二極管一般按峰值波長(zhǎng)（p）主要為： 850nm、870nm、880nm、940nm、980nm，現(xiàn)在市場(chǎng)上使用較多為 850nm 和 940nm 兩種。 本次設(shè)計(jì)所使用的是峰值波長(zhǎng)為 940nm 的紅外發(fā)射二極管。940nm 紅外發(fā)射二極管 優(yōu)點(diǎn)：光強(qiáng)度高，響應(yīng)速度快，可用脈沖驅(qū)動(dòng)，無色透明環(huán)氧樹脂。其主要應(yīng)用領(lǐng) 域： 紅外遙控系統(tǒng)，紅外探測(cè)系統(tǒng)，紅外幕墻保安系統(tǒng)，磁帶、光盤監(jiān)測(cè)器，光電 開關(guān)/光傳感器，主動(dòng)紅外夜視儀，電腦、手機(jī)等便攜設(shè)備的紅外數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。 表3.1

19、紅外發(fā)射二極管極限參數(shù) 參數(shù)名稱 符號(hào) 額定值 單位 正向電流 IFM 3060 mA 正向脈沖電流（1） IFPM 0.31 A 反向電壓 VR 5 V 耗散功率 PM 90 mW 工作溫度范圍 Top -25+80 貯存溫度范圍 Tst -40+100 焊接溫度（2） Tst 260 注（1）： f=1KHz,tp/T1% 注（2）： t3s,離器件本體 4mm 以上 表3.2 紅外發(fā)射二極管的光電參數(shù)(TA=25) 參數(shù) 符號(hào) 測(cè)試條件 規(guī)范值 單位 正向電壓 VF IF50mA 1.5 V 反向電流 IR VR5V 10 A 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第三章 硬件電路設(shè) 計(jì) 6

20、 法向輻射強(qiáng)度 IE IF50mA 2 mW/sr 峰值發(fā)射波長(zhǎng) p IF50mA 850940 nm 光譜半寬度 IF50mA 50 nm 輻射度角 21/2 IF50mA 16 deg 圖 3.1 相對(duì)光譜靈敏度與波長(zhǎng)的關(guān)系 在使用紅外發(fā)射二極管時(shí)，發(fā)射管的輻射強(qiáng)度(Power)與輸入電流(If)成正比。 輻射強(qiáng)度：Power(單位:W,W/sr,W/cm 2)用以表示紅外線發(fā)光二極管(IR)其輻射紅外 線能量之大小。 發(fā)射距離與輻射強(qiáng)度(Power) 成正比。W/sr：表示紅外線輻射強(qiáng)度的單位，為 IR 發(fā)射紅外線光之單位立體角(sr)所輻射出的光功率的大小。W/cm 2：表示照度的單

21、位，為 sensor 單位面積(cm 2)所接收 IR 發(fā)射之輻射功率的大小。 半功率角：2 指紅外線二極管其上下或左右兩邊所輻射出之紅外線強(qiáng)度為該 組件最大輻射強(qiáng)度的 50%時(shí)，其上下或左右兩邊所夾的角度稱為半功率角。 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第三章 硬件電路設(shè) 計(jì) 7 圖 3.2 30 度半功率角輻射強(qiáng)度示意圖 3.1.2 紅外接收器的選擇 本次設(shè)計(jì)選用 HS38B，該器件特性：低功耗、高靈敏度、優(yōu)良的抗干擾能力。 一般用于家用電器、玩具等遙控接收。 圖 3.3 紅外接收器電路原理框圖 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第三章 硬件電路設(shè) 計(jì) 8 圖 3.4 HS38B 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

22、 圖 3.5 測(cè)試紅外接收器的時(shí)序圖 在使用說明書上我們找到了生產(chǎn)廠商提供的最佳使用條件： 圖 3.6 HS38B 最佳使用條件 本次設(shè)計(jì)所提供 VCC 為 5V，輸入頻率為 38.0kHz，工作溫度為室溫。 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第三章 硬件電路設(shè) 計(jì) 9 圖 3.7 紅外發(fā)射與接收器 紅外線二極管發(fā)射紅外光線，如果機(jī)器人前面有障礙物，紅外線從物體反射回 來，相當(dāng)于機(jī)器人眼睛的紅外檢測(cè)（接收）器，檢測(cè)到反射回的紅外光線，并發(fā)出 信號(hào)來表明檢測(cè)到從物體反射回紅外線。機(jī)器人的大腦單片機(jī) A89S52 基于這個(gè) 傳感器的輸入控制伺服電機(jī)。 紅外線（IR）接收（檢測(cè)）器有內(nèi)置的光濾波器，

23、除了需要檢測(cè)的 940nm 波長(zhǎng) 的紅外線外，他幾乎不允許其他光通過。紅外檢測(cè)器還有一個(gè)電子濾波器，它只允 許大約 38.0KHz 的電信號(hào)通過。換句話說，檢測(cè)器只尋找每秒閃爍 38000 次的紅外 光。這就防止了普通光源像太陽光和室內(nèi)光對(duì) IR 的干涉。太陽光是直流干涉 （0KHz）源，而室內(nèi)光依賴于所在區(qū)域的主電源，閃爍頻率接近 100Hz 或 120Hz。 由于 120Hz 在電子濾波器的 38.0KHz 通帶頻率之外，他完全被 IR 探測(cè)器忽略。 這里使用三極管 9013 的原因是 9013 的基區(qū)做得很薄，當(dāng)按圖 3.2 連接時(shí)，發(fā) 射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，這時(shí)由

24、于集電結(jié)反偏，對(duì)基區(qū)的 電子有很強(qiáng)的吸引力，所以由發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子大部分進(jìn)入集電區(qū)，于是集電 極的電流增大。 由于 C51 的 I/O 驅(qū)動(dòng)能力較弱，加入三極管使其工作在開關(guān)狀態(tài)，用小電流來 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第三章 硬件電路設(shè) 計(jì) 10 控制大電流。當(dāng) P1_3(P3_6)置高電平時(shí)，從集電區(qū)經(jīng)基區(qū)到發(fā)射區(qū)電路導(dǎo)通，加載 在 IR LED 上的電壓為 VCC（5V） ，IR LED 向外發(fā)射紅外線；當(dāng) P1_3(P3_6)置低電平 時(shí)，電路又?jǐn)嚅_，IR LED 停止發(fā)射。本次設(shè)計(jì)提供了 5V 穩(wěn)定直流電壓，給 IR LED 串聯(lián)一個(gè) 470 的電阻幫助限流。當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)

25、，流過 IR LED 的電流在 10mA 左 右，使 IR LED 能正常工作。 圖 3.8 紅外發(fā)射與接收器電路圖 3.2 控制電路 設(shè)計(jì) 控制電路主要由 AT89S52 單片機(jī)構(gòu)成。AT89S52 單片機(jī)是一個(gè)高性能、低功耗 的 8 位單片機(jī)，內(nèi)含 8K 字節(jié) ISP（系統(tǒng)在線編程）可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只 讀程序儲(chǔ)存器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及其引腳結(jié)構(gòu)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，功能強(qiáng)大的 AT89S52 已成為許 多高性價(jià)比嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案。 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第三章 硬件電路設(shè)

26、計(jì) 11 圖 3.9 AT89S52 原理圖 10uFC68.2KR57S4TV 圖 3.10 RET 復(fù)位原理圖 3.3 人機(jī)接口單元 隨著科技的發(fā)展，人機(jī)之間基于自然語言的智能化溝通將成為必然，由于人與 人和人與機(jī)器的溝通方式?jīng)]有差別，機(jī)器能夠隨時(shí)隨地介入人的工作、生活中，幫 助人們自動(dòng)記錄、整理資料。本部分主要包括一個(gè) LCD 液晶顯示屏以及串口電路。 液晶屏主要用于顯示移動(dòng)方向，以及距離的遠(yuǎn)近。 3.3.1 LCD1602 顯示 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第三章 硬件電路設(shè) 計(jì) 12 圖 3.11 LCD1602 電路原理圖 3.3.2 串口電路設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)使用的芯片為 MA

27、X232，其主要特點(diǎn)：1、符合所有的 RS-232C 技術(shù)標(biāo) 準(zhǔn)；2、只需要單一的+5V 電源供電；3、片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力， 能夠產(chǎn)生+10V 和-10V 電壓 V+、V-；4、功耗低，典型供電電流 5mA ；5、內(nèi)部集成 2 個(gè) RS-232C 驅(qū)動(dòng)器；6、高集成度，片外最低只需 4 個(gè)電容即可工作。 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第三章 硬件電路設(shè) 計(jì) 13 圖 3.12 串口連接圖 3.4 執(zhí)行電路設(shè)計(jì) 3.4.1 伺服電機(jī) 電動(dòng)機(jī)的作用是將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能， 電動(dòng)機(jī)分為交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī) 兩大類， 所以我們?cè)诒苷闲≤嚨碾姍C(jī)選擇上就有步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)兩種選擇方

28、式。 我們選擇的是直流伺服電機(jī)（servo motor ） ，伺服電機(jī)是指在伺服系統(tǒng)中控制 機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度， 位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī) 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且 具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電 動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。 本次設(shè)計(jì)使用的直流伺服電機(jī)。直流有刷伺服電機(jī)特點(diǎn)： 1.體積小、動(dòng)作快反應(yīng)快、過載能力大、調(diào)速范圍寬 2.低速力矩大, 波動(dòng)小，運(yùn)行平穩(wěn) 3.低噪音,高效率 4.后端編碼器反饋（選

29、配）構(gòu)成直流伺服等優(yōu)點(diǎn) 5.變壓范圍大，頻率可調(diào) 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第三章 硬件電路設(shè) 計(jì) 14 3.4.2 伺服電機(jī)的信號(hào)控制 電機(jī)轉(zhuǎn)速為零的控制信號(hào)時(shí)序圖 1.3ms 的控制脈沖序列使電機(jī)順時(shí)針全速旋轉(zhuǎn) 1.7ms 的控制脈沖序列使電機(jī)順時(shí)針全速旋轉(zhuǎn) 3.5 電源電路設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)中使用的傳感器模塊、控制模塊、執(zhí)行器模塊都使用的 5V 直流電源， 而我們所使用的電池供電為 1.5V、3.0V、4.5V、6.0V，本次使用的為 4 節(jié) 5 號(hào)電池 供電，所提供直流電源為 6V，所以需要經(jīng)過電源電路的變壓后才能給各模塊提供電 源。本次設(shè)計(jì)中使用的傳感器模塊、控制模塊、執(zhí)行器模塊

30、都使用的 5V 直流電源。 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第三章 硬件電路設(shè) 計(jì) 15 我們使用 LM2940 的原因是 LM2940 具有紋波小、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但是效 率較低，功耗大。對(duì)于單片機(jī)，需要提供穩(wěn)定的 5V 電源，由于 LM2940 的穩(wěn)壓的 線性度非常好，所以選用 LM2940-5 單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行供電。LM2940 也被成為“1A 低漏 失穩(wěn)壓器” ，LM2940 的正電壓調(diào)節(jié)器具有源輸出電流 1A 能力和典型的 0.5V 漏失的 電壓，在整個(gè)溫度范圍最大不超過電壓為 1V。 圖 3.13 電源電路原理圖 3.6 賽道設(shè)計(jì) 以紙板箱為材料，設(shè)計(jì)一個(gè)紅外避障賽道，包括直線賽

31、道、弧形賽道以及 S 型 賽道，小車?yán)碚撔凶呗烦虨?506cm。 圖 3.14 賽道實(shí)際圖 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第四章 軟件設(shè) 計(jì) 16 第四章 軟件設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)所給機(jī)器人編寫的軟件主要有基本行走指令、紅外探測(cè)指令、測(cè)距指 令等多種指令構(gòu)成，通過對(duì)這些指令的調(diào)度，才能讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)我們理想中的效果。 4.1 機(jī)器人基本行走命令 4.1.1 基本巡航動(dòng)作 機(jī)器人向前走： P1_1=1; delay_nus(1300); P1_1=0; P1_0=1; delay_nus(1700); P1_0=0; delay_nms(20)； 機(jī)器人向后走： P1_1=1; delay_nus(

32、1700); P1_1=0; P1_0=1; delay_nus(1300); P1_0=0; delay_nms(20)； 機(jī)器人原地左轉(zhuǎn)： P1_1=1; delay_nus(1300); P1_1=0; 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第四章 軟件設(shè) 計(jì) 17 P1_0=1; delay_nus(1300); P1_0=0; delay_nms(20)； 機(jī)器人原地右轉(zhuǎn)： P1_1=1; delay_nus(1300); P1_1=0; P1_0=1; delay_nus(1300); P1_0=0; delay_nms(20)； 機(jī)器人靜止不動(dòng)： P1_1=1; delay_nus(

33、1500); P1_1=0; P1_0=1; delay_nus(1500); P1_0=0; delay_nms(20)； 4.1.2 勻加速/減速運(yùn)動(dòng) for 循環(huán)語句能使機(jī)器人的速度由停止到全速。循環(huán)每重復(fù)執(zhí)行一次，變量 pulseCount 就增加 1：第一次循環(huán)時(shí)，變量 pulseCount 的值是 10，此時(shí)發(fā)給 P1_1、P1_0 的脈沖的寬度分別為 1.51ms、1.49ms；第二次循環(huán)時(shí)，變量 pulseCount 的值是 11，此時(shí)發(fā)給 P1_1、P1_0 的脈沖的寬度分別為 1.511ms、1.489ms。隨著變量 pulseCount 值的增加，電機(jī)的速度也在逐漸增加。

34、到 執(zhí)行第 190 次循環(huán)時(shí)，變量 pulseCount 的值是 200，此時(shí)發(fā)給 P1_1、P1_0 的脈沖 的寬度分別為 1.7ms、1.3ms，電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)。 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第四章 軟件設(shè) 計(jì) 18 勻加速前進(jìn)： for(pulseCount=10;pulseCount=0;pulseCount=pulseCount-1) P1_1=1; delay_nus(1500+pulseCount); P1_1=0; P1_0=1; delay_nus(1500-pulseCount); P1_0=0; delay_nms(20); 我們對(duì)勻減速運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了實(shí)際行走距離的實(shí)驗(yàn)，

35、在編寫該程序時(shí)，我們加入了 循環(huán)語句 for(pulseCount=200;pulseCount=0;pulseCount=pulseCount-1)，當(dāng)給 予勻減速信號(hào)以后，小車開始慢慢減速直到停止，從開始勻減速到小車停止，小車 總共行走 58.2cm。然而這距離并不是我們想要的，小車從檢測(cè)到物體到停下的距離 太長(zhǎng)，所以要對(duì)距離進(jìn)行調(diào)整。如果將 pulseCount=pulseCount-1 中的 1 改為 5 后， 小車總共行走則變?yōu)?11.5cm。此減速距離足夠使小車檢測(cè)到物體后，在未碰到物體 前停下來。 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第四章 軟件設(shè) 計(jì) 19 4.2 紅外探測(cè) 探測(cè)

36、障礙物很重要的一點(diǎn)是在機(jī)器人撞到它之前給機(jī)器人留有繞開它的空間。 如果前方有障礙物，機(jī)器人會(huì)使用脈沖命令避開，然后探測(cè)，如果物體還在，再使 用另一個(gè)脈沖來避開它。機(jī)器人能持續(xù)使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖和探測(cè)，直到它繞開障礙 物，然后它會(huì)繼續(xù)發(fā)送向前行走的脈沖。 4.2.1 測(cè)試紅外發(fā)射探測(cè)器 用 P1_3 發(fā)送持續(xù) 1ms 的 38.0KHz 的紅外光，如果紅外光被機(jī)器人路徑上的物體 反射回來，紅外檢測(cè)器將給微控制器發(fā)送一個(gè)信號(hào)，讓它知道已經(jīng)檢測(cè)到反射回的 紅外光。 讓每個(gè) IR LED 探測(cè)器組工作的關(guān)鍵是發(fā)送 1ms 頻率為 38.0KHz 的紅外信號(hào)，然 后立刻將 IR 探測(cè)器的輸出儲(chǔ)存到一個(gè)變量

37、中。 for(counter=0;counter38;counter+) P1_3=1; delay_nus(13); P1_3=0; delay_nus(13); irDetectLeft=P1_2state(); 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第四章 軟件設(shè) 計(jì) 20 圖 4.2 測(cè)試 IR 有無信號(hào) 4.2.2 紅外發(fā)射程序 #define LeftIR P1_2 /左邊紅外接收連接到 P1_2 #define RightIR P3_5 /右邊紅外接收連接到 P3_5 #define LeftLaunch P1_3 /左邊紅外發(fā)射連接到 P1_3 #define RightLaunc

38、h P3_6 /右邊紅外發(fā)射連接到 P3_6 void IRLaunch(unsigned char IR) int counter; if(IR=L) for(counter=0;counter38;counter+) LeftLaunch=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); LeftLaunch=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();

39、 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); if(IR=R) for(counter=0;counter38;counter+)/右邊發(fā)射 RightLaunch=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第四章 軟件設(shè) 計(jì) 21 RightLaunch=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _n

40、op_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); IRLaunch(R); /右邊發(fā)射 irDetectRight = RightIR;/右邊接收 IRLaunch(L); /左邊發(fā)射 irDetectLeft = LeftIR;/左邊接收 圖 4.3 紅外行走流程圖 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第四章 軟件設(shè) 計(jì) 22 4.3 關(guān)于行走賽道的硬件調(diào)試與改進(jìn) 發(fā)射距離與輻射強(qiáng)度(Power) 成正比。改變紅外發(fā)射和接收器的發(fā)射角度。紅 外發(fā)射二極管的發(fā)射角度是有限的，為了使紅外發(fā)射

41、二極管發(fā)射路徑接近直線，我 們?cè)诩t外發(fā)射二極管上套上黑色絕緣管，使信號(hào)能更加準(zhǔn)確。 由于 IR LED 發(fā)射功率的原因，如果使用阻值為 470 的電阻，紅外發(fā)射與接收 器能檢測(cè)到障礙物的距離很遠(yuǎn)。而在跑賽道時(shí)，我們要求小車的發(fā)射功率減小，使 小車能夠離賽道內(nèi)壁比較合適的距離再檢測(cè)出信號(hào)。輻射強(qiáng)度(Power)與輸入電流 (If)成正比。我們就改變小車的與 LED 串聯(lián)的電阻阻值來改變 IR LED 的發(fā)射功率。 經(jīng)過多次測(cè)試與比較本次設(shè)計(jì)選擇了阻值為 10k 的電阻。 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第五章 結(jié)束 語 23 第五章 結(jié)束語 5.1 結(jié)論和展望 半年時(shí)間飛逝，通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，

42、使我了解了紅外避障機(jī)器人的原理及應(yīng)用； 我們通過各種方案的討論及嘗試，再經(jīng)過多次的整體軟硬件結(jié)合的調(diào)試，不斷地對(duì) 系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，機(jī)器人終于完成了各項(xiàng)功能。在安裝紅外裝置后，我們又大量使用 多種軟件方法來改進(jìn)機(jī)器人探測(cè)前方障礙物的精準(zhǔn)度。通過調(diào)節(jié)紅外的發(fā)射頻率， 采集多個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的準(zhǔn)確行走功能。在硬件設(shè)計(jì)中，大量比較各種元器件的 優(yōu)缺點(diǎn)，如 LM2940 的使用。 在此也感謝指導(dǎo)老師對(duì)我的指導(dǎo)和關(guān)心。相信在以后的學(xué)習(xí)和實(shí)踐中我會(huì)更加 努力，使使紅外避障機(jī)器人得到更充分的利用。謝謝！ 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 附 錄 附錄 A 元件列表 Description Designator

43、Footprint LibRef Quantity Polarized Capacitor (Radial) C12 CAPPR5-5x5 Cap Pol1 1 Polarized Capacitor (Radial) C13 CAPPR5-5x5 Cap Pol1 1 Capacitor C14 CC2012-0805 Cap 1 Capacitor C15 CC2012-0805 Cap 1 Capacitor C16 CC3216-1206 Cap 1 Capacitor C21 CC2012-0805 Cap 1 Capacitor C22 CC2012-0805 Cap 1 Capa

44、citor C23 CC2012-0805 Cap 1 Capacitor C25 CC2012-0805 Cap 1 Capacitor C27 CC2012-0805 Cap 1 Infrared LED DS1 RAD-0.1 IR LED 1 Infrared LED DS2 RAD-0.1 IR LED 1 Receptacle Assembly, 9 Position J1 DSUB1.385-2H9 D Connector 9 1 Header, 2-Pin P1 HDR1X2 Header 2 1 Header, 5-Pin, Dual row P2 HDR2X5 Header

45、 5X2H 1 NPN Bipolar Transistor Q1 BCY-W3 NPN 1 NPN Bipolar Transistor Q2 BCY-W3 NPN 1 Infrared Detect Device Q3 BCY-W3/B.8 IR DETECT 1 Infrared Detect Device Q4 BCY-W3/B.8 IR DETECT 1 Resistor R1 AXIAL-0.4 Res2 1 Resistor R2 AXIAL-0.4 Res2 1 Resistor R3 AXIAL-0.4 Res2 1 Resistor R4 AXIAL-0.4 Res2 1

46、華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 附 錄 Resistor R5 CC2012-0805 Res2 1 Resistor R7 CC2012-0805 Res2 1 Single-Pole,Single-Throw Switch S3 SPST-2 SW-SPST 1 Double-Pole, Single-Throw Switch S4 DPST-4 SW-DPST 1 80C518-Bit Flash U1 44A AT89S52 1 1A Low-Dropout Regulator U3 T03B LM2940CT-5.0 1 +5VPoweredRS-232Driver/Receiver U7 PE16A MAX232CPE 1 Crystal Oscillator Y1 BCY-W2/D3.1 XTAL 1 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 附 錄 附錄 B 華北水利水電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 附 錄 附錄 C