基于單片機的運水機器人設(shè)計論文（C語言）

1、 某某某某大學(xué) xxxxx xxxxxxx universityxxxxxx學(xué)院電子綜合實踐姓名 題目 運水機器人 目錄、設(shè)計任務(wù)與要求41.1 基本設(shè)計任務(wù)41.2 控制設(shè)計任務(wù)41.3 軟件設(shè)計任務(wù)5、方案設(shè)計與論證52.1 電源方案52.2 驅(qū)動電路方案52.3 距離控制方案5、總體設(shè)計63.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計63.1.1 探測傳感器模塊63.1.2 電機驅(qū)動模塊83.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計83.2.1 軟件計時的分析與計算83.2.3 系統(tǒng)軟件流程圖9、測試結(jié)果及結(jié)果分析94.1 測試儀器及工具94.2 測試步驟94.2.1 預(yù)備工作94.2.2 正式測試104.3 測試結(jié)果104.4 測

2、試結(jié)果分析10、創(chuàng)新點115.1 添加計時模塊115.2 實用性11、總結(jié)與心得11參考文獻11附件一：參考程序12附件二：總原理圖15附件三：元器件清單16摘要：命題要求設(shè)計自動運水機器人。本設(shè)計是以stc89c52單片機為核心器件，應(yīng)用紅外開關(guān)，直流電機等器件，實現(xiàn)命題要求。經(jīng)過測試，該機器人達到所有命題所要求的技術(shù)指標。在此基礎(chǔ)之上，本設(shè)計添加了計時模塊，使設(shè)計更具實用性。關(guān)鍵詞：運水；電機驅(qū)動；探測傳感器運水機器人、設(shè)計任務(wù)與要求本任務(wù)為f題：運水機器人。設(shè)計任務(wù)具體內(nèi)容如下：圖1-1 參考圖圖1-2 路線圖1.1 基本設(shè)計任務(wù)依據(jù)命題題意，本設(shè)計采用直流電機帶輪式小車帶實現(xiàn)機器人的運

3、動。機器人上面要裝有盛水容器，以便完成在ac之間的運水任務(wù)。當紅外光電開關(guān)探測到黑色邊線的時候停止小車運動，小車停在a區(qū)是通過手動控制小車重新運動，小車停在c區(qū)通過軟件延時控制小車重新運動，這樣達到循環(huán)運動，進而完成運水任務(wù)。1.2 控制設(shè)計任務(wù)由于本設(shè)計采用手動完成整個過程中的裝水、卸水任務(wù)，因此控制任務(wù)即為控制ac之間的距離。這里通過紅外光電開關(guān)掃描是否達到黑色邊線，即為判斷是否達到題目要求的2000mm（黑色邊線即為圖1-2中的起始/返回邊線），通過與軟件配合，以完成要求。1.3 軟件設(shè)計任務(wù)機器人的所有動作由都要由軟件控制實現(xiàn)。用軟件對紅外開關(guān)掃描所得信號進行對比，以控制直流電機的停止

4、/正反轉(zhuǎn)。通過軟件對按鍵的識別控制硬件啟動。用軟件來控制時間顯示模塊的計數(shù)周期。、方案設(shè)計與論證 本設(shè)計主要需要完成運水小車在ac之間運水任務(wù)。利用紅外光電開關(guān)對由黑色電膠布制作的起始/返回邊線進行探測，再通過軟件的配合，對探測結(jié)果進行分析，并控制小車車輪的停止/正反轉(zhuǎn)，讓小車在ac之間固定距離內(nèi)行進。通過單片機與軟件的集合對時間顯示模塊進行控制，達到顯示時間的任務(wù)。2.1 電源選擇方案方案一：采用雙電源供電，在設(shè)計中，將cpu電源和電機驅(qū)動電源完全靠光電耦合器隔離，這樣電機啟動時的沖擊信號就不會對cpu有影響，增加了系統(tǒng)的可靠性。缺點是電路設(shè)計復(fù)雜，電路成本較高。設(shè)計要求較低，且此方案較為復(fù)

5、雜、成本高，故放棄。方案二：采用單電源供電，電機的驅(qū)動和cpu邏輯控制電源采用同一個電源。該方案設(shè)計簡單，而且成本較低，缺點是電機啟動的瞬間電流過大，容易對上一級電路產(chǎn)生沖擊，電路的穩(wěn)定性不好。這個方案已經(jīng)可以滿足實驗的要求了，采用此方案。2.2 驅(qū)動電路選擇方案方案一：采用三極管驅(qū)動電機，濾波效果好，在單片機跟電機共用一個電源，在電流較高的情況下，單片機仍能不受干擾而正常工作。優(yōu)點：電路壓降較小，所以在大電流的情況下，發(fā)熱很小。缺點：電路連接較為復(fù)雜，驅(qū)動功率較小，不適于大功率驅(qū)動。該驅(qū)動電路的功率不能滿足要求，故放棄此方案。方案二：使用專用芯片l298所組成的電機驅(qū)動電路。驅(qū)動芯片l298

6、是驅(qū)動步進電機的專用芯片，我們利用它內(nèi)部的橋式電路來驅(qū)動直流電機。優(yōu)點：控制比較簡單，電路簡單，集成芯片簡化了電路的復(fù)雜性，驅(qū)動功率大。缺點：電路發(fā)熱較大，成本略高。結(jié)合作品要求，采用此方案。2.3 距離控制方案方案一：直接采用軟件控制距離，即：根據(jù)小車的平均速度設(shè)定相應(yīng)前進/后退時間，達到控制前行/后退目的。優(yōu)點：無需其他硬件支持，節(jié)約成本，制作簡單。缺點：不易自動控制，距離控制不精確，多次循環(huán)后會導(dǎo)致小車偏離預(yù)定路徑?？紤]到設(shè)計要求的距離控制精度較高，放棄此方案。方案二：采用光電傳感器根據(jù)固定在地面上的兩個邊線的探測（如：固定在地面的兩條黑色膠帶）進行探測，通過固定邊線之間的距離來達到距離

7、控制的距離的目的，進而達到要求。缺點：增加成本，增加軟件設(shè)計難度，制作較為困難。優(yōu)點：距離控制精確，易于自動控制。由于本設(shè)計對距離有較高的要求，故采用此方案。、總體設(shè)計光電探頭at89c52按鍵電機驅(qū)動時間顯示經(jīng)過對各個方案分析比較，最終確定總方案如圖3-1所示。該系統(tǒng)所有模塊都由主單片機控制。其中，設(shè)計各個模塊，包括單片機、顯示模塊、電機驅(qū)動、光電探測由四節(jié)aa電池供電。電機驅(qū)動采用l298驅(qū)動芯片控制。用光電傳感器對邊線的探測來控制距離。通過單片機的機器周期計算時間計數(shù)周期，以達到計時目的。圖3-1 系統(tǒng)方案圖3.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1.1 探測傳感器探測傳感器采用cny-70反射式光

8、電開關(guān)。紅外線光電開關(guān)屬于光電接近開關(guān)，它利用被測物體對紅外光束的遮光或反射，對所有能反射光線的物體均可檢測，根據(jù)檢測方式的不同，分為漫反射式、鏡反射式、對射式、槽式、光纖式光電開關(guān)等。圖3-2為cny-70的輸入輸出特性曲線：圖3-2 cny70特性曲線從圖3-2可以看出，隨著發(fā)光管電流逐漸增加，輸出電流逐漸變大，因此我們選擇輸入電流為20ma。cny-70的發(fā)光管的導(dǎo)通壓降大約為1.5v，輸入電壓選擇5v，因此電阻我們選擇200。圖3-3 探測傳感器通過電壓比較器，將傳感器的輸出電壓轉(zhuǎn)換成邏輯電平，通過單片機判斷探測是否有黑線，然后通過軟件調(diào)整，使小車能夠完成b區(qū)的動作。由于cny-70受

9、自然光影響，因此在使用時比較器比較電壓采用電位器調(diào)節(jié)，通過手動調(diào)節(jié)適應(yīng)不同的光照環(huán)境。3.1.2 電機驅(qū)動模塊l298 芯片是一種高電壓、大電流、高功率驅(qū)動器，其設(shè)計是為接受標準ttl邏輯電平信號和驅(qū)動電感負載的，例如繼電器、圓筒形線圈、直流電動機和步進電動機。每橋的三級管的射極是連接在一起的， 相應(yīng)外接線端可用來連接外設(shè)傳感電阻?？砂仓昧硪惠斎腚娫?，使邏輯能在低電壓下工作。l298 芯片是具有15 個引出腳的多瓦數(shù)直插式封裝的集成芯片。圖3-4 電機驅(qū)動模塊3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計3.2.1 軟件計時的分析與計算單片機內(nèi)部定時器有4種工作模式，方式0是13位計數(shù)器，由于計時時間過短，中斷頻率高，

10、所以不選用此模式；方式2是自動重裝式計數(shù)器，是8位計數(shù)器，同樣中斷頻率過高；方式3也是8位計數(shù)器；方式1是16位計數(shù)器，綜合考慮，選用方式1做精確計時。由于51單片機是12分頻，因此機器周期=晶振頻率/12。在該設(shè)計中，選用頻率為12mhz的晶振，因此機器周期=1s。定時1s需要1000000個機器周期，因此通過20次定時器中斷完成1s的定時，每次完成50000個周期的定時，因此每次給定時器的初值應(yīng)該是th0=b0h,tl0=3ch。3.2.3 系統(tǒng)軟件流程圖注：d為電機轉(zhuǎn)動方向標記。圖3-5 系統(tǒng)流程圖、測試結(jié)果及結(jié)果分析4.1 測試儀器及工具測試儀器及工具： 100ml量筒兩個，卷尺（兩米

11、以上）一把，黑色電膠布一卷，大號水桶兩個，水量充足。4.2 測試步驟4.2.1 測試前預(yù)備工作、用卷尺在地面標出兩米距離，并用黑色電膠布在兩米的兩端各粘貼一條縱邊線。、將水桶裝滿水，置于a端，量筒也置于a端，空水桶置于另外c端。、根據(jù)測試場地光照條件，將小車的探測器調(diào)試到最佳狀態(tài)。4.2.2 正式測試、將小車置于初試邊線，即有水的水桶的一端，啟動小車電源。、用量筒量取100ml水置于小車上的水杯里。按下出發(fā)鍵，同時秒表開始計時。小車從a端，經(jīng)過b區(qū)域到c端停止。、小車在c端停止后，數(shù)碼管顯示卸水倒計時8s，此時，取下車上的水，倒入空桶內(nèi)，并將水杯放回小車，8s結(jié)束后，小車返回，數(shù)碼管顯示小車前

12、進時間與卸水時間（8s）之和，并在此基礎(chǔ)上繼續(xù)計時。、小車返回a端后，秒表停止計時。、循環(huán)-步驟若干次。、關(guān)閉電源，清空水杯中的水。清理測試現(xiàn)場。4.3 測試結(jié)果如下表 項目趟次小車顯示運行一個周期時間（s）實際運行一個周期時間（s）運水量(ml)第一趟14s14.56s100ml第二趟14s14.23s100ml第三趟15s15.19s100ml第四趟14s14.86s100ml第五趟14s14.35s100ml第六趟14s14.66s100ml第七趟14s14.85s100ml第八趟15s14.88s100ml第九趟15s15.26s100ml第十趟14s14.79s100ml表4-1 調(diào)

13、試結(jié)果4.4 測試結(jié)果分析通過對測試數(shù)據(jù)的分析，可以看出，小車已經(jīng)實現(xiàn)了在abcba區(qū)域較為穩(wěn)定的循環(huán)運水過程，即小車已經(jīng)實現(xiàn)了題目所給出的所有要求。另外，小車顯示每周期時間與實際每周期所用時間誤差小于1s，達到了額外添加計時模塊的目的。通過計算，可得出小車的平均速度為0.63m/s，單位時間運水量大約為7ml/s。、創(chuàng)新點5.1 添加計時模塊在題目要求之外，本設(shè)計增加了周期計時裝置，在此基礎(chǔ)上，若通過進一步改進，可自動顯示小車平均速度。據(jù)此又可以在沒有其他額外裝置的情況下大概知道電池電量(事先測量好小車在不同電量情況下的速度，并畫出不同電量對應(yīng)不同速度的曲線圖，用實測速度與此曲線圖對比可知大

14、概電量)。另外，通過簡單計算，還達到了計算單位時間運水量的目的。5.2 實用性、將該設(shè)計用于餐廳、酒吧等餐飲場所，所用于傳菜、續(xù)杯等較為簡單的服務(wù)。既可增加娛樂性和趣味性，亦可節(jié)省雇員成本。、用該設(shè)計取代某些高功耗、高壓電機帶動的傳送帶，降低能耗，增加安全系數(shù)。、總結(jié)與心得通過對該作品的制作，了解了各個模塊之間相互協(xié)同工作的重要性，初步掌握如何控制好各個模塊之間的關(guān)系。通過對探測傳感器的使用，了解了傳感器在設(shè)計中的重要作用，有益于對傳感器的進一步學(xué)習(xí)。本次電子綜合實踐也鍛煉了我們的動手能力，但最重要的是鍛煉了如何解決問題的能力。參考文獻：1、胡漢才.單片機原理及其接口技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社

15、，20052、閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，20013、童詩白 華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ).北京：高等教育出版社，20014、郁有文等.傳感器原理及工程應(yīng)用.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008附件一：參考程序如下：16#include #define segport0 p2#define segport1 p0#define motor_port p3#define front_sensor p1_4#define back_sensor p1_5#define start_button p1_7#define stop_time 8 /卸水延時#define t_h (65

16、536-50000)/256#define t_l (65536-50000)%256/電機操作指令#define stop_motor 0x00#define run_forward 0x05#define run_back 0x0aunsigned char code disptab=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40;/顯示譯碼unsigned char count=0;/中斷計數(shù)unsigned char min=0;unsigned char sec=0;unsigned char min_s;unsigned

17、 char sec_s;unsigned char success=0; /完成階段標志bit input;bit direction=0;bit showflag=1;/*延時1ms*/void delay_ms(void)unsigned char i,j;for(i=5;i0;i-)for(j=98;j0;j-);/*延時n個ms*/void delay_nms(unsigned int t)for(;t0;t-)delay_ms();/*定時器初始化*/void timer_init()th0=t_h;tl0=t_l;tmod=0x01;et0=1;ea=1;tr0=0;/并不啟動定時

18、器/*外圍硬件初始化*/void device_init()count=0;min=0;sec=0;success=0;direction=0;showflag=1;segport0=disptabsec%10;/顯示初始化值segport1=disptabmin%10;p3=stop_motor; /停止馬達/*時鐘中斷子程*/void timer() interrupt 1 th0=t_h;tl0=t_l;count+;if(showflag=1)segport0=disptabsec%10;segport1=disptabmin%10;if(count=20)count=0; sec+;

19、 if(sec=10) sec=0;min+;if(min=10)min=0;/*主函數(shù)*/void main(void)device_init();timer_init();/檢測啟動按鍵是否按下while(1)start_button=0;input=start_button;if(input)delay_nms(5);input=start_button;if(input)success=1;direction=0;break;tr0=1;delay_nms(1000);/待命延時motor_port=run_forward;/檢測start 鍵完成啟動馬達前進delay_nms(1000);/屏蔽起始黑線的檢測while(1) switch(success) case 1: front_sensor=0; /檢測前面的傳感器if(front_sensor=1)/已經(jīng)檢測到前面?zhèn)鞲衅鬟^線 則開始檢測后面的傳感器success=(direction)? 0:2;if(success=0)/返回時 前輪過線 則停止 motor_port=stop_motor; tr0=0; else success=direction? 1:1;break