電腦鼠設(shè)計(jì)與制作——文檔資料

1、電腦鼠的設(shè)計(jì)與制作0序言0.1電腦鼠電腦鼠是機(jī)電一體化裝置，是使用微控制器、傳感器和機(jī)電運(yùn)動(dòng)部件構(gòu)成的一種智能行走裝置，是一種具有人工智能的小型機(jī)器人。電腦鼠可以在不同“迷宮”中自動(dòng)記憶和選擇路徑，采用相應(yīng)的算法，快速地達(dá)到所設(shè)定的目的地。集成了計(jì)算機(jī)、電子和機(jī)械、電機(jī)、自動(dòng)化和傳感器等技術(shù)，是真正具有獨(dú)創(chuàng)性的東西，其制作為學(xué)生提供了創(chuàng)意、制作、實(shí)現(xiàn)和展示的機(jī)會(huì)。必要的知識(shí)（可以百度）：（1）電子部分 電路設(shè)計(jì) 微處理器 傳感器（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)（3）算法設(shè)計(jì)0.2電腦鼠的設(shè)計(jì)目標(biāo)本項(xiàng)目要實(shí)現(xiàn)的是用電腦鼠找出迷宮中通往終點(diǎn)的最短路徑并以最快速度到達(dá)迷宮的終點(diǎn)。電腦鼠從迷宮起點(diǎn)位置前進(jìn)，由程序判斷通

2、過(guò)前視距離探測(cè)器探測(cè)到的迷宮狀況，控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)前進(jìn)或轉(zhuǎn)向并記錄路徑和距離（控制車輪編碼器可完成），由于起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置是已知的，雖然不知道具體路徑，但通過(guò)編寫(xiě)算法程序即可找到最短路徑，在重新開(kāi)始時(shí)便可以最快速度從最短路徑到達(dá)終點(diǎn)。設(shè)計(jì)的電腦鼠應(yīng)該具有三種最基本的能力： 擁有穩(wěn)定、準(zhǔn)確、快速的行走能力 能爭(zhēng)取判斷環(huán)境的能力（如有墻、有路） 記憶路徑的能力圖1 8*8迷宮布局圖總之，電腦鼠的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：在最短的時(shí)間內(nèi)找到一條通往總店的最短路徑，并以最快速度從起點(diǎn)到達(dá)終點(diǎn)。如何衡量：迷宮時(shí)間（搜索時(shí)間）：電腦鼠激活到每次運(yùn)行開(kāi)始的時(shí)間；注：搜索結(jié)束，從終點(diǎn)返回到起點(diǎn)的時(shí)間不算在迷宮時(shí)間內(nèi)；運(yùn)行時(shí)間

3、：電腦鼠從起點(diǎn)走到終點(diǎn)的時(shí)間；如果電腦鼠在比賽時(shí)需要手動(dòng)輔助，這個(gè)動(dòng)作就成為“碰觸”。若“碰觸”了，則需要失去10秒的獎(jiǎng)勵(lì)時(shí)間。比賽使用者三個(gè)參數(shù)，從速度、求解迷宮的效率和電腦鼠的可靠性三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行評(píng)分。成績(jī)=迷宮時(shí)間/30+運(yùn)行時(shí)間-獎(jiǎng)勵(lì)時(shí)間（非碰觸）例子：一個(gè)電腦鼠在迷宮中的搜索時(shí)間為4分鐘，沒(méi)有碰觸過(guò)，運(yùn)行時(shí)間使用了20秒，這次運(yùn)行的排障時(shí)間就是：20+（240×130）-10=18秒1.電腦鼠的構(gòu)成電腦鼠是指由車身、輪子、和相關(guān)軟件構(gòu)成。車體是電腦鼠最基本的架構(gòu)，它的設(shè)計(jì)在電腦鼠的整體規(guī)劃中戰(zhàn)友想到重要的地位，應(yīng)當(dāng)遵守整體結(jié)構(gòu)堅(jiān)固耐用、材質(zhì)輕、重心低的原則。在設(shè)計(jì)中，既要考

4、慮到符合各零件的規(guī)格，又要考慮到配合迷宮的規(guī)格。車體內(nèi)是由微控制器、前視距離探測(cè)器、車輪編碼器和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成的一個(gè)綜合的系統(tǒng)；其中微控制器加上程序就相當(dāng)于腦袋，前視距離探測(cè)器相當(dāng)于眼睛，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（車輪編碼器）相當(dāng)于腿。電腦鼠主要包括三部分：機(jī)械部分（執(zhí)行機(jī)構(gòu)）、電子控制裝置、軟件。圖2 電腦鼠總體結(jié)構(gòu)2.材料準(zhǔn)備2.1 機(jī)械部分承載底盤(pán)的選擇為了減輕重量，盡可能的減少慣性對(duì)電腦鼠行走的影響，可以直接采用電路板作為電腦鼠底盤(pán)。以電路板作為基板，可同時(shí)將機(jī)械部件和電子部件裝接于上面，簡(jiǎn)化電腦鼠硬件結(jié)構(gòu)，減輕電腦鼠重量。由于條件所限，實(shí)際制作時(shí)采用萬(wàn)用板做搭載底盤(pán)。理論上來(lái)說(shuō)，電腦鼠車體應(yīng)越小越好

5、，但是實(shí)際制作時(shí)機(jī)械部件不容易做得很小，因此車體的大小選擇只要合適即可。參照IEEE電腦鼠走迷宮競(jìng)賽的規(guī)則，迷宮格大小為18*18cm，選取底盤(pán)大小為迷宮格一半8*8cm左右。底盤(pán)是搭載機(jī)械與電子部件的基板，需要有一定的機(jī)械強(qiáng)度，不能選用通常使用的機(jī)械強(qiáng)度不高的紙基萬(wàn)用板，實(shí)際制作時(shí)采用9*15cm的玻纖萬(wàn)用板加工成8*8cm大小作為電腦鼠的搭載底盤(pán)。如圖1所示，是選用的9*15cm玻纖萬(wàn)用板實(shí)物圖。2.1.2電機(jī)的選擇可根據(jù)實(shí)際需要選擇直流電機(jī)、帶減速的直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等。不同的電機(jī)，其控制是不同的，本次選擇伺服電機(jī)。電腦鼠在探索迷宮的過(guò)程中需要知道當(dāng)前所處的位置，記憶每一個(gè)迷宮

6、格的通行狀況以及根據(jù)當(dāng)前所處的位置來(lái)進(jìn)行路徑選擇。由IEEE電腦鼠走迷宮競(jìng)賽規(guī)則可知每一個(gè)迷宮格大小是相同的，因此可以通過(guò)計(jì)算電腦鼠走的距離與方向來(lái)確定相對(duì)于起點(diǎn)的迷宮格位置?；谟?jì)算距離的考慮，在選擇電腦的驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)不能選用普通的直流電機(jī)，可選的電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)等都可以控制行走距離。相對(duì)來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電機(jī)的速度沒(méi)有伺服電機(jī)快，并且容易出現(xiàn)失步現(xiàn)象影響電腦鼠對(duì)位移距離的計(jì)算。因此在實(shí)際制作時(shí)，選用帶光電碼盤(pán)的伺服電機(jī)作為電腦鼠的驅(qū)動(dòng)。通過(guò)光電碼盤(pán)輸出脈沖的反饋，不僅可以計(jì)算電腦鼠行走距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)位置坐標(biāo)的確定，加上PWM調(diào)速和PID控制還可以對(duì)電腦鼠進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制讓電腦鼠完成復(fù)雜的動(dòng)作

7、。如圖3所示，是實(shí)際制作時(shí)選用的334線AB相伺服電機(jī)實(shí)物圖。圖3 334線AB相伺服電機(jī)實(shí)物圖移動(dòng)機(jī)構(gòu)（輪子）的選擇電腦鼠行走輪子分為驅(qū)動(dòng)輪和輔助輪兩類，驅(qū)動(dòng)輪直接由驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)力帶動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)與地面的摩擦力使得軸心相對(duì)于地面產(chǎn)生位移，從而帶動(dòng)整個(gè)底盤(pán)的運(yùn)動(dòng)。要求驅(qū)動(dòng)輪與地面要有一定的靜摩擦力，盡量采用與地面靜摩擦系數(shù)大的驅(qū)動(dòng)輪，減小打滑對(duì)電腦鼠位移計(jì)算的影響。為了使設(shè)計(jì)的電腦鼠具有更好的機(jī)械靈活性，基于降低重心的考慮，驅(qū)動(dòng)輪的直徑大小不能太大，使得難于降低底盤(pán)和地面的高度，造成重心過(guò)高。實(shí)際制作時(shí)選用成本較為低廉的直徑30mm的塑料輪外套橡膠圈作為電腦鼠驅(qū)動(dòng)輪。如圖4所示，是選用的電腦

8、鼠驅(qū)動(dòng)輪實(shí)物圖。圖4 驅(qū)動(dòng)輪實(shí)物圖整個(gè)車體僅由兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)，通過(guò)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的差速比來(lái)轉(zhuǎn)彎，調(diào)整電腦鼠行走方向。為了使電腦鼠可以很靈活原地轉(zhuǎn)彎，驅(qū)動(dòng)輪在底盤(pán)上的安裝位置應(yīng)靠近中間，將轉(zhuǎn)彎軸心設(shè)計(jì)在車體中心。很明顯只通過(guò)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪來(lái)支撐電腦鼠搭載底盤(pán)，是不能讓電腦鼠站穩(wěn)的。因此需要在底盤(pán)前后位置增加兩個(gè)輔助萬(wàn)向輪，使車體保持平穩(wěn)。如圖5所示，是選用的輔助輪實(shí)物圖，圖6為行走輪安裝圖。圖5 輔助輪實(shí)物圖驅(qū)動(dòng)輪輔助輪底盤(pán)圖6 行走輪安裝圖傳動(dòng)部件的選擇電機(jī)的動(dòng)力需要通過(guò)傳動(dòng)部件耦合到驅(qū)動(dòng)輪上，傳動(dòng)耦合方式有直接傳動(dòng)方式、齒輪傳動(dòng)方式、皮帶傳動(dòng)方式等。直接傳動(dòng)方式就是直接將電機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪通過(guò)聯(lián)軸器相連接

9、，直接帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，該方式具有耦合方便，相對(duì)于其他方式驅(qū)動(dòng)輪獲得的速度快的特點(diǎn)，但是電機(jī)的功率是一定的，速度快就意味著驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)力小，重量稍微重一點(diǎn)就會(huì)遇到驅(qū)動(dòng)力不足的問(wèn)題。采用齒輪傳動(dòng)方式可以減速，提高驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力，但對(duì)于實(shí)際制作來(lái)說(shuō)，齒輪耦合精度要求過(guò)高且不容易獲得合適的齒輪，制作難度較大。在實(shí)際制作是選用皮帶傳動(dòng)方式，具有安裝簡(jiǎn)單，噪音低等特點(diǎn)。如圖7所示，是選用的傳動(dòng)部件實(shí)物圖。圖7 傳動(dòng)部件實(shí)物圖2.2 電子部分電腦鼠的硬件電路結(jié)構(gòu)圖如下。單片機(jī)傳感器組5傳感器組4傳感器組3傳感器組2傳感器組138KHz載波發(fā)生器3-8譯碼選擇器顯示器蜂鳴器電機(jī)1電機(jī)2驅(qū)動(dòng)電路1驅(qū)動(dòng)電路2操作按

10、鍵圖8 硬件電路結(jié)構(gòu)框圖（1）微控制器微控制器是電腦鼠的核心，可以選擇單片機(jī)，若RAM需求量大或者算法復(fù)雜或者性能要求高時(shí)，需要使用ARM等高性能的微處理器。（2）傳感器傳感器的作用是用來(lái)感知環(huán)境，探測(cè)電腦鼠的左、前、右是否有路可走。本設(shè)計(jì)中采用的是紅外線方式，發(fā)射和接收分別受微控制器控制。由硬件電路部分結(jié)構(gòu)框圖可知，在電腦鼠的前、左、右、左前、右前方共有5組，其中左、右、前三組傳感器是用于探測(cè)電腦鼠在當(dāng)前迷宮格左、右、前三個(gè)方向上是否有支路的，左前、右前兩組傳感器呈45度安裝，用于電腦鼠行進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行姿態(tài)矯正，防止電腦鼠走偏而撞到迷宮墻。（3）顯示器顯示器是用來(lái)顯示當(dāng)前位置等相關(guān)信息的，是電

11、腦鼠的可選部分。（4）電源電源用來(lái)為單片機(jī)供電，選擇哪種電池，這也將影響電路的設(shè)計(jì)。（5）蜂鳴器當(dāng)電腦鼠到底終點(diǎn)、或是返回到起點(diǎn)，可以用蜂鳴器來(lái)提示，是電腦鼠的可選部分。2.3其它材料清單陶瓷電容，焊的時(shí)候沒(méi)有正負(fù)極之分：晶振，焊的時(shí)候同樣沒(méi)有正負(fù)極之分：電解電容，長(zhǎng)腳一端接正極：發(fā)光二極管，長(zhǎng)腳一端接正極：開(kāi)關(guān)的焊接：輕觸開(kāi)關(guān)，只需用焊錫將1處兩個(gè)腳用焊錫連接到，同理2處也要短接。然后AB對(duì)角接線接出去。2.4成品如下圖所示，是實(shí)際制作的電腦鼠。迷宮4角中的任意一個(gè)角作為電腦鼠運(yùn)行的起點(diǎn)（坐標(biāo)為0，0），起點(diǎn)的對(duì)角是電腦鼠要尋找的終點(diǎn)（坐標(biāo)為7，7）。對(duì)于有支路的情況，電腦鼠通過(guò)比較當(dāng)前坐標(biāo)

12、與終點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)確定選擇走那一條路。從起點(diǎn)到終點(diǎn)的路是不唯一的，要想找到最近的路，就需要盡可能多的對(duì)迷宮進(jìn)行搜索，探明迷宮布局情況，選擇一條最佳路徑。圖9 實(shí)際制作的電腦鼠3.電路設(shè)計(jì)3.0了解單片機(jī)選用AT89S52，低功耗高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的FLASH只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司之高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。單芯片上，擁有8位CPU及在

13、系統(tǒng)可編程FLASH，使AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效之解決方案。AT89S52之特點(diǎn)：40個(gè)引腳，8k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。AT89C52及AT89S52之別，在于C及S，C表示需用并行編程器下載（接線多且復(fù)雜），S表示可支持ISP下載，可在89S52系統(tǒng)板上面預(yù)留ISP下載接口。ISP下載線可方便地自制，一74H

14、C373，若干電阻，連接電腦并口就可用軟件將hex文件下載至89S52。相比較AT89C52及AT89S52，以方便計(jì)，選用AT89S52。各引腳說(shuō)明：圖10 AT89S52引腳圖 DIP封裝51單片機(jī)的8個(gè)特殊引腳l Vcc, GND: 40、20電源和接地端l XTAL1, XTAL2: 片內(nèi)振蕩電路輸入、輸出端，XTAL1，振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路之輸入端。XTAL2，振蕩器反相放大器之輸出端。l RESET: 復(fù)位端 正脈沖有效（寬度>10 mS）復(fù)位輸入。振蕩器工作時(shí)，RST引腳有兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。l EA/Vpp: 尋址外部ROM控制端。低有效，

15、片內(nèi)無(wú)ROM時(shí)必須接地；片內(nèi)有ROM時(shí)應(yīng)當(dāng)接高電平。要CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H-FFFFH），EA端須保持低電平（接地）。需注意：若加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。若EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器之指令。 FLASH存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。l ALE/PROG: 地址鎖存允許控制端/程序?qū)懭胼斎胍_。訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定之脈沖信號(hào)，故它可對(duì)外輸出時(shí)

16、鐘或用于定時(shí)目的。需注意：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。對(duì)FLASH存儲(chǔ)器編程期間，該引腳亦用于輸入編程脈沖（PROG）。若必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX及MOVC指令方能將ALE激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無(wú)效。l PSEN：是外部程序存儲(chǔ)器之讀選通信號(hào)，AT89S52由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖，在此期間，當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過(guò)兩次PSEN信號(hào)。 51單片機(jī)的4個(gè)8位的I/O口l P0.0P

17、0.7:8位數(shù)據(jù)口和輸出低8位地址復(fù)用口(復(fù)用時(shí)是雙向口；不復(fù)用時(shí)也是準(zhǔn)雙向口)。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫(xiě)“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口亦被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0不具有內(nèi)部上拉電阻。在FLASH編程時(shí)，P0口亦用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需外部上拉電阻。l P1.0P1.7: 通用I/O口（準(zhǔn)雙向口），有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì)P1 端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可作輸入口用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引

18、腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。對(duì)P1 端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可作輸入口用。作輸入用時(shí)，被外部拉低的引腳因內(nèi)部電阻，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0及P1.2分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2之外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）及時(shí)器/計(jì)數(shù)器2之觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），詳見(jiàn)表1所示。在flash編程及校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。 表1： 引腳號(hào)第二功能P1.0T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出P1.1T2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制）P1.5MOSI（在系統(tǒng)編程用）P1.6MISO（在系統(tǒng)編程用）P1.7SCK（在系

19、統(tǒng)編程用）l P2.0P2.7: 輸出高8位地址（用于尋址時(shí)是輸出口；不尋址時(shí)是準(zhǔn)雙向口），有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì)P2 端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可作輸入口。作輸入用時(shí)，被外部拉低的引腳因內(nèi)部電阻，將輸出電流（IIL）。 在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX DPTR） 時(shí)，P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在用8位地址（如MOVX RI）訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器之內(nèi)容。在FLASH編程及校驗(yàn)時(shí)，P2口亦接收高8位地址字節(jié)及一些控制信號(hào)

20、。® P3.0P3.7: 具有特定的第二功能（準(zhǔn)雙向口），有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，p3輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì)P3端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可用作輸入口。作輸入用時(shí)，被外部拉低的引腳因內(nèi)部電阻之原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）用，如表2所示。在FLASH編程及校驗(yàn)時(shí)，P3口亦接收些控制信號(hào)。此外，P3口亦接收些用于FLASH閃存編程及程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 表2 端口引腳第二功能P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD(串行輸出口)P3.2INTO(外中斷0)P3.3INT1(外中斷1)P3.4TO

21、(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0)P3.5T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1)P3.6WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通)P3.7RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)注意：（1）在不外擴(kuò)ROM/RAM時(shí)，P0P3均可作通用I/O口使用，而且都是準(zhǔn)雙向I/O口！（2）P0口需外接上拉電阻， P1P3 可接也可不接（3）在用作輸入時(shí) 都需要先置 ”1”3.1 電源電路向單片機(jī)供電。單片機(jī)電源：AT89S51單片機(jī)的工作電壓范圍：4.0V5.5V，所以通常給單片機(jī)外接5V直流電源。連接方式為：VCC(40腳）：接電源+5V端，VSS(20腳）：接電源地端。3.2 復(fù)位電路復(fù)位電路的作用是確定單片機(jī)工作的起始狀態(tài)，完成單片機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程。單片機(jī)接通

22、電源時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，完成單片機(jī)啟動(dòng)，確定單片機(jī)起始工作狀態(tài)。也可以手動(dòng)按鍵產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，完成單片機(jī)啟動(dòng)，確定單片機(jī)的初始狀態(tài)。通常在單片機(jī)工作出現(xiàn)混亂或“死機(jī)”時(shí)，使用手動(dòng)復(fù)位可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)“重啟”。圖11 單片機(jī)的復(fù)位電路3.3 時(shí)鐘電路（振蕩電路）單片機(jī)工作的時(shí)間基準(zhǔn)，決定單片機(jī)工作速度。時(shí)鐘電路就是振蕩電路，向單片機(jī)提供一個(gè)正弦波信號(hào)作為基準(zhǔn)，決定單片機(jī)的執(zhí)行速度。AT89S52單片機(jī)時(shí)鐘頻率范圍：0 33MHz。時(shí)鐘電路連接方式為：圖12 單片機(jī)的振蕩電路CPU都是按照一定的時(shí)鐘節(jié)拍與時(shí)序進(jìn)行工作：時(shí)鐘周期： Tc=晶振頻率fosc的倒數(shù)機(jī)器周期Tm=12個(gè)時(shí)鐘周期(Tc)(12分頻)指

23、令周期 Ti:執(zhí)行一條指令所需的機(jī)器周期(Tm)數(shù)例： 晶振頻率是24M 時(shí) 一個(gè)機(jī)器周期需要多長(zhǎng)時(shí)間？ Tc= 1/fosc=1/24Mhz Tm=12XTc =12X1/24Mhz = 0.5us 3.4 單片機(jī)外圍電路單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)如下圖，注意 20號(hào)腳GND 40號(hào)腳被隱藏。圖13 單片機(jī)外圍電路凡是電路圖上標(biāo)有VCC和都是指接到負(fù)極，凡是標(biāo)有3.7V的都是接到正極。3.4 傳感器組本電腦鼠設(shè)計(jì)有5組傳感器。這5組傳感器分別安裝于電腦鼠的左、左前、前、右前、右5個(gè)不同的方向，其中左、右、前三組傳感器是用于探測(cè)電腦鼠在當(dāng)前迷宮格左右前三個(gè)方向上是否有支路的，左前、右前兩組傳感器呈45

24、度安裝，用于電腦鼠行進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行姿態(tài)矯正，防止走偏而撞到迷宮墻。3.4.1 譯碼器由于單片機(jī)引腳有限，為了節(jié)約引腳接口，采用74HC138譯碼器將單片機(jī)的三位二進(jìn)制編碼譯碼為8位控制線，使用其中的5位控制線分別控制5個(gè)傳感器組的分時(shí)工作（采用分時(shí)檢測(cè)傳感器，主要為了防止多組傳感器之間的相互干擾）。通過(guò)單片機(jī)的P37、P13、P14分別為3-8譯碼選擇器的地址輸入A0、A1、A2，通過(guò)地址選擇對(duì)應(yīng)的傳感器組。 例如A0A1A2地址為000時(shí)，74HC138輸出Y0有效，從而使第一組傳感器工作，而其他組傳感器處于沒(méi)有工作的狀態(tài)。這樣就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的3個(gè)引腳控制5個(gè)或者更多的傳感器組。74HC13

25、8管腳圖：圖14 138譯碼器管腳圖74HC138功能表：由上表可見(jiàn)74HC138譯碼器輸出低電平有效。為增加譯碼器功能，除三個(gè)輸入端A0、A1、A2 外，還設(shè)置了S1、，使譯碼器具有較強(qiáng)的抗干擾能力且便于擴(kuò)展。當(dāng)S10時(shí)，不管其他輸入如何，電路輸出均為“1”，即無(wú)譯碼輸出；只有當(dāng)S11，且0時(shí)，譯碼器才處于允許工作狀態(tài)，輸出與輸入二進(jìn)制碼相對(duì)應(yīng)，如 A2 A1A0=110 時(shí)，Y6輸出低電平。如圖15所示，是硬件電路部分3-8譯碼選擇器電路。圖15 3-8譯碼選擇器電路3.4.2 載波發(fā)生器紅外傳感器是由紅外發(fā)射管和紅外一體化接收頭構(gòu)成的障礙檢測(cè)器。為了能夠讓傳感器組正常工作，紅外發(fā)射管需要

26、一個(gè)38KHz的方波來(lái)驅(qū)動(dòng)，使紅外發(fā)射管發(fā)射出調(diào)制頻率與接收頭接收頻率匹配的紅外光。如圖16所示，是產(chǎn)生38KHz方波的載波發(fā)生器電路。圖16 38KHz載波發(fā)生器電路3.4.3 傳感器電路傳感器電路由紅外發(fā)射LED和紅外一體化接收頭HS0038構(gòu)成，紅外LED由載波發(fā)生器產(chǎn)生的CLOCK信號(hào)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生38KHz紅外調(diào)制光。RP1為可調(diào)電阻，通過(guò)調(diào)節(jié)RP1來(lái)調(diào)節(jié)紅外LED發(fā)光強(qiáng)度，從而調(diào)整傳感器組檢測(cè)迷宮墻障礙物的距離，RP1電阻越大，檢測(cè)距離越近，電阻越小，檢測(cè)距離越遠(yuǎn)。irT1用于控制該組傳感器是否工作，連接到3-8譯碼選擇電路。紅外調(diào)制光經(jīng)障礙物反射由HS0038紅外一體化接收頭接收，進(jìn)行

27、放大濾波、解調(diào)等處理后由irR1輸出，單片機(jī)通過(guò)識(shí)別irR1位的高低電平來(lái)判斷傳感器前面是否有障礙物。圖17所示是傳感器1的電路，用于電腦鼠的環(huán)境感知，另外四組傳感器也與該組傳感器相同的。電腦鼠通過(guò)對(duì)這五組傳感器信息的融合，實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知功能。圖17 傳感器組電路3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由于單片機(jī)I/O口電流輸出能力有限，不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。為了能讓單片機(jī)控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，需要使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，將單片機(jī)I/O口弱電流放大到足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流。根據(jù)電機(jī)的型號(hào)，選用L9110電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L9110是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC之中，使外圍器件成本降

28、低，整機(jī)可靠性提高。該芯片有兩個(gè)TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，它具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，每通道能通過(guò)750800mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá)1.52.0A；同時(shí)它具有較低的輸出飽和壓降；內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流，使它在驅(qū)動(dòng)繼電器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或開(kāi)關(guān)功率管的使用上安全可靠。L9110被廣泛應(yīng)用于玩具汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)功率管等電路上。器件的管腳圖為：圖18 L9110管腳圖管腳定義如下：L9110的邏輯關(guān)系表如表1所示。表1 L9110邏輯關(guān)系表IAIBOAOBHLHL正轉(zhuǎn)LHLH反轉(zhuǎn)LLLL停

29、止HHLL停止應(yīng)用電路圖如下：圖19 L9110連接方式通過(guò)L9110驅(qū)動(dòng)芯片IA、IB輸入的邏輯值的組合，可以控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)。單片機(jī)輸出P2.0、P2.1、P2.2、P2.3是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制輸入，ML1、MR1、ML2、MR2是左右兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制引腳，為提高電流驅(qū)動(dòng)能力，分別接入2K的上拉電阻。如圖20所示，是用來(lái)驅(qū)動(dòng)電腦鼠的左電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，右電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和這個(gè)也是一樣的。ML為左電機(jī)，1、2腳是電機(jī)組繞，與驅(qū)動(dòng)芯片L9110輸出相連。3腳是電機(jī)光電碼盤(pán)A相脈沖輸出，連接到單片機(jī)的T1定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外部計(jì)數(shù)引腳，通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)算電機(jī)角位移和速度。圖20 驅(qū)動(dòng)電路如圖21所

30、示，是選用的伺服電機(jī)接口圖,其引腳與驅(qū)動(dòng)電路中的引腳編號(hào)一一對(duì)應(yīng)。圖21 左電機(jī)接口圖（ML，PH2.0-6P）3.6 顯示器（可選）電腦鼠可以通過(guò)液晶顯示屏來(lái)顯示相關(guān)信息。設(shè)計(jì)時(shí)使用SMC1602A型號(hào)的字符型液晶顯示器SMC1602A可以顯示2行字符，每行16個(gè)字符，顯示容量為16×2個(gè)字符。（1）SMC1602A的引腳及功能圖22 SMC1602A管腳圖Ø D0D7：I/O數(shù)據(jù)傳輸線；Ø RS：數(shù)據(jù)(1)/指令(0)寄存器選擇端；Ø R/W：讀(1)/寫(xiě)(0)選擇端；Ø E：使能信號(hào)，下降沿觸發(fā)；Ø VSS、VDD：電源地、電源

31、正；Ø VL：液晶顯示偏壓信號(hào)；Ø BLA、BLK：背光源正極、負(fù)極；本電腦鼠的顯示連接方式如下，通過(guò)單片機(jī)P0口傳送數(shù)據(jù)。圖23 SMC1602A連接圖可以查閱1602液晶顯示器相關(guān)資料，顯示字符。3.7 蜂鳴器（可選）要求電腦鼠通過(guò)循跡到達(dá)終點(diǎn)后，蜂鳴器發(fā)出提示音，說(shuō)明找到終點(diǎn)，當(dāng)返回到起點(diǎn)后，也發(fā)出提示音，最后再一次沖刺到終點(diǎn)后發(fā)出提示音后停止。提示音可以通過(guò)蜂鳴器來(lái)實(shí)現(xiàn)。需要通過(guò)三極管8550驅(qū)動(dòng)放大。三極管8550是電子電路中常用到的小功率PNP型硅晶體三極管。很多放大電路中都要用到。三極管的基本作用是放大電信號(hào)。圖24三極管8550管腳圖圖25貼片smt封裝的8

32、550三極管引腳圖三極管工作在放大狀態(tài)的外部條件是：發(fā)射結(jié)加正向電壓，集電結(jié)加反向電壓。三極管的連接方法：圖26 三極管的連接方法本電腦鼠設(shè)計(jì)中有源蜂鳴器通過(guò)單片機(jī)的P2.4引腳控制(SPEAK引腳)，靠三極管8550驅(qū)動(dòng)放大。發(fā)射極接蜂鳴器，集電極接地，基極接單片機(jī)的speak信號(hào)輸出。圖27 蜂鳴器的連接3.8 電腦鼠的整體電路圖圖28 電腦鼠的整體電路圖4.軟件設(shè)計(jì)4.1 迷宮形狀參照IEEE電腦鼠走迷宮競(jìng)賽的規(guī)則，迷宮為8*8，迷宮格大小為18*18cm，選取電腦鼠底盤(pán)大小為迷宮格一半8*8cm左右。圖29 迷宮形狀4.2 算法流程如圖30所示，是電腦鼠主程序流程圖。啟動(dòng)按鍵按下后，電

33、腦鼠啟動(dòng)，然后根據(jù)設(shè)定的終點(diǎn)坐標(biāo)，探索迷宮，通過(guò)到達(dá)終點(diǎn)子程序找到終點(diǎn)后，蜂鳴器發(fā)出提示音，說(shuō)明找到終點(diǎn)。之后電腦鼠根據(jù)記憶通過(guò)返回起點(diǎn)子程序按原路返回起點(diǎn)，不再去走走不通的路。電腦鼠到達(dá)起點(diǎn)后，調(diào)用沖刺子程序立即掉頭，根據(jù)先前探索階段記憶下的路徑?jīng)_刺到終點(diǎn)后停止，完成電腦鼠走迷宮。開(kāi)始初始化按下啟動(dòng)？設(shè)定終點(diǎn)坐標(biāo)到達(dá)終點(diǎn)蜂鳴器提示返回起點(diǎn)沖刺結(jié)束YN圖30 主程序流程圖4.1.1到達(dá)終點(diǎn)子程序如圖31所示，是電腦鼠到達(dá)終點(diǎn)子程序流程圖。電腦鼠到達(dá)終點(diǎn)子程序就是根據(jù)設(shè)定的終點(diǎn)坐標(biāo)，采用一定的規(guī)則不斷的去搜索迷宮，直到找到一條通往終點(diǎn)的路為止。如下流程圖所示，電腦鼠每走一格就將當(dāng)前坐標(biāo)與終點(diǎn)坐標(biāo)

34、進(jìn)行比對(duì)，如果比對(duì)相同說(shuō)明找到終點(diǎn)子程序退出返回，不相同則繼續(xù)探索迷宮，判斷當(dāng)前坐標(biāo)格是否走過(guò)，對(duì)于沒(méi)有走過(guò)的迷宮格采用向心法則選路。對(duì)于走過(guò)的迷宮格，選一個(gè)未走過(guò)的方向進(jìn)行探索或返回上一個(gè)路口探索。如果所有路都走不通，使電腦鼠返回到了起點(diǎn)，則電腦鼠蜂鳴器提示目的坐標(biāo)不可到達(dá)。開(kāi)始當(dāng)前坐標(biāo)是終點(diǎn)？返回當(dāng)前坐標(biāo)走過(guò)？向心法則選路返回上一個(gè)路口有未走過(guò)方向？走未走過(guò)的方向當(dāng)前坐標(biāo)是起點(diǎn)？報(bào)告目標(biāo)不可達(dá)返回NYNYNYNY圖31 到達(dá)終點(diǎn)子程序流程圖4.1.2返回起點(diǎn)子程序如圖32所示，是電腦鼠到達(dá)終點(diǎn)后，返回起點(diǎn)的子程序流程圖。電腦鼠根據(jù)當(dāng)前迷宮格所在的坐標(biāo)查找探索迷宮時(shí)記憶下的當(dāng)前坐標(biāo)第一次的進(jìn)

35、入方向，用電腦鼠的當(dāng)前方向和進(jìn)入方向進(jìn)行方向運(yùn)算，得到轉(zhuǎn)向進(jìn)入方向的動(dòng)作，電腦鼠執(zhí)行這個(gè)動(dòng)作就可以轉(zhuǎn)向第一次進(jìn)入該坐標(biāo)格的方向，再走一格后就返回了一步，依據(jù)電腦鼠移動(dòng)方向每走一格更新一次坐標(biāo)，一步一步的返回，直到回到坐標(biāo)原點(diǎn)，子程序返回退出。開(kāi)始查當(dāng)前坐標(biāo)進(jìn)入方向當(dāng)前坐標(biāo)是起點(diǎn)？轉(zhuǎn)向進(jìn)入方向走一格返回YN更新坐標(biāo)圖32 返回起點(diǎn)子程序流程圖4.1.3沖刺子程序如圖33所示，是電腦鼠回到起點(diǎn)后，從起點(diǎn)到終點(diǎn)的沖刺子程序流程圖。其流程與返回到起點(diǎn)子程序流程差不多，只不過(guò)在沖刺時(shí)是根據(jù)當(dāng)前坐標(biāo)最后一次出去方向來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)向的。首先電腦鼠根據(jù)當(dāng)前迷宮格坐標(biāo)在迷宮搜索階段記憶下的最后一次出去方向來(lái)確定通往終

36、點(diǎn)的路怎么走，然后向前走一格并更新坐標(biāo)，反復(fù)的執(zhí)行查詢方向、轉(zhuǎn)向、走一格、更新坐標(biāo)、直到電腦鼠沖刺到終點(diǎn)為止。對(duì)于最后一次出去方向，如果電腦鼠探索路口某一個(gè)方向走不通，返回走另外一條路時(shí)，則會(huì)將最后一次出去方向更新為另外這條路的方向。因此只要電腦鼠找到終點(diǎn)，則最后一次出去方向就是通往終點(diǎn)的方向。這樣電腦鼠按最后一次出去方向走，在沖刺的時(shí)候就不會(huì)再去走那些走不通的死胡同了，自己走通往終點(diǎn)的路，到達(dá)終點(diǎn)，完成沖刺。開(kāi)始查當(dāng)前坐標(biāo)最后一次出去方向當(dāng)前坐標(biāo)是終點(diǎn)？轉(zhuǎn)向出去方向走一格返回YN更新坐標(biāo)圖33 沖刺子程序流程圖4.3怎樣判斷電腦鼠的位置迷宮隔墻構(gòu)成的通道寬度為18厘米，通常所制作的電腦鼠的寬

37、度為8厘米左右。在這種情況下，如果電腦鼠行進(jìn)在通道中央，其邊緣與迷宮隔墻間的距離在34厘米左右；如果偏離了，那么一邊的距離會(huì)增加，另一邊的距離會(huì)減少。通過(guò)安裝在電腦鼠上的傳感器能夠快速準(zhǔn)確地測(cè)量這些距離信息，以便不斷地調(diào)整電腦鼠的行進(jìn)方向。使用紅外LED管測(cè)距時(shí)，發(fā)射管和接收管平行安裝在電腦鼠的前方或左右方。當(dāng)發(fā)送管發(fā)射的紅外光線遇到迷宮隔墻后，紅外光線發(fā)生反射并被接收管所接收。接收管收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓，它和電腦鼠與迷宮隔墻之間的距離有確切的對(duì)應(yīng)關(guān)系。檢測(cè)該輸出電壓的大小就可以測(cè)定電腦鼠與迷宮隔墻之間的距離。4.4怎樣判斷電腦鼠偏離了直線前進(jìn)方向首先設(shè)定電腦鼠離左右墻的安全距離，由于各電腦鼠

38、在硬件方面有一定的差異，所得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)也有一定的差異，那么安全距離的設(shè)定大家可以根據(jù)自己的電腦鼠進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。當(dāng)然左右的安全距離也可以設(shè)定為不一樣的值，只要能保證電腦鼠前進(jìn)的時(shí)候能走直線，而不撞到墻就可以了。如圖所示：讀出左前方LED的數(shù)據(jù)之后用來(lái)跟左邊安全距離比較，當(dāng)偏向左邊的時(shí)就要修正電腦鼠的位置了，我們可以通過(guò)減慢右邊輪子的速度來(lái)調(diào)整電腦鼠的位置。接著就讀出右前方LED的數(shù)據(jù)之后用來(lái)跟右邊安全距離比較，當(dāng)偏向右邊的時(shí)就要修正電腦鼠的位置了，我們可以通過(guò)減慢左邊輪子的速度來(lái)調(diào)整電腦鼠的位置。4.5怎樣判斷電腦鼠前面有無(wú)障礙物和怎樣判斷左右轉(zhuǎn)當(dāng)電腦鼠前面障礙物已經(jīng)在安全距離之內(nèi)時(shí)，電腦鼠

39、必須要減速，并尋找左右是否有出口，判斷的方法：當(dāng)電腦鼠離墻的距離小于安全距離（設(shè)為5CM）時(shí)，即L1<5CM，那么說(shuō)明電腦鼠前面有墻，此時(shí)電腦鼠要轉(zhuǎn)彎或掉頭返回。 判斷左右是否有出口：如圖所示假設(shè)電腦鼠右邊有墻（用綠色線表示），距離為L(zhǎng)4，電腦鼠右邊沒(méi)墻時(shí)距離為L(zhǎng)3（用紅色線表示）；很明顯L3>L4.判斷的依據(jù)我想大家也很明白了吧。我們只要設(shè)定一個(gè)轉(zhuǎn)彎距離值，超過(guò)這個(gè)距離值，我們就可以判斷有出口。前面的安全距離可以根據(jù)你自己設(shè)定的電腦鼠的速度來(lái)決定，速度越快那么所設(shè)定的安全距離越遠(yuǎn)，反之越近。判斷左右轉(zhuǎn)彎的距離當(dāng)然要比你所設(shè)定的左右安全距離要大。這個(gè)大家可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)慢慢體會(huì)。4.

40、6怎樣來(lái)控制速度4.7 轉(zhuǎn)彎原則轉(zhuǎn)彎方法有很多種，下面筆者將為大家講述轉(zhuǎn)彎的幾種常用方法。圖示1：圖示1解說(shuō)：電腦鼠到轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，停下來(lái)作90度原地轉(zhuǎn)-前進(jìn)。向左轉(zhuǎn)的話左邊輪子反轉(zhuǎn)，右邊輪子正轉(zhuǎn)。向右轉(zhuǎn)的話右邊輪子反轉(zhuǎn)，左邊輪子正轉(zhuǎn)。左右輪子速度一樣。流程圖為：怎樣判斷是否已經(jīng)轉(zhuǎn)過(guò)90度：電腦鼠轉(zhuǎn)90度，就相當(dāng)于車輪轉(zhuǎn)半圈。車輪編碼器平均分為26等份，車輪轉(zhuǎn)一圈就是13個(gè)正弦周期，轉(zhuǎn)半圈就是6.5個(gè)正弦周期。通過(guò)車輪左右兩邊的紅外檢測(cè)管就可以獲得車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)情況。檢測(cè)到左右輪已經(jīng)有6.5個(gè)正弦周期了的話就說(shuō)明已經(jīng)轉(zhuǎn)彎成功了。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)彎速度太慢。圖示2：圖示2解說(shuō)：一邊轉(zhuǎn)彎一邊前進(jìn)。向右轉(zhuǎn)的話就把右邊輪子的速度調(diào)慢，左邊的輪子速度快。向左轉(zhuǎn)的話就把左邊輪子的速度調(diào)慢，右邊的輪子速度快。流程圖為（以左轉(zhuǎn)為例）：怎樣判斷是否已經(jīng)轉(zhuǎn)彎成功： 左轉(zhuǎn)的話可以通過(guò)對(duì)左前方墻壁到電腦鼠的距離來(lái)判斷是否已轉(zhuǎn)彎成功