18 朱杰 避障機器人技術(shù)報告

1、 壁 障 小 車 技 術(shù) 報 告學(xué) 校： 江蘇城市職業(yè)學(xué)院班 級： 09應(yīng)用電子1班姓 名： 朱杰學(xué) 號： 18 目 錄摘 要I第一章 引 言1 設(shè)計背景介紹11.2 本文章節(jié)安排及文獻綜述2第二章 方案選擇52.2 C8051F360微處理器7第三章 硬件介紹20第四章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計194.1 車模組裝與改造194.1.1 車模組裝194 前輪定位的調(diào)整194.1.3 差速的調(diào)整204.1.4 電路板的固定與安裝20第五章 硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)315.1 電源模塊315.2 電機模塊32第六章 軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)556.1 系統(tǒng)初始化55第七章 開發(fā)與調(diào)試617.1 軟件開發(fā)環(huán)境介紹617.2

2、 小車車整體調(diào)試61第八章 結(jié)論63 總結(jié)63 展望63參考文獻I附錄A：C8051F360 封裝管腳圖及信號說明48-Pin TQFPI摘 要此文基于我們所學(xué)的單片機、嵌入式控制及紅外傳感等相關(guān)知識，設(shè)計一個可以自動壁障的機器人。學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用技術(shù)，應(yīng)該是在基于某種嵌入式微處理器核的系統(tǒng)芯片應(yīng)用平臺上進行。鑒于CIP-51系列處理器核的優(yōu)良特性及其在業(yè)界的廣泛應(yīng)用狀況，并結(jié)合使用基于機器人工程驅(qū)動的嵌入式實訓(xùn)平臺的需要，本節(jié)對如何構(gòu)造CIP-51嵌入式開發(fā)環(huán)境等根本情況進行介紹。第一章 引 言 設(shè)計背景介紹機器人作為機械電子學(xué)、計算機技術(shù)、人工智能等的典型載體被廣泛地用來作為工科生

3、的講授課程之一；模型機器人那么逐漸成為素質(zhì)教育，技能實踐的選題之一，各種機器人比賽正蓬勃開展。于信息技術(shù)教育與機器人教育的過程中發(fā)現(xiàn)，智能機器人涉及了信息技術(shù)的幾乎所有內(nèi)容，可以讓學(xué)生接觸并看到信息技術(shù)的全景，尤為重要的是智能機器人是信息技術(shù)的開放性開發(fā)平臺，學(xué)生可以充分發(fā)揮想象力去開發(fā)各種智能裝置，從而培養(yǎng)學(xué)生對信息技術(shù)的開發(fā)能力，在開發(fā)的過程中，培養(yǎng)各種能力，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣。因此，智能教育機器人平臺就顯得非常重要，直接關(guān)系到學(xué)生知識的學(xué)習(xí)、能力的鍛煉、知識的應(yīng)用及創(chuàng)新思想的形成。以應(yīng)用為中心的嵌入式系統(tǒng)，以計算機技術(shù)為根底，軟硬件可裁減，適應(yīng)對功能、可靠性、本錢、體積、功耗等綜合性嚴(yán)格要求

4、的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)相比，具有以下特點：?1?相對于通用計算機系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)的軟硬件資源較少。一般嵌入式系統(tǒng)都是功耗低、體積小，結(jié)構(gòu)緊湊、軟件實時性強。?2?嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)需要特殊方法和專用工具，每一種嵌入式系統(tǒng)之間存在很大的差異。在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)、設(shè)計等階段都離不開通用計算機系統(tǒng)。?3?嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)在大多數(shù)情況下考慮的是系統(tǒng)的本錢。嵌入式系統(tǒng)設(shè)計初期的處理器選擇要考慮很多方面的因素，其中本錢的大小占有很大比重。由于本錢、功耗、功能的不斷擴展、運行環(huán)境的不可預(yù)知性等因素起了極大的負(fù)面影響，制約了機器人技術(shù)的開展?；谇度胧较到y(tǒng)的機器人控制器以其功耗低、體

5、積小、集成度高、可靠性強等無可比較的優(yōu)勢，為機器人技術(shù)的開展提供了廣闊的前景。以C8051F360 應(yīng)用處理器為核心，開發(fā)和設(shè)計一款開放式的機器人控制系統(tǒng)，它包括機器人主控系統(tǒng)、機器人傳感器系統(tǒng)、機器人執(zhí)行系統(tǒng)、上層編程軟件系統(tǒng)。機器人上層編程軟件系統(tǒng)編寫機器人的應(yīng)用控制程序，通過仿真器、UART 或USB 把應(yīng)用程序下載到機器人主控系統(tǒng)中，根據(jù)機器人傳感器系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)對機器人執(zhí)行系統(tǒng)進行控制，從而實現(xiàn)機器人的執(zhí)行功能。1.2 本文章節(jié)安排及文獻綜述本文系統(tǒng)的介紹了制作本智能模型車的各項技術(shù)。具體章節(jié)安排如下：第一章 引言 介紹了本次比賽的背景，引出下文。第二章 方案選擇 將智能車控制系統(tǒng)分

6、解為模塊，分別從各個模塊討論本壁障小車系統(tǒng)將要采用的控制方案。在這局部中，為了確定方案我們查找了很多文獻，有關(guān)于傳感器和傳感器技術(shù)的，如參考文獻3，4；還有關(guān)于機器人技術(shù)的，如參考文獻5；以及關(guān)于去年比賽的論文，如參考文獻6。第三章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 介紹了智能車的搭建與調(diào)整，以及攝像頭、光柵編碼器與電路板的安裝。應(yīng)用了一些相關(guān)的汽車?yán)碚撝R，如參考文獻8。第四章 硬件系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn) 分析智能車系統(tǒng)各組成局部為實現(xiàn)特定功能應(yīng)采用什么樣的電路，能到達(dá)最好效果同時產(chǎn)生的噪聲和對其他電路的干擾最小。參考的主要資料是芯片的datasheet，如參考文獻7，9，10，11，12。第五章 理論分析與算法實現(xiàn)

7、從建模的角度分析車的運動形式，最后得出控制算法。其中，數(shù)學(xué)根底理論參考了文獻13。在控制算法上，我們比照了模糊控制和PID控制，最終采用模糊控制。主要參考文獻有14，15，16。第六章 軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 介紹了本智能車系統(tǒng)的初始化，并且壁障程序的設(shè)計與分析第七章 開發(fā)與調(diào)試 介紹了軟件開發(fā)的環(huán)境，以及對各局部的調(diào)試方法。我們軟件開發(fā)環(huán)境為 Silicon Labs 集成開發(fā)環(huán)境，因此，我們仔細(xì)研究了Silicon Labs 使用指南參考文獻17。第八章 總結(jié)與展望 總結(jié)了幾個月來的工作，對未來進行了展望。第二章 方案選擇本智能車系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，分為測量模塊、控制模塊和執(zhí)行模塊。機器人主控

8、器系統(tǒng)是機器人控制系統(tǒng)的核心，它有硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩局部組成。(1)硬件系統(tǒng)機器人主控系統(tǒng)硬件包括：微處理器、存儲器、鍵盤電路、LCD液晶顯示電路、I/O驅(qū)動電路、電源供電電路等。硬件電路框圖如圖1-2-3所示。 (2)軟件系統(tǒng)機器人主控系統(tǒng)軟件包括：系統(tǒng)啟動程序、各模塊硬件設(shè)備驅(qū)動程序、實時操作系統(tǒng)Real Time Operating System，RTOS等。軟件框圖如圖1-2-4所示。機器人傳感器系統(tǒng)起到了環(huán)境數(shù)據(jù)采集及處理的作用，它把處理的數(shù)據(jù)傳給機器人控器系統(tǒng)。它有模擬量傳感器系統(tǒng)和數(shù)字量傳感器系統(tǒng)組成。(1)模擬量傳感器系統(tǒng)模擬量傳感器系統(tǒng)包括：紅外測距、灰度、接近開關(guān)、溫度傳

9、感器等。其硬件系統(tǒng)框圖如圖1-2-5所示。(2)數(shù)字量傳感器系統(tǒng)數(shù)字量傳感器系統(tǒng)包括：模擬量傳感器擴展模塊、電子羅盤、光電傳感器擴展模塊等。其組成包括：MCU、模擬量傳感器、I2C通訊接口等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?圖1-2-3機器人控制器系統(tǒng)硬件框圖圖1-2-4機器人主控制器系統(tǒng)軟件框圖圖1-2-5模擬量傳感器系統(tǒng)硬件框圖機器人的所有動作均由起執(zhí)行系統(tǒng)完成，對于小型機器人來說，它的執(zhí)行系統(tǒng)一般由直流電機驅(qū)動機械傳動機構(gòu)來完成動作。本實驗平臺主要設(shè)計輪式機器人的執(zhí)行系統(tǒng)，完成前進、后退、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎等根本功能。這兒把執(zhí)行系統(tǒng)分成輪式機器人本體設(shè)計、電機驅(qū)動設(shè)計、輪子驅(qū)動設(shè)計

10、三局部。機器人本體設(shè)計包括傳感器的位置安裝、著地點的位置、重心位置等的設(shè)計；電機選擇控制精度較高的步進電機；輪子驅(qū)動采用兩輪驅(qū)動的方式?；贑8051F系列單片機的集成軟件開發(fā)平臺IDE對于工程研發(fā)人員來說是一個功能強大的開發(fā)工具。在EWARM 環(huán)境下可以使用C/C+和匯編語言方便地開發(fā)嵌入式應(yīng)用程序。比較其他的ARM 開發(fā)環(huán)境，IAR EWARM 具有入門容易、使用方便和代碼緊湊等特點。2.2 C8051F360微處理器C8051F360器件是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU。其主要特性如下：1高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核可達(dá)100MIPS。(2 ) 高速、流水線結(jié)構(gòu)的

11、與8051 兼容的微控制器核可達(dá)100MIPS。 3全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口片內(nèi)。 4真10位、200 ksps ADC，16路單端/差分模擬輸入，帶模擬多路器。 510位電流輸出DAC。62周期的16 x 16乘法和累加引擎。 8達(dá)32KB 的片內(nèi)FLASH 存儲器1024字節(jié)被保存。 91280字節(jié)片內(nèi)RAM。1064KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口。 11硬件實現(xiàn)的SMBus/ I2C、增強型UART和增強型SPI串行接口。124個通用的16位定時器。13具有6個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器/定時器陣列PCA。14片內(nèi)上電復(fù)位電路、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。 15

12、兩個片內(nèi)電壓比較器。 16多達(dá)39個端口I/O容許5V電壓。具有片內(nèi)上電復(fù)位電路、VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F36x器件是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。FLASH存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。用戶軟件對所有外設(shè)具有完全的控制，可以關(guān)斷任何一個或所有外設(shè)以節(jié)省功耗。片內(nèi)Silicon Labs二線C2開發(fā)接口允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進行非侵入式不占用片內(nèi)資源、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試邏輯支持觀察和修改存儲器和存放器，支持?jǐn)帱c、單步、運行和停機命令。在使用C2進行調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行。兩個

13、C2接口引腳可以與用戶功能共享，使在系統(tǒng)編程和調(diào)試功能不占用封裝引腳。每種器件都可在工業(yè)溫度范圍-40到+85內(nèi)用100 MIPS或50 MIPS的電壓工作。端口I/O 和/RST 引腳可容許高達(dá)5V 的輸入信號。C8051F36x 有48腳TQFP 、32 腳LQFP 和 28 腳QFN也稱為MLP 或MLF三種封裝，均為無鉛封裝符合RoHS 標(biāo)準(zhǔn)。定貨信息見表1-2-1。原理框圖見圖1-2-6。表1-2-1產(chǎn)品訂貨信息2.2.1 CIP-51TM 微控制器核1與8051指令集完全兼容C8051F36x系列器件使用Silicon Labs的專利CIP-51微控制器核。CIP-51與MCS-5

14、1TM指令集完全兼容，可以使用標(biāo)準(zhǔn)803x/805x的匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。C8051F36x系列器件的外設(shè)是標(biāo)準(zhǔn)8052的所有外設(shè)的超集，包括四個16位計數(shù)器/定時器、一個具有擴展波特率配置的全雙工UART、一個增強型SPI 端口、1280字節(jié)內(nèi)部RAM、128字節(jié)特殊功能存放器SFR空間和多達(dá)39 個I/O引腳。圖1-2-6原理框圖2速度提升CIP-51采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。在一個標(biāo)準(zhǔn)的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24個系統(tǒng)時鐘周期，最大系統(tǒng)時鐘頻率為12-24MHz。而對于CIP-51核，70%的指令的執(zhí)行時間為1

15、或2個系統(tǒng)時鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時間大于4個系統(tǒng)時鐘周期。CIP-51共有111條指令。表1-2-2列出了各種指令執(zhí)行時間指令執(zhí)行時所需的系統(tǒng)時鐘周期數(shù)所對應(yīng)的指令條數(shù)。CIP-51 工作在最大系統(tǒng)時鐘頻率100MHz時，其峰值性能到達(dá)100MIPS。圖1-2-7給出了幾種8位微控制器內(nèi)核工作在最大系統(tǒng)時鐘時的峰值速度的比較。表1-2-2各種指令執(zhí)行時間執(zhí)行周數(shù)數(shù)1 22/433/544/558 指令數(shù)26 50516731213增加的功能C8051F36x SoC 系列MCU 在CIP-51內(nèi)核和外設(shè)方面有幾項關(guān)鍵性的改良，提高了整體性能，更易于在最終應(yīng)用中使用擴展的中斷系統(tǒng)為CIP-

16、51 提供16個中斷源標(biāo)準(zhǔn)8051中只有7個，允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)獨立于微控制器工作，只在必要時中斷微控制器。一個中斷驅(qū)動的系統(tǒng)需要較少的MCU干預(yù)，因而有更高的實際性能。這些增加的中斷源在建立一個多任務(wù)實時系統(tǒng)時非常有用。MCU 有8個復(fù)位源：上電復(fù)位電路POR、片內(nèi)VDD監(jiān)視器在電源電壓下降到低于VRST 時強制CPU復(fù)位、看門狗定時器、時鐘喪失檢測器、由比較器0提供的電壓檢測器、軟件強制復(fù)位、外部復(fù)位引腳復(fù)位和FLASH非法訪問保護電路復(fù)位。除了POR、復(fù)位輸入引腳及FLASH操作錯誤這三個復(fù)位源之外，其他復(fù)位源都可以被軟件禁止。在一次上電復(fù)位之后的MCU初始化期間，WDT可以通過軟

17、件被永久性使能。圖1-2-7 MCU 峰值執(zhí)行速度比較C8051F36x 器件的內(nèi)部振蕩器在出廠時已經(jīng)被校準(zhǔn)為24.5MHz ± 2%。該內(nèi)部振蕩器周期可以由用戶以大約0.5%的增量調(diào)整。器件內(nèi)還集成了外部振蕩器驅(qū)動電路，允許使用外部晶體、陶瓷諧振器、電容、RC 或CMOS 時鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。如果需要，系統(tǒng)時鐘源可以在內(nèi)部和外部振蕩器電路之間自由切換。外部振蕩器在低功耗應(yīng)用中也是非常有用的，它允許MCU從一個低速節(jié)電時鐘源運行，在需要時周期性地切換到快速最高達(dá)25 MHz的內(nèi)部振蕩器。另外，用片內(nèi)提供的PLL可以到達(dá)更高的系統(tǒng)時鐘速度，從而提高處理能力，如圖1-2-8所示。CIP-

18、51 有標(biāo)準(zhǔn)8051的程序和數(shù)據(jù)地址配置。它包括256字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM，其中高128字節(jié)為雙映射。用間接尋址訪問通用RAM的高128字節(jié)，用直接尋址訪問128字節(jié)的SFR地址空間。數(shù)據(jù)RAM的低128字節(jié)可用直接或間接尋址方式訪問。前32個字節(jié)為4個通用存放器區(qū)，接下來的16字節(jié)既可以按字節(jié)尋址也可以按位尋址。圖 1-2-8 片內(nèi)時鐘和復(fù)位程序存儲器包含32KB/16KB的FLASH。該存儲器以1024字節(jié)為一個扇區(qū)，可在系統(tǒng)重編程，且不需特別的外部編程電壓。圖1-2-9給出了MCU系統(tǒng)的存儲器結(jié)構(gòu)。2.2.3 片內(nèi)調(diào)試電路C8051F36x器件具有片內(nèi)Silicon Labs 2線C2接口調(diào)

19、試電路，支持使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)中的產(chǎn)品器件進行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。Silicon Labs的調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和存放器，支持?jǐn)帱c和單步執(zhí)行。不需要額外的目標(biāo)RAM、程序存儲器、定時器或通信通道。在調(diào)試時所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都正常工作。當(dāng)MCU單步執(zhí)行或遇到斷點而停止運行時，所有的外設(shè)ADC和SMBus除外都停止運行，以保持與指令執(zhí)行同步。開發(fā)套件C8051F360DK具有開發(fā)應(yīng)用代碼和對C8051F36x MCU進行在系統(tǒng)調(diào)試所需要的全部硬件和軟件。開發(fā)套件中包括開發(fā)者工作室軟件和調(diào)試器、集成的8051匯編器、調(diào)試適配器、一塊安裝了相應(yīng)MCU的目標(biāo)應(yīng)用板和所必需的電纜及墻

20、裝電源。開發(fā)套件需要一個運行Windows98 SE或更高版本W(wǎng)indows操作系統(tǒng)的PC機。對于開發(fā)和調(diào)試來說，Silicon Laboratories IDE接口比采用標(biāo)準(zhǔn)MCU仿真器要優(yōu)越得多。標(biāo)準(zhǔn)的MCU仿真器要使用在板仿真芯片，還需要將MCU插到應(yīng)用板上的插座中。SiliconLaboratories的調(diào)試環(huán)境既便于使用又能保持高精度模擬外設(shè)的性能，如圖1-2-10所示。圖1-2-9存儲器組織C8051F36x器件最多有39個I/O引腳四個8位口和一個7位口。端口的工作情況與標(biāo)準(zhǔn)8051端口類似，但有一些改良。每個端口引腳都可以被配置為模擬輸入或數(shù)字I/O引腳。被選擇作為數(shù)字I/O的

21、引腳還可以被配置為推挽或漏極開路輸出。在標(biāo)準(zhǔn)8051中固定的“弱上拉可以被總體禁止，提供節(jié)電能力。數(shù)字交叉開關(guān)允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到端口I/O引腳見圖1-2-11。可通過設(shè)置交叉開關(guān)控制存放器將片內(nèi)的計數(shù)器/定時器、串行總線、硬件中斷以及其它數(shù)字信號配置為出現(xiàn)在端口I/O引腳。這一特性允許用戶根據(jù)自己的具體應(yīng)用選擇所需通用端口I/O、數(shù)字資源和模擬資源的組合。圖1-2-10開發(fā)/在系統(tǒng)調(diào)試示意圖圖1-2-11 數(shù)字交叉開關(guān)原理框圖端口032.2.5 串行端口C8051F36x系列MCU內(nèi)部有一個SMBus/I2C接口、一個具有增強型波特率配置的全雙工UART和一個增強型SPI接口。每種串

22、行總線都完全用硬件實現(xiàn)，都能向CIP-51產(chǎn)生中斷，因此需要很少的CPU干預(yù)。2.2.6可編程計數(shù)器陣列除了4個16位的通用計數(shù)器/定時器之外，C8051F36x片內(nèi)還包含一個計數(shù)器/定時器陣列見圖1-2-12PCA原理框圖。PCA包括一個專用的16位計數(shù)器/定時器和6個可編程捕捉/比較模塊。計數(shù)器/定時器由一個可編程的時基驅(qū)動，時基可以在下面的6個時鐘源中選擇：系統(tǒng)時鐘/12、系統(tǒng)時鐘/4、定時器0溢出、外部時鐘輸入ECI、系統(tǒng)時鐘和外部振蕩器時鐘源/8。外部時鐘源選擇對實時時鐘功能非常有用，在這種情況下由外部源給PCA提供時鐘，而內(nèi)部振蕩器驅(qū)動系統(tǒng)時鐘。 圖1-2-12 PCA原理框圖每個

23、捕捉/比較模塊都有六種獨立的工作方式：邊沿觸發(fā)捕捉、軟件定時器、高速輸出、頻率輸出、8位或16位脈沖寬度調(diào)制器。此外，捕捉/比較模塊5還可用作看門狗定時器WDT。在系統(tǒng)復(fù)位后，捕捉/比較模塊5即被配置和使能為WDT方式。PCA捕捉/比較模塊的I/O和外部時鐘輸入可以通過數(shù)字交叉開關(guān)連到端口I/O。2.2.7比較器C8051F36x器件內(nèi)部有兩個電壓比較器，可由用戶軟件使能/禁止和配置。可以通過輸入多路選擇器將端口引腳配置為比較器輸入。每個比較器都提供兩個可連到端口引腳的輸出：一個鎖存輸出和/或一個非鎖存異步輸出。比較器的響應(yīng)時間是可編程的，允許用戶在高速和低功耗模式之間選擇。正向和負(fù)向回差電壓

24、也是可編程的。比較器能在上升沿、下降沿產(chǎn)生中斷，或在兩個邊沿都產(chǎn)生中斷。當(dāng)處理器工作在空閑方式時，這些中斷可用作“喚醒源。比較器0還可以被配置為復(fù)位源。圖1-2-13給出了比較器0的原理框圖，圖1-2-14給出了比較器1的原理框圖。圖1-2-13 比較器0原理框圖注意：圖1-2-12和圖1-2-14中示出的第一組選擇端口I/O引腳針對48腳器件C8051F360/3。第二組端口I/O引腳針對32腳和28腳器件C8051F361/2/4/5/6/7/8/9。更多的信息請參見CPTnMX存放器。2.2.8 10位電流輸出DACC8051F360/1/2/6/7/8/9內(nèi)部有一個10位電流方式數(shù)/模

25、轉(zhuǎn)換器IDA0。IDA0的最大輸出電流可以有3種不同的設(shè)置：、1mA和2mA。IDA0具有靈活的輸出更新機制，允許無縫滿度變化，支持無抖動波形更新。IDA0提供三種更新方式，允許IDA0輸出在寫IDA0H、定時器溢出或外部引腳邊沿到來是更新。圖1-2-15給出了IDA0的功能框圖圖1-2-14 比較器1原理框圖圖1-2-15 IDA0功能框圖第三章 硬件介紹基于機器人工程驅(qū)動的嵌入式教學(xué)實訓(xùn)平臺主控制器的實物如圖1-2-16所示，同時按照實際使用需要將其接口大致劃分為幾個部份如表1-2-3所示。圖1-2-16 基于機器人工程驅(qū)動的嵌入式教學(xué)實訓(xùn)平臺主控制器實物圖正反面表1-2-3 基于機器人工

26、程驅(qū)動的嵌入式教學(xué)實訓(xùn)平臺主控制器接口接口名稱接口說明接口A電源接口BJTAG接口接口C液晶顯示屏接口接口D模擬傳感器數(shù)據(jù)跳接口接口E液晶顯示屏接口接口F灰度陣列/鍵盤接口接口GC8051F360芯片接口HSPI接口接口I電機驅(qū)動板接口接口J模擬傳感器接口接口LUSB接口接口MI2C接口.1電源如圖1-2-16接口A所示?；跈C器人工程驅(qū)動的嵌入式教學(xué)實訓(xùn)平臺主控制器由9V/12V電源供電，使用電源適配器或者使用電池供電，分別是：9V/12V給電機供電；5V給I/O口驅(qū)動、數(shù)字和模擬傳感器等供電；3.3V給主控芯片、傳感器采集系統(tǒng)、串口等供電?；跈C器人工程驅(qū)動的嵌入式教學(xué)實訓(xùn)平臺主控制器電源

27、供電系統(tǒng)框圖如圖1-2-17所示。電源系統(tǒng)所用芯片如表1-2-4。表1-2-4 電源系統(tǒng)芯片列表芯片VS2576數(shù)量11功能9V轉(zhuǎn)5V(1) 9V12V轉(zhuǎn)5V電源設(shè)計這局部電源設(shè)計采用開關(guān)穩(wěn)壓芯片VS2576，該芯片輸出5V電壓，輸出電流可達(dá)3A，穩(wěn)定度高，加上濾波電容，性能可以滿足要求。電路如圖1-2-18所示。圖1-2-17 系統(tǒng)供電電源框圖圖1-2-18 9V12V轉(zhuǎn)5V電源電路圖采用開關(guān)穩(wěn)壓芯片AMS1117-3.3，該芯片輸出電壓3.3V，輸出電流可達(dá)5A。電路如圖1-2-19所示。圖1-2-19接口A說明如表1-2-5所示：表1-2-5接口A說明名稱說明SW1上撥：關(guān)閉電源下?lián)埽洪_

28、啟電源JP149V電源插入接口5V05V電源指示燈3V3使用方法：使用前，請將SW1上撥關(guān)閉電源，然后插入電源，再將SW1下?lián)荛_啟電源。3.1.2 JTAG接口如圖1-2-16 接口B所示，JTAG口(Joint Test Action Group，聯(lián)合測試行動小組)是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測試及對系統(tǒng)進行調(diào)試和仿真。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線:TMS、TCK、TDI、TDO，分別為模式選擇、時鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出線。JTAG模塊采用了10PIN仿真調(diào)試接口，如圖1-2-20所示，表1-2-6為對應(yīng)管腳定義。20PIN的插座連接C8051F360芯片的JTAG接口，插座的信號配

29、置要和ARM LM LINK調(diào)試器接口一致。JTAG調(diào)試電路設(shè)計如圖1-2-20所示。圖1-2-20JTAG插針示意圖表1-2-6 F360的JTAG插座管腳定義PIN號名稱1VDD 2 , 3 , 9GND5/RST7/RST/C2CK610 NC使用方法：調(diào)試程序以及下載程序時將 JTAG接口按照缺口方向接上。不使用時拔下。3.1.3 電機控制信號輸出口圖1-2-16將電機控制信號輸出口分為如下所示的12個組。電機物理幅員相對應(yīng)布局說明如表1-2-7所示：表1-2-7 物理幅員相對應(yīng)布局說明名稱JP1電機控制信號輸出口1JP2電機控制信號輸出口2JP3電機控制信號輸出口3JP4電機控制信號

30、輸出口4JP5電機控制信號輸出口5JP6電機控制信號輸出口63.1.4 模擬傳感器數(shù)據(jù)輸入接口接口E的定義與說明如表1-2-8所示：表1-2-8 接口C的定義名稱說明JP2第 0 通道模擬傳感器數(shù)據(jù)輸入接口JP3第 1 通道模擬傳感器數(shù)據(jù)輸入接口JP4第 2 通道模擬傳感器數(shù)據(jù)輸入接口JP5第 3 通道模擬傳感器數(shù)據(jù)輸入接口JP6第 4 通道模擬傳感器數(shù)據(jù)輸入接口JP7第 5 通道模擬傳感器數(shù)據(jù)輸入接口JP8第 6 通道模擬傳感器數(shù)據(jù)輸入接口JP9第 7 通道模擬傳感器數(shù)據(jù)輸入接口按照圖1-2-16物理幅員相對應(yīng)的模擬設(shè)備接口布局說明如表1-2-9所示：表1-2-9 模擬設(shè)備接口定義說明管腳J

31、P2JP3JP4JP51VDD5VVDD5VVDD5VVDD5V2ADC0ADC1ADC2ADC33AGNDAGNDAGNDAGND管腳JP6JP7JP8JP91VDD5VVDD5VVDD5VVDD5V2ADC4ADC5ADC6ADC73AGNDAGNDAGNDAGND使用方法： AD0AD7分別是第0通道模擬傳感器數(shù)據(jù)輸入接口第7通道模擬傳感器數(shù)據(jù)輸入接口的模擬數(shù)據(jù)輸入端。使用時請以電源管腳為參考連接即可。板子上3針的接口右端到左端分別是是電源、ADC、地線。接傳感器時請注意不要接反。3.文本轉(zhuǎn)語音音頻接口l 文本轉(zhuǎn)語音控制器主要是通過SPI 實現(xiàn)與文本轉(zhuǎn)語音語音模塊的通訊。在我們的設(shè)計里，

32、主要只實現(xiàn)SPI 模塊到文本轉(zhuǎn)語音的數(shù)據(jù)傳送, 以及文字轉(zhuǎn)發(fā)音功能。SPI 模塊與文本轉(zhuǎn)語音模塊之間的通訊遵循SPI 協(xié)議。文本轉(zhuǎn)語音模塊事物圖如圖1-2-21所示：圖1-2-21 語音模塊接口JP3說明如表1-2-10所示：表1-2-10 接口JP3說明名稱說明JP3-1JP3-2JP3-3文本轉(zhuǎn)語音模塊MISO引腳JP3-4文本轉(zhuǎn)語音模塊MOSI引腳JP3-5文本轉(zhuǎn)語音模塊CS引腳JP3-6文本轉(zhuǎn)語音模塊CLK引腳JP3-7文本轉(zhuǎn)語音模塊RESET引腳JP3-8GND地線3. 液晶顯示屏如下圖，LCD液晶顯示器采用5*7的雙行點陣顯示屏，它的接口框圖如圖1-2-22所示。利用C8051F3

33、60的通用輸入/輸出口對1602進行控制，到達(dá)顯示的功能。圖1-2-22 1602顯示屏1602接口定義如表1-2-17：表1-2-171602接口定義第四章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計在智能車比賽中，最主要的比賽內(nèi)容是速度，而模型車的機械結(jié)構(gòu)無疑是影響速度的關(guān)鍵因素之一。鑒于這個原因，我們對模型車的機械結(jié)構(gòu)做了很多的工作，進行了大量的調(diào)整，到達(dá)了比較滿意的效果。4.1 車模組裝與改造4.1.1 車模組裝模型車的組裝工作看似簡單，卻需要很多的耐心和經(jīng)驗。首先，仔細(xì)閱讀說明書。通過閱讀模型車的裝配圖，可以了解各個不同零件的用途和安裝順序。然后，根據(jù)模型車的裝配圖組裝智能車模型。由經(jīng)驗得到，在組裝過程中，不但要

34、注意模型車的組裝順序，而且由于模型車零部件較小，組裝過程中要防止零部件滑落和喪失。特別是，由于模型車上的大局部零部件材質(zhì)均為塑料，在擰螺絲以及對零件進行加工時要格外的小心，以免損壞。4 前輪定位的調(diào)整在調(diào)試中我們發(fā)現(xiàn)，模型車過彎時，轉(zhuǎn)向舵機的負(fù)載會因為車輪轉(zhuǎn)向角度增大而增大。為了盡可能降低轉(zhuǎn)向舵機負(fù)載，我們對前輪定位進行了調(diào)整。前輪定位的作用是保障汽車直線行駛的穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)向輕便和減少輪胎的磨損。前輪定位參數(shù)主要包括：主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角和前輪前束8。主銷后傾角是主銷軸線與地面垂直線在汽車縱向平面內(nèi)的夾角。主銷內(nèi)傾角是主銷軸線與地面垂直線在汽車橫向斷面內(nèi)的夾角。前輪外傾角是汽車橫向

35、平面與車輪平面的郊縣與地面垂線之間的夾角。在一般情況下，主銷后傾角為0-3度，主銷內(nèi)傾角為0-10度，前輪外傾角為0度或者1度。在本模型中，后傾角過大會使得模型車轉(zhuǎn)向沉重，從而使舵機轉(zhuǎn)向存在嚴(yán)重的滯后，故在模型車中將主銷后傾角調(diào)整為0度；主銷內(nèi)傾角過大不僅會使得轉(zhuǎn)向變得沉重，還將加速輪胎的磨損，因此將主銷內(nèi)傾角控制在5度以內(nèi)；前輪外傾角和前輪前束分別設(shè)為0度、0mm。4.1.3 差速的調(diào)整模型車的差速對轉(zhuǎn)彎時的影響很大，差速不好會導(dǎo)致后輪空轉(zhuǎn)，發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)像。我們通過添加推力軸承和潤滑油的手段，改良差速裝置，使得模型車在轉(zhuǎn)向時，右輪與后軸之間的摩擦大大降低，從而提高了差速的效果，從而提高了小車的

36、轉(zhuǎn)向性能。4.1.4 電路板的固定與安裝在電路板的安裝這局部，我們考慮到結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，以及規(guī)那么中對車輛尺寸的限制，最終決定采用高架、立體的搭建方法，即用支架把主控板較高地固定在底盤上方。這種布局可以保證車輛行駛穩(wěn)定。第五章 硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)硬件電路的設(shè)計是自動控制器的根底。智能汽車競賽指定飛思卡爾公司S12系列的16位單片機MC9S12DG128作為核心控制處理器。本智能車采用了組委會提供的開發(fā)板MC9S12EVKC作為單片機最小系統(tǒng)，并在此根底上增加了各種接口電路板組成整個硬件系統(tǒng)。下面將對硬件設(shè)計中除了單片機最小系統(tǒng)之外的其他幾個主要的模塊設(shè)計進行討論。5.1 電源模塊電源模塊為系統(tǒng)其

37、他各個模塊提供所需要的電源。設(shè)計中，除了需要考慮電壓范圍和電流容量等根本參數(shù)之外，還要在電源轉(zhuǎn)換效率、降低噪聲、防止干擾和電路簡單等方面進行優(yōu)化?？煽康碾娫捶桨甘钦麄€硬件電路穩(wěn)定可靠運行的根底。全部硬件電路的電源由配發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)車模用7.2V 2000mAh Ni-cd蓄電池提供。由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電壓和電流容量各不相同，因此電源模塊應(yīng)該包含多個穩(wěn)壓電路，將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各個模塊所需要的電壓。主要包括以下不同的電壓。l 5V電壓。主要為單片機系統(tǒng)、信號調(diào)理電路以及局部接口電路提供電源，電壓要求穩(wěn)定、噪聲小，電流容量大于500mA。l 12V電壓。主要為CCD圖像傳感器提供12

38、V的工作電源。l 7.2V電壓。這局部直接取自蓄電池兩端電壓，主要為舵機、后輪電機驅(qū)動模塊和局部接口電路提供電源。除了7.2V電壓可以直接由蓄電池獲得，5V電壓需要通過降壓穩(wěn)壓電路獲得，12V電壓通過升壓穩(wěn)壓電路獲得。電機驅(qū)動電路的電源可以直接使用蓄電池兩端電壓。模型車在啟動過程中往往會產(chǎn)生很大的沖擊電流，一方面會對其他電路造成電磁干擾；另一方面由于電池內(nèi)阻造成電池兩端的電壓下降，甚至?xí)陀诜€(wěn)壓電路所需要的最低電壓值，產(chǎn)生單片機復(fù)位現(xiàn)像。為了克服啟動沖擊電流的影響，可以在電源中增加容值較大的電解電容，也可以采用緩啟動的方式控制電機。在啟動時，驅(qū)動電路輸出電壓有一個漸變過程，使得電機啟動速度略為

39、降低從而減小啟動沖擊電流的幅度。5.2 電機模塊直流電機的控制由單片機的PWM信號來完成，驅(qū)動芯片采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的半橋式驅(qū)動器MC33886。其工作電壓為5-40V，導(dǎo)通電阻為120m，輸入信號為TTL/CMOS，PWM頻率小于10KHz。電路如圖 3.7 所示。 圖 3.7 MC33886電路示意圖其中D1、D2是MC33886的使能端，IN1、IN2為輸入端，OUT1、OUT2為其輸出端。單片機通過PWM通道的占空比控制電機速度，IN2 和IN1分別接到PP1和 PP0上控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)速度因為電機工作頻率小于10KHz，所以一個通道控制電機速度就夠了，正轉(zhuǎn)為智能車加速，當(dāng)轉(zhuǎn)彎

40、時利用了反轉(zhuǎn)PWM波來控制電機的減速；D1和D2接到單片機的IO口上控制電機轉(zhuǎn)動方向正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。第六章 軟件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)6.1 系統(tǒng)初始化在各模塊中，MC9S12DG128微控制器模塊是控制核心，其他模塊的初始化正是通過對單片機內(nèi)部設(shè)置實現(xiàn)的。系統(tǒng)的初始化主要是對MC9S12DG128內(nèi)部各存放器，各端口進行設(shè)置，并定義自變量，分配存儲空間，使之滿足系統(tǒng)要求。下面僅給出單片機初始化的結(jié)果，未涉及到的端口與模塊不予描述17。n 工作模式 通過軟件與硬件的結(jié)合，選定單片機工作模式為普通彈片模式。n 時鐘設(shè)置單片機內(nèi)部的總線頻率為24MHz，CPU單元工作頻率是總線頻率的2倍為48MHz。n 存儲

41、空間分配對內(nèi)部地址資源的分配采用普通單片工作模式初始化時默認(rèn)的配置，即$0000到$0400為存放器地址空間，$2000到$3FFF為內(nèi)部RAM地址空間，$4000到$7FFF為一塊固定的Flash EEPROM地址空間，$8000到$BFFF為頁面Flash EEPROM地址空間，$C000到$FFFF為一塊固定的Flash EEPROM地址空間，其中$FF00到$FFFF為中斷向量地址空間。n 復(fù)用端口設(shè)置 A端口為普通輸入端口 J端口為中斷輸入端口 P端口為PWM信號輸出端口n 各模塊初始化Ø PWM模塊0通道獨立使用，4、5通道合并為一16位的PWM通道使用；PWM時鐘選擇為

42、總線頻率8分頻即3MHz。Ø 定時/計數(shù)器模塊全部通道設(shè)置為定時模式；時鐘選擇為總線頻率8分頻即3MHz。此外，初始化時也對下面需用到的自變量進行了定義與賦初值，在此不作贅述。第七章 開發(fā)與調(diào)試7.1 軟件開發(fā)環(huán)境介紹Silicon Labs集成開發(fā)環(huán)境(以下簡稱IDE)是一套完整獨立的軟件程序它為設(shè)計者提供了用于開發(fā)和測試工程的所有工具。程序的主要特點包括：· 工程界面；· 編輯器具有全功能窗口字體可配置；· 調(diào)試器具有設(shè)置斷點觀察點單步等功能；· 工具鏈接集成支持匯編器編譯器和鏈接器；· 可定制的工具菜單用于集成其它編譯器或開發(fā)工

43、具；· Silicon Labs 配置向?qū)Э蔀橹付ǖ哪繕?biāo)環(huán)境產(chǎn)生配置代碼。7.2 小車車整體調(diào)試傳感器調(diào)試紅外距離感應(yīng)模塊是專為機器人設(shè)計的測障傳感器，如圖2-2-15所示。它通過發(fā)射紅外線并測量紅外線被反射的強度來輸出反映和物體距離的電壓信號，有效距離 1080厘米。紅外測距功能如表2-2-6所示：圖2-2-15 紅外測距傳感器表2-2-6紅外測距功能編號名稱/功能1VCC 電源線2GND 地線3Vo 輸出信號線4發(fā)射管5接收管3紅外測距模塊的技術(shù)規(guī)格探測距離：10-80cm標(biāo)準(zhǔn)電流消耗：33-50 mA輸出量：模擬量輸出，輸出電壓和探測距離成比例電機調(diào)試1、正確連接PC 機、調(diào)試

44、器和51實驗平臺；2、翻開電源，翻開Siliconlab IDE；3、翻開工程，編譯、鏈接、進入調(diào)試、運行程序，觀察小車的運動狀態(tài)； 4、在app_main.c文件的app_main函數(shù)中編寫簡單的復(fù)眼運用程序，再次調(diào)試觀察。代碼例程下面是PWM實驗的總體流程圖： 圖2-2-5 PWM實驗的總體流程實驗代碼主要由以下函數(shù)組成： 函數(shù)名：void PWM_Init() 函數(shù)功能：PWM初始化函數(shù)名：void PWM_Port_Init()函數(shù)功能：PWM端口配置 函數(shù)名：void DC_Motor(uc motor_num,uc direction, uc motor_speed) 函數(shù)功能：改

45、變PWM占空比整體調(diào)試第八章 結(jié)論 總結(jié)經(jīng)過一組成員的努力，我們完成了壁障小車車系統(tǒng)的制作。整個車模硬件電路簡單，在紅外傳感器的控制下，通過判斷，使模型車轉(zhuǎn)向準(zhǔn)確穩(wěn)定，能夠完成壁障功能。該模型車在滿設(shè)計要求的前提下，具有良好穩(wěn)定性，并能夠以較快的速度行駛。在最初的方案選擇階段，通過比較不同方法可能得到的結(jié)果明確了我們研究的方向。在機械設(shè)計方面，我們對模型車的性能不斷的探索改良了前輪定位、差速、舵機力矩等，使得舵機的轉(zhuǎn)向更加靈活、更容易控制，打滑現(xiàn)象根本解決。在圖像采集和圖像處理方面，我們以S12單片機為核心，結(jié)合攝像頭的安裝設(shè)計了合理的采集方法，并對采集的圖像用閾值二值化方法進行處理，降低干擾

46、。 展望同時由于時間的缺乏，在模型車的研究中還有許多需要改良的地方：1、本文所建立的智能小車車的運動模型是在理想情況下建立的，其實際情況要復(fù)雜的多，所建立的模型過于簡單。另一方面，智能汽車是一個高度非線性化、時變的系統(tǒng)，如何對模型中的參數(shù)進行估計以及使模型更能反映實際車輛運動是一個需要進一步解決的問題。2、 在實現(xiàn)避障的功能從原理上是通過分析紅外測距傳感器的測量值判斷障礙物的位置，然后驅(qū)動電機避開障礙物。通過連接三個紅外測距傳感器，機器人可以探測到120度的視角范圍的障礙物，在障礙物較亂的情況下還是具有一定挑戰(zhàn)性的3、 調(diào)試程序中可以在對程序有更深的理解會對我們今后的研究有很大幫助參考文獻1

47、卓晴,黃開勝,邵貝貝.學(xué)做智能車挑戰(zhàn)“飛思卡爾杯M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2007.2 邵貝貝.單片機嵌入式應(yīng)用的在線開發(fā)方法M.北京：清華大學(xué)出版社,2004.3 周繼明，江世明，彭解華.傳感器技術(shù)與應(yīng)用M.長沙：中南大學(xué)出版社,2005.4 Ramon Pallas-Areny, John G. Webster. 傳感器和信號調(diào)節(jié)(第二版)M.北京：清華大學(xué)出版社,2003.5 宗光華.機器人的創(chuàng)意與實踐M.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2004.6 卓晴，王琎，王磊.基于面陣CCD的賽道參數(shù)檢測算法.7 MC33886 Technical Data, Freescale Semi

48、conductor July 2005.8 余志生.汽車?yán)碚摰?版M.機械工業(yè)出版社,2004.9 LM1117 800mA Low-Dropout Linear Regulator, National Semiconductor February 1999.10 MC34063A/E DC-DC Converter Control Circuits, Motorola.11 Motorola MC9S12DG128 Device User Guide Motorola, Inc.12 LM1881 Video Sync Separator, National Semiconductor Ju

49、ne 2003.13 熊萬龍.基于Kalman濾波器的自主車輛定位方法研究J.湖南：國防科技大學(xué)學(xué)位論文，2005.14 殷人昆，陶永雷，謝假設(shè)陽，盛絢華.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(用面向?qū)ο蠓椒ê虲+描述) .北京：清華大學(xué)出版社.2005.15 關(guān)柏青.基于彩色視覺和模糊控制的移動機器人路徑跟蹤J.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)位論文.2002.16 M.北京：國防工業(yè)出版社，2004.17 飛思卡爾HC08/HCS12 系列微控制器開發(fā)環(huán)境- Codewarrior使用指南.18 孫景琪等，視頻技術(shù)與應(yīng)用.北京工業(yè)大學(xué)出版社.19 .附錄 實驗例程void main() unsigned int ad_test;uns

50、igned int i = 0;SystemInit(); while(1) DodgeObstruction();void DodgeObstruction()unsigned char ad_distance_left = 0;unsigned char ad_distance_midl = 0;unsigned char ad_distance_rigt = 0;while(1)ad_distance_left = GetIR_Distance(2);ad_distance_midl = GetIR_Distance(3);ad_distance_rigt = GetIR_Distance(4);if(ad_distance_left>40 && ad_distance_midl>40 && ad_distance_rigt>40)DC_Motor(1,0,60); DC_Motor(3,0,60);DC_Motor(2,0,60);DC_Motor(4,0,60);if(ad_distance_rigt<40)DC_Motor(1,0,60); DC_Motor(3,0,60);DC_Motor(2,2,10);DC_Motor(4,2,10);if(a