燕山大学智能车及灌篮机器人系统的设计与制作姓 名：张振德、赵相辉、林磊、李君梁课题组的分工或贡献：张振德（30%） 赵相辉（30%） 林磊（30%） 李君梁（10%）课 程 名 称：机电一体体化系统设计指 导 教 师：赵永生、王洪波、赵铁石、李艳文、姚建涛、赵延治、张庆玲、唐艳华、王志军、史小华、陈子明2010年10月智能车及灌篮机器人系统的设计与制作姓 名：张振德、赵相辉、林磊、李君梁课题组的分工或贡献：张振德（30%） 赵相辉（30%） 林磊（30%） 李君梁（10%）课 程 名 称：单片机原理及应用指 导 教 师：赵永生、王洪波、赵铁石、李艳文、姚建涛、赵延治、张庆玲、唐艳华、王志军、史小华、陈子明2010年10月目 录1. 摘要2. 前言3. 方案论证3.1电动机的选择 3.2电动机驱动方案的选择 3.3供电电源方案的选择 3.4路面情况检测方案的选择 3.5路程检测方案的选择3.6障碍物探测方案的选择4 硬件设计4.1硬件的系统框图 4.2各单元的硬件设计4.2.1 驱动电路4.2.1.1 电源的电路设计 4.2.1.2电机驱动电路的设计与实现 4.2.2 路面黑线检测设计与实现4.2.2.1黑白线传感器电路图4.2.3 车轮减速与路程计算4.2.4壁障检测和处理4.2.5数码管的显示4.2.6 总的电路图5 软件设计5.1 程序框图 5.1.1 速度显示程序框图5.1.2 循迹和壁障程序框图5.2 程序源代码6 具体测试情况6.1 项目测试与要求6.2 测试结果7 结论8 主要参考文献1 摘要本课程研究项目的实施，使学生在掌握机电一体化系统课程的基础上，结合单片机微机处理系统和机器人技术深入了解并掌握机电一体化系统的全部知识。报告主要包括：各功能单元的详细论证、硬件系统的设计、软件的设计、具体的测试要求和结果、研究项目的收获和心得体会。2 前言项目报告的目的是对项目过程的总结，并体现项目的成果。机电专业作为我校CDIO的示范的主要专业。这次的项目以培养工程毕业生的能力为目的，按照CDIO理念对即将毕业的2011级机电专业学生的一次良好的锻炼。机电一体化所覆盖的领域有机械系统，微电子系统，传感测试系统，控制系统等。此次项目使我们深入了解了机电一体化系统。在机械工程中机械电子工程是机械工程与自动化的一种，也是最有前途的一种方向。机械电子工程专业包括基础理论知识和机械设计制造方法，计算机软硬件应用能力，能承担各类机电产品和系统的设计、制造、试验和开发工作。此次研究报告在于说明研究项目的进展过程和学生在这次项目中的知识的运用。是对项目的一个叙述。这次项目是大学所学课程的一个综合运用。使学生掌握机电专业的相关知识。在项目中，通过熟练的运用所学的知识，达到以下的主要目的：掌握智能自动车及灌篮机器人的结构、控制电子元器件的组成及其工作原理、掌握传感检测系统的设计方法、掌握常用常用传感器的原理和使用方法、掌握基本电路的原理图和连线图、掌握编程软件的使用、仿真调试以及单片机程序的烧写、掌握常用电机的选择及系统搭接的方法、掌握机器人设计和控制方法、掌握机电一体化的系统设计、制作和调试方法。项目每四人为一组，相互协调完成所要研究的内容。预期的结果是小组成员通过对小车的设计和调试达到所学知识的熟练运用。驱动电路可以实现电机的正反转和脉宽调速，可以实现原地旋转360。轨迹检测模块利用色差实现循迹功能。利用壁障传感器来实现走迷宫功能。采用串入并出芯片HC595扩展数码管显示功能，可以充分利用单片机内部资源来显示时钟、行驶距离、行驶速度、障碍物远近等功能。速度检测模块可以根据控制精度需要来选择和安装光电编码盘或霍尔传感器。同时锻炼小组人员的团队合作能力。只有在项目中分工明确，有条不紊才能使项目顺利的完成。图13 方案论证3.1电动机的选择方案一：采用步进电机，步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力。另一个显著特点是转换精度高，正传反转控制灵活。方案二：采用普通直流电动机。直流电动机具有优良的调速特性，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，还能满足各种不同的特殊运行要求。方案三：采用伺服电机。因其闭环控制方式，精度是很其他电机不可比拟的。电机名称成本起动转矩精度调速方式编程任务量直流电机低大较高改变电枢电压或者改变磁通一般步进电机中小高通过加入延时程序任务较重伺服电机高较大高通过改变脉冲频率一般经小组讨论及结合各种资料的论证，我们决定使用直流电动机，直流电动结构原理简单，调速方便，体积也能做的较小，功率也较小。3.2电动机驱动方案的选择方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达调速的目的。方案二：采用继电器对电动机的开与关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。方案三：采用四个大功率晶体管组成H桥电路，四个大功率晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制使之工作在开关状态，进而控制电动机的运行。电阻网络智能实现有机调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，且存在干扰。采用继电器这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。采用四个大功率晶体管这种控制电路，由于四个晶体管只工作在饱和与截止状态下，效率非常高，并且大功率晶体管开关的速度很快，稳定性也极强。所以我们最终决定使用采用四个大功率晶体管组成的H桥电路进行电动机驱动。3.3供电电源方案的选择方案一：采用两个电源供电。将电动机驱动电源与单片机以及其周电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。方案二：采用单一电源供电。电源直接给电动机供电。采用二个电源供电这样可以使电动机驱动产生的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性，但是多一组电池增大了车身重量，增大了小车的惯性。而采用单一电源供电，因电动机启动瞬间电流较大，会造成电源电压波动，因而控制与检测部分电路通过集成稳压块供电，其供电电路比较简单。经讨论与综合考虑最后选择方案二。3.4路面情况检测方案的选择方案一：采用普通发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案，该方案在实际使用时，容易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到。主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。虽然可采用超高亮度发光二极管降低一定的干扰，但这又增加额外的功率消耗。方案二：脉冲调制的反射式红外发射接收器。由于采用该有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外红外发射接收管的最大工作电流取决于平均电流，如果采用占空间比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大，50100mA，则大大提高了性噪比。并且其反应灵敏，外围电路也很简单。通过了解方案一和方案二的特点，我们认为方案二比较适合。3.5路程检测方案的选择方案一：采用霍尔元件集成片，该器件内部由三片霍尔元件组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔反应，可以产生电流的变化，对此加以判断，但需要在车轮上安装磁片，将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数经行对车速的测量。方案二：采用光电码盘经行检测，光电码盘测距基本原理为旋轴转动，带动码盘转动，马盘上刻有许多狭缝，码盘转动时发射光透过狭缝被接受元件接受。用计数器对接受到的信号经行计数。用这种方案能很精确的算出小车已经走过的距离。通过分析比较，考虑成本，性能等特点，我们选择霍尔元件集成片作为路程检测元件。3.6障碍物探测方案的选择方案一：脉冲调制的反射式红外发射接收器。由于采用该有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外红外=发射接收管的最大工作电流取决于平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大，则大大提高了信噪比。并且反映灵敏，外围电路也很简单。方案二：采用超声波传感器，如果传感器接受到反射的超声波，则通知单片机前方有障碍物，否则=通知单片机可以向前行驶。通过交流讨论，我们决定使用方案一，即脉冲调制的反射式红外发射接收器。4 硬件设计4.1硬件的系统框图：图24.2各单元的硬件设计4.2.1 驱动电路4.2.1.1 电源的电路设计电源的接口和开关图3电源部分图44.2.1.2电机驱动电路的设计与实现考虑到电压电流的等级及尺寸外观等因素片，可选用集成电机驱动芯片l298。L298是双H桥高电压大电流集成电路，其输出脚（SENSEA 和SENSEB）用来连接电流检测电阻。Vss接逻辑控制部分的电源，常用5v。vs为电机驱动电源in1in4输出引脚采用了SGB公司特有的multiwatt塑料封装，15个引脚，如图所示：图5驱动电路控制表图：输入功能Ven=HC=H;D=L正转C=L;D=H反转C=D制动Ven=LC=D=停止图6驱动电路电路图：图74.2.2 路面黑线检测设计与实现路面黑线设计与检测主要通过黑白线检测传感器实现，黑白线检测传感器如图有效探测距离达5cm。通过调节电位器，最远可以达到10cm（该距离下探测黑白线精度降低）。这款黑白线传感器受可见光的干扰小，输出信号为开关量，信号处理简单，使用非常方便，还增加了探测距离调节器、改进了探测距离、加强了探测精度(在有效的量程内，可对报纸大标题进行感应)。当检测到黑线时，红外光管接收到反射回来的红外光，其输出立即发生电平转换，信号经逻辑比较送单片机分析和处理。为保证小车延黑线行驶，采用了两个检测器并行排列。在下车行走过程中，若向左方向偏离黑线，则右侧的探头就会检测到黑线，把信号传给单片机控制车头向右转。参看电路图和程序。图84.2.2.1黑白线传感器电路图；图94.2.3 车轮减速与路程计算车轮减速与路程计算主要通过霍尔传感器实现，霍尔传感器的外形图和与磁场的作用关系如图10所示：图10磁场由磁钢提供，所以霍尔传器和磁钢需要配对使用。在非磁材料的圆盘上粘贴一块磁钢，霍尔传感器固定在圆盘的外圆边缘附近。圆盘每转动一圈，霍尔传感器输出一个脉冲。通过单片机测量脉冲频率就可得出圆盘的转速。在车体和车轮上分别固定霍尔元件和磁钢，测量小车车轮的周长，在单片机控制时，每检测到一个脉冲，认为小车前进了一周。对脉冲信号整形后送入单片机进行检测计数，输出显示行驶里程数。4.2.4壁障检测和处理 壁障检测和处理采用集发射与接收与一体的光电传感器，如图11所示。检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应运与机器人壁障流水线纪件等众多场合。