陳業(yè)強(qiáng)說(shuō)明書(shū).doc

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除淮 海 工 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)說(shuō)明書(shū)題 目： 尋跡機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 作 者： 陳業(yè)強(qiáng) 學(xué) 號(hào)： 0103101702 系 (院)： 機(jī)械工程系 專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 機(jī)械037 指導(dǎo)者： 黃大志 講師 評(píng)閱者： 2007年 6月 連 云 港畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要尋跡機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在社會(huì)各領(lǐng)域的作用越來(lái)越大。尋跡機(jī)器人無(wú)論在工業(yè)上還是在各種比賽上的作用都不可勝數(shù)。本設(shè)計(jì)采用性能優(yōu)異的AT89S52單片機(jī)作為尋跡機(jī)器人的主控制器，擴(kuò)展一片多功能接口芯片8155。地面和白帶的檢測(cè)，使用的是自己設(shè)計(jì)并制作的反射式光電傳感器（又稱(chēng)灰度傳感器），此傳感器輸入給控制器的信號(hào)類(lèi)型是開(kāi)關(guān)量。在本設(shè)計(jì)中，尋跡機(jī)器人的前面、中間和后面都布置有灰度傳感器，尤其是在頭部和尾部都布置了7個(gè)傳感器。它們能同時(shí)工作，并可以實(shí)時(shí)采集所有灰度傳感器的狀態(tài)，能精確知道尋跡機(jī)器人隨時(shí)的位置。在程序控制過(guò)程中，尋跡機(jī)器人可以前進(jìn)和“后退”。景點(diǎn)檢測(cè)采用前后兩個(gè)碰撞開(kāi)關(guān)。本設(shè)計(jì)中使用的電動(dòng)機(jī)是直流電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)芯片是L298N，直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)三級(jí)直齒輪減速器將傳動(dòng)傳給車(chē)輪。關(guān)于尋跡機(jī)器人沿線(xiàn)走，本設(shè)計(jì)采用了PWM調(diào)速技術(shù)，基本上可以實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速：根據(jù)灰度傳感器測(cè)出的尋跡機(jī)器人所處的位置，可以及時(shí)調(diào)整尋跡機(jī)器人理想的位置。電源使用的是高容量、小體積的鋰離子電池?；谶@些完備而可靠的硬件設(shè)計(jì)，再加上一套自己編的獨(dú)特的程序算法，可以使本設(shè)計(jì)完全達(dá)到要求。關(guān)鍵詞：尋跡機(jī)器人 單片機(jī) 光電傳感器 PWM畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文摘要Design of control systems for Tracing robotsAbstract: With the development of science and technology, the robot in all areas of society is increasing. Tracing robots play an important role in industry or the various competitions. The design using high performance microcontroller AT89S52 as tracing robots the main controller, and extend a multi-purpose interface chip 8155. Detection of floor and white belt, using reflective photoelectric sensor (also named as gray sensor) which is designed and produced by myself, This sensor input signal type to the controller is switch. In this design, tracing robot has a gray sensor in the front; middle and back, particularly in the head and tail have seven sensors. They can work simultaneously, and can collect the states of all gray sensors, know track of the robot accurately at any time. Under the process of the program control, tracing robot can move forward and fall back. Using two collisions switch to detect sights. The motor in the design is DC motor, drive chip is L298N. DC motor passes the power to wheel drive by three straight gears reducer. On tracing robot along the walk, using the PWM speed control technology, can achieve the variable speed of DC motor basically: based on the gray sensors detecting the location, the tracing robot can be adjusted in perfect position in time. Power is using high capacity, small size of lithium ion batteries. Based on these comprehensive and reliable hardware design, coupled with my set of unique series of procedures algorithm, The design can fully meet the requirements.Keywords: Tracing robot; MCU; Photoelectric Sensors; PWM. 目 錄1 引言 12 功能要求和方案論證 22.1功能要求 22.1.1 功能要求 22.1.2 輸入輸出信號(hào) 22.2 方案論證 22.2.1 車(chē)體設(shè)計(jì) 22.2.2 控制器模塊 32.2.3 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速模塊 42.2.4 灰度傳感器模塊 42.2.5 電源模塊 52.2.6 景點(diǎn)檢測(cè)模塊 52.2.7 最終方案 53 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 73.1 整體構(gòu)思 73.2 微控制器模塊的設(shè)計(jì) 83.2.1 單片機(jī)選型依據(jù) 83.2.2 8155芯片的介紹 113.2.3 微控制器電路原理圖 133.2.4 與能力風(fēng)暴機(jī)器人的控制系統(tǒng)比較 143.3 灰度傳感器模塊的設(shè)計(jì) 153.3.1 灰度傳感器原理 Y3.3.2 灰度傳感器電路設(shè)計(jì) Y3.3.3 灰度傳感器電路原理圖 Y3.4 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速模塊 Y3.4.1 驅(qū)動(dòng)芯片L298N的介紹及電路 Y3.4.2 與能力風(fēng)暴機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊的比較 Y3.5 電源電路的設(shè)計(jì) Y3.5.1 鋰離子電池介紹 Y3.5.2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) Y3.6 碰撞開(kāi)關(guān) Y3.7 蜂鳴器 Y4 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì) Y4.1 程序功能 Y4.2 流程圖 Y4.3 程序編寫(xiě) Y4.3.1 主程序 Y4.3.2 灰度傳感器檢測(cè)子程序 Y4.3.3 碰撞開(kāi)關(guān)檢測(cè)子程序 Y4.3.4 PWM調(diào)速子程序 Y4.3.5 沿線(xiàn)走子程序 Y5 調(diào)試及性能分析 Y5.1 調(diào)試所用到的軟件 Y5.1.1 Protel 99 SE Y5.1.2 Keil uVision2Y5.1.3 Easy 51Pro Y5.2 調(diào)試所出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法 Y5.2.1 電源和控制系統(tǒng) Y5.2.2 直流電動(dòng)機(jī) Y5.2.3 灰度傳感器 Y5.3 性能分析 Y結(jié)論 Y致謝 Y參考文獻(xiàn)Y附錄A 尋跡機(jī)器人源程序 Y附錄B 能力風(fēng)暴機(jī)器人的源程序 Y圖1 尋跡機(jī)器人控制系統(tǒng)電路圖 Y此文檔僅供學(xué)習(xí)與交流1 引言機(jī)器人技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)的精華，它對(duì)未來(lái)社會(huì)有極大的影響。機(jī)器人的普及程度對(duì)一個(gè)國(guó)家機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展起很大的作用，所以普及型機(jī)器人在各國(guó)流行開(kāi)來(lái)。例如自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的物料配送機(jī)器人,醫(yī)院的機(jī)器人護(hù)士,商場(chǎng)的導(dǎo)游機(jī)器人等。近年來(lái),在國(guó)內(nèi)外許多重要的各種機(jī)器人大賽中也都有尋跡機(jī)器人的身影,例如全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽、湖北省第二屆電腦機(jī)器人比賽和江蘇省第二屆大學(xué)生機(jī)器人大賽等。尋跡機(jī)器人比賽又可以被稱(chēng)為機(jī)器人旅游比賽、機(jī)器人走規(guī)定圖形比賽和機(jī)器人尋跡比賽等。對(duì)尋跡機(jī)器人的研究已成為一個(gè)熱門(mén)課題。而尋跡機(jī)器人的核心之一就是機(jī)器人控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)尋跡機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究，能把我在書(shū)本上所學(xué)到的理論知識(shí)運(yùn)用于實(shí)際，補(bǔ)充我在學(xué)習(xí)中的不足，而且能培養(yǎng)和鍛煉我的動(dòng)手能力。樂(lè)高機(jī)器人、美國(guó)VEX系列機(jī)器人、博思威龍系列機(jī)器人、中鳴機(jī)器人、廣茂達(dá)能力風(fēng)暴系列機(jī)器人和雙龍機(jī)器人等是目前中國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。它們現(xiàn)在都采用模塊化，采用流程圖式編程和C語(yǔ)言編程，高級(jí)用戶(hù)也可以采用匯編語(yǔ)言編程，可以方便地編制出各種程序使機(jī)器人完成各種任務(wù)，無(wú)需專(zhuān)門(mén)的單片機(jī)開(kāi)發(fā)工具，單片機(jī)內(nèi)部有閃存，支持直接下載操作。使用的單片機(jī)主要有MICROCNIP公司的PIC系列單片機(jī)、AVR系列單片機(jī)和MOTOLORA的MC68HC11E系列單片機(jī)。由于具有的功能比較多，使機(jī)器人布置更多的地面?zhèn)鞲衅饔欣щy。部分單片機(jī)的晶振頻率不高，處理數(shù)據(jù)速度有限。尋跡是機(jī)器人的一種簡(jiǎn)單視覺(jué)，在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)中起著非常重要的作用，為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中位置的準(zhǔn)確性提供了保障,在尋跡機(jī)器人中是靠灰度傳感器（又稱(chēng)地面?zhèn)鞲衅鳎Ｓ捎谶@些公司的性質(zhì)都是以贏利為目的，面對(duì)的對(duì)象是社會(huì)，所以它們?cè)趯ほE機(jī)器人方面，或多或少都存在著一些不足，例如價(jià)格太高，功能較多而導(dǎo)致在尋跡走方面考慮的不全，傳感器采集地面信號(hào)滿(mǎn)，傳感器數(shù)量不滿(mǎn)足程序的需要，再擴(kuò)展傳感器的能力有限等。尋跡機(jī)器人涉及到傳感器技術(shù)、單片機(jī)控制、信號(hào)處理、程序的編制、電機(jī)選擇、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)等諸多領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)的研究的內(nèi)容有傳感器技術(shù)、單片機(jī)控制、信號(hào)處理、程序的編制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇、PWM調(diào)速等。即是對(duì)機(jī)器人所處位置信號(hào)的采集、判別、處理，發(fā)出信號(hào)控制電機(jī)，使機(jī)器人沿著指定顏色的條帶行走，完成特定的任務(wù)。在2006年12月15日到18日舉辦的第二屆江蘇省大學(xué)生機(jī)器人大賽上，淮海工學(xué)院機(jī)械工程系特組織了一只代表隊(duì)連島人，參加了其中的機(jī)器人游江蘇比賽。參賽該項(xiàng)目的共有三十幾只代表隊(duì)，經(jīng)過(guò)兩天的緊張的比賽，連島人獲得了三等獎(jiǎng)的好成績(jī)。但總的方面來(lái)說(shuō)，連島人還沒(méi)有完全發(fā)揮到一流的水平，與其它學(xué)校優(yōu)秀的代表隊(duì)相比，還有一些不足，表面上看是我們的機(jī)器人運(yùn)行的速度還不夠快，其實(shí)是由于我們的機(jī)器人本身的特性所決定的。首先能力風(fēng)暴機(jī)器人是面對(duì)社會(huì)的，它的針對(duì)大學(xué)的機(jī)器人ASUII雖然可以尋跡走，但它主要的方向是放在教育這一方面。其次它設(shè)計(jì)的系統(tǒng)最多只能擴(kuò)充3個(gè)灰度傳感器。而且它的控制系統(tǒng)是八位單片機(jī)，使用的晶振的頻率是8MHZ。經(jīng)過(guò)我們發(fā)現(xiàn)、比較、摸索，要想在機(jī)器人游江蘇比賽中獲得優(yōu)異的成績(jī)，必須對(duì)機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行大改或重新設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，就對(duì)它的一些缺點(diǎn)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，修改。通過(guò)改造，尋跡機(jī)器人在沿線(xiàn)走的速度，有了大幅度的提高，擴(kuò)展的灰度傳感器的數(shù)量也達(dá)到了16個(gè)灰度傳感器的靈敏度和反應(yīng)時(shí)間也有所提高。下面我就大概說(shuō)說(shuō)在本設(shè)計(jì)中我是怎么設(shè)計(jì)和制作尋跡機(jī)器人的。在控制系統(tǒng)方面，利用現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)非常成熟的AT89S52單片機(jī)，使用12MHZ的晶振。考慮到MCS-51系列的單片機(jī)的I/O口數(shù)量和驅(qū)動(dòng)能力有限，特地?cái)U(kuò)展了一片8155H芯片。在灰度傳感器方面，本設(shè)計(jì)中利用了高強(qiáng)度二極管和光敏三極管組成的發(fā)射接收電路。利用高強(qiáng)度二極管發(fā)射，光敏三極管接收信號(hào)。通過(guò)調(diào)試，使輸出的信號(hào)為開(kāi)關(guān)量。以便減少控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的處理時(shí)間，以防止控制系統(tǒng)在處理信號(hào)時(shí)，機(jī)器人從白帶上跑過(guò)?；叶葌鞲衅黛`敏了，尋跡機(jī)器人的速度也可以提高了。在直流電動(dòng)機(jī)方面，本設(shè)計(jì)使用L298N驅(qū)動(dòng)芯片。一片L298N芯片控制兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速。在認(rèn)真分析尋跡機(jī)器人之后，發(fā)現(xiàn)必須要使用PWM調(diào)速。以便機(jī)器人能更快，更可靠的完成任務(wù)。在程序編寫(xiě)方面，本設(shè)計(jì)使用的是匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，程序執(zhí)行的效率高，程序容量小。由于本次使用的灰度傳感器比較多，編寫(xiě)的程序也得使用一套獨(dú)特的算法。另外，對(duì)于本次設(shè)計(jì)，尋跡機(jī)器人的調(diào)試也是一件不容易的事。2 功能要求和方案論證在本章中，主要針對(duì)任務(wù)書(shū)提出的一些問(wèn)題進(jìn)行了回答，并總體對(duì)本設(shè)計(jì)的所要設(shè)計(jì)的模塊進(jìn)行了論證，初步確定了本次設(shè)計(jì)的大概框架。2.1 功能要求在本小節(jié)中，主要針對(duì)任務(wù)書(shū)提出的一些問(wèn)題進(jìn)行了回答，例如本次設(shè)計(jì)所要完成的任務(wù)，機(jī)器人的體積、所具備的功能等。2.1.1 功能要求本設(shè)計(jì)要求尋跡機(jī)器人的最大尺寸必須小于等于30cm30cm30cm，由單片機(jī)對(duì)尋跡機(jī)器人進(jìn)行控制，機(jī)器人所使用的傳感器為灰度傳感器，用來(lái)檢測(cè)地面不同顏色，借助灰度傳感器，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿著白色的條帶行走，完成特定的任務(wù)，機(jī)器人行走借助于能力風(fēng)暴機(jī)器人小車(chē)，要求能在5分鐘內(nèi)完成機(jī)器人游江蘇的任務(wù)。2.1.2 輸入輸出信號(hào)尋跡機(jī)器人輸入信號(hào)有2個(gè)碰撞傳感器、16個(gè)地面?zhèn)鞲衅鳎ㄓ址Q(chēng)灰度傳感器）和按鍵三種，這些信號(hào)的類(lèi)型都是開(kāi)關(guān)量。輸出信號(hào)有指示燈和2個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，指示燈輸出的是電壓，直流電動(dòng)機(jī)輸出的是變化的電壓。輸入的是開(kāi)關(guān)量，它減少了控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的處理時(shí)間和資源，加快了控制系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)，便于在程序中提高電動(dòng)機(jī)的速度，節(jié)省不必要浪費(fèi)的時(shí)間。指示燈輸出的電壓在程序中只要對(duì)指定的I/O口置0或置1即可，便于實(shí)現(xiàn)。而電動(dòng)機(jī)輸出的電壓，只得通過(guò)相關(guān)的程序和硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用的控制器是AT89S52單片機(jī)，使用12MHZ的晶振，擴(kuò)展一片8155H。2.2 方案論證根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本控制系統(tǒng)主要由車(chē)體設(shè)計(jì)、控制器模塊、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速模塊、灰度傳感器模塊、電源模塊、景點(diǎn)檢測(cè)模塊等模塊構(gòu)成。為較好的實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，我分別提出了幾種方案并分別進(jìn)行了論證，并最終選擇了一套合適的方案。2.2.1 車(chē)體設(shè)計(jì)方案一：購(gòu)買(mǎi)玩具電動(dòng)車(chē)。購(gòu)買(mǎi)的玩具電動(dòng)車(chē)具有組裝完整的車(chē)架車(chē)輪、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路。但是一般的說(shuō)來(lái)，玩具電動(dòng)車(chē)具有如下缺點(diǎn)：首先，這種玩具電動(dòng)車(chē)由于裝配緊湊，使得各種所需傳感器的安裝十分不方便。其次，這種電動(dòng)車(chē)一般都是前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動(dòng)，不能適應(yīng)該本設(shè)計(jì)中的方格地圖，不能方便迅速的實(shí)現(xiàn)原地保持坐標(biāo)轉(zhuǎn)90度甚至180度的彎角。再次，玩具電動(dòng)車(chē)的電機(jī)多為玩具直流電動(dòng)機(jī)，力矩小，空載轉(zhuǎn)速快，負(fù)載性能差，不易調(diào)速。而且這種電動(dòng)車(chē)一般都價(jià)格不菲。因此放棄了此方案。方案二：使用能力風(fēng)暴機(jī)器人小車(chē)。能力風(fēng)暴機(jī)器人小車(chē)采用左右兩輪分別驅(qū)動(dòng)，前后各有一個(gè)萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)向。即左右輪分別用兩個(gè)轉(zhuǎn)速和力矩基本完全相同的直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，車(chē)體的頭部和尾部各裝有一個(gè)萬(wàn)向輪。這樣，當(dāng)兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向相反，同時(shí)轉(zhuǎn)速相同就可以實(shí)現(xiàn)尋跡機(jī)器人的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松地實(shí)現(xiàn)小車(chē)坐標(biāo)不變的90度和180度的轉(zhuǎn)彎。在安裝時(shí)它能保證兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸。當(dāng)機(jī)器人前進(jìn)時(shí)，左右兩驅(qū)動(dòng)輪與前、后萬(wàn)向輪形成了四點(diǎn)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得小車(chē)在前進(jìn)時(shí)比較平穩(wěn)，可以避免出現(xiàn)前、后輪過(guò)低而使左右兩驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力不夠的情況。為了防止小車(chē)重心的偏移，前、后萬(wàn)向輪都使用了減振彈簧，也起到了支撐作用。經(jīng)過(guò)反復(fù)思考，選用方案二。小車(chē)底盤(pán)如下圖所示：圖2-1 機(jī)器人底座2.2.2 控制器模塊方案一：采用可編程邏輯器件CPLD作為控制器，CPLD可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富、易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經(jīng)濟(jì)的角度考慮我放棄了此方案。方案二：采用凌陽(yáng)公司的16位單片機(jī)。它是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動(dòng)能力高、集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。處理速度高，尤其適用于語(yǔ)音處理和識(shí)別等領(lǐng)域。但是當(dāng)凌陽(yáng)單片機(jī)應(yīng)用語(yǔ)音處理和辨識(shí)時(shí)，由于其占用的CPU資源較多而使得凌陽(yáng)單片機(jī)同時(shí)處理其它任務(wù)的速度和能力降低。本系統(tǒng)主要是進(jìn)行尋跡運(yùn)行的檢測(cè)以及電機(jī)的控制。如果單純的使用凌陽(yáng)單片機(jī)，在語(yǔ)音播報(bào)的同時(shí)小車(chē)的控制容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和編程的簡(jiǎn)潔性考慮，放棄了單純使用凌陽(yáng)單片機(jī)而考慮其它的方案。方案三：采用Atmel公司的AT89S52單片機(jī)作為主控制器。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8KB在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。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。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。從方便使用、價(jià)格等諸多角度綜合考慮，我選擇了方案三。2.2.3 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速模塊方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問(wèn)題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。方案二：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車(chē)的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。方案三：采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開(kāi)關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。直流電動(dòng)機(jī)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片L298N芯片，L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。而且它正好也采用了含由達(dá)林頓管組成的雙H型電路?；谏鲜隼碚摲治?，選擇方案三。2.2.4 灰度傳感器模塊灰度傳感器探測(cè)路面白帶的大致原理是光線(xiàn)照到路面，白帶和綠色地毯的反射光系數(shù)不同，輸入的電壓也就不同。方案一：高強(qiáng)度發(fā)光二極管與光敏三極管組成的發(fā)射接收電路。這種方案的缺點(diǎn)在于其他環(huán)境光源會(huì)對(duì)光敏三極管的工作產(chǎn)生很大干擾，一旦外界光亮條件改變，很可能造成誤判和漏判。但如果我們采取較好的避光措施，可以避免該缺點(diǎn)。且可以在電路上加上可調(diào)電阻，可以使輸出的信號(hào)變?yōu)殚_(kāi)關(guān)量，減少控制系統(tǒng)的處理時(shí)間。方案二：不調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器。由于采用紅外管代替普通可見(jiàn)光管，可以降低環(huán)境光源干擾。但如果直接用直流電壓對(duì)管子進(jìn)行供電，限于管子的平均功率要求，工作電流只能在10mA左右，仍然容易受到干擾。方案三：用光敏電阻Cds單元組成光敏探測(cè)器。光敏電阻的阻值可以跟隨周?chē)h(huán)境光線(xiàn)的變化而變化。當(dāng)光線(xiàn)照射到白線(xiàn)上面時(shí)，光線(xiàn)發(fā)射強(qiáng)烈，光線(xiàn)照射到黑線(xiàn)上面時(shí)，光線(xiàn)發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線(xiàn)和黑線(xiàn)上方時(shí)，阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過(guò)比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定地工作。因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。而且變化的速度沒(méi)有光敏三極管變化快。方案四：用紅外發(fā)射管和接收管制作光電對(duì)管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線(xiàn)，當(dāng)發(fā)出的紅外線(xiàn)照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線(xiàn)則檢測(cè)出白線(xiàn)，繼而輸出低電平；若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線(xiàn)則檢測(cè)出黑線(xiàn)，繼而輸出高電平。這樣制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿(mǎn)足要求，但是工作不夠穩(wěn)定，且容易受外界光線(xiàn)的影響，因此我也放棄了這個(gè)方案?；谏鲜隹紤]，采用方案一。2.2.5 電源模塊方案一：所有器件采用單一電源（體積小、容量大的鋰離子電池，充滿(mǎn)電的電壓為8.5伏）。這樣供電比較簡(jiǎn)單，可以利用7805芯片將它轉(zhuǎn)換為+5伏電，供控制系統(tǒng)和傳感器使用。雖然電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大，而且PWM驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)電流波動(dòng)很大，但鋰離子電池容量比較大，可以減少這種影響。方案二：雙電源供電。利用光耦合器傳輸信號(hào)，雖然能電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源與單片機(jī)以及周邊電路電源完全隔離，減少了電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所造成的干擾，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。但這樣做不如單電源方便靈活，增加了尋跡機(jī)器人的成本、體積和重量。而且電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊需要與控制系統(tǒng)電路共地。綜合考慮，采用方案一。2.2.6 景點(diǎn)檢測(cè)模塊方案一：使用碰撞開(kāi)關(guān)。碰撞開(kāi)關(guān)價(jià)格便宜，使用方便，反應(yīng)靈敏，性能穩(wěn)定，可靠性好，連接線(xiàn)路簡(jiǎn)單。方案二：使用超聲波測(cè)距模塊。超聲波測(cè)距模塊價(jià)格比較貴，如果在尋跡機(jī)器人前后各裝一個(gè)模塊的話(huà)，它占的體積比較大，與控制系統(tǒng)之間連線(xiàn)比較復(fù)雜，當(dāng)要求尋跡機(jī)器人撞到一個(gè)景點(diǎn)時(shí)，它的可靠性和穩(wěn)定性都有所局限。因本設(shè)計(jì)初步考慮的是尋跡機(jī)器人既可以前進(jìn)也可以倒退，機(jī)器人可以用其頭部或尾部檢測(cè)到景點(diǎn)，所以綜合考慮，在尋跡機(jī)器人的頭部或尾部各安排了一個(gè)傳感器。碰撞開(kāi)關(guān)正好符合這個(gè)要求。其次，它輸入的是一個(gè)開(kāi)關(guān)量，未碰到物體時(shí)，它輸入的是1，碰到物體后，它輸入的是0。碰撞開(kāi)關(guān)在碰到景點(diǎn)后，會(huì)輸入一個(gè)開(kāi)關(guān)量給控制芯片，“告訴”控制系統(tǒng)已到達(dá)該景點(diǎn)。從多方面考慮，使用方案一。2.2.7 最終方案經(jīng)過(guò)反復(fù)考慮、論證，最終確定了如下方案：（1）車(chē)體使用能力風(fēng)暴機(jī)器人小車(chē)。（2）采用Atmel公司的AT89S52單片機(jī)作為主控制器。（3）采用含由達(dá)林頓管組成的雙H型PWM電路的L298N芯片作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。（4）高強(qiáng)度發(fā)光二極管與光敏三極管組成的發(fā)射接收電路對(duì)地面白帶進(jìn)行檢測(cè)。（5）用單一電源鋰電池經(jīng)7805穩(wěn)壓后為單片機(jī)控制系統(tǒng)、傳感器和其他芯片供電，鋰電池直接為直流電動(dòng)機(jī)供電。（6）景點(diǎn)檢測(cè)采用碰撞開(kāi)關(guān)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：鋰電池經(jīng)7805轉(zhuǎn)換AT89S52擴(kuò)展一片8155芯片L298N驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)鋰電池前，中，后面灰度傳感器能力風(fēng)暴機(jī)器人小車(chē)前后碰撞傳感器圖2-2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)主要由微控制器模塊的設(shè)計(jì)、灰度傳感器模塊、直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速模塊的設(shè)計(jì)、電源模塊電路的設(shè)計(jì)等模塊構(gòu)成。下面就這些模塊一一來(lái)說(shuō)明。3.1 整體構(gòu)思因?yàn)檫@個(gè)項(xiàng)目的主要目的是通過(guò)學(xué)習(xí)和鞏固所學(xué)夠的單片機(jī)及其相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)，并且是針對(duì)現(xiàn)有的能力風(fēng)暴機(jī)器人在第二屆江蘇省大學(xué)生機(jī)器人大賽中的游江蘇項(xiàng)目所表現(xiàn)出的缺點(diǎn)進(jìn)行改造，所以所制作的硬件電路一方面能夠滿(mǎn)足改造的目的，另一方面也可以補(bǔ)充自己學(xué)習(xí)中的不足，同時(shí)也可以將它作為其它項(xiàng)目的實(shí)施基礎(chǔ)。為此，我將系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)為：圖3-1 系統(tǒng)框架圖其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)、邏輯控制部分均為獨(dú)立的單片機(jī)系統(tǒng)，這樣設(shè)計(jì)主要出于：（1） 單片機(jī)已十分便宜，可以像普通IC那樣使用； （2）直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯比較簡(jiǎn)單，但是實(shí)時(shí)性要求較高，所以獨(dú)立出來(lái)，編程較為容易，便于初學(xué)者上手； （3）直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通常會(huì)有較大的干擾，尤其是驅(qū)動(dòng)普通的直流有刷電機(jī)，電刷的火花干擾很強(qiáng)，單獨(dú)使用簡(jiǎn)單，但抗干擾能力強(qiáng)的單片機(jī)可使系統(tǒng)更加可靠； （4）直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)部分獨(dú)立做成一個(gè)模塊后可以在以后的其它項(xiàng)目上使用，增加投入的附加值，例如作為RCX(樂(lè)高的控制器)的大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器； （5）對(duì)于走軌跡項(xiàng)目而言，邏輯部分并不十分復(fù)雜，完全可以將電機(jī)控制部分融入其中，但是這樣系統(tǒng)就不容易修改為其它用途，編程難度也增加了，不利于學(xué)習(xí)。由于本次設(shè)計(jì)是針對(duì)比賽而改造的，所以該設(shè)計(jì)編程難度較高； （6）采用獨(dú)立的邏輯控制便于學(xué)習(xí)者掌握構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)的能力，學(xué)會(huì)多模塊協(xié)同工作時(shí)如何交換信息、如何協(xié)調(diào)。目前在控制上利用單獨(dú)的智能節(jié)點(diǎn)完成單一任務(wù)，采用通訊方式將這些獨(dú)立節(jié)點(diǎn)組合實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的功能已經(jīng)形成一個(gè)趨勢(shì)。 （7）采用獨(dú)立的邏輯控制模塊便于學(xué)習(xí)者隨時(shí)根據(jù)學(xué)習(xí)需要替換為所要學(xué)習(xí)的單片機(jī)，目前我所采用的是51系列的，而日后如需要，可以隨時(shí)替換為AVR、PIC或其它性能更好的型號(hào)，這些新的單片機(jī)通常都有成品模塊出售，具有完善的數(shù)字、模擬以及通訊接口，這樣設(shè)計(jì)就十分容易接入，達(dá)到學(xué)習(xí)、評(píng)估的目的。3.2 微控制器模塊的設(shè)計(jì)微控制器是尋跡機(jī)器人的控制核心，其地位可見(jiàn)不一般。在本設(shè)計(jì)中我選用的芯片是AT89S52，使用的晶振頻率是12MHZ，并擴(kuò)展一片8155H芯片。3.2.1 單片機(jī)的選型依據(jù)因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)的目標(biāo)之一是學(xué)習(xí)單片機(jī)的應(yīng)用，所以我還是選用了MCS-51系列的單片機(jī)，因?yàn)?1的架構(gòu)十分典型，便于初學(xué)者理解，同時(shí)其公共資源是最多的，便于初學(xué)者自學(xué)和交流。而且它的相關(guān)資源比較多，便于學(xué)習(xí)、應(yīng)用。選擇用于學(xué)習(xí)的單片機(jī)我認(rèn)為主要考慮以下方面： （1）價(jià)格便宜； （2）開(kāi)發(fā)手段便宜； （3）自己動(dòng)手焊接相對(duì)容易（最好不選用BGA封裝的，或是腳距小于0.5mm的）?；谏鲜隹紤]，我選擇了Atmel公司的AT89S52單片機(jī)，價(jià)格僅8元左右。它可以使用簡(jiǎn)單的串口編程（ISP），不需要專(zhuān)門(mén)的編程設(shè)備，自制一個(gè)串口適配器最多10元，如果選用現(xiàn)成的USB轉(zhuǎn)串口產(chǎn)品，也只要40-50元（注意：不是每種USB轉(zhuǎn)串口產(chǎn)品都可用）。下載軟件廠家免費(fèi)提供，開(kāi)發(fā)成本很低。封裝有PDIP、PLCC及TQFP模式，PDIP也是1.27mm腳距的，很好焊接。很多人排斥51系列的原因是認(rèn)為51資源較少，速度也比較慢，這實(shí)際上是最早的8051給人留下的印象，也是多數(shù)教材中所描述的，而實(shí)際上51架構(gòu)已發(fā)生了很大變化，其資源已十分豐富，速度也有很大提高。以此款A(yù)T89S52來(lái)說(shuō)，其資源為：8KB 的FlashROM ，256字節(jié)RAM， 32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，6個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，3個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，全雙工串行通信口，看門(mén)狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。另外，AT89S52可降至0HZ靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件編程，可選擇節(jié)電模式、空閑模式下CPU工作等，詳情可上該公司的網(wǎng)站查詢(xún)。其它還有許多51架構(gòu)的單片機(jī)具有優(yōu)異的特性和特點(diǎn)，如：（1）兼容MCS-51指令系統(tǒng)；（2）32個(gè)雙向I/O口； （3）3個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器； （4）全雙工UART串行中斷口線(xiàn)；（5）8個(gè)中斷源； （6）中斷喚醒省電模式； （7）看門(mén)狗（WDT）定時(shí)器； （8）靈活的ISP字節(jié)和分頁(yè)編程； （9）8k可反復(fù)擦寫(xiě)(1000次）ISP Flash ROM； （10）4.5-5.5V工作電壓； （11）時(shí)鐘頻率0-33MHz； （12）256x8bit內(nèi)部RAM； （13）低功耗空閑和省電模式； （14）3級(jí)加密程序存儲(chǔ)器；（15）軟件設(shè)置空閑和省電功能； （16）雙數(shù)據(jù)寄存器指針。 還有很多類(lèi)似的產(chǎn)品，此處就不一一例舉。主要是想說(shuō)明，MCS-51架構(gòu)還是有其優(yōu)勢(shì)的，否則不會(huì)有如此多的公司基于51架構(gòu)開(kāi)發(fā)出這么多產(chǎn)品。AT89S52在可靠性、性?xún)r(jià)比等指標(biāo)上都還可以。從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，由于目前編程通常使用C語(yǔ)言，所以對(duì)單片機(jī)的依附已不十分緊密，只是在設(shè)計(jì)硬件線(xiàn)路及程序中對(duì)硬件初始化時(shí)要涉及器件，而程序的邏輯部分幾乎與硬件無(wú)關(guān)，所以選擇什么單片機(jī)學(xué)習(xí)沒(méi)有什么絕對(duì)的好與壞，關(guān)鍵看自己可利用的資源。在本設(shè)計(jì)中主要還是使用匯編語(yǔ)言，這是因?yàn)橐环矫婵梢蕴岣叱绦驁?zhí)行的效率，另一方面充分利用單片機(jī)的資源，節(jié)省存儲(chǔ)空間。MCS-51 單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：圖3-2 單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖MCS-51是標(biāo)準(zhǔn)的40引腳雙列直插式（PDIP封裝形式）集成電路芯片，引腳排列如下圖所示：圖3-3 單片機(jī)引腳排列圖信號(hào)引腳介紹： P0.0 P0.7： P0口8位雙向口線(xiàn)； P1.0 P1.7 ：P1口8位雙向口線(xiàn)； P2.0 P2.7 ：P2口8位雙向口線(xiàn)； P3.0 P3.7 ：P3口8位雙向口線(xiàn)； ALE：地址鎖存控制信號(hào)。在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE用于控制把P0口輸出的低8位地址鎖存起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。此外，由于ALE是以晶振1/6的固定頻率輸出的正脈沖，因此,可作為外部時(shí)鐘或外部定時(shí)脈沖使用。：外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)。在讀外部ROM時(shí)，有效（低電平），以實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。：訪(fǎng)問(wèn)程序存儲(chǔ)控制信號(hào)。當(dāng)信號(hào)為低電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作限定在外部程序存儲(chǔ)器；當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開(kāi)始，并可延至外部程序存儲(chǔ)器。RST：復(fù)位信號(hào)。當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。XTAL1和XTAL2：外接晶體引線(xiàn)端。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此二引線(xiàn)端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。GND：地線(xiàn)。VCC：+5 V電源。圖3-4 單片機(jī)最小化系統(tǒng)單片機(jī)的最小化系統(tǒng)是指單片機(jī)能正常工作所必須的外圍元件，主要可以分成時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，我們采用的是AT89S52芯片，它內(nèi)部自帶8K的FLASH程序存儲(chǔ)器，一般情況下，這8K的存儲(chǔ)空間足夠我們使用，所以我們將AT89S52芯片的第31腳固定接高電平（電路原理圖上已經(jīng)接死），所以我們只用芯片內(nèi)部的8K程序存儲(chǔ)器。單片機(jī)的時(shí)鐘電路有一個(gè)12M的晶振和兩個(gè)30P的小電容組成，它們決定了單片機(jī)的工作時(shí)間精度為1微秒。復(fù)位電路由10UF的電解電容和10K的電阻組成，以前教科書(shū)上常推薦用10UF電容和10K電阻組成復(fù)位電路，這里我們根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)選用10UF的電容和10K的電阻，其好處是在滿(mǎn)足單片機(jī)可靠復(fù)位的前提下降低了復(fù)位引腳的對(duì)地阻抗，可以顯著增強(qiáng)單片機(jī)復(fù)位電路的抗干擾能力。二極管的作用是起快速泄放電容電量的功能，滿(mǎn)足短時(shí)間多次復(fù)位都能成功。3.2.2 8155芯片的介紹8155芯片含有2568位靜態(tài)RAM，兩個(gè)可編程的8位I/O口，一個(gè)可編程的6位I/O口，一個(gè)可編程的14位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。8155芯片具有地址鎖存功能，與MCS-51單片機(jī)接口簡(jiǎn)單，是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛使用的芯片。8155芯片的邏輯結(jié)構(gòu)圖和引腳圖如圖3-5所示：其中：PA,PB兩個(gè)8位和一個(gè)6位PC口；AD0AD7,地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線(xiàn)； ALE地址鎖存使能，控制地址/數(shù)據(jù)復(fù)用； /CE是8155的片選端,低有效； IO/M，I/O口或RAM選擇線(xiàn)；/RD是讀信號(hào)；/WR是寫(xiě)信號(hào)；RESET是復(fù)位信號(hào)，高有效。 片內(nèi)1個(gè)14位減法Timer，計(jì)數(shù)脈沖由TIMERIN輸入,分頻后由TIMEROUT 輸出。VCC,GND是電源端和接地端。圖3-5 8155邏輯結(jié)構(gòu)圖和引腳圖8155有2種工作方式(基本I/O和選通I/O)。內(nèi)部有6個(gè)寄存器, 由AD2，AD1,AD0,ALE與RD,WR,IO/M信號(hào)線(xiàn)選擇。RESET高有效; /CE低有效。8155命令/狀態(tài)字寄存器是兩個(gè)地址相同的寄存器,命令字寄存器接受控制命令(只寫(xiě))。地址：A2,A1,A0=000 命令字格式如下表：AD7AD0選中的寄存器功 能X X X X X 0 0 0命令/狀態(tài)字寄存器對(duì)它只能寫(xiě)命令從它只能讀狀態(tài)X X X X X 0 0 1A口寄存器(PA7PA0)對(duì)應(yīng)A口的各個(gè)引腳X X X X X 0 1 0B口寄存器(PB7PB0)對(duì)應(yīng)B口的各個(gè)引腳X X X X X 0 1 1C口寄存器(PC7PC0)對(duì)應(yīng)C口的各個(gè)引腳X X X X X 1 0 0定時(shí)器低8位寄存器單純存放低8位初值X X X X X 1 0 1定時(shí)器高6位和輸出方式寄存器高兩位控制輸出信號(hào)形式下圖為8155H命令控制寄存器格式。在本設(shè)計(jì)中，PA口和PB口都為輸入，PC口為輸出，無(wú)計(jì)數(shù)，無(wú)中斷，所以通過(guò)下圖可知8155H命令控制為000001100B。圖3-6 8155H控制字3.2.3 微控制器電路原理圖AT89S52擴(kuò)展一片8155的電路原理圖如下：圖3-7 微控制器電路圖8155內(nèi)部有一個(gè)鎖存器，故不必再需要外加74LS373，由于用了P2.7接/CE；P2.0接IO/M，P0口和P2口確定8155的寄存器的地址。具體確定的方法是： P2.7P2.0 P0.7P0.0 0XXX XXX1 XXXX X000 命令/狀態(tài)字寄存器 0XXX XXX1 XXXX X001 A口寄存器0XXX XXX1 XXXX X010 B口寄存器0XXX XXX1 XXXX X011 C口寄存器 0XXX XXX1 XXXX X100 定時(shí)器低位寄存器0XXX XXX1 XXXX X101 定時(shí)器高位寄存器對(duì)8155的片內(nèi)RAM尋址，必須P2.0為低。在圖中連接狀態(tài)下，可取的一組地址為：RAM地址為： 7E00H7EFFH I/O端口地址為：命令/狀態(tài)口7F00HPA口7F01HPB口7F02HPC口7F03H定時(shí)器低字節(jié)7F04H定時(shí)器高字節(jié)7F05H3.2.4 與能力風(fēng)暴機(jī)器人的控制系統(tǒng)比較能力風(fēng)暴機(jī)器人使用Motorola 生產(chǎn)的8位單片機(jī)68HC11作為控制芯片。它有8 個(gè)模擬口，5 個(gè)輸入捕捉，3 個(gè)PWM 輸出，16 位地址，8 位數(shù)據(jù)總線(xiàn)，串口，以及4 個(gè)通用I/O。68HC11E1 無(wú)內(nèi)部ROM，有512 字節(jié)EEPROM，可重定位的256 字節(jié)RAM。能力風(fēng)暴機(jī)器人接8M 晶振，能力風(fēng)暴運(yùn)行于擴(kuò)展工作方式，擴(kuò)展了32K 靜態(tài)RAM 和8 個(gè)I/O 口。能力風(fēng)暴機(jī)器人為了省引腳，單片機(jī)中一般以低8 位地址和8 位數(shù)據(jù)以時(shí)分多路方式合用PC 的8 只引腳。能力風(fēng)暴充分利用了68HC11E1 的全部硬件資源。3.3 灰度傳感器模塊的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)用到的灰度傳感器主要是用來(lái)檢測(cè)地面顏色的變化，由白色變成深綠色，或由深綠色變成白色。該灰度傳感器要反應(yīng)速度快，輸入給單片機(jī)的是一個(gè)開(kāi)關(guān)量，即：傳感器在白帶上輸出的是“1”，則在深綠色的地毯上輸出的是“0”。3.3.1 灰度傳感器原理灰度傳感器輸出給控制系統(tǒng)的“0”和“1”是針對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)而言。MCS-51是TTL系列芯片，而TTL電平標(biāo)準(zhǔn)為：輸出 L（0）： 2.4V。 輸入 L（0）： 2.0V TTL器件輸入低電平要小于0.8V，高電平要大于2.4V。輸入，低于1.2V就認(rèn)為是0，高于2.0就認(rèn)為是1。 TTL電平標(biāo)準(zhǔn)為輸出 L： 2.4V。 所以在本設(shè)計(jì)中所利用的傳感器輸入“1”時(shí)的電壓必須大于2.0V，輸入“0”時(shí)的電壓必須小于1.2V。在本次設(shè)計(jì)中利用的是高強(qiáng)度二極管和光敏三極管組成灰度傳感器。高強(qiáng)度二極管比普通的二極管發(fā)出的光線(xiàn)要強(qiáng)很多，以避免發(fā)出的光線(xiàn)被地面的白帶或地毯吸收的太多。光敏三極管的工作特性是：當(dāng)無(wú)光照射到光敏三極管上時(shí)，光敏三極管的電阻很大，一般大于20K，當(dāng)有強(qiáng)光照射時(shí)，它的電阻僅為2K左右。自做的灰度傳感器正是利用它的這個(gè)特性，當(dāng)小車(chē)的傳感器在白帶上面行駛時(shí)，裝在車(chē)下的高強(qiáng)度的二極管發(fā)射出高強(qiáng)度的紅光信號(hào)，經(jīng)白帶反射后，被光敏三極管接收，一旦光敏三極管接收到信號(hào)，那么圖中光敏三極管將導(dǎo)通，輸出的電壓為2.4V的電壓，即是單片機(jī)的“1”。當(dāng)小車(chē)的傳感器在深綠色的地毯上面行駛時(shí)，裝在車(chē)下的高強(qiáng)度的二極管發(fā)射出高強(qiáng)度的紅光信號(hào)，信號(hào)幾乎全被深綠色的地毯吸收，光敏三極管幾乎接收不到光線(xiàn)，光敏三極管截止，輸出的電壓為1.2V的電壓，即是單片機(jī)的“0”。 從而實(shí)現(xiàn)了通過(guò)光敏三極管檢測(cè)信號(hào)的功能。將檢測(cè)到的信號(hào)送到單片機(jī)I/O口，當(dāng)I/O口檢測(cè)到的信號(hào)為高電平時(shí)，表明光敏三極管被導(dǎo)通，表明尋跡機(jī)器人的該灰度傳感器處在白帶上；同理，當(dāng)I/O口檢測(cè)到的信號(hào)為低電平時(shí)，表明尋跡機(jī)器人的該灰度傳感器處在行駛在深綠色的地毯上。3.3.2 灰度傳感器電路設(shè)計(jì)利用的是光反射的傳感器，在日本被稱(chēng)為光電判讀器，按檢測(cè)方法可以分為反射式和透過(guò)式兩種類(lèi)型。反射式光傳感器的工作原理是從發(fā)光元件（如發(fā)光二極管等）發(fā)出的光被物體反射后到達(dá)感光元件，由此判斷物體是否存在。顯然，如果感光元件檢測(cè)到反射光，表明前方有物體存在。透過(guò)式光傳感器的工作原理是從發(fā)光元件（如發(fā)光二極管等）發(fā)出的光被物體反射后是否到達(dá)感光器件，由此判斷物體是否存在。與反射式光傳感器的區(qū)別在于，如果感光元件未檢測(cè)到有光線(xiàn)，則表明有物體存在。自制機(jī)器人一般采用反射式光傳感器。在本設(shè)計(jì)中的灰度傳感器也是利用了反射式光傳感器。下圖為一個(gè)反射式光傳感器的檢測(cè)距離特性圖，從圖中可知檢測(cè)距離為4mm時(shí)輸出最大。圖3-8 反射式光傳感器的檢測(cè)距離特性圖尋跡機(jī)器人上的灰度傳感器（反射式光傳感器）的安裝方式如下圖所示。圖3-9 灰度傳感器的安裝方式下面就灰度傳感器電路做一些具體的說(shuō)明。初步確定的電路圖如下所示：圖3-10 灰度傳感器電路圖接下來(lái)討論如何計(jì)算該電路中內(nèi)置高強(qiáng)度發(fā)光二極管的電流值，以及外加電阻的阻值（它是內(nèi)置三極管的負(fù)載）。首先，可以利用下圖所示的計(jì)算公式求得高強(qiáng)度發(fā)光二極管限流電阻的阻值。設(shè)發(fā)光二極管的電壓為,高強(qiáng)度發(fā)光二極管壓降約為1.0V，如果電流按10mA計(jì)算，則等效電阻為400，而E24系列的等效電阻可以取470。圖3-11 二極管限流電阻的阻值計(jì)算圖具體計(jì)算方法如下：R（） *計(jì)算例中，設(shè)電源電壓為5V，電流為10mA, R（）=400其次，講解光敏三極管部分（參見(jiàn)下圖）等效電阻的計(jì)算。為了判別白帶及其周邊的深綠色的地毯，應(yīng)將光的變化變換成電壓，然后輸入AT89S52之類(lèi)的控制器。圖3-12 光敏三極管工作原理圖很據(jù)動(dòng)作原理，檢測(cè)到深綠色地毯時(shí)無(wú)反射光，對(duì)于灰度傳感器而言就是未感受到光，因此沒(méi)有基極電流發(fā)生，向MCS-51系列單片機(jī)輸入“0”信號(hào)。相反，在深綠色地毯以外的區(qū)域，則輸出“1”信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，信號(hào)輸入對(duì)象是AT89S51，查閱相關(guān)資料可知它的“0”電平為小于0.8V，“1”電平為大于2V，很據(jù)這一輸出電壓就能夠計(jì)算發(fā)射極的負(fù)載電阻。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，最終確定此發(fā)射極的負(fù)載電阻為4.7K（使用E24系列的電阻）。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合，顯然白帶和深綠色地毯的反射率都會(huì)隨場(chǎng)地，環(huán)境，時(shí)間改變而改變，因此發(fā)射極的等效電阻可以用可變電阻來(lái)代替。在本次設(shè)計(jì)中就采用了10 K的可調(diào)電阻，目的在于靈活地適應(yīng)環(huán)境而調(diào)整。本設(shè)計(jì)中的灰度傳感器采取固定電阻加可調(diào)電阻串聯(lián)的配置形式，固定電阻起發(fā)射極限流的作用，所以可調(diào)電阻的阻值調(diào)的很低?；叶葌鞲衅鞯陌l(fā)送端選用的是高強(qiáng)度的二極管，接收反射光的接收端選用