基于单片机自动壁障机器人的研究_毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机自动壁障机器人的研究_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

速和方向的控制；电子开关的速度和稳定性也完全可满足需要，整套驱动电路是一种被广泛采用的电机驱动技术。 电路见图 23。 图 23 电机控制电路图 电源及稳压模块 方案 1： 采用交流电经直流稳压处理后供电 采用交流电提供直流稳压电源，电流驱动能力及电压稳定性最好，且负载对电源影响也最小。 但由于需要电线对机器人供电，极大影响了避障机器人行动的灵活性及地形的适应能力。 而且避障机器人极易把拖在地上的电线识别为障碍淮安信息职业技术学院毕业设计论文 6 6 物，人为增加了不必要的障碍。 故放弃了这一方案。 方案 2：采用干电池组进行供电 采用四节干电池 降压至 5V 后给单片机及其他逻辑单元供电，另取六节干电池为电机及光电开关供电。 这样电机启动及制动时的短暂电压干扰不会影响到逻辑单元和单片机的工作。 但由于电机驱动需要比较大的电流，所以采用干电池供电使用的周期不能很长，实用性不太好。 故放弃了这一方案。 方案 3：采用可充电蓄电池供电 采用可充电蓄电池给驱动和感测模块供电，其它采用蓄电池经 LM2575 稳压后供电。 虽然蓄电池的重量比较大，但是蓄电池能够供电的时间长而稳定，况且买来的机器人负重能力好，所以采用此方案完全可行。 故采用了此方案。 其原理图如下图所示 ： 图 24 供电电源及稳压模块 第 2 章 系统主要硬件电路设计 7 7 传感器模块 整个机器人共采用了 9 个传感器，分布在整个机器人的不同部位，相互配合 起不同的作用，见图 25。 图 25 中各传感器说明如下： 传感器 1 置于机器人正前方朝下的金属探测传感器，用于探测金属。 传感器 2 置于机器人正前方朝前的超声波传感器，用于检测障碍物。 超声波来源于 555 产生 40 kHz 的方波信号，经超声波发射头发出。 发射头不断发出信号，当遇到障碍物时，信号会被反射回来，从 而接收头会接受到信号，将信号送入单片机进行相应的判断和处理。 传感器 3 置于机器人正前方朝下的红外光电传感器，用于检测停止线。 红外发射管发出信号，经不同的反射介质反射，根据红外接收管是否接收到信号做出相应的判断。 传感器 5 置于机器人底座下方朝下的红外光电传感器，用于检测地面的引导线，原理同传感器 3。 传感器 7 置于机器人正前方朝前的光敏电阻传感器，用于寻找光源。 当机器人前方有光源照射时，光敏电阻的大小将会改变，将 2 个传感器的改变量进行比较处理后送入单片机，单片机将会产生相应的调整信号，使机器人朝光强的方 向行走。 传感器 8 置于机器人后方两侧朝外的超声波传感器，用于在机器人遇到障碍物时的转弯处理，判断机器人是否完全绕开障碍物，原理同传感器 2。 传感器 9 置于机器人正后方的光电码盘，用于计里程，借助于鼠标原理，机器人 图 25 传感器分布示意图 4 5 7 3 2 6 1 8 9 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 8 8 选用直径为 的塑料小轮自制光电码盘，经过打磨使其周长为 8cm，再在该小轮上打等距离的 8 个孔，如图 5 所示。 最小测距精度可达到 1cm，足以满足要求，两侧装上光电传感器，将其安装在车尾，使之与车的行驶同步。 就实际情况自制出来的各个孔之间的距离无法精确相等，但经过具体测量该光电码盘，能保证行驶 50 cm 产 生 50 个脉冲，于是采用其作为计算距离的基准单位。 在直道区，可由该电路产生的脉冲数，计算出铁片中心线至起跑线间的距离。 此外，为了清楚直观地观察到各传感器的工作状态，电路中还专门为每个传感器设计了工作指示灯，实时显示每个传感器的工作状态。 逻辑模块 在感测模块和单片机中断接口之间，需要经过电平的逻辑处理，信息才能被单片机所感知。 主要是一块三输入或非门，所以我们采用现成的 74ls27 芯片实现逻辑功能。 图 27 信号逻辑模块 :74LS27 电路图 计算机 发射装置 计数齿数 接收装 置 计算机 图 26 计数齿数 第 2 章 系统主要硬 件电路设计 9 9 感测模块 方 案 1：使用超声波探测器 超声波探测器探测距离远，测距方便。 但由于声波衍射现象较严重，且波包散面太大，易造成障碍物的错误判断。 同时，超声波探测具有几厘米甚至几十厘米的盲区，这对于我们的避障机器人是个致命的限制。 故放弃了这一方案。 方案 2：使用光电对管探测 光电对管价格低廉，性能稳定，但探测距离太近（一般不超过 3cm），使得机器人必须制动迅速。 而我们由于采用普通直流电机作为原动力，制动距离至少需要10cm。 因此不采取这一方案。 方案 3：使用视频采集处理装置进行探测 使用 CCD 实时采集 机器人前进路线上的图像并进行实时传输及处理，这是最精确的障碍物信息采集方案，可以对障碍物进行精确定位和测距。 但是使用视频采集会大大增加机器人成本和设计开发难度，而且考虑到我们机器人行进转弯的精确度并未达到视频处理的精度，因而使用视频采集在实际应用中是个很大的浪费，所以放弃了这一方案。 方案 4：使用光电开关进行障碍物信息采集 使用三只 E3FDS30C4 光电开关，分别探测正前方，前右侧，前左侧障碍物信息，在特殊地形（如障碍物密集地形）可将正前方的光电开关移置后方进行探测。 E3FDS30C4 光电开关平均有效探测距离 0~30cm 可调，且抗外界背景光干扰能力强，可在日光下正常工作（理论上应避免日光和强光源的直接照射）。 机器人换档调速后的最大制动距离不超过 30cm，一般在 10~20cm 左右，因而探测距离满足机器人需求。 故采用此方案。 光电开关排列如图所示： 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 10 10 图 28 光电开关示意图 连接模块 此模块的主要作用是，连接单片机和电机驱动模块，并消除干扰，让单片机能够准确的控制电机驱动模块，在此采用了一集成了四个光耦的集成电路TLP5214，而不采用单个 的光耦，且一个集成电路也显得更美观，价钱也不高，市场上也容易买到。 其原理图如下图所示： 图 29 连接模块： TLP5214 电路图第 2 章 系统主要硬件电路设计 11 11 电机驱动模块 此模块的主要作用的驱动直流电机，让直流电机有足够的动力。 方案 1：使用分立原件搭建电机驱动电路 使用分立原件搭建电机驱动电路造价低廉，在大规模生产中使用广 泛。 但分立原件 H 桥电路工作性能不够稳定，较易出现硬件上的故障，故放弃了这一方案。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 12 12 方案 2：使用 L298N 芯片驱动电机 一个具 有高电压大电流的全桥驱动芯片，输出电压最高可达 50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的 IO 口提供信号，而且带有使能端，方便 PWM 调速，电路简单，性能稳定，使用比较方便。 L298N 芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，正好符合机器人两个直流电机的驱动要求。 其原理图如下所示： 图 210 驱动模块： L298 电路图 显示模块： 方案 1：采用数码管显示 数码管完全可用来显示已行驶过的 路程，且数码管亮度大，夜间观测也比较方便，所以数码管在一般场合是首选，但是数码管只能显示数字，发挥的空间比较窄。 所以不采用此方案。 第 2 章 系统主要硬件电路设计 13 13 方案 2：采用液晶显示。