20基于单片机的寻线机器人的设计与制作本科学位论文.doc

石家庄铁路职业技术学院信息工程系2007级毕业设计（论文）总任务书题目名称基于单片机的寻线机器人的设计与制作课题来源自拟指导教师史振江起止日期2009年12月14日 至 2010年1月8日设计内容、主要技术参数与工作量（计算说明书、论文字数、图纸张数、外文翻译、计算机应用）利用单片机设计一个寻线机器人，要求实现以下功能：1能够寻黑色线（白色背景）行走并自动纠偏；2外界光强变化时能正确寻线。课题要求及目标1通过设计使学生掌握单片机设计的一般思路和方法；2掌握常用单片机仿真软件的使用方法；3掌握常用绘图软件绘制和打印电路原理图的方法。使用的工具软件PROTEL99KEIL提交的设计资料1主要电路和元器件的分析论证；2PROTEL电路原理图；3程序流程图；4制作出寻线机器人。 自动化 教研室2009年12月10日石家庄铁路职业技术学院信息工程系2007级毕业设计（论文）分任务书（硬件部分）题目名称基于单片机的寻线机器人的设计与制作课题来源自拟指导教师史振江起止日期2009年12月14日 至 2010年1月8日设计内容、主要技术参数与工作量（计算说明书、论文字数、图纸张数、外文翻译、计算机应用）利用单片机设计一个寻线机器人，要求实现以下功能：1能够寻黑色线（白色背景）行走并自动纠偏；2外界光强变化时能正确寻线。课题要求及目标1通过设计使学生掌握单片机设计的一般思路和方法；2掌握常用单片机仿真软件的使用方法；3掌握常用绘图软件绘制和打印电路原理图的方法。使用的工具软件PROTEL99、KEIL提交的设计资料1主要电路和元器件的分析论证；2PROTEL电路原理图；3调试成功的电路板。进 度 计 划阶段日期计划完成工作量指导教师检查意见备注12月11日12月17（1周）查阅资料，对设计课题进行分析论证，设计电路原理框图12月18日12月24（1周）选择元器件，绘制电路原理图12月25日12月31（1周）制作电路板；系统联调1月1日1月7（1周）整理论文，准备答辩 自动化 教研室2009年12月10日摘 要本设计是利用单片机设计一个寻线机器人，系统由单片机、寻线电路、模数转换电路和电机驱动电路四部分组成。本设计以AT89C51单片机为核心，利用红外检测接收信号；利用ADC0809模数转换将模拟信号转换为数字信号；利用集成芯片L298作为两电机的驱动，最终实现机器人小车稳定寻线行走。关键词：机器人；红外检测；电机驱动目 录前 言1第1章 总体设计21.1 总体框图21.2 软、硬件功能划分2第2章 系统硬件电路设计.32.1 89C51单片机引脚介绍32.2 寻线电路设计52.3 ADC转换电路设计52.4 电机驱动电路设计92.5 总体电路图与引脚分配9第3章 元件清单11第4章 系统调试.12第5章 毕业设计总结13致 谢14参 考 文 献15附录116IV前 言随着科技的发展，人们的生活出现了各种新型的寻线机器人，例如：清扫机器人、安放机器人。他们的诞生使我们的生活变得更快速、充实。本设计，主要是将单片机应用到寻线机器人进行的设计。单片机应用技术也随之日益更新。单片微型计算机简称单片机。由于它的结构及功能均按工业控制要求设计，因此其确切的名称应是单片微控制器（Single Chip Micro-controller）。单片机是把微型计算机的各个功能部件，即中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器(ROM)、I/O接口、定时器/计数器以及串行通信接口等集成在一块芯片上,构成一个完整的微型计算机,故它又称为单片微型计算机(Single Chip Micro-computer)。红外检测应用领域也比较广泛。人们对它的研究从来没有停止过，目前已经开发出了众多的应用产品，从医疗、检测、航空到军事等领域，几乎处处都能看到红外的身影。但人们对她的研究仍然延续，时不时出现的新发明新应用，带给我们惊讶与感叹，人类对这座宝藏的开发还远远不够，红外产业还有广阔的空间。第1章 总体设计1.1 总体框图本设计系统结构框图如图1所示，系统由单片机、寻线电路、ADC转换电路和电机驱动电路四部分组成。其工作原理是：寻线电路进行红外检测，检测到的红外信号送到ADC转换电路，ADC转化电路将转换完的数字信号送到单片机，再通过电机驱动，来使寻线机器人可以自主的寻线行驶，自由转弯。图1 系统框图1.2 软、硬件功能划分本系统是利用单片机设计一个寻线机器人，经过光电检测采集信号输给单片机，通过预先设定的程序，控制寻线小车的行走。实现以下功能：1能够寻黑色线（白色背景）行走并自动纠偏；2外界光强变化时能正确寻线。其中我负责完成的是系统硬件部分，包括：(1)寻线电路设计制作；(2)ADC转换电路设计制作；(3)步进电机驱动电路设计制作。第2章 系统硬件电路设计2.1 89C51单片机引脚介绍 图2 89C51引脚图89C51单片机采用40引脚双列直插封装（DIP）方式，如图2，各引脚功能如下：(1) VCC：供电电压。(2) GND：接地。(3) P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1 口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。(4)P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 (5)P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 (6) P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入.当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 (7)ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 (8)/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 (9)/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 (10)XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.2 寻线电路设计寻线电路如图3所示，利用红外发射二极管发射出红外线，红外三极管进行接收反射回来的光信号。电路中的可调电阻可调节灵敏度，以满足小车在不同光度的环境光中能够寻线。 图3 寻线电路原理图2.3 ADC转换电路设计 ADC转换电路连接如图4所示，采用的芯片为ADC0809.它是8路模拟信号的分时采集，片内有8路模拟选通开关，以及相应的通道锁存译码电路，其转换时间为100s左右。主要涉及两个问题。一是8路模拟信号通道的选择，二是A/D转换完成后转换数据的传送。图4 ADC0809与89C51电路连接图2.3.1 8路模拟通道选择如图5所示，模拟通道选择信号A、B、C分别接最低三位地址A0、A1、A2即（P0.0、P0.1、P0.2），而地址锁存允许信号ALE由P2.0控制，则8路模拟通道的地址为0FEF8H0FEFFH.此外，通道地址选择以/WR作写选通信号，这一部分电路连接如图5所示。 图5 ADC0809的部分信号连接图 图6 信号的时间配合图从图6中可以看到，把ALE信号与START信号接在一起了，这样连接使得在信号的前沿写入（锁存）通道地址，紧接着在其后沿就启动转换。2.3.2 转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。（1）定时传送方式对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128s，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。（2）查询方式A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。（3）中断方式把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。2.3.3 ADC0809内部结构ADC0809的内部逻辑结构如图7所示。图7 ADC0809的内部逻辑结构图图中多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器进行转换，这是一种经济的多路数据采集方法。地址锁存与译码电路完成对A、B、C 3个地址位进行锁存和译码，其译码输出用于通道选择，其转换结果通过三态输出锁存器存放、输出，因此可以直接与系统数据总线相连，表1为通道选择表。表1 通道选择表2.3.4 ADC0809引脚介绍 ADC0809芯片为28引脚为双列直插式封装，其引脚排列见图5。对ADC0809主要信号引脚的功能说明如下：(1)IN7IN0模拟量输入通道(2)ALE地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。(3)START转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持 低电平。本信号有时简写为ST.(4)A、B、C地址线。 通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。其地址状态与通道对应关系见表9-1。(5)CLK时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号(6)EOC转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。(7)D7D0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高 (8)OE输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。(9)Vcc +5V电源。 (10)Vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V).2.4 电机驱动电路设计 电机驱动电路如图8所示,利用TTL电平进行控制，对电机的操作方便，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正反转操作，很方便单片机的操作，亦能满足直流减速电机的要求。图8 电机驱动电路原理图 驱动芯片L298介绍：L298N 为SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片( Dual Full-Bridge Driver ) ，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号，但在本驱动电路中用L298N 来提供时序信号，节省了单片机IO 端口的使用。L298N 之接脚（图10），Pin1 和Pin15 可与电流侦测用电阻连 接来控制负载的电路； OUTl、OUT2 和OUT3、OUT4 之间分别接2 个步进电机；input1input4 输入控制电位来控制电机的正反转；Enable 则控制电机停转。2.5 总体电路图与引脚分配总体电路图见附录1所示。本设计中用到的单片机引脚分配如下：P0 口：(1) 与地址锁存器74LS373连接；(2) 与ADC0809的输入端连接；P1 口： 与电机驱动芯片L298连接；ALE ： 经二分频与ADC0809的CLOCK连接；X1和X2：与外部晶振连接；P20、RD、WR口与ADC0809的ALE、START、CLOCK连接；INT1 ：与ADC0809的EOC连接。第3章 元件清单本设计制作中所用到的元件见表2。表2 元件清单表1元件名元件型号数量2电阻排1K*813发光二极管44二极管45三极管46电位器10K47固定电阻10K18电解电容10uF19晶振12M110普通电容20PF211或非门74LS02112非门74LS04113或门74LS32114分频芯片74LS74115地址锁存器74LS373116单片机89C51117模拟数字转换芯片ADC0809118电机驱动芯片L298119复位按钮1第4章 系统调试.在完成整个板后，系统调试出现了问题。检查发现电源正负极在附铜时短接问题。改正后，小车可以运行了。图9 寻线机器人左转照片图10 寻线机器人直线行驶照片第5章 毕业设计总结在做这个毕业设计中，我完成了以下部分：(1)寻线电路设计调试；(2)ADC转换电路设计调试；(3)步进电机驱动电路设计调试。深刻的体会到单片机应用在我们社会生活中的重要性，近一步认识到单片机设计的整体思路以及开发的大体流程。在设计制作过程中，我了解到很多单片机方面的知识，激发了我学习单片机的兴趣，更重要的是为我以后的深入学习奠定了良好的基础，还有最重要一点我知道了什么是团队精神。当然，也存在些不足：(1)寻线机器人不能完全按照所寻到的黑线进行行驶，还存在一定的误差；(2)寻线机器人有时工作不稳定；(3) 外界光强变化时不能正确寻线。存在上述现象可能的原因：(1)所寻找的黑线太窄；(2)用到的红外传感器，灵敏度较差；(3)红外传感器数量太少。 16致 谢在做毕业设计的过程当中，我的辅导老师要求一直比较严格，这就有效锻炼了我的独立设计、学习和思考能力。特别感谢我的指导老师史振江老师和王晓亮等同学在本论文设计的过程中给予的大力支持和指导，同时也感谢自动化技术教研组老师的帮助，使我的设计制作知识更加丰富，视野更加宽广，设计更趋完善。通过设计这套系统使我对单片机有了更进一步深刻地认识，同时也了解了单片机的实际应用在人类生活和科学研究中的实际作用。参 考 文 献1、肖洪兵. 跟我学用单片机. 北京：北京航空航天大学出版社,2002.2、李广第 单片机基础 第1版北京：北京航空航天大学出版社，1999.3、夏继强. 单片机实验与实践教程. 北京：北京航空航天大学出版社, 2001.4、何立民编，单片机应用技术选编，北京：北京航空航天大学出版社，2000.5、李芷编，微机原理与接口技术，北京：电子工业出版社， 2005.6、 赵晓安. 51单片机原理及应用. 天津：天津大学出版社，2001. 7、韩雁编，单片机原理及应用教程，北京：电子工业出版社，2004.8、田立编，51单片机C语言程序设计快速入门，北京：人民邮电出版社，2007.9、胡幸鸣编，电机及拖动基础，北京：机械工业出版社，2006.10、王守编中，51单片机开发入门与典型实例，北京：人民邮电出版社，2007.11、徐惠民、安德宁 单片微型计算机原理接口与应用北京：北京邮电大学出版社，1996.12、孙肖子编，模拟电子技术基础，西安：西安电子科技大学出版社，2001.13、林小茶编，C语言程序设计，北京：中国铁道出版社，2004.14、15、附录1石家庄铁路职业技术学院毕 业 设 计 （论文）评 定 表姓名徐海龙学号200704031005存档号104073105系别信息工程系专业电气自动化技术班 级40731班毕业论文（设计）题目基于单片机的寻线机器人的设计与制作指导教师评语：签名： 2010年 1 月 日 答辩委员会意见：签名： 2010年 1 月 日 备注：