机器人自动寻迹控制系统毕业设计说明书(共63页).doc

《机器人自动寻迹控制系统毕业设计说明书(共63页).doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机器人自动寻迹控制系统毕业设计说明书(共63页).doc（63页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、精选优质文档-倾情为你奉上 南 京 理 工 大 学毕业设计说明书(论文)作 者:陆建学 号：学院(系):机械工程学院专 业:机械工程及其自动化题 目:机器人自动寻迹控制系统的设计指导者：张雯高级工程师(姓 名)(专业技术职务)评阅者：樊黎霞教授(姓 名)(专业技术职务) 2011年 5 月专心-专注-专业南 京 理 工 大 学毕业设计（论文）评语学生姓名：陆建班级、学号：题 目：机器人自动寻迹控制系统的设计综合成绩：指导者评语： 指导者(签字)： 年 月 日毕业设计（论文）评语评阅者评语： 评阅者(签字)： 年 月 日答辩委员会（小组）评语：答辩委员会（小组）负责人(签字)： 年 月 日毕业设

2、计说明书（论文）中文摘要本设计是一种基于单片机控制的简易机器人自动寻迹控制系统的设计，包括小车系统构成软硬件设计方法。小车以AT89S52单片机为控制核心, 用单片机产生PWM波，控制小车速度。利用红外光电传感器对路面黑色轨迹进行检测,并将路面检测信号通过相应的端口反馈给单片机。单片机对采集到的信号予以分析判断,将控制信号传给电机驱动芯片L293D，一片L293D芯片控制两个直流减速电机，及时控制驱动电机以调整小车速度与转向,从而使小车能够沿着黑色轨迹自动行驶,实现小车自动寻迹的目的。其中，还包括通过7805稳压芯片对芯片供电电路的设计，电路部分与机械部分的有机结合在特定程序下经过多次调试便能

3、实现上述功能。关键词 AT89S52 L293D 光电传感器 稳压电路毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleTracing control system for automatic robotAbstractThis design is a simple design of a smart auto-tracking vehicle which based on MSC control. The construction of the car ,and methods of hardware and software design are included. The car use AT89

4、S52 as heart of control in this system. Then control the speed of car by using PWM waves produced by AT89S52. detect the black track on the road with infrared photoelectric sensor, And send the signal to the microcontroller through the appropriate port. The Microcontroller then analysis the collecte

5、d signal, and control the motor driver IC L293D which could control the speed of two DC gear motor.So that the car will automatically travel along the black path.It also includes the 7805 voltage regulator chip which could used by the voltage regular circuit and produce the power for the chip. Part

6、of the circuit and mechanical parts combine in a specific of procedures can achieve the above functions through the many debugging.朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典1. 名词1. electric circuitKeywords AT89S52 L293D photoelectric sensor voltage regular circuit目 次1 绪论 11.1 机器人概述 11.2 移动机器人研究现状 21.3 移动机器人的关键技术 41.4 移动机器人研究

7、背景及其意义 61.5 论文简介及论文所做的工作 72 寻迹小车整体结构设计 82.1 寻迹小车运动结构选型 82.2 模块方案比较与论证 92.3 最终方案 133 硬件实现及单元电路设计 153.1 车身设计 153.2 AT89S52主控制芯片介绍 163.3 单片机在机器人自动寻迹小车中的功能 203.4 寻线系统设计 203.5 电机驱动电路的设计 223.6 稳压电路及稳压芯片简介 284 软件实现 294.1 程序设计总体思路 294.2 传感器布置位置 294.3 小车的几种状态 294.4 传感器数据处理及寻迹流程图 314.5 单片机实现寻迹的程序设计 345 系统调试 3

8、65.1 调试轨道介绍 365.2 调试实际结果分析 365.3 调试过程中遇到的问题及解决方案 36结论 41致谢 43参考文献 44附录A 机器人自动寻迹控制系统单片机C程序 46图1 机器人自动寻迹控制系统实物图 51图2 机器人自动寻迹控制系统面包板调试图 52图3 机器人自动寻迹控制系统原理图及PCB板设计图 53表1 所用零件列表 551 绪论现代科学技术的快速发展，特别是微电子技术和计算机技术的飞速发展，机械行业已经发生巨大的变化而且还将继续发生更为深刻的变化。微电子技术与机械技术的紧密结合，特别是微型计算机技术与机械技术的紧密结合，现代机械技术所拥有的技术较以往远为高，远为新，

9、远为广，远为复杂而先进，机电一体化产品与技术是十分突出的表现之一1。这种深刻的变化是一个及其强大的趋势和严峻的挑战，而且这种趋势所带来的挑战，是不应该抗拒，而且不可抗拒的。进入二十一世纪，人们越来越多地感受到了机械进入工业，服务业，医疗业，保健业，娱乐业的坚实的步伐。1.1 机器人的概述 机器人，它是一个非常直观的话语，它已经问世几十年，但科学界对机器人的定义仍然是仁者见仁智者见智，仍然没有统一的意见，原因之一是，科学技术的快速发展，在信息与技术时代下，新模式、新功能的机器人不断涌现，机器人的功能越来越丰富，但是，这一争论的根源却在于机器人已经涉及到人的概念，已经成为一个哲学问题。鉴于种种原因

10、，在综合权衡之下，我国的科学家对机器人的定义给出了比较全面的看法：“机器人是一种自动化的机器，所不同的是，这台机器已与人或生物智能能力有一些相似之处，如知觉、策划能力、运动能力和协作能力，是一个高度灵活的自动化机械。”国际上对于机器人定义的观点主要分以下几类：（1）英国简明牛津字典给出的定义。机器人是“貌似人的自动机，具有智力的并且顺从人的但不具人格的机器”。这个定义不是完全正确，因为当今在运行的机器人中还不存在和人类完全相似的。这只是一个理想情况下的机器人。（2）美国机器人协会（RIA）的给出的定义。机器人是“一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过可编程序动作来执行种种任务的，并

11、具有编程能力的多功能机械手（manipulator）”。虽然这个定义相对而言是比较实用的，但并不全面。这里指的只是简单的工业机器人。（3）日本工业机器人协会（JIRA）的定义。工业机器人是“一种装备有记忆装置和末端执行器（end effecter）的,能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器” 2。1.2 移动机器人研究现状 随着计算机技术、微电子技术、信息处理技术和智能控制技术的飞速发展，机器人技术已逐步深化和细化，作为机器人技术重要领域的移动机器人，越来越受到人们的重视，并且已经不断的向智能化，多元化的方向发展，移动机器人发展快，应用越来越广泛。从机器人足球赛到陆地无人自主车

12、赛，从无人机到机器鱼，从资源勘探到战场机器人，移动机器人已涉及农业生产，军事应用，海洋开发，太空探索，社会服务，娱乐等许多方面移动机器人的研究不仅可以推动科学技术的向前发展，同时其应用必将带来巨大的经济效益和社会效益3。1.2.1 移动机器人国外研究现状美国国家科学委员会已经预言：“坦克是20世纪的核心武器， 21世纪的核心武器是无人作战系统，在2000年之后将陆续派出遥控无人地面作战系统部队，并且陆续投入到战场。”为此，八十年代以来，美国国防高级研究计划局（DARPA）专门立项，制定了针对地面无人作战平台的战略计划。自那时以来，全世界拉开了全面研究室外移动机器人的序幕，如DARPA的“战略电

13、脑“自主地面车辆方案（ALV的）计划（1983-1990），能源部制定的长达十年的机器人与智能系统计划（RIPS，1986- 1995），以及紧随其后的空间机器人方案；位于日本的通产省组织的极限环境下作业的机器人计划；位于欧洲尤里卡中的机器人计划等。早期的研究，主要是从学术的角度研究室外机器人的体系结构和信息处理方式，并进行验证试验系统的建立。虽然八十年代由于对的机器人智能行为期望太高，导致对室外机器人的研究并没有达到预期的效果，却引导了相关技术，从而为探讨人类研制智能机器人的途径积累了经验，而且也促进了其他国家移动机器人的研究和发展的。步入九十年代，随着科学技术的发展与进步，移动机器人开始在

14、一个更现实的基础上，开放各个领域，进入实用化阶段。美国航天局资助并研制的“丹蒂”八足步行机器人，是一个能提供对高移动性机器人运动的了解和具有远程机器人探险功能的的智能行走机器人。与其他机器人（如NavLab）不同的是， 1994年它成功的在斯帕火山的火山口中进行了演示，虽然在返回时，在一泥泞而又陡峭的路面上失去了稳定性，倒向了一边，但作为指定的探险任务却早已完成。而其它机器人在整个运动过程中，都需要人参与或支持。丹蒂计划的主要目标在于为成功实现在充满碎片的月球等其它星球的表面进行探索而提供一种利用机器人解决的方案。美国火星探测机器人“索杰那”由美国航天局研制，它于1997年在火星着陆，这次事件

15、在全世界得到了报道，此后又开始了新一代样机研制，以在火星上进行长距离探险。把它命名为Rocky7，并在干涸的湖床上和Lavic湖的岩溶流上进行了成功的实验。德国还研制了一种新型的轮椅式机器人，并且1998年汉诺威工业商品博览会的展览大厅中以及在乌尔姆市中心车站的客流高峰期的环境中进行了实地现场表演，该轮椅机器人在拥挤的、有大量乘客的公共场所环境中，进行了总时间超过36个小时的考验，还难以在现成的移动机器人或轮椅机器人中找出性能能与之匹敌的机器人。这种轮椅式机器人是在一个商业轮椅结构的基础上实现的。在机器人技术相比发达的国外，还研发出了一种轮椅式机器人，与具有静态稳定性的多轮移动机器人相比，它具

16、有对姿态干扰的不敏感性、更好的动态稳定型、低的滚动阻力、高可操作性、水陆两用性和跌倒后的迅速恢复能力。这是在运动性条件下而提出的一种新的概念。1.2.2 移动机器人国内研究现状我国与世界上的高科技国家以及发达国家相比，机器人发展进度相对而言比较落后，80年代中期，我国已有200多家大大小小的机器人的研发单位，但是，它们中多半是从事重复性、低水平的研究，在全国尚无一台完整功能齐全的机器人产品问世，直到1985年，才迎来了我国机器人得“春天”。 工业机器人在1985年被列入了国家“七五”科技攻关计划的研究重点，以基础器件开发、工业机器人基础技术、喷涂和焊接、搬运机器人的开发研究等五个方面为主要目标

17、。在国家“863”计划支持下，从90年代初期起，我国具有自主知识产权的弧焊、点焊、喷漆、装配、搬运、切割、包装码垛等7种工业机器人产品先后出现，同时，还实施了100多项机器人应用工程，并且建立了20余个机器人产业化基地，从而又在实践中迈进一大步，。在国际竞争环境中，我国工业机器人的优势也日趋凸显。经过多年来的发展创新，我国对机器人的研究有了史无前例的进展。有的方面甚至已经达到了世界领先水平。但与先进的国家相比，总体上还是有很大一段距离，从总体上来看，我国机器人研究依然任重而道远4。1.3 移动机器人的关键技术只有拥有可靠的导航系统、精确的感知能力、能胜任的运动系统和具有既友好而又安全的与人一起

18、工作的能力，移动机器人才能走向实用。移动机器人具有适应性、自主性、以及交互性等智能指标。自主性是指小车能根据周围环境的变化情况以及自身所要求的工作任务，确定自身的工作方式和工作步骤；交互性是智能产生的基础，交互包括移动机器人与人，移动机器人与环境及移动机器人小车之间三种方式，主要涉及到信息的获取、理解以及处理。适应性要求移动机器人小车对复杂工作环境具有良好的适应能力，不但能识别到并且测量到周围物体，还要具备理解周围环境和所需要执行并完成任务的能力，还需要作出正确的判断及操作和移动等能力。移动机器人是一个综合性很强的系统，主要涉及到以下关键技术。1.3.1 机器人体系结构研究机器人的本体是机械结

19、构，它是机器人实现预定功能的基础，机械结构的组成不仅决定了机器人是否能完成预定运动功能，同时也或多或少地影响了机器人的控制能力，性能可靠的机械结构有利于实现机械本体运动的多样化，同时在一定程度上也能够提高机器人对周围环境的良好适应能力5。一个完整的机器人的智能系统应具有以下几个方面的特点：多层次的信息与知识表示方式，信息密集，与环境交互丰富多样化，知识与信息分布存储等。机器人不是单元技术的简单连接，而更像是是一个多系统、高智能的具有复杂系统工程。系统的总功能是由通过各种分系统的多层次协调与分工中集成的。因此，机器人的总体集成技术是一个至关重要的问题，机器人的体系结构研究是其主要研究内容之一。机

20、器人的体系结构的研究，主要是针对反射行为以及有意识行为而展开，如何将两者统一起来，是目前国际社会研究的一个焦点所在。对移动机器人的研究，早期都是在室内封闭环境内进行的，而对于其结构体系的研究一般只能限制在理想的“积木世界”中运行。美国MIT的人工智能实验室的布鲁克斯建立了一系列新型的移动机器人，并提出了包容体系结构思想。这种结构采用所谓的“感知动作”结构，即立足于行为的结构。后期的一些实验还表明，在处理动态环境中的不确定性和模仿动物的低级反射行为方面包容体系结构具有很多优点。近年来，提出了很多采用了基于行为控制的思想并且与传统AI符号主义思想影响的体系结构不同的新型结构。目前，对于这种基于行为

21、控制的体系结构的研究还处在理论探讨阶段，还有很多工作有待深入。事实上，移动机器人所需要完成的任务是非常复杂的，而上述提出的两种体系结构各字有优缺点。因此，最近又有人提出二重体系结构以及其它各种混合体系结构6。1.3.2 移动机器人控制技术移动机器人的研究是机器人学研究领域中的一个非常重要的研究分支，它是一个具有动态决策与规划、环境感知、行为控制与执行等多种功能的综合系统。伴随着机器人技术的飞跃发展，新型智能机器人的功能和应用范围都将得到很大的拓展和提高。其领域不局限于在国防、工业、服务等行业中，移动机器人在野外作业以及在有害与危险的环境下操作、家庭服务和空间领域以及极限作业中的应用也得到了世界

22、各国的高度重视7。 对于移动机器人的控制技术来讲，现在主要有两种不同类型的观点：一种是模拟了一种反射行为以及对发杂环境的迅速反应和适应能力的基于“感知行动”的横向体系观点，移动机器人的控制结构主要包括包容结构，分级递阶结构，组织协调执行机构以及反应式结构等；另一种是通过基于模型的智能控制来模拟人的深思熟虑行为并且基于“环境建模规划控制”的纵向体系观点。伴随着机器人控制技术的飞速发展，开展对“具有开放式结构的标准化、模块化机器人控制结构”的研究是当前机器人控制结构发展的一个方向。近几年来，来自日本、美国和欧洲一些国家的机构都在纷纷开发具有开放式结构的机器人控制器，具体的如日本安川公司的具有开放式

23、结构、网络功能并且基于PC开发的机器人控制结构。我国863计划中对智能机器人主题也已经对这方面的展开研究立项。现今科学技术水平之下，新型机器人控制器应具备如下特色：（1）采用开放式软件以及硬件结构，具有开放式系统结构，可以根据用户的不同需要方便的扩充功能，使之能适应不同类型的机器人自动化生产线机器人。（2）实行不同的子任务由不同的功能模块来实现的有效地任务划分手段，以利于修改、添加、配置功能的实现。（4）多任务、实时性，要求机器人的控制器必须在规定的时间内完成对外部中断的处理，此外，还可以使多个任务同时执行。（3）对硬件来说要有合理的模块化设计，符合系统要求的电气性能，并且按模块化设计，这样不

24、仅提高了系统的可靠性，而且方便安装和维护，除此之外系统的安装也更为紧凑。（5）网络通讯功能，有效的利用网络通讯功能，以便实现多台机器人协同工作以及资源共享。（6）形象直观的人机接口8。1.4 移动机器人研究背景及其意义 移动机器人是一种具有遥控操作器、传感器和具有自动控制系统的移动载体组成的机械系统。由于移动机器人具有移动的功能，因此，它在代替人类从事危险、恶劣（如辐射、有毒等）环境下作业以及人类所不及的（如宇宙空间、水下等）环境下作业方面，相比于一般的机器人而言，具有巨大的灵活性和机动性。 20世纪 60年代后期，苏联和美国为了完成对月球的勘探计划，研制并应用了一系列的移动机器人。美国研制的

25、“探测者”3号，通过地面遥控其操作器，完成了在月球表面上挖沟等其它任务。苏联的研制的“登月者”20号在无人驾驶的环境下降落在月球的表面，控制其操作器在月球表面钻削岩石，并通过回收器把土壤和岩石送回地球。70年代初期，日本早稻田大学的具有仿人类功能的两足步行机器人。为适应海洋开发和原子能利用的迫切需要，极限环境下作业机器人和水下机器人发展的也较快。 移动机器人因其移动方式和应用环境和的不同，研究内容也有千差万别。但是，其共同的基本技术有移动技术、传感器系统技术、控制系统技术、操作器、人工智能等方面。它有相当于人的眼、耳、皮肤的视觉传感器、触觉传感器以及听觉传感器。机器人的移动机构有轮式（例如两轮

26、式、四轮式、履带式、全方向式）、足式（例如2足、4足、6足）、混合式(例如用轮子和足)、特殊式(例如轨道式、吸附式、蛇式)等类型。轮子适于在平坦的路面行驶，足式移动机构适于在凹凸不平的山岳地带和环境中移动。移动机器人的控制方式由遥控、监控到自治控制发展，综合应用了问题求解、机器视觉、专家系统等具有人工智能等的技术研制自治型移动机器人。随着对机器人应用领域扩展的不断深化。移动机器人的结构、控制和功能也变得更为复杂，传统的程序开发手段已经难以满足要求。因此，机器人体系结构的研究一直是机器人研究领域的一个基础性课题，已有将进30多年的历史并在不断发展中。而研究开发恰当的系统框架和工具，不断提高系统的

27、跨平台性、开放性以及可重构性，有效缩短应用系统开发周期，更是目前人们关注的热点。1.5 论文简介以及论文所做的工作本次毕业设计所要做的主要任务是利用微机或单片机开发出一个控制系统，该控制系统可使小机器人具有自动寻迹功能，能够控制小机器人的行经路线，以及定位控制。选取合适的传感器并设计控制算法和控制电路，设计控制程序流程图并编写相应的控制程序，具体工作可分为以下部分：（1） 电源管理模块的选型、设计与调试；（2） 主控制模块的选型、设计与调试；（3） 驱动系统的选型、设计与调试；（4） 寻迹检测模块的选型、设计与调试；（5） 自动寻迹控制机器人的整体调试与分析。通过对以上系统的研究，希望系统能够

28、达到运行稳定、快速可靠的要求。2 寻迹小车整体结构设计采用与白色路面有比较大差别的黑颜色线条作为引导线。寻迹小车能够自动的检测到黑色引导线，并正确沿此引导线行驶。车身采用四方形的地盘，采用小型直流电机并配以二级变速齿轮，一个电机控制左侧轮，另一个电机控制右侧轮。车轮采用能够扎实平稳地与地面接触，并富有弹性的实心橡胶制轮胎。寻迹小车采用红外光电传感器来识别白色路面上的黑色引导线，通过单片机来控制驱动电路，以此来控制电机转向以及转速，从而实现寻迹小车快速稳定地寻线行驶。寻迹小车可以分为六个模块，系统框图如图2.1所示。 电源管理模块寻迹检测模块主控制模块电机驱动模块车体机械模块图2.1 寻迹小车系

29、统框图2.1 寻迹小车运动结构选型对于自动寻迹小车的运动结构的选型，首先要考虑小车的移动方式。轮子、履带以及腿是最常用的运动动力机构。下面讨论不同运动动力机构系统对环境的适应能力。(a)轮子：轮子的启动力矩小，运动时所受摩擦力小，反应相对较快，而且能有效缓和、吸收由于路面不同所产生的冲击与振动。但由于车轮是回转体，所以要求尺寸精度高、不平衡度小，且要有一定的刚度和弹性，耐疲劳、质量轻、经济性好等。速度较高时还要具有动平衡能力。(b)履带：履带是由链节、销套、轴销以及履带板组成的一条封闭链条。每一节履带都是一堆链节，其中一端用销套，另一端以销轴互相铰接在一起。销套和销轴两者都是用力压入的，所以在

30、工作时履带节不至于松脱。履带的轴销安装在销套中，从而连接着另一对链节9。履带可以穿越具有一定障碍的地段，能使小车快速、平稳、安全的跨越各种复杂的路况，履带式车辆抓地力强，可以有效减轻车体对路面的压力，但履带成本偏高，价格偏贵，且安装困难。(c)腿：多足步行移动机器人能够在一定的复杂非结构环境中移动，如在建筑物内搬运（包括有台阶的情况）、在崎岖路面上运输等。可以完成许多危险作业。要有效实现多足机器人控制的一个非常重要的问题是机器人脚底受力的分配。为了防止脚部的滑动，多足步行移动机器人脚底所受力必须满足摩擦锥约束，而且机器人的关节驱动力矩必须满足额定约束条件，此外机器人的各种受力还必须满足力学平衡

31、约束条件等。由于多足步行的复杂性，多足步行机器人的运动规划和控制要比轮式机器人困难的多10。由于寻迹小车所行使的是平整光洁的黑白线路面，摩擦力小，路况简单，没有崎岖路面，为了减少成本，提高效率，选用轮式动力机构系统。2.2 模块方案比较与论证 机器人自动寻迹控制系统主要由主控制电路模块，寻迹传感器模块，电源稳压模块以及电机驱动模块组成。通过各模块间的信息传输与控制，使机器人小车具有自动寻迹功能。 为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。2.2.1 主控制器模块任何一个机器人都具有一个主控制器，主控制器是整个机器人自动寻迹控制系统的核心，贯穿于各个系统之间。主控制器的选

32、择主要考虑两个大的方向，是选用单片机来搭建电路，还是考虑使用现成的微型PC 系统。如果只需自动机器人实现相对简单的操作，可以优先考虑使用单片机芯片控制；如果对于完成复杂任务要求的自动机器人来说，要用微型计算机对其进行控制11。自动寻迹机器人的主控制器主要需要存储容量高，满足实时处理能力，数据处理速度快，丰富的可编程IO 口，低功耗（用蓄电池供电）等方面的性能要求。同时还要考虑驱动系统与主控制器、寻线系统如何连接的问题，主控制器还要求通过对应接口将运动指令发送给电机，对于机器人自动寻线系统来说，往往要根据传感器的需求，来决定是否需要进行AD转换电路或者IO 口的扩展等等。因此对于主控制器的选择有

33、如下几种方案。方案1：采用可编程的逻辑期间CPLD控制器作为主控制器。CPLD控制器具有可以实现各种复杂的逻辑功能、IO资源丰富、规模大、体积小、密度高、稳定性高、易于进行功能扩展等功能。由于采用并行的输入输出方式，从而大大提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心12。但机器人自动寻迹系统不需要复杂的逻辑功能，对于数据的处理速度的要求也不是非常高。而且从使用方便的程度以及经济性的角度来考虑我们放弃了此方案。方案2：采用凌阳公司生产的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、集成度高、驱动能力高、可靠性高、易扩展、结构简单、功耗低、中断处理能力强等一些特点。处理速度快，尤其适用于

34、语音处理和识别等领域13。但是在凌阳单片机应用于语音处理和辨识等环境时，由于其占用CPU资源相对较多导致凌阳单片机同时处理其它任务的速度和效率降低。自动寻迹控制系统主要是进行寻迹运行情况的检测和电机的控制。为了保证系统的稳定性以及考虑到编程的简洁性，我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。方案3：采用Atmel公司出品的AT89S52单片机作为主控制器。AT89S52具有以下标特点： 8k字节Flash，32 位I/O 口线，256字节RAM，2 个数据指针，看门狗定时器，三个16 位定时器/计数器，全双工串行口，一个6向量2级中断结构，片内晶振和时钟电路。此外，AT89S52 可降至0

35、Hz 下的静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止运行，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续保持工作。在掉电保护方式下，RAM中的内容被保存，振荡器被冻结，单片机停止一切工作，直到下一个中断或硬件复位为止14。从方便使用的角度考虑，我们选择了方案3。2.2.2 电源模块由于本系统中各个元器件都需要在电源供电情况下才能正常稳定工作，因此考虑了如下集中方案为系统供电。方案1： 采用2节9V干电池供电，经7805稳压后给单片机以及驱动模块芯片供电，干电池输出稳定、价格便宜、随处可买、拿来即用。使用过程轻松无须维护，放电电压特性较软因其内阻相对较大，也导致其输出大电流的能

36、力不及可充电池和蓄电池。方案2：采用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6V给直流电机供电，经过7805的电压变换后给单片机以及电机驱动芯片供电，然后将12.6V电压再次降压、稳压后给直流电机供电。锂电池的电量比较足，并且可以充电，重复利用，因此，这种方案比较可行。但锂电池的价格过于昂贵，使用锂电池会大大超出预算，因此，放弃了这种方案。方案3：采用具有12V稳定电压的蓄电池为直流电机供电，通过稳压芯片将12V电压降压、稳压后再给单片机系统和电机驱动电路供电。蓄电池具有稳定的电压输出性能以及较强的电流驱动能力。但由于蓄电池的体积过于庞大，在小型电机驱动车上使用起来极为不便，而且需要定期维护，使

37、用过程中还可能会对周边设备以及环境造成污染，同时需要专用的充电设备。进过后期的调试发现，普通干电池输出电压不稳定，输出电流小，不能保证单片机以及驱动芯片以及电机的稳定工作。而锂电池价格较贵。综上考虑，我们选择了方案3。2.2.3 稳压模块 方案1：采用一片7805将一节9V达立干电池输出的电压稳压至5V后给单片机和电机驱动模块供电，7805具有固定的电压输出，应用十分广泛，由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使其基本上不会被损坏。如果能提供足够的散热片，就能够提供大于1.5安的输出电流。电路连接简单。方案2：采用一片2576将电压稳压至5V，2576的输出电流最大可至3A，有优

38、异的线性和负载调整能力，在故障状态下提供完全保护的热关断功能，但价格相对较贵，电路连接稍复杂。出于实际情况考察，选择方案1。2.2.4 寻迹检测模块方案1：采用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以根据周围环境光线强弱的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射相对强烈，光线照射在黑线上面时，光线发射比较弱。因此光敏电阻在黑线以及白线上方时，阻值将发生明显的变化。把阻值的变化值通过比较器与基准值比较就可以输出高低电平。但是这种方案受周边环境光照影响很大，不能够保持稳定的工作。因此决定考虑其他更加稳定的方案。方案2：自己用红外发射管以及接收管制作光电对管寻迹传感器。红外发射管通电发出红外线

39、，当发射管发出的红外线照到白颜色的光滑平面后反射，若红外接收管能接收到反射回来的光线则检测出白线继而输出高电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出低电平15。这样自己组装制作出来的寻迹传感器基本具有一定的寻迹灵敏度，缺点是工作不够稳定，且容易受到外界光线变化的影响，因此我决定放弃这个方案。方案3：采用ST178型光电管。它是由高灵敏度的光电晶体管以及高发射功率的红外光电二极管和组成，其检测距离可调范围比较大，410mm可用。它采用非接触检测方式。经过反复试验证明，ST178红外线光电传感器的发射管要加大约270的电阻来限流，而接收管则要接10k的上拉电阻，两管均接5V电源。工作时电

40、压达4.8V，当距离发射头或接收头1cm左右的位置有障碍物阻挡时电压迅速降到1V。ST178的内部电路图如图2.2所示。图2.2 ST178内部电路图ST178适用于以下范围：(a) IC卡电度表脉冲数据采样。(b) 集中抄表系统数据采集。(c) 水表数据采集。(d) 传真机、碎纸机等办公设备16。因此我们选择了方案3。2.2.5 电机模块本系统为机器人智能小车，对于智能小车来说，其驱动电机的选择就显得格外重要。由于本实验要准确实现寻迹小车对路径的定位和测量，我综合考虑了以下两种方案。方案1：采用步进电机作为该寻迹小车系统的驱动电机。由于其所转过的角度可以准确的定位，此外还可以实现小车前进路程

41、以及位置的良好定位。虽然采用步进电机有许多优点，但是步进电机的输出力矩比较低，其输出力矩随转速的升高而下降，而且在较高转速时会呈急剧下降趋势，不能像普通直流电机以及交流电机在常规下使用17，不适用于小车之类的对速度有一定要求的系统。经综合比较考虑，我们放弃了此方案。方案2：采用直流电机，直流电机的控制方法相对简单，只需要给直流电机的两个控制端口加上适当的电压便可使电机转动起来，两端电压越高则直流电机转速越高。可以采用改变电压的方法对直流电机的速度进行调节，也可采用PWM调速方法。PWM调速是指使加在直流电机两端口的电压为方波形式，电机转速的调节是通过改变方波的占空比来实现的。电机输出到车轮采用

42、减速装置，减速后电机的转速为125r/min。我们的车轮直径为3.6cm，因此我们的小车的最大速度可以达到V=2rv=2*3.14*0.018*125/60=0.236m/s基于以上分析，方案2能够较好的满足系统的要求，因此我们选择了此方案。2.2.6 电机驱动模块方案1：采用L293D专用芯片作为电机的驱动芯片。L293D是一个具有高电压且大电流的全桥驱动芯片，它的响应频率高，一片L293D 可以分别控制两个直流电机，而且该芯片还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，稳定性好，操作方便，性能优良。方案2：对于直流电机采用分立元件从而构成驱动电路。通过分立元件构成的电机驱动电路，价格低廉，结构

43、简单，在实际生活中应用非常广泛。缺点是这种电路工作性能不够稳定。综合权衡之下，放弃了此方案。综上考虑选用了方案1。2.3 最终方案经过反复论证，最终确定了如下方案：（1） 车体用电路板手工制作。（2） 采用AT89S52单片机作为主控制器。（3） 用蓄电池经7805稳压后为单片机与电机控制芯片供电。用ST178光电传感器配以比较电路进行寻迹。（4） 用L293D作为直流电机的驱动芯片。系统的结构框图如图2.3所示。稳压电源ST178光电传感器电压比较器主控制芯片AT89S52L293D直流电机图2.3 系统结构框图3 硬件实现及单元电路设计3.1 车身设计车体的尺寸为145*108*55，车体

44、设计的主要考虑因素有底盘、电机选择、驱动方式。底盘设计：为了便于操作，且日后在上面安装其他东西方便，同时具有一定的重量，使小车运行稳定，所以从市场上购买了一定结构的钢板、螺丝、螺母等材料进行组装成型。成型后的车身结构如图3.1所示。但后续调试电路中发现由于金属钢制车身具有较大的重量，而且电机驱动芯片输给电机的电压不是太稳定，导致电机的转矩不是很大，从而影响小车寻迹的稳定性。经过一番周密的思考后，决定采用塑料等合成材料制作车身，从而有效的减轻了车身的重量，减轻了负载，提高了小车寻迹的灵敏度，塑料车身结构图如图3.2所示。由于橡胶具有独特的高弹性，优异的耐疲劳性、耐磨耗性、耐油和耐溶剂性、耐高温以及耐气体透过性，且有极好的电绝缘性18，因此车轮选用能够扎实的与地面接触，