【測控技術(shù)與儀器】智能紅外避障履帶式機器人設(shè)計

畢業(yè)設(shè)計題目智能紅外避障履帶式機器人設(shè)計學(xué)生姓名學(xué)號系別防災(zāi)儀器系專業(yè)電氣工程及其自動化班級開題時間2012年12月25日答辯時間2013年6月6日指導(dǎo)教師職稱副教授智能紅外避障履帶式機器人設(shè)計摘要隨著紅外物理與技術(shù)的不斷發(fā)展,紅外探測技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于軍事、煤礦的安全生產(chǎn)等各個領(lǐng)域。論文設(shè)計了一款具有紅外避障功能的智能履帶式機器人。該電路設(shè)計主要由以下四個模塊組成傳感器模塊（紅外發(fā)射和接收器），控制模塊（單片機AT89S52），執(zhí)行模塊（伺服電機），穩(wěn)壓電源模塊。傳感器模塊主要通過對左方、右方以及正前方紅外傳感器的信號分別進行采集，把檢測到的障礙信息傳送給控制模塊?？刂颇K作為系統(tǒng)控制處理器對采集來的信號進行處理，做出比較后把控制信號傳送給執(zhí)行模塊，實現(xiàn)機器人的自動避障，快、慢速行駛，以及自動停車。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的履帶式機器人成功實現(xiàn)了自動避障功能。關(guān)鍵詞避障；機器人；單片機；紅外傳感器INTELLIGENTINFRAREDOBSTACLEAVOIDANCEROBOTDESIGNABSTRACTWITHINFRAREDPHYSICSANDTECHNOLOGYCONTINUESTOEVOLVE,INFRAREDDETECTIONTECHNOLOGYHASBEENWIDELYUSEDINMILITARY,COALMINEPRODUCTIONSAFETYANDOTHERFIELDSANINTELLIGENTTRACKEDROBOTWITHINFRAREDOBSTACLEAVOIDANCEFUNCTIONISDESIGNEDINTHEPAPERTHECIRCUITDESIGNCONSISTSOFTHEFOLLOWINGFOURMODULESASENSORMODULEINFRAREDTRANSMITTERANDRECEIVER,THECONTROLMODULESCMAT89S52,ANEXECUTIONMODULESERVOMOTOR,ANDTHEPOWERSUPPLYMODULESSENSORMODULECOLLECTTHEINFRAREDSENSORSIGNALTHROUGHLEFT,RIGHTANDFRONTSEPARATELYTHEDETECTEDOBSTACLEINFORMATIONWILLTRANSFERTOCONTROLMODULEANDTHECONTROLMODULEASTHESYSTEMCONTROLPROCESSORWILLPROCESSTHECOLLECTEDSIGNALTOMAKECOMPARISONANDTHETRANSFERCONTROLSIGNALTOTHEEXECUTIONMODULE,FORIMPLEMENTINGAUTOMATICOBSTACLEAVOIDANCE,FASTANDSLOWSPEEDANDSTOPPINGAUTOMATICALLYOFROBOTEXPERIMENTSHOWTHATTHEDESIGNEDROBOTACHIEVEDAUTONOMOUSOBSTACLEAVOIDANCEKEYWORDSOBSTACLEAVOIDANCEROBOTMICROCONTROLLERINFRAREDSENSORS目錄引言11履帶式機器人及紅外技術(shù)概述211履帶式機器人的研究意義及現(xiàn)狀212紅外技術(shù)的研究意義及現(xiàn)狀313論文研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)32總體設(shè)計方案421系統(tǒng)原理組成框圖422主要設(shè)計任務(wù)43硬件設(shè)計531控制模塊532紅外傳感器檢測模塊1033電源驅(qū)動模塊1134穩(wěn)壓模塊144軟件設(shè)計145組裝與調(diào)試1651硬件組裝1652軟件和硬件的聯(lián)合調(diào)試17結(jié)論20致謝20參考文獻21附錄22引言近年來，由于軍事應(yīng)用的牽引和推動，紅外技術(shù)得到快速發(fā)展，紅外系統(tǒng)具有以下四個優(yōu)點（1）環(huán)境適應(yīng)性強，在夜間和惡劣天氣條件下的工作能力優(yōu)于可見光；（2）被動式工作，隱蔽性好，不容易受到外界的干擾；（3）依靠目標和背景之間各部分的發(fā)射率和溫度形成的紅外輻射差進行探測，從而能夠比可見光更好的識別偽裝目標；（4）紅外系統(tǒng)具有體積小、重量輕和低功耗等特點。目前在軍事領(lǐng)域和民用工程中紅外技術(shù)已被廣泛使用。在民用工程領(lǐng)域中的應(yīng)用大致可分為（1）在地貌學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、氣象預(yù)報、遙感資源調(diào)查等領(lǐng)域的應(yīng)用；（2）用于對地下礦山的溫度和氣體的檢測；（3）紅外熱像儀在消防、電力、醫(yī)療以及石化和森林火災(zāi)預(yù)報中的應(yīng)用。此外，35M波段熱像儀不僅能夠日以繼夜的工作，還能夠透過雨、霧、雪進行觀察1。在科學(xué)探索和應(yīng)急救援中，經(jīng)常需要檢測一些危險或人類不能直接到達的地區(qū)，這就需要機器人來完成。而機器人在復(fù)雜地形中行駛時的自動避障是一個最基本、最重要的功能。因此，研究和開發(fā)自動避障系統(tǒng)便應(yīng)運而生。智能紅外避障履帶式機器人就是基于這一系統(tǒng)開發(fā)而成的。隨著時代和科技的發(fā)展，對于人類所不能直接到達的地域和未知空間的探索逐步成為熱門，這使得對機器人的紅外自動避障功能的研究開發(fā)變得意義重大。目前避障機器人在多種行為沖突問題的解決上還存在比較明顯的能力不足的缺陷，無法準確識別U形等復(fù)雜障礙，也沒有最優(yōu)避障路徑。而我們以AT89S52單片機作為該履帶式機器人的核心控制單元，使用紅外避障傳感器采集周圍環(huán)境信息，綜合控制程序選取機器人的控制行為，較好地解決避障過程中存在的各種行為以及行為沖突問題，使機器人能夠更準確地檢測到障礙物，保證了避障的快速性和準確性。而選擇履帶式底盤的原因是基于它在實際應(yīng)用中所要面臨的問題進行考慮的，采用履帶式底盤能減機器人車輪對地面的壓強，利于增加防護性；其次，適用地形廣，利于野外機動；最后，在行進中能夠保持機器人的平穩(wěn)性。1履帶式機器人及紅外技術(shù)概述11履帶式機器人的研究意義及現(xiàn)狀機器人是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運行預(yù)先編排好的程序，還可以根據(jù)以人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。機器人的任務(wù)是協(xié)助或取代人類的工作，如制造業(yè)、建筑業(yè)或排爆等危險工作。自20世紀60年代以來，關(guān)節(jié)式機器人就已經(jīng)成為制造業(yè)不可缺少的核心裝備。因為關(guān)節(jié)式機器人操作手的機座是固定的，所以其工作空間受到了比較大的限制，為了突破關(guān)節(jié)式機器人操作空間的限制，研究人員想到了為其裝備移動機構(gòu)，這樣便產(chǎn)生了移動式機器人。移動式機器人的可移動性大大擴展了機器人的工作空間，并能使機器人手臂更好定位以高效的完成任務(wù)。移動式機器人應(yīng)用范圍要比關(guān)節(jié)式機器人廣泛，因此現(xiàn)代工業(yè)上多采用移動式機器人。移動機器人需要有運動機構(gòu)，運動機構(gòu)是移動式機器人的重要執(zhí)行部件，并且能夠使機器人進行無約束運動。運動機構(gòu)一方面支撐機器人的機身、手臂，另一方面還可以根據(jù)工作任務(wù)的要求，帶動其在廣闊的空間運動。運動有多種途徑，因此機器人運動方式的選擇是移動機器人設(shè)計的一個重要方面。按其結(jié)構(gòu)可以分為腿式、輪式、履帶式，每種機器人都有其各自的特點2,3。履帶式移動機器人（又稱無限軌道式機器人）的特點有如下幾個（1）支撐面積大，接地比壓小，適合在松軟或泥濘場地作業(yè)，下陷度小，滾動阻力小，越野機動性能好；（2）轉(zhuǎn)向半徑小，可以實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向；（3）具有良好的自復(fù)位和越障能力，帶有履帶臂的機器人還可以像腿式移動機器人一樣行走；（4）履帶支撐面上有履齒，不易打滑，牽引附著性能好，有利于發(fā)揮較大的牽引力4。在科學(xué)探索和應(yīng)急救援中，經(jīng)常需要檢測一些危險或人類不能直接到達的地區(qū)，這些都需要機器人來完成，隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，腿式移動機器人能夠滿足某些特殊的要求，但由于其結(jié)構(gòu)自由度太多，控制比較復(fù)雜，應(yīng)用受到一定的限制。綜合比較起來，由上文所述的履帶式機器人具有的優(yōu)點來看，履帶式移動機器人能夠很好地適應(yīng)地面的變化，它在科學(xué)探索、應(yīng)急救援和現(xiàn)代工業(yè)自動化等領(lǐng)域中具有重大的發(fā)展空間，因此目前對于履帶式移動機器人的研究受到廣泛關(guān)注，正在蓬勃發(fā)展。12紅外技術(shù)的研究意義及現(xiàn)狀紅外技術(shù)的英文名稱是INFRAREDTECHNIQUE。紅外技術(shù)的內(nèi)容包含以下四個主要部分（1）紅外輻射的性質(zhì)，其中有受熱物體所發(fā)射的輻射在光譜、強度和方向的分布；輻射在媒質(zhì)中的傳播特性反射、折射、衍射和散射；熱電效應(yīng)和光電效應(yīng)等。（2）紅外元件、部件的研制，包括輻射源、微型制冷器、紅外窗口材料和濾光電等。（3）把各種紅外元、部件構(gòu)成系統(tǒng)的光學(xué)、電子學(xué)和精密機械。（4）紅外技術(shù)在軍事上和國民經(jīng)濟中的應(yīng)用。所以說紅外技術(shù)的研究涉及的范圍相當廣泛，既有目標的紅外輻射特性，背景特性，又有紅外元、部件及系統(tǒng)；既有材料問題，又有應(yīng)用問題57。近年來，由于軍事應(yīng)用的牽引和推動，紅外技術(shù)得到快速發(fā)展。紅外系統(tǒng)具有以下四個優(yōu)點（1）環(huán)境適應(yīng)性強，在夜間和惡劣天氣條件下的工作能力優(yōu)于可見光；（2）被動式工作，隱蔽性好，不容易受到外界的干擾；（3）依靠目標和背景之間各部分的發(fā)射率和溫度形成的紅外輻射差進行探測，從而能夠比可見光更好的識別偽裝目標；（4）紅外系統(tǒng)具有體積小、重量輕和低功耗等特點。目前在軍事領(lǐng)域和民用工程中紅外技術(shù)已被廣泛使用。紅外傳感器以其優(yōu)異的性能，滿足了多方面的要求。例如漫反射型紅外傳感器，它主要由紅外發(fā)射二極管和紅外接收器組成，由于具有低功耗、高靈敏度、優(yōu)良的抗干擾能力等特點。因此紅外傳感器為自己在避障機器人行業(yè)中的應(yīng)用開辟了新的市場，目前國內(nèi)外很多避障機器人的研究都是基于紅外傳感器而展開的8,9。13論文研究內(nèi)容及結(jié)構(gòu)本論文以履帶式機器人為平臺來研究設(shè)計機器人的避障功能。首先介紹了智能紅外履帶式避障機器人的工作原理和總體設(shè)計方案，然后著重介紹機器人的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。最后介紹了機器人的組裝與調(diào)試。本文研究內(nèi)容主要分為五章，其具體內(nèi)容如下第1章是履帶式機器人及紅外技術(shù)概述，主要是簡要的介紹了履帶式機器人的研究意義及現(xiàn)狀和紅外技術(shù)的研究意義及現(xiàn)狀；第2章主要介紹智能紅外履帶式避障機器人的總體設(shè)計方案，闡明了系統(tǒng)的工作原理；第3章詳細的介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計，對系統(tǒng)的幾個主要模塊傳感器模塊（紅外發(fā)射和接收器），控制模塊（單片機AT89S52），執(zhí)行模塊（伺服電機），穩(wěn)壓電源模塊的工作原理等進行了比較詳細的介紹；第4章是介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計，基于機器人要實現(xiàn)的避障功能，做出一個程序流程圖，根據(jù)流程圖的思路，運用C語言編寫控制程序；第5章通過軟件仿真和實驗驗證機器人避障的實用性和可靠性，并根據(jù)相應(yīng)的問題進行調(diào)試，致力于取得更好的避障效果。最后是對本次設(shè)計的過程進行簡要的總結(jié)。2總體設(shè)計方案21系統(tǒng)原理組成框圖圖21系統(tǒng)原理組成框圖系統(tǒng)主要原理是電源直接給機器人供電，同時通過穩(wěn)壓模塊給紅外傳感器檢測模塊和單片機主控模塊供電。通過紅外傳感器檢測模塊實時監(jiān)測路面情況并及時傳輸給單片機，由單片機主控核心模塊根據(jù)紅外傳感器檢測模塊給予的信息控制機器人電機的轉(zhuǎn)動工作狀態(tài)，電機驅(qū)動模塊驅(qū)動機器人電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)前進與停止。22主要設(shè)計任務(wù)本設(shè)計的主要內(nèi)容是自行設(shè)計制作一個具有智能紅外避障功能的履帶式機器人，該機器人在前進的過程中能夠檢測到前方障礙物并自動避開，達到避障的效果。該設(shè)計的主要任務(wù)如下（1）硬件電路的參考與設(shè)計；（2）機器人硬件模型的組裝；（3）控制程序的編寫；（4）軟件和硬件的聯(lián)合調(diào)試。3硬件設(shè)計31控制模塊311單片機AT89S52介紹該設(shè)計采用的單片機是AT89S52，其片內(nèi)帶有8K字節(jié)閃速可編程、可擦除壽命1000次程序存儲器。AT89S52單片機與工業(yè)標準8051中單片機能夠完全兼容，同時還支持兩種軟件可選的省電模式，工作時鐘最高可達到24MHZ。該單片機通過對實時控制、實時處理等功能的完善，簡化了硬件配置。AT89S52是一種性能高、功耗低的CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程FLASH存儲器。使用高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上FLASH允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單片機芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在線系統(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10。AT89S52引腳示意圖及實物圖如圖31所示。圖31AT89S52引腳示意圖及實物圖AT89S52具有以下標準功能8K字節(jié)FLASH，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0HZ靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。8位微控制器8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程FLASH。AT89S52單片機的各引腳功能介紹如下P0口P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在FLASH編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。P1口P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時把P1端口用作輸入口。用作輸入口時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P10和P12分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P10/T2）和時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P11/T2EX），具體如下表所示。在FLASH編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。P1口的第二功能如下P10T2（定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出；P11T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制）；P15MOSI（在線系統(tǒng)編程用）；P16MISO（在線系統(tǒng)編程用）；P17SCK（在線系統(tǒng)編程用）。P2口P2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時把P1端口用作輸入口。用作輸入口時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVXDPTR）時，P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVXRI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在FLASH編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。P3口P3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時把P1端口用作輸入口。用作輸入口時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。同時P3口還可以作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下所示。在FLASH編程和校驗時，P3口還能接收一些控制信號。P3口引腳第二功能如下P30RXD串行輸入口；P31TXD串行輸出口；P32INT0外部中斷0；P33INT1外部中斷1；P34T0定時/計數(shù)器0；P35T1定時/計數(shù)器1；P36WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通；P37RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通。此外，P3口還接收一些用于FLASH閃存編程和程序校驗的控制信號。RST復(fù)位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。ALE/PROG當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對FLASH存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令才能將ALE激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。PSEN程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89S52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。EA/VPP外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。FLASH存儲器編程時，該引腳加上12V的編程允許電源VPP，當然這必須是該器件是使用12V編程電壓VPP11,12。312AT89S52單片機控制電路單片機控制電路由單片機最小系統(tǒng)組成，它的主要作用是接受探頭傳來的電壓信號，再通過控制程序設(shè)定的邏輯算法給出下一級電機驅(qū)動電路的指令。單片機最小系統(tǒng)包括主控IC，外部時鐘電路，復(fù)位電路和電源組成。本設(shè)計采用如圖32所示的單片機最小系統(tǒng)。圖32單片機最小系統(tǒng)原理圖該單片機最小系統(tǒng)主要由如下幾部分組成1時鐘電路XTAL1和XTAL2是獨立的輸入和輸出反相放大器，它們可以被配置為使用石英晶振的片內(nèi)振蕩器，或者是器件直接由外部時鐘驅(qū)動。時鐘XTAL1引腳，接外部晶振的一端。它是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸入端。在采用外部時鐘時，外部時鐘振蕩信號直接送入此引腳作為驅(qū)動端，其頻率為033MHZ；時鐘XTAL2引腳，接外部晶振的另一端。它是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率為晶振振蕩頻率。當采用外部時鐘電路時，此引腳應(yīng)懸空不用。該單片機的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時鐘振蕩方式，但需18和19腳外接石英晶體212MHZ和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10P34P。另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2輸入。雖然內(nèi)部時鐘是用芯片內(nèi)部振蕩電路，不需要外部振蕩器件，但是精度不高，溫飄也較大。而采用石英晶振的外部時鐘，精度高，穩(wěn)定性好，因此本設(shè)計采用外部時鐘方式。單片機時鐘電路如圖33所示圖33單片機時鐘電路2復(fù)位電路圖34所展示的是單片機最小系統(tǒng)原理圖包括的兩種復(fù)位方式上電自動復(fù)位和手動復(fù)位。在單片機最小系統(tǒng)中，復(fù)位電路是非常關(guān)鍵的，當程序跑飛（運行不正常）或死機（停止運行）時，就要靠復(fù)位來使單片機恢復(fù)正常工作。MCS5L系列單片機的復(fù)位引腳RST（第9管腳）出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路給電容C充電加至RST引腳一個短的高電平信號，此信號隨著VCC對電容C的充電過程而逐漸回落，級RST引腳上的高電平持續(xù)時間取決于電容C的充電時間。因此為保證系統(tǒng)能可靠地復(fù)位，RST引腳上的高電平必須維持足夠長時間。手動復(fù)位則是通過RST端經(jīng)電阻與電源VCC接通來實現(xiàn)。由于手動復(fù)位和上電自動復(fù)位的功能一樣，而且實現(xiàn)起來比較方便，因此本設(shè)計中采用手動復(fù)位的方式。圖34單片機復(fù)位電路32紅外傳感器檢測模塊321紅外避障傳感器的工作原理本次設(shè)計使用的是漫反射型紅外傳感器，主要組成部分是紅外發(fā)射二極管和紅外接收器。主要應(yīng)用于紅外遙控系統(tǒng)，紅外探測系統(tǒng)，紅外幕墻保安系統(tǒng)，光電開關(guān)/光傳感器，磁帶、光盤監(jiān)測器，主動紅外夜視儀，電腦、手機等便攜設(shè)備的紅外數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等。具有低功耗、高靈敏度、優(yōu)良的抗干擾能力等特點13。它的工作原理可以概括為如下幾點174HC00和周邊元件組成可調(diào)頻率方波發(fā)生器，將紅外發(fā)射管發(fā)出的紅外光調(diào)制成一定頻率后再發(fā)射出去。103可調(diào)電阻用于改變紅外光的發(fā)射頻率，502可調(diào)電阻可改變紅外發(fā)射管的亮度（也就是改變發(fā)射功率）。2模塊中有一個一體化紅外接收頭，此接收頭只接收頻率為38KHZ左右的紅外光信號，其他頻率段的紅外光均過濾掉。3當傳感器前方有物體反射38KHZ紅外光，一體化接收頭接收到之后將輸出0V電壓，當前方無物體時輸出5V電壓。圖35紅外避障傳感器原理圖322紅外避障傳感器的介紹該紅外傳感器總共輸出4根引腳，如圖36所示圖36紅外避障傳感器引腳圖紅外避障傳感器的4個引腳的具體說明如下1VCC（接電源供5V的電壓）。2GND（地線，也就是電源負極）。3OUT（信號輸出，傳感器檢測到物體的時候OUT輸出0V電壓，沒檢測到物體就輸出5V電壓，可直接接到單片機的IO口上）。4EN（使能端，EN端等于“1”時傳感器不工作，等于“0”時傳感器工作。）在圖36中，我們能看到傳感器上有2個跳帽，它們的作用是1跳帽插上是的作用是將EN端長期接地，傳感器將長期工作，不受控制。2跳帽拿開時EN端需要接到單片機的IO口上，給高電平5V傳感器不工作，給低電平0V傳感器工作。需要注意的是，如果需要使用使能功能，跳帽一定要拿掉。跳帽拿掉之后EN端就一定要接IO口給高低電平，不能懸空，懸空是不定狀態(tài)。33電源驅(qū)動模塊331H橋式驅(qū)動電路電機驅(qū)動一般采用H橋式驅(qū)動電路，要掌握好電機驅(qū)動模塊，首先就要弄清楚H橋式驅(qū)動電路的原理，H橋式驅(qū)動電路圖如圖37所示圖37H橋式電機驅(qū)動電路電機能夠運轉(zhuǎn)的唯一條件就是必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。如圖38所示，當Q1管和Q4管導(dǎo)通時，電流就從電源正極流出，經(jīng)過Q1管從左至右穿過電機，再經(jīng)過Q4管回到電源負極，電流方向如圖中所示。此時三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流流過電機，從而驅(qū)動電機按順時針方向轉(zhuǎn)動。圖39所示為另一對三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，此時電流從右至左流過電機，驅(qū)動電機沿逆時針方向轉(zhuǎn)動。在驅(qū)動電機時，必須保證H橋上兩個同側(cè)的三極管不會同時導(dǎo)通。假如Q1管和Q2管被同時導(dǎo)通，那么電流將會從正極穿過兩個三極管直接回到負極。此時，電路中只有三極管，也就是電路上出現(xiàn)空載，電路上的電流就可能會過大，甚至燒壞三極管。因此，在實際驅(qū)動電路中通常要用硬件電路方便地控制三極管的開關(guān)。圖38H橋驅(qū)動電機順時針轉(zhuǎn)動圖39H橋驅(qū)動電機逆時針轉(zhuǎn)動332L298驅(qū)動電路電源驅(qū)動模塊的主要作用是驅(qū)動機器人電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)前進、后退和停止等。電機驅(qū)動一般采用H橋式驅(qū)動電路，L298N內(nèi)部集成了H橋式驅(qū)動電路，從而可以采用L298N電路來驅(qū)動電機。L298N電路通過接收來自單片機發(fā)出的PWM信號來控制小車的速度，起停。為了設(shè)計方便我采用了市面上已有的L298N電機驅(qū)動模塊，其特點是便宜、穩(wěn)定性高。為了使設(shè)計達到更好的效果，我選用了L298N電機驅(qū)動模塊。其工作原理如圖310所示，實物圖如圖311所示圖310L298電機驅(qū)動模塊引腳圖圖311L298電機驅(qū)動模塊實物圖34穩(wěn)壓模塊本次設(shè)計中使用的紅外避障傳感器模塊、單片機控制模塊都需要使用5V直流電源，而我們能選用的電池供電電壓為15V、30V、45V、60V，本次設(shè)計中使用的為4節(jié)5號電池供電，所提供直流電源為6V，所以需要經(jīng)過穩(wěn)壓電路的變壓后才能給各模塊提供電源。由于穩(wěn)壓芯片LM2940具有紋波小、電路結(jié)構(gòu)簡單和穩(wěn)壓線性度好的優(yōu)點，而對于單片機來說，正好需要提供穩(wěn)定的5V電壓，所以選用LM2940CT50單獨對其進行供電。LM2940也被成為“1A低漏失穩(wěn)壓器”，LM2940的正電壓調(diào)節(jié)器具有源輸出電流1A能力和典型的05V漏失的電壓，在整個溫度范圍最大不超過電壓為1V。它的原理如圖311所示圖311穩(wěn)壓模塊電路圖4軟件設(shè)計在編寫程序時，對常用的匯編語言和C語言進行了比較。匯編語言雖然編寫比較簡單，但是難以模塊化，不利于程序移植；而C語言能夠很好的模塊化，因此具有較強的移植性，調(diào)試修改也比較方便，所以此次設(shè)計中采用C語言編寫控制程序。程序的大體流程如圖41，源程序代碼見附錄。圖41程序流程圖5組裝與調(diào)試51硬件組裝在完成了控制程序的編寫以后，需要對程序的可用性進行試驗，這時就需要先把機器人的硬件部分組裝好，在組裝過程中把各個模塊的端口按照控制程序里的對應(yīng)關(guān)系用杜邦線連接起來。元器件清單見附錄，最終智能紅外避障履帶式機器人實物如圖51所示。圖51智能紅外避障履帶式機器人實物如圖52軟件和硬件的聯(lián)合調(diào)試在軟件和硬件的聯(lián)合調(diào)試過程中，需要不斷的進行避障實驗，觀察機器人的運行狀態(tài)并對硬件組裝和控制程序作出相應(yīng)的調(diào)整。經(jīng)過調(diào)試，發(fā)現(xiàn)將機器人左前方和右前方的紅外傳感器檢測距離調(diào)為10CM、正前方的紅外傳感器檢測距離調(diào)為15CM能夠使機器人進行快速可靠的自動避障。圖52是機器人左邊有障礙物時的運行狀態(tài)。機器人在行進過程中，紅外傳感器的紅外發(fā)射二極管發(fā)出紅外光，當機器人左前方的紅外傳感器檢測到左邊前10CM處有障礙物時，紅外接收器接收到反射回來的紅外光信號，紅外傳感器的OUT端輸出0V電壓，傳給單片機一個低電平，促使單片機執(zhí)行右轉(zhuǎn)程序，避開左邊的障礙物。圖52左邊有障礙物時的運行狀態(tài)圖圖53是機器人前方有障礙物時的運行狀態(tài)，機器人在行進過程中，紅外傳感器的紅外發(fā)射二極管發(fā)出紅外光，當機器人正前方的紅外傳感器檢測到正前方15CM處有障礙物時，紅外接收器接收到反射回來的紅外光信號，紅外傳感器的OUT端輸出0V電壓，傳給單片機一個低電平，促使單片機執(zhí)行倒退并旋轉(zhuǎn)程序，避開正前方的障礙物。圖53前方有障礙物時的運行狀態(tài)圖圖54是機器人右邊有障礙物時的運行狀態(tài)，同機器人左前方有障礙物時的原理類似，機器人在行進過程中，當機器人右前方的紅外傳感器檢測到右邊前10CM處有障礙物時，紅外接收器接收到反射回來的紅外光信號，紅外傳感器的OUT端輸出0V電壓，傳給單片機一個低電平，促使單片機執(zhí)行左轉(zhuǎn)程序，避開右邊的障礙物。圖54左邊有障礙物時的運行狀態(tài)圖結(jié)論隨著紅外物理與技術(shù)的不斷發(fā)展,紅外探測技術(shù)已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于軍事、煤礦的安全生產(chǎn)等各個領(lǐng)域，尤其在在機器人避障中，引起了廣泛關(guān)注和研究。論文設(shè)計的履帶式機器人以單片機AT89S52為核心，根據(jù)紅外避障傳感器檢測模塊傳輸?shù)那胺铰访嫘畔⒖刂茩C器人行駛走向。系統(tǒng)能夠做到準確及時監(jiān)測前方路面信息并傳輸給單片機控制模塊，并由單片機發(fā)出控制信號及時調(diào)整電機驅(qū)動模塊L298改變電機的工作狀態(tài)從而達到控制機器人運行方向的目的。通過調(diào)節(jié)紅外的發(fā)射頻率，采集多個數(shù)據(jù)實現(xiàn)機器人的準確行走功能。實驗結(jié)果表明，設(shè)計的履帶式機器人成功實現(xiàn)了自動避障功能。致謝本設(shè)計從開題到系統(tǒng)的具體設(shè)計以及論文的撰寫等所有過程都是在指導(dǎo)教師蔡建羨的悉心指導(dǎo)下完成的。特別是蔡建羨老師在學(xué)習(xí)上、思想上都給予我極大的關(guān)懷和幫助，不僅傳授我很多不曾學(xué)習(xí)過的知識，而且注重培養(yǎng)我解決問題及創(chuàng)新的能力，為我今后學(xué)習(xí)和工作打下了堅實的基礎(chǔ)并開闊了我的視野。指導(dǎo)教師敏捷的思維和孜孜不倦的探索精神是我永遠學(xué)習(xí)的榜樣，我所取得的每一點進步無不凝聚著指導(dǎo)教師蔡建羨的心血,我將最誠摯的謝意奉獻給我的指導(dǎo)教師蔡建羨。同時，也對在此次畢業(yè)設(shè)計中，對我有過幫助的師長、同學(xué)、朋友表示