电子设计大赛报告

1自动搬运机器人王泽栋1曹嘉隆1高召晗1杨超2（1．电子信息工程系学生，2.电子信息工程系教师）【摘要】本设计与实作是利用反射式红外线传感器所检测到我们所要跑的路线，我们以前后车头共4颗红外感应传感器TCRT5000来检测黑色路线，并利用Atmel公司生产的8位单片机AT89S52单片机做决策分析。，将控制结果输出至直流电机让车体自行按预先设计好的路线行走。以AT89S52晶片控制自动搬运机器人的行径，藉由自动搬运的制作过程学习如何透过程式化控制流程、方法与策略、利用汇编语言控制电机停止及正反转，使自动搬运机器人能够沿轨道自行前进、后退以及转弯。目的是在于让车子达到最佳效能之后，参加比赛为最终目的。自动搬运机器人运行过程中会遇到直线、弯道、停止。该设计集检测，微控等技术为一体，运用了数电、模电和小系统设计技术。该设计具有一定的可移植性，能应用于一些高难度作业环境中。【关键词】自动搬运；黑线检测；时间显示。1.系统方案选择和论证1．1系统基本方案根据要求，此设计主要分为控制部分和检测部分，还添加了一些电路作为系统的扩展功能，有电动车每一次往返的时间（记录显示装置需安装在机器人上）和总的行驶时间的显示。系统中控制部分包括控制器模块、显示模块及电动机驱动模块。信号检测部分包括黑线检测模块。系统方框图如图1.1.1图1.1系统方框图1．2各模块方案的比较与论证（1）控制器模块根据设计要求，控制器主要用于信号的接收和辨认控制电机的正反转、小车的到达直角转弯处的转向、时间显示。方案一：采用MCS-51系列单片机价格低、体积小、控制能力强。方案二：采用与51系列单片机兼容的Atmel公司的AT89S52作为控制器件黑线检测模块控制器模块小车驱动模块显示模块2的核心。AT89S52单片机作为系统控制器。它的功耗低，技术成熟，成本低，引脚较少，硬件布线简单，并且与51系列单片机兼容，AT89S52作为处理传感器传来的信号和控制转电动机的正反转以及数码管显示的核心部件，这样的设计不仅可以降低成本，还可以使系统更加稳定。同时由于安装和调试工作可以并行进行，极大地缩短了总体设计和制造的时间。基于以上分析，拟定方案二。（2）电机驱动模块方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，且可能存在干扰。更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开与关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。方案三：采用四个大功率晶体管组成H桥电路，四个大功率晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制使之工作在开关状态，进而控制电动机的运行。该控制电路由于四个大功率晶体管只工作在饱和与截止状态下，效率非常高，并且大功率晶体管开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的电路。由于方案三效率高，稳定性强，速度快，所以电动机驱动电路选择方案三（3）显示模块的选择方案一:使用液晶屏显示。液晶屏（LCD）具有超薄轻巧、低耗电量、无辐射，平面直角显示以及影响稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高等特点。但是由于液晶显示屏是以点阵的模式显示各种符号，需要在使用液晶显示屏时不能有静电干扰，否则易烧坏显示芯片，维护不方便。同时由于本系统只需要显示时间和距离参数这样的数字，信息量较少，使用液晶显示屏就显得大材小用，不合适。方案二：使用数码显示管。数码管具有耗能低、电压低、寿命长、对外界环境要求低，易于维护等优点，同时它是采用二进制编码显示数字，程序编译容易，资源占用少，操作简单、经济。根据以上论述，采用方案二。（4）黑线检测模块方案一：采用普通发光二极管和光敏电阻组成的发射接收方案，该方案在实际的应用中，容易受外界光源的干扰，有时甚至检测不到，主要是因为可见光的反射效果跟地面的平坦程度，地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响虽然可以采取超高亮度发光二极管降低一定的干扰，但是在一定程度上增加了额外的功率消耗。3方案二：采用红外发射——接收器。采用红外线管代替普通可见光管，可以降低环境光源对接收管的干扰，直接用直流电源给管子供电，从而测定小车的前进方向，该方案中小车的前进与后退是在同一路线上进行的，光线照射道路面上，根据在路上的线路的路面颜色的不同，反光系数的不同，影响的反射光的强弱从而检测到所要走的线路，利用发光二极管以及光敏电阻组成发射与接收装置，来测定所要走的路线，该方案传感器必须装在小车的底盘前沿，靠近地面。是小车方向更准确。比较两种方案，方案二的应用较为方便、快捷，而且避免电路的复杂性，使得操作和制作过程简单化，也使得应用的更加方便快捷，在小车的设计上避免了小车因没有方向感而不能到达目的地，也使软件的设计上少了很多的不必要的麻烦，但应注意传感器必须装在小车的底盘前沿，靠近地面。我们为避免设计上的一些难题和外界环境的影响，采用方案二。1.1.2系统各模块的最终方案及其他主要器件的确定经过一番仔细的分析与论证，决定了系统各个主要模块的最终方案如下：（1）控制器模块：AT89S52单片机；（2）电机驱动模块：采用L298N驱动。（3）显示模块：静态数码显示管；（4）黑线检测模块：采用TCRT5000传感器；（5）电动机：采用普通直流电机；（6）供电电源:单电源供电（6节AAHR15/51型号电池）。图1.1.2系统方框图2.各系统的硬件设计与实现2.1硬件系统整体工作原理分析本设计的自动搬运车是采用小车作为运动载体，通过控制小车电动机的运动来控制小车前进和后退以及转向。为了实现小汽车的自动往返和智能控制，我选用了单片机进行控制。设计以AT89S52CPU为核心，CPU将传感器得到的信息进TCRT500传感器L298N数码管AT89S5单片机4行综合判别和处理，然后发出指令给电机驱动电路，控制小车、数码管；使小车能够实现往返，并且能够精确地在拐角处转弯，利用循迹电路来控制小车的行驶路线。本设计使用了红外线传感器装置检查路线，CPU的综合数据处理为小车按照预定程序运行提供了充分的保证。如图2.1.1为硬件流程图：该设计实际上是一个自动控制系统，这样的系统用单片机来实现是比较合适的。2.1.1硬件流程图2.2系统硬件的基本组成部分在本设计中，系统主要分为控制部分和检测部分。控制部分：系统中控制部件根据以输入的信息，控制电机的行驶及显示相关的时间和距离。检测部分：系统利用红外传感器将检测到的外部信息转化为控制器件可辨认的电信号。2.3主要单元电路设计2.2主要单元电路的设计合上开关推动木块前进红外检测转弯检测到信号继续前进停止红外检测小车后退检测到信号转向180°转弯继续前进推另一块木块完成一次转弯进入下一次操作运行图2.1.1硬件流程图5（1）控制电路的设计电路图如图2.2.1所示单片机将检测电路检测到的信号通过处理后，输入不同的控制信号给被控制的各单元电路，完成题目要求的各项任务要求。单片机AT89S52外接显示电路，驱动电路，黑线检测电路。其中黑线检测电路是信号输入，显示电路和驱动电路时输出。为了方便单片机引脚的使用，我们将单片机的所有引脚用接口引出。其中。。。。。。。。。。。。。。。是。。。。。的接口。（2）驱动电路的设计电路图如附图2.2.2所示。采用芯片L298N作为电机驱动。L298N的5、7、10、12这四个引脚接到单片机上，当使能端为高电平时，如果输入端为高电平，三极管导通。5引脚高电平，7引脚低电平，电机反转；如果输入端为低电平，三极管截止。通过单片机的编程可以实现直流电机的PWM调速以及正反转等功能。（3）黑线检测模块的设计电路如附图2.2.3所示。黑线检测的基本原理是当发射管的红外信号经反射被接收管接收后，接收管的电阻会发生变化，在电路上一般以电压的变化形式体现出来，而经过ADC转换后得到处理后的输入结果。电阻的变化取决于接收管所接受的红外信号强度，常表现在反射面的颜色和接受面接收管的距离两方面。3.软件实现系统的软件设计采用汇编语言，对单片机进行编程实现各项功能。程序用()软件编写，主要起到一个导向和决策的功能，决定什么系统各种功能的完成主要通过调用各单元模块的子程序实现。程序流程图见附图3.4.系统的功能测试4.1测试仪器及设备清单如下表4.2驱动电路的测试序号仪器名称型号数量用途1PC机联想1测试及下载程序2示波器DC4322B1测量3频率计GP-2-41测试，测量4万用表南华科技1测量5秒表1记录时间6电机的转动方式如下表左电机右电机转动方式00两电机正转01左电机正转，右电机反转10左电机反转，右电机正转11两电机反转，后退4.3红外传感器寻迹的测试当两边的红外传感器检测到空白区域时，小车直走，这时控制两电机同速度进行；当左侧红外传感器检测到黑线，右侧红外传感器检测到空白区域时，小车处于微偏状态，这是将左侧电机速度调慢，右侧电机速度调快；当右侧红外传感器检测到黑线，左侧红外传感器检测到空白区域时，小车处于微偏状态，这时将左侧电机速度调快，右侧电机速度调慢。当两个传感器都检测到黑线时，电机停止。4.5结论此设计采用红外传感器进行检测，结合AT89S52单片机编程，经过对系统个电路和实际运行的测试，完成了设计要求。在系统的设计过程中力求测量精度高，稳定可靠。因为时间有限，该系统仍有一些须改进和完善的地方。5.总结两周时间，不知不觉过去了。在此，衷心感谢我们的指导老师，我们会不断努力。在本次设计及制作过程中，我们使用了模拟电子技术、数字电子技术，单片机技术，红外检测技术，电气控制技术，机械技术以及软件编程技术来进行设计及制作。经过我们组队员的精诚合作，紧密团结以及查阅课外资料，最终完成了本次设计任务。我们把这两年中所学的理论知识融合了起来了，这次的设计及制作对理论联系实际有很大的帮助，使我们两年中所学的理论知识得到了升华，同时也提高了我们的独立思考和动手能力。此外，在本次设计过程中我们意识到我们知识上的欠缺，尤其是在软件编程方面，所以我们还要不断充实自己，使自己知识多面化，并能综合运用。参考文献1黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程。电子工业出版社，2007年2全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编北京理工大学出版社，2004年，第一版3高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程。电子工业出版社，2007年7