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课程设计作品：自动循迹测距机器人李少鹏于青李世杰一、系统设计目的及用途：在某些情况下，对某些路径的测量无法用一般的工具实现。比如，不规则的曲线路径，或者高低起伏的路面，都不能用普通的测距工具轻易实现。在这种情况下，我们便可以使用轮式机器人来沿着待测的轨迹行走，同时实时地记录所走的路程。这样就可以测量曲线的长度。二、系统设计思想：作为可移动式机器人，我们的作品对功耗和移动性能要求较高。作为测量工具，它又对准确性要求较高。所以，无论是硬件的选择，还是软件的设计都以精确、节能和节约为核心准则。三、系统设计功能原理:1、循迹的原理：本项目使用黑白反衬底面和红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。2、模块选择方案：自动循迹测距机器人主要由六个模块构成：车体框架、电源、主控模块、逻辑模块、探测模块、电机驱动模块组成。各模块分述如下：A、车体框架：在设计车体框架时，我们有两套起始方案，自己制作和直接购买玩具电动车。方案一:自己制作轮式底盘。使用两普通电机作驱动，万向轮改变方向，框架用废旧铁片焊接。但这样不但制作复杂、单个电机很难买到，而且质量较差且不够美观。方案二:购买成品底盘。这种方案花费较大，但节省时间和精力，质量有保障。所以，我们选择后者。B、电源：由于机器人对机动性的要求较高，我们选择四节普通干电池作电源。因为它资源广泛，成本较低，而且我们的机器人功耗较小,mega16、光电开关、小车电机对于供电电压要求并不苛刻，完全可以用干电池供电。C、主控模块：本项目使用统一配置的Mega16芯片作为主控模块的核心。Mega16是高性能、低功耗的8位AVR微处理器，具有先进的RISC结构，内部集成两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器和一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器。可通过JTAG对MCU进行程序烧写及仿真。内置晶振，使用方便。D、逻辑模块：示意图如下：E、探测模块：方案一：使用视频采集处理装置进行探测使用CCD实时采集小车前进路线上的图像并进行实时传输及处理，这是最精确的轨迹信息采集方案，可以对轨迹进行精确定位和测距。但是使用视频采集会大大增加小车成本和设计开发难度，而且考虑到我们小车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，所以我们放弃了这一方案。方案二：使用光电对管探测光电对管价格低廉，性能稳定，探测距离一般不超过3cm。我们采用普通直流电机作为原动力，车子速度不大，停止时惯性滑动的距离小，可以达到预定的精度，因此我们选择此方案。示意图如下：F、电机驱动模块：方案一：使用分立元件搭建电机驱动电路使用分立元件搭建电机驱动电路造价低廉，在大规模生产中使用广泛。制作过程中，老师曾建议我们使用此方案，但我们考虑到分立元件H桥电路工作性能不够稳定，较易出现硬件上的故障，而且组装成本也很高，故我们放弃了这一方案。方案二：使用L298N芯片驱动电机L298N是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，正好符合我们小车两个二相电机的驱动要求，价格也比较合理。控制示意图如下：最终方案如下：使用干电池组对系统供电，成品电动车作为底座，采用Mega16L作为主控芯片，用光电开关进行障碍物探测，使用L298N驱动直流电机。逻辑关系处理使用74L系列芯片完成。系统电路图：四、所用全部硬件资源：⑴增强版ATMega16L开发板（进行程序的初步调试）⑵简版JTAG仿真器（程序的下载和仿真）⑶圆梦小车底盘,电动车小马达2个，码盘采样器两个，电容两个⑷光电开关3只⑸Mega16L单片机1片⑹L298N电机驱动芯片、散热片各1片⑺74LS10芯片1片⑻4148二极管8只⑼万用板2块⑽5.1K电阻8只，150Ω电阻5只，滑动变阻器5只⑾LED四位七段数码管1个⑿40引脚底座1只，14引脚底座2只⒀电池盒2只⒁干电池8节⒂列装排线、插针等五、软件资源：1、循迹工作流程：123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:10-Jun-2008SheetofFile:H:\MyDesign6.ddbDrawnBy:AVRMega16PB6PB7abfcgdeDPY[LEDgn]1234567abcdefgDS?DPY_7-SEGabfcgdeDPY[LEDgn]1234567abcdefgDS?DPY_7-SEGabfcgdeDPY[LEDgn]1234567abcdefgDS?DPY_7-SEGabfcgdeDPY[LEDgn]1234567abcdefgDS?DPY_7-SEGPD7L298D?DIODED?DIODED?DIODED?DIODEGNDMG?MOTORACMD?DIODED?DIODED?DIODED?DIODEMG?MOTORACMGND+Vss+VssIN1IN3ENAENBVCCSENASENB+VCCPB5PB4PB3PB2PB1PB0PC6PC7PC0PC1PA7PA6PA5PA4PA3PA2PA1PA0R?RES2R?RES2R?RES2R?RES2VCCVCC左码盘右码盘PD0PD1PD2PD3PD4PD5PD6D?LEDR?RES2R?RES2VCC左光电对管Q?NPN-PHOTOD?LEDR?RES2R?RES2VCC右光电对管Q?NPN-PHOTOD?LEDR?RES2R?RES2VCC中光电对管Q?NPN-PHOTOR?RESISTORTAPPEDR?RESISTORTAPPEDR?RESISTORTAPPED+-+-+-U?NORLM339VCC+VCCGNDU?OPTOISO1U?OPTOISO12、测距工作流程：五、系统功能及指标参数测试1、系统实现功能：沿着预定轨迹行进：测量并显示所走路径的路程。2、系统主要参数测试：给光电对管供电，让其在带有黑色轨迹的白色地板上运行，自动寻迹，在轨迹的末端自动停止。并开始显示所测距离，测距过程在运行过程中完成。六、参考资料：1.www.avrvi.com；2.《AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践》，马潮编著，北京航空航天大学出版社；3.《AVR单片机C语言开发入门指导》，沈文、EagleLee、詹卫前编著，清华大学出版社；4.《红外反射式传感器在自主式寻迹小车导航中的应用》，吴建平、曹思榕、李坤垣，成都理工大应用核技术与自动化学院；5.《自动寻迹小车》，古欣朱岩王智涌喻巧群原瑞花，www.avrvi.sdu.edu.cn；6.《消防智能电动车设计与制作》，梅高青孙庆轩台宏达，山东大学。