轮式机器人设计论文

轮式机器人设计论文

学院：电气信息工程系 班级：15级电气自动化1班 姓名：奉志强 学号：201512021049

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一、摘要

随着计算机技术的发展，计算机已经深入到了各个领域，单片机作为计算机的一个很重要的分支，自问世以来就广泛受到了了人们的关注，单片机体积小、质量轻、抗干扰能力强、性价比高。随着人工智能研究烦人不断深入，促进了智能控制的发展，智能机器人的研究也越来越得到人们的重视。智能机器人被应用到了各个领域，如今智能机器人已经成为一个学科，人们对机器人的要求不同，于是出现了各种各样的机器人，本文讨论的是一种基于手机蓝牙遥控的遥控轮式机器人（智能小车）。

二、关键字

底盘、驱动、单片机、PWM、蓝牙、红外避障、

三、轮式机器人整体设计

首先轮式机器人是基于手机蓝牙进行控制，轮式机器人底盘采用履带式的底盘，电机驱动采用L298N双H桥电机驱动芯片，STC15F2k60S4单片机作为主控芯片，采用红外避障模块检测障碍物。

四、底盘

底盘采用的是履带式的橡胶底盘，并且是后驱方式进行驱动机器人，因此只需要两个直流减速电机即可，只需要一块L298N芯片就可以达到运动的效果。履带式底盘具有稳定性好的有点，控制简单。

五、硬件电路设计

1、电源电路：

电源电路采用7805三端集成稳压器，输入VI端输入VS电压范围7~37v；最大输出电流1.5A。输入端采用100UF电容滤除高频信号，输出电压为5V，输出端采用100UF电容稳定负载电路带来的电压波动。

2、驱动电路：

单片机STC15f2k60s4输出的PWM (脉宽调制)信号的电压值很小,没法使

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直流电机工作,往往电机启动时的电流要达1A左右，因此要利用驱动芯片L298以及一些逻辑器件构成的驱动模块来放大PWM的信号电压值。

驱动芯片的外围电路结构如下图所示。L298的工作模式分为卑极性模式和双极性模式两种。单极性工作模式是指在PWM周期中,电机两端的电压为同极性电压,如正极性电压。双极性工作模式是指在PWM周期中,电机两端的电压为正负极性变化的,一端为正极性电压,另一端为负极性电压。在本设计论文的设计中该系统应用的是双极性工作模式。

恒压恒流桥式 2A 驱动芯片 L298N

• 芯片 桥式驱动器 双路 298 • 电机类型:全桥 • 输出数:4 • 输出电流:2A • 输出电压:46V

• 驱动器封装类型:Multiwatt • 针脚数:15

• 电源电压最小值:4.5V • 电源电压最大值:7V • 工作温度最小值:-25°C • 工作温度最高值:130°C

L298 是比较常见的是 15 脚 Multiwatt 封装的L298N，内部同样包含 4 通道逻辑驱动电路，具有放大电流、独立驱动两个电机的特点。。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N 可接受标准 TTL 逻辑电平信号 VSS ， VSS 可接 4 ． 5～7 V电压。4 脚 VS 接电源电压，VS 电压范围 VIH 为＋2．5～46 V。输出电流可达 2．5 A，可驱动电感性负载。1 脚和 15 脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298 可驱动 2 个电动机，OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4 之间可分别接电动机。5，7，10，12 脚接输入控制PWM信号，控制电机的正反转。EnA，EnB 接控制使能端，控制电机的停转。

内部结构框图：

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3、PWM

PWM介绍：PWM调速技术出现以来,迅速被应用于直流电机调速领域中,并且其在性能方面、成本方面以及操作方面表现出了很多优势,因此得到了广泛应用。PWM调速方式能够实现大范围调速、调速过程平滑、调速响应动作快速克服了以上调速方法的缺点,随着PWM技术的不断发展,其应用领域将不断扩大。PWM技术是利用半导体幵关的通断,使得直流电压随着半导体幵关的通断而变化,半导体开关导通时,直流电压为高电平状态,半导体幵关断开时,直流电压降为低电平,这样就把直流电压变成了脉冲信号,通过改变半导体幵关的通断状态就可以改变PWM信号的频率或者脉冲宽度,即改变了直流电压的平均值,从而实现直流电机的调速目的。

改变PWM脉冲占空比;有三种方法:调频、调宽、调宽调频。调频就是调节电压为低电平的时间段T2,T2变化使得占空比变化,从而改变电机两端的平

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均电压,实现调速目旳;调宽就是调节电压为高电平的时间段T1来改变占空比;0,改变电机两端平均电压,实现调速目的;调宽调频就是同时调节T1、T2来调节电机两端平均电压,从而实现调速目的。利用这种方法,电动机在运转时比较稳定,并且在产生PWM脉冲实现上更方便。

4、红外避障

模块描述：该传感器模块对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接 收管接收，经过比较器电路处理之后，绿色指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号（一个低电平信号），可通过电位器旋钮调节检测距离，有效距离范围 2～30cm，工作电压为3.3V-5V。该传感器的探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、避 障小车、流水线计数及黑白线循迹等众多场合。

1 当模块检测到前方障碍物信号时，电路板上绿色指示灯点亮电平，同时OUT端口持续输出低电平信号,该模块检测距离2～30cm，检测角度35°，检测距离可以通过电位器进行调节，顺时针调电位器，检测距离增加；逆时针调电位器，检测距离减少。

2、传感器主动红外线反射探测,因此目标的反射率和形状是探测距离的关键。其中黑色探测距离最小,白色最大;小面积物体距离小,大面积距离大。

3、比较器采用LM393，工作稳定；

4、可采用3-5V直流电源对模块进行供电。当电源接通时，红色电源指示灯点亮；

5、 OUT 小板数字量输出接口（0和1）

5、蓝牙模块

一 ． 特点 ：

芯片采用工业级蓝牙2.0芯片，信号更加稳定，性能更强大，同时支持3.3V、5V电压供电。

支持主机和从机模式，从设备可以与主设备配对连接通讯之外还可以与手机、电脑的蓝牙适配器、PDA等设备配对连接然后通讯。

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设置AT指令时，不需要按键控制，只需通过串口发送AT指令即可，快速便捷，这是其他蓝牙模块做不到的。

串口默认波特率为9600，配对密码：1234，默认名称：BOLUTEK 二 ． 应用领域 ：

该模块主要用于短距离的数据无线传输领域。可以方便的和 PC 机的蓝牙 设备相连，也可以两个模块之间的数据互通 。 避免繁琐的线缆连接 ， 能直接替代串口线 。

6、主控电路

主控芯片 STC15F2K60S4 简介：

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容量2048字节片内RAM数据存储器

●高速：1个时钟/机器周期，增强型8051内核(STC Y5)，速度比传统8051快7～12倍速度也比STC早期的1T系列单片机(如STC12/11/10系列)的速度快20% ●宽电压：5.5～3.8V，2.4～3.6V(STC15L2K60S2系列)

●低功耗设计：低速模式，空闲模式，掉电模式(可由外部中断或内部掉电唤醒定时器唤醒)内部高精度R/C时钟，±1% 温飘(-40℃~+85℃)，常温下温飘5‰，可彻底省掉外部昂贵的晶体时钟，内部时钟从5MHz~35MHz可选

●内部高可靠复位，ISP编程时8级复位门槛电压可选，彻底省掉外部复位电路 ●支持掉电唤醒的资源有：INT0/INT1(上升沿/下降沿中断均可)，-INT2/-INT3/-INT4(下降沿中断)；CCP0/CCP1/CCP2/RxD/RxD2/T0/T1/T2 管脚；内部掉电唤醒专用定时器

●工作频率：5～35MHz，相当于普通8051：60～420MHz

●8/16/24/32/40/48/56/60/61K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以

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●大容量片内EEPROM（FLASH）功能，擦写次数10万次以上

●ISP/IAP（在系统可编程/在应用可编程），无需编程器/仿真器

●高速ADC，8通道10位，速度可达30万次/秒。3路PWM还可当3路D/A使用 ●3通道捕获/比较单元(CCP/PCA/PWM)

----也可用来再实现3路D/A 3个定时器或3个外部中断(支持上升沿/下降沿中断) ●6个定时器，2个16位可重装载定时器T0和T1兼容普通8051的定时器，新增了一个16位的定时器T2，并可实现时钟输出，3路CCP/PCA可再实现3个定时器 ●可编程时钟输出功能(对内部系统时钟或外部管脚的时钟输入进行时钟分频输出)：

① T0 在P3.5 输出时钟； ② T1 在P3.4 输出时钟；

③ T2 在P3.0 输出时钟，以上3个定时器/计数器输出时钟均可1~65536级分频输出；

④ 内部主时钟在P5.4/MCLKO 对外输出时钟(STC15系列8-pin单片机的主时钟在P3.4/MCLKO 对外输出时钟) ●硬件看门狗(WDT)

●SPI高速同步串行通信接口

●双串口/UART，两个完全独立的高速异步串行通信端口，分时切换可当5组串口使用

●先进的指令集结构，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令

●通用I/O口(42/38/30/26个)，复位后为：准双向口/弱上拉(8051传统I/O口) 可设置四种模式：准双向口/弱上拉、强推挽/强上拉、仅为输入/高阻和开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过120mA

●如果I/O口不够用可以用3根普通I/O口线外接74HC595(￥0.21元)来扩展I/O口，并可多芯片级联扩展几十个I/O口，还可用A/D作按键扫描来节省I/O口

单片机与各个模块连接介绍

P2.7/CCP2_3，P2.6/CCP1_3，(PWM信号输出口第三组通道的通道2与通道1)与电机驱动的A组H桥的控制信号输入端IN1和IN2相连接；

P3.7/CCP2_2，P3.6/CCP1_2，(PWM信号输出口第二组通道的通道2与通道1)与电机驱动的B组H桥的控制信号输入端IN3和IN4相连接；

P3.0/RXD,P3.1/TXD 分别与蓝牙模块的TXD和RXD接口相连接。

P3.２／INT0 与红外避障模块的输出口相连接，采用中断方式进行检测障碍物。

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小车运动控制方法：

小车的所有运动都是通过变换单片机输出的PWM信号来实现各种运动：前进、后退、左转、右转、原地旋转、调速。

前进：从P2.7/CCP2_3第三组通道的通道2和P3.7/CCP2_2第二组通道的通道2两个输出口输出PWM信号，P2.6/CCP1_3第三组通道的通道1和P36/CCP1_2第二组通道的通道1输出低电平，从而使得小车前进。

后退：与前进相反从P2.6/CCP1_3第三组通道的通道1和P3.6/CCP1_2第二组通道的通道1两个输出口输出PWM信号，P2.7/CCP2_3第三组通道的通道2和P3.7/CCP2_2第二组通道的通道2输出低电平，从而使得小车后退。

左转：从P2.6/CCP1_3第三组通道的通道1和P3.7/CCP2_2第二组通道的通道2两个输出口输出PWM信号，P2.7/CCP2_3第三组通道的通道2和P3.6/CCP1-2第二组通道的通道1输出低电平，从而使得小车左转。

右转：则与左转相反从P2.7/CCP2_3第三组通道的通道2和P3.6/CCP1-2第二组通道的通道1两个输出口输出PWM信号，P2.6/CCP1_3第三组通道的通道1和P3.7/CCP2_2第二组通道的通道2输出低电平，从而使得小车左转。

调速：通过改变CCPnL和CCPnH两个寄存器的值来实现改变PWM信号占空比从而改变平均电压，达到变速的效果。

六、下车设计方案对比

1、底盘

运动底盘一共有四种选择：1）、四轮四个电机控制（四驱）优点平稳单控制难度大；2）、四轮两个电机，优点平稳控制难度小但精度差；3）、三轮（一个万向轮）；两个电机，优点平稳，控制难度小但精度差；4）、履带式的底盘两个电机，优点平稳，控制难度小但精度差；

2、驱动

本文采用的是L298N电机驱动芯片，这也是组常用的驱动芯片，并且是双H桥驱动器，可以独立的驱动两个直流电机，输出电流2A、最大输出电流4A；LMD18200是单H桥驱动芯片，只能驱动一个直流电机，连续输出电流3A，峰值电流6A，适合用于大负载的机器人， 而本次设计机器人负载较小，因此采用L298N驱动芯片足以驱动运行机器人，并且只需要一块驱动芯片即可。

3、传感器

传感器采用的是红外避障传感器，该传感器输出的是开关量（0、1），方便单片机进行检测， 与外部中断相连，采用中断检测使得检测更加灵敏，可以通过可变电阻改变其检测距离；在避障时还可以采用超声波传感器，这两款传感器都是属于非接触式传感器，超声波传感器才检测障碍物的时候需要用程序计算机器人与障碍物之间的距离，因此与输出开关量的红外传感器相比较显得有点繁琐

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4、遥控器

在各种遥控器中选择的是蓝牙控制，我们每个人都有手机，因此不需要外加遥控器，只需要在主控板上加一个人蓝牙模块即可，在手机上下载蓝牙控制app，通过app发送数据给蓝牙接收模块，再通过单片机进行数据判断来进行控制机器人的运动，缺点则是遥控的范围只有十米，价格便宜、性能好。

红外遥控器：红外线遥控器已被广泛使用在各种类型的家电产品上，它的出现给使用电器提供了很多的便利。红外遥控系统一般由红外发射装置和红外接收设备两大部分组成。红外发射装置又可由键盘电路、红外编码芯片、电源和红外发射电路组成。红外接收设备可由红外接收电路、红外解码芯片、电源和应用电路组成

较之相比选择蓝牙控制更为便捷。

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