【測(cè)控技術(shù)與儀器】智能紅外避障履帶式機(jī)器人設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)題目智能紅外避障履帶式機(jī)器人設(shè)計(jì)學(xué)生姓名學(xué)號(hào)系別防災(zāi)儀器系專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)開題時(shí)間2012年12月25日答辯時(shí)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(jī)器人設(shè)計(jì)摘要隨著紅外物理與技術(shù)的不斷發(fā)展,紅外探測(cè)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(gè)領(lǐng)域。論文設(shè)計(jì)了一款具有紅外避障功能的智能履帶式機(jī)器人。該電路設(shè)計(jì)主要由以下四個(gè)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(jī)AT89S52），執(zhí)行模塊（伺服電機(jī)），穩(wěn)壓電源模塊。傳感器模塊主要通過對(duì)左方、右方以及正前方紅外傳感器的信號(hào)分別進(jìn)行采集，把檢測(cè)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(duì)采集來的信號(hào)進(jìn)行處理，做出比較后把控制信號(hào)傳送給執(zhí)行模塊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)避障，快、慢速行駛，以及自動(dòng)停車。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的履帶式機(jī)器人成功實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)避障功能。關(guān)鍵詞避障；機(jī)器人；單片機(jī)；紅外傳感器INTELLIGENTINFRAREDOBSTACLEAVOIDANCEROBOTDESIGNABSTRACTWITHINFRAREDPHYSICSANDTECHNOLOGYCONTINUESTOEVOLVE,INFRAREDDETECTIONTECHNOLOGYHASBEENWIDELYUSEDINMILITARY,COALMINEPRODUCTIONSAFETYANDOTHERFIELDSANINTELLIGENTTRACKEDROBOTWITHINFRAREDOBSTACLEAVOIDANCEFUNCTIONISDESIGNEDINTHEPAPERTHECIRCUITDESIGNCONSISTSOFTHEFOLLOWINGFOURMODULESASENSORMODULEINFRAREDTRANSMITTERANDRECEIVER,THECONTROLMODULESCMAT89S52,ANEXECUTIONMODULESERVOMOTOR,ANDTHEPOWERSUPPLYMODULESSENSORMODULECOLLECTTHEINFRAREDSENSORSIGNALTHROUGHLEFT,RIGHTANDFRONTSEPARATELYTHEDETECTEDOBSTACLEINFORMATIONWILLTRANSFERTOCONTROLMODULEANDTHECONTROLMODULEASTHESYSTEMCONTROLPROCESSORWILLPROCESSTHECOLLECTEDSIGNALTOMAKECOMPARISONANDTHETRANSFERCONTROLSIGNALTOTHEEXECUTIONMODULE,FORIMPLEMENTINGAUTOMATICOBSTACLEAVOIDANCE,FASTANDSLOWSPEEDANDSTOPPINGAUTOMATICALLYOFROBOTEXPERIMENTSHOWTHATTHEDESIGNEDROBOTACHIEVEDAUTONOMOUSOBSTACLEAVOIDANCEKEYWORDSOBSTACLEAVOIDANCEROBOTMICROCONTROLLERINFRAREDSENSORS目錄引言11履帶式機(jī)器人及紅外技術(shù)概述211履帶式機(jī)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?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)32總體設(shè)計(jì)方案421系統(tǒng)原理組成框圖422主要設(shè)計(jì)任務(wù)43硬件設(shè)計(jì)531控制模塊532紅外傳感器檢測(cè)模塊1033電源驅(qū)動(dòng)模塊1134穩(wěn)壓模塊144軟件設(shè)計(jì)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(xiàn)21附錄22引言近年來，由于軍事應(yīng)用的牽引和推動(dòng)，紅外技術(shù)得到快速發(fā)展，紅外系統(tǒng)具有以下四個(gè)優(yōu)點(diǎn)（1）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，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(dòng)式工作，隱蔽性好，不容易受到外界的干擾；（3）依靠目標(biāo)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(jìn)行探測(cè)，從而能夠比可見光更好的識(shí)別偽裝目標(biāo)；（4）紅外系統(tǒng)具有體積小、重量輕和低功耗等特點(diǎn)。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(cè)、氣象預(yù)報(bào)、遙感資源調(diào)查等領(lǐng)域的應(yīng)用；（2）用于對(duì)地下礦山的溫度和氣體的檢測(cè)；（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(bào)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(jìn)行觀察1。在科學(xué)探索和應(yīng)急救援中，經(jīng)常需要檢測(cè)一些危險(xiǎn)或人類不能直接到達(dá)的地區(qū)，這就需要機(jī)器人來完成。而機(jī)器人在復(fù)雜地形中行駛時(shí)的自動(dòng)避障是一個(gè)最基本、最重要的功能。因此，研究和開發(fā)自動(dòng)避障系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。智能紅外避障履帶式機(jī)器人就是基于這一系統(tǒng)開發(fā)而成的。隨著時(shí)代和科技的發(fā)展，對(duì)于人類所不能直接到達(dá)的地域和未知空間的探索逐步成為熱門，這使得對(duì)機(jī)器人的紅外自動(dòng)避障功能的研究開發(fā)變得意義重大。目前避障機(jī)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(zhǔn)確識(shí)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(jī)作為該履帶式機(jī)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(jī)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(jī)器人能夠更準(zhǔn)確地檢測(cè)到障礙物，保證了避障的快速性和準(zhǔn)確性。而選擇履帶式底盤的原因是基于它在實(shí)際應(yīng)用中所要面臨的問題進(jìn)行考慮的，采用履帶式底盤能減機(jī)器人車輪對(duì)地面的壓強(qiáng)，利于增加防護(hù)性；其次，適用地形廣，利于野外機(jī)動(dòng)；最后，在行進(jìn)中能夠保持機(jī)器人的平穩(wěn)性。1履帶式機(jī)器人及紅外技術(shù)概述11履帶式機(jī)器人的研究意義及現(xiàn)狀機(jī)器人是自動(dòng)執(zhí)行工作的機(jī)器裝置。它既可以接受人類指揮，又可以運(yùn)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(dòng)。機(jī)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(xiǎn)工作。自20世紀(jì)60年代以來，關(guān)節(jié)式機(jī)器人就已經(jīng)成為制造業(yè)不可缺少的核心裝備。因?yàn)殛P(guān)節(jié)式機(jī)器人操作手的機(jī)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(jī)器人操作空間的限制，研究人員想到了為其裝備移動(dòng)機(jī)構(gòu)，這樣便產(chǎn)生了移動(dòng)式機(jī)器人。移動(dòng)式機(jī)器人的可移動(dòng)性大大擴(kuò)展了機(jī)器人的工作空間，并能使機(jī)器人手臂更好定位以高效的完成任務(wù)。移動(dòng)式機(jī)器人應(yīng)用范圍要比關(guān)節(jié)式機(jī)器人廣泛，因此現(xiàn)代工業(yè)上多采用移動(dòng)式機(jī)器人。移動(dòng)機(jī)器人需要有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是移動(dòng)式機(jī)器人的重要執(zhí)行部件，并且能夠使機(jī)器人進(jìn)行無約束運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一方面支撐機(jī)器人的機(jī)身、手臂，另一方面還可以根據(jù)工作任務(wù)的要求，帶動(dòng)其在廣闊的空間運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)有多種途徑，因此機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式的選擇是移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。按其結(jié)構(gòu)可以分為腿式、輪式、履帶式，每種機(jī)器人都有其各自的特點(diǎn)2,3。履帶式移動(dòng)機(jī)器人（又稱無限軌道式機(jī)器人）的特點(diǎn)有如下幾個(gè)（1）支撐面積大，接地比壓小，適合在松軟或泥濘場(chǎng)地作業(yè)，下陷度小，滾動(dòng)阻力小，越野機(jī)動(dòng)性能好；（2）轉(zhuǎn)向半徑小，可以實(shí)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(jī)器人還可以像腿式移動(dòng)機(jī)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(cè)一些危險(xiǎn)或人類不能直接到達(dá)的地區(qū)，這些都需要機(jī)器人來完成，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，腿式移動(dòng)機(jī)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(jī)器人具有的優(yōu)點(diǎn)來看，履帶式移動(dòng)機(jī)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(dòng)化等領(lǐng)域中具有重大的發(fā)展空間，因此目前對(duì)于履帶式移動(dòng)機(jī)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(gè)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(qiáng)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(jī)械。（4）紅外技術(shù)在軍事上和國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用。所以說紅外技術(shù)的研究涉及的范圍相當(dāng)廣泛，既有目標(biāo)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(dòng)，紅外技術(shù)得到快速發(fā)展。紅外系統(tǒng)具有以下四個(gè)優(yōu)點(diǎn)（1）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，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(dòng)式工作，隱蔽性好，不容易受到外界的干擾；（3）依靠目標(biāo)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(jìn)行探測(cè)，從而能夠比可見光更好的識(shí)別偽裝目標(biāo)；（4）紅外系統(tǒng)具有體積小、重量輕和低功耗等特點(diǎn)。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(diǎn)。因此紅外傳感器為自己在避障機(jī)器人行業(yè)中的應(yīng)用開辟了新的市場(chǎng)，目前國(guó)內(nèi)外很多避障機(jī)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?jī)?nèi)容及結(jié)構(gòu)本論文以履帶式機(jī)器人為平臺(tái)來研究設(shè)計(jì)機(jī)器人的避障功能。首先介紹了智能紅外履帶式避障機(jī)器人的工作原理和總體設(shè)計(jì)方案，然后著重介紹機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。最后介紹了機(jī)器人的組裝與調(diào)試。本文研究?jī)?nèi)容主要分為五章，其具體內(nèi)容如下第1章是履帶式機(jī)器人及紅外技術(shù)概述，主要是簡(jiǎn)要的介紹了履帶式機(jī)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(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案，闡明了系統(tǒng)的工作原理；第3章詳細(xì)的介紹了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)的幾個(gè)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(jī)AT89S52），執(zhí)行模塊（伺服電機(jī)），穩(wěn)壓電源模塊的工作原理等進(jìn)行了比較詳細(xì)的介紹；第4章是介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，基于機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)的避障功能，做出一個(gè)程序流程圖，根據(jù)流程圖的思路，運(yùn)用C語言編寫控制程序；第5章通過軟件仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)器人避障的實(shí)用性和可靠性，并根據(jù)相應(yīng)的問題進(jìn)行調(diào)試，致力于取得更好的避障效果。最后是對(duì)本次設(shè)計(jì)的過程進(jìn)行簡(jiǎn)要的總結(jié)。2總體設(shè)計(jì)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(jī)器人供電，同時(shí)通過穩(wěn)壓模塊給紅外傳感器檢測(cè)模塊和單片機(jī)主控模塊供電。通過紅外傳感器檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路面情況并及時(shí)傳輸給單片機(jī)，由單片機(jī)主控核心模塊根據(jù)紅外傳感器檢測(cè)模塊給予的信息控制機(jī)器人電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)工作狀態(tài)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)機(jī)器人電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)與停止。22主要設(shè)計(jì)任務(wù)本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是自行設(shè)計(jì)制作一個(gè)具有智能紅外避障功能的履帶式機(jī)器人，該機(jī)器人在前進(jìn)的過程中能夠檢測(cè)到前方障礙物并自動(dòng)避開，達(dá)到避障的效果。該設(shè)計(jì)的主要任務(wù)如下（1）硬件電路的參考與設(shè)計(jì)；（2）機(jī)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(jì)31控制模塊311單片機(jī)AT89S52介紹該設(shè)計(jì)采用的單片機(jī)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(chǔ)器。AT89S52單片機(jī)與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051中單片機(jī)能夠完全兼容，同時(shí)還支持兩種軟件可選的省電模式，工作時(shí)鐘最高可達(dá)到24MHZ。該單片機(jī)通過對(duì)實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)處理等功能的完善，簡(jiǎn)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(chǔ)器。使用高密度非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單片機(jī)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(shí)物圖如圖31所示。圖31AT89S52引腳示意圖及實(shí)物圖AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能8K字節(jié)FLASH，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)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(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)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(jī)的各引腳功能介紹如下P0口P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，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(shí)，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。P1口P1口是一個(gè)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(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P1端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)把P1端口用作輸入口。用作輸入口時(shí)，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(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P10/T2）和時(shí)器/計(jì)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(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。P1口的第二功能如下P10T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出；P11T2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)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(gè)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(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P2端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)把P1端口用作輸入口。用作輸入口時(shí)，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(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVXDPTR）時(shí)，P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強(qiáng)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(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。P3口P3口是一個(gè)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(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P3端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)把P1端口用作輸入口。用作輸入口時(shí)，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(shí)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(yàn)時(shí)，P3口還能接收一些控制信號(hào)。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(shí)/計(jì)數(shù)器0；P35T1定時(shí)/計(jì)數(shù)器1；P36WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通；P37RD外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(yàn)的控制信號(hào)。RST復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，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(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。對(duì)FLASH存儲(chǔ)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(duì)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(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE禁止位無效。PSEN程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89S52由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過兩次PSEN信號(hào)。EA/VPP外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲(chǔ)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(shí)內(nèi)部會(huì)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(chǔ)器的指令。FLASH存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上12V的編程允許電源VPP，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓VPP11,12。312AT89S52單片機(jī)控制電路單片機(jī)控制電路由單片機(jī)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(hào)，再通過控制程序設(shè)定的邏輯算法給出下一級(jí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的指令。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括主控IC，外部時(shí)鐘電路，復(fù)位電路和電源組成。本設(shè)計(jì)采用如圖32所示的單片機(jī)最小系統(tǒng)。圖32單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖該單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由如下幾部分組成1時(shí)鐘電路XTAL1和XTAL2是獨(dú)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(shí)鐘驅(qū)動(dòng)。時(shí)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(shí)鐘時(shí)，外部時(shí)鐘振蕩信號(hào)直接送入此引腳作為驅(qū)動(dòng)端，其頻率為033MHZ；時(shí)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(dāng)采用外部時(shí)鐘電路時(shí)，此引腳應(yīng)懸空不用。該單片機(jī)的時(shí)鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時(shí)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(shí)鐘方式，即將XTAL1接地，外部時(shí)鐘信號(hào)從XTAL2輸入。雖然內(nèi)部時(shí)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(shí)鐘，精度高，穩(wěn)定性好，因此本設(shè)計(jì)采用外部時(shí)鐘方式。單片機(jī)時(shí)鐘電路如圖33所示圖33單片機(jī)時(shí)鐘電路2復(fù)位電路圖34所展示的是單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖包括的兩種復(fù)位方式上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位。在單片機(jī)最小系統(tǒng)中，復(fù)位電路是非常關(guān)鍵的，當(dāng)程序跑飛（運(yùn)行不正常）或死機(jī)（停止運(yùn)行）時(shí)，就要靠復(fù)位來使單片機(jī)恢復(fù)正常工作。MCS5L系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST（第9管腳）出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。上電自動(dòng)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(gè)短的高電平信號(hào)，此信號(hào)隨著VCC對(duì)電容C的充電過程而逐漸回落，級(jí)RST引腳上的高電平持續(xù)時(shí)間取決于電容C的充電時(shí)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(zhǎng)時(shí)間。手動(dòng)復(fù)位則是通過RST端經(jīng)電阻與電源VCC接通來實(shí)現(xiàn)。由于手動(dòng)復(fù)位和上電自動(dòng)復(fù)位的功能一樣，而且實(shí)現(xiàn)起來比較方便，因此本設(shè)計(jì)中采用手動(dòng)復(fù)位的方式。圖34單片機(jī)復(fù)位電路32紅外傳感器檢測(cè)模塊321紅外避障傳感器的工作原理本次設(shè)計(jì)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(cè)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(cè)器，主動(dòng)紅外夜視儀，電腦、手機(jī)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(diǎn)13。它的工作原理可以概括為如下幾點(diǎn)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(gè)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(hào)，其他頻率段的紅外光均過濾掉。3當(dāng)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(dāng)前方無物體時(shí)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(gè)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(fù)極）。3OUT（信號(hào)輸出，傳感器檢測(cè)到物體的時(shí)候OUT輸出0V電壓，沒檢測(cè)到物體就輸出5V電壓，可直接接到單片機(jī)的IO口上）。4EN（使能端，EN端等于“1”時(shí)傳感器不工作，等于“0”時(shí)傳感器工作。）在圖36中，我們能看到傳感器上有2個(gè)跳帽，它們的作用是1跳帽插上是的作用是將EN端長(zhǎng)期接地，傳感器將長(zhǎng)期工作，不受控制。2跳帽拿開時(shí)EN端需要接到單片機(jī)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(dòng)模塊331H橋式驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般采用H橋式驅(qū)動(dòng)電路，要掌握好電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，首先就要弄清楚H橋式驅(qū)動(dòng)電路的原理，H橋式驅(qū)動(dòng)電路圖如圖37所示圖37H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)能夠運(yùn)轉(zhuǎn)的唯一條件就是必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。如圖38所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極流出，經(jīng)過Q1管從左至右穿過電機(jī)，再經(jīng)過Q4管回到電源負(fù)極，電流方向如圖中所示。此時(shí)三極管Q1和Q4導(dǎo)通，電流流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。圖39所示為另一對(duì)三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，此時(shí)電流從右至左流過電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，必須保證H橋上兩個(gè)同側(cè)的三極管不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通。假如Q1管和Q2管被同時(shí)導(dǎo)通，那么電流將會(huì)從正極穿過兩個(gè)三極管直接回到負(fù)極。此時(shí)，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(huì)過大，甚至燒壞三極管。因此，在實(shí)際驅(qū)動(dòng)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(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)圖39H橋驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)332L298驅(qū)動(dòng)電路電源驅(qū)動(dòng)模塊的主要作用是驅(qū)動(dòng)機(jī)器人電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退和停止等。電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般采用H橋式驅(qū)動(dòng)電路，L298N內(nèi)部集成了H橋式驅(qū)動(dòng)電路，從而可以采用L298N電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。L298N電路通過接收來自單片機(jī)發(fā)出的PWM信號(hào)來控制小車的速度，起停。為了設(shè)計(jì)方便我采用了市面上已有的L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，其特點(diǎn)是便宜、穩(wěn)定性高。為了使設(shè)計(jì)達(dá)到更好的效果，我選用了L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。其工作原理如圖310所示，實(shí)物圖如圖311所示圖310L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊引腳圖圖311L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)物圖34穩(wěn)壓模塊本次設(shè)計(jì)中使用的紅外避障傳感器模塊、單片機(jī)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(jì)中使用的為4節(jié)5號(hào)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(jiǎn)單和穩(wěn)壓線性度好的優(yōu)點(diǎn)，而對(duì)于單片機(jī)來說，正好需要提供穩(wěn)定的5V電壓，所以選用LM2940CT50單獨(dú)對(duì)其進(jìn)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(gè)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(jì)在編寫程序時(shí)，對(duì)常用的匯編語言和C語言進(jìn)行了比較。匯編語言雖然編寫比較簡(jiǎn)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(qiáng)的移植性，調(diào)試修改也比較方便，所以此次設(shè)計(jì)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(duì)程序的可用性進(jìn)行試驗(yàn)，這時(shí)就需要先把機(jī)器人的硬件部分組裝好，在組裝過程中把各個(gè)模塊的端口按照控制程序里的對(duì)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(jī)器人實(shí)物如圖51所示。圖51智能紅外避障履帶式機(jī)器人實(shí)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(jìn)行避障實(shí)驗(yàn)，觀察機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)并對(duì)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(jī)器人左前方和右前方的紅外傳感器檢測(cè)距離調(diào)為10CM、正前方的紅外傳感器檢測(cè)距離調(diào)為15CM能夠使機(jī)器人進(jìn)行快速可靠的自動(dòng)避障。圖52是機(jī)器人左邊有障礙物時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)。機(jī)器人在行進(jìn)過程中，紅外傳感器的紅外發(fā)射二極管發(fā)出紅外光，當(dāng)機(jī)器人左前方的紅外傳感器檢測(cè)到左邊前10CM處有障礙物時(shí)，紅外接收器接收到反射回來的紅外光信號(hào)，紅外傳感器的OUT端輸出0V電壓，傳給單片機(jī)一個(gè)低電平，促使單片機(jī)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(shí)的運(yùn)行狀態(tài)圖圖53是機(jī)器人前方有障礙物時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)器人在行進(jìn)過程中，紅外傳感器的紅外發(fā)射二極管發(fā)出紅外光，當(dāng)機(jī)器人正前方的紅外傳感器檢測(cè)到正前方15CM處有障礙物時(shí)，紅外接收器接收到反射回來的紅外光信號(hào)，紅外傳感器的OUT端輸出0V電壓，傳給單片機(jī)一個(gè)低電平，促使單片機(jī)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(shí)的運(yùn)行狀態(tài)圖圖54是機(jī)器人右邊有障礙物時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，同機(jī)器人左前方有障礙物時(shí)的原理類似，機(jī)器人在行進(jìn)過程中，當(dāng)機(jī)器人右前方的紅外傳感器檢測(cè)到右邊前10CM處有障礙物時(shí)，紅外接收器接收到反射回來的紅外光信號(hào)，紅外傳感器的OUT端輸出0V電壓，傳給單片機(jī)一個(gè)低電平，促使單片機(jī)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(shí)的運(yùn)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(cè)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(gè)領(lǐng)域，尤其在在機(jī)器人避障中，引起了廣泛關(guān)注和研究。論文設(shè)計(jì)的履帶式機(jī)器人以單片機(jī)AT89S52為核心，根據(jù)紅外避障傳感器檢測(cè)模塊傳輸?shù)那胺铰访嫘畔⒖刂茩C(jī)器人行駛走向。系統(tǒng)能夠做到準(zhǔn)確及時(shí)監(jiān)測(cè)前方路面信息并傳輸給單片機(jī)控制模塊，并由單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)及時(shí)調(diào)整電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298改變電機(jī)的工作狀態(tài)從而達(dá)到控制機(jī)器人運(yùn)行方向的目的。通過調(diào)節(jié)紅外的發(fā)射頻率，采集多個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的準(zhǔn)確行走功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的履帶式機(jī)器人成功實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)避障功能。致謝本設(shè)計(jì)從開題到系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)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(shí)，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(jiān)實(shí)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(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，我所取得的每一點(diǎn)進(jìn)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(xiàn)給我的指導(dǎo)教師蔡建羨。同時(shí)，也對(duì)在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，對(duì)我有過幫助的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友表示