學(xué)習(xí)情境8機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作

1、學(xué)習(xí)情境8機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作8. 1資訊一知識(shí)準(zhǔn)備& 1. 1智能機(jī)器人的介紹隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器芯片的集成程度越來(lái)越高，單片機(jī)已 經(jīng)可以在一塊芯片上同時(shí)集成 CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、并行和串行接口、 看門(mén)狗、前置放大器，甚至A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等電路，這就很容易將計(jì)算機(jī)技術(shù) 與測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合起來(lái)，組成所謂的“智能化測(cè)量控制系統(tǒng)”。這促使機(jī)器人技術(shù)也有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，現(xiàn)在人們已經(jīng)完全可以設(shè)計(jì)并制造出具有某些特殊 功能的簡(jiǎn)易智能機(jī)器人了。單片機(jī)的串行接口及串行通信一、串行通信概述1、什么叫串行通信？并行、串行舉生活中的例子（排橫隊(duì)行走，排縱隊(duì)行走）說(shuō)明; 引出并

2、行通信，串行通信的概念。2、同步通信、異步通信提問(wèn)：數(shù)字電路中移位寄存器是怎樣進(jìn)行移位的? 同步一一發(fā)送設(shè)備時(shí)鐘等于接收設(shè)備時(shí)鐘。同步字符1同步字符2數(shù)據(jù)1數(shù)據(jù)2數(shù)據(jù)n校驗(yàn)字符校驗(yàn)字符異步一一發(fā)送時(shí)鐘不一定等于接收時(shí)鐘空閑位起始位58位數(shù)據(jù)奇偶校驗(yàn)位停止位空閑位3、串行通信方向半雙工全雙工發(fā)B收4、波特率 即串行通信速率。 舉例、設(shè)有一幀信息， 240個(gè)字符。求波特率。解：(1 + 8+ 1)X 240 = 2400 b/s = 2400波特。b/s 、 bps1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位，傳輸速率為接收:發(fā)送時(shí)鐘5、串行通信接口 發(fā)送：展示投影膠片接收時(shí)鐘0 DO D1D23 D4 D

3、5 D6 D7 1接收數(shù)據(jù)單工D0 D1 D2 D3D4D5D6D7接收數(shù)V匸SBUF （99H）CPU二、MCS-51機(jī)串行接口單片機(jī)內(nèi)有：通用異步接收/發(fā)送器 UART全雙工，4種工作方式，波特率可編程設(shè)置，可中斷。1、串口的組成PCONSMODSCONSM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI從編程角度講來(lái)看主要由以下寄存器組成。SBUFD7D6D5D4D3D2D1D0f SBUF 發(fā)I SBUF收SMO、SM1 :工作方式選擇位（后面再講）SM2:多機(jī)通信控制位，常與 RB8配合，決定是否激活RIREN：允許接收TB8:發(fā)送的第九位數(shù)RB8：接收的第九位數(shù)TI :中斷標(biāo)志RI -SM

4、OD :波特系數(shù)選擇位，0 2° = 11 21 = 2方式0串行口的工作方式方式0:同步移位寄存器方式，波特率固定為 fosc / 12RXD 接收發(fā)送數(shù)據(jù)TXD產(chǎn)生同步移位脈沖接收/發(fā)送完，置位RI / TI，（要求SM2 = 0）2、(1)無(wú)起始位，無(wú)停止位（2）方式1: 8位UART，波特率為（2SMOD X T1的溢出率）/ 32停止位D7 D6 D5D4D3D2D1 D0起始位發(fā)送位接收位*起始位 DO D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 停止位1幀信息，10位。送RB8位波特率可變：2smod / 32 X（ T1的溢出率）發(fā)送完置位TI。接收完數(shù)據(jù)置位RI o置

5、位RI是有條件的。即：REN = 1, RI = 0且SM2 = 0或SM2 = 1但是接收到的停止位為 1 此時(shí)，數(shù)據(jù)裝載SBUF,停止位進(jìn)入RB8, RI置1。停止位TB8D7D6D5 D4D3 p2 |D1D0起始位起始位D0D1D2D3D4D5D6D7TB8停止位（3）方式2、方式3 : 9位UART，多機(jī)通信。發(fā)送接收送RB8方式2波特率：（固定）2smod / 64 X fosc方式3波特率：2SMOD / 32 X（ T1溢出率）發(fā)送完數(shù)據(jù)置位TI o接收到有效數(shù)據(jù)完畢，置位RI o有效數(shù)據(jù)條件：REN = 1，RI = 0且SM2 = 0或接收到第9位數(shù)據(jù)為1 此時(shí)，數(shù)據(jù)裝載S

6、BUF，第9位數(shù)據(jù)（TB8）RB8，RI置1。3、波特率的設(shè)置方式0、方式2固定。方式1,方式3可變。波特率=2smod / 32 X（ T1的溢出率）T1溢出率=單位時(shí)間內(nèi)溢出次數(shù) =1 / （T1的定時(shí)時(shí)間）而T1的定時(shí)時(shí)間t就是T1溢出一次所用的時(shí)間。此情況下，一般設(shè) T1工作在 模式2 （8位自動(dòng)重裝初值）。N = 28- t / T， t = （28-N） T = （28- N） X 12 / fosc所以，T1 溢出率=1/t = fosc / 12 （28- N ），故， 波特率 =2SMOD / 32 X fosc / 12 （256- N ）。若已知波特率，則可求出T1的計(jì)數(shù)

7、初值：y = 256 2SMOD X fosc / （波特率X 32X 12）鞏固新課: 例、若fosc = 6MHz，波特率為2400波特，設(shè)SMOD = 1，則定時(shí)/計(jì)數(shù)器T1的 計(jì)數(shù)初值為多少？并進(jìn)行初始化編程。解：y = 256- 2smodx fosc / (2400X 32X 12) = 242.98" 243 = F3H同理，fosc = 11.0592MHz,波特率為 2400,設(shè) SMOD = 0，貝Uy = F4H初始化編程：MOVTMOD，#20HMOVPCON, #80HMOVTH1， #0F3HMOVTL1， #0F3HSETBTR1MOVSCON，#50H

8、& 2計(jì)劃一學(xué)生學(xué)習(xí)的設(shè)想& 2. 1學(xué)習(xí)目的知識(shí)目標(biāo)：1串行通信基礎(chǔ)2串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)及其接口3 MCS-51的串行接口能力目標(biāo)：& 2.2學(xué)習(xí)條件1.教室2.多媒體3.單片機(jī)實(shí)訓(xùn)室(PG206)4.虛擬仿真實(shí)訓(xùn)室(Proteus)5數(shù)字化綜合服務(wù)平臺(tái)& 2. 3項(xiàng)目技術(shù)要求本機(jī)器人能在任意區(qū)域內(nèi)沿引導(dǎo)線行走，自動(dòng)繞障，在有光源引導(dǎo)的條件下能沿光源行走。同時(shí)，能檢測(cè)埋在地下的金屬片，發(fā)出聲光指示信息，并能實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、顯示檢測(cè)到的金屬片數(shù)目以及各金屬片至起跑線間的距離，最后能停在指定地點(diǎn)，顯示出整個(gè)運(yùn)行過(guò)程的時(shí)間。& 2 . 4 項(xiàng)目設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)習(xí)子領(lǐng)域串

9、行口通信基礎(chǔ)項(xiàng)目名稱(chēng)簡(jiǎn)易機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作專(zhuān)業(yè)班 級(jí)項(xiàng)目設(shè)計(jì)人頁(yè)數(shù):、項(xiàng)目描述1項(xiàng)目工作要求（任務(wù)書(shū)）機(jī)器人能在任意區(qū)域內(nèi)沿引導(dǎo)線行走，自動(dòng)繞障，在有光源引導(dǎo)的條件下能沿光源行走。同時(shí)，能檢測(cè)埋在地下的金屬片，發(fā)出聲光指示信息，并能實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、顯示檢測(cè)到的斷點(diǎn)數(shù)目以及各斷點(diǎn)至起跑線間的距離，最后能停在指定地點(diǎn)， 顯示出整個(gè)運(yùn)行過(guò)程的時(shí)間。2、已具備資料勺活苗價(jià)址叫議赴帽唳圈1系統(tǒng)的總怵方察寵機(jī)控*單元圈2系統(tǒng)的礎(chǔ)件組成二、項(xiàng)目資訊三、項(xiàng)目計(jì)劃i根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇確定設(shè)計(jì)方案，分析設(shè)計(jì)原理圖并實(shí)現(xiàn)連接2、確定本工作任務(wù)需要使用的工具和輔助設(shè)備，填寫(xiě)下表。項(xiàng)目名稱(chēng)各工作流程使用的工具輔助設(shè)備備注四、

10、項(xiàng)目決策1分小組討論，分析闡述各自簡(jiǎn)易機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作的理解和設(shè)計(jì)思路。2、老師指導(dǎo)確定最終設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)電路。3、每組選派一位成員闡述設(shè)計(jì)方案。五、項(xiàng)目實(shí)施1設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作具體有哪些？2、設(shè)計(jì)時(shí)要注意哪些事項(xiàng)？3、選擇電路的流程？主要注意什么問(wèn)題？4、簡(jiǎn)易機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作原理圖中器件如何選擇？選擇器件型號(hào)時(shí)的注 意事項(xiàng)？5、如何對(duì)設(shè)計(jì)好的原理圖進(jìn)行檢測(cè)？如何排除錯(cuò)誤處？6、你認(rèn)為完成該項(xiàng)工作需要注意哪些事項(xiàng)？7、工作過(guò)程中如何提升效率？提出你的建議。8對(duì)整個(gè)工作的完成進(jìn)行記錄。六、項(xiàng)目檢查1學(xué)生填寫(xiě)檢查單。2、教師填寫(xiě)評(píng)價(jià)表。3、撰寫(xiě)簡(jiǎn)易機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作電路圖的設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。七、項(xiàng)目評(píng)

11、估1小組討論，自我評(píng)述完成情況及發(fā)生的問(wèn)題，小組共同給出提升方案和 效率的建議。2、小組準(zhǔn)備匯報(bào)材料，每組選派一人進(jìn)行匯報(bào)。3、老師對(duì)方案評(píng)價(jià)說(shuō)明。4、整理相關(guān)資料，列表說(shuō)明項(xiàng)目資料及資料來(lái)源，注明存檔情況項(xiàng)目名稱(chēng)項(xiàng)目資料名稱(chēng)資料來(lái)源存檔備注5、成品上交資料備注項(xiàng)目名稱(chēng)簡(jiǎn)易機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作上交資料名稱(chēng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)易機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作項(xiàng)目進(jìn)度表項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告七、備注（需要注明的內(nèi)容）指導(dǎo)老師評(píng)語(yǔ):項(xiàng)目完成人簽字：日期：年月日指導(dǎo)老師簽字：日期：年月日& 2. 4學(xué)習(xí)團(tuán)隊(duì)50人，6人一組& 3決策一項(xiàng)目方案的設(shè)計(jì)與選擇本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)作為檢測(cè)和控制核心。采用紅外光電傳

12、感器檢測(cè)路面黑線及障礙物，使用金屬傳感器檢測(cè)路面下金屬鐵片，應(yīng)用光電碼盤(pán)測(cè)距，用光敏電阻檢測(cè)、判斷車(chē)庫(kù)位置，利用PWM技術(shù)動(dòng)態(tài)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速。通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行進(jìn)、繞障、停止的精確控制以及檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示。我們通過(guò)對(duì)電路的優(yōu)化組合，最大限度的利用51單片機(jī)的全部資源。 P0 口用于數(shù)碼管顯示，P1 口用于電動(dòng)機(jī)的 PWM驅(qū)動(dòng)控制， P2, P3 口用于傳感器的數(shù)據(jù)采集與中斷控制。這樣做的優(yōu)點(diǎn)很明顯：充分地利用了單片機(jī) 的內(nèi)部資源，降低了總體設(shè)計(jì)的成本。該方案的系統(tǒng)圖如圖1所示。計(jì)it=>J喘紡方向1=3打外M機(jī)1s+ TA M丿業(yè)機(jī)畫(huà)酬樓塊小T右器=>田1系統(tǒng)

13、的總憚方夷2、系統(tǒng)的硬件組成及原理2所示。源單元、聲光報(bào)警單元、鍵盤(pán)輸入單元、電機(jī)控制單元和顯示單元組成，如圖匚 _一 i|vJ屮2. 1 單片機(jī)單元本系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)作為中央處理器。他的主要任務(wù)是 掃描鍵盤(pán)輸入的信號(hào)啟動(dòng)機(jī)器人，在機(jī)器人行走過(guò)程中不斷讀取傳感器采集到的數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后， 根據(jù)不同的情況產(chǎn)生占空比不同的PWM脈沖來(lái)控制電機(jī)，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)送顯示單元?jiǎng)討B(tài)顯示，產(chǎn)生聲光報(bào)警信號(hào)。 其中，P0 口用于數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，P1.0P1. 5控制2個(gè)電機(jī)，P1. 6, P1. 7為獨(dú)立式鍵盤(pán)接口，P2 口接傳感器，P3. 2接計(jì)里程的光電碼盤(pán)，P3. 7接聲光報(bào)警單元

14、，P3. 4, P3. 5, P3. 6接用于顯示金屬片數(shù)目的發(fā)光 二極管。2. 2 電機(jī)控制單元本機(jī)器人采用了雙電機(jī)雙輪驅(qū)動(dòng)的小車(chē)作為其底座。 他的2個(gè)電 機(jī)分別獨(dú)立控制其左右兩邊的車(chē)輪， 靠?jī)蛇呺姍C(jī)的轉(zhuǎn)速的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎功能， 還可讓其原 地轉(zhuǎn)彎，便于控制。而傳統(tǒng)的小車(chē)是靠動(dòng)力電機(jī)和轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 轉(zhuǎn)彎角度難以控制， 不便 于使用。電機(jī)控制電路采用大功率對(duì)管BD139 , BD140組成的H型驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)單片機(jī)產(chǎn)生占空比不同的PWM脈沖，精確調(diào)整電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在晶體管的飽和或截止?fàn)顟B(tài)下，避免了在線性放大區(qū)工作時(shí)晶體管的管耗，可以最大限度地提高效率；H型電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)

15、現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開(kāi)關(guān)的速度和穩(wěn)定性也完全可以滿足需要，整套驅(qū)動(dòng)電路是一種被廣泛采用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。電路如圖3所示。2. 3傳感器單元整個(gè)機(jī)器人共采用了 9個(gè)傳感器，他們分布在整個(gè)機(jī)器人的不同部位，相互配合起著不同的作用，如圖4所示。圖4中各傳感器說(shuō)明如下:傳感器1置于機(jī)器人正前方朝下的金屬探測(cè)傳感器，用于 探測(cè)金屬。傳感器2置于機(jī)器人正前方朝前的超聲波傳感器，用于檢測(cè)障礙物。超聲波來(lái)源于 555產(chǎn)生40kHz的方波信號(hào)，經(jīng)超聲波發(fā)射頭發(fā)出。發(fā)射頭不斷發(fā)出信號(hào)， 當(dāng)遇到障礙物時(shí)，信號(hào)會(huì)被反射回來(lái)，從而接收頭會(huì)接受到信號(hào)，將信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行相 應(yīng)的判斷和處理。傳感器3置于機(jī)器人正前方

16、朝下的紅外光電傳感器，用于檢測(cè)停止線。紅外發(fā)射管發(fā)出信號(hào)， 經(jīng)不同的反射介質(zhì)反射， 根據(jù)紅外接受管是否接受到信號(hào)做 出相應(yīng)的判斷。傳感器4, 5置于機(jī)器人底座下方朝下的紅外光電傳感器， 用于檢測(cè)地面的引導(dǎo)線，原理同傳感器3。傳感器6，7置于機(jī)器人正前方朝前的光敏電阻傳感器，用于 尋找光源。當(dāng)機(jī)器人前方有光源照射時(shí)，光敏電阻的大小將會(huì)改變， 將2個(gè)傳感器的改變量進(jìn)行比較處理后送入單片機(jī)，單片機(jī)將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的調(diào)整信號(hào)，使機(jī)器人朝著光強(qiáng)的方向行走。傳感器8置于機(jī)器人后方兩側(cè)朝外的超聲波傳感器，用于在機(jī)器人遇到障礙物時(shí)的轉(zhuǎn)彎處理，判斷機(jī)器人是否完全繞開(kāi)障礙物，原理同傳感器2。傳感器9置于機(jī)器人正后方的

17、光電碼盤(pán)，用于計(jì)里程，他 借助于鼠標(biāo)原理，選用直徑為2. 6cm的塑料小輪自制光電碼盤(pán)，經(jīng)過(guò)打磨使其周長(zhǎng)為8cm,再在該小輪上打等距離的8個(gè)孔，（如圖5所示），最小測(cè)距精度可達(dá)到1cm,足以滿足要求，兩側(cè)裝上光電傳感器，將其安裝在車(chē)尾， 使之與車(chē)的行駛同步。 就實(shí)際情況自制出來(lái)的各個(gè)孔之間的距離無(wú)法精確相等，但經(jīng)過(guò)具體測(cè)量該光電碼盤(pán)能保證行駛50cm能產(chǎn)生50個(gè)脈沖，于是采用他作為計(jì)算距離的基準(zhǔn)單位。在直道區(qū)，可由該電路產(chǎn)生的脈沖數(shù)，計(jì)算出鐵片中心線至起跑線間的距離。陽(yáng)呂汁散忖槍此外，為了清楚直觀的觀察到各傳感器的工作狀態(tài)， 電路中還專(zhuān) 門(mén)為每個(gè)傳感器設(shè)計(jì)了工作指示燈，實(shí)時(shí)顯示每個(gè)傳感器的工作

18、狀態(tài)。2 4 鍵盤(pán)輸入單元鍵盤(pán)輸入單元采用獨(dú)立式鍵盤(pán)， 由 2 個(gè)按鍵組成， 其中一個(gè)為啟 動(dòng)鍵， 另一個(gè)為顯示切換鍵，當(dāng)機(jī)器人行走完全程后，按下該鍵， 將顯示整個(gè)行走過(guò)程的時(shí) 間。2 5 顯示單元顯示單元由 2 個(gè) 7 段數(shù)碼管組成， 為了減少整個(gè)系統(tǒng)的功耗， 采 用了由單片機(jī)軟件譯碼， 動(dòng)態(tài)顯示， 實(shí)時(shí)顯示每個(gè)金屬片到起點(diǎn)的距離以及整個(gè)運(yùn)行過(guò)程的 時(shí)間。2 6 聲光報(bào)警單元用 555 作振蕩源， 用單片機(jī)觸發(fā)振蕩源驅(qū)動(dòng)電磁訊響器作為聲音 指示器和 1 只發(fā)光二極管作為光指示裝置，從而組成聲光報(bào)警單元。2 7 電源單元本系統(tǒng)采用 2 套電源分別對(duì)電機(jī)和控制電路進(jìn)行單獨(dú)供電。 系統(tǒng)控制電路采用

19、經(jīng) 7805 穩(wěn)壓后的輸出供電（ 5V）,電機(jī)則采用4節(jié)AA電池來(lái)供電。3、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)配套的軟件程序采用模塊結(jié)構(gòu)，由 C 語(yǔ)言編寫(xiě)完成。主 要由初始化程序、偏道調(diào)整程序、偏離光源調(diào)整程序、聲光指示子程序、讀傳感器狀態(tài)、顯 示程序、定時(shí)器 0的中斷服務(wù)程序、 定時(shí)器 1 的中斷服務(wù)程序、外部中斷 0的服務(wù)程序、停 車(chē)處理等模塊組成。系統(tǒng)的主體流程如圖 6 所示。H審n屯|眸電呻單元恂聊討“斡宀-腫巾怡Q：4、結(jié)語(yǔ)智能該機(jī)器人在認(rèn)為設(shè)定的跑道上經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期的效 果，但是其智能化程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。隨著人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷研究和深入，機(jī)器人的發(fā)展前景將會(huì)越來(lái)越廣闊。&4.5程序的燒錄&4.6整機(jī)的組裝&5檢查一過(guò)程中的學(xué)習(xí)狀態(tài)的反饋&5.1知識(shí)類(lèi)習(xí)題8.1什么是串行異步通信？有哪幾種幀格式？8.2定時(shí)器T1作串行口波特率發(fā)生器時(shí)，為什么采用方式8.3設(shè)計(jì)并編程，完成單片機(jī)的雙機(jī)通信程序，將甲機(jī)片外RAM1000H 100FH的數(shù)據(jù)塊通過(guò)串行口傳送到乙機(jī)的20H2FH單元。8.4利用串行口設(shè)計(jì)四位靜態(tài)LED顯示，畫(huà)出電路圖并編寫(xiě)程序， 要求四位LED每隔1S交替顯示“ 1234 ”和“ 5678 ”。8.5根據(jù)實(shí)訓(xùn)電路連接雙機(jī)通信電路，對(duì)甲乙機(jī)編程完成甲機(jī)鍵