机电一体化综合训练二实验报告 西北农林科技大学

目录

一、舵机小车总结 0

1.1 舵机小车任务 0

1.2 舵机小车控制原理 0

1.3舵机小车具体完成任务与改进 0

1.3.1宝贝机器人巡航控制 0

1.3.2机器人触觉导航 (1)

1.3.3用光敏电阻进行导航 (2)

1.3.4方案的改进 (4)

1.4小结 (5)

二、直流电机小车总结 (5)

2.1. 直流电机小车任务 (5)

2.2 直流电机小车控制原理 (5)

2.3 直流电机小车具体完成任务与改进 (6)

2.3.1供电电源模块 (6)

2.3.2控制器模块 (7)

2.3.3电机驱动模块 (7)

2.3.4测速模块 (9)

2.3.5显示模块 (10)

2.3.6寻迹 (11)

2.3.7 避障 (12)

2.3.8红外遥控 (12)

2.3.9方案改进 (12)

2.4小结 (17)

三、步进电机小车总结 (17)

3.1. 步进电机小车任务 (17)

3.2步进电机小车控制原理 (17)

3.3 步进电机小车具体完成任务与改进 (17)

3.3.1供电模块 (17)

3.3.2超声波模块 (18)

3.3.3驱动模块 (19)

3.3.4步进小车寻迹 (20)

3.3.5四键遥控 (20)

3.3.6红外避障 (21)

3.3.7实验方案的改进 (21)

3.4小结 (24)

四、机电系统创新设计 (24)

4.1创新题目 (24)

4.2创新的目的 (24)

4.3创新的背景 (24)

4.4创新的方案设计 (25)

4.4.1创新的总体方案 (25)

4.4.2创新流程图 (25)

4.5仿真图 (27)

五、个人体会与总结 (27)

5.1关于学习 (28)

5.2关于团队合作 (28)

5.3关于编程调试小车 (29)

5.4关于发现的问题 (29)

《机电一体化综合训练Ⅱ》实习总结

一、舵机小车总结

1.1 舵机小车任务

1、了解舵机小车的组成部分，组装并测试好舵机小车。

2、舵机小车可以实现的前进、后退，并可以实现左转弯、右转弯，并在允许范围内可调节速度。

3、完成舵机小车的触觉导航、光敏电阻导航、红外线导航、距离检测等基本任务，并掌握其工作原理。

4、了解并掌握舵机小车如何实现运动。

5、了解舵机小车有哪些传感器，并理解传感器如何实现信息反馈的。

1.2 舵机小车控制原理

舵机由舵盘、位置反馈电位器、减速齿轮组、直流电机和控制电路组成。控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止，下面为舵机工作原理图。

1.3舵机小车具体完成任务与改进

1.3.1宝贝机器人巡航控制

这个任务具体实现以下功能：

1.3.2机器人触觉导航

电路图如下：

工作原理：

每条胡须都是一个常开开关。连接到每个胡须电路的I/O引脚监视着10k 上拉电阻上的电压变化。当胡须没有被触动时，连接胡须的I/O管脚的电压是5V，当胡须被触动，I/O短接到地，所以I/O管脚的电压是0V。单片机可以读入相应的数据，进行分析、处理、控制机器人运动。在进行胡须测试之前需将串口电缆连接好，需用到调试终端以显示左右胡须状态，调用相关程序进行测试。

1.3.3用光敏电阻进行导航

电路图如下：

光检测电路分压电路跟着阴影走的基本程序：

#include

#include

int P1_5state(void)//获取P1_5口的状态

{

return (P1&0x20)?1:0;

}

int P2_3state(void) //获取P2_3口的状态

{

return (P2&0x08)?1:0;

}

int main(void)

{

int counter;

uart_Init(); //串口初始化

printf("Program Running!\n");

for(counter=1;counter<=1000;counter++)//开始/复位信号

{

P1_4=1;

delay_nus(1000);

P1_4=0;

delay_nus(1000);

}

while(1)

{

if((P1_5state()==0)&&(P2_3state()==0))//都探测到阴影向前运动{

P1_1=1;

delay_nus(1700);

P1_1=0;

P1_0=1;

delay_nus(1300);

P1_0=0;

}

else if(P1_5state()==0)//只有左边的探测到阴影，向左转

{

P1_1=1;

delay_nus(1500);

P1_1=0;

P1_0=1;

delay_nus(1300);

P1_0=0;

}

else if(P2_3state()==0)//只有右边的探测到阴影，向右转

{

P1_1=1;

delay_nus(1700);

P1_1=0;

P1_0=1;

delay_nus(1500);

P1_0=0;

}

else //没有探测到阴影，静止不动

{

P1_1=1;

delay_nus(1500);

P1_1=0;

P1_0=1;

delay_nus(1500);

P1_0=0;

}

delay_nms(20);

}

}

跟光走的程序跟跟阴影走的程序类似不再写。

1.3.4方案的改进

将触须避障与红外蔽障程序融合，流程图如下：

1.4小结

通过舵机小车的实习，我认识到基本实习的流程，掌握了舵机小车的组装，以及舵机小车的基本工作原理，掌握了舵机小车的基本编程，并加强了团队合作意识，认识到一个人的力量是有限的，只有通过团队合作才能碰撞出灵感的火花。同时我发现，舵机小车的材料及已丢失，而且像那些电阻，极不容易找到，这是一件非常烦躁的事情。在实验过程中，我们的红外蔽障起初没有成功，原因在于接线太多，导致短路。

二、直流电机小车总结

2.1. 直流电机小车任务

1、熟练掌握单一传感器、单电机在控制器作用下实现具体机械构件的控制；

2、熟练掌握控制器采集多类型、多数量传感器信息并通过复杂电路控制多电机实现对多机械构件的控制；

3、熟练掌握各种电机在控制器作用下，驱动机械构件实现复杂运动。

2.2 直流电机小车控制原理

使用脉冲宽度调制（PWM）方式来驱动直流电机，也就是给直流电机输入占空比可调的方波，当电平为1时电机转动，电平为0时电机停止。直流电机控制基本原理：两个电极与电源正接或反接，可以使其正转或反转。由于直流电机的工作电流比较大，不能直接使用单片机来驱动，一般使用集成芯片L293D或L298D。

每1个电机需要3个控制信号EN1、IN1、IN2；EN1是使能信号。选用一路PWM连接EN1引脚，通过调整PWM的占空比可以调整电机的转速；IN1、IN2为电机转动方向控制信号。IN1、IN2分别为1，0时，电机正转；反之，电

机反转。

2.3 直流电机小车具体完成任务与改进

2.3.1供电电源模块

由于系统CPU、小车电机、传感器及其他部分均采用+5V供电，考虑小车功率和摩擦阻力等问题，电源采用直流8V电池供电，经稳压芯片LM7805输出5V电压供单片机及其他电路使用，具体接法如图4.1。

图2.3 电源电路连接图

电路为输出电压+5V稳压电源。它由8V干电池、滤波电容C1、C2，一只固定式三端稳压器(7805)管构成的，由开关S控制电压的输出，为了防止电源掉电而影响电路工作，设计了电源指示电路，由一个1K的电阻和一个发光二极组成。

稳压芯片LM7805 简介：稳压电路由固定式三端稳压器LM7805完成，LM7805的Vin 和GND 两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过LM7805的稳压和C2的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。LM7805输入端接6VDC，输出的是5VDC。

2.3.2控制器模块

控制器模块即单片机最小系统单元，如图2.4所示，其主要由51单片机、时钟、复位电路组成，本系统采用外部12M晶振，便于单片机内部定时器产生精确的定时。

图2.4 单片机最小系统电路图

2.3.3电机驱动模块

电机驱动模块由L298N芯片、小型直流电动机和三极管组成，电路连接图如图2.6所示。

图2.6 电机驱动模块电路图

从单片机输出的信号功率很弱，即使在没有其他外部负载时也不能带动电机，所以在实际电路中加入了电机驱动芯片提高输入电机信号的频率，从而能根据需要控制电机转动，根据驱动管大小和连接电路的简化要求选择L298N，在电机线圈两端分别接入了二极管进行过流保护，以防在控制电机换向时电流过大而损毁电机。

L298N芯片简介：L298N是ST公司生产的电机专用驱动芯片。该芯片的主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。

L298N 可驱动2 个电机，OUT1，OUT2 和OUT3，OUT4 之间可分别接电机，本设计中选用驱动一台电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电

机的正反转。En A 、En B接控制使能端，控制电机的停转。表2-2是L298N 功能逻辑图。

表2-2 L298N功能逻辑表

110正转

101反转

111刹停

100停止

In3，In4 的逻辑图与表2-2 相同。由表2-2 可知En A 为低电平时，输入电平对电机控制不起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。

2.3.4测速模块

转速测量的目的是为了可以实时观察小车的运行状态，通过检测并显示运行时的速度来验证对小车速度的控制。为了能够低成本的实现功能，测速模块采用ST188反射式光电传感器测速，并选择了简易码盘作为速度反馈信号，ST188光电传感器由一个发光二极管和一个三极管组成。如图2.7所示。

图2.7 测速模块电路连接图

由于光电传感器对黑色和白色反射系数不同，通过自制码盘，光电码盘用白色纸板自制，将纸板剪成圆形，平均分成四个扇面后，将其隔一个涂黑一个，码盘如图2.8所示。将码盘固定在车轮上，当码盘随车轮转动时，光电传感器经过黑色时，发光二极管发出的光被黑色吸收，传感器内部三极管接不到反射信号，经过白色时，发光二极管发出的光被传感器内部三极管接收到输出端有信号输出，当码盘随车轮转动时光电传感器轮流经过黑色和白色，便产生一个个脉冲。车轮每转一周就产生2个脉冲，产生的脉冲经过外部中断再经计数器计数，通过计数值可计算出车轮行走的距离，通过定时计数器来计时间，算出实时速度。即完成了测速。

图2.8 码盘外观图

注意事项：传感器不能离码盘太近，如果太近，传感器和码盘间缝隙太小光线太弱导致光电传感器一直测不到码盘白色部分，导致测速失败。距离也不能太远，太远光电传感器无法感知到返回光线。距离应保持在0.5~1.5cm之间。

2.3.5显示模块

显示模块主要由一个4位一体的8段LED数码管(SM410564)和驱动芯片74HC245构成，用于显示测量到的电压值。数码管具有低耗能、低损耗、低压、长寿命等特点，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度比较高，精确可靠，

操作简单。该设计使用的是一个共阳极的数码管，每一位数码管的原理图如图2.9所示。每一位数码管的a,b,c,d,e,f,g和dp端都各自连接在一起，用于接收AT89S51的P1口产生的显示段码。1，2，3，4引脚端为其位选端，用于接收AT89S51的P3口产生的位选码。

图2.9 一位数码管的原理图

74HC245芯片介绍

74HC245为三态输出的八组总线收发器，在本实验中作为驱动芯片使用，用于驱动数码管的点亮。

A：A总线端；

B：B总线端；

/G：三态允许端（低电平有效）；

DIR：方向控制端；

Vcc：电源；

GND：接地。

2.3.6寻迹

下图为流程图

2.3.7 避障

下图为流程图：

2.3.8红外遥控

下图为流程图：

2.3.9方案改进

我们小组在做完基本任务后对前面程序进行了融合，包括寻迹、避障、红外遥控，同时我们加入了调速功能。再融合过程中遇到了许多困难，第一个困难是中断冲突的问题第二个问题是红外遥控解码的问题第三个是循环无法跳出的问

题，我们通过与其他小组交流合作，最终完美的将程序融合与创新。下面是我们融合后的基本流程图与程序，红色标出的是我们改进过和自己写入的程序。

精简程序：

调速子函数：

只列出了一个电机的调速情况其余电机调速同理

void pwm_out_left1_moto()

{

push_val_left =a;

if(Left_moto_stop)

{

if(pwm_val_left<=push_val_left)

{Left_moto1_pwm=1; }

else

{ Left_moto1_pwm=0; }

if(pwm_val_left>=10)

pwm_val_left=0;

}

else { Left_moto1_pwm=0; }

}

/*TIMER0中断服务子函数*/

void timer1()interrupt 3 using 2

{

TH1=0XF8; //1Ms定时

TL1=0X30;

pwm_val_left++;

pwm_val_right++;

pwm_out_left1_moto();

pwm_out_right1_moto();

pwm_out_left2_moto();

pwm_out_right2_moto();

}

void timer0()interrupt 1using 2

{

TH0=(65536-2000)/256; //2MS定时

TL0=(65536-2000)%256;

数码管基本定义程序

}

void delay(unsigned int k)

{

延时函数

}

void intersvr11(void) interrupt 0 using 1

{

外部0中断用于计算左轮的脉冲

}

void intersvr1(void) interrupt 2 using 1

{ 外部中断解码程序

}

void Display_SMG(void)

{显示数码管字程序

前进、后退、左转、右转、停止子函数

void bizhang(void)

{

避障子函数

}

void xunji(void)

{

寻迹子函数

}

/*--主函数--*/

void main(void)

{

EA=1;

IT1=1;

EX1=1;

TMOD=0x01;

TR0=1;

TMOD=0X11;

TH1= 0XF8; //1ms定时

TL1= 0X30;

EA = 1;

TR1= 1;

ET1= 1;

TMOD=0X01;

TH0=(65536-2000)/256; //2MS定时

TL0=(65536-2000)%256;

TR0= 1;

ET0= 1;

EX0=1; //开启外部中断0

IT0=1; //下降沿有效

IE0=0;

EA = 1;

delay(100);

while(1) /*无限循环*/ {

if(b)

bizhang();

if(j)

{

xunji();

}

if(IrOK==1)

{

switch(Im[2])

{

case 0x0e: run(); //前进

break;

case 0x1a: backrun(); //后退

break;

case 0x0a: leftrun(); //左转

break;

case 0x1e: rightrun(); //右转

break;

case 0x05: stoprun(); //停止

break;

case 0x16: a=3;

pwm_out_left1_moto();

pwm_out_right1_moto();

pwm_out_left2_moto();

pwm_out_right2_moto();

run();

break;

case 0x19: a=5;

pwm_out_left1_moto();

pwm_out_right1_moto();

pwm_out_left2_moto();

pwm_out_right2_moto();

run();

break;

case 0x1b: a=7;

pwm_out_left1_moto();

pwm_out_right1_moto();

pwm_out_left2_moto();

pwm_out_right2_moto();

run();

break;

case 0x01: a=10;

pwm_out_left1_moto();

pwm_out_right1_moto();

pwm_out_left2_moto();

pwm_out_right2_moto();

run();

break;

case 0x03: b=1;

break;

case 0x1c: b=0;

break;

case 0x09:j=1;break;

case 0x06:j=0;break;

default:break;

}

IrOK=0;

}

}

}

通过实验我们得到的几个红外按键的编码：0x03 静音；0x1c 菜单；0x09 开关；0x06 8；0x16 0; 0x19 2; 0x1b 3;0x01 4。

2.4小结

直流小车以AT89S51 单片机为控制核心，主要由电源模块、控制器模块、直流电机驱动模块、测速模块和显示模块组成。

通过本次试验我们收获最为丰富，从一开始的懵懵懂懂变得对单片机控制有了进一步的了认识，对单片机编程更加深入了解，尤其是对中断的了解，而且对出事的定义有了更好的掌握。还认识到子函数的重要性，他可以使程序更加方便编写，而且子函数会使整个函数变得简洁明了。同时我们也加强了团队合作，在合作中共同进步。

三、步进电机小车总结

3.1. 步进电机小车任务

1、熟练分析步进电机的工作原理

2、掌握步进电机的组装。

3、掌握步进电机的寻迹功能和红外传感检测功能。

4、熟练分析步进电机的驱动功能。

5、在现有条件下实现功能创新。

3.2步进电机小车控制原理

步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。

3.3 步进电机小车具体完成任务与改进

3.3.1供电模块

由于系统CPU、小车电机、传感器及其他部分均采用+5V供电，考虑小车功率和摩擦阻力等问题，电源采用直流8V电池供电，经稳压芯片LM7805输出5V电压供单片机及其他电路使用，具体接法如图2.2。