用户手册

一、Elmo创新平台简介

1.1 Elmo创新平台概述

Elmo创新平台是长安大学长风团队自主研发，面向嵌入式等学科的教学以及竞赛的新型机器人平台。该平台以可以任意方向行走的小车为底盘，自行设计了信息处理与运动控制电路，同时预留了丰富的外围接口，并设计了多种外接模块，可以随意组合，进而满足不同的需求。既可以作为课程教学、设计的平台，又能作为多种竞赛的辅助平台。

1.2 Elmo创新平台外部结构

Elmo创新平台外部结构参见图-1.21。Elmo创新平台机构简图：

图1.21 Elmo创新平台简图

二、 Elmo 创新平台系统结构

2.1 系统构成

2.1.1 核心处理部分

Elmo 创新平台核心控制单元采用了基于8051内核的STC12系列8位增强型微控器，配有USB 下载以及串口下载两种可切换的程序烧写方式。

STC12C5A60S2微控器特性简介：

①增强型8051 CPU ，完全兼容传统8051 ②内部集成MAX810专用复位电路

③片上集成128字节RAM ，60K 的Flash 程序存储器 ④工作频率0—35MHz

⑤通用I/O 口44个，每个I/O 口驱动能力均达到20mA

STC12C5A60S2

LQFP-48

图2.11 主控芯片引脚及封装

⑥4个16位定时器，2个时钟输出口 ⑦外部中断I/O 共7路，有2路PWM

⑧共8路10位精度ADC ，A/D 转换速度可达250K/S ⑨3.3V —5V 工作电压

⑩采用LQFP-48封装，工作温度范围：-40℃—85℃

1、AD1~6：高速模拟输入口，可以接各种传感器，参考电压为5V 。

2、IO1~14：双向输入输出口，可以连接各种传感器，如红外测障传感器、

超声波传感器等；也可以接各种输出设备，如发光模块、蜂鸣器等。

1

2

4 3

8

9

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图2.13 主控板简介图

3、PWM端口：产生PWM波形，用于控制电机、舵机。

4、无线接口：NRF24L01无线模块专用接口，

5、主控板电源开关。

6、PWR：电源防呆接口，在电路板上标有正负极字样。

7、充电口：用于给主控板电池充电。

8、BELL：蜂鸣器，是机器人的发声装置。

9、LCD：液晶显示屏专用接口。

10、扩展按键：用于程序调试及人机交互界面。

11、RST：复位按键。

12、单片机电源开关，用于程序烧写时握手。

13、DB9串口，辅助电平转换芯片MAX232进行串口通信。

14、USB2.0接口，用于平台与PC端的通讯、下载程序等。

15、下载模式切换跳线帽，用于USB与DB9通信方式间切换。

16、LED指示灯：用于指示工作状态及简易人机交互。

2.1.2 驱动控制部分

本平台电机驱动采用SGS-THOMSON Microelectronics所出产的双全桥驱动芯片L298P，内部包含4通道逻辑驱动电路，两个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器。本驱动桥能驱动46V、2A以下的电机。

采用脉宽调制方式（即PWM，Pulse Width Modulation）来调整电机的转速和转向。脉宽调制是通过改变发出的脉冲宽度来调节输入到电机的平均电压，即通过不同方波的平均电压不同来改变电机转速。

V

V V

T

T

T 脉宽调制

图2.15 PWM脉宽调节示意图

2.1.3 传感检测部分

人之所以能够适应各种环境，是因为我们能够实时感知到外接环境状况。作

为智能机器人平台，Elmo 创新平台配有丰富的传感检测装置，能对周围环境的温度、光照等信息进行检测，为控制策略的制定提供信号依据。

依据传感器返回信号的种类不同，可以将传感器分为开关量传感器、模拟量传感器和数字量传感器三种。

其中，开关量传感器有：红外对射传感器、循迹传感器、光栅测速传感器，

其分别用于平台的测距、避障、循线和平台自身速度的测定。模拟量传感器有：GP 图像传感器、CMOS 图像传感器等，分别用于精确测距以及图像信息的采集。数字量传感器有： 超声波传感器、温度传感器，可以分别用来测量较大角度、较远距离的物体距离测距和环境温度的测量。 2.1.4 人机交互部分

为了使用户更方便的获知当前平台各部分的工作情况，辅助程序的调试和系

统的升级，我们设计了多种人机交互系统。例如PC 端无线上位机、5110液晶显示屏、

LED 指示灯、蜂鸣器等。

图2.15 使用串口调试程序

2.2机械传动结构

2.2.1 齿轮传动机构

齿轮传动机构就是齿轮作为主要传动件的传动机构。工作时，一只主动轮先

转起来，进而带动与之相邻的从动轮转动，转动过程如此继续，这样运动在齿轮间传递，即齿轮的啮合传动。

齿轮的种类很多，他们通过不同的配合可以实现不同的传动类型。

图2.21(a)类型能够改变运动的形式，齿轮是旋转运动，下方的锯齿则是直线运动。 图2.21(b)所示的传动类型能改变旋转运动的速度。

图2.21(c)所示的传动类型不仅改变了运动的速度而且改变了旋转运动的轴

线方向。

2.2.2 直流电机齿轮箱

齿轮箱里面的传动系统一般不用一级传动。因为如果用两只齿轮啮合，又要

达到改变速度的要求，就必须一个齿轮很小，一个齿轮非常大，这样，不仅会造成空间上的浪费，而且对小齿轮性能要求也很高。所以，我们有时候需要采取几级传动来达到一定的传动比，一级一级的改变它的速度，直到将输出轴的速度调整到所需要的指标。

对于改变速度的传动形式来说，就有一个传动比的概念。对于齿轮传动，传

动比可以用两个齿轮的齿数来定义：

I=Z 1/Z 2

图2.21 齿轮传动类型

（a ）

（b ）

（c ）

Z1为主动齿轮的齿数，Z2为被动齿轮的齿数输出的速度可表达为：

V输出=V动力源×I

我们在Elmo创新平台平台上用到的齿轮箱图：

图2.22 电机齿轮箱图

三、 Elmo 创新平台硬件电路简介

3.1

电源电路

采用开关型电源稳压芯片LM2940为单片机以及部分传感器提供稳定的5V 电源。用AMS1117为无线模块、GP 红外测距模块等提供3.3V 电压。

3.2

复位电路

主要实现单片机的上电复位和人为复位。

图3.11 电源电路图

图3.21 复位电路图

3.3 蜂鸣器驱动电路

3.4

USB 转串口电路

PL2303 是Prolific 公司生产的一种高度集成的RS232-USB 电平转换芯片，可提供一个RS232 全双工异步串行通信装置与USB 功能接口便利联接的解决方案。该器件内置USB 功能控制器、USB 收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART ， 只需外接4只电容就可实现USB 信号与RS232 信号的转换，能够方便嵌入到各种设备中；该器件作为USB/RS232 双向转换器，一方面从主

图3.31蜂鸣器驱动电路图

图3.41 PL2303 USB 转串口电路

机接收USB 数据并将其转换为RS232 信息流格式发送给外设；另一方面从RS232

外设接收数据转换为USB 数据格式传送回主机。

3.5 LCD 5110工作电路

3.6 L298P 电机驱动电路

图3.51 5110 lcd 显示屏驱动电路

图3.61 L298p 电机驱动电路

四、 Elmo 创新平台平台集成模块

4.1 传感器模块

人对周围环境的适应过程主要包括感知、大脑思考、做出反应这三个过程，根据仿生学原理，机器人也是通过这个过程进行环境的适应。

Elmo 创新平台配有多个不同功能的传感器，还可以根据实际需要扩展其他的传感器，对环境有较强的感知能力。

在感知环境的基础上，Elmo 创新平台会自主决策，进而做出智能行为。下面对传感器部分做详细介绍。

4.1.1

红外对射传感器

红外对射传感器用于机器人的避障，当前方有障碍物时，发射的红外线就会被反射回来，红外接收器接收到反射光，认为此时传感器前方指定距离有障碍物。通过IO 口电平升降将信号传输给控制中心。

红外测障传感器可以连接到机器人主板的任意模拟输入接口或者数字输入接口上。传感器通过自制安装架固定在机器人上层安装架上。

用户可以调节红外测障传感器上的电位器来改变其检测距离。当顺时针旋转电位器时，红外发射变强，检测距离变远；当逆时针旋转电位器时，红外发射变弱，检测距离变近。

在使用中，红外测障传感器对于不同颜色与粗糙程度的障碍物，其检测距离

也不同。当障碍物的颜色是黑色或深色时，会吸收大部分的红外光，只反射回一小部分，有时会使接受传感器接受到的红外光强度不够，不足产生有障碍的信号；

图4.11 红外对射传感器

当障碍物颜色是白色或者浅色时，正好相反。本传感器也可以用来检测道路上颜色差距较大的线。

4.1.2 超声波传感器

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好。超声波在碰到杂志或者分界面会产生显著反射形成反射成回波，根据发出、反射回来的时间计算出障碍物的距离。

超声波传感器固定在车模前段超声波传感器专用固定架处，用尼龙柱与车体固定。超声波传感器与小车IO口相连，其测量障碍物的结果可以在5110LCD上显示，也可以通过无线收发模块将数据发送到PC端上位机系统。经测试，该模块可以测量3cm---250cm的距离，误差在0.5cm以内。

依据超声波传感器的测距功能，可以实现小车避障、随动等功能。

4.1.3 循迹传感器

循线是竞赛中必备的、基础的功能，同样，我们的Elmo创新平台也配备了高效精确的循线传感器。

该传感器利用LM339电压比较器、红外对管等元件，组成5组红外对管比较电路，通过地面不同颜色对红外光的吸收、反射程度不同，来分辨地面上的黑线以及白色路面。每组比较电路有一个电位器，可以调节传感器的敏感度。

强光对于该传感器影响较大，在强光下，应加上特制的遮光板，保证传感器的效果以及循线质量。

4.1.4 光栅测速传感器

光栅测速传感器是一种能够传递速度信息的传感器，它有光电对射模块以及码盘组成。

Elmo 创新平台配有两个光电编码器，运用对射式红外对射模块。码盘是150等分的铝合金制成的圆片。当码盘随着轮子旋转时，码盘镂空处可以让红外线通过，红外接收端产生脉冲信号，微处理器对接收到的信号进行计数，从而确定平台的位置。

码盘安装在轮子的内侧，光电编码器信号线连接到控制中心的外部中断接口。

4.1.5 GP

图像传感器

GP 传感器是夏普公司制造的一款测距传感器，有效距离为10cm---80cm 。

图4.15 GP 图像传感器

图4.14 光栅测速传感器

它由PSD(position sensitive detector) 和IRED (infrared emitting

diode) 以及信号处理电路三部分组成。由于采用了三角测量方法，被测物体的材质、环境温度以及测量时间都不会影响传感器的测量精度。传感器输出电压值对应探测的距离。通过AD 采集输出电压值就可以计算得出所探测物体的距离。

这款传感器可以用于较长距离测量、避障等场合。在超声波串扰较大的场合，使用这款传感器非常合适。

GP 传感器使用简单方便，只需将信号线接到高速AD 口，供给3.3V 电压，就可以正常工作。返回值为0—256。

GP 传感器可以用来作为远距离测速、小车平台随动、避障等应用。

4.1.6

CMOS 图像传感器

CMOS 图像传感器是利用CMOS 工艺制造的图像传感器，主要利用了半导体的光电效应。相比CCD ，CMOS 具有低成本、低功耗、高整合度的优点。

CMOS 图像传感器可以更好的增大机器人平台的视野，保证小车可以在复杂的地形上高速行驶。

4.1.7 角度/加速度 传感器

Elmo 创新平台平台使用MMA7455L 3轴小量程加速度传感器作为检测单元

图4.16 CMOS 图像传感器

来感知平台的运动姿态，他根据物件的运动方向改变输出信号的电压值。其与单片机通过SPI接口进行数据传输。

当传感器X、Y、Z三个轴信号在不运动或者不被重力作用的状态下，其输出为1.65V。如果沿着某一方向活动，或者受到重力作用，输出电压会根据其运动方向以及设定的传感器灵敏度而改变输出电压。

4.1.8 温度传感器

Elmo创新平台采用DS18B20数字温度传感器实现测温功能，具有接线方便、测量范围宽、测量精度高等特点。

该传感器可以测量零下十摄氏度到一百四十摄氏度，误差在一度以内，完全可以满足日常实验和竞赛需要。

4.1.9 声音传感器

Elmo创新平台平台上的声音传感器能够识别声音的有无。

麦克风采集信号通过LM386进行200倍放大，输出信号接至微处理器。返回值为开关量。

4.2 动力驱动模块

4.2.1 直流电机驱动

直流电机采用L298N驱动芯片进行驱动，电路如下：

4.2.2 步进电机驱动

步进电机采用ULN2003作为驱动芯片，电路如下：

4.2.2 舵机驱动

舵机驱动主要采用脉宽调制（PWM）来实现,其对应关系

如下：

4.3 通信模块

4.3.1

四路无线遥控模块

图4.31 四路无线遥控模块

4.3.2 微功率无线收发模块

4.3.3

蓝牙通信模块

图4.32 NRF24L01无线收发模块

图4.33 蓝牙模块

五、Elmo创新平台平台参考函数

5.1 基础部分程序

5.1.1 流水灯程序

/*

*函数名：Lights()

*描述: 流水灯测试程序

*输入：无

*输出：无

*调用：主函数直接调用

*备注：

*/

void Lights()//流水灯测试程序

{

LED1=1;LED2=0;LED3=0;Delay(100);

LED1=0;LED2=1;LED3=0;Delay(100);

LED1=0;LED2=0;LED3=1;Delay(100);

}

5.1.2 按键程序

/*

*函数名：KeyChk()

*描述:用于按键检测程序（含消抖）

*输入：无

*输出：0:无按键按下，1：第一个按键2：第二个按键3：第三个按键

*调用：主函数直接调用

*备注：

*/

uchar KeyChk()//所有按键检测程序（含消抖）

{

if(KEY1==0)

{

Delay(30);

if(KEY1==0) return 1;

else return 0;

}

else if(KEY2==0)

{

Delay(30);

if(KEY2==0) return 2;

else return 0;

}

else if(KEY3==0)

{

Delay(30);

if(KEY3==0) return 3;

else return 0;

}

}

5.1.3 蜂鸣器程序

/*

*函数名：Buee(void)

*描述:用于蜂鸣器发声的函数

*输入：无

*输出：声音

*调用：主函数直接调用

*备注：

*/

void Buee(void)

{

P3 &= ~(1 << 6); P2 = 0x88;//此代码用于选通蜂鸣器while(1)//条件总为真，死循环

{

BUZ_BIT = 0;//关蜂鸣器

my_delay1s();//延时1S

BUZ_BIT = 1;//鸣响

my_delay1s();//延时1S

}

}

5.1.4 脉宽调制输出（PWM）

/*

*函数名：PwmInit()

*描述: PWM初始化函数

*输入：无

*输出：无

*调用：主函数直接调用

*备注：

*/

void PwmInit()