自动走迷宫的机器人设计与课程总结报告--150154491

沈阳工程学院

课程设计设计题目：迷宫机器人设计

设计主要内容及要求

1.1 设计目的：

1了解机器人技术的基本知识以及有关电工电子学、单片机、机械设计、传感器等相关技术。

2初步掌握机器人的运动学原理、基于智能机器人的控制理论，并应用于实践。

3通过学习，具体掌握智能机器人的控制技术，并使机器人能独立执行一定的任务。

1.2 基本要求

1要求设计一个能走迷宫(迷宫为立体迷宫)的机器人；

2要求设计机器人的行走机构，控制系统、传感器类型的选择及排列布局。

3要有走迷宫的策略（软件流程图）。

1.3 发挥部分

可以增加其它的功能。

2 设计过程及论文的基本要求：

2.1 设计过程的基本要求

1基本部分必须完成，发挥部分可任选；

2符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份；

3设计过程的资料、草稿要求保留并随设计报告一起上交；报告的电子档需全班统一存盘上交。

2.2 课程设计论文的基本要求

1参照毕业设计论文规范打印，包括附录中的图纸。项目齐全、不许涂改，不少于3000字。图纸为A4，所有插图不允许复印。

2装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应的详细的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图）。

3 时间进度安排

2013-7-15

沈阳工程学院

迷宫机器人课程设计成绩评定表

系（部）：测控技术与仪器系班级：测本101 学生姓名：韩明健

摘要

自动走迷宫的机器人设计主要是实现其行动过程的自动化，主要由电池组，信息采集模块，多路选择开关，信号放大部分，模数转换，单片机主控芯片，电机驱动电路组成。电池组提供整个电路的能量，信息采集模块由反射式红外线传感器（ST188）组成，在前进过程中检测周围障碍物（墙壁）与机器人距离。多路选择开关（HCF4051）的功能是对8路的红外线输入信号分时选通。信号放大电路（TL082）是负责对被选通信号电流放大，以达到下级电路要求信号强度。模数转换电路（TLC1549）是对放大级输出的的模拟信号数字化，以便于单片机对机器人精确控制。单片机控制芯片（AT89C4051）是整个电路的核心部件，控制其他部分电路和协调整个电路的正常工作。电机驱动电路（L297和L298组成）主要提供比较大的功率，驱动电机能正常前进。以上各个部件的电路正常工作可以实现机器人自动走迷宫的任务。

目录

课程设计任务书 (2)

摘要 (5)

1方案：应用红外线传感器 (7)

2：电路设计 (8)

2.1：红外线信息采集电路 (8)

2.2：多路开关 (10)

3：TLC1549模数转换+5V参考电压电路 (12)

3.1：三极管9051介绍 (12)

3.2：TL431原理 (12)

3.3恒压电路的应用 (13)

4：模数转换电路介绍 (14)

4.1TLC1549芯片介绍 (15)

4.2：工作原理 (15)

5：单片机处理器 (17)

5.1A T89S4051介绍 (17)

5.2：主要功能特性 (18)

5.3：封装和引脚功能说明 (18)

5.4:模式介绍 (19)

5.5:AT89C4051的编程方法 (19)

5.6：其他单片机的介绍 (20)

6：L297电路图 (20)

6.1：l297的说明 (20)

7：步进电机L298电路图 (22)

7.1：L298简介 (22)

7.2：引脚说明 (23)

7.4：L297和L298的连接驱动电路 (23)

8．：工作方式说明 (24)

8.1：电路工作原理说明 (24)

8.2：步进电机模式及状态 (24)

8.3：+5V电压产生电路 (24)

8.4：继电器的工作原理 (25)

8.6：机器人构造介绍 (25)

9：程序流程图....................................................................................................................................... - 24 - 1：主程序流程图。............................................................................................................... - 24 - 总结......................................................................................................................................................... - 27 - 致谢......................................................................................................................................................... - 28 - 参考文献................................................................................................................................................. - 28 - 附录......................................................................................................................................................... - 29 - 1：系统电路图............................................................................................................................... - 29 -

1方案：应用红外线传感器

图3系统设计框图

优点：1：利用一种传感器，便于硬件的简化分析处理。

2：能实现机器人位置的随时调整。

缺点：红外线传感器的输出电压与距离不成线性，加大了控制难度。

2：电路设计

2.1：红外线信息采集电路

图4 红外线信息采集电路

2.1.1：反射式红外线ST188的特点

（1）：采用高功率发射红光二极管和高灵敏度光点晶体管组成。

（2）：检测的距离范围比较广，在4-13MM 都可以使用。

（3）：采用非接触检测方式。

2.1.2：应用范围：

（1）：IC 卡电镀表脉冲数据采集。

（2）： 集中抄表系统数据采集。

（3）：传真机纸张检测。

（4）：对障碍物的反映。

2.1.3：极限参数 1.4：检测距离于效率关系

图5 极限参数 图6检测距离于效率关系

说明：图6中的检测距离为垂直距离。

2.1.4光电特性表1

在测试过程中，一般都是以室温为标准的，因为温度对三极管的工作有很大的影响。所以在正常的工作过程中，不能让其在很高的温度下工作，以免影响传感器的正常特性。

在我们测试电路的应用过程中发现，红外线输出电压与其所反映的距离不是线性关系，而是一个有着一定特性和规律的曲线。在实际应用过程中，为了使其能准确的为我们提供采集的数据，我们对其距离与输出电压的关系做了定量的测量，在测试过程中发现，在一定距离下，它们的输出电压几乎是稳定的维持在一个数值下。如表7

2.1.5：测量的距离与输出电压的关系图

表7为红外线的反射距离与其输出电压关系图。其中输出电压的值为每一次测量数据的平均值。在图中也可以看出，红外线在1CM的附近反映灵敏度是最高的，也就说在1CM的附近，红外线输出的电压值也是最大的。当随着其与墙面距离的增加，灵敏度明显下降，同时，输出电压值也随之减少。当距离大于11CM后，红外线的输出电压几乎为零。

2.2：多路开关

图7多路选择开关电路

2.2.1CD4051简介

CD4051 引脚功能见图9。CD4051相当于一个单刀八

掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC 来决定。其真值表见表1。“INH ”是禁止端，当 “INH ”=1

CD4051还设有另外一个电源端VEE 电源供电条件下工作的 CMOS 电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰－峰值达15V 的交流信号。例如，模拟开关的供电电源VDD=＋5V ， VSS=0V ，当VEE=－5V 时，只要对此模拟开关施加0～5V 的数字控制信号，就可控制幅度范围为－5V ～＋5V 的模拟信号。

CD4051是一个双向性的多路选择开关，在工作过程中，可以有8路的输入，

一路的输出，也可以做为一个一路输入，分时选通的8路输出。在8路输入或者做为8路的输出时候，它们的控制端都都是由其地址选通码ABC 三个输入信号的组成控制的 ，可以达到8个状态。如表2所示。在应用过程中，第7脚（Vee ）和第8脚(Vss)可以同时接地。

输输输输输输输输

2.2.2输入与选通地址关系表

表2

2.2.3：信号放大电路

图9 信号放大器电路

、

2.2.4TL082介绍

TL082是双输入JFET 运算放大器，在我们的电路应用中，我们只应用了它的一路

放大器，它在工作的时候，需要有+12V 和—12V 的工作电压。在电路加电过程中，

必须保证-12V 电压接通，如果没有提供此电压，在5脚将输出一个5.5V 到7V 左

右的一个电压值。图11为它的分装管脚图；

引脚说明：1：为空端 2：反向输入端

3：正向输入端 5：正向输入端

6：反向输入端

3：TLC1549模数转换+5V 参考电压电路

图11 +5V 参考电压电路图

3.1：三极管9051介绍

三极管9051是采用基极输入，发射极输出，提共较大的电流，。

3.2：TL431原理

德州仪器公司（TI ）生产的TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分

流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref （2.5V ）到36V

范围内的任何值（如图12）。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可

以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源

等等。 右图是该器件的符号。3个引脚分别为：阴极（CATHODE ）、阳极（ANODE ）

和参考端（REF ）。TL431的具体功能

可以用如图13的功能模块示意。

图12 TL431

结构图

图12中VI 是一个内部的2.5V 基准源，接在运放的反相输

入端。由运放的特性可知，只有当REF 端（同相端）的电压非

常接近VI （2.5V ）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流

通过，而随着REF 端电压的微小变化，通过三极管 图13 的电流将从1到100mA 变化。当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。但如果在设计、分析应用TL431的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的，本文的一些分析也将基于此模块而展开。

3.3恒压电路的应用

前面提到TL431的内部含有一个2.5V 的基准电压，所以当在REF 端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分

流，控制输出电压。如图15所示的电路，

当R1和R2的阻值确定时，两者对Vo 的

分压引入反馈，若V o 增大，反馈量增大，

TL431的分流也就增加，从而又导致Vo

下 降。显见，这个深度的负反馈电路必然在VI 等于基准电压处稳定，此时

以得到从2.5V 到36V 范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，Vo=5V 。需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1 mA 。

图

图15 TL431应用三 图16 TL431应用

一

在图14的电路中，可以得到精密的5V 电压，它可以作为我们的参考基准电

压。 TL431也可以应用于开关电源电路和恒流电路中。在过去的普通开关电源设计中，

通常采用将输出电压经过误差放大后直接反馈到输入端的模式。这种电压控制的模式在某些应用中也能较好地发挥作用，但随着技术的发展，当今世界的电源制造业大多已采用一种有类似拓扑结构的方案。此类结构的开关电源有以下特点：输出经过TL431(可控分流基准)反馈并将误差放大，TL431的沉流端驱动一个光耦的发光部分，而处在电源高压主边的光耦感光部分得到的反馈电压，用来调整一个电流模式的PWM控制器的开关时间，从而得到一个稳定的直流电压输出。上图是一个实用的4W开关型5V直流稳压电源的电路。该电路采用了此种拓扑结构并同时使用了TOPSwitch技术。图中C1、L1、C8和C9构成EMI滤波器，BR1和C2对输入交流电压整流滤波，D1和D2用于消除因变压器漏感引起的尖峰电压，U1是一个内置MOSFET的电流模式PWM控制器芯片，它接受反馈并控制整个电路的工作。D3、C3是次极整流滤波电路，L2和C4组成低通滤波以降低输出纹波电压。R2和R3是输出取样电阻，两者对输出的分压通过TL431的REF端来控制该器件从阴极到阳极的分流。这个电流又是直接驱动光耦U2

的发光部分的。那么当输出电压有变大趋势时，Vref随之增大导致流过TL431的电流增大，于是光耦发光加强，感光端得到出电压随改变而回落。事实上，上面讲述的过程在极短的时间内就会达到平衡，平衡时Vref=2.5V，又有R2=R3，所以输出为稳定的5V。

这里要注意的是，不再能通过简单地改变取样电阻R2、R3的值来改变输出电压，因为在开关电源中每个元件的参数对整个电路工作状态的影响都会很大。按图中所示参数时，电路可在90V AC～264V AC（50/60Hz）输入范围内，输出+5V，精度优于±3%，出功率为4W，最大输出电流可达0.8A，典型变换效率为70%。由前面的例子我们可以

看到，器件作为分流反馈后，REF端的电压始终稳定在2.5V，那么接在REF端和地间电阻中流过的电流就应是恒定的。利用这个特点，可以将TL431应用很多流电路中。是一个实用的精密恒流源电路。原理很简单，不再赘述。但值注意的是，TL431的温度系数为30ppm/℃，所以输出恒流的温度特性要比普通镜像恒流源或恒流二极管好得多，因而在应用中无需附加温度补偿电路。下面就介绍一个用该器件为传感器电桥提供恒定偏流的电路，这是一个已连成桥路的压传感器的前级处理电路。Vref/R2的值应设为电桥工作所必要的恒定电流，该电流值通常会由传感器制造商提供。流经TL431阴极的电流由R1和电源电压Vs决定，在应用中通常让它等于桥路电流，但一定要注意大于1mA。由于TL431非常易于实现恒压或恒流，而且有很好的温度稳定性，因此很适合于仪表电路、传感器电路等设计应用。

4：模数转换电路介绍

图 17 模数转换电路

4.1TLC1549芯片介绍

TLC1549是美国德州仪器公司生产的10位模数转换器。它采用CMOS 工艺，

具有内在的采样和保持， 采用差分基准电压高阻输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，总不可调整误差达到±1LSB Ma （4.8mV ）等特点。5.2TLC1549的工作温度范围内（自然通风）极限参数如下：

电源电压范围： -0.5～6.5V

输入电压范围： -0.3～VCC+0.3V

输出电压范围： -0.3～VCC+0.3V

正基准电压： VCC+0.1V

负基准电压： -0.1V

峰值输入电流（任何输入端）： ±20mA

峰值总输入电流（所有输入端）： ±30mA

工作温度范围（自然通风）：TLC1549C 0～70℃ TLC1549I -40～80℃

TLC1549M -65～125℃

4.2：工作原理

在芯片选择（CS ）无效情况下，I/O CLOCK 最初被禁止且DATA OUT 处于高阻

状态。当串行接口把CS 拉至有效时，转换时序开始允许I/O CLOCK 工作并使DATA OUT 脱离高阻状态。串行接口然后把I/O CLOCK 序列提供给I/O CLOCK 并从

DATA OUT 接收前次转换结果。I/O CLOCK 从主机串行接口接收长度在10和16个时钟之间的输入序列。开始10个I/O 时钟提供采样模拟输入的控制时序。 在CS 的下降沿，前次转换的MSB 出现在DATAOUT 端。10位数据通过DATA OUT 被发送

74

5

到主机串行接口。为了开始转换，最少需要10个时钟脉冲。如果I/O CLOCK 传送大于10个时钟长度，那么在的10个时钟的下降沿，内部逻辑把DATA OUT拉至低电平以确保其余

位的值为零。在正常进行的转换周期内，规定时间内CS端高电平至低电平的跳变可终止该周期，器件返回初始状态（输出数据寄存器的内容保持为前次转换结果）。由于可能破坏输出数据，所以在接近转换完成时要小心防止CS被拉至低电平。时序图如图。

图18 TLC1549时序图

4.3：电压与转换图

图19 模数转换对照表

说明：（1）：在TLC1549工作的时候，如果大于电压电源，芯片将不能工作。2) 此曲线基于下列假设：VREF+和VREF-已被调整以便从数字0至1跳变的电压为0.0024V，满度跳变电压为4.908V。1LSB=4.8mV。3)：满度值是指其额定中点值具有最高的绝对值的那级台阶。零度值是指其额定中点值等于零的那级台阶。

5：单片机处理器

图20 单片机处理器

5.1AT89S4051介绍

AT89C4051是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C4051可为您提供许多高性价比的应用场合。 AT89C4051虽然是一个功能强大的单片机，但它只有20个引脚，15个外部双向输入/输出（I/O）端口，其中P1是一个完整的8位双向I/O口，同时内含两个外中断口，两个16位可编程定时计数器,两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器(P1.0,P1.1为同相或反箱输入端)，片内时钟电路。

同时AT89C4051的时钟频率可以为零，即具备可用软件设置的睡眠省电功能，系统的唤醒方式有RAM、定时/计数器、串行口和外中断口，系统唤醒后即进入继续工作状态。省电模式中，片内RAM将被冻结，时钟停止振荡，所有功能停止工作，直至系统被硬件复位方可继续运行。

5.2：主要功能特性：

·兼容MCS51指令系统· 4k可反复擦写(>1000次）Flash ROM

· 15个双向I/O口· 6个中断源

· 2个16位可编程定时/计数器· 2.7-6.V的宽工作电压范围

·时钟频率0-24MHz · 128x8bit内部RAM

· 2个外部中断源· 2个串行中断

·可直接驱动LED · 2级可编程程序加密位

·低功耗睡眠功能·内置一个模拟比较放大器

·可编程UARL通道·软件设置睡眠和唤醒功能

5.3：封装和引脚功能说明

AT89C4051采用的是双列直插式封装。4K的FLASH闪速存储器。15个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，内置一个精密比较器，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C4051可以降至0HEZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有不见工作直到下一个硬件复位。

6.4功能说明：

VCC：电源工作电压。+5V

GND：接地端。

P1口：P1口是一组8位双向I/O口，P1.2—P1.7提供内部上拉电阻,P1.0和P1.1内部没有上拉电阻,主要是考虑它们分别是内部精密比较器的统乡输入端(ANI0)和反向输入端(AIN1),如果需要应在外部接上拉电阻.P1口输出缓冲器可吸收20MA电流并可以直接驱动LED.当P1口引脚写入”1”时可作输入端,当引脚P1.2---P1.7用做输入并且被外部拉低时,它们将因内部的上拉电阻而输出电流(I1L).

P1口还在FLASH闪速编程及沉痛工序校验时接受代码数据.

P3口:P3口的P3.0—P3.5,P3.7是带有内部上拉电阻的7个双向I/O口.P3.6没有引出,它作为一个通用I/O口但不可访问,但可以作为固定输入片内比较器的输出信号.P3口缓冲器可以吸收20MA电流.当P3口写入’1’时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口,还有更重要的第二功能,如表3所示:

RST:复位输入.RST引脚一旦变成两个机器周期以上高电平,所有的I/O口都将复位到”1”(高电平)状态,当振荡器正在工作时,持续两个机器周以上的高电平便可以完成复位,每个机器周期为12振荡时钟周期.

XTAL1:振荡器反向放大器及内部时钟发生器的输入端.

XTAL2:振荡器反向放大器的输出端.

振荡器特性:

XTAL1和XTAL2为片内振荡器的反向放大器的输入和输出端,如下图所示.可采用石英晶体组成时钟振荡器,如需从外部输入时钟驱动AT89C4051,时钟信号从XTAL1输入,XTAL2应悬空.由于输入到内部电路是经过一个2分频触发器,所以输入的外部时钟信号无需特殊要求,但它必须符合电平的最大和最小值及时序规范.

5.4:模式介绍

5.4.1:空闲模式

在空闲模式下,CPU 保持睡眠状态而所有片内的外设仍保持激活状态,这种方式由软件

产生.此时,片内RAM和所有特殊功能寄存器的内容保持不变.空闲模式可由任何允许的中断请求或硬件复位终止.

P1.0和P1.1在不使用外部上拉电阻的情况下应设置为”0”,或者在使用上拉电阻的情况下设置为”1”.

5.4.2:掉电模式\

在掉电模式下,振荡器停止工作,进入掉电模式的指令是最后一条别执行的指令,片内RAM和特殊功能寄存器的内容终止掉电模式前被冻结.推出掉电模式的唯一方法是硬件复位.复位后将重新定义全部忐忑书功能寄存器但不改变RAM中的内容,在VCC恢复到正常工作电平前,复位无效, 且必须保持一定时间以使振荡器重新启动并稳定工作.

P1.0和P1.1在不使用外部上拉电阻的情况下应设置为”0”,或者在使用上拉电阻的情况下设置为”1”.

5.5:AT89C4051的编程方法:

1:上电次序

在VCC和GND 引脚之间加上电源.设置RST和XATL1为GND 电平.

2:置RST引脚为高电平,置P3.2引脚为高电平.

3:对引脚P3.3,P3.4,P3.5,P3.7按下表正确组成加社会逻辑高’H”或”L”电平即可对PEROM进行变成操作.编程和校验方法如下;

4:在0000H地址单元对P1.0---P1.7输入数据代码字节.

5:置RST端为+12V,激活编程.

6:使P3.2跳变一次来编程PEROM阵列中的一字节或者加密位,写字节周期是自身定时的,一般需时1.2MS.

7:当校验已编程的数据,使RST从+12V降低到逻辑电平”H”,置P3.3—P3.7引脚到正确的电平即可从P1口读取数据.

8:对下一地址单元编程字节,使XTAL1引脚正脉冲跳变一次使地址计数器加一,在P1口输入新的数据字节.

9:重复5和8,可对整个2K字节阵列全部编程,直到目标文件结束.

10:下电次序:

置XTAL1为低”L”电平. 置RST为”L”电平. 置空所有其它I/O引脚.关闭VCC电源.AT89C4051 FLASH闪速编程方式如下:

5.6：其他单片机的介绍

AT89C51等其他单片机，都有很多的I/O口，和AT89C4051想比较，也是有很多的优势和其他单片机所不能取代的特点。但是由于在我们此次的设计中，我们需要单片机提供的I/O口很少，没有必要选择一个I/O比较多的微处理器。另外，AT89C4051的