MazeRobot教程

1、重庆理工大学计算机学院37专业Maze robot课程设计案例 主编：胡文杰、王元伟指导老师：黄贤英、杨宏雨重庆理工大学嵌入式实验室2013 年 10 月目录OUTLINE2一、 电脑鼠案例整体架构21.1 硬件部分结构图21.2 硬件部分电路图3二、硬件模型的搭建42.1 准备工作42.2 焊接元器件62.3 电机的制作82.4 电机的固定及轮子的制作92.5 模型的完成10三、电机的驱动原理及控制应用103.1 电机的驱动原理103.1.1 驱动电路芯片L9110113.2 电机的控制及应用12四、传感器的原理及应用124.1 74HC138译码器124.1.1 译码器的工作原理124.1

2、.2 译码器在传感器电路中的应用144.2 载波发生器144.4 传感器组154.4.1 传感器组的原理及应用154.4.2 传感器组的硬件调试说明16五、编译环境及下载工具的安装及使用175.1编译软件的安装及使用175.1.1 编译软件的安装175.1.2 编译软件的使用175.2 下载软件的使用17六、 上位机算法设计186.1 迷宫形状的设计186.2 算法流程196.2.1 主程序流程图196.2.2 达到终点子程序流程图206.2.3 返回起点子程序流程图216.2.4 冲刺子程序流程图22OUTLINE This tutorial on the principles of IEE

3、E Computer Mouse Maze exploration and production based on 51 single-chip design, infrared sensors, servo motors Maze robot (maze computer mouse). Were analyzed for the 8×8 maze, maze computer mouse on the entire process from hardware design and program design principles are briefly described. M

4、aze robot combines intelligent computers, electronics, machinery, and other multi-disciplinary technical walking robots. The overall structure of the robot maze usually include embedded microcontrollers, sensors, electromechanical moving parts, its function is in a random layout of the maze maze fro

5、m the starting point to search and find the best path to a path to end. In order to allow the maze to find the best path to the end of the robot in the maze, the robot must have a random walk through the maze, memory maze, maze searching, routing capabilities, the whole robot by mechanical parts, ha

6、rdware circuit, part of the program algorithm components. Do the maze robot has three main steps: application of structures, sensors and electromechanical hardware model debugging, development and downloading tools.概述本教程就IEEE走迷宫电脑鼠原理进行探索，并设计制作基于51单片机、红外传感器、伺服电机的Maze robot（迷宫电脑鼠）。针对8×8迷宫进行分析，对走迷

7、宫电脑鼠从硬件设计到程序设计的整个过程和原理进行简要的阐述。Maze robot结合了计算机、电子、机械等多学科技术的智能行走机器人。通常迷宫机器人整体结构包括嵌入式微控制器、传感器、机电运动部件，它的功能是在一个可随意布局的迷宫中从起点开始搜索迷宫，并找出一条通往终点的最佳路径。为了能让迷宫机器人在迷宫中找到通往终点的最佳路径，机器人必须具备在迷宫随意穿行、记忆迷宫、搜索迷宫、路径选择等能力，整个机器人应由机械部分、硬件电路部分、程序算法部分组成。做该迷宫机器人主要有三个步骤：硬件模型的搭建、传感器及机电的调试、开发及下载工具的应用。1、 电脑鼠案例整体架构1.1 硬件部分结构图硬件电路部分

8、主要由单片机最小系统电路、传感器电路、电机驱动电路构成。如图1-1所示，是硬件电路部分结构框图。单片机传感器组5传感器组4传感器组3传感器组2传感器组138KHz载波发生器3-8译码选择器显示器蜂鸣器电机1电机2驱动电路1驱动电路2操作按键图1-11、微控制器微控制器是电脑鼠的核心，可以选择单片机，若RAM需求量大或者算法复杂或者性能要求高时，需要使用ARM等高性能的微处理器。2、传感器传感器的作用是用来感知环境，探测电脑鼠的左、前、右是否有路可走。本设计中采用的是红外线方式，发射和接收分别受微控制器控制。由硬件电路部分结构框图可知，在电脑鼠的前、左、右、左前、右前方共有5组，其中左、右、前三

9、组传感器是用于探测电脑鼠在当前迷宫格左、右、前三个方向上是否有支路的，左前、右前两组传感器呈45度安装，用于电脑鼠行进过程中进行姿态矫正，防止电脑鼠走偏而撞到迷宫墙。3、显示器显示器是用来显示当前位置等相关信息的，是电脑鼠的可选部分。4、电源电源用来为单片机供电，选择哪种电池，这也将影响电路的设计。5、蜂鸣器当电脑鼠到底终点、或是返回到起点，可以用蜂鸣器来提示，是电脑鼠的可选部分。1.2 硬件部分电路图整体硬件电路图如图1-2所示，其中包括程序下载、充电、单片机最小系统、传感器驱动、电机驱动主要5大部分电路图，具体见附件1（pcb板详细电路图）。图1-2二、硬件模型的搭建2.1 准备工作对照下

10、面“Maze_Robot元器件对应表”熟悉相应的元器件并了解其功能。表1 Maze_Robot元器件对应表序号元器件名称PCB板上对应位置个数备注11uFC17 1贴片电容没有正负极210uFC161320pFC4 C5 C20 C2144102C815103C1916104C2 C6 C7 C9 C10 C11 C12 C13 C14 C15 C18 1170.47uFC3182kR1 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 R11 R12 R13 R14 R15R R17 R18 R19 R20 R21 R22 R23 R24 R25 R26 R27 R2825贴片电阻没有正负极910

11、KR211013KR16111100KRP1 RP2 RP3 RP4 RP55可调电阻，可调端对应pcb凸端128050Q3 Q52贴片三极管138550Q1 Q2 Q4314STC89S52MCU1芯片芯片上黑色圆点对应pcb白色圆点或凹槽的左上角15CH340GU111674HC138U211774HC00U3118L9110U4 U52190.5A（保险丝）F1无2012MX1 X22晶振21LED(贴片)D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D1010白色一面有绿色小点的一端为负，对着pcb上箭头指的方向，白色面朝上22TP4054U61无23irLEDirT1 irT

12、2 irT3 irT4 irT55红外发射管 短的一端为负极，对应pcb板上相应位置非圆弧端24HSOO38irR1 irR2 irR3 irR4 irR55红外接收管 脚朝下黑色面朝自己，从左至右依次为接收极、负极、正极，在pcb板上ir为接收极251000uFC11有灰色表面的一端为负极26SW-PBRST S1 S23按键27SW SPDTSW1拨动开关28BUZZERSPEAK1蜂鸣器29DWDWL DWR2主动轮30UWUWB UWF2万向轮31MOTORMOTORL MOTORR2电机32DC3.7VPOWER1电源33MinUSBUSB1无34SIP4UART1插针35SIP6I

13、SP ML MR336SIP8EXPAND137SIP10P01380R31不接2.2 焊接元器件1、对照PCB板焊接相应的元器件，焊接基本规则：按照表上的顺序焊接（先低后高）。2、具体注意事项如下： 在焊主控芯片STC89C52时，芯片上的凹点对应pcb板上的MCU白色点，如图2-2-3所示。在焊接其它芯片（U）时，芯片上的凹点对应pcb板上凹槽的左上角，如图2-2-3所示。 在焊接LED（0805红色）灯时，LED灯上的绿色端（负极）朝着pcb板上相应位置箭头指向的方向，如图2-2-1和2-2-3所示。 在焊接C1(1000uf)电容时，电解电容的正负极如图2-2-2所示。图2-2-1图2

14、-2-2图2-2-3 电解电容C1，脚长的一端为正极，其它的都是瓷片电容，无方向。 在焊接红外对管时，发射管（irLED）的脚短的一端为负极，对应pcb板上相应位置一段非圆弧端；对于接收管（HS0038），判别方法：脚朝下黑色面朝自己，从左至右依次为接收极、负极、正极，在pcb板上1r为接收极。还有发射管和接收管的位置应基本对齐。如图1-2-4和1-2-5所示。图2-2-4 对于可变电阻，调节端对应pcb板上的凸起端，如图1-2-5所示。图2-2-5 电阻R0对于AT系列的直接短接，对于STC则不接。2.3 电机的制作该案例用的电机为控制为6线2相伺服电机，6跟线分别为电机的正负极、编码器的正

15、负极以及A相B相，将6个脚分别引出，然后用胶枪固定。电机的连线如图2-3-1，注意不要烧坏编码器。电机的插线如图2-3-2所示，分别对应电机的6跟线。图2-3-1图2-3-22.4 电机的固定及轮子的制作用泡沫做出电机的弧形座子，然后用线绑住焊在pcb板上，如2-4-1；轮子的制作及万向轮的固定如图2-4-2所示。图2-4-12-4-22.5 模型的完成在做好上述的四个步骤以后，我们就基本上完成了模型的搭建，如图2-5所示。图2-5三、电机的驱动原理及控制应用3.1 电机的驱动原理如图4-1-1所示，是用来驱动电脑鼠伺服电机的驱动电路。由于单片机I/O口电流输出能力有限，不能直接驱动电机转动。

16、为了能让单片机控制电机运转，需要使用电机驱动电路，将单片机I/O口弱电流放大到足以驱动电机的电流。图4-1-13.1.1 驱动电路芯片L91101、器件的管脚图如图4-1-1-1所示。图4-1-1-12、 管脚定义如下：3、 L9110的逻辑关系表如表3所示：表3 L9110逻辑关系IAIBOAOBHLHL正转LHLH反转LLLL停止HHLL停止3.2 电机的控制及应用如图4-1-1所示，是左电机驱动电路，右电机驱动电路和这个也是一样的。ML为左电机，1、2脚是电机组绕，与驱动芯片L9110输出相连。3脚是电机光电码盘A相脉冲输出，连接到T1定时/计数器1外部计数引脚，通过脉冲计数，计算电机角

17、位移和速度。电路图中引脚与驱动电路中的引脚编号一一对应。通过L9110驱动芯片IA、IB输入的逻辑值的组合，控制电机正转、反转、停转。四、传感器的原理及应用本电脑鼠设计有5组传感器。这5组传感器分别安装于电脑鼠的左、左前、前、右前、右5个不同的方向，其中左、右、前三组传感器是用于探测电脑鼠在当前迷宫格左右前三个方向上是否有支路的，左前、右前两组传感器呈45度安装，用于电脑鼠行进过程中进行姿态矫正，防止走偏而撞到迷宫墙。4.1 74HC138译码器由于单片机引脚有限，为了节约引脚接口，采用74HC138译码器将单片机的三位二进制编码译码为8位控制线，使用其中的5位控制线分别控制5个传感器组的分时

18、工作（采用分时检测传感器，主要为了防止多组传感器之间的相互干扰）。4.1.1 译码器的工作原理74HC138译码器可接受3位二进制加权地址输入（A0, A1和A2），并当使能时，提供8个互斥的低有效输出（Y0至Y7）。74HC138特有3个使能输入端：两个低有效（E1和E2）和一个高有效（E3）。除非E1和E2置低且E3置高，否则74HC138将保持所有输出为高。1、74HC138的引脚如图3-1-1-1所示：图3-1-1-12、74HC138的译码/真值表如表2所示：表2 译码/真值表4.1.2 译码器在传感器电路中的应用例如A0A1A2地址为000时，74HC138输出Y0有效，从而使第一

19、组传感器工作，而其他组传感器处于没有工作的状态。这样就可以实现单片机的3个引脚控制5个或者更多的传感器组。如图3-1-2所示，是硬件电路部分3-8译码选择器电路。图3-1-24.2 载波发生器传感器组是由38KHz的红外一体化接收头和红外发射管构成的障碍感测器。为了能够让传感器组正常工作，红外发射管需要一个38KHz的方波来驱动，使红外发射管发射出调制频率与接收头接收频率匹配的红外光。如图3-2所示，是产生38KHz方波的载波发生器电路。图3-24.4 传感器组4.4.1 传感器组的原理及应用由硬件电路部分结构框图可知，电脑鼠共有5组传感器。这5组传感器分别安装于左、左前、前、右前、右5个不同

20、的方向，其中左、右、前三组传感器是用于探测电脑鼠在当前迷宫格左右前三个方向上是否有支路的，左前、右前两组传感器呈45度安装，用于电脑鼠行进过程中进行姿态矫正，防止电脑鼠走偏而撞到迷宫墙。如图3-4所示，是用于电脑鼠环境感知的传感器组电路。传感器组电路由红外发射LED和红外一体化接收头HS0038构成，红外LED由前面载波发生器产生的CLOCK信号驱动产生38KHz红外调制光。RP1为可调电阻，通过调节RP1来调节红外LED发光强度，从而调整传感器组检测迷宫墙障碍物的距离，RP1电阻越大，检测距离越近，电阻越小，检测距离越远。irT1用于控制该组传感器是否工作，连接到3-8译码选择电路。红外调制

21、光经障碍物反射由HS0038红外一体化接收头接收，进行放大滤波、解调等处理后由irR1输出，单片机通过识别irR1位的高低电平来判断传感器前面是否有障碍物。这里只给出了一组传感器，另外四组传感器也与该组传感器相同的。电脑鼠通过对这五组传感器信息的融合，实现环境感知功能。图3-44.4.2 传感器组的硬件调试说明1、左右两边的传感器检测是否有墙壁。2、左前和右前45°角的两组传感器用于电脑鼠在行走过程中的微调。3、传感器上标的1、2、3、4、5对应led的1、2、3、4、5（里面往前数）。4、传感器的测距是通过条对应的可调电阻来实现的，可调电阻顺时针转动调近，逆时针调远传感器的测试距离

22、。五、编译环境及下载工具的安装及使用5.1编译软件的安装及使用5.1.1 编译软件的安装打开文件夹Maze_robot教程Maze_robot相关软件编译环境Keil2setup,双击setup.exe安装，选择FULL Version安装即可，序列号在文件夹目录下。5.1.2 编译软件的使用安装完成后打开软件，首先打开一个工程，然后设置产生.hex文件，编译运行通过后就会产生.hex文件。如图5-1-2所示：图5-1-25.2 下载软件的使用1、打开文件夹目录，Maze_robot教程Maze_robot相关软件，双击下载工具.exe即可打开。首先选择单片型号为STC89C51RC->

23、STC89C51/LE52RC,打开程序文件，即keil2编译后产生的.hex文件，最后设置使能6T（双倍）模式。如图5-2所示：图5-22、 如果下载软件检测不出USB驱动，那么用户得重新更新USB下载驱动。具体步骤如下： 打开我的电脑，点进设备管理器，找到端口（COM）。 点击该端口，右击选择“更新驱动程序软件”。 选“浏览计算机上的驱动程序软件”。 选中附件2中的“CH341SER”，更新驱动。6、 上位机算法设计6.1 迷宫形状的设计图6-1是8*8迷宫布局图，迷宫4角中的任意一个角作为电脑鼠运行的起点（坐标为0，0），起点的对角是电脑鼠要寻找的终点（坐标为7，7）。对于有支路的情况，

24、电脑鼠通过比较当前坐标与终点坐标来确定选择走那一条路。从起点到终点的路是不唯一的，要想找到最近的路，就需要尽可能多的对迷宫进行搜索，探明迷宫布局情况，选择一条最佳路径。图6-16.2 算法流程6.2.1 主程序流程图如图6-2所示，是电脑鼠主程序流程图。启动按键按下后，电脑鼠启动，然后根据设定的终点坐标，探索迷宫，通过到达终点子程序找到终点后，蜂鸣器发出提示音，说明找到终点。之后电脑鼠根据记忆通过返回起点子程序按原路返回起点，不再去走走不通的路。电脑鼠到达起点后，调用冲刺子程序立即掉头，根据先前探索阶段记忆下的路径冲刺到终点后停止，完成电脑鼠走迷宫。开始初始化按下启动？设定终点坐标到达终点蜂鸣器提示返回起点冲刺结束YN图6-2-1 主程序流程图6.2.2 达到终点子程序流程图如图6-2-2所示，是电脑鼠到达终点子程序流程图。电脑鼠到达终点子程序就是根据设定的终点坐标，采用一定的规则不断的去搜索迷宫，直到找到一条通往终点的路为止。如下流程图所示，电脑鼠每走一格就将当前坐标与终点坐标进行比对，如果比对相同说明找到终点子程序退出返回，不相同则继续探索迷宫，判断当前坐标格是否走过，对于没有走过的迷宫格采用向心