学习情境8机器人的设计与制作

1、学习情境 8 机器人的设计和制作81 资讯知识准备8 11 智能机器人的介绍随着微电子技术的不断发展， 微处理器芯片的集成程度越来越高， 单片机已 经可以在一块芯片上同时集成 CPU、存储器、定时器 /计数器、并行和串行接口、 看门狗、前置放大器，甚至 A/D 、D/A 转换器等电路，这就很容易将计算机技术 和测量控制技术结合起来，组成所谓的“智能化测量控制系统” 。这促使机器人 技术也有了突飞猛进的发展， 现在人们已经完全可以设计并制造出具有某些特殊 功能的简易智能机器人了。8.1.2MCS-51 单片机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、串行举生活中的例子（排横

2、队行走，排纵队行走）说明； 引出并行通信，串行通信的概念。同步字符 1 同步字符 2数据 1数据 2数据 n校验字符校验字符异步发送时钟不一定等于接收时钟空闲位起始位5 8 位数据奇偶校验位停止位空闲位3、串行通信方向单工A半双工全双工B发收4、波特率 即串行通信速率。 举例、设有一帧信息，收发b/s 、 bps个起始位、 8 个数据位、 1 个停止位，传输速率为240 个字符。求波特率解：（181）240 = 2400 b/s = 2400波特。发送时钟5、串行通信接口 发送： 展示投影胶片 CPU接收： 展示投影胶片接收时钟二、 MCS-51 机串行接口 单片机内有：通用异步接收 /发送器

3、 UART 全双工， 4种工作方式，波特率可编程设置，可中断。1、串口的组成 从编程角度讲来看主要由以下寄存器组成。PCONSCONSBUFSMODRISM0SM1SM2D7D6D5D4D3REN TB8 RB8 TI D1D2D0SBUF 发SBUF收SM0、SM1：工作方式选择位（后面再讲）SM2：多机通信控制位，常和 RB8 配合，决定是否激活 RI REN：允许接收TB8：发送的第九位数RB8：接收的第九位数TI ：中断标志RISMOD：波特系数选择位， 0 20 = 1 11 21 = 22、串行口的工作方式D7D6 D5D4D3D2 D1D0D0D1 D2D3D4D5 D6D7方式

4、 0无起始位，无停止位（2）方式 1：8位UART，波特率为（ 2SMODT1的溢出率） / 321）方式 0：同步移位寄存器方式，波特率固定为 fosc / 12 RXD 接收发送数据 TXD 产生同步移位脉冲 接收/发送完，置位 RI / TI ，（要求 SM2 = 0） 发送 接收停止位D7 D6 D5D4D3D2D1 D0 起始位发送位起始位D0 D1 D2 D3D4D5D6D7停止位接收位1 帧信息， 10 位。 送 RB8 位 波特率可变：2SMOD / 32 （ T1 的溢出率）发送完置位 TI 。接收完数据置位 RI 。置位 RI 是有条件的。即：REN = 1，RI = 0

5、且 SM2 = 0 或 SM2 = 1 但是接收到的停止位为 1。 此时，数据装载 SBUF，停止位进入 RB8，RI 置 1 （3）方式 2、方式 3 ：9 位 UART，多机通信。停止位TB8D7D6D5D4D3 D2D1D0 起始位起始位D0D1D2D3D4D5D6D7TB8停止位发送接收送 RB8 方式 2 波特率：（固定） 2SMOD / 64 fosc 方式 3 波特率：2SMOD / 32 （T1 溢出率）发送完数据置位 TI 。接收到有效数据完毕，置位 RI 。有效数据条件： REN = 1，RI = 0 且SM2 = 0或接收到第 9位数据为 1 此时，数据装载 SBUF，第

6、 9位数据（ TB8）RB8，RI置 1。3、波特率的设置方式 0、方式 2 固定。方式 1，方式 3可变。波特率 = 2SMOD / 32 （T1 的溢出率） T1 溢出率 = 单位时间内溢出次数 = 1 /（T1 的定时时间） 而 T1 的定时时间 t 就是 T1 溢出一次所用的时间。此情况下，一般设 T1 工作在 模式 2（8 位自动重装初值）。8 8 8N = 28 t / T， t = （28N）T =（28N）12 / fosc8 所以，T1 溢出率 = 1/t = fosc / 12（28N）， 故， 波特率 = 2SMOD / 32 fosc / 12（ 256N）。 若已知波

7、特率，则可求出 T1 的计数初值：y = 2562SMODfosc / （波特率 3212） 巩固新课： 例、若 fosc = 6MHz，波特率为 2400波特，设 SMOD = 1，则定时 /计数器 T1 的 计数初值为多少？并进行初始化编程。解：y = 2562SMODfosc / （24003212）= 242.98243 = F3H 同理， fosc = 11.0592MHz，波特率为 2400，设 SMOD = 0，则 y = F4H初始化编程：MOVTMOD ，#20HMOVPCON，#80HMOVTH1，#0F3HMOVTL1，#0F3HSETBTR1MOVSCON，#50H82

8、 计划 学生学习的设想82 1 学习目的知识目标：1 串行通信基础串行通信总线标准及其接口MCS-51 的串行接口 能力目标： 8 2.2 学习条件 1 教室2 多媒体3 单片机实训室（ PG206 ）4 虚拟仿真实训室 （Proteus）5.数字化综合服务平台82 3 项目技术要求 本机器人能在任意区域内沿引导线行走，自动绕障，在有光源引导的条件下能沿光源行走。同时， 能检测埋在地下的金属片，发出声光指示信息，并能实时存储、 显示检测到的金属片 数目以及各金属片至起跑线间的距离，最后能停在指定地点，显示出整个运行过程的时间。82 4 项目设计任务书学习子领域串行口通信基础页 数：专业班级项目

9、名称简易机器人的设计和制作项目设计人一、项目描述1、项目工作要求（任务书） 机器人能在任意区域内沿引导线行走，自动绕障，在有光源引导的条件下能沿光源行 走。同时，能检测埋在地下的金属片，发出声光指示信息，并能实时存储、显示检测到的断 点数目以及各断点至起跑线间的距离， 最后能停在指定地点， 显示出整个运行过程的时间2、已具备资料二、项目资讯三、项目计划1、根据设计要求，选择确定设计方案，分析设计原理图并实现连接2、确定本工作任务需要使用的工具和辅助设备，填写下表。项目名称各工作流程使用的工具辅助设备备注四、项目决策1、分小组讨论，分析阐述各自简易机器人的设计和制作的理解和设计思路。2、老师指导

10、确定最终设计方案和设计电路。3、每组选派一位成员阐述设计方案。五、项目实施1、设计前的准备工作具体有哪些？2、设计时要注意哪些事项？3、选择电路的流程？主要注意什么问题？4、简易机器人的设计和制作原理图中器件如何选择？选择器件型号时的注 意事项？5、如何对设计好的原理图进行检测？如何排除错误处？6、你认为完成该项工作需要注意哪些事项？7、工作过程中如何提升效率？提出你的建议。8、对整个工作的完成进行记录。六、项目检查1、学生填写检查单。2、教师填写评价表。3、撰写简易机器人的设计和制作电路图的设计说明书。七、项目评估1、小组讨论，自我评述完成情况及发生的问题，小组共同给出提升方案和 效率的建议

11、。2、小组准备汇报材料，每组选派一人进行汇报。3、老师对方案评价说明。4、整理相关资料，列表说明项目资料及资料来源，注明存档情况。项目名称项目资料名称资料来源存档备注5、成品上交资料备注项目名称简易机器人的设计和制作上交资料名称项目设计方案简易机器人的设计和制作项目进度表项目总结报告七、备注（需要注明的内容）指导老师评语：项目完成人签字：日期：年 月 日指导老师签字：日期：年 月 日82 4 学习团队50 人， 6 人一组 83 决策 项目方案的设计和选择本设计以 AT89C51 单片机作为检测和控制核心。采用红外光电传感器检测路面黑线及障碍 物，使用金属传感器检测路面下金属铁片，使用光电码盘

12、测距，用光敏电阻检测、 判断车库 位置，利用 PWM 技术动态控制电动机的转动方向和转速。通过软件编程实现机器人行进、 绕障、 停止的精确控制以及检测数据的存储、 显示。我们通过对电路的优化组合， 最大限度 的利用 51单片机的全部资源。 P0 口用于数码管显示， P1 口用于电动机的 PWM 驱动控制， P2， P3 口用于传感器的数据采集和中断控制。这样做的优点很明显：充分地利用了单片机 的内部资源，降低了总体设计的成本。该方案的系统图如图1 所示。2、系统的硬件组成及原理此系统的硬件部分由单片机单元、 传感器单元、 传感器单元、 电源单元、声光报警单元、键盘输入单元、电机控制单元和显示单

13、元组成，如图 2 所示。2 1 单片机单元本系统采用 AT89C51 单片机作为中央处理器。他的主要任务是 扫描键盘输入的信号启动机器人， 在机器人行走过程中不断读取传感器采集到的数据， 将得 到的数据进行处理后， 根据不同的情况产生占空比不同的 PWM 脉冲来控制电机， 同时将相 关数据送显示单元动态显示， 产生声光报警信号。 其中，P0 口用于数码管动态显示， P10 P15 控制 2个电机， P16，P17为独立式键盘接口， P2口接传感器， P32 接计里程 的光电码盘， P3 7接声光报警单元， P34，P35，P36 接用于显示金属片数目的发光 二极管。2 2 电机控制单元本机器人

14、采用了双电机双轮驱动的小车作为其底座。他的 2 个电机分别独立控制其左右两边的车轮， 靠两边电机的转速的不同来实现转弯功能， 还可让其原 地转弯，便于控制。 而传统的小车是靠动力电机和转向电机驱动， 转弯角度难以控制， 不便 于使用。电机控制电路采用大功率对管 BD139 ， BD140 组成的 H 型驱动 电路，通过单片机产生占空比不同的 PWM 脉冲， 精确调整电机的转速。这种电路由于工作 在晶体管的饱和或截止状态下， 避免了在线性放大区工作时晶体管的管耗， 可以最大限度地 提高效率； H 型电路保证了可以简单地实现电机转速和方向的控制； 电子开关的速度和稳定 性也完全可以满足需要， 整套

15、驱动电路是一种被广泛采用的电机驱动技术。 电路如图 3 所示。2 3 传感器单元整个机器人共采用了 9 个传感器，他们分布在整个机器人的不同 部位，相互配合起着不同的作用，如图4 所示。图 4 中各传感器说明如下： 传感器 1 置于机器人正前方朝下的金属探测传感器，用于 探测金属。传感器 2 置于机器人正前方朝前的超声波传感器， 用于检测障 碍物。超声波来源于 555 产生 40kHz 的方波信号，经超声波发射头发出。发射头不断发出信号， 当遇到障碍物时， 信号会被反射回来， 从而接收头会接受到信号， 将信号送入单片机进行相 应的判断和处理。传感器 3 置于机器人正前方朝下的红外光电传感器，

16、用于检测 停止线。 红外发射管发出信号， 经不同的反射介质反射， 根据红外接受管是否接受到信号做 出相应的判断。传感器 4， 5 置于机器人底座下方朝下的红外光电传感器，用于检测地面的引导线，原理同传感器3。传感器 6， 7 置于机器人正前方朝前的光敏电阻传感器，用于 寻找光源。 当机器人前方有光源照射时， 光敏电阻的大小将会改变， 将 2 个传感器的改变量 进行比较处理后送入单片机， 单片机将会产生相应的调整信号， 使机器人朝着光强的方向行 走。传感器 8 置于机器人后方两侧朝外的超声波传感器， 用于在机 器人遇到障碍物时的转弯处理，判断机器人是否完全绕开障碍物，原理同传感器2。传感器 9

17、置于机器人正后方的光电码盘，用于计里程，他 借助于鼠标原理，选用直径为 2 6cm 的塑料小轮自制光电码盘，经过打磨使其周长为 8 cm，再在该小轮上打等距离的 8 个孔，（如图 5 所示），最小测 距精度可达到 1cm，足以满足要求，两侧装上光电传感器，将其安装在车尾， 使之和车的行驶同步。 就实际情况自制出来的各个孔之间的距离无法精确相等， 但经过具体 测量该光电码盘能保证行驶 50cm 能产生 50 个脉冲， 于是采用他作为计算距离的基准单位。 在 直道区，可由该电路产生的脉冲数，计算出铁片中心线至起跑线间的距离。此外，为了清楚直观的观察到各传感器的工作状态， 电路中还专 门为每个传感器

18、设计了工作指示灯，实时显示每个传感器的工作状态。2 4 键盘输入单元 键盘输入单元采用独立式键盘， 由 2 个按键组成， 其中一个为启 动键， 另一个为显示切换键，当机器人行走完全程后，按下该键， 将显示整个行走过程的时 间。2 5 显示单元显示单元由 2 个 7 段数码管组成， 为了减少整个系统的功耗， 采 用了由单片机软件译码， 动态显示， 实时显示每个金属片到起点的距离以及整个运行过程的 时间。2 6 声光报警单元用 555 作振荡源， 用单片机触发振荡源驱动电磁讯响器作为声音 指示器和 1 只发光二极管作为光指示装置，从而组成声光报警单元。2 7 电源单元本系统采用 2 套电源分别对电

19、机和控制电路进行单独供电。 系统控制电路采用经 7805 稳压后的输出供电（ 5V），电机则采用 4 节 AA 电池来供电。3、系统的软件设计该系统配套的软件程序采用模块结构，由 C 语言编写完成。主 要由初始化程序、偏道调整程序、偏离光源调整程序、声光指示子程序、读传感器状态、显 示程序、定时器 0的中断服务程序、 定时器 1 的中断服务程序、外部中断 0的服务程序、停 车处理等模块组成。系统的主体流程如图 6 所示。4、结语 该机器人在认为设定的跑道上经过多次实验，达到了预期的效 果，但是其智能化程度还远远不够。 随着人工智能和神经网络技术的不断研究和深入， 智能 机器人的发展前景将会越来越广阔。84统调84 5 程序的烧录84 6 整机的组装85 检查 过程中的学习状态的反馈85 1 知识类习题什么是串行异步通信？有哪几种帧格式？定时器 T1 作串行口波特率发生器时，为什么采用方式2？设计并编程，完成单片机的双机通信程序，将甲机片外RAM1000H 100FH的数据块通过串行口传送到乙机的 20H 2FH单元。利用串行口设计四位静态 LED显示，画出电路图并编写程序， 要求四位 LED每隔 1S 交替显示“ 1234”和“ 5678”。项目检查单项目名称项目承接人编号简易机器人的设计