基于单片机的武术擂台轮式机器人控制系统设计-毕业论文正文

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摘要
7 n  q3 X8 I) u" x7 a  Q本文介绍了一种基于单片机的武术擂台轮式机器人控制系统设计， 通过查阅
0 u9 h7 ^/ y$ y/ g8 R" F多篇文献资料， 结合设计要求， 分析合理的设计方案， 详细介绍了武术擂台轮式
6 d" c- r$ P) D- B7 M机器人的硬件组成设计和软件设计流程。
6 j+ V# s& Y# E( b* a机器人的产生和发展绝不是偶然的。在现代工业的需求之下， 人力劳动力已
/ Z' Q7 a: O6 U经不能满足日益增长的工业需求， 快节奏的经济增长要求工作效益最大化， 此时
. n4 e3 L+ y* H  O7 `3 @机器人应运而生。机器人是一个能够接受人类指令， 并按照预定的程序而执行有
规律的动作的机械装置。由于机器人的诞生， 使得现代工业发生了翻天覆地的变
. o9 r3 d% }$ k" n; U化。工业生产由于机器人的参与，大大提升了工厂的生产效率。
* z# Z! ?) o* ~6 f* a对于轮式机器人的设计， 首先要了解机器人的整体构成部分。本文详细介绍
* h, H8 g& K2 q6 C- j- U) @1 z& ?了基于单片机的武术擂台轮式机器人控制系统设计的一些基本方法， 对各个模块
, d: U; n8 y% i' @5 f0 N, R的设计进行了选择与分析。此次设计主要包括了控制器模块、舵机模块、电机驱
动模块、检测模块等部分的设计。设计中采用了以STC12C5A60S2单片机为控制
0 ^9 T* s7 M  S& O4 ]( I2 p: O器，在此基础上配以红外接近传感器、红外测距传感器、灰度传感器、舵机和电
机驱动电路， 构成一个完整的武术擂台轮式机器人控制系统。再运用C语言编程
实现机器人的软件部分， 通过软硬件结合， 武术擂台轮式机器人可以实现红外测
, ^7 W$ [3 o: B8 b距、灰度定位、推动对方机器人等功能。
绪论
4 W! R7 w4 _6 L1 r, m9 s. \- J" C1. 选题背景及意义
1958 年第一个机器人诞生，历经几十年的研究，对于机器人的研究成果层
6 ?1 ?+ x9 g; e2 c0 i6 O出不穷，工业机器人的广泛应用则是最好的体现。当然教育机器人、军用机器人
等的发展也不落其后。在工业机器人中最常见的代表则是机械手。机器人是机器
人中发明的最早， 也是最典型的一种， 它的控制方式和数控机床大致相似。随着
" F* @, E+ ^( C% I# f技术的加深，机械手臂已不能满足人类的需求，人们逐步向多元化的领域研究，
从而得到更多类型的机器人，且现代机器人更具有人的形状特征。
7 Y7 s& F& ]& B机器人大赛是以机器人发展为基础， 世界各地都在火热举办的一种关于机器
8 s2 R% k1 H3 `( @; l# l6 p人技术的比赛， 其参赛者为国内多数高校生。现在多数高等院校或者初高中学校
均设有机器人教育，旨在培养学生的创新能力以及动手能力。
机器人的发明在一定程度上解决了许多我们人类由环境带来所不能解决的
2 p% E1 r5 M: x3 Y  {* P6 t; r6 b1 ]困难。在一定程度上，机器人比人类具有更好的机动性、安全性和快速性，在面
对恶劣的自然环境时， 机器人比人类受环境带来的影响小得多， 因此能更好的解
$ W8 f1 {* U( J$ V1 t决问题，也大大保证了人员的安全， 加快处理事务的进度。全球范围内多个国家
/ Q: e  j5 S9 D% C+ k7 S$ M均有服务型的机器人发明， 这些机器人已经投入使用到生活中， 例如家居机器人、
$ H3 e' X+ l# z7 v* z- ]$ f送餐机器人和医疗机器人。
9 C! S% Q( L( }2 }$ p# b2. 国内外研究现状
现代机器人起源于1952 年机器人之父发明的第一台机器人。经过多年的研
9 u* `$ w. Q: B0 X: o) d究，国外的水平已经遥遥领先于国内， 尤其是美国和日本。日本在特种机器人和
服务机器人上研究比较深入， 而美国在机器人领域的技术研发方面， 一直处于世
界领先水平。国外研究的机器人已经应用于工业或者生活中多时， 美国则将此技
# z7 m0 Z! x- B6 [1 d6 ^2 @( W2 t术完美应用于军事上，目前世界销售的军用机器人有60%来自美国。在各种机器
' J5 k# S: V( \& @/ J人中，工业机器人的应用较早，发展最好。而在技术的发展下，机器人的应用领
域将会得到扩大，例如从工业机器人扩展到特种机器人和服务机器人等。未来，
9 W! M# e+ ~7 Y% I* }% E机器人会逐步的走进人们的生活当中， 人类对机器人的依赖会和对计算机的依赖
一般，越来越明显。
* {; z) B) z) Q/ K! f虽然国内的机器人研究起步相对落后于国外， 但是经过国内的研究人员努力，
# m) ^9 N5 N" Q  Q( i+ |使得国内的水平已经逐渐往国际轨道靠拢。这些年，机器人大赛也在我国各地如
' c" q  R: v" t: K火如荼的举行。该比赛的对象分为在校大学生、初高中生或者各地企业均纷纷参
加。通过比赛可以展现自己实力的同时， 也能学到更先进的技术。现在我国对于
机器人的应用主要集中在工业应用上， 并且已经取得有效的成果。机械手臂的应
用使得生产过程更加节省劳动力和劳动人员的生命有更大的保障。从整体上说，
东华理工大学毕业设计（论文） 绪论
0 @- [% k: H( h+ u+ M2
我国的机器人产业还很薄弱， 因此，在机器人的研究上， 就需要国内的研究人员
更加努力，使得我们能在机器人领域取得傲人的成果。
- E4 x# G# M! s2 m3. 选题的目的和意义
: x* i& a- V; w5 w, `: J0 Z' Z机器人的发展趋势不仅在现代工业中起着举足轻重的作用， 其在生活中也不
可小觑，它已经渗透到我们的方方面面。在本次的设计中， 基于个人爱好以及秉
! P: {# {$ `8 ]7 B! j) G( ^8 O着学习机器人方面的知识的想法， 我选择了基于单片机的武术擂台轮式机器人控
! G2 M5 w- [. a! E% P! S% C9 v/ \制系统设计课题， 目的在于重新学习基于单片机设计理念和学习了解轮式机器人
的结构设计及其控制系统的设计。
1 R0 e0 O5 ?$ i: m  }1 Y- W对基于单片机的武术擂台轮式机器人控制系统设计课题的选择， 是对自己在
5 l4 T9 I$ P9 M! {$ M& m/ K大学期间学习单片机知识的自我考验。毕业设计是对自己大学期间所学知识的最
真实考验，因此此次我选择了基于单片机的武术擂台轮式机器人控制系统设计这
2 h, @' s! P( {' S9 p) e) d1 T一课题，希望通过该课题， 可以复习并学习之前没用掌握好的知识并能服务于以
5 I6 C5 o/ V8 K4 J7 b1 \后的工作中。
+ J" x& w: j2 I) d8 A- n0 q8 t4. 本章小结
; r: _- I: m+ r( m本章简要阐述了轮式机器人的研究背景、国内外研究现状和说明了选题的目
6 u4 P, @5 h. [$ b" Z5 a的意义。通过本章可以了解到机器人在过去中的发展状况， 及从现代各国对机器
人的研究程度。
9 ?9 L; B6 ?* g( e. g东华理工大学毕业设计（论文） 系统总体设计以及方案论证
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1. 系统总体设计以及方案论证
本毕业设计一个武术擂台轮式机器人， 能够让它以“非接触启动” 的方式从
擂台下方登上武术擂台， 并且能够具有边沿检测保证自身不掉下擂台下能够自主
寻找棋子并将棋子推下擂台、寻找柱子并打倒柱子。再另一个程序中， 寻找对手
并与对手进行对抗，进而将对手推下擂台甚至在擂台上打倒对手， 最终取得胜利。
在武术擂台轮式机器人的运行过程中，边沿检测的优先级必须是最高的。
% s! g8 z1 c$ x$ i$ P5 u本武术擂台轮式机器人具有如下功能：
1) 非接触启动，并在规定的10S 内沿两侧斜坡中某一个登上武术擂台
2) 具有边沿检测，保证自身不掉下武术擂台
: x5 Q5 U- O& q4 k. n  ]3) 具有灰度识别，能够及时知道自身位置
4) 具有检测棋子、柱子和对手的功能
1 @& N; V% Y" X& }5) 具有将棋子推下擂台和推倒柱子的功能
6) 具有将对手机器人推下擂台和自身逃跑的功能
1.1 方案的选择
1） 主控芯片的方案选择
方案1：选择STC89C52的单片机，这是STC公司生产的加强版51 内核单片
机，这款单片机我们在课程学过，它具有简单易懂等优点，缺点：内部没有AD
转换和PWM输出等等，所以我放弃这款的单片机
9 c, x; ]0 m: B$ B1 R方案2：选择ARM系列的的单片机，这是当今社会手机行业用的最多的单片
机，也是功能最强大的单片机之一，它的处理速度快，内存大等等，缺点：对于
+ a( y; {. s7 R6 s. y* Y我们来说不熟悉，也不会，所以我放弃这款的单片机
方案3: 选择STC12C5A60S2 单片机，这款单片机虽然本人没有学过，但是它
完全兼容C51单片机，处理速度比较快，学起来因为比较顺手，内含AD转换和
PWM 输出。故此，选择了这款单片机。
2） 电源电路芯片的方案选择
方案1：首先购买符合要求的锂电池（ 24V/3A），然后通过其他一些处理，
最后通过LM7805转换为5V 电压。虽然可以转化为5V 电压，能够带动单片机，
但是带负载能力较弱，不能带动其他负载。所以放弃这种方案。
方案2：首先购买符合要求的锂电池（ 24V/3A），然后通过芯片LM2596-5转
, O7 C# h: H4 W7 x/ G换为5V 电压，同时采用LM2596-12，能将24V电压转化为电机所需要的12V电
压。带负载能力很强，能输出3A的最大电流。所以选择了这个方案。
3） 驱动电路芯片的方案选择
方案1：采用L293N芯片作为驱动芯片，可以驱动功率较小的电机负载，对
2 t# b( _9 {4 f# F. i" @于功率较大的不行，所以我放弃这种方案。
东华理工大学毕业设计（论文） 系统总体设计以及方案论证
' }  l, t$ r& P5 ~4
方案2：采用BTS7960大功率直流电机驱动模块，对于这个驱动器非常适合
6 n; @1 Z8 d" o+ ?控制飞思卡尔智能车，驱动器压降小，电流大，驱动能力强。也能用于武术擂台
机器人，但是考虑到硬件设计和软件编程，所以放弃这种方案。
$ m! n; i/ s( H/ q方案3：采用L298N芯片作为驱动芯片，这个芯片可以驱动功率较大的负载
2 E" ?2 A9 F2 C4 U电机，最大可以输出电压为40V,电流为2A。完全符合机器人电机负载的要求，
所以选择方案2.
4） 传感器的方案选择
' C9 X  I5 ^6 v' |  s方案1：采用红外接近传感器、灰度传感器和超声波测距传感器相结合，组
* |8 X7 P7 z7 g! Q8 t6 u) i# e成完整的检测模块。它们之间组合也能符合擂台机器人的要求， 但是对于超声波
传感器的安装和编程，自己不熟悉。所以我放弃这种方案。
方案2：采用红外接近传感器、红外测距传感器和灰度传感器相结合，组成
完整的检测模块。它们之间相结合不仅仅能够完全符合机器人检测的要求， 而且
* A3 x# _0 q9 P7 T能够使擂台机器人变得更加的合理和灵活， 同时在硬件安装和软件编程具有很大
) _) q) T/ p  y8 e的优势。所以选择方案2.
1.2 系统控制框图
如图1-1 所示是武术擂台轮式机器人的硬件系统框图。由图可知，本设计的
  e6 b' X: H) T3 Q- \硬件电路主要包括主控制器最小系统控制模块电路、复位电路、程序下载电路、
+ F8 W$ x) T0 l6 C. _1 B+ `* X显示灯指示电路、按键电路、检测电路、电机驱动电路、电源转换电路、舵机驱
: v0 L2 b( w0 ?! K2 H0 Z( z动电路等。
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