基于单片机的武术擂台轮式机器人控制系统设计

摘要
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机器人的硬件组成设计和软件设计流程。

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。

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距、灰度定位、推动对方机器人等功能。

关键词：单片机；轮式机器人；传感器；控制方法；
ABSTRACT
This paper introduces a kind of martial arts challenge wheeled robot control system based on single chip design, by looking at more than literature, combined with the design requirements, analysis and reasonable design scheme, introduced the martial arts challenge wheeled robot design of the hardware and the software design process.
The emergence and development of the robot is by no means accidental. Under the demand of modern industry, human labor cannot meet the increasing industrial demand, the fast pace of economic growth will require work benefit maximization, the robot arises at the historic moment. The robot is a can accept human command, and in accordance with the scheduled program and perform regular action mechanism. Because the birth of the robot, great changes have taken place in modern industry. Industrial production due to the robot's participation, greatly improved the production efficiency of the factory.
To the design of the wheeled robot, the first thing to understand the whole part of the robot. This paper introduces martial arts challenge wheeled robot control system based on single chip microcomputer design some of the basic methods of the design of each module selection and analyzed. This design mainly includes the controller module, servo module, motor drive module, test module and other parts of the design. STC12C5A60S2 microcontroller as controller is adopted in design, on the basis of the match with infrared proximity sensors, infrared distance sensor, gray sensor, steering gear and motor drive circuit, constitute a complete martial arts ring wheeled robot control system. Using C language programming to realize the software part of the robot, through the combination of software and hardware, and martial arts challenge wheeled robot can realize infrared distance, gray level positioning, promote each other robots, etc.
Key words:Single chip microcomputer; Wheeled robot; The control method
目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
绪论 (1)
1. 系统总体设计以及方案论证 (3)
1.1 方案的选择 (3)
1.2 系统控制框图 (4)
2. 硬件电路设计 (5)
2.1 控制模块的设计 (5)
2.1.1 控制器的介绍 (5)
2.1.2 最小系统的定义 (6)
2.1.3 复位电路 (7)
2.1.4 时钟电路 (9)
2.2 程序下载电路 (10)
2.3 电机驱动模块的设计 (11)
2.3.1 74HC595芯片介绍 (11)
2.3.2 L298N芯片介绍 (13)
2.3.3 直流电机介绍 (14)
2.3.4 电机驱动模块电路 (16)
2.4 电源模块的设计 (17)
2.4.1 控制电源 (17)
2.4.2 直流电机驱动电源及舵机电源 (18)
2.5 检测模块的设计 (19)
2.5.1 机器人传感器的介绍 (19)
2.5.2 红外接近传感器的介绍 (19)
2.5.3 红外测距传感器的介绍 (21)
2.5.4 灰度传感器的介绍 (22)
2.6 舵机模块的设计 (23)
2.6.1 舵机的介绍 (23)
2.6.2 工作原理 (23)
2.6.3 型号的选择和性能介绍 (24)
2.7 其他基本模块的设计 (26)
2.7.1 按键模块 (26)
2.7.2 电源指示灯电路 (27)
2.7.3 报警模块 (27)
2.8 总电路设计 (27)
3. 软件设计 (29)
3.1 软件流程图 (29)
3.2 软件仿真图 (31)
总结 (33)
致谢 (34)
参考文献 (35)
附录1 (36)
附录2 (37)
绪论
1. 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。

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、送餐机器人和医疗机器人。

2. 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，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。

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，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，
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。

3. 选题的目的和意义
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。

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后的工作中。

4. 本章小结
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。

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。

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
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
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
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，对于功率较大的不行，所以我放弃这种方案。

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。

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
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、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、舵机驱动电路等。

如下图所示：
图1-1 基于单片机的武术擂台轮式机器人控制系框图
2. 硬件电路设计
在上一个章节中，我们对本次设计所涉及到的芯片已经做出了大致的选择以及设计了本次设计的基本框图。

本次基于单片机的武术擂台轮式机器人控制系统设计中本人运用了分块法作为设计方法，使得整个设计模块化、简单化，从而得到最佳的设计结果。

下面则对各个模块做出详细的分析设计。

2.1 控制模块的设计
2.1.1 控制器的介绍
控制器于单片机而言相当于大脑于人类的作用般重要，因此设计中对控制器的选择是极为关键的。

51系列单片机是平常学习设计中接到较多的单片机，在众多的51系列单片机中，国内的STC公司所生产的1T增强系列具有更大的竞争力，该系列的单片机不仅和8051指令及管脚完全兼容，还具有大容量的采用Flash工艺的程序存储器。

STC系列的单片机还具有串口程序烧写功能。

在上一章的方案选择当中，我们已经为本次设计选择了STC12C5A60S2单片机作为控制器，下面则对该单片机的性能作介绍。

如图2-1所示为本文采用的控制器STC12C5A60S2单片机，它具有40个管脚，和一般的8051单片机封装相差不大。

STC12C5A60S2单片机是单时钟单片机，机器周期为1T。

此外此次的控制器具有运行速度快，功耗低和抗干扰能力强等优点。

其运行速度比8051单片机快8-12倍，工作电压为3.3V-5.5V。

STC12C5A60S2单片机还具有2路PWM，8路高速10位A/D转换，专门用于电机的控制。

1. 电源引脚
（1）GND接地。

（2）Vcc正常操作时为+5V电源。

图2-1 STC12C5A60S2单片机引脚图
2.1.2 最小系统的定义
单片机的最小系统是指以单片机为控制核心，可以运行起来的最简单的硬件组成。

如图2-2即为本次设计的单片机最小系统，最小系统中包含了复位电路、时钟晶振电路和控制器等模块。

图2-2 STC12C5A60S2单片机最小系统
2.1.3 复位电路
通过某种方式，使得单片机的值变为初始状态的操作称之为复位。

复位电路能为系统在上电时提供一个复位信号，电源稳定后，去掉RST端的信号，但是这需要一个过程，不能直接去掉复位信号，这是为了保证系统是可靠性。

（1）上电复位
上电复位是复位电路当中最简单的一种模式，它的结构构成仅有一个电容和一个电阻，如图2-3所示。

电路中电容和电阻的一个引脚均直接接到RST复位端口，然后电容的另一引脚接到高电平，而电阻接地。

单片机工作时，电容C进行充放电，放电时，电容提供给复位端一个高电平，当VCC电压对电容充电的时间增加，该高电平逐渐回落。

图2-3 上电复位电路
在图2-3的上电复位电路中，当电源导通时，高电平的上升时间没有超出1毫秒，单片机就可以可靠地复位。

当VCC掉电时，会使复位端的电压变成负电压。

在此过程中，由于内部电路的限制作用，器件不会因为这个电压造成伤害。

但是，采用上电复位进行复位时，复位期间不会产生ALE和PSEN信号。

采用上电复位的缺点是：在单片机上电时不可以很好的复位，会导致程序计数器不能清零，从而导致系统出错。

（2）手动复位电路
一个按键、一个电容和一个电阻就可以构成了手动上电复位电路。

该电路是在上电复位电路的基础上将按键与电容并联即可以得到，如图2-4所示。

系统在接通电源时，单片机自动地上电复位后进入正常运行状态，当系统运行处问题时，手动按下复位按键S2，使VCC的+5V电压直接接到RST端，此时单片机受到高电平信号的作用，使得单片机复位，以保证系统的安全。

图2-4 手动上电复位电路
（3）看门狗复位电路
在单片机构成的系统当中，由于单片机的运行经常受到外界的影响，使得单片机的运行偏离正常的轨道，造成正常运行的程序被打断而陷入死循环，使得整个系统陷入停滞，从而带来不可预料的后果。

因为，为了防止此种情况，便产生了看门狗复位电路，看门狗复位电路具有实时监测单片机运行状态的功能。

看门狗有硬件看门狗和软件看门狗两种类型，本文主要介绍硬件看门狗。

无论是硬件看门狗还是软件看门狗，两者都是用定时器来监控主要程序的运行。

看门狗电路一般会有一个输入端，俗称喂狗，一个信号输出端，是为复位。

单片机正常工作时，经过一定的时间输出一个信号到喂狗端，使得WDT清零，如果程序跑飞或发生死循环时，在规定的时间内不能去喂狗，WDT定时计数器超过预设值时，则会使输出端产生一个高电平信号将单片机复位，使得程序重新开始执行。

因此，看门狗电路可以有效的防止单片机死机，使单片机在无人的状态下实现连续的工作，如图2-5是基于看门狗芯片DS1232L所设计的看门狗复位电路。

图2-5 看门狗复位电路
上述三种复位电路中，上电复位电路如果不能有效复位，则会导致系统出错，而看门狗电路的设计比较复杂，也会使得编程更加麻烦，而手动上电复位具有电路设计简单，且能进行人工控制的优点，通过对三种复位电路的了解以及结合实际设计需求，本次基于单片机的武术擂台轮式机器人控制系统设计的复位电路采用的是手动上电复位方式。

2.1.4 时钟电路
单片机的速度直接受到时钟频率的影响，同时时钟电路也对单片机系统的可靠性和稳定性有极大的影响，在时钟信号的影响下，单片机的运行跟随着时钟信号的节拍工作。

通常时钟电路设计有内部时钟方式和外部时钟方式。

本次设计中使用到的时钟是内部时钟，因此，下面仅对内部时钟方式作出介绍。

单片机的内部具有一个由方向放大器构成的振荡电路，该振荡电路的输入端和输出端分别为单片机上的XTAL1和XTAL2。

如图2-6所示，在XTAL1和XTAL2引脚间接上一个晶振和两个微调电容就构成了内部方式的振动器电路，由振荡器产生自激振荡，便形成了一个振荡信号发生器。

在这个电路当中，晶振和电容并联构成了谐振回路，晶振的频率可以在1.2-12MHz之间选择。

晶振的频率影响着单片机的运行速度，晶振频率越高，系统的时钟频率也随之变大，单片机的运行速度就越快。

但是，单片机运行速度越快则要求存储器的速度也越快。

图2-6 内部时钟电路
2.2 程序下载电路
程序下载电路是一个USB转TTL电平的串口转换器，在单片机设计当中，通常是将其用于单片机与电脑PC端的中间连接，做为通信传输。

它利用USB协议里规定的总线转换功能，把USB转换成串行通信口，该串口转换器实物如图2-7所示。

图2-7串口转换器
CH340T是该串口转换器的转换芯片。

在该电路中，CH340T芯片的X0和X1两个端口外接一个12MHz的晶振电路，正常工作时，X1脚接收12MHz的信号,CH340T的通信串口直接与单片机的TXD、RXD端口相连，直接通信。

本次设计中的串口转换器电路如图2-8所示。

图2-8 CH340T 转换电路
2.3 电机驱动模块的设计
机器人之所以能够运动，是因为它的结构中具有运动机构和相应的控制、驱动部件。

机器人的运动形式有轮子型、履带型、足型等，而本次设计的机器人则为轮式机器。

设计中采用的是运用74HC595拓展单片机端口来控制L298N 驱动电机，从而达到控制轮式机器人运动的结果。

2.3.1 74HC595芯片介绍
在进行系统的设计时，通常会出现控制器与外围电路的连接接口不足的情况，此时则需要设计人员对已有的端口进行拓展，使得电路满足设计需求。

74HC595是单片机系统设计中常用的芯片之一，它的作用是将串行口信号转变成并行信号，使用74HC595芯片可以节约单片机的I/O 口资源。

74HC595芯片引脚图如图2-9所示。

图2-9 74HC595管脚图
（1）表2-2是芯片的管脚功能：
表2-2 74HC595管脚功能
（2）工作原理：
74HC595兼容低电压TTL电路，移位寄存器的时钟和储存器有的时钟都是相互独立的。

SH_cp为上升的时候，数据进入到移位寄存器中；ST_cp为上升沿的时候，数据则进入到存储寄存器中去。

在两个时钟相连时，移位寄存器会比存储寄存器的脉冲早一个。

74HC595的真值表如表2-3所示：
表2-3 74HC595真值表
示高阻；NC表示无变化。

2.3.2 L298N芯片介绍
电机的驱动芯片通常有L293和L298N两种，此次设计使用的为L298N驱动芯片。

L298N芯片的驱动能力比L293芯片的强，可以驱动额定电压为46V、额定电流为2A以下的电机。

如图2-10所示是L298N芯片的引脚图。

由图中可以看出L298N芯片和平常的单片机芯片封装有所不同，它采用的是15脚封装，但是所有管脚都在同一侧放置。

而L298N的内部结构是由两个桥式驱动电路构成，如图2-11所示。

L298N的真值表如表2-3所示。

从表中我们可以直观的看到L298N是如何控制电机工作的。

在此次设计当中，运用到了两个L298N芯片，每个芯片输出驱动两个电机工作。

要使得电机能过运行，则要求L298N驱动的使能端处于高电平状态。

在这一条件下，当驱动芯片的1号控制输入为高电平，2号输入为低电平时，电机工作状态为正转。

当驱动芯片的1号控制输入为低电平，2号输入为高电平时，电机工作状态为反转。

当驱动芯片的两控制输入都是一样的时候，会导致电机出现刹车的现象。

在驱动芯片的使能端处于低电平状态时，不管控制输入为何值，都不能让电机运动。

图2-10 L298N 的引脚图
图2-11 L298N 芯片内部原理图 表2-3 L298N 控制的逻辑真值表
注：控制A 表示IN1，控制B 表示IN2；H 表示高电平，L 表示低电平；*表示无论高电平还是低电平。

2.3.3 直流电机介绍
1. 直流电机的机械特性
直流电机的机械特性是描述直流电机的转速n 和转矩T 之间在电压恒定时的线性关系。

转矩表示电机轴转动的驱动力，也代表停止电机转动的制动力，
单位
表示为N•m或者g•cm。

1g•cm代表的是在离开轴中心1cm的地方施加1g大小的力让轴转动。

如图2-12所示是理想的直流电机的机械特性曲线，转矩与转速成线性关系，但实际情况与理想条件下是有区别的，特性曲线往往只是近似直线。

图2-12 机械特性曲线
2.直流电机的调节特性
直流电机的调节特性是描述电机的转速n和电压U之间在电磁恒定时的控制关系。

如图2-13所示是理想条件下的调节特性曲线。

在转矩一定的情况下，若果电机的控制电压比相应的启动电压大，则电机可以启动达到所要求的转速；如果最大电磁转矩比所要求的转矩小，那么电机不能启动。

图2-13 调节特性
3.直流电机的确定
了解了直流电机的机械特性和调节特性后，则可以对电机的一些参数性能进行了解，本次设计采用的电机为单轴电机，该电机与机器人轮子部分连接方式如图2-14所示。

图2-14 电机与轮子的连接部分
电机的输出速度与减速比成反比,该直流电机为1:48减速比的直流减速电机具有速度快，价格便宜的优点。

2.3.4 电机驱动模块电路
本文设计的电机驱动模块如图2-15所示。

本次设计初步设计为使用一块74HC595芯片对P0.0，P0.0和P0.2扩展就好。

但是在进行仿真实验时，在软件输入电机控制速度为300r/min实际电机转动速度只有150r/min，因此本次设计改用两片74HC595芯片，分别将P0.0，P0.1，P0.2和P3.3，P3.5，P3.6输出信号拓展成L298N电机驱动的输入信号。

L298N芯片的Vss端输入+5V电压，而Vs 端和电机的电源输入为+12V电压，分开供电是为了满足不同模块的驱动。