机械电子工程专业机电一体化方向专业设计指导书.docx
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机械电子工程专业机电一体化方向专业设计指导书
机电一体化方向
专业设计指导书
天津理工大学机械工程学院
机电工程系
2013-6-24
一、实践目的
在学习了电路、模拟电子技术、数字电子技术、微机原理及接口技术、测试技术与信号分析等专业先修课程的基础上，进一步培养学生机电综合应用技能，为后续的毕业设计打好基础。
二、实践目标
培养学生综合应用所学知识来构建微机应用系统和实际动手能力，强化学生实践能力，激发学生专业课的学习热情。
三、实践学时
3个集中教学周+3个分散教学周
四、实践地点
地点：
星期
上午8:
00—12:
00
下午2:
00—4:
00
一
二
三
四
五
*实验室只对机电综合实践阶段开放，综合性设计性实验采取分散式进行。
五、实践要求
（1）完成专业设计说明书1份（不少于5000字）；
（2）组装并焊接一个完整的智能寻迹机器人套件；
（3）与该系统配套并编译通过的软件系统；
（4）至少完成该系统的相关功能其中之一的：
A.智能寻迹功能（可走黑线或白线）
B.实现智能防撞功能
C.实现遥控机器人基本动作功能
D.实现声控机器人基本动作功能
六、组织形式
每两个人一组
七、实践内容
（1）组装智能寻迹机器人机械结构部分
（2）完成单片机AT89S51/AT89S52系统硬件焊接与调试；
（3）完成软件编写与调试（实现至少一种功能）；
（4）完成专业设计说明书
（5）参加专业设计答辩（每组10分钟陈述，回答问题5分钟）
八、进度安排
周次
工作内容
第1周
组装机器人并熟悉控制过程，集中安排
第2周
焊接机器人并根据附录程序进行测试，集中安排
第3周
实现基本功能设计，集中安排
第4周
综合设计和调试阶段，分散安排，每周安排一次答疑
第5周
综合设计和调试阶段，分散安排，每周安排一次答疑
第6周
撰写设计说明书并准备答辩，答辩时间另定
九、考核依据
（1）专业设计说明书完整性、正确性（10%）；
（2）机械结构部分美观性、合理性（20%）
（3）硬件系统，焊接完整、调试通过（20%）；
（4）软件系统，编译通过、达到功能要求（20%）；
（5）答辩及回答问题（20%）
（6）其它拓展创新功能实现（10%）
十、实验设备
（1）智能寻迹机器人电路部分一套
（2）红外遥控器一套
（3）智能寻迹机器人实验指导书一本
（4）COM串口通信线一条
（5）智能寻迹机器人机械部分一套
（6）焊接工具一套（两个组共用一套，清单见附件一）
（7）万用表及示波器。
十一、注意事项
（1）上电前测试电路板（万用表测量电路电源两端,检查是否短路）;
（2）由于系统采用USB口供电,注意USB口使用安全,即USB口要有足够的驱动力（经测试,一般的台式机后面板输出USB口能达到要求）;
（3）认真阅读电烙铁\万用表等工具的使用注意事项;
（4）在手册中未明确规定的事项,应及时请示指导老师,否则造成仪器损坏要照价赔偿,而因操不当引起的事故后果自负。
附录一：
焊接工具清单
序号
名称
1
工具箱
2
挂带电笔
3
塑柄小一字改锥
4
塑柄小十字改锥
5
镊子
6
美工刀
7
6#尖嘴钳
8
6#偏口钳
9
烙铁架
10
3#一字电工改锥
11
3#电十字工改锥
12
万用表（华谊830）
13
电烙铁
附件二：
单片智能机寻迹机器人材料清单
位号
名称
备注
位号
名称
备注
M1
电机1接线座
SIU1
LED数码管
M2
电机2接线座
IR1
红外接收头
X1
前端探测板接线座
RX1
10K排阻
DC
电源接线座
Z1
11.0592晶振
R1
15K
IC1
AT89S51
R2
220
IC2
MAX232CPE
R3
150K
IC3
L9110集成电路
R4
1M
IC4
L9110集成电路
R5
47K
C1
10μF/16V
R6
4.7K
C2
104
R7
560
C3
104
R8
560
C4
104
R9
560
C5
10μF/16V
R10
560
C6
10μF/16V
R11
560
C7
30PF
R12
560
C8
30PF
R13
560
C9
104
R14
220
C10
10μF/16V
R15
10K
C11
10μF/16V
R16
560
C12
10μF/16V
R17
10K
C13
10μF/16V
R18
560
D1~D8
红色发光二极管
R19
560
D9
绿色发光二极管
R20
560
S1
按键开关
R21
560
S2
按键开关
R21
560
S3
开关
R22
560
COM1
9针串行端口
R23
560
D1~D2
LED红色发光二极管
前板用
R24
10K
V1
红外发射头
前板用
R25
560
V2
红外接收头
前板用
RL1
光敏电阻
V3
红外发射头
前板用
SB1
蜂鸣器
V4
红外接收头
前板用
B1
话筒
V5
红外接收头
前板用
R1
220
前板用
V6
红外发射头
前板用
R2
220
前板用
R3
560
前板用
R4
15K
前板用
R5
15K
前板用
R6
220
前板用
R7
560
前板用
R8
15K
前板用
COM数据线
一条
M50462红外遥控发射器
一个
V1~V2
8550
V3
8050
附录三：
万用表的使用
（1）测量电阻：
先将表笔搭在一起短路，如果指针偏离零点，随即调整“Ω”调零旋钮，使指针恰好指到0。
然后将两根表笔分别接触被测电阻（或电路）两端，读出指针在欧姆刻度线（第一条线）上的读数，再乘以该挡标的数字．就是所测电阻的阻值。
例如用R×100挡测量电阻，指针指在80，则所测得的电阻值为80×100=8K。
由于”Ω”刻度线左部读数较密，难于看准，所以测量时应选择适当的欧姆挡。
使指针在刻度线的中部或右部（即指针指示在量程的1/3~2/3处），这样读数比较清楚准确。
每次换挡，都应重新将两根表笔短接，重新调整指针到零位，才能测准。
（2）测量直流电压：
首先估计一下被测电压的大小，然后将转换开关拨至适当的V量程，将红表笔接被测电压“+”端，黑表笔接被测量电压”-”端。
然后根据该挡量程数字与标直流符号“DC-”刻度线（第二条线）上的指针所指数字，来读出被测电压的大小。
如用V30伏挡测量，可以直接读0V～300V的指示数值。
如用V30伏挡测量，只须将刻度线上300这个数字去掉一个“0”，看成是30，再依次200、100等数字看成是20、10既可直接读出指针指示数值。
例如用V6伏挡测量直流电压，指针指在15，则所测得电压为1.5伏。
（3）测量直流电流：
先估计一下被测电流的大小，然后将转换开关拨至合适的mA量程．再把万用表串接在电路中，同时观察标有直流符号“DC”的刻度线．如电流量程选在3mA挡，这时，应把表面刻度线上300的数字，去掉两个“0”，看成3，又依次把200、100看成是2、1，这样就可以读出被测电流数值。
例如用直流3mA挡测量直流电流，指针在100，则电流为1mA。
（4）测量交流电压：
测交流电压的方法与测量直流电压相似，所不同的是因交流电没有正、负之分，所以测量交流时，表笔也就不需分正、负。
读数方法与上述的测量直流电压的读法一样，只是数字应看标有交流符号”AC”的刻度线上的指针位置。
万用表使用的注意事项：
（1）在使用万用表之前，应先进行“机械调零”，即在没有被测电量时，使万用表指针指在零电压或零电流的位置上。
（2）在使用万用表过程中，不能用手去接触表笔的金属部分，这样一方面可以保证测量的准确，另一方面也可以保证人身安全。
（3）在测量某一电量时，不能在测量的同时换档，尤其是在测量高电压或大电流时，更应注意。
否则，会使万用表毁坏。
如需换挡，应先断开表笔，换挡后再去测量。
（4）万用表在使用时，必须水平放置，以免造成误差。
同时，还要注意到避免外界磁场对万用表的影响。
（5）万用表使用完毕，应将转换开关置于交流电压的最大挡。
如果长期不使用，还应将万用表内部的电池取出来，以免电池腐蚀表内其它器件。
附件四：
电烙铁的使用方法
1、预热：
烙铁头成45度角，顶住焊盘和元件脚。
预先给元件脚和焊盘加热。
烙铁头的尖部不可顶住PCB板无铜皮位置，这样可能将板烧成一条痕迹，烙铁头最好顺线路方向，烙铁头不可塞住过孔，预热时间为1～2秒。
2、上锡：
将锡线从元件脚和烙铁接触面处引入；锡线熔化时，掌握熔化速度；当锡散满整个焊盘时，拿开锡线；锡线不可直接靠在烙铁头上，以防止助焊剂烧黑；整个上锡时间大概为1～2秒。
3、拿开烙铁：
当焊锡有轻微烟雾冒出时候，即可顺着元件脚方向移开烙铁，焊点凝固。
电烙铁使用的注意事项：
1、电烙铁使用前应检查使用电压是否与电烙铁标称电压相符。
2、电烙铁应该接地。
3、电烙铁通电后不能任意敲击、拆卸及安装其电热部分零件。
4、电烙铁应保持干燥，不宜在过分潮湿或淋雨环境使用。
5、拆烙铁头时，要关掉电源。
6、关电源后，利用余热在烙铁头上上一层锡，以保护烙铁头。
7、当烙铁头上有黑色氧化层时候，可用砂布擦去，然后通电，并立即上锡。
附件五：
智能寻迹机器人介绍
单片机益智系列——智能寻迹机器人是由益芯科技有限公司为科教方便而研发设计。
根据现代学校对嵌入式系统开发的需求。
依据提高学生实际动手操作能力和思考能力，以加强学生对现实生活中嵌入式系统的应用为参照。
智能寻迹机器人全新的设计模式，良好的电路设计，一体化的机电组合，智趣的系统开发，更是成为加强学生学习兴趣的总动源。
智能寻迹机器人采用现在较为流行的8位单片机作为系统大脑。
以8051系列家族中的AT89S51/AT89S52为主芯片。
40脚的DIP封装使它拥有32个完全IO（GPIO—通用输入输出）端口，通过对这些端口加以信号输入电路，控制电路，执行电路共同完成寻迹机器人。
P0.0，P0.1，P0.2，P0.3分别通过LG9110电机驱动来驱动电机1和电机2。
由电机的正转与反转来完成机器人的前进，后退，左转，右转，遇障碍物绕行，避悬崖等基本动作。
在机器人前进时如果前方有障碍物，由红外发射管发射的红外信号被反射给红外接收管，红外接管将此信号经过P3.7传送入AT89S52中，主芯片通过内部的代码进行机器人的绕障碍物操作，同时主芯片将P3.7的信号状态通过P2.5的LED指示灯显示出来。
机器人行走时会通过P3.5与P3.6的红外接收探头来进行检测。
当走到悬崖处时，P3.5或P3.6将收到一个电平信号，此电平信号将通过相应端口传送入主芯片中，主芯片通过内部代码完成机器人的避悬崖操作。
同时P3.5与P3.6的信号状态将通过P2.6/P2.7显示出来。
在机器人的左转，右转，后退的过程，可以通过观看以P2.0/P0.7为指示灯的运行状态。
P0.4为机器人的声控检测端口，在运行为前进状态时，可以能过声控（如拍手声）来控制它的运行与停止。
P0.6为机器人的声音输出端。
在机器人遇到障碍物时。
进行绕障碍物与避悬崖时可以通过此端口控制蜂鸣器发出报警声。
当为白天或黑夜时可以通过P0.5端口中的光敏电阻来进行判断，以方便完成机器人夜间自动照明等功能。
两个按键以查询/中断两种不同的方式来展现按键操作。
你可以按下S1键来进行机器的停止。
再按下S2键来进行机器人的运行。
这个按键的信息分别被P3.2，P3.4接收到。
IR1为红外遥控接收器，这就为机器人进行远程遥控创造了可能。
这个红外遥控接收头接收到红外信号时将信号经过P3.3送入到主芯片，主芯片对其进行解密后以不同的方式对机器人进行控制。
同时将用户的按键信息通过P2端口上LED数码管显示出来。
P3.0、P3.l中COM端口的加入，让你完全可以用电脑对其进行控制。
你可以通过对串口发送数据，数据会被显示到LED数码管中，并让机器人执行相应的功能。
电脑的串口软件要求波特率为9600。
8位数据位，这时你就可以快乐的用电脑来对它进行你的完全控制了。
EXKJ-ZN02功能的组合多样，使得学生可以充分发挥自主能力，制作出不同的机器人。
它为学校进行机器人竞赛和毕业项目设计建立了实物平台，是学校教师授课变得更轻松有趣。
同时也能改变学生学习模式和激发学习兴趣。
更是作为验证学生学习效果的有力工具。
良好的电路板设计，让学生制作变得方便容易，其大大提高了学生的制作成功率。
提高了学生对电子电路的兴趣，更是教学过程中不可或缺的教具。
附件六：
程序状态指示灯演示验证程序
一、实验简介：
本程序重点演示了一个最简程序的基本结构，它从顺序、判断、循环的形式表现程序的基本结构，此程序通过闪灯不断的闪动，及闪灯闪动的快慢来表示程序不不同工作状态。
它也是常数字设备中进行状态表示的方法之一（例：
网卡）。
二、实验原理图：
三、实现代码：
#include//包含头文件
#defineLEDP1//宏定义显示端口号
voidDelay（unsignedintDelayTime）//定义可变延时函数
{
while（DelayTime--）;//延时函数进入倒计时
}
voidmain（）//程序主函数码
{
unsignedintCountData=0;//定义一个整形变量,用于闪动次数++
while
（1）//主程序循环体开始
{
if（CountData<30）//判断闪动次数是否位于0-30之间
{
Delay（60000）;//用60000作为基数开始延时函数
}
elseif（CountData<60）//判断闪动次数是否位于30-60之间
{
Delay（30000）;//用30000作为基数开始延时函数
}
elseif（CountData<90）//判断闪动次数是否位于60-90之间
{
Delay（10000）;//用10000作为基数开始延时函数
}
elseif（CountData<120）//判断闪动次数是否位于90-120之间
{
CountData=0;//仅进行一次操作即可退出.
}
CountData=CountData+1;//闪动次数基数++
LED=~LED;//将显示端口进行取反操作
}
}
四、运行效果：
程序运行效果为：
开机后程序以慢速闪动，一段时间后速度开始加快，再等待时间，闪灯的速度达到最快，之后一段时间后，闪动将回到开始状态。
附件七：
流水灯演示验证程序
一、实验简介：
本程序全面的表现了子程序的用法，它从对几个子程序的操作，显示不同的流灯技术，流水灯的不同需要不同的表现的形式，而这里主要介绍了移位操作和内部数据存储及读入操作。
延时函数采用可重入标志，可进行函数的递归调用。
二、实验原理图：
三、实现代码：
#include//包含头文件
#defineLedP1//定义显示端口号
unsignedintcodeBToM[]={0x7E,0x3C,0x18,0x00};//定义由两边到中间显示数据
unsignedintcodeMToB[]={0xE7,0xC3,0x81,0x00};//定义由中间到两边显示数据
voidDelay（）reentrant//定义可重入的延时函数
{unsignedintDelayTime=10000;//定义延时时间基数
while（DelayTime--）;//程序开始延时开始
}
voidLeftToRight（）//定义从左边到右边显示函数
{unsignedcharTempCount=0;//定义显示次数变量
Led=0xFE;//定义初步显示数据
for（TempCount=0;TempCount<8;TempCount++）//通过循环进行数据显示
{
Delay（）;//延时,用在每次移动数据开始处
Led=Led<<1;//由右边向左边移动数据
}
return;//空返回语句,表明此子程序的结束.
}
voidRightToLeft（）//定义从右边到左边显示函数
{unsignedcharTempCount=0;//定义显示次数变量
Led=0x7F;//定义初步显示数据
for（TempCount=0;TempCount<8;TempCount++）//通过循环进行数据显示
{
Delay（）;//延时,用在每次移动数据开始处
Led=Led>>1;//由左边向右移动数据
}
return;//空返语句,表明此子程序的结束.
}
voidBothToMid（）//定义由两边到中间显示子程序
{unsignedcharTempCount=0;//定义临时次数变量
Led=0xFF;
for（TempCount=0;TempCount<5;TempCount++）//通过循环依次进行次数运行
{
Delay（）;//延时,在每次运行前.
Led=BToM[TempCount];//读入当次显示数据.
}
return;//空返回,表明此子程序的结束.
}
voidMidToBoth（）//定义由中间到两边子程序
{unsignedcharTempCount=0;//定义临时次数变量
Led=0xFF;
for（TempCount=0;TempCount<5;TempCount++）//通过循环进行数据显示
{
Delay（）;//延时,在每次数据显示前.
Led=MToB[TempCount];//读入当次显示数据.
}
return;//空返回,表明此次子程序的结束.
}
voidmain（）//主程序入口处.
{
while
（1）//无穷循环开始.
{LeftToRight（）;//从左到右进行显示
RightToLeft（）;//从右到左进行显示
BothToMid（）;//由两边到中间进行显示
MidToBoth（）;//由中间到两边进行显示
}
}
四、运行效果：
程序运行效果为：
开机后，指示灯向从左向右依次点亮，从右向左依次点亮，由两边向中间依次点亮，由中间向两边依次点亮。
附件八：
数码管演示验证程序
一、实验简介：
本程序通过对端口的置数操作，展示了数码管的应用技术，数码管是将发光二极管通过一定的形式封装在一个数字的外壳中，可以通过不同的点亮方式来显不同的数字符号。
二、实验原理图：
三、实现代码：
#include//包含头文件
typedefunsignedintuint;//重命名整数类型关键字
typedefunsignedcharuchar;//重命名字符类型关键字
ucharcodeLedShowData[]={0x9F,0x25,0x0D,0x99,0x49,//定义固定存储显示字符
0x41,0x1F,0x01,0x19,0x03};//1,2,3,4,5,6,7,8,9,0
voidDelay（）//定义延时函数
{
uintTempTime=20000;//定义延时时间变量
while（TempTime--）;//通过循环进行延时
}
voidmain（）//主程序开始main（）
{ucharCountData=0;//定义计数变量
while
（1）//主程序无限循环开始
{
P2=LedShowData[CountData];//P2端口读入显示数据
CountData++;//计数变量++（加加）
if（CountData>=10）//判断是否超出计数范围
{
CountData=0;//重新置零
}
Delay（）;//延时函数被调用
}
}
四、运行效果：
程序运行效果为:
程序下载后,数码管将从1-9依次显示,最后将显示数字0.
附件九：
数码管及跑马灯演示验证程序
一、实验简介：
本程序主要是将数码管及跑马灯放在一起显示，它主要说明了，如何将在单系中运行多个看似并行运行的子系统.本程序在此将跑马灯子程序放入到一个头文件中，对于一个大的工程这样将有益于程序文件的管理。
二、实验原理图：
三、实现代码：
#include//包含端口定义头文件
unsignedcharcodeLedShowData[]={0x9F,0x25,0x0D,0x99,0x49,//定义数码管显示字符
0x41,0x1F,0x01,0x19,0x03};//1,2,3,4,5,6,7,8,9,0
#defineLedP1//定义显示端口
unsignedcharCountData=0;//定义数码管计数器
unsignedintcodeBToM[]={0x7E,0x3C,0x18,0x00};//定义由两边到中间显示数据
unsignedintcodeMToB[]={0xE7,0xC3,0x81,0x00};//定义由中间到两边显示数据
voidDelay（）reentrant//定义可重入延时函数
{unsignedintDelayTime=10000;//定义延时时间变量
while（DelayTime--）;//通过循环进行延时
P2=LedShowData[CountData];//置数码管显示数据到P2端口
CountData++;//数码管地址计数器++（加1）
if（CountData>=10）//判断计数器累计数值
{
CountData=0;//计数器清零
}
}
#include<跑马灯.h>//包含显示方式头文件
voidmain（）//主程序入口
{
while
（1）//无穷循环开始.
{LeftToRight（）;//从左到右进行显示
RightToLeft（）;//从右到左
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