简单捕鼠运送装置

河海大学常州校区

专业综合实践报告书

实践名称：捕鼠运送装置

姓名：朱家昊

学号： 1262510135 任课老师：黄国铭

年级专业： 12级自动化

日期： 2014年12月12日

目录

摘要 (1)

1.绪论 (2)

1.1设计背景 (2)

1.2研究内容 (2)

2.系统设计 (2)

2.1系统总体设计 (2)

2.1.1系统结构框图 (2)

2.2红外对管传感器信号采集模块 (3)

2.3舵机 (4)

2.4步进电机驱动器模块 (6)

2.5步进电机 (8)

2.6液晶显示屏 (9)

3硬件设计 (10)

3.1 单片机MSP430最小系统 (10)

3.2稳压电源5V电路 (11)

3.3稳压电源3.3V (12)

3.4转接板 (13)

4软件设计 (13)

4.1开发环境介绍 (13)

4.1.1 IAR编辑与调试 (13)

4.1.2程序烧写 (14)

4.2液晶显示取模软件 (15)

4.3程序流程 (16)

4.4模块程序说明 (16)

4.4.1红外对管模块 (17)

4.4.2舵机模块 (17)

4.4.4电机驱动模块 (18)

4.4.5液晶显示模块 (20)

结束语 (21)

参考文献 (22)

[1] 王东峰等.单片机C语言应用100例[M].北京:电子工业出版社,2009：151-161.

[2] 陈海宴.51单片机原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社.2010：62-65.

[3] 胡汉才.单片机原理及接口技术[M].北京:清华大学出版社.1996：11-26. [4] 高稚允,高岳.光电检测技术[M].北京:国防工业出版社.1983：23-27. [5] 钟富昭等.8051单片机典型模块设计与应用[M].北京:人民邮电出版社.2007：35-38. [6] 李平等.单片机入门与开发[M].北京:机械工业出版社.2008：33-37. [7] 梁森,王侃夫,黄杭美.自动检测与转换技术[M].北京:机械工业出版社.2007：61-63 (22)

附录 (22)

1液晶显示完整程序 (22)

2液晶字模 (28)

摘要

老鼠是和人类关系最密切的动物之一，老鼠就依附人类为生，它的种类多，数量大，适应性强，给人类生存带来了一定的烦恼，

此次设计是针对仓库内部老鼠的捕捉及运送而来的。仓库，是一个较为封闭的环境。这样的环境适于老鼠的大量繁殖，而且老鼠夹或者老鼠药等手段如果不及时处理会有不好的影响。设计通过捕捉老鼠后，并不对其造成伤害，而是运送到指定地点另行处理，更加方便快捷。

系统已MSP430单片机为核心，包括了传感器模块、电机模块、液晶显示模块以及蓝牙传输模块等几大功能模块。

系统可以在老鼠进入笼子后自动关上笼子门并锁住，然后将老鼠运送到指定的地点处理，当捕捉到老鼠时以及运达目的地时，液晶给以对应的显示。

关键词：捕鼠；自动运送。

1.绪论

1.1设计背景

老鼠是和人类关系最密切的动物之一，它依附人类为生，时时处处危害人类。老鼠的种类多，数量大，适应性强，繁殖速度快，食量大，破坏力强，行动灵敏不受地域限，给人们日常生活带来了一定的烦恼，我们此次设计是针对仓库内部老鼠的捕捉及运送。仓库，是一个较为封闭的环境。这样的环境利于老鼠的大量繁殖。由此我们设计了一个捕捉运送装置。

1.2研究内容

该设计主要由两部分系统组成，一部分是笼子捕捉系统，另一部分是小车运送系统。不同于市面上常见的捕鼠装置，我们的捕鼠系统主要是利用了更为先进的可控的单片机系统，而不是纯机械控制。通过程序的写入，可以对该系统进行控制，甚至可以通过上位机对该系统进行远程操控，以便于适用比较复杂的环境，当环境复杂就需要更为复杂的算法，普通的仓库环境就可以用比较简单的算法。是一个可以不断改进、丰富的设计。

2.系统设计

2.1系统总体设计

该设计主要通过安装的传感器感受变化，并通过单片机分析，并操控其他系统，自动关门后运送到目的地，实现智能控制。

2.1.1系统结构框图

系统已单片机MSP430F149为核心，包括传感器模块、舵机模块、电机模块、液晶模块等硬件结构及相关软件的算法。

图2-1.系统总框图

如图2-1.结构框图所示，红外对管一直在发出红外线信号，当有老鼠进入笼子，红外对管给单片机一个信号，单片机控制舵机关上笼子的门，稍微延时后单片机给步进电机驱动信号，电机驱动驱动电机开始运作，小车开始运动，当运送到目的地后，单片机控制液晶显示出相应的提示。

2.2红外对管传感器信号采集模块

红外线在光谱中波长自0.76至400微米的一段称为红外线，红外线是不可见光线，该传感器具有一对红外线发射与接收管。实物图如图2-2所示。

发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，绿色指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号（一个低电平信号），可通过电位器旋钮调节检测距离，有效距离范围2～30cm，工作电压为3.3V-5V。

图2-2 红外对管传感器

该传感器的探测距离可以通过电位器调节，具有干扰小、便于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、避障小车、流水线计数及黑白线循迹等众多场合。

图2-3 红外对管传感器原理图

红外对管传感器原理图如图2-3所示。当模块检测到前方障碍物信号时，电路板上绿色指示灯点亮电平，同时OUT端口持续输出低电平信号,该模块检测距离2～30cm，检测角度35°，检测距离可以通过电位器进行调节，顺时针调电位器，检测距离增加；逆时针调电位器，检测距离减少。

传感器主动红外线反射探测,因此目标的反射率和形状是探测距离的关键。其中黑色探测距离最小,白色最大;小面积物体距离小,大面积距离大。传感器模块输出端口OUT可直接与单片机IO口连接即可，也可以直接驱动一个5V继电器。连接方式：VCC-VCC;GND-GND;OUT-IO。比较器采用LM393，工作稳定。

可采用3-5V直流电源对模块进行供电。当电源接通时，红色电源指示灯点亮。

2.3舵机

2.3.1舵机简介

舵机实物图如图2-4所示。舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。位置检测器其实就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。

一般的伺服马达是将细铜线缠绕在三极转子上，当电流流经线圈时便会产生磁场，与转子外围的磁铁产生排斥作用，进而产生转动的作用力。依据物理学原理，物体的转动惯量与质量成正比，因此要转动质量愈大的物体，所需的作用力也愈大。舵机为求转速快、耗电小，于是将细铜线缠绕成极薄的中空圆柱体，形成一个重量极轻的五极中空转子，并将磁铁置於圆柱体内，这就是无核心马达。

图2-4 舵机

为了适合不同的工作环境，有防水及防尘设计的舵机；并且因应不同的负载需求，舵机的齿轮有塑胶及金属之区分，金属齿轮的舵机一般皆为大扭力及高速型，具有齿轮不会因负载过大而崩牙的优点。较高级的舵机会装置滚珠轴承，使得转动时能更轻快精准。滚珠轴承有一颗及二颗的区别，当然是二颗的比较好。目前新推出的FET 舵机，主要是采用FET(Field Effect Transistor)场效电晶体。FET 具有内阻低的优点，因此电流损耗比一般电晶体少。

伺服电机是一个典型闭环反馈系统，其原理可由下图表示：

图2-5 舵机原理

减速齿轮组由电机驱动，其输出端带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲最终趋于为0，从而达到使伺服电机精确定位的目的。标准的伺服电机有三条控制线，分别为：电源、地及控制。电源线与地线用于提供内部的直流电机及控制电路所需的能源，电压通常介于4V—

6V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服马达会产生噪音）。甚至小伺服电机在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。

2.3.2伺服电机的控制：

伺服电机的控制端需输入周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms—2ms之间，而低电平时间应在5ms到20ms之间，并不很

严格。下表表示出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂在180˙范围内转动时与输入脉冲的对应关系如表2-1所示：

表2-1转动角度与输入脉冲的对应关系

2.4步进电机驱动器模块

该设计采用两个M420B电机驱动器

图2-6 M420B电机驱动器

该驱动器适合各种小型自动化设备和仪器，如打标机、割字机、绘图仪、小型雕刻机、数控机床、传动机构、医疗器械等。相对于之前的产品，该驱动器对于电机自身的震动、噪声及精度和高速时的输出力矩都有明显的改善。

下面表2-2是驱动器的一些参数以及接口说明：

驱动器通过下面图2-7所示电路与电机相连接：

图2-7 步进电机与驱动器连接方式

2.5步进电机

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

图2.5步进电机

2.6液晶显示屏

显示模块采用了12864液晶显示屏，实物图如图2-8所示。

图2-8 12864液晶模块

12864液晶模块接口说明如表2-5：

带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.

利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

基本特性:

（1）低电源电压（VDD:+3.0--+5.5V）；

（2）显示分辨率:128×64点；

（3）内置汉字字库，提供8192个16×16点阵汉字(简繁体可选) ；

（4）内置128个16×8点阵字符；

（5）2MHZ时钟频率；

（6）显示方式：STN、半透、正显；

（7）驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS ；

（8）视角方向：6点；

（9）背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/5—1/10 ；

（10）通讯方式：串行、并口可选；

（11）内置DC-DC转换电路，无需外加负压；

（12）无需片选信号，简化软件设计（13）、工作温度: 0℃- +55℃,存储温度: -20℃- +60℃。

3硬件设计

3.1 单片机MSP430最小系统

TI公司的MSP430系列是一个特别强调超低功耗的单片机品种，很适合应用于采用电池供电的长时间工作场合。在这个系列中有很多个型号，它们是由一些基本功能模块按不同的应用目标组合而成MSP430系列的CPU采用16位精简指令系统,集成有16位寄存器和常数发生器，发挥了最高的代码效率。它采用数字控制振荡器DCO 使得从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于6 μs. 其中MSP430x41x 系列微控制器设计有一个16位定时器,一个比较器,96段LCD驱动器和48个通用I/O引脚。

图3-1 MSP430F149最小系统原理图

单片机最小系统，或称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，原理图如图3-1所示。对于MSP430系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复位电路。设计了MSP430最小系统中电源模块、晶振电路模块、复位电路模块、串口通讯模块和数据存储模块的电路原理图。

3.2稳压电源5V电路

图3-2 5V稳压电路原理图

设计出的PCB图：

图3-3 5V稳压电路PCB图3.3稳压电源3.3V

图3-4 3.3V稳压电路原理图设计出的PCB图：

图3-5 3.3V稳压电路PCB图

3.4转接板

图3.4转接板

4软件设计

4.1开发环境介绍

4.1.1 IAR编辑与调试

瑞典IAR System公司推出的IAR EW软件是一种非常有效的嵌入式系统开发工具，它使用户能够充分有效地开发并管理嵌入式应用项目，其界面类似于MS Visual C++,可以在Windows平台上运行，功能十分完善。包含有源程序文件编辑器，项目管理器，源程序调试器等，并且为C/C++编译器，汇编器，连接定位器等提供了单一而灵活的开发环境。源级浏览器功能可以快速浏览源文件；还提供了对第三方工具软件的接口，允许启动用户指定的应用程序。

IAR EW适用于开发基于8位，16位以及32位的处理器的嵌入式系统，其具有同一界面，用户可以针对多种不同的目标处理器，在相同的集成开发环境中进行基于不同CPU嵌入式系统应用程序的开发。另外IAR的链接定位器(XLINK)可以输出多种格式的目标文件，使用户可以采用第三方软件进行仿真调试。

针对TI MSP430，IAR也有相应的IAR EW430软件。其具有上面所说的所有IAR 软件共有功能，另外还有所有MSP430也包括MSP430X设备的配置文档，C-SPY 调试器支持FET (TI's Flash Emulation Tool )驱动，并支持实时操作系统相关信息的调试，IAR特征如下：

1.高效的PROMable代码；

2.完全标准C兼容；

3.内建对应芯片的程序速度和大小优化器；

4.目标特性扩充；

5.版本控制和扩展国剧支持良好；

6.便捷的中断处理和模拟；

7.瓶颈性能分析；

8.高效浮点支持；

9.内存模式选择；

10.工程中相对路径支持。

MSP430单片机软件TAR FOR AVR开发过程为:

1.建立一个工程项目，选择芯片，确定选项

2.建立汇编源文件或C源文件

3.用项目管理器生成各种应用文件

4.检查并修改源文件中的错误

5.编译连接通过后进行软件模拟仿真或硬件在线仿真

6.编程操作

7.应用

4.1.2程序烧写

本次程序使用MSPFET，程序烧写简单，方便

图4-1 MSPFET工作界面

4.2液晶显示取模软件

PCtolCD是一款功能强大的取模软件，用户可生成自己需要的各种小字库，也可以生成自定义的国标一二级汉字库，可以使用PCTOLCD的各种调整功能调整出您需要的文字样式,如字体,字样(下划,倾斜，加粗),大小(各种点阵大小的字体,可锁定点阵本身大小(如16*16),然后在这个固定的点阵大小内调节文字的大小。同时也可以生成自定义的图片，在液晶上显示出来。

图4-2 PCtolCD界面

4.3程序流程

程序初始化红外对管是否反馈信号否继续等待

是舵机运动电机运动液晶显示4.4模块程序说明

void main(void)

{

// Stop watchdog timer to prevent time out reset

WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;

P1SEL = 0x0f;

P1DIR = 0X0f;

P2DIR = 0xf0;

P2IES = 0x0f;

P2IE = 0x0f;