【正文】 圖 51單片機(jī) 本次設(shè)計(jì)所用的單片機(jī)是 51 系列里面的 STC89C52 芯片，是兼容于 Intel 8031 指令系統(tǒng) 的單片機(jī)的上級(jí)統(tǒng)稱(chēng)。 （ 2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)的內(nèi)存大小為 128B， 52 系列的有 256B 的 RAM。 （ 6）可以實(shí)現(xiàn)全雙工的 串行通信 。 51 系列的主要產(chǎn)品 ： （ 1） Intel 公司的主要產(chǎn)品有： 80C3 80C5 87C51， 80C3 80C5 87C52 等； （ 2） ATMEL 公司的主要產(chǎn)品有： STC89C5 STC89C5 STC89C2051 等； （ 3）諸如此類(lèi)的公司 Philips 公司、華邦公司、 Dallas 公司、 Siemens 等公司的許多產(chǎn)品。 圖 25 蛇的蜿蜒運(yùn)動(dòng) 圖 26 蛇的直線蠕動(dòng) （ 2）直線式蠕動(dòng) 在自然界中，蛇 利用脊柱從頭傳到尾的間歇收縮，毒蛇能夠筆直的前行，如同蚯蚓一樣。 10 圖 27 蛇的蠕動(dòng)圖 28 眼鏡蛇式運(yùn)動(dòng) （ 4）橫波運(yùn)動(dòng) 大多數(shù)蛇利用這種運(yùn)動(dòng)方式，身體的每一部分都非常成功的經(jīng)過(guò)地面上的同一點(diǎn)，沒(méi)有靜止的接觸。 （ 5）眼鏡蛇式運(yùn)動(dòng) 在水平平面的波動(dòng)和伸縮運(yùn)動(dòng)的合成，效率很高，但是與地面的相對(duì)滑動(dòng)也很大。 0)( ?zX (21) )]ψ/λ/(π2[)( ++= TtxA S inzY (22) 假定機(jī)器蛇的關(guān)節(jié)沿生成的軌跡運(yùn)動(dòng)，則可用“截圓法”求取各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)。為保證蛇體運(yùn)動(dòng)時(shí)波形的延續(xù)性，我們?cè)O(shè)計(jì)在 6 節(jié)蛇體內(nèi)傳遞兩個(gè)波形，這樣在傳遞波形時(shí)，就可以保證波形的連續(xù)性（因?yàn)樯唧w的節(jié)數(shù)限制波形數(shù)）。因此，我國(guó)對(duì)超聲波的研究特別活躍。 超聲波是聽(tīng)覺(jué)閾值之外的振動(dòng)，其頻率范圍在 104 —— 1012 Hz，其中通常的頻率大約在 104 —— 3 610 之間。為了測(cè)量各種狀態(tài)下的物理量多采 用縱波形式的超聲波。 可以推導(dǎo)出超聲波在空氣種傳播速度 TC G += （ T 為環(huán)境溫度）。 2 超聲波的物理性質(zhì) 當(dāng)超聲波傳播到兩種特性不同的介質(zhì)的平面上時(shí)，一部分被反射；另一部分透射過(guò) 13 圖 213 反射及折射圖 界面 ，在相鄰的介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播；這樣的兩種情況稱(chēng)之為超聲波的反射和折射，如圖213 所示。 (29) 當(dāng)超聲波垂直入射界面時(shí)，即 0βα == ，則 如（ 210）、（ 211） ： 11221122ρρ1ρρ1ccccR+= (210) 14 11221122ρρ1ρρ2ccccT+= (211) 如果 sinα 21cc ， 入射波完全被反射，在相鄰兩個(gè)介質(zhì)中沒(méi)有折射波。 (3)超聲波的干涉 如果在一種介質(zhì)中傳播幾個(gè)聲波，于是產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。 由于超聲波的干涉，在輻射器的周?chē)纬梢粋€(gè)包括最大最小的揚(yáng)聲場(chǎng)。 因?yàn)? 15 超聲波的速 度還 與溫度有關(guān) 系 ， 就必須考慮溫度對(duì)其產(chǎn)生的影響，但就一般情況而言，我們所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)都在室溫下 進(jìn)行， 溫度 的 變化 相對(duì)來(lái)說(shuō) 不大， 我們 可 以 認(rèn)為 溫度對(duì) 聲速 的影響 基本 保持 不變 ，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，也證實(shí)了這一點(diǎn) 。 超聲波測(cè) 量 距 離 的算法設(shè)計(jì) : 據(jù)上面設(shè)定， 超聲波在空氣中 能夠達(dá)到的 傳播速度 是340 秒 /米（ 設(shè)定溫度為 25℃ 時(shí)）。在編寫(xiě)程序的過(guò)程中，由于選擇了 8 位定時(shí)器，共可以計(jì)數(shù) 2^8=256 次，那么當(dāng)要達(dá)到的精度是毫米級(jí)是，那么算法公式就變成了 25610101003401000 6 247。 電路主要由供電部分、無(wú)線接收部分、數(shù)據(jù)解碼部分和開(kāi)關(guān)控制部分組成。 表 22 無(wú)線遙控引腳說(shuō)明 名稱(chēng) 管腳 說(shuō) 明 A0A11 1 1013 地址管腳 ,用于進(jìn)行地址編碼 ,可置為 “0”,“1”,“f”(懸空 ), D0D5 7 1013 數(shù)據(jù)輸入端，有一個(gè)為 “1”即有編碼發(fā)出，內(nèi)部下拉 Vcc 18 電源正端（＋） Vss 9 電源負(fù)端（－） TE 14 編碼啟動(dòng)端，用于多數(shù)據(jù)的編碼發(fā)射，低電平有效； OSC1 16 振蕩電阻輸入端，與 OSC2 所接電阻決定振蕩頻率； OSC2 15 振蕩電阻振蕩器輸出端； Dout 17 編碼輸出端（正常時(shí)為低電平） 圖 214 4 路遙控引腳 圖 215 遙控時(shí)序圖 PT2262/PT2272 工作原理： PT2262IR 發(fā)射芯片地址編碼輸入有 “1”、 “0”和 “開(kāi)路 ”三種狀態(tài)，數(shù)據(jù)輸入有 “1”和 “0”兩種狀態(tài)。 PT2272 的暫存功能是指當(dāng)發(fā)射信號(hào)消失時(shí)， PT2272 的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)輸出位即變?yōu)榈碗娖健Ｈ绻褂秒娫措妷狠^低（如 3V），二極管應(yīng)選用低壓差的型號(hào)（如 1N60 等），工作原理相近 。后綴為 “M”為 “暫存型 ”，后綴為 “L”為 “鎖存型 ”，其數(shù)據(jù)輸 18 出又分為 0、 6 不同的輸出，例如： PT2272M4 則表示數(shù)據(jù)輸出為 4 位的暫存型無(wú)線遙控接收芯片。 NRF905 有兩種節(jié)能模式和兩種工作模式，分別為掉電模式、待機(jī)模式、 ShockBurst 接收模式和 ShockBurst 發(fā)送模式。接著檢測(cè)載波數(shù)據(jù)中的地址字節(jié)，若與本身已配置的接收地址相同，則置 AM 為高；若檢測(cè)到接收數(shù)據(jù)中的 CRC 校驗(yàn)正確，則存儲(chǔ)有效數(shù)據(jù)字節(jié)，置DR 為高。 MCU 對(duì) SPI 總線進(jìn)行讀操作時(shí)，先把 CSN置低，然后在 MOSI 數(shù)據(jù)線上輸出一個(gè)表示讀命令的字節(jié)，與此同時(shí)， nRF905 會(huì)在 MISO數(shù)據(jù)線上輸出一個(gè)字節(jié)表示狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)，隨后輸出一個(gè)地址字節(jié)，后面跟隨有效數(shù)據(jù)。如果此電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩（例如由摩擦引起的阻轉(zhuǎn)矩以及其它負(fù)載矩），電樞就能按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)起來(lái) ，如圖 218 所示 。 因此，電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于換向器配合電刷對(duì)電流的換向作用，直流電流交替地由導(dǎo)體 ab 和 cd 流入，使線圈邊只要處于 N 極下，其中通過(guò)電流的方向總是由電刷 A 流入的方向，而在 S 極下時(shí)，總是從電刷 B 流出的方向。雙極性工作制是在一個(gè)脈沖周期內(nèi)，單 片機(jī)兩控制口各輸出一個(gè)控制信號(hào)，兩信號(hào)高低電平相反，兩信號(hào)的高電平時(shí)差決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。 PWM 調(diào)脈寬方式： 調(diào)脈寬的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。 20 方案三： PLC2131有獨(dú)立的 6路 PWM，可以獨(dú)立控制。 21 3 蛇體的系統(tǒng)設(shè)計(jì) 蛇形機(jī)器人的設(shè)計(jì)是在材料選擇、結(jié)構(gòu)確定的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，加之各傳感器模塊，來(lái)檢測(cè)實(shí)時(shí)的信息，同時(shí)就蛇體而言 ，它自身也處于不斷地運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故需適時(shí)加以控制，本節(jié)將介紹蛇形機(jī)器人各部件的聯(lián)系及其控制。 本章小結(jié) 本章主要以主控制器 LPC2131和 STC89C51單片機(jī)的原理圖為基礎(chǔ)， 查閱相關(guān)資料，分析并介紹了它們的引腳及其功能，并在一定程度上說(shuō)明了如何與外圍部件進(jìn)行連接以及控制，深入分析了超聲波的物理性質(zhì)、測(cè)距原理及其編程算法的實(shí)現(xiàn)，徹底展開(kāi)了無(wú)線數(shù)字式遙控作為遠(yuǎn)程控制器的原理。 PWM 軟件實(shí)現(xiàn)方式： 方案一：采用定時(shí)器做為脈寬控制的定時(shí)方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個(gè) us。單極性工作制是單片機(jī)控制口一端置低電平，另一端輸出PWM 信號(hào)，兩口的輸出切換和對(duì) PWM 的占空比調(diào)節(jié)決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。后， ab 導(dǎo)體轉(zhuǎn)到 N 極下， cd 導(dǎo)體轉(zhuǎn)到 S 極下時(shí)，由于直流電源供給的電流方向不變，仍從電刷 A 流入，經(jīng)導(dǎo)體 cd 、 ab 后，從電刷 B 流出。 直流電機(jī)的原理 19 圖 218 直流電機(jī)內(nèi)部原理圖 導(dǎo)體受力的方向用左手定則確定。這里 NRF905 為從機(jī)， 其 SPI 的時(shí)鐘范圍很寬，可為 1Hz～ 10MHz，因此 MCU 在寫(xiě)控制程序時(shí)不必苛求時(shí)間的準(zhǔn)確度。 NRF905 有 3 個(gè)引腳用于狀態(tài)輸出，分別是： CD(載波檢測(cè) )、 AM(地址匹配 )DR(數(shù)據(jù)就緒 )，均為高電平有效。其中 CSN 可以接到一個(gè) GPIO 端口控制芯片工作，而其他三個(gè)腳則連接到主控 MCU 的 SPI 接口上。其中發(fā)射芯片 PT2262IR 將載波振蕩器、編碼器和發(fā)射單元集成于一身，使發(fā)射電路變得非常簡(jiǎn)潔。圖 3 是紅外發(fā) 射和接收的典型應(yīng)用原理圖，為了能正確解調(diào)出調(diào)制的編碼信號(hào)，接收端需加一級(jí)前置放大級(jí)，保證輸入 PT2272 的信號(hào)幅度足夠大。其編碼時(shí)序波形如圖所示。 平時(shí)， IC3 的 10 到 13 腳輸出低電平，所控制的 4 路繼電器斷開(kāi)，當(dāng)接收模塊 SH9902收到遙控器發(fā)射的無(wú)線電編碼信號(hào)后，就會(huì)在其輸出端輸出一串控制數(shù)據(jù)碼，這個(gè)編碼信息經(jīng)專(zhuān)用解碼集成電路 IC3 解碼后，在數(shù)據(jù)輸出端輸出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)。= tS 。 那么 在這 的時(shí)間里，超聲波 從 發(fā)出到遇到 障礙物 返射回 來(lái)所經(jīng)過(guò) 的距離 為 ： 2)(340 21 247。超聲波測(cè)距 系統(tǒng) 適 合 于精 確 度 相對(duì)較高 的中長(zhǎng)距離 的 測(cè)量 ，本次設(shè)計(jì)測(cè)距的范圍是 0 到 255 厘米，而超聲波最小可以測(cè)得的距離是 厘米，最大測(cè)的距離為 255 厘米，恰巧滿足此次條件 。 同樣 超聲 波 測(cè)距 還有 以下 的 方法： 方法一：得到 輸出 一系列 脈沖的平均值電壓， 所得到的 電壓 (其幅值 和頻率 基本 是 固定 的 )與距離 也具有線性關(guān)系 ， 通過(guò) 測(cè)量電壓 便可以 得 到所要測(cè)的 距離； 方法二：通過(guò)延時(shí)來(lái)改變 測(cè)量 所需要的 輸 出 脈沖寬度， 也就是說(shuō)改變 發(fā)射 和 接收超聲波的時(shí)間 之間的 間隔 t，因此， 測(cè) 得的 距離 公式 為 S=1／ 2vt。從上式看出，當(dāng) d=0 或 d=λn（ n 為整數(shù)）時(shí)，合成振幅 r? 達(dá)到最大值；當(dāng) d= ,...)5,3,1(2λ =nn 時(shí)，合成 振幅 r? 為最小值 。 (2)超聲波的衰減 超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強(qiáng)按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可以分別由 (27)、 (28)兩式求得： 1121122ρ2ραcosβcosρραcosβcosccccR+= (27) 11221122ρρβcosαcosρρ2ccccT+= (28) 式中： β,α —— 分別為聲波的入射角和反射角； 2211 ρ,ρ cc —— 分別為兩介質(zhì)的特征阻抗，其中 21,cc 為反射波和折射波的速度。 21)ρ(ECq= （細(xì)棒） （ 23） 212 ])μ1(ρ[ += ECq （薄板） （ 24） 2121 )ρ 34(])μ21)(μ1(ρ )μ1([ GKEC q +=+ += （無(wú)限介質(zhì)） （ 25） 式中 E—— 楊氏模具； μ—— 泊松系數(shù)； K—— 體積彈性模具； G—— 剪片彈性模。超聲波與氣其他聲波一樣，其傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。于是超聲波在傳播過(guò)程中有如下的特性和作用： 1 超聲波的傳播速度 12 超聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生三中形式的振蕩波：橫波 —— 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波；縱波 —— 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波；表面波 —— 質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿表面?zhèn)鞑サ牟?。超聲波具有聚束、定向及反射、投射等特性? 超聲波測(cè)距原理 超聲波是一門(mén)以物理、電子、機(jī)械、以及材料科學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)之一。 圖 211 起始位置 圖 212 末了位置 通過(guò)編寫(xiě)程序，設(shè)定周期離散數(shù) 36，我們得到了一個(gè)關(guān)節(jié)一個(gè)周期內(nèi)的角度數(shù)據(jù)， 11 數(shù)據(jù)為 36 個(gè)角度值，其余關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)與此關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)是一樣的，只是有相位差而已，如表 21 所示。 圖 29 波的傳遞 圖 210 蛇的運(yùn)動(dòng) (1)YZ 平面沿 Z 方向－豎直平面波，實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)等運(yùn)動(dòng)方式； (2)XZ 平面沿 Z 方向－水平平面波，產(chǎn)生蜿蜒運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)方式； (3)YZ、 XZ 平面沿 Z 方向