【正文】 MC P UR A M并 行I / O串行I / O定 時(shí)期/ 計(jì)時(shí) 器T x DR x DT圖 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)3AT89S51 是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和ISP Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89S51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。④RST/V PD此引腳是復(fù)位信號(hào)，高電平有效、當(dāng)此輸入端保持 2 個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，就可以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。 RxD 串行數(shù)據(jù)接收 TxD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送 0INT外部中斷 0 申請 1外部中斷 1 申請 T0 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 0 計(jì)數(shù)輸入 T1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 1 計(jì)數(shù)輸入 WR外部寫選通 D外部讀選通5圖 時(shí)本系統(tǒng)所采用的已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的單片集成穩(wěn)壓電源 7805穩(wěn)壓電源的接線圖。RST 引腳是復(fù)位信號(hào)的輸6入端，復(fù)位信號(hào)為高電平有效。其中，按鍵電平復(fù)位是通過使 RESET 端經(jīng)電阻與 VCC電源接通而實(shí)現(xiàn)的，電路如圖 所示。傳感器是自主移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)必不可少的重要組成部分之一。該信號(hào)再通過傳感元件，被轉(zhuǎn)換為電參量。圖 光電傳感器信號(hào)輸出 光電耦合器的輸入部分為紅外發(fā)光二極管，可采用 TTL 或 CMOS 數(shù)字電路驅(qū)動(dòng)。TTL 門電流作為紅外發(fā)光二極管的控制驅(qū)動(dòng)時(shí)，其低電平最大輸入電流 Iol為 16mA,在一般情況下，取 I 為 10mA。 選用輸出部分為達(dá)林頓管的光電隔離器，其電流傳輸比 CTR 可達(dá) 5000％，即 Io=50If適用于負(fù)載較大的應(yīng)用場合。其輸入端配置發(fā)光元，輸出端配置受光器，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。②不受磁場影響，不需磁屏蔽。當(dāng) S1 未合上前，電容 C 已充電到+E 電壓，A 端為“1”；當(dāng) S1 合上時(shí)，C 經(jīng) R1 放電，A 點(diǎn)電位逐漸降低，剛閉合時(shí) S1觸點(diǎn)有抖動(dòng)現(xiàn)象，B 點(diǎn)電位急劇變化，但是由于電容 C 上的電壓不能突變，從而 A 點(diǎn)電壓不會(huì)隨觸點(diǎn)的抖動(dòng)而急劇變化，于是消除了抖動(dòng)干擾。直流電機(jī)用作發(fā)電機(jī)時(shí)，它將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能；用作電動(dòng)機(jī)時(shí)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。直流電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，將直流電源接在兩電刷之間而使電流通入電樞線圈。因此，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 T 必須與機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T2及空載損耗轉(zhuǎn)矩 T0相干衡。 當(dāng)將電動(dòng)機(jī)接到電源起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速從零逐漸上升到穩(wěn)定值。起動(dòng)時(shí)，將起動(dòng)電阻放在最大值處，待起動(dòng)后，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升，把它逐段切除。功率接口器主要完成：（1）提供必需的電壓和電流；（2）被單片機(jī)所控制。晶體管 9013 的電流放大倍數(shù)大于50。圖 超小型繼電器結(jié)構(gòu)示意圖超小型繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示。除上面介紹的隔離技術(shù)外，還有以下幾種硬件抗干擾措施： 濾波技術(shù) 濾波是為了抑制噪聲干擾，在數(shù)字電路中，當(dāng)電路從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換成另一個(gè)狀態(tài)時(shí)，就會(huì)在電源線上產(chǎn)生一個(gè)很大的尖峰電流，形成瞬變的噪聲電壓。18 小結(jié)本章根據(jù)設(shè)計(jì)的原理圖，系統(tǒng)地分析了該巡線機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)及其電路設(shè)計(jì)，詳細(xì)的說明了控制系統(tǒng)的組成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、穩(wěn)壓電源、傳感電路模塊及其各自的硬件抗干擾措施等等。采用 12 個(gè)傳感器與單片機(jī)的 12 個(gè)管腳相連，按事先設(shè)定好的規(guī)則判斷，然后轉(zhuǎn)向要實(shí)現(xiàn)的子程序執(zhí)行。單片機(jī) 口接傳感器的限位開關(guān) S1，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)燈 LED 亮，斷開時(shí)則滅。燈亮 SJMP LOOP1 NOPAT89S51 單片機(jī)晶振為 12MHz，則每個(gè)機(jī)器周期為 1μs。 指令冗余技術(shù)MCS51 的操作時(shí)序完全由程序計(jì)數(shù)器 PC 控制， CPU 取指令過程是先取操作碼，再取操作數(shù)。軟件陷阱的設(shè)計(jì)：當(dāng)亂飛程序進(jìn)入非程序區(qū)，冗余指令便無法起作用。如某應(yīng)用系統(tǒng)雖未用到外部中斷 1，外部中斷 1 的中斷服務(wù)程序可為如下形式： NOP NOP 25 RETI 返回指令可用“RETI”，也可用“LJMP 0000H”。 在實(shí)際應(yīng)用中，采用環(huán)形中斷監(jiān)視系統(tǒng)。 小結(jié)AT89 系列單片機(jī)與 MCS51 系列在軟件上完全兼容，編制的匯編語言程序可運(yùn)行于這兩種系列的單片機(jī)。今后尚需開展的工作主要有以下幾個(gè)方面:借助計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人在軟件方面的控制作用。[5]譚浩強(qiáng) 主編，MCS51 單片機(jī)應(yīng)用教程，清華大學(xué)出版社，2021。[13] Dominic L180。[3]王幸之、王雷、翟成等編著 ，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)，北京航空航天大學(xué)出版社，2021。對(duì)巡線機(jī)器人的越障系統(tǒng)在硬件和軟件方面進(jìn)行探討，為今后實(shí)驗(yàn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了一定的理論依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。細(xì)致周到地分析干擾源，硬件與軟件抗干擾相結(jié)合，完善系統(tǒng)監(jiān)控程序，設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定可靠的單片機(jī)系統(tǒng)是完全可行的。則系統(tǒng)無法定時(shí)“喂狗”，硬件看門狗電路失效。在用戶程序區(qū)各模塊之間的空余單元也可填入陷阱指令。通常用軟件陷阱來攔截亂飛的程序。因此，除了采用硬件抗干擾方法外，還要采取軟件抗干擾措施。內(nèi)循環(huán) 250 次 DJNZ R6,LOOP2 。下面的延時(shí)子程序法就是軟件去抖動(dòng)的一個(gè)例子。匯編語言程序沒計(jì)在整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)中占有非常重要的地位：在單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用中，匯編語言程序不僅是人—機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)話的基礎(chǔ)，而且直接影響單片機(jī)整個(gè)控制系統(tǒng)的控制特性。屏蔽是指用屏蔽體通過空間進(jìn)行電場、磁場或電磁場耦合的部分隔離開來，割斷其空間場的耦合通道。這是一種采用光電耦合器從電路上把干擾源和易干擾的部分隔離開來，使測控裝置與現(xiàn)場僅保持信號(hào)聯(lián)系，但不直接發(fā)生電的聯(lián)系的隔離技術(shù)。161 2 3 4ABCD4321DCBA TitleNumber RevisionSizeA4Date: 29May2021 Sheet of File: D:\業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)\IEEE\業(yè)業(yè)\業(yè)業(yè)\BACKUP~ By:U3 TLP521150+5 1K1K+12A+MG?9013U4 TLP521150+5 1K1K+12901374077407+12+12IN4001IN4001 38U1AT89S51圖 輸出驅(qū)動(dòng)原理圖繼電器的種類有好多種，本設(shè)計(jì)中采用的是超小型電磁繼電器——當(dāng)與電源回路并聯(lián)的勵(lì)磁線圈電壓或電流達(dá)到規(guī)定值時(shí)動(dòng)作，它的主要作用是電動(dòng)機(jī)失壓保護(hù)和制動(dòng)以及反轉(zhuǎn)控制等，有時(shí)也作過壓保護(hù)。V CC的電壓范圍是 10～30V。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，要接入電動(dòng)機(jī)這樣的高電壓和大電流設(shè)備，不能用單片機(jī)的 I/O 口線直接驅(qū)動(dòng)。因此，必須限制起動(dòng)電流，限制起動(dòng)電流的方法就是起動(dòng)時(shí)在電樞電路中串接起動(dòng)電阻。直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式分為他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)四種。直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩常用下式表示T＝KΦIK——與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)Φ——磁通量I——直流電機(jī)電樞繞組中的電流K 和 Φ 均為常數(shù)，所以電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩也就和電樞電流成正比。電樞鐵心呈圓柱狀，由硅鋼片疊成，表面沖有槽；槽戶放電樞繞組。因此，在控制領(lǐng)域中直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用是極其廣泛的。⑦無觸點(diǎn)、壽命長。由于光電耦合器件它有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛的被應(yīng)用到計(jì)算機(jī)測量控制系統(tǒng)中，成為接口技術(shù)中常用的十分重要的接口器件。光電耦合隔離器件就是由電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，再轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，達(dá)到輸入及對(duì)輸出級(jí)的隔離。 Vf——二極管正向壓降； Vces——Q 晶體管飽和壓降。反之 VO輸出為低電平。圖 光電傳感器示意圖 光電傳感器信號(hào)的處理光電耦合器實(shí)際上是一種光電傳感器。 傳感器是由敏感元件、傳感元件及測量轉(zhuǎn)換電路三部分組成的。71 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 25May2021 Sheet of File: D:\業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)\IEEE\業(yè)業(yè)\yuanlitu\ By:Y1 12MHZC430pFC530pFXTAL1XTAL2AT89S51圖 AT89S51 芯片的晶振連接圖 由 AT89S51 芯片、穩(wěn)壓電源、復(fù)位電路、時(shí)鐘源等構(gòu)成了單片機(jī)的最小系統(tǒng)。隨著充電電流的減小，RST 端的電位逐漸下降，只要在 RST 端有足夠長的時(shí)間保持閾值電壓，AT89S51 單片機(jī)便可自動(dòng)復(fù)位。Cl 一般在～1μF 之間，如 ，C2 可用 1μF。電壓的不穩(wěn)定有時(shí)會(huì)產(chǎn)生測量和計(jì)算的誤差，引起控制裝置的工作不穩(wěn)定，甚至根本無法正常工作。② SEN此引腳是片外程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。單片機(jī)由 AT89S51 單塊集成芯片電路構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：中央處理器 CPU、存儲(chǔ)器和 I/O 接口電路等。該機(jī)構(gòu)通過三只8手臂的交替移動(dòng)完成在高壓線上的爬行，較好的實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)越障功能，后續(xù)章節(jié)中我們將詳細(xì)介紹控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其具體過程與第一只臂的越障過程類似，在此不再贅述。這樣，機(jī)器人完成越障過程的第一個(gè)動(dòng)作——小臂張開。三只手臂均可完成升降、張開、閉合等動(dòng)作，分別由驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供動(dòng)力源。此巡線機(jī)器人應(yīng)用步進(jìn)式爬行機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)在管線上爬行，該機(jī)構(gòu)通過三只手臂的交替移動(dòng)完成爬行。 本設(shè)計(jì)的主要任務(wù) 本文主要結(jié)合巡線機(jī)器人的性能要求及工作環(huán)境來確定該機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，以AT89S51單片機(jī)為核心，完成硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件編程，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的計(jì)算機(jī)控制。因此，人工巡線效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，同時(shí)受到地理?xiàng)l件的限制。工業(yè)機(jī)器人大部分在汽車制造、電子、機(jī)械等行業(yè)從事焊接、油漆、裝配、包裝、零件加工、搬運(yùn)等專業(yè)性工作。這類機(jī)器人可接受遙控，對(duì)操作者的行為反應(yīng)可通過編程實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用于核工業(yè)、真空、宇宙、海洋開發(fā)等領(lǐng)域按應(yīng)用領(lǐng)域。今后的發(fā)展，除了繼續(xù)尋找新的智能技術(shù)之外，主要是各種技術(shù)的綜合運(yùn)用，相互補(bǔ)充。就像人一樣，需要幫助，需要借助外界的力量來完成自己的使命。移動(dòng)機(jī)器人的智能指標(biāo)為自主性、適應(yīng)性和交互性。此機(jī)器人具有自動(dòng)檢測障礙，并跨越障礙物，準(zhǔn)確行走、準(zhǔn)確定位等特征，結(jié)構(gòu)較簡單，易于實(shí)現(xiàn)。本控制系統(tǒng)以AT89S51 單片機(jī)為核心，根據(jù)傳感器檢測到的信號(hào)，分別控制 11 個(gè)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)，完成巡線機(jī)器人的各種動(dòng)作，按照預(yù)定的固定路線行走。移動(dòng)機(jī)器人要想走向?qū)嵱?，必需擁有能勝任的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)、精確的感知能力和具有既安全而又友好地與人一起工作的能力?！糁鲃?dòng)環(huán)境：目前制造一個(gè)完全自主的機(jī)器人是很困難的。當(dāng)前開發(fā)的各種智能技術(shù)，可用于不同的各個(gè)方面。 （3）遠(yuǎn)距離作業(yè)型。最初主要是為了解決工業(yè)生產(chǎn)中的自動(dòng)化問題，由機(jī)械手臂、控制裝置、機(jī)座、能源裝置和驅(qū)動(dòng)裝置等幾部分構(gòu)成。目前, 國內(nèi)巡線的方法主要依靠巡視人員的目測，很難達(dá)到理想的效果，特別是在地形復(fù)雜的山區(qū)，不僅巡線人員體力消耗大，而且效率也非常低；另外，在一些特殊的工作場合中，如鐵路電力機(jī)車供電系統(tǒng)，巡視人員在工作時(shí)人身安全常常受到威脅；一些國家由巡線工人乘坐懸掛在架空線上的吊籃進(jìn)行巡視，效率非常低下。此外，本課題是為了學(xué)習(xí)知識(shí)的需要，設(shè)計(jì)簡單，僅在實(shí)驗(yàn)室提供的機(jī)器人機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上完成并調(diào)試，與具體外界環(huán)境應(yīng)用中的機(jī)器人還有很大差距，有待于進(jìn)一步地研究與設(shè)計(jì)。其中，控制箱部分相當(dāng)于機(jī)器人的大腦，機(jī)械部分等同于機(jī)器人的軀體，根據(jù)接收到的光電傳感器和限位開關(guān)信號(hào)，控制器發(fā)出信號(hào)控制電機(jī)的起停及正反轉(zhuǎn)，最終完成巡線機(jī)器人的越障動(dòng)作。機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是越障機(jī)構(gòu)——機(jī)械臂的設(shè)計(jì)。當(dāng)檢測信號(hào)提示碰到障礙物時(shí)，機(jī)器人最前面開合電機(jī)正轉(zhuǎn)，控制手掌開合裝置動(dòng)作，使其相應(yīng)的小臂張開，張開限位傳感器檢測，若達(dá)到預(yù)定的位置后，檢測信號(hào)提示完成；否則，繼續(xù)檢測，機(jī)器人繼續(xù)向前行走。傳感器檢測到小臂閉合到位后，轉(zhuǎn)入第二只臂的越障過程。 小結(jié)本章簡單地介紹了巡線機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并對(duì)其越障過程進(jìn)行了詳細(xì)地分析，為硬件和軟件相結(jié)合的控制系統(tǒng)提供了平臺(tái)。M P U微 型 計(jì) 算 機(jī)A BD BC BR O M R A MI / O 接口外設(shè)圖 計(jì)算機(jī)平臺(tái)的基本機(jī)構(gòu) 控制器的結(jié)構(gòu)與組成 該設(shè)計(jì)選用的控制系統(tǒng)是 MCS51 單片機(jī)。在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE 用于鎖存出現(xiàn)在 P0 口的低 8 位地址，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。 表 1 P3 口引腳信號(hào)的第二功能 穩(wěn)壓電源電源提供的電壓往往會(huì)隨交流電源電壓的波動(dòng)和負(fù)載的變化而變化。C2 是為了瞬時(shí)增減負(fù)載電流時(shí)不致引起輸出電壓有較大的波動(dòng)。上電瞬間，RST 端的電位與 VCC相同。外部振蕩信號(hào)接至 XTAL2，而反相放大器