【文章內(nèi)容簡介】 控制、 PWM波形產(chǎn)生、步態(tài)控制 等 。 其中較難懂的為 控制原理的設(shè)計 、程序分析和步態(tài)分析。 三江學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 第二章 控制 系統(tǒng)設(shè)計 單片機(jī)介紹 At89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非 易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完 全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng) 可編程Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能 ： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏 輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍 結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 單片機(jī)電路上還需有一個復(fù)位開關(guān)、一個信號接收端口、一個單刀雙擲開關(guān)一個和 +5V 輸入電源一個。 單片機(jī)功能介紹 VCC：電源正極輸入， GND：電源接地端 。 RST:復(fù)位輸出端。復(fù)位后，寫入單片機(jī)內(nèi)的程序從起點(diǎn)重新運(yùn)行 。 EA/VPP：片內(nèi)程序存儲器選擇輸入信號端 /編程電壓輸入端，高電平有效；當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行時，若在此引腳加上持續(xù)時間按大于兩個機(jī)器周期的高電平，就會完成復(fù)位操作，使單片機(jī)恢復(fù)到初始狀態(tài)對于 AT89C5 AT89C52，當(dāng)使用內(nèi)部 ROM 時 ，讓其接 5V高電平。 XTAL1：震蕩器反向放大器及內(nèi)部時鐘的輸入端 ， XTAL2：震蕩器反向放大器的輸出端。 在 XTAL1 與 XTAL2 之間接石英振蕩器，給 MCU 的工作提供時鐘，當(dāng)前，對于 MCS51 系列，最高可使用 24MHz。 PSEN(非 )：片外程序存儲器讀選通信號線，低電平有效。當(dāng)從外部程序存儲器讀取指令或數(shù)據(jù)期間，每個機(jī)器周期該信號兩次有效，以通過數(shù)據(jù)總線 P0 口讀回指令或常數(shù)，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器期間， PSEN(非 )信號處于無效狀態(tài)。 ALE/PROG(非 )：地址鎖存允許信號。 ALE 在每個機(jī)器周期內(nèi)輸出 兩個脈沖。在訪問片外程序存儲器期間，下降沿用于控制鎖存 P0口輸出的低 8三江學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 位地址；在不訪問片外程序存儲器期間可作為對外輸出的時鐘脈沖信號或用于定時，此頻率為震蕩頻率的 1/6。對于 EPROM 型的單片機(jī)，在 EPROM編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。 當(dāng) VCC發(fā)生故障時，降低到低電平規(guī)定值或掉電時，改引腳可接上備用電源 VPD(+5V)為內(nèi)部 RAM 供電。以保證 RAM 中的數(shù)據(jù)不丟失。 P0口： P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口， 也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 TTL 邏 輯門電路，對端口 P0 寫 “1” 時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 在 Flash 編程時， P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。 P1 口是一個內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P1的輸入緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫 “1” ，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸出口。作輸入口時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時輸出一個 電流（ I）。 Flash 編程和程序校驗期間， P1口接收 8 位地址。 P2 口： P2 口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2 的輸入緩沖極可以驅(qū)動（輸入或輸出電流） 4個 TTL邏輯門電路。對端口 “1” ，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時和作為輸出口，作輸出口時，因為存在內(nèi)部上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部存儲器或 1 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX@DPTR 指令）時， P2口送出高 8位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行 MOVX@RI 指令）時，P2口線的內(nèi)容（也 既特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中 R2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。 Flash 編程或校驗時， P2亦接收高地址和其他控制信號。 舵機(jī)工作原理 舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動器，它接收一定的控制信號，輸出一定得角度。適用于那些需要角度不斷變化把那個可以保持的控制系統(tǒng)。例如四 腳 柱狀甲蟲機(jī)器人。 舵機(jī)的工作原理是：控制信號由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為 20ms，寬度為 的基準(zhǔn)信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差 輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，通三江學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，直到電壓差為 0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。舵機(jī)的控制信號為 PWM 信號，利用占空比的變化改變舵機(jī)的位置。 圖 21 標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī) 標(biāo)準(zhǔn)的舵機(jī)有三條導(dǎo)線，分別是：電源線、地線、控制線。 圖 22 舵機(jī)實(shí)物圖 控制方法：電源線和地線用于提供內(nèi)部的直流電機(jī)和控制線路所需的能源，電壓通常介于 4V~6V 之間一般取 5V。注意給多級供電的電源應(yīng)能提供足夠的功率?？刂凭€輸入的是一個寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號，方 波脈沖信號周期為 20ms。當(dāng)方波的脈沖寬度改變 時，多級轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比關(guān)系， 如圖 22 所示。 三江學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 圖 23 舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號脈沖寬度的關(guān)系 舵機(jī)的驅(qū)動電路 一般在以單片機(jī) P1口作為端口輸出，輸出的多路 PWM信號通過光耦隔離傳送到下一級電路。因為通過光耦傳動過程中進(jìn)行了反相，因此通過光耦出來的信號必須經(jīng)過反相器進(jìn)行反向。方波信號經(jīng)過光耦傳輸后，前沿和后沿會發(fā)生畸形，因此反相器還要具有整形功能，對傳過來的信號進(jìn)行整形產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的方波信號。但是本次設(shè)計只需 8路信號且采用的是舵機(jī) ， 可采用直接輸出信號。 因此從 硬件和成本方面考慮本次設(shè)計無需添加光耦和反相器。 PWM信號的產(chǎn)生 PWM波產(chǎn)生的原理和產(chǎn)生的方法 主程序與中斷服務(wù)程序相結(jié)合可以完成多路 PWM信號的輸出，并且有空余的時間完成其他功能，如動作分析、相關(guān)計算與其他處理器通信等。舵機(jī)所需的控制信號的高電平時間為 ～ ms，單個舵機(jī)控制信號周期 T為 20ms，其中變化的時間為 t，每一個舵機(jī)控制信號至少有 。對一個周期內(nèi)的所有路 PWM信號，按照高電平的時間長度 進(jìn)行排序，在 20ms內(nèi)，首先置 ， t ms后取反，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸將轉(zhuǎn)到 t ms對應(yīng)的角度。 t的最大取值為，在 ，則在 20ms內(nèi)最多可以控制 8路信號（ 20ms/=8）， P1口的 8路 PWM波輸出示意圖 如下圖 24所示。 三江學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 圖 24 PWM輸出示意圖 本章主要講了機(jī)器人 控制 硬件的 設(shè)計 。 舵機(jī)的控制是其中的關(guān)鍵。 圖 25是 本設(shè)計的 控制 結(jié)構(gòu)框 圖： 圖 25 設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖 A T 8 9 S 5 2 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 舵機(jī) 01 舵機(jī) 02 舵機(jī) 03 舵機(jī) 04 舵機(jī) 05 舵機(jī) 06 舵 機(jī) 07 舵機(jī) 08 電源模塊 人機(jī)接口 時鐘電路模塊 復(fù)位電路模塊 三江學(xué)院 2021屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 第三章 電路圖的 設(shè)計 99SE簡介 Protel作為中國最流行的 EDA軟件，其在中國的普及程度確實(shí)是其他 EDA軟件所不能比擬的， Protel從其 DOS版開始，就已經(jīng)在中國普及，最先推出的 Tango以其方便使用的功能受到廣大業(yè)界用戶的歡迎，其后一直追隨操作系統(tǒng)的變更推出最新的 Protel版本。目前最新的是 ProtelDXP，最新版本雖然功能不差，但運(yùn)行要求過高，目前使用比較多的還是 Protel 99SE。 Protel 99SE是個龐大的 EDA軟件，完全安裝需要 200多兆的空間，它是一個完整的板級全方位電子設(shè)計系統(tǒng)，包含了電路原理圖繪制、模擬電路與數(shù)字混合信號仿真、多層印制電路板設(shè)計、信號完整性分析、可編程邏輯器件設(shè)計、圖標(biāo)生成、電子表格生成、支持宏操作等功能，并具有 Client/Server體系結(jié)構(gòu)，同時還兼容一些其他設(shè)計軟件的格式，如 ORCAD,PSPICE,Excel等，其多層印制線路板的自動布線可實(shí)現(xiàn)高密度 PCB的 100%布通率。 設(shè)計 電路原理圖設(shè)計主要是為了以后讀圖方便和生成網(wǎng)絡(luò)報表給后期電路板設(shè)計使用的，原理圖設(shè)計的步驟基本可以用下面的 設(shè)計流程來表示：