【文章內容簡介】 這就就是納英特智能機器人寄予青少年朋友們的一點希望。我們衷心地祝福今天的小機器人工程師，將來能成為真正的機器人工程師。 吉林化工學院畢業(yè)論文 3 第 2 章 方案設計 本方案硬件方面運用了 MSP430單片機小系統(tǒng)、 電機驅動模塊、光電隔離模塊、。在軟件方面運用 C語言編程 ，實現(xiàn)了對單片機的控制及顯示功能。 時鐘小系統(tǒng)電路以 MSP430F413單片機芯片為核心，外加電源、時鐘電路、復位電路和 LCD 顯示電路，整個系統(tǒng) 電路圖如圖 21所示。 圖 21 小系統(tǒng)電路 液晶驅動模塊模塊，是由十個數(shù)字 20根線，兩根線控制一個字，一個字有 8位，一根線控制 4 位。 其中最上面的三個電阻是起到了分壓的作用。 在對小機器人行走控制的設計中，芯片 L293D 也起到了相當重要的作用，之所以用到了這個芯片，是因為 L293D具有很多優(yōu)點，如電流連續(xù)；電機可四角限運行；電機停止時有微振電流，起到 “動力潤滑 ”作用，消除正反向時的靜摩擦死區(qū)；低速平穩(wěn)性好等。L293D 通過內部邏輯生成使能信號。 H橋電路的輸入量可以用來設置馬達轉動方向，使能信號可以用于 脈寬調整（ PWM）。另外， L293D將 2 個 H橋電路集成到 1 片芯片上，這就意味著用 1 片芯片可以同時控制 2 個電機。 采用集成芯片 L293D的驅動電路。 L293D可以驅動兩相或四相步進電機，可以直接用單片機的 I/O口提供控制信號，通過 L293D控制電機的轉向和速度。該驅動電路接線很簡單，也很容易控制，使用很方便。一個 L293D驅動一個電機的工作，本設計中 腿小機器人行走控制器設計 4 部 要用到 兩 個 L293D。驅動電路的四個輸入引腳分別接單片機的四個 I/O端口，當 MSP430單片機輸出 為高電平 （即為 1） 時， 通過光電隔離器，發(fā)光二極管發(fā)光 ，導通的電路為高電平 。即 E1=1， IN1 為 1， IN2 為 0 時，機器人正向邁步。 當 MSP430 單片機輸出 為低 電平 （即為 0） 時， 通過光電隔離器，發(fā)光二極管不發(fā)光，導通的電路為低電平。即E1=0， IN1 為 0， IN2 為 1 時，機器人返向邁步。 將兩路 PMW 控制信號分別接至兩路電機控制的使能引腳 EN12 和 EN34，通過調整 PWM 的占空比可以調整電機的轉速。將電機正反轉控制線分別接入 IN IN IN3 和 IN4，通過寫入不同的值控制兩個電機的正轉和反轉。 四個輸出端口則會驅動四相電機的換相動作。引腳高低電平轉化的頻率會直 接影響電機的轉速。高低電平的變化即方波的產(chǎn)生有兩種方法，一種是給端口一個高電平并延時一段時間，之后再給一個低電平，這樣電機的速度就由延時的時間決定。 小機器人腰部驅動電路設計和腿部設計是一樣的， 通過改變芯片控制端的輸入電平，即可以對電機進行正反轉操作， 從而通過小機器人腰部搖擺來帶動腿部行走。 吉林化工學院畢業(yè)論文 5 第 3 章 選用的器件說明 MSP430 系列單片機 MSP430 是美國 TI 公司推出的 16 位高性能系列單片機，其高效 16 位精簡指令結構可以確保任務的快速執(zhí)行，大多數(shù)指令可以在一個時鐘周期里完成，且具有高級語言編程能力，配套友好方便的集成開發(fā)環(huán)境足可加速軟件的開發(fā)。由于 MSP430 采用了 JTAG技術、 FLASH 在線編程技術、 BOOTSTRAP 等諸多先進技術，因此具有很高的性價比，并有超低的功耗和豐富的片上外圍資源，很適合作為移動設備的微控制器來用。 在結構上 MSP430系列單片機集成了一 部計算機的各個基本組成部分。雖然其工作原理與普通微機并無差異，但 MSP430系列單片機在結構上更加突出了體積小、功能強、面向控制的特點，具有很高的性能價格比。 MSP430系列單片機由 CPU、存儲器和外圍模塊組成，這些部件通過內部地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線相連構成單片微機系統(tǒng)。 MSP430的內核 CPU結構是按照精簡指令集的宗旨來設計的。具有豐富的寄存器資源、強大的處理控制能力和靈活的操作方式。 MSP430的存儲器結構采用了統(tǒng)一編址方式，可以使得對外圍模塊寄存器的操作象普通的 RAM單元一樣方便、靈活。 MSP430存儲器的信息類型豐富，并具有很強的系統(tǒng)外圍模塊擴展能力。 MSP430 系列單片機的特點 MSP430系列單片機是于上世紀九十年代開發(fā)出的產(chǎn)品，已在許多領域得到了廣泛應用。 MSP430 系列單片機具有以下主要特點： 超低功耗。 強大的處理能力。 高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊。 方便高效的開發(fā)環(huán)境。 系列化產(chǎn)品。 MSP430 系列單片機的各系列產(chǎn)品型號、研發(fā)順序如圖 31所示： 小機器人行走控制器設計 6 圖 31 MSP430 系列單片機各系列產(chǎn)品 MSP430 單片機結構概述 MSP430 系列單片機結構框圖如圖 32所示，其結構特點如下： 16 位 CPU通過總線連接到存儲器和外圍模塊。 直接嵌入仿真處理，具有 JTAG 接口。 16 位數(shù)據(jù)寬度，數(shù)據(jù)處理更為有效。 圖 32 MSP430系列單片機結構框圖 MSP430 系列單片機包含以下主要功能部件： CPU： MSP430 系列單片機的 CPU 和通用微處理器基本相同，只是在設計上采用了面向控制的結構和指令系統(tǒng)。 MSP430的內核 CPU結構是按照精簡指令集和高透明的宗旨而吉林化工學院畢業(yè)論文 7 設計的，使用的 指令有硬件執(zhí)行的內核指令和基于現(xiàn)有硬件結構的仿真指令。這樣可以提高指令執(zhí)行速度和效率，增強了 MSP430的實時處理能力。 存儲器 ：存儲程序、數(shù)據(jù)以及外圍模塊的運行控制信息。分為程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。對程序存儲器訪問總是以字的形式取得代碼，而對數(shù)據(jù)可以用字或字節(jié)方式訪問。其中 MSP430各系列單片機的程序存儲器有 ROM、 OTP、 EPROM 和 FLASH型。 外圍模塊（片內外設） ：經(jīng)過 MAB、 MDB、中斷服務及請求線與 CPU相連。 MSP430 不同系列產(chǎn)品所包含外圍模塊的種類及數(shù)目可能不同。它們分別是以下一些 外圍模塊的組合：時鐘模塊、看門狗模塊、定時器 A、定時器 B、比較器 A、串口 0、 硬件乘法器、液晶驅動器、模數(shù)轉換器、數(shù)模轉換器、輸入輸出端口、基本定時器、 DMA控制器等。 MSP430 CPU 結構和特點 寄存器資源豐富。 寄存器操作為單周期。 16 位地址總線。 常數(shù)發(fā)生器。 直接的存儲器到存儲器訪問。 MSP430 單片機 CPU 內集成了 16 個寄存器，如圖 31所示，減小了指令執(zhí)行時間。寄存器到寄存器操作執(zhí)行時間是一個 CPU周期。其中 4個寄存器用作特殊用途： R0是程序計數(shù)器（ PC）， R1 是堆棧指針 （ SP）， R3是狀態(tài)寄存器， R4是常數(shù)發(fā)生器。其余 12個（ R4 至 R15） 都可以用作通用寄存器。 表 31 MSP430CPU內寄存器 標號 作用 標號 作用 標號 作用 PC/R0 程序計數(shù)器 PC R6 通用寄存器 R12 通用寄存器 SP/R1 堆棧指針 SP R7 通用寄存器 R13 通用寄存器 SR/CG1/R2 狀態(tài)寄存器 SR R8 通用寄存器 R14 通用寄存器 CG2/R3 常數(shù)發(fā)生器 R9 通用寄存器 R15 通用寄存器 R4 通用寄存器 R10 通用寄存器 R5 通用寄存器 R11 通用寄存器 小機器人行走控制器設計 8 MSP430 存儲器和地址空間分配 對于 MSP430 系列產(chǎn)品中不同型號的單片機，地址空間分配也不相同。但都包含以下幾個部分：程序存儲器、信息存儲器、引導存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、外圍模塊寄存器和 特殊功能寄存器 等。 程序存儲器：存儲程序、中斷向量。對程序存儲器訪問總是以字的形式取得代碼。其中 MSP430 各系列單片機的程序存儲器有 ROM、 OTP、 EPROM和 FLASH型。程序存儲器地址由 0FFFFh 指向低位地址。 MSP430 系列產(chǎn)品中不同型號單片機，程序存儲器空間大小不同。 MSP430F41 MSP430F449存儲器和地址空間分配如表 32所示。 表 32 MSP430F41 MSP430F449的存儲器和地址空間分配表 存儲器名稱 存儲器大小 存儲器起止地址 MSP430F413 MSP430F449 MSP430F413 MSP430F449 程序存儲器（ Flash） 8K Byte 60K Byte 0FFFFh0E000h 0FFFFh01100h 中斷向量存儲區(qū)（ Flash） 32 Byte 32 Byte 0FFFFh0FFE0h 0FFFFh0FFE0h 信息存儲器（ Flash） 256 Byte 256 Byte 010FFh01000h 010FFh01000h 引導存儲區(qū)（ ROM） 1K Byte 1K Byte 0FFFh0C00h 0FFFh0C00h 數(shù)據(jù)存儲區(qū)（ RAM） 256 Byte 1K Byte 02FFh0200h 09FFh0200h 外圍模塊寄存器 240 Byte 240 Byte 01FFh010h 01FFh010h 特殊功能寄存器 16 Byte 16 Byte 0Fh0h 0Fh0h 中斷向量存儲區(qū)： MSP430系列產(chǎn)品中不同型號的單片機，中斷向量隨所含外圍模塊不同而不同，但每一模塊的中斷向量地址基本固定不變。都定義在程序存儲器的0FFE0h0FFFFh地址區(qū)間， MSP430F413 中斷向量定義如表 。 表 MSP430F413的中斷向量 (由 0xFFE0偏移 ) define BASICTIMER_VECTOR (0 * 2) /* 0xFFE0 基本定時器 */ define PORT2_VECTOR (1 * 2) /* 0xFFE2 PIO 端口 2 */ define PORT1_VECTOR (4 * 2) /* 0xFFE8 PIO 端口 1 */ 吉林化工學院畢業(yè)論文 9 define TIMERA1_VECTOR (5 * 2) /* 0xFFEA 定時器 Timer A CC12 */ define TIMERA0_VECTOR (6 * 2) /* 0xFFEC 定時器 Timer A CC0 */ define WDT_VECTOR (10 * 2) /* 0xFFF4 看 門狗定時器 */ define COMPARATORA_VECTOR (11 * 2) /* 0xFFF6 比較器 A */ define NMI_VECTOR (14 * 2) /* 0xFFFC 非屏蔽中斷 */ define RESET_VECTOR (15 * 2) /* 0xFFFE 系統(tǒng)復位 */ 數(shù)據(jù)存儲器 ： 存儲數(shù)據(jù) ， 對數(shù)據(jù)可以用字或字節(jié)方式訪問。對于 MSP430系列產(chǎn)品中不同型號的單片機，數(shù)據(jù)存儲器空間大小可能不同。但數(shù)據(jù)存儲器地址都是由 200h指向高 位地址。 外圍模塊寄存器：列于 存儲器地址 10h 至 1FFh 區(qū)間。 對于 MSP430系列產(chǎn)品中不同型號單片機所包含外圍模塊的種類及數(shù)目可能不同，它們分別是以下一些外圍模塊的組合：時鐘模塊、看門狗、定時器 A、定時器 B、比較器 A、串口 0、 硬件乘法器、液晶驅動器、模數(shù)轉換、數(shù)模轉換、端口、基本定時器、 DMA 控制器等。但各模塊在 MSP430不同型號單片機中的地址基本不變。外圍模塊通過數(shù)據(jù)、地址和控制總線與 CPU相連接。通過所有存儲器操作指令可以很容易地對它們進行控制。 特殊功能寄存器 ： MSP430系列單片機最低 16 字 節(jié) 存儲器（地址 0h至 0Fh區(qū)間 ） 用于 特殊功能寄存器地址 。對于 MSP430 系列產(chǎn)品中不同型號單片機所包含 特殊功能寄存器及 特殊功能寄存器 中控制位的種類、數(shù)目及定義可能不同。 電機 驅動電路 的設計 芯片 L293D的特點 機器人的電動機通常用 L293D 芯片來驅動，這是一個較大功率的驅動芯片，它有 2種輸入電源，工作電壓為 5V，馬達驅動電壓最高能超過 24V。最大驅動電流 1A，這對于24V 的減速馬達已經(jīng)足夠。市面上大部分微型減速馬達都是 12～ 24V 的。每個 L293D 芯片可分別控制 2個馬達的正反方向轉動。如圖 所示， VCC1為 5V 電壓， VCC2為 9～ 24V電壓。 7 腳為一組， 1 1 15 腳為二組，每一組腳控制一個馬達的正反轉動。 一組中， 1為一組的使能，高電平有效。 6 腳接馬達， 7接單片機的 IO口，由單片機控制馬達的轉向和運動、停止等。 小機器人行走控制器設計 10 二組中， 9 為二組的使能，高電平有效。 1 14腳接馬達， 15 接單片機的 IO口，由單片機控制另一馬達的轉向和運動、停止等。 圖 33 芯片 L293D引腳圖 直流電機 直流電機也成為 DC 電機，ＤＣ是直流的英文 Diredt Current的縮寫。在機器人中使用的電機幾乎都是這種類型的電機。在這種電機的內部，電源分別接到左側的兩個電刷上。中間的零件是稱為轉子和電樞的旋轉部件，轉子的左側裝有被分割三塊的電極。通過這個特殊結構的電極和電刷，電機內的電流在不斷地改變方向，以保證轉子的旋轉方向不變。右端是電機的鐵質外 殼，它還與永磁鐵一道兼作電機內磁場的磁通路。 電機的轉速隨著轉矩的增加將會降低。這就意味著當機器人需要爬破時，電機受到的外部力矩增大時，電機的轉速就會降低，但同時電機產(chǎn)生的轉矩將會增大，這個增大的轉矩能起到補償電機轉速下降的作用。此外，由于電機產(chǎn)生的轉矩與流過電機的電流成正比，因此，流過電機的電流越大電機產(chǎn)生的轉矩就會越大。當需要大的轉矩時，只要在電機允許的最大電流范圍之內，可以通過增大電機電流的方法加以解決。在直流電機中，當電機的轉速比較慢時，流過電機的電流會很大。因此，當電機從停止狀態(tài)開始啟動，需要的轉 矩比較大時，直流電機正好能夠滿足這一要求。由于直流電機具有這些特點，因此，永磁式直流電機使用起來非常方便。但是，也正是由于直流電機具有的這一特性，在使用這種電機時，有一個問題必須注意。正如前面所述，當電機不轉時，電機中會流過一個更大的電流，對于直流電吉林化工學院畢業(yè)論文 11 機來說，在這種狀態(tài)下負載是最大的。因此，當電機的軸被卡住不能旋轉時，如果繼續(xù)給電機加電壓就會燒毀電機。請大家千萬不要忘記，直流電機在不轉時負載是最大的。 電機驅動資料匯總 驅動電路 （ 1）帶光耦 H 橋直流電機驅動電路 直流電機驅動電路使用最 廣泛的就是 H 型全橋式電路，這種驅動電路可以很方便實現(xiàn)直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。 它的基本原理圖如圖 1 所示。 全橋式驅動電路的 4 只開關管都工作在斬波狀態(tài)， S S2 為一組， S S4 為另一組，兩組的狀態(tài)互補，一組導通則另一組必須關斷。當 S S2 導通時， S S4關斷，電機兩端加正向電壓，可以實現(xiàn)電機的正轉或反轉制動；當 S S4 導通時，S S2 關斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉或正轉制動。 在小 機器人 動作的過程中，我們要不斷地使電機在四個象限之間切 換，即在正轉小機器人行走控制器設計 12 和反轉之間切換，也就是在 S S2 導 通且 S S4 關斷，到 S S2 關斷且 S S4導通，這兩種狀態(tài)之間轉換。在這種情況下，理論上要求兩組控制信號完全互補，但是，由于實際的開關器件都存在開通和關斷時間，絕對的互補控制邏輯必然導致上下橋臂直通短路，比如在上橋臂關斷的過程中，下橋臂導通了。 因此，為了避免直通短路且保證各個開關管動作之間的協(xié)同性和同步性，兩組控制信號在理論上要求互為倒相的邏輯關系，而實際上卻必須相差一個足夠的死區(qū)時間，這個矯正過程既可以通過硬件實現(xiàn)，即在上下橋臂的兩組控制 信號之間增加延時，也可以通過軟件實現(xiàn) 驅動電流不僅可以通過主開關管流通，而且還可以通過續(xù)流二極管流通。當電機處于制動狀態(tài)時，電機便工作在發(fā)電狀態(tài)，轉子電流必須通過續(xù)流二極管流通，否則電機就會發(fā)熱，嚴重時燒毀。 開關管的選擇對驅動電路的影響很大，開關管的選擇宜遵循以下原則： ① 由于驅動電路是功率輸出，要求開關管輸出功率較大； ② 開關管的開通 和