【文章內(nèi)容簡介】 功能模塊In1In2運轉(zhuǎn)狀態(tài)0XX停止110正轉(zhuǎn)101反轉(zhuǎn)111剎停100停止芯片的6腳(ENA)和1腳(ENA)，用于控制電機的運轉(zhuǎn)和停止。芯片的5腳(IN1),12腳(IN4)，7腳(IN2)和10腳(IN3)，用于控制電機的轉(zhuǎn)向。芯片的2腳(OUTI)和14腳(OUT4)，3腳(OUT2)和13腳(OUT3)是驅(qū)動器的輸出端。所以需要在L298的輸出端接8個肖恩二極管11EQS06組成續(xù)流電路，將電機產(chǎn)生的感應(yīng)電流消耗，防止對電路產(chǎn)生影響。L298還提供了兩個負(fù)載電流的反饋引腳:1腳和15腳接地，此時就可以通過對1腳或者15腳進行A/D采樣，來得到電路中負(fù)載電流，(Vs)和9腳(VSS)兩個電源引腳，4腳為電機驅(qū)動電源輸入端，該電壓需要比9腳輸入電壓大，否則將會影響芯片的正常工作，而9腳為芯片工作電壓輸入端.。第4章 視覺輪式移動移動機器人的底層控制167。 步進電機控制原理步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度，因此非常適合于單片機控制。步進電機可分為反應(yīng)式步進電機（簡稱VR）、永磁式步進電機（簡稱PM）和混合式步進電機（簡稱HB）。步進電機區(qū)別于其他控制電機的最大特點是，它是通過輸入脈沖信號來進行控制的，即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。步進電機的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。其基本原理作用如下：(1)控制換相順序通電換相這一過程稱為脈沖分配。例如：三相步進電機的三拍工作方式，其各相通電順序為ABC－D,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷。(2)控制步進電機的轉(zhuǎn)向如果給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)。(3)控制步進電機的速度如果給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步。兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機發(fā)出的脈沖頻率，就可以對步進電機進行調(diào)速。步進電機是依靠有序的步進脈沖運動的，利用單片機控制步進電機運動是非常適合的。整個系統(tǒng)包含PIC16F877，步進電機驅(qū)動器L298和步進電機。本設(shè)計是單片機控制兩臺步進電機。PIC16f877單片機的作用是接受命令，完成相應(yīng)的功能，并作為脈沖邏輯分配器，輸出步進電機所需要的時序脈沖。步進電機可以向任意方向旋轉(zhuǎn)和停止，實現(xiàn)了所謂“位置控制”的動作。每個輸入脈沖決定了步進電機轉(zhuǎn)動的角度。步進電機只是根據(jù)輸入脈沖數(shù)旋轉(zhuǎn)和停止，適合于位置控制，把運動所必需的脈沖數(shù)，以動作所需要的速度輸入給電機，就能夠正確的控制位置而運動。步進電機的運行要有一個電子裝置進行控制，這個裝置就是步進電機驅(qū)動器，它是將控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號放大以驅(qū)動步進電機。步進電機的轉(zhuǎn)速與脈沖信號的頻率成正比，控制脈沖信號的頻率可以對電機精確調(diào)整；控制脈沖數(shù)可以對電機精確定位167。 移動機器人的運動模型圖41 輪子的示意圖圖41為輪子的示意圖，設(shè)移動機器人與跟蹤物體的原始距離為，上層系統(tǒng)傳送移動機器人與跟蹤物體的距離為，則移動機器人運動的距離為L=。176。的步進電機。輪子轉(zhuǎn)動的角度為：（41）步進電機的步數(shù)位： （42）當(dāng)=時，機器人不運動，步進電機沒有轉(zhuǎn)動。圖42為移動機器人直線運動示意圖，當(dāng)移動機器人的上層傳達一個角度為a=0176。時，在直角坐標(biāo)系上，沒有往X軸上有分量，移動機器人則直線運動。當(dāng)L0時，移動機器人前進。當(dāng)L0時，移動機器人后退。當(dāng)移動機器人直線運動時，左輪和右輪保持相同的速度運動和轉(zhuǎn)向。則輪子移動的距離就是移動機器人與跟蹤物體的距離。則步進電機的步數(shù)位：(43)圖42 移動機器人直線運動示意圖圖43為機器人前進并轉(zhuǎn)彎運動示意圖，當(dāng)機器人上層系統(tǒng)傳送“機器人旋轉(zhuǎn)a176。和L0”的命令時，則移動機器人從X1Y1坐標(biāo)系運動到X2Y2坐標(biāo)系。圖43 移動機器人右轉(zhuǎn)示意圖移動機器人先完成轉(zhuǎn)彎在進行前進。在轉(zhuǎn)彎時，從圖可知左輪為正轉(zhuǎn)，右輪為反轉(zhuǎn)。輪子移動的距離為：S=ar（44）則輪子移動的角度為：（45）則驅(qū)動步進電機的脈沖數(shù)為：（46）轉(zhuǎn)彎完成后，移動機器人為直線運動。左輪為正轉(zhuǎn)，右輪為正轉(zhuǎn)。公式參考43.移動機器人前進左轉(zhuǎn)和后退轉(zhuǎn)彎時，我們可以參照前進右轉(zhuǎn)時計算。對本類移動機器人的控制就是通過控制算法求出輪子的步速，通過改變單片機輸出的脈沖波，完成對移動機器人的底層控制。167。 控制器的軟件設(shè)計在歸納了移動機器人各種運動行為的基礎(chǔ)上，我們定義了如下的電機的控制指令::兩個電機啟動。2正常停機指令:兩個電機停止。:兩個電機同時在現(xiàn)有速度基礎(chǔ)上增加一個數(shù)量級，實現(xiàn)加速。:兩個電機同時在現(xiàn)有速度基礎(chǔ)上減小一個數(shù)量級，實現(xiàn)減速。:改變一個步進電機的轉(zhuǎn)向，完成轉(zhuǎn)彎后作直線運動。:兩個步進電機以相同的速度和轉(zhuǎn)向運動。這些指令覆蓋了差動輪式移動系統(tǒng)的所有基本動作，通過一系列電機控制指令的組合就可以靈活地控制機器人完成它所能夠做到的任何動作。當(dāng)移動機器人需要做出某種動作時，車載機只須將期望動作翻譯為一個電機指令序列，發(fā)布給運動控制器，運動控制器就可以按部就班地控制機器人予以完成。控制器的工作是接收控制指令，并根據(jù)指令改變電機驅(qū)動器的輸入脈沖頻率。對PIC16F877微控制器而言，輸出脈沖頻率的改變是通過不斷改變通道寄存器增量值來實現(xiàn)。脈沖頻率寄與通道存器設(shè)定值之間的關(guān)系式為:.其中f為當(dāng)前的脈沖頻率，A為定時器計數(shù)頻率，x為當(dāng)前的脈沖寬度（當(dāng)前頻率下通道寄存器設(shè)定值的增量)。調(diào)速時通道寄存器增量的計算公式為:。其中，為脈沖頻率的增減量，Y為要獲得的脈沖寬度(期望頻率下通道寄存器設(shè)置值的增量)。實現(xiàn)這一功能的脈寬計算子程序流程圖如下圖。單片機程序由主程序、中斷子程序和一些功能子程序組成，其中中斷子程序是核心，主要工作都在中斷子程序中完成。主程序首先完成RAM區(qū)、各個端口、各個功能寄存器的初始化工作，然后打開定時器1的溢出中斷，進入中斷等待，并維護看門狗電路。通訊中斷子程序在有串口數(shù)據(jù)到來時被觸發(fā)，對接受到的指令做初步分析，分類放入指定的命令存儲區(qū)，等待處理。定時中斷子程序是整個電機控制的中樞神經(jīng)，它的流程圖如圖41。中斷子程序首先對命令存儲區(qū)的數(shù)據(jù)進行判斷，當(dāng)有新的指令時，調(diào)用命令解釋子程序，對命令存儲區(qū)的數(shù)據(jù)進行解釋和處理。在命令解釋子程序中，當(dāng)命令為增/減速指令時調(diào)用脈寬計算子程序計算該輸出比較通道的增量值，寫入數(shù)據(jù)區(qū)(通道寄存器增量值的存放區(qū))，并判斷當(dāng)前電機狀態(tài)，寫入電機狀態(tài)標(biāo)志字。當(dāng)不是增減速指令時，因期望狀態(tài)都無法一步到達(如啟動、停機、速度設(shè)置等)，程序會根據(jù)電機狀態(tài)標(biāo)志字先判斷當(dāng)前電機狀態(tài)，根據(jù)命令區(qū)數(shù)據(jù)生成期望狀態(tài)，對比兩狀態(tài)差異。決定通道中斷的狀態(tài)，然后若通道中斷為開啟狀態(tài)，程序?qū)⒄{(diào)用脈寬計算子程序計算下一步的增量值，寫入數(shù)據(jù)區(qū)，根據(jù)該指令為各個電機的狀態(tài)標(biāo)志字置位，最后返回。下面以啟動為例對該流程予以說明:當(dāng)前處于停機狀態(tài)，接收命令為啟動，命令解釋程序會產(chǎn)生運行期望，將對應(yīng)的通道中斷打開，為該通道的數(shù)據(jù)區(qū)成初值，置為狀態(tài)標(biāo)志字的啟動位，然后返回。溢出中斷子程序中將通道中斷打開后，便標(biāo)志著移動機器人開始處于運動狀態(tài)，通道中斷子程序便在每一次中斷中將代表脈沖寬度的增量值加到通道寄存器中，從而產(chǎn)生一定頻率的脈沖。通道中斷子程序流程圖，進入中斷子程序后，程序首先判斷電機狀態(tài)字，若現(xiàn)在處于某種設(shè)定狀態(tài)(如上面設(shè)定的啟動狀態(tài)等)，則程序會根據(jù)狀態(tài)字的標(biāo)志位跳轉(zhuǎn)到各個狀態(tài)的入口，完成該狀態(tài)需要的計算和設(shè)定，若不是處于某過渡狀態(tài)，則程序直接設(shè)定通道寄存器的值，移動機器人保持當(dāng)前運行狀態(tài)。圖44 運動控制系統(tǒng)流程圖結(jié)　論本設(shè)計主要完成以下工作：（1） 簡要的介紹了移動機器人的歷史和在國內(nèi)外的現(xiàn)狀。從總體上介紹了視覺導(dǎo)航（2） 選擇步進電機為移動機器人驅(qū)動電機。上層系統(tǒng)計算移動機器人的角度和距離等信息傳給下層系統(tǒng)，通過分析得到機器人的運動狀態(tài)，計算等到輪子的步數(shù)等。完成軟件的編寫，實現(xiàn)了對步進電機的預(yù)期控移動機器人的兩個重要部分（視覺處理和運動控制）。（3） 選擇電路元件—單片機PIC16F87步進電機驅(qū)動器L29穩(wěn)壓電源LM7805。完成了底層控制原理圖的設(shè)計。設(shè)計應(yīng)用了propel99SE軟件制作電路圖并完成PCB版圖的設(shè)計。制。 參考文獻[1]彭樹生編著 PIC單片機實踐與系統(tǒng)設(shè)計 電子工業(yè)出版社[2]求是科技編著 PIC單片機典型模塊實例導(dǎo)航 人民郵電出版社[3]張俊謨編著 單片機中級教程——原理與應(yīng)用 北京航空航天大學(xué)出版社[4]老虎工作室 張偉 王立 編著 PROTEL 99SE 基礎(chǔ)教程 人民郵電出版社[5]劉錦波 張誠慧 等 編著 電機與拖動 清華大學(xué)出版社[6]譚建成 電機控制專用集成電路 北京:機械工業(yè)出版社, 2003.[7]王福瑞等 單片機微機測控系統(tǒng)設(shè)計大全．北京：北京航空航天大學(xué)出版社 1998．[8]陳理壁．步進電機及其應(yīng)用．上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1989．[9]劉保延等．步進電機及其驅(qū)動控制系統(tǒng)：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997．[10]南建輝等．MCS51單片機原理及應(yīng)用實例[M]．清華大學(xué)出版社，2004．[11]霍迎輝，陳字翔．步進電機的微機和單片機控制．電機技術(shù)，2005．1．[12]余永權(quán)，李小青等．單片機應(yīng)用系統(tǒng)的功率接口技術(shù)．北京航空航天大學(xué)出版，1990[13] 王鴻鈺. 步進電機控制技術(shù)入門[M]. 上海:同濟大學(xué)出版社，1990.[14]李君凱. 步進電機控制系統(tǒng)[J]. 自動化與儀器儀表， 2003[15]黃文平. 淺談步進電機的驅(qū)動[J]. 機床電器，2004[16]霍迎輝,陳宇翔. 步進電機的微機和單片機控制[J]. 電機電器技術(shù)，2003[17]劉清. 一種控制步進電機轉(zhuǎn)速的方法[J].，2004[18]王彥增. 步進電機速度控制的軟件設(shè)計方法[J]. 機械與電子，1994 [19]清源計算機工作室編著 Propel 99原理圖與PCB設(shè)計 機械工業(yè)出版社，2000 [20]梁軍等編 單片機原理及應(yīng)用 東南大學(xué)出版社，2000[21]何立民編著 單片機高級教程 北京航空航天大學(xué)出版社，2000[22]：清華大學(xué)出版社，2000[23]蔡自興，賀漢根，2002[24]歐青立，2000[25]蔡自興，2004[26]劉娟，蔡自興，2002[27]高鵬等編著 Protel99 入門與提高 人民郵電出版社 ，49致　謝首先,要感謝我的導(dǎo)師—00。在他的關(guān)懷與熱心指導(dǎo)下，我順利的完成了畢業(yè)設(shè)計。他認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)風(fēng)格深深感染了我。首先他給了我很大的自由空間和充分的信任，促使我在倒立擺控制系統(tǒng)控制器的設(shè)計方面進行自己的思考，其次在細節(jié)上又能循循善導(dǎo)，提出我設(shè)計的不足和改進辦法，使我認(rèn)識到自己需要提高的地方，對我以后研究生的學(xué)習(xí)也會有很大幫助。其次，在畢業(yè)設(shè)計過程，通過與同學(xué)們相互討論心得、相互鼓勵，使我對大學(xué)所學(xué)專業(yè)課程有了更全面的理解和初步的應(yīng)用?！叭诵校赜形?guī)熝伞?，本次設(shè)計中，在老師和同學(xué)們身上學(xué)到很多可貴的東西，我認(rèn)識到交流的重要性，學(xué)習(xí)更需要交流。最后，在即將繼續(xù)進行研究生的學(xué)習(xí)之前，我再一次感謝為我們辛勤工作、付出汗水的老師們和相互幫助的同學(xué)們。附　錄運動控制系統(tǒng)電路圖PCB版圖程序LISP=16F877 INCLUDEPIC16F877PCL EQU 02HSTATUS EQU 03HPORTC EQU 07HPORTD EQU 08HTRISC EQU 87HTRISD EQU 88HINTCON EQU 0BHCCP1IF EQU 2HCCP1CON EQU 17HCCPR1L EQU 0EHCCPR1H EQU 0FHPIR1 EQU 0CHPIR2 EQU 0DHTMR1L EQU 0EHTMR1H EQU 0FHADRESH EQU 1EHADCON0 EQU 1FHPIE1 EQU 8CHPIE2 EQU 8DHADCON1 EQU 9FHT1CON EQU 10HRP1 EQU 06HRP0 EQU 05HZ EQU 02HC EQU 00HTMR1IF EQU 00HDATA1 EQU 20HDATA2 EQU 21HTEMP EQU 22HW_TEMP EQU 25HS_TEMP EQU 26HSCALER EQU 27HAD_STATTUS EQU 28HSIGN EQU 22HSUN EQU 24HINDEX EQU 25HW_BUF EQU 26HVALUE EQU 27HNUM EQU28HCOUNT1 EQU 1AHCOUNT2 EQU 0FFHORG 00HNOPGOTO MAINORG 04HG