【文章內(nèi)容簡介】 和 導(dǎo)向的作用。中間的兩個輪子是驅(qū)動輪，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。可以通過調(diào)節(jié)中間的兩個輪子的轉(zhuǎn)速來控制移動機(jī)器人的 運(yùn)行速度和轉(zhuǎn)動角度。步進(jìn)電機(jī)與左 、 右輪構(gòu)成一個系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)由單片機(jī) 實(shí)現(xiàn)控制 驅(qū)動，通過改變單片機(jī)輸出 脈沖波 的占空比來改變步進(jìn)電機(jī)的速度 和轉(zhuǎn)向，從而完成機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎 ，運(yùn)動和停止。 (2) 上層控制系統(tǒng)傳給下層系統(tǒng)機(jī)器人與跟蹤物體的距離 L 和運(yùn)動的角度 a。通過分析距離 L，我們可以判斷機(jī)器人的運(yùn)動狀態(tài)。當(dāng)距離 L 不變時，則機(jī)器人處于停止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)距離 L 改變機(jī)器人處于運(yùn)動狀態(tài)。 (3) 當(dāng)距離 L 改變時，我們判斷移動機(jī)器人的轉(zhuǎn)動角度 a，當(dāng) a=0時，機(jī)器人的運(yùn)動如 圖 23， 當(dāng) L0 時，移動機(jī)器人前進(jìn)。當(dāng)L0 時，移動機(jī)器人后退。此時， 移 動機(jī)器人做直線運(yùn)動。這時左、右輪子的 運(yùn)動速度相同、轉(zhuǎn)向相同 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 23 機(jī)器人直線運(yùn)動示意圖 (4) 當(dāng)距離 L 改變時，我們判斷 L 的大小，當(dāng) L0 時，移動機(jī)器人前進(jìn)轉(zhuǎn)彎。當(dāng) L0 時，移動機(jī)器人后退轉(zhuǎn)彎。之后我們判斷，移動機(jī)器人的轉(zhuǎn)動角度 a，當(dāng) a 不為 0 時，則移動機(jī)器人轉(zhuǎn)彎。當(dāng) a0 時，移動機(jī)器人右轉(zhuǎn)彎。 a0 時，移動機(jī)器人左轉(zhuǎn)彎 。 當(dāng)機(jī)器人前進(jìn)左轉(zhuǎn)時，左輪正轉(zhuǎn)，右輪反轉(zhuǎn)。當(dāng)機(jī)器人前進(jìn)右轉(zhuǎn)時，左輪反轉(zhuǎn)，右輪正轉(zhuǎn) 。機(jī)器人后退右轉(zhuǎn)時，左輪正轉(zhuǎn)，右輪反轉(zhuǎn)。機(jī)器人后退左轉(zhuǎn)時，左輪反轉(zhuǎn)，右輪正轉(zhuǎn)。 圖 24 機(jī)器人轉(zhuǎn)向運(yùn)動示意圖 具體的分析和計(jì)算會在 以下的 論文 中 節(jié)中 介紹。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 第 3章 視覺導(dǎo)航 輪式移動機(jī)器人底層 硬件設(shè)計(jì) 167。 電子元件的選型 167。 開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器 LM7805 LM7805 是三端固定穩(wěn)壓器。有 5V， 6V， 9V， 12V， 15V， 18V 和 24V七種不同的固定輸出電壓，廣泛用于各種電子設(shè)備中。其穩(wěn)壓器均有內(nèi)部過流、熱過載和輸出晶體管安全區(qū)保護(hù)功能，電路安全可靠。 雖然穩(wěn)壓器按國定的穩(wěn)壓設(shè)計(jì)，但外部接少量元件，即可做成可調(diào)穩(wěn)壓器或可調(diào)穩(wěn)流器使用。 167。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片 L298 L298是 ST公司生產(chǎn)的一款高電壓、大電流， 小功率電機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片內(nèi)含兩個 H橋的高電 壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器、線圈等電感性負(fù)載 。采用標(biāo)準(zhǔn) TTL邏輯電平信號控制 。具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作 :有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作 :可以外接檢測電阻，將變化量反饋抬控制電路。 其具有以下電氣特性 ： (1)電源驅(qū)動電壓 Vs可達(dá) 5V～ 46V，邏輯支持電壓 VSS為 ～ 7V。 (2)輸入高電壓 VIH為 ～ VSS，輸入低電壓為 O～ 。 (3)峰值驅(qū)動電流可達(dá) 3A，正常工作電流為 2A，總驅(qū)動電流可達(dá) 4A。 (4)響應(yīng)速度快 (5)提供 過溫保護(hù)，工作溫度范圍可達(dá) 25℃ ～ 130℃正常工作溫度為 13℃ ～35℃。溫度過高或溫度過低時，芯片均會停止工作，防止其損壞。 (6)L289采用的是 15腳的 Mluitwatt15封裝 。 LM298典型應(yīng)用 如 圖 31所示 。 控 制 器L M 2 9 8步 進(jìn) 電 機(jī) 圖 31 LM298典型應(yīng)用 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 L298引腳功能定義 如 表 31所示。 表 31 L298引腳功能定義 名稱 引腳 功能說明 Sense A 1 橋路 A電流取樣引腳，取樣電阻接在此引腳和地之 間 OUT1 2 橋路 A的輸出 OUT2 3 橋路 A的輸出 Vs 4 電機(jī)驅(qū)動電壓輸入，此引腳接一個 100nf的無感電容到地 In 1 5 橋路 A的輸入，與 TTL電平兼容 En A 6 橋路 A的使能輸入， TTL電平，低電平時禁止橋路 A工作 In 2 7 橋路 A的輸入，與 TTL電平兼容 GND 8 地，信號和功率地一起 VSS 9 邏輯電路電壓輸入，此引腳 接一個 100nf的無感電容到地 In 3 10 橋路 B的輸入，與 TTL電平兼容 EN B 11 橋路 B的使能輸入， TTL電平，低電平時禁 止橋路 B工作 IN 4 12 橋路 B的輸入，與 TTL電平兼容 OUT3 13 橋路 B的輸出 OUT4 14 橋路 B的輸出 Sense B 15 橋路 B電流取樣引腳，取樣電阻接在此引腳和地之間 167。 單片機(jī) PIC16F877 單片機(jī)是將中央處理器（ CPU）、隨機(jī)存儲器（ RAM）、只讀存儲器（ ROM）、定時器芯片和一些輸入 輸出接口電路集成的一個芯片上的微控制器。 中央處理器是單片機(jī)的核心，它包括運(yùn)算器、控制器和寄存器 3 個主要部分。存儲器按工作方式可分為、隨機(jī)存儲器（ RAM）和只讀存儲器（ ROM）。RAM 可 以隨機(jī)地被 CPU 讀寫，斷電后存儲的內(nèi)容消失； ROM 種的信息只能讀不能寫。 輸入輸出接口是單片機(jī)的重要組成部分。程序 、 數(shù)據(jù)以及外部的所有信息都是通過單片機(jī)的 I/O 端口讀入單片機(jī)的。單片機(jī)計(jì)算的所有結(jié)果也都通過 I/O 輸出到顯示部分或者控制外部其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 PIC16F877 芯片上集成有 ： （ 1） 端口 RA 模塊：是一個只有 6 條引腳的輸入 /輸出可編程的端口。 （ 2）端口 RB 模塊：是一個具有 8 條引腳的輸入 /輸出可編程的端口。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 （ 3）端口 RC 模塊：是一個具有 8 條引腳的輸入 /輸出可編程的端口。 （ 4）端口 RD 模塊：是一個具 有 8 條引腳的輸入 /輸出可編程的端口。 （ 5） 端口 RE 模塊：是一個具有 3 條引腳的輸入 /輸出可編程的端口。 （ 6）定時器 TMR0 模塊：是一個 8 位寬的可編程的定時器，也可作為計(jì)數(shù)器使用。 （ 7）定時器 TMR1 模塊：是一個 16 位寬的可編程的定時器，也可作為計(jì)數(shù)器使用，并且可以與捕捉 /比較 /脈寬調(diào)制 CCP 模塊配合實(shí)現(xiàn)捕捉和比較功能。 （ 8）定時器 TMR2 模塊：是一個 8 位寬的可編程的定時器，也可作為計(jì)數(shù)器使用，并且可以與捕捉 /比較 /脈寬調(diào)制 CCP 模塊配合實(shí)現(xiàn)捕捉和比較功能。 （ 9） EEPROM 數(shù)據(jù)存儲模塊：是 256 8 的電可擦寫的存儲器，儲存的內(nèi)容掉電也不會丟失。 （ 10） A/D 轉(zhuǎn)換器模塊：具有 8 個輸入通道和 10位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用來將外部的各種模擬物理量變換為便于單片機(jī)內(nèi)部處理的數(shù)字量。 （ 11） 捕捉 /比較 /脈寬調(diào)制 CCP1 和 CCP2 模塊： PIC16F877 片內(nèi)包含兩個幾乎 完全相同的 CCP 模塊，與 TMR1 和 TMR2 配合可以實(shí)現(xiàn)輸入捕捉、輸出比較和賣出調(diào)制輸出功能。輸入捕捉功能可以用于測量信號周期、頻率、脈沖等；輸出比較功能可以用于生產(chǎn)寬度不同的正負(fù)方波脈沖信號，以驅(qū)動可控硅、續(xù)電器等；脈寬調(diào)制輸出功能用來產(chǎn)生周期和 脈沖可調(diào)的周期性方波信號，以驅(qū)動可驅(qū)動可控硅、步進(jìn)電機(jī)等。 （ 12）通用同步 /異步發(fā)生器 USART 模塊：用于實(shí)現(xiàn)二線式串行通信，可以定義為兩種工作方式，即全雙工異步方式和半雙工同步方式。 （ 13）主同步串行端口 MSSP 模塊：具有 SPI 和 IC 兩種工作模式，用來與具有 SPI 和 IC 串行端口的外接器件或者其他單片機(jī)進(jìn)行通信。 （ 14）并行從動端口 PSP 模塊：可以用來與其他具有開放總線的單片機(jī)、數(shù)字信號處理器或微處理器的并行數(shù)據(jù)連接，進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸和交換。 引腳的基本功能： OSC1（ 13 引腳）：時鐘振蕩器輸入端 ，也是晶振 連接端 。 OSC2（ 14 引腳）：時鐘振蕩器輸出端，也是晶振連接端 。 MCLR（ 1 引腳）：人工復(fù)位輸入端 。 RA0～ RA5（ 27 引腳） ： RA 是一個輸入 /輸出可編程的雙向 5 線端口 。 RB0～ RB7（ 33～ 40 引腳） ： RB 是一個輸入 /輸出可編程的雙向端口，作為輸本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 入時內(nèi)部有可編程的弱上位 電路。 RC0～ RC7（ 15～ 18， 23～ 26 引腳） ： RC 是一個輸入 /輸出可編程的雙向端口 。 RD0～ RD7（ 19～ 22， 27～ 30 引腳）： RD 是一個輸入 /輸出可編程的雙向端口 。 RE0～ RE2（ 8～ 10 引腳） ： RE 是一個 輸入 /輸出可編程的雙向 3 線端口 。 VSS（ 12， 31 引腳） ： 接地端 。 VDD（ 11， 32 引腳）：正電源端 。 167。 步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通俗一點(diǎn)講：當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進(jìn)角）。您可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時您可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 步進(jìn)電機(jī)分三種：永磁式（ PM），反應(yīng)式（ VR）和混合式（ HB）永磁式步進(jìn)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步 進(jìn)角一般為 度或 15度；反應(yīng)式步進(jìn)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 度，但噪聲和振動都很大。在歐美等發(fā)達(dá)國家 80 年代已被淘汰；混合式步進(jìn)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步進(jìn)角一般為 度而五相步進(jìn)角一般為 度。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛。 步進(jìn)電機(jī)的一些特點(diǎn)： （ 1） 一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步進(jìn)角的 35%，且不累積。 （ 2） 步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度。 （ 3） 步進(jìn)電機(jī)的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 （ 4） 步進(jìn)電機(jī)低速時可以正常運(yùn)轉(zhuǎn) ,但若高于一定速度就無法啟動 ,并 伴有嘯叫聲。 步進(jìn)電動機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)的選用計(jì)算方法 。 步 進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個步距角增量 。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個步距角增量。電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖頻率。 選擇步進(jìn)電機(jī)時，首先要保證步 進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時，首先要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的 轉(zhuǎn) 矩 特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。 轉(zhuǎn) 在實(shí)際工作過程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在 轉(zhuǎn) 矩特性曲線的范圍內(nèi)。一般地說最大靜力矩大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。 選擇步進(jìn)電機(jī)時，應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動來完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機(jī)的固有特性所決定。 選擇功 率步進(jìn)電機(jī)時，應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動頻率，使之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機(jī)床快速移動的需要。 167。 電路的設(shè)計(jì) 167。 方案論證與比較 方案 1：使用多個功率放大器件驅(qū)動電機(jī) 。 通過使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可以達(dá)到不同的放大的要求，放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用的是四相的步進(jìn)電機(jī)，就需要對四路信號分別進(jìn)行放大，由于放大電路很難做到完全一致，當(dāng)電機(jī)的功率較大時運(yùn)行起來會不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復(fù)雜。 方案 2：使用 L298N 芯片驅(qū)動電 機(jī) 。 L298N 芯片可以驅(qū)動兩個二相電機(jī) ，也可以驅(qū)動一個四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá) 50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO 口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。通過比較，使用 L298N 芯片充分發(fā)揮了它的功能，能穩(wěn)定地驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，且價(jià)格不高，故選用 L298N驅(qū)動電機(jī)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 整個系統(tǒng)的框架如 圖 32 所示。 P I C 1 6 F 8 7 7L 2 9 8L 2 9 8步 進(jìn) 電 機(jī)步 進(jìn) 電 機(jī) 圖 32 底層運(yùn)動控制 系統(tǒng)的框架 167。 電路圖的設(shè)計(jì) 電路圖包含了由 穩(wěn)壓 電源 電路 部分 、 PIC16F877 單片機(jī) 電路部分 和由L298 芯片驅(qū)動兩臺步進(jìn)電機(jī) 電路部分 構(gòu)成的。 （ 1）穩(wěn)壓電源電路 穩(wěn)壓 電源 電路是系統(tǒng)電路的重要 部分 。 它的主要芯片是 LM7805。 通過這個電路給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的 +5V 電壓。其中電容是 穩(wěn)壓和濾波 的作用 。 其電路圖 如 圖 33 所示。 圖 33 穩(wěn)壓電源電路圖 （ 2） PIC16F877 單片機(jī)電路部分 單片機(jī)電路部分包括時鐘電路、復(fù)位電路和于 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器 —— L298連接部分。 時鐘電路、復(fù)位電路是單片機(jī) 不可缺少的部分。這個系統(tǒng)選用的時鐘電本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 路的 晶振是 4MHZ，復(fù)位