【正文】 時器 1 輸入 W R 寫存儲器信號 R D 讀存儲器信號串行 I/O 接口可以以全雙工方式工作。串行 I/O 口占用并行 I/O 口 P3 的 和 兩位。串行 I/O 口有四種工作方式。在方式 0 時，串行數(shù)據(jù)的輸入輸出都由 RXD 端執(zhí)行， 而 TXD 用于串行時鐘。方式 1 時，數(shù)據(jù)發(fā)送用 TXD 端，接收用 RXD 端；數(shù)據(jù)傳輸格式用 10 位，其中一個起始位(0)，8 個數(shù)據(jù)位(地位在前)，一個停止位(1)；傳送波特率可辨。方式 2 時，數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送用 TXD 端，接收用 RXD 端；數(shù)據(jù)傳輸格式用 11 位，格式與方式 1 類同，只是在數(shù)據(jù)位后多了一個編程位；傳送波特率選定在振蕩頻率的 1/32 獲 1/64 處。方式 3 和方式 2基本一樣，只是在方式 3 中，波特率可改變。定時器部件有兩個，它們分別時 16 位的定時器 0 和定時器 1，并且都可以工作在定時器或計數(shù)器方式。無論工作在定時器還是在計數(shù)器方式，定時器 0 和定時器 1 都有四種方式。在方式 0 時，定時器以 13 位方式進行定時或計數(shù)。在方式 1 中，定時器以 16 位方式進行定時或計數(shù)；在方式 2 中，定時器的高 8 位用于存放初值，定時器的低 8 位用于定時計數(shù)，在計數(shù)產(chǎn)生溢出時，自動把高 8聊城大學本科畢業(yè)論文xxxviii位內容裝入低 8 位中去，又開始對低 8 位計數(shù)。在方式 3 中，定時器 1 不工作，定時器 0 分成高 8 位和低 8 位兩個獨立的 8 位計數(shù)器進行工作。程序存儲器的尋址空間有 64K，其中有 4K 是片內尋址空間(EA=1)，在 EA=0時，片內的 0～4095 地址可由片外存儲空間覆蓋。數(shù)據(jù)存儲器的尋址空間有 64K，片內有數(shù)據(jù)存儲器 256Byte,地址 0～256。 行走機構控制系統(tǒng)在機器人系統(tǒng)總體設計中，確定了本課題所設計的機器人控制系統(tǒng)為二級計算機系統(tǒng)，由主計算機完成智能控制功能，從計算機產(chǎn)生行走控制信號（行走控制子系統(tǒng)） 。以下將進行行走控制子系統(tǒng)的設計。行走控制子系統(tǒng)包括：行走控制系統(tǒng)和轉彎控制系統(tǒng) 。]6[ 行走控制系統(tǒng)轉彎機構 在對四足行走機器人行走進行控制時，需要由單片機 8051 構成一個速度控制伺服系統(tǒng)。系統(tǒng)結構原理8051 控制的伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)結構圖 47 所示。它由單片機 805伺服電機及其接口電路組成。圖 47 行走伺服控制系統(tǒng)系統(tǒng)結構原理圖 伺服電機用 PWM 功率放大器進行驅動。單片機輸出的數(shù)字控制信號通過 D/A轉換器 0832 之后轉換成 0～5V 的模擬信號，再通過運算放大器 U2變換之后變成 ～+ 模擬信號去控制 PWM 功率放大器。PWM 功率放大器由三角波發(fā)生器、比較器以及橋式開關功率放大電路組成。它的結構可參考附錄 2。接口電路 在圖 47 中，可以看出系統(tǒng)只有一個接口電路，即控制 PWM 功率放大器的接口電路。()Uk)K1 G4(S)Rθ ()yt()ek)K1 G2(s) K3 G5(S)Hθ(s)eθ C θ聊城大學本科畢業(yè)論文xxxix單片機和 PWM 功率放大器的接口也就是控制量輸出接口。這個接口由083運算放大器 U1 和 U2 組成。D/A 轉換器 0832 作為單片機 8051 的一個存儲單元。C S 為片選信號輸入端，當 =1 時，可選中 0832，利用寫操作可把控制數(shù)據(jù)從單片機送入 0832 中。不過在寫 0832 時，要執(zhí)行兩次寫操作，因為它內部的兩個寄存器是不能同時接收外部數(shù)據(jù)的，而必須先由輸入寄存器接收，再由輸入寄存器傳送給 DAC 寄存器。在圖 47 所示系統(tǒng)中，0832 接成電流開關方式工作狀態(tài)，故轉換的結果是電流量。電流從 I1 輸出由 U1 運算放大器處理之后輸出的電壓為 –VREFD/256，其中 D 是輸入 0832 總的數(shù)據(jù)。由于 VREF =5V，所以 輸出的電壓時 0～ 5V。 的放大系數(shù)為 1，同時在它的負輸入端加上了1U2U 的參考電壓；所以，當 輸出為 0V 時， ；當 輸出為 5V121U時， 輸出為 +。實際上， 的輸出電壓 V 為：2 2U = V2UV1其中， 是運算放大器 的輸出電壓。1的輸出電壓去控制 PWM 功率放大器，就可以使伺服電機以不同的速度實2現(xiàn)正反轉，伺服電機以不同的速度轉動，可實現(xiàn)機器人行走速度的控制。 轉彎控制系統(tǒng)在對四足行走機器人轉彎進行控制時，需要由單片機 8051 構成一個角度伺服控制系統(tǒng)。1. 系統(tǒng)結構原理轉彎控制伺服系統(tǒng)中有三部電機，每部電機伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)結構均與圖 48所示相同只需改變 8051 的端口，如果 8051 的端口資源不足，可用 8255 芯片進行擴展。它由單片機 805伺服電機及其接口電路、光電編碼器及其接口電路組成。光電編碼器是一個 8 位的編碼器，位置檢測精度為 。伺服電機用 PWM功率放大器進行驅動。單片機輸出的數(shù)字控制信號通過 D/A 轉換器 0832 之后轉換成 0～5V 的模擬信號，再通過運算放大器 U2 ～+ 模擬信號去控制 PWM 功率放大器。PWM 功率放大器由三角波發(fā)生器、比較器以及橋式開關功率放大電路組成。它的結構可參考附錄 3。聊城大學本科畢業(yè)論文xl圖 48 轉彎伺服控制系統(tǒng)系統(tǒng)結構原理圖 2. 接口電路 在圖 48 中，可以看出系統(tǒng)有兩個接口電路，即控制 PWM 功率放大器的接口電路和光電編碼器接口電路則兩個接口。①. 控制量輸出接口控制量輸出接口也就是單片機和 PWM 功率放大器的接口。這個接口由083運算放大器 和 U2 組成。D/A 轉換器 0832 作為單片機 8051 的一個存儲1U單元。C S 為片選信號輸入端，當 =1 時，可選中 0832，利用寫操作可把控制數(shù)據(jù)從單片機送入 0832 中。不過在寫 0832 時，要執(zhí)行兩次寫操作，因為它內部的兩個寄存器是不能同時接收外部數(shù)據(jù)的，而必須先由輸入寄存器接收，在由輸入寄存器傳送給 DAC 寄存器。在圖 47 所示系統(tǒng)中，0832 接成電流開關方式工作狀態(tài)，故轉換的結果是電流量。電流從 輸出由 運算放大器處理之后輸1I1U出的電壓為 –VREFD/256，其中 D 是輸入 0832 總的數(shù)據(jù)。由于 VREF =5V，所以 輸出的電壓時 0～ 5V。 的放大系數(shù)為 1，同時在它的負輸入端加上了1U2U 的參考電壓；所以，當 輸出為 0V 時， ；當 U1 輸出為 5V12時， 輸出為 +。實際上， 的輸出電壓 V U 2 為：2 2 = V2UV1其中， 是運算放大器 的輸出電壓。1的輸出電壓去控制 PWM 功率放大器，就可以使伺服電機以不同的速度實2現(xiàn)正反轉，伺服電機以不同的速度轉動，可實現(xiàn)控制機器人轉彎時轉彎急促程度。聊城大學本科畢業(yè)論文xli由于控制機器人轉彎時轉彎急促程度的控制精度要求不高，為了節(jié)約單片機的 I/O 口，D/A 轉換器也可使用四位的轉換器。②. 光電編碼器接口光電編碼器可以產(chǎn)生 8 位數(shù)據(jù)。它的分辨率時 。當光電編碼器隨伺服電機的旋轉處于不同位置時，它送出的數(shù)據(jù)不同，每一個數(shù)據(jù)和一個角度對應。光電編碼器輸出的 8 位數(shù)據(jù)從 8051 的 P1 端口輸入。要取光電編碼器數(shù)據(jù)時，單片機只需讀取 I/O 口 P1 的內容。5. 控制系統(tǒng)的軟件設計 行走系統(tǒng)軟件設計 行走伺服控制系統(tǒng)的結構框圖行走伺服控制系統(tǒng)的結構框圖如圖 51 所示。圖 51 行走伺服控制系統(tǒng)的結構框圖在控制框圖中， 是給定速度值，是一個 8 位二進制數(shù)據(jù)，也就是控制量VRC； K 3 是 PWM 功率放大器的比例放大系數(shù)；G 4(s)是伺服電機的傳遞函數(shù)。這個系統(tǒng)是一個開環(huán)系統(tǒng)。由主計算機給定 RV ，產(chǎn)生的速度控制信號之后，再送去下一個環(huán)節(jié)。G4(s)是伺服電機的傳遞函數(shù)，具有如下形式： )1/()(4??SKsGj?其中： 是靜態(tài)放大系數(shù)， （Φ 是電機每極總磁通，單位為GKeC?韋伯； 是常數(shù)， (P 是磁極對數(shù)， N 是電機繞組總數(shù)，a 是并聯(lián)eCa60/Ne?支路對數(shù))） ； 是機電時間常數(shù)， （J 是電機及負載的轉動慣量；j? 22mCj eJR/π?Ra 是電樞電阻。 是常 數(shù)， ） ；mCaePN?S 是拉氏變換算子。聊城大學本科畢業(yè)論文xlii 控制程序如上所述，單片機 8051 從主計算機接收給定速度值 RV，作為控制量 C，再把控制量 C 送到 D/A 轉換器 0832 中去，把 C 值轉換成模擬量，再去控制 PWM 功率放大器，驅動伺服電機轉動進行角度控制。轉彎控制系統(tǒng)的單片機程序框圖如圖 52 所示：程序開始執(zhí)行時，首先對單片機的 I/O 口進行初始化。它把 P2 口設定為輸出口，用于發(fā)送控制伺服電機轉速的數(shù)字信號。確定給定值 Rv ，就是由主計算機確定機器人行走速度之后再發(fā)送給 8051。圖 52 控制程序框圖Rv 可直接作為控制量 C，或按一定規(guī)律變換后作為控制量 C。在求取控制量之后，應馬上送給 0832，產(chǎn)生控制信號控制伺服電機旋轉，達到給定的行走速度。0832 是作為單片機的外存單元，它的地址為 7000 H，當片選信號 CS=1 時，該地址有效。故送 C 到 0832，實際上是把控制量 C 寫入 7000 H 中。 轉彎控制系統(tǒng)軟件設計 轉彎控制系統(tǒng)的結構框圖轉彎伺服控制系統(tǒng)每部電機的結構框圖如圖 53 所示。聊城大學本科畢業(yè)論文xliii圖 53 轉彎伺服控制系統(tǒng)的結構框圖在控制框圖中， 是給定角度值 ， 是角度偏差的比例放大系數(shù)， 是?R1K3KPWM 功率放大器的比例放大系數(shù) ， 是速度環(huán)放大及串聯(lián)校正環(huán)節(jié)，)(2sG?是伺服電機的傳遞函數(shù)， 是速度角度變換的傳遞的函數(shù)， 是角)(4sG5 )(sH?度反饋傳遞函數(shù)。這個系統(tǒng)由角度反饋環(huán)構成構成的閉環(huán)系統(tǒng)。角度反饋的結果和給定值 Rθ進行相減，產(chǎn)生角度偏差信號 。給定值 是給定的角度，是機體轉彎的方向?e?R角的函數(shù)。角度偏差信號 由比例環(huán)節(jié) 放大之后，再送去下一個環(huán)節(jié)。1K在速度環(huán)校正環(huán)節(jié)中，一般采用 PI 調節(jié)環(huán)節(jié)，即比例微分環(huán)節(jié)。所以， SSsG01012 /)/(() ?????? ?K其中： 和 是時間常數(shù)， 01是比例系數(shù)， 。? 01/???是伺服電機的傳遞函數(shù)，具有如下形式：)(4sG)1/()(4?SKsGj?其中： 是靜態(tài)放大系數(shù)， （Φ 是電機每極總磁通，單位為韋GKeC??伯； 是常數(shù)， (P 是磁極對數(shù)，N 是電機繞組總數(shù)，a 是并聯(lián)支eCa60/e?路對數(shù))） ； 是機電時間常數(shù)， （J 是電機及負載的轉動慣量；j? 22mCj eJR/π?聊城大學本科畢業(yè)論文xlivRa 是電樞電阻。 是常 數(shù)， ） ；mCaeπ2/PN?S 是拉氏變換算子。是光電編碼器的傳遞函數(shù)。由于光電編碼器的輸入是轉速，輸出是角)(5sG度。故它是一個積分器，所以 的形式為：)(5sGS/1?是角度反饋傳遞函數(shù)。由于光電編碼器直接把輸出的數(shù)據(jù)送入單片機。)(sH?故反饋環(huán)節(jié)輸入是光電編碼，輸出是單片機中相應的數(shù)據(jù)。所以， 實質上)(sH?也是一個比例環(huán)節(jié)： ??KsH?)(其中，K θ 是角度位置反饋環(huán)節(jié)的比例系數(shù)。 控制器的離散化圖 53 所示系統(tǒng)中 C 之前的環(huán)節(jié)與控制器（單片機）直接相關，可稱之為模擬控制器，可用下面式子表示： …………（56）)()()()( 21sGKsRs ?????其中，K θ θ(s)是角度位置反饋量。由于角度位置反饋量是直接檢測出來的，無需公式計算來求出，故令 )()(sF???則式（56）可寫成： ………（57）)/1()(() 021 SKsRKsC??????為了進行離散化,取雙線性變換: 其中:T 為采樣周期。故有： ])1(2[)(() 01 ?????zTKzFRKzC?? )(2)( 10101 ??zZKTtt???聊城大學本科畢業(yè)論文xlv ………………（58）令： 002/)(?KTb???2a因而有： )()()1()1 1bZa?????FzRKZzC……………（59）111)(???? zFKz??aa把（59）寫成差分方程，則得到控制量 C 的算法公式： )()()()()()( 11 ?? nCbnRbFnRC????11……………（510）上式說明，現(xiàn)行控制量和本次對給定值 本次對角度位置反饋的采樣)(?有關，同時也和上次對給定值 ，上次對角度位置反饋的采樣)(nR? 1?nR以及上次控制量 C(n1)有關。1?F按式（510）進行程序編程，就可以求出現(xiàn)行控制量 C(n)的值。單片機再把控制量 C(n)送到 D/A 轉換器 0832 中去，把 C(n)值轉換成模擬量，再去控制PWM 功率放大器，驅動伺服電機轉動進行角度控制。在實際控制時，可以把式（510）改寫成下式： )1()