【正文】 進(jìn)行溝通, 了支持. 安全性能好 移動(dòng)機(jī)器人是為人類服務(wù)的, 動(dòng)機(jī)器人真正走向應(yīng)用,必須遵守Issac Asimov提出的著名的機(jī)器人三戒律 ,即第一, 機(jī)器人不可傷害人或眼看人將要遇害時(shí)而袖手旁觀。第4頁2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 本控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用的是AT89S51單片機(jī)來控制一個(gè)伺服小車,該小車主要由兩 個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)輪,一個(gè)從動(dòng)輪和底盤等組成機(jī)構(gòu)成,小車的運(yùn)動(dòng)主要由主動(dòng)輪上的相 同電機(jī)驅(qū)動(dòng), o ,伺服小車可以前,后,左, 右行進(jìn), 伺服小車由操作手柄上的按鍵進(jìn)行控制的, 在車上有相應(yīng)的動(dòng)作(前, 后, 左, 右). 要制作由直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)和單片機(jī)構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路并根據(jù)控制要求編寫控制系統(tǒng)的控 制程序,實(shí)現(xiàn)小車的動(dòng)作要求. AT89S51 單片機(jī)簡介 AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗, 高性能 CMOS 8 位單片機(jī), 片內(nèi)含 4Kbytes 的可系統(tǒng)變成的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器,器件采用 ATMEL 公司的高密度,非易失性存儲(chǔ) 技術(shù)產(chǎn)生,兼容標(biāo)準(zhǔn) 8051 Flash 程序存儲(chǔ)器既可在線編程(ISP) 也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8 位微處理器于單片芯片中,ATMEL 公司的功能強(qiáng)大, 低價(jià)位 AT89S51 單片機(jī)可提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合,也可引用于各種控制領(lǐng)域. 如圖 21 為 AT89S51 的引腳圖. AT89S51 的主要性能參數(shù)如下所示: 與 MCS—51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4K 字節(jié)在系統(tǒng)編程(ISP)Flash 閃速存儲(chǔ)器 1000 次擦寫周期 — 的工作電壓范圍 全靜態(tài)工作模式:0Hz—33MHz 三級(jí)程序加密鎖 128 X 8 字節(jié)內(nèi)部 RAM 32 個(gè)可編程 I/O 口線 2 個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器 6 個(gè)中斷源 全雙工串行 UART 通道 低功耗空閑和掉電模式 中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng) 看門狗(WDT)及雙數(shù)據(jù)指針 掉電標(biāo)識(shí)和快速編程特性 靈活的在線系統(tǒng)編程(ISP—字節(jié)或頁寫模式) AT89S51 功能概述 AT89S51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能:4K 字節(jié)閃速存儲(chǔ)器,128 字節(jié)內(nèi)部 RAM,32 個(gè) I/O 口 線,看門狗(WDT) ,兩個(gè)數(shù)據(jù)指針,兩個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器,一個(gè) 5 向量兩極中斷結(jié)構(gòu), 圖 21 AT89S51 引腳圖 第5頁一個(gè)全雙工串行通信口, 片內(nèi)震蕩器及時(shí)鐘電路. 同時(shí) AT89S51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操 作, CPU 的工作,但允許 RAM,定 時(shí)/計(jì)數(shù)器, RAM 中的內(nèi)容,但震蕩器停 止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位. 22 為 51 單片機(jī)的功能結(jié)構(gòu)框圖. 圖 圖 23 為 51 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖. 圖 22 MCS51 系列單片機(jī)功能結(jié)構(gòu)框圖 圖 23 MCS51 系列單片機(jī)內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)框圖 第6頁 AT89S51 主要引腳功能說明 Vcc:電源電壓 GND:地 P0 口:P0 口是一組邏輯開路型雙向 I/O 口,也即地址/ 口用時(shí),沒位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯門電路,對(duì)端口寫1可作為高阻抗輸入端用. 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí),這組口先分時(shí)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(shí),P0 口接收指令字節(jié),而在程序效驗(yàn)時(shí),輸出指令字節(jié),效驗(yàn)時(shí)要求 外接上拉電阻. P1 口:P1 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口,P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)(吸 收或輸出電流)4 個(gè) TTL 1 ,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電 平,因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻,某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉 低時(shí)回輸出一個(gè)電流( I IL ). Flash 編程和程序效驗(yàn)期間,P1 接收低 8 位地址. 端口引腳 第二功能 MOSI(用于 ISP 編程) MISO(用于 ISP 編程) SCK (用于 ISP 編程) P2 口:P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口,P2 的輸出緩沖級(jí)(吸收或輸 出電流)4 個(gè) TTL 1 ,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平,此 ,因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻,某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí) 回輸出一個(gè)電流( I IL ). 在訪問外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(例如執(zhí)行 MOVX DPTR 指令) 時(shí),P2 口送出高 8 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(如執(zhí)行 MOVX Ri 指令)時(shí),P2 口線上的內(nèi)容(也即特殊功能寄存器(SFR)區(qū)中 P2 寄存器的內(nèi)容),在整個(gè) 訪問期間不改變. Flash 編程或效驗(yàn)時(shí),P2 亦接收高位地址和其他控制信號(hào). P3 口:P3 口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口,P3 的輸出緩沖級(jí)(吸收或 輸出電流)4 個(gè) TTL P3 口寫入1時(shí),它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并作為輸 ,被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流( I IL ). P3 口除了作為一般的 I/O 口線外, 更重要的用途是它的第二功能, 如下頁表 21 所示: P3 口還接收一些用于 Flash 閃速存儲(chǔ)器編程和程序效驗(yàn)的控制信號(hào). RST:,RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單 溢出將使該引腳輸出高電平,設(shè)置 SFR AUXR 的 DISRTO 位(地址 8EH) 位缺省為 RESET 輸出高電平打開狀態(tài).  第3頁除非這種命令與第一條戒律相抵觸。若按下 K2 鍵機(jī)器人作后退展示。若按下 K4 鍵機(jī)器人作右轉(zhuǎn)展示. 左 電 開 關(guān) 按 鈕 制 器 塊 電 機(jī) 控 模 右 機(jī) 動(dòng) 片 驅(qū) 單 機(jī) 電 機(jī) 電 源 圖 214 硬件電路方框圖 考慮到控制電路的穩(wěn)定性與可靠性要求和我們的機(jī)器人的應(yīng)用性與經(jīng)濟(jì)性要求,我們 提倡簡潔無冗贅的電路設(shè)計(jì)理念,盡量減少不必要的電氣元件和電路,用軟件來代替硬件 達(dá)到控制效果,從而較好的提高了控制的可靠性,降低了制造成本,并使得機(jī)器的升級(jí)和 改造更簡便,使安裝和維修更加方便. 主電路設(shè)計(jì) (1) 方案選用 為了達(dá)到該電路的控制要求,可以有多種方案,其主要問題在于控制器的選擇上. 機(jī)器人控制器是根據(jù)指令以及傳感信息控制機(jī)器人完成一定的動(dòng)作或作業(yè)任務(wù)的裝 置,它是機(jī)器人的心臟,決定了機(jī)器人性能的優(yōu)劣. 從機(jī)器人控制算法的處理方式來看,可分為串行,并行兩種結(jié)構(gòu)類型. ① 串行處理結(jié)構(gòu) 器,從計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu),控制方式來劃分,又可分為以下三種:單 CPU 結(jié)構(gòu),集中控制方式。多 CPU 結(jié)構(gòu),分布式控制方式(目前世界上大多數(shù)商品 化機(jī)器人控制器都是這種結(jié)構(gòu)). 弱點(diǎn):計(jì)算負(fù)擔(dān)重,更難以 保證高速運(yùn)動(dòng)中所要求的精度指標(biāo). ② 并行處理結(jié)構(gòu)二是首先開發(fā)算法的并行性,然后設(shè)計(jì)支持該算法的 并行處理器結(jié)構(gòu),以達(dá)到最佳并行效率. 構(gòu)造并行處理結(jié)構(gòu)的機(jī)器人控制器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一般采用以下方式: 開發(fā)機(jī)器人控制 專用 VLSI[4,5]。利用通用的微處理器. ③ 結(jié)構(gòu)比較 從前面提到的兩類機(jī)器人控制器來看,串行處理結(jié)構(gòu)控制器的結(jié)構(gòu)封閉,功能單一, 且計(jì)算能力差,難以保證實(shí)時(shí)控制的要求。第 14 頁抗干擾設(shè)計(jì) 由于電機(jī)工作,電磁感應(yīng)強(qiáng)烈。 晶振電路貼近邏輯控制芯片。 有鍵按下后,在無硬件去抖動(dòng)電路的情況下,應(yīng)用軟件延時(shí)方法除去抖動(dòng)影響。 (2) 獨(dú)立式按鍵 獨(dú)立式按鍵是指直接用 I/O I/O 口線,每根 I/O 口線的工作狀態(tài)不會(huì)影響其它 I/O 圖 217 所示. 圖 217 獨(dú)立式按鍵電路 獨(dú)立式按鍵電路配置靈活,軟件結(jié)構(gòu)簡單,但每個(gè)按鍵必須占用一根 I/O 口線,在按 鍵數(shù)量較多時(shí),I/O 口線浪費(fèi)較大,故只在按鍵數(shù)量不多時(shí)采用這種按鍵電路. 圖 218 控制面板  第 17 頁此電路中,按鍵輸入采用低電平有效,上拉電阻保證了按鍵斷開時(shí),I/O 口線上有確 I/O 口內(nèi)部有上拉電阻時(shí),外電路可以不配置上拉電阻. 考慮到操作手柄是拿在手里的,要與伺服小車車體分離,中間只通過一根兩米長的排 線相連,還要有一些相 應(yīng)的開關(guān)電路, 218 所示的開關(guān)控制面 板. 控制電路總成 伺服小車控制系統(tǒng)的控制電路分為以下幾部分。 第 19 頁電源提供的 電和經(jīng)過 L7805CV 產(chǎn)生的 5V 電,從而給單片機(jī)系統(tǒng)和電機(jī)控制模塊分 別供電,更可以在電路出現(xiàn)故障時(shí)分別斷開不同的電路,從而很好的保護(hù)電路. 圖 220 電源  第 20 頁3伺服小車的設(shè)計(jì) 硬件也是車體的重要組成部分,下面對(duì)直流電機(jī)和相應(yīng)的減速裝置及車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳 細(xì)的說明. 直流電機(jī) 作,則稱為直流電機(jī). 直流電機(jī)的基本工作原理 任何電機(jī)的工作原理都是建立在電磁力和電磁感應(yīng)這個(gè)基礎(chǔ)上的,對(duì)直流電機(jī)也是如 ,我們把復(fù)雜的直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡化為圖 31 所示的工作 ,電樞繞組只是一個(gè)線圈,線圈兩端分別聯(lián)在兩個(gè)換向片上,換 向片上壓著電刷 A 和 B. 圖 31 直流電機(jī)工作原理圖 直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)(圖 31) , 方向應(yīng)該是這樣:N 極下的有效邊中的電流總是一個(gè)方向,而 S 極下的有效邊中的電流總 ,當(dāng) 線圈的有效邊從 N(S)極下轉(zhuǎn)到 S(N)極下時(shí), 其中電流的方向必須同時(shí)改變, 以使電磁力的 動(dòng),當(dāng)電樞在磁場中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),線圈中也要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢. 這個(gè)電動(dòng)勢的方向,由右手定則確定,圖 31 中用虛線箭頭表示與電流或外加電壓的方向 總是相反,后者是電源電動(dòng)勢, 第 21 頁此而產(chǎn)生電流. 直流電機(jī)電樞繞組中的電流(電樞電流 I)與磁通Φ相互作用,產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn) : T=KtΦIa 式中 K 是與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。 的單位是安培。如果改變電壓, 一定時(shí)(即轉(zhuǎn)矩一定時(shí)) ,降低電壓,對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速 n1 , n 2 不同, n1 n 2 ,這樣就可實(shí)現(xiàn)電 機(jī)的調(diào)速. 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 齒輪, ,首先有一只主動(dòng)輪先轉(zhuǎn)動(dòng)起來,轉(zhuǎn)動(dòng)過程中與另一個(gè)從動(dòng)輪的齒一個(gè)一個(gè) 的咬合下去,這個(gè)與它咬和的齒輪也會(huì)跟著旋轉(zhuǎn),這樣運(yùn)動(dòng)就從主動(dòng)輪傳遞到從動(dòng)輪,這 叫做齒輪的嚙合傳動(dòng). 齒輪的種類很多,它們通過不同的配合可以實(shí)現(xiàn)不同的傳動(dòng)類型,如圖 33 傳動(dòng)類型 示意圖: 第 22 頁 如圖 33 傳動(dòng)類型示意圖 (c) 圖 33(a)所示的傳動(dòng)類型能夠改變運(yùn)動(dòng)的形式,齒輪是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),下方的齒條則是直 線運(yùn)動(dòng)。 圖 33(c)所示傳動(dòng)類型不僅改變了運(yùn)動(dòng)的速度而且改變了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的軸線方向. 該設(shè)計(jì)用的減速齒輪箱 齒輪箱里的傳動(dòng)系統(tǒng)如果只用兩個(gè)齒輪嚙合,為了達(dá)到改變速度的要求,就必須一個(gè) 齒輪超小,一個(gè)齒