自動走迷宮的機(jī)器人設(shè)計(jì)與課程總結(jié)報(bào)告1

1、沈 陽 工 程 學(xué) 院課 程 設(shè) 計(jì)設(shè)計(jì)題目： 迷宮機(jī)器人設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及要求1.1 設(shè)計(jì)目的：1了解機(jī)器人技術(shù)的基本知識以及有關(guān)電工電子學(xué)、單片機(jī)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器等相關(guān)技術(shù)。 2初步掌握機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)原理、基于智能機(jī)器人的控制理論，并應(yīng)用于實(shí)踐。 3通過學(xué)習(xí)，具體掌握智能機(jī)器人的控制技術(shù)，并使機(jī)器人能獨(dú)立執(zhí)行一定的任務(wù)。1.2 基本要求1要求設(shè)計(jì)一個(gè)能走迷宮(迷宮為立體迷宮)的機(jī)器人； 2要求設(shè)計(jì)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)、傳感器類型的選擇及排列布局。 3要有走迷宮的策略（軟件流程圖）。1.3 發(fā)揮部分可以增加其它的功能。 2 設(shè)計(jì)過程及論文的基本要求：2.1 設(shè)計(jì)過程的基本要求1基本

2、部分必須完成，發(fā)揮部分可任選；2符合設(shè)計(jì)要求的報(bào)告一份，其中包括總體設(shè)計(jì)框圖、電路原理圖各一份；3設(shè)計(jì)過程的資料、草稿要求保留并隨設(shè)計(jì)報(bào)告一起上交；報(bào)告的電子檔需全班統(tǒng)一存盤上交。2.2 課程設(shè)計(jì)論文的基本要求1參照畢業(yè)設(shè)計(jì)論文規(guī)范打印，包括附錄中的圖紙。項(xiàng)目齊全、不許涂改，不少于3000字。圖紙為a4，所有插圖不允許復(fù)印。2裝訂順序：封面、任務(wù)書、成績評審意見表、中文摘要、關(guān)鍵詞、目錄、正文（設(shè)計(jì)題目、設(shè)計(jì)任務(wù)、設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)框圖、各部分電路及相應(yīng)的詳細(xì)的功能分析和重要的參數(shù)計(jì)算、工作過程分析、元器件清單、主要器件介紹）、小結(jié)、參考文獻(xiàn)、附錄（總體設(shè)計(jì)框圖與電路原理圖）。3 時(shí)間進(jìn)度安排順序

3、階段日期計(jì) 劃 完 成 內(nèi) 容備注12013.7.15講解主要設(shè)計(jì)內(nèi)容，學(xué)生根據(jù)任務(wù)書做出原始框圖打分22013.7.16檢查框圖及初步原理圖完成情況，講解及糾正錯(cuò)誤打分32013.7.17檢查邏輯圖并指出錯(cuò)誤及糾正；講解原理圖繪制及報(bào)告書寫打分42013.7.18繼續(xù)修正邏輯圖，指導(dǎo)原理圖繪制方法，布置答辯打分52013.7.19答辯、寫報(bào)告打分2013-7-15沈 陽 工 程 學(xué) 院迷宮機(jī)器人 課程設(shè)計(jì)成績評定表系（部）： 測控技術(shù)與儀器系 班級： 測本101 學(xué)生姓名： 韓明健 指 導(dǎo) 教 師 評 審 意 見評價(jià)內(nèi)容具 體 要 求權(quán)重評 分加權(quán)分調(diào)研論證能獨(dú)立查閱文獻(xiàn),收集資料；能制定課

4、程設(shè)計(jì)方案和日程安排。0.15432工作能力態(tài)度工作態(tài)度認(rèn)真，遵守紀(jì)律，出勤情況是否良好，能夠獨(dú)立完成設(shè)計(jì)工作， 0.25432工作量按期圓滿完成規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù)，工作量飽滿，難度適宜。0.25432說明書的質(zhì)量說明書立論正確，論述充分，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理，文字通順，技術(shù)用語準(zhǔn)確，符號統(tǒng)一，編號齊全，圖表完備，書寫工整規(guī)范。0.55432指導(dǎo)教師評審成績（加權(quán)分合計(jì)乘以12） 分加權(quán)分合計(jì)指 導(dǎo) 教 師 簽 名： 年 月 日評 閱 教 師 評 審 意 見評價(jià)內(nèi)容具 體 要 求權(quán)重評 分加權(quán)分查閱文獻(xiàn)查閱文獻(xiàn)有一定廣泛性；有綜合歸納資料的能力0.25432工作量工作量飽滿，難度適中。0.55432說明書

5、的質(zhì)量說明書立論正確，論述充分，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理，文字通順，技術(shù)用語準(zhǔn)確，符號統(tǒng)一，編號齊全，圖表完備，書寫工整規(guī)范。0.35432評閱教師評審成績（加權(quán)分合計(jì)乘以8）分加權(quán)分合計(jì)評 閱 教 師 簽 名： 年 月 日課 程 設(shè) 計(jì) 總 評 成 績分摘要自動走迷宮的機(jī)器人設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)其行動過程的自動化，主要由電池組，信息采集模塊，多路選擇開關(guān)，信號放大部分，模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)主控芯片，電機(jī)驅(qū)動電路組成。電池組提供整個(gè)電路的能量，信息采集模塊由反射式紅外線傳感器（st188）組成，在前進(jìn)過程中檢測周圍障礙物（墻壁）與機(jī)器人距離。多路選擇開關(guān)（hcf4051）的功能是對8路的紅外線輸入信號分時(shí)選通。信號

6、放大電路（tl082）是負(fù)責(zé)對被選通信號電流放大，以達(dá)到下級電路要求信號強(qiáng)度。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（tlc1549）是對放大級輸出的的模擬信號數(shù)字化，以便于單片機(jī)對機(jī)器人精確控制。單片機(jī)控制芯片（at89c4051）是整個(gè)電路的核心部件，控制其他部分電路和協(xié)調(diào)整個(gè)電路的正常工作。電機(jī)驅(qū)動電路（l297和l298組成）主要提供比較大的功率，驅(qū)動電機(jī)能正常前進(jìn)。以上各個(gè)部件的電路正常工作可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動走迷宮的任務(wù)。目錄課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2摘要51方案：應(yīng)用紅外線傳感器72：電路設(shè)計(jì)82.1：紅外線信息采集電路82.2：多路開關(guān)103：tlc1549模數(shù)轉(zhuǎn)換+5v參考電壓電路123.1：三極管9051介紹1

7、23.2：tl431原理123.3恒壓電路的應(yīng)用134：模數(shù)轉(zhuǎn)換電路介紹144.1tlc1549芯片介紹154.2：工作原理155：單片機(jī)處理器175.1at89s4051介紹175.2：主要功能特性185.3：封裝和引腳功能說明185.4:模式介紹195.5:at89c4051的編程方法195.6：其他單片機(jī)的介紹206：l297電路圖206.1：l297的說明207：步進(jìn)電機(jī)l298電路圖227.1：l298簡介227.2：引腳說明237.4：l297和l298的連接驅(qū)動電路238：工作方式說明248.1：電路工作原理說明248.2：步進(jìn)電機(jī)模式及狀態(tài)248.3：+5v電壓產(chǎn)生電路248.

8、4：繼電器的工作原理258.6：機(jī)器人構(gòu)造介紹259：程序流程圖- 24 -1：主程序流程圖。- 24 -總結(jié)- 27 -致謝- 28 -參考文獻(xiàn)- 28 -附錄- 29 -1：系統(tǒng)電路圖- 29 -1方案：應(yīng)用紅外線傳感器 單片機(jī)處理器（at89s4051）擴(kuò)展功能多路開關(guān)（cd4051）紅外線（st188）模數(shù)轉(zhuǎn)換器（tlc1549）步進(jìn)電機(jī)電機(jī)驅(qū)動電路（l297和l298）放大器（tl0820）圖3系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖優(yōu)點(diǎn)：1：利用一種傳感器，便于硬件的簡化分析處理。 2：能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人位置的隨時(shí)調(diào)整。缺點(diǎn)：紅外線傳感器的輸出電壓與距離不成線性，加大了控制難度。2：電路設(shè)計(jì) 2.1：紅外線信息采集

9、電路圖4 紅外線信息采集電路2.1.1：反射式紅外線st188的特點(diǎn) （1）：采用高功率發(fā)射紅光二極管和高靈敏度光點(diǎn)晶體管組成。 （2）：檢測的距離范圍比較廣，在4-13mm都可以使用。 （3）：采用非接觸檢測方式。2.1.2：應(yīng)用范圍： （1）：ic卡電鍍表脈沖數(shù)據(jù)采集。 （2）： 集中抄表系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集。 （3）：傳真機(jī)紙張檢測。 （4）：對障礙物的反映。2.1.3：極限參數(shù) 1.4：檢測距離于效率關(guān)系 圖5 極限參數(shù) 圖6檢測距離于效率關(guān)系說明：圖6中的檢測距離為垂直距離。2.1.4光電特性 表1 在測試過程中，一般都是以室溫為標(biāo)準(zhǔn)的，因?yàn)闇囟葘θ龢O管的工作有很大的影響。所以在正常的工作過

10、程中，不能讓其在很高的溫度下工作，以免影響傳感器的正常特性。 在我們測試電路的應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，紅外線輸出電壓與其所反映的距離不是線性關(guān)系，而是一個(gè)有著一定特性和規(guī)律的曲線。在實(shí)際應(yīng)用過程中，為了使其能準(zhǔn)確的為我們提供采集的數(shù)據(jù)，我們對其距離與輸出電壓的關(guān)系做了定量的測量，在測試過程中發(fā)現(xiàn)，在一定距離下，它們的輸出電壓幾乎是穩(wěn)定的維持在一個(gè)數(shù)值下。如表72.1.5：測量的距離與輸出電壓的關(guān)系圖 表7為紅外線的反射距離與其輸出電壓關(guān)系圖。其中輸出電壓的值為每一次測量數(shù)據(jù)的平均值。在圖中也可以看出，紅外線在1cm的附近反映靈敏度是最高的，也就說在1cm的附近，紅外線輸出的電壓值也是最大的。當(dāng)隨著其與

11、墻面距離的增加，靈敏度明顯下降，同時(shí)，輸出電壓值也隨之減少。當(dāng)距離大于11cm后，紅外線的輸出電壓幾乎為零。2.2：多路開關(guān)圖7多路選擇開關(guān)電路2.2.1cd4051簡介圖8 cd4051開關(guān) cd4051 引腳功能見圖9。cd4051相當(dāng)于一個(gè)單刀八擲開關(guān)，開關(guān)接通哪一通道，由輸入的3位地址碼abc來決定。其真值表見表1。“inh”是禁止端，當(dāng) “inh”=1時(shí)，各通道均不接通。此外，cd4051還設(shè)有另外一個(gè)電源端vee，以作為電平位移時(shí)使用，從而使得通常在單組電源供電條件下工作的 cmos電路所提供的數(shù)字信號能直接控制這種多路開關(guān)，并使這種多路開關(guān)可傳輸峰峰值達(dá)15v的交流信號。例如，模

12、擬開關(guān)的供電電源vdd=5v， vss=0v，當(dāng)vee=5v時(shí)，只要對此模擬開關(guān)施加05v的數(shù)字控制信號，就可控制幅度范圍為5v5v的模擬信號。 cd4051是一個(gè)雙向性的多路選擇開關(guān)，在工作過程中，可以有8路的輸入，一路的輸出，也可以做為一個(gè)一路輸入，分時(shí)選通的8路輸出。在8路輸入或者做為8路的輸出時(shí)候，它們的控制端都都是由其地址選通碼abc三個(gè)輸入信號的組成控制的 ，可以達(dá)到8個(gè)狀態(tài)。如表2所示。在應(yīng)用過程中，第7腳（vee）和第8腳(vss)可以同時(shí)接地。2.2.2輸入與選通地址關(guān)系表表22.2.3：信號放大電路 圖9 信號放大器電路 、2.2.4tl082介紹 tl082是雙輸入jfe

13、t運(yùn)算放大器，在我們的電路應(yīng)用中，我們只應(yīng)用了它的一路放大器，它在工作的時(shí)候，需要有+12v和12v的工作電壓。在電路加電過程中，必須保證-12v電壓接通，如果沒有提供此電壓，在5腳將輸出一個(gè)5.5v到7v左右的一個(gè)電壓值。圖11為它的分裝管腳圖； 引腳說明：1：為空端 2：反向輸入端3：正向輸入端 5：正向輸入端6：反向輸入端圖9 tl082結(jié)構(gòu)圖3：tlc1549模數(shù)轉(zhuǎn)換+5v參考電壓電路圖11 +5v參考電壓電路圖3.1：三極管9051介紹 三極管9051是采用基極輸入，發(fā)射極輸出，提共較大的電流，。3.2：tl431原理德州儀器公司（ti）生產(chǎn)的tl431是一個(gè)有良好的熱穩(wěn)定性能的三端

14、可調(diào)分流基準(zhǔn)源。它的輸出電壓用兩個(gè)電阻就可以任意地設(shè)置到從vref（2.5v）到36v范圍內(nèi)的任何值（如圖12）。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2，在很多應(yīng)用中可以用它代替齊納二極管，例如，數(shù)字電壓表，運(yùn)放電路、可調(diào)壓電源，開關(guān)電源等等。 右圖是該器件的符號。3個(gè)引腳分別為：陰極（cathode）、陽極（anode）和參考端（ref）。tl431的具體功能可以用如圖13的功能模塊示意。 圖12 tl431結(jié)構(gòu)圖圖12中vi是一個(gè)內(nèi)部的2.5v基準(zhǔn)源，接在運(yùn)放的反相輸入端。由運(yùn)放的特性可知，只有當(dāng)ref端（同相端）的電壓非常接近vi（2.5v）時(shí)，三極管中才會有一個(gè)穩(wěn)定的非飽和電流通過，而隨著ref

15、端電壓的微小變化，通過三極管 圖13 的電流將從1到100ma變化。當(dāng)然，該圖絕不是tl431的實(shí)際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以不能簡單地用這種組合來代替它。但如果在設(shè)計(jì)、分析應(yīng)用tl431的電路時(shí)，這個(gè)模塊圖對開啟思路，理解電路都是很有幫助的，本文的一些分析也將基于此模塊而展開。 3.3恒壓電路的應(yīng)用圖圖14 tl431應(yīng)用二前面提到tl431的內(nèi)部含有一個(gè)2.5v的基準(zhǔn)電壓，所以當(dāng)在ref端引入輸出反饋時(shí)，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。如圖15所示的電路，當(dāng)r1和r2的阻值確定時(shí)，兩者對vo的分壓引入反饋，若v o增大，反饋量增大，tl431的分流也就增加，從而又導(dǎo)致vo下 降。

16、顯見，這個(gè)深度的負(fù)反饋電路必然在vi等于基準(zhǔn)電壓處穩(wěn)定，此時(shí)vo=(1+r1/r2)vref。選擇不同的r1和r2的值可以得到從2.5v到36v范圍內(nèi)的任意電壓輸出，特別地，當(dāng)r1=r2時(shí)，vo=5v。需要注意的是，在選擇電阻時(shí)必須保證tl431工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于1 ma 。圖圖15 tl431應(yīng)用三 圖16 tl431應(yīng)用一 在圖14的電路中，可以得到精密的5v電壓，它可以作為我們的參考基準(zhǔn)電壓。 tl431也可以應(yīng)用于開關(guān)電源電路和恒流電路中。在過去的普通開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，通常采用將輸出電壓經(jīng)過誤差放大后直接反饋到輸入端的模式。這種電壓控制的模式在某些應(yīng)用中也能較好地發(fā)

17、揮作用，但隨著技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今世界的電源制造業(yè)大多已采用一種有類似拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的方案。此類結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源有以下特點(diǎn)：輸出經(jīng)過tl431(可控分流基準(zhǔn))反饋并將誤差放大，tl431的沉流端驅(qū)動一個(gè)光耦的發(fā)光部分，而處在電源高壓主邊的光耦感光部分得到的反饋電壓，用來調(diào)整一個(gè)電流模式的pwm控制器的開關(guān)時(shí)間，從而得到一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓輸出。上圖是一個(gè)實(shí)用的4w開關(guān)型5v直流穩(wěn)壓電源的電路。該電路采用了此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)并同時(shí)使用了topswitch技術(shù)。圖中c1、l1、c8和c9構(gòu)成emi濾波器，br1和c2對輸入交流電壓整流濾波，d1和d2用于消除因變壓器漏感引起的尖峰電壓，u1是一個(gè)內(nèi)置mosfet的電流

18、模式pwm控制器芯片，它接受反饋并控制整個(gè)電路的工作。d3、c3是次極整流濾波電路，l2和c4組成低通濾波以降低輸出紋波電壓。r2和r3是輸出取樣電阻，兩者對輸出的分壓通過tl431的ref端來控制該器件從陰極到陽極的分流。這個(gè)電流又是直接驅(qū)動光耦u2的發(fā)光部分的。那么當(dāng)輸出電壓有變大趨勢時(shí)，vref隨之增大導(dǎo)致流過tl431的電流增大，于是光耦發(fā)光加強(qiáng)，感光端得到出電壓隨改變而回落。事實(shí)上，上面講述的過程在極短的時(shí)間內(nèi)就會達(dá)到平衡，平衡時(shí)vref=2.5v，又有r2=r3，所以輸出為穩(wěn)定的5v。這里要注意的是，不再能通過簡單地改變?nèi)与娮鑢2、r3的值來改變輸出電壓，因?yàn)樵陂_關(guān)電源中每個(gè)元件

19、的參數(shù)對整個(gè)電路工作狀態(tài)的影響都會很大。按圖中所示參數(shù)時(shí)，電路可在90vac264vac（50/60hz）輸入范圍內(nèi)，輸出+5v，精度優(yōu)于3%，出功率為4w，最大輸出電流可達(dá)0.8a，典型變換效率為70%。由前面的例子我們可以看到，器件作為分流反饋后，ref端的電壓始終穩(wěn)定在2.5v，那么接在ref端和地間電阻中流過的電流就應(yīng)是恒定的。利用這個(gè)特點(diǎn)，可以將tl431應(yīng)用很多流電路中。是一個(gè)實(shí)用的精密恒流源電路。原理很簡單，不再贅述。但值注意的是，tl431的溫度系數(shù)為30ppm/，所以輸出恒流的溫度特性要比普通鏡像恒流源或恒流二極管好得多，因而在應(yīng)用中無需附加溫度補(bǔ)償電路。下面就介紹一個(gè)用該器

20、件為傳感器電橋提供恒定偏流的電路，這是一個(gè)已連成橋路的壓傳感器的前級處理電路。vref/r2的值應(yīng)設(shè)為電橋工作所必要的恒定電流，該電流值通常會由傳感器制造商提供。流經(jīng)tl431陰極的電流由r1和電源電壓vs決定，在應(yīng)用中通常讓它等于橋路電流，但一定要注意大于1ma。 由于tl431非常易于實(shí)現(xiàn)恒壓或恒流，而且有很好的溫度穩(wěn)定性，因此很適合于儀表電路、傳感器電路等設(shè)計(jì)應(yīng)用。4：模數(shù)轉(zhuǎn)換電路介紹圖 17 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路4.1tlc1549芯片介紹 tlc1549是美國德州儀器公司生產(chǎn)的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它采用cmos工藝，具有內(nèi)在的采樣和保持， 采用差分基準(zhǔn)電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換

21、范圍，總不可調(diào)整誤差達(dá)到1lsb ma（4.8mv）等特點(diǎn)。5.2tlc1549的工作溫度范圍內(nèi)（自然通風(fēng)）極限參數(shù)如下： 電源電壓范圍： -0.56.5v 輸入電壓范圍： -0.3vcc+0.3v 輸出電壓范圍： -0.3vcc+0.3v 正基準(zhǔn)電壓： vcc+0.1v 負(fù)基準(zhǔn)電壓： -0.1v 峰值輸入電流（任何輸入端）： 20ma 峰值總輸入電流（所有輸入端）： 30ma 工作溫度范圍（自然通風(fēng)）：tlc1549c 070 tlc1549i -4080 tlc1549m -65125 4.2：工作原理在芯片選擇（cs）無效情況下，i/o clock 最初被禁止且data out處于高阻狀

22、態(tài)。當(dāng)串行接口把cs拉至有效時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)序開始允許i/o clock 工作并使data out 脫離高阻狀態(tài)。串行接口然后把i/o clock 序列提供給i/o clock 并從data out 接收前次轉(zhuǎn)換結(jié)果。i/o clock 從主機(jī)串行接口接收長度在10和16個(gè)時(shí)鐘之間的輸入序列。開始10個(gè)i/o 時(shí)鐘提供采樣模擬輸入的控制時(shí)序。 在cs的下降沿，前次轉(zhuǎn)換的msb出現(xiàn)在dataout端。10位數(shù)據(jù)通過data out 被發(fā)送到主機(jī)串行接口。為了開始轉(zhuǎn)換，最少需要10個(gè)時(shí)鐘脈沖。如果i/o clock 傳送大于10個(gè)時(shí)鐘長度，那么在的10個(gè)時(shí)鐘的下降沿，內(nèi)部邏輯把data out拉至低電平

23、以確保其余位的值為零。在正常進(jìn)行的轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，規(guī)定時(shí)間內(nèi)cs端高電平至低電平的跳變可終止該周期，器件返回初始狀態(tài)（輸出數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容保持為前次轉(zhuǎn)換結(jié)果）。由于可能破壞輸出數(shù)據(jù)，所以在接近轉(zhuǎn)換完成時(shí)要小心防止cs被拉至低電平。時(shí)序圖如圖。圖18 tlc1549時(shí)序圖4.3：電壓與轉(zhuǎn)換圖 圖19 模數(shù)轉(zhuǎn)換對照表說明：（1）：在tlc1549工作的時(shí)候，如果大于電壓電源，芯片將不能工作。2) 此曲線基于下列假設(shè)：vref+和vref-已被調(diào)整以便從數(shù)字0至1跳變的電壓為0.0024v，滿度跳變電壓為4.908v。1lsb=4.8mv。3)：滿度值是指其額定中點(diǎn)值具有最高的絕對值的那級臺階。零度值是

24、指其額定中點(diǎn)值等于零的那級臺階。 5：單片機(jī)處理器圖20 單片機(jī)處理器5.1at89s4051介紹 at89c4051是一個(gè)低電壓，高性能cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀flash程序存儲器和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和flash存儲單元，功能強(qiáng)大的at89c4051可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合。 at89c4051雖然是一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，但它只有20個(gè)引腳，15個(gè)外部雙向輸入/輸出（i/o）端口，其中p1是一個(gè)完整的8位雙向

25、i/o口，同時(shí)內(nèi)含兩個(gè)外中斷口，兩個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,兩個(gè)全雙向串行通信口，一個(gè)模擬比較放大器(p1.0,p1.1為同相或反箱輸入端)，片內(nèi)時(shí)鐘電路。 同時(shí)at89c4051的時(shí)鐘頻率可以為零，即具備可用軟件設(shè)置的睡眠省電功能，系統(tǒng)的喚醒方式有ram、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口和外中斷口，系統(tǒng)喚醒后即進(jìn)入繼續(xù)工作狀態(tài)。省電模式中，片內(nèi)ram將被凍結(jié)，時(shí)鐘停止振蕩，所有功能停止工作，直至系統(tǒng)被硬件復(fù)位方可繼續(xù)運(yùn)行。5.2：主要功能特性： 兼容mcs51指令系統(tǒng) 4k可反復(fù)擦寫(1000次）flash rom 15個(gè)雙向i/o口 6個(gè)中斷源 2個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器 2.7-6.v的寬工作電壓

26、范圍 時(shí)鐘頻率0-24mhz 128x8bit內(nèi)部ram 2個(gè)外部中斷源 2個(gè)串行中斷 可直接驅(qū)動led 2級可編程程序加密位 低功耗睡眠功能 內(nèi)置一個(gè)模擬比較放大器 可編程uarl通道 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 5.3：封裝和引腳功能說明at89c4051采用的是雙列直插式封裝。4k的flash閃速存儲器。15個(gè)i/o口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，內(nèi)置一個(gè)精密比較器，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，at89c4051可以降至0hez的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止cpu的工作，但允許ram，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系

27、統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存ram中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有不見工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。6.4功能說明：vcc：電源工作電壓。+5vgnd：接地端。p1口：p1口是一組8位雙向i/o口，p1.2p1.7提供內(nèi)部上拉電阻,p1.0和p1.1內(nèi)部沒有上拉電阻,主要是考慮它們分別是內(nèi)部精密比較器的統(tǒng)鄉(xiāng)輸入端(ani0)和反向輸入端(ain1),如果需要應(yīng)在外部接上拉電阻.p1口輸出緩沖器可吸收20ma電流并可以直接驅(qū)動led.當(dāng)p1口引腳寫入”1”時(shí)可作輸入端,當(dāng)引腳p1.2-p1.7用做輸入并且被外部拉低時(shí),它們將因內(nèi)部的上拉電阻而輸出電流(i1l). p1口還在flash閃速編程及沉痛

28、工序校驗(yàn)時(shí)接受代碼數(shù)據(jù).p3口:p3口的p3.0p3.5,p3.7是帶有內(nèi)部上拉電阻的7個(gè)雙向i/o口.p3.6沒有引出,它作為一個(gè)通用i/o口但不可訪問,但可以作為固定輸入片內(nèi)比較器的輸出信號.p3口緩沖器可以吸收20ma電流.當(dāng)p3口寫入1時(shí),它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口,還有更重要的第二功能,如表3所示:表 3引 腳功 能 特 性p3.0rxd(串行輸入口)p3.1txd(串行輸出口)p3.2/int0(外部中斷0)p3.3/int1(外部中斷1)p3.4t0(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0外部輸入)p3.5t1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外部輸入)p3口還接受一些用于flash閃速存儲器編程和程序校驗(yàn)的

29、控制信號.rst:復(fù)位輸入.rst引腳一旦變成兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平,所有的i/o口都將復(fù)位到”1”(高電平)狀態(tài),當(dāng)振蕩器正在工作時(shí),持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周以上的高電平便可以完成復(fù)位,每個(gè)機(jī)器周期為12振蕩時(shí)鐘周期. xtal1:振蕩器反向放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端. xtal2:振蕩器反向放大器的輸出端.振蕩器特性:xtal1和xtal2為片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入和輸出端,如下圖所示.可采用石英晶體組成時(shí)鐘振蕩器,如需從外部輸入時(shí)鐘驅(qū)動at89c4051,時(shí)鐘信號從xtal1輸入,xtal2應(yīng)懸空.由于輸入到內(nèi)部電路是經(jīng)過一個(gè)2分頻觸發(fā)器,所以輸入的外部時(shí)鐘信號無需特殊要求,但它必須符合電

30、平的最大和最小值及時(shí)序規(guī)范.5.4:模式介紹 5.4.1:空閑模式 在空閑模式下,cpu 保持睡眠狀態(tài)而所有片內(nèi)的外設(shè)仍保持激活狀態(tài),這種方式由軟件產(chǎn)生.此時(shí),片內(nèi)ram和所有特殊功能寄存器的內(nèi)容保持不變.空閑模式可由任何允許的中斷請求或硬件復(fù)位終止. p1.0和p1.1在不使用外部上拉電阻的情況下應(yīng)設(shè)置為”0”,或者在使用上拉電阻的情況下設(shè)置為”1”.5.4.2:掉電模式在掉電模式下,振蕩器停止工作,進(jìn)入掉電模式的指令是最后一條別執(zhí)行的指令,片內(nèi)ram和特殊功能寄存器的內(nèi)容終止掉電模式前被凍結(jié).推出掉電模式的唯一方法是硬件復(fù)位.復(fù)位后將重新定義全部忐忑書功能寄存器但不改變r(jià)am中的內(nèi)容,在v

31、cc恢復(fù)到正常工作電平前,復(fù)位無效,且必須保持一定時(shí)間以使振蕩器重新啟動并穩(wěn)定工作.p1.0和p1.1在不使用外部上拉電阻的情況下應(yīng)設(shè)置為”0”,或者在使用上拉電阻的情況下設(shè)置為”1”.5.5:at89c4051的編程方法: 1:上電次序 在vcc和gnd 引腳之間加上電源.設(shè)置rst和xatl1為gnd 電平. 2:置rst引腳為高電平,置p3.2引腳為高電平. 3:對引腳p3.3,p3.4,p3.5,p3.7按下表正確組成加社會邏輯高h(yuǎn)”或”l”電平即可對perom進(jìn)行變成操作.編程和校驗(yàn)方法如下; 4:在0000h地址單元對p1.0-p1.7輸入數(shù)據(jù)代碼字節(jié). 5:置rst端為+12v,

32、激活編程.6:使p3.2跳變一次來編程perom陣列中的一字節(jié)或者加密位,寫字節(jié)周期是自身定時(shí)的,一般需時(shí)1.2ms. 7:當(dāng)校驗(yàn)已編程的數(shù)據(jù),使rst從+12v降低到邏輯電平”h”,置p3.3p3.7引腳到正確的電平即可從p1口讀取數(shù)據(jù).8:對下一地址單元編程字節(jié),使xtal1引腳正脈沖跳變一次使地址計(jì)數(shù)器加一,在p1口輸入新的數(shù)據(jù)字節(jié). 9:重復(fù)5和8,可對整個(gè)2k字節(jié)陣列全部編程,直到目標(biāo)文件結(jié)束.10:下電次序: 置xtal1為低”l”電平. 置rst為”l”電平. 置空所有其它i/o引腳.關(guān)閉vcc電源.at89c4051 flash閃速編程方式如下:5.6：其他單片機(jī)的介紹at89

33、c51等其他單片機(jī)，都有很多的i/o口，和at89c4051想比較，也是有很多的優(yōu)勢和其他單片機(jī)所不能取代的特點(diǎn)。但是由于在我們此次的設(shè)計(jì)中，我們需要單片機(jī)提供的i/o口很少，沒有必要選擇一個(gè)i/o比較多的微處理器。另外，at89c4051的4k flash也滿足我們的需求。在使用at89c4051的單片機(jī)，要特別注意有些口線沒有內(nèi)置的上拉電阻，在將其作為輸出口時(shí)比部加上拉電阻才能達(dá)到我們需要的驅(qū)動能力。6：l297電路圖圖22 l297電路圖6.1：l297的說明l297是一種環(huán)分集成芯片，它可以產(chǎn)生四相驅(qū)動信號，用于計(jì)算的兩相雙極和四相單極驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，該電路可以構(gòu)成四相八拍和四相四拍的方

34、式驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。芯片內(nèi)的pwm 斬波器允許在開關(guān)模式下控制步進(jìn)電機(jī)繞組電流。該器件的特性是只需要時(shí)鐘、方向和模式輸入信號。相位是由內(nèi)部產(chǎn)生的。因此,可減輕微處理機(jī)和程序設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。此芯片是具有20 個(gè)引出腳的雙列直插式塑膠封裝的器件。6.1.1：l297的封裝l297是雙列直插式封裝。如圖所示圖23 l297封裝圖6.1.2：l297的管腳功能說明 第一腳：同步信號輸入端，因?yàn)橛蓛蓚€(gè)輸入使能端和四個(gè)輸出口，所以需要同步信號。第二腳：是和gnd相連。圖25封裝圖第三腳：當(dāng)該信號有效時(shí)，l297的輸出端的初始狀態(tài)為abcd=0101。該信號有效時(shí)，二極管將會導(dǎo)通。第四腳：信號a的輸出端口。第五腳：

35、該電路的參考電壓輸入端，作為我們信號比較器的基準(zhǔn)電壓。第六腳：信號b的輸出端口。 第七腳：信號c的輸出端口。第八腳：信號a和信號b的輸出使能信號。 第九腳：信號d的輸出端口。第十腳：芯片選通或工作的使能信號輸入端口。第十一腳：低電平的時(shí)候，作用于5腳8腳高電平時(shí)，對abcd的輸出有作用 。第十二腳：+5v的電源。第十三腳：信號c和d的輸出電流控制端，調(diào)節(jié)它可以對輸出電流做一限定。第十四腳：信號a和b的輸出電流控制端，調(diào)節(jié)它可以對輸出電流做一限定。第十五腳：參考電壓，它的大小決定了電流的大小。第十六腳：它是一個(gè)rc網(wǎng)絡(luò)，它決定了l297的頻率為f=1/0.69rc。第十七腳：當(dāng)為高電平的為正向轉(zhuǎn)

36、動，低電平反向轉(zhuǎn)動，是步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向控制端。第十八腳：是l297的時(shí)鐘信號輸入端，保證了l297的正常工作。第十九腳：當(dāng)為高電平的時(shí)候，為半步方式，為低電平的時(shí)候?yàn)槿椒绞健５诙_：復(fù)位信號輸入端，當(dāng)為低電平的時(shí)候，它將輸出的狀態(tài)恢復(fù)到abcd=0101。7：步進(jìn)電機(jī)l298電路圖圖25 l298電路圖 7.1：l298簡介 l298 芯片是一種高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器,其設(shè)計(jì)是為接受標(biāo)準(zhǔn)ttl 邏輯電平信號和驅(qū)動電感負(fù)載,例如繼電器、圓筒形線圈、直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)。具有兩抑制輸入來使器件不受輸入信號影響。每橋的三級管的射極是連接在一起的,相應(yīng)外接線端可用來連接外設(shè)傳感電阻。l298 芯

37、片是具有15 個(gè)引出腳的多瓦數(shù)直插式封裝的集成芯片。8.2：l298的結(jié)構(gòu)和封裝 l298采用15腳的multivatt塑料封裝，通過三熱片可以用螺釘固定在散熱器上，如圖所示。內(nèi)部包括兩個(gè)h橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器a和b（每個(gè)全橋由4只npn型三極管構(gòu)成）；邏輯電路供電穩(wěn)壓器；邏輯控制電路等。7.2：引腳說明表4編號名稱功 能 描 述1電流傳感器a在該引腳和地之間接小電阻可用來檢測電流2輸出引腳1內(nèi)置驅(qū)動器a的輸出端1，接至電機(jī)a3輸出引腳2內(nèi)置驅(qū)動器a的輸出端2，接至電機(jī)a4電源電機(jī)供電輸入端5輸入引腳1內(nèi)置驅(qū)動器a的邏輯控制輸入端16使能端a內(nèi)置驅(qū)動器a的使能端7輸入引腳2內(nèi)置驅(qū)動器a

38、的邏輯控制輸入端28邏輯地邏輯地9邏輯電源端邏輯控制電路的電源輸入端10輸入引腳3內(nèi)置驅(qū)動器b的邏輯控制輸入端111使能端b內(nèi)置驅(qū)動器b的使能端12輸入引腳4內(nèi)置驅(qū)動器b的邏輯控制輸入端213輸出引腳3內(nèi)置驅(qū)動器b的輸出端1，接至電機(jī)b14輸出引腳4內(nèi)置驅(qū)動器a的輸出端2，接至電機(jī)b15電流傳感器b在該引腳和地之間接小電阻可用來檢測電流7.3l298的控制邏輯表5輸 入 信 號電機(jī)運(yùn)動方式使能端a/b輸入引腳1/3輸入引腳2/4110前進(jìn)101后退111停車100緊急停車0xx自由轉(zhuǎn)動7.4：l297和l298的連接驅(qū)動電路8：工作方式說明 當(dāng)采用兩片l297通過l298分別驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的兩繞

39、組，切通過兩個(gè)d/a轉(zhuǎn)換器改變每繞組對應(yīng)的verf時(shí)，即組成步進(jìn)惦記細(xì)分驅(qū)動電路。l298和l297驅(qū)動接線原理如圖所示。p1口的口線連接到l297的相應(yīng)的控制端，通過軟件的合理編排，到達(dá)控制電機(jī)按預(yù)期方向轉(zhuǎn)動的目的。8.1：電路工作原理說明 在走完迷宮后，我們判斷紅外線的狀態(tài)在由單片機(jī)的p3.1輸出信號，讓三極管導(dǎo)通。連接在三極管集電極的繼電器也會在控制信號來臨后工作。在繼電器工作的一定時(shí)間內(nèi)，太可以使連接在它的輸出端的直流電機(jī)工作，從而是畫筆脫落到地面。在這個(gè)動作完成后，根據(jù)機(jī)器人前進(jìn)時(shí)候后所保存的數(shù)據(jù)，再次驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，讓它畫出走迷宮時(shí)候的路線圖。此外，l297的1端為同步端口，它可以連

40、到另外一組l297和 l98的驅(qū)動電路的同步端口，用以使兩組驅(qū)動器同步工作，到達(dá)同時(shí)驅(qū)動多臺電機(jī)的效果。 步進(jìn)電機(jī)的工作電壓可以在5v到36伏的范圍內(nèi)正常工作。在我們的設(shè)計(jì)中，采用12v的工作電壓。其他芯片的5v芯片由它穩(wěn)壓得到。8.2：步進(jìn)電機(jī)模式及狀態(tài)在上面的程序中，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以由延時(shí)程序來實(shí)現(xiàn)，只要改變它的參數(shù)，就可以理想的前進(jìn)速度。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動力度可以調(diào)節(jié)電路中的w1和w2，在調(diào)節(jié)時(shí)候，可以改變閉合回路中電流，回路中電流的大小決定了步進(jìn)電機(jī)的前進(jìn)力量。8.3：+5v電壓產(chǎn)生電路 圖12的電路中，+12v的電路由電池組提供，并且可以提供到達(dá)2.4a的工作電流，完全可以滿足步進(jìn)電機(jī)

41、的正常工作。8.4：繼電器的工作原理fp-rly-422具有4個(gè)用于切換通用信號及負(fù)載的單刀雙擲繼電器。 fp-rly-422模塊安裝在通用接線座上，可安裝現(xiàn)場i/o布線所需的螺絲或彈簧端子。 接線座也可通過網(wǎng)絡(luò)模塊為總線模塊提供電源，同時(shí)可控制fp-rly-422模塊和網(wǎng)絡(luò)模塊并提示二者之間的通信狀態(tài)。 4個(gè)機(jī)電繼電器 隔離的輸入-輸出（2,500 vrms絕緣擊穿電壓） 非鎖存單刀雙擲繼電器 在250 vac或35 vdc下最高可切換3 a電流-40到70c 操作溫度范圍 8.6：機(jī)器人構(gòu)造介紹機(jī)器人是由三個(gè)輪子，一快底座板，兩層線路板組成。后面裝備的有步進(jìn)電機(jī)，整個(gè)機(jī)器人在前進(jìn)過程中的動

42、力都是由這兩個(gè)電機(jī)提供。前面的輪子只是起支撐作用。機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，利用步進(jìn)電機(jī)的精密步進(jìn)特性來實(shí)現(xiàn)，所以前面的輪子要求與地面的摩擦系數(shù)盡量小，從而可以減少后面驅(qū)動電機(jī)的負(fù)擔(dān)。兩快線路板采用排線進(jìn)行數(shù)據(jù)信息和控制信號的傳輸。反射式紅外線信息采集線路板位于中間層。前面有一個(gè)紅外線傳感器，也就是線路板中的u4單元，右上角和右小角的紅外線分別是u2和u1單元，左上角和左下角的紅外線分別是u5和u3單元。最頂層是驅(qū)動電路和單片機(jī)控制線路板，在該層線路板的右上角有一個(gè)開關(guān)，是電源開關(guān)，靠線路板右側(cè)中央處有一個(gè)紅色的電源指示燈，若將電源接通，指示燈亮，則表示電源正常工作。另外一個(gè)為穩(wěn)壓后的5v電源指示燈。兩個(gè)輪子的正