電路控制部分

1、一、基本元器件1、單片機(jī)的選擇對于機(jī)器人來說，單片機(jī)是相當(dāng)于機(jī)器人的大腦，起著控制和調(diào)節(jié)的重要作用，是實現(xiàn)程序與部件之間的重要的系統(tǒng)，其功能相當(dāng)于PC電腦上的CPU的功能，因此對于單片機(jī)的選擇與控制是一個至關(guān)重要的部分，直接影響著整個機(jī)器人系統(tǒng)的運行。從功能上來看，單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機(jī)系統(tǒng)。通過上網(wǎng)查閱資料和咨詢知，現(xiàn)在市場上目前

2、主要流行的單片機(jī)種類有51單片機(jī)和AVR單片機(jī)。其中51單片機(jī)是傳統(tǒng)的單片機(jī)類型，開發(fā)的較早，是基礎(chǔ)的類型，功能一般，價格很便宜，一般5元左右即可，但一些特定的功能需要通過擴(kuò)展來實現(xiàn)，會增加軟硬件的負(fù)擔(dān)，而且運算的速度上來說相對較慢。AVR單片機(jī)是目前上來說功能比較齊全的，其中以ATMEL公司開發(fā)的較為成熟，功能齊全，與其他的零件之間的兼容性也較好，價格便宜且性價比很高。經(jīng)過我們的再三考慮和借鑒以往的經(jīng)驗我們決定選用ATmega16類型的單片機(jī)進(jìn)行控制，其主要優(yōu)點是高性能、低功耗，且開發(fā)工具很齊全，可以通過CVAVR、ICC、GCC、IAR來進(jìn)行實際開發(fā),這一點對于我們實際編程的時候是有很大好

3、處的。而且其功能寄存器較多，有利于實現(xiàn)多種功能的應(yīng)用。下圖是ATmega16的引腳圖：ATmega16單片機(jī)引腳現(xiàn)說明其具體一些引腳的連接作用：VCC：接數(shù)字電路的電源GND：接地端口A(PA7-PA0)： 端口A作為A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。端口A 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口A 處于高阻狀態(tài)。端口B(PB7-PB0)、端口C(PC7-PC0)和端口D(PD7-PD0)：端口B、C和D 為8 位雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出

4、和吸收大電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口B，C，D 處于高阻狀態(tài)。RESET：復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。XTAL1：反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端。XTAL2：反向振蕩放大器的輸出端。AVCC：AVCC是端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用ADC時，該引腳應(yīng)直接與VCC連接。使用ADC時應(yīng)通過一個低通濾波器與VCC 連接。AREF A/D 的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。其具體的實物圖如下：ATmega16單片機(jī)實物圖ATmega16單片機(jī)共有32個標(biāo)準(zhǔn)IO口，大體上分配：留出22路多級控制線；JTAG口占用4個IO口；UART串行通信占用2個IO

5、口，為了方于方便擴(kuò)展和通信，然后從PB中引出ISP接口，用于下載程序。2. CPLD在機(jī)器人控制系統(tǒng)中需要控制多個舵機(jī)和行程開關(guān)還要進(jìn)行傳感器的接收處理等功能如果所有的任務(wù)都由ATmega16型單片機(jī)來完成，CPU的負(fù)擔(dān)會過重從而導(dǎo)致處理的速度過慢，因此擴(kuò)展1個CPLD型號為EPM7128。CPLD是基于PLD基礎(chǔ)上，可以根據(jù)我們自己的需要而構(gòu)造的邏輯功能數(shù)字集電路，其編程靈活、集成度高適用范圍寬、開發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計制造成本低、對硬件經(jīng)驗要求低、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測試且價格較低，可實現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計，很適合于我們對電路的擴(kuò)展功能的設(shè)計。它屬于MAX7000系列器件，包括2個通用1/0口2個專用I

6、O口，專用IO口可作為每個宏單元和輸入輸出引腳的高速控制信號(時鐘、清除和輸出使能等)，電動機(jī)的。PWM信號也由其產(chǎn)生。以下是電路結(jié)構(gòu)圖：其實物圖如下：3.舵機(jī)舵機(jī)是機(jī)器人上的動力部分，直接控制著機(jī)器人的運動，主要是由外殼、電路板、馬達(dá)、減速齒輪和電位器構(gòu)成。舵機(jī)主要適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng),比如在我們機(jī)器人的手臂和腿,控制腿和手臂的轉(zhuǎn)動都需要通過舵機(jī)來操控，舵機(jī)的基本工作原理是發(fā)一個控制信號給舵機(jī),經(jīng)電路板判斷轉(zhuǎn)動方向,再驅(qū)動馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動,透過減速齒輪將動力傳至擺臂,同時由電位器檢測送回訊號,判斷是否已經(jīng)到達(dá)指定位置。下圖是舵機(jī)的實物圖：我們根據(jù)機(jī)器人的實際需要，選擇以

7、下兩種型號的舵機(jī)：舵機(jī)型號扭矩（kg/cm)重量（g)尺寸（mm*mm*mm)安放關(guān)節(jié)TOWERPRO 9805MG25160髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肘部TOWERPRO MG9951350肩部、腕部、踝關(guān)節(jié)4.陀螺儀傳感器由于我們設(shè)計的是騎自行車的機(jī)器人，對于自行車平衡的控制是至關(guān)重要的，我們采用的是在自行車上加上陀螺傳感器來感知自行車左右方向上偏離的角度，從而來調(diào)節(jié)機(jī)器人的平衡。陀螺儀傳感器可以用于檢測目標(biāo)相對于某一軸轉(zhuǎn)動的角速度，利用它可以測量運動物體的姿態(tài)和轉(zhuǎn)動角速度，以提供運動物體的方位或者水平基準(zhǔn)。陀螺儀主要可以分為機(jī)械 陀螺儀和電子陀螺儀，其中由于機(jī)械陀螺儀的價格較高，是我們所不能承受的

8、，因此我們采用的是電子陀螺儀。下圖是ADI公司生產(chǎn)的ADXRS40型號的陀螺儀的結(jié)構(gòu)圖：該陀螺儀具有3個輸出信號，分別為角速度信號輸出RATEOUT(1B)、溫度電壓輸出TEMP(3G)以及+25 V精密基準(zhǔn)電壓源(1E)，可以用來表示角速度的采樣值、電壓式溫度傳感器輸出值以及+25 V的基準(zhǔn)電壓。采集到這3個輸出模擬信號，就可以通過AD轉(zhuǎn)換實現(xiàn)得到角速度值。陀螺儀傳感器的實物圖如下所示：6、步進(jìn)電機(jī)：步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，電機(jī)就按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，故可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量從

9、而實現(xiàn)精準(zhǔn)定位。由于我們機(jī)器人中的陀螺儀傳感器需要在步進(jìn)電機(jī)上的轉(zhuǎn)動的圓盤上才能正常工作，因此我們需要步進(jìn)電機(jī)來提供陀螺儀傳感器的環(huán)境條件。人在騎自行車過程中，我們利用四相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動陀螺儀來進(jìn)行偏移角度的測量，能夠使結(jié)果更加精確。步進(jìn)電機(jī)的實物圖如下所示：6、電容、電阻、二極管等基礎(chǔ)元器件：可以根據(jù)具體的實驗電路的需要進(jìn)行選擇即可。二、控制系統(tǒng)整個機(jī)器人的控制的控制結(jié)構(gòu)可如下結(jié)構(gòu)圖所示：機(jī)器人運行參數(shù)存儲器單片機(jī)ATmegal16舵機(jī)的驅(qū)動CPLDEPM7128陀螺儀傳感器的監(jiān)控對自行車平衡實時控制1.單片機(jī)對舵機(jī)的控制舵機(jī)作為機(jī)器人中運動的主要部分靈件，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持

10、的控制系統(tǒng)，這在我們所要制作的騎自行車的機(jī)器人當(dāng)中是一個很重要的環(huán)節(jié)，很多動作都需要其來完成，其控制直接由CPU即單片機(jī)所控制，且其簡單的控制和輸出使得單片機(jī)系統(tǒng)非常容易與單片機(jī)接合，從而利于單片機(jī)對其的控制功能。一般舵機(jī)都有三根輸入線，電源正極、地線和信號線，單片機(jī)發(fā)出的PWM信號由信號線的方波信號，方波的占空比決定舵機(jī)轉(zhuǎn)的角度，轉(zhuǎn)角范圍通常是0到180度。將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。舵機(jī)的控制信號在實踐中，我們可以根據(jù)單片機(jī)來進(jìn)行

11、對舵機(jī)所需要的PWM信號進(jìn)行控制，其主要任務(wù)是要產(chǎn)生基本的PWM周期信號，再調(diào)整其脈寬，調(diào)整占空比，從而對舵機(jī)所轉(zhuǎn)動的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)。例如想讓舵機(jī)轉(zhuǎn)向左極限的角度，它的正脈沖為2ms，則負(fù)脈沖為20ms-2ms=18ms，所以開始時在控制口發(fā)出高電平，然后設(shè)置定時器在2ms后發(fā)生中斷，中斷發(fā)生后，在中斷程序里將控制口改為低電平，并將中斷時間改為18ms，再過18ms進(jìn)入下一次定時中斷，再將控制口改為高電平，并將定時器初值改為2ms，等待下次中斷到來，如此往復(fù)實現(xiàn)PWM信號輸出到舵機(jī)。用修改定時器中斷初值的方法巧妙形成了脈沖信號，調(diào)整時間段的寬度便可使伺服機(jī)靈活運動。下圖是產(chǎn)生PWM信號的流程 P

12、WM信號產(chǎn)生流程在我們所設(shè)計的機(jī)器人中，需要控制幾個舵機(jī)的準(zhǔn)確轉(zhuǎn)動，可以根據(jù)單片機(jī)和計數(shù)器來進(jìn)行脈沖計數(shù)產(chǎn)生PWM信號。其電路連接圖如下所示：ATmega16對舵機(jī)的控制電路對角度的測量與反饋測量角度的具體方法是把陀螺儀固定在由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的圓盤上， 由圓盤帶動陀螺儀轉(zhuǎn)動，陀螺儀的輸出電壓由F-5101數(shù)據(jù)采集控制器進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換。F-5l0l的輸入電壓范圍為5V5V，AD轉(zhuǎn)換位數(shù)為l2位，轉(zhuǎn)換速度為25s。通過與主機(jī)相連，得到AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，讀取陀螺儀的輸出電壓值，換算成角速度并進(jìn)行積分，最終顯示結(jié)果這一步驟通過Visual Basic程序來實現(xiàn)。其整個系統(tǒng)流程圖如下： 通過由反饋來的信號傳

13、送到單片機(jī)中，可以通過單片機(jī)來實時控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而對自行車的左右平衡進(jìn)行微小的調(diào)控，以保證其能夠在豎直方向上基本上保持穩(wěn)定的平衡。 在設(shè)計中可以通過編程來設(shè)定豎直方向的一個較小的角度，當(dāng)檢測到自行車豎直偏離到了這個角度后，即用步進(jìn)電機(jī)給一個反方向的作用力轉(zhuǎn)動，以維持基本上的穩(wěn)定即可。此過程具體的數(shù)據(jù)需要在實際工作中根據(jù)各個具體的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和不斷反復(fù)的調(diào)試以達(dá)到最后的效果。電路部分1. 晶振電路結(jié)構(gòu)框圖如下：電路圖如圖所示：晶振電路主要可以用來產(chǎn)生時鐘頻率，在單片機(jī)中作用很大，可以結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)中所需的時鐘頻率，單片機(jī)晶振電路提供的時鐘頻率越高，單片機(jī)運行的速度也就越快，

14、但是相應(yīng)的功耗和噪聲也會增加，所以在滿足系統(tǒng)的功能的基礎(chǔ)之上，應(yīng)該采用一些較低的晶振頻率，由于我們的機(jī)器人單片機(jī)是要和PC電腦進(jìn)行通信的，所以選擇11.0592MHZ的晶振，利于將波特頻率設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)值，方便和精確的設(shè)計串口和其它異步通訊時的波特率。2. 復(fù)位電路電路圖如下： 按鍵與上電復(fù)位電路上圖是按鍵與上電復(fù)位電路，當(dāng)電路電源由關(guān)閉狀態(tài)回到加電狀態(tài)和在通電過程中，按下復(fù)位按鈕，該電路均會回到初始狀態(tài)，采用D1(1N4148)作用一是將復(fù)位輸入的最高電壓鉗在Vcc+0.5V 左右，另一作用是系統(tǒng)斷電時，將R0(10K)電阻短路，讓C0快速放電，讓下一次來電時，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。該復(fù)位電路在整個

15、機(jī)器人中運用都很廣，一些器件如單片機(jī)，舵機(jī)的初始狀態(tài)即可由此電路來復(fù)位，在工作的情況下也可以通過按鍵來回到原始狀態(tài)。對于不需要按鍵復(fù)位的電路可以將按鍵的支路去掉即可。在電路中加了放電二極管，可以有效的提高在斷電后短時間內(nèi)再次加電復(fù)位的可靠性，消除干擾、雜波。3. 關(guān)節(jié)電機(jī)的驅(qū)動這是典型的H橋電路，當(dāng)A=1，B=0時電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)A=0，B=1時電路反轉(zhuǎn)；當(dāng)A=0，B=0時電機(jī)停止。D1D4為保護(hù)二極管（IN4007），防止三極管關(guān)斷時電機(jī)產(chǎn)生的反向感應(yīng)電壓對三極管的危害。 這個電路圖是為了實現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)旋轉(zhuǎn)，可以向兩個方向旋轉(zhuǎn)，但只是在同一平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，因而只能算實現(xiàn)了一個自由度。4、主控板電源穩(wěn)壓

16、濾波電路由于AVRMega16L單片機(jī)可以在的電壓下工作，并且為了減小電機(jī)驅(qū)動電路對單片機(jī)的電源干擾，并提高電源的穩(wěn)定性，這里采用了TL431精密電壓電路。如下圖3，VCC是電池電壓（電機(jī)驅(qū)動使用的電源），為了防止電機(jī)啟動時引起的電壓下降使單片機(jī)復(fù)位，加入了二極管D1，同時串入L2，并使用了22000uF的電解電容，使電源具有良好的穩(wěn)定性：在工作當(dāng)中，由于像單片機(jī)等元器件需要電源較穩(wěn)定才能在最佳的工作狀態(tài)工作，因此這個電路主要是實現(xiàn)電源的穩(wěn)定性，在電路中有較好的作用，在機(jī)器操作中穩(wěn)定電壓是必不可少的一部分，得利于更精確的控制。5、A/D轉(zhuǎn)換器濾波電路由于我們的機(jī)器人在接收信號的過程中，往往接收的是由傳感器等傳回的模擬信號，而要處理這些信號，必須首先將這些模擬信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，經(jīng)過機(jī)器人單片機(jī)的處理分析后，再將這些數(shù)字信號相應(yīng)的轉(zhuǎn)換為模擬信號才能夠使執(zhí)行的機(jī)構(gòu)所接受正常