基于單片機(jī)的輪式機(jī)器人舵機(jī)控制

畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的輪式機(jī)器人舵機(jī)控制摘要在機(jī)器人機(jī)電控制系統(tǒng)中，舵機(jī)控制效果是性能的重要影響因素。論文設(shè)計(jì)了一種采用舵機(jī)控制技術(shù)的輪式機(jī)器人，單片機(jī)軟件程序采用c語(yǔ)言編程，通過(guò)使用單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)器的定時(shí)器功能，在中斷服務(wù)程序中，對(duì)I/O口進(jìn)行操作輸出PWM，對(duì)舵機(jī)的方向及速度進(jìn)行控制。將設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)在proteus仿真環(huán)境中搭建，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，模擬系統(tǒng)的控制。最后，將仿真調(diào)試好的系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際的輪式機(jī)器人中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)方案可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)角控制，速度控制，實(shí)現(xiàn)了輪式機(jī)器人的智能化運(yùn)動(dòng)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);定時(shí)器;proteus仿真;舵機(jī)控制WheeledRobotServoControlBasedonMicrocomputerAbstractInmechanicalandelectricalcontrolsystemoftherobot,thesteeringgearcontroleffectisoneoftheimportantfactorsaffectingperformance.Akindofsteeringgearcontroltechnologyofthewheeledrobotisdesignedinthepaper.Thesingle-chipmicrocomputersoftwareprogramusingclanguageprogrammingandthesinglechipmicrocomputerinternalcountertimerfunctiontomanipulateoutputPWMintheinterruptserviceroutine.I/Oportscontrolthedirectionandspeedofthesteeringgear.Thedesignedrobotsystemissetupintheprotuessimulationenvironmentandsimulatescontrolsystem.Finally,thesimulationdebugginggoodsystemisappliedtotheactualwheeledrobot.Experimentalresultsshowthatthedesignedmechanismcancontrolthecornerangleandspeedofrobotandimplementstheintelligentmovementofwheeledrobots.Keywords:singlechipmicrocomputer;timer;protuessimulation;servocontrol 目錄 引言 11總體方案設(shè)計(jì) 22硬件設(shè)計(jì) 22.1控制模塊 22.2舵機(jī)模塊 82.3紅外接收模塊 92.4電源設(shè)計(jì) 103軟件設(shè)計(jì) 113.1綜合程序設(shè)計(jì) 113.2舵機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 113.3紅外程序設(shè)計(jì) 123.4程序 124開發(fā)和仿真 134.1程序開發(fā)環(huán)境介紹和應(yīng)用 134.2仿真系統(tǒng)的介紹和應(yīng)用 155組裝和調(diào)試 175.1舵機(jī)調(diào)零 175.2組裝 185.3調(diào)試 19結(jié)論 21致謝 21參考文獻(xiàn) 23附錄 24引言輪式機(jī)器人在當(dāng)今社會(huì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，具有移動(dòng)速度快，運(yùn)行平穩(wěn)的特點(diǎn)。輪式機(jī)器人多應(yīng)用在地面平坦，需要平穩(wěn)運(yùn)行的場(chǎng)合，例如工廠內(nèi)的自動(dòng)循跡送貨機(jī)器人、家庭內(nèi)使用的清潔機(jī)器人。大多數(shù)輪式機(jī)器人采用的是直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，但是直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)需要有單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電路，并且對(duì)其的控制精度不能保證。所以本設(shè)計(jì)采用舵機(jī)作為輪式機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。舵機(jī)在現(xiàn)代生活中越來(lái)越重要，尤其是在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中。舵機(jī)的應(yīng)用范圍比較廣泛。在船舶工業(yè)中，舵機(jī)有著十分重要的作用，用來(lái)控制船的前進(jìn)方向。在航天領(lǐng)域中，舵機(jī)控制著飛行器的前進(jìn)方向，對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)至關(guān)重要。在機(jī)器人中，由于舵機(jī)可以精確快速的調(diào)整到特定位置，所以舵機(jī)在機(jī)器人中的應(yīng)用很廣泛。因此，能準(zhǔn)確控制著舵機(jī)的速度和方向?qū)ΜF(xiàn)代工業(yè)有著重大的意義[1-6]。現(xiàn)在有些人采用模擬電路來(lái)控制舵機(jī)，這樣控制起來(lái)容易受到外界的干擾，運(yùn)行起來(lái)也不太穩(wěn)定。為此本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)來(lái)控制，這樣既滿足了快速性，又能滿足準(zhǔn)確性。單片機(jī)在現(xiàn)代控制中占有重要的地位[7,8]，采用的AT89S52單片機(jī)資源也十分的豐富。本次設(shè)計(jì)的目的就是在理論學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，通過(guò)完成一個(gè)涉及AT89S52單片機(jī)應(yīng)用并具有綜合功能的最小系統(tǒng)目標(biāo)板的設(shè)計(jì)與編程應(yīng)用，使我們能夠?qū)⒗碚撝R(shí)與實(shí)際應(yīng)用結(jié)合起來(lái)，加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，而且對(duì)電氣、電子電路、電子元器件、印刷電路板的知識(shí)進(jìn)一步加深了解，在軟件編程的同時(shí),布置和調(diào)試、焊接技術(shù)及相關(guān)設(shè)備使用技能得到全面的鍛煉和提高，為將來(lái)能獨(dú)立一些單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)工作打下一定的基礎(chǔ)。同時(shí)在設(shè)計(jì)之初先采用Proteus進(jìn)行仿真，加快了設(shè)計(jì)的進(jìn)程，使設(shè)計(jì)出實(shí)物的成功率更高[9-11]。1總體方案設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的機(jī)器人采用的是舵機(jī)作為驅(qū)動(dòng)輪，舵機(jī)的控制信號(hào)是周期為20Ms，脈沖寬度為0.5Ms到2.5Ms的PWM信號(hào)。采用單片機(jī)作為控制芯片。通過(guò)接收紅外遙控器發(fā)出的信號(hào)，來(lái)遙控機(jī)器人的運(yùn)行。同時(shí)要將舵機(jī)的供電與單片機(jī)的供電隔離開來(lái)，防止舵機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的電壓波動(dòng)影響到單片機(jī)的工作。PWM波紅外線PWM波紅外線舵機(jī)遙控器單片機(jī)舵機(jī)遙控器單片機(jī)+6V+5V+6V+5V電源模塊電源模塊圖1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2硬件設(shè)計(jì)2.1控制模塊考慮到該對(duì)舵機(jī)控制是由PWM信號(hào)完成的，又知道PWM信號(hào)的脈沖寬度是由0.5MS到2.5MS變化。即PWM信號(hào)要做到微秒級(jí)的變化。而AT89S52單片機(jī)若采用12MHz的晶振，其工作頻率為1MHz，可以滿足要求，再加上其性能可靠，價(jià)格便宜，便于入門。所以采用AT89S52單片機(jī)最為控制芯片。2.1.1單片機(jī)的基本發(fā)展概況從第一臺(tái)單片機(jī)問(wèn)世至今三十多年以來(lái)，我國(guó)開始使用單片機(jī)是在1982年，短短五年時(shí)間里發(fā)展極為迅速。目前單片機(jī)產(chǎn)品已達(dá)50多個(gè)系列，300多種型號(hào)，且綜合性能、成本、體系結(jié)構(gòu)、開發(fā)環(huán)境等都取得了顯著的進(jìn)步。單片機(jī)就其字長(zhǎng)可分為4位機(jī)、8位機(jī)、16位機(jī)和32位機(jī)，其中8位機(jī)長(zhǎng)期以來(lái)都是主流機(jī)型，在我國(guó)應(yīng)用尤為廣泛，且在今后的很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍具有相當(dāng)?shù)幕盍?。?位機(jī)為例，單片機(jī)的發(fā)展歷史可綜合為單片機(jī)初級(jí)階段、單片機(jī)完善階段、微控制器形成階段和微控制器成熟階段等四個(gè)階段。單片機(jī)也可以稱之為微控制器(Microcontroler)，是因?yàn)樗钤绲膽?yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)控制。起初單片機(jī)只是一個(gè)只有CPU的芯片，它作為專用的處理器。在此基礎(chǔ)上慢慢發(fā)展而來(lái)。單片機(jī)最初的設(shè)計(jì)為了讓系統(tǒng)變小，更加容易的被應(yīng)用集成進(jìn)更加復(fù)雜要求更加嚴(yán)格的控制場(chǎng)合當(dāng)中，將CPU和大量的外設(shè)集成在一個(gè)很小的芯片中。INTEL的Z80處理器就是這種設(shè)計(jì)思想最早的應(yīng)用，單片機(jī)和專用處理器在此之后便向不同的方向發(fā)展。單片機(jī)的結(jié)構(gòu)：?jiǎn)纹瑱C(jī)當(dāng)中包括CPU、RAM、ROM、I/0口等各個(gè)主要的部件，并且把這些部件集成在一塊小小的芯片上。但是盡管各個(gè)主要器件僅僅集成在一塊很的小芯片上，但是它包括了構(gòu)成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)所需要的絕大部分硬件：CPU、ROM、RAM、外部總線。同時(shí)還包括定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、通訊接口等外圍設(shè)備。更有甚者甚至可以將復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)、圖像、聲音等功能都集成在芯片內(nèi)部。2.1.2單片機(jī)特點(diǎn)單片機(jī)是一種在線式的實(shí)時(shí)控制的計(jì)算機(jī)，在線式就是現(xiàn)場(chǎng)控制，需要有比較好的抗干擾能力，低的成本。單片機(jī)是靠程序的，并且可以修改。不同的程序以實(shí)現(xiàn)不同的功能，對(duì)于一些比較特殊的功能，其他器件很難或者是根本就不可能做到。單片機(jī)還具有優(yōu)異的性價(jià)比、集成度很高、體積小、可靠性很高。單片機(jī)的各功能部件都集成在一塊芯片當(dāng)中，內(nèi)部采用的是總線結(jié)構(gòu)，這樣就減化了各部件之間的連接，在很大程度上提高了其抗干擾能力和工作的可靠性。另外，其體積小，易于屏蔽外界的強(qiáng)磁場(chǎng)干擾，適合在比較惡劣環(huán)境下工作。單片機(jī)的指令系統(tǒng)中有非常豐富的轉(zhuǎn)移指令、位處理功能以及I/O口的邏輯操作，這樣就滿足了工業(yè)控制的要求。其邏輯控制的功能以及其運(yùn)行速度都比同一檔次的微機(jī)要高。單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)總線方式，進(jìn)一步縮小了體積，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。外部總線增加了I2C因?yàn)閱纹瑱C(jī)體積小，通常都被放在被控目標(biāo)的內(nèi)部。在全部裝置中，它的作用和人腦一樣，它出了問(wèn)題，全部裝置就癱瘓了。目前單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，如通訊設(shè)備、智能儀表、導(dǎo)航系統(tǒng)、實(shí)時(shí)工控、家用電器等。產(chǎn)品一旦使用了單片機(jī)，產(chǎn)品就有了能夠換代升級(jí)的功效，通常在使用了單片機(jī)的產(chǎn)品名稱之前加上一個(gè)形容詞——“智能型”，比如智能型電子表等?，F(xiàn)在有些業(yè)余電子愛好的開發(fā)者或工廠的技術(shù)人員制作出來(lái)的產(chǎn)品，不是功能太簡(jiǎn)單且極易被仿制，就是電路太復(fù)雜。這其中的原因，可能就是在產(chǎn)品中沒(méi)有使用單片機(jī)或者是其的它可編程邏輯器件。2.1.3單片機(jī)的應(yīng)用在當(dāng)今的時(shí)代單片機(jī)的應(yīng)用擴(kuò)展到了我們生活的很多領(lǐng)域，很難找到單片機(jī)涉及不到的領(lǐng)域。通信、汽車系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、各種儀器儀表、電視系統(tǒng)、甚至是在軍工領(lǐng)域等等。在自動(dòng)控制領(lǐng)域的智能儀表、機(jī)器人、醫(yī)療器械等方面就更加與單片機(jī)相關(guān)了。因此，對(duì)于單片機(jī)的學(xué)習(xí)是十分有用的這可能造就一批智能化控制與計(jì)算機(jī)應(yīng)用的工程師、科學(xué)家。單片機(jī)廣泛應(yīng)用于家用電器、儀器儀表、航空航天、醫(yī)用設(shè)備、過(guò)程控制[12,13]及專用設(shè)備的智能化管理等領(lǐng)域，大蓋分如下幾個(gè)領(lǐng)域：（1）在家用電器中的應(yīng)用現(xiàn)在的家用電器大部分都使用單片機(jī)控制，從電子秤量設(shè)備、電飯褒、洗衣機(jī)、空調(diào)機(jī)、電冰箱、其他音響視頻器材再到彩電，無(wú)所不在、五花八門。（2）在智能儀器儀表上的應(yīng)用單片機(jī)具有體積小、控制功能強(qiáng)、功耗低、微型化、用方便和擴(kuò)展靈活使等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于儀器儀表的設(shè)計(jì)中，組合上不同種類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如頻率、電壓、硬度、壓力、濕度、元素、功率、溫度、流量、長(zhǎng)度、速度、角度、厚度等物理量的檢測(cè)。運(yùn)用單片機(jī)的控制使得儀器儀表微型化、智能化、數(shù)字化，且功能更加強(qiáng)大。比如更加精密的測(cè)量設(shè)備(示波器，功率計(jì)，各種分析儀等)。（3）單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備當(dāng)中的用途也是相當(dāng)廣泛，例如病床呼叫系統(tǒng)、醫(yī)用呼吸機(jī)，監(jiān)護(hù)儀，各種分析儀及超聲診斷設(shè)備等等。此外，單片機(jī)在金融、科研、工商、國(guó)防航空航天、教育、等領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用。（4）在工業(yè)控制中的應(yīng)用用單片機(jī)可以構(gòu)成多種多樣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。例如各種報(bào)警系統(tǒng)、電梯智能化控制、計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級(jí)控制系統(tǒng)，和工廠流水線的智能化管理等。（5）在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)代的單片機(jī)普遍都具備通信的接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信與交流，給在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與需要通信的設(shè)備之間的應(yīng)用提供了非常好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備大部分都實(shí)現(xiàn)了用單片機(jī)智能控制，從小型程控、手機(jī)，交換機(jī)、電話機(jī)、列車無(wú)線通信、樓宇自動(dòng)通信呼叫系統(tǒng)、再到日常工作中隨處可見的集群移動(dòng)通信、移動(dòng)電話、無(wú)線電對(duì)講機(jī)等。2.1.4MCS-51單片機(jī)MCS-51是指由美國(guó)INTEL公司生產(chǎn)的一系列單片機(jī)的總稱，這一系列單片機(jī)包括了很多品種，如8031，8051，8751，8032，8052，8752，8952等，其中8051是最早最典型的產(chǎn)品，該系列其它單片機(jī)都是在8051的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能的增、減、改變而來(lái)的，所以人們習(xí)慣于用8051來(lái)稱呼MCS-51系列單片機(jī)。MCS-51系列單片機(jī)分為兩大系列，即51子系列與52子系列。51子系列：基本型，根據(jù)片內(nèi)ROM的配置，對(duì)應(yīng)的芯片為8031、8051、8751、8951。52子系列：增強(qiáng)型，根據(jù)片內(nèi)ROM的配置，對(duì)應(yīng)的芯片為8032、8052、8752、8952。而本設(shè)計(jì)就采用AT89S52單片機(jī)MCS-51系列單片機(jī)為哈佛結(jié)構(gòu)(而非普林斯頓結(jié)構(gòu))，其基本情況如下：（1)內(nèi)ROM：4KB（2)內(nèi)RAM：128B(52系列為256B)（3)外ROM：64KB（4)外RAM：64KB（5)I/O線：32根(4埠，每埠8根)（6)定時(shí)/計(jì)數(shù)器：2個(gè)16位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器(52系列為3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器)（7)串行口：全雙工，2根（8)寄存器區(qū)：工作寄存器區(qū)、在內(nèi)128BRAM中，分4個(gè)區(qū)（9)中斷源：5個(gè)源中斷，2級(jí)優(yōu)先(52系列為6個(gè)中斷源，2級(jí)優(yōu)先)（10)堆棧：最深128B（11)布爾處理機(jī)：位處理機(jī)，某位單獨(dú)處理（12)指令系統(tǒng)：五大類，111條51系列單片機(jī)8031、8051及AT89S52均采用DIP40的封裝。圖2.1是它們的引腳配置：40個(gè)引腳中，有一個(gè)電源正引腳，一個(gè)電源負(fù)引腳，兩個(gè)外置的晶體振蕩器引腳，4組8位共32個(gè)I/O口，P3口線復(fù)用。圖2.151系列單片機(jī)引腳圖下面對(duì)單片機(jī)引腳的功能加以說(shuō)明：Pin20：GND接地腳。Pin40：VCC正電源腳，工作時(shí)，接正5V電源。Pin19：時(shí)鐘XTAL1引腳，接外部晶振的一端。它是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸入端。在采用外部時(shí)鐘時(shí)，外部時(shí)鐘振蕩信號(hào)直接送入此引腳作為驅(qū)動(dòng)端，其頻率為0~33MHz。Pin18：時(shí)鐘XTAL2引腳，接外部晶振的另一端。它是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率為晶振振蕩頻率。當(dāng)采用外部時(shí)鐘電路時(shí)，此引腳應(yīng)懸空不用。AT89S52的時(shí)鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時(shí)鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10p-30p。另外一種是外部時(shí)鐘方式，即將XTAL1接地，外部時(shí)鐘信號(hào)從XTAL2輸入。內(nèi)部時(shí)鐘方式外部時(shí)鐘方式圖2.2單片機(jī)時(shí)鐘電路Pin39-Pin32：為P0口引腳。P0口是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的雙向8位并行口，既可以用作通用I/O口，也可以用作地址/數(shù)據(jù)線。由特殊功能寄存器P0管理P0口各位的工作狀態(tài)，其地址為80H，各位地址為80H~87H。它分時(shí)提供低8位地址和8位數(shù)據(jù)，故這些I/O線有“地址/數(shù)據(jù)總線”之稱，簡(jiǎn)寫為AD0~AD7。Pin1-Pin8：為P1口引腳。P1口是一個(gè)準(zhǔn)雙向的8位并行口，主要作為通用I/O口使用。由特殊功能寄存器P1管理P1口各位的工作狀態(tài)，其地址為90H，各位地址為90H~97H。Pin21-Pin28：為P2口引腳。P2口是一個(gè)準(zhǔn)雙向的8位并行口，既可以作為通用I/O口使用，也可以作為高8位地址線使用。由特殊功能寄存器P2管理P2各位的工作狀態(tài)，其地址為A0H，各位地址為A0H~A7H。Pin10-Pin17：為P3口引腳。P3口是一個(gè)多功能雙向8位并行口，它的每一位既可以作為通用I/O口使用，又都具有第二輸出功能。由特殊功能寄存器P3管理P3口各位的工作狀態(tài)，其地址為B0H，各位地址為B0H~B7H。Pin9：RESET/Vpd復(fù)位信號(hào)復(fù)用腳，當(dāng)8051通電，時(shí)鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。AT89S52的復(fù)位方式可以是自動(dòng)復(fù)位，也可以是手動(dòng)復(fù)位，見圖2.3。此外，RESET/Vpd還是一復(fù)用引腳，Vcc掉電期間，此腳可接上備用電源，以保證單片機(jī)內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。上電自動(dòng)復(fù)位電路手動(dòng)復(fù)位電路圖2.38051復(fù)位電路Pin30：ALE/為地址鎖存允許輸出/編程脈沖輸入端。Pin31：為內(nèi)、外程序存儲(chǔ)器選擇/變成電源輸入端。MCS-51的CPU能處理8位二進(jìn)制數(shù)或代碼。CPU是單片機(jī)的主要核心部件，在CPU里面包含了運(yùn)算器、控制器以及若干寄存器等部件給成。MCS-51內(nèi)部有4KB或8KB的只讀隨機(jī)存儲(chǔ)空間(51系列一共有4KB，52系列一共有8KB)，用來(lái)存放程序、原始數(shù)據(jù)或者是表格。因此它被稱之為程序存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱內(nèi)部RAM，尋址范圍為0000～0FFFH。MCS-51外部分別有64KB的RAM和64KB的ROM，稱為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外部程序存儲(chǔ)器，尋址范圍為0000H~FFFFH。51系列一共有2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(52系列一共有3個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器)，通過(guò)塔門可以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)或定時(shí)的功能，并且可以通過(guò)它定時(shí)或者是計(jì)數(shù)的結(jié)果對(duì)單片機(jī)進(jìn)行控制。定時(shí)的功能靠的是內(nèi)部分頻時(shí)鐘頻率計(jì)數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)用作計(jì)數(shù)器時(shí)，可以對(duì)T0或者是T1端口的低電平脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。MCS-51一共有4個(gè)8位的I/O口(P0、P1、P2、P3)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出和輸入。MCS-51有一個(gè)全雙工的可編程的串行口，以實(shí)現(xiàn)同其它設(shè)備進(jìn)行串行數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。這個(gè)串口有很強(qiáng)的功能，既可作為移位器使用作，同時(shí)也可做為全雙工異步通信收發(fā)器使用。TXD(P3.1)腳為發(fā)送端口，RXD(P3.0)腳為接收端口。MCS-51單片機(jī)有很強(qiáng)的中斷功能，可以滿足不同控制場(chǎng)合應(yīng)用的要求。51系列有5個(gè)中斷源(52系列有6個(gè)中斷源)，即外部中斷2個(gè)，定時(shí)中斷2個(gè)，串行中斷1個(gè)，全部中斷分為高級(jí)和低級(jí)共二個(gè)優(yōu)先級(jí)。2.2舵機(jī)模塊舵機(jī)可分為位置伺服舵機(jī)，速度伺服舵機(jī)，扭矩伺服舵機(jī)。本設(shè)計(jì)主要作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)輪，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等操作，且對(duì)其扭矩的要求不高，所以本設(shè)計(jì)中采用速度伺服舵機(jī)。舵機(jī)是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。其輸入信號(hào)為周期為20Ms，脈寬變化范圍為0.5Ms到2.5Ms的PWM波。PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)解調(diào)后得到一個(gè)直流偏置電壓，舵機(jī)中的直流電機(jī)與一個(gè)電位器相連，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)電位器轉(zhuǎn)動(dòng)，電位器又可以輸出一個(gè)電壓（這是反饋信號(hào)），直流偏置電壓與這個(gè)電位器得到的電壓經(jīng)過(guò)電壓比較器后得到的電壓差輸入控制芯片中，來(lái)完成對(duì)對(duì)舵機(jī)的控制。所以對(duì)舵機(jī)的控制，即對(duì)PWM波形的控制。圖2.4舵機(jī)以上說(shuō)的是位置伺服舵機(jī)的原理，其實(shí)速度伺服舵機(jī)的原理是大同小異的，只不過(guò)隨直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的電位器變成了事先固定好的電位器或電阻，輸出一個(gè)固定的電壓，這個(gè)電壓對(duì)應(yīng)的就是使舵機(jī)停轉(zhuǎn)的PWM信號(hào)得到的直流偏置電壓值，所以也可以通過(guò)調(diào)整這個(gè)電壓的值，來(lái)調(diào)整舵機(jī)停轉(zhuǎn)的PWM脈寬。當(dāng)PWM的脈寬為0.5Ms或2.5Ms時(shí)，舵機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的速度最快，當(dāng)脈寬越接近1.5Ms時(shí)轉(zhuǎn)速越慢，當(dāng)脈寬為1.5Ms時(shí)舵機(jī)停轉(zhuǎn)。2.3紅外接收模塊紅外遙控器采用UPD6422編碼方式，一幀碼含有一個(gè)引導(dǎo)碼，8位用戶編碼，8為用戶編碼反碼，8位鍵數(shù)據(jù)碼，8位鍵數(shù)據(jù)碼反碼。引導(dǎo)碼由9Ms高電平及4.5Ms低電平組成。用戶編碼、鍵數(shù)據(jù)碼及其反碼采用脈沖位置調(diào)試方式（PPM）編碼。利用之間的時(shí)間間隔來(lái)區(qū)分“0”和“1”。圖2.5紅外波形紅外接收模塊采用VS1838B。VS1838B采用小型設(shè)計(jì)。內(nèi)置專用IC，寬角度及長(zhǎng)距離接收，抗干擾能力強(qiáng)，能抵擋環(huán)境干擾光線，最低可在2.7V的電壓下工作。圖2.6紅外接收模塊VS1838B2.4電源設(shè)計(jì)由于本設(shè)計(jì)中有2路舵機(jī)，及其他外圍器件，采用2節(jié)18650電池供電。舵機(jī)部分直接采用18650供電，單片機(jī)采用7805芯片穩(wěn)壓后得到的+5V電源供電。這樣就將舵機(jī)的供電系統(tǒng)與單片機(jī)的供電隔離開來(lái)，抑制了舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候?qū)纹瑱C(jī)的供電產(chǎn)生的擾動(dòng)。7805芯片是一個(gè)三段正電源穩(wěn)壓芯片，輸入電壓為+5V~+18V，輸出電壓為+5V。其最大輸出電流為1.5A。有熱過(guò)載保護(hù)，短路保護(hù)，輸出晶體管安全工作區(qū)保護(hù)功能。圖2.7穩(wěn)壓芯片78053軟件設(shè)計(jì)3.1綜合程序設(shè)計(jì)程序由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和紅外解碼程序組成。初始化機(jī)器人停止。當(dāng)紅外接收到前進(jìn)、后退、停止、轉(zhuǎn)向命令時(shí)，將舵機(jī)狀態(tài)變量更新為相應(yīng)值，通過(guò)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)函數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)做出相應(yīng)動(dòng)作。3.2舵機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)由于控制舵機(jī)需要產(chǎn)生一個(gè)周期為20Ms，脈寬變化范圍為0.5Ms到2.5Ms的PWM波。且對(duì)PWM波的精度有一定要求，所以采用單片機(jī)的定時(shí)器1來(lái)產(chǎn)生一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘，在此基礎(chǔ)上輸出2路PWM波，來(lái)分別控制4個(gè)舵機(jī)。舵機(jī)程序流程圖如圖3.1所示。定時(shí)器中斷NUM值+1定時(shí)器中斷NUM值+1計(jì)數(shù)值與設(shè)定值相比較輸出高電平輸出低電平定時(shí)器初始化NUM值大于等于最大值NUM值大于等于最大值NUM值小于最大值NUM值小于最大值計(jì)數(shù)值小于設(shè)定值計(jì)數(shù)值大于設(shè)定值計(jì)數(shù)值小于設(shè)定值計(jì)數(shù)值大于設(shè)定值圖3.1舵機(jī)程序流程圖定時(shí)器1的工作方式為方式1，初值設(shè)定為TH1=(65536-100)/256;TL1=(65536-100)%256。即定時(shí)器1每隔0.1Ms產(chǎn)生一次中斷。每當(dāng)定時(shí)器1產(chǎn)生中斷時(shí)，變量NUM自動(dòng)加一，當(dāng)加到200時(shí)自動(dòng)清零，一產(chǎn)生一個(gè)20Ms的周期脈沖，在分別設(shè)定兩個(gè)變量PWM_NUM_L，和PWM_NUM_R這兩個(gè)變量值的范圍在5-25之間，通過(guò)這兩個(gè)變量值和NUM值的對(duì)比來(lái)產(chǎn)生輸出的高電平。通過(guò)這兩個(gè)變量的設(shè)置來(lái)產(chǎn)生時(shí)間長(zhǎng)度為0.5Ms到2.5Ms的高電平。但是考慮到在實(shí)際運(yùn)行時(shí)中斷函數(shù)中還有程序運(yùn)行，實(shí)際的產(chǎn)生中斷的時(shí)間要長(zhǎng)一些，在經(jīng)過(guò)仿真?zhèn)€實(shí)際的情況調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，以滿足實(shí)際的需要。最后經(jīng)過(guò)仿真和實(shí)際的運(yùn)行后，得到了確切的運(yùn)行參數(shù)，NUM變量的最大值為182，即當(dāng)NUM值達(dá)到182時(shí)自動(dòng)清零，能產(chǎn)生20.0733Ms的周期脈沖。PWM_NUM_L和PWM_NUM_R的變化范圍為4到22，產(chǎn)生0.548Ms到2.528Ms的高電平。在通過(guò)分別設(shè)置兩邊舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度來(lái)達(dá)到控制機(jī)器人前進(jìn)后退轉(zhuǎn)彎的目的。3.3紅外程序設(shè)計(jì)紅外解碼由外部中斷0口來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)接收到紅外信號(hào)時(shí)，進(jìn)入外部中斷0，首先檢測(cè)9Ms和4.5Ms的引導(dǎo)碼，之后通過(guò)計(jì)算高電平的時(shí)長(zhǎng)，來(lái)識(shí)別編碼是1還是0，并且將4組編碼分別計(jì)入4個(gè)數(shù)組中，舍棄用戶碼和用戶反碼。通過(guò)鍵值反碼來(lái)校驗(yàn)鍵值編碼是否接收正確。最后輸出鍵值編碼。舵機(jī)控制程序的源代碼見附錄。4開發(fā)和仿真4.1程序開發(fā)環(huán)境介紹和應(yīng)用本設(shè)計(jì)程序采用C語(yǔ)言編寫，用的是Keil軟件進(jìn)行開發(fā)。KeilC51是美國(guó)KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。（1）程序編寫和編譯先用Keil軟件編寫程序，程序編寫好后，進(jìn)行編譯。圖4.1編譯程序（2）程序仿真程序編譯通過(guò)后點(diǎn)擊Debug按鈕進(jìn)入仿真界面，進(jìn)行程序仿真。圖4.2仿真界面（3）獲得波形仿真時(shí)可以分別得到周期為20Ms的脈沖波形，如圖4.3和圖4.4得到的是周期為20Ms，當(dāng)舵機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)脈寬為1.54Ms的波形。圖4.320Ms周期PWM的波形圖4.41.54Ms舵機(jī)停轉(zhuǎn)的PWM波形（4）得到HEX文件之后將生成可燒寫的HEX文件。圖4.5生成HEX文件4.2仿真系統(tǒng)的介紹和應(yīng)用4.2.1Proteus的介紹Proteus軟件是英國(guó)Labcenterelectronics公司出版的EDA工具軟件。它不僅具有其它EDA工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機(jī)及外圍器件。它是目前最好的仿真單片機(jī)及外圍器件的工具。雖然目前國(guó)內(nèi)推廣剛起步，但已受到單片機(jī)愛好者、從事單片機(jī)教學(xué)的教師、致力于單片機(jī)開發(fā)應(yīng)用的科技工作者的青睞。采用這款軟件可以大大的縮短我們做設(shè)計(jì)的開發(fā)周期。我們可以先在仿真系統(tǒng)中搭建好這個(gè)系統(tǒng)，然后直接連接好導(dǎo)線，編程調(diào)試。這樣就可以避免在程序沒(méi)有調(diào)好的情況下，直接去焊接硬件。直接焊接硬件可能會(huì)因?yàn)橛布](méi)有焊接好，在調(diào)試過(guò)程中有出現(xiàn)錯(cuò)誤不知道是硬件原因還是軟件原因。這樣就給這個(gè)設(shè)計(jì)的開發(fā)增加了難道。本系統(tǒng)中采用的51單片機(jī)和舵機(jī)在仿真系統(tǒng)中都可以找到相應(yīng)的模型。還可以采用系統(tǒng)中提供的示波器，對(duì)輸出端口的波形測(cè)試。4.2.2仿真系統(tǒng)的搭建首先在仿真系統(tǒng)中搭建單片機(jī)最小系統(tǒng)。搭建最小系統(tǒng)的步驟如下圖4.6所示。圖4.6最小系統(tǒng)最小系統(tǒng)搭建好了之后就開始放置單片機(jī)外圍器件了。器件放置如下圖所示。在原理圖中還放置了示波器用于觀察I/O口的狀態(tài)，便于調(diào)試程序。如圖4.7所示。圖4.7原理圖4.2.3系統(tǒng)仿真理圖畫好之后就可以將得到HEX文件放入單片機(jī)中進(jìn)行仿真了，點(diǎn)擊仿真按鈕之后出現(xiàn)如圖4.8畫面。圖4.8仿真運(yùn)行圖從圖12們可以清楚地看到單片機(jī)I/O口的狀態(tài)，紅色代表高電平，藍(lán)色代表低電平。在仿真環(huán)境中看圖的電平狀態(tài)，就可以分析出系統(tǒng)的工作狀態(tài)。由于單片機(jī)要產(chǎn)生PWM波，外加一個(gè)示波器來(lái)觀察輸出的PWM波。在仿真時(shí)打開示波器就可以看到示波器的面板。圖4.9仿真波形圖5組裝和調(diào)試5.1舵機(jī)調(diào)零先將各個(gè)舵機(jī)依次接入停止信號(hào)，并調(diào)整舵機(jī)后方的電位器，直到舵機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，就完成了舵機(jī)調(diào)零。圖5.1舵機(jī)調(diào)零5.2組裝將舵機(jī)安裝到舵機(jī)支架上，然后安裝到機(jī)器人底部。圖5.2將舵機(jī)安裝到機(jī)器人底部將各個(gè)電源線和信號(hào)線接好。圖5.3機(jī)器人實(shí)物圖5.3調(diào)試機(jī)器人安裝完成，進(jìn)行調(diào)試，其運(yùn)行效如圖5.4—圖5.9所示，機(jī)器人的運(yùn)行結(jié)果表明，論文設(shè)計(jì)的舵機(jī)控制方案可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)角控制，速度控制，機(jī)器人運(yùn)行效果較理想，實(shí)現(xiàn)了輪式機(jī)器人的智能化運(yùn)動(dòng)。圖5.4開始運(yùn)行圖5.4直行運(yùn)動(dòng)圖5.5后退運(yùn)動(dòng)圖5.6原地左轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)圖5.7原地右轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)圖5.8左轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)圖5.9右轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)結(jié)論論文設(shè)計(jì)了一種采用舵機(jī)控制技術(shù)的輪式機(jī)器人，由單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生脈沖基準(zhǔn)控制PWM的輸出，對(duì)舵機(jī)的方向及速度進(jìn)行控制。將設(shè)計(jì)的機(jī)器人系統(tǒng)在protues仿真環(huán)境中搭建，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，模擬系統(tǒng)的控制。最后，將仿真調(diào)試好的系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際的輪式機(jī)器人中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)方案可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)角控制，速度控制，實(shí)現(xiàn)了輪式機(jī)器人的智能化運(yùn)動(dòng)。致謝感謝指導(dǎo)老師的悉心指導(dǎo)，感謝同組的同學(xué)所付出的辛勤勞動(dòng)以及對(duì)我的真誠(chéng)幫助。感謝蔡老師，她對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)的選題到設(shè)計(jì)過(guò)程中給與指導(dǎo)和鼓勵(lì)。感謝其他老師和同學(xué)對(duì)我的幫助和指點(diǎn)。老師用辛勤勞動(dòng)的汗水澆灌我們，使我們能更好的成長(zhǎng)，能收獲更有用的知識(shí)，我知道我有學(xué)不足的地方，但是我努力了，所學(xué)的成績(jī)希望得到老師們的認(rèn)可。做論文也許呈現(xiàn)我的一些不足，如計(jì)算機(jī)水平掌握不足、思路不夠嚴(yán)密、文句不夠通順等，希望老師諒解。但是通過(guò)這次的鍛煉，使我懂得了做事要認(rèn)真、仔細(xì)。在論文即將完成之際，我的心情無(wú)法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無(wú)言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意。參考文獻(xiàn)[1]章家保，劉慧，賈宏光，宣明.電動(dòng)舵機(jī)伺服系統(tǒng)的模型辨識(shí)及其矯正[J].光學(xué)精密工程，2008,10(16):1971~1976.[2]方慶山，林春方.一種基于AT89C2051的多路舵機(jī)控制方案設(shè)計(jì)[J].微特電機(jī)，2009,7:56~58.[3]趙小龍，馬鐵華，劉艷莉.一種數(shù)字化舵機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù)，2012,32:522~555.[4]劉歌群，盧京潮，艷建國(guó)，薛堯舜.單片機(jī)產(chǎn)生7路舵機(jī)控制PWM波方法[J].機(jī)械與電子，20042:76~78.[5]侯紅，李建國(guó)，王龍.一種基于新型自抗擾控制的舵機(jī)系統(tǒng)[J].電光與控制，2011,18(7):26~31.[6]馬云，石秀華，賀天鵬.IIC總線的四路舵機(jī)控制系統(tǒng)研究[J].機(jī)械與電子，2012,5:35~39.[7]張毅剛，彭喜元，彭宇.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2010.[8]王允上．學(xué)用單片機(jī)制作機(jī)器人[M]．北京：科學(xué)出版社，2012．[9]謝龍漢，莫衍．Proteus電子電路設(shè)計(jì)及仿真[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2012．[10]彭偉.單片機(jī)C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)100例：基于8051+Proteus仿真[M]北京：電子工業(yè)出版社，2009．[11]馮曉偉，王雷陽(yáng)，李正生.多路舵機(jī)控制PWM發(fā)生器的設(shè)計(jì)與Proteus仿真[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011,34(11):167~169.[12]李國(guó)勇.過(guò)程控制系統(tǒng)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.[13]顏嘉男.伺服電機(jī)應(yīng)用技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.附錄源程序代碼#include<reg51.h>#include"drives.h"#include"IR.h"intmain(void){ IR_initialization(); drives_initialization(); drives(GO1); while(1) { drives(duoji_state); } }voidIR()interrupt0{ unsignedcharj=0,k=0,N=0; EX0=0; delay(15); if(IRIN==1) { EX0=1; return; } while(!IRIN); for(j=0;j<4;j++) { for(k=0;k<8;k++) { while(IRIN); while(!IRIN); while(IRIN) { delay(1); N++; if(N>=30) { EX0=1; return; } } IR_buff[j]=IR_buff[j]>>1; if(N>=8) { IR_buff[j]=IR_buff[j]|0x80; } N=0; } } if(IR_buff[2]!=~IR_buff[3]) { EX0=1; return; } IR_duoji(); EX0=1; IRIN=1;}voidtime1()interrupt3{ TH1=(65536-100)/256; TL1=(65536-100)%256; NUM++; if(NUM==177) NUM=0; if(PWM_NUM_L<NUM) PWM_L=0; elsePWM_L=1; if(PWM_NUM_R<NUM) PWM_R=0; elsePWM_R=1;}3.4.2drives程序#ifndef_drives_h_#define_drives_h_#defineSTOP0x0c#defineGO10x0e#defineGO20x0d#defineBACK20x0a#defineBACK10x0b#defineTURN_LEFT10x02#defineTURN_LEFT20x03#defineTURN_RIGHT10x04#defineTURN_RIGHT20x05sbitPWM_L=P0^0;sbitPWM_R=P0^1;unsignedcharPWM_NUM_L=0,PWM_NUM_R=0,NUM=0;voiddrives_initialization(){ EA=0; TH1=(65536-100)/256; TL1=(65536-100)%256; TMOD|=0x10; ET1=1; EA=1; TR1=1;}voiddrives(unsignedcharinput){ switch(input) { caseGO1: PWM_NUM_L=GO1; PWM_NUM_R=