舞蹈机器人步进电机驱动电路和程序设计

舞蹈机器人步进电机驱动电路和程序设计摘 要：介绍了舞蹈机器人步进电机驱动电路和程序设计。电路采用 74373 锁存,74LS244和 ULN2003 作电压和电流驱动,单片机 AT89C52 作工作脉冲序列信号发生器。程序设计基于中断服务和总线分时复用方式,实时更新各个电机的速度和方向。关键词：单片机,中断服务,速度累加计数器,归一化速度 在机器人舞蹈时,我们用一个单片机控制多个步进电机指挥跳舞机器人的双肩、双肘和双脚伴着音乐做出各种协调舒缓充满感情的动作。电路采用 74373 锁存,74LS244 和 ULN2003 作电压和电流驱动,单片机（Atc52）作脉冲序列信号发生器。程序设计基于中断服务和总线分时利用方式,实时更新各个电机的速度、方向。整个舞蹈由运动数据所决定的一截截动作无缝连接而成。1 步进电机简介 步进电机根据内部线圈个数不同分为二相制、三相制、四相制等。本文以四相制为例介绍其内部结构。图 1 为四相五线制步进电机内部结构示意图。2 四相五线制步进电机的驱动电路 电路主要由单片机工作外围电路、信号锁存和放大电路组成。我们利用了单片机的 I/O 端口,通过 74373 锁存,由 74LS244 驱动,ULN2003 对信号进行放大。8 个电机共用 4bit I/O 端口作为数据总线,向电机传送步进脉冲。每个电机分配 1bit 的 I/O 端口用作 74373 锁存信号,锁存步进电机四相脉冲,经 ULN2003 放大到 12V 驱动电机运转。电路原理图（部分）如图 2 所示。（1）Intel 8051 系列单片机是一种 8 位的嵌入式控制器,可寻址 64K 字节,共有 32 个可编程双向 I/O 口,分别称为 P0P3。该系列单片机上集成 8K 的 ROM,128 字节 RAM 可供使用。（2）74LS244 为三态控制芯片,目的是使单片机足以驱动 ULN2003。ULN2003 是常用的达林顿管阵列,工作电压是 12V,可以提供足够的电流以驱动步进电机。关于这些芯片的详细介绍可参见它们各自的数据手册。（3）74373 是电平控制锁存器,它可使多个步进电机共用一组数据总线。我们用 P1.0P1.7作为 8 个电机的锁存信号输出端,见表 1。 这是一种基于总线分时复用的方式,以动态扫描的方式来发送控制信号,这和高级操作系统里的多任务进程调度的思想一致。这种方法明显的好处是节省 I/O 口,使系统可以控制更多的步进电机。本电路设计为控制 8 个。 3 程序设计 传统的步进电机驱动程序利用简单的条件循环来发送脉冲序列,但当电机数目发生变化时,编程繁杂,冗余代码较多,难以做到信号占空比一致,进而产生“抖动”现象。下面提出一种基于中断服务方式,面向舞蹈动作,可实时改变各个电机速度和方向（每 200ms 可改变一次）的程序设计方法。 31 速度归一化和线性关系 我们将速度量化成一个-128127 内可变的数,正号代表正转,负号代表返转,称之归一化速度（-128127 为一个字节）。给每个电机分配一个速度累加计数器 speed_tickersi(I=0,1,2,7 分别代表 8 个电机),初始值为 0,每个中断触发周期内给该累加计数器加上从舞步信息数组 dancedata 中读取的速度值 speedsi,当计数器值大于或等于预设的阈值MAX_SPEED_TICKER=600 时,则发送脉冲序列中的下一个（正转）或上一个（反转）给步进电机,这取决于速度的符号（参考 3.2 节）。同时,将该电机的累加计数器 speed_tickersi恢复为0。给出的速度值 speedi越大,则累加达到或超过阈值 MAX_SPEED_TICKER 的时间就越短,那么向步进电机发送脉冲的频率就越高,速度也就越快。 归一化速度值设为 num（-128127）,电机实际旋转速度设为 V,那么 V 和 num 之间满足关系式： （1）当 num 是阈值 600 的约数时, 其中,x代表不超过 x 的最大整数。 （3）V 0是一个速度常数,即当归一化速度值 num=120 的时候对应的电机实际速度。 （4）num 和速度 V 近似线性关系,Vnum。正是因为有了这种函数关系,我们在舞蹈动作控制中,可以轻松实现速度在 大范围内变化。 32 速度正负实现方式 （1）在程序中,数组 steps8用于存放步进电机的脉冲序列。 （2）设置指针 cur_step8指向 8 个电机当前处在脉冲序列 step8中的位置。易知：0=stepi=7,其中,i 分别代表 8 个电机。（3）设置指针移动变量 delta=0。delta=1,指针向后移动一步,电机正转;delta=-1,指针向前移动一步,电机反转;delta=0,指针不移动,电机不发生转动。 33 程序具体步骤 331 初始化计时器 InitTimer,然后空循环,进入等中断阶段。 332 中断触发后,程序进入服务程序。 （1）执行函数 SetAllSpeeds,函数根据提供的速度值 speedi依次判断是否给各个电机发送脉冲,实现电机以特定的速度和方向旋转。SetAllSpeeds 具体算法流程见图 3。 （2）从定义的数组 dancedata 中读取新的速度信息,每 200ms 一次。 （3）将系统在调用中断处理函数时关闭的计时器重新打开 InitTimer。 （4）中断处理函数结束返回。 注意：第一,（1）和（2）不可交换,这是为了保证步进电机每步延时的均匀性;第二,内部中断间隔时间 1ms 内,8051 是否能够将中断服务程序中所有的代码执行完全？答案是肯定的。参考图 4,我们对整个中断服务程序进行了统计,它所要执行的指令数在 200300 之间变化,时钟间隔设置为 1ms,选用 12MHz 晶振,执行这些指令需要耗时约 500600s1ms,因此,中断处理完全可以在一个计时器周期内执行完毕。 34 舞蹈编排 在舞蹈编排中,我们面向的是动作,因此,必须关心三要素：快慢、方向和幅度。在程序中,舞步信息数组格式如下： 每组数据含有 8 个字节,分别代表 8 个电机的归一化速度 num,这点在 3.1 节中已经做了详细分析。程序每 200ms 读一次数据,换句话说,每组数据的有效期只有 200ms。我们分析表 2 一组数据代表的含义。 （1）组数为 25,这隐含了动作的时间信息。因为每组数据的有效期为 200ms,所以,25 组数据的执行时间为：200ms25=5000ms （2）左脚和右脚（轮式）的归一化速度相等,方向相反。根据公式（1）可以知道 V=0.5V0 所以,机器人以 0.5V0的速度原地转圈 5000ms。 （3）其它关节的归一化速度 num=0,说明其它关节均无动作。 35 可视化辅助程序简介 我们发现一个简单的动作竞需要 5 组数据,5 分钟的舞蹈需要 组数据（需占用 1.5K 存储空间,AT89C52 足够）。如果人工填写这些数据,将十分困难。因此在实际的运用中,我们用 C+Builder 编写了机器人模拟程序,采用图形界面,预一化速度和时间信息,写入 data.h,只要将其作为头文件,电机驱动程序将自动读取。 4 电路和程序特点总结 （1）一块单片机控制多个步进电机,总线分时复用。 （2）程序基于中断服务,电机工作稳定可靠。 （3）提出归一化速度,实现了速度 V 大范围可变。 （4）数据更新每 200ms 一次,可以轻松控制各个电机实时加速、减速、爆发,从而使舞蹈更人性化、感情化。这也正是我们允许数据量大的原因。 （5）辅助程序实现编程可视化。 文末是中国科大首届机器人舞蹈比赛中用到的程序实例。 参考文献 1 顾天柱,陈巳康.C51 交叉编译系统.上海：复旦大学出版社,1990,8 2 胡汉才.单片机原理及系统设计.北京：清华大学出版社,2002跳舞机器人的实现源程序一个典型的 A 型电机的加速过程 amotor.asm 程序清单：；该程序用来驱动 A 型电机左右各转 120 度DRIVE: MOV 81H,#40H ;避免堆栈指针的影响，81H 为 SP 的物理地址ACALL INIT ;调用初始化子程序MOV DPTR,#004FH ;DPTR 指向数据表MOV R0,05H ;开始为向右转，05H 为 R5 的物理地址TURN: CLR AMOVC A,A+DPTR ;取脉冲数MOV R3,A ;R3 存每阶段的脉冲数STEP: MOV A,#0FHMOVC A,A+DPTR ;取该阶段的延时数MOV R4,A ;延时数存 R4 中CJNE R0,#00H,NEXT ;状态字指针 R0 到尽头MOV R0,05H ;指针复位NEXT: MOV 80H,R0 ;输出脉冲，89H 为 P2 口的物理地址MOV 90H,R0MOV 0A0H,R0MOV 0B0H,R0INC R0 ;指针下移ACALL DELAY ;延时DJNZ R3,STEP ;该阶段循环INC DPTRDJNZ R2,TURN ;执行下一阶段DEC R6MOV A,R6JZ STOP ;总步数结束MOV R7,#40REST: MOV R4,#0FFH ;正转 120 度，休息ACALL DELAYDJNZ R7,RESTMOV R2,#0FH ;加速阶段数复位MOV DPTR,#004FH ;DPTR 复位CJNE R5,#20H,RIGHT ;R5 存正反状态字LEFT: MOV R5,#25HMOV R0,05HSJMP TURNRIGHT: MOV R5,#20HMOV R0,05HSJMP TURNSTOP: SJMP STOP ;停机;ORG 004FHPULETAB: DB 9,10,11,12,14,15,16,17DB 18,19,108,108,108,108,108TIMETAB: DB 55,50,45,42,36,33,31,29DB 27,26,24,24,24,24,24DELAY1: MOV 08H,#34 ;DELAY1 为延时 0.1MS 的标准子程序LOOP1: NOPDJNZ 08H,LOOP1RETDELAY: ACALL DELAY1DJNZ R4,DELAYRETINIT: MOV 20H,#33H ;INIT 为初始化子程序MOV 21H,#66HMOV 22H,#0CCHMOV 23H,#99HMOV 24H,#00H ;20H24H 存右转状态字MOV 25H,#33HMOV 26H,#99HMOV 27H,#0CCHMOV 28H,#66HMOV 29H,#00H ;25H29H 存左转状态字MOV R5,#20H ;R5 暂存状态地址MOV R6,#14H ;前进 10 大步MOV R2,#0FH ;阶段数RETEND以上就是一个典型的电机加速驱动过程，其主要的思想是：通过有规律的变化的延时程序来控制送往步进电机的脉冲的快慢，从而使电机得到逐渐加快的脉冲激励，稳定的实现加速过程，而不会出现因为脉冲的陡然加快而抖动的现象。完整的机器人舞蹈动作程序比这段程序复杂的多，要牵涉到多个电机的协调动作以及舞动动作的配合与连贯，其中主要的是 DRIVE 子程序，限于篇幅，在此不能一一列出，完整的驱动程序可与笔者联系。 （email:）1张建民.机电一体化系统设计.北京:北京理工大