毕业设计（论文）-相扑机器人设计.doc

长春工业大学人文信息学院毕业设计（论文）摘 要相扑机器人比赛起源于日本，1990年3月举行了第一届机器人相扑大会，大会举办的相当成功。本机器人采用轮式结构，这样可以在场地中自由行走；以单片机作为控制核心，通过电机驱动芯片驱动四个电机完成前进、后退、转向及加速；用声控传感器实现声音启动功能；用红外传感器检测边界和对方机器人，以防止自己掉下擂台，当检测到对方时主动发力，将其推下擂台。另外当两个机器人碰撞后，由于力量相当，可能会发生僵持现象，造成电动机堵转，导致电流过大，烧坏电动机。因此需要设置电机保护电路。本设计很好的提高了机器人的独立性，灵活性，稳定性，缩短静止时间。关键词：相扑机器人 单片机 红外传感器 直流减速电动机AbstractSumo robots originated in Japan, game in March 1990 held its first session of the robot, congress held sumo congress were quite successful. This robot adopts wheel structure, so that you can walk; free site With single chip microcomputer as control core, driven by motor drive chip four motor complete forward, backward, steering and accelerated; Using sonic sensor achieve voice start function; Use infrared sensor detection boundary and the other party robot, to prevent yourself off challenge, when detected when send force other initiative and push down challenge. Another when two robots after the impact, because power quite, there could be deadlocked phenomenon, causing motor, lead to excessive current turn wall and burned motor. So the need to install the electric motor protection circuit. This design is very good improve the robot of independence, flexibility, stability, shorten the static time.Keywords: sumo robots microcontroller infrared sensor dc reducer motors59第1章 绪 论1.1 相扑机器人的背景机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。在工业,医学,农业,建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。检测装置的作用是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。另一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。控制系统有两种方式。一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。机器人相扑比赛起源于日本，其比赛规则比较宽松，给参赛者留有较大的发挥空间。机器人相扑比赛的规则要求机器人的长和宽不得超过20厘米，重量不得超过3公斤，对机器人的身高没有要求。机器人的比赛场地是高5厘米，直径为154厘米的圆形台面。台面上敷以黑色的硬质橡胶，硬质橡胶的边缘处涂有5厘米宽的白线。这种以黑白两色构成边界线的比赛场地便于相扑机器人利用低成本的光电传感器进行边界识别。相扑机器人使用的传感器有超声波传感器、触觉传感器等，成本也都不高。正是由于费用不太高，所以发展很快。自1990年首次举办比赛以来，到1993年的第4届参赛机器人已超过1000台。由于竞技过程是双方机器人身体的直接较量，气氛紧张、比赛激烈，因此该项比赛在日本和其他一些国家受到了广泛欢迎。1.2相扑机器人的特点及发展现状机器人相扑既然是由人类相扑运动发展而来的，所以在许多标准和规则的制定上自然会受到人类相扑运动的种种影响。譬如，作为机器人相扑运动场地的圆形台面的直径是154CM，这个数字就是由当时的“横纲”级相扑选手的体重与身高之和除以2得到的。现在，这位获得过三十多次优胜的著名“横纲”已经退役（历史上曾产生了50多位“横纲”级相扑选手）。相扑机器人制作简单，普及容易。因为每个比赛方仅需一台机器人出场，机器人的整机成本也低，以至于在机器人相扑大会开赛仅第四年的1993年，参赛机器人就超过了1000台。机器人相扑运动过程是双方机器人“身体”的直接较量，气氛紧张、比赛激烈。极富竞技性和观赏性，很容易引起参赛者和观众的强烈兴趣。比赛规则比较宽松，给参赛者的创造性发挥留有较大空间。例如，为了防止被对手推下赛台，有的相扑机器人采取了必要时可将自已的底部吸附在比赛场地上的方法。并靠这种策略多次赢得了胜利。第2章 设计方案2.1 设计任务及基本要求本作品为相扑机器人，可以在规定的场地中自由行走，灵活转向，并能够避免自己掉下擂台；当寻找到对方机器人时，能主动发力，将其推下擂台。本机器人为轮式机器人，采用四轮驱动，小车式外形，由89S52单片机、直流减速电动机、红外传感器、稳压电路和电机驱动电路等构成。另外本系统还添加了声控启动功能和电机过流保护功能。设计基本要求：（1）机器人在场地中可以自由行走，灵活转向；（2）应能避免自己掉下擂台；（3）当寻找到对方机器人时，应能主动发力，将其推下擂台。如图1-1 场地说明R1200R1100R250R150单位：mm边界黑线宽度2mm 场地白色A出发点B出发点场地场外场外边界边界图1-1 场地说明图2.2 总体设计方案 本机器人采用轮式结构，这样可以在场地中自由行走；以单片机作为控制核心，通过电机驱动芯片驱动四个电机完成前进、后退、转向及加速；用声控传感器实现声音启动功能；用红外传感器检测边界和对方机器人，以防止自己掉下擂台，当检测到对方时主动发力，将其推下擂台。另外当两个机器人碰撞后，由于力量相当，可能会发生僵持现象，造成电动机堵转，导致电流过大，烧坏电动机。因此需要设置电机保护电路。设计方框图如下：红外传感器检测边界红外传感器检测目标单片机电机驱动电动机声音传感器+5V稳压电路外电源输入电机保护电路2.2.1传感器配置设计本设计中用了十个红外传感器，四个碰撞检测传感器，一个声音传感器，它们和单片机的接口如表1.2所示。表1.2 传感器与单片机接口表红外传感器声音传感器碰撞检测传感器P2.0P2.7 P0.6 P0.7P0.0P0.3P0.4P2.0P2.1P2.2P2.3P0.1P0.3P2.5P2.7P0.6P0.7P2.4P2.6P0.0P0.2前后左右小车俯视图图1-3 传感器与单片机接口图第3章 各单元电路方案比较3.1 检测电路方案一：采用超声波传感器检测，利用物体对超声波的反射原理制成。采用超声波传感器，如果传感器接收到反射的超声波，则通知单片机前方有障碍物，反之则通知单片机可以向前行驶。使用超声波传感器探测信号时十分容易受到外界环境的影响，使单片机控制系统收到许多错误的信息。而且超声波传感器的价格比较昂贵。 方案二：采用红外传感器，利用物体对红外线的反射制成。红外传感器测距其优点是无盲区，测量精度高，反应速度快，方向性强，电路简单，调试容易，且比较灵敏，但不能检测黑色物体（或深色表面粗糙的物体）。超声波传感器不受物体颜色影响，但其调试比较困难，且编程复杂，对于一般要求，红外传感器能够满足，所以选择方案二。3.1.1 红外传感器红外传感器利用红外线的物理性质来进行测量的传感器。红外线又称红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。任何物质，只要它本身具有一定的温度（高于绝对零度），都辐射红外线。红外线传感器测量时不与被测物体直接接触，因而不存在摩擦，并且有灵敏度高，响应快等优点。 红外线传感器包括光学系统、检测元件和转换电路。光学系统按结构不同可分为透射式和反射式两类。检测元件按工作原理可分为热敏检测元件和光电检测元件。热敏元件应用最多的是热敏电阻。热敏电阻受到红外线辐射时温度升高，电阻发生变化，通过转换电路变成电信号输出。光电检测元件常用的是光敏元件，通常由硫化铅、硒化铅、砷化铟、砷化锑、碲镉汞三元合金、锗及硅掺杂等材料制成。 红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。例如采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，可以发现温度异常的部位，及时对疾病进行诊断治疗（见热像仪）；利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机 的过热情况等。人的眼睛能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，其中红光的波长范围为0.620.76m；紫光的波长范围为0.380.46m。比紫光光波长更短的光叫紫外线，比红光波长更长的光叫红外线最广义地来说，传感器是一种能把物理量或化学量转变成便于利用的电信号的器件，红外传感器就是其中的一种。随着现代科学技术的发展，红外线传感器的应用已经非常广泛。红外传感器分为五类：（1）辐射计，永无辐射和光谱测量；（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；（4）红外测距和通信系统；（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。红外传感器根据探测机理可分为：光子探测器（基于光电效应）和热探测器（基于热效应）。红外传感器工作原理（1）待侧目标。根据待侧目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。（2）大气衰减。待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。（3）光学接收器。它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。（4）辐射调制器。对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器，它具有多种结构（5）红外探测器。这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。（6）探测器制冷器。由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。（7）信号处理系统。将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。（8）显示设备。这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。 红外传感器在本设计中要完成两个任务，一个是检测边界，另一个是检测目标。电路图如图3-1。边界是黑色，相比白色场地，其对红外线的反射非常弱，当传感器在白色场地中（或检测到物体）时，电路输出低电平，检测到黑线（或没有检测到物体）时，电路输出高电平。如图3-1 红外发射管TLN103和接受管PT370。发射管发射距离最远为1m，为保证发射信号不会使红外接受管产生误触发，使接受管只能接收前方的红外反射信号。红外传感系统按照产生和区分控制指令的方式来分，主要有频分制和码分制。频分制是发射电路直接用不同频率的指令信号驱动红外发射器件发射不同频率的近红外光信号。频分制系统由多频振荡电路及频率选择电路构成。图3-1 红外传感器电路3.1.2 声音传感器声音传感器工作原理：声音传感器使用的是与人类耳朵相似具有频率反应的电麦克风。它用来接收声波，显示声音的振动图象。但不能对噪声的强度进行测量。通常声音传感器内置一个对声音敏感的电容式驻极体话筒。声波使话筒内的驻极体薄膜振动，导致电容的变化，而产生与之对应变化的微小电压。这一电压随后被转化成0-5V的电压，经过A/D转换被数据采集器接受，并传送给计算机。实际上，信号通过2条不同的线送达数据采集器。一个信号通过低电压输入线，在2.5V左右，另一信号通过电压输入线，在0V左右。关于输入信号线安排的 最佳的声源是音叉，但也许你想研究人类的声音、口哨、电子键盘以及其他的乐器。可尝试比较不同的声源的波形。也尝试用2种频率几乎相同的声音来产生音拍的波形图。请对声音强弱进行调整，使得能产生最佳的波形。如果声音太大，在波形的顶部或底部就会产生波形“缺失”现象。把声音传感器离声源稍远些，把音量调得稍低些。本声控电路采用三极管两级放大式电路，对驻极体话筒MIC所采集到的声音信号进行放大，灵敏度较高，输出脉冲电压可以满足单片机89S52对电平的要求。当有声音信号时，输出低电平；没有声音信号时，保持高电平。如图3-2 声音传感器电路图3-2 声音传感器电路3.13 碰撞检测传感器方案一：安装碰撞检测传感器，在程序中设计碰撞计时，当超过限定时间后让机器人采取行动躲避正面冲撞。方案二：采用干簧管配合串在电机回路并绕在其上的线圈检测流过电机的电流，当电流过大时，干簧管闭合，给单片机一个输入信号，单片机控制机器人采取行动躲避正面冲撞。两种方案硬件电路都比较简单，方案一程序设计稍微复杂一些。但安装碰撞传感器可以弥补红外传感器的盲点，检测更全面，根据本题目的特点选择方案一。 碰撞传感器负责检测碰撞的激烈程度；设置防护传感器的目的是防止前传感器意外短路而造成防误膨开，因为在不设置防护传感器的情况下，当监测前碰撞传感器时，如果不恰将其输出端子端路使点火器电路接通，那么其囊就会引爆充气膨开。传感器按其结构可分为偏心鏙式传感器，滚球式碰撞传感器，滚轴式膨胀传感器，水银开关式碰撞传感器，有压阻效应式碰撞传感器和压电效应式碰撞传感器。开关式碰撞传感器，它利用机械运动来控制触点的开合，触点的断开和闭合则通过上层板控制电机的运转。碰撞传感器的工作原理：利用压阻效应或压电效应原理工作，当相扑机器人碰撞前方物体时电路开关1和2端口闭合，电路接通VCC产生电平信号传送给芯片。传感器电路产生数据信息提交给嵌入式ARM板进行处理。本设计采用水银开关式碰撞传感器，水银开关，又称倾侧开关，是电路开关的一种，以一接著电极的小巧容器储存一小滴水银，容器中多数注入惰性气体或真空。因为重力的关系，水银水珠会随容器中较低的地方流去，若同时接触到两个电极的话，开关便会将电路关闭开启开关。水银开关式碰撞传感器利用水银导电良好的特性制成。一般用做防护传感器。它的工作原理，当发生碰撞时，减速度将使水银产生惯性力。惯性力在水银运动方向上的分力会将水银抛向传感器电极，是两个电极接通，从而接通气囊点火器电路的电源.此电路采用微动开关作为检测碰撞的器件，当有碰撞时，微动开关闭合，输出低电平即0信号，没有碰撞时，微动开关打开，输出高电平即1信号。如图3-3 碰撞检测传感器电路。4.7K*4微动开关1234J3CONN-H4图3-3 碰撞检测传感器电路3.2 单片机89S52单片机称为单片微型计算机（Single-Chip Microcomputer）或微型控制器（Micro-controller）。它在一块芯片上集成了中央处理单元CPU、随机存储器RAM、只读存储 器ROM、定时器/计数器和多种输入/输出（I/O），如并行I/O、串行I/O和A/D转换器等。就其组成而言一块单片机就是一台计算机。典型的结构如 图1-1所示。由于它具有许多适用于控制的指令和硬件支持而广泛应用于工业控制、仪器仪表、外设控制、顺序控制器中，所以又称为微控制单元（MCU）。MCS -51系列单片机，是Intel公司继MCS-48系列单片机之后，在1980年推出的高档8位单片机。当时MCS-51系列产品有8051、8031、 8751、80C51、80C31等型号。它们的结构基本相同，其主要差别反映在寄存器的配置上有所不同。8051内部没有4K字节的掩膜ROM程序存储 器，8031片内没有程序存储器，而8751是将8051片内的ROM换成EPROM。ATMEL89系列单片机是ATMEL公司的以8031核构成的8位Flash单片机系列。这个系列单片机的最大特点就是在片内含有Flash存储器，对于主控制器我们主要结合自己所熟悉的51单片机为基础，并结合实际的情况，最后选用89S52为主控制器。相对其他的控制器，s52显的比较简单，基于51的基础其资源对于我们队员也较为熟悉，而我们所要完成的控制功能也不太复杂，用他处理显得绰绰有余。在具体的使用中，我们利用在以前使用过的一些小系统板，也简化本部分在本部分中的一些麻烦。在本设计中采用单片机89S52作为控制核心，通过I/O口完成对传感器输入信号的检测以及电动机驱动信号的输出。如图3-4 管脚图。图3-5 89S52结构框图。图3-4 89S52管脚图图3-5 89S52结构框图89S52各引脚的作用VCC : 电源GND: 地P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚号 第二功能P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5 MOSI（在系统编程用）P1.6 MISO（在系统编程用）P1.7 SCK（在系统编程用）P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。引脚号 第二功能P3.0 RXD（串行输入）P3.1 TXD（串行输出）P3.2 INT0(外部中断0)P3.3 INT0(外部中断0)P3.4 T0（定时器0外部输入）P3.5 T1（定时器1外部输入）P3.6 WR(外部数据存储器写选通) P3.7 RD(外部数据存储器写选通)RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作将无效。这一位置 “1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。特殊功能寄存器 并不是所有的地址都被定义了。片上没有定义的地址是不能用的。读这些地址，一般将得到一个随机数据；写入的数据将会无效。用户不应该给这些未定义的地址写入数据“1”。由于这些寄存器在将来可能被赋予新的功能，复位后，这些位都为“0”。定时器2 寄存器：寄存器T2CON 和T2MOD 包含定时器2 的控制位和状态位寄存器对RCAP2H和RCAP2L是定时器2的捕捉/自动重载寄存器。中断寄存器：各中断允许位在IE寄存器中，六个中断源的两个优先级也可在IE中设置。TCLK串行口发送数据时钟标志位。若TCLK=1，串行口将使用定时器2 溢出脉冲作为串行口工作模式1 和3 的串口发送时钟；TCLK0，将使用定时器1计数溢出作为串口发送时钟。EXEN2定时器2外部允许标志位。当EXEN2=1时，如果定时器2没有用作串行时钟，T2EX（P1.1）的负跳变见引起定时器2 捕捉和重载。若EXEN20，定时器2将视T2EX端的信号无效TR2 开始/停止控制定时器2。TR2=1，定时器2开始工作定时器2 定时/计数选择标志位。0，定时； 1，外部事件计数（下降沿触发）捕捉/重载选择标志位。当EXEN2=1时， 1，T2EX出现负脉冲，会引起捕捉操作；当定时器2溢出或EXEN2=1时T2EX出现负跳变，都会出现自动重载操作。0 将引起T2EX 的负脉冲。当RCKL=1或TCKL1时，此标志位无效，定时器2溢出时，强制做自动重载操作。双数据指针寄存器：为了更有利于访问内部和外部数据存储器，系统提供了两路16位数据指针寄存器：位于SFR中82H83H的DP0和位于84H85。特殊寄存器AUXR1中DPS0 选择DP0；DPS=1 选择DP1。用户应该在访问数据指针寄存器前先初始化。存储器结构所有的ATMEL Flash单片机都将程序存储器和数据存储器分为不同的存储空间。89系列单片机的典型存储器的结构程序和数据存储器分为不同的逻辑空间，使得可用8位地址来访问数据存储器。这样可提高8位CPU的存储和处理速度。尽管如此，也可通过数据指针（DPTR）寄存器来产生16位的数据存储器地址。程序存储器只可读不可写，用于存放编好的程序和表格常数。89系列单片机可寻址的程序存储器总空间为64KB。外部程序存储器的读选通脉冲为PSEN（程序存储允许信号）。数据存储器在物理上和逻辑上都分为两个地址空间：一个内部和一个外部数据存储器空间。外部数据存储器的寻址空间可达64KB。访问外部数据存储器时，CPU发出读和写的信号RD和WR。将RD和PSEN两个信号加到一个与门的输入端，然后用与门的输出作为外部程序/数据存储器的读选通脉冲。这样就可将外部程序存储器空间和外部数据存储器空间合并在一起。MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。程序存储器：如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于89S52，如果EA 接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000HFFFFH。数据存储器：AT89S52 有256 字节片内数据存储器。高128 字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令访问高于7FH 的地址时，寻址方式决定CPU 访问高128 字节RAM 还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。例如，下面的直接寻址指令访问0A0H（P2口）存储单元MOV 0A0H , #data使用间接寻址方式访问高128 字节RAM。例如，下面的间接寻址方式中，R0 内容为0A0H，访问的是地址0A0H的寄存器，而不是P2口（它的地址也是0A0H）。MOV R0 , #data堆栈操作也是简介寻址方式。因此，高128字节数据RAM也可用于堆栈空间。3.3 电动机控制电路3.3.1 控制电机方案方案一：采用步进电机采用步进电机作为该系统的驱动电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现相扑机器人前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，但步进电机的输出能力较低，随转速的升高而下降，且再较高转速是会急速下降，其转速较低，不适用相扑机器人等有一定速度要求的系统。经综合比较考虑，不选择此方案。方案二：采用直流减速电机采用直流减速电机。直流减速电机具有良好的调速性能，控制起来也比较简单。电源能提供电流使直流减速电机连续不断的转动，调节电压的大小就可以改变电机的速度。直流电机的驱动电路实际上是一个功率放大器，常用的驱动方式是方式，即脉冲宽度调速方式。此方法性能较好，电路和控制都比较简单。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力，价格比步进电机要便宜很多。所以选择该方案。相扑机器人的前进，后退，回转等操作。要靠轮胎与场地的附着力，只考虑相对于轮胎产生的驱动力。当轮胎被来自电动机的转矩T驱动时，在赛场与轮胎接触点上产生力F。这个力轮胎对场地的挤压力，其大小与力矩成正比，与车轮半径成反比。表1 L298N功能模块。表1 L298N功能模块EmAIN1IN2运转状态0停止110正转101反转111刹停100停止In3，In4的逻辑图与表1相同。由表1可知为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。对于电机的调速，我们采用PWM调速的方法。其原理就是开关管在一个周期内的导通时间为t,周期为T，则电机两端的平均电压U=VCC 。其中，V电源电压。电机的转速与电机两端的电压成比例，而电机的两端的电压与控制波形的占空比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快。在硬件电路的连接上，我们将单片机的 P2.0-P3.0口分别连接到 LM298的IN1-IN4上，通过改变P2.0-P3.0口上的高低电平变化以控制小车的前进方向，通过改变P2.0-P3.0口的高低电平的占空比以控制电机的转速。PWM配合桥式驱动电路 L298N,实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大。因此选用方案一。3.3.2 L298NL298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。如图3-6电机控制电路。左电机右电机图3-6电机驱动电路接89s52L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2546 V。输出电流可达25 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。INA1、INA2、INB1、INB2分别接单片机89S52的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3，根据表2赋给P1口不同的值即可控制电机的转动，进而形成不同的动作。表2 L298N芯片真值表表2 L298N芯片真值表输入输出电机状态小车状态ENAINA1INA2INB1INB2OUTA1OUTA2OUTB1OUTB2左电机右电机停止HHLHLHLHL正转正转前进HLHLHLHLH反转反转倒车HHHHLHHHL停止正转左转HHHHLHLHH正转停止右转HHLLHHLLH正转反转原地右转HLHHLLHHL反转正转原地反转HHHHHHHHH停止停止停止LXXXXXXXX停止停止停止L298N控制原理图如下：图3-7 控制器原理图，有3个虚线框组成。（1）虚线框图1控制电机正反转，U1A，U2A是比较器，VI来自炉体压强传感器的电压。当VIVRBF1时，U1A输出高电平，U2A输出高电平经反相器变为低电平，电机正转。同理VIVRBF1时，电机反转。电机正反转可控制抽气机抽出气体的流量，从而改变炉体压强。（2）虚线框图2中，U3A，U4A两个比较器组成双限比较器，当VBVIVA时输出低电平，当VIVA，VIVB时输出高电平。VA，VB是由炉体压强转感器转换电压的上下限，即反应炉体压强控制范围。根据工艺要求，我们可自行规定VA，VB的值，只要炉体压强在VA，VB所确定范围之间电机停转（注意VBVRBF1VA，如果不在这个范围内，系统不稳定）。（3）虚线框图3是一个长延路。U5A是一个比较器，Rs1是采样电阻，VRBF2是电机过流电压。Rs1上电压大于VREF2，电机过流，U5A输出低电平。由上面可知，框图1控制电机正反转，框图2控制炉体压强的纹波大小。当炉体压强太小或太大时，电动机转到两端固定位置停止，根据直流电机稳态运行方程3： UCeNRaIa其中:为电机每极磁通量；Ce为电动势常数； N为电机转数； Ia为电枢电流；Ra电枢回路电阻。电机转数N为0，电机的电流急剧增加，时间过长将会使电机烧坏。但电机起动时，电机中线圈中的电流也急剧变大，因此我们必须把这两种状态分开。长延时电路可把这两种状态区分出来。长延时电路工作原理：当Rs1过流U5A产生一个负脉冲经过微分后，脉冲触发555的2脚，电路置位，3脚输出高电平，由于放电端7脚开路，C1，R5及U6A组成积分器开始积分，电容C1上的充电电压线性上升，延时运放积分常数为100R5C1。当C1上充电电压，即6脚电压超过23 VCC，555电路复位，输出低电平。电机启动时间一般小于08 s，C1充电时间一般为081 s。U5A输出电平与555的3脚输出电平经U7相或，如果U5A输出低电平大于C1充电时间，U7在C1充电后输出低电平由与门U8输入到L298N的6脚ENA端使电机停止。如果U5A的输出电平小于C1充电时间，6脚不动作电机的正常启动。长延时电路吸收电机启动过流电压波形，从而使电机正常启动。图3-7 控制器原理图1、15脚是输出电流反馈引脚，其它与L293相同。在通常使用中这两个引脚也可以直接接地。下图是其与51单片机连接的电路图。3.4 电源电路方案一：采用单电源供电，12V经过稳压电路稳压到5V，12V给驱动电机供电，5V给电子线路和单片机供电。方案二：采用双电源供电，驱动电机用12V供电，电子线路和单片机用5V单独供电。方案三：采用双电源供电，12V一方面供电机用电，另一方面经稳压到5V后供单片机用电，电子线路如红外检测电路、声控电路用5V电源单独供电。由于驱动电机耗电比较大，同时反复起停变速，要求电源的容量比较大，大电流放电性能好，需要经常更换电池；而控制电路和检测电路耗电比较小，用5V电源供电可长期使用而无需更换，又由于单片机对电源质量要求比较高，要求电源稳定在5V，因此选用方案三。3.5 稳压电路方案一：采用7805集成稳压芯片构成的稳压电路。 方案二：采用LM2575开关型稳压芯片构成的稳压电路。由于核心的元件7805的工作速度不太高,所以对于输入电压或者负载电流的急剧变化的响应慢. 7805本身有过流和温度保护但是扩流三极管TIP32C没有加保护,所以存在一个很大的缺点,如果7805在保护状态以后,电路的输出会是Vin-Vce, 电路输出超过预期值.LM2575开关型稳压芯片利用PWM方式进行电压调制的原理制成，具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，从而为单片机的稳定、可靠工作提供了强有力的保证，所以采用方案二。3.5.1 LM2575LM2575系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的1A集成稳压电路，它内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，而在大多数情况下不需散热片；内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等；芯片可提供外部控制引脚。是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品。本电路由LM2575开关型集成稳压芯片及其外围元件组成，输入电压可为DC7V40V之间，输出为DC5V。电路图如图3-8 。图3-8 开关型稳压电路该系列分为LM1575、LM2575及LM2575HV三个系列，其中LM1575为军品级产品，LM2575为标准电压产品，LM2575HV为高电压输入产品。每一种产品系列均提供3.3V、5V、12V、15V及可调（ADJ）等多个电压档次产品。除军品级产品外，其余两个系列均提供TO-200直脚、TO-220弯脚、塑封DIP-16脚、表面安装DIP-24脚、表面安装T）-263-5脚等多种封装形式，并分别用后缀T、Flow LB3、N、M、S表示。对于5V输出的LM2575产品，不同的封装形式，其完整表示分别为LM2575T-5.0、LM2575T-5.0 Flow LB03、LM2575N-5.0、LM2575M-5.0、LM2575S-5.0。LM2575T系列开关稳压集成电路芯片的主要参数如下：最大输出电流：1A；最大输入电压：LM1575/LM2575为45V；LM2575HV为63V；输出电压：3.3V、5V、12V、ADJ（可调）；振荡频率：54kHz；最大稳压误差：4%；转换效率：75%88%（不同的电压输出的效率不同）；工作温度范围：LM1575为-55+150；LM2575/LM2575HV为-40+125。2 引脚功能图1是LM2575集成稳压器的两种引脚排列。其引脚功能如下： VIN：未稳压电压输入端；OUTPUT：开关电压输出，接电感及快恢复二极管；GND：公共端；FEEDBACK：反馈输入端；ON/OFF：控制输入端，接公共端时，稳压电路工作；接高电平时，稳压电路停止。3 基本原理LM2575的内部框图如图2所示，该框图对应于TO-220封装的引脚。其中R1=1k（ADJ时开路），R2分别为1.7k（3.3V）、3.1k（5V）、8.8k（12V）、11.3k（15V）和0（ADJ），可以看出LM2575内含52kHz振荡器、基准电路、热关断电路