VR单片机汇编语言机器人控制样例

AVR单片机汇编语言机器人控制样例 19AVR单片机汇编语言机器人控制样例SL-DIY02-9伺服电机(舵机)机器人专用控制板的应用摘要:双龙电子为高中简易机器人制作课程开设,提供AVR单片机汇编语言机器人控制样例。采用双龙电子SL-DIY02-9伺服电机(舵机)机器人专用控制板,利用双轴输出伺服电机(舵机)组成各种创意机器人,伺服电机既是机器人的驱体,又是机器人的活动关节部件,采用AVR单片机ATmega16作为机器人核心控制部件。用AVR汇编语言编写机器人程序, 程序启停采用中断触发方式,可以同时控制4只伺服电机机器人动作,伺服电机运动速度、动作幅度可修改,也可方便扩展到8只伺服电机机器人动作。本程序采用模块式结构,流程图说明,并有详细中文注释,程序在实验中调试通过,本程序可作为机器人创新开发参考。一、SL-DIY02-9伺服电机(舵机)机器人专用控制板简介双龙电子的SL-DIY系列积木式单片机开发实验模块板,是单片机教学实验、机器人开发制作、参加各种创新大赛及参加各种机器人大赛的通用开发实验模板,做到一机多用。SL-DIY系列积木式单片机开发实验模块板,只需一条ISP下载电缆线就可开发所有的AVR单片机。从而为用户节省了购买仿真器、编程器、芯片适配器的大量费用。功能板可以是空芯片,相当于提供一张白纸,可以让你写最好的文章,画最好最美的图画。当然该功能板还提供各种程序例子,有汇编级及高级语言源程序,供使用者学习参考、修改补充,使该功能板符合自己项目工程的需要。另外双龙电子也提供含有监控程序的芯片(含相应操作系统软件),使你可锦上添花,提高你的项目开发水平,加快项目的开发进程,让你早出成果,快出成果。为了让SL-DIY系列积木式单片机开发实验模块板使用者更好地参加各种创新大赛及机器人大赛,尽量减小功能板体积及减轻功能板重量,双龙电子特别推出SL-DIY02-9伺服电机(舵机)机器人专用开发板(简称开发板),电原理框图如图1。 图1 电原理框图SL-DIY02-9开发板体积小(77x53mm),重量轻,是伺服电机机器人专用控制板,可用于有手有脚机器人、仿生机器人、虚拟机器人、网络机器人等的控制。单片机I/O口也可直接当输入/输出用,适用于AVR单片机机器人制作控制及青少年科技创新活动使用。 SL-DIY02-9开发板,最多可提供32只伺服电机(舵机)接口,可直接接插伺服电机。也可提供8路10位A/D转换接口(PA口);声控启动程序功能,符合世界机器人比赛要求(即机器人进入赛场后不准触摸机器人,必须声控启动);用户程序ISP在线下载编程功能;RS232通讯接口,是供图形软件、流程图软件、工控组态软件通讯、调试、下载程序使用;本机采用大容量高性能ATmega16 AVR单片机,具有JTAG仿真接口,利用JTAG仿真器可以进行在线实时仿真,提高工程项目开发效率。本功能板采用双列直插式DIP器件,便于使用者任意更改功能板的用途或器件的程序内容,在某些比赛场合下尤为重要。双龙电子也可提供图形软件监控及系统工作软件,只要你会操作电脑,你就会开发设计制作控制调机器人。双龙电子提供的图形软件、流程图软件,最多可输入几百条语句。SL-DIY02-9开发板,双龙电子也可提供组态监控及系统工作软件,可以学习工控组态方法,可以设计开发虚拟机器人与网络机器人。图2为SL-DIY02-9开发板器件位置图,图3为实物图。 图2 器件位置图 图3 实物图 SL-DIY02-9模块板使用说明:U1(14)出厂时选用ATmega16单片机, ATmega16与ATmega8535/AT90S8535兼容;JPA,JPB,JPC,JPD(15,7,12,10)均可直接插伺服电机(靠芯片一侧为伺服电机信号I/O端口,中间为VCC,外侧为GND),AVR单片机4个I/O口,每组为8个端口(PX0-PX7),为工作方便,请注意:把PD口(PD0-PD7)排在一起了。但JPD0,JPD1端口作串行通讯接口,在通讯连机时不能插伺服电机,通讯下载结束后可插伺服电机;JPD2,JPD3端口也可用作外部中断触发用,当中断触发用时不能插伺服电机;JPD4可作为声控输入端口,如作声控用时,JMIC(9)插上短路块,不能插伺服电机,如该端口用作伺服电机, JMIC插座上拔出短路块。图4为U1电原理图。 图4 U1电原理图CZ1(1)为通讯插座,本机配有专用通讯电缆,一头接插CZ1(电话机插头座),另一头接插PC机RS232接口;本通讯接口作为图形软件连机调试用,也是流程图软件、组态工控、虚拟机器人、网络机器人联机通讯工作使用,RS232电原理图见图5。CZ2(4)为5V电源接线端子,红线为正5伏(VCC标+),黑线为地(GND标-)。本功能板具有防止电源电压线接错及防止误接高电压保护电路TVS器件,当发生以上情况时,仅损坏TVS器件,从而保护单片机。如已损坏TVS器件,一时买不到该器件,可在TVS左侧F处焊上短接线临时解决电源供电,所以千万注意电源线不能接错或错接高电压。 J2为电源开关(新板),ON为接通电源,在OFF为断开电源。 图5 RS232电原理图 CZ3(6)为ISP在线下载插座,本机配有专用ISP下载线,注意下载插座有定位方向,电原理图见图6。 MIC(11)为咪头(话筒),作为声控信号源,也可设计为能听乐曲的跳舞机器人, 电原理图见图7。 图6 ISP电原理图 图7 声控电原理图 RESET(8)为手动复位按键,电原理图见图8。 JAD0(2)短路块插座,当PA0端口作A/D转换时,插上短路块(即PA0接通W1微调电位器,作为外部输入电压测试用), 电原理图见图9。当然JAD1也应拔出短路块(即除去PA口上拉电阻); JAD1(16)短路块插座,当PA口作A/D转换时, JAD1上的短路块应该拔出;如PA口作伺服电机使用时, JAD1应该插上短路块,即加入上拉电阻。 W1(13)作为A/D转换时,作外部模拟电压输入测试用, 见图9,插上JAD0短路块时,PA0端口即输入模拟电压,可用螺丝刀改变W1的电压值。当要对其它端口测试A/D功能时, 拔出JAD0短路块,可用短接线一头插在JAD0短路插座下端(1),另一头插到PA口的某测试I/O端口插针即可。 图8 复位电路 、模拟电压电路 、 电源指示 LED(5)发光二极管作电源指示用, 电原理图见图10 SL-DIY02-9开发实验器采用8MHZ晶振,也可改为16MHZ晶振,但延时参数必须修正。SL-DIY02-9开发实验器与SL-JB小键盘连接,可组成互动式虚拟机器人或网络机器人控制用。小键盘接口J7与ATmega16的PC口可用接插线连接工作。虚拟机器人设计可参阅双龙的工控组态开发有关资料。二、微型伺服电机原理与控制(中鸣)1、微型伺服电机内部结构一个微型伺服电机内部包括了一个小型直流电机；一组变速齿轮组；一个反馈可调电位器；及一块电子控制板，如图9。其中，高速转动的直流电机提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服电机的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低。图9 微型电机内部结构图2、微行伺服电机的工作原理一个微型伺服电机是一个典型闭环反馈系统，其原理可由图10表示如下：图10 闭环反馈系统原理图减速齿轮组由电机驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服电机精确定位的目的。3、如何控制伺服电机标准的微型伺服电机有三条控制线，分别为：电源、地及控制信号线。电源线与地线用于提供内部的直流电机及控制线路所需的能源，电压通常介于4V6V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服电机会产生噪音）。甚至小伺服电机在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms2ms之间，而低电平时间应在5ms到20ms之间，并不很严格，表1表示出一个典型的20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服电机的输出臂位置的关系：在参照上表设计控制脉冲宽度时应注意以下的注意事项。 表1 电机位置与控制脉冲对应表4、伺服电机的电源引线控制线图11 伺服电机引线图电源引线有三条，如图11中所示。伺服电机三条线中红色(如图最上边一根)的线是控制信号线，接到控制芯片上。中间的是SERVO工作电源线，一般工作电源是5V。 第三条是地线。5、伺服电机的运动速度 伺服电机的瞬时运动速度是由其内部的直流电机和变速齿轮组的配合决定的，在恒定的电压驱动下，其数值唯一。但其平均运动速度可通过分段停顿的控制方式来改变，例如，我们可把动作幅度为90的转动细分为128个停顿点，通过控制每个停顿点的时间长短来实现090变化的平均速度。对于多数伺服电机来说，速度的单位由“度数/秒”来决定。6、使用伺服电机的注意事项 除非你使用的是数码式的伺服电机，否则以上的伺服电机输出臂位置只是一个不准确的大约数。普通的模拟微型伺服电机不是一个精确的定位器件，即使是使用同一品牌型号的微型伺服电机产品，他们之间的差别也是非常大的，在同一脉冲驱动时，不同的伺服电机存在10的偏差也是正常的。正因上述的原因，不推荐使用小于1ms及大于2ms的脉冲作为驱动信号，实际上，伺服电机的最初设计表也只是在45的范围。而且，超出此范围时，脉冲宽度转动角度之间的线性关系也会变差。要特别注意，绝不可加载让伺服电机输出位置超过90的脉冲信号，否则会损坏伺服电机的输出限位机构或齿轮组等机械部件。由于伺服电机的输出位置角度与控制信号脉冲宽度没有明显统一的标准，而且其行程的总量对于不同的厂家来说也有很大差别，所以控制软件必须具备有依据不同伺服电机进行单独设置的功 能。 图12舵机控制原理图三、SL-DIY02-9伺服电机(舵机)机器人专用控制板汇编语言的编程 我们采用SL-DIY02-9伺服电机机器人专用控制板,手动触发(用专用接插线使PD2接一下地)启动,控制四个伺服电机工作。选用AVR单片机ATmega16的PB端口作为伺服电机驱动端口, 手动触发为INT0中断来实现伺服电机的启、停控制。设定:PB0(0号伺服电机), PB1(1号伺服电机), PB2(2号伺服电机), PB3(4号伺服电机),当然可以扩展到8个伺服电机。有关ATmega16单片机的基础知识:1.外部中断图13、MCU控制寄存器Bit 1, 0 ISC01, ISC00: 中断0 触发方式控制Bit 1 与Bit 0外部中断0 由引脚INT0 激发，如果SREG 寄存器的I 标志位和相应的中断屏蔽位置位的话。触发方式如Table 35 所示。在检测边沿前MCU 首先采样INT0 引脚上的电平。如果选择了边沿触发方式或电平变化触发方式，那么持续时间大于一个时钟周期的脉冲将触发中断，过短的脉冲则不能保证触发中断。如果选择低电平触发方式，那么低电平必须保持到当前指令执行完成。中断0 触发方式控制表2、中断触发方式图14、GICR中断屏蔽寄存器2.IO口(B口) 每个端口引脚都具有三个寄存器位: DDxn、PORTxn 和PINxn，如P63“I/O 端口寄存器的说明” 所示。DDxn 位于DDRx 寄存器， PORTxn 位于PORTx 寄存器， PINxn 位于PINx 寄存器。如图15、16、17。图15、PORTB寄存器图16、DDRB寄存器图16、PINB寄存器DDxn 用来选择引脚的方向。DDxn 为1“ 时， Pxn 配置为输出，否则配置为输入。引脚配置为输入时，若PORTxn 为1“，上拉电阻将使能。如果需要关闭这个上拉电阻，可以将PORTxn 清零，或者将这个引脚配置为输出。复位时各引脚为高阻态，即使此时并没有时钟在运行。当引脚配置为输出时，若PORTxn 为1“，引脚输出高电平(1“)，否则输出低电平(“0“)。在( 高阻态) 三态(DDxn, PORTxn = 0b00) 输出高电平(DDxn, PORTxn = 0b11) 两种状态之间进行切换时，上拉电阻使能(DDxn, PORTxn = 0b01) 或输出低电平(DDxn,PORTxn = 0b10) 这两种模式必然会有一个发生。通常，上拉电阻使能是完全可以接受的，因为高阻环境不在意是强高电平输出还是上拉输出。如果使用情况不是这样子，可以通过置位SFIOR 寄存器的PUD 来禁止所有端口的上拉电阻。在上拉输入和输出低电平之间切换也有同样的问题。用户必须选择高阻态(DDxn,PORTxn = 0b00) 或输出高电平(DDxn, PORTxn = 0b10) 作为中间步骤。表3 总结了引脚的控制信号。表3、IO口引脚的控制信号伺服电机控制主程序流程图如图17程序初始化键入标志=0xffNY读入数据表格入RAM定数据首地址及首电机号电机号加1程序跳转清电机号为起始电机调用_change_data修改数据读取电机控制数据调用RUN使电机开始动作是末电机吗?键入标志=0xffNY赋motor_comaddr初地址值YN图17 伺服电机控制主程序流程图伺服电机控制程序清单:;*; SL-DIY02-9 伺服电机(舵机)机器人专用控制板 ; 手动触发,控制四个电机程序。; ATmega16L的PB端口作为可选驱动端口,; 具体位地址由数据表格中之控制命令决定.; 手动触发为INT0中断来实现;程序中带下划线的为标号,不带下划线的为寄存器变量;*;* ATmega16L 8MHz ;* 双龙电子 ;* ;* sam 2004.08.14;* *;*.include m16def.inc;器件配置文件.def time_h=r20;run的脉冲周期公式如下:.def time_l=r21 ;(time_h-1)*256+time_l)*delay=20ms.def loc_now =r23;电机当前位置变量.def loc_temp=r24;电机位置临时变量.def motor_num=r25;电机号变量.def loc_direct=r18;电机运动方向变量.def loc_amp=r19;电机运动增幅变量.def run_times=r17;电机当前运转步数变量.def motor_cnum=r1 ;电机控制命令变量.def motor_comaddr=r2;电机控制数据地址变量.def break_flag=r3;开机信号, 初始化电机启停标志.org$000;程序首址,复位执行地址 rjmp_reset;跳过器件中断区.orgINT0addr;INT0中断入口地址rjmp_int0_fun;转中断服务程序.org 0x02a;主程序地址应大于所有中断入口地址,ATmega16最大中断地址为0x028_reset: ;程序初始化ldi r16,low(RAMEND) ;确定ATmega16堆栈指针$045fOUT spl,r16ldi r16,high(RAMEND)out sph,r16;*;其中RAMEND为在配置文件”m16vdef.inc”预定义的RAM的容量: *ldir16,0x40;0100 0000BoutGICR,r16;启动INT0ldir16,0x02;MCUCR中 ISC01(1) ISC00(0) 0000 0010BoutMCUCR,r16;设置INT0为下降沿触发(0x02)ldir16,0xff;方向寄存器DDRB规定1为输出,0为输入out DDRB,r16;设置B口为输出口ldir16,0x00;IO口有推换0(PORTBn=0), 推换1(PORTBn=1)输出,outPORTB,r16 ;B口拘推换0输出 movbreak_flag,r16;初始化电机启停标志break_flagsei;置位I,置位SREG(状态寄存器)中的全局中断标志(I)_wait:;等待键入Movr16,break_flag;电机启停标志,只有r16r31可进行立即数操作cpir16,0xff;与立即数比较,首次break_flag=0xff为有键入brne_wait;不相等转移等待(无键按下),相等顺序执行(有键按下)_run_load_data:;从FALSH中将数据表读入RAM中rcall_load_ptod;调用_load_ptod把数据从Flash装入RAM区ldir16,0x61;设置数据表首地址mov motor_comaddr,r16;借助r16进行立即数操作,保存数据ldimotor_num,0x00;从第一个电机动作起rjmp_run_on;开始动作_run_load_motorX:;某电机到末位重读入该电机数据表rcall_load_ptod_motorX;调用读取一个电机的原始数据ldir16,0x61;装入第一个数据movmotor_comaddr,r16;数据保存_run_on:;电机运转程序段_run_wait:;运行过程为进行停止和继续的控制movr16,break_flag;停止和继续的状态cpir16,0xff;与立即数比较,首次break_flag=0xff为有键入brne_run_wait;不相等转移等待(无键按下),相等顺序执行(有键按下)ldir16,0x61;使motor_comaddr指向首地址movmotor_comaddr,r16; 借助r16进行立即数操作,保存数据rcall _run;电机运转循环rcall_run;调用两次,保证运转的精度(亦可在run中修改脉冲数)movr16,motor_num;一个电机有四个数据,当前位置、控制命令、lslr16 ;方向、增幅，这里通过电机号来确定每个电机的lslr16;当前位置数据的偏移地址(motor_num*4)addmotor_comaddr,r16;使motor_comaddr指向该电机数据块中当前位置数据movr28,motor_comaddr;使Y指针指向当前位置数据ld loc_now,Y+;读取数据块资料,以便进行修改incr28;越过控制命令数据ld loc_direct,Y+;读取方向数据ld loc_amp,Y;读取增量数据movr28,motor_comaddr;重置地址,以进行相应电机控制数据的修改rcall _change_data ;修改motor_num使标识电机的数据块incmotor_num;电机号加1指向下一个电机cpimotor_num,0x04;(到末电机否?)(可在此处修改以增加电机数到最多8个)brlo_run_onldimotor_num,0x00;清零电机号,保证电机的运转从0号电机开始rjmp_run_on;到末电机跳转,重新开始_reset_end: rjmp _run_load_motorX;跳转读取原始数据,使电机复原;*;_run子程序,功能:电机动作了程序;注释,电机的控制原理如下图:;(v); 脉冲总宽度为20ms; |; | |; | |; |_|一号电机正电平(其宽度由其位置数据loc_now决定) |; | | |; |-|-|-; | |_|二号电机正电平; | | |; |-|-; | |_|三号电机正电平; | | |; |-|-.-; | |.; |. _loop延时形成正电平宽度; |-|-|; | |_| N号电机正电平; | |; |-|-; | |_|N+1号电机正电平; | | |(t); -; 20ms=(time_h-1)*256+time_l)*_delay;delay为延时9.88us; 所以times=20*1000/9.88=2024=0x07e8,; 所以time_h=0x08,time_l=0xe8 , 实测延时为20ms;*RUN子程序:设置脉冲个数读入RAM数据表首地址设置20ms计时变量高低位读控制数据入变量置脉冲高电平并延时到数据表末?NY延时补足20ms脉冲数加1满3次?YRet图18 RUN子程序流程图_run:;run子程序ldi run_times,0x00_run_next:;一个脉冲的开始ldir28,0x61 ;Y指针指向RAM数据区首地址_run_settime:;设置脉冲总计时时间之高低位(参考.def中)Ldi time_h,0x08;20ms计时变量高位赋值0x08ldi time_l,0xe8;20ms计时变量低位赋值0xe8_run_load:;读取当前电机数据ld loc_now,Y+;只读取位置参数和控制口命令ld motor_cnum,Y+;通过inc跳过下面两句inc r28 ;ld loc_direct,Y+inc r28;ld loc_amp,Y+_run_start:;开始输出高电平并延时Out PORTB,motor_cnum;输出控制命令mov loc_temp,loc_now;读入位置数据rcall _loop;高电平延时,形成一定宽度ldi r16,0x00out PORTB,r16;置低电平 cpi r28,0x70;是否到了数据表的未端(可在此处修改以增加电 brlo _run_load; 机 数)_run_check:;继续延时补足20msrcall _delay;调用0.01ms延时dec time_l;修改20ms延时变量低位brne _run_check;若需借位顺执dectime_h;借位breq _run_end;延时结束否?rjmp _run_check;未结束返回_run_check,否则顺执_run_end:incrun_times;每次输出3个脉冲,不同的脉冲数会对 cpirun_times,0x03;电机的速度造成影响,越大速度越慢,brlo_run_next;因为多余的脉冲只是为了更好的定位_run_ret: ret;*;_loop子程序,功能:电机PWM控制信号的正电平宽度延时;注释: 主要通过loc_temp变量的值来确定正电平的宽度,同时修改time_h和time_l的值;以保证整个脉冲宽度为20ms;*_loop:;脉冲高电平延时子程序 rcall_delay;调用延时dec time_l;修改总20ms延时变量brne _loop_check;判断借位否?dectime_h;借位_loop_check: decloc_temp;位置数据决定延时时间brne_loopret;*;_load_ptod子程序,功能:把FALSH中的数据表格全部读入RAM区;*_load_ptod:;把数据从Flash装入RAM区,数据块传送ldir31,0x02;确定Z指针所指方向Z=0x0120X2=0x0240ldir30,0x40;由于为字空间,所以Z值是数据表地址的两倍clrr29 ;Y指针指向RAM数据区ldir28,0x61;Y=0x061_load_loop1:;开始移动数据lpm;将Z指针所指向的数据送R0 stY+,r0;先R0内容送Y=(0x061),后Y=(0x062)指针加1incr30;取数地址Z=(0x0241)加1cpi r30,0x50;Z=0x0250是数据表的边界(可在此处修改以增加电机数)breq_load_loop2;相等转移,子程序返回,不相等顺序执行rjmp_load_loop1;继续传送数据_load_loop2:ret;子程序返回;*;_delay子程序,功能:延时近似0.01ms;注释:理论计算:10us=0.125*80t;h=(80t-5t)/3t=25D=0x19; 5t包括(ldi+ret)3t包括(dec+brne);实测为9.88us,若修正值为0x1a,则实测值为10.25us;*_delay: ;0.01ms定时程序 ldi r16,0x19;送延时常数,需1t_delay_loop: dec r16;-1,需1tbrne_delay_loop ;不为0转移,为0顺执;需1t/2tret;子程序返回;需4t子程序开始_Change_data子程序:方向=0?过上界?保存修改值Ret方向=1?加增量Y减增量NN_Reset_end_Reset_endRet保存修改值过下界?YNYNY_Reset_end图19 _Change_data子程序流程图;*;_change_data子程序,功能:修改数据区数据.;注释: 其工作原理,首先对方向进行判定,而后通过加减速增量来修改数据,并判断是否出界; 最后把数据返回到RAM 数据区中,等待其他程序的调用.;*_change_data:;修改数据块的数据,只修改loc_now cpi loc_direct,0x00;也可通过增加本程序的功能来修改breq_change_down;其他三个数据cpiloc_direct,0x01;0x00反方向;0x01正方向breq_change_up;非正非反则跳出rjmp_reset_end_change_down:;反方向修改数据subloc_now,loc_amp;即减一个增量cpiloc_now,0x38;判断是否出界brlo_reset_end;若出界则跳转读取原始数据rjmp_change_end;否则保存数据,等待调用_change_up:;正方向修改数据adcloc_now,loc_amp;即加一个增量cpiloc_now,0xf0;若出界则跳转读取原始数据brsh_reset_end_change_end:;保存参数入RAM,以待调用Movr28,motor_comaddrStY,loc_nowret;*;_load_ptod_motorX子程序,功能:读取一个电机的原始数据.;注释: 先确定要读取数据和写入数据的首地址;接着通过LPM把数据返回到RAM 数据区中,等待其他程序的调用.;*_load_ptod_motorX:ldir31,0x02;把数据从程序区装入RAM区,0x02高位地址movr16,motor_num;电机控制命令lslr16;左移1位,相当于*2lslr16;左移1位,相当于*2ldir30,0x40;0x40低位地址addr30,r16;绝对地址:0x0240+motor_num*4clrr29;清0,movr16,motor_num;计算该电机数据在RAM区的偏移地址lslr16;左移1位,相当于*2lslr16;左移1位,相当于*2ldir28,0x61 ;绝对地址:0x61+motor_num*4addr28,r16;加偏移地址成绝对地址lpm;本处只读取了Z=r31+r30地址内容送r0, 初始的当前位置 stY+,r0;间接数存在Y=r29+