毕业设计--消防机器人的设计.doc

本 科 毕 业 设 计 第 37 页 共 37 页1绪论1. 1消防机器人的国内外发展现状人的生命是宝贵的，许多不幸被困于火灾中的人在消防队员的救助下最终成了幸运儿，但是在救援过程中消防队员自己却往往置身于死亡的边缘，全世界每年在火灾中伤亡的消防队员成千上万。为了能够尽快地扑灭火灾防止火灾的进一步蔓延，寻找火灾根源，采取近距离作战的灭火方法是提高灭火效能的最佳途径，但是。凶猛的火灾往往使勇敢的消防队员无法靠近。谁能够帮助消防队员把灭火、救人和消灭化学灾害事故的处置工作做得更好?如果使用消防机器人，不仅可以提高救火速率，而且可以替代灭火人员进人危险地带，提高人员存活率。机器人替代人在高温、强热辐射、浓烟、地形复杂、障碍物多、化学腐蚀、易燃易爆等恶劣环境巾进行火场灭火、化学危险品探测、冷却 洗消、破拆、救人、启闭阀门、搬移物品、堵漏等作业，实现救火现代化【1】。美国和俄罗斯较早开展消防机器人研究，稍后英、法、德、日等国也纷纷研究该类技术， 目前已有多种不同功能的消防机器人用于救灾现场。日本投入应用的消防机器人最多，80年代， 日本研制了不少于5种型号的自动行驶灭火机器人，分别配备于大阪、东京、高石、太田、蒲田等消防部门，这类机器人以内燃机或电动机为动力，配置驱动轮或履带式行驶机构，能爬坡、越障碍；装有较大喷射流量的消防枪炮，能作俯仰和左右回转；装有气体检测仪器和电视监视设备；通过电缆或无线控制，控制距离最大为lOOm(150m)。另一类机器人为侦察、抢险用，除气体检测仪器和电视监视器设备外，还装有机械手，能通过遥控处理危险物品【2】。美国已研制出依靠感觉信息控制的救灾智能化机器人，如1994年用于探测阿拉斯加州斯珀活火山的“但丁2号”、抓获杀人犯的刚卜9型遥控消防机器人等。亚利桑那州消防部门研制的消防机器人，装有破拆工具和消防水枪，能同时进行破拆和喷射灭火。【3】西班牙圣地亚哥市消防科研所研制成功了一种世界上最小的防灾机器人。该机器人能自动检测记录火场温度，是代码编程的微型组件，以纽扣电池为动力【4】。英国智能化保安公司生产的ROVEH遥控消防车已装备于中、西部消防部门，配置为履带式或轮式行驶机构， 能爬楼梯；通过电缆供电或自携蓄电池供电；装有消防水炮、摄像机或热像仪；采用有线控制方式。1985年英国中西部消防部门和F1rm SAS公司联合研制的机器人消防车，用HunterIII汽车改装而成，装有双臂、水枪、探测器(温度、化学物质、辐射等)、工业电视摄像机、红外线装置，机械手用来启闭阀门、搬移物品或开门等【5】。一个来自德国madgeburg-Stendal大学的研究小组研发成一种甲壳虫状的概念机器人。它的用途是及时发现森林火灾，在最短的时间内通知消防人员财务必要的措施。同时还具有一定的灭火功能，遇到火灾刚刚燃起，他能够及时扑救，控制火情。这种机器人在爬行的同时可以利用红外线线感应和“生物感应器”预测火灾，然后采取必要的灭火措施当火势太大无法处理时，为了避免自己受伤害它会像真的甲壳虫一样蜷成一团。因为外边覆盖了一成陶瓷纤维，所以可以抵抗1300是摄氏度的高温。它的按防护范围很大，30个这样的小家伙就可以保护2700平方英里的森林避免火灾危害【6】。国际上对消防机器人的研究可分为三个阶段(三代)：第一代是程序控制消防机器人，第二代是具有感觉功能的消防机器人，第三代是智能化消防机器人。目 前，工业发达国家正在加快开发具有不同功能的实用型的第二代、第三代(低级)消防机器人，着手研究第三代高级智能机器人。一些工业发达国家把研究开发消防机器人列入国家技术发展规划，作为经济发展的一个重要保证手段【7】。我国大约有30家左右的高等院校和研究院所在从事各类机器人的研究工作，自1971年以来，已在机器人的感觉识别、操作、移动技术、人机接口技术、智能化技术等方面取得了可喜的成就，部分科研成果，如工业装配、焊接、喷涂、搬运、探伤、水下作业、过程测量机器人等已进入实用阶段，某些控制、传动元器件的产品技术已接近国际先进水平，为消防机器人的研制创造了良好的环境条件【8】。近年来，我国消防机器人的研制工作得到了政府有关部门的支持。1995年上海市科学技术委员会批准公安部上海消防科学研究所着手研制我国第一台消防灭火机器人 自行式消防炮，目前该项目已通过验收并顺利进入产业化准备阶段；1 996年11月国家科学技术委员会以国家“863”计划批准公安部上海消防科学研究所、上海交通大学、上海市消防局等三家单位共同研制“消防机器人”，该消防机器人具备火场化学危险品侦察、灭火等多种功能，目前研制工作已接近尾声，并计划尽快完成消防侦察机器人的产业化准备工作，与前期完成的灭火机器人一起装备消防部队【9】。我国消防装备研究部门从1997年开始对消防灭火机器人进行科研开发，2002年6月，国家863项目ZXPJ01型消防机器人的研制成功，填补了我国在消防机器人领域的空白，缩小了我国消防机器人研究与国外工业发达国家的差距。在2003年9月湖北省公安消防总队在湖北利川天然气井喷火灾扑救过程中，启用已配备的消防机器人，它有不怕高温、不怕有毒气、体喷流射量大、雾化效果好等优点。在其它设备的配合下迅速将大火扑灭，取得令人十分满意的效果【10】。1.2 消防机器人的分类及主要技术特征从消防机器人实战要求的角度出发，进行以下分类：1)从主要功能上可分为：a灭火机器人；b火场侦察机器人；c危险物品泄漏探测机器人；d破拆机器人；e救人机器人：f多功能消防机器人等。2)从行走方式可分为：a轮式行走消防机器人；b履带式行走消防机器人：c履带轮式行走消防机器人；d吸盘式行走消防机器人等。3)从控制方式上可分为：a线控消防机器人；b无线遥控消防机器人；c自适应消防机器人等。4)从智能化程度上可分为：a程序化控制消防机器人；b具有感觉功能计算机辅助控制消防机器人；c智能化消防机器人等。5)从感觉功能上可分为：a视觉消防机器人；b嗅觉消防机器人；c温感消防机器人：d触觉消防机器人等。消防机器人往往需要在高温、强热辐射、浓烟、地形复杂、障碍物多、化学腐蚀、易燃易爆等恶劣环境中进行火场侦察，化学危险品探测、灭火、冷却、洗消、破拆、救人、启闭阀门、搬移物品、堵漏、化学危险品处置等作业，因此作为某种特定功能的消防机器人应该具备以下某项或几项行走和自卫功能：a爬坡、爬梯及障碍物跨越功能；b耐温和抗热辐射功能；c防雨淋功能；d防爆(隔爆)功能；e防化学腐蚀功能；f防电磁干扰功能等【11】。2设计要求与方案确定2. 1设计标准本课题所设计的机器人为用于危险场所和消防员无法进入场所的消防工作。机器人采用有线控制，消防员可在较远距离控制机器人进行灭火，避免当火势发生突然变化时，对消防员造成人身伤害。机器人上加持有水龙头，消防员在远处控制它的开关，通过机器人车体的转向来实现水龙头喷射方向的改变。机器人上携带摄像头，可以把火场的实时情况通过显示器反映给消防员，便于消防员采取措施和救助被困人员。本机器人的控制系统由单片机，键盘和其他一些电器元件组成，单片机为控制核心。消防员从键盘输入的控制信息，经过单片机和其他电器元件的处理来控制机械系统的运动。机器人需要满足的主要技术要求是：1消防机器人的行走速度为1m/s；2加持60mm水龙带；3携带摄像头。消防机器人的设计主要包括机械系统设计和电气系统。机械系统包括：驱动方式和行走方式的选择；总装备图的绘制；技术性能分析；机械传动结构的拟定；部件装配图和零件图的绘制。电气控制系统的设计包括：拟定控制系统原理；控制方案选择；控制系统详细设计；编写毕业设计说明书。2. 2方案确定在消防机器人的设计中需要解决的问题有：机器人行走方式的选择，驱动方式的选择，传动结构的拟定，电机类型的选择，确定电气控制系统，设计视频传输系统。2. 2. 1机械结构机器人的行走方式的可选方案有轮式行走方式、履带式行走方式、履带轮式行走方式和吸盘式行走方式。由于火场的环境比较复杂，需要翻越障碍，爬坡等功能，轮式行走方式就不便于实现。履带轮结构较复杂，吸盘式适用于特殊的表面的，因此初步决定选用履带式行走方式。履带式行走方式越野能力强，转弯半径小。参考车辆的驱动方式，消防机器人的驱动方式有：前置后驱(FR)、前置前驱(FF)、后置后驱(RR)、中置后驱(MR)等形式。因为消防机器人的结构较为简单，所以几种驱动方式差异不是很大。为了使结构简单紧凑，初步选择前置前驱的驱动方式。前置前驱的全称是前置发动机前轮驱动，后轮作为从动轮。机器人的后面牵有水龙带，因此不会因为在停车时发生向前倾倒。机器人的转向靠两侧履带的速度差来实现。当弯较缓时，降低某一侧履带速度即可，当需要原地转弯时，是两侧履带转向相反即可，如下图1。图1履带式驱动结构图 图2轮式驱动结构由于没有对市场进行具体的调查，不能确定所需的履带是否可以买到，因此设计第二种行走方式，轮式行走方式，如上图2。车身下安装一个前叉，前叉通过轴承与车身连接。通过调整两轮的速度和正反转可以实现转向。最后决定轮式行走方式比较适合本次设计。因为轮式行走方式结构较为简单，材料易于选取，控制也比较容易实现。机器人的前轮各有一个电机进行驱动，为提高机械效率，电机和前轮之间没有减速机构。由于电机轴不能直接承重，须通过联轴器与前轮轴相连。电机和前轮轴均固定在前轮支架上。通过机械设计手册可以查到，套筒联轴器是比较小型的联轴器。本设计的电动机需选择直流减速电机，动力输出轴比较细，需先连接套筒在和标准套筒联轴器连接。电动机的输出轴和套筒通过紧定螺钉连接，且为了防止紧定螺钉手轴向力，在轴承的外侧安装有端盖。机器人的后轮为两个同轴被动轮，大小和前轮相同。前轮支架通过四个螺栓和车身底板连接。车身上半部分为固定水龙带的机构，可通过电机的转动来调整水龙头的仰角。水龙带固定在一个可以摆动的扣件上，扣件上盖可以自由的开合，通过一个可以左右摆动的螺栓来锁紧。调整水龙带的电动机与齿轮的连接方式和前轮的基本相同，不同之处是套筒和轴要略长一些。轴上固定齿轮，和一大齿轮啮合实现减速功能。齿轮和扣件座相连接，扣件焊接在扣件座上，扣件座带动扣减摆动，从而实现水龙带仰角的摆动，具体机构如下图3。图3.整体结构2. 2. 2驱动控制驱动电机选择直流电动机。直流电机的调速系统选择直流脉宽调速系统。目前，应用较为广泛的一种直流脉宽调速系统的基本主电路如下图3所示。三相交流电源经整流滤波变成电压恒定的直流电压，VT1VT4为四只大功率晶体三极管，工作在开关状态，其中，处于对角线上的一对三极管的基极，因接受同一控制信号而同时导通货截止。若VT1和VT4导通，则电动机电枢上加正向电压；若VT2和VT3导通，则电动机电枢上加反向电压。当它们以较高的频率交替导通时，电枢两端的电压波形如下图4所示，由于机械惯性的作用，决定电机转向和转速仅为此电压的平均值。在实际设计中，晶体三极管用达林顿管代替，其具有放大功能。控制部分的核心部件选择单片机AT89C51，利用其输出口输出控制信号，来控制达林顿管的导通与关断。图4直流脉宽调速系统 图5电动机电枢电压的波形机器人要求可以加持60mm的水龙带，并且机器人车身有一定的重量，综合这两项大概估计所需的直流伺服电机的的功率，初选合适的电机。消防员使用键盘来控制消防机器人，通过键盘上的按钮可以控制机器人的加速，减速和转向。水龙头的开关安装在远处控制端。消防机器人上安装的摄像头获取的图像不需要十分的清楚，可应用与公交车后门的监视摄像头相类似的设备，使用通信电缆直接将信息传到远端的显示器。3机器人参数计算3小车的大小和质量3. 1. 1小车的大小小车的总宽：415mm；小车的总高：251mm；小车的总长：500mm。3. 1. 2小车质量的计算1） m轮四个车轮的总质量；m轮；2）m前小车前轮支架的质量（kg）；前轮结构如下图6V前小车前轮支架的体积（mm3）；图6 前轮支架铝合金=2.6103 kg/m3 ；V前= ； m前= V前铝合金10-9=;3）m后后轮支架的质量 V后 m后= V后铝合金10-9=4）m底车身底板的质量ABS； V底；m底= V底ABS10-95）m架扣件支架的质量 扣件支架的结构如图7；图7 扣件支架 V架 m架= V架铝合金10-9 6）m座扣件座的质量扣件座的结构如图8：图8 扣件座V座 m座= V座铝合金10-9 7） m扣扣件的质量；扣件上下两部分的结构如下图9，图10：图9 扣件上盖 图10 扣件座将扣件上下部分近似成一个圆盘，半径为26.5mm，厚度为30mm。V扣m扣= V扣铝合金10-9 8）m承轴承的总质量 m承，一个轴承的质量；m承，； m承9） m其他各轴及各套筒和其他的质量 铁 V其他 m其他= V其他铁10-9 10）m总小车总质量 m总= m轮+m前+m后+m底+m架+m座+m扣+m承+m其他 3.2 驱动电机的选择3.2.1电机功率的校核设计要求中要求实现的小车的行走速度是V=1m/s，图纸中选择的橡胶轮的直径R=75mm，则橡胶轮转一周小车所走的距离为： L；因此，所需驱动电机的转速为： n需依据所需转速，初步选取直流减速电机，电机的参数及外形如下图11：图11 直流减速电机下面校核电机的功率是否符合要求: m电两个驱动电机的总质量； G车 ；当小车在普通地面行走时，与地面的滚动摩擦系数为： ； 力； ；驱动电机的所需功率为： ； 所以电机完全可以满足要求。3. 2. 2计算小车能够爬行的最大角度；小车爬坡时受力如图12所示：图12受力示意图 力；重力沿斜坡方向的分力；重力沿垂直斜坡方向的分力； ；小车匀速爬行所需的牵引力为：电机所能提供的最大牵引力为：；则： 综上，小车的最大爬坡角度为。4控制系统的设计4.1 利用单片机控制直流电机；由于单片机具有体积小、集成度高、运算速度快、运行可靠、应用灵活、价格低廉以及面向控制等特点，因此在工业控制、数据采集、智能仪器仪表、智能化设备和各种家用电器等领域得到广泛的应用，而且发展非常迅猛。随着单片机应用技术水平不断提高，目前单片机的应用领域已经遍及几乎所有的领域。现在国内外工业上对电机的调速基本已经不再使用模拟调速，而采用数字调速系统，而数字调速系统大部分都是用单片机来进行控制，数字调速系统具有控制精确度高，非常稳定，受环境影响小，效率高等优点，所以在国内外的使用越来越广泛。与交流电动机相比，直流电机结构复杂、成本高、运行维护困难，但是直流电机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和过载能力强等许多优点，因此在许多行业仍大量应用。近年来，直流电动机的机构和控制方式都发生了很大的变化。直流电机由于具有速度控制容易, 启动制动性能良好, 且能在宽范围内平滑调速等特点而在电力、冶金、机械制造等工业部门中得到广泛应用。直流电动机转速的控制方法可分为两类励磁控制法与电枢电压控制法。励磁控制法控制磁通, 其控制功率虽然小但低速时受到磁饱和的限制, 高速时受到换向火花和换向器结构强度的限制, 而且由于励磁线圈电感较大动态响应较差。所以常用的控制方法是改变电枢端电压调速的电枢电压控制法。传统的改变端电压的方法是通过调节电阻来实现的,但这种调压方法效率低。随着电力电子技术的发展。创造了许多新的电枢电压控制方法。4.2控制模块4. 2. 1电机调速方式方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案三：采用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM调速技术。兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。4. 2. 2 PWM调速工作方式方案一：双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。方案二：单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。由于单极性工作制电压波开中的交流成分比双极性工作制的小，其电流的最大波动也比双极性工作制的小，所以我们采用了单极性工作制。4. 2. 3 PWM调脉宽方式调脉宽的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。我们采用了定频调宽方式，因为采用这种方式，电动机在运转时比较稳定；并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。4. 2. 4 PWM软件实现方式：方案一：采用定时器做为脉宽控制的定时方式，这一方式产生的脉冲宽度极其精确，误差只在几个us。方案二：采用软件延时方式，这一方式在精度上不及方案一，特别是在引入中断后，将有一定的误差。但是基于不占用定时器资源，且对于直流电机，采用软件延时所产生的定时误差在允许范围，故采用方案二。系统分析与设计：总体设计方案的硬件部分详细框图如图一所示。键盘向单片机输入相应控制指令，由单片机通过P2.0与P2.1其中一口输出与转速相应的PWM脉冲，另一口输出低电平，经过信号放大、光耦传递，驱动H型桥式电动机控制电路，实现电动机转向与转速的控制。电动机的运转状态通过LED显示出来。电动机所处速度级以速度档级数显示。正转时数字向右移动，反转时数字向左移动。移动速度分7档，快慢与电动机所处速度级快慢一一对应。每次电动机启动后开始计时，停止时LED显示出本次运转所用时间，时间精确到0.1s。4.3硬件部分介绍4.3.1 主控制器CPU的选择 在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下要素： （1）时钟频率和字长（控制数据处理的速度）。 （2）可扩展存储器（ROM/RAM）的容量。 （3）指令系统的功能是否强（即编程的灵活性）。 （4）I/O口的扩展能力（即对外设的控制能力）。（5）开发手段（包括支持开发的软件和硬件电路）。 除此之外，还应根据系统应用场合、控制对象以及对各种参数的要求选择CPU。目前在数控系统中常用的芯片有8086、8088、0386以及8098、8096等16位机的CPU。也有8080、80和8051、031、751、T89系列等8位机的CPU。一般的控制系统中，推荐采用MCS-51系列单片机作为主控制器。 MCS-51系列单片机主要有三种型号的产品：8031、8051和8751。该系列产品是集中CPU、I/O端口及部分RAM等为一体完整的微机控制系统，并且开发手段完备，指令系统功能强，编程语言丰富灵活性大，硬件资料很丰富。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少许差异。可以说8031是没有ROM的8051，而8751又是用EPROM代替ROM的8051。目前，工业控制中应用最多的是8031单片机。4.3.2 8031单片机的基本特性1）.具有8位中央处理单元（CPU）。2）.一般外接晶振频率为12MHz，指令周期为1s，每执行一条指令时间绝大多数为1s-2s，最长为4s。3）.片内具有128字节的RAM。4）.具有21个特殊功能寄存器。5）.可寻址64k字节的片外数据存储器和64k的片外程序存储器。6）.具有4个8位的并行I/O端口、具有一个全双工导步串行I/O端口，共32根I/O线。7）.具有5个中断源，配备两个优先级。8）.具有两个16位定时器/计数器。9）.具有位寻址能力，逻辑运算灵活。 8031的大部分指令为1字节或者字节，最长为3字节。此外，8031所具有的乘除法指令、多种形式的位操作类指令和逻辑运算类指令也是独具特色的。4.3.3 MCS-51系列单片机的引脚及其功能MCS-51单片机是一个具有40根引脚的双列直插式器件，引脚图及其功能分类如图4所示。其引脚功能如下：Vcc：编程和正常操作时的电源，电压为+5V。Vss：接地端。XTAL1：接外部晶体的一个引脚。当单片机采用外部时钟信号时，次脚应接地。XTAL2：接外部晶体的一个引脚。当单片机采用外部时钟信号时，外部时钟信号由此引脚接入。RST/Vpd：复位控制输入，再振荡器运行时，使RST脚至少保持两个机器周期为高电平，可实现复位操作。CPU通过执行内部复位来响应，在RST为高电平的第二周期时执行内部复位。在Vcc关断前加上Vpd（掉电保护），RAM的内容将不变。：访问外部存储器时，用于锁存地址底字节的地址锁存允许输出。即使不访问外部存储器，ALE以震荡频率的1/6为固定频率输出，因而它能用作外部时钟或定时 。ALE主要是提供一个定时信号，再从外部程序存储器取指时把P0口的底地址字节锁存到外接的锁存器中，每个机器周期ALE有效两次。这个引脚也是EPROM编程时的编程脉冲输入。：程序存储器允许。输出读外部程序存储器的选通信号。取指令操作期间，的频率为振荡频率的1/6；但若此期间有访问外部数据存储器的操作，则有一个机器周期中的信号将不出现。：当=0时，单片机只访问外部程序存储器。对8031此引脚必须接地。=1时，单片机只访问内部程序存储器。对8051和8751此引脚应接高电平，但若是地址超过4K范围（0FFFH），则单片机将自动访问外部程序存储器。在8751单片机内的EPROM编程期间，此引脚引入编程电源。P0口：一个8位的开漏双向I/O口，数据/外部存储器低8位地址总线端口，在程序检验时它也输入指令字节，P0口能吸入8个LSTTL输入。P1口：具有提升电阻的8位双向I/O接口，专门供用户使用，在程序检验时（指8051和8751）它也接收低位地址字节，P1能吸入或放出3 个LSTTL的输入。P2口：具提升电阻的8位双向I/O口，可供系统扩展时作高8位地址线用。在没有外部存储器扩展时，它也可以是为用户作I/O线使用。在程序检验时，它也接收高位地址和控制信号。P2口能吸入或放出3个LSTTL的输入。P3口：具有提升电阻的8位I/O口，该I/O口的每一位均可以独立的定义为第一功能或第二功能。作为第一功能使用时，与普通的I/O口没有什么不同。作为第二功能时，该口才具有了它独有的串行通讯功能。图13. 8051、8751、8031系列单片机引脚图4.3.4 特殊功能寄存器8031单片机共有21个具有特殊功能的寄存器（SFR），起着专门寄存的功能，用来设置片内电路 的运行方式，记录电路运行的状态，并表明有关标志等。此外特殊功能寄存器中，还有把并行和串行的I/O口映射过来的寄存器，对这些寄存器的读写，可实现从相应的I/O口的输入和输出操作。21个特殊功能的寄存器不连续的分布在128个字节的SFR存储空间中，地址空间为80HFFH。在这片SFR中间，可对11个特殊功能寄存器的某些位进行位寻址操作。因此，在特殊功能寄存器中存在着两套地址：位地址和字节地址，它们的地址空间都是80H-FFH。但是，字节地址只有21个是有效的，对位地址只有83个是有效的。21个特殊功能寄存器的名称和功能介绍如下：A：累加器。B：寄存器。主要用于进行乘法或除法操作。对于其它指令，也可用作暂存器。SP：堆栈指针寄存器。能位于片内RAM128字节的任何单元。8051复位时，栈指针初始化为07H。执行PUSH或调用时，在存储数据前，栈指针加1，因此堆栈从地址08H开始。DPTR：数据指针寄存器，16位。分别由高位字节（DPH）和低位字节（DPL）组成。其功能是存放16位地址。PSW：程序状态字寄存器。内放标志位寄存器，置位或清零，表示操作结果的某些特性，但加1或减1指令不影响这些标志。其功能及分配情况如表3.1所示。溢出标志OV和进位标志CY是两种不同性质的标志。溢出是指在有正负号的两个数运算时，结果数超过+127-128。当用于补码运算时，因为在有符号的结果下能用8位表示时，OV将被置位。而进位位是指两个数最前一位相加有否进位。P标志由于总是表示累加器中运算结果1的个数为偶数还是奇数来决定。表1. PSW寄存器CYACFRS1RS0OV保留PPSW寄存器的各状态字的功能：CY：进、借位。有进、借位，CY=1；无进、借位，CY=0。AC：辅助进、借位（高半字节与低半字节间的进、借位）。有进、借位，AC=1；无进、借位，AC=0。F0：用户标志位。可由用户设定其含义。RS1，RS0：工作寄存器组选择位。OV：溢出位。运算结果按补码运算理解。有溢出位，OV-1；无溢出位，OV=0。X：无效位。P：奇偶位。运算结果有奇数个，P=1；运算结果有偶数个，P=0。另外还有下列一些特殊功能寄存器：R0R3：I/O端口寄存器。IP：中断优先级寄存器。IE：中断允许寄存器。TMDO：定时器/计数器的方式寄存器。TCON：定时器/计数器控制寄存器。TH0、TL0：定时器/计数器0寄存器（TH0放高位字节，TL0放低位字节）。TH1、TL1：定时器/计数器1寄存器（TH1放高位字节，TL1放低信字节）。SCON：串行控制寄存器。SBUF：串行数据寄存器。PCON：电源控制寄存器。4.3.5 存储器的组成1).程序存储器MCS-51K单片机具有64K字节的程序存储空间。其中，8751或8051在片内各有4K字节的程序存器ROM或EPROM，并处于这一空间的最低地址区。8031在片内没有程序存储器，必须在片外加以扩展程序存储器才能构成的应用电路。扩展容量可为64K字节中的任一容量，并且常用EPROM或的形式。程序存储器中的某些地址被特定的用于特定程序的入口地址： 地址 用途0000H 复位操作后的程序入口0003H 外部中断0服务程序入口000BH 定时器0中断服务程序入口0013H 外部中断1服务程序入口 001BH 定时器1中断服务程序入口 0023H 串行I/O中断服务程序入口在编写程序时，通常在这些入口地址起始的二三个地址单元中，放入一条转移类指令，以使相应的程序在指定的程序存储空间内生成。2).外部数据存储器外部数据存储器又称外部数据RAM，当8031片内128字节的数据RAM不能满足数量上的要求时，可通过总线端口和其它I/O端口扩展外部数据RAM，其最大容量为54K字节。外部数据RAM与片内RAM的功用基本相同，但前者不能进行堆栈操作。关于8031单片机的存储空间的主要特点及数据操作方式可归纳为如表6-2的形式。4.3.6 定时器/计数器定时器/计数器简称定时器。其作用主要包括：产生各种时标间隔、记录外部事件的数量等，是微机中常用的、最基本的部件之一。MCS-51单片机有2 个16位的定时器/计数器：定时器0（T0）和定时器1（T1）。表2. 8031的存储器特点存储器容量字节地址位地址寻址方式外部程序存储器最大64KB0000H-FFFFH无PC间址、DPTR间址外部数据存储器最大64KB0000HFFFFH无P2Ri间址、DPTR间址内部数据存储器128字节00H7FH00H7FH直接寻址、Ri寻址、位寻址特殊功能寄存器21字节80HFFH不连续80HFFH不连续直接寻址位寻址T0由两个定时寄存器TH0和TH0构成，T1则由TH1和TL1构成，它们都分别映射在特殊功能寄存器中，从而可以通过对特殊功能寄存器中这些寄存器的读写来实现对这两个定时器的操作。作定时器时，每一个机器周期定时器自动加一1，所以定时器可以看作是机器周期的计数器。由于每个机器周期是12个时钟振荡周期。所以定时器的分辨率是时钟振荡周期频率的1/12。作计数器时，只要在单片机外部引脚T0（或T1）从1到0的电平的负跳变，计数器就自动加1。计数的最高频率一般为振荡频率的1/24。T0和T1无论是工作在定时器还是工作在计数器，者有两四种工作方式：方式0、方式1、方式2、方式3。除方式3外，T0和T1有完全的工作状态。下面以T1为例来说明各种工作方式的特点和用法。工作方式0：为13位计数器的工作方式。由TL1的低5位和TH1的8位构成13位计数器。定时器启动后，定时或计数脉冲加到TL1的低5位，从预先设置的初值（时间常数）开始为断增加1。TL1计满后，向TH1进位。当TL1和TH1都计满后，置位T1的定时器回零标志TF1，以此表明定时时间或计数次数已到，以供查询或打开中断的条件下，向CPU请求中断。如需进一步定时或计数，则需要用指令重置时间常数。工作方式1：16位工作方式。与工作方式0基本相同，区别仅在于方式1的计数器由TH1和TL1组成16位计数器，从而比工作方式0有更宽的定时/计数范围。工作方式2：8位自动装入时间常数方式。由TL1构成8位计数器，TH1则仅用来存放时间常数。启动前TL1和TH1装入相同的时间常数，当TL1计满后，除定时器回零标志TF1置位，具有向CPU请求中断的条件外，TH1中的时间常数还会自动的装入TL1中，并重新开始定时或计数。由于这种方式为需要指令重装时间常数，因而操作方便，在允许的条件下，应尽量采用这种方式。当然这种工作方式的定时/计数范围要小于方式0和方式1。工作方式3：两个8位方式。工作方式3只适用于定时器T0。如果定时器1处于工作方式3，那它将处于关闭状态。当T0为工作方式3时，TH0和TL0分成2个独立的8位计数器。其中，TL0即可以作定时器，又可以作计数器，并使用原T0的所有控制位及其定时器回零标志和中断源。TL0则只能作定时器，并使用T1的控制位TR1、回零标志位TF1和中断源。4.3.7 控制寄存器定时器/计数器T0和T1有两个控制寄存器-TMOD和TCON，它们分别用来设置各个定时器/计数器的工作方式，选择定时或计数功能时，控制启动运行，以及作为运行状态的标志等。其中TCON另有4位用于中断系统。1).定时器方式控制寄存器-TMOD：GATEM1M0GATEM1M0GATE：门控制位。1，打开；0，关闭。GATE和软件控制位TR、外部引脚信号的状态共同控制定时器/计数器的打开和关闭。：定时器/计数器的选择位。=1，为计数器方式；=0，为定时器方式。 M1M0：工作方式选择位，定时器/计数器的四种工作方式由M1M0来设定。2).定时器控制寄存器-TCON：TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0TF1、TR1用于定时器T1，TF0、TR0用于定时器T0。两者有相同的含义。TF1、TF0为中断请求标志，为0，无请求；为1，有请求。TR1、TR0为运行控制位，为1，有请求；为0，无请求。TF：定时器/计数器的中断标志位。当定时器计满回0时，TF=1，并可请求中断；当CPU响应中断并进入中断服务子程序后，TF自动清零。TR：定时器/计数器的开闭控制位。IE1和IT1：用于外部中断1；IE0和IT0用于外部中断0。IT：下跳沿/低电平引起外部中断的请求的选择位。IT=1，由下跳沿引起；IT=0，由低电平引起。IT：外部中断的中断请求标志。IE=0，表明无外部中断请求；IE=1，则表明有外部中断请求。当有外部中断请求时，IE自动为1；单片机响应此中断后，IE自动清零。4.3.8 中断系统MCS-51单片机提供了5个中断源。两个为INT1、INT0输入的外部中断源，低电平有效；两个为片内定时器/计数器T0、T1；一个为片内串行口中断请求T1、R1。这些中断请求的引脚都为P3口的第二功能。对于每个中断都有可以编程为高优先级或低优先级中断，并实现二级中断嵌套。各中断源所对应的中断服务子程序入口地址和优先级如下：中断源 入口地址 优先级INT0 0003H 0T0 000BH 1INT1 0013H 2T1 001BH 3串行口中断 0023H 48051响应中断后，即从上入口地址开始执行中断服务子程序，直到遇到一条RET1指令为止。4.4 PWM控制简介PWM（Pulse Width Modulation）脉冲宽度调制，简称脉宽调制，是一种最初用语无线电通信的信号调制技术，后来在控制领域中（比如电机调速）也得到了很好的应用，于是形成了独特的PWM控制技术。PWM控制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何适合，满幅值的直流供电要么完全有，要么完全无。电压或电流源是以一种通或断的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的，通的时候即是直流供电被加到负载上去，断的时候即是供电被断开。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。PWM控制技术就是以该结论为理论基础，对半导体开关器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在20世纪80年代以前一直未能实现。知道进入20世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现及其迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。到目前为止，已出现了多种PWM控制技术。一般情况下，调节脉宽调制信号的脉宽有两种方法，一种方法是采用模拟电路中的调制方法，另一种方法是使用脉冲计数法。对于一般电机控制，采用第一种方法在控制电压变化时滤波的实现存在较大的困难，这主要是因为滤波频率较低、滤波精度要求高和滤波电路的参数不易调整。因此，本设计采用由单片机控制实现的脉冲计数法。4.5 控制电路的设计设计方案主要包括两个模块：单片机控制模块和H桥放大电路模块，电气原理如下图14所示：图14 电气原理图4.5.1 单片机控制模块这里利用定时计数器让单片机P3口的P3.0、P3.1引脚输出占空比不同的方波, 然后经复合达林顿管放大后控制直流电机。达林顿管的输入电压是两引脚的电压差,在调速时一根引脚线为低电平, 另一个引脚产生调速方波, 这样两个引脚的电压差就可通过控制其中一个引脚来控制。当需要改变电机转动方向时, 两个引脚的输出相反。定时计数器若干时间（比如0.1ms）中断一次, 就使P3.0或P3.1产生一个高电平或低电平。直流电机的速度分为3个等级, 因此一个周期就有3个脉冲, 周期为3个脉冲的时间。速度等级对应一个周期的高电平脉冲的个数。占空比为高电平脉冲个数占一个周期总脉冲个数的百分数。一个周期加在电机两端的电压为脉冲高电压乘以占空比。占空比越大, 加在电机两端的电压越大, 电机转动越快。电机的平均速度等于在一定的占空比下电机的最大速度乘以占空比。当我们改变占空比时, 就可以得到不同的电机平均速度, 从而达到调速的目的。精确地讲, 平均速度与占空比并不是严格的线性关系, 在一般的应用中, 可以将其近似地看成线性关系。4.5.2 H桥式放大电路模块H桥式放大电路模块由两个三极管和三个复合达林顿管组成。通过两个三极管机控制达林顿管使之工作在开关状态, 根据调整输入脉冲的占空比, 精确调整电动机转速。这种电路由于管子工作只在饱合和截止状态下, 效率非常高。H型电路使实现转速和方向的控制简单化, 且电子开关的速度很快, 稳定性也极强, 是一种广泛采用的调速技术。4.6 软件设计4.6.1 程序流程直接应用的软件方法实