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此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除淮 海 工 学 院毕业设计(论文)说明书题 目： 寻迹机器人控制系统设计 作 者： 陈业强 学 号： 0103101702 系 (院)： 机械工程系 专业班级： 机械设计制造及其自动化 机械037 指导者： 黄大志 讲师 评阅者： 2007年 6月 连 云 港毕业设计（论文）中文摘要寻迹机器人控制系统设计摘 要：随着科学技术的发展，机器人在社会各领域的作用越来越大。寻迹机器人无论在工业上还是在各种比赛上的作用都不可胜数。本设计采用性能优异的AT89S52单片机作为寻迹机器人的主控制器，扩展一片多功能接口芯片8155。地面和白带的检测，使用的是自己设计并制作的反射式光电传感器（又称灰度传感器），此传感器输入给控制器的信号类型是开关量。在本设计中，寻迹机器人的前面、中间和后面都布置有灰度传感器，尤其是在头部和尾部都布置了7个传感器。它们能同时工作，并可以实时采集所有灰度传感器的状态，能精确知道寻迹机器人随时的位置。在程序控制过程中，寻迹机器人可以前进和“后退”。景点检测采用前后两个碰撞开关。本设计中使用的电动机是直流电动机，驱动芯片是L298N，直流电动机经过三级直齿轮减速器将传动传给车轮。关于寻迹机器人沿线走，本设计采用了PWM调速技术，基本上可以实现直流电动机的无级调速：根据灰度传感器测出的寻迹机器人所处的位置，可以及时调整寻迹机器人理想的位置。电源使用的是高容量、小体积的锂离子电池。基于这些完备而可靠的硬件设计，再加上一套自己编的独特的程序算法，可以使本设计完全达到要求。关键词：寻迹机器人 单片机 光电传感器 PWM毕业设计（论文）外文摘要Design of control systems for Tracing robotsAbstract: With the development of science and technology, the robot in all areas of society is increasing. Tracing robots play an important role in industry or the various competitions. The design using high performance microcontroller AT89S52 as tracing robots the main controller, and extend a multi-purpose interface chip 8155. Detection of floor and white belt, using reflective photoelectric sensor (also named as gray sensor) which is designed and produced by myself, This sensor input signal type to the controller is switch. In this design, tracing robot has a gray sensor in the front; middle and back, particularly in the head and tail have seven sensors. They can work simultaneously, and can collect the states of all gray sensors, know track of the robot accurately at any time. Under the process of the program control, tracing robot can move forward and fall back. Using two collisions switch to detect sights. The motor in the design is DC motor, drive chip is L298N. DC motor passes the power to wheel drive by three straight gears reducer. On tracing robot along the walk, using the PWM speed control technology, can achieve the variable speed of DC motor basically: based on the gray sensors detecting the location, the tracing robot can be adjusted in perfect position in time. Power is using high capacity, small size of lithium ion batteries. Based on these comprehensive and reliable hardware design, coupled with my set of unique series of procedures algorithm, The design can fully meet the requirements.Keywords: Tracing robot; MCU; Photoelectric Sensors; PWM. 目 录1 引言 12 功能要求和方案论证 22.1功能要求 22.1.1 功能要求 22.1.2 输入输出信号 22.2 方案论证 22.2.1 车体设计 22.2.2 控制器模块 32.2.3 直流电动机驱动调速模块 42.2.4 灰度传感器模块 42.2.5 电源模块 52.2.6 景点检测模块 52.2.7 最终方案 53 系统硬件电路的设计 73.1 整体构思 73.2 微控制器模块的设计 83.2.1 单片机选型依据 83.2.2 8155芯片的介绍 113.2.3 微控制器电路原理图 133.2.4 与能力风暴机器人的控制系统比较 143.3 灰度传感器模块的设计 153.3.1 灰度传感器原理 Y3.3.2 灰度传感器电路设计 Y3.3.3 灰度传感器电路原理图 Y3.4 直流电动机调速模块 Y3.4.1 驱动芯片L298N的介绍及电路 Y3.4.2 与能力风暴机器人驱动模块的比较 Y3.5 电源电路的设计 Y3.5.1 锂离子电池介绍 Y3.5.2 系统电路设计 Y3.6 碰撞开关 Y3.7 蜂鸣器 Y4 系统程序的设计 Y4.1 程序功能 Y4.2 流程图 Y4.3 程序编写 Y4.3.1 主程序 Y4.3.2 灰度传感器检测子程序 Y4.3.3 碰撞开关检测子程序 Y4.3.4 PWM调速子程序 Y4.3.5 沿线走子程序 Y5 调试及性能分析 Y5.1 调试所用到的软件 Y5.1.1 Protel 99 SE Y5.1.2 Keil uVision2Y5.1.3 Easy 51Pro Y5.2 调试所出现的问题及解决方法 Y5.2.1 电源和控制系统 Y5.2.2 直流电动机 Y5.2.3 灰度传感器 Y5.3 性能分析 Y结论 Y致谢 Y参考文献Y附录A 寻迹机器人源程序 Y附录B 能力风暴机器人的源程序 Y图1 寻迹机器人控制系统电路图 Y此文档仅供学习与交流1 引言机器人技术是自动化技术的精华，它对未来社会有极大的影响。机器人的普及程度对一个国家机器人技术的发展起很大的作用，所以普及型机器人在各国流行开来。例如自动化生产线的物料配送机器人,医院的机器人护士,商场的导游机器人等。近年来,在国内外许多重要的各种机器人大赛中也都有寻迹机器人的身影,例如全国大学生电子设计竞赛、湖北省第二届电脑机器人比赛和江苏省第二届大学生机器人大赛等。寻迹机器人比赛又可以被称为机器人旅游比赛、机器人走规定图形比赛和机器人寻迹比赛等。对寻迹机器人的研究已成为一个热门课题。而寻迹机器人的核心之一就是机器人控制系统。通过对寻迹机器人控制系统设计的研究，能把我在书本上所学到的理论知识运用于实际，补充我在学习中的不足，而且能培养和锻炼我的动手能力。乐高机器人、美国VEX系列机器人、博思威龙系列机器人、中鸣机器人、广茂达能力风暴系列机器人和双龙机器人等是目前中国机器人市场上的主流产品。它们现在都采用模块化，采用流程图式编程和C语言编程，高级用户也可以采用汇编语言编程，可以方便地编制出各种程序使机器人完成各种任务，无需专门的单片机开发工具，单片机内部有闪存，支持直接下载操作。使用的单片机主要有MICROCNIP公司的PIC系列单片机、AVR系列单片机和MOTOLORA的MC68HC11E系列单片机。由于具有的功能比较多，使机器人布置更多的地面传感器有困难。部分单片机的晶振频率不高，处理数据速度有限。寻迹是机器人的一种简单视觉，在机器人的运动中起着非常重要的作用，为机器人运动过程中位置的准确性提供了保障,在寻迹机器人中是靠灰度传感器（又称地面传感器）。由于这些公司的性质都是以赢利为目的，面对的对象是社会，所以它们在寻迹机器人方面，或多或少都存在着一些不足，例如价格太高，功能较多而导致在寻迹走方面考虑的不全，传感器采集地面信号满，传感器数量不满足程序的需要，再扩展传感器的能力有限等。寻迹机器人涉及到传感器技术、单片机控制、信号处理、程序的编制、电机选择、电机驱动、驱动电源的设计等诸多领域。本设计的研究的内容有传感器技术、单片机控制、信号处理、程序的编制、电机驱动芯片的选择、PWM调速等。即是对机器人所处位置信号的采集、判别、处理，发出信号控制电机，使机器人沿着指定颜色的条带行走，完成特定的任务。在2006年12月15日到18日举办的第二届江苏省大学生机器人大赛上，淮海工学院机械工程系特组织了一只代表队连岛人，参加了其中的机器人游江苏比赛。参赛该项目的共有三十几只代表队，经过两天的紧张的比赛，连岛人获得了三等奖的好成绩。但总的方面来说，连岛人还没有完全发挥到一流的水平，与其它学校优秀的代表队相比，还有一些不足，表面上看是我们的机器人运行的速度还不够快，其实是由于我们的机器人本身的特性所决定的。首先能力风暴机器人是面对社会的，它的针对大学的机器人ASUII虽然可以寻迹走，但它主要的方向是放在教育这一方面。其次它设计的系统最多只能扩充3个灰度传感器。而且它的控制系统是八位单片机，使用的晶振的频率是8MHZ。经过我们发现、比较、摸索，要想在机器人游江苏比赛中获得优异的成绩，必须对机器人的控制系统进行大改或重新设计。在本设计中，就对它的一些缺点进行了重新设计，修改。通过改造，寻迹机器人在沿线走的速度，有了大幅度的提高，扩展的灰度传感器的数量也达到了16个灰度传感器的灵敏度和反应时间也有所提高。下面我就大概说说在本设计中我是怎么设计和制作寻迹机器人的。在控制系统方面，利用现在技术已经非常成熟的AT89S52单片机，使用12MHZ的晶振。考虑到MCS-51系列的单片机的I/O口数量和驱动能力有限，特地扩展了一片8155H芯片。在灰度传感器方面，本设计中利用了高强度二极管和光敏三极管组成的发射接收电路。利用高强度二极管发射，光敏三极管接收信号。通过调试，使输出的信号为开关量。以便减少控制系统对信号的处理时间，以防止控制系统在处理信号时，机器人从白带上跑过。灰度传感器灵敏了，寻迹机器人的速度也可以提高了。在直流电动机方面，本设计使用L298N驱动芯片。一片L298N芯片控制两个直流电动机，可以实现PWM调速。在认真分析寻迹机器人之后，发现必须要使用PWM调速。以便机器人能更快，更可靠的完成任务。在程序编写方面，本设计使用的是汇编语言编写的程序，程序执行的效率高，程序容量小。由于本次使用的灰度传感器比较多，编写的程序也得使用一套独特的算法。另外，对于本次设计，寻迹机器人的调试也是一件不容易的事。2 功能要求和方案论证在本章中，主要针对任务书提出的一些问题进行了回答，并总体对本设计的所要设计的模块进行了论证，初步确定了本次设计的大概框架。2.1 功能要求在本小节中，主要针对任务书提出的一些问题进行了回答，例如本次设计所要完成的任务，机器人的体积、所具备的功能等。2.1.1 功能要求本设计要求寻迹机器人的最大尺寸必须小于等于30cm30cm30cm，由单片机对寻迹机器人进行控制，机器人所使用的传感器为灰度传感器，用来检测地面不同颜色，借助灰度传感器，实现机器人沿着白色的条带行走，完成特定的任务，机器人行走借助于能力风暴机器人小车，要求能在5分钟内完成机器人游江苏的任务。2.1.2 输入输出信号寻迹机器人输入信号有2个碰撞传感器、16个地面传感器（又称灰度传感器）和按键三种，这些信号的类型都是开关量。输出信号有指示灯和2个直流电动机，指示灯输出的是电压，直流电动机输出的是变化的电压。输入的是开关量，它减少了控制系统对信号的处理时间和资源，加快了控制系统对输入信号的响应，便于在程序中提高电动机的速度，节省不必要浪费的时间。指示灯输出的电压在程序中只要对指定的I/O口置0或置1即可，便于实现。而电动机输出的电压，只得通过相关的程序和硬件来实现。本设计采用的控制器是AT89S52单片机，使用12MHZ的晶振，扩展一片8155H。2.2 方案论证根据设计要求，本控制系统主要由车体设计、控制器模块、直流电动机调速模块、灰度传感器模块、电源模块、景点检测模块等模块构成。为较好的实现各模块的功能，我分别提出了几种方案并分别进行了论证，并最终选择了一套合适的方案。2.2.1 车体设计方案一：购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点：首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。其次，这种电动车一般都是前轮转向后轮驱动，不能适应该本设计中的方格地图，不能方便迅速的实现原地保持坐标转90度甚至180度的弯角。再次，玩具电动车的电机多为玩具直流电动机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。而且这种电动车一般都价格不菲。因此放弃了此方案。方案二：使用能力风暴机器人小车。能力风暴机器人小车采用左右两轮分别驱动，前后各有一个万向轮转向。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电动机进行驱动，车体的头部和尾部各装有一个万向轮。这样，当两个直流电动机转向相反，同时转速相同就可以实现寻迹机器人的原地旋转，由此可以轻松地实现小车坐标不变的90度和180度的转弯。在安装时它能保证两个驱动电机同轴。当机器人前进时，左右两驱动轮与前、后万向轮形成了四点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现前、后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移，前、后万向轮都使用了减振弹簧，也起到了支撑作用。经过反复思考，选用方案二。小车底盘如下图所示：图2-1 机器人底座2.2.2 控制器模块方案一：采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器，CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑我放弃了此方案。方案二：采用凌阳公司的16位单片机。它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。本系统主要是进行寻迹运行的检测以及电机的控制。如果单纯的使用凌阳单片机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。方案三：采用Atmel公司的AT89S52单片机作为主控制器。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8KB在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。从方便使用、价格等诸多角度综合考虑，我选择了方案三。2.2.3 直流电动机驱动调速模块方案一：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，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。直流电动机专用驱动芯片L298N芯片，L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。而且它正好也采用了含由达林顿管组成的双H型电路。基于上述理论分析，选择方案三。2.2.4 灰度传感器模块灰度传感器探测路面白带的大致原理是光线照到路面，白带和绿色地毯的反射光系数不同，输入的电压也就不同。方案一：高强度发光二极管与光敏三极管组成的发射接收电路。这种方案的缺点在于其他环境光源会对光敏三极管的工作产生很大干扰，一旦外界光亮条件改变，很可能造成误判和漏判。但如果我们采取较好的避光措施，可以避免该缺点。且可以在电路上加上可调电阻，可以使输出的信号变为开关量，减少控制系统的处理时间。方案二：不调制的反射式红外发射接收器。由于采用红外管代替普通可见光管，可以降低环境光源干扰。但如果直接用直流电压对管子进行供电，限于管子的平均功率要求，工作电流只能在10mA左右，仍然容易受到干扰。方案三：用光敏电阻Cds单元组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定地工作。因此我们考虑其他更加稳定的方案。而且变化的速度没有光敏三极管变化快。方案四：用红外发射管和接收管制作光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线，继而输出低电平；若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线，继而输出高电平。这样制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此我也放弃了这个方案。基于上述考虑，采用方案一。2.2.5 电源模块方案一：所有器件采用单一电源（体积小、容量大的锂离子电池，充满电的电压为8.5伏）。这样供电比较简单，可以利用7805芯片将它转换为+5伏电，供控制系统和传感器使用。虽然电动机启动瞬间电流很大，而且PWM驱动的电动机电流波动很大，但锂离子电池容量比较大，可以减少这种影响。方案二：双电源供电。利用光耦合器传输信号，虽然能电动机驱动电源与单片机以及周边电路电源完全隔离，减少了电动机驱动所造成的干扰，提高了系统稳定性。但这样做不如单电源方便灵活，增加了寻迹机器人的成本、体积和重量。而且电机驱动模块需要与控制系统电路共地。综合考虑，采用方案一。2.2.6 景点检测模块方案一：使用碰撞开关。碰撞开关价格便宜，使用方便，反应灵敏，性能稳定，可靠性好，连接线路简单。方案二：使用超声波测距模块。超声波测距模块价格比较贵，如果在寻迹机器人前后各装一个模块的话，它占的体积比较大，与控制系统之间连线比较复杂，当要求寻迹机器人撞到一个景点时，它的可靠性和稳定性都有所局限。因本设计初步考虑的是寻迹机器人既可以前进也可以倒退，机器人可以用其头部或尾部检测到景点，所以综合考虑，在寻迹机器人的头部或尾部各安排了一个传感器。碰撞开关正好符合这个要求。其次，它输入的是一个开关量，未碰到物体时，它输入的是1，碰到物体后，它输入的是0。碰撞开关在碰到景点后，会输入一个开关量给控制芯片，“告诉”控制系统已到达该景点。从多方面考虑，使用方案一。2.2.7 最终方案经过反复考虑、论证，最终确定了如下方案：（1）车体使用能力风暴机器人小车。（2）采用Atmel公司的AT89S52单片机作为主控制器。（3）采用含由达林顿管组成的双H型PWM电路的L298N芯片作为直流电机的驱动芯片。（4）高强度发光二极管与光敏三极管组成的发射接收电路对地面白带进行检测。（5）用单一电源锂电池经7805稳压后为单片机控制系统、传感器和其他芯片供电，锂电池直接为直流电动机供电。（6）景点检测采用碰撞开关。系统的结构框图如下图所示：锂电池经7805转换AT89S52扩展一片8155芯片L298N驱动直流电机锂电池前，中，后面灰度传感器能力风暴机器人小车前后碰撞传感器图2-2 系统的结构框图3 系统硬件电路的设计根据设计的需要，系统硬件电路的设计主要由微控制器模块的设计、灰度传感器模块、直流电动机调速模块的设计、电源模块电路的设计等模块构成。下面就这些模块一一来说明。3.1 整体构思因为这个项目的主要目的是通过学习和巩固所学够的单片机及其相关的基础知识，并且是针对现有的能力风暴机器人在第二届江苏省大学生机器人大赛中的游江苏项目所表现出的缺点进行改造，所以所制作的硬件电路一方面能够满足改造的目的，另一方面也可以补充自己学习中的不足，同时也可以将它作为其它项目的实施基础。为此，我将系统框架设计为：图3-1 系统框架图其中电机驱动、逻辑控制部分均为独立的单片机系统，这样设计主要出于：（1） 单片机已十分便宜，可以像普通IC那样使用； （2）直流电动机驱动逻辑比较简单，但是实时性要求较高，所以独立出来，编程较为容易，便于初学者上手； （3）直流电动机驱动部分通常会有较大的干扰，尤其是驱动普通的直流有刷电机，电刷的火花干扰很强，单独使用简单，但抗干扰能力强的单片机可使系统更加可靠； （4）直流电动机驱动部分独立做成一个模块后可以在以后的其它项目上使用，增加投入的附加值，例如作为RCX(乐高的控制器)的大功率电机驱动器； （5）对于走轨迹项目而言，逻辑部分并不十分复杂，完全可以将电机控制部分融入其中，但是这样系统就不容易修改为其它用途，编程难度也增加了，不利于学习。由于本次设计是针对比赛而改造的，所以该设计编程难度较高； （6）采用独立的逻辑控制便于学习者掌握构建复杂系统的能力，学会多模块协同工作时如何交换信息、如何协调。目前在控制上利用单独的智能节点完成单一任务，采用通讯方式将这些独立节点组合实现复杂的功能已经形成一个趋势。 （7）采用独立的逻辑控制模块便于学习者随时根据学习需要替换为所要学习的单片机，目前我所采用的是51系列的，而日后如需要，可以随时替换为AVR、PIC或其它性能更好的型号，这些新的单片机通常都有成品模块出售，具有完善的数字、模拟以及通讯接口，这样设计就十分容易接入，达到学习、评估的目的。3.2 微控制器模块的设计微控制器是寻迹机器人的控制核心，其地位可见不一般。在本设计中我选用的芯片是AT89S52，使用的晶振频率是12MHZ，并扩展一片8155H芯片。3.2.1 单片机的选型依据因为本设计的目标之一是学习单片机的应用，所以我还是选用了MCS-51系列的单片机，因为51的架构十分典型，便于初学者理解，同时其公共资源是最多的，便于初学者自学和交流。而且它的相关资源比较多，便于学习、应用。选择用于学习的单片机我认为主要考虑以下方面： （1）价格便宜； （2）开发手段便宜； （3）自己动手焊接相对容易（最好不选用BGA封装的，或是脚距小于0.5mm的）。基于上述考虑，我选择了Atmel公司的AT89S52单片机，价格仅8元左右。它可以使用简单的串口编程（ISP），不需要专门的编程设备，自制一个串口适配器最多10元，如果选用现成的USB转串口产品，也只要40-50元（注意：不是每种USB转串口产品都可用）。下载软件厂家免费提供，开发成本很低。封装有PDIP、PLCC及TQFP模式，PDIP也是1.27mm脚距的，很好焊接。很多人排斥51系列的原因是认为51资源较少，速度也比较慢，这实际上是最早的8051给人留下的印象，也是多数教材中所描述的，而实际上51架构已发生了很大变化，其资源已十分丰富，速度也有很大提高。以此款AT89S52来说，其资源为：8KB 的FlashROM ，256字节RAM， 32个外部双向输入/输出（I/O）口，6个中断优先级2层中断嵌套中断，3个16位可编程定时器/计数器，全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。另外，AT89S52可降至0HZ静态逻辑操作，支持2种软件编程，可选择节电模式、空闲模式下CPU工作等，详情可上该公司的网站查询。其它还有许多51架构的单片机具有优异的特性和特点，如：（1）兼容MCS-51指令系统；（2）32个双向I/O口； （3）3个16位可编程定时/计数器； （4）全双工UART串行中断口线；（5）8个中断源； （6）中断唤醒省电模式； （7）看门狗（WDT）定时器； （8）灵活的ISP字节和分页编程； （9）8k可反复擦写(1000次）ISP Flash ROM； （10）4.5-5.5V工作电压； （11）时钟频率0-33MHz； （12）256x8bit内部RAM； （13）低功耗空闲和省电模式； （14）3级加密程序存储器；（15）软件设置空闲和省电功能； （16）双数据寄存器指针。 还有很多类似的产品，此处就不一一例举。主要是想说明，MCS-51架构还是有其优势的，否则不会有如此多的公司基于51架构开发出这么多产品。AT89S52在可靠性、性价比等指标上都还可以。从另一个角度来说，由于目前编程通常使用C语言，所以对单片机的依附已不十分紧密，只是在设计硬件线路及程序中对硬件初始化时要涉及器件，而程序的逻辑部分几乎与硬件无关，所以选择什么单片机学习没有什么绝对的好与坏，关键看自己可利用的资源。在本设计中主要还是使用汇编语言，这是因为一方面可以提高程序执行的效率，另一方面充分利用单片机的资源，节省存储空间。MCS-51 单片机结构框图如下图所示：图3-2 单片机结构框图MCS-51是标准的40引脚双列直插式（PDIP封装形式）集成电路芯片，引脚排列如下图所示：图3-3 单片机引脚排列图信号引脚介绍： P0.0 P0.7： P0口8位双向口线； P1.0 P1.7 ：P1口8位双向口线； P2.0 P2.7 ：P2口8位双向口线； P3.0 P3.7 ：P3口8位双向口线； ALE：地址锁存控制信号。在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出的低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外，由于ALE是以晶振1/6的固定频率输出的正脉冲，因此,可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。：外部程序存储器读选通信号。在读外部ROM时，有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。：访问程序存储控制信号。当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；当信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。RST：复位信号。当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。XTAL1和XTAL2：外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。GND：地线。VCC：+5 V电源。图3-4 单片机最小化系统单片机的最小化系统是指单片机能正常工作所必须的外围元件，主要可以分成时钟电路和复位电路，我们采用的是AT89S52芯片，它内部自带8K的FLASH程序存储器，一般情况下，这8K的存储空间足够我们使用，所以我们将AT89S52芯片的第31脚固定接高电平（电路原理图上已经接死），所以我们只用芯片内部的8K程序存储器。单片机的时钟电路有一个12M的晶振和两个30P的小电容组成，它们决定了单片机的工作时间精度为1微秒。复位电路由10UF的电解电容和10K的电阻组成，以前教科书上常推荐用10UF电容和10K电阻组成复位电路，这里我们根据实际经验选用10UF的电容和10K的电阻，其好处是在满足单片机可靠复位的前提下降低了复位引脚的对地阻抗，可以显著增强单片机复位电路的抗干扰能力。二极管的作用是起快速泄放电容电量的功能，满足短时间多次复位都能成功。3.2.2 8155芯片的介绍8155芯片含有2568位静态RAM，两个可编程的8位I/O口，一个可编程的6位I/O口，一个可编程的14位定时器/计数器。8155芯片具有地址锁存功能，与MCS-51单片机接口简单，是单片机应用系统中广泛使用的芯片。8155芯片的逻辑结构图和引脚图如图3-5所示：其中：PA,PB两个8位和一个6位PC口；AD0AD7,地址/数据复用线； ALE地址锁存使能，控制地址/数据复用； /CE是8155的片选端,低有效； IO/M，I/O口或RAM选择线；/RD是读信号；/WR是写信号；RESET是复位信号，高有效。 片内1个14位减法Timer，计数脉冲由TIMERIN输入,分频后由TIMEROUT 输出。VCC,GND是电源端和接地端。图3-5 8155逻辑结构图和引脚图8155有2种工作方式(基本I/O和选通I/O)。内部有6个寄存器, 由AD2，AD1,AD0,ALE与RD,WR,IO/M信号线选择。RESET高有效; /CE低有效。8155命令/状态字寄存器是两个地址相同的寄存器,命令字寄存器接受控制命令(只写)。地址：A2,A1,A0=000 命令字格式如下表：AD7AD0选中的寄存器功 能X X X X X 0 0 0命令/状态字寄存器对它只能写命令从它只能读状态X X X X X 0 0 1A口寄存器(PA7PA0)对应A口的各个引脚X X X X X 0 1 0B口寄存器(PB7PB0)对应B口的各个引脚X X X X X 0 1 1C口寄存器(PC7PC0)对应C口的各个引脚X X X X X 1 0 0定时器低8位寄存器单纯存放低8位初值X X X X X 1 0 1定时器高6位和输出方式寄存器高两位控制输出信号形式下图为8155H命令控制寄存器格式。在本设计中，PA口和PB口都为输入，PC口为输出，无计数，无中断，所以通过下图可知8155H命令控制为000001100B。图3-6 8155H控制字3.2.3 微控制器电路原理图AT89S52扩展一片8155的电路原理图如下：图3-7 微控制器电路图8155内部有一个锁存器，故不必再需要外加74LS373，由于用了P2.7接/CE；P2.0接IO/M，P0口和P2口确定8155的寄存器的地址。具体确定的方法是： P2.7P2.0 P0.7P0.0 0XXX XXX1 XXXX X000 命令/状态字寄存器 0XXX XXX1 XXXX X001 A口寄存器0XXX XXX1 XXXX X010 B口寄存器0XXX XXX1 XXXX X011 C口寄存器 0XXX XXX1 XXXX X100 定时器低位寄存器0XXX XXX1 XXXX X101 定时器高位寄存器对8155的片内RAM寻址，必须P2.0为低。在图中连接状态下，可取的一组地址为：RAM地址为： 7E00H7EFFH I/O端口地址为：命令/状态口7F00HPA口7F01HPB口7F02HPC口7F03H定时器低字节7F04H定时器高字节7F05H3.2.4 与能力风暴机器人的控制系统比较能力风暴机器人使用Motorola 生产的8位单片机68HC11作为控制芯片。它有8 个模拟口，5 个输入捕捉，3 个PWM 输出，16 位地址，8 位数据总线，串口，以及4 个通用I/O。68HC11E1 无内部ROM，有512 字节EEPROM，可重定位的256 字节RAM。能力风暴机器人接8M 晶振，能力风暴运行于扩展工作方式，扩展了32K 静态RAM 和8 个I/O 口。能力风暴机器人为了省引脚，单片机中一般以低8 位地址和8 位数据以时分多路方式合用PC 的8 只引脚。能力风暴充分利用了68HC11E1 的全部硬件资源。3.3 灰度传感器模块的设计本次设计用到的灰度传感器主要是用来检测地面颜色的变化，由白色变成深绿色，或由深绿色变成白色。该灰度传感器要反应速度快，输入给单片机的是一个开关量，即：传感器在白带上输出的是“1”，则在深绿色的地毯上输出的是“0”。3.3.1 灰度传感器原理灰度传感器输出给控制系统的“0”和“1”是针对单片机控制系统而言。MCS-51是TTL系列芯片，而TTL电平标准为：输出 L（0）： 2.4V。 输入 L（0）： 2.0V TTL器件输入低电平要小于0.8V，高电平要大于2.4V。输入，低于1.2V就认为是0，高于2.0就认为是1。 TTL电平标准为输出 L： 2.4V。 所以在本设计中所利用的传感器输入“1”时的电压必须大于2.0V，输入“0”时的电压必须小于1.2V。在本次设计中利用的是高强度二极管和光敏三极管组成灰度传感器。高强度二极管比普通的二极管发出的光线要强很多，以避免发出的光线被地面的白带或地毯吸收的太多。光敏三极管的工作特性是：当无光照射到光敏三极管上时，光敏三极管的电阻很大，一般大于20K，当有强光照射时，它的电阻仅为2K左右。自做的灰度传感器正是利用它的这个特性，当小车的传感器在白带上面行驶时，装在车下的高强度的二极管发射出高强度的红光信号，经白带反射后，被光敏三极管接收，一旦光敏三极管接收到信号，那么图中光敏三极管将导通，输出的电压为2.4V的电压，即是单片机的“1”。当小车的传感器在深绿色的地毯上面行驶时，装在车下的高强度的二极管发射出高强度的红光信号，信号几乎全被深绿色的地毯吸收，光敏三极管几乎接收不到光线，光敏三极管截止，输出的电压为1.2V的电压，即是单片机的“0”。 从而实现了通过光敏三极管检测信号的功能。将检测到的信号送到单片机I/O口，当I/O口检测到的信号为高电平时，表明光敏三极管被导通，表明寻迹机器人的该灰度传感器处在白带上；同理，当I/O口检测到的信号为低电平时，表明寻迹机器人的该灰度传感器处在行驶在深绿色的地毯上。3.3.2 灰度传感器电路设计利用的是光反射的传感器，在日本被称为光电判读器，按检测方法可以分为反射式和透过式两种类型。反射式光传感器的工作原理是从发光元件（如发光二极管等）发出的光被物体反射后到达感光元件，由此判断物体是否存在。显然，如果感光元件检测到反射光，表明前方有物体存在。透过式光传感器的工作原理是从发光元件（如发光二极管等）发出的光被物体反射后是否到达感光器件，由此判断物体是否存在。与反射式光传感器的区别在于，如果感光元件未检测到有光线，则表明有物体存在。自制机器人一般采用反射式光传感器。在本设计中的灰度传感器也是利用了反射式光传感器。下图为一个反射式光传感器的检测距离特性图，从图中可知检测距离为4mm时输出最大。图3-8 反射式光传感器的检测距离特性图寻迹机器人上的灰度传感器（反射式光传感器）的安装方式如下图所示。图3-9 灰度传感器的安装方式下面就灰度传感器电路做一些具体的说明。初步确定的电路图如下所示：图3-10 灰度传感器电路图接下来讨论如何计算该电路中内置高强度发光二极管的电流值，以及外加电阻的阻值（它是内置三极管的负载）。首先，可以利用下图所示的计算公式求得高强度发光二极管限流电阻的阻值。设发光二极管的电压为,高强度发光二极管压降约为1.0V，如果电流按10mA计算，则等效电阻为400，而E24系列的等效电阻可以取470。图3-11 二极管限流电阻的阻值计算图具体计算方法如下：R（） *计算例中，设电源电压为5V，电流为10mA, R（）=400其次，讲解光敏三极管部分（参见下图）等效电阻的计算。为了判别白带及其周边的深绿色的地毯，应将光的变化变换成电压，然后输入AT89S52之类的控制器。图3-12 光敏三极管工作原理图很据动作原理，检测到深绿色地毯时无反射光，对于灰度传感器而言就是未感受到光，因此没有基极电流发生，向MCS-51系列单片机输入“0”信号。相反，在深绿色地毯以外的区域，则输出“1”信号。在本设计中，信号输入对象是AT89S51，查阅相关资料可知它的“0”电平为小于0.8V，“1”电平为大于2V，很据这一输出电压就能够计算发射极的负载电阻。通过多次实验，最终确定此发射极的负载电阻为4.7K（使用E24系列的电阻）。在实际应用场合，显然白带和深绿色地毯的反射率都会随场地，环境，时间改变而改变，因此发射极的等效电阻可以用可变电阻来代替。在本次设计中就采用了10 K的可调电阻，目的在于灵活地适应环境而调整。本设计中的灰度传感器采取固定电阻加可调电阻串联的配置形式，固定电阻起发射极限流的作用，所以可调电阻的阻值调的很低。灰度传感器的发送端选用的是高强度的二极管，接收反射光的接收端选用