毕业论文-微型足球机器人小车控制系统软硬件设计

微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 摘 要 机器人足球已经是风靡全球的机器人竞赛活动。与世界足球运动一样，具有明确比赛目标和比赛规则。它集科学研究、教育和娱乐于一体，它是体育与高科技结合的产物，也是高技术平台的公平竞争。既是展示高科技水平的生动窗口，又极具观赏性。本文主要内容为一种基于 C8051 单片机的微型足球机器人控制系统设计。 在此机器人小车控制系统中，单片机作为控制器从上位机得到指令，输出控制信号给执行器即直流电机，从而改变被控对象小车的运动，通过测速及鉴相环节将电机的转速和转向信息反馈给单片机，这样构成了一个闭环控制系统。 在这个闭环控制系统中单片机生成 PWM 波，通过驱动器 L298 控制两个直流伺服电机的运转，两个电机分别带动机器人的两个驱动轮改变小车的运动状态，而通过编码器获得电机的运行信息，并反馈回单片机，这样就实现了对机器人的闭环控制。 关键词 ： C8051,L298, 足球机器人 , 闭环控制 , 控制器 I微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 Abstract Robot football becomes popular a global robot contest an activity. Exercise with world football similar, have explicit game target and game rule. It gathers science research, education and amusement at the integral whole and it is the outcome that the athletics combines with high technology, is also the fair competition of high technique terrace. Since is the vivid window way which displays high technology level, have to appreciate sex very much again. The this text main contents is the system design of the robot control of miniature football which introduces 1 kind a single slice machine according to the C8051. In this robot the small car the control the system, the single slice machine is a controller to get instruction from the place of honor machine and output control signal to give performance machine namely direct current electrical engineering, change to be controlled an exercise of the object small car thus, pass to measure soon and Jean mutually link turn of electrical engineering soon with change direction information feedback machine to the single slice, so constituted 1 to shut a wreath control system. Single slice in this shut the wreath control the system PWM wave with born machine, control two operations of electrical engineerings with servo direct current through the actuator L298, two electrical engineering arouses two sport appearances which drive a round to change a small car of robot respectively, but acquires the movement information of electrical engineering through a coder, and the feedback return to single slice machine, carried out to shut robot a wreath control so. Keywords: C8051, L298, Football Robot, Shut a wreath control, Controllers II微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 目 录 第一章 引言.1 第二章 运动方式的选择及布局.3 2.1 运动方式的选择.3 2.2 总体布局.3 第三章 控制系统总体方案.5 第四章 机器人控制系统硬件构成.7 4.1硬件构成概述.7 4.2 CPU控制单元.8 4.2.1 C8051系列单片机内部资源综述 . 8 4.2.2 CIP-51TM 内核 . 8 4.2.3 存储器 . 10 4.2.4 JTAG调试和边界扫描 . 10 4.2.5 可编程数字I/O 和交叉开关 . 11 4.2.6 可编程计数器阵列 . 11 4.2.7 串行端口 . 12 4.2.8 模数转换器 . 12 4.2.9 比较器 . 13 4.3 电机驱动单元.15 4.4 动力单元.20 4.4.1 直流伺服电机 . 20 4.4.2 编码器 . 21 4.5 鉴相及测速环节.22 4.5.1 鉴相环节 . 22 4.5.2 测速环节 . 24 4.6 无线接收单元.25 4.7 地址编码单元.26 III微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 4.8 电源及稳压单元.27 第五章 机器人小车控制软件实现.30 5.1 主程序.31 5.2 通讯中断服务程序.31 5.3 小车速度检测中断服务程序.31 5.4 PID运算子程序.32 5.5 PWM输出.33 第六章 结论及收获.34 参考文献.35 致 谢.36 声 明 .错误！未定义书签。 IV微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 第一章 引言 机器人足球已经是风靡全球的机器人竞赛活动。与世界足球运动一样，具有明确比赛目标和比赛规则。它集科学研究、教育和娱乐于一体，它是体育与高科技结合的产物，也是高技术平台的公平竞争。既是展示高科技水平的生动窗口，又极具观赏性。因而，它吸引了许多大学的青少年的积极参与，也引起社会各界的日益关注。事实上，机器人足球的研究融入了机器人学、机电一体化技术、通讯与计算机技术、视觉与传感器技术、智能控制与决策等多学科的研究成果。 机器人足球比赛是为了给智能机器人技术和分布式人工智能研究提供一个研究与测试平台而提出的一个标准任务。从人工智能的角度来说，与用计算机对人类的象棋比赛研究相比较，机器人足球比赛将研究对象从过去计算机象棋的单智能体对单智能体发展到分布式多智能体协调对抗，将研究环境从静态有序环境发展到动态随机环境，并且将非实时知识处理发展到实时处理与决策，从而将研究问题由“单主体静态可预测环境中的问题求解” ，发展到“主体动态不可预测环境中的问题求解”。机器人足球系统的研究融入了机器人学、机电一体化技术、通讯与计算机技术、视觉与传感器技术、智能控制与决策等多学科的研究成果，不仅能反映出一个国家信息与自动化技术的综合实力，而且也能作为展示高科技水平的生动窗口以及促进科技成果实用化和产业化的有效途径。 机器人足球研究目的是研究对未来社会有深远意义的多机器人(或多智能体)在复杂动态环境和多重制约下,完成多任务和多目标所需的实时推理和规划技术这种研究可以作为未来二十一世纪信息战时代的单兵作战系统以及舰艇!飞机自动编队系统的先期预研机器人足球的研究是人工智能领域的理想突破点又是密切理论与实际联系的极富生命力的成长点机器人足球方案的设计,反映出开拓者对人工智能学科前沿的深刻理解与敏锐的洞察力在足球机器人系统的开发过程中,不仅需要机器人学! 通讯与计算机技术等,而且还需要图像处理!智能控制等学科内容 机器人足球比赛是继计算机象棋后出现的人工智能发展的第二个里程碑，它将人工智能技术发展到新的境界。足球机器人小车子系统是整个足球机器人系统的执行机构，在场中的表现直接体现了整个系统的好坏，它的性能优劣对整个系统起着举足轻重的作用。 为了满足足球机器人比赛的要求，机器人小车的运动性能尤为重要。机器人小车应该具备高度的机动性和灵活性，能够快速实现前进、后退、转角、停车等基本动作。以往的足球机器人控制器通常采用传统的位单片机（如1微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 单片机）作为微控制器。虽然这些微控制器具有成本低、硬件开发周期短等优点，但由于采用的是串行指令，不可避免地存在采样周期长、复杂算法难于实现的缺点，同时又没有硬件可生成的波。为了获得更好的性能，选择总的趋势是采用高性能和低功耗的高档控制器。 机器人足球比赛环境下的结构化条件：一方面是基于物理上的；另一方面是基于一些人为的限定。物理上的是指比赛 场地条件，比赛的宏观环境。人为的限定是指比赛规则。基于这种结构化条件，对机器人小车提出了以下一些基本的性能要求： （1）性能水平要高：要有较高的感知信 息的能力，并对信息做出准确的判断和决策。 （2）适应能力要强：要有应付比赛场上变化情况的能力 （3）快速的反应能力：动作要快速，敏捷。 （4）控球能力要强：要有较高的抢球；控制球；接球；射门和阻断能力。 总而言之，机器人小车要作到运动快速，灵活，准确。 在本次设计中主要的工就是根据上述要求进行足球机器人小车控制系统的软硬件设计。 2微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 第二章 运动方式的选择及布局 2.1 运动方式的选择 机器人在地面上移动的方式通常有三种：车轮式、履带式和步行式。 步行移动方式模仿人类或动物的行走机理，用腿脚走路，对环境适应性好，智能程度也相对较高。正因如此，步行移动方式在机构和控制上是最复杂的，技术上也还不成熟，不适于在要求灵活和可靠性高的比赛中。 履带式实际是一种自己为自己铺路的轮式车辆。它是将环状循环轨道履带卷绕在若干滚轮外，使车轮不直接与地面接触。履带式的的优点是着地面积比车轮式大，所以着地压强小；另外与路面黏着力强，能吸收较小的凸凹不平，适于松软不平的地面。因此，履带式广泛用在各类建筑机械及军用车辆上。但是各部件间的磨擦较大，能量损失大，移动速度慢，所以不适合用在足球机器人上。 车轮式移动是最常见的一种地面行进方式。车轮式移动的优点是：能高速稳定的移动，能量利用效率高，机构和控制简单，而且技术比较成熟。它的缺点是对路面要求较高，适于平整硬质路面。 在 FIRA 的足球机器人比赛中，机器人在室内的专用场地上进行比赛，场地条件很好，所以轮式驱动是最适合的运动方式。 2.2 总体布局 FIRA小型组对机器人小车的物理尺寸要求为：7.5 * 7.5 * 7.5CM的立方体。所以选择两部小型直流伺服电动机作为动力（直流伺服电机通过PWM方式可以方便的实现调速） ，采用电池作为电源。由于直流电动机和电池是机器人上除车身框体外重量最重的部件。因此，采用如图2-1所示，电动机与电池前后布置的方案，使机器人小车的重量前后趋于平衡，有利于小车快速的转向，控制部分的电路板整体置于电机和电池的上方。基于同样的目的，将小车的两个驱动轮左右居中布置。而且机器人小车在实际比赛中前部和后部接触球的几率几乎相同，采用图2-1所示布局可使小车前后结构趋于对称。 3微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 驱动轮A 驱动轮B电机 A 电机 B 电池 图 2-1 小车总体布局 4微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 第三章 控制系统总体方案 在足球机器人系统中，单片机作为控制器从上位机得到指令，输出控制信号给执行器即直流电机，从而改变被控对象小车的运动，通过测速及鉴相环节将电机的转速和转向信息反馈给单片机，这样构成了一个闭环控制系统。系统结构图如图3-1所示： 单片机 电动机 器 驱 动 执行器测速及鉴相环节 器 制 控上位机指令 图3-1 系统结构图 为了满足足球机器人比赛的要求，机器人小车的运动性能尤为重要。机器人小车应该具备高度的机动性和灵活性，能够快速实现前进、后退、转角、停车等基本动作。以往的足球机器人控制器通常采用传统的 8 位单片机（如 MCS-51 单片机）作为微控制器。虽然这些微控制器具有成本低、硬件开发周期短等优点，但由于采用的是串行指令，不可避免地存在采样周期长、复杂算法难于实现的缺点，同时又没有硬件可生成的PWM波。为了获得更好的性能，CPU选择总的趋势是采用高性能和低功耗的高档控制器。本设计采用 C8051 系列高速单片机作为CPU，正是利用了它快速的运算处理能力和丰富的专为电机控制的外设。 直流电机采用PWM方式驱动，而PWM控制信号的产生方法有4种。 （1） 分立电子元件组成的PWM信号发生器。 这种方法是用分立的逻辑电子元件组成PWM信号电路。它是最早期的方式，现在已被淘汰了。 （2） 软件模拟法 利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断地输出高低电平来实现 PWM波输出。这种方法要占用CPU大量机时，使单片机无法进行其他工作，因此也逐渐被淘汰。 （3） 专用PWM集成电路 从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片， 5微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 现在市场上已有许多种。这些芯片除了有PWM信号发生功能外，还有“死区” 调节功能、保护功能等。在用单片机控制直流电机中，使用专用PWM集成电路可以减轻单片机负担，工作更可靠。 （4） 单片机的PWM口 新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。单片机通过初始化设 置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只有在改变占空比时CPU才进行干预。在本设计中采用的就是这种方法。 驱动芯片选用L298，其为双H桥驱动电路，可以驱动两个直流电动机很适合本设计。 为了对直流电机进行闭环控制，还需要知道电机的转速和转向，并将其反馈给单片机。这要有测速及鉴相环节。 同时，还需要无线通信模块用于与上位机的通信传输。 控制系统整体结构图如图3-2所示： 上位机 （发射指令）脉冲计数及方向识别 C8051F 单片机 PWM 分配模块 PWM 驱动模块 左、右轮电机 编码器 无线接收 模块 供电模块 图 3-2 控制系统整体结构图 6微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 第四章 机器人控制系统硬件构成 4.1 硬件构成概述 微型足球机器人小车子系统由 CPU 控制单元、电机驱动单元、鉴向和速度检测单元、电源和稳压单元及无线接收单元等几大部分组成。 （1）CPU控制器(单片机)采用Cygnal公司的高速单片机C8051F。该单片机可以硬件生成PWM,占用CPU资源很少;具有高性能的指令系统并且可以和C语言进行交叉汇编,为设计各种控制算法提供了广阔的空间。 （2）驱动单元选用电机驱动专用芯片L298。L298是双H桥高电压大电流集成电路,可用来驱动继电器、线圈、直流电动机和步进电动机等电感性负载。 （3）鉴向和速度检测单元在机器人足球比赛过程中,左、右轮电机快速旋转而且频繁换向。所以要对小车进行精确控制,必须对电机的旋转速度和运行方向进行精确检测。 （4）电源及稳压单元，采用5V电源，使用稳压芯片L7805进行稳压。 （5）根据本系统对无线通信装置提出的频率可选、通信速率高、性能可靠、体积小等要求，决定采用英国Radiometrix公司的低功耗超高频数据收发模块。 系统控制原理如图4-1所示: L298 直流电 机 1 直流电 机 2 鉴相环节 地址编码 无线接收 T0T1单片机 C8051 图 4-1 硬件控制原理 7微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 4.2 CPU 控制单元 4.2.1 C8051 系列单片机内部资源综述 C8051F系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051 兼容的微控制器内核，与 MCS-51 指令集完全兼容。除了具有标准 8052 的数字外设部件之外，片内还集成了 数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件。MCU 中的外设或功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放大器、ADC、DAC、电 压比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/ I2C、UART、SPI、可编程计数器/定时器阵列（PCA） 、 定时器、数字 I/O 端口、电源监视器、看门狗定时器（WDT）和时钟振荡器等。所有器件都 有内置的 FLASH 程序存储器和256 字节的内部 RAM，有些器件内部还有位于外部数据存储 器空间的 RAM，即XRAM。C8051Fxxx 单片机采用流水线结构，机器周期由标准的 12 个系统时钟周期降为1个系统时钟周期，处理能力大大提高，峰值性能可达25MIPS。 C8051Fxxx 单片机是真 正能独立工作的片上系统（SOC） 。每个 MCU 都能有效地管理模 拟和数字外设，可以关闭单个或全部外设以节省功耗。FLASH 存储器还具有在系统重新编程 能力，可用于非易失 性数据存储，并允许现场更新8051 固件。应用程序可以使用 MOVC 和 MOVX 指令对 FLASH 进行读或改写，每次读或写一个字节。这一特性允许将程序存储器用于非易失性数据存储以及在软件控制下更新程序代码。 片内 JTAG 调试支持功能允许使用安装在最终应用系统上的产品 MCU 进行非侵入式（不 占用片内资源） 、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、 单步、运行和停机命令。在使用 JTAG 调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。 每个 MCU 都可在工业温度范围（-45到+85）内用2.7V-3.6V（F018/019 为2.8V-3.6V）的电压工作。端口I/O、/RST 和JTAG 引脚都容许5V 的输入信号电压。 4.2.2 CIP-51TM 内核 C8051Fxxx 系列器件使用Cygnal的专利CIP-51 微控制器内核。CIP-51 与MCS-51TM 指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x 的汇编器和编译器进行软件开发。CIP-51内核具有标准8052的所有外设部件，包括3 个16 位的计数器/定时器、一个全双工UART、256 字节内部RAM 空间、128字节特殊功能寄存器8微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 （SFR）地址空间及 4 个 8 位的 I/O 端口。CIP-51 还另外有增加的模拟和数字外设或功能部件。 CIP-51 采用流水线结构，与标准的 8051 结构相比指令执行速度有很大的提高。在一个 标准的 8051 中，除 MUL 和 DIV 以外所有指令都需要 12 或 24个系统时钟周期。而对于CIP-51内核有111 条指令，70%的指令的执行时间为1 或2个系统时钟周期，只有4 条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。表4-1列出了指令条数与执行时所需的系统时钟周期数的关系。 执行周期数 1 2 2/3 3 3/4 4 4/5 5 8 指令数 26 50 5 16 7 3 1 2 1 表 4-1 指令条数与时钟周期对照表 CIP-51 工作在最大系统时钟频率25MHz 时，它的峰值速度达到25MIPS。 图4-2给出了几种8位微控制器内核工作在最大系统时钟频率时峰值速度的比较关系。 图 4-2 峰值速度比较 C8051Fxxx 系列 MCU 在与标准 8051 相比，在 CPU 内核的内部和外部有几项关键性的改进，提高了整体性能，更易于在最终应用中使用。 扩展的中断系统向CIP-51 提供22个（C8051F3xx 为12）中断源（标准8051 只有 7 个中断源），允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中断驱动的系统需要较少的MCU 干 预，却有更高的执行效率。在设计一个多任务实时系统9微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 时，这些增加的中断源是非常有用的。 MCU 可有多达7个复位源：一个片内VDD 监视器、一个看门狗定时器、一个时钟丢失检测器、一个由比较器 0 提供的电压检测器、一个强制软件复位、CNVSTR 引脚及/RST 引脚。/RST 引脚是双向的，可接受外部复位或将内部产生的上电复位信号输出到/RST 引脚。除了VDD 监视器和复位输入引脚以外，每个复位源都可以由用户用软件禁止。 MCU 内部有一个能独立工作的时钟发生器，在复位后被默认为系统时钟。如有需要，时钟源可以在运行时切换到外部振荡器。外部振荡器可以使用晶体、陶瓷谐振器、电容、 RC 或外部时钟源产生系统时钟。这种时钟切换功能在低功耗系统中是非常有用的，它允许 MCU 从一个低频率（节电）外部晶体源运行，当需要时再周期性地切换到高速（可达 16MHz）的内部振荡器。 4.2.3 存储器 CIP-51 有标准8052 的程序和数据地址配置。它包括256 字节的数据RAM，其中高128 字节为两个地址空间。用间接寻址访问通用RAM 的高128 字节，用直接寻址访问 128 字节 的 SFR 地址空间。数据 RAM 的低 128 字节可用直接或间接寻址方式访问。前32 个字节为4 个通用工作寄存器区，接下来的16 字节既可以按字节寻址也可以按位寻址。 某些器件中还另有位于外部数据存储器地址空间的 1K- 4K 字节的 RAM 块。这个 RAM 块可以在整个 64k 外部数据存储器地址空间中被寻址。 C8051F02x 中有可用于 访问外部数据存储器的外部存储器接口（EMIF） 。这个片内外部 数据存储器地址空间可以只映射到片内存储器、只映射到片外存储器、或两者的组合（4K 以 下的地址指向片内，4K 以上的地址指向EMIF）。EMIF 可以被配置为地址/数据线复用方式 或非复用方式。 MCU 的程序存储器为8K- 64K字节的FLASH。该存储器以512字节为一个扇区，可以在系统编程，且不需在片外提供编程电压。 4.2.4 JTAG 调试和边界扫描 C8051Fxxx 具有片内JTAG 和调试电路，通过4 脚JTAG 接口并使用安装在最终应用系 统中的器件就可以进行非侵入式、全速的在系统调试（C8051F3xx 具有片内C2 调试电路，通过2 脚C2 接口并使用安装在最终应用系统中的器件就10微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 可以进行非侵入式、全速的在系统调试）。该JTAG 接口完全符合IEEE 1149.1 标准（C8051F2xx 的 JTAG 接口没有边界扫描功能），为生产和测试提供完全的边界扫描功能。 C8051Fxxx 的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、观察点、堆栈指示器和单步执行。调试时不需要额外的目标RAM、程序存储器、定时器或通信通道，并且所有的模拟和数字外设都 正常工作。当 MCU 单步执行或遇到断点而停止运行时，所有的外设（ADC除外）都停止运行，以保持同步。 对于开发和调试嵌入式应用来说，该系统的调试功能比采用标准 MCU 仿真器要优越得多。标准的 MCU 仿真器要 使用在板仿真芯片和目标电缆，还需要在应用板上有MCU 的插座。Cygnal 的调试环境既便于使用又能保证精确模拟外设的性能。 4.2.5 可编程数字 I/O 和交叉开关 C8051Fxxx 具有标准 8051 兼容的 I/O 端口。有的端口在某些器件中没有引出脚，没有引出 脚的端口可用作通用寄存器。I/O 端口的工作情况与标准 8051相似，但有一些改进。每个端口I/O引脚都可以被配置为推挽或漏极开路输出。在标准 8051 中固定的“弱上拉”可以被禁止，这为低功耗应用提供了进一步节电的能力。 可能最突出的改进是引入了数字交叉开关（C 8051F2xx 除外） 。这是一个大的数字开关网 络，允许将内部数字系统资源分配给端口 I/O 引脚。与具有标准复用数字 I/O 的微控制器不同， 这种结构可支持所有的功能组合。可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器/定时器、 串行总线、硬件中断、ADC转换启动输入、比较器输出以及微控制器内部的其它数字信号配置为出现在端口I/O引脚。这就允许用户根据自己的特定应用选择通用端口I/O和所需数字资源的组合。 4.2.6 可编程计数器阵列 除了通用计数器/定时器之外，C8051F00x/01x/02x MCU 还有一个片内可编程计数器/定时器阵列（PCA）。PCA 包括一个专用的 16 位计数器/定时器时间基准和5（C8051F3xx为3）个可编程的捕捉/比较模块。时间基准的时钟可以是下面的六个时钟源之一：系统时钟/12、系统时钟/4、定时器 0 溢出、外部时钟输入（ECI）、系统时钟和外部振荡源频率/8（C8051F00x/01x没有后两个时钟源）。 11微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 每个捕捉/比较模块都有 4 或 6 种工作方式：边沿触发捕捉、软件定时器、高速输出、8位脉冲宽度调制器、频率输出、16位脉冲宽度调制器 （C8051F00x/01x没有后两种工作方式）。PCA捕捉/比较模块的I/O和外部时钟输入可以通过数字交叉开关连到MCU的端口I/O引脚。 4.2.7 串行端口 C8051Fxxx系列MCU内部有一个全双工UART、SPI总线和SMBus/I2C总线。每种串行总线 都完全用硬件实现，都能向CIP-51产生中断，因此很少需要CPU的干预。这些串行总线不“共 享”定时 器、中断或端口 I/O，所以可以使用任何一个或全部同时使用。C8051F02x系列MCU内部还有第二个UART，这是一个增强型全双工UART，具有硬件地址识别和错误检测功能。 4.2.8 模数转换器 除了 C8051F230/1/6 之外，其它 C8051Fxx 器件内部都有一个 ADC 子系统，由逐次逼近型 ADC、多通道模拟输入选择器和可编程增益放大器（F018/19没有可编程增益放大器）组成。ADC工作在100ksps的最大采样速率时可提供真正的8位、10位或12位精度。ADC完全由CIP-51通过特殊功能寄存器控制，系统控制器可以关断ADC以节省功耗。 C8051F00x/01x/02x 还有一个 15ppm 的电压基准和内部温度传感器，并且 8个外部输入通道的每一对都可被配置为两个单端输入或一个差分输入。 可编程增益放大器接在模拟多路选择器之后，增益可以用软件设置，从0.5到 16 以 2 的整数次幂递增。当不同 ADC 输入通道之间输入的电压信号范围差距较大或需要放大一个具有较大直流偏移的信号时（在差分方式，DAC可用于提供直流偏移），这个放大环节是非常有用的。A/D 转换可以有 4 种启动方式：软件命令、定时器2溢出、定时器3溢出或外部信号输入。这种灵活性允许用软件事件、硬件信号触发转换或进行连续转换。一次转换完成后可以产生一个中断，或者用软件查询一个状态位来判断转换结束。在转换完成后，转换结果数据字被 锁存到特殊功能寄存器中。对于10位或12位ADC，可以用软件控制结果数据字为左对齐或右对齐格式。 ADC数据比较寄存器可被配置为当ADC数据位于一个规定的窗口之内时向控制器申请中断。ADC可以用后台方式监视一个关键电压，当转换数据位于规定的窗口之内时才向控制器申请中断。 12微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 除了12位的ADC子系统ADC0之外，C8051F02x还有一个8位ADC子系统，即 ADC1，它有一个 8 通道输入多路选择器和可编程增益放大器。该 ADC 工作在500ksps的最大采样速率时可提供真正的8位精度。ADC1的电压基准可以在模拟电源电压（AV+）和外部 VREF 引脚之间选择。用户软件可以将 ADC1 置于关断状态以节省功耗。ADC1的可编程增益放大器的增益可以被编程为0.5、1、2或4。ADC1 也有灵活的转换控制机制，允许用软件命令、定时器溢出或外部信号输入启动ADC1转换；用软件命令可以使ADC1与ADC0同步转换。 4.2.9 比较器 大多数 C8051Fxxx MCU 内部都有两个比较器 CP0 和 CP1 （ 在 F002/007/012/017300/301/302/303中没有第二个比较器CP1），MCU可以将任何一个比较器置于低功耗关断方式。 可以用软件设置比较器的回差电压。每个比较器都能在上升沿或下降沿产生中断，或在两个边沿都产生中断，比较器的输出状态可以用软件查询。比较器中断能将MCU从等待方式唤醒。可通过设置交叉开关或端口MUX将比较器的输出接到端口I/O引脚。 在本设计中，采用48引脚的C8051F019单片机 C8051F内部原理如图4-3所示： 图 4-3 C8051 内部原理图 13微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 C8051F019的管脚排列如图4-4所示： 图 4-4 C8051F019 管脚排列 C8051F019的物理尺寸如图4-5所示： 图 4-5 C8051F019 物理尺寸 14微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 C8051单片机的时钟电路原理图如图4-6所示： 图 4-6 C8051 单片机的时钟电路原理图 C8051单片机的复位电路原理图如图4-7： 图 4-7 C8051 单片机的复位电路原理图 4.3 电机驱动单元 为了控制直流电动机，需用半导体功率器件进行驱动。大多数直流电动机驱动是采用开关型驱动方式，其中又以定频脉宽调制（PWM）为常见。其优越性在于驱动电子设备的简单性和计算机接口的容易性。由于PWM调制方式使晶体管工作在开关状态，这种调速方式不仅功率损耗低、效率高，具有调速范围广，线性度好，响应速度快等特点。当输入信号为零时，伺服电机处于微振状态，克服了静摩擦力的影响，有利于改善伺服系统低速运行时的平稳性。 若要求被控电机不仅能够调速而且还要正反转，可采用 H 桥式主电路驱动，如图32所示。此电路由四个全控型开关器件组成，N1、N4三极管为一组，N2、15微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 N3 三极管为另一组。在一个开关周期内，只能有一组导通，另一组关断。图中逻辑电路组成了互锁环节， 防止了三极管同时导通而造成电源短路。由 DIR 信号控制电机的转向，当DIR=1时，三极管N1、N4导通，N2、N3关断电机正转；则当DIR=0时，三极管N2、N3导通，N1、N4关断，电机反转。由PWM脉冲信号实现电机调速。H桥驱动电路及控制信号波形如图4-8示。 N1 N3N2N43.6V PWMPWMDIR DIR PWMDIRE1E2图 4-8H 桥驱动电路及控制信号波形 本系统需要驱动两个直流电机，故采用双H桥功率集成电路L298，其输出最大电流可达 4 A，支持最大的 P W M 频率为 50kHz，并具有过热和过载保护等功能，特别适用于足球机器人这种对电路尺寸要求严格、伺服直流电机驱动的场合。L298内部原理图如图4-9 图 4-9 L298内部原理图 16微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 电机控制逻辑见下表： 表 4-2 电机控制逻辑表 L298 四路输入信号 电机运行状态 IN1 IN2 IN3 IN4 电机1 电机2 1 0 1 0 正 正 0 1 0 1 反 反 1 0 0 1 正 反 0 0 0 0 急停 急停 由L298构成的脉宽调速电路方式图4-10。 在图 4-3 中单片机输出两路 PWM 波，分别与 L298 的 ENA 和 ENB 端相连，用于改变电机转速。 此外，单片机还将输出两路控制信号，一路如图 4-8 所示与INA1和INA2相连，另一路与INB1和INB2相连，可以控制电机的转向。 图 4-10 脉冲调速电路原理图 17微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 L298与直流伺服电机连接原理图： 图 4-11 L298 与直流伺服电机连接原理图 L298与单片机连接原理图： 图 4-12 L298 与单片机连接原理图 18微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 电机驱动芯片L298的管脚图如图4-13示： 图 4-13 L298 的管脚图 十五管脚的L298封装形式如图4-14 图 4-14 L298 封装形式 L298的物理规格见图4-15表4-3 图 4-15 L298 物理规格 19微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 表 4-3 L298外形尺寸 MM MIN TYP MAX A 5 B 2.65 C 1.6 D 1 E 0.49 0.55 F 0.66 0.75 G 1.02 1.27 1.52 G1 17.53 17.78 18.03 H1 19.6 H2 20.2 L 21.9 22.2 22.5 L1 21.7 22.1 22.5 L2 17.65 18.1 L3 17.25 17.5 17.75 L4 10.3 10.7 10.9 PL7 2.65 2.9 M 4.25 4.55 4.85 M1 4.63 5.08 5.53 S 1.9 2.6 S1 1.9 2.6 Dia1 3.65 3.85 4.4 动力单元 4.4.1 直流伺服电机 在机器人足球比赛中，机器人小车须要高速运动而且要十分频繁地改变行进速度和方向，同时由于机器人尺寸的限制对电机的体积有很高的要求。在本设计中采用德国FAULHABER公司生产的直流伺服电机如图4-16，该电机使用FAULHABER公司的斜绕组空心杯转子技术，具有转动惯量低、效率高、力能指标高等优点。 20微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 图4-16 FAULH ABER直流伺服电机事物图 4.4.2 编码器 在本系统中需要对直流电机的转速和转向进行检测，这就需要编码器。编码器的原理可分为电磁式和光电式两种。电磁编码器由直接安装在电机轴上的多极永久磁环组成。通过电磁传感器来检测磁通的变化，并转换成带90相差的输出信号。根据这个原理，可以作成外型尺寸非常小而分辨率却极高的微型编码器。光电编码器的码盘直接安装在电机的后轴端上。当电机旋转时，低惯量码盘上的齿槽将导通和遮断由光电二极管发出的红外线。这样一来，编码器将产生带90度相差的两路输出脉冲信号。在本次设计中使用的是FAULHABER的IE2系列内置编码器（与直流电机集成在一起）见图4-17 图4-17 电磁式编码器与直流电机 该系列编码器由开有齿形槽的电磁码盘及特殊混合电路组成。每个齿槽齿顶和齿根之间电磁场的差异，通过集成到电路中的传感器转换成电信号。此电信号经过专门电路处理，输出带90 度相差的两路方波信号，其分辨率高达每周512线。用异或门倍频后送至单片机内部计数器计数，引脚功能如图4-18 21微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 图4-18 编码器引脚功能 4.5 鉴相及测速环节 4.5.1 鉴相环节 鉴相环节由于两输出通道输出方波的相位差总为90，因此可根据相位关系判断电机的正反转。本系统选用双 D 触发器芯片 74LS74 构成鉴相环节，内部逻辑图如图4-19。 图 4-19 74LS74 内部逻辑图 在图4-20中管脚2、管脚3分别接至码盘两路输出V1和V2，根据D触发器的特性，当CLK端有上升沿到来时，如果Q端输出为高电平，说明管脚2信号相位超前于管脚3信号，电机正在正转；反之，如果Q端输出为低电平，说明管脚2信号相位滞后于管脚3信号，电机正在反转。 22微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 图 4-20 74LS74 管脚图 双D触发器74LS74与C8051单片机连接原理图如图4-21： 图 4-21 双D触发器 74LS74 与C8051 单片机连接原理图 23微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 直流伺服电机编码器与74LS74连接原理图如图4-22： 图 4-22 直流伺服电机编码器与 74LS74 连接原理图 4.5.2 测速环节 在本设计中不止要知道直流电机的转向，而且还需要知道电机的转速，这就要有测速环节。将编码器的输出通过一个异或门电路后送到片内计数器T0和T1计数，就可获得转速信息。 24微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 异或门电路使用74LS86，其连接原理图如图4-23： 图 4-23 测速环节原理图 4.6 无线接收单元 根据本系统对无线通信装置提出的频率可选、通信速率高、性能可靠、体积小等要求，决定采用英国Radiometrix公司的低功耗超高频数据收发模块，型号为BIM-418-F或BIM-433-F，载波频率分别为418MHz和433MHz。 其特性如下： （1）微型PCB叠层结构； （2）为业余无线电波波段； （3）可双向传送； （4）单向传输速率可达到40Kbit/s； （5）室内有效范围为20m，空旷处有效范围为100m； （6）工作电压范围4.5V-5.5V，工作电流小于15mA； （7）可与CMOS逻辑和TTL逻辑兼容。 25微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 图4-24为其实物图： 图 4-24 无线接受单元实物图 图4-25给出了无线接收单元原理图。将15脚发射允许端接为高电平（禁止发射功能），16 脚接收允许端接为低电平（使能接收功能）。接收模块 12 脚 RXD端为接收到的数据信息，11脚为载波测试端，该端为低时12脚的数据有效，所以两路信号经与门送至单片机的RXD端，可以有效抑制杂波干扰。 图 4-25 无线接收单元原理图 4.7 地址编码单元 在比赛过程中，主机要把控制命令通过无线通讯频繁地下达给每个机器人小26微型足球机器人小车控制系统软硬件设计 车。对于小车而言，如何确定哪一组命令是给自己的，行之有效的办法是每一个小车都有自己的地址编号。只有命令当中的地址与小车的本机地址相符才接收。地址编码可通过硬件也可由软件设定，从方便编程和方便使用的角度考虑，本系统采用硬件地址编码方式。机器人的标号通过车体控制板上的拨码开关来设定，如图426所示。当拨码开关闭合时，输入端为低电平，反之当拨码开关断开时，输入端为高电平。 图 4-26 拨码开关原理图 4.8 电源及稳压单元 本系统所有芯片都需要稳定的工作电压，而电池提供的电压随着使用时间的延长，其电压会逐渐下降，想要得到稳定工作电压，则需要L7805稳压芯片，见图4-27。 图 4-27 L7805 稳压芯片 27微型足球机器人小车控