单片机机器人设计

智能机器人设计总设计师： 目的：设计以AT89S51为机器人核心的智能机器人摘要巡线机器人是一个复杂的机电一体化系统，涉及机械结构、自动控制、通信、传感器信息融合、电源技术等多个领域。自主巡线机器人能跨越线路附件、线塔等障碍物，实施大范围、长时间的线路巡检作业。本文介绍了一种沿高压电力线行走并自动跨越障碍物的巡线机器人，并详细介绍了这种机器人控制系统的硬件电路设计和软件编程，以及该系统硬件和软件的几种抗干扰措施，实现了计算机控制。本控制系统以AT89S51单片机为核心，根据传感器检测到的信号，分别控制11个直流电机正反转，完成巡线机器人的各种动作，按照预定的固定路线行走。此机器人具有自动检测障碍，并跨越障碍物，准确行走、准确定位等特征，结构较简单，易于实现。关键词：机器人越障传感器检测抗干扰 目 录1 绪论11.1 机器人的发展概况11.2 课题的提出及意义31.3本设计的主要任务32 机器人的工作原理52.1机器人的机械结构52.2机器人的越障过程63 控制系统的硬件构成83.1概述83.2.1控制器的结构与组成93.2.2单片机引脚介绍103.2.3稳压电源113.2.4 复位电路123.2.5 时钟源133.3输入部分143.3.1光电传感器介绍143.3.2光电传感器信号的处理153.3.3限位开关输入的处理193.4输出部分193.4.2继电器的选择213.4.3用继电器控制直流电机223.5硬件系统的抗干扰措施244 控制系统的软件编程254.1工作流程图254.2主程序274.3延时子程序的应用284.4软件编程的抗干扰措施294.4.1指令冗余技术30 4.4.2 拦截技术304.4.3软件看门狗技术31绪论1.1机器人的发展概况机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有领域。移动机器人是机器人学中的一个重要分支。对移动机器人的研究，出现了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣，更由于它在军事侦察、扫雷排险、防核化污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景，使得对它的研究在世界各国受到普遍关注。机器人的研究，存在着两条不同的技术路线：一条是日本和瑞典所走的“需求牵引，技术驱动”，结合工业发展的需求，开发出一系列特定应用的机器人，如：弧焊、点焊、喷漆、装配、刷胶、建筑等等,从而形成了庞大的机器人产业；一条是把机器人作为研究人工智能的载体，即：单纯从技术上模仿人或动物的某些功能出发，研究有关智能的问题和智能机器人，如：美国、欧洲的一些大学及研究所进行的工作。移动机器人要想走向实用，必需拥有能胜任的运动系统、可靠的导航系统、精确的感知能力和具有既安全而又友好地与人一起工作的能力。移动机器人的智能指标为自主性、适应性和交互性。适应性是指机器人具有适应复杂工作环境的能力(主要通过学习)，不但能识别和测量周围的物体，还有理解周围环境和所要执行任务的能力，并做出正确的判断及操作和移动等能力。自主性是指机器人能根据工作任务和周围环境情况，自己确定工作步骤和工作方式；交互是智能产生的基础，交互包括机器人与环境、机器人与人及机器人之间三种，主要涉及信息的获取、处理和理解。随着电子技术的飞速发展，机器人用传感器正走向成熟，计算机的计算能力正得到显著提高，移动机器人的关键技术得到深入而广泛的研究，并且部分已经走向成熟，移动机器人领域正处于一个激动人心的时刻正一步一步走向人们生活的各个领域。当前，移动机器人系统及其关键技术研究的趋势包括：现场与服务机器人：继续开拓新的应用领域，研制新的机型，进行更多、更复杂、更符合实际的现场试验，积累更多的经验，吸取更多的教训，为实用化奠定坚实的基础。高完整性机器人：机器人工作时，不仅要与周围的设备共同工作，而且要与人一同工作，所以研制高完整性的机器人，有可能使其早日实用化。多移动机器人系统：多移动机器人系统的理论研究和工程实现已经成为机器人学的研究热点，这也是移动机器人发展的必然趋势。主动环境：目前制造一个完全自主的机器人是很困难的。就像人一样，需要帮助，需要借助外界的力量来完成自己的使命。因此，提出主动环境的概念，即环境能为机器人提供所需的信息。所以，研究移动机器人与环境之间的有机结合，将会使其早日走向实用。人与机器人融合：人本身的智能，到今天也没有完全明白，机器人也就难以直接进化了。充分发挥人的智能，发展监控技术和良好的人机交互技术，甚至人机融入一体，是移动机器人走向实用的又一个途径。智能技术:应用于移动机器人研究的各个方面，涉及传统人工智能和新的人工智能。由于关于人的智能到目前还没有揭开它的面纱，所以，没有一个理论可以用来完全指导研究智能的实现技术。当前开发的各种智能技术，可用于不同的各个方面。今后的发展，除了继续寻找新的智能技术之外，主要是各种技术的综合运用，相互补充。移动机器人要走向人类的日常生活，必须综合运用智能技术。包括智能运动控制技术、智能规划技术、智能行为技术以及它们的学习机制，这是机器人学中的关键基础研究。经过近几十年的发展，机器人已初步形成了一个近百万人的“王国”，机器人发展迅速，种类繁多，国际上依据其技术特点和规模大小的不同，对它们进行了分类。1990年在工业机器人国际标准大会上把机器人分为四类：（1）顺序型；很多固定作业的装配机械手都属于此类。（2）沿轨道作业型。这类机器人能执行受控过程。（3）远距离作业型。这类机器人可接受遥控，对操作者的行为反应可通过编程实现，应用于核工业、真空、宇宙、海洋开发等领域按应用领域。（4）适应型或者智能型。它们具有感知、适应或学习功能。具体则可分为工业机器人、农业机器人、特种工作机器人、医疗机器人、体育机器人、讲解机器人、服务机器人、战场机器人、“小人国”机器人等等，其中“特种机器人”又可分为太空机器人、核工业机器人、深海机器人，以及救灾机器人等。在这个机器人王国中，目前主要成员是工业机器人，它占总数的70%以上，全球正在工作的工业机器人共有74万，我国有3000台左右。这只新兴工业大军的形成，必将为人类的工农业生产作出突出贡献。 工业机器人已经广泛地应用于各种自动化的生产线上，它是机器人家族中最重要的成员。最初主要是为了解决工业生产中的自动化问题，由机械手臂、控制装置、机座、能源装置和驱动装置等几部分构成。工业机器人大部分在汽车制造、电子、机械等行业从事焊接、油漆、装配、包装、零件加工、搬运等专业性工作。机器人是人类创造的一种特殊机器，在生产和生活等方面，特别是在危险和极限环境作业中，有着广泛的应用前景。机器人正发展成为一个庞大的家族，代替人们从事各种各样的工作。1.2 课题的提出及意义移动机器人技术的发展，为架空电力线路巡检提供了新的移动平台。电力传输必须依靠高压输电线路，它的安全稳定运行直接影响电力系统的可靠性。由于输电线路分布点多、面广，绝大部分远离城镇，所处地形复杂，会受到持续的机械张力、材料老化的影响而产生断股、磨损、磨蚀等损伤，不及时修复更换，最终导致严重事故。所以必须对输电线路进行定期巡视检查。目前, 国内巡线的方法主要依靠巡视人员的目测，很难达到理想的效果，特别是在地形复杂的山区，不仅巡线人员体力消耗大，而且效率也非常低；另外，在一些特殊的工作场合中，如铁路电力机车供电系统，巡视人员在工作时人身安全常常受到威胁；一些国家由巡线工人乘坐悬挂在架空线上的吊篮进行巡视，效率非常低下。因此，人工巡线效率低，劳动强度大，同时受到地理条件的限制。采用机器人自动巡线成为保障高压输电线安全运行的一种必要手段。巡线机器人的能够在高压输电线上稳定爬行，具有一定的爬行速度；能够避越高压线上的线夹、防震锤等障碍；在故障情况下有可靠的紧急安全措施。同时还要求巡线机器人具有重量轻、结构紧凑、便于携带的特点。巡线机器人能够带电工作，利用携带的传感仪器对杆塔、导线及避雷线、绝缘子、线路金具、线路通道等实施接近检测，代替工人进行电力线路的巡检工作，可以进一步提高巡线的工作效率和巡检精度。因此，巡线机器人成为巡线技术研究的热点。本设计选择的巡线机器人是当今社会机器人研究的热点课题，这种类型的机器人能够在高压线等各种危险和极限环境中作业，应用广泛。此外，本课题是为了学习知识的需要，设计简单，仅在实验室提供的机器人机构的基础上完成并调试，与具体外界环境应用中的机器人还有很大差距，有待于进一步地研究与设计。1.3本设计的主要任务 本文主要结合巡线机器人的性能要求及工作环境来确定该机器人控制系统的组成结构，以AT89S51单片机为核心，完成硬件电路的设计和软件编程，实现机器人的计算机控制。此外，还详细地介绍了该控制系统的几种硬件和软件抗干扰措施，以消除环境噪声带来的影响，提高机器人控制系统地的可靠性与适应性，达到系统的最优化结构，更好地完成预巡检任务。本设计的主要任务包括以下几个方面：（1）巡线机器人越障过程分析；（2）以AT89S51单片机为核心的控制系统硬件设计；（3）软件编程；（4）硬件和软件的抗干扰设计。通过本次设计，掌握了51单片机控制系统的硬件设计与程序调试，最终实现了巡线机器人的自动越障功能，达到了设计要求。2 机器人的工作原理2.1机器人的机械结构巡线机器人是一个机电一体化系统，涉及到机构、控制、通信、定位系统、移动平台上传感器的集成和信息融合、电源等，而机械机构是整个系统的基础，也是目前制约巡线机器人发展的技术障碍之一。 巡线机器人机械机构的设计要求是：（1）能在架空高压线上以期望的速度平稳爬行；（2）具有一定的爬坡能力；（3）能够避越高压线路上的防震锤、线夹、绝缘子、线塔等障碍；（4）在故障情况下有可靠的自保安措施，防止机器人摔落；（5）提供足够的空间安装所携带的电源以及探测、记录和分析处理仪器。 本设计的巡线机器人机械结构如图2.1所示，它主要由机器人机身、控制箱、滑轮、光电传感器、限位开关和直流电机等组成，还包括一个手动控制器。其中，控制箱部分相当于机器人的大脑，机械部分等同于机器人的躯体，根据接收到的光电传感器和限位开关信号，控制器发出信号控制电机的起停及正反转，最终完成巡线机器人的越障动作。此巡线机器人应用步进式爬行机构，可实现在管线上爬行，该机构通过三只手臂的交替移动完成爬行。越障机构是巡线机器人机械结构的关键。由于机器人悬挂在架空线上,越障时应保证机器人姿态平稳,并保持与其它导线和线塔金属部件的安全间距,因此设计难度较大。本设计采用了仿人攀援的手臂越障机构,姿态控制较为复杂。机械臂上部为爬行驱动机构,下部通过旋转关节相互链接。遇到障碍时,机械臂之间相互配合,采用仿人攀援策略调整姿态,跨越障碍。由于采用多只多自由度机械臂,机器人可以完成复杂的空中姿态调整,因而可跨越各种类型的线路障碍。机械结构的设计主要是越障机构机械臂的设计。三只手臂均可完成升降、张开、闭合等动作，分别由驱动电机提供动力源。其中，手臂的主要结构是一螺旋杆机构。当需要跨越障碍物时，利用小臂和大臂的升降、张开、闭合运动协调动作，完成在电力线上行走，实现越障功能。这种爬行机构结构简单，实现的动作也较单一，但有利于机器人的控制。2.2机器人的越障过程本课题设计的巡线机器人，根据检测的传感器信号控制11个直流电机，驱动机器人行走以及大、小臂的张开、闭合与升降,并采用一个继电器附加电路，使其中8个直流电机具有正转(PR )，反转(NR )，停止(ST )三种工作方式，另外3个电机仅具有正转(PR )，停止(ST )两种工作方式，因此对于整个机器人共具有7种工作方式, 即:1) 机器人本身向前移行走（ PR- ST）2) 大臂上升（PR- ST）3) 大臂下降（NR- ST）4) 小臂上升（PR- ST）5) 小臂下降（NR- ST）6) 小臂张开（PR- ST）7) 小臂闭合（NR- ST）图2.2 巡线机器人的机械机构这些动作的完成是建立在一定的机械结构基础上的，这些结构主要包括手掌开合装置、螺杆升降装置、电机驱动装置等等。这些装置构成了机器人的一个基本骨架，再附加上控制电路部分，就构成了一个完整的机电一体化系统。当按下启动按钮后，行走电机驱动机器人机身在电力线上向前行走，传感器开始检测电路。当检测信号提示碰到障碍物时，机器人最前面开合电机正转，控制手掌开合装置动作，使其相应的小臂张开，张开限位传感器检测，若达到预定的位置后，检测信号提示完成；否则，继续检测，机器人继续向前行走。这样，机器人完成越障过程的第一个动作小臂张开。随后大臂升降电机反转，控制螺杆升降装置动作，使机器人相应的大臂下降，限位传感器进行位置检测，若达到预定的位置，检测信号提示完成；否则，继续检测，大臂继续下降，直到位置传感器有信号发出。于是，机器人完成了越障过程的第二个动作大臂下降。然后，机器人后面的两个行走电机正转，控制机器人机身向前行走。障碍检测传感器检测障碍，若有信号发出，小臂升降电机正转，控制螺杆装置动作，使其相应的小臂上升；否则，继续检测，机器人继续向前行走，直到检测到小臂上升到位。机器人完成了越障过程的第三个动作小臂上升。位置检测传感器若检测到小臂上升到位，则开合电机反转，控制手掌开合装置动作，完成越障过程的第四个动作小臂闭合；否则，大臂升降电机正转，控制螺杆升降装置动作，使机器人大臂上升，位置检测传感器继续检测，直到有信号发出为止。传感器检测到小臂闭合到位后，转入第二只臂的越障过程。其具体过程与第一只臂的越障过程类似，在此不再赘述。 越障机构是巡线机器人机构的关键，遇到障碍时，机械臂之间相互配合，由于机器人悬挂在架空线上，越障时应保证机器人姿态平稳，并保持与其它导线间的安全间距。因此具体的设计过程较复杂，要考虑多方面的因素。在机械机构运转良好的前提下，传感器模块才能循环检测，驱动电机控制机器人重复动作，完成了一个完整的越障过程。这个越障过程由预先编入到计算机中的汇编程序进行控制，硬件和软件相结合，从而实现了巡线机器人越障过程的计算机控制。因此，机械结构是整个机系统的基础，是完成越障过程的一个平台。另外本文所介绍的巡线机器人的越障功能，只是针对静态的障碍物来说的，对于移动障碍物，由于它运动的不确定性，常常要进行运动规划、建模，并加入适量的算法。2.3 小结本章简单地介绍了巡线机器人的机械结构，并对其越障过程进行了详细地分析，为硬件和软件相结合的控制系统提供了平台。该机构通过三只手臂的交替移动完成在高压线上的爬行，较好的实现了自动越障功能，后续章节中我们将详细介绍控制系统的设计。3 控制系统的硬件构成3.1概述该机器人的控制系统是由AT89S51单片机、电机驱动模块、传感器电路三大模块组成 。以AT89S51单片机为核心，由传感器对障碍位置进行检测，并把检测信号传回CPU处理，控制机器人自动调节自身位置，自动完成沿轨迹行驶、越障等功能，实现沿高压电力线行走功能。在设计中制作由11台直流电机作为驱动源的机构，还加了稳压电源、单片机控制电路、直流电机驱动电路、LED显示电路等。整个控制系统的原理图如下：AT89S51单片机控制电路电机驱动模块直流电机正转直流电机反转电源模块障碍检测传感器张开限位传感器闭合限位传感器红外传感器图 3.1 机器人控制系统组成图3.2控制器的特点及选择AT89S51芯片以计算机为平台，实现控制作用。该平台采用总线结构，其中三总线结构尤为普遍，如3.2图所示。微处理器MPU是通过AB、DB、CB三总线同存储器ROM和RAM及I/O接口相连的。图3.2 计算机平台的基本机构3.2.1控制器的结构与组成 该设计选用的控制系统是MCS-51单片机。单片机由AT89S51单块集成芯片电路构成，内部包含有计算机的基本功能部件：中央处理器CPU、存储器和I/O接口电路等。它只需要和适当的软件和外部设备相结合，便可以成为一个单片机控制系统。图3.3 单片机内部结构AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。3.2.2 MCS-51单片机引脚介绍图3.4 单片机芯片引脚引脚信号功能介绍：（1）电源引脚GND和VCCGND为电压接地端, VCC为+5v电源端.（2）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1和XTAL2是外接晶体引线端。当使用芯片内部时钟时，此二引线用于外接石英晶体振荡器和电容；当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号 。 （3）控制信号引脚ALE、和RSTALE/此引脚是地址锁存控制信号。在访问外部存储器时，ALE用于锁存出现在P0口的低8位地址，以实现低位地址和数据的隔离。此引脚是片外程序存储器选通信号，低电平有效。/VPP此引脚是访问外部程序存储器的控制信号，低电平有效。RST/VPD此引脚是复位信号，高电平有效、当此输入端保持2个机器周期以上的高电平时，就可以完成单片机的复位初始化操作。此引脚的第二功能VPD为备用电源输入端。（4）IO(输入/输出)端口。（Port）P0、P1、P2和P3这四个口均可作为双向通用的I/O口用。另外，P3口的第二功能见表1。P3.0RxD串行数据接收P3.1TxD串行数据发送P3.2外部中断0申请P3.3外部中断1申请P3.4T0定时器/计数器0计数输入P3.5T1定时器/计数器1计数输入P3.6外部写选通P3.7外部读选通 表1 P3口引脚信号的第二功能3.2.3稳压电源电源提供的电压往往会随交流电源电压的波动和负载的变化而变化。电压的不稳定有时会产生测量和计算的误差，引起控制装置的工作不稳定，甚至根本无法正常工作。特别是在精密电子测量仪器、自动控制、计算装置及晶闸管的触发电路等都要求有很稳定的直流电源供电。图3.5时本系统所采用的已经被广泛应用的单片集成稳压电源7805稳压电源的接线图。图3.5 7805接线图7805输出稳定的+5V电压，图3.6为7805稳压器的外形、管脚图图3.6 7805稳压器外形、管脚图 其内部电路也是串联型晶体管稳压电路。这种稳压器只有输入端1、输出端3和公共端2三个引出端，故也称为三端集成稳压器。使用时只需在其输入端和输出端与公共端之间各并联一个电容即可。C1用以抵消输入端较长接线的电感效应，防止产生自激振荡，接线不长时也可不用。C2是为了瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动。Cl一般在0.11F之间，如0.33F，C2可用1F。3.2.4 复位电路 单片机复位后，程序计数器PC和特殊功能寄存器的状态都恢复到原来的初始值，等待计算机的下一步命令的状态。RST引脚是复位信号的输入端，复位信号为高电平有效。当高电平持续24个振荡脉冲周期（两个机器周期）以上时，单片机完成复位。外部电路产生的复位信号由RST引脚送入片内斯密持触发器，再由片内复位电路在每个机器周期对斯密特触发器进行采样，然后才得到内部复位操作所需要的信号。开关复位实际上是上电复位兼按键手动复位。上电复位是在单片机接通电源时，对电容充电来实现的。上电瞬间，RST端的电位与VCC相同。随着充电电流的减小，RST端的电位逐渐下降，只要在RST端有足够长的时间保持阈值电压，AT89S51单片机便可自动复位。当手动开关常开时，为上电复位，按键手动复位分为电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使RESET端经电阻与VCC电源接通而实现的，电路如图3.7所示。图3.7 AT89S51芯片的开关复位电路3.2.5 时钟源内部时钟方式是利用AT89S51内部的振荡电路，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡，用示波器可以观察到XTAL2输出的时钟信号。最常用的内部时钟方式是采用外接石英晶体和电容组成的并联谐振回路，电容和一般取30pF左右，C1和C2的大小对振荡频率起微调作用；晶体的谐振频率范围为1.212MHz。晶体的谐振频率越高，系统的时钟频率也越高，单片机运行速度也就越快。 外部时钟方式是将外部振荡信号源直接由XTAL1或XTAL2引脚接入。外部振荡信号接至XTAL2，而反相放大器的输入端XTAL1接地。图3.8 AT89S51芯片的晶振连接图 由AT89S51芯片、稳压电源、复位电路、时钟源等构成了单片机的最小系统。3.3输入部分3.3.1用于巡线的光电传感器介绍传感器系统已成功地应用于自主移动机器人的实验研究中。传感器是自主移动机器人系统必不可少的重要组成部分之一。在完全结构化的环境中, 假设机器人知道完整准确的环境信息，此时，传感器系统用于引导机器人的运动, 监控预期任务的执行, 处理可能的意外情况。当机器人工作于未知或动态变化的环境中时, 因为不能预先获知环境的信息, 机器人完全依靠传感器系统实时感知环境, 并据此做出各种控制与处理决策。至今为止已经研发了各种用途各种类型的机器人传感器, 如用于定位的测距传感器, 用于感知物体的声纳传感器、激光测距传感器等。 传感器包含以下方面。 (1)传感器是一种测量装置，能够完成一定的检测任务； (2)它的输入量种类很多，且多为模拟信号的非电量； (3)它的输出量是经转换后的电量信号，且有一定的对应关系和转换精度。 传感器是由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成的。其中敏感元件是在传感器中直接感受被测量的元件，通过它可以将被测量信号转换成为与之有确定联系的、便于转换的非电量信号。该信号再通过传感元件，被转换为电参量。测量转换电路的作用就是将传感元件输出的电参量再转换成易于处理的电压、电流或频率量。图3.9是传感器组成原理框图。 图3.9 传感器组成原理框图 本设计采用光电传感器，它的基本转换原理是将被测量转换成光信号的变化，然后将光信号作用于光电元件而转换成电信号的输出。光电传感器可测量的参数很多，一般情况下具有非接触式测量的特点，并且光电传感器的结构简单，具有很高的可靠性且动态响应极快。随着激光光源、光栅、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器越来越广泛地应用于检测和控制领域。3.3.2光电传感器信号的处理光电耦合器实际上是一种光电传感器。光电耦合器在微机测控系统中的应用是多方面的，如光电隔离电路，长传输线隔离器，TTL电路驱动器，CMOS电路驱动器，A/D模拟转换开关，交流、直流固态继电器等。图3.11 光电传感器信号输出 光电耦合器的输入部分为红外发光二极管，可采用TTL或CMOS数字电路驱动。选用输出部分为达林顿的光电隔离器，其电流传输比CTR可达5000%，即适用于负载较大的应用场合。在采用光电耦合器驱动电磁继电器的控制绕组时，应在控制绕组两侧反向并联二极管D，以抑制吸动时瞬时反电势的干扰，从而保护输出管。 光电耦合器的输入部分为红外发光二极管，可采用TTL或CMOS数字电路驱动，如图3.12所示。在图3.12(a)中，输出电压VO受TTL电路反相器控制。当反相器的输入信号为低电平时，输出信号为高电平，发光二极管截止，光敏三极管不导通，VO输出为高电平。反之VO输出为低电平。Rf电阻的主要作用是限制发光二极管的正向电流If。TTL门电流作为红外发光二极管的控制驱动时，其低电平最大输入电流Iol为16mA,在一般情况下，取I为10mA。在TTL门电路输出低电平忽略不计时(一般为0.2V左右)，Rf的计算公式为RL为负载电阻，若使光电锅台器工作在饱和状态,取光敏三极管电流为0.5mA时,RL=30k，则电流传输比 图3.12(b)为CMOS门电路驱动控制。当CMOS反相器输出为高电平时，Q晶体管导通。红外发光二极管导通，光电耦合器中的输出达林顿管导通，继电器J吸合，其触点可完成规定的控制动作；反之，当CMOS门输出为低电平时，Q管截止，红外发光E二极管不导通，达林顿管截止，继电器J处于释放状态。 (a)（b）图3.12 光电耦合器应用举例 由于CMOS门电路驱动电流很小，应加一级晶体管开关电路驱动,以满足红外发光二极管正向电流If的要求。Rf的计算公式为式中：VDDCMOS门电路电源电压; Vf二极管正向压降； VcesQ晶体管饱和压降。 Q晶体管一般选用开关晶体管，其放大系数为60100，如3DK6,3DK8等。 选用输出部分为达林顿管的光电隔离器，其电流传输比CTR可达 5000，即Io=50If适用于负载较大的应用场合。在采用光电耦合器驱动电磁继电器的控制绕组时，应在控制绕组两侧反向并联二极管D，以抑制吸动时瞬态反电势的干扰，从而保护输出管。 在使用光电耦合器时，应注意区分输入部分和输出部分的极性，防止接反而烧坏器件。光电耦合器在电路中不应靠近发热元件，其工作参数不应超过规定的极限参数。图3.13 电平转换电路图 图中A点接单片机引脚。单片机与直流电机模块的电平转换是借助一个光电耦合隔离器件和一个继电器组成的电路完成的。光电耦合隔离器件就是由电信号转换成光信号，再转换成电信号，达到输入及对输出级的隔离。其原理如下图所示：图3.14 光电隔离器光电隔离是由光电耦合器件来完成的，是以光为媒介传输信号的器件。其输入端配置发光元，输出端配置受光器，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。开关量输入电路接入光电耦合器之后，由于光电耦合器的隔离作用，使夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲都被挡在输入回路的一侧。除此之外，还能起到很好的安全保障作用。光电耦合器根据要求不同，由不同种类的发光元件和受光元件组合成许多系列的光电耦合器。目前应用最广的是发光二极管与光敏三极管组合的光电耦合器。采用高性能而廉价的光电耦合器件实现隔离技术，光电耦合器件把发光元件和受光元件同时封装在一个器件中，其工作时以光作为媒介来传递信息，以便隔离输入级与输出级的直接电连接，从而消除干扰。由于光电耦合器件它有一系列独特的优点，目前已广泛的被应用到计算机测量控制系统中，成为接口技术中常用的十分重要的接口器件。光电耦合器有以下特点：体积小、重量轻、抗机械冲击能力强，使用方便、价格便宜、性能稳定、可靠性强。不受磁场影响，不需磁屏蔽。共模抑制比高，抗干扰能力强。响应速度快，既可以传输直流信号，又可以传输高达几MHz的脉冲信号。输入端和输出端的地电位可以独立选取，而且它们之间的绝缘电压至少可达到1000V，最高可达到50000V。用其切断地环路来降低噪声电平时非常有效的。单向传送信号，寄生电容反馈小。无触点、寿命长。3.3.3限位开关输入的处理 图3.16 限位开关电路 采用这种并接RC的方法可以抑制抖动的影响，图3.16表示常开触点由RC组成的抗干扰电路。当S1未合上前，电容C已充电到+E电压，A端为“1”；当S1合上时，C经R1放电，A点电位逐渐降低，刚闭合时S1触点有抖动现象，B点电位急剧变化，但是由于电容C上的电压不能突变，从而A点电压不会随触点的抖动而急剧变化，于是消除了抖动干扰。 图3.15中R1的作用是：在开关闭合时增加A点电位的下降延时，以确保下降有一定的抗干扰时间，消除抖动的影响；限制电容C的放电电流，保护开关触点。R和C的数值要保证有一个合适的充放电时间常数。这个时间常数要大于触点的抖动时间，又要保证触点动作完成时，下级元件能及时获得正常的动作电平。在工程实践中，R取12k，C取2.24.7F。3.4输出部分3.4.1直流电机的控制 直流电机制造成本虽然比交流电动机大，但它具有调速特性优良、调整平滑和方便、调速范围广、过载能力大、能承受频繁的冲击负荷、可实现频繁的无极快速启动、制动和反转等一系列优点。因此，在控制领域中直流电动机的应用是极其广泛的。直流电机是机械能和直流电能互相转换的旋转机械装置。直流电机用作发电机时，它将机械能转换为电能；用作电动机时，将电能转换为机械能。本次选用20W的直流电机作为电动机用。直流电机主要由下列三个部分组成（1）磁极 磁极是用来在电机中产生磁场的，它分成极心和极掌两部分。极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电机空气隙中磁感应强度的分布最为合适，并用来挡住励磁绕组。（2）电枢 电枢是电机中产生成感应电动势的部分。直流电机的电枢是旋转的。电枢铁心呈圆柱状，由硅钢片叠成，表面冲有槽；槽户放电枢绕组。（3）换向器(整流子) 换向器是直流电机中的一种特殊装置，它是由楔形铜片组成，铜片间用云母垫片(或某种塑料垫片)绝缘。直流电机作电动机运行时，将直流电源接在两电刷之间而使电流通入电枢线圈。电流方向应该是这样：N极下的有效边中的电流总是一个方向，而s极下的有效边中的电流总是另一个方向。这样才能使两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。因此，当线圈的有效边从N(s)极下转到s(N)极下时，其中电流的方向必须同时改变，以使电磁力的方向不变。而这也必须通过换向器才得以实现。 直流电机电枢绕组中的电流(电枢电流I)与磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩。直流电机的电磁转矩常用下式表示TKIK与电机结构有关的常数磁通量I直流电机电枢绕组中的电流K和均为常数，所以电动机的转矩也就和电枢电流成正比。 电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机的电磁转矩T必须与机械负载转矩T2及空载损耗转矩T0相干衡。当轴上的机械负载发生变化时，则电动机的转速、电动势、电流及电磁转矩将自动进行调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。譬如，当负载增加，即阻力转矩增加时，电动机的电磁转矩便暂时小于阻力转矩，所以转速开始下降。随着转速的下降，当磁通量不变时，反电动势E必将减小，而电枢电流将增加，于是电磁转矩也随着增加。直到电磁转矩与阻力转矩达到新的平衡后，转速不再下降，而电动机以较原先低的转速稳定运行。这时的电枢电流已大干原先的，也就是说从电源输入的功率增加了。直流电动机的励磁方式分为他励、并励、串励和复励四种。图3.17 并励电动机接线图直流电动机有以下三种状态：起动、制动、反转。 当将电动机接到电源起动时，转速从零逐渐上升到稳定值。在这过程中电动机的运行特性和稳定运行时是不同的。并励电动机在稳定运行时，其电枢电流为Ia=因为电枢电阻Ra很小，所以电源电压U和反电动势E极为接近。 在电动机起动的初始瞬间，转速n0，所以EKn=0。因为并励电动机的转矩正比于电枢电流，所以它的起动转矩也太大。它会产生机械冲击，使传动机构(例如齿轮)受损坏。因此，必须限制起动电流，限制起动电流的方法就是起动时在电枢电路中串接起动电阻。这时电枢中起动电流初始值一般规定不应超过额定电流的1.52.5倍。起动时，将起动电阻放在最大值处，待起动后，随着电动机转速的上升，把它逐段切除。 如果要改变直流电动机的转动方向，必须改变电磁转矩的方向。由左手定则可知：在磁场方向固定的情况下，必须改变电枢电流的方向；如果电枢电流的方向不变，改变励磁电流的方向同样可以达到反转的目的。3.4.2继电器的选择表2 控制继电器按负荷大小的分类类别受控电路负荷大小交流容量（VA）直流功率（W）大于小于大于小于微功率继电器155小功率继电器15120550中功率继电器12050050150大功率继电器500150由于直流电机的功率20W,故选用小功率继电器即可满足要求。另外，直流电机的隔离措施采用的是上面介绍的光电耦合器，在此就不再赘述。3.4.3用继电器控制直流电机 从单片机出来的信号同样也要经过电平转换，其转换器件与原理和输入部分相同。在单片机应用系统中，要接入电动机这样的高电压和大电流设备，不能用单片机的I/O口线直接驱动。单片机系统必须具有将输出的低电压、小电流信号转换成高电压、大电流信号的装置，被称为功率接口。功率接口器主要完成：（1）提供必需的电压和电流；（2）被单片机所控制。74系列功率集成电路是单片结构的集电极开路高压输出缓冲器/驱动器。图3.18是一个直流电磁继电器采用晶体管驱动的电路图。当P0.0为低电平时，继电器吸合；P0.0为高电平时，继电器释放。采用这种控制逻辑可以使继电器在上电复位或单片机受控复位时不吸合。继电器由普通晶体管9013驱动，可以提供300mA的驱动电流，适用于继电器线圈工作电流小于300mA的使用场合。VCC的电压范围是1030V。光电耦合器使用TLP521，其电流传输比不低于50%。晶体管9013的电流放大倍数大于50。当继电器线圈工作电流为300mA时，光电耦合器需要输出大于6.8mA的电流。其中，晶体管9013基极对地的电阻分流约0.8mA。输入光电耦合器的电流必须大于13.6mA，才能保证向继电器提供300mA的电流。图中光电耦合器的输入电流由7407提供，约20mA。二极管IN4001的作用是保护晶体管9013，防止9013关断时继电器线圈产生的感应电势所造成的损坏。图3.18 输出驱动原理图继电器的种类有好多种，本设计中采用的是超小型电磁继电器当与电源回路并联的励磁线圈电压或电流达到规定值时动作，它的主要作用是电动机失压保护和制动以及反转控制等，有时也作过压保护。在这里用它来控制电动机的正反转。图3.19 超小型继电器结构示意图超小型继电器的内部结构示意图如图3.19所示。在继电器主体的塑料骨架上安装了线圈，固定了外罩，此骨架又是静触点簧片的支撑座。动簧片与薄片式弹簧连成一体。在没有激励状态下，薄片式弹簧给衔铁提供复原力，形成一对常闭点。在有激励状态下，衔铁被铁心吸引，形成一对常开点。3.5硬件系统的抗干扰措施在电平转换过程中提到的光电耦合器，是常用的一种硬件抗干扰措施，也是本设计所采取的主要硬件抗干扰措施。这是一种采用光电耦合器从电路上把干扰源和易干扰的部分隔离开来，使测控装置与现场仅保持信号联系，但不直接发生电的联系的隔离技术。隔离的实质是把引进的干扰通道切断，从而达到隔离现场干扰的目的。除上面介绍的隔离技术外，还有以下几种硬件抗干扰措施：3.5.1滤波技术 滤波是为了抑制噪声干扰，在数字电路中，当电路从一个状态转换成另一个状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。在电源变压器的进线端加入电源滤波器，消弱瞬变噪声的干扰。 滤波器按结构分为无源滤波器和有源滤波器，也可分为低通滤波器、高通滤滤器、带通滤波器、带阻滤波器。在抗干扰技术中，使用最多的是低通滤波器，其主要元件是电容和电感。 3.5.2去耦电路 数字电路信号电平转换过程中会产生很大的冲击电流，并在传输线和供用电源内阻上产生较大的压降，形成严重的干扰。 在门电路的电源线端与地线端加接电容C1和C2，称为去耦电容，可以消除大部分高频干扰3.5.3屏蔽技术与双绞线传输 屏蔽技术与双绞线传输方式都可以起到抑制外部电磁感应干扰的作用。屏蔽是指用屏蔽体通过空间进行电场、磁场或电磁场耦合的部分隔离开来，割断其空间场的耦合通道。屏蔽信号线的选取，一般的原则是：抑制静电感应干扰采用金属网的屏蔽线，抑制电磁感应干扰应该用双绞线。3.6小结本章根据设计的原理图，系统地分析了该巡线机器人的硬件结构及其电路设计，详细的说明了控制系统的组成，电机驱动电路、稳压电源、传感电路模块及其各自的硬件抗干扰措施等等。4 控制系统的软件编程 在单片机应用开发中，软件编写与调试工作量一般占整个开发工作的70%90%。它是为解决某个领域里的具体任务而编制的程序，具有明显的针对性、专业性和专用性。与硬件互相配合，协调一致的工作。硬件是基础，是软件赖于工作的基础，而软件是关键， 是关系到系统质量和功能的根本因素。控制软件用AT89S51单片机的汇编语言编写。汇编语言程序没计在整个单片机系统中占有非常重要的地位：在单片机系统应用中，汇编语言程序不仅是人机实现对话的基础，而且直接影响单片机整个控制系统的控制特性。 4.1工作流程图该机器人可实现以下几种功能：巡线功能、越障功能和沿电力线行走功能。采用12个传感器与单片机的12个管脚相连，按事先设定好的规则判断，然后转向要实现的子程序执行。根据题目或任务的要求，使用汇编语言编写源程序,进行汇编语言程序设计。一个实用程序从拟订设计的任务书到最后程序在机器上的模拟调试通过，一般要经过七个步骤。 （1）拟订设计任务书 （2）建立数学模型 （3）确定算法（4）绘制程序流程图 （5）编写汇编语言源程序（6）汇编（7）上机调试下面是机器人巡线越障过程的工作流程图：图4.1 工作流程图4.2主程序 下面为该巡线机器人遇障完成一只臂动作的部分主程序：ORG 0000HAJMP STARTORG 0050HSETB P3.7START: MOV P3,#0FFH CLR P3.4 CLR P3.5 CLR P3.6 ；驱动行走电机全启动 MOV R6,#14H LCALL DELAY ；延时1s NOP NOPLCALL LED MOV P0,#0FFHMOV P2,#0FFHJB P1.0,#LOOP2 ；LOOP2为传感器K2继续检测的循环程序LCALL LED ；检测到障碍，显示灯提示行走行走电机停止SETB P3.4 ；控制行走电机停下SETB P3.5SETB P3.6LOOP1: MOV P0,#0FEH ；小臂A2张开MOV R6,#14H LCALL DELAY ；延时1sJB P1.3,LOOP1LCALL LED ；检测到小臂到位，提示小臂动作完成L1: MOV P0,#7FH ；大臂A3动作下降 LCALL DELAY JB P3.1,L1 SETB P0.7 LCALL LED ；检测到大臂到位，提示大臂动作完成L2: CLR P3.5 CLR P3