电路控制部分

1、一、基本元器件1、单片机的选择对于机器人来说，单片机是相当于机器人的大脑，起着控制和调节的重要作用，是实现程序与部件之间的重要的系统，其功能相当于PC电脑上的CPU的功能，因此对于单片机的选择与控制是一个至关重要的部分，直接影响着整个机器人系统的运行。从功能上来看，单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。通过上网查阅资料和咨询知，现在市场上目前

2、主要流行的单片机种类有51单片机和AVR单片机。其中51单片机是传统的单片机类型，开发的较早，是基础的类型，功能一般，价格很便宜，一般5元左右即可，但一些特定的功能需要通过扩展来实现，会增加软硬件的负担，而且运算的速度上来说相对较慢。AVR单片机是目前上来说功能比较齐全的，其中以ATMEL公司开发的较为成熟，功能齐全，与其他的零件之间的兼容性也较好，价格便宜且性价比很高。经过我们的再三考虑和借鉴以往的经验我们决定选用ATmega16类型的单片机进行控制，其主要优点是高性能、低功耗，且开发工具很齐全，可以通过CVAVR、ICC、GCC、IAR来进行实际开发,这一点对于我们实际编程的时候是有很大好

3、处的。而且其功能寄存器较多，有利于实现多种功能的应用。下图是ATmega16的引脚图：ATmega16单片机引脚现说明其具体一些引脚的连接作用：VCC：接数字电路的电源GND：接地端口A(PA7-PA0)： 端口A作为A/D 转换器的模拟输入端。端口A 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A 处于高阻状态。端口B(PB7-PB0)、端口C(PC7-PC0)和端口D(PD7-PD0)：端口B、C和D 为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出

4、和吸收大电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B，C，D 处于高阻状态。RESET：复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。XTAL1：反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2：反向振荡放大器的输出端。AVCC：AVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC 连接。AREF A/D 的模拟基准输入引脚。其具体的实物图如下：ATmega16单片机实物图ATmega16单片机共有32个标准IO口，大体上分配：留出22路多级控制线；JTAG口占用4个IO口；UART串行通信占用2个IO

5、口，为了方于方便扩展和通信，然后从PB中引出ISP接口，用于下载程序。2. CPLD在机器人控制系统中需要控制多个舵机和行程开关还要进行传感器的接收处理等功能如果所有的任务都由ATmega16型单片机来完成，CPU的负担会过重从而导致处理的速度过慢，因此扩展1个CPLD型号为EPM7128。CPLD是基于PLD基础上，可以根据我们自己的需要而构造的逻辑功能数字集电路，其编程灵活、集成度高适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对硬件经验要求低、标准产品无需测试且价格较低，可实现较大规模的电路设计，很适合于我们对电路的扩展功能的设计。它属于MAX7000系列器件，包括2个通用1/0口2个专用I

6、O口，专用IO口可作为每个宏单元和输入输出引脚的高速控制信号(时钟、清除和输出使能等)，电动机的。PWM信号也由其产生。以下是电路结构图：其实物图如下：3.舵机舵机是机器人上的动力部分，直接控制着机器人的运动，主要是由外壳、电路板、马达、减速齿轮和电位器构成。舵机主要适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统,比如在我们机器人的手臂和腿,控制腿和手臂的转动都需要通过舵机来操控，舵机的基本工作原理是发一个控制信号给舵机,经电路板判断转动方向,再驱动马达开始转动,透过减速齿轮将动力传至摆臂,同时由电位器检测送回讯号,判断是否已经到达指定位置。下图是舵机的实物图：我们根据机器人的实际需要，选择以

7、下两种型号的舵机：舵机型号扭矩（kg/cm)重量（g)尺寸（mm*mm*mm)安放关节TOWERPRO 9805MG25160髋关节、膝关节、肘部TOWERPRO MG9951350肩部、腕部、踝关节4.陀螺仪传感器由于我们设计的是骑自行车的机器人，对于自行车平衡的控制是至关重要的，我们采用的是在自行车上加上陀螺传感器来感知自行车左右方向上偏离的角度，从而来调节机器人的平衡。陀螺仪传感器可以用于检测目标相对于某一轴转动的角速度，利用它可以测量运动物体的姿态和转动角速度，以提供运动物体的方位或者水平基准。陀螺仪主要可以分为机械 陀螺仪和电子陀螺仪，其中由于机械陀螺仪的价格较高，是我们所不能承受的

8、，因此我们采用的是电子陀螺仪。下图是ADI公司生产的ADXRS40型号的陀螺仪的结构图：该陀螺仪具有3个输出信号，分别为角速度信号输出RATEOUT(1B)、温度电压输出TEMP(3G)以及+25 V精密基准电压源(1E)，可以用来表示角速度的采样值、电压式温度传感器输出值以及+25 V的基准电压。采集到这3个输出模拟信号，就可以通过AD转换实现得到角速度值。陀螺仪传感器的实物图如下所示：6、步进电机：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号，电机就按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，故可以通过控制脉冲个数来控制角位移量从

9、而实现精准定位。由于我们机器人中的陀螺仪传感器需要在步进电机上的转动的圆盘上才能正常工作，因此我们需要步进电机来提供陀螺仪传感器的环境条件。人在骑自行车过程中，我们利用四相步进电机驱动陀螺仪来进行偏移角度的测量，能够使结果更加精确。步进电机的实物图如下所示：6、电容、电阻、二极管等基础元器件：可以根据具体的实验电路的需要进行选择即可。二、控制系统整个机器人的控制的控制结构可如下结构图所示：机器人运行参数存储器单片机ATmegal16舵机的驱动CPLDEPM7128陀螺仪传感器的监控对自行车平衡实时控制1.单片机对舵机的控制舵机作为机器人中运动的主要部分灵件，适用于那些需要角度不断变化并可以保持

10、的控制系统，这在我们所要制作的骑自行车的机器人当中是一个很重要的环节，很多动作都需要其来完成，其控制直接由CPU即单片机所控制，且其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与单片机接合，从而利于单片机对其的控制功能。一般舵机都有三根输入线，电源正极、地线和信号线，单片机发出的PWM信号由信号线的方波信号，方波的占空比决定舵机转的角度，转角范围通常是0到180度。将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。舵机的控制信号在实践中，我们可以根据单片机来进行

11、对舵机所需要的PWM信号进行控制，其主要任务是要产生基本的PWM周期信号，再调整其脉宽，调整占空比，从而对舵机所转动的角度进行调节。例如想让舵机转向左极限的角度，它的正脉冲为2ms，则负脉冲为20ms-2ms=18ms，所以开始时在控制口发出高电平，然后设置定时器在2ms后发生中断，中断发生后，在中断程序里将控制口改为低电平，并将中断时间改为18ms，再过18ms进入下一次定时中断，再将控制口改为高电平，并将定时器初值改为2ms，等待下次中断到来，如此往复实现PWM信号输出到舵机。用修改定时器中断初值的方法巧妙形成了脉冲信号，调整时间段的宽度便可使伺服机灵活运动。下图是产生PWM信号的流程 P

12、WM信号产生流程在我们所设计的机器人中，需要控制几个舵机的准确转动，可以根据单片机和计数器来进行脉冲计数产生PWM信号。其电路连接图如下所示：ATmega16对舵机的控制电路对角度的测量与反馈测量角度的具体方法是把陀螺仪固定在由步进电机驱动的圆盘上， 由圆盘带动陀螺仪转动，陀螺仪的输出电压由F-5101数据采集控制器进行AD 转换。F-5l0l的输入电压范围为5V5V，AD转换位数为l2位，转换速度为25s。通过与主机相连，得到AD转换的数据，读取陀螺仪的输出电压值，换算成角速度并进行积分，最终显示结果这一步骤通过Visual Basic程序来实现。其整个系统流程图如下： 通过由反馈来的信号传

13、送到单片机中，可以通过单片机来实时控制步进电机的转动，从而对自行车的左右平衡进行微小的调控，以保证其能够在竖直方向上基本上保持稳定的平衡。 在设计中可以通过编程来设定竖直方向的一个较小的角度，当检测到自行车竖直偏离到了这个角度后，即用步进电机给一个反方向的作用力转动，以维持基本上的稳定即可。此过程具体的数据需要在实际工作中根据各个具体的参数进行设定和不断反复的调试以达到最后的效果。电路部分1. 晶振电路结构框图如下：电路图如图所示：晶振电路主要可以用来产生时钟频率，在单片机中作用很大，可以结合单片机内部电路产生单片机中所需的时钟频率，单片机晶振电路提供的时钟频率越高，单片机运行的速度也就越快，

14、但是相应的功耗和噪声也会增加，所以在满足系统的功能的基础之上，应该采用一些较低的晶振频率，由于我们的机器人单片机是要和PC电脑进行通信的，所以选择11.0592MHZ的晶振，利于将波特频率设定为标准值，方便和精确的设计串口和其它异步通讯时的波特率。2. 复位电路电路图如下： 按键与上电复位电路上图是按键与上电复位电路，当电路电源由关闭状态回到加电状态和在通电过程中，按下复位按钮，该电路均会回到初始状态，采用D1(1N4148)作用一是将复位输入的最高电压钳在Vcc+0.5V 左右，另一作用是系统断电时，将R0(10K)电阻短路，让C0快速放电，让下一次来电时，能产生有效的复位。该复位电路在整个

15、机器人中运用都很广，一些器件如单片机，舵机的初始状态即可由此电路来复位，在工作的情况下也可以通过按键来回到原始状态。对于不需要按键复位的电路可以将按键的支路去掉即可。在电路中加了放电二极管，可以有效的提高在断电后短时间内再次加电复位的可靠性，消除干扰、杂波。3. 关节电机的驱动这是典型的H桥电路，当A=1，B=0时电机正转；当A=0，B=1时电路反转；当A=0，B=0时电机停止。D1D4为保护二极管（IN4007），防止三极管关断时电机产生的反向感应电压对三极管的危害。 这个电路图是为了实现驱动电机旋转，可以向两个方向旋转，但只是在同一平面内旋转，因而只能算实现了一个自由度。4、主控板电源稳压

16、滤波电路由于AVRMega16L单片机可以在的电压下工作，并且为了减小电机驱动电路对单片机的电源干扰，并提高电源的稳定性，这里采用了TL431精密电压电路。如下图3，VCC是电池电压（电机驱动使用的电源），为了防止电机启动时引起的电压下降使单片机复位，加入了二极管D1，同时串入L2，并使用了22000uF的电解电容，使电源具有良好的稳定性：在工作当中，由于像单片机等元器件需要电源较稳定才能在最佳的工作状态工作，因此这个电路主要是实现电源的稳定性，在电路中有较好的作用，在机器操作中稳定电压是必不可少的一部分，得利于更精确的控制。5、A/D转换器滤波电路由于我们的机器人在接收信号的过程中，往往接收的是由传感器等传回的模拟信号，而要处理这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成为数字信号，经过机器人单片机的处理分析后，再将这些数字信号相应的转换为模拟信号才能够使执行的机构所接受正常