舞蹈机器人步进电机驱动电路和程序设计

1、舞蹈机器人步进电机驱动电路和程序设计摘 要：介绍了舞蹈机器人步进电机驱动电路和程序设计。电路采用74373锁存,74LS244和ULN2003作电压和电流驱动,单片机AT89C52作工作脉冲序列信号发生器。程序设计基于中断服务和总线分时复用方式,实时更新各个电机的速度和方向。关键词：单片机,中断服务,速度累加计数器,归一化速度 在机器人舞蹈时,我们用一个单片机控制多个步进电机指挥跳舞机器人的双肩、双肘和双脚伴着音乐做出各种协调舒缓充满感情的动作。电路采用74373锁存,74LS244和ULN2003作电压和电流驱动,单片机（Atc52）作脉冲序列信号发生器。程序设计基于中断服务和总线分时利用方

2、式,实时更新各个电机的速度、方向。整个舞蹈由运动数据所决定的一截截动作无缝连接而成。1 步进电机简介 步进电机根据内部线圈个数不同分为二相制、三相制、四相制等。本文以四相制为例介绍其内部结构。图1为四相五线制步进电机内部结构示意图。2 四相五线制步进电机的驱动电路 电路主要由单片机工作外围电路、信号锁存和放大电路组成。我们利用了单片机的I/O端口,通过74373锁存,由74LS244驱动,ULN2003对信号进行放大。8个电机共用4bit I/O端口作为数据总线,向电机传送步进脉冲。每个电机分配1bit的I/O端口用作74373锁存信号,锁存步进电机四相脉冲,经ULN2003放大到12V驱动电

3、机运转。 电路原理图（部分）如图2所示。（1）Intel 8051系列单片机是一种8位的嵌入式控制器,可寻址64K字节,共有32个可编程双向I/O口,分别称为P0P3。该系列单片机上集成8K的ROM,128字节RAM可供使用。（2）74LS244为三态控制芯片,目的是使单片机足以驱动ULN2003。ULN2003是常用的达林顿管阵列,工作电压是12V,可以提供足够的电流以驱动步进电机。关于这些芯片的详细介绍可参见它们各自的数据手册。（3）74373是电平控制锁存器,它可使多个步进电机共用一组数据总线。我们用P1.0P1.7作为8个电机的锁存信号输出端,见表1。 这是一种基于总线分时复用的方式,

4、以动态扫描的方式来发送控制信号,这和高级操作系统里的多任务进程调度的思想一致。这种方法明显的好处是节省I/O口,使系统可以控制更多的步进电机。本电路设计为控制8个。 3 程序设计 传统的步进电机驱动程序利用简单的条件循环来发送脉冲序列,但当电机数目发生变化时,编程繁杂,冗余代码较多,难以做到信号占空比一致,进而产生“抖动”现象。下面提出一种基于中断服务方式,面向舞蹈动作,可实时改变各个电机速度和方向（每200ms可改变一次）的程序设计方法。 31 速度归一化和线性关系 我们将速度量化成一个-128127内可变的数,正号代表正转,负号代表返转,称之归一化速度（-128127为一个字节）。给每个电

5、机分配一个速度累加计数器speed_tickersi(I=0,1,2,7分别代表8个电机),初始值为0,每个中断触发周期内给该累加计数器加上从舞步信息数组dancedata中读取的速度值speedsi,当计数器值大于或等于预设的阈值MAX_SPEED_TICKER=600时,则发送脉冲序列中的下一个（正转）或上一个（反转）给步进电机,这取决于速度的符号（参考3.2节）。同时,将该电机的累加计数器speed_tickersi恢复为0。给出的速度值speedi越大,则累加达到或超过阈值MAX_SPEED_TICKER的时间就越短,那么向步进电机发送脉冲的频率就越高,速度也就越快。 归一化速度值设为

6、num（-128127）,电机实际旋转速度设为V,那么V和num之间满足关系式： （1）当num是阈值600的约数时, 其中,x代表不超过x的最大整数。 （3）V0是一个速度常数,即当归一化速度值num=120的时候对应的电机实际速度。 （4）num和速度V近似线性关系,Vnum。正是因为有了这种函数关系,我们在舞蹈动作控制中,可以轻松实现速度在大范围内变化。 32 速度正负实现方式 （1）在程序中,数组steps8用于存放步进电机的脉冲序列。 （2）设置指针cur_step8指向8个电机当前处在脉冲序列step8中的位置。 易知：0=stepi=7,其中,i分别代表8个电机。（3）设置指针移

7、动变量delta=0。delta=1,指针向后移动一步,电机正转;delta=-1,指针向前移动一步,电机反转;delta=0,指针不移动,电机不发生转动。 33 程序具体步骤 331初始化计时器InitTimer,然后空循环,进入等中断阶段。 332 中断触发后,程序进入服务程序。 （1）执行函数SetAllSpeeds,函数根据提供的速度值speedi依次判断是否给各个电机发送脉冲,实现电机以特定的速度和方向旋转。SetAllSpeeds具体算法流程见图3。 （2）从定义的数组dancedata中读取新的速度信息,每200ms一次。 （3）将系统在调用中断处理函数时关闭的计时器重新打开In

8、itTimer。 （4）中断处理函数结束返回。 注意：第一,（1）和（2）不可交换,这是为了保证步进电机每步延时的均匀性;第二,内部中断间隔时间1ms内,8051是否能够将中断服务程序中所有的代码执行完全？答案是肯定的。参考图4,我们对整个中断服务程序进行了统计,它所要执行的指令数在200300之间变化,时钟间隔设置为1ms,选用12MHz晶振,执行这些指令需要耗时约500600s1ms,因此,中断处理完全可以在一个计时器周期内执行完毕。 34 舞蹈编排 在舞蹈编排中,我们面向的是动作,因此,必须关心三要素：快慢、方向和幅度。在程序中,舞步信息数组格式如下： 每组数据含有8个字节,分别代表8个

9、电机的归一化速度num,这点在3.1节中已经做了详细分析。程序每200ms读一次数据,换句话说,每组数据的有效期只有200ms。我们分析表2一组数据代表的含义。 （1）组数为25,这隐含了动作的时间信息。因为每组数据的有效期为200ms,所以,25组数据的执行时间为：200ms25=5000ms （2）左脚和右脚（轮式）的归一化速度相等,方向相反。根据公式（1）可以知道 V=0.5V0 所以,机器人以0.5V0的速度原地转圈5000ms。 （3）其它关节的归一化速度num=0,说明其它关节均无动作。 35 可视化辅助程序简介 我们发现一个简单的动作竞需要5组数据,5分钟的舞蹈需要组数据（需占用

10、1.5K存储空间,AT89C52足够）。如果人工填写这些数据,将十分困难。因此在实际的运用中,我们用C+Builder编写了机器人模拟程序,采用图形界面,预一化速度和时间信息,写入data.h,只要将其作为头文件,电机驱动程序将自动读取。 4 电路和程序特点总结 （1）一块单片机控制多个步进电机,总线分时复用。 （2）程序基于中断服务,电机工作稳定可靠。 （3）提出归一化速度,实现了速度V大范围可变。 （4）数据更新每200ms一次,可以轻松控制各个电机实时加速、减速、爆发,从而使舞蹈更人性化、感情化。这也正是我们允许数据量大的原因。 （5）辅助程序实现编程可视化。 文末是中国科大首届机器人舞

11、蹈比赛中用到的程序实例。 参考文献 1 顾天柱,陈巳康.C51交叉编译系统.上海：复旦大学出版社,1990,8 2 胡汉才.单片机原理及系统设计.北京：清华大学出版社,2002跳舞机器人的实现源程序一个典型的A型电机的加速过程amotor.asm程序清单：；该程序用来驱动A型电机左右各转120度DRIVE:MOV81H,#40H;避免堆栈指针的影响，81H为SP的物理地址ACALL INIT;调用初始化子程序MOV DPTR,#004FH;DPTR指向数据表MOV R0,05H;开始为向右转，05H为R5的物理地址TURN:CLRAMOVCA,A+DPTR;取脉冲数MOV R3,A;R3存每阶

12、段的脉冲数STEP:MOV A,#0FHMOVC A,A+DPTR;取该阶段的延时数MOV R4,A;延时数存R4中CJNER0,#00H,NEXT;状态字指针R0到尽头MOV R0,05H;指针复位NEXT:MOV 80H,R0;输出脉冲，89H为P2口的物理地址MOV 90H,R0MOV 0A0H,R0MOV 0B0H,R0INC R0;指针下移ACALL DELAY;延时DJNZ R3,STEP;该阶段循环INC DPTRDJNZ R2,TURN;执行下一阶段DEC R6MOV A,R6JZ STOP;总步数结束MOV R7,#40REST:MOV R4,#0FFH;正转120度，休息A

13、CALL DELAYDJNZ R7,RESTMOV R2,#0FH;加速阶段数复位MOV DPTR,#004FH;DPTR复位CJNE R5,#20H,RIGHT;R5存正反状态字LEFT:MOV R5,#25HMOV R0,05HSJMP TURNRIGHT:MOV R5,#20HMOV R0,05HSJMP TURNSTOP:SJMP STOP;停机;ORG 004FHPULETAB:DB 9,10,11,12,14,15,16,17DB 18,19,108,108,108,108,108TIMETAB:DB 55,50,45,42,36,33,31,29DB 27,26,24,24,24

14、,24,24DELAY1:MOV 08H,#34;DELAY1为延时0.1MS的标准子程序LOOP1:NOPDJNZ 08H,LOOP1RETDELAY:ACALL DELAY1DJNZ R4,DELAYRETINIT:MOV 20H,#33H;INIT为初始化子程序MOV 21H,#66HMOV 22H,#0CCHMOV 23H,#99HMOV 24H,#00H;20H24H存右转状态字MOV 25H,#33HMOV 26H,#99HMOV 27H,#0CCHMOV 28H,#66HMOV 29H,#00H;25H29H存左转状态字MOV R5,#20H;R5暂存状态地址MOV R6,#14H;前进10大步MOV R2,#0FH;阶段数RETEND以上就是一个典型的电机加速驱动过程，其主要的思想是：通过有规律的变化的延时程序来控制送往步进电机的脉冲的快慢，从而使电机得到逐渐加快的脉冲激励，稳定的实现加速过程，而不会出现因为脉冲的陡然加快而抖动的现象。完整的机器人舞蹈动作程序比这段程序复杂的多，要牵涉到多个电机的协调动作以及舞动动作的配合与连贯，其中主要的是DRIVE子程序，限于篇幅，在此不能一一列出，完整的驱动程序可与笔者联系。（email:yytao008.student）1张建民.机电一体化系统设计.北京:北京理工大学出版社,1996:108