【某轮式机器人的硬件设计分析案例5900字】

某轮式机器人的硬件设计分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u8733某轮式机器人的硬件设计分析案例 180661.1微控制器AT89S52 1144411.1.1微控制器AT89S52简介 1160981.1.2AT89S52在系统设计中的资源分配及使用情况介绍 2272961.1.3距离检测模块 5209531.2速度检测模块 794741.3A/D转换模块 8308441.4电机驱动模块 1084101.5信息显示模块 131.1微控制器AT89S521.1.1微控制器AT89S52简介本设计中选用的微控制器为ATMEL公司的AT89S52，AT89S52是一种低功耗，高性能CMOS8位微控制器，具有8KB在线可编程Flash存储器。使用高密度非易失性存储器技术制造，与传统的8051单片机产品指令和引脚完全兼容。AT89S52的引脚如图1.1所示。采用双列直插40脚封装形式。P0口：是一个8位漏极开路的双向I/O口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用总线。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用图1.1AT89S52引脚结构示意图1.1.2AT89S52在系统设计中的资源分配及使用情况介绍由于本系统没有在外部扩展程序存储器和数据存储器，因为使用红外遥控控制机器人的操作，所以也没有使用使用串行通信。因此，可供使用的口线非常多，进行系统设计时在口线的选择上就非常灵活方便。下面简单说明在本系统中P0~P3口的使用情况。如表1.2~表1.5所示。表1.2P0口口线使用情况表表1.3P1口口线使用情况表表1.4P2口口线使用情况表表1.5P3口口线使用情况表根据据设计的需要，在使用时把AT89S52的内部RAM单元分为五部分。第一部分，工作寄存器：地址为00H~1FH的32个单元，对应四组工作寄存器单元，主要用于在子程序调用时进行现场保护和恢复。第二部分，位寻址空间：仅用了字节地址为2EH的可位寻址单元，该字节的8位（位地址为70H~77H）定义为程序中的有关状态标志位，以控制程序的执行。LSJSTBbit78h;临时计数状态a,用于过路口时的延路标志LSJSTAbit77h;临时计数状态b,用于转弯时的延路标志PWMTZbit76h;PWM调整态,用于前进\后退时调整距壁SXJTbit75h;显示交替逻辑，控制时间和码盘计数脉冲的显SXZTbit74h;刷新状态逻辑，控制时间和码盘计数脉冲的显示YSZTbit73h;延时状态控制位FHCYbit72h;快速返回/快速穿越标志位MGTSbit71h;探索成功标志位第三部分，系统堆栈空间：从60H单元开始向上伸长，地址为80H及以后的单元也可作为系统堆栈使用。系统堆栈主要是用于子程序调用和其他信息的保护和恢复。第四部分，用户堆栈空间：定义在从地址为0A0H开始的内部RAM中的高128字节中。地址为80H以上的RAM单元的地址空间与特殊功能寄存器（SFR）的地址空间是重叠的，此时，若访问地址为80H以上的RAM单元，只能使用寄存器间接寻址（堆栈操作也属寄存器间接寻址），而访问SFR只能使用直接寻址。第五部分，数据存储区：该区域主要分布在地址为30H~5FH的RAM空间，主要用于存储程序运行过程有关的数据。1.1.3距离检测模块本文所设计的轮式机器码人主要用于迷宫路径的搜索，在探索迷宫的过程中，机器人要不断地检测车体与迷宫墙体之间的距离，以确定机器人在迷宫中的运动方式（前进、后退、左转或右转），从而避免车体与迷宫墙体之间的碰撞，相当于机器人的眼睛。由于迷宫的空间一般都不大，机器人与迷宫之间的距离也就比较小，对于这种近距离的检测，通常采用反射式红外线传感器进行检测。其工作原理如图1.7所示。反射式红外传感器处于工作状态时，不停的以大约30°的散角向外发射红外信号，当红外接收管处于反射区内，便能接收到障碍物（反射面）反射回来的红外信号，即认为此时有障碍，这种设计方法多用于前方障碍检测。检测范围：不同颜色对红外信号的反射能力不同，导致传感器对不同颜色的障碍物检测范围不同，如表1.6所示。图1.7反射式红外传感器工作原理示意图表1.6不同颜色的障碍对应的物检测范围在本文所设计的轮式机器人中，使用了四个反射式红外传感器，分别用于检测机器人与其前、后、左、右四个方向的迷宫墙体之间的距离。下面以前方红外检测电路为例加以分析，如图1.8所示。在机器在迷宫中运行时，由于运行速度较慢（一般约每秒20~30cm），所以不需要连续进行距离检测，而是每隔一定时间检测一次。当机器人需要进行距离检测时，通过AT89S52的P0.0输出一高电平使三极管Q41导通，于是反射式传感器的发射管发出红外信号，根据前方障碍物的远近，反射式传感器的接收将收到不同强度的红外信号，在接收管的输出端产生不同大小的电流，从而在电阻R413上产生一定的电压信号，该电压经过运算放器LM324进行阻抗变换，然后送住A/D转换器TLC1543转换为数字信号，该数字信号送到AT89S52后便作为判断相应方向障碍物的远近或有无的依据。其中的电容C411的作用为滤除交流干扰信号，电阻R411和R422为限流电阻。图1.8反射式红外传感器测距电路1.2速度检测模块为了保证机器人在迷宫中“行走”时尽可能地“走直线”（当然，不可能让机器人绝对走直线的），设计中采用了速度检测机制，定时检查左右轮的转速是否一致，若不一致，便要通过脉宽调制（PWM）技术对两电机的速度进行调节，使两电机的速度尽可能一致。另外，由于迷宫是一些大小差不多的方格，在转弯时要么是转90度，那么是转180度，如果转弯的角度不够或超过了，就会影响到转弯后的“行走”方向。为了使机器人的转弯角度可控，也需要对其左右轮胎的转速进行检测和控制。为了有效地对机器人的行驶速度进行检测，在选择车轮时便选择了带有码盘的车轮，这种车轮的轮毂内沿上均匀地分布有50个方齿，在适当位置安装一对射式红外传感器。带码盘的车轮如图1.9所示。图1.10为码盘采样电路。图1.9带码盘的车轮图1.10码盘检测电路为了使在转弯时尽可能转90度或180度，可事先根据车体的转弯半径计算出转90度（180度）时所需的脉冲数，在转变前根据要转的角度设置好相应的脉冲数，当达到指定的脉冲数时便可认为已经转过了相应的度数。转弯时，可以是一车轮停止，另一车轮转动，此时的转弯半径为两车轮之间的距离。也可两车轮均转动，此的两车轮之间的距离为转弯直径。1.3A/D转换模块在选择A/D转换芯片时，以节约AT89S52口线资源，选择了TEXASINSTRUMENT公司的TLC1543开关电容结构的逐次逼近式A/D转换器TLC1543片内提供转换时钟，分辨率为10位，总不可调最大误差为±1LSB，可采集11路模拟输入电压以及3路内部自测试电压，通过对该芯片内部数据输入寄存器的编程，控制片内多路开关，选通模拟输入电压并采样与保持。在本芯片工作温度(-40℃~+125℃)范围内，A/D转换时间≤21μs，还具有单一+5V电源工作的优点。输出的二进制数在I/OCLOCK脉冲的作用下,以最高有效位(MSB)前导的方式串行输出。图1.11TLC1543引脚图TLC1543的引脚封装如图1.11所示。A0~A10：11个模拟电压输入端。推荐值：0V~5V，驱动源内阻应该≤1kΩ；ADDRESS：串行数据输入端。以最高有效位为前导，在前4个I/OCLOCK的上升沿，通过ADDRESS串行输入4位二进制数，作为模拟通道的选择地址；DATAOUT：用于串行输出A/D转换的数据。三态输出，在/CS为高电平时呈现高阻状态，反之，可以输出数据；/CS：片选端。/CS的下降沿复位内部计数器，并控制和使用DATAOUT、ADDRESS和I/OCLOCK。/CS的上升沿将禁止ADDRESS和I/OCLOCK；EOC：转换结束端。在第10个I/OCLOCK的下降沿之后，EOC变为低电平，启动一次A/D转换；I/OCLOCK：输入/输出时钟端。由微处理器向TLC1543输入的时钟脉冲，此输入脉冲实现对TLC1543的写/读操作，故称为I/OCLOCK，最高工作频率2.1MHz；REF-：负基准电压，通常接地；REF+：正基准电压，通常接VCC；VCC：正电源电压，+5V。本系统中的A/D转换电路如图1.12所示。其中，前、左、右、后分别是来自机器人四个方向的距离传感器输出的电压信号，底盘为安装在车体底部的黑带检测电压信号，黑带检测用于判断机器人是否已经到达迷宫出口。图1.12A/D转换电路1.4电机驱动模块本文所研究的轮式机器人的两个驱动电机采用的是YFF-N20PA-10160仪表电机，其最大效率电流为0.181A，最大效率力矩为3.6g.cm，堵转电流为0.747A，堵转转矩为8.2g.cm，电压范围为2.0~5V，额定电压为4.5V,最大效率转速可达13438转/分。表1.13为在脉冲频率为125Hz情况下，不同PWM值所对应的机器人行驶的距离和速度。其中，PWM值250为100%；因为两电机的转速不同，为了保证左右电机的转速基本一致，所以左右两电机的PWM值不同。表1.13不同PWM值所对应的行驶的距离和速度（脉冲频率125Hz）为了简单可靠地控制电机的转停和方向，在小型机器人中，H桥电机驱动器是比较理想的选择。图1.14所示为一个典型H桥驱动电路示意图，如图1.15所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。此时将驱动电机顺时针转动。当另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动。图1.14H桥驱动电路示意图图1.15具有使能控制和方向逻辑的H桥驱动电路示意图在设计中选用了已封装好的H桥集成电路L293D。如图1.16为L293D的引脚图，L293D是16引脚塑料封装，中间的4个引脚是短路的（为了散热）。最高工作电压为36V，最低工作电压为7V。L293D能同时控制两路电机，电机接到L293D的缓冲器输出端（3、6、11、14脚）,用引脚2、7、10、15来控制缓冲器的输出。引脚1、9为使能控制。也可通过输入PWM脉冲信号经过L293D来控制电机的转速。图1.17为L293D的功能结构图。图1.16L293D引脚图图1.17L293D功能结构图图1.18L293D电机驱动电路图本设计中的电机驱动电路如图1.18所示。A89S52的P3.5和P1.7为L293D的PWM脉冲输入端，P2.0和P2.1控制电机的转动方向，当P2.0和P2.1均为低电平时，两电机正转；当P2.0和P2.1均为高电平时，两电机反转；当P2.0为高电平，P2.1低电平时，左电机反转，右电机正转；当P2.0为低电平，P2.1高电平时，左电机正转，右电机反转。1.5信息显示模块为了及时了解机器人运行过程中的有关状态和信息，显示功能必不可少。系统设计中采用6位LED数码管来显示系统运行时间、前后左右反射式传感器距离信息（A/D转换后的电压值）和左右码盘的脉冲数等信息。为了节约AT89S52的口线资源，本设计没有采用传统的LED数码管驱动电路，而是选用了MAXIM公司生产的串行输入/输出共阴极数码管显示驱动芯片MAX7219，这样可大大节约AT89S52的口线资源。一片MAX7219可驱动8个7段（包括小数点共8段）数字LED、LED条线图形显示器、或64个分立的LED发光二级管。该芯片具有10MHz传输率的三线串行接口可与任何微处理器相连，只需一个外接电阻即可设置所有LED的段电流。它的操作很简单，AT89S52只需通过模拟SPI三线接口就可以将相关的指令写入MAX7219的内部指