基于單片機(jī)的避障廣告機(jī)器人的設(shè)計(jì)

1、第一章 機(jī)器人概述及設(shè)計(jì)方案1.1 機(jī)器人的命名和分類(lèi)1920年捷克斯洛伐克作家雷爾.卡佩克發(fā)表了科幻劇羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人。在劇本中，卡佩克把捷克語(yǔ)“Robota”寫(xiě)成了“Robot”,“Robota”是農(nóng)奴的意思。該劇預(yù)告了機(jī)器人的發(fā)展對(duì)人類(lèi)社會(huì)的悲劇性影響，引起了大家的廣泛關(guān)注，被當(dāng)成了機(jī)器人的起源。羅薩姆公司把機(jī)器人作為人類(lèi)生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品推向市場(chǎng)，讓它去充當(dāng)勞動(dòng)力。機(jī)器人按照其主人的命令默默地工作，沒(méi)有感覺(jué)和感情，以呆板的方式從事繁重的不公平的勞動(dòng)。后來(lái)，羅薩姆公司取得了成功，使機(jī)器人具有了感情，導(dǎo)致機(jī)器人的應(yīng)用部門(mén)迅速增加。在工廠和家務(wù)勞動(dòng)中，機(jī)器人成了必不可少的成員。機(jī)器人發(fā)覺(jué)人類(lèi)十

2、分的自私和不公正，終于造反了，開(kāi)始屠殺人類(lèi)。因?yàn)闄C(jī)器人的體能和智能都非常優(yōu)異，因此消滅了幸存者，但沒(méi)有結(jié)果。最后，一對(duì)感知能力優(yōu)于其他機(jī)器人的男女機(jī)器人相愛(ài)了。這時(shí)機(jī)器人進(jìn)化為人類(lèi)，世界又起死回生了1。幾千年前人類(lèi)就渴望制造一種像人一樣的機(jī)器，以便將人類(lèi)從繁重的勞動(dòng)中解脫出來(lái)。如古希臘詩(shī)人Homeros的長(zhǎng)篇敘事詩(shī)伊利亞特中的冶煉之神瘸腿海倍斯特司，就用黃金鑄造出一個(gè)美麗聰穎的侍女；猶太傳說(shuō)中的泥土巨人等等，從這些美麗的神話可以知道早在兩千年前人類(lèi)就開(kāi)始出現(xiàn)了自動(dòng)木人和一些簡(jiǎn)單的機(jī)械偶人。到了近代，機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人問(wèn)世之后，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域

3、，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進(jìn)入尋常百姓家。機(jī)器人的種類(lèi)之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。從機(jī)器人的用途來(lái)分，可以分為兩大類(lèi)：軍用機(jī)器人和民用機(jī)器人2。1.2 我國(guó)對(duì)機(jī)器人的定義一、該定義強(qiáng)調(diào)了機(jī)器人應(yīng)當(dāng)仿人的含義，即它靠手進(jìn)行作業(yè)，靠腳實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，由腦來(lái)完成統(tǒng)一指揮的作用。非接觸傳感器和接觸傳感器相當(dāng)于人的五官，使機(jī)器人能夠識(shí)別外界環(huán)境，而平衡覺(jué)和固有覺(jué)則是機(jī)器人感知本身狀態(tài)所不可缺少的傳感器。這里描述的不是工業(yè)機(jī)器人而是自主機(jī)器人。二、機(jī)器人的定義是多種多樣的，其原因是它具有一定的模糊性。動(dòng)物一般具有上述這些要素，所以在把機(jī)器人理解為仿人機(jī)器的同時(shí)，也可以廣

4、義地把機(jī)器人理解為仿動(dòng)物的機(jī)器。三、1988年法國(guó)的埃斯皮奧將機(jī)器人定義為：“機(jī)器人學(xué)是指設(shè)計(jì)能根據(jù)傳感器信息實(shí)現(xiàn)預(yù)先規(guī)劃好的作業(yè)系統(tǒng)，并以此系統(tǒng)的使用方法作為研究對(duì)象”。1987年國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了定義：“工業(yè)機(jī)器人是一種具有自動(dòng)控制的操作和移動(dòng)功能，能完成各種作業(yè)的可編程操作機(jī)?！彼摹⑽覈?guó)科學(xué)家對(duì)機(jī)器人的定義是：“機(jī)器人是一種自動(dòng)化的機(jī)器，所不同的是這種機(jī)器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動(dòng)作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動(dòng)化機(jī)器”。在研究和開(kāi)發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人的過(guò)程中，人們逐步認(rèn)識(shí)到機(jī)器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動(dòng)和交互技術(shù)

5、的結(jié)合。隨著人們對(duì)機(jī)器人技術(shù)智能化本質(zhì)認(rèn)識(shí)的加深，機(jī)器人技術(shù)開(kāi)始源源不斷地向人類(lèi)活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域滲透。結(jié)合這些領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)，人們發(fā)展了各式各樣的具有感知、決策、行動(dòng)和交互能力的特種機(jī)器人和各種智能機(jī)器，如移動(dòng)機(jī)器人、微機(jī)器人、水下機(jī)器人、醫(yī)療機(jī)器人、軍用機(jī)器人、空中空間機(jī)器人、娛樂(lè)機(jī)器人等。對(duì)不同任務(wù)和特殊環(huán)境的適應(yīng)性，也是機(jī)器人與一般自動(dòng)化裝備的重要區(qū)別。這些機(jī)器人從外觀上已遠(yuǎn)遠(yuǎn)脫離了最初仿人型機(jī)器人和工業(yè)機(jī)器人所具有的形狀，更加符合各種不同應(yīng)用領(lǐng)域的特殊要求，其功能和智能程度也大大增強(qiáng)，從而為機(jī)器人技術(shù)開(kāi)辟出更加廣闊的發(fā)展空間。 中國(guó)工程院院長(zhǎng)宋健指出：“機(jī)器人學(xué)的進(jìn)步和應(yīng)用是20世紀(jì)自動(dòng)

6、控制最有說(shuō)服力的成就，是最高意義上的自動(dòng)化”。機(jī)器人技術(shù)綜合了多學(xué)科的發(fā)展成果，代表了高技術(shù)的發(fā)展前沿，它在人類(lèi)生活應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大引起國(guó)際上重新認(rèn)識(shí)機(jī)器人技術(shù)的作用和影響3。1.3 機(jī)器人的定位近年來(lái)，在機(jī)器人學(xué)的研究領(lǐng)域里有這樣一種趨勢(shì)，就是人們?cè)噲D從自然界里探尋機(jī)器人設(shè)計(jì)的一些復(fù)雜問(wèn)題的解決途徑。所以，環(huán)境的定位對(duì)機(jī)器人很有必要，一個(gè)有使用價(jià)值的機(jī)器人要在怎樣的環(huán)境下工作，這是有規(guī)定的，說(shuō)可以適用于多環(huán)境的多功能的機(jī)器人是不切實(shí)際的，根本無(wú)法制作4。對(duì)機(jī)器人的工作環(huán)境的定位主要有兩大類(lèi)，室內(nèi)環(huán)境和室外環(huán)境，而考慮到畢業(yè)設(shè)計(jì)的情況，我們把這個(gè)避障廣告機(jī)器人的制作定為室內(nèi)環(huán)境，而室內(nèi)環(huán)境主

7、要也可分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是可控環(huán)境；另一類(lèi)是不可控環(huán)境，下面分別介紹。可控環(huán)境：如迷宮一樣的路徑，室內(nèi)的鈴聲，場(chǎng)地上的障礙等。這樣的環(huán)境因素對(duì)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)的影響是固定的，無(wú)突發(fā)性。此類(lèi)機(jī)器人可能是執(zhí)行特定任務(wù)的機(jī)器人，其驅(qū)動(dòng)裝置相對(duì)要簡(jiǎn)單的多，通常只要兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)若干個(gè)車(chē)輪就夠了。不可控環(huán)境：設(shè)計(jì)一個(gè)不可控環(huán)境或在一個(gè)一定程度上不受限制的室內(nèi)漫游的機(jī)器人時(shí)，所考慮的因素就大大多于可控環(huán)境下的情況。機(jī)器人需要應(yīng)付很多復(fù)雜的，甚至是突發(fā)的情況，要求機(jī)器人能夠識(shí)別各種情況，并設(shè)法解決各種問(wèn)題。從機(jī)器人的工作環(huán)境就可以定義很多機(jī)器人的構(gòu)造，如我們?cè)谑覂?nèi)的可控環(huán)境下工作，我們對(duì)機(jī)器人可以采用輪式

8、驅(qū)動(dòng)，而不需要采用履帶式和步行式，在機(jī)器人的工作功率上，由于機(jī)器人本身的重量及其工作的力度我們選擇一般的單極性步進(jìn)電機(jī)就可以了5。1.4 避障廣告機(jī)器人設(shè)計(jì)任務(wù) 本次的設(shè)計(jì)任務(wù)是完成對(duì)可移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)，該機(jī)器人所具有的功能有自動(dòng)避障，能夠循環(huán)的進(jìn)行語(yǔ)音播放廣告和液晶顯示廣告詞。1.5 避障廣告機(jī)器人活動(dòng)場(chǎng)景為了讓廣告范圍更加寬廣，機(jī)器人不需要按照設(shè)定的路線行走，只需達(dá)到躲避障礙的效果。機(jī)器人左右側(cè)及前端紅外發(fā)生接收器不斷產(chǎn)生紅外信號(hào)來(lái)檢測(cè)是否有障礙，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)使機(jī)器人做出相應(yīng)的反應(yīng)6。當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)到左側(cè)有障礙時(shí)，機(jī)器人將向右轉(zhuǎn)動(dòng)，然后繼續(xù)檢測(cè)。當(dāng)然當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)到右側(cè)有障礙時(shí)，機(jī)器人將

9、向左轉(zhuǎn)動(dòng)，然后繼續(xù)檢測(cè)。如此反復(fù)檢測(cè)，機(jī)器人即可順利向前行進(jìn)。機(jī)器人有可能遇到如下問(wèn)題：檢測(cè)到前側(cè)有障礙的時(shí)候，恰好檢測(cè)到左側(cè)也有障礙物，按照程序的設(shè)計(jì)，機(jī)器人又將向右轉(zhuǎn)，但是萬(wàn)一前方障礙比較近，轉(zhuǎn)向時(shí)候可能撞上障礙，后來(lái)考慮到這個(gè)問(wèn)題的出現(xiàn)，的確使機(jī)器人成功實(shí)現(xiàn)避障很困難，于是我有了如下考慮：當(dāng)檢測(cè)到前方及左側(cè)都有障礙的時(shí)候，我會(huì)使機(jī)器人后退并向右轉(zhuǎn)一定角度，從而使機(jī)器人躲避障礙。同理可處理前方和右方同時(shí)有障礙的情況。機(jī)器人具體活動(dòng)場(chǎng)景及機(jī)器人俯視圖如圖1.1所示。1.6 避障廣告機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個(gè)具有自動(dòng)避開(kāi)障礙進(jìn)行廣告宣傳的機(jī)器人。以AT89S51為核心的單片機(jī)控制

10、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人任務(wù)過(guò)程中的智能控制，液晶顯示模塊FYD12864-0402B顯示廣告內(nèi)容，ARP9600語(yǔ)音芯片播放廣告語(yǔ)音，機(jī)器人前端以及左右兩側(cè)均裝有紅外線傳感器，可以對(duì)機(jī)器人周?chē)h(huán)境進(jìn)行探測(cè)來(lái)躲避障礙物和改變機(jī)器人行進(jìn)方向，采用優(yōu)化的軟件算法，智能化的自動(dòng)控制完成定位。1.6.1 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有很多種，由于集成電路集驅(qū)動(dòng)和保護(hù)于一體，作為小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于小型儀表，計(jì)算機(jī)外設(shè)等領(lǐng)域，使用起來(lái)非常方便。本設(shè)計(jì)采用ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片。1.6.2 前方及左右側(cè)障礙檢測(cè)模塊 本次設(shè)計(jì)利用的是反射式的紅外線傳感器，雖然檢測(cè)距離的精度達(dá)不到超聲波

11、測(cè)距的精確度，但是它具有體積小，重量輕，線性好的特點(diǎn)。從而幫助機(jī)器人躲避障礙。1.6.3 顯示模塊本設(shè)計(jì)采用FYD12864-0402B模塊來(lái)完成對(duì)廣告內(nèi)容的液晶顯示，并通過(guò)單片機(jī)控制，達(dá)到循環(huán)播放廣告內(nèi)容的目的。1.6.4 語(yǔ)音模塊采用ARP9600語(yǔ)音芯片。有多種手動(dòng)控制方式、分段管理方便、多段控制時(shí)電路簡(jiǎn)單、采樣速度及錄放音時(shí)間可調(diào)，并能直接由單片機(jī)控制，且采用此法能 提高本裝置的性能，并且采用語(yǔ)音提示能使操作更加簡(jiǎn)便，減少誤操作。圖1.1 機(jī)器人活動(dòng)場(chǎng)景及機(jī)器人俯視圖第二章 避障廣告機(jī)器人的硬件組成及電路設(shè)計(jì)2.1 硬件的整體設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)的具體要求及設(shè)計(jì)方案的確定系統(tǒng)硬件的組成也可以基

12、本確定，其原理圖如圖2.1所示：圖2.1 硬件原理圖2.2 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.2.1 單片機(jī)的概述和應(yīng)用特點(diǎn)現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)都是向巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化及智能化發(fā)展。其中微型化是計(jì)算機(jī)發(fā)展的重要方向，把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器、控制器、儲(chǔ)存器、輸入/輸出接口四個(gè)組成部分集成在一個(gè)硅片內(nèi)，于是就出現(xiàn)了一個(gè)大規(guī)模集成電路為主組成的微型計(jì)算機(jī)（MICROCOMPUTER）單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)單片機(jī)，由于單片機(jī)的重要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橹悄芑娮赢a(chǎn)品，一般需要嵌入儀器設(shè)備內(nèi)，故又稱(chēng)嵌入式微控制器。微處理器（芯片）本身不是計(jì)算機(jī)，但它是小型計(jì)算機(jī)或微型計(jì)算機(jī)的控制和處理部分。微機(jī)則是具有完整的運(yùn)算及控制功能的計(jì)算

13、機(jī)，它除了包括微處理器（CPUCENTRAL PROCESSING UNIT）外，還包括存儲(chǔ)器、接口適配器（即輸入/輸出接口電路）以及輸入/輸出設(shè)備（I/O）等。其中，微處理器由控制器、運(yùn)算器和若干個(gè)寄存器組成；I/O設(shè)備與微處理器的連接需要通過(guò)接口適配器（即I/O接口）；存儲(chǔ)器是指微機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器（RAM、ROM和EPROM等芯片）。面向控制方面：?jiǎn)纹瑱C(jī)主要應(yīng)用于控制領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)及功能均按自動(dòng)控制要求設(shè)計(jì)，又稱(chēng)微機(jī)（MICROCONTROLLER UNIT，MCU）。利用微控制器進(jìn)行控制的技術(shù)稱(chēng)微型控制技術(shù)。微控制技術(shù)通過(guò)對(duì)單片機(jī)編程的方法代替模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分控制功能，是對(duì)傳統(tǒng)

14、控制的一次革命7。在線應(yīng)用方面：在線應(yīng)用就是單片機(jī)代替常規(guī)的模擬或數(shù)字控制電路，使其成為測(cè)控系統(tǒng)的一部分，在被控對(duì)象工作過(guò)程中實(shí)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并實(shí)時(shí)控制。在線應(yīng)用為實(shí)時(shí)測(cè)控提供了可能和方便。嵌入式應(yīng)用方面：?jiǎn)纹瑱C(jī)在應(yīng)用時(shí)通常裝入到各種智能化產(chǎn)品中，所以又稱(chēng)嵌入式控制器（EMBEDDED MICROCONTROLLER UNIT，EMCU）。嵌入式使用使得單片機(jī)的應(yīng)用十分靈活。另外，單片機(jī)還具有體積小、成本底、速度快、使用靈活等特點(diǎn)。2.2.2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)單片機(jī)的時(shí)鐘和復(fù)位電路是單片機(jī)必不可少的部分。時(shí)鐘電路是單片機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏。單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方法有兩種，內(nèi)部時(shí)鐘方

15、式和外部時(shí)鐘方式，設(shè)計(jì)中我們采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。以AT89S51為例單片機(jī)時(shí)鐘和復(fù)位電路組成如圖2.3所示。單片機(jī)的擴(kuò)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.4所示。本系統(tǒng)采用電池組供電，每個(gè)電池的供電電壓為4.5V。通過(guò)7812整流管獲得穩(wěn)定的12V工作電壓給步進(jìn)電機(jī)供電。再通過(guò)7805將12V轉(zhuǎn)變成5V電壓給系統(tǒng)板供電。電源電路圖如圖2.2所示。圖2.2 電源電路圖2.2.3 單片機(jī)的內(nèi)部資源在本文中，用的是MCS-51系列的AT89S51，其內(nèi)部資源主要有：(1) 4KB字節(jié)掩膜ROM程序存儲(chǔ)器；(2) 128字節(jié)內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；(3) 2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；(4) 1個(gè)全雙工的異步串行口；(5)

16、5個(gè)中斷源兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷控制器。時(shí)鐘電路外界晶振和電容可產(chǎn)生1.2MHZ24MHZ，MCS-51系列單片機(jī)的所有產(chǎn)品都含有AT89S51除程序存儲(chǔ)器以外的基本硬件。都是在8051的基礎(chǔ)上改變部分資源（程序存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，I/O口，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及其他一些特殊部件）。 圖2.3 單片機(jī)時(shí)鐘復(fù)位電路組成復(fù)位電路時(shí)鐘電路電源并行接口程序存儲(chǔ)器輸入/輸出設(shè)備串行接口D/A電路A/D電路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器輸入/輸出設(shè)備串行輸入設(shè)備串行輸出設(shè)備單片機(jī)I/O接口總線圖2.4 單片機(jī)的擴(kuò)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)2.2.4 單片機(jī)的引腳它包括三大部分的引腳：電源及時(shí)鐘引腳，控制引腳，輸入/輸出引腳，總共是40個(gè)引腳。其中P

17、0、P1、P2、P3四個(gè)I/O口，通過(guò)這四個(gè)I/O口使單片機(jī)與外部交換信息，達(dá)到采集、處理、控制等各項(xiàng)工作，單片機(jī)引腳如圖2.5所示。1電源及時(shí)鐘引腳Vcc(40腳)：接+5電源。Vss(20腳)：接地。時(shí)鐘引腳（18、19腳）：外接晶體與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成一個(gè)震蕩器，它提供單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號(hào)。時(shí)鐘引腳也可以外接晶體震蕩器。2控制引腳RST/VPD（9腳）：當(dāng)震蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳加上兩個(gè)機(jī)器時(shí)鐘周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位（RST）。復(fù)位后應(yīng)使此引腳電平為0.5V的低電平，以保證單片機(jī)的正常工作。ALE/（30腳）：當(dāng)單片機(jī)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的下降沿用于鎖存1

18、6位地址的低8位。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，起頻率為振蕩器頻率的1/6。但是，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，在兩個(gè)機(jī)器周期中ALE只出現(xiàn)一次，即丟失一個(gè)ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。對(duì)于片內(nèi)具有EPROM型的單片機(jī)8751，在EPROM編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。（29腳）：此輸出為單片機(jī)內(nèi)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。在從外部存儲(chǔ)器取指令（或常數(shù)）期間，每個(gè)機(jī)器周期PSEN兩次有效。但在此期間，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。PSEN同樣可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。/Vpp（31腳）：當(dāng)EA保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)的是內(nèi)部程

19、序寄存器（對(duì)8051、8751來(lái)說(shuō)），但當(dāng)PC（程序記數(shù)器）值超過(guò)某值（如8751內(nèi)部含有4KB EPROM。值為0FFFH）時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序。當(dāng)EA為低電平時(shí)，則不管是否有內(nèi)部程序寄存器而只訪問(wèn)外部程序寄存器。對(duì)8031來(lái)說(shuō)，因其無(wú)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，所以該引腳必須接地，即此時(shí)只能訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。對(duì)于片內(nèi)有EPROM型單片機(jī)，在EPROM編程期間，此引腳用于施加編程電壓Vpp。3輸入/輸出引腳P0口（P0.0P0.7）：為雙向8位的三態(tài)I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時(shí)，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是地址總線低8位及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。以便作為擴(kuò)展時(shí)

20、地址/數(shù)據(jù)總線口使用。P1口（P1.0P1.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，它的每一位都可以分別定義為輸入線或輸出線（作為輸入時(shí)，口鎖存器必須置1），可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。P2口（P2.0P2.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，當(dāng)作I/O口使用時(shí)，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是與地址總線高8位復(fù)用。 P3口（P3.0P3.7）：為8位準(zhǔn)可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載，一般作為擴(kuò)展時(shí)地址總線高8位使用。雙向I/O口，是雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。8圖2.5 AT89S51單片機(jī)的引腳圖2.2.5 單片機(jī)的幾個(gè)必要電路1時(shí)鐘電路：時(shí)鐘電路是單片機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏。單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方法有兩種，內(nèi)

21、部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式，在這里我們采用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式。MCS-51最常用的內(nèi)部時(shí)鐘電路是采用外接晶體（陶瓷震蕩器的頻率定性不高）和電容組成的并聯(lián)諧振回路，MCS-51單片機(jī)允許的震蕩晶體可在1.2MHz24MHz之間選擇，一般取12MHZ。兩個(gè)的電容的選擇對(duì)震蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及震蕩電路的起振速度有少許影響，其取值可在20pF100pF之間選擇，一般當(dāng)外接晶體時(shí)典型值為30pF，外接陶瓷諧振器時(shí)典型取值為47pF。2復(fù)位電路：計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，是中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，MCS-5

22、1有一個(gè)復(fù)位引腳RST，高電平有效，要使單片機(jī)復(fù)位，只要讓RST保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平，MCS-51便保持復(fù)位，RST變成低電平后，退出復(fù)位狀態(tài)。 在單片機(jī)的實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，除單片機(jī)本身需要復(fù)位以外，外部擴(kuò)展的I/O接口電路等也需要復(fù)位。因此需要一個(gè)系統(tǒng)的同步復(fù)位信號(hào)，即單片機(jī)復(fù)位后，CPU開(kāi)始工作時(shí)，外部電路一定要復(fù)位好，以保證CPU有效的對(duì)外部電路進(jìn)行初始化編程。RST是高電平有效，而I/O接口電路的復(fù)位端一般為T(mén)TL電平輸入，通常也是高電平有效，但這兩種復(fù)位輸入的復(fù)位有效的電平不完全相同，如果CPU和I/O的復(fù)位不同步，則系統(tǒng)不能正常工作。本設(shè)計(jì)中采用的是系統(tǒng)復(fù)位，將復(fù)位電路產(chǎn)生的復(fù)位

23、信號(hào)經(jīng)斯密特電路整形后作為系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)，加到MCS-51單片機(jī)和外部I/O接口電路的復(fù)位端。2.3 紅外線傳感器紅外線光電傳感器是由發(fā)射器、接收器和檢測(cè)電路三部分組成，它利用被檢測(cè)物體對(duì)紅外光束的遮光或反射來(lái)檢出物體的有或無(wú)，光電傳感器檢測(cè)不局限于金屬，對(duì)其他物體均可檢測(cè)，而且檢測(cè)距離是接近開(kāi)關(guān)不能相比的。電容式接近開(kāi)關(guān)：由兩個(gè)同軸金屬電極構(gòu)成，很像打開(kāi)的電容器電極，該電極串接在RC振蕩回路內(nèi)。當(dāng)檢測(cè)物體接近檢測(cè)面時(shí)，電極的容量產(chǎn)生變化，使振蕩器起振，通過(guò)后級(jí)整形放大轉(zhuǎn)換成開(kāi)關(guān)信號(hào)，從而檢測(cè)有無(wú)物體存在的目的。適用于液態(tài)、粉狀、粒狀原料位測(cè)量，機(jī)器定位及監(jiān)控機(jī)器程序執(zhí)行。2.3.1 紅外發(fā)光

24、二極管的特性常用的紅外發(fā)光二極管（如SE303、PH303），其外形和發(fā)光二極管LED相似，發(fā)出紅外光（近紅外線約0.93m）。管壓降約1.4V ，工作電流一般小于20mA。為了適應(yīng)不同的工作電壓，回路中常串有限流電阻。發(fā)射紅外線去控制相應(yīng)的受控裝置時(shí)，其控制的距離與發(fā)射功率成正比。為了增加紅外線的控制距離，紅外發(fā)光二極管工作于脈沖狀態(tài)，因?yàn)槊}動(dòng)光（調(diào)制光）的有效傳送距離與脈沖的峰值電流成正比，只需盡量提高峰值Ip，就能增加紅外光的發(fā)射距離。提高Ip 的方法，是減小脈沖占空比，即壓縮脈沖的寬度T，一些彩電紅外遙控器，其紅外發(fā)光管的工作脈沖中空比約為1/41/3；一些電氣產(chǎn)品紅外遙控器，其占空比

25、是1/10。減小脈沖占空比還可使小功率紅外發(fā)光二極管的發(fā)射距離大大增加。常見(jiàn)的紅外發(fā)光二極管，其功率分為小功率（1mW10mW）、中功率(20mW50mW)和大功率(50mW100mW以上)三大類(lèi)。要使紅外發(fā)光二極管產(chǎn)生調(diào)制光，只需在驅(qū)動(dòng)管上加上一定頻率的脈沖電壓。用紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外線去控制受控裝置時(shí)，受控裝置中均有相應(yīng)的紅外線光-電轉(zhuǎn)換元件，如紅外光按收二極管，光電三極管等。實(shí)用中已有紅外發(fā)射和接收配對(duì)的二極管，相對(duì)安放在發(fā)射與受控物的兩端，中間相距一定距離；反射式指發(fā)光管和接收管并列一起，平時(shí)接收管始終無(wú)光照，只在發(fā)光管發(fā)出的紅外光遇到反射物時(shí)，接收管收到反射回來(lái)的紅外線才工作。2.

26、3.2 紅外檢測(cè)的物理基礎(chǔ)紅外輻射又稱(chēng)紅外線，它是一種不可見(jiàn)光，由于是位于可見(jiàn)光中紅外光中紅色光以外的光線，故稱(chēng)紅外線。它的波長(zhǎng)范圍大致在0.761000UM。紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。一個(gè)物體向外輻射的能量大部分是通過(guò)紅外線輻射出來(lái)的。物體的溫度越高，輻射出來(lái)的紅外線越多，輻射的能量就越強(qiáng)。而且，紅外線被物體吸收時(shí)，可以轉(zhuǎn)變成熱能。紅外輻射和所有的電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播，具有反射，折射，散射，干涉，吸收等特性。能全部吸收投射到它表面的紅外輻射的物體稱(chēng)為黑體；能全部反射的物體稱(chēng)為鏡體；能部分反射，部分吸收的物體稱(chēng)為灰體9。2.3.3 紅外線反射型檢測(cè)傳感器 傳感器一般是利用物

27、理、化學(xué)和生物等學(xué)科的某些效應(yīng)或原理按照一定的制造工藝研制出來(lái)的，其是由敏感元件、傳感元件和其他輔助部件組成。紅外傳感技術(shù)已在科技，國(guó)防和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。紅外傳感器的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：(1)紅外輻射計(jì)，用于輻射和光譜輻射測(cè)量；(2)搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確認(rèn)其空間位置并對(duì)它的運(yùn)行進(jìn)行跟蹤；(3)熱成象系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖象，多光譜掃描儀；(4)紅外測(cè)距和通信系統(tǒng)等。紅外線反射型傳感器實(shí)際上是一種一體化的紅外線發(fā)射、接收器件，能夠以非接觸的形式檢測(cè)出前方一定范圍內(nèi)的人體或物體，并轉(zhuǎn)換成高電平信號(hào)輸出。紅外線反射型傳感器的檢測(cè)距離與工作電壓密

28、切相關(guān)。工作電壓越高，紅外線反射功率越強(qiáng)，檢測(cè)距離就越遠(yuǎn)；反之，電壓低，檢測(cè)距離就相對(duì)較近，采用 雙管紅外發(fā)射電路，可提高發(fā)射功率，增加紅外發(fā)射的作用距離。紅外線反射型檢測(cè)傳感器目前 廣泛應(yīng)用于各種自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)控制等裝置中。如：光電計(jì)數(shù)器、接近式照明開(kāi)關(guān)、自動(dòng)干手器、自控水龍頭、感應(yīng)門(mén)鈴、倒車(chē)告警電路。2.3.4 左右兩側(cè)障礙物檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)機(jī)器人采用利用反射式紅外線傳感器，即在機(jī)器人兩端各安裝一個(gè)紅外收發(fā)裝置，在前端安裝三個(gè)紅外收發(fā)裝置，在后端安裝兩個(gè)紅外收發(fā)裝置，用于檢測(cè)障礙，具體電路圖如圖2.6所示。圖2.6 紅外線傳感器電路圖2.4 步進(jìn)電機(jī)2.4.1 步進(jìn)電機(jī)的基本介紹及

29、控制原理本次設(shè)計(jì)采用42BYG系列步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是一種將脈沖信號(hào)變換成相應(yīng)的角位移(或線位移)的電磁裝置，是一種特殊的電動(dòng)機(jī)。一般電動(dòng)機(jī)都是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)則有定位和運(yùn)轉(zhuǎn)兩種基本狀態(tài)，當(dāng)有脈沖輸入時(shí)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一步一步地轉(zhuǎn)動(dòng)，每給它一個(gè)脈沖信號(hào)，它就轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步，因此只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)繞組通電的相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向。步進(jìn)電機(jī)其實(shí)是一個(gè)低速電機(jī)，被設(shè)計(jì)用來(lái)實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)，一旦到達(dá)指定的位置就能保持停在那里。步進(jìn)電機(jī)的最大工作轉(zhuǎn)速為50100r/min。這對(duì)機(jī)器人來(lái)說(shuō)恰好也是最

30、合適的工作轉(zhuǎn)速。下面以三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例來(lái)說(shuō)其原理。(1)結(jié)構(gòu)：電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開(kāi)。0、1/3、2/3,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以表示），即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開(kāi)1/3，C與齒3向右錯(cuò)開(kāi)2/3，A與齒5相對(duì)齊，（A就是A，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開(kāi)圖：(2)旋轉(zhuǎn)：如A相通電，B，C相不通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，齒1與A對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。如B相通電，A，C相不通電時(shí)，齒2應(yīng)與B對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過(guò)1/3，此時(shí)齒3與C偏移為1/3，齒4與A偏移（-1/3）=2/3。如C相通電，A，B相不通電

31、，齒3應(yīng)與C對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)1/3，此時(shí)齒4與A偏移為1/3對(duì)齊。如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過(guò)1/3。這樣經(jīng)過(guò)A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前一齒）移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，如果不斷地按A，B，C，A通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。由此可見(jiàn)：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。不過(guò)，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來(lái)每步1/3改變?yōu)?/6。甚至于通過(guò)二相電流不同的組合，使其1/

32、3變?yōu)?/12，1/24，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。不難推出：電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制這是 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場(chǎng)上一般以二、三、四、五相為多。 圖2.7 定轉(zhuǎn)子展開(kāi)圖2.4.2 步進(jìn)電機(jī)控制原理步進(jìn)電機(jī)區(qū)別于其他控制電機(jī)的最大特點(diǎn)是，它是通過(guò)輸入脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行控制的，即電機(jī)的總轉(zhuǎn)動(dòng)角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機(jī)的轉(zhuǎn)速由脈沖信號(hào)頻率決定。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路根據(jù)控制信號(hào)工作，控制信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生。其基本原理作用

33、如下：(1)控制換相順序通電換相這一過(guò)程稱(chēng)為脈沖分配。例如：三相步進(jìn)電機(jī)的三拍工作方式，其各相通電順序?yàn)锳-B-CD,通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照這一順序分別控制A,B,C，D相的通斷。(2)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向如果給定工作方式正序換相通電，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，如果按反序通電換相，則電機(jī)就反轉(zhuǎn)。(3)控制步進(jìn)電機(jī)的速度如果給步進(jìn)電機(jī)發(fā)一個(gè)控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個(gè)脈沖，它會(huì)再轉(zhuǎn)一步。兩個(gè)脈沖的間隔越短，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。調(diào)整單片機(jī)發(fā)出的脈沖頻率，就可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速10。2.4.3 步進(jìn)電機(jī)的基本特性(1) 步進(jìn)電機(jī)需加驅(qū)動(dòng)電路，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端為脈沖信號(hào)，若加入適當(dāng)?shù)拿}沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子就

34、以一定的角度（稱(chēng)為步角）轉(zhuǎn)動(dòng)；(2) 步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角一般為1.8，即200步完成一圈；(3) 步進(jìn)電機(jī)具有瞬間啟動(dòng)與急速停止的特性；(4) 改變勵(lì)磁順序，可以改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。2.4.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來(lái)了。1.步距角的選擇電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度 （

35、三相電機(jī)）等。2.靜力矩的選擇步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)（幾何尺寸）。3.電流的選擇靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓）。根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的特性及以上三大要素，本設(shè)計(jì)選擇使用12V直

36、流電源驅(qū)動(dòng)的MSDA020L51型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)。2.4.5 應(yīng)用中的注意事項(xiàng)(1)步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場(chǎng)合-每分鐘轉(zhuǎn)速不超過(guò)1000轉(zhuǎn)，（0.9度時(shí)6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過(guò)減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低。(2)步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。(3)由于歷史原因，只有標(biāo)稱(chēng)為12V電壓的電機(jī)使用12V外，其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動(dòng)電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動(dòng)器選擇驅(qū)動(dòng)電壓，當(dāng)然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動(dòng)外也可以采用其他驅(qū)動(dòng)電源，不過(guò)要考慮溫升。(4)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號(hào)電機(jī)。(5)電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般

37、不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速，一、電機(jī)不會(huì)失步；二、可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度。(6)高精度時(shí)，應(yīng)通過(guò)機(jī)械減速、提高電機(jī)速度,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動(dòng)器來(lái)解決，也可以采用5相電機(jī)，不過(guò)其整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說(shuō)法是外行話。(7)電機(jī)不應(yīng)在振動(dòng)區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過(guò)改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。(8)電機(jī)在600PPS（0.9度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)。2.4.6 步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)的接口這里用的電機(jī)是單極性步進(jìn)電機(jī)，單極性步進(jìn)電機(jī)可以采用三種步進(jìn)方式：?jiǎn)闻?，雙拍和半拍方式。單拍是指每次僅給一個(gè)繞組通電，結(jié)果導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并運(yùn)動(dòng)到轉(zhuǎn)子

38、永磁體與具有相反極性的繞組對(duì)齊的位置。雙拍方式同時(shí)給兩個(gè)繞組通電，這樣就導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，并在永磁體到達(dá)兩個(gè)通電繞組的中間位置點(diǎn)時(shí)平衡。雙拍方式的優(yōu)點(diǎn)是比單拍方式多獲得41.4%的輸出力矩，不過(guò)代價(jià)是要花費(fèi)后者兩倍的能量。半拍方式工作時(shí)則讓兩個(gè)繞組通電與單個(gè)繞組通電方式交替的進(jìn)行。應(yīng)用單片機(jī)中P2.4P2.7與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003的1R4R引腳相連，ULN2003中的Q1Q4引腳與步進(jìn)電機(jī)的四個(gè)引腳相連，實(shí)現(xiàn)A片選或者B片選。具體連接如圖2.8所示。2.4.7 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種數(shù)字元件，易于數(shù)字電路接口，但一般的數(shù)字電路的信號(hào)的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，因此，必須有

39、一個(gè)與之匹配的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)一般有以下要求：（1）能夠提供較快的電流上升和下降速度，使電流波形盡量接近矩形；（2）有供截止期間釋放電流流通的回路，以降低繞組兩端的反電動(dòng)勢(shì)，加快電流衰減；（3）具有較高的功率及效率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有很多種，由于集成電路集驅(qū)動(dòng)和保護(hù)于一體，作為小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于小型儀表，計(jì)算機(jī)外設(shè)等領(lǐng)域，使用起來(lái)非常方便。下面介紹其中一種小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。ULN2003 是高耐壓、大電流達(dá)林頓芯片，由七個(gè)硅NPN達(dá)林頓管組成。 其內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器。它是雙列16腳封裝,N

40、PN晶體管矩陣,最大驅(qū)動(dòng)電壓=50V,電流=500mA,輸入電壓=5V,適用于TTL COMS,由達(dá)林頓管組成驅(qū)動(dòng)電路。ULN是集成達(dá)林頓管IC,內(nèi)部還集成了一個(gè)消線圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管,它的輸出端允許通過(guò)電流為200mA，飽和壓降VCE 約1V左右，耐壓BVCEO 約為36V。用戶(hù)輸出口的外接負(fù)載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開(kāi)路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動(dòng)低壓燈泡。通常單片機(jī)驅(qū)動(dòng)ULN2003時(shí)，上拉2K的電阻較為合適，同時(shí)，COM引腳應(yīng)該懸空或接電源。 ULN2003工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時(shí)承受50V 的電壓，輸出還可

41、以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。一個(gè)非門(mén)電路，包含7個(gè)單元，單獨(dú)每個(gè)單元驅(qū)動(dòng)電流最大可達(dá)350mA，9腳可以懸空。 比如1腳輸入，16腳輸出，你的負(fù)載接在VCC與16腳之間，不用9腳。 圖2.8 單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的接口電路2.5 液晶顯示模塊 2.5.1 液晶顯示模塊的功能特點(diǎn)FYD12864-0402B是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其分辨率為，內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示行點(diǎn)陣的漢字。也可完成圖

42、形顯示，低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。有該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類(lèi)性的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路或顯示程序都要簡(jiǎn)潔的多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的液晶顯示模塊。FYD12864-0402B的基本特性:(1)低電源電壓（VDD:+3.0-+5.5V）；(2)顯示分辨率:12864點(diǎn)；(3)內(nèi)置漢字字庫(kù)，提供8192個(gè)1616點(diǎn)陣漢字(簡(jiǎn)繁體可選)；(4)內(nèi)置 128個(gè)168點(diǎn)陣字符；(5)2MHZ時(shí)鐘頻率；(6)顯示方式：STN、半透、正顯；(7)驅(qū)動(dòng)方式：1/32DUTY，1/5BIAS；(8)視角方向：6點(diǎn)；(9)背光方式：側(cè)部高亮白色LED，功耗僅為普通LED的1/5

43、1/10；(10)通訊方式：串行、并口可選；(11)內(nèi)置DC-DC轉(zhuǎn)換電路，無(wú)需外加負(fù)壓；(12)無(wú)需片選信號(hào)，簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)；(13)工作溫度: 0 - +55 ,存儲(chǔ)溫度: -20 - +60。 VCC：使用5V 電壓。接口DB0DB7接單片機(jī)的P0.0P0.7，RS接P2.2,R/W接P2.3，E接P2.4，A接5V電壓，K接地。2.5.2 模塊接口說(shuō)明和指令說(shuō)明FYD12864-0402B接口說(shuō)明和模塊控制芯片提供的一套基本指令分別為表2.1和表2.2。2.5.3 FYD12864-0402B 與51 單片機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)采用并口通訊模式，可將PSB接固定高電平，模塊內(nèi)部有上電復(fù)位電路，

44、因此，在不經(jīng)常需要復(fù)位的場(chǎng)合可將/RESET懸空。鍵盤(pán)有主動(dòng)掃描和被動(dòng)掃描兩種工作方式。被動(dòng)掃描時(shí)主機(jī)發(fā)一個(gè)取鍵盤(pán)指令，模塊返回一次鍵盤(pán)碼。主動(dòng)掃描時(shí)模塊不停地在掃描鍵盤(pán)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有按鍵時(shí)立即返回一次鍵碼給CPU，如果有指令正在執(zhí)行，執(zhí)行期間不掃描鍵盤(pán)，但是因?yàn)槊織l指令執(zhí)行時(shí)間一般都只有幾十毫秒，因此不會(huì)對(duì)鍵盤(pán)的捕獲造成影響。模塊總工作電流：平時(shí)未點(diǎn)亮背光：14mA，點(diǎn)亮背光燈：18mA,背光燈耗電：4mA，如果覺(jué)得太暗可以提出做一下調(diào)整。外界MCU 通過(guò)串口發(fā)命令和漢顯模塊通訊，模塊對(duì)相應(yīng)命令做出相應(yīng)的顯示或者返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)，默認(rèn)通訊波特率為9600bps11。模塊平時(shí)處于被動(dòng)狀態(tài)，需要主機(jī)命

45、令予以觸發(fā)動(dòng)作，所有的發(fā)往漢顯模塊命令格式都是以“ESC”鍵值0x1b開(kāi)始，后面跟一個(gè)字節(jié)的命令碼，其后再跟具體命令內(nèi)容。返回的內(nèi)容都是以“ESC”鍵值0x1b開(kāi)始，后面直接跟返回的內(nèi)容。模塊默認(rèn)對(duì)每條指令做出執(zhí)行是否成功的返回響應(yīng)，執(zhí)行完畢返回OK兩個(gè)字符。模塊在接收指令前，向處理器必須先確認(rèn)模塊內(nèi)部處于非忙狀態(tài)，即讀取BF標(biāo)志時(shí)BF需為“0”，方可接受新的指令。如果在送出一個(gè)指令前不檢查BF標(biāo)志，則在前一個(gè)指令和這個(gè)指令中間必須延遲一段較長(zhǎng)的時(shí)間，即等待前一個(gè)指令確定執(zhí)行完成。指令執(zhí)行的時(shí)間請(qǐng)參考指令表中的指令執(zhí)行時(shí)間說(shuō)明?！癛E”為基本指令集與擴(kuò)充指令集的選擇控制位。當(dāng)變更“RE”后，以

46、后的指令集將維持在最后的狀態(tài)，除非再次變更“RE”位，否則使用相同指令集時(shí)，無(wú)需每次均重設(shè)“RE”位。FYD12864-0402B液晶模塊與單片機(jī)的連接如圖2.9。忙標(biāo)志:BF BF標(biāo)志提供內(nèi)部工作情況.BF=1表示模塊在進(jìn)行內(nèi)部操作,此時(shí)模塊不接受外部指令和數(shù)據(jù).BF=0時(shí),模塊為準(zhǔn)備狀態(tài),隨時(shí)可接受外部指令和數(shù)據(jù).字型產(chǎn)生ROM（CGROM） 字型產(chǎn)生ROM（CGROM）提供8192個(gè)此觸發(fā)器是用于模塊屏幕顯示開(kāi)和關(guān)的控制。DFF=1為開(kāi)顯示（DISPLAY ON),DDRAM 的內(nèi)容就顯示在屏幕上，DFF=0為關(guān)顯示（DISPLAY OFF)。顯示數(shù)據(jù)RAM（DDRAM）模塊內(nèi)部顯示數(shù)據(jù)

47、RAM提供642個(gè)位元組的空間，最多可控制4行16字（64個(gè)字）的中文字型顯示，當(dāng)寫(xiě)入顯示數(shù)據(jù)RAM時(shí)，可分別顯示CGROM與CGRAM的字型；此模塊可顯示三種字型，分別是半角英數(shù)字型(16*8)、CGRAM字型及CGROM的中文字型在0000H0006H的編碼中（其代碼分別是0000、0002、0004、0006共4個(gè)）將選擇CGRAM的自定義字型，02H7FH的編碼中將選擇半角英數(shù)字的字型，至于A1以上的編碼將自動(dòng)的結(jié)合下一個(gè)位元組，組成兩個(gè)位元組的編碼形成中文字型的編碼BIG5（A140D75F），GB（A1A0-F7FFH）。 表2.1 FYD12864-0402B接口說(shuō)明管腳號(hào)管腳名

48、稱(chēng)電平管腳功能描述1VSS0V電源地2VCC3.0+5V電源正3V0-對(duì)比度（亮度）調(diào)整4RS(CS）H/LRS=“H”,表示DB7DB0為顯示數(shù)據(jù)RS=“L”,表示DB7DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0的數(shù)據(jù)被寫(xiě)到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信號(hào)7DB0H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線8DB1H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線9DB2H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線10DB3H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線11DB4H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線12DB5H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線13DB6H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線14DB7H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線15PSBH/LH：8位或4位并口方

49、式，L：串口方式16NC-空腳17/RESETH/L復(fù)位端，低電平有效18VOUT-LCD驅(qū)動(dòng)電壓輸出端1920AKVDDVSS背光源正端背光源負(fù)端KVSS背光源負(fù)端表2.2 FYD12864-0402B基本指令指指 令 碼功 能令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0清除顯示0000000001將DDRAM填滿20H,并且設(shè)定DDRAM的地址計(jì)數(shù)器(AC)到00H地址歸位000000001X設(shè)定DDRAM的地址計(jì)數(shù)器(AC)到00H,并且將游標(biāo)移到開(kāi)頭原點(diǎn)位置;這個(gè)指令不改變DDRAM 的內(nèi)容顯示狀態(tài)開(kāi)/關(guān)0000001DCBD=1: 整體顯示 ONC=1: 游標(biāo)ONB=1:游標(biāo)位置反白

50、允許進(jìn)入點(diǎn)設(shè)定00000001I/DS指定在數(shù)據(jù)的讀取與寫(xiě)入時(shí),設(shè)定游標(biāo)的移動(dòng)方向及指定顯示的移位游標(biāo)或顯示移位控制000001S/CR/LXX設(shè)定游標(biāo)的移動(dòng)與顯示的移位控制位;這個(gè)指令不改變DDRAM 的內(nèi)容功能設(shè)定00001DLXREXXDL=0/1：4/8位數(shù)據(jù)RE=1: 擴(kuò)充指令操作RE=0: 基本指令操作設(shè)定CGRAM地址0001AC5AC4AC3AC2AC1AC0設(shè)定CGRAM 地址設(shè)定DDRAM地址0010AC5AC4AC3AC2AC1AC0設(shè)定DDRAM 地址（顯示位址）第一行：80H87H第二行：90H97H讀取忙標(biāo)志和地址01BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0讀

51、取忙標(biāo)志(BF)可以確認(rèn)內(nèi)部動(dòng)作是否完成,同時(shí)可以讀出地址計(jì)數(shù)器(AC)的值寫(xiě)數(shù)據(jù)到RAM10數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)D7D0寫(xiě)入到內(nèi)部的RAM (DDRAM/CGRAM/IRAM/GRAM)讀出RAM的值11數(shù)據(jù)從內(nèi)部RAM讀取數(shù)據(jù)D7D0(DDRAM/CGRAM/IRAM/GRAM)圖2.9 液晶模塊與單片機(jī)連接電路圖2.6 語(yǔ)音芯片數(shù)字語(yǔ)音錄放是指利用數(shù)字技術(shù)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行采集、處理、并且在一定存儲(chǔ)設(shè)備中進(jìn)行存儲(chǔ)，并可在需要時(shí)進(jìn)行輸出的過(guò)程。由于相對(duì)于模擬設(shè)備來(lái)說(shuō)，數(shù)字設(shè)備易于集成、小型化、成本更低，同時(shí)更為穩(wěn)定，且操作更為直接、方便，使得數(shù)字語(yǔ)音錄放系統(tǒng)目前在各種領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。例如監(jiān)控環(huán)

52、境中使用的語(yǔ)音采集系統(tǒng)；再如家庭或?qū)W校中使用的語(yǔ)音復(fù)讀機(jī)等，都可看作是數(shù)字語(yǔ)音錄放系統(tǒng)的典型應(yīng)用。然而目前一般的數(shù)字語(yǔ)音錄放系統(tǒng)中，對(duì)語(yǔ)音只是進(jìn)行簡(jiǎn)單的采集、存儲(chǔ)和播放；雖然可以較大程度上保證語(yǔ)音的保真度，但過(guò)多的語(yǔ)音數(shù)據(jù)會(huì)造成對(duì)大量存儲(chǔ)設(shè)備的需求。對(duì)于大型系統(tǒng)，可通過(guò)采用大容量的硬盤(pán)、甚至大規(guī)模的磁盤(pán)陣列來(lái)解決；但是對(duì)于小型的設(shè)備，例如便攜式的語(yǔ)音復(fù)讀機(jī)，由于容量有限，則不能采用同樣的方法。隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)越來(lái)越注重產(chǎn)品的易使用型，人機(jī)界面一定要良好。聲音、圖象等做為人類(lèi)交往的最重要手段，也被體現(xiàn)在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。采用一個(gè)語(yǔ)音芯片，讓產(chǎn)品開(kāi)口說(shuō)話，可以起到強(qiáng)化宣傳

53、品牌、指導(dǎo)用戶(hù)使用、故障緊急提示、娛樂(lè)等功能，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)新穎實(shí)用、先聲奪人、出奇制勝。不同的產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)和市場(chǎng)需求，在設(shè)計(jì)時(shí)必須正確選用不同的語(yǔ)音芯片或組件，以達(dá)到最佳的性?xún)r(jià)比。設(shè)計(jì)采用了臺(tái)灣公司最新推出的APR9600語(yǔ)音錄放芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)避障廣告機(jī)器人的錄放功能。2.6.1 語(yǔ)音錄放芯片APR9600 概述APR9600語(yǔ)音錄放芯片，是一款音質(zhì)好、噪音低、不怕斷電、可反復(fù)錄放的新型語(yǔ)音電路，單片電路可錄放32-60秒，串行控制時(shí)可分256段以上，并行控制時(shí)最大可分8段。與ISD同類(lèi)芯片相比它具有：價(jià)格便宜、有多種手動(dòng)控制方式、分段管理方便、多段控制時(shí)電路簡(jiǎn)單、采樣速度及錄放音時(shí)間可調(diào)、每個(gè)單鍵

54、均有開(kāi)始停止循環(huán)多種功能等特點(diǎn)。APR9600芯片的引腳如圖2.10所示。其內(nèi)部錄音時(shí)，外部音頻信號(hào)通過(guò)話筒輸入和線路輸入方式進(jìn)入，話筒可采用普通的駐極體話筒，在芯片內(nèi)話筒放大器帶自動(dòng)增益調(diào)節(jié)，由外接阻容件設(shè)定響應(yīng)速度和增益范圍。若信號(hào)幅度100mv左右即可直接進(jìn)入線路輸入端，音頻信號(hào)由內(nèi)部濾波器、采樣電路處理后以模擬量方式存入專(zhuān)用快閃存儲(chǔ)器中12。圖2.10 APR9600引腳圖2.6.2 管腳功能說(shuō)明 APR9600管腳功能說(shuō)明見(jiàn)表2.3。2.6.3 工作模式設(shè)置APR9600的錄放控制有多種操作模式，為使用提供了極大的方便?？偟膩?lái)說(shuō)分為串行控制和并行控制兩種，由芯片MSEL1（24腳）、

55、MSEL2（25腳）、/M8（9腳）的設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。每種操作模式都有對(duì)應(yīng)的有效鍵，而且同一個(gè)鍵在不同操作模式下可能會(huì)有不同的功能。表2.4中詳細(xì)介紹了APR9600的工作模式設(shè)置。2.6.4 串行控制模式串行控制方式需要一、二個(gè)鍵來(lái)控制所有的語(yǔ)音段錄放。將全功能應(yīng)用電路板上撥碼開(kāi)關(guān)的第2位開(kāi)關(guān)向下?lián)?，?位開(kāi)關(guān)向上撥，第4位開(kāi)關(guān)向上撥，將撥碼開(kāi)關(guān)的第1位置向上撥進(jìn)入錄音模式，按住/M1即開(kāi)始錄第一段，松鍵即停止。再按住/M1即錄第二段。在放音時(shí)（/RE=1）有兩種狀態(tài)，/M8置1為串行順序控制方式，按一下/M1即放音第一段，再按一下即放第二段，順序逐段放音，到最后一段結(jié)束時(shí)即停止放音，必須按一下CE鍵復(fù)位，然后再按/M1鍵就可以又從第一段放音。/M8置0為串行選段控制方式，按一下/M1只能放音第一段，再按還是放音第一段。這時(shí)的/M2有效成為快進(jìn)選段鍵，每按一下/M2即向后移動(dòng)一段，例如現(xiàn)在按了三