機(jī)器人大體設(shè)計(jì)方案

1、機(jī)器人設(shè)計(jì)方案摘要： 本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人以51單片機(jī)為核心，通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器對四個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。其中，我們的機(jī)器人大致分為兩個(gè)部分，小車部分和機(jī)械手部分。核心51單片機(jī)就安裝在小車中。我們用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制小車的兩個(gè)前輪，這樣就能通過對脈沖個(gè)數(shù)的控制或者對脈沖頻率的調(diào)制、步進(jìn)電機(jī)的單獨(dú)控制，來控制小車前進(jìn)、后退、左拐右拐、加速減速等操作。我們把另兩個(gè)電機(jī)安置在機(jī)械手上，先說說這個(gè)機(jī)械手的大體結(jié)構(gòu)，機(jī)械手由手臂、手抓、肩組成。機(jī)械手有三個(gè)自由度，我們可以調(diào)控小車的位置來使機(jī)械手達(dá)到指定的位置，這是其中的一個(gè)自由度；手臂部分可以借助一個(gè)步進(jìn)電機(jī)上下移動(dòng)，這樣就可以調(diào)控“手抓”的位置，這也是一個(gè)

2、自由度；然后我們在“手抓”部分安裝一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，手抓上安裝兩個(gè)小齒輪，通過步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，手抓的夾持和釋放動(dòng)作也就能進(jìn)行了，這又是其中的一個(gè)自由度。通過三個(gè)自由度，對于小木箱的夾持和釋放就輕而易舉了。對于機(jī)器人的控制，我們采用的是紅外遙控， 通用紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大部分組成，通過發(fā)射器編碼以及發(fā)射信號，然后通過接收器接收信號以及解碼。解碼以后，單片機(jī)能夠讀懂發(fā)過來的信號，然后再做出相應(yīng)的判斷，進(jìn)一步對步進(jìn)電機(jī)做出控制。關(guān)鍵詞：51單片機(jī)、SONGLE繼電器、步進(jìn)電機(jī)、機(jī)械手、紅外遙控、RX3400、HX2262、ULN2003A 1、 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求以51單片機(jī)為核心，制

3、作一款紅外遙控機(jī)器人。通過紅外遙控控制機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)加速等操作，以及通過紅外遙控對機(jī)械手進(jìn)行夾持、釋放等操作。 二、系統(tǒng)組成及工作原理本系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要完成紅外編碼信號的發(fā)射和接受、步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行（機(jī)器人的行走、夾持和釋放小木箱）等操作。軟件主要完成信號的檢測和處理、設(shè)備的驅(qū)動(dòng)及控制等功能。AVR單片機(jī)查詢紅外信號并解碼，并作出相應(yīng)的處理。3、 主要硬件 1.51單片機(jī) 51單片機(jī)是機(jī)器人的核心，51單片機(jī)把紅外遙控的接收器、繼電器、步進(jìn)電機(jī)等器件連接起來，通過對紅外遙控的編碼使得遠(yuǎn)程控制得以實(shí)施。遙控部分一般采用HT6221芯片，然后編解碼程序，每一個(gè)按鍵

4、都有一個(gè)唯一的解碼，用AVR單片機(jī)完成解碼的工作后，就可以用遙控器自由的控制單片機(jī)的IO了。通過c語言可以對單片機(jī)進(jìn)行編程控制，來控制步進(jìn)馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)、，進(jìn)一步控制機(jī)器人的前進(jìn)與后退，控制機(jī)械手的各種動(dòng)作。51單片機(jī)對于步進(jìn)馬達(dá)的控制,由于單片機(jī)所能提供的電源電壓有限，所以必須提供外部電源。我們可以利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，從而對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸入信號共有三路，他們是：步進(jìn)脈沖信號CP、方向電平信號DIR、脫機(jī)信號FREE。單片機(jī)通過P1口引腳P1.0，P1.1，P1.2發(fā)出步進(jìn)脈沖信號、方向電平信號、脫機(jī)信號等控制信號。在向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出步進(jìn)脈沖時(shí)，直需按工作頻率將P

5、1.0引腳電平置高和置低即可，這樣單片機(jī)就可以控制步進(jìn)電機(jī)工作。P1.2引腳為高電平時(shí)，步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)；P1.2為低電平時(shí)步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。P1.3引腳為高電平時(shí)步進(jìn)電機(jī)為鎖緊狀態(tài)，只有發(fā)發(fā)送步進(jìn)脈沖步進(jìn)電機(jī)才可以轉(zhuǎn)動(dòng)；P1.3引腳為低電平時(shí)步進(jìn)電機(jī)為脫機(jī)狀態(tài)，這時(shí)步進(jìn)電機(jī)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。51單片機(jī)的NOP指令周期為1us 。在發(fā)送脈沖時(shí)只需要加入若干個(gè)NOP語句就可以達(dá)到對脈沖的頻率和占空比進(jìn)行調(diào)整的目的。對步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制實(shí)際上是控制系統(tǒng)發(fā)出時(shí)鐘脈沖的頻率或換向的周期，即：在升速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸增加；在減速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸減少。脈沖信號的頻率可以通過硬件中斷來

6、確定?？删幊痰挠布〞r(shí)器直接對系統(tǒng)時(shí)鐘脈沖或某一固定頻率的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值則有編程確定。當(dāng)計(jì)數(shù)到預(yù)定的脈沖數(shù)時(shí)，產(chǎn)生中斷信號，得到所需的延時(shí)時(shí)間或定時(shí)間隔。由于計(jì)數(shù)的初始值由編程決定，因而在不改動(dòng)硬件的情況下，只通過程序的變化即可滿足不同的定時(shí)和計(jì)數(shù)要求，因此使用很方便。對于步進(jìn)電機(jī)的正向、反向控制，我們可以這實(shí)施：步進(jìn)電機(jī)換向時(shí)，一定要在電機(jī)降速停止或降到突跳頻率范圍之內(nèi)再換向，以免產(chǎn)生較大的沖擊而損壞電機(jī)。換向信號一定要在前一個(gè)方向的最后一個(gè)CP脈沖結(jié)束后以及下一個(gè)方向的第一個(gè)cP脈沖前發(fā)出。對于cP脈沖的設(shè)計(jì)主要要求其有一定的脈沖寬度(一般不小于5p,a)、脈沖序列的均勻度及高低

7、電平方式。在某一高速下的正、反向切換實(shí)質(zhì)包含，降速奐向一升速三個(gè)過程。對于四相單四拍這種工作方式而言，正向運(yùn)動(dòng)只需利用指針把狀態(tài)表中的內(nèi)容按照地址OOH03H的順序依次反復(fù)送出IO口，步進(jìn)電機(jī)的各相通電順序?yàn)锳BCD一，反復(fù)循環(huán)就實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的正向運(yùn)動(dòng)。反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，送出狀態(tài)表中狀態(tài)字的順序與正向運(yùn)動(dòng)相反，即步進(jìn)電機(jī)的各相通電順序?yàn)镈CBA一，實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的反向運(yùn)動(dòng)。將正向運(yùn)行程序模塊、反向運(yùn)行程序模塊作為中斷服務(wù)程序，需要實(shí)現(xiàn)怎樣的運(yùn)動(dòng)，主程序便調(diào)用相應(yīng)的服務(wù)程序，從而實(shí)現(xiàn)正、反向運(yùn)動(dòng)的控制。2.步進(jìn)電機(jī) 選擇步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，我們可以通過步進(jìn)電機(jī)將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)

8、動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號，它就會(huì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（即步進(jìn)角）?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的, 對于比賽中的穿越障礙物最終登上梯形臺可以迎刃而解了。 采用51單片機(jī)對四相六線制步進(jìn)電機(jī)（內(nèi)阻33歐，步進(jìn)1.8度，額定電壓12V）進(jìn)行控制。通過I/O口輸出的具有時(shí)序的方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號，信號經(jīng)過芯片ULN2003驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。ULN2003 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由七個(gè)硅NPN 達(dá)林頓管組成。ULN2003 的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個(gè)2.7K 的基極電阻,在5V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要

9、標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。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，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運(yùn)行。通過ULN2003構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，AVR的25-28口接ULN2003的1-4輸入端。另外，用紅外遙控對電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制，紅外遙控的接收器與51單片機(jī)相連接。 3. 紅外遙控系統(tǒng)通用紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大部分組成，應(yīng)用編/解碼專用集成電路芯片來進(jìn)行控制操作，如圖1所示。發(fā)射部分包括鍵盤矩陣、編碼調(diào)制、LED紅外發(fā)送器；接收部分包括光、電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路。在遙控電路中，主要控制器件為遙控芯片HT6221。它將紅外碼

10、調(diào)制成38kHz的脈沖信號通過紅外發(fā)射二極管發(fā)出紅外編碼。當(dāng)有按鍵按下時(shí)按鍵指示燈點(diǎn)亮。HT6221的編碼規(guī)則是：當(dāng)一個(gè)鍵按下超過36ms，振蕩器使芯片激活，如果這個(gè)鍵按下且延遲大約108ms，這個(gè)108ms發(fā)射代碼有一個(gè)起始碼（9ms）、一個(gè)結(jié)果碼（4.5ms)、低8位地址碼（918ms）、高8位地址碼（918ms）、8位數(shù)據(jù)碼（918ms）和8位數(shù)據(jù)碼的反碼（918ms）組成。如果按鍵超過108ms仍未松開，接下來發(fā)射的代碼將僅由起始碼（9ms)和結(jié)束碼（2.5ms）組成。一體化紅外線接收器是一種集紅外線接收和放大于一體，不需要任何外接元件，就能完成從紅外線接收到輸出與TTL電平信號兼容的

11、所有工作，而體積和普通的塑封三極管大小一樣，它適合于各種紅外線遙控和紅外線數(shù)據(jù)傳輸。4 軟件部分軟件部分主要是通過單片機(jī)的接口，利用keil把C語言所編程序轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以接受的編碼。本機(jī)器人關(guān)鍵就是對電機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確的控制，下面是我們對機(jī)器人步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制程序代碼：步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)序表步數(shù)P0.3P0.2P0.1P0.00xfe111100xfd211010xfb310110xf740111表1 表1的意義為：如果要使步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，則我們應(yīng)該依次給單片機(jī)P0口送出相應(yīng)的控制字，如表1所示，分別向P0口輸出0xfe，0xfd，0xfb，0xf7這四個(gè)值即可。步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)序表步數(shù)P0.3P0.2

12、P0.1P0.00xf7101110xfb210110xfd311010xfe41110表2sfr P0 = 0x80;main()int i,delay;delay=2000;while(1)P0=0xfe;for(i=0;i<delay;i+);P0=0xfd;for(i=0;i<delay;i+);P0=0xfb;for(i=0;i<delay;i+);P0=0xf7;for(i=0;i<delay;i+);程序首行sfr P0=0x80 這一句定P0為P0端口在單片機(jī)片內(nèi)的寄存器，以便在后面的語句中用P0=0xfe之類的語句來操作特殊功能寄存器。按程序執(zhí)行順序來看，P0分別被賦予的值有：0xfe，0xfd，0xfb，0xf7，符合我們表1中的正轉(zhuǎn)時(shí)序，所以，步進(jìn)電機(jī)會(huì)執(zhí)行正轉(zhuǎn)操作，可以聯(lián)想到，如果我們要使步機(jī)電機(jī)作反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，只要將程序中P0輸出的數(shù)值按表2中所示的時(shí)序即可，只要改動(dòng)少量的程序代碼即可實(shí)現(xiàn)，在上面的程序中，每條P0賦值語句后面還都會(huì)有for(i=0;i<delay;i+);我們不僅可以通過編程來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，還可以控制其轉(zhuǎn)動(dòng)速度，轉(zhuǎn)動(dòng)速度的控制就是從這條語句中體現(xiàn)出來的，通過賦予delay變量的初值來確定其轉(zhuǎn)動(dòng)速度，程序中，