伺服小车控制系统的设置.docx
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伺服小车控制系统的设置
摘要
移动机器人是机器人学中的一个重要分支，且其应用越来越广泛。
本设计采用的
是AT89S51单片机来控制一个伺服小车，该小车主要由两个独立驱动的主动轮、一个从动
轮和底盘等机构组成，车体采用ABS板粘接而成，小车的运动主要由主动轮上的相同电机
驱动，电机驱动芯片L298N直接控制两个直流电机的旋转，小车的转弯主要通过两个电机
的运动速度不同来实现。
该伺服小车的转动角度为360o，伺服小车可以前、后、左、右行
进，由操作手柄上的四个方向控制按钮—K1、K2、K3、K4进行控制，在车上有相应的动
作（前、后、左、右）。
制作由直流驱动电机和单片机构成的驱动系统电路并根据控制要求
编写控制系统的控制程序，实现小车的动作要求。
此系统以简易的电路连接配合驱动程序，
可以精确的控制伺服小车的动作。
而其系统本身便是一套简易模型车体或是简易模型机器
人的底层动作平台。
了解其工作原理后还可以有其他的应用，凡是需要以单片机控制，而
且想要移动的机构都可能有机会使用到它作为一个基础平台。
对于非机械专业的同学，只
要懂得单片机设计，也可以很有效率的设计一些精密的传动系统。
本课题可以学习以直流
电机为动力的移动平台设计原理及相关程序设计。
关键词：
伺服小车单片机直流电动机控制系统
引言
机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到所有领域。
移动机器人是机器人学中的一个重
要分支。
早在60年代，就已经开始了关于移动机器人的研究。
关于移动机器人的研究涉及
许多方面，首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、履带式、腿式的，对于水下机器人，
则是推进器。
其次，必须考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的行为。
第三，必须考
虑导航或路径规划，对于后者，有更多的方面要考虑，如传感融合，特征提取，避碰及环
境映射。
因此，移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种
功能于一体的综合系统。
对移动机器人的研究，提出了许多新的或挑战性的理论与工程技
术课题，引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣,更由于它在军事侦察、扫雷排险、
防核化污染等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景，使得对它的
研究在世界各国受到普遍关注。
移动机器人的研究和广泛应用，不仅可提高产品的质量与数量，而且对保障人身安全，
改善劳动环境，减轻劳动强度，提高劳动生产率，节约原材料消耗以及降低生产成本，对
促进我国制造业的崛起，有着十分重要的意义。
同时，参第二届江苏省大学生机器人大赛
对课题的研究也有着积极的意义。
它让我们对单片机及其他硬件有了更加深刻的认识，在
提高我们的科学素养，发展自身潜能，培养能力和创新精神，引导我们关注科技、热爱科
技、走进科技，涌现出更多的未来科学家和未来工程师有着积极的推进作用。
1.1国内外现状
我国机器人经过“七五”攻关计划、“九五”攻关计划和863计划的支持已经取得了
较大进展，机器人市场也已经成熟，应用上已经遍及各行各业，但进口机器人占了绝大多
数。
我国在某些关键技术上有所突破，但还缺乏整体核心技术的突破，具有中国知识产权
的机器人则很少。
目前我国机器人技术相当于国外发达国家20世纪80年代初的水平特
别是在制造工艺与装备方面，不能生产高精密、高速与高效的关键部件。
我国目前取得较
大进展的机器人技术有：
数控机床关键技术与装备、隧道掘进机器人相关技术、工程机械
智能化机器人相关技术、装配自动化机器人相关技术。
现已开发出金属焊接、喷涂、浇铸
装配、搬运、包装、激光加工、检验、真空、自动导引车等的工业机器人产品，主要应用
于汽车、摩托车、工程机械、家电等行业。
我国机器人技术主题发展的战略目标是：
根据
2l世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求，瞄准国际前沿高技术发展方向创
新性地研究和开发机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。
其发展趋势是智能
化、低成本、高可靠性和易于集成。
伴随着人类迈入新世纪的历史步伐,我国进入了现代
化建设的全面发展时期。
随着科技水平的提高及国力的增强,我国不仅要加大空间探测的
力度,同时还要积极参与国际上对海洋资源的竞争。
所有这一切,都需要大量的技术先进的
特种机器人。
特别是近10年来人们的消费观念已经发生了根本的变化,在经济发达地区,
消费水平提升很快,平常百姓普遍渴望轿车进入家庭。
不难估计,在未来10年,我国汽车工
业很可能会进入一个前所未有的发展时期。
它将会带动装配机器人需求量的增加。
而且随
着人们生活质量的提高,对服务机器人的需求量也会大大上升。
这一切都预示着21世纪,
我国拥有一个非常广阔的机器人市场。
如果不加快发展我国自己的机器人产业,那么,当下
一个新技术时代到来时,日、美等机器人大国的产品将像洪水一样涌入我国。
相反,如果我
们能够面对挑战,抓住机遇,根据国情及现代化建设的需要,有的放矢地发展我国的机器人
产业,那么,我们不但有能力靠自己的力量满足我国未来广大的机器人市场需求,同时还能
够参与国际机器人竞争,寻求国际市场。
由此可见,有计划地发展我国的机器人产业,具有
极其深远的战略意义。
它不但可以增强我国的综合实力,提高我国的国际地位。
同时也能
够有力地促进我国在科学技术领域整体实力的提高。
那么在下一个新技术时代到来时,我
国与国际科技水平的差距就会大大地缩小。
国际上机器人的研究，存在着两条不同的技术路线：
一条是日本和瑞典所走的“需求
牵引，技术驱动”，结合工业发展的需求开发出一系列特定应用的机器人；一条是把机器
人作为研究人工智能的载体，即：
单纯从技术上模仿人或动物的某些功能出发，研究有关
智能的问题和智能机器人。
由于人工智能和其他智能技术的发展尚落后于人们对它的希
望，致使大部分研究成果处于实验阶段。
移动机器人要想走向实用,必需拥有能胜任的运动
系统、可靠的导航系统、精确的感知能力和具有既安全而又友好地与人一起工作的能力。
1.2发展趋势
随着机器人技术的发展，机器人应用领域的不断扩大，对机器人的性能提出了更高
的要求，因此，如何有效地将其他领域（如图像处理、声音识别、最优控制、人工智能等）
的研究成果应用到机器人控制系统的实时操作中，是一项富有挑战性的研究工作。
而具有
开放式结构的模块化、标准化机器人控制器的研究无疑对提高机器人性能和自主能力、推
动机器人技术的发展具有重大意义。
纵观移动机器人的发展、发展过程中存在的问题以及
相关学科的发展方向，移动机器人具有以下发展趋势：
·机器人本体将向灵活性和微型化方向发展这是由于机器人应用面向家庭和服务性
行业，需要适应更为复杂的环境。
·高速性室内机器人对运动速度没有特别要求，而室外机器人高速运动可以提高它
们的工作效率。
高速性对定位精度和控制都提出了更高的要求。
·友好的人机交互为了使机器人能够更好地为人类服务，人们需要一个畅通的渠道与机器进行沟通，这就需要友善的人机接口。
当前蓬勃发展的计算机多媒体技术为此提供安全性能好移动机器人是为人类服务的,因此至少不应该给人类带来危害。
为使移动机器人真正走向应用，必须遵守IssacAsimov提出的著名的“机器人三戒律”，即第一机器人不可伤害人或眼看人将要遇害时而袖手旁观；第二，机器人必须服从人给它的指令，除非这种命令与第一条戒律相抵触；第三，机器人必须保护自身的存在，除非这种保护与第一、第二条戒律相抵触。
产业化脱离实际的理论不会具有深远的发展潜力，也只有能给社会带来可观经济效益的技术才会得到社会的扶植，吸引研究者的注意力。
而产业化是理论联系实际的纽带，是科学技术转化为生产力的重要途径，因此产业化也是移动机器人发展的必由之路。
任何运动机构都离不开驱动装置。
驱动方式的选择直接影响到加工的效率和产品的性能。
本文在比较了各种驱动方式的优缺点后，选用直流伺服电机作为小车的驱动部件。
虽然直流电机出现得比较早，但因为其自身的优点，现在在自动控制领域还有广泛的应用。
文章结合了单片机AT89S51的控制方式，通过市场上比较成熟的电机驱动模块，将控制命令和驱动伺服电机，简易而又实用地进行有机结合。
并且对驱动电路和驱动程序进行了详细、明了的描述。
为以伺服机为动力的机械装置提供了一个很好移动平台。
第二章控制系统硬件电路设计
本控制系统硬件设计采用的是AT89S51单片机来控制一个伺服小车，该小车主要由两
个独立驱动的主动轮、一个从动轮和底盘等组成机构成，小车的运动主要由主动轮上的相
同电机驱动，小车的转弯主要通过两个电机的运动速度不同来实现。
小车电机由电机驱动
芯片L298N实施具体的控制。
该伺服小车的转动角度为360o，伺服小车可以前、后、左、
右行进，伺服小车由操作手柄上的按键进行控制的，在车上有相应的动作（前、后、左、右）。
要制作由直流驱动电机和单片机构成的驱动系统电路并根据控制要求编写控制系统的控
制程序，实现小车的动作要求。
2.1AT89S51单片机简介
AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes
的可系统变成的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储
技术产生，兼容标准8051指令系统及引脚。
它集Flash程序存储器既可在线编程（ISP）
也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，
低价位AT89S51单片机可提供许多高性价比的应用场合，也可引用于各种控制领域。
如图2-1为AT89S51的引脚图。
AT89S51的主要性能参数如下所示：
·\u19982XMCS—51产品指令系统完全兼容
·4K字节在系统编程（ISP）Flash闪速存储器
·1000次擦写周期
·4.0—5.5V的工作电压范围
·\u20840X静态工作模式：
0Hz—33MHz
·\u19977X级程序加密锁
·128X8字节内部RAM
·32个可编程I/O口线
·2个16位定时/计数器
·6个中断源
·\u20840X双工串行UART通道
·\u20302X功耗空闲和掉电模式
·\u20013X断可从空闲模式唤醒系统
·\u30475X门狗（WDT）及双数据指针
·\u25481X电标识和快速编程特性
图2-1AT89S51引脚图
2.1.1AT89S51功能概述
AT89S51提供以下标准功能：
4K字节闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口
线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两极中断结构，
一个全双工串行通信口，片内震荡器及时钟电路。
同时AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操
作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定
时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但震荡器停
止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
图2-2为51单片机的功能结构框图。
图2-3为51单片机内部结构框图。
图2-3MCS-51系列单片机内部组成结构框图
图2-2MCS-51系列单片机功能结构框图
2.1.2AT89S51主要引脚功能说明
·Vcc：
电源电压
·GND：
地
·P0口：
P0口是一组逻辑开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。
作为输出
口用时，没位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口先分时转换地址（低8位）和数据总线
复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序效验时，输出指令字节，效验时要求
外接上拉电阻。
·P1口：
P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸
收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电
平，此时可作输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉
低时回输出一个电流（IIL）。
Flash编程和程序效验期间，P1接收低8位地址。
端口引脚
第二功能
P1.5
MOSI（用于ISP编程）
P1.6
MISO（用于ISP功能）
P1.7
SCK（用于ISP功能）
·P2口：
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级（收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平此时可作为输入口。
作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时回输出一个电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）
时，P2口送出高8位地址数据。
在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@Ri
指令）时，P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个
访问期间不改变。
Flash编程或效验时，P2亦接收高位地址和其他控制信号。
·P3口：
P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3的输出缓冲级（吸收或
输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并作为输
入口。
作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。
P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下页表2-1所示：
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序效验的控制信号。
·RST：
复位输入。
当震荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单
片机复位。
WDT溢出将使该引脚输出高电平，设置SFRAUXR的DISRTO位（地址8EH）
可打开或关闭该功能。
DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。
表2-1P3口第二功能
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD（串入输入口）
P3.1
TXD（串行输出口）
P3.2
INT0（外部中断0）
P3.3
INT1（外部中断1）
P3.4
TO（定时|计时器0）
P3.5
T1（定时|计时器0）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
ALE/PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲
用于锁存地址的低8位字节。
即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟震荡频率1/6输出固
定正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的时：
每当访问外部数据
存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能编程器（SFR）区中的8EH单元的D0位置未，可禁止ALE
操作。
该位置后，只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。
此外，该引脚会被
微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE无效。
·PSEN：
程序存储允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51
由外部程序存储器读取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。
当访问外部数据存储器，没有两次有效的PSEN信号。
·EA/Vpp：
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—
FFFFH）,EA端必须保持低电平（接地）。
需要注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内
部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。
·XTAL1：
震荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
·XTAL2：
震荡器反相放大器的输出端。
2.1.3系统时钟电路
系统时钟是CPU形成系列控制信号的时间基淮，协调单片机各功能部件的正常逻辑运
行。
MCS—5l单片机的系统时钟是由时钟电路产生的，其端子共有2个：
XTAL1（19端子）
是其芯片内部振荡电路的输人端；XTAL2（18端子）是其芯片内部振荡电路（单级反相放大器）
的输出端。
MCS—5l系列单片机的系统时钟可以有内部时钟和外部时钟两种方式产生。
（1）内时钟方式
MCS—51单片机内部时钟产生方式是利用芯片内部的单级反相放大器振荡电路，在
XTAL1和XTAL2两端子上外接定时元件产生自激振荡来形成系统时钟的，用示波器在
XTAL2端可观察到所产生的系统时钟信号。
内部时钟产生方式的外接电路如图2-4所示，
定时元件一般采用石英晶体（简称晶振）和电容组成的并联谐振电路，这样在芯片内部便可
产生与外加晶振同频率的振荡时钟信号。
一般，晶振频率可以在1.2MHz和12MHz之间任
意选择，电容C1、C2可以在20~60pF之间任意选择，通常选择为30pF，电容C1、C2的对振
荡频率可起微调作用。
（2）外时钟方式
MCS—51单片机外部时钟产生方式是利用外部振荡器产生的振荡钟信号来形成系统
时钟的，如图2-5所示。
外部振荡器的输出信号应接到XTAL2端字，且XTAL1端子应接
地。
振荡信号的频率应低于12MHz，由于XTAL2端子的电个不是TTL电平，故应接一上
拉电阻该系统时钟产生方式仅在整个单片机系统已有时钟源或者为了取得时钟上的同步
时才使用。
图2-4MCS-51单片机内时钟产生电路图2-5MCS-51单片机外时钟产生电路
2.1.4控制信号
MCS—51单片机的外部控制信号端子有6个，CPU依此可靠地抒制和协调外部扩被器
件的正常工作，它们是：
复位信号RST/VPD（9端子）、外部数据存储器地址锁存信号
ALE/PROG（30端了）、片外程序存储器读选通信号PSEN（29端子）、内部和外部程序存储
器选择信号剧EA/Vpp（31端子）、外部数据存储器写选WR（16端子）和外部数据有储器读选
通信号RD（17端子）。
其中WR和RD两个端子是借用P3口中的两根引线，在进行应用系统
扩展时，它们一起就构成了MCS—51单片机“三总线”结构中的控制总线。
（1）复位电路
同任何微型计算机应用系统一样，MCS—51单片机的复位功能是不可缺少的，复位即
是所谓的冷、热启动，MCS—51单片一旦复位，其CPU就会自动地使内部初始化．并自
动更新开始从PC=0000H执行程序。
如图2-6所示，该复位方式为手动复位。
图2-6手动复位示意图
（2）复位作用
复位的作用是使单片机初始化，即通过复位把单片机内部的各个部分恢复到预先已知
的特定状态，使之作为编制程序、执行程序和调试程序的起点：
MCS—51单片机复位的作
用是使控制信号PSEN和ALE设置为输人状态，即PSEN＝1、ALE=1并使CPU中的特殊功
能寄存器处于如表2-2所示的特定初始复位状态，如复位后，P0~P3口输出高电平，SP指针
重新赋值为07H，其他特殊功能寄存器和程序计数器PC均被清0。
表2-251单片机复位后内部寄存器状态
寄存器
内容
寄存器
内容
寄存器
内容
pc
000H
P0~P3
OFFH
TL0
00H
Acc
00H
IP
XXX000
TH1
00H
B
00H
IE
0XX000
TL1
00H
PSW
00H
TMOD
00H
SCON
00H
SP
0H
TCON
00H
SBUF
不定
DPTR
000H
TH0
00H
PCON
00xx000
复位对单片机内部RAM的状态没有影响。
一般，在冷启动情况下，内部RAM的内
容是不确定的随机数，在热启动情况下，内部RAM的内容不会改变。
2.2电机驱动模块
在电机驱动方面，我们采用了DF-MDV1.0模块，该模块采用了LGS公司优秀的大功
率电机专用芯片L298N，输出有高速肖特基二极管作为保护，可靠性好，有利于保证电路
的稳定性。
DF-MDV1.0模块线路简洁、元件少、体积小，与我们简约的电路设计要求相通。
充
分利用已有电路模块，体现了快速设计的现代设计潮流。
2.2.1DF-MDV1.0模块参数
DF-MDV1.0模块各项参数如下：
·逻辑部分输入电压Vss：
6～7V
·驱动部分输入电压Vs：
4.8～46V
·逻辑部分工作电流Iss：
≤36mA
·驱动部分工作电流Io：
≤2A
·最大耗散功率：
25W（T=75℃）
·控制信号输入电平：
高电平：
2.3V≤Vin≤Vss
低电平：
-0.3V≤Vin≤1.5V
·工作温度：
-25℃～＋130℃
·驱动形式：
双路大功率H桥驱动
·模块尺寸：
43mm×45mm
·模块重量：
约25g
2.2.2电机模块接线设计
图2-8DF-MDV1.0原理图
如图2-9所示，在J1（如图2-10）处的GND和VS两处接上驱动电源，在M1和M2
（图2-11）处接相应的电机。
图2-9DF-MDV1.0布局图
图2-10J1
图2-11M1或M2
将J2（图2-12）处5V和VCC的两个针脚上插上跳线，芯片逻辑电源的+5V电压是
由三端稳压管提供（即为J1的5V和GND输入的6～7V被压降处理后的输出）。
在J3和J4
（图2-13）上连上相应的逻辑控制线。
再将逻辑电源和驱动电源共地。
图2-12J2
图2-13J3和J4
2.2.3散热
由于电机功率不大，因此虽然电机驱动芯片L298N易发热，但芯片发热量不大，为此不必为该系统设计专门的散热方案，只需自然散热即可。
2.3.2主电路设计
（1）方案选用
为了达到该电路的控制要求，可以有多种方案，其主要问题在于控制器的选择上。
机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置，它是机器人的心脏，决定了机器人性能的优劣。
从机器人控制算法的处理方式来看，可分为串行、并行两种结构类型。
①串行处理结构
所谓的串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理．对于这种类型的控制
器，从计算机结构、控制方式来划分，又可分为以下三种：
单CPU结构、集中控制方式；
二级CPU结构、主从式控制方式；多CPU结构、分布式控制方式（目前世界上大多数商品
化机器人控制器都是这种结构）。
以上几种类型的
升级会员 