伺服小车控制系统的设置.docx

1、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 360 o ，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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、。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，

10、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Issac Asimov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

11、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

12、、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360 o ，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

13、作要求。2.1 AT89S51 单片机简介AT89S51 是美国 ATMEL 公司生产的低功耗，高性能 CMOS 8 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：u199

14、82X MCS51 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4.05.5V 的工作电压范围u20840X静态工作模式：0Hz33MHzu19977X级程序加密锁128 X 8 字节内部 RAM32 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 2-1 AT89S51 引脚图 2.1.1 AT89S51 功能概述AT89S51 提供以下标准功能：

15、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 2-3 MCS-51 系列单片机内部

16、组成结构框图图 2-2 MCS-51 系列单片机功能结构框图 2.1.2 AT89S51 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

17、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P1.5MOSI (用于ISP编程）P1.6MISO （用于ISP功能）P1.7SCK （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

18、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

19、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 SFR AUXR 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 2-1 P3 口第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD (串入输

20、入口）P3.1TXD （串行输出口）P3.2INT 0 （外部中断0）P3.3INT 1 （外部中断1）P3.4TO （定时|计时器0）P3.5T1 （定时|计时器0）P3.6WR （外部数据存储器写选通）P3.7RD （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(

21、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

22、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。MCS5l 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

23、振荡电路(单级反相放大器)的输出端。MCS5l 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MCS51 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 2060pF之间任意选择

24、，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MCS51 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 2-4 MCS-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 MCS51 单片机的外部控制信号端子有 6

25、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MCS51 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，MCS51 单片机的复位功能是不可缺少的，复位即是所谓

26、的冷、热启动，MCS51 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：MCS51 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，P0P3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

27、数器PC均被清 0。表 2-2 51 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pc000HP0P3OFFHTL000HAcc00HIPXXX000TH100HB00HIE0XX000TL100HPSW00HTMOD00HSCON00HSP0HTCON00HSBUF不定DPTR000HTH000HPCON00xx000 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-MD V1.0 模块，该模块采用了 LGS 公司优秀的大功率电

28、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-MD V1.0 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。2.2.1 DF-MD V1.0 模块参数DF-MD V1.0 模块各项参数如下：逻辑部分输入电压 Vss：67V驱动部分输入电压 Vs：4.846V 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：2.3VVinVss低电平：-0.3VVin1.5V工作温度：-25130驱动形式：双路大功率 H 桥驱

29、动模块尺寸：43 mm 45mm 模块重量：约 25g2.2.2 电机模块接线设计 图 2-8DF-MD V1.0 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 2-9 DF-MD V1.0 布局图 图 2-10 J1 图 2-11 M1 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 67V 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

30、将逻辑电源和驱动电源共地。图 2-12 J2 图 2-13 J3 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。 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