單片機(jī)機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究

亞庫(kù)甫江·塔依爾 庾新江 陳平

一、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用的是AT89C51單片機(jī)來(lái)控制一個(gè)單片機(jī)機(jī)器人，該機(jī)器人主要由車體部分和手臂部分組成，車體部分由兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)輪、一個(gè)從動(dòng)輪和底盤等機(jī)構(gòu)組成，手臂部分由兩個(gè)獨(dú)立的電機(jī)控制，可以抓東西，上下抬東西，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)相同的主動(dòng)電機(jī)來(lái)控制。

1.AT89C51 單片機(jī)簡(jiǎn)介

AT89C51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4Kbytes的可系統(tǒng)變成的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器。它集 Flash 程序存儲(chǔ)器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用 8 位微處理器于單片芯片中，AT89C51 單片機(jī)可提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，也可引用于各種控制領(lǐng)域。

2.AT89C51 主要引腳功能說(shuō)明

Vcc：電源電壓

GND：地

P0口是一組邏輯開路型雙向 I/O 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，沒位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯門電路，對(duì)端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。

P1口、P2口、P3口都是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。P1、P2、P3的輸出緩沖級(jí)都可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。RST：復(fù)位輸入。

XTAL1：震蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。

XTAL2：震蕩器反相放大器的輸出端。

3.系統(tǒng)時(shí)鐘電路

內(nèi)時(shí)鐘方式：MCS—51單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生方式是利用芯片內(nèi)部的單級(jí)反相放大器振蕩電路。在XTAL1和XTAL2兩端子上外接定時(shí)元件產(chǎn)生自激振蕩來(lái)形成系統(tǒng)時(shí)鐘的。

4.復(fù)位電路

同任何微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)一樣，MCS—51 單片機(jī)的復(fù)位功能是不可缺少的，復(fù)位的作用是使單片機(jī)初始化，即通過(guò)復(fù)位把單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部分恢復(fù)到預(yù)先已知的特定狀態(tài)。

5.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

該直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用ST公司的L298N典型雙H橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，可用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)或雙極性步進(jìn)電機(jī)，此驅(qū)動(dòng)板體積小，重量輕，具有強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力。如圖所示SM-L298N-V1.0 模塊。

二、控制電路設(shè)計(jì)

1.總控制流程圖

下面的圖是主程序的控制流程圖。在主控程序循環(huán)中掃描是否有按鍵按下，若有，則做出相應(yīng)的反應(yīng)：若按下 K1、K2 、K3、K4鍵機(jī)器人做相應(yīng)的動(dòng)作前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)；若按K5、K6、K7、K8按鈕，我們可以控制機(jī)器人的手臂。

2主電路版設(shè)計(jì)

由于我們的系統(tǒng)對(duì)運(yùn)算速度要求并不高，綜合考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，我們采用了串行處理結(jié)構(gòu)。邏輯控制芯片采用性能穩(wěn)定價(jià)格低廉的 AT89C51，既保證了較佳的穩(wěn)定性又降低了價(jià)格便于推廣應(yīng)用。

3.操作手柄設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)中采用了獨(dú)立式按鍵。獨(dú)立式按鍵是指直接用 I/O 口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路。每個(gè)獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占有一根I/O 口線，每根 I/O 口線的工作狀態(tài)不會(huì)影響其它 I/O 口線的工作狀態(tài)。獨(dú)立式按鍵電路如右圖所示。

4.控制電路

單片機(jī)機(jī)器人控制系統(tǒng)由AT89VC51單片機(jī) 、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、按鍵輸入模塊組成。

右邊的圖是單片機(jī)機(jī)器人的控制系統(tǒng)電路圖。

單片機(jī)機(jī)器人的控制系統(tǒng)電路圖的控制原理如下：按下任意 K1、K2、K3、K4，K5，K6，K7，K8按鍵后，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。

三、控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)

1.程序流程圖

在控制程序循環(huán)中掃描按鍵 K1、K2、K3、K4、K5、K6、K7、K8、判斷是否有按鍵按下，若有按鍵按下做出相應(yīng)的動(dòng)作。

2.控制程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制程序用匯編語(yǔ)言C語(yǔ)言來(lái)編程的。AT89C51單片機(jī)的P0.0～P0.7口作為L(zhǎng)298N電機(jī)控制模塊的控制信號(hào)輸入口，P0.0～P0.3口控制機(jī)器人行駛動(dòng)作、P2.0～P2.7口作為遙控控制信號(hào)的輸入端，P2.0～P2.3口連接方向按鍵，P2.4～P2.7口控制手臂部分的電機(jī)。

四、實(shí)驗(yàn)與調(diào)試

該階段是一個(gè)艱苦而漫長(zhǎng)的過(guò)程，因?yàn)槭堑谝淮螐氖略搯纹瑱C(jī)機(jī)器人的制作，因此制作的過(guò)程就是一個(gè)不斷試驗(yàn)探索的過(guò)程。

1.利用 Proteus Pro V7.5 SP3 進(jìn)行電路圖的繪制和方針

Proteus Pro V7.5 SP3具有設(shè)計(jì)靈活，結(jié)果，過(guò)程的統(tǒng)一特點(diǎn)。可使用設(shè)計(jì)時(shí)間大為縮短，可以降低工程制造的風(fēng)險(xiǎn)。本次設(shè)計(jì)利用了Proteus Pro V7.5 SP3功能模塊之一的電路原理設(shè)計(jì)，畫出了控制系統(tǒng)的原理圖。

2.程序的編寫調(diào)試

Keil 編譯軟件是由南京偉煌電子開發(fā)的一個(gè)單片機(jī)學(xué)習(xí)軟件，它既提供了一個(gè)程序編寫的平臺(tái)，又有相應(yīng)的軟件把編輯好的程序編譯成單片機(jī)能識(shí)別的機(jī)器碼，然后通過(guò)其配套的下載裝置（Stc-Isp-V4.79）燒錄到芯片上。