论文-基于单片机的击剑比赛防守性机器人系统设计在制作.doc

摘 要 本文主要描述击剑比赛防守性机器人的制作，它有如下功能：1、能够自主表演，同时配上音乐；2、能够采用人工控制的方式，在比剑时能更好的时时控制；3、电机采用的是4线反馈直流电机，反馈电路的设计是在电机反馈的正弦信号后加个光藕，得到可识别的离散高电平，然后接入89S52的I/O口，再用软件计数，可达到精确控制。本设计由AT89S52为控制核心，L293D芯片为电机驱动，2590语音芯片为主的音乐电路，其中包括详细的机器人结构的设计，电机的选用，控制电路的设计，动作的设计，还有程序的编辑这几方面的内容。本设计的主要特点：1、作品为人形机器人，用双足支撑方式；2、能模仿击剑运动员的一些基本防守动作。关键词：AT89S52；单片机；直流电机；L293D；2590；PWM；Abstract This paper describes the produce of fencing match defence robot mainly, it has following function: 1, can act on ones own to perform , at the same time match music; 2 the way that can be with man-days controled , in than sword can more good control often; 3, what generator adopts is the 4 line feedback machines of direct current, the design of feedback circuit is to add smooth lotus root after the sine signal of generator feedback , gets the dispersed high level that can distinguish , then receives into the mouth of I/O of 89 S52 , and then uses software to count, can reach accurate control. This design is generator drive by AT89S52 to control key, L293D chip, the music circuit mainly with the 2590 chips of speech sound in which includes the design of detailed robot structure, generator choose , the design of control circuit and the design of movement still have the content of this editor few aspects of program. The major characteristic of this design: 1 works behaviour shape robot, support way with two foots; 2, can imitate some basically defence movements of fencing athlete. Key words : AT89S52; SCM; DC Motor; L293D; 2590; PWM; 目 录1 设计概述21.1 作品特性21.2 系统概述21.3 控制原理设计21.4总体框图32 硬件设计42.1 机械部分42.1.1击剑机器人的下肢机械设计52.1.2防守性击剑机器人双脚的运动设计62.1.3下肢关节的设计82.1.4腰部转动的设计92.1.5上身即手臂的设计102.2 电气部分102.2.1控制板102.2.2最小系统112.2.3直流电机的驱动112.2.4PID算法的研究162.2.5PWM算法的应用202.2.6测速电路设计212.2.7电源的设计222.2.8按键的设计222.2.9在线代码下载电路233软件设计243.1 流程图设计243.2 子程序的编写254 结论与心得33谢 辞35参考文献36附录137总电路图37附录238总机械图38附录339总程序39附录443关于2590芯片的说明43附录545AT89C51/AT89S52性能简介45附录647遥控介绍47 梦想科技社区 /bbs 科技改变生活引言目前，随着现代科学技术的进步，一方面机器人作为人类有力的工具正向高级智能化方向发展。另一方面，随着机器人的相关支撑技术的不断完善，如新型传感器、新材料和新的通信方法等技术的应用，机器人应用领域也不断扩大。机器人在未来的发展中将会有如下的特征：1、机器人将更广泛的代替人从事各种生产作业，成为人类社会生产活动的“主劳动力”，人类将从繁重的、重复单调的有害健康和危险的生产劳动中解放出来，从而有更多的时间去学习、研究和创造。2、机器人将成为人类探索与开发宇宙、海洋和地下未知世界的有力工具3、机器人将在未来战争中发挥重要作用，如：机器人坦克、自主式地面车辆、扫雷机器人等，还有各种的武器管理系统或装置，他们的作用不是人类能够胜任的。4、机器人将用于提高人类的健康水平与生活质量，各种家政服务、园艺、导购机器人的应用将会更广泛，使得人类的生活更丰富多彩。图Y1 美国火星探测机器人图Y1为美国研究的火星探测机器人，太阳能供电，能够采集标本，收发信号还有个最大的特点是它能够检测障碍物，六个车轮都能够飞别升降，当遇到障碍物时，轮子能够沿着障碍物露出地面的轮廓运动，使得该机器人能够在恶劣的地形进行探测任务。它是人类一个外星球着陆探索的里程碑，也是人类机器人研究的智慧结晶，同时预示着机器人研究的无限前景。1 设计概述1.1 作品特性 A）机器人为类人机器人； B）机器人的双脚能够模仿击剑运动员的基本运动； C）腰部能够转动； D）上肢能够自动的做一系列击剑防守动作； E）能够用遥控来运行和停止； F）电源部分带智能警报； G）能边放音乐边表演；1.2 系统概述整个类人机器人开说关节主要有膝关节，大腿关节，腰部关节，颈部关节，肩膀关节和肘部关节，但对于击剑机器人，手部的运动部分较多，身体和脚部的移动较少分机械运动，而颈部、头部的运动可以忽略，故在驱动分配时用三个电机控制单臂的运动，双脚两个电机控制。由于电机的转速受电源的电压影响比较严重，而对于类人表演机器人来说大多数都是靠蓄电池提供电机驱动电压和驱动芯片电压。所以带改机器人电路中含有电源智能报警功能是非常有必要的。1.3 控制原理设计如1.3图所示，左边的是只是输入开关信号让机器人开机，然后机器人按照已经编好的程序自己做一系列表演的简单的框架图。右边的框架图是可以用遥控器给机器人输入想要的运动指令，然后机器人照做；遥控可采用如无线遥控模块采用微小型、低功耗、高速率 19.2K 无线收发数传 MODEM PTR2000。该无线收发模块主要有以下特性： 1 接收发射合一，体积微小，约 40mm*27mm*5mm。 2 工作频率为国际通用 433MHz，抗干扰能力强，工作电压 2.75.25v，功耗小。 3 工作最高速率可达 20k bit/s。 4具有两个频道，满足需要多信道工作的特殊场合。 PTR2000 模块共有七个引脚，分别定义如下： VCC：正电源，接 2.75.25V CS：频道选择，CS=0 选择工作频道 1，433 .92MHz，CS=1 选择工作频道 2，434.33MHz DO：数据输出；DI：数据输入；GND：电源地 PWR：节能控制，PWR=1 正常工作状态，PWR=0 待机微功耗状态 TXEN：发射接收控制，TXEN=1 时模块为发射状态，TXEN=0 时模块为接收状态但用遥控的话比线控多两个收发模块，和多一个单片机，两片收发模块一般不少于100元，故对遥控只做个简述请看附录6，在人工控制方面采用线控方式。开关信号微型计算机软件指令信号识别控制板电机驱动板块机器人自动表演方式接口板块电机和各个功能模块用遥控来控制机器人方式控制电路遥控发射电路控制子系统及其它部件接收电路模块图1.3 防守性击剑机器人的控制原理图1.4总体框图为了完成防守型机器人的的上述功能，总体框图如图1.5所示：信号输出模块信号的接收与识别电源部分AT89S52电机驱动电路模块MMMMMM语音控制模块图1.4防守机器人控制的总体框图2 硬件设计对于任何一个软件与硬件相结合的系统的设计过程，将其中的硬件设计与软件设计绝对分开是不可行的，因为它们之间有着密切的联系，我们在设计过程中必须把这两者结合在一起考虑。但要将一个已经设计好的系统清楚地介绍给读者，一个较好的办法就是把系统分为硬件和软件两部分并分别加以介绍。这就是这篇论文所采用的方法。2.1 机械部分 该防守性击剑机器人一共使用6个电机来对一些必要的关节进行控制，从而能够达到完成击剑的一些基本防守动作，大体的机械结构如下图2.1所示：图2.1 防守性击剑机器人总体轮廓图2.1.1击剑机器人的下肢机械设计直溜电机1、2飞别是击剑机器人双脚的驱动，单独控制其中一个电机就是单独控制该脚的前进与后退。击剑运动员在击剑比赛时，双脚的都是保持马步的姿势；而且比赛时前后脚基本不交换位置，尤其是防守方；因为前后脚交换位置需要的时间较多，虽然能够移动很大的距离，但在移动双脚交换的移动中却使得身体的灵活性失去；然而灵活性在击剑比赛中是胜败的决定性因素。故对本类人击剑机器人的双脚设计的构思是这样的：电机1所在的脚作为扎马步的前脚，故膝盖的关节是向前曲起；电机2所在的脚为扎马步的后脚；膝关节自然的弯曲，如我们跑步时用力蹬地的那条腿一样。具体如图2.1.1所示：图2.1.1 防守性击剑机器人下肢机械图现实中，保持马步的情况下，前进与后退的方法是这样的：前进时，后脚出力，前脚向前踏出一小步，然后后脚跟上；后退的时候是，前脚出力，后脚向后移动一小步，然后前脚也跟着后退，继续保持原来马步的形状。故对于此次设计的击2.1.2防守性击剑机器人双脚的运动设计前进的时候，直流电机1前进（设为正转），然后直流电机1停止，直流电机2正转，旋转角度与直流电机1一致时停止；后退的时候，直流电机2向后，即反转，然后直流电机2停止，直流电机1反转，跟上同直流电机2同样的旋转角度。具体如图2.1.2（a）到2.1.2（h）所示：击剑机器人前进步骤：图2.1.2（a） 前进步骤1图2.1.2（b） 前进步骤2图2.1.2（c） 前进步骤3图2.1.2（d） 前进步骤4击剑机器人后退的步骤，如图2.1.2（e）到2.1.2（h）所示：图2.1.2（e） 后退步骤1图2.1.2（f） 后退步骤2图2.1.2（g） 后退步骤3图2.1.2（h） 后退步骤42.1.3下肢关节的设计图2.1.3（a） 下肢关节设计图机器人的下肢主要起到支撑和转动的作用，如果要模仿人类的下肢关节就如图2.1.3（a）所示。但仔细研究后发现，由于无限制的关节有4个之多，如果再加上直流电机1、2的转动轴，那么就会造成太多的移动可能。经过考虑后把关节3，关节4固定，这样可活动的点就剩下,关节1，关节2，直流电机1的轴心和直流电机2的轴心，其中直流电机1和2的轴心连线永远比关节1和2的连线要大的多的，脚上再加两个万向轮，同时上部的重量都加在关节1和2的中心位置上，直流电机1和直流电机2的轴心位置由于地面和轮面的摩擦力的作用所以可以看成是固定的，那么整个下肢的支撑系统就构成一个类似金字塔形或梯台形如图2.1.3（b）所示：图2.1.3（b） 下肢支持系统这就做成了一个稳定的下肢支撑系统了。2.1.4腰部转动的设计 图2.1.4 防守性击剑机器人的腰部机械图腰部的设计思路是，作为人形机器人的腰部，主要做要是承接了上部的重量，设计的时候腰部能做到水平的转动最好，如果不能将会极大地影响整个机器人的平衡；所以尽量减少可变的环节，故在腰部转动的设计中不采用电机再经传动其他机构最后带动腰部的转动方式，而用电机直接转动腰部的设计如图2.1.4所示，但其中仍有可变环节：直流电机3的转轴和电机定子之间有一定的缝隙，这是可变环节一，还有就是直流电机3的转轴和转轴套筒也存在间隙。故腰部以上的转动是不可能完全的与髋部平行转动的，但对于我们这种表演性的击剑机器人来说稳定是足够的。2.1.5上身即手臂的设计图2.1.5 防守性击剑机器人的上身机械图如图2.1.5所示防守性击剑机器人的上身设计中，直流电机4的作用是让整个手臂能上下的运动，直流电机5的作用是使得整个手臂能够向内向外的运动，直流电机6的作用是让剑能够曲起和出击。2.2 电气部分 电气部分的设计主要是根据所要实现的功能考虑系统的可实现性、复杂性、费用以及如何对将要运行在其上的程序提供支持。一般来说，电气设计要和软件设计一起考虑，使其具有软件可实现性。当然，在这个环节没有必要将软件结构搞得十分清楚，这样会浪费大量的精力。我们可以只考虑将要与单片机外部交换数据的程序，比如有显示的话考虑显示子程序而先不必考虑PID子程序，因为它不直接和外部打交道。具体来说，硬件设计将完成对本控制系统各个框图的物理实现，以及如何分配单片机的I/O端口从而保证系统各个部分能够协调地工作。通常我们应先了解构建系统所需的器件的参数和性能指标。2.2.1控制板控制板的设计原则就是性能稳定，易于使用，便于扩展，方便调试。其设计首先要根据运行其上的程序的复杂性选择适当的微控制器，比如产生的代码很多的话就要选择存储空间大的微控制器，或者考虑扩展存储器。然后选择适当的处理速度，注意越高的速度越耗电。其次要选择基本的外围电路，比如电源电路、复位电路、显示电路、键盘电路以及用于扩充的接口电路等。2.2.2最小系统本次设计采用Atmel89s51作为控制器，这是艾特梅尔公司生产的广为人知的At89c51的替代品，At89c51已经停产。Atmel89s51与89c51完全兼容，并且支持更高的处理速度。89S51有较多的I/O口线，有两个定时计数器，两个外部中断，可以在线编程，因此选用此芯片作为控制器比较合适（在下一节里还会对此芯片做一简要介绍），可以用它来构建最小系统。由于此系统处理数据不算复杂，我们可以选用12MHz的晶振。单片机有三种复位电路：上电复位、按键电平复位、按键脉冲复位。本次设计采用按键脉冲复位方式。为保证单片机可靠复位脉冲宽度应大于两个机器周期（24个时钟周期）。最小系统如图2.2.2图2.2.2 单片机最小系统电路图2.2.3直流电机的驱动一个电动小车整体的运行性能，首先取决于它的电池系统和电机驱动系统。电动小车的驱动系统一般由控制器、功率变换器及电动机三个主要部分组成。电动小车的驱动不但要求电机驱动系统具有高转矩重量比、宽调速范围、高可靠性，而且电机的转矩-转速特性受电源功率的影响，这就要求驱动具有尽可能宽的高效率区。我们所使用的电机一般为直流电机，主要用到永磁直流电机、伺服电机及步进电机三种。直流电机的控制很简单，性能出众，直流电源也容易实现。直流电机驱动电路使用最广泛的就是H型全桥式电路，这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。它的基本原理图、结构如图2.2.3。全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态，Q1、Q4为一组，Q2、Q3为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。当Q1、Q4导通时，Q2、Q3关断，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动；当Q2、Q3导通时，Q1、Q4关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。在小车动作的过程中，我们要不断地使电机在四个象限之间切换，即在正 转和反转之间切换，也就是在Q1、Q4导通且Q2、Q3关断，到Q1、Q4关断且Q2、Q3导通，这两种状态之间转换。在这种情况下，理论上要求两组控制信号完全互补，但是，由于实际的开关器件都存在开通和关断时间，绝对的互补控制逻辑必然导致上下桥臂直通短路，比如在上桥臂关断的过程中，下桥臂导通了。因此，为了避免直通短路且保证各个开关管动作之间的协同 性和同步性，两组控制信号在理论上要求互为倒相的逻辑关系，而实际上却必须相差一个足够的死区时间，这个矫正过程既可以通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时，也可以通过软件实现。图2.2.3 直流电机H型驱动电路在控制系统中，通常用电枢电压作控制信号，电压的大小与电机的转速成正比，改变电压极性，电机运转方向也随之改变。根据电枢反应原理，电机转速公式为： （3.1）式中 U电枢端电压 I电枢电流 R电枢电路总电阻 K电机结构参数 磁极磁通量改变电机的转速，可通过改变电枢两端的电压来实现。图2.1.7是利用开关管对直流电机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形图。在图2.10中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，电机电枢两端的电压为Us，t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电枢两端电压变为0。t2秒后，栅极电压又变为高电平，开关管重复前面的动作过程。这样，对应着输入电平的高低，直流电动机电枢两端的电压波形图如图所示。电机电枢两端电压的平均值为：（3.2）式中，占空比，占空比表示在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值。的变化范围为01，由式可知，当电源两端电压不变的情况下，电枢端电压的平均值取决于占空比的大小。改变的大小就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。但实际的应用中还需加续流管等其它元件，图2.2.3（b）是一个实际的标准双极性PWM功率放大器。它是一个典型的H 型功放，四个功放管分别采用NPN型达林顿管TIP122和PNP型达林顿TIP127。PWM脉冲信号通过光电耦合4N35加到晶体管的输入端。4N35的作用是把控制电源和驱动电源隔离，以免驱动电源不稳定影响整个控制系统；同时，4N35的输出端还提供功放的基极驱动电流。图2.2.3（b） 标准的PWM功放电路系统工作过程如下：当PWM1端变为低电平且PWM2端为高电平时，功放管T2/T3导通。T1/T4截止，电机的电流从左到右，电机正转；反之反转。二极管D1、D2、D3、D4是续流二极管，在晶体管切换时提供电流通路，并联在二极管两端的电容电阻也起续流作用。目前，针对中小型PWM功放电路已经有现成的集成分立元件出售，由于所有的PWM功能集成在一块芯片上，使得这些集成分立器件可靠性高，性能好，使用方便。对原来的分立元件电路需要调定各种参数，麻烦又需要经验，故能用集成就用集成的为好。如图2.2.3（C）所示，采用市面易购的电机驱动芯片L293D，该芯片是利用TTL电平进行控制，对电机的操作方便，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正反转操作，很方便单片机的操作，亦能满足直流减速电机的要求。图2.2.3（c） L293D驱动电机电路电机驱动芯片L293D。L293D是著名的SGS公司的产品。为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，设计用来接收DTL或者TTL逻辑电平，驱动感性负载(比如继电器，直流和步进马达)，和开关电源晶体管。内部包含4通道逻辑驱动电路。其额定工作电流为1A，最大可达1.5A，Vss电压最小4.5V，最大可达36V；Vs电压最大值也是36V，经过实验，Vs电压应该比Vss电压高，否则有时会出现失控现象。表2.2.3是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系。表2.2.3 引脚和输出引脚的逻辑关系EN A（B） IN1（IN3） IN2（IN4）电机运行情况H H L 正转HL H 反转H同IN2（IN4） 同IN1（IN3）快速停止L X X 停止 图2.2.3（d） L293D的内部结构图L293D可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，亦能满足直流减速电机的大电流要求。调试时在依照上表，用程序输入对应的码值，能够实现对应的动作，调试通过。恒压恒流桥式1A驱动芯片L293D图2.2.3（d）是其内部逻辑框图图2.2.1（e）是其与51单片机连接的电路原理图图2.2.3（e） L293D与89C51连接驱动电机另外还要注意一点，电动机在启动时的电流很大，会引起电源波动。如果电动机和单片机系统共用一个电源，这将会对程序运行造成很大的影响。所以最好还是把这两者的供电电源分开。2.2.4PID算法的研究 现代的精确控制几乎都是用PID算法，按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为PID调节器，是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。PID调节器结构简单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。特别在工业过程中，由于控制对象的精确数学模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运用现代控制理论分析综合往往不能得到预期的效果，所以人们常采用 PID调节器，并根据经验进行在线参数整定。模拟PID调节器是一种线形调节器，这种调节器是将设定值w与实际输出值y进行比较构成控制偏差 （2.1）并将其比例、积分、微分通过线形组合构成控制量，如图2.2.4(a)所示。被控对象图2.2.4（a） 模拟PID控制在实际的应用中，根据对象的特性和控制要求，可以灵活地改变其结构，取其中的一部分环节构成控制规律。例如，比例（P）调节器、比例积分（PI）调节器、比例微分（PD）调节器，其阶越响应曲线如图2.2.4(b)所示。PID调节器的控制规律如下 （2.2）式中：K为比例系数，为积分时间，为微分时间，为控制量的基准，也就是e=0时的控制作用。在工业过程控制中，模拟PID调节器有电动、气动、压动等多种类型。这类模拟调节仪表是用硬件来实现PID调节规律的。自从计算机进入控制领域以来，用计算机软件来实现PID调节算法不但成为可能，而且具有更大的灵活性。图2.2.4(b)各种调节器的阶越响应曲线由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差计算控制量，因此式（2.2）中的积分和微分项不能直接准确计算，只能用数值计算的方法逼近。在采样时刻t=iT (T为采样周期)，式（2.2）所表示的PID调节规律可通过数值公式 （2.3）近似计算。如果采样周期T足够小，这种逼近可相当准确，被控过程与连续控制过程十分接近，我们把这种情况称为“准连续控制”。 式（2.3）表示的控制算法提供了执行机构的位置(如阀门开度)，所以称为位置式PID控制算法。当执行机构需要的不是控制量的绝对数值，而是其增量（例如去驱动步进电机）时，由式（2.3）可导出提供增量的PID控制算法着只要将式： （2.4）及 （2.5）相减就可以导出下面的公式 （2.6）式（2.6）称为增量式PID控制算法。式（2.6）也可进一步改写为： （2.7）其中：可见增量式算法只需要保持现时以前的3个时刻的偏差值即可。增量式PID算法与位置式相比，有下列优点：（1），位置式算法每次输出与整个过去状态有关，计算式中要用到过去偏差的累加值，容易产生较大的累计误差。而增量式只需计算增量，当存在误差或精度不足时，对控制量计算的影响较小。（2），控制从手动切换到自动时，必须首先将计算机的输出值设置为原始阀门开度，才能保证无冲击切换。如果采用增量算法，则由于式中不出现项，易于实现手动到自动的无冲击切换。此外，在计算机发生故障时，由于执行机构本身有寄存作用，故可仍然保持在原位。但是增量式PID算法也有不足之处：由于积分截断误差大，使系统存在静态误差；溢出的影响较大。式（2.6）在单片机上还是不容易实现，我们可以将其继续转换： （2.8）其中：为PID参数，为采样值，r为输入的设定值。PID控制器各校正环节的作用如下：（1）比例环节：及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。（2）积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。（3）微分环节：能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。PID参数整定在数字控制系统中，PID参数是影响调节品质的重要参数，闭环系统正式使用前，必须对PID参数进行整定，整定点通常设定在目标值。整定PID参数的原则:（1）要使控制系统的过程过渡时间尽量短（2）最大偏差和超调量要小（3）扰动作用后减幅振荡的次数尽量少整定的方法主要有：（1）理论整定法：所谓理论整定法是从PID调节规律的概念出发，根据对象的特性和控制准确度的要求从理论上得出各参数的整定数据。从PID的理论概念分析可知:要使过渡过程尽可能短,应选较小的P,较短的Ti和适量的Td要使超调量尽量小，使系统减幅振荡，应选较大的P,较长的Ti和尽可能短Td整定时既要满足前者，又不可忽视后者，从优选法的观点出发考虑到PID参数的折中选取，故将P和I整定到中间值,而D参数的整定应该根据炉体的具体使用情况而定。若在系统的调节过程中不会有过大的阶跃扰动出现,D应尽可能小,甚至不用（2）经验法：实际上是一种试凑法。PID参数预先放在哪里以及反复试凑的程序是经验法的核心,整定参数预先放置的位置要根据对象特性而定。试凑程序可先用P,再加I,最后再D。例如扩充临界比例度法、扩充响应曲线法，现场实验法等等都属于这种类型。在运用数字PID控制时，我们必须先选择一个合适的采样周期。对于采样周期的选择，由图2.2.4(c)可以看出，一个连续变化的信号，经采样后变成一个脉冲序列。由经验可知，采样频率越高，离散模拟信号越接近连续输入函数。但若采样频率过高，在实时控制系统中将会把许多宝贵的时间用在采样上，从而失去了实时控制的机会。为了使采样结果既不失真，又不会因采样频率太高而浪费时间，我们采用香农定理。图2.2.4(c) 脉冲采样图香农定理指出，如果是有限带宽信号，即, 而是的理想采样信号；若采样频率 （2.9）则一定可以由采样信号唯一地决定出原始信号,也就是说，若，则由可完全恢复。香农定理只给出了“有限带宽”时实现采样信号完全恢复模拟信号的最小频率为。但不是所有信号都是“有限带宽”，所以，在实际应用中，所取的实际采样频率f s比2f max大，一般f s必须至少取4f max。2.2.5PWM算法的应用PWM是英文脉冲宽度调制的首个字母缩写，是一种被广泛应用的调速技术，其示意图如图2.25。PWM输出的平均电压为：（2.10）其中，T为PWM周期，T1为高电平时间，T2为低电平时间，叫做占空比。对于pwm来说占空比是一个重要参数。以下4种方法都可以改变占空比的值。图2.2.5 PWM波形（1）定宽调频法 这种方法是保持t1不变，只改变t2，这种使周期T（或频率）也随之改变。（2）调宽调频法 这种方法是保持t2不变，而改变t1，这种使周期（或频率）也随之改变。 （3）调宽调频法 这种方法是同时改变t1，t2。这种使周期也随之改变。（4）定频调宽法这种方法是使用周期T（或频率）保持不变，而同时改变t1和t2。 前两种方法由于在调速时改变了控制脉冲的周期，当控制脉冲的频率与系统的固有频率接近时，就会引起振荡，所以应该尽量避免。PWM控制信号的产生方法有四种：(1) 分立元件组成的PWM信号发生器 这种方法是利用分立的电子元件组成的PWM信号电路。他是早期的方式，现在已经不用了。(2) 软件模拟法 利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚不断的输出高低电平来实现PWM波输出。这种方法要占用CPU的一定量时间。(3) 专用PWM集成电路 从PWM控制技术出现之日起，就有芯片制造商生产专用的PWM集成电路芯片，现在市场上已有许多种。这些芯片除了有信号发生功能外，还有“死区”调节功能，保护功能。在用单片机控制直流电动机中，使用专用PWM集成电路可以减轻单片机负担，工作更可靠，但价格贵。(4) 单片机的PWM口 新一代的单片机增加了许多功能，其中包括PWM功能。单片机通过初始化设置，使其能自动地发出PWM脉冲波，只有改变占空比时，CPU才进行干预。但价格比较贵。以上介绍的这些知识在相关的资料上都能够找到，之所以把它们综合在一起是考虑到这样做有利于读者节省时间并更好地理解这篇文章和作者的设计意图与方法。这只是一个简单介绍，如果有哪些地方介绍得不够清楚，读者可以查阅相关的书籍或者资料。2.2.6测速电路设计测速电路如图2.19。要完成测速工作，我们需要知道车轮的转速或者车轮旋转一周所用的时间。本次设计所采用的方法是：在黑色的橡胶车轮上刷上一条白线，传感器正对着车轮，车轮在转动时，输出端就会输出脉冲信号。具体来说，黑色的物体不反光，所以只有在白线经过时传感器才导通并输出一定的电压，这时三极管将导通，并在c极输出一个低电平。图中电阻R2为一可调电阻，调节其阻值可改变检测的灵敏度，当然，灵敏度越高越容易受到干扰。电容C1和R2并联构成低通滤波器，防止高频干扰。C1、R2值的选取和小车的最高转速有关。T=C1*R2应该小于车轮旋转一周的时间。三极管在这里起到对信号的放大整形的作用。输出信号可以接在单片机的P3.2口，即外部中断0的输入口。测速原理将在软件设计时详细介绍。图2.2.6(a) 测速电路本次研究老师提供的是四线反馈直流电机一共有4根导线与直流电机相连，两根是直流电机的电源线另外的两根则是反馈线，这两根反馈线的作用是直流电机转动时反馈正弦波，直流电机每转一圈就反馈一个周期的正弦波，我们使用的四线直流电机是自带减速箱的，减速比为100:1,即直流电机转100转，经过减速箱之后输出一转，在12V驱动电源下，四线反馈直流电机每分钟对外输出35转，反馈3500个周期的正弦波。所以我们只需要数出正弦波的个数就能够知道电机的具体位置，具体操作是：滞留反馈电机输出一转的时间是60/35=1.714286s，每输出一转就回馈100个正弦波，则每个正弦波的时间是1.714286/100=0.01714286s，也就是每个正弦波的周期是17ms。如图2.3.2所示，p2.4口经过光藕后能收到的是一段一段的电平信号，能识别的电平时间长度是17/2，即8.5毫秒。具体的反馈说明在后面程序编写时说明图2.2.6(b) 电机的速度反馈电路2.2.7电源的设计图2.2.7 芯片电源的设计该机器人的设计时，用双电源，其中一个12V的蓄电池为电机提供驱动电压，另一个12V的为单片机和L293D及其他芯片提供5V的电压，电路原理图的设计如图2.2.5所示。2.2.8按键的设计按键选用微动开关如图2.2.8(b)所示，开关按下时的波形如图2.2.8(a)所示，可见开关按下时并不是立刻变为低电平，而在由高电平到低电平的变化过程中会出现毛刺，因此在一次的按下过程中单片机可能不是认为是只按下一次而是错误地认为已按下多次。因此在键盘处理程序中要加延时去抖动程序。 图2.2.8(a) 按键波形图 图2.2.8(b)按键外形图遥控电路的按键设计如图2.2.8(c)所示，K5，K6控制机器人的前进和后退，K7，图2.2.8(c) 按键电路K8控制机器人的左右格档。2.2.9在线代码下载电路Atmel89Sxx芯片都具有在线编程功能（In-System Programming），其串行编程模式更是容易操作，其编程电路如图2.9所示。在图2.9中，P1.5是指令串行输入端，P1.6是数据串行输出端，P1.7是编程时钟信号输入端，注意，编程时钟信号的频率应该低于晶振频率的1/16，即，如果选用的晶振频率为33MHz，编程时钟信号的频率则不能超过2MHz。如果要将其和电脑连接实现在线编程则还需要外加一些电路。通常的做法是用MAX232芯片实现单片机TTL电平到电脑RS232电平之间的转换，从而进行通信。这里给出一种更为简单的连接方式，可以不用MAX232芯片，其电路如图2.10。将DB25插头接在电脑上，通过电阻分压，P1.5P1.7和RESET端高电平时电压在4.8V左右，这时就可以烧写.Hex文件了（当然需要软件支持）。本次设计将单片机的烧写电路直接做在控制板上，用起来十分方便，不用拆芯片，为以后的程序调试提供了很好的支持，加快了程序开发的速度。图2.2.9 (a) AT89s51串行编程模式图2.2.9(b) 在线代码下载电路3 软件设计在编写程序前我们至少要考虑两个问题：第一，采用何种语言；第二，选用哪一种编程软件作为开发平台。单片机的编程语言大致有两种，汇编语言和C语言。汇编语言是低级语言，C语言是高级语言。本次设计采用C语言是因为它更有利于开发和维护，节省开发时间并减少工作量。然后，选用Keil C51作为开发平台。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。比如，C语言可以让开发者不必过多地关心运算如何实现等等一些底层的东西，而只考虑用语言直接去实现系统功能。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。3.1 流程图设计做完了以上的两步，我们还不能马上就写程序。通常我们还应该对程序的总的结构作一个规划，以使我们能够从总体上把握它。程序的结构化水平以及合理性很大程度上受制于这一步。一般采用流程图来表示程序的结构如图3.1所示开始初始化设置P3.4高或低动作2（后退）动作1（前进）动作4（右格档）自主表演模式：0.腰部左扭腰72度，2次；右扭腰，2次；左右各1次1.启动2590语音芯片，放音；2.后退一步；左格档一下；3.回到原位；4.后退一步；右格档一下；5.回到原位；6.后退一步；左格档一下；再后退一步，右格档一下；7.回到原位，即前进两步。结束P3.0是否为1动作3（左格档）P3.2是否为1P3.1是否为1P3.3是否为1是i否否否否是是是是图3.1 总程序结构框图3.2 子程序的编写延时1毫秒子程序：/功能：利用循环达到延时作用/参数：count:次数 总延时为1ms*次数/-void delay1ms（word count）/晶振=12Mhz char i,j;fori=0,icount;i+ forj=0;j120;j+ ;反馈子程序/功能：对反馈脉冲进行计数，达到准确控制电机转动3.6度的效果/原理：电机的反馈线分别经过光藕得到7.5毫秒的可辨别高电平，每个电平对应电机转动了3.6度，对电平计数即可得到角度。/参数：count：次数 转动的角度为3.6*次数/-void feedback1（int count）/电机1的是否走了count*3.6度的判断 int i;if(i=0,icount) if(p2=ox01)/对p20口，可辨别高电平的辨别 delay1ms(7); if(p2=ox01)i+; p0=0;/将p0，p1口制0 p1=0; void feedback2（int count）/电机2的是否走了count*3.6度的判断 int i;if(i=0,icount) if(p2=ox02) /对p21口，可辨别高电平的辨别 delay1ms(7); if(p2=ox02)i+; p0=0;/将p0，p1口制0 p1=0; void feedback3（int count）/电机3的是否走了count*3.6度的判断 int i;if(i=0,icount) if(p2=ox04) /对p22口，可辨别高电平的辨别 delay1ms(7); if(p2=ox04)i+; p0=0;/将p0，p1口制0 p1=0; void feedback4（int count）/电机4的是否走了count*3.6度的判断 int i;if(i=0,icount) if(p2=ox08) /对p23口，可辨别高电平的辨别 delay1ms(7); if(p2=ox08)i+; p0=0;/将p0，p1口制0 p1=0; 动作1（前进）：电机1正转90度，后电机2正转90度。viod action1()p0_0=1;p0_1=0;feebback1(25);p0_2=1;p0_3=0;feebback2(25);判断电机2是否够90度将P0,P1口制0P0=0;P1=0P0=0电机2正转P02=1，P03=0电机1正转，P00=1，P01=0判断电机1是否够90度否是否是图3.2（a）动作1方框图动作2（后退）：电机2反转90度，电机1反转90度判断电机1是否够90度将P0,P1口制0P0=0;P1=0P02=0，P03=0；电机1反转P00=0，P01=1；电机2反转，P02=0，P03=1判断电机2是否够90度否是否是viod action2()p0_2=0;p0_3=1;feebback2(25);p0_0=0;p0_1=1;feebback1(25);图3.2（b） 动作2方框图动作3（左格档）1.电机4上旋（正转）36度，2.电机4上旋（正转）36度同时电机5外旋（正转）36度，电机电机6下旋（反转）36度，然后回到预备姿势及，1.电机4，5反转36度，电机6正转36度，2.电机4反转36度。电机4正转P06=1，P07=0；电机5正转P10=1，P11=0；电机6反转P12=0，P13=1；电机4正转，P06=1，P07=0判断电机4是否够36度是