遥控灭火机器人

1、1机器人概述1.1引言自1954年美国G.C. Devol发表了 “通用重复型机器人”专利论文和1958年美国Consolidated发表“数字控制机器人”论文，揭开了机器人研究的序幕以来，机器人科学取得了突飞猛进的发展。它现在己经发展 成为一门涉及到力学、电子学、计算机科学、控制理论、传感器技术、机械工程、仿生学和人工智能等诸 多学科领域的综合性学科。随着机器人技术的飞速发展，机器人被大量地应用于空间、海洋、军事、工业、农业、家庭以及医疗卫生等众多领域，用途越来越广泛。机器人的发展大致经过以下三代的演变：第一代是顺序控制机器人。它们是以1962年AMF公司和Unimation公司的“ Ver

2、satran”与Unimate”为起始产品，目前的应用已经普及化。这一代的机器人没有装配传感器，依靠人们给定的程序，重复进行各种操作。因为它们没有传感器的反馈信息，因此不能在作业过程中从外界不断获取信息，来改善其自身的行动品质，故应用范围和精度受到限制。第二代是具有简单的传感器反馈信息的机器人。它有若干传感器，能对自身的实际位置、 方向、速度、力、触觉等进行测量，能通过“视觉”、“触觉”等传感能力对外部环境进行实际探测，从而根据这些反馈 信息，在事先编好的算法和程序指导下对操作过程进行调整。第三代是能感知外界环境与对象物， 并具有对复杂信息进行准确处理， 对自己行为作出自主决策能力 的智能机器

3、人。它能识别景物 ；有触觉、视觉、力觉、听觉，味觉等多种感觉 ；能实现搜索、追踪、辨色和 识图等多种仿生动作；具有专家知识、语音功能和自学习能力等人工智能。遥操作机器人科学作为机器人科学的重要分支，一直得到了人们的广泛重视和关注。它的应用，在一定程度上将人类从一些危险、极限、不可达和不确定的环境中解放出来，人们希望能够在远距离遥操作机器人来完成一些人类不易或者不能完成的操作，例如：航空航天探测和试验，核工业生产，有毒以及易爆危险品的处理，地下、海底作业等等。在操作者和控制对象之间存在远距离跨度约束的情况下，遥操作机 器人技术可以实现人与机器人的同步交互操作，帮助人类实现感知能力和行为能力的延伸

4、，将操作者、机器人和控制对象闭合到一个环路中。使得人类可以不必亲临现场，而通过安装在机器人身上的各种传感器采集现场的有关数据、图像和语音，在经过适当的处理后有效可靠地将有关信息传递给操作者，在虚拟现实技术和网络视频技术的帮助下，操作者可以实时的获知机器人操作现场的情况，并克服传输过程中的时延，得心应手地在本地对远端的机器人进行操作，进而作用到操作现场达到交互控制操作对象的目的。1.2移动机器人作为机器人科学的一个重要组成部分，移动机器人一直都是机器人科学的研究热点之一，移动机器人能够移动到固定机器人无法到达的预定目标，完成设定的操作任务。近年来对移动机器人的研究受到重视，自主式移动机器人是研究

5、最多的一种。作为智能机器人的一种，自主式机器人能够按照预先给出的任务指令，根据已知的地图信息作出全局路径规划，并在行进过程中，不断感知周围环境信息，弓I导机器人自身 绕开障碍物，安全行驶到达指定目标，并执行要求的动作与操作。移动机器人就其运动方式来说，可以分为陆、海、空三类。对于陆地机器人来说，按照移动方式，又 可以划分成轮式移动机器人、步行移动机器人、蛇行机器人、履带式移动机器人、爬行机器人等几种，本1文将要研究的是陆地轮式移动机器人。移动机器人正在越来越受到世界各国的广泛关注，它在工业、民用、国防上都具有广泛的应用前景， 如清洗机器人、服务机器人、导游机器人、巡逻机器人、防化侦察机器人、水

6、下自主作业机器人、飞行机 器人等1.3遥控机器人遥控机器人是一种可在对人有害或人接近的环境里，代替人去完成一定任务的远距离操作设备，而正是这些危险,恶劣,有害环境推动了机器人的发展，我们的祖先用长柄夹钳去夹持烧红的铁块，进行锻打以免烫伤人手,这可以说是人类应用机器人的例子.1948年，美国阿尔汞实验室研制了一个应用于原子堆操作的反馈式遥操作机械式主从机械手M- I,这个就是遥控机器人的雏形。随着人工智能等相关学科的发展，遥控机器人科学取得了明显的进步。遥控机器人科学已经成为当前国际机器人领域的重要前沿课题，受到很多发达国家的重视， 例如美国、俄罗斯、日本以及欧盟等地的研究机构都是投入了巨资进行

7、遥控机器人的研究开发工作。遥控机器人的研究最早主要是应用于空间领域。美国的NASA的IME和JPL,日本宇航局，德国宇航研究院和欧洲空间局长期致力于该领域的研究，取得了丰硕的成果。其中代表性的成果有：美国NASA的火星探测器成功登陆火星并且进行了相关研究；德国的ROTEX舱内空间机器人系统在航天飞机的密封舱内进行了多种操作试验。随着我国“神舟号”飞船研究工作的成功推进，相信对于机器人的遥操作的研 究在我国也将取得令人瞩目的成功。遥控机器人在军事领域的应用也是一个很重要的方面。使用遥控机器人可以完成探雷、处理爆炸物、 侦察甚至作战等功能。其中使用遥控机器人进行爆炸物的排除己经广泛的应用到了警察的

8、反恐活动中。随着机器人科学的发展，遥控机器人作为工具，越来越深入人们的日常生活，被广泛的应用于医疗、 探测、消防、建筑、教育以及保安等诸多民用领域。在2002年引起了人们极大关注的埃及金字塔探秘活动就是在一个遥控机器人的协助之下进行的。相信遥控机器人在民用领域的研究一定会有着十分广阔的应用前景。近年来，计算机和通讯技术取得了飞速的发展，尤其是随着In ternet的高速发展和普及，计算机网络通讯技术在各个行业正在发挥着越来越大的作用，整个世界更加紧密的联系在了一起。基于网络的机器人控制就是利用网络实现远程的机器人控制。网络的传输速率、 时间迟延、数据丢失等因素是基于网络的机器人控制所面临的问题

9、，一些有效的处理方法和控制方案已经被应用到基于网络的机器人遥控中。互联网技术的飞速发展进一步促进了网络技术在机器人控制领域的应用。基于网络的机器人控制技术也从初期的简单的机器人遥控应用逐渐扩展到分布式机器人控制系统等研究领域。利用现有的In ternet技术实现对于机器人的控制是一项具有挑战性的工作，这一技术的应用将进一步丰富机器人远程控制手段，具有良好的发展趋势和广阔的应用前景2设计概述2.1设计任务本设计的任务是设计一个遥控灭火机器人，要求人通过手持遥控装置对移动机器人进行远距离控制，机器人能够按照人的意图实现前进、后退、左传、右转、停止来选择合适的路线，到达目的地（火源-本设计主要是针对

10、室内的蜡烛火源的灭火），然后人通过手持遥控装置遥操作启动/停止风扇（灭火装置）。扑灭火源。2.2设计方案2.2.1总体设计方案根据设计要求，遥控灭火机器人的设计主要由三部分组成：遥控发送部分，接收部分，灭火部分。方案确定采用以PIC16F84A为核心的的单片机控制系统实现对机器人的控制，总体设计如图2-1所示。红外线发送部分采用了一片PIC16F84A单片机，实现发送数据的编码，发送器有7个按钮，分别实现遥控机器人的前进、后退、左转、右转，以及安装在机器人身上的风扇的启动和停止，单片机对按钮的扫描、识别 和编码，然后通过红外线 LED把数据发送出去。接收部分也采用一片 PIC16F84A单片机

11、作为整个控制部分 的核心，实现对机器人的动作控制。接收模块接收到的数据通过PIC16F84A单片机的解码，把数据送到电机驱动芯片TA7257P或者风扇启动/停止部分，TA7257P则负责驱动直流电机 （DC电机）。机器人采用了两 片TA7257P电机驱动芯片，前进则两个 DC电机正转，后退则两个 DC电机反转，左转则左 DC电机停止， 右DC电机正转，右转则反之。灭火部分的设计很简单，只要在单片机一个引脚产生一个驱动信号就可以 了。图2-1总体结构框图2.2.2遥控发送部分的设计遥控发送部分是基于 PPM勺红外线通信方式，通信原理在后面的“设计基础”里有详细介绍，这套装 置适用各种机器人的遥控

12、操作，本设计为发送器准备了5个按钮，每个按钮对应一个移动机器人的动作，发送部分关键是它的数据格式，发送数据包括10位，每次发送十位数据，第1位为开始位（“ 1 ”），其后的4位为移动机器人的动作数据，最后的5位为停止数据（“ 01010”），每一位的发送时间大约为600us，为了防止发送端的误操作，当发送完1次数据后设置了 20ms的停止时间。2.2.3接收部分的设计在接收部分采用了以 PIC16F84A单片机为控制核心的控制系统，其关键技术也在于接收数据的处理， 在接收器的一侧，以发送数据的开始位为起始标志，从其后的4位中取得动作数据然后再判断停止位是否与“ 01010” 一致。如果停止位不

13、符，则放弃此动作数据，并回到接收待机状态。停止位也可以省略。但 抗干扰能力随之下降，将干扰信号认读成发送数据的可能性加大。比如，试验时甚至出现接收器上电后某动作始终动作的情况，可见，如果机器人遥控接收器将数据格式的停止位省略，同样可能在上电后出现意象不到的误操作。若要提高通信的可靠性，可以要求发送器重复 2次发送数据，接受器也反复2次校对接 收数据的方法。2.2.4灭火部分的设计灭火部分其实就是一个电风扇，电风扇的电源电路图是不与单片机联系的，但在本设计中就必须要单片机产生一个驱动信号，这里用三极管当电源驱动。RB4 口接三极管基极，在适当时候令单片机的接口产生一个+5V的信号，驱动电风扇。数

14、据总线B B接口适I/O接口3设计基础3.1单片机的应用领域及系统结构3.1.1单片机的概述及应用特点1.单片机的概述现代的计算机都是向巨型化、微型化、网络化及智能化发展。其中微型化是计算机发展的重要方向，把计算机的运算器、控制器、储存器、输入/输出接口四个组成部分集成在一个硅片内，于是就出现了一个大规模集成电路为主组成的微型计算机（MICROCOMPUTER单片机微型计算机，简称单片机，由于单片机的重要应用领域为智能化电子产品，一般需要嵌入仪器设备内，故又称嵌入式微控制器。微处理器（芯片）本身不是计算机，但它是小型计算机或微型计算机的控制和处理部分。微机则是具有完整的运算及控制功能的计算机，

15、它除了包括微处理器（CPUCENTRAL PROCESSING UNIT夕卜，还包括存储器、接口适配器（即输入/输出接口电路）以及输入/输出设备（I/O ）等。图3-1所示为微机的各个组成部分。其中，微处理器由控制器、运算器和若干个寄存器组成；I/O设备与微处理器的连接需要通过接口适配器（即I/O接口）；存储器是指微机内部的存储器（RAM ROM和EPROI等芯片）。2.单片机应用特点面向控制方面：单片机主要应用于控制领域，其结构及功能均按自动控制要求设计，又称微控器（MICROCONTROLLENIT, MC） 利用微控制器进行控制的技术称微控制技术。微控制技术通过对单片机 编程的方法代替模

16、拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，是对传统控制的一次革命。在线应用方面：在线应用就是一个单片机代替常规的模拟或数字控制电路，使其成为测控系统的一部在被控对象工作过程中实行实时检测，并实时控制。在线应用为实时测控提供了可能和方便。嵌入式应用方面：单片机在应用时通常装入到各种智能化产品中，所以又称嵌入式控制器 （EMBEDDED MICROCONTROLLER UNIMC）嵌入式使用使得单片机的应用十分灵活。另外，单片机还具有体积小、 成本底、速度快、使用灵活等特点。3.1.2单片机应用系统的结构1.基本系统单片机的基本系统也称最小系统，这种系统所选择的单片机内部资源已可以满足系统的硬件需求，

17、不需要外接存储器或I/O。2.扩展系统单片机的扩展系统通过单片机的并行扩展总线（地址总线、数据总线、控制总线）或串行扩展总线在 外部扩展程序存储器、数据存储器、I/O接口等以弥补单片机内部资源的不足。单片机的扩展系统结构如图3-2所示。图3-2单片机扩展系统结构图3.1.3单片机的应用领域及产品1. 单片机的应用领域目前单片机的应用已经深入到国民经济的各个领域，对各个行业的技术改造和更新换代起着重要的推动作用。由单片机的特点决定了单片机的主要应用领域一一智能机器人，智能仪器仪表、机电一体化、实 时控制、民用电子产品及国防工业等方面。智能机器人是一门综合性的学科，它集工程力学，机械制造， 电子技

18、术，自动控制等为一体而电子技术和自动控制技术是他的智能核心，单片机在这里发挥它的巨大作用。单片机价格低廉，体积小，而又具有计算机的一般功能，能嵌入到任何应用对象系统中，实现以智能 化为主要的控制目的。 对机器人技术中，无论是过程控制技术、 数据采集还是测控技术， 都离不开单片机。 随着电子计算机技术和信息技术的飞速发展，单片机在智能机器人领域将会越来越发挥它的巨大作用。2.单片机产品根据应用范围的不同，单片机分为通用型和专用型两种。通用型单片机是供广大用户选择使用的具有基本功能的芯片。它性能全面，适应性强，能满足多种控制的需要。但使用时用户必须进行二次开发：配备外围电路，芯片，同时编写程序。目

19、前世界上通用单片机芯片的主要生产厂商有：INTEL公司，MOTOROLA公司，PHILIPS公司，SIMENS公司等等。其中INTEL公司的单片机最具代表性，它的MCS-51系列应用最广。专用型单片机是专门针对某种特定产品而设计制造的特殊用途的单片机，不再需要二次设计，也不用进行功能开发。例如来电显示电话、全自动洗衣机、各种IC卡读写器上的单片机都是专用型单片机。3.2PIC单片机概述PIC （ Periphery In terface Chip ）系列单片机是美国Microchip 公司生产的产品。 PIC系列单片机以其独特的硬件系统和指令系统的设计，逐渐被广大工程设计人员采用，特别对于单片

20、机新手，更能充分感受到PIC单片机所具有的性能完善、功能强大、学习容易、开发应用方便、人机界面友好等突出优点。 本设计使用了 PIC单片机，这里简单介绍一下PIC单片机3.2.1 PIC系列微控制器系统结构PIC系列8位单片机为适应各种不同的用途，有多种型号可供选用。但是，尽管PIC单片机有不同的档次和型号，但其最基本的组成则大同小异。因此，在这里从型号PIC16F84的单片机入手，讨论其基本组成。PIC16F84是双列直插式（DIP）塑料封装，最大时钟频率可达4MHz PIC16F84单片机器件的主要组成部分如图3-3所示。PIC16F84虽然体积不大，但仍然是一个完整的计算机，它有一个中央

21、处理器（CPU，程序存储器（ROM数据存储器（RAM和两个输入/输出口（ I/O 口）图3-3 PIC微控制器系统结构322 PIC的种类PIC可分为基本产品、中档产品和高档产品三大类。基本PIC产品中，命令的字长（构成一个命令的位长度）为 12位，因此它的价格比较低，常用的型 号有 12C508、16C54 等。中档产品是指命令字长以14位为主的PIC微控制器。常见的型号有16F84A, 16F877A。高档产品的命令字长达到16位，属于高性能微控制器，常见的型号有18C44，18F452。在应用场合，若控制方式简单，就可以选用16F84A,若需要较高的性能，就可以选用16F877A。这两种

22、产品属于中档产品。表3.1给出它们基本功能的比较，可以看出，16F84Ade容量大，而且内部还藏有A/D转换器。表3.1基本功能的比较PIC程序内存SRAMEEPROM输入输出A/D参考价格型号/字/字节/字节端口 /字转换器引脚数/日元16F84A1K686413无1840016F877A8K36825633内置408003.2.3 PIC系列单片机的特点Microchip公司是一家集开发、研制和生产为一体的专业单片机芯片制造商，其产品综合应用系统设 计的思路，具有很强大技术特色。产品采用全新的流水线结构、单字节指令体系、嵌入Flash以及10位A/D转换器，使之具有卓越的性能，代表着单片发

23、展新的潮流。PIC系列单片机具有高、中、低 3个档次，可以满足不同用户开发的需要，适合在各个领域中的应用。PIC系列单片机具有如下特点：1.哈佛总线结构PIC系列单片机在普林斯顿体系结构和哈佛结构的基础上采用独特的哈佛总线结构，彻底将芯片内部的数据总线和指令总线分离，为采用不同的字节宽度、有效扩展指令的字长奠定了技术基础。PIC系列单片机哈佛总线结构如图3-4所示。该结构为实现指令提取和执行的“流水作业”提供结构保证，即在执行一条指令的同时又协同下一条指令的取指操作。两总线的分离，也为PIC单片机实现全部指令的单字节和单周期化创造条件，从而大大提高了 CPU执行指令的速度和工作效率。这里需要说

24、明一条指令执行时间的 概念，通常人们都说 PIC单片机一个指令周期执行一条指令，如果嵌入的时钟振荡频率为4MHz那么一个指令周期就是 1 S。但这样一个结论是建立在宏观分析的基础上，如果深究指令微观的执行过程，应 清晰地认识到一条指令分为取指过程和执行过程2个步骤，实际上执行一条指令的时间是2 s。图3-4 PIC系列单片机哈佛总线结构PIC系列单片机的程序、数据、堆栈三者各自采用互相独立的地址空间，前两者的地址访问需要用户特别注意4个分区的范围，而堆栈过程则不必参与和操心。2. RISC技术传统的 CISC（ Complex Instruction Set Compute-复杂指令集计算机）

25、结构有很大的弊端，即随着计算机技术的不断发展而引入新的复杂指令集，为了支持这些新增的指令功能，计算机的体系结构越来越复杂。1979年，美国伯克力分校提出了RISC技术（Reduced Instruction Set Computer- 精简指令集计算机）的概念。RISC技术并非只是简单地去减少指令，而是着眼于如何改善技术及的结构，更加简单合理的提高计算机的运算速度。PIC系列单片机的指令系统，由于采用精简指令RISC技术，优先选取使用频率最高的精简指令，避免复杂指令，以控制逻辑为主的设计理念。PIC16F8X单片机指令集系统只有35条指令，这对人们去有效掌握和理解指令系统的结构和应用程序的设计

26、带来很大的方便。此外，PIC系列单片机全部采用单字节指令，而且除4条判断转移指令发生间跳外均为单周期指令，执行速度较高。正是由于PIC系列单片机的数据总线和指令总线的有效分离，所以程序存储器和数据存储器都有各自独立的寻址空间。程序存储器的字长不再受约于8位一个字长，一般可以扩展到16位，因而同样取指，其工作效率要高的多，真正为指令的单字节化奠定了结构基础，随着长机器码指令的出现，过去所说的“字”不是通常所指8个二进制位组成的字节，而是特指PIC单片机的指令字节。PIC系列单片机各类档次具有不同的指令字节宽度，如PIC初级产品的指令字节为 12位，中级产品的指令字节为 14位，高级产品的指令字节

27、为16位；而它们的数据存储器都为8位宽度。3.指令特色PIC单片机的指令系统具有寻址方式简单和代码压缩率高等优点。寻址方式就是在指令中给出操作数的方法，不同单片机类型的寻址方式存在着很大的差异。PIC系列单片机的寻址方式共有4种，即寄存器间接寻址、立即数寻址、直接寻址和位寻址。与其他单片机相比，PIC系列单片机的寻址方式较为简单，比较容易掌握。同时，PIC系列单片机指令代码压缩率高，相同的程序存储器空间所能容纳有效指令的数 量较多。例如，1KB程序存储器空间，对于像MCS-51这样的单片机大约只能存放500多条指令，而对于PIC系列单片机则能够非常有效地利用存储器的空间，存放多达1024条指令

28、。4.功耗低由于PIC系列单片机采用 CMOS使其功率消耗极低，特别是 2004年已推出nW级器件，是目前世界上 最低功耗的单片机品种之一。其中有些特殊型号单片机，在工作模式下的耗电仅为几毫安；而在休眠模式下的耗电甚至到几微安以下。因此，PIC系列单片机的低功耗性能使得其在控制仪表以及在汽车电子中得到广泛的应用，尤其适用于野外移动仪表的控制以及户外免维修的控制系统。5.驱动能力强PIC系列单片机I/O端口驱动负载能力较强， 每个输出引脚可以驱动多达2025mA的负载，既能够高电平直接驱动发光二极管 LED光电耦合器、小型继电器等，也可以低电平直接驱动，这样可大大简化控 制电路。不过，请注意，每

29、个引脚的驱动能力并不表示端口引脚同时都具有这样的功效。一般端口总驱动 能力约6070mA而所有端口合计驱动电流小于200MA,详细数据可参考有关数据手册。6.同步串行数据传送方式在PIC系列单片机中，有些型号具有同步串行传送功能， 如PIC168X,可以满足I 2 2 C(主控/从控)和SPI (主控)总线要求。I 2 2 C (I nter In tegrated Circuit Bus)和 SOI(Serial Peripheral In terface)分别是Philips 公司和Motorola公司研制的2种广泛流行的串行总线标准，是一种在芯片和系统之间实现同 步串行数据的首选技术。目

30、前，不少外围器件开发商已经广泛采用这2种总线技术标准开发出通用模块式产品，例如：各类存储器、温度传感器、LCD驱动器和日历时钟芯片 RTC等。同时，这些技术也已在电视机、手机等电子产品中得到广泛应用。7.应用平台界面友好、开发方便Microchip 公司为用户提供了周全的技术方案，不管是对初学者还是后续的应用开发，都提供了完善 的硬件和软件支持，其包括各种档次的硬件仿真器和编程器。此外，Microchip公司还研制了多种版本的软件仿真器和软件集成开发环境 (MPLAB-IDE),可实现程序编写，模拟仿真和在线调试，为用户学习和实践， 应用与开发提供了相应的技术空间。借助于这套廉价的开发系统，用

31、户可以完成一些较低层次的电子产品开发。由此可见，对初次接触单片机的用户，PIC单片机是一种比较合适的选择方案。具有较高的技术性能和众多可选用的外围功能模块，替别是面向教学实验的开发型应用平台，界面友好、操作方便，更容易 被初学者所接受。8.程序存储器版本齐全Microchip公司提供的产品是一个单片机系列，可供选择的存储器类别和产品封装工艺的形式较多， 为产品的不同实验阶段和不同应用场合可提供一个全方位的选择内容和不同的性能档次。其产品主要有：EPROMS片。它是一种比较普通的可反复擦/写的程序存储器芯片，需要在紫外线下照射20min方能除去其中的信息内容。其一般适合科学研究实验，而且不是擦/

32、写十分频繁的场合。一次编程(OTP的EPROM芯片。它是在经历过一个产品实验周期后，又必须降低产品成本的 情况下使用。其一般合适小批量非定型产品，用户可以借助于专用设备自行完成程序的烧写过 程。掩模ROM型芯片。它是在经历过一个产品实验周期后，又必须降低产品成本的情况下使用。其 一般适合大批量定型产品，用户必须请芯片制造商借助于专用设备自行完成程序的烧写过程。E2 2 PROM或 Flash程序存储器。它与其他产品相比，价格比较昂贵，其最大优势在于在线进行 程序的反复擦/写，特别适合教学实验和程序调试开发初期的需要。3-5为引脚配置图。表3-2给出各引脚定义说明。RA2晰3 匚RA4./T0C

33、K1 亠一匚MCLRV55 * 匚RBQ/IINT 匚RB1亠亠匚RB2 一 匚RB3 匚S S 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0 01 1 111111 11111111 .1.1PO6FMAPO6FMA23456782345678 9 93 RA1H F?AO0SC1/CLK1N3-p- OSCCLKOUTJ J Vt3DVt3DJ-*RB7J RE6J RB5ZT+FRB43.3 PIC16F84A芯片介绍3.3.1 PIC的组成PIC16F84A是一个小型微控制器，有18条引脚，作为简单的控制用途，它的功能已经是足够的。图PDIR SOIC图3-5 PIC16

34、F84A单片机引脚布置表3-2 PIC16F84A 引脚的定义引脚编号名称说明1RA2双向I/O端口（端口的第2位）2RA3双向I/O端口（端口 A的第3位）3RA4/T0CKI双向I/O端口（端口 A的第4位）定时器时钟输入4MCLR复位5Vss接地（接电源的负接线端子）6RBO/INT双向I/O端口（端口 B的第0位），外部中断7RB1双向I/O端口（端口 B的第1位）8RB2双向I/O端口（端口 B的第2位）9RB3双向I/O端口（端口 B的第3位）10RB4双向I/O端口（端口 B的第4位）11RB5双向I/O端口（端口 B的第5位）12RB6双向I/O端口（端口 B的第6位）13RB

35、7双向I/O端口（端口 B的第7位）14VDD电源正极接线端子150SC2/CLK0UT时钟端口 216OSC1/CLKIN时钟端口 117RA0双向I/O端口（端口的第0位）18RA1双向I/O端口（端口的第1位）电源5V5V端口 AP盘Mnc16F84A16F84A共计13条引腳，A最大驱动电流B 8条。这些引脚可以分别设号。5V,应将它连接到产生工作时钟的石英振荡器或陶而PIC微控制器则是哈佛型结构。哈佛型结构的特 这样，虽然结构比诺伊曼型的复杂，但便于高速W表示暂存寄存器，它们对程序为使PIC16F84A正常运行，应该按照图3-6所示完成连接。端TB0-7图3-6 PIC16F84A的

36、连接16F84A微控制器的输入/输出引脚共计13条，其中端口 A 5条、端口定为输入或输出。一条引脚可驱动的最大电流为20mA或者说，各种传感器来的信号输入这些引脚，经PIC微控制器处理后，再从输出引脚向机器人传送动作信且工作用的电源（随工作频率、种类而异）为电压瓷振荡器。一般计算机的体系结构属于所谓的诺伊曼型结构，征在于存储程序的存储器与存储数据的存储器是分离的，处理。图3-7给出了 16F84A结构组成。其中，ALU表示算术逻辑运算器， 的运行都负有重要的任务。16F84A包含表3-3所示的4种存储器。表3-3 16F84A的存储器存储器功能数据长度 /位容量类型写入电源OFF时的数据状态

37、程序存储程序141024（ 1K）闪存ROMROM写入装置保持文件 寄存器由SFR与通用寄 存器组成868RAM程序命令消失数据存储数据864EEPROM程序命令 （经 SFR保持栈存储子程序 的返回地址138RAM程序命令（CALL消失存储程序的存储器是具有1K字容量的闪存只读存储器。PIC所有的每一个命令都为一个字长，所以16F84A可存储1024条命令。而且 PIC内藏的内存 ROM是一种电可擦可写的IC模块。14位1K程序计馥器斗数据存储器（EEFRDI）命令寄存器檯存器el文件寄存 器（EAM）0SC10SC2I/ORA4/T0CLKI三ffli地址图3-7 PIC16F84A的构造

38、下面来看看PIC输入/输出引脚的使用方法。使用I/O引脚时，将进行下列操作： 设置端口的引脚为输入端口或输出端口。 设置从端口输入引脚读取输入数据，或向端口输出引脚传送输出数据。例如，考虑若设置端口B的上4位为输入引脚，下 4位为输出引脚。端口 B的输入/输出设置靠叫做TEISB的8位寄存器完成。寄存器 TRISB的各位与端口 B的各位相比，比如，若把“ 0”写入TRISB,端口 B的对应位就被设置为输出引脚，反之，若把“1”写入TRISB,端口 B对应位就被设置为输入引脚（参见图3-8 ）。寄存器TRISB位于文件寄存器的 RAM存储单元第1列的86号地址，见图3-9。程序存储器（闷存KM）

39、FSR上电走时盟解码控制定时器STATUSV计时振誘=口 RAZ0RBDTMCLR看门牺迄时器电谄接逋复位眄钟起动 定时器位7位6位5位4位3位2位1位0TRISB111111110 ”输出 “1 ”输入地址0101020203030404SFRSFR / /0505OT08080909QAQA- 0B0B0C0C4P4P109匝8127136-PIC?1816F84A1图3-8输入/输出引脚的设置IlffiFIlffiFI11TFI11TFTIOTTIOTOfTlOlT-MGOfTlOlT-MGPCLPCLPCLSTATUSSTATUSSTATUSSTATUSFSHFSHFSRFSRTRIS

40、ATRISAFORTEFORTETRISBTRISB耒便用耒犊用EIEATAEIEATAEECOfflEECOfflElEl MRMREEJCDN2FCUTHFCUTHFCLATNFCLATNIFTCOKIffTCONIffTCON5M奇存器与第口列相同的通用地址有储单豆第Q列存储单元第I列飙8080日1 1返83& &4 485858686BTBT68688989站8B8BCCCFCF图3-9文件寄存器这些设置若用PIC汇编语言编写，就是如下程序;断口设置程序LISTP=PIC16F84A;指定使用的PICINCLUDE“P16F84A.INC”;指定读入设定文件 * * * * * * *

41、 * * * * * * * * * * * * *ORG0;存储程序的起始地址BSFSTATUS RPO;选择存储单元第1列MOVLWF0H;把11110000B送入 W寄存器中CLRFTRISB;设定端口 B输入输出BCFSTATUS RP0;选择存储单元第 0列CLRFPORTB;端口 B清零（从下4位输出0）REPEAT GOTOREPEAT；待机END;程序结束想使用端口时，与端口B的设置步骤相同，不过应该使用寄存器TRISA与PORTA勺下5位。使用PIC时，对图3-9所示的文件寄存器的上部（地址000B、808B）中的SFR（特殊功能寄存器）的操作具有重要意义。表 3-3给出了

42、SFR的一览表，在 SFR中地址0C4F可以作为RAM区域使用。PIC提供直接操作16F84A的汇编语言命令总共只有35条，如表3-4所示。表3-4 16F84A的命令命令的种类命令传送MOVF MOVWFSWAPF算术运算ADDWFSUBWF INCF, DECF逻辑运算ANDWF IORWF COMF XORWF循环移位RRF RLF转移INCFS Z CLRWSZ清除CLRF CLRW字节操作命令（以文件寄存器 的全部内容为对象）特殊NOP位操作BCF BSF位操作命令（以文件寄存器 的指定位为对象）转移BTFSC BTFSS传送MOVLW算术运算ADDLWSUBLW逻辑运算ANDLWI

43、ORLW XORLW转移CALL, GOTO RETURN RETLW RETFIE清除CLRWDT文字（数据）操作命令与控制命令控制SLEEP表3-3 SFR 览表地址名称7位6位5位4位3位2位1位第0位第0列00HINDFESR内部地址的数据存储器（物理意义上不存在）01HTMPO8位实时、时钟/计数器02HPCLPC的下8位03HSTATUSIRPRPIRPOTORDZDCC04HFSR间接数 据存储器地址指针05HPORTA一RA4/TOCKIRA3RA2RA1RA006HPORTARB7RB6RB5RB4RB3RB2RB1RB0/INT07H不使用，置为008HEEDATAEEPR

44、O数据寄存器09HEEADREEPROI地址寄存器0AHPCLATH一一一PC上位5位0BHINTCONGIEEEIETOIEINTERBIETOIFINTFRBIF第1列80HINDFFSR内部地址的数据存储器（物理意义上不存在）81HOPTION REGRBPUINTEDG TOCSTOSEPSAPS2PS1PS082HPCLPC下8位83HSTATUSIRPRPIRPOTOPDZDCC84HFSR间接数据存储器地址指针85HTRISTA PORTA数据输入输出设定寄存器86HTRISBPORT救据输入/输岀设置寄存器87H不使用，置为088HEECON1 EEIFWRERR WRENWR

45、RD89HEECON2EEPROI控制寄存器2 （无物理内存）8AHPCLATH向PC上 5位写入的缓冲器8BHINTCONGIEEEIETOIEINTERBIETOIFINTFRBIF3.4 红外遥控341红外线遥控系统人在远距离对机器人发送指令称为遥控操作，遥控操作可分为有线方式和无线方式两类从提高自主移动机器人的灵活性出发，采用无线方式更为便利。无线遥控装置有无线电、声波、光等多种形式，本论文采用红外遥控装置，电视机和空调器的遥控器 技术红外线的，其电路比较简单而且性能上佳。通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成，应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作，如图3-10所示。发射部分包

46、括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器；接受部分包括光、电转换放大器、解码、解码电路。图3-10红外遥控系统框图342红外线遥控装置的工作原理如图3-11 所示,红外线是波长约大于 770mn的不可见光，将发射红外线的发光二极管（LED）和感知图3-11光的颜色及波长红外线的接收组合在一起就可以实现红外线通信。图 3-8示。这种为“低电（b）所 现象被称 平激活”。1.红外线LED和接收模块图3-12红外线接收模块，图 3-13为红外线接收模块。遥控发射器专用芯片很多，东芝公司生产的TLN110是红外线LED,波长为940mn,适合遥控应用，红外线LED的接通装置非常简单，如图3-12（b）所

47、示，与普通红色或绿色LED不同的是人眼无法分辨红外线LED是否点亮工作了，使用过程中应注意不要超过最大电流，TLN110的直流正向电流的最大值为100mATLN105B也是一款与 TLN110规格基本的红外线 LEDb图3-12红外线LED(TLN110 )的实例红外线接收模块 TFK4（同类产品有CRVP1738）由接收PIN二极管，电压控制电路，带通滤波电路，解调电路等组成的集成电子单元在未接收到红外光线前它的输出为“1”，接收到红外光线后输出为“0”，如eCb）岌光电跖W实例外观图3-13红外线接收模块（TFK4）实例T/2=12.5(周期T1 1f 40 103 325( s)2521

48、2.5( s)(1)输出电压门丼 -f 1i _4 _60QU1560QU15600.ILE匚J低电平澈活2.基于PPM的红外线通信方式应用红外线接收模块通信时，必须将所使用的红外线设计成图 3-14所示的频率40kHz（CRVP1738频率 为38kHz）方波形式，即1秒内断续的发送红外线 4万次，这种调制方式被称为脉冲调制 （PPM。根据（1） 式可以计算出1个方波为“ 1”的时间为12.5 s。图3-14 频率为40kHz红外线当红外线接收模块输入“1”时是 12.5 s的间隔，红外线LED则以60 S的持续时间闪亮（向外发 送红外线）；当输入信号为“ 0”时，红外线LED持续停止工作6

49、00 S,图3-15表示向接收模块输入长度 为3位的信号“101 ”的实例，每一位的时间对应600 s,这是从接收模块规格表中查到的标准值。为了适应低电平激活的特点应该将输入信号反转后输出。当输入信号为“1”时，每个输入脉冲都是12.5 s方波，不过从接收模块输出的则是一个持续的600 s的方波，可见，红外 LED的40kHZ频率闪亮，而在接收模块的内置电路中得到平滑化。 图3-15接收模块的输入输出信号实例综上所述,在发送器一侧，应该根据被发送信号来控制红外线 LED的点亮和熄灭；而接收器一侧，应该 大约按照600 s的周期间隔读取接收模块的输出的信号 （参见图3-16）。在这样的电路中最好

50、采用 PIC微 控制器。5”“L接收檯块001 11 图3-16红外线通信方法3.5直流电机直流电机（DC电机）是日常生活中广泛使用的一个电气产品，好像人的肌肉一样，它是机器人中最重要的动力源。它常常与传感器组合起来使用，以便让机器人完成向给定位置移动或搬运某物体等动作。实现这样的动作，需要能进行转动控制和速度控制的电路，实际中通常采用微控制器和专用IC芯片。单独使用直流电机尚不能达到精确的定位控制，只有将它与旋转编码器组合起来，才能实现精确的位置控制和速度控制。3.5.1直流电机的组成及原理电机是我们的生活中不可或缺的动力源，常用的有交流电机和直流电机，机器人中作为控制对象的电机大都是靠电池

51、供给能源而转动的直流电机。图3-17是常用的3槽（极）直流电机的构造。在绕有线圈的铁心（转子）的外周，有相同数目的定子（永 久磁铁）相向包围。通过整流器的电刷转子断续地得到电流，转子与定子的永久磁铁反复相吸，相斥，结 果无论它们的相互位置如何，转子始终能够沿着一定的方向回转。妁按创QusQus间隔读取图3.17直流电机的构造图3-18解释了直流电机的工作原理，在永久磁铁（N S级）之间的线圈有电流通过时，产生电磁力，对应于永久磁铁产生的磁场，N极产生向上的力，S极产生向下的力，从而使线圈动作。结果导致线圈旋转。在线圈转动的同时，整流器也随之旋转， 这样就能保证电流流向的自动切换以便维持转子向同

52、一方向 的连续转动。于是，线圈中不断地产生相同方向的旋转力。根据弗莱明（Fleming ）左手法则，电机产生转矩，而电机一旦开始回转，就使线圈在磁场中转动， 再由弗莱明右手法则，应该有电压产生，称之为反电动势，外部所施加的电压克服反电动势，线圈中就有 电流流过。图3-18直流电机的工作原理直流电机中的电刷与整流器实际上属于机械接触，由于在转轴转动的过程中它们的接触状态不断发生变化，往往产生电气噪声，这可能成为诱发 CPU电路误动作的原因，因此为了克服噪声干扰，一般在电机 电源端子上并联一个电容器。直流电机的特点可归纳如下：可高速旋转，能取得大的起动转矩。对应于输入电压或输入电流有良好的线性，易

53、控制。由于存在机械触点，所以容易产生噪声而影响寿命。单独使用时不能完成位置控制。价格低廉。3.5.2直流电机的转动控制在本设计中，所采用的驱动芯片 （IC）是东芝株式会社制造的 TA7257P。下面就它的内部电路的组成、 功能以及使用方法加以说明。图3-19是专用的电路驱动IC,采用这样的驱动芯片，电路设计就会变得非常简单。Q转轴NL CINZGf cc CO别脚存号引1*符号说 丽1IN1IN1醤人引IVIV2IIM23 3OUT1OUT1住岀引4 4GNDGNDGNDGND5 5OUT2OUT2输岀砒6 6巧电机割414JE414JE引鼻7貯書饲申課申压引穿图3-20是这个芯片的结构框图。

54、图3-20 TA7257P结构框图TA7257P的控制方法是如果向引脚1、2施加表3.1中的信号，它就会按照规定的模式动作。如果引脚1(IN1),引脚2 (IN2)为1，则电机正转(取决于电机端子连接的+，-状态，也可以反转)。表3.2中给出了 TA7257P性能规格。它的工作电源电压范围VCC是618V。表3-5 TA7257P的功能IN1IN2OUT1OUT2模式11LL制动01LH正/反转10HL反/正转00高阻抗停止斑斷辭戏过电艇保护电略 V Vs s OIIT1OIIT1XCNDXCNDS0UT2S0UT2在IC驱动直流电机工作时，需要判断该电机是否符合表3-6所给出的额定范围。表3

55、-6 TA7257P最大额定值项目符号额定值单位最大VCC (max)25电源电压工作VCC (opr)18V峰值I O (PEAK)4.5输出电流均值I O (AVE.)1.5A需用功耗PD12.5W工作温度Topr-30 75C保存温度Tstg-55 150C有关直流电机额定值及特性等的相关数据和信息可以从生产厂家网页的产品样本目录中了解到。图3-21表示FA-130RA直流电机的特性。表 3-7是FA-130RA直流电机的有关参数2 2。753L L 500050002looau1-/r .1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1社率 申诡转译r(iJJ-I

56、D；i4A1iHiiniiiH HJ JH HJ JH H| |J JJ J| |fl|flJ J图3-21直流电机（FA-130RA）的特性+Ui78xxVinVoutGND+Uo=5VCin0.33uFCout0.1uF表3-7 FA-130RA直流电机的有关参数电压空载最大效率下型号工作范围(V)测试电压(V)转速(rpm)电流(A)转速(rpm)电流(A)力矩(g m)功率(w)效率(%)堵转力矩(g -m)FA-130RA21651.2-1.41.595000.2266000.6550.3436.117FA-130RA151552.4-4.03.085000.1065000.2650

57、.3342.7263.6三端集成稳压器78L05介绍三端集成稳压器具有体积小、精度高、使用方便、多功能保护、输出电流可扩展等特点。按其输出电 压情况可分为固定式和可调式两种。本设计采用三端固定输出稳压器中的正电压输出78系列的78L05。该稳压器内部设有过流，过热和调整管安全工作区保护电路，以防过载而损坏。用它来组成稳压电源只需很少的外围元件，电路非常简单，且安全可靠。该系列稳压器型号的78后面的数字代表该稳压器的输出电压值(V)。其前面还有一些英文字母，这通常为生产厂家(公司)的代号，其对实际使用没什么影响。按其最大输出电流又可分为78L-、78M-、78-三个子系列，最大输出电流分别对应为

58、100mA 500mA 1.5A。W78L05电路参数如下：输出电压Uo/V:5电压调整率Sv/%/V:0.084电流调整率 Sz/mV 5mA Io 1.5A噪声电压Un/ V：40最小压差Ui Uo/V:1.7输出电阻Ro/mQ：85输出温漂St/mV 1.0见图3-22是78L05的典型应用电路。IN4001LD图3-22 78L05的典型应用电路三端固定输出稳压器使用注意事项：(1 )分清三个引出脚：萨那端集成稳压器的输入，输出和接地端装错时很容易损坏。同时注意接地 端一定要焊接良好，防止出现稳压器浮地故障，这极移损坏输出端上的负载。(2)输出电压大于6V的稳压器，应在其输入，输出端接

59、保护二极管，可防止输入电压突然降低时, 输出电容对输出端放电引起稳压器的损坏。(3)正确选择输入电压范围：78057818的最大输入电压为 35V。使用时，要求加在稳压器输入端的电压最大值不能超过此值。同时要求稳压器输入与输出之间的电压差不得小于2V, 般应在5V左右。(4)保证散热良好：为保护稳压器和提高带负载，稳压器上应加合适的散热器。4具体设计4.1遥控灭火机器人的发送器图4-1为遥控灭火机器人发送器的电路图。图4-1遥控灭火机器人发送器电路图图4-2为发送的数据格式，如图4-2。由图4-2可知，在发送器一侧，每次发送十位数据，第1位为开始位（“1”，其后的4位为灭火机器人的动作数据，最

60、后的5位为停止数据（“ 01010”），每一位的发送时间大约为600US，为了防止发送端的误操作，当发送完1次数据后设置了 20ms的停止时间。以发送数据的开始位为起始标志，从其后的4位中取得动作数据然后再判断停止位是否与“01010” 一致。如果停止位不符，则放弃此动作数据，并回到接收待机状态。停止位也可以省略。但抗干扰能力随之下降，将干扰信号认读成发送数据的可能性加大。比如，试验时甚至出现接收器上电后某动作始终动作的情况，可见，如果机器人遥控接收器将数据格式的停止位省略，同样可能在上电后出现意象不到的误操作。若要提高通信的可靠性，可以要求发送器重复2次发送数据，接受器也反复2次校对接收数据