单片机应用系统设计-四足步行器

1、单片机应用系统课程设计目 录一 引言-3;课题应用相关调研-3;二 单片机基本原理-3;STC11F02E单片机简介-3;三硬件电路设计-4; 1.电路组成-4; 2.芯片分析-6; 3.LN298N驱动模块-8; 4. 直流电机模块-10;四软件设计-14; 1.资源配置-15; 2.流程图-16; 3.源程序-17; 4STC单片机程序烧录-18;五安装与调试-19; 1.电路板原理图-20; 2.手工制版图-20; 3.安装元件-20; 4.焊接工艺-20; 5.系统调试-21;六 心得体会-21.一、引言上帝赐予我们人类最美好的礼物，是一颗可以创造新事物的头脑。随着高新技术的发展，各种

2、类型的军用、工业机器人已经大量涌现，一些技术发达的国家相继研制了智能程度高、动作灵活、应用广泛的机器人。就算在恶劣的环境下，机器人的承受能力大大超过载人系统，并且能完成许多载人系统无法完成的工作。众所周知，步行比轮式移动要复杂得多，步行机器人是利用运动的步行方式来实现类似于动物那样的移动四足步行器作为仿生机器人的一种重要组成部分，在国内取得了广泛的研究。文中介绍了四组步行器行走原理、结构组成、控制系统和控制程序。目前，研制的四足步行器的腿部机构形成主要有缩放机构、四连杆机构、并联机构、平行杆机构、多关节串联机构和缓冲型虚拟弹簧腿机构。我们本次的设计是通过四连杆来作为腿部机构，通过电机发动带动齿

3、轮来使连杆运动。四脚爬行器由香港理工大学的郑继昌教授所设计。其组成部分是机械零件和电子电路驱动。机械部分由各种铝质的小零件组装而成，组成了四脚爬行器的躯干，电子电路部分由电机板和单片机板组成的驱动电路控制。其工作原理是：总动力源是电动机，电动机带动一组齿轮运动，齿轮带动一系列的连杆做连杆运动，从而实现前进、后退的运动。整个控制系统由五个部分组成：单片机模块，驱动模块，底板，无线接收模块，电机模块。二、单片机基本原理（一）STC11F02E单片机简介 STC11F02E是宏晶科技设计生产的STC1110xx系列单片机之一，其特点为：高速，1个时钟机器周期，增强型8051内核，速度比普通 8051

4、快812倍；宽电压，5541V37V；低功耗设计；工作频率，035MHz，具有2kB的片内Flash程序存储器、2kB的 EEPROM存储器和256kB的片内SRAM数据存储器，体积小价格低廉。 STC11/10xx系列单片机是宏晶科技设计生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容8051，但速度快812倍，内部集成高可靠复位电路，针对高速通信，智能控制，强干扰场合。 STC11/10xx系列单片机的定时器0/定时器1/串行口与传统8051兼容，增加了独立波特率发生器，省去了定时器2。传统8051的111条指令执行速度全面提速，最

5、快的指令快24倍，最慢的指令快3倍。STC11F02E的铭牌解读：STC 1T 8051，同样的工作频率时，速度是普通8051的812倍，F：5.5V4.1V/3.7V（4.1V或3.7V为可选低压复位门槛电压），02：2K字节，E：有内部EEPROM.三、硬件电路设计1.电路组成1）整个控制系统由五个部分组成：单片机模块，驱动模块，底板，无线接收模块，电机模块。*图（2-1）：四足步行器控制板 *图（2-2）：四足步行器控制系统电路图*图（2-3）：四足步行器控制板2）时钟电路的设计，时钟电路是产生CPU校准时序，是单片机的控制核心。单片机的时钟信号可通过内部震荡方式和外部震荡方式两种方式得

6、到。本次设计使用的是片内震荡方式，通过外接12MHz的晶振来实现时钟电路的时序控制。在使用片内震荡器时，XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入端和输出端。外接晶体以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。当使用外部时钟驱动时，XTAL2引脚应悬空，而由XTAL1引脚上的信号驱动，或者XTAL1引脚应悬空，而由XTAL2引脚上的信号驱动。外部震荡器再通过一个2分频的触发器来形成内部时钟所需要的信号。在电容器C1、C2选择时方面，一般选择其值为530pF。 时钟电路 复位电路的设计，通常由上电复位和开关复位2种基本形式。本系统使用上电复位。2.芯片分析 1）集成驱动芯片L2

7、98N，其引脚和功能如图所示： 2) STC11F02E特性：*高速：1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快612倍*宽电压：5.54.1V/3.7V，2.1/2.43.6V（STC11L系列）*低功耗设计：空闲模式（可由任意一个中断唤醒）*低功耗设计：掉电模式（可由任意一个外部中断唤醒，可支持下降沿/低电平和远程唤醒，STC11xx系列还可通过内部掉电唤醒专用定时器唤醒）*支持掉电唤醒的管脚：P3.2/，P3.3/，T0/P3.4,T1/P3.5，RxD/P3.0（或RxD/P1.6）内部掉电唤醒专用定时器（只有STC11系列才有，STC10系列无）*工作频率：035M

8、HZ，相当于普通8051: 0420MHZ*时钟：外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP下载编程用户程序时设置1/2/3/4/5/6K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上，256字节片内RAM数据存储器大容量片内EEPROM功能，擦写次数10万次以上ISP/IAP,系统可编程/在应用可编程，无需编程器/仿真器，2个16位定位器，兼容普通8051定时器T0/T1，1个独立波特率发生器（故无需T2做波特率发生器），缺省是T1做波特率发生器，可编程时钟输出功能，T0在P3.4输出时钟，T1在P3.5输出时钟 。*硬件看门狗（WDT）*全双工异步串行口（UART），兼容普通8051，可当

9、2组串口使用（串口可在P3与P1之间任意切换）。*先进的指令集结构，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令3)STC11F02比AT89C51的优势：1、烧写方便2、速度可以快12倍3、工作电压低到3.3V4、引脚少，体积小，价格低4)注意事项： *STC11xx和STC10xx全系列都有一个独立波特率发生器，STC11xx和STC10xx系列的区别是：STC11xx比STC10xx系列多了一个掉电唤醒专用定时器STC11F05,STC11F05E,STC11L05,STC11L05E,IAP11F06,IAP11L06,IAP11F62,IAP11F06X,IAP11L62,IAP11

10、L62X在下载用户程序时，需将P1.0/P1.1短接到地，同时需使用外部时钟才可下载用户程序。3.LN298N驱动模块1）LN298N为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，可直接的对电机进行控制，无需隔离电路。通过单片机的I/O输入改变芯片控制的电平，既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。采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。2）电机驱动芯片L298N电机驱动电路采用的是基于双极型H桥型脉宽调制方式的集成电路L298N，如图34所示。L298N内部包含2个H桥的高电压大电流桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的

11、电机，工作温度范围从25度到130度。其内部的一个H桥原理图如图35所示。ENABLE A是控制使能端，控制OUTPUTl和OUTPUT2之间电机的停转， INPUT1、INPUT2脚接入控制电平，控制OUTPUTl和OUTPUT2之间电机的转向。当使能端ENABLE A有效，INPUT1为低电平INPUT2为高电平时，三极管2，3导通，1，4截止，电机反转。当INPUT1和INPUT2电平相同时，电机停转。表31是其使能引脚，输入引脚和输出引脚之间的逻辑关系。 （图34）图3-4逻辑关系表ENABLE A(P1.4) INPUT1(P1.0) INPUT2(P1.1) 电机转向 H(1) H

12、(1) L（0） 正转 H(1) L(0) H（1） 反转 H(1) 同IN2 同IN1 停止 L(0) X(0、1) X（0、1） 空转 说明：H-高电平 L-低电平 X-任意（低电平或高电平）另一个H桥的工作原理同上。由ENABLE B控制OUTPUT3和OUTPUT4之间电机的停转，根据INPUT3、INPUT4脚的输入电平情况控制OUTPUT3和OUTPUT4之间电机的转向。3）L298N电机驱动模块性能特点：*可实现电机正反转及调速；*启动性能好，启动转矩大；*工作电压可达到36V，4A；*可同时驱动两台直流电机；*适合应用于机器人设计及智能小车的设计；LN298N驱动模块4. 直流

13、电机模块*直流电机是一种常用的机电转换器件，常在自动控制系统中用做执行元件。（1）直流电机的基本特性 1）直流电机在一定的电压下，转速与转矩成反比；如果改变电压，则转速转矩线随着电压的升降而升降（如图32所示）。在机器人上的负载一定时（即转矩一定时），降低电压，对应的转速也跟着降低，这样就可以实现电机的调速了。 （图32）2）直流电机采用的是改变电机两端电压大小的方式来改变电机的转速，对调电机两端的电压极性改变电机转动的方向。通过主板提供给电机一个方波信号，不同的方波信号的平均电压不同，因此，利用这一点来进行对速度控制。采用不同的脉宽调节平均电压的高低，进而调节电机的转速，即脉宽调制（PWM,

14、 Pulse Width Modulation ）。（注：PWM是一种很常用的以数字信号控制模拟信号平均电压的方法。通过使用高分辨率的计数器，对矩形波的占空比进行脉宽调制，从而形成PWM信号。）（2）直流电动机的运行控制如果PWN信号发生器输出的矩形波信号为12V，且占空比为50%，于是得到PWM信号的平均电压为6V，这与电池所提供的电压相同。如果想让电动机的转速可控，就需要使用PW信号来给电动机供电。比如需要电动机的转速低于6V时的转速，只要把PWM信号的平均电压降低，即占空比减小即可； 如果需要转速提高则通过增加PWM信号的平均电压来（3）直流电动机的转速，转向控制（注：图中所示为一个典型

15、的直流电机控制电路，4个三极管）电机驱动电路包括4个三极管和一个电机，要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管，根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。 要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向） 当Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一个方向转动（电机周围的箭头表

16、示为逆时针方向。四、软件设计1.资源配置1）STC11/10xx系列单片机管脚分配：串行口RXD/P1.6,TXD/P1.7ISP下载的专用通信口RXD/P3.0,TXD/P3.1RXD, 串行输入口P3.0TXD, 串行输出口P3.1基本输入/输出口P1.0-.P1.5外部中断源输入0,P3.2外部中断源输入1,P3.3定时/计数器外部输入0,P3.4定时/计数器外部输入1,P3.5单片机复位RET,P3.6电源正端,Vcc(20管脚)电源的接地端,Gnd(10管脚)晶振引脚,XTAL1(4管脚)和XTAL2(5管脚)2）逻辑关系表ENABLE A(P1.4) INPUT1(P1.0) IN

17、PUT2(P1.1) 电机转向 H(1) H(1) L（0） 正转 H(1) L(0) H（1） 反转 H(1) 同IN2 同IN1 停止 L(0) X(0、1) X（0、1） 空转 2.流程图1）主流程图：2）正转子程序： 3）反转子程序： 4）停止子程序： 3.汇编源程序ORG 0000HAJMP STARTSTART:MOV P3,#0FFHNEXT0: JB P3.3,NEXT1 ;P3.3=0,正转 AJMP ZZNEXT1: JB P3.4,NEXT2 ;P3.4=0,反转 AJMP FZNEXT2: JB P3.5 START ;P3.5=0,停止 AJMP STOPZZ: SE

18、TB P1.4 ;正转子程序 SETB P1.0 LCALL DELAY CLR P1.1 LCALL DELAY AJMP STARTFZ: SETB P1.4 ;反转子程序 SETB P1.1 LCALL DELAY CLR P1.0 LCALL DELAY AJMP STARTSTOP: CLR P1.4 ;停止子程序 SETB P1.1 SETB P1.0 AJMP STARTDELAY:MOV R1,#20 ;延时子程序 MOV R2,#125DE1: NOPDE2: DJNZ R2,DE1 DJNZ R1,DE2 RET4STC单片机程序烧录启动本烧录程序后,第一步就是选择烧录器件

19、。本烧录软件支持STC全系列的51单片机芯片,因此,第一步必须选择相对应的型号。由于本实验板选用的单片机芯片就是本烧录软件首次启动默认的型号,所以,本项一般都不需要选择。另外,“AP Memory”是指该芯片的内存大小和起止地址,根据器件型号自动更改,不必理会。选择了器件型号,第二步就应该选择将要被烧录的HEX机器码文件。HEX文件由单片机开发环境输入、编辑代码,最后编绎产生。第三步就可以设置串口和串口通信速度了。串口是一个九针的插座,老式的鼠标口就是串口。为了让通信可靠,我们可以适当的选低一些的速度,这个串口线较长时非常重要。烧录过程中,如果出现失败,可以考虑将串口通信速度降低再试,这是由于

20、机器配置以及当地环境因素决定的,当供电电源偏低(用USB供电的一般都会偏低)和环境干扰过大时,必需选低一点的波特率(即通信速率)。烧录成功与失败,可以从信息区的提示看出。 选择并设置好串口后(一般不需更改),进入第四步,而这一步基本上不用更改。设置时钟倍频主要是为了提高工作速度,设置时钟增益是为了降低电磁幅射。这些,对于高级工程人员和最终产品会很有用,对于初学者来说,只当没有看见就行了.第五步是最后一步,点击“Download/下载”,就可以进入烧录状态。五、安装与调试1.电路板原理图*四足步行器控制板 *四足步行器控制系统电路图*四足步行器控制板2.手工制版图3.安装元件1）根据电路板的原理图，安装元件，并先用焊锡固定。2）零件在装配前必须清理干净，不得有毛刺、飞边、沙尘等。3）装配前应对零部件主要配合尺寸，特别是过盈配合尺寸及相关精度进行复查。4）装配过程中零