紅外遙控六足爬蟲機(jī)器人設(shè)計(jì)

1 六足爬蟲機(jī)器人設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)人：李海鷹 日期： 2004 年 9 月 30 日 2 目 錄 前言 . 3 （一）、機(jī)器人的大腦 . 3 （二）、機(jī)器人的眼睛耳朵 . 3 （三）、 機(jī)器人的腿 驅(qū)動(dòng)器與驅(qū)動(dòng)輪 . 4 （四）、機(jī)器人的手臂 機(jī)械傳動(dòng)專制 . 5 （五）、機(jī)器人的心臟 電池 . 5 一、 AT89S51 單片機(jī)簡(jiǎn)介 . 6 （一）、 AT89S51 主要功能列舉如下： . 6 （二）、 AT89S51 各引腳功能介紹： . 6 二、控制系統(tǒng)電路圖 . 9 三、微型伺服馬達(dá)原理與控制 . 10 （一）、微型伺服馬達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu) . 10 （二）、微行伺服馬達(dá)的工作原理 . 10 （三）、伺服馬達(dá)的控制 .11 （四）、選用的伺服馬達(dá) .11 四、紅外遙控 . 12 （一）、 紅外遙控系統(tǒng) . 12 （二）、 遙控發(fā)射器及其編碼 . 12 （三）、紅外接收模塊 . 13 （四）、紅外解碼程序設(shè)計(jì) . 13 五、控制程序 . 14 六、六足爬蟲機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 . 20 3 前言 今 年年初，學(xué)校為參加中央電視臺(tái)舉辦的第三屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人電視大賽，組建了機(jī)器人制作小組。我積極參加，有幸成為了其中的一員。因?yàn)槲覀円郧皼]有參加過類似的比賽，也沒有制作機(jī)器人的經(jīng)驗(yàn)。可以說我們什么都是從零開始，邊學(xué)習(xí)邊制作。通過這半年多的制作過程，我從中學(xué)到了很多書本上學(xué)不到的東西，也得到了很好的學(xué)習(xí)與鍛煉的機(jī)會(huì)。 最初，我們組建了機(jī)器人制作實(shí)驗(yàn)室。到五金機(jī)電市場(chǎng)購(gòu)買了必要的工具和一些制作材料。然后開始制作實(shí)驗(yàn)機(jī)器人的身體 框架。 實(shí)驗(yàn)機(jī)器人的框架我們是使用輕型萬(wàn)能角鋼制作的，這種角鋼的兩側(cè)都有間隔均勻的孔 槽，可以很方便的用螺栓進(jìn)行連接。用不同長(zhǎng)度的角鋼組合后，就可以得到不同大小的立方體和長(zhǎng)方體及多邊形。機(jī)器人身體的框架就搭建好了。在它的上面將裝上：機(jī)器人的大腦 可編程控制器、機(jī)器人的眼睛耳朵 傳感器、機(jī)器人的腿 驅(qū)動(dòng)輪、機(jī)器人的手臂 機(jī)械傳動(dòng)專制、機(jī)器人的心臟 電池之所以使用輕型萬(wàn)能角鋼，主要是因?yàn)槭窃谥谱髟囼?yàn)機(jī)型，而 輕型萬(wàn)能角鋼安裝拆 卸方便和便于修改長(zhǎng)度，調(diào)整設(shè)計(jì)。 實(shí)驗(yàn)機(jī)器人定型后，就照其尺寸用不銹鋼方管焊接制作機(jī)器人的身體。再在上面進(jìn)行打孔等工作，后就可以將機(jī)器人的其它部分安裝上去。這樣 一個(gè)機(jī)器人就制作好了。 下面我介紹一下機(jī)器人的基本 組成部分： （一）、機(jī)器人的大腦 它可以有很多叫法，可以叫做： 可編程控制器、 微控制器，微處理器，處理器或者計(jì)算器等，不過這都不要緊，通常微處理器是指一塊芯片，而其它的是一整套控制器，包括微處理器和一些別的元件。任何一個(gè)機(jī)器人大腦就必須要有這塊芯片，不然就稱不上機(jī)器人了。在選擇微控制器的時(shí)候，主要要考慮：處理器的速度，要實(shí)現(xiàn)的功能， ROM 和 RAM 的大小， I/O 端口類型和數(shù)量，編程語(yǔ)言以及功耗等。 其主要類型有：?jiǎn)纹瑱C(jī)、 PLC、工控機(jī)、 PC 機(jī)等。 單有這些硬件是 不夠的，機(jī)器人的大腦還無法運(yùn)行。只有在程序的控制下，它才能按我們的要求去工作?？梢哉f程序就是機(jī)器人的靈魂了。而程序是由編程語(yǔ)言所編寫的。 編程語(yǔ)言是一個(gè)控制器能夠接受的語(yǔ)言類型，一般有 C 語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言或者basic 語(yǔ)言等，這些通常能被高級(jí)一點(diǎn)的控制器直接執(zhí)行，因?yàn)樵诟呒?jí)控制器里面內(nèi)置了編譯器能夠直接把一些高級(jí)語(yǔ)言翻譯成機(jī)器碼。微處理器將執(zhí)行這些機(jī)器碼，并對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。 （二）、機(jī)器人的眼睛耳朵 傳感器，是機(jī)器人的感覺器官，是機(jī)器人和現(xiàn)實(shí)世界之間的紐帶，使機(jī)器人 4 能感知周圍的環(huán)境情況。其主要有：光電傳感器、 紅外傳感器、力傳感器、超聲波傳感器、位置和姿態(tài)傳感器等等。下面我將就幾種常用傳感器進(jìn)行介紹： 1、光電傳感器：光電傳感器的原理是光電效應(yīng)。其主要用途是顏色識(shí)別（機(jī)器人就可以沿著地上的線條行進(jìn)了）和光電編碼等。 2、 紅外傳感器：紅外傳感器是用來測(cè)量距離和感知周圍情況的。因?yàn)榘l(fā)射出去的紅外信號(hào)在一定距離內(nèi)遇到物體就會(huì)反射回來。通過發(fā)送紅外線信號(hào)，并接收反射回來的信號(hào)，機(jī)器人就可以感知前方或身體周圍的情況，做出相應(yīng)的調(diào)整（如：倒退或繞行等）。 3、 力傳感器：力傳感器是用來檢測(cè)碰撞或者接觸信號(hào)的，比如機(jī)械手的應(yīng)用， 當(dāng)你放一個(gè)東西到機(jī)械手的時(shí)候，機(jī)械手自動(dòng)抓住它，它就需要力傳感器檢測(cè)東西抓的緊不緊。典型的力傳感器是微動(dòng)開關(guān)和壓敏傳感器。微動(dòng)開關(guān)其實(shí)就是一個(gè)小開關(guān)，通過調(diào)節(jié)開關(guān)上的杠桿長(zhǎng)短，能夠調(diào)節(jié)觸動(dòng)開關(guān)的力的大小。用來做碰撞檢測(cè)這是最好不過了。但是這種傳感器必須事先確定好力的閥值，也就是說只能實(shí)現(xiàn)硬件控制（開還控制）。而壓敏傳感器是能根據(jù)受力大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓或者電流，從而可以實(shí)現(xiàn)軟件控制（閉環(huán)控制）。 4、超聲波傳感器：超聲波傳感器是從蝙蝠那里學(xué)來的，通過把發(fā)射出的信號(hào)與接收到的信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，就可以測(cè)定周圍是否 有障礙物，及障礙物的距離，也屬于距離探測(cè)傳感器，能提供交遠(yuǎn)的探測(cè)范圍，而且還能提供在一個(gè)范圍內(nèi)的探測(cè)而不是一條線的探測(cè)。 5、位置和姿態(tài)傳感器：機(jī)器人在移動(dòng)或者動(dòng)作的時(shí)候必須時(shí)時(shí)刻刻知道自己的姿態(tài)動(dòng)作，否則就會(huì)產(chǎn)生控制中的一個(gè)開環(huán)問題，沒有反饋，無法獲知運(yùn)動(dòng)是否正確。 位置傳感器和姿態(tài)傳感器就是用來解決這個(gè)問題的。常用的有光電編碼器，由于機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般是電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù)，可以得出電機(jī)帶動(dòng)部件的大致位置，編碼器就是這樣一種傳感器，它一般和電機(jī)軸或者轉(zhuǎn)動(dòng)部件直接連接，電機(jī)或者轉(zhuǎn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)了多少 圈或者角度能夠通過編碼器讀出，控制軟件再根據(jù)讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行位置估計(jì)計(jì)算。還有一種是陀螺儀，這是利用陀螺原理制作的傳感器，主要可以測(cè)得移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)加速度，轉(zhuǎn)過的角度等信息。 （三）、 機(jī)器人的腿 驅(qū)動(dòng)器與驅(qū)動(dòng)輪 驅(qū)動(dòng)器就是驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)的部件。最常用的是電機(jī)了。當(dāng)然還有液壓，氣動(dòng)等別的驅(qū)動(dòng)方式。一個(gè)機(jī)器人最主要的控制量就是控制機(jī)器人的移動(dòng)，無論是自身的移動(dòng)還是手臂等關(guān)節(jié)的移動(dòng)，所以機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器中最根本和本質(zhì)的問題就是控制電機(jī)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù)，就可以控制機(jī)器人移動(dòng)的距離和方向，機(jī)械手臂的彎曲的程度或者移動(dòng)的 距離等。所以，第一個(gè)要解決的問題就是如何讓電機(jī)能根據(jù)自己的意圖轉(zhuǎn)動(dòng)。一般來說，有專門的控制卡和控制芯片來進(jìn)行控制的。有了這些控制卡和芯片，我們所要做的就是把微控制器和這些連接起來，然后就可以用程序來控制電機(jī)了。第二個(gè)問題是控制電機(jī)的速度，在機(jī)器人上的實(shí)際表現(xiàn)就是機(jī)器人或者手臂的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度了，機(jī)器人走的快慢全靠電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣，我們就要求控制卡對(duì)電機(jī)有速度控制。電機(jī)目前常用的有兩種，步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)。下面我將就這兩種電機(jī)進(jìn)行介紹： 5 1、 直流電機(jī)：這是最最普通的電機(jī)了。直流電機(jī)最大的問題是你沒法精確控制電機(jī) 轉(zhuǎn)的圈數(shù)，也就前面所說的位置控制。你必須加上一個(gè)編碼盤，來進(jìn)行反饋，來獲得實(shí)際轉(zhuǎn)的圈數(shù)。但是直流電機(jī)的速度控制相對(duì)就比較簡(jiǎn)單，用一種叫 PWM（脈寬調(diào)速）的調(diào)速方法可以很輕松的調(diào)節(jié)電機(jī)速度。現(xiàn)在也有很多控制芯片帶調(diào)速功能的。選購(gòu)時(shí)要考慮的參數(shù)是電機(jī)的輸出力矩，電機(jī)的功率，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。 2、 步進(jìn)電機(jī)：看名字就知道了，它是一步一步前進(jìn)的。也就是說，它可以一個(gè)角度一個(gè)角度旋轉(zhuǎn)，不象直流電機(jī)，你可以很輕松的調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角位置，如果你發(fā)一個(gè)轉(zhuǎn) 10 圈的指令，步進(jìn)電機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn) 11 圈，但是如果是直流電機(jī)，由于 慣性作用，它可能轉(zhuǎn) 11 圈半。步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速是通過控制電機(jī)的頻率來獲得的。一般控制信號(hào)頻率越高，電機(jī)轉(zhuǎn)的越快，頻率越低，轉(zhuǎn)的越慢。選購(gòu)時(shí)要考慮的參數(shù)是電機(jī)的輸出力矩，電機(jī)的功率，每個(gè)脈沖電機(jī)的最小轉(zhuǎn)角。 還有就是關(guān)于輸出的動(dòng)力，要說明一下： 一般情況下，電機(jī)都沒法直接帶動(dòng)輪子或者手臂，因?yàn)樗俣冗^高力矩不夠大，所以我們需要加上一個(gè)減速箱來增加電機(jī)的輸出力矩，但是代價(jià)是電機(jī)速度的減小，比如一個(gè) 1： 250 的齒輪箱，會(huì)讓你電機(jī)的輸出力矩增大 250 倍，但是速度只有原來的 1/250 了。首先計(jì)算出機(jī)器人所需要的速度與 力矩大小，然后根據(jù)速度與力矩去選擇電機(jī)與減速器。 （四）、機(jī)器人的手臂 機(jī)械傳動(dòng)專制 機(jī)械傳動(dòng)專制就是，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的一些桿件和機(jī)構(gòu)（如：凸輪機(jī)構(gòu)、螺桿機(jī)構(gòu)等），用以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的上升、下降、伸縮、彎曲等動(dòng)作。通常運(yùn)用的機(jī)構(gòu)有四桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、螺桿機(jī)構(gòu)、搖臂等。 （五）、機(jī)器人的心臟 電池 電池為機(jī)器人的控制系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供能源供應(yīng)。主要有：電瓶及可充電電池、電池。 前面介紹了機(jī)器人的一些基本知識(shí)，但這是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。 機(jī)器人學(xué)科，是在多學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來的綜合性技術(shù)。機(jī)器人技術(shù)涉及機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、語(yǔ)言學(xué)和人工智能等許多學(xué)科。現(xiàn)在機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用在人類社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮著越來越重要的影響。 我利用暑假的時(shí)間設(shè)計(jì)了一個(gè)六足爬蟲機(jī)器人，用日立（ HITACHI）的錄像機(jī)遙控器來對(duì)它進(jìn)行控制?；驹硎牵哼b控器發(fā)出紅外學(xué)號(hào)，機(jī)器人通過紅外接收器接收倒紅外信號(hào)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，并以存儲(chǔ)的代碼進(jìn)行比較，確定指令的含義，后可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)及發(fā)聲等功能。控制系統(tǒng)我使用的是 AT89S51 單片機(jī)，編程語(yǔ)言使用的是匯編語(yǔ)言，動(dòng)力系統(tǒng)使用的是微型伺服馬達(dá)，能源系統(tǒng)使用的是 9V 電池。下面我將就具體設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹 。 6 一、 AT89S51 單片機(jī)簡(jiǎn)介 AT89S51 為 ATMEL 所生產(chǎn)的可電氣燒錄清洗的 8051 相容單芯片，其內(nèi)部程序代碼容量為 4KB （一）、 AT89S51 主要功能列舉如下： 1、為一般控制應(yīng)用的 8 位單芯片 2、晶片內(nèi)部具時(shí)鐘振蕩器（傳統(tǒng)最高工作頻率可至 12MHz） 3、內(nèi)部程式存儲(chǔ)器（ ROM）為 4KB 4、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）為 128B 5、外部程序存儲(chǔ)器可擴(kuò)充至 64KB 6、外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可擴(kuò)充至 64KB 7、 32 條雙向輸入輸出線，且每條均可以單獨(dú)做 I/O 的控制 8、 5 個(gè)中斷向量源 9、 2 組獨(dú)立的 16 位定時(shí)器 10、 1 個(gè)全多工串行通信端口 11、 8751 及 8752 單芯片具有數(shù)據(jù)保密的功能 12、單芯片提供位邏輯運(yùn)算指令 （二）、 AT89S51 各引腳功能介紹： VCC： AT89S51 電源正端輸入，接 +5V。 VSS： 電源地端。 XTAL1： 單芯片系統(tǒng)時(shí)鐘的反相放大器輸入端。 XTAL2： 系統(tǒng)時(shí)鐘的反相放大器輸出端，一般在設(shè)計(jì)上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振蕩晶體系統(tǒng)就可以動(dòng)作了，此外可以在兩引腳與地之間加入一 20PF 的小電容，可以使系統(tǒng)更穩(wěn)定，避免噪聲干擾而死機(jī)。 RESET： AT89S51 的重置引腳，高電平動(dòng)作，當(dāng)要對(duì)晶片重置時(shí)，只要對(duì)此引腳電平提升至高電平并保持兩個(gè)機(jī)器周期以上的時(shí)間， AT89S51 便能完成系統(tǒng)重置的各項(xiàng)動(dòng)作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器之內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài)，并且至地址A T 8 9 S 5 1 7 0000H 處開始讀入程序代碼而執(zhí)行程序。 EA/Vpp： EA為英文 External Access的縮寫，表示存取外部程序代碼之意，低電平動(dòng)作，也就是說當(dāng)此引腳接低電平后，系統(tǒng)會(huì)取用外部的程序代碼（存于外部EPROM 中）來執(zhí)行 程序。因此在 8031 及 8032 中， EA 引腳必須接低電平，因?yàn)槠鋬?nèi)部無程序存儲(chǔ)器空間。如果是使用 8751 內(nèi)部程序空間時(shí)，此引腳要接成高電平。此外，在將程序代碼燒錄至 8751 內(nèi)部 EPROM 時(shí)，可以利用此引腳來輸入 21V 的燒錄高壓（ Vpp）。 ALE/PROG： ALE 是英文 Address Latch Enable的縮寫，表示地址鎖存器啟用信號(hào)。AT89S51 可以利用這支引腳來觸發(fā)外部的 8 位鎖存器（如 74LS373），將端口 0的地址總線（ A0 A7）鎖進(jìn)鎖存器中，因?yàn)?AT89S51 是以多工的方式送出地址及 數(shù)據(jù)。平時(shí)在程序執(zhí)行時(shí) ALE 引腳的輸出頻率約是系統(tǒng)工作頻率的 1/6，因此可以用來驅(qū)動(dòng)其他周邊晶片的時(shí)基輸入。此外在燒錄 8751 程序代碼時(shí)，此引腳會(huì)被當(dāng)成程序規(guī)劃的特殊功能來使用。 PSEN： 此為 Program Store Enable的縮寫，其意為程序儲(chǔ)存啟用，當(dāng) 8051 被設(shè)成為讀取外部程序代碼工作模式時(shí)（ EA=0），會(huì)送出此信號(hào)以便取得程序代碼，通常這支腳是接到 EPROM 的 OE腳。 AT89S51 可以利用 PSEN 及 RD 引腳分別啟用存在外部的 RAM 與 EPROM，使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器可以合并在一起而 共用 64K 的定址范圍。 PORT0（ P0.0 P0.7）： 端口 0 是一個(gè) 8 位寬的開路汲極（ Open Drain）雙向輸出入端口，共有 8 個(gè)位， P0.0 表示位 0， P0.1 表示位 1，依此類推。其他三個(gè) I/O 端口（ P1、 P2、 P3）則不具有此電路組態(tài)，而是內(nèi)部有一提升電路， P0 在當(dāng)做 I/O 用時(shí)可以推動(dòng) 8個(gè) LS 的 TTL 負(fù)載。如果當(dāng) EA 引腳為低電平時(shí)（即取用外部程序代碼或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）， P0 就以多工方式提供地址總線（ A0 A7）及數(shù)據(jù)總線（ D0 D7）。設(shè)計(jì)者必須外加一鎖存器將端口 0 送出的地址栓鎖住成為 A0 A7，再配合 端口 2所送出的 A8 A15 合成一完整的 16 位地址總線，而定址到 64K 的外部存儲(chǔ)器空間。 PORT2（ P2.0 P2.7）： 端口 2 是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/O 端口，每一個(gè)引腳可以推動(dòng) 4 個(gè) LS的 TTL 負(fù)載，若將端口 2 的輸出設(shè)為高電平時(shí)，此端口便能當(dāng)成輸入端口來使用。 P2 除了當(dāng)做一般 I/O 端口使用外，若是在 AT89S51 擴(kuò)充外接程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，也提供地址總線的高字節(jié) A8 A15，這個(gè)時(shí)候 P2 便不能當(dāng)做 I/O來使用了。 PORT1（ P1.0 P1.7）： 端口 1 也是具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/O 端口，其 輸出緩沖器可以推動(dòng) 4 個(gè)LS TTL 負(fù)載，同樣地若將端口 1 的輸出設(shè)為高電平，便是由此端口來輸入數(shù)據(jù)。如果是使用 8052 或是 8032 的話， P1.0 又當(dāng)做定時(shí)器 2 的外部脈沖輸入腳，而P1.1 可以有 T2EX 功能，可以做外部中斷輸入的觸發(fā)腳位。 PORT3（ P3.0 P3.7）： 端口 3 也具有內(nèi)部提升電路的雙向 I/O 端口，其輸出緩沖器可以推動(dòng) 4 個(gè)TTL 負(fù)載，同時(shí)還多工具有其他的額外特殊功能，包括串行通信、外部中斷控制、 8 計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)控制及外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)容的讀取或?qū)懭肟刂频裙δ堋?其引腳分配如下： P3.0： RXD，串行通 信輸入。 P3.1： TXD，串行通信輸出。 P3.2： INT0，外部中斷 0 輸入。 P3.3： INT1，外部中斷 1 輸入。 P3.4： T0，計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器 0 輸入。 P3.5： T1，計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器 1 輸入。 P3.6： WR：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的寫入信號(hào)。 P3.7： RD，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀取信號(hào)。 9 二、控制系統(tǒng)電路圖 控制系統(tǒng)電路圖 10 三、微型伺服馬達(dá)原理與控制 （一）、微型伺服馬達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 一個(gè)微型伺服馬達(dá)內(nèi)部包括了一個(gè)小型直流馬達(dá)；一組變速齒輪組；一個(gè)反饋可調(diào)電位器；及一塊電子控制板。其中，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的直流馬達(dá)提供了原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服馬達(dá)的輸出扭力也愈大，也就是說越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動(dòng)的速度也愈低。 （二）、微行伺服馬達(dá)的工作原理 一個(gè)微型伺服馬達(dá)是一個(gè)典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其原理可由下圖表示： 減速齒輪組由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其終端（輸出端）帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器作位置檢測(cè)，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比 例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號(hào)比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)馬達(dá)正向或反向地轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于為 0，從而達(dá)到使伺服馬達(dá)精確定位的目的。 微型伺服馬達(dá)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 微行伺服馬達(dá)工作原理圖 11 （三）、伺服馬達(dá)的控制 標(biāo)準(zhǔn)的微型伺服馬達(dá)有三條控制線，分別為：電源、地及控制。電源線與地線用于提供內(nèi)部的直流馬達(dá)及控制線路所需的能源，電壓通常介于 4V 6V 之間，該電源應(yīng)盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離（因?yàn)樗欧R達(dá)會(huì)產(chǎn)生噪音）。甚至小伺服馬達(dá)在重負(fù)載時(shí)也會(huì)拉低放大器的電壓，所以整個(gè)系統(tǒng)的電源供應(yīng)的比例必須合理。 輸入 一個(gè)周期性的正向脈沖信號(hào)，這個(gè)周期性脈沖信號(hào)的高電平時(shí)間通常在1ms 2ms 之間，而低電平時(shí)間應(yīng)在 5ms 到 20ms 之間，并不很嚴(yán)格，下表表示出一個(gè)典型的 20ms 周期性脈沖的正脈沖寬度與微型伺服馬達(dá)的輸出臂位置的關(guān)系： （四）、選用的伺服馬達(dá) 我選用的伺服馬達(dá)為 TowPro 的，型號(hào)為 SG303。其主要技術(shù)參數(shù)如下： 轉(zhuǎn)速： 0.23 秒 60 度。 力矩： 3.2kg cm。 尺寸： 40.4mm 19.8mm 36mm。 重量： 37.2g。 5V 電源供電。 控制周期脈沖寬度為 20ms。送出不同 的正脈沖寬度是，就可以得到不同的控制效果?？刂普}沖寬度如下： 正脈沖寬度為 0.3ms 時(shí)，伺服馬達(dá)反轉(zhuǎn)。 正脈沖寬度為 2.5ms 時(shí)，伺服馬達(dá)正轉(zhuǎn)。 正脈沖寬度為 1.4ms 時(shí)，伺服馬達(dá)回到中點(diǎn)。 12 四、紅外遙控 家中許多的電器產(chǎn)品都有遙控的功能，例如電視機(jī)、錄像機(jī)、 VCD、空調(diào)等家電產(chǎn)品，它們都是以紅外遙控的方式進(jìn)行遙控。 （一）、 紅外遙控系統(tǒng) 通用紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大部分組成，應(yīng)用編 /解碼專用集成電路芯片來進(jìn)行控制操作，如圖 1 所示。發(fā)射部分包括鍵盤矩陣、編碼調(diào)制、 LED 紅外發(fā)送器；接收部分包括光、電 轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路。 （二）、 遙控發(fā)射器及其編碼 遙控發(fā)射器專用芯片很多，根據(jù)編碼格式可以分成兩大類，這里我們以運(yùn)用比較廣泛，解碼比較容易的一類來加以說明，現(xiàn)以日本 NEC的 uPD6121G 組成發(fā)射電路為例說明編碼原理。當(dāng)發(fā)射器按鍵按下后，即有遙控碼發(fā)出，所按的鍵不同遙控編碼也不同。這種遙控碼具有以下特征： 采用脈寬調(diào)制的串行碼，以脈寬為 0.565ms、間隔 0.56ms、周期為 1.125ms的組合表示二進(jìn)制的 “0” ；以脈寬為 0.565ms、間隔 1.685ms、周期為 2.25ms的組合表示二進(jìn)制的 “ 1” ，其波形如圖 2 所示。 上述 “0” 和 “1” 組成的 32 位二進(jìn)制碼經(jīng) 38kHz 的載頻進(jìn)行二次調(diào)制以提高發(fā)射效率，達(dá)到降低電源功耗的目的。然后再通過紅外發(fā)射二極管產(chǎn)生紅外線向空間發(fā)射。 遙控編碼是連續(xù)的 32 位二進(jìn)制碼組，其中前 16 位為用戶識(shí)別碼，能區(qū)別不同的電器設(shè)備，防止不同機(jī)種遙控碼互相干擾。該芯片的用戶識(shí)別碼固定為十六進(jìn)制 01H；后 16 位為 8 位操作碼 （功能碼）及其反碼。 UPD6121G 最多額 128 種不同組合的編碼，如圖 3 所示。 13 遙控器在按鍵按下后，周期性地發(fā)出同一種 32 位二進(jìn)制碼，周期約為 108ms。一組碼本身的持續(xù)時(shí)間隨它包含的二進(jìn)制 “0” 和 “1” 的個(gè)數(shù)不同而不同，大約在 45 63ms 之間，圖 4 為發(fā)射波形圖。 （三）、紅外接收模塊 左圖為一常用的紅外接收模塊。其內(nèi)部含有高頻的濾波電路，專門用來濾除紅外線合成信號(hào)的載波信號(hào)（ 38KH），并送出接收到的信號(hào)。當(dāng)紅外線合成信號(hào)進(jìn)入紅外接收模塊，在其輸出 端便可以得到原先發(fā)射器發(fā)出的數(shù)字編碼，只要經(jīng)過單片機(jī)解碼程序進(jìn)行解碼，便可以得知按下了哪一個(gè)按鍵，而做出相應(yīng)的控制處理，完成紅外遙控的動(dòng)作。 （四）、紅外解碼程序設(shè)計(jì) 紅外解碼程序主要工作為等待紅外線信號(hào)出現(xiàn)，并跳過引導(dǎo)信號(hào)，開始收集連續(xù) 32 位的表面數(shù)據(jù)，存入內(nèi)存的連續(xù)空間。位信號(hào)解碼的原則是：以判斷各個(gè)位的波寬信號(hào)來決定高低信號(hào)。位解碼原理如下： 解碼為 0：低電平的寬度 0.56ms+高電平的寬度 0.56ms。 解碼為 1：低電平的寬度 1.68ms+高電平的寬度 0.56ms。 程序中必須設(shè)計(jì)一精確的 0.1ms 延時(shí)時(shí)間作為基礎(chǔ)時(shí)間，以計(jì)數(shù)實(shí)際的波形寬度，若讀值為 5 表示波形寬度為 0.5ms，若讀值為 16 表示波形寬度為 1.6ms，以此類推。高電平的寬度 1.12ms 為固定，因此可以直接判斷低電平的寬度的計(jì)數(shù)值 5 或時(shí) 16，來確定編碼為 0 或是 1。程序中可以減法指令 SUBB 來完成判斷，指令“ SUBB A， R2”中若 R2 為計(jì)數(shù)值， A 寄存器設(shè)為 8，就可如下： 當(dāng)“ 8 R2”有產(chǎn)生借位，借位標(biāo)志 C=1，表示編碼為 1。 當(dāng)“ 8 R2”無產(chǎn)生借位，借位標(biāo)志 C=0，表示編碼為 0。 將借位標(biāo)志 C 經(jīng)過右移指令“ RRC A”轉(zhuǎn)入 A 寄 存器中，再經(jīng)由 R0 寄存器間接尋址存入內(nèi)存中。 詳細(xì)解碼程序請(qǐng)參看“紅外遙控爬蟲機(jī)器人 ASM 程序”中的“紅外解碼子程序”。 紅外接收模塊 14 五、控制程序 ； 紅外遙控爬蟲機(jī)器人 ASM 程序 ；- HOME EQU 14 ；伺服馬達(dá)回 到中點(diǎn)時(shí)間常數(shù) BACK EQU 3 ；伺服馬達(dá)反轉(zhuǎn)時(shí)間常數(shù) FOR EQU 25 ；伺服馬達(dá)正轉(zhuǎn)時(shí)間常數(shù) ； - ；遙控器按鍵 1 6 比較碼 CODE_K1 EQU 19H ；機(jī)器人前進(jìn)比較碼 CODE_K2 EQU 18H ；機(jī)器人后退比較碼 CODE_K3 EQU 0AH ；機(jī)器人左轉(zhuǎn)比較碼 CODE_K4 EQU 09H ；機(jī)器人右轉(zhuǎn)比較碼 CODE_K5 EQU 0BH ；機(jī)器人回到中點(diǎn)比較碼 CODE_K6 EQU 14H ；機(jī)器人行走啟動(dòng)進(jìn)比較碼 ； - IRCOM EQU 30H ；紅外線信號(hào)解碼數(shù)據(jù)放置變量起始地址 COM EQU 32H ；比較第 3 字節(jié)變量 ； - IRIN EQU P3.2 ；紅外線 IR 信號(hào)輸入位引腳定義 WLED EQU P3.7 ；發(fā)光二極管引腳定義 SPK EQU P3.4 ；壓電喇叭引腳定義 DJZ EQU P1.0 ；中間伺服馬達(dá)引腳定義 DJL EQU P1.1 ；左側(cè)伺服馬達(dá)引腳定義 DJR EQU P1.2 ；右側(cè)伺服馬達(dá)引腳定義 ； - ORG 0H ；程序代碼由地址 0 開始執(zhí)行 JMP BEGIN ；進(jìn)入主程序 ； - BEGIN: CLR DJZ ；關(guān)閉中間伺服馬達(dá) CLR DJL ；關(guān)閉左側(cè)伺服馬達(dá) CLR DJR ；關(guān)閉右側(cè)伺服馬達(dá) CLR SPK ；關(guān)閉壓電喇叭 CALL LED_BL ；發(fā)光二極管閃爍，表示程序開始執(zhí)行 CALL BZ ；壓電喇叭發(fā)出嘀的一聲 CALL GO_HOME ；全部伺服馬達(dá)回到中點(diǎn) CALL LED_BL ；發(fā)光二極管閃爍，表示機(jī)器人準(zhǔn)備完畢 CALL BZ ；壓電喇叭發(fā)出嘀的一聲 CALL QD ；運(yùn)行行走啟動(dòng)子程序，擺好行走姿態(tài) SETB IRIN ；紅外線信號(hào) IR 輸入位設(shè)為高電平，準(zhǔn)備接收紅外信號(hào) LOOP: MOV R0,#IRCOM ；設(shè)置 IR 解碼起始地址 CALL IR_IN ；進(jìn)行 IR 解碼 CALL OP ；進(jìn)行解碼比較，并控制機(jī)器人動(dòng)作 JMP LOOP ；繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行 ； - DELAY: MOV R6,#50 ； 10ms 延時(shí)子程序 D1: MOV R7,#99 DJNZ R7,$ DJNZ R6,D1 DJNZ R5,DELAY RET ； - LED_BL: MOV R1,#4 ；發(fā)光二極管閃爍子程序 LE1: CPL WLED ；發(fā)光二極管反向 MOV R5,#10 CALL DELAY ；進(jìn)行 100ms 延時(shí) DJNZ R1,LE1 RET ； - BZ: MOV R6,#0 ；壓電喇叭發(fā)聲子程序 15 B1: SETB SPK ；壓電喇叭得電，開始發(fā)聲 DJNZ R6,B1 MOV R5,#5 CALL DELAY ；進(jìn)行 50ms 延時(shí) CLR SPK ；關(guān)閉壓電喇叭 RET ； - DEL: ； 0.1ms 延時(shí)子程序 MOV R5,#1 DELAY1: MOV R6,#2 E1: MOV R7,#22 E2: DJNZ R7,E2 DJNZ R6,E1 DJNZ R5,DELAY1 RET ； - IR_IN: ；紅外解碼子程序 I1: JNB IRIN,I2 ；等待紅外 IR 信號(hào)出現(xiàn) JMP I1 I2: MOV R4,#20 ；發(fā)現(xiàn)紅外 IR 信號(hào)，延時(shí)一下 I20: CALL DEL DJNZ R4,I20 JB IRIN,I1 ；確認(rèn)紅外 IR 信號(hào)出現(xiàn) I21: JB IRIN,I3 ；等待 IR 變?yōu)楦唠娖?CALL DEL JMP I21 I3: MOV R3,#0 ； 8 位數(shù)清 0 LL: JNB IRIN,I4 ；等待 IR 變?yōu)榈碗娖?CALL DEL JMP LL I4: JB IRIN,I5 ；等待 IR 變?yōu)楦唠娖?CALL DEL JMP I4 I5: MOV R2,#0 ； 0.1ms 計(jì)數(shù) L1: CALL DEL JB IRIN,N1 ；等待 IR 變?yōu)楦唠娖?MOV A,#8 ；設(shè)置減數(shù)為 8 CLR C ；清除借位標(biāo)志 C SUBB A,R2 ；判斷高低位 MOV A,R0 ；取出內(nèi)存中原先數(shù)據(jù) RRC A ；右移指令，將借位標(biāo)志 C 右移進(jìn)入 A 寄存器中 MOV R0, A ；將數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存中 INC R3 ；處理完成一位， R3+1（ R3 計(jì)數(shù)） CJNE R3,#8, LL ；循環(huán)處理 8 位 MOV R3,#0 ； R3 清 0 INC R0 ；處理完成 1 個(gè)字節(jié)， R0+1（ R0 計(jì)數(shù)） CJNE R0,#34H, LL ；循環(huán)收集到 4 個(gè)字節(jié) JMP OK ；至完成返回 N1: INC R2 ； R2+1（ R2 計(jì)數(shù)） CJNE R2,#30, L1 ； 0.1ms 計(jì)數(shù)過長(zhǎng)，時(shí)間到自動(dòng)離開 OK: RET ；完成返回 ； - OP: 執(zhí)行解碼動(dòng)作子程序 MOV A,COM CJNE A,#CODE_K5, A1 ；對(duì)解碼進(jìn)行比較，看是否是 回到中點(diǎn)指令，否就轉(zhuǎn)至下一項(xiàng)比較 CALL LED_BL ；發(fā)光二極管閃爍 CALL BZ ；壓電喇叭發(fā)出嘀的一聲 CALL GO_HOME ；執(zhí)行回到中點(diǎn) CALL LED_BL ；發(fā)光二極管閃爍 CALL BZ ；壓電喇叭發(fā)出嘀的一聲 RET A1: 16 MOV A,COM CJNE A,#CODE_K1, A2 ；對(duì)解碼進(jìn)行比較，看是否是前進(jìn)指令，否就轉(zhuǎn)至下一項(xiàng)比較 CALL BZ ；壓電喇叭發(fā)出嘀的一聲 CALL GO_FOR ；執(zhí)行前進(jìn) RET A2: MOV A,COM CJNE A,#CODE_K2, A3 ；對(duì)解碼進(jìn)行比較，看是否是后退指令，否就轉(zhuǎn)至下一項(xiàng)比較 CALL BZ ；壓電喇叭發(fā)出嘀的一聲 CALL GO_BACK ；執(zhí)行后退 RET A3: ；L MOV A,COM CJNE A,#CODE_K3, A4 ；對(duì)解碼進(jìn)行比較，看是否是左轉(zhuǎn)指令，否就轉(zhuǎn)至下一項(xiàng)比較 CALL BZ ；壓電喇叭發(fā)出嘀的一聲 CALL GO_L ；執(zhí)行左轉(zhuǎn) RET A4: ；R MOV A,COM CJNE A,#CODE_K4, A5 ；對(duì)解碼進(jìn)行比較，看是否是右轉(zhuǎn)指令，否就轉(zhuǎn)至下一項(xiàng)比較 CALL BZ ；壓電喇叭發(fā)出嘀的一聲 CALL GO_R ；執(zhí)行右轉(zhuǎn) RET A5: MOV A,COM CJNE A,#CODE_K6, A6 ；對(duì)解碼進(jìn)行比較，看是否是行走啟動(dòng)指令，否就轉(zhuǎn)至下一項(xiàng) CALL LED_BL ； 發(fā)光二極管閃爍 CALL BZ ；壓電喇叭發(fā)出嘀的一聲 CALL QD ；執(zhí)行行走啟動(dòng) CALL LED_BL ；發(fā)光二極管閃爍 CALL BZ ；壓電喇叭發(fā)出嘀的一聲 RET A6: RET ；返回 ； - HOME1: SETB DJZ