單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)-四足步行器

1、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)目 錄一 引言-3;課題應(yīng)用相關(guān)調(diào)研-3;二 單片機(jī)基本原理-3;STC11F02E單片機(jī)簡介-3;三硬件電路設(shè)計(jì)-4; 1.電路組成-4; 2.芯片分析-6; 3.LN298N驅(qū)動(dòng)模塊-8; 4. 直流電機(jī)模塊-10;四軟件設(shè)計(jì)-14; 1.資源配置-15; 2.流程圖-16; 3.源程序-17; 4STC單片機(jī)程序燒錄-18;五安裝與調(diào)試-19; 1.電路板原理圖-20; 2.手工制版圖-20; 3.安裝元件-20; 4.焊接工藝-20; 5.系統(tǒng)調(diào)試-21;六 心得體會(huì)-21.一、引言上帝賜予我們?nèi)祟愖蠲篮玫亩Y物，是一顆可以創(chuàng)造新事物的頭腦。隨著高新技術(shù)的發(fā)展，各種

2、類型的軍用、工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)大量涌現(xiàn)，一些技術(shù)發(fā)達(dá)的國家相繼研制了智能程度高、動(dòng)作靈活、應(yīng)用廣泛的機(jī)器人。就算在惡劣的環(huán)境下，機(jī)器人的承受能力大大超過載人系統(tǒng)，并且能完成許多載人系統(tǒng)無法完成的工作。眾所周知，步行比輪式移動(dòng)要復(fù)雜得多，步行機(jī)器人是利用運(yùn)動(dòng)的步行方式來實(shí)現(xiàn)類似于動(dòng)物那樣的移動(dòng)四足步行器作為仿生機(jī)器人的一種重要組成部分，在國內(nèi)取得了廣泛的研究。文中介紹了四組步行器行走原理、結(jié)構(gòu)組成、控制系統(tǒng)和控制程序。目前，研制的四足步行器的腿部機(jī)構(gòu)形成主要有縮放機(jī)構(gòu)、四連桿機(jī)構(gòu)、并聯(lián)機(jī)構(gòu)、平行桿機(jī)構(gòu)、多關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)構(gòu)和緩沖型虛擬彈簧腿機(jī)構(gòu)。我們本次的設(shè)計(jì)是通過四連桿來作為腿部機(jī)構(gòu)，通過電機(jī)發(fā)動(dòng)帶動(dòng)齒

3、輪來使連桿運(yùn)動(dòng)。四腳爬行器由香港理工大學(xué)的鄭繼昌教授所設(shè)計(jì)。其組成部分是機(jī)械零件和電子電路驅(qū)動(dòng)。機(jī)械部分由各種鋁質(zhì)的小零件組裝而成，組成了四腳爬行器的軀干，電子電路部分由電機(jī)板和單片機(jī)板組成的驅(qū)動(dòng)電路控制。其工作原理是：總動(dòng)力源是電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)一組齒輪運(yùn)動(dòng)，齒輪帶動(dòng)一系列的連桿做連桿運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退的運(yùn)動(dòng)。整個(gè)控制系統(tǒng)由五個(gè)部分組成：單片機(jī)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊，底板，無線接收模塊，電機(jī)模塊。二、單片機(jī)基本原理（一）STC11F02E單片機(jī)簡介 STC11F02E是宏晶科技設(shè)計(jì)生產(chǎn)的STC1110xx系列單片機(jī)之一，其特點(diǎn)為：高速，1個(gè)時(shí)鐘機(jī)器周期，增強(qiáng)型8051內(nèi)核，速度比普通 8051

4、快812倍；寬電壓，5541V37V；低功耗設(shè)計(jì)；工作頻率，035MHz，具有2kB的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器、2kB的 EEPROM存儲(chǔ)器和256kB的片內(nèi)SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，體積小價(jià)格低廉。 STC11/10xx系列單片機(jī)是宏晶科技設(shè)計(jì)生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容8051，但速度快812倍，內(nèi)部集成高可靠復(fù)位電路，針對高速通信，智能控制，強(qiáng)干擾場合。 STC11/10xx系列單片機(jī)的定時(shí)器0/定時(shí)器1/串行口與傳統(tǒng)8051兼容，增加了獨(dú)立波特率發(fā)生器，省去了定時(shí)器2。傳統(tǒng)8051的111條指令執(zhí)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的銘牌解讀：STC 1T 8051，同樣的工作頻率時(shí)，速度是普通8051的812倍，F(xiàn)：5.5V4.1V/3.7V（4.1V或3.7V為可選低壓復(fù)位門檻電壓），02：2K字節(jié)，E：有內(nèi)部EEPROM.三、硬件電路設(shè)計(jì)1.電路組成1）整個(gè)控制系統(tǒng)由五個(gè)部分組成：單片機(jī)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊，底板，無線接收模塊，電機(jī)模塊。*圖（2-1）：四足步行器控制板 *圖（2-2）：四足步行器控制系統(tǒng)電路圖*圖（2-3）：四足步行器控制板2）時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)，時(shí)鐘電路是產(chǎn)生CPU校準(zhǔn)時(shí)序，是單片機(jī)的控制核心。單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)可通過內(nèi)部震蕩方式和外部震蕩方式兩種方式得

6、到。本次設(shè)計(jì)使用的是片內(nèi)震蕩方式，通過外接12MHz的晶振來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘電路的時(shí)序控制。在使用片內(nèi)震蕩器時(shí)，XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入端和輸出端。外接晶體以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。當(dāng)使用外部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)時(shí)，XTAL2引腳應(yīng)懸空，而由XTAL1引腳上的信號(hào)驅(qū)動(dòng)，或者XTAL1引腳應(yīng)懸空，而由XTAL2引腳上的信號(hào)驅(qū)動(dòng)。外部震蕩器再通過一個(gè)2分頻的觸發(fā)器來形成內(nèi)部時(shí)鐘所需要的信號(hào)。在電容器C1、C2選擇時(shí)方面，一般選擇其值為530pF。 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)，通常由上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位2種基本形式。本系統(tǒng)使用上電復(fù)位。2.芯片分析 1）集成驅(qū)動(dòng)芯片L2

7、98N，其引腳和功能如圖所示： 2) STC11F02E特性：*高速：1個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期，增強(qiáng)型8051內(nèi)核，速度比普通8051快612倍*寬電壓：5.54.1V/3.7V，2.1/2.43.6V（STC11L系列）*低功耗設(shè)計(jì)：空閑模式（可由任意一個(gè)中斷喚醒）*低功耗設(shè)計(jì)：掉電模式（可由任意一個(gè)外部中斷喚醒，可支持下降沿/低電平和遠(yuǎn)程喚醒，STC11xx系列還可通過內(nèi)部掉電喚醒專用定時(shí)器喚醒）*支持掉電喚醒的管腳：P3.2/，P3.3/，T0/P3.4,T1/P3.5，RxD/P3.0（或RxD/P1.6）內(nèi)部掉電喚醒專用定時(shí)器（只有STC11系列才有，STC10系列無）*工作頻率：035M

8、HZ，相當(dāng)于普通8051: 0420MHZ*時(shí)鐘：外部晶體或內(nèi)部RC振蕩器可選，在ISP下載編程用戶程序時(shí)設(shè)置1/2/3/4/5/6K字節(jié)片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，擦寫次數(shù)10萬次以上，256字節(jié)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器大容量片內(nèi)EEPROM功能，擦寫次數(shù)10萬次以上ISP/IAP,系統(tǒng)可編程/在應(yīng)用可編程，無需編程器/仿真器，2個(gè)16位定位器，兼容普通8051定時(shí)器T0/T1，1個(gè)獨(dú)立波特率發(fā)生器（故無需T2做波特率發(fā)生器），缺省是T1做波特率發(fā)生器，可編程時(shí)鐘輸出功能，T0在P3.4輸出時(shí)鐘，T1在P3.5輸出時(shí)鐘 。*硬件看門狗（WDT）*全雙工異步串行口（UART），兼容普通8051，可當(dāng)

9、2組串口使用（串口可在P3與P1之間任意切換）。*先進(jìn)的指令集結(jié)構(gòu)，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令3)STC11F02比AT89C51的優(yōu)勢：1、燒寫方便2、速度可以快12倍3、工作電壓低到3.3V4、引腳少，體積小，價(jià)格低4)注意事項(xiàng)： *STC11xx和STC10xx全系列都有一個(gè)獨(dú)立波特率發(fā)生器，STC11xx和STC10xx系列的區(qū)別是：STC11xx比STC10xx系列多了一個(gè)掉電喚醒專用定時(shí)器STC11F05,STC11F05E,STC11L05,STC11L05E,IAP11F06,IAP11L06,IAP11F62,IAP11F06X,IAP11L62,IAP11

10、L62X在下載用戶程序時(shí)，需將P1.0/P1.1短接到地，同時(shí)需使用外部時(shí)鐘才可下載用戶程序。3.LN298N驅(qū)動(dòng)模塊1）LN298N為單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅(qū)動(dòng)，可直接的對電機(jī)進(jìn)行控制，無需隔離電路。通過單片機(jī)的I/O輸入改變芯片控制的電平，既可以對電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，停止的操作，非常方便，亦能滿足直流減速電機(jī)的大電流要求。采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用的是基于雙極型H橋型脈寬調(diào)制方式的集成電路L298N，如圖34所示。L298N內(nèi)部包含2個(gè)H橋的高電壓大電流橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的

11、電機(jī)，工作溫度范圍從25度到130度。其內(nèi)部的一個(gè)H橋原理圖如圖35所示。ENABLE A是控制使能端，控制OUTPUTl和OUTPUT2之間電機(jī)的停轉(zhuǎn)， INPUT1、INPUT2腳接入控制電平，控制OUTPUTl和OUTPUT2之間電機(jī)的轉(zhuǎn)向。當(dāng)使能端ENABLE A有效，INPUT1為低電平INPUT2為高電平時(shí)，三極管2，3導(dǎo)通，1，4截止，電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)INPUT1和INPUT2電平相同時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。表31是其使能引腳，輸入引腳和輸出引腳之間的邏輯關(guān)系。 （圖34）圖3-4邏輯關(guān)系表ENABLE A(P1.4) INPUT1(P1.0) INPUT2(P1.1) 電機(jī)轉(zhuǎn)向 H(1) H

12、(1) L（0） 正轉(zhuǎn) H(1) L(0) H（1） 反轉(zhuǎn) H(1) 同IN2 同IN1 停止 L(0) X(0、1) X（0、1） 空轉(zhuǎn) 說明：H-高電平 L-低電平 X-任意（低電平或高電平）另一個(gè)H橋的工作原理同上。由ENABLE B控制OUTPUT3和OUTPUT4之間電機(jī)的停轉(zhuǎn)，根據(jù)INPUT3、INPUT4腳的輸入電平情況控制OUTPUT3和OUTPUT4之間電機(jī)的轉(zhuǎn)向。3）L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊性能特點(diǎn)：*可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速；*啟動(dòng)性能好，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大；*工作電壓可達(dá)到36V，4A；*可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)；*適合應(yīng)用于機(jī)器人設(shè)計(jì)及智能小車的設(shè)計(jì)；LN298N驅(qū)動(dòng)模塊4. 直流

13、電機(jī)模塊*直流電機(jī)是一種常用的機(jī)電轉(zhuǎn)換器件，常在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用做執(zhí)行元件。（1）直流電機(jī)的基本特性 1）直流電機(jī)在一定的電壓下，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩成反比；如果改變電壓，則轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩線隨著電壓的升降而升降（如圖32所示）。在機(jī)器人上的負(fù)載一定時(shí)（即轉(zhuǎn)矩一定時(shí)），降低電壓，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速也跟著降低，這樣就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速了。 （圖32）2）直流電機(jī)采用的是改變電機(jī)兩端電壓大小的方式來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，對調(diào)電機(jī)兩端的電壓極性改變電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。通過主板提供給電機(jī)一個(gè)方波信號(hào)，不同的方波信號(hào)的平均電壓不同，因此，利用這一點(diǎn)來進(jìn)行對速度控制。采用不同的脈寬調(diào)節(jié)平均電壓的高低，進(jìn)而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即脈寬調(diào)制（PWM,

14、 Pulse Width Modulation ）。（注：PWM是一種很常用的以數(shù)字信號(hào)控制模擬信號(hào)平均電壓的方法。通過使用高分辨率的計(jì)數(shù)器，對矩形波的占空比進(jìn)行脈寬調(diào)制，從而形成PWM信號(hào)。）（2）直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行控制如果PWN信號(hào)發(fā)生器輸出的矩形波信號(hào)為12V，且占空比為50%，于是得到PWM信號(hào)的平均電壓為6V，這與電池所提供的電壓相同。如果想讓電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可控，就需要使用PW信號(hào)來給電動(dòng)機(jī)供電。比如需要電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速低于6V時(shí)的轉(zhuǎn)速，只要把PWM信號(hào)的平均電壓降低，即占空比減小即可； 如果需要轉(zhuǎn)速提高則通過增加PWM信號(hào)的平均電壓來（3）直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)向控制（注：圖中所示為一個(gè)典型

15、的直流電機(jī)控制電路，4個(gè)三極管）電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)，要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管，根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導(dǎo)通。例如，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭指示為順時(shí)針方向） 當(dāng)Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭表

16、示為逆時(shí)針方向。四、軟件設(shè)計(jì)1.資源配置1）STC11/10xx系列單片機(jī)管腳分配：串行口RXD/P1.6,TXD/P1.7ISP下載的專用通信口RXD/P3.0,TXD/P3.1RXD, 串行輸入口P3.0TXD, 串行輸出口P3.1基本輸入/輸出口P1.0-.P1.5外部中斷源輸入0,P3.2外部中斷源輸入1,P3.3定時(shí)/計(jì)數(shù)器外部輸入0,P3.4定時(shí)/計(jì)數(shù)器外部輸入1,P3.5單片機(jī)復(fù)位RET,P3.6電源正端,Vcc(20管腳)電源的接地端,Gnd(10管腳)晶振引腳,XTAL1(4管腳)和XTAL2(5管腳)2）邏輯關(guān)系表ENABLE A(P1.4) INPUT1(P1.0) IN

17、PUT2(P1.1) 電機(jī)轉(zhuǎn)向 H(1) H(1) L（0） 正轉(zhuǎn) H(1) L(0) H（1） 反轉(zhuǎn) H(1) 同IN2 同IN1 停止 L(0) X(0、1) X（0、1） 空轉(zhuǎn) 2.流程圖1）主流程圖：2）正轉(zhuǎn)子程序： 3）反轉(zhuǎn)子程序： 4）停止子程序： 3.匯編源程序ORG 0000HAJMP STARTSTART:MOV P3,#0FFHNEXT0: JB P3.3,NEXT1 ;P3.3=0,正轉(zhuǎn) AJMP ZZNEXT1: JB P3.4,NEXT2 ;P3.4=0,反轉(zhuǎn) AJMP FZNEXT2: JB P3.5 START ;P3.5=0,停止 AJMP STOPZZ: SE

18、TB P1.4 ;正轉(zhuǎn)子程序 SETB P1.0 LCALL DELAY CLR P1.1 LCALL DELAY AJMP STARTFZ: SETB P1.4 ;反轉(zhuǎn)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 ;延時(shí)子程序 MOV R2,#125DE1: NOPDE2: DJNZ R2,DE1 DJNZ R1,DE2 RET4STC單片機(jī)程序燒錄啟動(dòng)本燒錄程序后,第一步就是選擇燒錄器件

19、。本燒錄軟件支持STC全系列的51單片機(jī)芯片,因此,第一步必須選擇相對應(yīng)的型號(hào)。由于本實(shí)驗(yàn)板選用的單片機(jī)芯片就是本燒錄軟件首次啟動(dòng)默認(rèn)的型號(hào),所以,本項(xiàng)一般都不需要選擇。另外,“AP Memory”是指該芯片的內(nèi)存大小和起止地址,根據(jù)器件型號(hào)自動(dòng)更改,不必理會(huì)。選擇了器件型號(hào),第二步就應(yīng)該選擇將要被燒錄的HEX機(jī)器碼文件。HEX文件由單片機(jī)開發(fā)環(huán)境輸入、編輯代碼,最后編繹產(chǎn)生。第三步就可以設(shè)置串口和串口通信速度了。串口是一個(gè)九針的插座,老式的鼠標(biāo)口就是串口。為了讓通信可靠,我們可以適當(dāng)?shù)倪x低一些的速度,這個(gè)串口線較長時(shí)非常重要。燒錄過程中,如果出現(xiàn)失敗,可以考慮將串口通信速度降低再試,這是由于

20、機(jī)器配置以及當(dāng)?shù)丨h(huán)境因素決定的,當(dāng)供電電源偏低(用USB供電的一般都會(huì)偏低)和環(huán)境干擾過大時(shí),必需選低一點(diǎn)的波特率(即通信速率)。燒錄成功與失敗,可以從信息區(qū)的提示看出。 選擇并設(shè)置好串口后(一般不需更改),進(jìn)入第四步,而這一步基本上不用更改。設(shè)置時(shí)鐘倍頻主要是為了提高工作速度,設(shè)置時(shí)鐘增益是為了降低電磁幅射。這些,對于高級(jí)工程人員和最終產(chǎn)品會(huì)很有用,對于初學(xué)者來說,只當(dāng)沒有看見就行了.第五步是最后一步,點(diǎn)擊“Download/下載”,就可以進(jìn)入燒錄狀態(tài)。五、安裝與調(diào)試1.電路板原理圖*四足步行器控制板 *四足步行器控制系統(tǒng)電路圖*四足步行器控制板2.手工制版圖3.安裝元件1）根據(jù)電路板的原理圖，安裝元件，并先用焊錫固定。2）零件在裝配前必須清理干凈，不得有毛刺、飛邊、沙塵等。3）裝配前應(yīng)對零部件主要配合尺寸，特別是過盈配合尺寸及相關(guān)精度進(jìn)行復(fù)查。4）裝配過程中零