畢業(yè)設(shè)計(jì)-基于單片機(jī)的舞蹈機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上河南科技學(xué)院2014屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）基于單片機(jī)的舞蹈機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 所在院系： 機(jī)電學(xué)院 所學(xué)專業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 導(dǎo)師姓名： 完成時(shí)間： 2014年5月24 日 基于單片機(jī)的舞蹈機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化裝置，它綜合運(yùn)用了機(jī)械與精密機(jī)械、微電子與計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制與驅(qū)動(dòng)、傳感器與信息處理以及人工智能等多學(xué)科的最新研究成果，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和各行各業(yè)對(duì)自動(dòng)化程度要求的提高，機(jī)器人技術(shù)得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的機(jī)器人產(chǎn)品，本文介紹的就是其中的舞蹈機(jī)器人。舞蹈機(jī)器人的設(shè)計(jì)，首先通過(guò)對(duì)人類動(dòng)作的深入了解，分析人類的動(dòng)作特性，確

2、定機(jī)器人的基本構(gòu)成并選擇合適的機(jī)械構(gòu)造，本設(shè)計(jì)舞蹈機(jī)器人采用鋼材結(jié)構(gòu)，用舵機(jī)充當(dāng)機(jī)器人關(guān)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)類人結(jié)構(gòu)。并且與控制對(duì)象跳舞機(jī)器人的工作原理、動(dòng)作過(guò)程進(jìn)行比較，從而選擇出組裝機(jī)器人的造型，文中并分析機(jī)器人動(dòng)作的局限性與優(yōu)勢(shì)。同時(shí)本畢業(yè)設(shè)計(jì)介紹了基于AT89C51單片機(jī)的舞蹈機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括硬件部分和軟件部分。硬件部分介紹了舞蹈機(jī)器人控制系統(tǒng)的各模塊，包括電源模塊、單片機(jī)及外圍接口電路模塊、存儲(chǔ)模塊、串行通信模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊及防碰撞模塊六大部分；軟件部分包括設(shè)定機(jī)器人的舞蹈動(dòng)作程序。詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)方案和軟件設(shè)計(jì)思想。根據(jù)要求舞蹈機(jī)器人控制系統(tǒng)采用分時(shí)復(fù)用的方法，利用P

3、WM信號(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制，用以完成作品設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，PWM信號(hào)，舞蹈機(jī)器人，舵機(jī)，直流電機(jī)MICROCONTROLLER-BASED ROBOT CONTROL SYSTEM DESIGN DANCEAbstractRobot is a typical mechatronic device, which combines the use of the latest research machinery and precision machinery, microelectronics and computer, automatic control and drive, sensors

4、 and information processing, and artificial intelligence, multi-disciplinary, with the economic development and the lines each industry to raise the required degree of automation, robotics technology has been developing rapidly, there has been a wide range of robotic products described in this artic

5、le is one of the dancing robot.Design dancing robot, first through in-depth understanding of human action, human operating characteristics analysis to determine the basic structure of the robot and select the appropriate mechanical construction, the design of steel structures using robot dance, act

6、as a robot with a steering joint, enabling the class human structure.And dancing robot control object works, the course of action are compared to select the shape of the assembly robot, the paper analyzed the limitations and advantages of robot action.Meanwhile, the graduation project presentation b

7、ased on AT89C51 dance robot control system design, including hardware and software components.Hardware section describes the various modules dancing robot control system, including the power supply module, microcontroller and peripheral interface circuit module, memory module, serial communication m

8、odule, motor drive control module and anti-collision module six parts; Software includes setting the robot dance program.Elaborated hardware implementations and software design. Dancing robot control system according to the requirements using time division multiplexing method using PWM control signa

9、l to the drive motor, designed to complete the work.Keywords: microcontroller, PWM signal, dancing robot, steering, DC專心-專注-專業(yè)目 錄5 1 緒論40年前，比爾·蓋茨放棄學(xué)業(yè)，創(chuàng)立了微軟，成為個(gè)人電腦普及革命的領(lǐng)軍人物；10年前，他曾預(yù)言，機(jī)器人即將重復(fù)個(gè)人電腦崛起的道路。點(diǎn)燃機(jī)器人普及的“導(dǎo)火索”，這場(chǎng)革命必將與個(gè)人電腦一樣，徹底改變這個(gè)時(shí)代的生活方式，10年的時(shí)間驗(yàn)證了他的話是正確的。機(jī)器人是人類20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一，在短短的幾十年內(nèi)就發(fā)生了日新月異的變

10、化?？梢詮慕鼛啄晔澜绶秶鷥?nèi)推出的機(jī)器人產(chǎn)品看出來(lái)，機(jī)器人技術(shù)正在向智能化、模塊化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展。其發(fā)展趨勢(shì)主要為：結(jié)構(gòu)的模塊化和可重構(gòu)化；控制技術(shù)的的開(kāi)放化；PC化和網(wǎng)絡(luò)化；伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的數(shù)字化和分散化。隨著社會(huì)對(duì)服務(wù)業(yè)的需求不斷擴(kuò)大，可以代替人的機(jī)器人將會(huì)有更廣闊的前景。社會(huì)的進(jìn)步和生活水平的不斷提高，使人們對(duì)傳統(tǒng)的娛樂(lè)方式產(chǎn)生了厭倦，對(duì)娛樂(lè)也有了新的認(rèn)識(shí)和更高的追求。為了滿足人們的需求，出現(xiàn)了會(huì)跳舞的機(jī)器人， 舞蹈機(jī)器人在日本、韓國(guó)、美國(guó)、中國(guó)等各個(gè)國(guó)家都先后有不同程度的發(fā)展，尤其是在日本已經(jīng)有突破性的發(fā)展。在機(jī)器人科技方面，中國(guó)還處于萌芽階段。近幾年，先后在科研、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各

11、領(lǐng)域都有應(yīng)用，尤其在工業(yè)中的應(yīng)用最多，范圍最廣。 就中國(guó)而言，機(jī)器人很少向娛樂(lè)行業(yè)發(fā)展，本文介紹了基于AT89C51單片機(jī)的舞蹈機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為機(jī)器人在娛樂(lè)領(lǐng)域的發(fā)展略盡綿力。舞蹈機(jī)器人出現(xiàn)在娛樂(lè)舞臺(tái)上時(shí)，必將使娛樂(lè)方式更加時(shí)代化、多元化，使娛樂(lè)內(nèi)容更加豐富多彩。它不僅可以填補(bǔ)老人們的空虛與無(wú)聊，更滿足了青年和兒童的好奇心，而且可以將舞蹈動(dòng)作用數(shù)字記錄下來(lái)，方便了文化的快速傳遞，從而實(shí)現(xiàn)了在數(shù)字時(shí)代背景下傳統(tǒng)文化的傳承。同時(shí)也能激發(fā)人們對(duì)新科技的認(rèn)識(shí)和再創(chuàng)造。2 方案論證取優(yōu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)功能要求舞蹈機(jī)器人集軟件與硬件于一體,是一個(gè)比較完善的系統(tǒng),其設(shè)計(jì)需要控制、機(jī)械、舞蹈

12、與音樂(lè)等各方面的相互融合。控制系統(tǒng)則是整個(gè)舞蹈機(jī)器人的核心,其設(shè)計(jì)的好壞,將嚴(yán)重影響到整個(gè)舞蹈機(jī)器人的性能。舞蹈機(jī)器人的控制系統(tǒng)包括硬件電路與軟件設(shè)計(jì)兩方面，整個(gè)舞蹈機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程，具體控制要求如下：（1） 本系統(tǒng)采用分時(shí)復(fù)用的方法,利用PWM信號(hào)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制。（2） 能正確接收PC指令。（3） 可實(shí)現(xiàn)舞蹈動(dòng)作的編輯存儲(chǔ)。（4） 能驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)現(xiàn)舞蹈動(dòng)作。（5） 能進(jìn)行碰撞保護(hù)。2.2 方案論證取優(yōu)隨著世界第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人1962年在美國(guó)誕生，機(jī)器人已經(jīng)有了五十多年的發(fā)展史。五十多年來(lái)，機(jī)器人由工業(yè)機(jī)器人到智能機(jī)器人，成為21世紀(jì)具有代表性的高新技術(shù)之一，其研究涉及的學(xué)科涵

13、蓋機(jī)械、電子、生物、傳感器、驅(qū)動(dòng)與控制等多個(gè)領(lǐng)域。世界著名機(jī)器人學(xué)專家，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說(shuō)過(guò)：“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是步行功能?！眱勺悴叫惺遣叫蟹绞街凶詣?dòng)化程度最高、最為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。兩足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)步行的環(huán)境要求很低，對(duì)環(huán)境有很好的適應(yīng)性。雙足機(jī)器人具有支撐面積小，支撐面的形狀隨時(shí)間變化較大，質(zhì)心的相對(duì)位置高的特點(diǎn)。是其中最復(fù)雜，控制難度最大的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。但由于雙足機(jī)器人比其它足式機(jī)器人具有更高的靈活性，因此，設(shè)計(jì)成仿人形的舞蹈機(jī)器人優(yōu)先選擇兩足步行系統(tǒng)。其典型特點(diǎn)是機(jī)器人的下肢以剛性構(gòu)件通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接，模仿人類的腿及髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，并以執(zhí)

14、行裝置代替肌肉，實(shí)現(xiàn)對(duì)身體的支撐及連續(xù)地協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，各關(guān)節(jié)之間可以有一定角度的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。舞蹈機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)全靠下肢支撐，因此采用兩足步行機(jī)器人的兩足步行系統(tǒng)。2.3 自由度的分配舞蹈機(jī)器人（如圖1）具有人類外觀特征、可愛(ài)的外貌、又兼有技術(shù)含量，極受青少年的喜愛(ài)。本課題要求設(shè)計(jì)一具有簡(jiǎn)單人體功能的、模擬舞蹈動(dòng)作的類人型機(jī)器人，完成簡(jiǎn)單人體舞蹈的基本動(dòng)作：可以前進(jìn)后退，左右側(cè)行，左右轉(zhuǎn)彎和前后擺動(dòng)手臂，舉手投足、轉(zhuǎn)圈、頭部動(dòng)作靈活。下肢確定采用兩足步行機(jī)器人的兩足步行系統(tǒng)，舞蹈機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以確定，具體如下：舞蹈機(jī)器人設(shè)計(jì)成仿人形，分別具有上下肢、頭部、腰部等關(guān)節(jié)，能夠模仿人類基本的動(dòng)作，其機(jī)械結(jié)

15、構(gòu)如圖所示。（1）頭部。具有個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)頭部的左右轉(zhuǎn)動(dòng)。（2）上肢。每只手各具有4個(gè)自由度，分別實(shí)現(xiàn)肩部的左右擺動(dòng)、肩部的前后擺動(dòng)、手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)和肘關(guān)節(jié)的擺動(dòng)，手的轉(zhuǎn)動(dòng)和腕關(guān)節(jié)的擺動(dòng)。（3）腰部和下肢。腰部和下肢通過(guò)髖關(guān)節(jié)相連，髖關(guān)節(jié)配置3個(gè)自由度，包括轉(zhuǎn)體(roll)、俯仰(pitch)和偏轉(zhuǎn)(yaw)自由度，膝關(guān)節(jié)配置一個(gè)俯仰自由度，踝關(guān)節(jié)配置有俯仰和偏轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度。這樣，每條腿配置6個(gè)自由度，兩條腿共12個(gè)自由度。圖 舞蹈機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)圖舞蹈機(jī)器人的自由度總體配置如圖3所示。圖2 舞蹈機(jī)器人的自由度總體配置圖圖2中，機(jī)器人從右腳踝關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)，髖關(guān)節(jié)，腰部，到左腳腰部，髖關(guān)節(jié)，膝關(guān)節(jié)，踝

16、關(guān)節(jié)，自由度配置分別為（1，2），（3），（4,5），（6);(7),(8,9），（10），（11,12）。從右手腕關(guān)節(jié)，肘關(guān)節(jié)，肩部，到左手肩部，肘關(guān)節(jié)，腕關(guān)節(jié)，自由度配置分別為（13），（14），（15，16）；（17,18），（19），（20）。頭部的自由度配置為（21）。舞蹈機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)各個(gè)自由度連續(xù)的進(jìn)行各種角度組合而完成的，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的俯仰自由度共同協(xié)調(diào)動(dòng)作可完成機(jī)器人的在縱向平面(前進(jìn)方向)內(nèi)的直線行走功能；髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)體自由度可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎功能；髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度協(xié)調(diào)動(dòng)作可實(shí)現(xiàn)在橫向平面內(nèi)的重心轉(zhuǎn)移功能。為了方便舞蹈機(jī)器人的控制程序編寫，建立空間坐標(biāo)

17、系，橫向平面（偏轉(zhuǎn)方向）為X軸方向，縱向平面(前進(jìn)、俯仰方向)為Y軸方向，舞蹈機(jī)器人的身高（垂直方向）為Z軸方向。機(jī)器人的轉(zhuǎn)體(roll)、俯仰(pitch)和偏轉(zhuǎn)(yaw)定義如圖3所示。圖3 舞蹈機(jī)器人方向示意圖2.4 電機(jī)的選擇電動(dòng)機(jī)也稱電機(jī)（俗稱馬達(dá)），在電路中用字母“M”（舊標(biāo)準(zhǔn)用“D”）表示。它的主要作用是產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩，作為用電器或小型機(jī)械的動(dòng)力源。常用的電機(jī)有直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)等。下面我們大概對(duì)直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)進(jìn)行一下對(duì)比，見(jiàn)表1。表1 電機(jī)對(duì)比電機(jī)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)適用重量應(yīng)用場(chǎng)合直流電機(jī)功率大、接口簡(jiǎn)單、容易購(gòu)得型號(hào)多較難裝配、較貴、控制復(fù)雜任何重量的機(jī)器人較大型機(jī)器人步

18、進(jìn)電機(jī)精確的速度控制型號(hào)多、接口簡(jiǎn)單、便宜體積大，較難裝配、功率小、控制復(fù)雜輕型機(jī)器人巡線跟蹤機(jī)器人，迷宮機(jī)器人舵機(jī)易于安裝、接口簡(jiǎn)單、功率中等負(fù)載能力較低速度調(diào)節(jié)范圍較小重至2.5kg的機(jī)器人小型機(jī)器人，步行機(jī)器人通過(guò)表1中電機(jī)性能的對(duì)比，可以確定舞蹈機(jī)器人實(shí)現(xiàn)各自由度選擇的電機(jī)。設(shè)計(jì)舞蹈機(jī)器人舞蹈動(dòng)作時(shí)可知道，機(jī)器人的頭部舞蹈動(dòng)作較為簡(jiǎn)單，只需要能在前方180°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以頭部選擇用1個(gè)舵機(jī)；雙臂的舞蹈動(dòng)作也沒(méi)有特殊要求，舵機(jī)比較合適，所以兩條手臂選擇用8個(gè)舵機(jī)；舞蹈機(jī)器人需要用雙腿做滑行動(dòng)作，選擇用直流電機(jī)完成，所以雙腿需要8個(gè)舵機(jī)，兩個(gè)直流電機(jī)。由于已經(jīng)選定舵機(jī)，就可以根

19、據(jù)加入墊片以后各寬度設(shè)計(jì)支架的寬度，并按著人體比例設(shè)計(jì)大腿、小腿處需要的支架的長(zhǎng)度。從而計(jì)算出組裝舞蹈機(jī)器人所需要的各部件的尺寸。2. 5 舞蹈機(jī)器人的機(jī)械部件舞蹈機(jī)器人的核心部件是舵機(jī)，是舞蹈機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源，選用型號(hào)MG995。用于連接舵機(jī)與鋁合金支架的部件為舵盤，因?yàn)槎鏅C(jī)左右結(jié)構(gòu)不同，所以舵盤分兩種：舵盤a用于連接舵機(jī)的齒輪端，舵盤b用于配合舵機(jī)的光滑軸端。用于機(jī)器人的四肢主體支撐關(guān)節(jié)的鋁合金支架，起著連接舵機(jī)與舵機(jī)、舵機(jī)與腰部的身體板的重要作用。連接塊，在4個(gè)面上都有螺紋孔，用于舵機(jī)與鋁合金關(guān)節(jié)的連接以及關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)之間的連接。腰部身體板，主要用于連接腿部、放置單片機(jī)和固定蓄電池。上身

20、支架板，鏈接腰部、頭部與雙臂，內(nèi)部中空。腳底板，中間安裝轱轆，可通過(guò)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)滑行功能。2. 6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案分析舞蹈機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件部分包括電源模塊、單片機(jī)及外圍接口電路模舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制電路P0.4/P0.5 P1HS0.0-HS0.1 I/OAT89C51 單片機(jī) EXLNTRXD/TXD P0.0-P0.3P2.6/P2.7 Vcc 串行通信開(kāi)關(guān)無(wú)線啟動(dòng)開(kāi)關(guān)舵機(jī)直流電機(jī)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路外部時(shí)鐘、復(fù)位電路外部程序存儲(chǔ)器RS232電平轉(zhuǎn)換電路防碰撞模塊PC機(jī)（編輯舞蹈動(dòng)作）17路舵機(jī)2路直流電機(jī)AT24C16FLASH MEMORY 電源模塊圖4 控制系統(tǒng)硬件框圖塊、存儲(chǔ)模塊、串行通

21、信模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊及防碰撞模塊六大部分，其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。3 系統(tǒng)硬件選型3.1 單片機(jī)可編程控制器部分3.1.1 單片機(jī)概述單片機(jī)，全稱單片微型計(jì)算機(jī)（英語(yǔ)：Single-Chip Microcomputer），又稱微控制器（Microcontroller），是把中央處理器、存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器（Timer/Counter）、各種輸入輸出接口等都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。與應(yīng)用在個(gè)人電腦中的通用型微處理器相比，它更強(qiáng)調(diào)自供應(yīng)（不用外接硬件）和節(jié)約成本。它的最大優(yōu)點(diǎn)是體積小，可放在儀表內(nèi)部，但存儲(chǔ)量小，輸入輸出接口簡(jiǎn)單，功能較低。由于其發(fā)展非常迅速，舊的單片機(jī)的定義已

22、不能滿足，所以在很多應(yīng)用場(chǎng)合被稱為范圍更廣的微控制器；由于單芯片微電腦常用于當(dāng)控制器故又名single chip microcontroller，但是目前在中國(guó)大陸仍多沿用“單片機(jī)”的稱呼。單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì)80年代，由當(dāng)時(shí)的4位、8位單片機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在的32位300M的高速單片機(jī)。3.

23、1.2 單片機(jī)選型單片機(jī)及其外圍接口電路模塊包括單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、外部程序表2 AT89C51單片機(jī)的主要特性1與MCS-51 兼容24K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器3壽命：1000寫/擦循環(huán)4數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年5全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz6三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定7128*8位內(nèi)部RAM832可編程I/O線9兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器105個(gè)中斷源 1111可編程串行通道12低功耗的閑置和掉電模式13片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路存儲(chǔ)電路。根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域、采集數(shù)據(jù)的類型和大小、I/O口數(shù)、以及設(shè)置數(shù)據(jù)需要得內(nèi)存大小，本文中所選用的單片機(jī)采用Atmel公司的AT89C51。AT89C51是一種帶4K字

24、節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。其主要特性如表2。3.2 電源模塊電源模塊就相當(dāng)于把一個(gè)電源所需要的各種元器件集成到一塊芯片或

25、者一塊電路板上。而電源從基本分類上可以分為線性電源和開(kāi)關(guān)電源兩大類，開(kāi)關(guān)電源的效率比較高，但紋波系數(shù)大，而線性電源的特點(diǎn)剛好相反，效率低但精度可以做得很高，所以精密電源基本上都是加了數(shù)字控制的線性電源。本設(shè)計(jì)中的電源模塊主要用來(lái)給光電隔離前的芯片、光電隔離后的芯片、舵機(jī)與直流電機(jī)分開(kāi)供電，使其相互之間不會(huì)產(chǎn)生干擾。在電源模塊中，由于采用同一個(gè)+8V鎳鎘電池供電，故設(shè)計(jì)中采用了DC/CD轉(zhuǎn)換模塊CD05S05/5W、光電耦合、7805穩(wěn)壓電路，實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換和信號(hào)的隔離，從而保證其余各電路的正常工作和排除相互之間的干擾。3.3 串行通信模塊串行通信模塊主要用于AT89C51單片機(jī)與PC機(jī)之間的串

26、行通信。串行通訊模板只有RS232C或TTY或RS485/422 三種電氣接口類型，本設(shè)計(jì)由于PC機(jī)的COM口符合RS-232標(biāo)準(zhǔn), AT89C51單片機(jī)上的串行接口是CMOS電平，在RS-232與CMOS電平通信時(shí),需要電平轉(zhuǎn)換，因此，設(shè)計(jì)時(shí)利用MAX232芯片來(lái)作電平轉(zhuǎn)換。MAX232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的、包括兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器的RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片，適用于各種232通信接口，其內(nèi)部有1個(gè)電源電壓變換器，可以把輸入的+5V電源電壓變換成RS-232輸出電平所需的±10V電壓。如圖5所示。圖5 串行通信模塊圖3.4 存儲(chǔ)模塊在舞蹈機(jī)器人控制系統(tǒng)中，舞蹈動(dòng)作的編輯與執(zhí)行是分

27、開(kāi)的。舞蹈動(dòng)作的編輯是在PC機(jī)上完成的，而舞蹈動(dòng)作的執(zhí)行是在單片機(jī)上完成的，因而必須把舞蹈動(dòng)作進(jìn)行存儲(chǔ)，以轉(zhuǎn)換到單片機(jī)上執(zhí)行。設(shè)計(jì)中利用AT24C16作為舞蹈動(dòng)作的存儲(chǔ)元件。AT24C16可以充分利用單片機(jī)的I/O口，僅需2根通信線，其通信格式是12C總線。3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊對(duì)于舵機(jī)和直流電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)控制稍有不同，現(xiàn)分述如下：3.5.1 舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制模塊舵機(jī)的控制信號(hào)來(lái)自AT89C51單片機(jī)的P1口，利用三片鎖存器74LS573可提供24路控制信號(hào)，其中舵機(jī)用到17路控制信號(hào)。為了防止干擾，17路舵機(jī)控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)經(jīng)過(guò)TLP-521光電隔離。通過(guò)隔離出來(lái)的控制信號(hào)，還必須接入LM

28、324比較器，以消除毛刺，增加信號(hào)的穩(wěn)定性，提高信號(hào)的輸出電流，以便舵機(jī)能夠正確工作不至于產(chǎn)生不必要的抖動(dòng)。此外，由于舵機(jī)數(shù)量多，為了節(jié)省I/O口，可通過(guò)P1口的分時(shí)復(fù)用和鎖存器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在系統(tǒng)中，由于程序執(zhí)行都在微秒級(jí)，在舞蹈動(dòng)作執(zhí)行時(shí)，用到定時(shí)器中斷，而定時(shí)器是采用0.25ms進(jìn)行中斷，因而，在時(shí)間上完全可以采用分時(shí)復(fù)用的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的控制。由于本機(jī)器人機(jī)構(gòu)采用了17個(gè)舵機(jī)，本控制系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)能同時(shí)驅(qū)動(dòng)這17個(gè)舵機(jī)的功能。由前面的敘述知道，舵機(jī)的控制信號(hào)為周期是20ms的脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)，其中脈沖寬度從0.5ms2.5ms，相對(duì)應(yīng)舵盤的位置為0180°，呈線性變化。也就是

29、說(shuō)，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上，無(wú)論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)的位置上。舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號(hào)脈沖寬度的關(guān)系如圖6所示。圖6 舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角與輸入信號(hào)脈沖寬度的關(guān)系傳統(tǒng)產(chǎn)生PWM波的方法是通過(guò)大量的分立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)的,所產(chǎn)生的脈沖頻率和寬度往往不是很準(zhǔn)確，很難做到對(duì)舵機(jī)的精確控制。目前，產(chǎn)生PWM波的方法有很多種:最直接的方法就是用單片機(jī)本身所帶的PWM口產(chǎn)生波形，但該方法受MCU內(nèi)部資源的限制，僅能實(shí)現(xiàn)24路PWM波的輸出，對(duì)于需要多路舵機(jī)的場(chǎng)合顯然是不夠的。另一種方法就是利用分時(shí)復(fù)用的思想利用單片機(jī)一個(gè)中斷

30、產(chǎn)生7路控制futaba舵機(jī)用PWM波的方法。該方法雖然實(shí)現(xiàn)了7路舵機(jī)的控制，但也僅能實(shí)現(xiàn)7路舵機(jī)的控制，并且僅針對(duì)特定舵機(jī)的控制，控制精度也不高，在一些重要場(chǎng)合的應(yīng)用受到了限制;還有一種方法就是利用單片機(jī)純軟件的循環(huán)計(jì)數(shù)的方法或者，利用硬件定時(shí)，軟件計(jì)數(shù)相結(jié)合的方法，在不增加任何硬件接口的前提下，實(shí)現(xiàn)了多路PWM波的輸出。然而此方法大量占用MCU運(yùn)算時(shí)間，基本不能再處理其它的事務(wù)，并且精度不高。另外，目前一些數(shù)字信號(hào)處理芯片片內(nèi)就集成了PWM波形產(chǎn)生的功能，只需要進(jìn)行寄存器參數(shù)的設(shè)置就可得到PWM的輸出。但在一些只需要簡(jiǎn)單電機(jī)控制的場(chǎng)合，從成本考慮不需要較為昂貴的數(shù)字信號(hào)處理芯片。本文采用一

31、片51單片機(jī)和一片復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)實(shí)現(xiàn)了PWM的產(chǎn)生。由于CPLD具有他特有的并行處理能力和大量的I/O接口，可以同時(shí)控制幾十甚至上百個(gè)舵機(jī)同時(shí)工作，可以為后續(xù)的工作留出一定的空間，但由于CPLD不具備事務(wù)處理能力，實(shí)際應(yīng)用中還需要MCU協(xié)同工作，本文使用51系列的單片機(jī)和CPLD協(xié)同控制舵機(jī)，另外，使用了單片機(jī)，還可以為后續(xù)的傳感器反饋處理留出空間。結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。UART 單片機(jī) 8051 （下位機(jī)）RAM控制計(jì)算機(jī)（上位機(jī)）MAX232 RS232 CPLD舵機(jī)117 直流電機(jī) 晶振圖7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖控制系統(tǒng)如圖7所示，選用“上位機(jī)+串口+下位機(jī)”的控制系統(tǒng)解決方案。上

32、位機(jī)控制軟件的主要功能是對(duì)預(yù)定的機(jī)器人動(dòng)作進(jìn)行規(guī)劃和位置插補(bǔ)，再按照一定時(shí)間間隔和次序進(jìn)行發(fā)送給下位機(jī),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)位置和近似的速度控制;下位機(jī)主要功能是接收上位機(jī)發(fā)送的位置信號(hào)，根據(jù)信號(hào)要求產(chǎn)生PWM波，控制機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)舵機(jī)運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人按動(dòng)作規(guī)劃完成舞蹈動(dòng)作。相應(yīng)的，下位機(jī)主要由完成串口通信、數(shù)據(jù)的調(diào)度和17個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成。圖8為CPLD的17路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)原理框圖，CPLD通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的接口與51單片機(jī)進(jìn)行通信，把要驅(qū)動(dòng)的17個(gè)舵機(jī)的PWM信號(hào)數(shù)據(jù)存入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)，從而通過(guò)數(shù)字PWM生成器驅(qū)動(dòng)17個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)到需要的角度，當(dāng)需要轉(zhuǎn)換到下一數(shù)字PWM生成器（117）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)與51單片機(jī)的

33、接口 PWM波形 （117）圖8 CPLD的17路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)原理框圖個(gè)角度時(shí)，通過(guò)與51單片機(jī)的接口，從51單片機(jī)中傳送新的PWM信號(hào)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)中進(jìn)行更新，這樣數(shù)字PWM生成器就會(huì)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)新的角度。舵機(jī)的控制電路圖如圖9所示。圖9 舵機(jī)的控制電路 3.5.2 直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制模塊 舞蹈機(jī)器人進(jìn)行舞蹈表演時(shí)，需要進(jìn)行滑行表演，這是人體不能做到的。所以機(jī)器人的兩只腳是通過(guò)兩個(gè)直流電機(jī)來(lái)運(yùn)動(dòng)的。為了使機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)直線行走、轉(zhuǎn)彎、側(cè)滑等動(dòng)作，必須對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向與轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，為此我們選用了L289N驅(qū)動(dòng)芯片，其控制電路圖如上頁(yè)圖10所示。L289N是高電壓、高電流的雙橋驅(qū)動(dòng)器，利

34、用一片L289N就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)個(gè)直流電機(jī)的控制。每個(gè)直流電機(jī)用三路控制信號(hào)，其中兩路為轉(zhuǎn)向控制信號(hào)IN1和IN2（或IN3和IN4），一路為轉(zhuǎn)速控制信號(hào)ENA（或ENB），每組有兩路輸出信號(hào)，可以直接接到直流電機(jī)的引線上。通過(guò)改變IN1和IN2（或IN3和IN4）輸入端的高低電平值，即可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制。ENA與ENB所引入的信號(hào)是PWM波，通過(guò)改變PWM波的脈寬，進(jìn)而改變加在直流電機(jī)上的平均電壓，就可以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的速度控制。為了防止直流電機(jī)在啟動(dòng)、停止瞬間所產(chǎn)生的反饋電壓損壞L289N，在L289N和直流電機(jī)之間加入8個(gè)二極管，起斷電續(xù)流的作用，從而保護(hù)元件。圖10 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電

35、路3.6 防碰撞模塊由于舞蹈機(jī)器人需要運(yùn)動(dòng)起來(lái)，進(jìn)行舞蹈動(dòng)作的表演，難免會(huì)出現(xiàn)磕磕碰碰，雖然本設(shè)計(jì)描述的舞蹈機(jī)器人是鋼架結(jié)構(gòu)，但也只是外殼比較結(jié)實(shí)罷了，本質(zhì)上舞蹈機(jī)器人是一個(gè)脆弱的物體。機(jī)器人在舞臺(tái)邊緣做一些動(dòng)作時(shí)，就有可能發(fā)生碰撞或者卡死，這樣會(huì)對(duì)機(jī)器人內(nèi)部的控制系統(tǒng)硬件造成損毀，所以需要對(duì)舞蹈機(jī)器人進(jìn)行防碰撞保護(hù)。保護(hù)的方式首先在在機(jī)器人外部的前后左右方向裝了四個(gè)碰撞傳感器，選擇壓力傳感器，加上相應(yīng)的邏輯電路，當(dāng)機(jī)器人發(fā)生碰撞對(duì)壓力傳感器壓力達(dá)到對(duì)機(jī)器人內(nèi)部電路有損時(shí)，產(chǎn)生邏輯信號(hào)，舞蹈機(jī)器人控制系統(tǒng)中的防碰撞模塊對(duì)該信號(hào)進(jìn)行處理，作為外部中斷信號(hào)輸入AT89C51單片機(jī)，讓所有電機(jī)都停止

36、工作，從而完成了對(duì)發(fā)生碰撞或卡死的情況進(jìn)行處理。此防碰撞功能是通過(guò) AT89C51外部中斷來(lái)處理的。4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件部分是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的部分，它關(guān)系到舞蹈動(dòng)作的編輯、存儲(chǔ)和執(zhí)行。軟件由PC機(jī)上的軟件設(shè)計(jì)和單片機(jī)上的軟件設(shè)計(jì)兩部分組成，在此僅介紹單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。單片機(jī)上的控制程序包括一個(gè)主程序和相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，其程序流程如圖11所示。開(kāi)始外部中斷、定時(shí)器中斷、串口中斷初始化舞蹈動(dòng)作初始化單片機(jī)與PC機(jī)串行通信舞蹈動(dòng)作存儲(chǔ)P0.5=1? N P0.4=1? Y N舞蹈動(dòng)作的讀取和執(zhí)行防碰撞處理 Y結(jié)束圖11 程序控制總流程圖其中P0.5是串行數(shù)據(jù)的開(kāi)關(guān)控制量，不等于1，表示

37、單片機(jī)進(jìn)入串行中斷等待，進(jìn)而機(jī)與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，等于1，表示程序往下執(zhí)行；P0.4是機(jī)器人開(kāi)始跳舞的遙控開(kāi)關(guān)，等于1，表示機(jī)器人開(kāi)始跳舞，否則，機(jī)器人保持原來(lái)狀態(tài)。4.1 主程序主程序主要負(fù)責(zé)設(shè)置堆棧指針和中斷向量，對(duì)所用到的特殊寄存器進(jìn)行初始化和舞蹈動(dòng)作初始化，設(shè)置定時(shí)器中斷，設(shè)置串口中斷和串口通信波特率及開(kāi)關(guān)中斷，設(shè)置P0.4的狀態(tài)控制無(wú)線遙控器啟動(dòng)機(jī)器人，調(diào)用相應(yīng)的子程序。4.2 定時(shí)器中斷服務(wù)子程序定時(shí)器中斷服務(wù)子程序用于產(chǎn)生舵機(jī)、直流電機(jī)的PWM控制信號(hào)和加載舞蹈動(dòng)作。在設(shè)計(jì)中，由于AT89C51內(nèi)部的定時(shí)器1已作為HSO產(chǎn)生PWM信的時(shí)間基準(zhǔn)，因而采用定時(shí)器2作為舞蹈機(jī)器人的時(shí)

38、間控制，其中斷向量單元為2000H，每0.25ms中斷一次，定時(shí)時(shí)間一到，則轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，生成PWM控制信號(hào)和直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)和直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)做出各種各樣的動(dòng)作。4.3 串行中斷服務(wù)子程序串行中斷服務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)AT89C51從PC機(jī)下載舞蹈動(dòng)作和由AT89C51向PC機(jī)上傳舞蹈動(dòng)作。通過(guò)串行中斷，利用AT89C51的TXD、RXD引腳與PC機(jī)的COM口實(shí)現(xiàn)串行通信，二者之間采用全雙工的異步通信模式，其波特率設(shè)為9600，此外為了保正數(shù)據(jù)的正確傳輸，軟件設(shè)計(jì)了握手協(xié)議。在傳輸數(shù)通信的據(jù)前，先進(jìn)行單片機(jī)與PC機(jī)的握手，采用“（”與“）”一對(duì)字符進(jìn)行握手

39、，握手協(xié)議通過(guò)，表示單片機(jī)與PC機(jī)建立了可靠的通信，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸可以了。4.4 外部中斷服務(wù)子程序外部中斷服務(wù)子程序用于處理機(jī)器人的邊緣碰撞問(wèn)題。通過(guò)外部中斷，對(duì)機(jī)器人前后左右四個(gè)方向上的碰撞做出處理，確保機(jī)器人不會(huì)因?yàn)榕鲎灿绊懸院髣?dòng)作的執(zhí)行。對(duì)碰撞的處理，實(shí)際上就是改變保存舞蹈動(dòng)作的寄存器，由于每0.5s讀取一次動(dòng)作數(shù)據(jù)，因此對(duì)碰撞的處理只有在碰撞發(fā)生后的0.5s內(nèi)才能生效。只要對(duì)直流電機(jī)的控制數(shù)據(jù)設(shè)置恰當(dāng)，就完全可以滿足要求，使其不影響以后動(dòng)作的執(zhí)行。5 結(jié)論本舞蹈機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，涉及到了機(jī)器人的機(jī)械部分、硬件部分和軟件部分。在機(jī)械部分，本設(shè)計(jì)采用鋼架結(jié)構(gòu)，用舵機(jī)模擬人體的關(guān)節(jié)

40、，通過(guò)各個(gè)舵機(jī)進(jìn)行各種轉(zhuǎn)角組合而完成機(jī)器人的各種仿人形動(dòng)作，在舞蹈機(jī)器人的腳部，裝上了轱轆，通過(guò)直流電機(jī)提供動(dòng)力，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的滑行，這是人類舞蹈動(dòng)作的禁區(qū)?？刂葡到y(tǒng)的硬件部分，是通過(guò)Atmel公司的AT89C051單片機(jī)微控制器作為控制芯片，來(lái)完成舞蹈機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，機(jī)器人至今已近進(jìn)行了半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，各個(gè)方面都有成熟的技術(shù)了，只是在精細(xì)化上有所欠缺，本設(shè)計(jì)對(duì)舞蹈機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的淺顯探索，希望能夠?qū)C(jī)器人控制系統(tǒng)的發(fā)展有所貢獻(xiàn)。參考文獻(xiàn)1沙占有，王彥朋單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20032石秋潔變頻器應(yīng)用基礎(chǔ)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社,20033胡漢才. 單片機(jī)原理與

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43、owave and optical technology letters.2002,118Dogra AK, Indian Agr Res Inst, Div Agr Engn, New Delhi , India. Development of an intelligent controller for greenhouse management.Acta Horticulturae,2002,0(578)附錄系統(tǒng)程序#include <AT89C51.H>/51芯片管腳定義頭文件#include <intrins.h> /內(nèi)部包含延時(shí)函數(shù) _nop_()#defin

44、e uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit SDATA_595=P30 ; sbit SCLK_595 =P31 ; sbit RCK_595 =P36 ; uchar run=0; uchar num=0; uchar i;sbit in0=P10;sbit in1=P11;sbit in2=P12;sbit in3=P13;sbit in4=P14;sbit in5=P15;sbit in6=P16;sbit in7=P17;sbit in8=P00;unsigned char state0_A=0;unsigned char st

45、ate0_B=0;unsigned char state1_A=0;unsigned char state1_B=0;unsigned char state2_A=0;unsigned char state2_B=0;nsigned char state3_A=0;unsigned char state3_B=0;unsigned char state4_A=0;unsigned char state4_B=0;unsigned char state5_A=0;unsigned char state5_B=0;unsigned char state6_A=0;unsigned char sta

46、te6_B=0;/unsigned char state7_A=0;/unsigned char state7_B=0;/unsigned char state8_A=0;/unsigned char state8_B=0;unsigned int temp=0xffff;unsigned int temp_595;unsigned int temp_0;unsigned int temp_1;unsigned int temp_2;unsigned int temp_3;unsigned int temp_4;unsigned int temp_5;unsigned int temp_6;u

47、nsigned int temp_7;unsigned char P17_temp;unsigned char P17_flag;unsigned int num_0=0xffff;unsigned int num_1=0xffff;unsigned int num_2=0xffff;unsigned int num_3=0xffff;unsigned int num_4=0xffff;unsigned int num_5=0xffff;unsigned int num_6=0xffff;/unsigned int num_7=0xffff;/unsigned int num_8=0xffff

48、;unsigned int count_0=0;unsigned int count_1=0;unsigned int count_2=0;unsigned int count_3=0;unsigned int count_4=0;unsigned int count_5=0;unsigned int count_6=0;/unsigned int count_7=0;/unsigned int count_8=0; void WR_595(); void OUT_595(); void scan(); void start_595(void); void stop(void); void m

49、oto0(unsigned char s0); void moto1(unsigned char s1); void moto2(unsigned char s2); void moto3(unsigned char s3); void moto4(unsigned char s4); void moto5(unsigned char s5); void moto6(unsigned char s6); void moto7(unsigned char s7); void scan0(unsigned int n0); void scan1(unsigned int n1); void sca

50、n2(unsigned int n2); void scan3(unsigned int n3); void scan4(unsigned int n4); void scan5(unsigned int n5); void scan6(unsigned int n6); void scan7(unsigned int n7); void delay50ms(int ms);/*/*將移位寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)鎖存到輸出寄存器并顯示 */*/ void OUT_595(void) RCK_595=0 ; _nop_() ; _nop_() ; RCK_595=1 ; /上升沿將數(shù)據(jù)送到輸出鎖存器 _nop_() ; _nop_() ; _nop_() ; RCK_595=0 ;/*/* 595開(kāi)啟子程序 */*/ void start_595(void) WR