面向智能家居的機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘要機(jī)器人技術(shù)涉及領(lǐng)域眾多，包括電子、機(jī)械學(xué)、自動(dòng)控制、傳感器技術(shù)等，是 一門多技術(shù)集合的領(lǐng)域。隨著工業(yè)自動(dòng)化在世界的飛速發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人在生產(chǎn) 生活中的地位逐漸提高。文章主要講述了家庭機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程，以及機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案。以AT89C51單片機(jī)作為本次設(shè)計(jì)核心，借助L298N電機(jī)控制芯片以完成對(duì)直 流電機(jī)的控制，比如如何啟停，如何改變方向，改變行駛速度。以應(yīng)對(duì)移動(dòng)機(jī)器 人所需完成任務(wù)動(dòng)作的要求。在如何選擇合適的機(jī)器人設(shè)計(jì)中，采用了脈沖寬度 調(diào)制技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，為了達(dá)到期望值采用調(diào)節(jié)占空比大小來實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵詞：智能家居機(jī)器人；AT89C51單片機(jī)；L298N電機(jī)控制芯片；PWM控制； 電機(jī)

2、控制。ABSTRACTRobot technology involves many fields, including electronics, mechanics, automatic control, sensor technology and so on. It is a field of multi technology collection. With the rapid development of industrial automation in the world, the position of mobile robots in production and life is

3、gradually improving. This article mainly describes the design process of the family robot and the design plan of the manipulator.With the AT89C51 MCU as the core of this design, the control chip of L298N motor is used to control the DC motor, such as how to start and stop, how to change direction an

4、d change the speed of driving. In order to meet the requirements of mobile robot for completing tasks. In how to choose the suitable robot design, the pulse width modulation technology is used to control the motor. In order to achieve the desired value, the size of the duty ratio is realized.Key wor

5、ds： Screening manipulator AT89C51 monolithic integrated circuit,; LN298 motor control chip, PWM technology motor control.第一章緒論1.1智能家居機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀機(jī)器人大家都不陌生，我們首先來談?wù)勔苿?dòng)機(jī)器人。移動(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán) 境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。12隨著傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，機(jī)器人的性能得到不斷提高。機(jī)器人 的應(yīng)用也不再局限與工業(yè)生產(chǎn)以及軍事領(lǐng)域，它同時(shí)還廣泛于民用領(lǐng)域，如除草、灌溉、導(dǎo)航、室內(nèi)清洗和安全防范等等

6、。那么什么樣的機(jī)器人是服務(wù)型機(jī)器人呢？這里國際機(jī)器人聯(lián)合會(huì) （International Federation of Robotics, IFR）給出了一個(gè)初步的定義： 服務(wù)機(jī)器人是一 種半自主或全自主工作的機(jī)器人，它能完成有益于人類的服務(wù)工作，但不包括從 事生產(chǎn)的設(shè)備。13國際機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀首先，世界掀開全面研究室外移動(dòng)機(jī)器人的序幕的起源，可以追溯到上世紀(jì) 80年代左右。當(dāng)時(shí)的美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）專門立項(xiàng)，制定了一份地面 天人作戰(zhàn)平臺(tái)的戰(zhàn)略計(jì)劃。如著名的DARPA ”戰(zhàn)略計(jì)算機(jī)”計(jì)劃，其中的Autonomous Land Vehicle計(jì)戈U （1983 1990），也就是我

7、們所說的自主地面車輛或地 面自主車輛計(jì)劃。美國國家航空航天局（簡稱：NASA）于1994年在斯珀火山口用自己資助研制的“丹蒂II”八足行走機(jī)器人完成了一定的演示。雖然它回歸途 中出了點(diǎn)意外，但它卻完成了一定探險(xiǎn)任務(wù)，對(duì)以后移動(dòng)機(jī)器人完成此類任務(wù)有 重要的參考價(jià)值。不僅如此，他們于1997年在火星上使用機(jī)器人探險(xiǎn)的全球報(bào)道也是赫赫有名， 機(jī)器人Rocky7克服重重困難，終于不負(fù)眾望在Lavic湖那充滿巖溶流和干枯的湖 床上進(jìn)行了成功的實(shí)驗(yàn)。證明了長距離外星球探險(xiǎn)的可行性以及人類對(duì)外太空的 濃厚興趣。對(duì)以后再次的外空探索實(shí)驗(yàn)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。德國的工業(yè)實(shí)力也不容小視，該國研制的輪椅機(jī)器人更是在有大

8、量流動(dòng)乘客 的烏爾姆市中心和擁擠的漢諾威工業(yè)商品博覽會(huì)的展廳內(nèi)，憑借該國先進(jìn)的技術(shù) 成功的通過36個(gè)小時(shí)之久的漫長考驗(yàn)。該輪椅機(jī)器人所表現(xiàn)出來的優(yōu)異性能，在 當(dāng)時(shí)的移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，讓我們由衷的佩服德國工藝。我國機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀當(dāng)然，我國也在馬不停蹄地研制自己的機(jī)器人，1995年由清華大學(xué)自主開發(fā) 的移動(dòng)式護(hù)理機(jī)器人，以其七個(gè)自由度的功能，給高位截癱人員帶來了福音，其 功能是在患者無人幫助的情況下，滿足患者一定的取藥，倒水以及查看書籍的目 的。中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所的 AGV （Automated Guided Vehicle, “自動(dòng)導(dǎo) 引運(yùn)輸車”）以及防爆機(jī)器人。雖然我國這方面起步

9、比較晚，在1990年左右才開始服務(wù)機(jī)器人的研究工作， 但是絲毫不影響我國對(duì)其的熱愛和追求。我國服務(wù)機(jī)器人的市場的初步形成，那 要從2005年起才開初具規(guī)模。家用服務(wù)機(jī)器人市場潛力巨大，增速相對(duì)其他類型機(jī)器人產(chǎn)業(yè)稍稍領(lǐng)先。預(yù) 計(jì)未來我國機(jī)器人市場會(huì)持續(xù)保持上升趨勢，規(guī)模和技術(shù)將提高到一個(gè)新的層次，緊追歐美國家。1-2智能家居機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀要將移動(dòng)機(jī)器人投入實(shí)際生活中，必需使其擁有良好的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)、精確的感知能力和一定的安全性能。移動(dòng)機(jī)器人的智能指標(biāo)有三點(diǎn)1）自主性：指機(jī)器人能根據(jù)工作的要求和周圍的環(huán)境，自己制定工作步驟和 方式的能力。2）適應(yīng)性：指機(jī)器人要具有一定的適應(yīng)能力，能夠識(shí)

10、別和測量周圍環(huán)境因素， 并做出正確的、合理的判斷的能力。3）交互性：指機(jī)器人能與環(huán)境、自身各機(jī)器原件、人進(jìn)行互動(dòng)，能夠完成信 息的獲取以及處理能力。a機(jī)器人結(jié)構(gòu)根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式可分為：輪式、履帶式和步行式。較好的路面則首先考慮輪式和履帶式，而步行機(jī)器人則更適用于路面情況復(fù)雜 的場合。當(dāng)然，如果路面復(fù)雜多樣，則可采用輪、腿、履帶并用。本課題中的機(jī)器 人由于是在家庭環(huán)境下工作，所以采用輪式。輪式移動(dòng)機(jī)器人具有控制簡單、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定和占用面積小等特點(diǎn)。b機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)機(jī)器人的智能系統(tǒng)是一個(gè)高智能、多系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)，不是簡單的單元連接系統(tǒng)的總功能是將種部件多層次的協(xié)調(diào)和分工中集成?？梢允褂冒蒹w系結(jié)構(gòu)

11、（subsumption architectune實(shí)現(xiàn)，簡單的說就是，一個(gè)行為建立在其他行為之上。 當(dāng)兩個(gè)行為發(fā)生沖突時(shí)，一個(gè)中央仲裁器決定哪個(gè)行為應(yīng)該優(yōu)先。它的效果好于 其部分之和。較高層行為包容較低層行為。c運(yùn)動(dòng)規(guī)劃它的目的在于一個(gè)存在障礙物的環(huán)境中，如何規(guī)劃機(jī)器人行駛路徑。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃 是否有效，決定了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)間和能量損耗，好的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃可以提高機(jī)器人的 工作效率d導(dǎo)航和定位精確的位置定位是機(jī)器人需要解決的基本問題。機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)時(shí)首先要解 決導(dǎo)航和定位，有兩種位置測量法：相對(duì)和絕對(duì)位置測量。其中相對(duì)定位有里程計(jì)法和慣性導(dǎo)航法， 而絕對(duì)定位有信標(biāo)定位、地圖匹配、 GPS、概率定位等1-3本

12、課題研究的意義本機(jī)器人集機(jī)、電、計(jì)算機(jī)為一體，集合了機(jī)械與電氣工程專業(yè)多門學(xué)科的長 處。培養(yǎng)自我專業(yè)素養(yǎng)和技術(shù)，鍛煉技術(shù)，增強(qiáng)實(shí)力。為以后從事該類工作打下 基礎(chǔ)。而且該系統(tǒng)是為開放式的，為以后改善其功能提供了保證。機(jī)器人小車系統(tǒng)作 為機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)，隨著以后對(duì)其功能的逐步擴(kuò)充和完善，我相信以后能得到更 大的使用發(fā)展空間。第二章 智能機(jī)器人的理論知識(shí)和系統(tǒng)方案2.1總體設(shè)計(jì)思路總體設(shè)計(jì)框圖如下關(guān)于CPU的選擇則有兩個(gè)：一個(gè)是單片機(jī)控制，還有一個(gè)是 PLC控制。采用89C51芯片作為控制單元。因?yàn)檫@種單片機(jī)的成本低，性能好，抗干擾能力強(qiáng)，超低功耗，低電磁干擾。并且能與傳統(tǒng)的 8051單片機(jī)程序很

13、好的兼容。它不需要改變硬件和支持系統(tǒng)編程技術(shù)。ISP可以在沒有程序員的情況下直接在 PCB 板上刻錄程序，而且修改和速度調(diào)節(jié)非常方便 川。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有多種，其中包括齒輪傳動(dòng)、齒條傳動(dòng)、螺桿傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)等。通常我們可以使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的扭矩特性：扭矩很小，所以如果要增加扭矩，就必須使 用傳動(dòng)裝置來提高設(shè)備的尺寸和能力來驅(qū)動(dòng)負(fù)載。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手主要有一下幾個(gè)特點(diǎn)是：(1)結(jié)構(gòu)緊湊，這就意味著在滿足機(jī)械手結(jié)構(gòu)重量最輕以及體積較 小的情況下可以達(dá)到需求的傳動(dòng)比和驅(qū)動(dòng)功率；(2)傳動(dòng)剛度大，這種特點(diǎn)可以很好的使系統(tǒng)的固有的頻率得到很好的提高，這 樣就可以使得系統(tǒng)的在低頻率段的振動(dòng)降到最低，同時(shí)使得機(jī)械手

14、的扭矩角度變 形很?。?3)回差要小，當(dāng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候空行程要小，這樣可以得到較高 的位置控制精度；(4)壽命長、價(jià)格低。執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是這次設(shè)計(jì)機(jī)械手的三個(gè)重要部分。(1)執(zhí)行機(jī)構(gòu)1)手腕 手腕是聯(lián)接手臂與末端執(zhí)行器的部件，用以調(diào)整末端執(zhí)行器的方位和姿02)手臂手臂是支承手腕和末端執(zhí)行器的部件。它由動(dòng)力關(guān)節(jié)和連桿組 成，它們可以很好的滿足末端執(zhí)行器的位置要求。3)機(jī)座 機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部件，并承受相應(yīng)的載荷，機(jī)座分為固定式 和移動(dòng)式兩類。(2)控制系統(tǒng)由控制系統(tǒng)來領(lǐng)導(dǎo)機(jī)械手完成所需完成的動(dòng)作，主要可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán) 控制系統(tǒng)這兩類?，F(xiàn)在市面上大多數(shù)工業(yè)機(jī)械手

15、都是由計(jì)算機(jī)來完成對(duì)其的控制。 決策級(jí)，策略級(jí)和執(zhí)行級(jí)這三級(jí)則構(gòu)成了控制系統(tǒng)控制級(jí)：這三級(jí)之間如果得到 很好的配合就可以協(xié)調(diào)的控制整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作，執(zhí)行系統(tǒng)相應(yīng)的操作，使的機(jī)械 手臂可以非常有規(guī)律的完成一系列的動(dòng)作和指令，以達(dá)到系統(tǒng)要求的結(jié)果。(3)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)裝置的用途是需要將得到的信號(hào)進(jìn)行放大之后，來對(duì)機(jī)械手進(jìn)行驅(qū) 動(dòng)，實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的傳動(dòng)。一般來說，需要為機(jī)械手安裝不同的傳感器，安裝多 種傳感器的目的是為了檢測裝置的位置和動(dòng)作，以便更好的進(jìn)行控制，使得系統(tǒng) 的控制更加的合理1咖。2.2紅外通信原理波長在750nm至1mn間的電磁波則被稱為紅外波，相對(duì)于微波，它的頻率較高； 而低于波長

16、400至760nm的可見光，因此是一種人的肉眼看不到的光線。紅外通 信的原理簡單來說就是通過此電磁波將信息傳遞出去，其作為一個(gè)信息傳遞的中 介。使用調(diào)制的方式來發(fā)送紅外波，對(duì)需要發(fā)送的信息進(jìn)行一系列的編碼操作， 使其組成一定頻率的脈沖，此脈沖用來驅(qū)動(dòng)紅外管，紅外管再將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光 信號(hào)的形式進(jìn)行傳播；紅外的接收端實(shí)際作用是對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，通過調(diào)節(jié) 后再將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，之后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理，將處理過的信 號(hào)最終轉(zhuǎn)回為二進(jìn)制的信號(hào)進(jìn)行讀取。紅外通信電路就是信號(hào)的調(diào)制和解調(diào)裝置 110紅外信號(hào)的調(diào)制方法有很多，比如我們常用的脈沖寬度調(diào)制（PWM以及脈沖位置調(diào)制（PPM等方法，本

17、設(shè)計(jì)采用脈寬調(diào)制。二進(jìn)制調(diào)制是由一個(gè)單片機(jī)完成的， 它的作用是將經(jīng)過編碼的二進(jìn)制信號(hào)，經(jīng)過調(diào)制，將其轉(zhuǎn)到一個(gè)非連續(xù)的38kHz頻率的脈沖序列中，具信號(hào)是由紅外發(fā)射二極管完成發(fā)出。例如，我們從下圖可 以看出二進(jìn)制信號(hào)的編碼波形為A,而B則是一個(gè)連續(xù)的脈沖用，其頻率為38kHz（約為26us） , C是經(jīng)過調(diào)制的間歇性脈沖用，它的作用是用于傳輸信號(hào)。 如圖2所示。101是發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。通過一個(gè)集成的紅外接收器，來完成對(duì)二進(jìn)制信號(hào)的解調(diào)。接收到的信號(hào)（圖2.2中的波形D也就是圖2.1中的C）內(nèi)部處理和解調(diào)，以及輸出波形如圖2.3 E（圖7） 完全的逆。接收機(jī)的解調(diào)可以被理解為：當(dāng)輸入脈沖序列時(shí)則

18、為低電平，否則輸出 呈現(xiàn)為高電平。單片機(jī)完成對(duì)其的二進(jìn)制譯碼。二進(jìn)制編碼波形經(jīng)由紅外接收器 解碼為發(fā)送器發(fā)送的數(shù)據(jù)。如圖 2.3所示，波形E是對(duì)其解碼恢復(fù)得到數(shù)據(jù)信息 101。發(fā)送字節(jié)開始，高水平的20個(gè)脈沖寬度（我們每個(gè)脈沖周期26）發(fā)送傳輸?shù)拈_始 （同步幀），然后是8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)發(fā)送（高的位置在前面，低后面），和低水平的10 個(gè)脈沖寬度被發(fā)送到傳播，如圖2.3所示。在接收同步幀時(shí)，輸入解碼部分。軟件抽樣判別法是我采取的解碼方法，判別閾值為15個(gè)脈沖，在閾值時(shí)間內(nèi)t取為低電平（如圖10所示），則判定編碼為“1” ； 在閾值時(shí)間內(nèi)，如果讀取為高電平（如圖10所示）則判定為“0”。在解碼一個(gè)比

19、特之后，需要等到下一個(gè)高電平到來，然后再計(jì)算15個(gè)脈沖來確定讀取級(jí)別是高 還是低，然后解碼。3.3機(jī)械手分類機(jī)械手的分類大致可分為以下幾種：坐標(biāo)形式、驅(qū)動(dòng)方式和信號(hào)輸入方式。（1）按坐標(biāo)形式劃分。坐標(biāo)形式是指執(zhí)行機(jī)構(gòu)在移動(dòng)時(shí)所采用的參考坐標(biāo)系統(tǒng)的方式。1）直角坐標(biāo)笛卡爾坐標(biāo)機(jī)械手的末端執(zhí)行器是在空間位置上的三個(gè)垂直軸運(yùn)動(dòng)，即沿X軸的縱向運(yùn)動(dòng)、沿Y軸的橫向運(yùn)動(dòng)，以及沿Z軸的升降。該機(jī)械手 不僅位置精度最高，無耦合，而且還控制簡單，具有良好的避障性能。但也存在 結(jié)構(gòu)大，運(yùn)動(dòng)范圍小，靈活性差的缺陷。2）圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手改變末端執(zhí)行器的空間位置是通過兩個(gè)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)旋轉(zhuǎn)來改 變末的。臂的運(yùn)動(dòng)是由垂直柱的

20、平面展開和垂直柱上的兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和臂繞垂直 柱的旋轉(zhuǎn)構(gòu)成的。該機(jī)械手同樣具備位置精度高，控制簡單，避障性能好的特點(diǎn)， 但其結(jié)構(gòu)也很大。3）一個(gè)線性運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)構(gòu)成了極坐標(biāo)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，即沿手臂方向的X的延伸，繞Y軸的俯仰和Z軸的旋轉(zhuǎn)。該機(jī)械手具有占地面積小、結(jié)構(gòu)緊湊、定位精 度高的優(yōu)點(diǎn)，但它的平衡回避能力較差。4）關(guān)節(jié)坐標(biāo)機(jī)械手主要由垂直柱、大臂和小臂組成。垂直柱圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)，構(gòu)成腰部關(guān)節(jié)，垂直柱和大臂構(gòu)成肩關(guān)節(jié)，大臂和小手臂構(gòu)成肘關(guān)節(jié)，大臂和小手臂 構(gòu)成俯仰運(yùn)動(dòng)。該機(jī)械手不及具備工作范圍大，動(dòng)作反應(yīng)靈活還具備避障性能好 等特點(diǎn)，但它還存在一定缺陷，定位精度低，需要解決的平衡問題多，控制耦合

21、 復(fù)雜也是一大缺點(diǎn)。目前它的應(yīng)用越來越多。（2）按驅(qū)動(dòng)模式分1）最廣泛使用的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)器之一。在早期，驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，之后研發(fā)了 直流伺服電機(jī)?，F(xiàn)在，交流伺服電機(jī)的應(yīng)用飛速發(fā)展。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可以通過 這種驅(qū)動(dòng)裝置直接驅(qū)動(dòng)，并且驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)也可以通過由諧波減速機(jī)完成對(duì)其 減速，具備了結(jié)構(gòu)簡單緊湊的優(yōu)點(diǎn)。2）液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手抓取有很大的能力，可以抓住的質(zhì)量100公斤的物體，油壓7 mpa, 液壓傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈敏，但密封要求較高，不應(yīng)該在高溫或低溫領(lǐng)域工作，需要配 備一套液壓系統(tǒng)。3）氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手擁有結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)作快，價(jià)格低的特點(diǎn)。因?yàn)閷?duì)其空氣的壓 縮性，所以存在工作速度的穩(wěn)定性較差的缺

22、點(diǎn)，氣源的壓力較低，一般數(shù)值為 0.7MPa,導(dǎo)致其抓取力小，只能完成對(duì)幾公斤到十多公斤的重量物體的提取。 通過信號(hào)輸入的方式進(jìn)行劃分。1）由操作者直接使用操作多個(gè)自由度的機(jī)械手成為人操作機(jī)械手。2）固定程序機(jī)械手按預(yù)定的順序、條件和位置，逐步地完成給定任務(wù)的機(jī)械手。3）雖然可變程序機(jī)械手與固定程序機(jī)械手基本相同，但可以容易的改變工作順序 和其他信息。4）程序控制機(jī)械手。由計(jì)算機(jī)程序直接給機(jī)械手提供操作說明，因此控制方式與 數(shù)控機(jī)床相似。5）機(jī)械手的教學(xué)和復(fù)制操作可以根據(jù)存儲(chǔ)在記憶裝置中的信息再現(xiàn)人體指令的動(dòng) 作，教學(xué)動(dòng)作可以自動(dòng)重復(fù)。6）智能機(jī)械手借由傳感器，可以敏感地察覺工作環(huán)境或工作條件

23、的變化，并利用 其決策能力完成布置的任務(wù)。第三章智能家居機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)STC89C51主控芯片電路本文設(shè)計(jì)的智能家居機(jī)器人單片機(jī)為控制核心為 STC89C51 STC89C5俱備了低電 壓、高性能CMO8位微處理器，并且?guī)в?K字節(jié)閃存，俗稱單片機(jī)。MCU勺可擦 只讀存儲(chǔ)器可1000次擦除。該裝置采用宏晶高密度非易失性存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造， 同時(shí)又兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令集和輸出弓I腳。宏晶STC89C5混單片機(jī)中高效 的單片機(jī)，具有多功能8位CPUffi閃存芯片的結(jié)合。STC89C5i1片機(jī)滿足了諸多 嵌入式控制系統(tǒng)靈活、廉價(jià)的要求。STC89C5提供以下使用功能:4K字節(jié)閃存、128字節(jié)

24、內(nèi)RAM 32個(gè)I/O端口、2個(gè) 16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、5個(gè)矢量2中斷結(jié)構(gòu)、一個(gè)全雙工串口通信端口、一個(gè)芯片振 蕩器和一個(gè)時(shí)鐘電路。同時(shí)，STC89C5何以適當(dāng)減少到0Hz的靜態(tài)邏輯運(yùn)算，滿 足兩種軟件可選擇的省電模式。當(dāng)處在空閑模式時(shí)，暫停對(duì)CPU的工作，不過允許RAM定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串行通信端口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 斷電模式保存了 RAM 的內(nèi)容，但振蕩器停止并禁止其余元件工作，直至下一個(gè)硬件復(fù)位234 oSTC89C5在控芯片的弓I腳定義如下:VCC:電源電壓。連接到5 v o 接地：接地。P0端口：P0端口為8位漏開的雙向I/O端口，每腳吸收8TTL門電流。當(dāng)P0端口 的引腳被第一次寫“

25、1”時(shí)，它們就被定義為高電阻輸入。P0可以用于外部程序數(shù) 據(jù)內(nèi)存，則定義為低8位的數(shù)據(jù)/地址。在FIASH編程中，P0端口被用于原始代碼 輸入端口。當(dāng)FIASH檢驗(yàn)時(shí)，P0輸出原始代碼。這時(shí)，上拉電阻器一定要連接到 P0外部。P1端口：P1端口為8位雙向I/O端口，上拉電阻內(nèi)部提供，P1端口緩沖區(qū)可以接 納輸出門電流4TTL當(dāng)P1引腳被寫到1時(shí)，它在內(nèi)部被拉開，可以作為輸入，P1 端口向下拉低功率，這將輸出電流，這是由于內(nèi)部的拉開。當(dāng)編程和檢查FLASH時(shí)，P1端口此時(shí)接U為一個(gè)低8位地址。P2端口：P2端口為一個(gè)8位的雙向I/O端口，擁有內(nèi)上拉電阻。P2端口緩沖器可 以接收輸出門電流4TTL

26、.當(dāng)P2端口被寫入“1”時(shí)，管腳里內(nèi)拉電阻拉開，此時(shí) 被用作輸入。作為輸入，P2端口的引腳被從外部拉下來并輸出電流。這是由于內(nèi) 部的壓力。當(dāng)P2端口用于外部程序內(nèi)存或16位地址外部數(shù)據(jù)內(nèi)存時(shí)，P2端口的 輸出地址是8比特。當(dāng)給出地址“1”時(shí)，憑借內(nèi)部拉開帶來的優(yōu)勢，一旦讀取和 寫入外部8位地址數(shù)據(jù)內(nèi)存時(shí)，P2端口就輸出其特殊的函數(shù)寄存器。P2端口在 FLASHS程和驗(yàn)證過程中接收到高8位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3端口：P3是一個(gè)具備8個(gè)雙向I/O端口，同時(shí)具有內(nèi)拉電阻的端口，可接收門 電流為4個(gè)TTL。當(dāng)P3端口被寫入到“1”時(shí)，內(nèi)部將其拉至一個(gè)高電平級(jí)別作為 輸入使用。作為輸入時(shí)，由于外部下拉

27、導(dǎo)致的低電平，P3端口將輸出當(dāng)前的（ILL）, 這是由向上拉的緣故造成的。當(dāng)P3端口充當(dāng)AT89C51的特殊功能口使用時(shí)則有多 種功能，具體功能可見下列： 備選功能p3.0 RXD （串行輸入口）P3.1 TXD （用行輸出口）P3.2 /INT0 （外部中斷0）P3.3 /INT1 （外部中斷1）P3.4 T0 （計(jì)時(shí)器0外部輸入）P3.5 T1 （計(jì)時(shí)器1外部輸入）P3.6 /WR （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7 /RD （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收部分控制信號(hào)是其具備的功能。RST復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位元器件時(shí)，使 RST卻保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí) 問。ALE/P

28、ROGg訪問外部內(nèi)存，此時(shí)地址鎖的輸出級(jí)別用于鎖存地址的低位字節(jié)。在 FLASH程中，該引腳的作用是輸入編程脈沖。通常，ALE終端在一個(gè)恒定的頻率周期輸出一個(gè)正的脈沖信號(hào)，相當(dāng)于振蕩器頻率的1/6。這樣，它可以用于外部輸 出脈沖或用于定時(shí)。但是，應(yīng)該注意的是，每當(dāng)使用外部數(shù)據(jù)內(nèi)存時(shí)，都會(huì)跳過 ALE脈沖。如果想要禁止ALE的輸出，可以在特殊功能寄存器（SFR EH1址上設(shè) 置成00在這方面上，ALE只執(zhí)行MOVX而MOVC!令則讓ALE工作。止匕外，大頭 針也有輕微的升高。微處理器假如在外部執(zhí)行狀態(tài)下執(zhí)行 ALE,則無法完成，該位 無效。PSEN充當(dāng)外部程序存儲(chǔ)器的門控信號(hào)。 在獲取外部程序內(nèi)

29、存時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期是 2倍/PSEN有效。但是當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，這兩個(gè)有效的/PSEN信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)。 EAVPP當(dāng)/EA在此期間保持低，外部程序內(nèi)存（0000H-FFFFH）,不管是否有內(nèi)部程 序內(nèi)存。當(dāng)加密模式為1時(shí)，/EA將鎖定內(nèi)部重置，當(dāng)/EA結(jié)束時(shí)，內(nèi)部程序內(nèi)存 將被保存。在FLASH程中，同樣適用于12V編程電源（VPP）。XTAL1:反向振蕩放大器的輸入和內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2:從反向振蕩器的輸出。時(shí)鐘晶振電路51單片機(jī)執(zhí)行指令12個(gè)時(shí)鐘周期。它需要時(shí)鐘晶體振蕩器電路提供時(shí)鐘信號(hào)。晶振電路的作用是控制程序運(yùn)行，高速則反應(yīng)頻率較高、快節(jié)奏則低速。單片機(jī)振蕩器的功能是為

30、系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。如圖3.2所示，晶體振蕩電路的兩個(gè)端口分別連接到STC89C5XTAL俐 XTAL2個(gè)端口。在單片機(jī)中使用11.0592MHz 石英晶體振蕩器進(jìn)行串口通信，很容易設(shè)置波特率。我們要使用11.0592MHz的原 因是我們需要在申行通信中計(jì)算波特率。波特率必須是一個(gè)整數(shù)。為了使波特率為整數(shù)，晶體振蕩器頻率數(shù)值應(yīng)為 11.0592MHz晶體振蕩器的pin與微處理器通 過連接器連接，使晶體振蕩器可以方便地更換。晶振電路產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，以確保 處理器在一定的時(shí)間序列中工作,晶振電路采用晶體振蕩器。Y1是一個(gè)晶體振蕩器,C3和C4是30pF的負(fù)載電容，與Y1兼容。復(fù)位電路51單片機(jī)復(fù)

31、位只需要連接到第9針上的高電平，即可實(shí)現(xiàn)連續(xù) 2uS。復(fù)位電路如 圖3.3所示。在系統(tǒng)中，一旦電源啟動(dòng)，系統(tǒng)就會(huì)被重置，當(dāng)電源再次打開時(shí)系 統(tǒng)將被重置。+ 5v是用電時(shí)，電容器充電（充電電流充電電流，將在最大電流的開 始，隨著時(shí)間的推移逐漸減少，直到電容器充滿電，充電電流變成0,然后電容器是 開放的，這一次是真正意義上的直，所以電源連接?！庇幸欢螘r(shí)間，這一過程中存 在著一個(gè)關(guān)口?！彪娙萜鞒潆娺^程中，RST終端電壓完全相反的VCE 0（因?yàn)槌潆?電流從一個(gè)大的變化是0）。在這個(gè)過程中，會(huì)有一段時(shí)間VCCS高級(jí)別上，導(dǎo)致一 個(gè)芯片復(fù)位（時(shí)間常數(shù)是由R和C）。但在電容器不再指控后，沒有電流通過，RS

32、T是 常數(shù)，單片機(jī)正常工作。在電路圖中，電容器的尺寸為 0.1uF,電阻的大小為10K。 根據(jù)公式，電容的計(jì)算量可以是電源的0.7倍。（單片機(jī)功率為5V,所以電荷為0.7乘以3.5V）,所需時(shí)間為10K*0.1uF=1mS也就是說，在系統(tǒng)啟動(dòng)1mSW,電 容兩端的電壓從0增加到3.5V, 10K電阻兩端的電壓從5降至IJ 1.5V（串聯(lián)電路中電 壓和總電壓之和）。所以在1mS中，RST弓I腳接收白電壓是5到1.5V。在5V操作 的51單片機(jī)中，電壓信號(hào)小于1.5V是低電平信號(hào)，而大于1.5V的電壓信號(hào)是一 個(gè)高電平信號(hào)。因此在引導(dǎo)1mS中，單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位（RST pin接收到高電平 信號(hào)時(shí)

33、間約為1mS）49。電源供電電路如圖3.4所示，電源電路如圖3.4所示，整個(gè)系統(tǒng)使用4節(jié)5電池，電池置于電 池盒內(nèi)，電池用聯(lián)。電路板的電源是由開關(guān)上的開關(guān)置于電路板的電源輸入上， 電源與供電裝置并聯(lián)，因?yàn)榕月冯娙莸淖杩惯h(yuǎn)小于配電線路的阻抗。電感電抗、 旁路電容的突然電流和不再流過配電線路的電流，因此在功率分布線電感上無電 壓產(chǎn)生。旁路電容減小了電流在配電線路上的變化，使配電線路的電源電流平滑到連續(xù)的 平均電流?？梢哉J(rèn)為，并聯(lián)并聯(lián)電容的低阻抗與高速電流開關(guān)中的高阻抗電源通 道（電力設(shè)備+配電線路）連接較短，為電路系統(tǒng)提供了所需的快速變化電流。供電設(shè)備保持穩(wěn)定狀態(tài)和緩慢變化所需的電流，并不斷補(bǔ)充旁

34、路電容器充電。但是，這并不會(huì)導(dǎo)致供電設(shè)備和電流分布線的高速電流變化。蜂鳴器應(yīng)用電路蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路如圖3.5所示。三極管S8550作為開關(guān)。高水平的基體使三極管 飽和并發(fā)出蜂鳴聲；底部低，三極管關(guān)閉，蜂鳴器停止聲音。由于GPIO端口的輸出電流有限，蜂鳴器嗡嗡聲需要較大電流，GPIO輸出不能滿足要求。1A輸出電流由其提供，足以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。因此，我們使用GPIO端口來控制8550的傳導(dǎo)和截止，從而控制蜂鳴器。當(dāng)邏輯1寫入P2.3時(shí)，P0.7輸出高電平(+5V), 8550的基電流為0。此時(shí)，Q1 處于截止?fàn)顟B(tài)，功率不能添加到蜂鳴器的正極，蜂鳴器聽不到。當(dāng)寫入邏輯0到P0.7, P0.7輸入低電平(0

35、V),在8550發(fā)射器和基礎(chǔ)之間產(chǎn)生電 流。這時(shí)Q1被打開，蜂鳴器嗡嗡作響。注：晶體管的飽和導(dǎo)電條件：在電路中，CE兩端的電壓接近0V,小于EB電壓。數(shù)碼管顯示電路數(shù)碼管，又稱LED數(shù)碼管，不同于各行各業(yè)的人的叫法。數(shù)字管的數(shù)量可以分為7個(gè)部分的數(shù)字管和8個(gè)數(shù)字管。8段比7個(gè)數(shù)字管多，這是一個(gè)小點(diǎn)(DP),可以更準(zhǔn)確地表示數(shù)字管的 內(nèi)容。根據(jù)可以顯示多少 (8),可以將它分為1、2、3、4位。5、6和7位數(shù)字管。根據(jù)LED器件的連接方式，可分為普通陽極數(shù)字管和普通陰極電子管。co陽數(shù)字管是連接發(fā)光二極管所有陽極的數(shù)字管，形成一個(gè)共同的陽極(COM) o當(dāng)采用co陽數(shù)字管時(shí)，一般的極性COM應(yīng)連

36、接到+5V。當(dāng)一個(gè)場中發(fā)光二極管的陰極低時(shí)，對(duì)應(yīng)的場就會(huì)被點(diǎn)燃，當(dāng)一個(gè)場 的陰極高時(shí)，對(duì)應(yīng)的場就在相應(yīng)的場中。這不是光明的。負(fù)數(shù)字管是一種數(shù)字管，它把一個(gè) 發(fā)光二極管的所有陰極連接到一個(gè)普通的陰極(COM)。在使用普通陰極時(shí)，普通陰極應(yīng)連接到接地線GND。當(dāng)一個(gè)場中的發(fā)光二極管的陽極高時(shí)，對(duì)應(yīng)的場就會(huì)被點(diǎn)亮。 這塊地不明亮。選用陽極數(shù)字管進(jìn)行模式顯示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路汽車車輪由直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)芯片采用恒壓恒流橋2A驅(qū)動(dòng)芯片L298N L298 是ST公司的產(chǎn)品。更常見的是L298NJ,有15個(gè)引腳多瓦包，內(nèi)部也包含4個(gè)通道 邏輯驅(qū)動(dòng)電路。滿足驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)或兩個(gè)相步進(jìn)電機(jī)的要求。L298N

37、芯片能夠 驅(qū)動(dòng)兩個(gè)兩相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)。輸出電壓可達(dá)50Vo可直接通過電 源調(diào)節(jié)輸出電壓；它可以直接為單片機(jī)的IO端口提供信號(hào)；電路簡單方便。它 L298N可接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯級(jí)信號(hào)VSS, VSS可連接的電壓在4.5到7V之間。4 引腳VS與電源電壓連接，VS電壓范圍VIH為+ 2.5 46 V。輸出電流可達(dá)2.5 A, 可驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載。L298驅(qū)動(dòng)電路如圖3.6所示。紅外遙控電路紅外遙控是一種無線、非接觸式控制技術(shù)。具有抗干擾能力強(qiáng)、信息傳輸可靠、 功耗低、成本低、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。它普遍應(yīng)用于許多電子設(shè)備，特別是家用電 器，越來越多地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。紅外遙控器由兩部分組成：發(fā)

38、送和接收。傳輸部分由主芯片調(diào)制成一系列的脈沖序 列信號(hào)，紅外信號(hào)接收端的紅外信號(hào)被紅外發(fā)射器廣泛采用。具有可靠性能的集 成紅外接收機(jī)(如接收38KHz的紅色外頻率的HS003游口周期26us)接收紅外線。同時(shí)，它同時(shí)放大、解調(diào)和形成信號(hào)，得到TTL電平的編碼信號(hào)，然后將其發(fā)送到單片機(jī)，解碼并執(zhí)行單片機(jī)，并控制相關(guān)的對(duì)象 11。如圖3.9所示。循跡傳感器電路紅外探測電路中使用TCRT500強(qiáng)感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射出紅外線。當(dāng)發(fā)射的紅外線反射或反射回來，但強(qiáng)度不夠大，光敏三極管已經(jīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí) 的輸出端模塊是高，表明二極管總是滅火的形式。當(dāng)檢測范圍內(nèi)出現(xiàn)檢測對(duì)象時(shí)， 紅外線反射回來，紅

39、外強(qiáng)度夠大，光敏三極管飽和，模塊輸出端較低，說明二極 管被點(diǎn)亮。當(dāng)模塊檢測到前方障礙物信號(hào)時(shí)，電路板上的綠色指示燈和紅外端口連續(xù)輸出低 電平信號(hào)。模塊檢測距離從2到30cm檢測角度為35度，檢測距離可由電位器調(diào) 整，順時(shí)針電位計(jì)，檢測距離增加，逆時(shí)針方向電位器，檢測距離降低。傳感器 主動(dòng)紅外反射檢測，目標(biāo)的反射率和形狀是檢測距離的關(guān)鍵。其中，黑色檢測出 的距離最小而白色最大。LM393采用寬電壓LM393比較器，是一種雙電壓比較儀，由兩個(gè)獨(dú)立的精密電壓比 較器組成。它的功能是比較兩個(gè)輸入電壓，并根據(jù)兩個(gè)輸入電壓改變輸出電壓。輸出有兩個(gè)狀態(tài)：靠近開路或靠近低電平，兩個(gè)輸入電壓差大于10mV可以保證輸出可以可靠地從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)狀態(tài)。因此，在弱信號(hào)檢測和其他情況下 使用LM339是非常理想的。LM393S用集電極開路輸出，因此需要增加一個(gè)拉電阻 輸出高電平57。避障模塊傳感器模塊具有很強(qiáng)的適應(yīng)環(huán)境光的能力。它有一對(duì)紅外發(fā)射和接收管。發(fā)射管 發(fā)射特定的頻率紅外線。當(dāng)檢測方向遇到障礙物（反射器）時(shí)，接收管接收紅外反射。對(duì)比較器電路進(jìn)行處理后，綠色指示燈亮起。同時(shí)，信號(hào)輸出接口輸出數(shù)字信 號(hào)（低電平信號(hào)），可以通過電位器旋鈕，調(diào)整檢測距