投篮机器人

投篮机器人,投篮,机器人 I目 录第一章 绪 论.11.1 课题背景 .11.1.1 机器人的发展及特点及发展前景.11.2 比赛规则 .21.2.1 规则简介.21.2.2 竞技型投篮机器人的设计与制作的意义.31.2.3 场地简介.31.3 方案简介 .41.3.1 总体方案.41.3.2 小自动机器人技术要求.51.3.3 小自动机器人初步设想.5第二章 机械结构设计.72.1 行走机构 .72.2 定位机构 .92.3 升降机构 .92.4 投篮机构 .10第三章 电气装备设计.133.1 电机及驱动器 .133.2 数字罗盘 .133.2.1 性能简介.133.2.2 操作步骤.143.3 单片机电路板 .153.3.189C51 单片机.163.3.2 计数器/定时器 8253 简介.203.3.3 电路板原理.233.3.4 PCB .233.4 电气系统总体说明 .23第四章 自动控制设计.264.1 编程准备工作 .264.1.1 设置电机驱动器.26 II4.1.2 确定地址.264.1.3 计算测量某些参数.274.2 子程序的编写 .274.2.1 罗盘接受程序.274.2.2 罗盘标定程序.304.2.3 电机速度控制系列程序.314.2.4 电机位移控制系列程序.314.2.5 定位机构检测程序流程图.334.2.6 投篮机构 A 控制程序流程图.344.2.7 投篮机构 B 控制程序流程图.35结 论.36致 谢.37参考文献.38附录 1 控制程序.39附图 1 硬件原理图 .55附图 2 PCB .56长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 1第一章第一章 绪绪 论论1.11.1 课题背景课题背景根据“全国大学生机器人电视大赛”中竞技型投篮机器人的设计与制作要求，进行自动机器人的机械，电路和控制的设计。1.1.11.1.1 机器人的发展及特点及发展前景机器人的发展及特点及发展前景机器人虽然已经有几十年的发展历史，然而，迄今为止，它还没有一个严格的、为人们所公认的定义。但实际上，人们所关心的是机器人作为一种实用的操作系统的特性和适用范围，至于如何给它下一个严格的、精确的定义，似乎是个较为次要的问题。一般说来，机器人是指在人的操纵下能够在人难以接近的环境中完成比较复杂的、精细的操作的一种远距离操作系统。当然，这里所谓的“机器人”只是指它具有人类的一部分操作功能及与操作有关的某些其它功能而言，并不意味着它的全部功能及至形状都与人相似。事实上，迄今所有的机器人，除了与操作有关的某些功能以外，其它方面均与人相差甚远。在机器人中，人（操作者）是不可缺少的重要组成部分，在用这种装置完成一项操作任务的整个过程中，自始至终都必须有人的参加。同时，人通过观察系统对从动部件的工作情况及其周围环境保持直接或间接的视觉监视，从而能充分的依靠人的感觉和智力及时做出判断和决策，以适应工作对象或其周围环境的变化，随机应变地完成那些较为复杂的、或者事先难以预料的操作任务。目前，机器人已经越来越多、越来越广泛地应用于生产生活的各个方面。金字塔探密，机器人功不可没。美国攻打伊拉克，机器人也发挥了重要作用。中国神州五号的成功发射，充分显示了我国在机器人某个领域的实力。对于现阶段的中国，要成为世界强国。必须大力发展工业现代化、智能化。根据目前我国现阶段落后的工业和匮乏的高尖人才。大力发展自动机器人就成了我国现阶段的当务之急。机器人技术不但能提高我国的工业生产水平，而且还能极大的增强国家的军事实力，为祖国的早日统一，提高人民的物质生活水平提供技术保证。所以大力发展机器人必然成了我国现阶段的当务之急。 长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 21.21.2 比赛规则比赛规则1.2.11.2.1 规则简介规则简介此次比赛的意图是尽量多的将比赛用球射入 9 个有一定距离且高度不同的篮筐内，每个篮筐包含 3 个排成三角形的网袋，射入赛球将得到一定的分数，最后，按照得分多少来判定比赛的输赢。如果一个参赛队将球射入包括中心篮筐 3 个网袋在内的所有篮筐，或者它的得分比对手高时，该队将被视为获胜队。每场比赛的时间为 3 分钟。计分标准如下：1.球入袋计分。袋中只有一球可计分。2.如果两队的球都放入同一网袋内，两队都可以得分。3.每个网袋的分数如下：“中心篮筐”5 分/进球/网袋；“内部篮筐”2 分/进球/网袋；“外部篮筐”l 分/进球/网袋；4.如果某队将球投入所有篮筐以及中心篮筐的三个网袋中，该队将被视为“征服了太空”并赢得比赛。比赛场地分为手动区和自动区自动区：1.“自动区”是自动机器人的运行区域。2.该区域由一个 100mm 高、20mm 宽的 16 边形木栏所包围。3.在自动区地板上，标有两条宽 30mm、直径分别为 3000mm 和 6000mm 的圆形白色引导线。4.在自动区上标有 8 条 30mm 宽、对角线状的白色引导线。5.由排列成三角形的 3 个网袋（每个网袋的直径为 450mm）组成的 9 个篮筐被悬挂在自动区上方，4 个外部篮筐挂在地面上方 l500mm 处,4 个内部篮筐挂在地面上方 2000mm 处，中心篮筐的高度为 3000mm, 被悬挂赛场的中心点上。6.在各篮筐正下方的场地上固定有直径为 100mm、高 10mm 的白色圆盘，以标记篮筐的位置。 手动区：1.手动区是手控机器人的运行区域。2.该区域由一个 100mm 高、20mm 宽的 16 边木栏所包围3.内有一个球库为每个参赛队提供的 16 个球放置在球库中，排列方式为44 方阵。长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 3其它规定：1.手控机器人不能接触或将自己的部件伸入“自动区”。2.机器人电源电压必须低于 DC24 伏。3.所有机器人的总重应小于 50kg。4.比赛所使用的球为塑料球，直径 135mm，重 155g。比赛的规则和特点要求手控机器人应能完成取球、行走及投射不同高度距离的篮筐的能力，且要求质量轻，尽可能采用轻质材料，使用简单可靠的机械结构。如图 1-1 所示：图 1-1 场地布局1.2.21.2.2 竞技型投篮机器人的设计与制作的意义竞技型投篮机器人的设计与制作的意义通过对竞技型投篮机器人的设计与制作，不但能使我从理论学习过渡到实际工作中去，而且还能极大的开阔我的视野，提高我进行实际项目开发的能力。特别是对单片机的应用和对电机的控制。1.2.31.2.3 场地简介场地简介手动机器人从手动机器人启动区启动，并只能在手动区活动，初始状态不能带球；自动机器人从自动机器人启动区启动，初始状态可以带球。在启动区机器人的尺寸必须控制在 1.21.22m 以内，所有机器人的总重量不能超过 50kg。在场地中，篮筐有三种高度，分别为 3m，2m，1.5m,分布在自动区内。篮筐的正下方有直径 100mm 高 10mm 的白色标志盘。场地上分布着 30mm 宽的白色引导线。如图 1-2，图 1-3 所示：长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 4 图 1-2 场地侧视图图 1-3 场地俯视图1.31.3 方案简介方案简介1.3.11.3.1 总体方案总体方案 经过对场地的分析，我们决定采用一大一小两个自动机器人和手动机器人配合的方案。如图 1-4：其中，大机器人为进攻主力，以前导轨快速抢占中心点，再用大功率电机牵引机器人主体待指定位置并升出 5 个手臂同时投 3m 和 2m 的 5 个篮筐。小自动机器人是大机器人的补充，一开始装在大机器人肚子里以有效利用空间，相对于大机器人他有较大的灵活性，有多条路径，还可以根据形势投 2m长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 5和 1.5m 的篮筐，必要时可充当敢死队员。手动机器人由人工直接操作，可在战略上有效支援自动机器人。 图 3-4 初期方案的 3D 建模1.3.21.3.2 小自动机器人技术要求小自动机器人技术要求 根据总体方案，对小自动机器人提出以下要求：1具有自主行走和定位能力；2带 6 粒球，可两次投篮，即可投 1.5m 篮也可投 2m 篮；3为顺利与主机器人脱离高度应小于 1150mm，宽度小于 820mm；4考虑到总重量限制，重量应小于 8kg；5结构简单，易于加工；6与其他机器人的零件有一定的通用性，实现模块化。7电源为 12V，或 24V；8采用单片机控制，以具有较强的灵活性；1.3.31.3.3 小自动机器人初步设想小自动机器人初步设想基于以上考虑，我做了以下设想：1为获得足够的刚度和较低的重量，以及良好的加工性能，我选用铝材作为主要加工材料；2采用两电机分别驱动两主动轮，并以万向轮作辅助支撑的方式，从而使整个机器人行走灵活，并准确完成自转等战术动作。3为降低机构的复杂程度，适当采用灵活的线传动。长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 64从精度，重量，以及物资情况等方面考虑，采用德国 FAULHABER 公司生产的 2657 型和 2342 型直流伺服电机。这两种电机都配备了专用的减速器、码盘和 MCDC2805 型驱动器，在单片机控制下，采用步进模式可十分简便的实现较精确的位移和角度控制。5整个机器人采用 4 个电机，其中两个为行走电机；一个负责升降，机器人从初始高度到投 1.5m 篮，或投 2m 篮，都需要进行升降；另一个负责投篮。 6为摆脱传统的循线定位方式对导引线的严重依赖，可考虑全新的传感器，如数字罗盘，红外传感器等。经过分析，采用数字罗盘比较适应场地布局。这样，通过数字罗盘反馈角度，计数器和光电码盘反馈位移，从而实现类似于极坐标的定位方式。每次捕捉到标志盘，可以重新标定原点以减少累计误差。7由于数字罗盘，光电码盘和机械结构引起的总误差可能太大，无法顺利完成投篮，可能需要一个专门的定位机构，在一定范围内纠正偏差。长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 7第二章第二章 机械结构设计机械结构设计2.12.1 行走机构行走机构 刚开始采用图 2-1 左图比较常规的方案，结构简单，转向灵活，只用两个万向轮，重量轻。但加工上比较困难，还有一个致命性的缺陷，就是由于万向轮的轮径较小，但车体正前方与标志盘接触时（经常出现这种情况），容易导致车体被迫转向，甚至整个机器人卡死。 图 2-1 行走机构两种步局方案后经改进，采用右图所示布局。虽然增加了两个万向轮，但有效的避免了万向轮与标志盘的直接接触，而且加工装配十分简便，容易保持精度。行走机构的控制精度对机器人能否完成成套动作起决定性的作用。为保证精度和足够的刚度，设计了一套精度较高的加工件以实行运动从驱动电机到主动轮的传递。为简化结构，降低重量，不采用齿轮等传动件，由于电机以步进模式工作，且功率较大，所以在速度和驱动力上都能满足要求。驱动轴用两个深沟球轴承和一个推力球轴承，可有效克服各种阻力。其受力分析如下： 图 2-3 驱动轮受力分析主动轮驱动系统具体结构如图 2-3 所示：长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 8 图 2-3 投篮机构原理如图所示，2 为主动轮，11 为驱动电机，8 为连接电机与轮的驱动轴。驱动轴通过压板 9 与电机轴配合，如图 2-2 左下角所示。并通过法兰盘 1 与主动轮固定。由深沟球轴承 5 与 7 限制驱动轴径向位移，传递径向力，并可承受一定的扭转力矩。轴套 6 限定了轴承 5 与 7 的轴向位置。推力球轴承 3 限制驱动轴轴向位移，承受径向力。大部分零件通过套筒 10 和驱动轴得到定位，并把作用力通过套筒 10 传递到支撑架 4 上，从而传递到机器人主体。装备顺序：1.从驱动轴 8 开始，先后套上轴承 7，轴套 6，轴承 5；2.用螺钉将套筒 10 与电机 11 固定；3.将驱动轴和轴承等装入套筒 10 中，同时将电机轴插入驱动轴 8 的孔中；4.从套筒 10 的窗口中装入压板，并用内六角螺钉固定好；5.将套筒 10 与支撑架 4 相连，螺钉固定；6.依次装推力球轴承 3，垫片，主动轮 2，法兰盘 1；7.用螺钉将法兰盘分别与驱动轴 8 与主动轮 2 固定。长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 92.22.2 定位机构定位机构定位机构的功能是纠正行走机构到达标志盘时的误差。其机构非常简单，由 3 个限位开关，2 个弹性挡片，以及一些附属的支撑件，固定件组成。整个定位机构装在机器人的正前方，其中挡片下沿距地面 5mm, 小于标志盘的高度，便于与标志盘接触，无论挡片触发区上任何一点与标志盘接触，挡片产生弹性形变便可触发对应的限位开关；中限位开关矩地面 8mm，当标志盘（10mm）从其下经过时便触发。 图 2-4 定位机构原理如图 2-4 所示，由于机器人全身机构对称分布，且万向轮阻力很小，机器人旋转中心大致在两主动轮轮轴连线的中点。两弹性挡片与机器人正前方的夹角都为 45 度，且机器人旋转中心到两弹性挡片的距离都为 50mm（标志盘的半径）。当标志盘与左挡片接触时，如图 2-4，左限位开关被触发，此时标志盘的圆心一定在经过机器人旋转中心，且与机器人正前方偏左 45 度的直线上。那么将机器人绕旋转中心逆时针旋转 45 度，便可使机器人正前方对准标志盘。这时再让机器人缓慢前进，标志盘就会触发中限位开关，表明机器人的旋转中心已与篮筐正中心理论上重合，从而完成定位。当标志盘与右挡片接触时也同理。经实验，该定位机构稳定性较高，可纠正300mm 的偏差。 2.32.3 升降机构升降机构升降机构要求重量轻，行程长，截面尺寸小（防止与投篮机构空间干涉）长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 10，所以我采用如图 2-5 所示结构。起初选用左边的方案，利用滚轮滚动来减小摩擦，因此结构较为复杂。但实际上我发现由于加工和装备精度的原因，反而使机构的阻力很大，爬行现象严重。由于升降机构还要为投篮机构提供动力（将在下面提到），很难满足要求。支座将升降台整个围住，刚度很高，但重量也很大。 图 2-5 升降机构两种方案后来经过改进，变为右边的方案，用简单的滑动摩擦代替滚动摩擦。增加一个动滑轮，不但使升降台减小了轴向作用力，而且减小了牵引绳的作用力，对钢丝线和电机的要求都减小了。2.42.4 投篮机构投篮机构投篮机构要求一次可将 3 个球分别投入同一个篮的 3 个篮筐中。由于篮筐的空间结构比较复杂（如图 2-6），且初始位置不定并可任意旋转，这势必要提高整个机构的复杂性。经过长时间的设计，最终的方案只用一个电机，一个自由度。其原理如图2-7 所示：采用灵活轻便的线传动。由于整个投篮过程中执行机构的阻力矩变化很大，从初始的很小的阻力到逐渐变大，又逐渐变小，为使整个投篮过程功率平稳，以利用电机的功率，设计成偏心轮结构。初始时主动力臂很小，随着阻力矩的增大，增大主动力臂，之后又随着阻力矩的减小，减小主动力臂。这样在整个投篮过程中，主动力大小变化不大的情况下，使整个动作连贯平稳。长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 11 图 2-6 篮筐 3D 图投篮手臂通过悬臂固定在支撑座上。支撑座上固定着六个（两组，每组三个）悬臂和手臂，每个手臂上的球袋里带一个球。球袋由紫铜管围成的圆环和一条铝带构成，由于铝带的固定方式，是球在放入球袋后就由于重力坠在袋中，及时小范围的晃动也不会从袋中跃出。而一旦手臂投篮时，球袋反扣，球就会顺着铝带快速滚出，并作抛物线运动。 图 2-7 投篮机构原理图如图 2-7 右下脚小图，支撑座由直径 60mm 的铝管加工而成，靠橡胶圈的长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 12变形套在方圆过渡上，这样不仅拆卸方便而且必要时也快速调整手臂方向，使之正对场地上的篮筐，提高投篮成功率。方圆过渡可使圆形的支撑座与矩形的升降杆连接在一起。图 2-7 中的左图是其中一组投篮手臂的原理图。电机通过压板带动线轮旋转。线轮牵引的钢丝在接近末端时分成三股，每一股分别带动一个手臂。钢丝绳的末端固定在偏心轮上，当拉动钢丝时偏心轮就会绕自身的轴转动，而固定在偏心轮的手臂也就随着偏心轮绕轴转动，从而把球送入蓝筐中。当手臂旋转到位时，缓冲橡胶片就会触发行程开关反馈给电路板，这时程序就会让电机停车。另一组投篮手臂(称为投篮机构 B)的原理与上一组(称为投篮机构 A)有所不同。它没有专门的动力系统。钢丝绳的下端固定在机器人的底座上。但升降机构升到一定高度时，钢丝绳被拽紧，并开始带动三个手臂。其他部分的结构和原理与上一组一样。投篮时球在手臂的最前面，直接与篮筐碰撞。如果正好对准，则球直接滚入筐中；如果偏了，则在手臂的作用下球推动篮筐转动，直到球擦入筐中；如果正好卡在死区（两个篮筐之间的两节缝隙，见图 2-8），则尝试让机器人自转 60 度后再投篮。图 2-8 投篮的角度死区长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 13第三章第三章 电气装备设计电气装备设计3.1 电机及驱动器电机及驱动器为了获得良好的机械和电气性能，我选用了德国 FAULHABER 公司生产的2657 型和 2342 型直流伺服电机，并且为其配备了专用的 14/1 和 66/1 的减速器、码盘和 MCDC2805 型驱动器。工作电压 24V。这套电机具有体积小、重量轻、出力大、控制简便等优点。2805 型驱动器有电压、步进等几种控制模式。为了实现较精确的位移和角度控制，我采用了步进控制模式。该模式控制起来十分简便。其接线如图 3-1 所示： 图 3-1 电机与驱动器接线图一共只需要两个控制信号：方向和脉冲。用+5V 和 GND 作为方向信号来控制电机的正反转动方向；用不同频率的脉冲作为脉冲信号来控制电机的转动速度。驱动器，电机和光电码盘本身就组成了一个闭环反馈系统。在不丢步的境况下，只要输入相应个数的脉冲，电机就转相应的角度。3.23.2 数字罗盘数字罗盘3.2.13.2.1 性能简介性能简介1.描述TDCM3 是一个高性能,低损耗的数字罗盘,一旦主机提出请求,它通过串口连接向主机系统传输数据。TDCM3 内有一个高度集成的标定程序用来补偿周围有铁磁介质引起的失真。2.应用1.交通工具指南针;2.PDA,移动电话,望远镜;3.导航系统;长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 144.仿真实体.3.主要性能误差 3 度精度 0.5 度重复度 3 度4.能量供应所需电压 3V5V所需电流 休眠模式 1uA 标定模式 8mA5.通信TDCM3 提供 2400,4800,9600,19200 波特率 4 个等级的频率。6.特色探测失真:当有磁介质干扰等将会显示一个警告标记。并妥善处理当前的电信号.并具有自动标定算法库。 7.管角设定如图 3-2：图 3-2 管脚设定 在实际应用中，我将罗盘直接安装在它本身直带的调试电路板上。而在上电状态下，调试电路板将 RTS 脚经电阻接高电平。为使 RTS 脚可置低电平，我用光电藕合器将其接地。光电藕合器的通断决定 RTS 脚的电平：光电藕合器接通时 RTS 脚为低电平；光电藕合器断开时 RTS 脚为高电平。 RXD 接单片机的 TX 脚，接收单片机的通信信号；TX 接单片机的 RX 脚，向单片机传送罗盘所测得的数据。3.2.23.2.2 操作步骤操作步骤当设备上电时,TDCM3 就准备好了输出。当设备第一次启用时他可能需要标定.TDCM3 还为用户提供 3 个程序。它们是普通,连续和标定模式。一般情况下,TDCM3 进入睡眠模式以节省能量。1.普通模式长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 15当主机通过 RTS 管脚向设备发出请求,设备就会输出。请注意在主机给设备发出脉冲请求前,RX 角必须保持高电平。(请看图 3-3 普通模式波形表) 图 3-3 普通模式波形图主机接受到的是 3 个连续字节。第一字节是状态字节，状态字节表示TDCM3 的状态,在正常状态下,状态字节等于 80H,当查出失真时,状态字节等于81H,这时必须要标定。(请看 P.6 标定模式)；第二个是罗盘测得角度值的高字节；第三个是罗盘测得角度值的低字节。即罗盘传输的 3 个字节为：LMSMSBnoteStatus)(见计算公式（3-1）： （3-2256LSBMSB1） 2.连续模式当主机把 RTS 脚设为低电平时,数字罗盘将要进入连续模式。他将自动输出数据。请注意如果连续模式一旦开启就不能返回到睡眠模式。3.标定模式当状态字节等于 81H 时扭曲被发现,这时用户就需要执行标定。当主机通过 RTS 脚给罗盘信号(同时 RX 脚必须置低电平),这时模块进入标定状态,把模块旋转两周。接着让主机置 RX 管脚为高电平(模块将会回复RDY)。之后模块将会返回到睡眠模式。3.33.3 单片机电路板单片机电路板考虑到欲实现的功能比较复杂和繁多，我采用单片机系统来做主控板。功能要求如下：1.能够给电机提供 4 个方向信号，4 个脉冲信号；长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 162.能够通过对脉冲的个数对电机进行开环位移控制；3.能够方便地对电机进行速度控制；2.能够与数字罗盘进行通信；3.能够接收 8 个限位开关信号。为满足以上要求，我们需要大量的计数器和脉冲发生器，以及扩展足够数量的 I/O 口，故选择芯片主要如下表：表 3-1 主要芯片的选择及选择理由序 号芯 片 名 称选 择 理 由1 单片机 89C51技术非常成熟，性能稳定，价格也非常低廉，其内存容量为 4K，考虑到程序不是太长，所以 89C51 是最佳的选择。2计数器/定时器 8253一片 8253 中有 3 个计数器。每个计数器可以分别设定工作模式。其工作模式有 6 种之多，且用 8253 是硬件计数，不占用宝贵的 CPU 的资源。3I/O 扩展81558155 能够扩展更多的 I/O 口，并且可以编程定义 I/O 口的输入/输出功能。内部自带了锁存器，而且还提供了 256 个 RAM单元。3.3.13.3.189C5189C51 单片机单片机 由 ATMEL 公司生产的 AT89C51 是与 8031 系列完全兼容的单片机，主要区别是它内部有 4KBIT 的 ROM，出厂所配晶振频率为 11.0592M，每个机器周期为1.085s，用户可更换晶振以提高速度。程序存储器为 64K，其中前 4K 在 CPU内部。 89C51 单片机组成。(1)、一个 8 位微处理器 CPU。(2)、数据存储器 RAM 和特殊功能寄存器 SFR。(3)、内部程序存储器 ROM。(4)、两个定时/计数器，用以对外部事件进行计数，也可用做定时器。(5)、四个 8 位可编程的 I/O(输入/输出)并行端口，每个端口既可作输入也可做输出。(6)、一个串行端口，用于数据的串行通信。长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 17(7)、中断控制系统。(8)、内部时钟电路。以上各部分由系统内部总线连接。该单片机具备一个完整的计算机所具有的基本组成部分，即 CPU(运算器和控制器)、存储器(ROM 和 RAM)和 I/O 接口等。 因此，89C51 单片机是一个功能很强的 8 位微处理器。89C51 的硬件结构有如下一些主要特点：(1)、内部程序存储器(ROM)和内部数据存储器(RAM)。(2)、输入/输出(I/O)口。具有 4 个 8 位可编程的 I/O 并行端口，尤其是有一个全双 I 的串行口，该串口由两根 I/O 位线构成，有四种工作方式，可通过编程选定。89C51 最多有32 根 I/O 位线。(3)、外部程序存储器和外部数据存储器寻址空间。89C51 单片机可对 64KB 的外部数据存储器寻址，而对程序存储器是内外总空间为 64KB，外部程序存储器的最大寻址空间为 64KB。(4)、中断与堆栈。89C51 单片机有 5 个中断源，分为 2 个优先级，每个中断源的优先级是可编程的，它的堆栈位置也是可编程的，堆栈深度可达 128 字节。(5)、定时/计数器与寄存器区。89C51 有 2 个 16 位定时/计数器，通过编程可实现四种工作模式；在内部RAM 中设置了四个通用工作寄存器区，共 32 个通用寄存器，以适应多种中断或子程序嵌套的要求。(6)、指令系统。89C51 指令系统功能强大，指令短，执行速度快。如外接晶振的频率为12MHZ 时，大部分指令执行时间为 1s。存储空间配置和功能89C51 单片机的存储器组织结构可以分为三个不同的存储空间，分别是：(1)、64KB 程序存储器(ROM)，包括片内 ROM 和片外 ROM； (2)、64KB 外部数据存储器(外 RAM)；(3)、256B(包括特殊功能寄存器)内部数据存储器(内 RAM)。三个不同的存储空间用不同的指令和控制信号实现读写功能操作：(1)、ROM 空间用 MOVC 指令实现只读功能操作，用 PSEN 信号选通读外ROM。(2)、外 RAM 空间用 MOVX 指令实现读写功能操作，用 RD 信号选通读外RAM，用 WR 信号选通写外 RAM。长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 18(3)、内 RAM(包括特殊功能寄存器)用 MOV 指令实现读写和其它功能操作。程序存储器(ROM):ROM 空间共 64KB 。其中 60KB 在片外。地址范围 1000HFFFFH，无论片内片外，ROM 地址空间是统一的，不重叠。对于有内 ROM 的 89C51，EA 应接高电平，复位后先从内 ROM0000H 开始执行程序，当 PC 值超出内 ROM4KB 空间时，会自动转向片外 ROM1000H 依次执行程序。读 ROM 是以程序计数器 PC 作为 16 位地址指针，依次读相应地址 ROM 中的指令和数据，每读一个字节，(PC)+1PC，这是 CPU 自动形成的。但是有些指令有修改 PC 的功能，例如转移类指令和 MOVC 指令，CPU 将按修改后的 PC16 位地址读 ROM。读外 ROM 的过程：CPU 从 PC 中取出当前 ROM 的 16 位地址，分别由P0 口(低 8 位)和 P2 口(高 8 位)同时输出，ALE 信号有效时由地址锁存器锁存低8 位地址信号，地址锁存器输出的低 8 位地址信号和 P2 口输出的高 8 位地址信号同时加到外 ROM16 位地址输入端，当 PSEN 信号有效时，外 ROM 将相应地址存储单元中的内容送至数据总线(P0 口)，CPU 读入后存入指定单元。需要指出的是，64KB 中有一小段范围是单片机系统的专用单元，0003H0023H 是五个中断源中断服务程序入口地址，用户不能安排其它内容。单片机复位后，(PC)=0000H，CPU 从地址为 0000H 的 ROM 单元中读取指令和数据。从 0000H 到 0003H只有 3 个字节，根本不可能安排一个完整的系统程序，而单片机又是依次读ROM 字节的，因此，这 3 个字节只能用来安排一条跳转指令，跳转到其它合适的地址范围执行真正的主程序。外部数据存储器(外 RAM)外部数据存储器共 64KB，读写外 RAM 用 MOVX 指令，控制信号是 P3 的 WR和 RD。读写外 RAM 的过程：外 RAM16 位地址分到由 P0 口(低 8 位)和 P2 口(高 8 位)同时输出，ALE 信号有效时由地址锁存器锁存低 8 位地址信号，地址锁存器输出的低 8 位地址信号和 P2 口输出的高 8 位地址信号同时加到外 RAM16 位地址输入端，当信号有效时，外 RAM 将相应地址单元中的内容送至数据总线(P0 口)，CPU 读入后存入指定单元。或当信号有效时，外 RAM 将数据总线(P0 口分别传送)上的内容写入相应地址存储单元中。外部数据存储器主要用于存放数据和运算结果。一般情况下，只有在内RAM 不能满足应用时，才接外 RAM。其最大容量可达 64K 字节，外部数据存储器和内部数据存储器的功能基本相同，但前者不能用于堆栈操作。必须注意，由于数据存储器与程序存储器全部 64K 地址重叠，且数据存储器的片内外的低字节地址重叠。所以，对片内、片外数据存储器的操作使用不长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 19同的指令。对片内 RAM 读写数据时，无读写信号(RD，WR)产生；对片外 RAM 读写数据时，有读写信号产生。同样对程序存储器和数据存储器的操作也是靠不同的控制信号 PSEN、RD、WR 来区分的。另外，在片外数据存储器中，数据区和扩展的 I/O 口是统一编址的，使用的指令也完全相同。因此，在系统设计时，必须合理的进行外部 RAM 和 I/O 口的地址分配，并保证译码的唯一性。CPU 的时序及辅助电路计算机工作是在时钟脉冲的统一控制下，按严格的先后次序有步骤地进行工作的。所谓时序是指 CPU 执行指令的各个微操作所对应的脉冲信号所遵循的时间顺序。时序是非常重要的，它指明单片机内部以及内部与外部互相联系所遵守的规律。单片机的时钟电路单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准，这个时钟信号可由单片机内时钟电路产生，也可以直接使用外部时钟信号。因此，单片机的时钟电路有两种形式：内部振荡方式和外部振荡方式。（1）内部振荡方式89C51 单片机内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端。把放大器与作为反馈元件的晶体振荡器(简称晶振)式陶瓷振谐器连接，就构成了内部自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。这种方式为内部振荡方式。（2 ）外部振荡方式外部振荡方式就是把外部已有的时钟信号引入单片机，这种方式是用来使单片机的时钟与外部信号保持同步。通常外接的时钟信号的频率不高于12MHZ。振荡周期是指为单片机提供时钟信号的振荡源的周期。CPU 在一个振荡周期内仅完成一个基本的操作，振荡频率越高，单片机的工作速度越快。时钟周期是指振荡源信号经五分频后形成的时钟脉冲信号。因此时钟周期是振荡周期的两倍，时钟周期被分成 2 个节拍，即节拍 P1 和 P2 节拍。在每个时钟的前半周期，P1 信号有效，这时 CPU 完成算术逻辑操作；在每个时钟周期的后半周期，P2 信号有效，内部寄存器与寄存器之间的数据传输一般在此状态发生。机器周期：通常完成一个基本操作所需的时间称为机器周期。一个机器周期由 6 个状态(12 个振荡脉冲)组成，即 6 个时钟周期，是单片机完成一个基本操作所用时间，如读操作，写操作等。长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 20指令周期是指 CPU 完成一条指令所需时间，一个指令周期通常含有 14 个机器周期，在 89C51 中，除了乘、除两条四个机器周期的指令外，其余都为单周期或双周期指令。若 89C51 外接晶振为 12MHZ 时，则单片机的四个周期的具体值为：振荡周期=1/12MHZ=1/12s=0.0833s时钟周期=1/6s=0.167s机器周期=1s指令周期=14s3.3.23.3.2 计数器计数器/ /定时器定时器 82538253 简介简介如果用硬件方法定时，就要用到计数器/定时器。在简单的软件控制下，产生准确的时间延迟。这种方法的主要思想是根据需要的时间，用指令对计数器/定时器设置定时常数，并用指令启动计数器/定时器，于是开始计数，计到确定的值时，便自动产生一个定时输出。在计数器开始工作以后，CPU 不必去管它，而可以去做别的工作。这种方法最突出的优点是计数时不占用 CPU 资源。Intel8253 是 NMOS 工艺制成的可编程计数器/定时器。最高计数速率为2.6MHZ1。8253 内部有 3 个计数器，分别称为计数器 0、计数器 1、计数器 2。它们的结构完全相同。每个计数器的输入和输出都决定于本身所带的控制寄存器的控制字，互相之间工作完全独立。3 个引脚分别是时钟输入端 CLK，门控信号输入端 GATE，输出端 OUT。每个计数器的内部有 1 个 8 位的控制寄存器，还有 1 个 16 位的计数初值寄存器 CR。1 个计数执行部件 CE 和 1 个输出锁存器 OL1。执行部件实际上是一个 16 位的减法计数器。输出锁存器 OL 用来锁存计数执行部件 CE 的内容，从而使 CPU 可以对此进行读操作。 表 3-4 8253 输入信号对应功能SDRA1 A0功 能0000001111000000110 00 11 01 10 00 1对计数器 0 设置计数初值对计数器 1 设置计数初值对计数器 2 设置计数初值设置控制字或者给一个命令从计数器 0 读出计数值从计数器 1 读出计数值长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 210011 0从计数器 2 读出计数值除了这七组信号组合外，其他组合下，数据总线为高阻状态。当 A1=A0=1时，第一次写入的一定作为控制字，此后写入的作为命令。8253 的控制寄存器的格式：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0SC1SC0RW1RW0M2M1M0BCDBCD 位用来设置计数值格式:0 为二进制，1 为 BCD 码；M2、M1、M0 为模式选择：其中 000 为计数模式，010 为闩锁模式，011 为脉冲模式；RW1、RW0 是读/写指示位；其中 11 表示先读写低字节，再先读写高字节；SC1、SC0 用来选择计数器：00 为计数器 1；01 为计数器 2；10 为计数器3；对计数器设置初值前必须先写控制字。8253 可以用 6 种模式工作，如下：1、模式 0计数结束产生中断概括的说，在模式 0 时，写入控制字之后，输出端 OUT 为低电平，一直当计数值为 0 时，OUT 变为高电平，并保持。除非写入新的初值。当门控 GATE=1 时，计数器执行部件获得初始值后便进行计数，此时，如果 GATE 变为 0，则计数停止，但是门控不影响输出端 OUT 的电平。2、模式 1可重复触发的单稳态触发器3、模式 2分频器 4、模式 3方波发生器当输入控制字以后，输出端 OUT 出现高电平，作为初始电平。写入初值后，下一个时钟脉冲到来时，计数执行部件开始减 1 计数。计数到一半时，输出变为低电平，计数器继续计数，结束后，变为高电平，从而完成一个周期1。当计数值为偶数时，OUT 的高低电平时间相等。当计数值为奇数时，OUT 的高电平持续时间比低电平持续时间多一个时钟周期。GATE=1 时，计数进行，GATE=0 时，计数停。当 OUT 为低时，GATE 变为 0，则 OUT 会立即变为高电平。如果 GATE 一直为高电平，那么，在写入控制字和计数值后，将在下一个时钟脉冲时，开始计数。正在计数时，如果写入新的计数值，那么，将不影响当前输出周期。但是在输入新的计数值后，又受到门控上升沿的触发，那么，就会结束当前输出周期。在下一个时钟周期时，开始新值长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 22计数。5、模式 4软件触发的选通信号发生器6、模式 5硬件触发的选通信号发生器对于 MCDC2805 型电机驱动器，在电机的步进模式下。用 8253 的模式 3方波发生器，可以发出频率的方波脉冲。从而可以控制电机的转速。如果把方波发生器发出的脉冲引入计数器的时钟端，那么，用 8253 的 模式 0计数器，就可以设置初值，检测电机是否转到预定位置。不论用哪种模式工作，都会遵守下面几条基本原则：1、控制字写入计数器时，所有的控制逻辑电路，立即复位，输出端 OUT进入初始状态（高或低电平）；2、初始值写入后，要经过一个时钟上升沿和一个下降沿，才开始计数；3、通常，在时钟脉冲 CLK 的上升沿时，门控信号 GATE 被采样；4、在时钟下降沿，计数器作减 1 计数。 2. I/O 扩展 8155 芯片简介8155 具有 3 个可编程 I/O 口，其中 2 个口（A 和 B）为 8 位口，1 个口（C口）为 6 位口2。AD7AD0地址数据复用线ALE地址锁存信号。除进行 AD7AD0 的地址锁存控制外，还用于把片选信号 CE 和 IO/M 等信号锁存。RD读选通信号。WR写选通信号。CE片选信号。IO/MI/O 与 RAM 选择信号。8155 内部 I/O 与 RAM 是分开编址的。RESET复位信号。以 600ns 的正脉冲进行复位，复位后 A、B、C 口均置为输入方式2。8155 的 3 个 I/O 口，分别以 PA、PB、PC 称呼，其中 PA 和 PB 都是 8 位通用输入/输出口，主要用于数据的 I/O 口，它们都是数据口，因此只有输入输出两种工作方式。而 PC 口为 6 位口，它既可以作为数据口，用于数据的 I/O 传送，也可以作为控制口，用于传送控制信号和状态信号，对 PA 和 PB 的 I/O 操作进行控制2。8155 有一个命令/状态寄存器，实际上这是两个不同的寄存器，分别存放命令字和状态字。但由于对命令寄存器只需进行读操作，因此把它们编为同一地址，合在一起称之为命令/状态寄存器。命令字共 8 位，用于定义端口及定时器/计数器的工作方式。对命令寄存长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 23器只能写不能读。状态字也是 8 位（但实际只使用 7 位，最高位没定义）。用于寄存各端口及定时器/计数器的工作状态2。图 3-9 命令/状态寄存器3.3.33.3.3 电路板原理电路板原理整个电路板由 12V 工业电池供电。经稳压管 7808 降为 8V，再经稳压管7805 降为 5V。89C52 由 11.059MHz 的晶振驱动（主要考虑到要与数字罗盘通信），采用上电复位。要注意的是，用单片机本身的 I/O 口因功率太小无法驱动光电藕合器，必须用 8155 的 I/O 口来驱动。由于要接受行程开关信号，控制 8253 的 GATE，电机的方向和继电器，需要扩充一定数量的 I/O 口。经计算，采用 2 片 8155（分别为 8155A 与 8155B）与 89C52 连接就够了。其中，8155A 的 I/O 口全为输出，PA 口控制所有电机的方向和启停；8155B 的 I/O 口全为输入，PA 口接受所有限位开关的信号。由于 4 台电机均需要一个方波发生器和一个计数器。所以，至少要有 8 个计数器，用 3 片 8253（8253A,8253B,8253C）可以提供 9 个计数器，可满足要求。8253 采用 20MHz 的晶振，对其进行分频。所有计数器 GATE 都直接接高电平，保持可用的行走机构电机的方波发生器的 GATE 由 8155 的输出口控制；其他机构电机的方波发生器的 GATE 由其对应的计数器的输出经过反向器控制，这样计数结束时无需经过单片机干预就可自动关闭 GATE 门，停止发波。在每一个芯片的 VCC 与 GND 之间都并联一个电容，降低尖锋电压。 为增强电路板的抗干扰性，我采用芯片 SN75174 将电路板与电机的驱动器隔离，防止电机的功率波动对电路板产生干扰。电路原理图见附图 1。3.3.4 PCB同电路原理图一样，PCB 也是在 Protel 99 SE 中进行的。在 PCB 中将数字电路和模拟电路分开：电路板左边是数字电路，右边是模长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 24拟电路，防止对数字电路的干扰。并另外在电路板的较空的地方铺铜，并将前后板的地打孔相通，以增强电路板的抗干扰性。所有的地采用 3mm 宽的铜路。PCB 图见附图 2 3.43.4 电气系统总体说明电气系统总体说明 电气系统由内部电路和外部电路组成：内部电路如图 3-10；外部电路如图3-11。内部电路与外部电路之间通过几组插座插头相连。 数字罗盘所在的调试电路板通过 VCC 和 GND 由主电路板供电； 电机的驱动器的 24V 供电有两节 12V 工业电池串联提供；整个系统的 GND 都相连； 为减少插头和连线数量和长度，每一组空间距离较小的限为开关之间共用电源线和地线； 由于投篮电机的光电码盘已损坏，不能反馈信息，于是只要一上电电机就开始转，故采用继电器通断 24V 电源线控制电机启停。电机的行程通过限位开关和计时器配合控制。长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 25 图 3-10 内部电路示意图长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 26 图 3-11 外部电路示意图长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 27第四章第四章 自动控制设计自动控制设计控制程序是在 WAVE2.90 的环境下，用 C 语言编写的，并利用仿真器调试。成功后将软件编译生成后缀为.HEX 的文件，在 TOP51 程序烧录器中直接烧写到单片机中。4.14.1 编程准备工作编程准备工作4.1.14.1.1 设置电机驱动器设置电机驱动器在驱动器中设置电机为步进模式，每发 100 个方波，电机转过 1 周。4.1.24.1.2 确定地址确定地址根据单片机电路板的接线，确定 8155 和 8253 上各寄存器的地址如表 4-1：表 4-1 寄存器地址表地址变量名称地址对应寄存器COM8155A0XF7008155A 命令/状态寄存器APA0XF7018155A 的 PA 口APB0XF7028155A 的 PB 口APC0XF7038155A 的 PC 口COM8155B0XEF008155B 命令/状态寄存器BPA0XEF018155B 的 PA 口BPB0XEF028155B 的 PB 口BPC0XEF038155B 的 PC 口COM8253A0 xFE038253A 控制寄存器A00 xFE008253A 第一个计数器A1DP0 xFE01电机 D 的脉冲发生器A2DC0 xFE02电机 D 的脉冲计数器COM8253B0XFD03825B3 控制寄存器B0BC0XFD00电机 B 的脉冲计数器B1CP0XFD01电机 C 的脉冲发生器B2CC0XFD02电机 C 的脉冲计数器COM8253C0XFB038253C 控制寄存器C0AP0XFB00电机 A 的脉冲发生器C1AC0XFB01电机 A 的脉冲计数器长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 28C2BP0XFB02电机 B 的脉冲发生器4.1.34.1.3 计算测量某些参数计算测量某些参数测得行走机构的主动轮直径为 120mm，轮距为 735mm。输入给电机驱动器的脉冲频率=8253 基准脉冲频率/分频数。那么，行走机构前进速度为 1cm/s 时的 8253 分频数可用以下公式（4-1）计算： （4-indffn101） 式中 fn-速度为 1cm/s 时的 8253 分频数; f-8253 基准脉冲频率(Hz)，为 2000000Hz； d-主动轮直径（mm），为 120mm； i-减速箱传动比,为 14:1； n-电机转过 1 周所需脉冲数，为 100； 则（取整）5382910100141202000000fn同理，行走机构前进 1cm 所需的脉冲数，见公式（4-2）： （4-2）dinpn101式中 -行走机构前进 1cm 所需的脉冲数；1pn则 3712010100141pn行走机构旋转 1 度所需的脉冲数，见公式（4-3）： （4-3）dinlpn3602 式中 -行走机构旋转 1 度所需的脉冲数；2pnl-轮距（mm），为 735mm。则 24120360735100142pn4.24.2 子程序的编写子程序的编写4.2.14.2.1 罗盘接受程序罗盘接受程序单片机程序一旦启动后，就需要不停地接受罗盘数据，故把罗盘设为连长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 29续模式，这样可以给程序控制减少很多麻烦。当主机把 RTS 脚设为低电平时,同时 RX 一直保持高电平，数字罗盘就将进入连续模式.他将自动输出数据. 请看连续模式波形图 4-1： 图 4-1 连续模式波形图在启动罗盘之前，必须对单片机内一些相关寄存器进行设置，使其满足通信要求。DELAY(300); /* 延时，给罗盘反应时间 */TMOD=0 x20; /* 设定计时器 1 */ TF1=0;TR1=0; /* 计时器标志位初始化 */TL1=0 xFD;TH1=0 xFD; /* 设定计时初始值 */SCON=0 x58; /* 设定串行口以方式 1 通信 */ PCON=0 x00; /* 当 PCON=0 时，此时串行口以 9600 波特率通信 */TR1=1; /* 计时器开始工作 */经过以上设置，串行口便以 9600 波特率开始通信。此时将罗盘的 RTS 脚置高电平，罗盘片进入连续模式，开始源源不断地通过串行口向单片机传输数据。以下的 RECEIVE()子程序即是根据通信协议接收电子罗盘数据，并把接收到的数据存在全局变量 Qst（状态位）,QH（角度高位）,QL（角度低位）中：void RECEIVE(void) /* 接收电子罗盘数据，串行口 */ uchar k; k=0;长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 30 RI=0; while (k!=3) /* 每一组接收 3 个字节的数据 */ while(RI=0) /* RI 在中定义，表示单片机的中断标志位,等待中断，RI=1 */ ; RI=0; /* 中断结束，软件清零 */ k+; switch(k) case 1: Qst=SBUF;break; /* 接收状态位 */ case 2: QH=SBUF;break; /* 接收角度值高字节 */ case 3: QL=SBUF;break; /* 接收角度值低字节 */ 但是接收到的罗盘数据并不是我们想要的角度值，必须经过处理才能为我们所用。如以下程序，在处理时：第一步我们先检测 QH 值是否超过 2，因为正确的 QH 只能小于 2，如果超过这表明通讯发生错误则重新接收，否则很可能导致接受到的角度值太大甚至溢出使机器人在角度反馈下疯转。第二步要判断相对于上一次接受到的角度，罗盘的读值是否发生骤变。因为罗盘的读值只有 0360，一旦大于 360 度又从 0 度开始。为保持读数的连续性必须不断的对读数值进行补偿。这里的全局变量 QC 便是补偿变量。最后，根据罗盘提供的变换公式将 QH,QL 的值转化为实际角度值，加上补偿 QC，再减去初始角度 Q0 就得到机器人相对参考位置的相对角度。初始角度 Q0 即是程序刚开始运行时机器人所在位置的罗盘读值。int GETQ(void) /* 处理接收数据 */ RECEIVE(); while(QH2) /* 如果发现通讯错误重新接收 */ RECEIVE(); if(QHl=2&QH=0) /* 这表示已顺时针转过一周，角度修正值+360 度*/长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 31 QC=QC+360; if(QHl=0&QH=2) /* 这表示已逆时针转过一周，角度修正值-360 度*/ QC=QC-360; Q=QH*256+QL; /* 说明书提供的角换算公式，单位：度/2 */ Q=Q/2+QC-Q0; /* 修正角度，并换算为相对（初始位置)角度 */ QHl=QH; /* 纪录上一次角度值高字节 */ return(Q); /* 反馈测得角度值 */4.2.24.2.2 罗盘标定程序罗盘标定程序当状态字节等于 81H 时扭曲被发现,这时就需要执行标定.执行标定时，主机通过 RTS 脚给罗盘信号(同时 RX 脚必须置低电平),这时模块进入标定状态,把机器人旋转两周.接着让主机置 RX 管脚为高电平(模块将会回复 RDY).模块将会返回到睡眠模式.参考图 4-2：图 4-2 标定模式波形图数字罗盘标定程序标定程序如下所示，其中 RS（）为开环自转程序：APC=APC&0 x00; /* RTS 置高电平 */ DELAY(3); /* 延时 3ms */APC=APC|0 xFF; /* RTS 置低电平 */P3=P3&0 xFD; /* P3 即单片机的 TX 脚，与罗盘的 RXD 脚相连 */DELAY(1); /* 延时 1ms */APC=APC&0 x00; /* RTS 重置高电平 */RECEIVE(); /* 此时就可接受到 53H,54H,41H */DELAY(100);for(i=0;i8;i+) RS(103); /* 连续旋转 8 次，刚好 720 度左右 */ 长春工业大学毕业设计 竞技型投篮机器人 32P3=P3|0 x02; /* RX 脚重新置高电平 */DELAY(53); /* 延时 53ms */RECEIVE(); /* 此时就可接受到 52H,44H,59H，表示标定成功*/4.2.34.2.3 电机速度控制系列程序电机速度控制系列程序设定电机的方向，如将行走方向设为向正前：APA=APA|0