畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）手動(dòng)機(jī)器人自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)</p><p>　　手動(dòng)機(jī)器人自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2012年全國大學(xué)生機(jī)器人大賽手動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)）</p><p>　　THE DESIGN OF MANUAL ROBOT CONTROL SYSTEM （THE DESIGN OF MANUAL ROBOT OF THE ABU ROBOCON IN 2012）</p><p&g

2、t;<b>　　目 錄 </b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p><b>　　關(guān)鍵詞1</b></p><p><b>　　1 前言2</b></p><p>　　1.1 2012Robocon賽制簡介2<

3、;/p><p>　　1.1.1 比賽主題2</p><p>　　1.1.2 比賽規(guī)則2</p><p>　　1.2 手動(dòng)機(jī)器人任務(wù)簡述3</p><p>　　1.3 本次機(jī)器人設(shè)計(jì)原則4</p><p>　　1.4 策略概要4</p><p>　　2 手動(dòng)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)5</p&

4、gt;<p>　　2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)5</p><p>　　2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6</p><p>　　3. 手動(dòng)機(jī)器人硬件電路設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.1 CPU選擇7</p><p>　　3.1.1 最小系統(tǒng)原理圖10</p><p>　　3.2 電機(jī)選型11</p>

5、<p>　　3.3 直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.3.1 LM629驅(qū)動(dòng)模塊13</p><p>　　3.3.2 單片機(jī)模塊19</p><p>　　3.3.3 18200工作原理20</p><p>　　3.4 電源模塊23</p><p>　　3.4.1 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

6、23</p><p>　　3.4.2 STM32控制板電源設(shè)計(jì)23</p><p>　　3.4.3 過流保護(hù)與欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)24</p><p>　　3.5 通信模塊25</p><p>　　3.6 人機(jī)交互模塊26</p><p>　　3.7 信號(hào)隔離電路設(shè)計(jì)28</p><p>

7、　　3.8 編碼盤采樣模塊電路設(shè)計(jì)28</p><p>　　3.9 復(fù)位電路設(shè)計(jì)29</p><p>　　3.10 硬件抗干擾及可靠性保證29</p><p>　　4 手動(dòng)機(jī)器人軟件及算法論證30</p><p>　　4.1 主控板程序流程圖30</p><p>　　4.2 Atmega32L程序流程圖31

8、</p><p>　　4.3 PWM的產(chǎn)生31</p><p>　　4.3.1 軟件生成PWM31</p><p>　　4.3.2 硬件生成PWM32</p><p>　　5 調(diào)試工具和方法介紹35</p><p>　　5.1 應(yīng)用Protues進(jìn)行調(diào)試與仿真35</p><p>　　

9、5.2 應(yīng)用IAR Embedded Workbench for ARM進(jìn)行編程調(diào)試36</p><p><b>　　6 結(jié)論36</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)37</b></p><p><b>　　致謝37</b></p><p><b>

10、　　附錄38</b></p><p>　　手動(dòng)機(jī)器人自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2012年全國大學(xué)生機(jī)器人大賽手動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)）</p><p>　　摘 要：在國內(nèi)外機(jī)器人競賽熱潮的背景下，作為人才新生主力軍的大學(xué)生，自制機(jī)器人參加各種比賽已經(jīng)成為了大學(xué)校園里一道亮麗的風(fēng)景線。作為湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)參賽代表之一，我參加了2012年亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽的各項(xiàng)活動(dòng)，參與了機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制作整個(gè)過程，

11、在創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手能力和培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作精神等方面都得到了很大提高。而本次設(shè)計(jì)的手動(dòng)機(jī)器人是一臺(tái)自動(dòng)化程度較高、控制精確靈活的機(jī)器人，這臺(tái)手動(dòng)機(jī)器人由行走模塊、主控模塊和機(jī)械手臂等組成。需要完成一定難度的硬幣精確抓放，搬運(yùn)收集機(jī)器人并精確放置等工作（題目源于2012年亞太大學(xué)生機(jī)器人大賽）。這對(duì)機(jī)器人的競爭力、靈活性、準(zhǔn)確性有較高要求。手動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用基于STM32的CorTex -M3內(nèi)核的開發(fā)板作為底層控制模塊，充分利用該款單

12、片機(jī)高速處理能力與可靠性高的優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：機(jī)器人；驅(qū)動(dòng)；通信；PID算法 ；PWM調(diào)速；</p><p>　　The Design Of Manual Robot Control System（The Design Of Manual Robot Of The ABU ROBOCON In 2012）</p><p>　　Abstract:In

13、 the situation of the booming robotics competition at home and abroad, as the main force of college students of the talent newborn ,the phenomenon of sending homemade robots to various competitions has become a beautiful

14、 landscape in the university. As one of the contestant of Hunan Agricultural University, I have participated the Robert competition which was hold in the Universiade in 2012.The activities of Asia-Pacific Robot Contest i

15、nclude robot design and production of the entire </p><p>　　Key words: Robot; drive; communication; PID algorithm; PWM speed control；</p><p><b>　　1 前言</b></p><p>　　智能化機(jī)器人

16、在國民經(jīng)濟(jì)中所起到的作用越來預(yù)明顯，在人力資本日漸增加的背景下，智能化機(jī)器人這種新型技術(shù)取代人力勞動(dòng)是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。智能化機(jī)器人涉及多學(xué)科交叉綜合，它是人工智能、機(jī)器人技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、信息及編程技術(shù)、計(jì)算機(jī)學(xué)、材料學(xué)、電子技術(shù)、傳動(dòng)技術(shù)、接口技術(shù)、單片機(jī)原理、精密機(jī)械技術(shù)、自動(dòng)控制理論、伺服傳動(dòng)技術(shù)等諸多領(lǐng)域的技術(shù)集成[1]。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選題來源于2012年全國大學(xué)生機(jī)器人比賽的項(xiàng)目，論文內(nèi)容是關(guān)于手動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)控制系

17、統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)，由于比賽整體水平的不斷加深，因此本次設(shè)計(jì)的技術(shù)也較以往有了很大方面的改進(jìn) [2]。</p><p>　　1.1 2012robocon賽制簡介</p><p>　　1.1.1 比賽主題</p><p>　　此次大賽的主題為“Peng On Dai Gat”，中文意思為“平安大吉（包山斗智顯平安）”，源于民俗活動(dòng)，旨在祈求平安。</p>

18、<p>　　1.1.2 比賽規(guī)則</p><p>　　比賽要求每只參賽隊(duì)伍由一臺(tái)手動(dòng)機(jī)器人，一臺(tái)自動(dòng)機(jī)器人和一臺(tái)收集機(jī)器人共三臺(tái)機(jī)器人組成。首先，手動(dòng)機(jī)器人從硬幣架上拿起硬幣投到硬幣箱中。然后，自動(dòng)機(jī)器人啟動(dòng)把公共區(qū)的籃子搬到手動(dòng)區(qū)并回到啟動(dòng)區(qū)，與此同時(shí)，手動(dòng)機(jī)器人需要把收集機(jī)器人搬起運(yùn)到自動(dòng)機(jī)器人上，由手動(dòng)機(jī)器人把收集機(jī)器人搬運(yùn)到自動(dòng)機(jī)器人上。最后，收集機(jī)器人爬上小島，把底層和中間層的包子抓取并放到籃

19、子里，再由手動(dòng)機(jī)器人把收集機(jī)器人托起抓取頂層包子放到籃子里，完成任務(wù)。期間不能違反比賽要求，用時(shí)最少完成任務(wù)或得分最多的獲勝。比賽場(chǎng)地如圖1所示。</p><p><b>　　圖1比賽場(chǎng)地規(guī)格</b></p><p>　　Fig .1 Game Field Specifications</p><p>　　1.2 手動(dòng)機(jī)器人任務(wù)簡述</p

20、><p>　　手動(dòng)機(jī)器人的主要任務(wù)有：</p><p>　　手動(dòng)機(jī)器人啟動(dòng)后需要從硬幣架拿起硬幣并放入硬幣箱； </p><p>　　在沒犯規(guī)的前提下，手動(dòng)機(jī)器人必須穿越隧道，到達(dá)搜集機(jī)器人所在區(qū)域并搬運(yùn)搜集機(jī)器人至自動(dòng)機(jī)器人A（5區(qū)）區(qū)域（見圖2）；</p><p>　　手動(dòng)機(jī)器人搬運(yùn)放在手動(dòng)區(qū)的籃子（4區(qū)）按照?qǐng)D中所示路線回到啟動(dòng)區(qū)（6

21、區(qū)），并將籃子放置在小島上的放籃區(qū)；</p><p>　　手動(dòng)機(jī)器人托起搜集機(jī)器人夾取包山最頂層包子，手動(dòng)機(jī)器人和搜集機(jī)器人之間通過非射頻方式通信；</p><p>　　在比賽規(guī)定時(shí)間（三分鐘）的最后一分鐘內(nèi)，手動(dòng)機(jī)器人可以直接從底層開始夾取包子；</p><p>　　當(dāng)搜集機(jī)器人完成每層至少一個(gè)包子的夾取和投放，比賽立即宣布結(jié)束，完成規(guī)定任務(wù)并耗時(shí)最短的獲勝，未完

22、成任務(wù)按照得分多少衡量勝負(fù)。</p><p>　　由于比賽規(guī)則限定：手動(dòng)機(jī)器人抓取硬幣并將硬幣放置到硬幣箱中，完成速度較快的另外兩臺(tái)機(jī)器人優(yōu)先啟動(dòng)，這就要求手動(dòng)機(jī)器人穩(wěn)定性高、速度快、定位精準(zhǔn)，所以對(duì)手動(dòng)機(jī)器人的要求更高。 </p><p>　　圖2手動(dòng)機(jī)器人行動(dòng)路線示意圖</p><p>　　Fig .2 The schematic diagram of

23、 Manual robot walking route </p><p>　　1.3 本次機(jī)器人設(shè)計(jì)原則</p><p>　　基于對(duì)以往比賽經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)和對(duì)此次參賽機(jī)器人的性能等各方面的要求，此次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)主要考驗(yàn)的是機(jī)器人的行走路線、機(jī)器人運(yùn)行的穩(wěn)定性、快速性、準(zhǔn)確性以及可操作性。在小組討論后，我們制定了如下機(jī)器人設(shè)計(jì)原則。</p><p>　　1)機(jī)器人必須與大賽

24、的主題相吻合，創(chuàng)意獨(dú)到。</p><p>　　2)機(jī)器人必須穩(wěn)、準(zhǔn)、快。指機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性和取放硬幣的準(zhǔn)確性。速度只有與機(jī)動(dòng)性、靈巧性和準(zhǔn)確性結(jié)合才能相得益彰。才能在競爭中獲得勝利。</p><p>　　3)機(jī)器人應(yīng)具有高智能，機(jī)器人在人機(jī)交互模塊中一定要具備優(yōu)秀的可操作性。</p><p>　　4)機(jī)器人代表隊(duì)的配合默契程度。指自動(dòng)機(jī)器人、手控機(jī)器人的配

25、合要好，因?yàn)楸荣惒皇潜绕磫闻_(tái)機(jī)器人的功能,小組特別強(qiáng)調(diào)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)同作戰(zhàn)。</p><p><b>　　1.4 策略概要</b></p><p>　　在比賽一開始手動(dòng)機(jī)器人就以最短路線運(yùn)動(dòng)到硬幣所在區(qū)域，并抓取硬幣投放到硬幣箱中，在抓取過程中可以用啟動(dòng)按鈕控制機(jī)器人走自動(dòng)程序精確定位并抓取，這樣有效地為自動(dòng)機(jī)器人運(yùn)行爭取了部分時(shí)間，比賽過程中不同機(jī)器人之間使用非

26、射頻方式進(jìn)行通信，可以更好的協(xié)調(diào)好不同機(jī)器人之間完成相應(yīng)任務(wù),所以在比賽中我們可以選擇手動(dòng)機(jī)器人的第一步走自動(dòng)程序完成抓放硬幣的工作。</p><p>　　2 手動(dòng)機(jī)器人的總體設(shè)計(jì) </p><p>　　2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　由于在比賽過程中手動(dòng)操作者必須坐在手動(dòng)機(jī)器人上進(jìn)行相應(yīng)任務(wù)，所以整個(gè)手動(dòng)機(jī)器人選取由壁厚為1.2mm、25×25

27、mm的不銹鋼方管焊接而成，可保證其強(qiáng)度。底盤采用后驅(qū)形式，兩后輪單獨(dú)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，兩前輪采用萬向輪結(jié)構(gòu)。在這個(gè)輪系結(jié)構(gòu)當(dāng)中，當(dāng)左右后輪電機(jī)轉(zhuǎn)速不同時(shí)，左右后兩輪的轉(zhuǎn)速不同，而前輪只是起支撐作用，從而實(shí)現(xiàn)手動(dòng)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎。電機(jī)與驅(qū)動(dòng)輪之間我們采用鏈條傳動(dòng)方式。由于手動(dòng)機(jī)器人在賽中要抬起一臺(tái)和自身相當(dāng)重的自動(dòng)機(jī)器人，而普通的電機(jī)達(dá)不到自鎖能力，所以我們額外給升降結(jié)構(gòu)增加一個(gè)棘輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)普通電機(jī)的這個(gè)缺陷。對(duì)于升降機(jī)構(gòu)，為了增強(qiáng)它的承載能力，

28、我們借鑒電梯的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)內(nèi)滑式滑塊。圖3為手動(dòng)機(jī)器人的整體簡易三維圖。</p><p>　　圖3手動(dòng)機(jī)器人整體三維圖</p><p>　　Fig .3 Electric car 3D figure as a whole</p><p>　　2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　主控板以近年來迅速發(fā)展的ARM Cortex-M3內(nèi)核處

29、理器為控制核心；ARM 單片機(jī)上面配有過壓保護(hù)和限流保護(hù)，而且使用的是外部晶振，有足夠的能力對(duì)系統(tǒng)里面的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算。而且本系統(tǒng)成本低，通信模塊穩(wěn)定，控制部分功耗低，電源利用率高，對(duì)于機(jī)器人的控制也滿足設(shè)計(jì)要求，能夠較穩(wěn)定的控制機(jī)器人的各個(gè)模塊[3]。</p><p><b>　　圖4 系統(tǒng)方框圖</b></p><p>　　Fig.4 Block diagram o

30、f a system</p><p>　　本設(shè)計(jì)是基于STM32單片機(jī)的手動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由兩塊STM32主控模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電子方向盤模塊、棘輪模塊、LM629驅(qū)動(dòng)模塊、單片機(jī)模塊、電子油門模塊、串口通信模塊與電源模塊等模塊組成。主控模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心。它與其它各個(gè)模塊之間通過不同電路和接口協(xié)議進(jìn)行相連。電子方向盤模塊、電子油門模塊、電子剎車、按鍵模塊等傳感器輸入部分對(duì)系統(tǒng)外界信息進(jìn)行采集

31、和處理后，將數(shù)據(jù)通過電平信號(hào)、PWM信號(hào)等方式發(fā)送到中央處理模塊。然后按照通信協(xié)議，接口協(xié)議等要求和其他模塊進(jìn)行信息交換，由中央處理模塊根據(jù)軟件設(shè)計(jì)中的流程圖和所設(shè)計(jì)的算法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理[4]。從而得到相關(guān)的最優(yōu)輸出操作，通過輸出PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調(diào)制）波的方式向單片機(jī)模塊發(fā)命令，單片機(jī)模塊再通過串口通信控制LM629模塊從而控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。通過電平控制氣動(dòng)模塊的狀態(tài)。從而達(dá)到對(duì)手動(dòng)機(jī)

32、器人各部分的控制。其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)方框圖如圖4所示。</p><p>　　3. 手動(dòng)機(jī)器人硬件電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1 CPU選擇</b></p><p>　　CPU是整個(gè)手動(dòng)機(jī)器人的核心環(huán)節(jié)。它是實(shí)現(xiàn)信息處理、命令輸出與智能算法等的平臺(tái)。本設(shè)計(jì)對(duì)CPU有以下三種方案：</p><p>　　方案一：采用A

33、TMEL公司研制的基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器ATMEGA128單片機(jī)作為主控板。AVR單片機(jī)是高速嵌入式單片機(jī)，數(shù)據(jù)處理速度快、中斷響應(yīng)迅速[5]。其次，AVR單片機(jī)高性能、低功耗，且其快速的存取寄存器組、單周期指令系統(tǒng)，很大程度上優(yōu)化了目標(biāo)代碼所占用的存儲(chǔ)空間，也在一定程度下提高了程序的執(zhí)行效率，部分型號(hào)FLASH非常大，特別適用于使用高級(jí)語言進(jìn)行開發(fā)。 但是AVR系列單片機(jī)都不具備硬件正交增量編碼器功能。&

34、lt;/p><p>　　圖5 STM32引腳圖</p><p>　　Fig.5The pin diagram of STM32</p><p>　　方案二：根據(jù)手動(dòng)機(jī)器人控制性能的要求，我們可以采用STM32F103VET6——</p><p>　　基于最新Cortex?-M3內(nèi)核的32位ARM7微處理器。如果僅僅使用一塊STM32芯片執(zhí)行所有程

35、序會(huì)造成程序編寫復(fù)雜、芯片負(fù)載過高（堆棧溢出）、響應(yīng)速度緩慢、端口配置沖突（如TIM8和TIM1不能同時(shí)使用）等問題。這與機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求</p><p>　　不符故采用兩塊STM32芯片做分級(jí)系統(tǒng)。共同構(gòu)成中央處理單元從而具有并行處理的能力。這樣在串口通信的前提下既保證了手動(dòng)機(jī)器人各個(gè)模塊控制靈活性，又同時(shí)保證了CPU的響應(yīng)速度和處理能力。由于STM32單片機(jī)具有更優(yōu)良的性能，同時(shí)分級(jí)系統(tǒng)擁有更高效的控制性能和

36、并行處理能力，所以我們最終選擇方案二作為本設(shè)計(jì)的CPU。如圖5所示。</p><p>　　Cortex-M3 是一款低功耗處理器，具有門數(shù)目少，中斷延遲短，調(diào)試成本低的特點(diǎn)，是為要求有快速中斷響應(yīng)能力的深度嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。該處理器采用ARMv7-M 架構(gòu)，在機(jī)器人調(diào)試過程中能夠充分滿足各方面的要求。</p><p>　　STM32F103VET6是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真的16/32位AR

37、M 32位的Cortex?-M3 CPU的微控制器，并帶有128kB嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。20k的RAM,128 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行Thumb-2指令集以16位的代碼密度帶來了32位的性能，由于內(nèi)置了快速的中斷控制器，STM32的擁有優(yōu)越的實(shí)時(shí)特性，中斷間的延遲時(shí)間只需6個(gè)CPU周期，從低功耗模式喚醒也只需6個(gè)cpu周期。與ARM7TDMI相比運(yùn)行速度最多可以快35%且代碼最多可

38、以省45%。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口（范圍從多個(gè)UART、SPI 和CAN到兩條I²C總線）和8kB的片內(nèi)SRAM，多個(gè)32位和16位定時(shí)器、1個(gè)改良的10位ADC、所有定時(shí)器上輸出匹配的PWM 特性、以及具有多達(dá)13個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳的32條高速GPIO線，GPIO翻轉(zhuǎn)頻率最高能達(dá)到18MHz。使這種微控制器特別適合工業(yè)自動(dòng)化控制、電力電子技術(shù)應(yīng)用、智能化儀器儀表及電機(jī)、馬達(dá)伺服控制系統(tǒng)等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6

39、所示。</p><p>　　STM32f103VET6芯片的主要性能如下：</p><p><b>　　內(nèi)核:</b></p><p>　　1、 ARM 32位的Cortex -M3 CPU ,最高可達(dá)72MHZ工作頻率</p><p>　　2、在存儲(chǔ)器的0的等待周期訪問時(shí)可達(dá)1.25DMisp、MHZ</p>

40、;<p>　　3、具有單周期乘法和硬件除法</p><p><b>　　存儲(chǔ)器：</b></p><p>　　1、高達(dá)128K字節(jié)的閃存程序存儲(chǔ)器 </p><p>　　2、高達(dá)20K字節(jié)的SRAM</p><p>　　時(shí)鐘、復(fù)位和電源管理：</p><p>　　1、2.0-3.

41、6V供電和I/O引腳</p><p>　　2、上電/斷電復(fù)位（POR/PDR）、可編程電壓監(jiān)測(cè)器（PVD） 　</p><p>　　3、4-16MHZ晶振振蕩器 </p><p>　　4、內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)教的8MHZ的RC振蕩器 </p><p>　　5、內(nèi)嵌帶校準(zhǔn)的40KMZ的RC振蕩器 　</p><p>　　6、產(chǎn)生

42、CPU時(shí)鐘的PLL 　</p><p>　　7、帶校準(zhǔn)的32KMZ的RC振蕩器</p><p><b>　　低功耗：</b></p><p>　　1、睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式</p><p>　　2、Vbat為RTC和后備寄存器供電</p><p><b>　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器</b>

43、</p><p>　　1、2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1us轉(zhuǎn)換時(shí)間（多達(dá)16個(gè)輸入通道）</p><p>　　2、轉(zhuǎn)換范圍：0至3.6V </p><p>　　3、雙采樣和保持功能 </p><p><b>　　4、溫度傳感器</b></p><p><b>　　DMA</b>&

44、lt;/p><p>　　1、7通道DMA控制器 　</p><p>　　2、支持的外設(shè)：定時(shí)器、ADC、SPI、I²C和USRT</p><p>　　3、多達(dá)80個(gè)快速I/O端口26/37/51/80個(gè)I/O口，所有I/O口一顆映像到16個(gè)外部中斷；幾乎所有的端口均可容忍5V信號(hào)</p><p><b>　　調(diào)試模式</

45、b></p><p>　　串行單線調(diào)試（SWD)和JTAG接口</p><p><b>　　定時(shí)器：</b></p><p>　　1、3個(gè)16位定時(shí)器，每個(gè)定時(shí)器有多達(dá)4個(gè)用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計(jì)數(shù)的通道和增量編碼器輸入 </p><p>　　2、1個(gè)16位帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機(jī)控制的PWM高

46、級(jí)控制定時(shí)器 　</p><p>　　3、2個(gè)看門狗定時(shí)器（獨(dú)立的和窗口型的）</p><p>　　4、系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)器：24位自減型計(jì)數(shù)器</p><p><b>　　通信接口</b></p><p>　　1、多達(dá)2個(gè)I平方C接口(支持SMBus/PMBus) </p><p>　　2、多達(dá)3個(gè)U

47、SART接口（支持ISO7816接口，LIN，IrDA接口和調(diào)制解調(diào)控制） </p><p>　　3、多達(dá)2個(gè)SPI接口(18M位/秒） </p><p>　　4、CAN接口 　　</p><p>　　5、USB 2.0全速接口</p><p>　　圖6 STM32F103X系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　Fig.6

48、 Block diagram of STM32F103X System</p><p>　　3.1.1 最小系統(tǒng)原理圖</p><p>　　圖7 STM32最小系統(tǒng)</p><p>　　Fig.7 The Minimum System of STM32</p><p>　　最小系統(tǒng)電路是處理器芯片能工作所必需的電路結(jié)構(gòu)，包括電源電路、復(fù)位&l

49、t;/p><p>　　電路、晶振以及調(diào)試接口[7]（這里是JLink接口）。因?yàn)镾TM32內(nèi)部包含128KB</p><p>　　的FLASH以及32KB的SRAM，滿足設(shè)計(jì)需要，所以不再進(jìn)行存儲(chǔ)器擴(kuò)展。如圖7所示是STM32F103VET6的最小工作系統(tǒng)原理圖。</p><p><b>　　3.2 電機(jī)選型</b></p><

50、p><b>　　底盤電機(jī)選型：</b></p><p>　　(1)底盤最大負(fù)重： M=20kg(機(jī)器人自重)+60kg(操作者體重)+15kg(收集機(jī)器人自重)=95kg</p><p>　　(2)需要的加速度：</p><p>　　(3)底盤最大速度：</p><p>　　(4)輪子直徑： D=160mm<

51、/p><p>　　(6)驅(qū)動(dòng)方式： 兩輪直輪驅(qū)動(dòng)</p><p><b>　　機(jī)器人勻速運(yùn)行時(shí)：</b></p><p>　　機(jī)器人勻速驅(qū)動(dòng)需要的最大驅(qū)動(dòng)力：</p><p>　　取輪子與地面的摩擦系數(shù)為：</p><p>　　取驅(qū)動(dòng)力安全系數(shù) </p><p>　　電機(jī)勻速

52、行駛的驅(qū)動(dòng)功率：</p><p>　　電機(jī)減速箱為行星減速箱一般效率[11]為：</p><p>　　電機(jī)與輪子為鏈條傳動(dòng)因無鏈條箱取效率為：</p><p>　　電機(jī)勻速行駛的實(shí)際功率 ：</p><p>　　電機(jī)額定電壓： 24V</p><p>　　電機(jī)額定電流：

53、 </p><p><b>　　機(jī)器人加速運(yùn)行時(shí)：</b></p><p><b>　　驅(qū)動(dòng)力：</b></p><p><b>　　加速時(shí)間：</b></p><p><b>　　行駛距離：</b></p><p&

54、gt;<b>　　每個(gè)輪子的驅(qū)動(dòng)力：</b></p><p><b>　　地面動(dòng)摩擦力</b></p><p>　　因動(dòng)量守恒： </p><p>　　底盤輸出功率=235.3W </p&

55、gt;<p>　　底盤實(shí)際功率 </p><p><b>　　電機(jī)實(shí)際功率：W</b></p><p><b>　　啟動(dòng)沖擊電流：</b></p><p>　　綜上每個(gè)輪子的最大驅(qū)動(dòng)力：</p><p><b>　　輪子轉(zhuǎn)

56、速設(shè)計(jì)：</b></p><p><b>　　驅(qū)動(dòng)力矩：</b></p><p>　　根據(jù)以上數(shù)據(jù)，我們選取了Maxon RE40 148867 作為底盤電機(jī)[8]，其具體參數(shù)如圖8。</p><p>　　圖8 Maxon RE40電機(jī)參數(shù)</p><p>　　Fig.8 Maxon RE40 Motor&l

57、t;/p><p>　　其他電機(jī)按此計(jì)算升降電機(jī)和棘輪電機(jī)分別采用 RE35、RE25。</p><p>　　3.3 直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　伺服模塊組成：采用ATmega32L作為模塊主芯片,LM629作為輔助芯片（主要用于PID調(diào)節(jié)），編碼盤來采樣的數(shù)據(jù)來組合成一個(gè)電機(jī)伺服系統(tǒng)，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。在此模塊設(shè)計(jì)中，我們通過充分利用空心杯直流伺服電機(jī)及

58、其驅(qū)動(dòng)模塊有電機(jī)體積小，重量輕，扭矩大，精度高，響應(yīng)快，速度高，慣量小，轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，力矩穩(wěn)定，容易實(shí)現(xiàn)智能化，其電子換相方式靈活，可以方波換相或正弦波換相的特點(diǎn)。在調(diào)試的過程中，由于我們選擇驅(qū)動(dòng)模塊種類不一，曾發(fā)生過底盤兩電機(jī)在直線運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速不一樣，經(jīng)過小組討論和決定，最終我們選擇銘朗科技MLDS3810TE作為底盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)的伺服驅(qū)動(dòng)模塊如圖9，它具有穩(wěn)定性好，精度高的優(yōu)點(diǎn)。</p><p><b>　　

59、圖9 伺服系統(tǒng)模塊</b></p><p>　　Fig.9 Servo system module </p><p>　　3.3.1 LM629驅(qū)動(dòng)模塊</p><p>　　3.4.1.1 LM629是美國國家半導(dǎo)體共識(shí)的產(chǎn)品，他是全數(shù)字式控制的專用運(yùn)動(dòng)控制處理器。通過一片單片機(jī)一片LM629一片功率驅(qū)動(dòng)器一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)一個(gè)增量式光電編碼盤就可以構(gòu)成一

60、個(gè)伺服系統(tǒng)。LM629引腳定義如表1，LM629引腳定義如圖10。</p><p>　　圖10 LM629引腳定義圖</p><p>　　Fig.10 Lead feet definition of the LM629</p><p>　　表1 LM629引腳定義</p><p>　　Table1 Lead feet definition o

61、f the LM629</p><p>　　3.3.1.2 LM629工作原理</p><p>　　如圖11利用增量式光電編碼盤來反饋電動(dòng)機(jī)的實(shí)際位置。來自增量式光電編碼盤的位置信號(hào)A，B經(jīng)LM629四倍頻，提高分辨率。A，B邏輯狀態(tài)每變化一次， LM629內(nèi)的位置寄存器加(減)1。編碼盤的A，B，C信號(hào)同為低電平時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)Index（見圖12）信號(hào)送入Index寄存器，記錄電動(dòng)機(jī)的絕

62、對(duì)位置。能實(shí)現(xiàn)兩種控制方式：</p><p>　　用位置控制方式時(shí)，單片機(jī)送來加速度、最高轉(zhuǎn)速、最終位置數(shù)據(jù)， LM629利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算運(yùn)行軌跡如圖13(a)所示。在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，上述參數(shù)允許更改，產(chǎn)生如圖13(b)所示的軌跡。</p><p>　　速度控制方式時(shí)，電動(dòng)機(jī)用規(guī)定的加速度加速到規(guī)定的速度，并一直保持這個(gè)速度，直到新的速度指令執(zhí)行。如果速度有擾動(dòng)，LM629可使其平均速度恒定

63、不變。</p><p><b>　　圖11 系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　Fig.11 The system Block Diagram </p><p><b>　　圖12 編碼盤信號(hào)</b></p><p>　　Fig.12 Quadrature Encoder Signals</

64、p><p>　　圖13 運(yùn)行軌跡 </p><p>　　Fig.13 Movement track</p><p>　　位置控制時(shí)，LM629要求主處理器提供軌跡參數(shù)。速度、加速度和位置值，并且這些參數(shù)必須轉(zhuǎn)化為LM629所要求的形式。假設(shè)編碼器為500線，要求加速度為0．1 r／s 、最大速度為0．2 r／s、完成轉(zhuǎn)兩圈的位置控制。其軌跡曲線如圖13(a)。

65、</p><p>　　LM629所要求的各參數(shù)計(jì)算過程如下：由于LM629對(duì)其進(jìn)行了4倍頻，所以編碼器處理結(jié)果如下：</p><p>　　設(shè)PC為需向LM629 寫入的目標(biāo)位置值，其單位為counts（編碼器脈沖數(shù))設(shè)L為編碼器500線數(shù)有L=500×4=2000；故有PC=L×期望轉(zhuǎn)數(shù)=2000×100=200000=</p><p>

66、;　　0X00030D40，即電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，LM629計(jì)2000個(gè)數(shù)。</p><p><b>　　(1)采樣周期:</b></p><p>　　T 為采樣時(shí)間= 2048\6000000=341μS。</p><p><b>　　(2)速度:</b></p><p>　　設(shè)V為需向LM629 寫入

67、的目標(biāo)速度值，單位為counts/sample。故有V=L×T×（期望速度/60）=2000×341×0.000001×（600/60）=6.82counts/sample。</p><p>　　折合成16進(jìn)制數(shù)：V=1.364×65536=89391.104≈89391=0x004432EF。</p><p><b>

68、　　(3)加速度：</b></p><p>　　設(shè)A（假設(shè)為每分鐘600轉(zhuǎn)）為需向LM629 寫入的目標(biāo)加速度值，單 counts/sample2，故有A=L×T×期望加速度=2000×341×0.000001×341×0.00001=0.00022885counts/sample2。</p><p>　　折合成1

69、6進(jìn)制數(shù)：A=0.00004577×65536=14.9979136≈15=0x0000000F。</p><p>　　3.3.1.2 運(yùn)動(dòng)控制字</p><p>　　表2 LM629運(yùn)動(dòng)控制字</p><p>　　Table2 Trajectory Control Commands of the LM629</p><p>　　軌

70、跡參數(shù)編程時(shí)，以LTRJ命令引導(dǎo)，緊隨其后為兩個(gè)字節(jié)的控制字。用戶能通過動(dòng)指令輸入加速度、速度、位置、控制方式、轉(zhuǎn)向、停車方式等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)有前2個(gè)字節(jié)的內(nèi)容如表2所列。其后緊隨著的是加速度、速度、位置參數(shù)數(shù)據(jù)。其中加速度和速度都是32位數(shù)據(jù)，它們的低16數(shù)據(jù)都是小數(shù)位。位置數(shù)據(jù)是30位有符號(hào)數(shù)。</p><p><b>　　PID參數(shù)</b></p><p><

71、b>　　表3 PID控制字</b></p><p>　　Table3 Filter Control word Bit Allocation of the LM629</p><p>　　LM629內(nèi)部有一個(gè)數(shù)字PID控制器，用來控制閉環(huán)系統(tǒng)。數(shù)字PID控制器采用增量式PID控制算法，所需的KP、KI、KD數(shù)據(jù)由Atmega32單片機(jī)提供。數(shù)據(jù)的前2個(gè)字節(jié)中，低字節(jié)內(nèi)容如表

72、所列；高字節(jié)存放微分采樣時(shí)間間隔數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)格式如表3所示。隨后是參數(shù)數(shù)椐，每個(gè)數(shù)據(jù)占2個(gè)字節(jié)。順序?yàn)镵P、KI、KD和積分極限。</p><p>　　3.3.1.4 LM629狀態(tài)和信息</p><p>　　表4 LM629的信號(hào)寄存器位內(nèi)容</p><p>　　Table 4 Signals Register Bit Allocation of the LM62

73、9</p><p>　　Atmega32單片機(jī)可以寫RDSTAT和RDSIGS指令到LM629，便可以讀出LM629的狀態(tài)和寄存器的數(shù)據(jù)，如表4。通過判斷中斷的類型，可以更好的LM629進(jìn)行相應(yīng)的操作。</p><p>　　例如當(dāng)位置超差的時(shí)候，LM629的HI端口便會(huì)變?yōu)榈碗娖剑@時(shí)單片機(jī)的外部中斷便可以采樣到中斷的信號(hào)，然后通過寫入RDSTAT和RDSIGS的指令，然后讀出具體的中斷源

74、，來停止對(duì)電機(jī)的控制。</p><p>　　3.3.1.5 LM629控制字</p><p>　　表5 LM629的用戶命令集</p><p>　　Table 5 User Command Set of the LM629</p><p>　　LM629有22條指令，單片機(jī)只要通過這些指令（表5）可以對(duì)LM629進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)傳送和了解狀態(tài)信

75、息。</p><p>　　3.3.1.6 LM629控制部分電路設(shè)計(jì)，如圖14。</p><p>　　圖14 LM629的原理圖</p><p>　　Fig.14 Schematics of LM629</p><p>　　3.3.2 單片機(jī)模塊</p><p>　　在伺服器領(lǐng)域廣泛采用MSP430、AVR等8位單片機(jī)

76、。本設(shè)計(jì)亦采用AVR系列單片機(jī)ATmega32L作為模塊處理器。</p><p>　　3.3.2.1 ATmega32L產(chǎn)品特性</p><p>　　它是一種高性能、低功耗的8位AVR® 微處理器</p><p>　　先進(jìn)的RISC 結(jié)構(gòu)131條指令 ，大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，32個(gè)8 位通用工作寄存器 全靜態(tài)工作工作于16MHz 時(shí)性能高達(dá)16

77、 MIPS只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器。</p><p>　　非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器32K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash擦寫壽命: 10,000 次具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot 代碼區(qū)通過片上Boot 程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程真正的同時(shí)讀寫操作1024 字節(jié)的EEPROM擦寫壽命: 100,000 次，2K字節(jié)片內(nèi)SRAM，可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)用戶程序的加密。</p><p>　　JTA

78、G 接口( 與IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)兼容)</p><p>　　符合JTAG 標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能，支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試功能，通過JTAG 接口實(shí)現(xiàn)對(duì)Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程。</p><p><b>　　豐富的外設(shè)特點(diǎn)</b></p><p>　　兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器， 一個(gè)具有預(yù)分

79、頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器，具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器RTC， 四通道PWM， 8路10 位ADC，8 個(gè)單端通道，TQFP 封裝的7 個(gè)差分通道2 個(gè)具有可編程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道； 面向字節(jié)的兩線接口可編程的串行USART ，可工作于主機(jī)/ 從機(jī)模式的SPI 串行接口，具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，片內(nèi)模擬比較器。</p><p>　　上電復(fù)位以及可

80、編程的掉電檢測(cè)，片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的RC 振蕩器，片內(nèi)/片外中斷源。</p><p>　　6種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴(kuò)展的Standby 模式。</p><p><b>　　有5 個(gè)復(fù)位源</b></p><p>　　3.3.2.2 ATmega32L最小系統(tǒng)</p>&

81、lt;p>　　如圖15是單片機(jī)控制部分電路模塊，Atmega32L單片機(jī)、電源、復(fù)位電路、JATG接口便構(gòu)成了一個(gè)最小的系統(tǒng)。</p><p>　　圖15 處理器電路原理圖</p><p>　　Fig.15 The Schematics of Processor</p><p>　　3.3.3 18200工作原理</p><p>　　采

82、用LMD18200實(shí)現(xiàn)受限單極性驅(qū)動(dòng)方式，LMD18200是美國國家半導(dǎo)體公司(NS)推出的專用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的H橋組件[7]。同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件，利用它可以與主處理器、電機(jī)和增量型編碼器構(gòu)成一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。以達(dá)到良好的控制效果。LMD18200外形結(jié)構(gòu)如圖21所示，電路框圖如圖16所示。</p><p>　　圖16 18200結(jié)構(gòu)方框圖</p><p

83、>　　Fig.16 18200 with square machine system</p><p>　　3.3.3.118200引腳定義</p><p>　　表6 LMD18200引腳號(hào)定義</p><p>　　Table 6 User Command Set of the LM629</p><p>　　LMD18200內(nèi)部集成了四

84、個(gè)DMOS管，組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的H型驅(qū)動(dòng)橋。通過充電泵電路為上橋臂的2個(gè)開關(guān)管提供柵極控制電壓，充電泵電路由一個(gè)300kHz左右的工作頻率。本系統(tǒng)在引腳l、11外接103的電容形成第二個(gè)充電泵電路，外接電容越大，向開關(guān)管柵極輸入的電容充電速度越快，電壓上升的時(shí)間越短，工作頻率可以更高。引腳2、10接直流電機(jī)電樞，正轉(zhuǎn)時(shí)電流的方向應(yīng)該從引腳2到引腳10；反轉(zhuǎn)時(shí)電流的方向應(yīng)該從引腳10到引腳2。電流檢測(cè)輸出引腳8可以接一個(gè)對(duì)地電阻，通過電阻來輸

85、出過流情況。內(nèi)部保護(hù)電路設(shè)置的過電流閾值為10A，當(dāng)超過該值時(shí)會(huì)自動(dòng)封鎖輸出，并周期性的自動(dòng)恢復(fù)輸出。如果過電流持續(xù)時(shí)間較長，過熱保護(hù)將關(guān)閉整個(gè)輸出。過熱信號(hào)還可通過引腳9輸出，當(dāng)結(jié)溫達(dá)到145度時(shí)引腳9有輸出信號(hào)，圖17 為單極性驅(qū)動(dòng)方式下理想波形圖。</p><p>　　LMD18200提供雙極性驅(qū)動(dòng)方式和單極性驅(qū)動(dòng)方式。雙極性驅(qū)動(dòng)是指在一個(gè)PWM周期里，電動(dòng)機(jī)電樞的電壓極性呈正負(fù)變化。雙極性可逆系統(tǒng)雖然有低

86、速運(yùn)行平穩(wěn)性的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著電流波動(dòng)大，功率損耗較大的缺點(diǎn)，尤其是必須增加死區(qū)來避免開關(guān)管直通的危險(xiǎn)，限制了開關(guān)頻率的提高，因此只用于中小功率直流電動(dòng)機(jī)的控制。本系統(tǒng)采用單極性可逆驅(qū)動(dòng)方式。單極性驅(qū)動(dòng)方式是指在一個(gè)PWM周期內(nèi)，電動(dòng)機(jī)電樞只承受單極性的電壓。本系統(tǒng)直流電機(jī)的額定電壓為12V。</p><p><b>　　圖17 理想波形圖</b></p><p>　

87、　Fig.17 Ideal Oscillogram</p><p>　　3.3.3.2LMD18200驅(qū)動(dòng)部分電路設(shè)計(jì)，如圖18。</p><p><b>　　、</b></p><p>　　圖18 LMD18200驅(qū)動(dòng)原理圖</p><p>　　Fig.18 Schematics of LMD18200</p&g

88、t;<p><b>　　3.4 電源模塊</b></p><p>　　3.4.1 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) </p><p>　　根據(jù)手動(dòng)機(jī)器人供電最高電壓為電機(jī)額定電壓24V故手動(dòng)機(jī)器人供電采用兩節(jié)12V鋰電池供電，而STM32的供電典型電壓為3.3V；ATmega32L、編碼器等供電典型電壓為5V；氣動(dòng)模塊供電則需要12V。本設(shè)計(jì)需要提供以上4種電壓并且，考慮到

89、信號(hào)要隔離，所以要分別設(shè)計(jì)2個(gè)5V供電端口。我們可以選擇利用MC7812將電池供電電壓24V穩(wěn)壓到12V提供氣動(dòng)模塊電壓；再分別用2個(gè)MC7805將12V電壓穩(wěn)壓至5V提供兩路5V供電，如圖19所示。</p><p>　　STM32是中央處理模塊，電源電壓為3.3V必須使用供電更穩(wěn)定的芯片。本設(shè)計(jì)采用LD1117其此穩(wěn)壓源輸入最高電壓16v可以由12V供電端提供，并且輸出電壓精度可控制在1%的范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求

90、。</p><p>　　在穩(wěn)壓的輸入端和輸出端口，都接了旁路電容進(jìn)行濾波，保證電源電壓的平穩(wěn)性。然后按照要求繪制如圖20。（電路中的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)POWER_ADC是給單片機(jī)進(jìn)行電源的欠壓監(jiān)測(cè)而設(shè)計(jì)的。電源欠壓的設(shè)計(jì)部分在下面會(huì)有說明。</p><p>　　圖19 電源穩(wěn)壓原理圖</p><p>　　Fig.19 Schematics of Power stabilivo

91、lt </p><p>　　3.4.2 STM32控制板電源設(shè)計(jì)</p><p>　　圖20所示為最小系統(tǒng)電源電路，STM32系列芯片都提供有數(shù)字電源VDD/GND和模擬電源VDDA/GNDA，為保證數(shù)字電源與模擬電源分離，在設(shè)計(jì)時(shí)采用兩路不同的3.3V電源穩(wěn)壓器進(jìn)行分別供電。STM32芯片的工作電壓為3.3V，對(duì)電源要求很高，過大的電源噪聲很容易使得程序跑飛或者芯片燒毀，LM117-3.

92、3將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V給芯片供電。SS14為肖特基二極管，利用二極管的單向?qū)ㄌ匦钥梢苑乐闺娫床遄宸炊鵁龤щ娐贰?lt;/p><p><b>　　圖20電源模塊</b></p><p>　　Fig.20 Power supply module</p><p>　　3.4.3 過流保護(hù)與欠壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)</p><p>

93、　　圖21中的MOTOR_ADC和POWER_ADC的電壓輸出端端口分別為驅(qū)動(dòng)模塊的過流保護(hù)的AD采樣端口和電源電壓監(jiān)測(cè)采樣端口，由于AD采樣的電壓范圍在0-5V，而MOTOR_ADC的電壓可能會(huì)超過5V，而電源的電壓為12V，已經(jīng)超過了范圍，所以用設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)壓電路，圖中的穩(wěn)壓二極管和端口串聯(lián)的330歐姆電阻組成的電路就是起到了穩(wěn)壓來保護(hù)單片機(jī)IO口的作用。電壓的監(jiān)測(cè)是采用定時(shí)器定時(shí)啟動(dòng)AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器的方式。</p>&l

94、t;p>　　欠壓保護(hù)流程，如圖22所示，當(dāng)POWER_ADC的電壓大于4.7V時(shí)，不會(huì)提示欠壓，當(dāng)小于4.7V時(shí)，單片機(jī)通過AD采樣到電壓欠壓了，這時(shí)也會(huì)能過LED的閃爍來提示電源已經(jīng)欠壓。</p><p>　　過流保護(hù)流程，如圖23所示，當(dāng)MOTOR_ADC電壓大于4.7V時(shí)，穩(wěn)壓將電壓保持在4.7V來保護(hù)AD，不會(huì)被過高的電壓來燒壞單片機(jī)，此時(shí)單片機(jī)采樣到電壓已大于或等于4.7V時(shí)，便立刻使BREAK端

95、口，關(guān)閉驅(qū)動(dòng)模塊，保護(hù)驅(qū)動(dòng)模塊，并能過LED閃爍來提示系統(tǒng)已經(jīng)是過流保護(hù)。</p><p>　　圖21 保護(hù)電路原理圖</p><p>　　Fig.21 Schematics of protection</p><p>　　圖22 欠壓保護(hù)流程 圖23 過流保護(hù)流程 </p><p>　　Fig.2

96、2 Flow Chart of undervoltage protection Fig.23 Flow Chart of overcurrent protection</p><p><b>　　3.5 通信模塊</b></p><p>　　通信方式的選擇：由于串行通信方式具有使用線路少，成本低，特別是在遠(yuǎn)程傳輸時(shí)，避免了并行通信中多條線路的特性不一致，因而被廣

97、泛的采用。在串行通信時(shí)，要求通信雙方都采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同設(shè)備可以方便的連接起來通信。RS-232-C（recommended standard，一種推薦串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)）是目前最常用的一種串行通信接口。它是在1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。由于串口通信的優(yōu)勢(shì)和普及性，其技術(shù)已經(jīng)趨于普及和成熟，</p><p>　　本設(shè)計(jì)亦選擇串口通信

98、方式。在本設(shè)計(jì)中串口通信模塊使用在中央處理模塊內(nèi)部分級(jí)系統(tǒng)之間通信和單片機(jī)模塊PC通信分別使用了MAX232和MAX323兩種芯片做電平轉(zhuǎn)換，因其功能相似、端口相同、典型電路一致故選取MAX232介紹:MAX232芯片是美信公司為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路,使用+5v單電源供電[9]。MAX232芯片的作用是將單片機(jī)輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換成PC機(jī)能接收的232電平或?qū)C機(jī)輸出的232電平轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能接收的TTL電平。內(nèi)部結(jié)構(gòu)基

99、本可分三個(gè)部分：</p><p>　　第一部分是電荷泵電路。由1、2、3、4、5、6腳和4只電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個(gè)電源，提供給RS-232串口電平的需要。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由7、8、9、10、11、12、13、14腳構(gòu)成兩個(gè)數(shù)據(jù)通道。其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。8腳（R2IN）、9腳（R2OUT）、10腳

100、（T2IN）、7腳（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT輸出；DP9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。</p><p>　　第三部分是供電。15腳DNG、16腳VCC（+5v）。圖24為MAX232接線圖。其中P8為向外傳輸數(shù)據(jù)的接口[10]。</p>

101、<p>　　圖24 MAX232電路圖</p><p>　　Fig.24 Circuit diagram of MAX232</p><p>　　3.6 人機(jī)交互模塊</p><p>　　輸入模塊普遍采用按鍵類模塊，本設(shè)計(jì)亦采用按鍵模塊作為輸入模塊。但因手動(dòng)機(jī)器人性能要求，該模塊必須具有多按鍵同時(shí)觸發(fā)以及抗干擾的性能。 按鍵模塊

102、多按鍵觸發(fā)和濾波算法的干擾:硬件抗干擾設(shè)計(jì)雖然能提高系統(tǒng)的抗干擾能力但并不能完全解決干擾問題。而干擾引起按鍵的誤觸發(fā)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定有很大的影響，因此需要濾波算法進(jìn)行補(bǔ)充。但一般的濾波算法（如圖25）無法再濾波的同時(shí)執(zhí)行其他程序。故無法實(shí)現(xiàn)多按鍵同時(shí)觸發(fā)。</p><p>　　圖25一般濾波算法程序流程圖</p><p>　　Fig.25 General filtering algorithm

103、 flowchart</p><p>　　多按鍵同時(shí)觸發(fā)的濾波算法：在該算法中每一個(gè)按鍵都有2個(gè)變量定義其屬性（按鍵代表變量、按鍵標(biāo)志變量）程序循環(huán)掃描所有按鍵的當(dāng)前狀態(tài)并以此狀態(tài)來改變按鍵代表變量的值。如圖26，當(dāng)某個(gè)按鍵的代表變量的值達(dá)到程序設(shè)定的額定值時(shí)則觸發(fā)按鍵標(biāo)志變量置1。此時(shí)系統(tǒng)執(zhí)行該按鍵的程序。</p><p>　　圖26多按鍵濾波算法流程圖</p><p

104、>　　Fig.26 Multi-button filtering algorithm flowchart</p><p>　　3.7 信號(hào)隔離電路設(shè)計(jì)</p><p>　　為了防止電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元對(duì)數(shù)字控制單元的干擾，必須在兩者之間加隔離電路來防止干擾的產(chǎn)生。避免LMD18200的驅(qū)動(dòng)電路對(duì)控制信號(hào)的干擾，對(duì)于LMD18200的引腳3(轉(zhuǎn)向輸入)、引腳5(PWM輸入)與LM629的PWM

105、-SIGN、PWM-MAG引腳之間通過光電耦合器連接，兩個(gè)地線連接也要進(jìn)行隔離。原理圖見圖27。</p><p>　　圖27 信號(hào)隔離部分原理圖</p><p>　　Fig.27 Schematics of signal isolation</p><p>　　3.8 編碼盤采樣模塊電路設(shè)計(jì)</p><p>　　為了避免長距離的信號(hào)傳輸引起的

106、信號(hào)衰減、跳變及干擾，光電編碼器的二路脈沖信號(hào)均采用差分信號(hào)方式輸出，因此在接收端首先要采用差分接收電路進(jìn)行處理，差分接收電路主要由DS26LS32M芯片構(gòu)成[11]。</p><p>　　圖28 編碼盤采樣原理圖</p><p>　　Fig.28 Schematics of sampling Quadrature Encoder</p><p>　　由于線驅(qū)動(dòng)專用

107、IC（DS26LS32）用于編碼器輸出電路。具有高速響應(yīng)和良好的抗噪性能，使得線驅(qū)動(dòng)專用IC能適用于長距離傳輸。經(jīng)過差分之后的信號(hào)傳到光耦6N137，經(jīng)過信號(hào)的隔離，傳到LM629的A與B端口。電路圖如圖28所示。</p><p>　　3.9 復(fù)位電路設(shè)計(jì)</p><p>　　單片機(jī)的5個(gè)中斷源中有一個(gè)是外部復(fù)位。引腳 RESET上的低電平持續(xù)時(shí)間大于最小脈沖寬度時(shí)MCU復(fù)位。R4為一個(gè)1

108、0K的上拉電阻，當(dāng)S1按下去的時(shí)候，將RESET引腳拉低為低電平，可以使單片機(jī)復(fù)位，而當(dāng)給系統(tǒng)接上電源時(shí)，+5V電源對(duì)容進(jìn)行充電，也使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了上電復(fù)位的過程。如圖29</p><p><b>　　圖29 復(fù)位原理圖</b></p><p>　　Fig.29 Schematics of reset</p><p>　　3.10 硬件抗干擾及可

109、靠性保證</p><p>　　系統(tǒng)的抗干擾技術(shù)是系統(tǒng)可靠性的重要方面。一個(gè)系統(tǒng)的正確與否,不僅取決于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和方法，同時(shí)還取決于系統(tǒng)的抗干擾措施[12]。</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)的干擾源一般有三個(gè)渠道：一是空間干擾,電磁信號(hào)通過空間輻射進(jìn)入系統(tǒng)；二是過程通道干擾，干擾信號(hào)通過與系統(tǒng)相連的前、后通道及與其它系統(tǒng)的連接通道進(jìn)入，它疊加在有用信號(hào)之上，擾亂信號(hào)傳輸，使有效信號(hào)產(chǎn)生畸

110、變。使得數(shù)據(jù)采集誤差加大，導(dǎo)致控制狀態(tài)失靈，導(dǎo)致程序運(yùn)行失常；三是系統(tǒng)干擾，電磁信號(hào)通過供電通道進(jìn)入系統(tǒng)或系統(tǒng)本身產(chǎn)生干擾 [13]。</p><p>　　雖然抗干擾問題是嵌入式系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中最令人頭疼的問題，而且沒有一定之規(guī),也沒有一成不變的方法,但若進(jìn)行科學(xué)的分析并加以合理的設(shè)計(jì)，采取一定的措施，將系統(tǒng)的硬件和軟件結(jié)合起來,是可以有效地提高應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性的。印制電路板是嵌入式系統(tǒng)中，器件、信號(hào)、電源線的高

111、密度集合體，印刷電路板設(shè)計(jì)的好壞對(duì)抗干擾能力的影響很大[14]。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理走線、合理接地，三總線分開走線[13]。盡量將數(shù)字、模擬電路分開走線，電源線和地線應(yīng)盡量加寬，同時(shí)使電源線、地線的走向與數(shù)據(jù)傳遞的方向一致。應(yīng)盡量使用45°折線而不要使用90°折線，以減少高頻信號(hào)對(duì)外的發(fā)射與耦合，減少互感振蕩；將接地和屏蔽正確結(jié)合起來使用。</p><p>　　CPU、RAM、ROM等主芯片以及VCC

112、、GND之間接電解電容和瓷片電容；去掉高、低頻干擾脈沖；石英晶體振蕩器的外殼接地而不要走信號(hào)線，且要適當(dāng)加大接地面積；時(shí)鐘線要盡量短，并用地線將時(shí)鐘區(qū)圈起來，使周圍電場(chǎng)盡可能地減小。獨(dú)立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少接插件與連線；輸入輸出驅(qū)動(dòng)器件、功率放大器件應(yīng)盡量靠近線路板邊的引出接插件；提高可靠性，減少故障率。集成塊與插座接觸可靠，用雙簧插座，最好集成塊直接焊在印制板上，防止器件接觸不良。信號(hào)的輸入、輸出端以使用光耦進(jìn)行光電隔離為好。這樣既可以防止

113、外圍器件動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的回流沖擊系統(tǒng)，又可使輸入端的干擾信號(hào)沒有足夠的功率去干擾發(fā)光二極管的正常工作。</p><p>　　4 手動(dòng)機(jī)器人軟件及算法論證</p><p>　　4.1 主控板程序流程圖</p><p>　　圖30主控板程序流程圖</p><p>　　Fig.30 Program flow chart of master contro

114、l board</p><p>　　從主控板程序流程圖得知，主控板主要是循環(huán)接受各傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理然后利用PWM以及IO口電平來控制手動(dòng)機(jī)器人。如圖30所示。</p><p>　　4.2 Atmega32L程序流程圖 </p><p>　　根據(jù)該程序流程圖，該模塊的作用是接受中央處理模塊的命令，對(duì)LM629的控制，其中