基于AT89S52的機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)研制

過 磊

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無錫機(jī)電分院，江蘇 無錫 214028)

基于AT89S52的機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)研制

過 磊

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無錫機(jī)電分院，江蘇 無錫 214028)

研制了一種基于AT89S52的機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)開發(fā)增加了學(xué)生興趣，加深了對機(jī)器人、直流電機(jī)、PWM知識的理解。介紹了驅(qū)動系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)和控制軟件設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了PWM調(diào)速子程序。

AT89S52；機(jī)器人；驅(qū)動系統(tǒng)

0 引言

近年來，將成熟的單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng)一直是個(gè)研究熱點(diǎn)，這樣既可以降低開發(fā)難度，又可以縮短開發(fā)周期。本文設(shè)計(jì)研制的這款機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)，就以AT89S52單片機(jī)為核心，由它控制驅(qū)動輪動作，調(diào)速采用PWM算法。該驅(qū)動系統(tǒng)開發(fā)難度低、可操作性強(qiáng)，而機(jī)器人本體則是江蘇省職業(yè)教育創(chuàng)新大賽獲獎(jiǎng)作品

1 驅(qū)動系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于AT89S52單片機(jī)的機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)采用三輪結(jié)構(gòu)，其中左前輪和右前輪為驅(qū)動輪，后輪為支撐輪。系統(tǒng)主要由AT89S52單片機(jī)控制模塊、紅外遙控指令接收模塊、左右直流電機(jī)驅(qū)動模塊、LED/LCD狀態(tài)顯示模塊和電源模塊組成。

圖1 機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，電源模塊啟動，將機(jī)器人供電電壓分為9 V直流電機(jī)驅(qū)動電壓和5 V單片機(jī)控制電壓；遙控模塊負(fù)責(zé)接收紅外遙控器信號，并將信號處理后傳輸給單片機(jī)；AT89S52單片機(jī)模塊收到遙控信號，運(yùn)算處理后向驅(qū)動輪發(fā)送控制信號，驅(qū)動機(jī)器人完成相應(yīng)動作，控制信號分動作控制和調(diào)速控制兩類，同時(shí)向顯示模塊發(fā)送當(dāng)前狀態(tài)顯示信號；驅(qū)動和顯示模塊接收控制信號并根據(jù)信號完成各自的驅(qū)動和顯示任務(wù)，為增加顯示的直觀性，機(jī)器人設(shè)置了LED和LCD兩種顯示方式。

2 驅(qū)動系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)由3部分組成：電源電路、晶振電路、復(fù)位電路。機(jī)器人核心控制單元為AT89S52單片機(jī)，AT89S52是一種低功耗、高性能COMS 8位微處理器，具有8 kB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器[1]。

2.2 L298驅(qū)動模塊

單片機(jī)I/O口電流在10 mA左右，無法直接驅(qū)動負(fù)載直流電機(jī)，為保證驅(qū)動系統(tǒng)有足夠的電流，設(shè)計(jì)采用了驅(qū)動集成電路芯片L298。L298芯片內(nèi)部是雙橋高電壓大電流功率集成電路，直接采用邏輯電平控制，可用來驅(qū)動繼電器、線圈、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等電感性負(fù)載，它的驅(qū)動電壓可達(dá)46 V，直流電流總和可達(dá)4 A，其內(nèi)部具有2個(gè)完全相同的功率放大回路[2]。

機(jī)器人直流電機(jī)驅(qū)動電路原理圖如圖2所示。雙腳跳針J3為驅(qū)動電路控制開關(guān)，用來控制電路供電，L298用來驅(qū)動機(jī)器人左、右兩輪直流電機(jī)，直流電機(jī)的邏輯控制信號從單片機(jī)P2口的P2.0～P2.5這6個(gè)引腳發(fā)出，8個(gè)二極管D1～D8單向?qū)ǎ鸬綄χ绷麟姍C(jī)的保護(hù)作用。L298芯片供電電壓與機(jī)器人控制電路供電電壓一致，為直流5 V，而左、右電機(jī)驅(qū)動電壓為直流9 V，它們分別接L298芯片4號VS和9號VSS引腳。

圖2 機(jī)器人直流電機(jī)驅(qū)動電路原理圖

有了以上驅(qū)動電路，就可以將單片機(jī)控制信號通過驅(qū)動芯片L298與機(jī)器人動作聯(lián)系起來，具體邏輯信號與動作關(guān)系如表1所示。其中，“1”為高電平，“0”為低電平，“X”為任意狀態(tài)。

表1 單片機(jī)控制信號與機(jī)器人動作關(guān)系

2.3 其他模塊

其他模塊主要包含電源模塊、遙控模塊和顯示模塊。電源模塊由電壓轉(zhuǎn)換芯片LM330、電源指示燈和濾波電容組成，LM330可以將機(jī)器人4節(jié)1.5 V電池串接而成的9 V供電電壓轉(zhuǎn)換成5 V電壓，以供控制芯片(如AT89S52、L298等)使用，而機(jī)器人左、右輪驅(qū)動電機(jī)則直接接9 V供電電壓。遙控模塊由紅外接收芯片LT0038和周邊電路組成，LT0038集紅外線接收、放大、整形于一體，沒有紅外遙控信號時(shí)為高電平，收到紅外信號時(shí)為低電平[3]。顯示模塊由8個(gè)綠色LED實(shí)現(xiàn)，用雙腳跳針開關(guān)J2控制供電，機(jī)器人驅(qū)動控制時(shí)，前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止等動作都以對應(yīng)燈號的點(diǎn)亮來指示，為增加直觀性機(jī)器人顯示模塊還預(yù)留了12864型LCD液晶顯示接口。

3 驅(qū)動系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)主程序主要包含動作控制子程序和PWM調(diào)速子程序。動作控制是將AT89S52單片機(jī)P2.0～P2.5口與驅(qū)動芯片L298使能端EN口和輸入端IN口對應(yīng)引腳相接(具體接法見圖2)，再對照表1，單片機(jī)控制輸出P2.0～P2.5組合信號就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止等動作控制。

3.1 PWM調(diào)速子程序

脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，縮寫為PWM)調(diào)速，是一種直流電機(jī)廣泛采用的調(diào)速方式，它的開關(guān)周期恒定，通過改變導(dǎo)通脈沖寬度來改變占空比，從而改變電機(jī)兩端電壓均值，達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的[4]。為節(jié)約開發(fā)成本，增加控制程序靈活性，設(shè)計(jì)采用PWM算法實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速功能，具體將電機(jī)速度設(shè)為10個(gè)等級，由等級數(shù)來決定一個(gè)周期的高電平的總個(gè)數(shù)，一個(gè)基準(zhǔn)脈沖為200 μs，則周期為200 μs×10，即2 ms。單片機(jī)控制時(shí)，先通過置P2.0或P2.1高電平打開L298使能端，再將PWM調(diào)速信號加載至P2.2～P2.5非“0”信號端，比如機(jī)器人前進(jìn)時(shí)，輸入端P2.2和P2.4為PWM信號，則電機(jī)的轉(zhuǎn)速由單片機(jī)調(diào)節(jié)PWM信號的占空比來實(shí)現(xiàn)。例如，控制機(jī)器人運(yùn)動速度為4級，即一個(gè)周期內(nèi)(10個(gè)基準(zhǔn)脈沖)有4個(gè)高電平數(shù)，占空比為4/10，實(shí)際速度為全速的40%；再如，控制機(jī)器人速度為10級，即一個(gè)周期內(nèi)(10個(gè)基準(zhǔn)脈沖)有10個(gè)高電平數(shù)，占空比為10/10，實(shí)際速度為全速。嚴(yán)格地講，平均速度與占空比并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，但在一般的應(yīng)用中，可將其近似看成線性關(guān)系[5]。PWM調(diào)速流程如圖3所示。

3.2 PWM調(diào)速程序代碼

PWM調(diào)速程序代碼如下：

unsigned char status=0; //P2口狀態(tài)設(shè)置變量

unsigned char speed_range; //PWM周期范圍，基準(zhǔn)脈沖200us

char data speed_set; //當(dāng)前速度等級，預(yù)設(shè)10級

bit bdata signal; //PWM輸出信號標(biāo)志，“1”高電平，“0”低電平

bit bdata PWM; //PWM有效標(biāo)志，“1”用PWM調(diào)速，“0”不用

unsigned char way=0; //機(jī)器人狀態(tài)(如前進(jìn)、后退、左/右轉(zhuǎn)等)，默認(rèn)停止

/**************定時(shí)器，中斷初始化**************/

void initial()

{

P1=0xff;

TMOD=0x12; //設(shè)置定時(shí)器:T0方式2，T1方式1

IE=0x83;

IT0=1;

TH0=0x48; TL0=0x48; //T0 200us定時(shí)初值

TR0=1; //啟動T0

speed_set=0; //當(dāng)前速度等級清零，機(jī)器人運(yùn)行時(shí)讀遙控器值

speed_range=10; //設(shè)置PWM周期為2ms(200us*10)

P2_0=1; P2_1=1; //打開電機(jī)使能端

status=P2&0xc0;

PWM=0; //清PWM標(biāo)志位

}

/**************PWM調(diào)速子程序，中斷接收**************/

void timer0(void) interrupt 1

{

uint i;

TH0=0x48; TL0=0x48; //重裝200us定時(shí)初值

if(PWM) //如果PWM有效

{ for(i=0;i

{

if(i<=speed_set)

{signal=1;} //如果i小于當(dāng)前速度等級，置PWM輸出標(biāo)志

else

{signal=0;}

if(way==1) //前進(jìn)

{P2_2=signal; P2_4=signal;}

else if (way==2) //后退

{P2_3=signal;P2_5=signal;}

else if (way==3) //右轉(zhuǎn)

{P2_2=signal;}

else if (way==4) //左轉(zhuǎn)

{P2_4=signal;}

}

}

else {signal=0;} //如果PWM無效

}

圖3 PWM調(diào)速子程序流程圖

4 結(jié)束語

研制了一種基于AT89S52單片機(jī)的機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)，該驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)紅外遙控信號控制機(jī)器人做前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和停止運(yùn)動，并同時(shí)帶有10級PWM調(diào)速功能。該驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡易，可操作性強(qiáng)。通過該系統(tǒng)的開發(fā)，可加深學(xué)生對機(jī)器人常識、直流電機(jī)控制、PWM調(diào)速功能等知識的理解，提高其動手能力，收到了良好的教學(xué)效果。另外該機(jī)器人增加循跡、報(bào)警等實(shí)用功能模塊后，參加了江蘇省職業(yè)教育創(chuàng)新大賽，順利進(jìn)入決賽展示階段并最終獲獎(jiǎng)，從而進(jìn)一步證明該驅(qū)動系統(tǒng)的可操作性和實(shí)用性。

[1] 顧劍.無刷直流電機(jī)單片機(jī)控制調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子世界，2014(9)：134-135.

[2] 宋健.基于L298的直流電動機(jī)PWM調(diào)速[J].濰坊學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，7(4)：87-88.

[3] 王立鳳.基于AT89C2051的紅外遙控彩燈設(shè)計(jì)[J].無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，12(6)：98-99.

[4] 庹朝永.基于單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].煤炭技術(shù)，2011，30(6)：62-63.

[5] 林金陽，王明福.基于MC51單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)[J].長春工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，10(3)：32-35.

Development of Robot Drive System Based on AT89S52

GUO Lei

(Wuxi Machinery and Electronic Branch of Jiangsu Union Technical Institute, Wuxi 214028, China)

A kind of robot drive system was developed based on AT89S52, which could increase the interest of students and deepen the knowledge of robot, DC motor and PWM. The general design, the hardware circuit and the control software, especially PWM speed control were introduced.

AT89S52; robot; drive system

1672- 6413(2015)06- 0137- 03

2014- 09- 29；

2015- 06- 17

過磊(1980-)，男，江蘇無錫人，副教授，碩士，主要從事機(jī)電一體化技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等方面的教學(xué)研究。

TP273

A

江蘇省職業(yè)技術(shù)教育學(xué)會2015～2016年度職業(yè)教育研究立項(xiàng)課題(XHXS2015017)