单片机应用系统设计-四足步行器

1单片机应用系统课程设计2目录一．引言---------------------------------------------------------------------3;课题应用相关调研-----------------------------------------------------3;二．单片机基本原理------------------------------------------------------3;STC11F02E单片机简介----------------------------------------------3;三．硬件电路设计------------------------------------------------------------4;1.电路组成-------------------------------------------------------------4;2.芯片分析-------------------------------------------------------------6;3.LN298N驱动模块-------------------------------------------------8;4.直流电机模块----------------------------------------------------10;四．软件设计----------------------------------------------------------------14;1.资源配置-----------------------------------------------------------15;2.流程图---------------------------------------------------------------16;3.源程序---------------------------------------------------------------17;4．STC单片机程序烧录-------------------------------------------18;五．安装与调试---------------------------------------------------------------19;1.电路板原理图-------------------------------------------------------20;2.手工制版图----------------------------------------------------------20;3.安装元件-------------------------------------------------------------20;4.焊接工艺------------------------------------------------------------20;5.系统调试-------------------------------------------------------------21;六．心得体会----------------------------------------------------------------21.3一、引言上帝赐予我们人类最美好的礼物，是一颗可以创造新事物的头脑。随着高新技术的发展，各种类型的军用、工业机器人已经大量涌现，一些技术发达的国家相继研制了智能程度高、动作灵活、应用广泛的机器人。就算在恶劣的环境下，机器人的承受能力大大超过载人系统，并且能完成许多载人系统无法完成的工作。众所周知，步行比轮式移动要复杂得多，步行机器人是利用运动的步行方式来实现类似于动物那样的移动四足步行器作为仿生机器人的一种重要组成部分，在国内取得了广泛的研究。文中介绍了四组步行器行走原理、结构组成、控制系统和控制程序。目前，研制的四足步行器的腿部机构形成主要有缩放机构、四连杆机构、并联机构、平行杆机构、多关节串联机构和缓冲型虚拟弹簧腿机构。我们本次的设计是通过四连杆来作为腿部机构，通过电机发动带动齿轮来使连杆运动。《四脚爬行器》由香港理工大学的郑继昌教授所设计。其组成部分是机械零件和电子电路驱动。机械部分由各种铝质的小零件组装而成，组成了《四脚爬行器》的躯干，电子电路部分由电机板和单片机板组成的驱动电路控制。其工作原理是：总动力源是电动机，电动机带动一组齿轮运动，齿轮带动一系列的连杆做连杆运动，从而实现前进、后退的运动。整个控制系统由五个部分组成：单片机模块，驱动模块，底板，无线接收模块，电机模块。二、单片机基本原理（一）STC11F02E单片机简介STC11F02E是宏晶科技设计生产的STC11／10xx系列单片机之一，其特点为：高速，1个时钟／机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快8～12倍；宽电压，5．5～4．1V／3．7V；低功耗设计；工作频率，0～35MHz，4具有2kB的片内Flash程序存储器、2kB的EEPROM存储器和256kB的片内SRAM数据存储器，体积小价格低廉。STC11/10xx系列单片机是宏晶科技设计生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容8051，但速度快8~12倍，内部集成高可靠复位电路，针对高速通信，智能控制，强干扰场合。STC11/10xx系列单片机的定时器0/定时器1/串行口与传统8051兼容，增加了独立波特率发生器，省去了定时器2。传统8051的111条指令执行速度全面提速，最快的指令快24倍，最慢的指令快3倍。STC11F02E的铭牌解读：STC1T8051，同样的工作频率时，速度是普通8051的8～12倍，F：5.5V～4.1V/3.7V（4.1V或3.7V为可选低压复位门槛电压），02：2K字节，E：有内部EEPROM.三、硬件电路设计1.电路组成1）整个控制系统由五个部分组成：单片机模块，驱动模块，底板，无线接收模块，电机模块。*图（2-1）：四足步行器控制板5*图（2-2）：四足步行器控制系统电路图*图（2-3）：四足步行器控制板62）时钟电路的设计，时钟电路是产生CPU校准时序，是单片机的控制核心。单片机的时钟信号可通过内部震荡方式和外部震荡方式两种方式得到。本次设计使用的是片内震荡方式，通过外接12MHz的晶振来实现时钟电路的时序控制。在使用片内震荡器时，XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入端和输出端。外接晶体以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。当使用外部时钟驱动时，XTAL2引脚应悬空，而由XTAL1引脚上的信号驱动，或者XTAL1引脚应悬空，而由XTAL2引脚上的信号驱动。外部震荡器再通过一个2分频的触发器来形成内部时钟所需要的信号。在电容器C1、C2选择时方面，一般选择其值为5~30pF。时钟电路复位电路的设计，通常由上电复位和开关复位2种基本形式。本系统使用上电复位。2.芯片分析1）集成驱动芯片L298N，其引脚和功能如图所示：72)STC11F02E特性：*高速：1个时钟/机器周期，增强型8051内核，速度比普通8051快6~12倍*宽电压：5.5~4.1V/3.7V，2.1/2.4~3.6V（STC11L系列）*低功耗设计：空闲模式（可由任意一个中断唤醒）*低功耗设计：掉电模式（可由任意一个外部中断唤醒，可支持下降沿/低电平和远程唤醒，STC11xx系列还可通过内部掉电唤醒专用定时器唤醒）*支持掉电唤醒的管脚：P3.2/，P3.3/，T0/P3.4,T1/P3.5，RxD/P3.0（或RxD/P1.6）内部掉电唤醒专用定时器（只有STC11系列才有，STC10系列无）*工作频率：0~35MHZ，相当于普通8051:0~420MHZ*时钟：外部晶体或内部RC振荡器可选，在ISP下载编程用户程序时设置1/2/3/4/5/6K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上，256字节片内RAM数据存储器大容量片内EEPROM功能，擦写次数10万次以上ISP/IAP,系统可编程/在应用可编程，无需编程器/仿真器，2个16位定位器，兼容普通8051定时器T0/T1，1个独立波特率发生器（故无需T2做波特率发生器），缺省是T1做波特率发生器，可编程时钟输出功能，T0在P3.4输出时钟，T1在P3.5输出时钟。*硬件看门狗（WDT）*全双工异步串行口（UART），兼容普通8051，可当2组串口使用（串口可在P3与P1之间任意切换）。*先进的指令集结构，兼容普通8051指令集，有硬件乘法/除法指令3)STC11F02比AT89C51的优势：1、烧写方便2、速度可以快12倍3、工作电压低到3.3VL298N84、引脚少，体积小，价格低4)注意事项：*STC11xx和STC10xx全系列都有一个独立波特率发生器，STC11xx和STC10xx系列的区别是：STC11xx比STC10xx系列多了一个掉电唤醒专用定时器STC11F05,STC11F05E,STC11L05,STC11L05E,IAP11F06,IAP11L06,IAP11F62,IAP11F06X,IAP11L62,IAP11L62X在下载用户程序时，需将P1.0/P1.1短接到地，同时需使用外部时钟才可下载用户程序。3.LN298N驱动模块1）LN298N为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，可直接的对电机进行控制，无需隔离电路。通过单片机的I/O输入改变芯片控制的电平，既可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，亦能满足直流减速电机的大电流要求。采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。2）电机驱动芯片L298N电机驱动电路采用的是基于双极型H桥型脉宽调制方式的集成电路L298N，9如图3－4所示。L298N内部包含2个H桥的高电压大电流桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机，工作温度范围从－25度到130度。其内部的一个H桥原理图如图3－5所示。ENABLEA是控制使能端，控制OUTPUTl和OUTPUT2之间电机的停转，INPUT1、INPUT2脚接入控制电平，控制OUTPUTl和OUTPUT2之间电机的转向。当使能端ENABLEA有效，INPUT1为低电平INPUT2为高电平时，三极管2，3导通，1，4截止，电机反转。当INPUT1和INPUT2电平相同时，电机停转。表3－1是其使能引脚，输入引脚和输出引脚之间的逻辑关系。（图3－4）图3-4逻辑关系表ENABLEA(P1.4)INPUT1(P1.0)INPUT2(P1.1)电机转向H(1)H(1)L（0）正转H(1)L(0)H（1）反转H(1)同IN2同IN1停止L(0)X(0、1)X（0、1）空转说明：H----高电平L----低电平X----任意（低电平或高电平）另一个H桥的工作原理同上。由ENABLEB控制OUTPUT3和OUTPUT4之间电机的停转，根据INPUT3、INPUT4脚的输入电平情况控制OUTPUT3和10OUTPUT4之间电机的转向。3）L298N电机驱动模块性能特点：*可实现电机正反转及调速；*启动性能好，启动转矩大；*工作电压可达到36V，4A；*可同时驱动两台直流电机；*适合应用于机器人设计及智能小车的设计；LN298N驱动模块4.直流电机模块*直流电机是一种常用的机电转换器件，常在自动控制系统中用做执行元件。（1）直流电机的基本特性1）直流电机在一定的电压下，转速与转矩成反比；如果改变电压，则转速转矩线随着电压的升降而升降（如图3－2所示）。在机器人上的负载一定时（即转矩一定时），降低电压，对应的转速也跟着降低，这样就可以实现电机的调速了。（图3－2）2）直流电机采用的是改变电机两端电压大小的方式来改变电机的转速，对调电机两端的电压极性改