1566-投籃機(jī)器人

1566-投籃機(jī)器人,投籃,機(jī)器人 I目 錄第一章 緒 論 ........................................................11.1 課題背景 ......................................................11.1.1 機(jī)器人的發(fā)展及特點(diǎn)及發(fā)展前景 ...............................11.2 比賽規(guī)則 ......................................................21.2.1 規(guī)則簡(jiǎn)介 ...................................................21.2.2 競(jìng)技型投籃機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作的意義 .........................31.2.3 場(chǎng)地簡(jiǎn)介 ...................................................31.3 方案簡(jiǎn)介 ......................................................41.3.1 總體方案 ...................................................41.3.2 小自動(dòng)機(jī)器人技術(shù)要求 .......................................51.3.3 小自動(dòng)機(jī)器人初步設(shè)想 .......................................5第二章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .................................................72.1 行走機(jī)構(gòu) ......................................................72.2 定位機(jī)構(gòu) ......................................................92.3 升降機(jī)構(gòu) ......................................................92.4 投籃機(jī)構(gòu) .....................................................10第三章 電氣裝備設(shè)計(jì) ................................................133.1 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器 .................................................133.2 數(shù)字羅盤 .....................................................133.2.1 性能簡(jiǎn)介 ..................................................133.2.2 操作步驟 ..................................................143.3 單片機(jī)電路板 .................................................153.3.1 89C51 單片機(jī) .............................................163.3.2 計(jì)數(shù)器/定時(shí)器 8253 簡(jiǎn)介 ....................................203.3.3 電路板原理 ................................................233.3.4 PCB ......................................................233.4 電氣系統(tǒng)總體說(shuō)明 .............................................23第四章 自動(dòng)控制設(shè)計(jì) ................................................264.1 編程準(zhǔn)備工作 .................................................264.1.1 設(shè)置電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 ............................................26 II4.1.2 確定地址 ..................................................264.1.3 計(jì)算測(cè)量某些參數(shù) ..........................................274.2 子程序的編寫 .................................................274.2.1 羅盤接受程序 ..............................................274.2.2 羅盤標(biāo)定程序 ..............................................304.2.3 電機(jī)速度控制系列程序 ......................................314.2.4 電機(jī)位移控制系列程序 ......................................314.2.5 定位機(jī)構(gòu)檢測(cè)程序流程圖 ....................................334.2.6 投籃機(jī)構(gòu) A 控制程序流程圖 ..................................344.2.7 投籃機(jī)構(gòu) B 控制程序流程圖 ..................................35結(jié) 論 .............................................................36致 謝 .............................................................37參考文獻(xiàn) ...........................................................38附錄 1 控制程序 .....................................................39附圖 1 硬件原理圖 ..................................................55附圖 2 PCB .........................................................56長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人1第一章 緒 論1.1 課題背景根據(jù)“全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人電視大賽”中競(jìng)技型投籃機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作要求，進(jìn)行自動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械，電路和控制的設(shè)計(jì)。1.1.1 機(jī)器人的發(fā)展及特點(diǎn)及發(fā)展前景機(jī)器人雖然已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史，然而，迄今為止，它還沒有一個(gè)嚴(yán)格的、為人們所公認(rèn)的定義。但實(shí)際上，人們所關(guān)心的是機(jī)器人作為一種實(shí)用的操作系統(tǒng)的特性和適用范圍，至于如何給它下一個(gè)嚴(yán)格的、精確的定義，似乎是個(gè)較為次要的問題。一般說(shuō)來(lái)，機(jī)器人是指在人的操縱下能夠在人難以接近的環(huán)境中完成比較復(fù)雜的、精細(xì)的操作的一種遠(yuǎn)距離操作系統(tǒng)。當(dāng)然，這里所謂的“機(jī)器人”只是指它具有人類的一部分操作功能及與操作有關(guān)的某些其它功能而言，并不意味著它的全部功能及至形狀都與人相似。事實(shí)上，迄今所有的機(jī)器人，除了與操作有關(guān)的某些功能以外，其它方面均與人相差甚遠(yuǎn)。在機(jī)器人中，人（操作者）是不可缺少的重要組成部分，在用這種裝置完成一項(xiàng)操作任務(wù)的整個(gè)過程中，自始至終都必須有人的參加。同時(shí)，人通過觀察系統(tǒng)對(duì)從動(dòng)部件的工作情況及其周圍環(huán)境保持直接或間接的視覺監(jiān)視，從而能充分的依靠人的感覺和智力及時(shí)做出判斷和決策，以適應(yīng)工作對(duì)象或其周圍環(huán)境的變化，隨機(jī)應(yīng)變地完成那些較為復(fù)雜的、或者事先難以預(yù)料的操作任務(wù)。目前，機(jī)器人已經(jīng)越來(lái)越多、越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個(gè)方面。金字塔探密，機(jī)器人功不可沒。美國(guó)攻打伊拉克，機(jī)器人也發(fā)揮了重要作用。中國(guó)神州五號(hào)的成功發(fā)射，充分顯示了我國(guó)在機(jī)器人某個(gè)領(lǐng)域的實(shí)力。對(duì)于現(xiàn)階段的中國(guó)，要成為世界強(qiáng)國(guó)。必須大力發(fā)展工業(yè)現(xiàn)代化、智能化。根據(jù)目前我國(guó)現(xiàn)階段落后的工業(yè)和匱乏的高尖人才。大力發(fā)展自動(dòng)機(jī)器人就成了我國(guó)現(xiàn)階段的當(dāng)務(wù)之急。機(jī)器人技術(shù)不但能提高我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)水平，而且還能極大的增強(qiáng)國(guó)家的軍事實(shí)力，為祖國(guó)的早日統(tǒng)一，提高人民的物質(zhì)生活水平提供技術(shù)保證。所以大力發(fā)展機(jī)器人必然成了我國(guó)現(xiàn)階段的當(dāng)務(wù)之急。 長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人21.2 比賽規(guī)則1.2.1 規(guī)則簡(jiǎn)介此次比賽的意圖是盡量多的將比賽用球射入 9 個(gè)有一定距離且高度不同的籃筐內(nèi)，每個(gè)籃筐包含 3 個(gè)排成三角形的網(wǎng)袋，射入賽球?qū)⒌玫揭欢ǖ姆謹(jǐn)?shù)，最后，按照得分多少來(lái)判定比賽的輸贏。如果一個(gè)參賽隊(duì)將球射入包括中心籃筐 3 個(gè)網(wǎng)袋在內(nèi)的所有籃筐，或者它的得分比對(duì)手高時(shí)，該隊(duì)將被視為獲勝隊(duì)。每場(chǎng)比賽的時(shí)間為 3 分鐘。計(jì)分標(biāo)準(zhǔn)如下：1.球入袋計(jì)分。袋中只有一球可計(jì)分。2.如果兩隊(duì)的球都放入同一網(wǎng)袋內(nèi)，兩隊(duì)都可以得分。3.每個(gè)網(wǎng)袋的分?jǐn)?shù)如下：“中心籃筐”　　5 分/進(jìn)球/網(wǎng)袋；“內(nèi)部籃筐”　　2 分/進(jìn)球/網(wǎng)袋；“外部籃筐”　　l 分/進(jìn)球/網(wǎng)袋；4.如果某隊(duì)將球投入所有籃筐以及中心籃筐的三個(gè)網(wǎng)袋中，該隊(duì)將被視為“征服了太空”并贏得比賽。比賽場(chǎng)地分為手動(dòng)區(qū)和自動(dòng)區(qū)自動(dòng)區(qū)：1.“自動(dòng)區(qū)”是自動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行區(qū)域。2.該區(qū)域由一個(gè) 100mm 高、20mm 寬的 16 邊形木欄所包圍。3.在自動(dòng)區(qū)地板上，標(biāo)有兩條寬 30mm、直徑分別為 3000mm 和 6000mm 的圓形白色引導(dǎo)線。4.在自動(dòng)區(qū)上標(biāo)有 8 條 30mm 寬、對(duì)角線狀的白色引導(dǎo)線。5.由排列成三角形的 3 個(gè)網(wǎng)袋（每個(gè)網(wǎng)袋的直徑為 450mm）組成的 9 個(gè)籃筐被懸掛在自動(dòng)區(qū)上方，4 個(gè)外部籃筐掛在地面上方 l500mm 處,4 個(gè)內(nèi)部籃筐掛在地面上方 2000mm 處，中心籃筐的高度為 3000mm, 被懸掛賽場(chǎng)的中心點(diǎn)上。6.在各籃筐正下方的場(chǎng)地上固定有直徑為 100mm、高 10mm 的白色圓盤，以標(biāo)記籃筐的位置。 手動(dòng)區(qū)：1.手動(dòng)區(qū)是手控機(jī)器人的運(yùn)行區(qū)域。2.該區(qū)域由一個(gè) 100mm 高、20mm 寬的 16 邊木欄所包圍3.內(nèi)有一個(gè)球庫(kù)為每個(gè)參賽隊(duì)提供的 16 個(gè)球放置在球庫(kù)中，排列方式為4×4 方陣。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人3其它規(guī)定：1.手控機(jī)器人不能接觸或?qū)⒆约旱牟考烊搿白詣?dòng)區(qū)”。2.機(jī)器人電源電壓必須低于 DC24 伏。3.所有機(jī)器人的總重應(yīng)小于 50kg。4.比賽所使用的球?yàn)樗芰锨?，直?135mm，重 155g。比賽的規(guī)則和特點(diǎn)要求手控機(jī)器人應(yīng)能完成取球、行走及投射不同高度距離的籃筐的能力，且要求質(zhì)量輕，盡可能采用輕質(zhì)材料，使用簡(jiǎn)單可靠的機(jī)械結(jié)構(gòu)。如圖 1-1 所示：圖 1-1 場(chǎng)地布局1.2.2 競(jìng)技型投籃機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作的意義通過對(duì)競(jìng)技型投籃機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作，不但能使我從理論學(xué)習(xí)過渡到實(shí)際工作中去，而且還能極大的開闊我的視野，提高我進(jìn)行實(shí)際項(xiàng)目開發(fā)的能力。特別是對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用和對(duì)電機(jī)的控制。1.2.3 場(chǎng)地簡(jiǎn)介手動(dòng)機(jī)器人從手動(dòng)機(jī)器人啟動(dòng)區(qū)啟動(dòng)，并只能在手動(dòng)區(qū)活動(dòng)，初始狀態(tài)不能帶球；自動(dòng)機(jī)器人從自動(dòng)機(jī)器人啟動(dòng)區(qū)啟動(dòng)，初始狀態(tài)可以帶球。在啟動(dòng)區(qū)機(jī)器人的尺寸必須控制在 1.2ⅹ1.2ⅹ2m 以內(nèi)，所有機(jī)器人的總重量不能超過 50kg。在場(chǎng)地中，籃筐有三種高度，分別為 3m，2m，1.5m,分布在自動(dòng)區(qū)內(nèi)?；@筐的正下方有直徑 100mm 高 10mm 的白色標(biāo)志盤。場(chǎng)地上分布著 30mm 寬的白色引導(dǎo)線。如圖 1-2，圖 1-3 所示：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人4圖 1-2 場(chǎng)地側(cè)視圖圖 1-3 場(chǎng)地俯視圖1.3 方案簡(jiǎn)介1.3.1 總體方案經(jīng)過對(duì)場(chǎng)地的分析，我們決定采用一大一小兩個(gè)自動(dòng)機(jī)器人和手動(dòng)機(jī)器人配合的方案。如圖 1-4：其中，大機(jī)器人為進(jìn)攻主力，以前導(dǎo)軌快速搶占中心點(diǎn)，再用大功率電機(jī)牽引機(jī)器人主體待指定位置并升出 5 個(gè)手臂同時(shí)投 3m 和 2m 的 5 個(gè)籃筐。小自動(dòng)機(jī)器人是大機(jī)器人的補(bǔ)充，一開始裝在大機(jī)器人肚子里以有效利用空間，相對(duì)于大機(jī)器人他有較大的靈活性，有多條路徑，還可以根據(jù)形勢(shì)投 2m長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人5和 1.5m 的籃筐，必要時(shí)可充當(dāng)敢死隊(duì)員。手動(dòng)機(jī)器人由人工直接操作，可在戰(zhàn)略上有效支援自動(dòng)機(jī)器人。圖 3-4 初期方案的 3D 建模1.3.2 小自動(dòng)機(jī)器人技術(shù)要求 根據(jù)總體方案，對(duì)小自動(dòng)機(jī)器人提出以下要求：1．具有自主行走和定位能力；2．帶 6 粒球，可兩次投籃，即可投 1.5m 籃也可投 2m 籃；3．為順利與主機(jī)器人脫離高度應(yīng)小于 1150mm，寬度小于 820mm；4．考慮到總重量限制，重量應(yīng)小于 8kg；5．結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工；6．與其他機(jī)器人的零件有一定的通用性，實(shí)現(xiàn)模塊化。7．電源為 12V，或 24V；8．采用單片機(jī)控制，以具有較強(qiáng)的靈活性；1.3.3 小自動(dòng)機(jī)器人初步設(shè)想基于以上考慮，我做了以下設(shè)想：1．為獲得足夠的剛度和較低的重量，以及良好的加工性能，我選用鋁材作為主要加工材料；2．采用兩電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩主動(dòng)輪，并以萬(wàn)向輪作輔助支撐的方式，從而使整個(gè)機(jī)器人行走靈活，并準(zhǔn)確完成自轉(zhuǎn)等戰(zhàn)術(shù)動(dòng)作。3．為降低機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，適當(dāng)采用靈活的線傳動(dòng)。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人64．從精度，重量，以及物資情況等方面考慮，采用德國(guó) FAULHABER 公司生產(chǎn)的 2657 型和 2342 型直流伺服電機(jī)。這兩種電機(jī)都配備了專用的減速器、碼盤和 MCDC2805 型驅(qū)動(dòng)器，在單片機(jī)控制下，采用步進(jìn)模式可十分簡(jiǎn)便的實(shí)現(xiàn)較精確的位移和角度控制。5．整個(gè)機(jī)器人采用 4 個(gè)電機(jī)，其中兩個(gè)為行走電機(jī)；一個(gè)負(fù)責(zé)升降，機(jī)器人從初始高度到投 1.5m 籃，或投 2m 籃，都需要進(jìn)行升降；另一個(gè)負(fù)責(zé)投籃。 6．為擺脫傳統(tǒng)的循線定位方式對(duì)導(dǎo)引線的嚴(yán)重依賴，可考慮全新的傳感器，如數(shù)字羅盤，紅外傳感器等。經(jīng)過分析，采用數(shù)字羅盤比較適應(yīng)場(chǎng)地布局。這樣，通過數(shù)字羅盤反饋角度，計(jì)數(shù)器和光電碼盤反饋位移，從而實(shí)現(xiàn)類似于極坐標(biāo)的定位方式。每次捕捉到標(biāo)志盤，可以重新標(biāo)定原點(diǎn)以減少累計(jì)誤差。7．由于數(shù)字羅盤，光電碼盤和機(jī)械結(jié)構(gòu)引起的總誤差可能太大，無(wú)法順利完成投籃，可能需要一個(gè)專門的定位機(jī)構(gòu)，在一定范圍內(nèi)糾正偏差。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人7第二章 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1 行走機(jī)構(gòu)剛開始采用圖 2-1 左圖比較常規(guī)的方案，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)向靈活，只用兩個(gè)萬(wàn)向輪，重量輕。但加工上比較困難，還有一個(gè)致命性的缺陷，就是由于萬(wàn)向輪的輪徑較小，但車體正前方與標(biāo)志盤接觸時(shí)（經(jīng)常出現(xiàn)這種情況），容易導(dǎo)致車體被迫轉(zhuǎn)向，甚至整個(gè)機(jī)器人卡死。圖 2-1 行走機(jī)構(gòu)兩種步局方案后經(jīng)改進(jìn)，采用右圖所示布局。雖然增加了兩個(gè)萬(wàn)向輪，但有效的避免了萬(wàn)向輪與標(biāo)志盤的直接接觸，而且加工裝配十分簡(jiǎn)便，容易保持精度。行走機(jī)構(gòu)的控制精度對(duì)機(jī)器人能否完成成套動(dòng)作起決定性的作用。為保證精度和足夠的剛度，設(shè)計(jì)了一套精度較高的加工件以實(shí)行運(yùn)動(dòng)從驅(qū)動(dòng)電機(jī)到主動(dòng)輪的傳遞。為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低重量，不采用齒輪等傳動(dòng)件，由于電機(jī)以步進(jìn)模式工作，且功率較大，所以在速度和驅(qū)動(dòng)力上都能滿足要求。驅(qū)動(dòng)軸用兩個(gè)深溝球軸承和一個(gè)推力球軸承，可有效克服各種阻力。其受力分析如下：圖 2-3 驅(qū)動(dòng)輪受力分析主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖 2-3 所示：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人8圖 2-3 投籃機(jī)構(gòu)原理如圖所示，2 為主動(dòng)輪，11 為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，8 為連接電機(jī)與輪的驅(qū)動(dòng)軸。驅(qū)動(dòng)軸通過壓板 9 與電機(jī)軸配合，如圖 2-2 左下角所示。并通過法蘭盤 1 與主動(dòng)輪固定。由深溝球軸承 5 與 7 限制驅(qū)動(dòng)軸徑向位移，傳遞徑向力，并可承受一定的扭轉(zhuǎn)力矩。軸套 6 限定了軸承 5 與 7 的軸向位置。推力球軸承 3 限制驅(qū)動(dòng)軸軸向位移，承受徑向力。大部分零件通過套筒 10 和驅(qū)動(dòng)軸得到定位，并把作用力通過套筒 10 傳遞到支撐架 4 上，從而傳遞到機(jī)器人主體。裝備順序：1.從驅(qū)動(dòng)軸 8 開始，先后套上軸承 7，軸套 6，軸承 5；2.用螺釘將套筒 10 與電機(jī) 11 固定；3.將驅(qū)動(dòng)軸和軸承等裝入套筒 10 中，同時(shí)將電機(jī)軸插入驅(qū)動(dòng)軸 8 的孔中；4.從套筒 10 的窗口中裝入壓板，并用內(nèi)六角螺釘固定好；5.將套筒 10 與支撐架 4 相連，螺釘固定；6.依次裝推力球軸承 3，墊片，主動(dòng)輪 2，法蘭盤 1；7.用螺釘將法蘭盤分別與驅(qū)動(dòng)軸 8 與主動(dòng)輪 2 固定。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人92.2 定位機(jī)構(gòu)定位機(jī)構(gòu)的功能是糾正行走機(jī)構(gòu)到達(dá)標(biāo)志盤時(shí)的誤差。其機(jī)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，由 3 個(gè)限位開關(guān)，2 個(gè)彈性擋片，以及一些附屬的支撐件，固定件組成。整個(gè)定位機(jī)構(gòu)裝在機(jī)器人的正前方，其中擋片下沿距地面 5mm, 小于標(biāo)志盤的高度，便于與標(biāo)志盤接觸，無(wú)論擋片觸發(fā)區(qū)上任何一點(diǎn)與標(biāo)志盤接觸，擋片產(chǎn)生彈性形變便可觸發(fā)對(duì)應(yīng)的限位開關(guān)；中限位開關(guān)矩地面 8mm，當(dāng)標(biāo)志盤（10mm）從其下經(jīng)過時(shí)便觸發(fā)。圖 2-4 定位機(jī)構(gòu)原理如圖 2-4 所示，由于機(jī)器人全身機(jī)構(gòu)對(duì)稱分布，且萬(wàn)向輪阻力很小，機(jī)器人旋轉(zhuǎn)中心大致在兩主動(dòng)輪輪軸連線的中點(diǎn)。兩彈性擋片與機(jī)器人正前方的夾角都為 45 度，且機(jī)器人旋轉(zhuǎn)中心到兩彈性擋片的距離都為 50mm（標(biāo)志盤的半徑）。當(dāng)標(biāo)志盤與左擋片接觸時(shí)，如圖 2-4，左限位開關(guān)被觸發(fā)，此時(shí)標(biāo)志盤的圓心一定在經(jīng)過機(jī)器人旋轉(zhuǎn)中心，且與機(jī)器人正前方偏左 45 度的直線上。那么將機(jī)器人繞旋轉(zhuǎn)中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 45 度，便可使機(jī)器人正前方對(duì)準(zhǔn)標(biāo)志盤。這時(shí)再讓機(jī)器人緩慢前進(jìn)，標(biāo)志盤就會(huì)觸發(fā)中限位開關(guān)，表明機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)中心已與籃筐正中心理論上重合，從而完成定位。當(dāng)標(biāo)志盤與右擋片接觸時(shí)也同理。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，該定位機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性較高，可糾正±300mm 的偏差。 2.3 升降機(jī)構(gòu)升降機(jī)構(gòu)要求重量輕，行程長(zhǎng)，截面尺寸小（防止與投籃機(jī)構(gòu)空間干涉）長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人10，所以我采用如圖 2-5 所示結(jié)構(gòu)。起初選用左邊的方案，利用滾輪滾動(dòng)來(lái)減小摩擦，因此結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。但實(shí)際上我發(fā)現(xiàn)由于加工和裝備精度的原因，反而使機(jī)構(gòu)的阻力很大，爬行現(xiàn)象嚴(yán)重。由于升降機(jī)構(gòu)還要為投籃機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力（將在下面提到），很難滿足要求。支座將升降臺(tái)整個(gè)圍住，剛度很高，但重量也很大。圖 2-5 升降機(jī)構(gòu)兩種方案后來(lái)經(jīng)過改進(jìn)，變?yōu)橛疫叺姆桨?，用?jiǎn)單的滑動(dòng)摩擦代替滾動(dòng)摩擦。增加一個(gè)動(dòng)滑輪，不但使升降臺(tái)減小了軸向作用力，而且減小了牽引繩的作用力，對(duì)鋼絲線和電機(jī)的要求都減小了。2.4 投籃機(jī)構(gòu)投籃機(jī)構(gòu)要求一次可將 3 個(gè)球分別投入同一個(gè)籃的 3 個(gè)籃筐中。由于籃筐的空間結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜（如圖 2-6），且初始位置不定并可任意旋轉(zhuǎn)，這勢(shì)必要提高整個(gè)機(jī)構(gòu)的復(fù)雜性。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的設(shè)計(jì)，最終的方案只用一個(gè)電機(jī)，一個(gè)自由度。其原理如圖2-7 所示：采用靈活輕便的線傳動(dòng)。由于整個(gè)投籃過程中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的阻力矩變化很大，從初始的很小的阻力到逐漸變大，又逐漸變小，為使整個(gè)投籃過程功率平穩(wěn)，以利用電機(jī)的功率，設(shè)計(jì)成偏心輪結(jié)構(gòu)。初始時(shí)主動(dòng)力臂很小，隨著阻力矩的增大，增大主動(dòng)力臂，之后又隨著阻力矩的減小，減小主動(dòng)力臂。這樣在整個(gè)投籃過程中，主動(dòng)力大小變化不大的情況下，使整個(gè)動(dòng)作連貫平穩(wěn)。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人11圖 2-6 籃筐 3D 圖投籃手臂通過懸臂固定在支撐座上。支撐座上固定著六個(gè)（兩組，每組三個(gè)）懸臂和手臂，每個(gè)手臂上的球袋里帶一個(gè)球。球袋由紫銅管圍成的圓環(huán)和一條鋁帶構(gòu)成，由于鋁帶的固定方式，是球在放入球袋后就由于重力墜在袋中，及時(shí)小范圍的晃動(dòng)也不會(huì)從袋中躍出。而一旦手臂投籃時(shí)，球袋反扣，球就會(huì)順著鋁帶快速滾出，并作拋物線運(yùn)動(dòng)。圖 2-7 投籃機(jī)構(gòu)原理圖如圖 2-7 右下腳小圖，支撐座由直徑 60mm 的鋁管加工而成，靠橡膠圈的長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人12變形套在方圓過渡上，這樣不僅拆卸方便而且必要時(shí)也快速調(diào)整手臂方向，使之正對(duì)場(chǎng)地上的籃筐，提高投籃成功率。方圓過渡可使圓形的支撐座與矩形的升降桿連接在一起。圖 2-7 中的左圖是其中一組投籃手臂的原理圖。電機(jī)通過壓板帶動(dòng)線輪旋轉(zhuǎn)。線輪牽引的鋼絲在接近末端時(shí)分成三股，每一股分別帶動(dòng)一個(gè)手臂。鋼絲繩的末端固定在偏心輪上，當(dāng)拉動(dòng)鋼絲時(shí)偏心輪就會(huì)繞自身的軸轉(zhuǎn)動(dòng)，而固定在偏心輪的手臂也就隨著偏心輪繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而把球送入藍(lán)筐中。當(dāng)手臂旋轉(zhuǎn)到位時(shí)，緩沖橡膠片就會(huì)觸發(fā)行程開關(guān)反饋給電路板，這時(shí)程序就會(huì)讓電機(jī)停車。另一組投籃手臂(稱為投籃機(jī)構(gòu) B)的原理與上一組(稱為投籃機(jī)構(gòu) A)有所不同。它沒有專門的動(dòng)力系統(tǒng)。鋼絲繩的下端固定在機(jī)器人的底座上。但升降機(jī)構(gòu)升到一定高度時(shí)，鋼絲繩被拽緊，并開始帶動(dòng)三個(gè)手臂。其他部分的結(jié)構(gòu)和原理與上一組一樣。投籃時(shí)球在手臂的最前面，直接與籃筐碰撞。如果正好對(duì)準(zhǔn)，則球直接滾入筐中；如果偏了，則在手臂的作用下球推動(dòng)籃筐轉(zhuǎn)動(dòng)，直到球擦入筐中；如果正好卡在死區(qū)（兩個(gè)籃筐之間的兩節(jié)縫隙，見圖 2-8），則嘗試讓機(jī)器人自轉(zhuǎn) 60 度后再投籃。圖 2-8 投籃的角度死區(qū)長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人13第三章 電氣裝備設(shè)計(jì)3.1 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器為了獲得良好的機(jī)械和電氣性能，我選用了德國(guó) FAULHABER 公司生產(chǎn)的2657 型和 2342 型直流伺服電機(jī)，并且為其配備了專用的 14/1 和 66/1 的減速器、碼盤和 MCDC2805 型驅(qū)動(dòng)器。工作電壓 24V。這套電機(jī)具有體積小、重量輕、出力大、控制簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。2805 型驅(qū)動(dòng)器有電壓、步進(jìn)等幾種控制模式。為了實(shí)現(xiàn)較精確的位移和角度控制，我采用了步進(jìn)控制模式。該模式控制起來(lái)十分簡(jiǎn)便。其接線如圖 3-1 所示：圖 3-1 電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器接線圖一共只需要兩個(gè)控制信號(hào)：方向和脈沖。用+5V 和 GND 作為方向信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)方向；用不同頻率的脈沖作為脈沖信號(hào)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)和光電碼盤本身就組成了一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。在不丟步的境況下，只要輸入相應(yīng)個(gè)數(shù)的脈沖，電機(jī)就轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度。3.2 數(shù)字羅盤3.2.1 性能簡(jiǎn)介1.描述TDCM3 是一個(gè)高性能,低損耗的數(shù)字羅盤,一旦主機(jī)提出請(qǐng)求,它通過串口連接向主機(jī)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)。TDCM3 內(nèi)有一個(gè)高度集成的標(biāo)定程序用來(lái)補(bǔ)償周圍有鐵磁介質(zhì)引起的失真。2.應(yīng)用1.交通工具指南針;2.PDA,移動(dòng)電話,望遠(yuǎn)鏡;3.導(dǎo)航系統(tǒng);長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人144.仿真實(shí)體.3.主要性能誤差 ± 3 度精度 ± 0.5 度重復(fù)度 ± 3 度4.能量供應(yīng)所需電壓 3V~5V所需電流 休眠模式 1uA標(biāo)定模式 8mA5.通信TDCM3 提供 2400,4800,9600,19200 波特率 4 個(gè)等級(jí)的頻率。6.特色探測(cè)失真:當(dāng)有磁介質(zhì)干擾等將會(huì)顯示一個(gè)警告標(biāo)記。并妥善處理當(dāng)前的電信號(hào).并具有自動(dòng)標(biāo)定算法庫(kù)。 7.管角設(shè)定如圖 3-2：圖 3-2 管腳設(shè)定在實(shí)際應(yīng)用中，我將羅盤直接安裝在它本身直帶的調(diào)試電路板上。而在上電狀態(tài)下，調(diào)試電路板將 RTS 腳經(jīng)電阻接高電平。為使 RTS 腳可置低電平，我用光電藕合器將其接地。光電藕合器的通斷決定 RTS 腳的電平：光電藕合器接通時(shí) RTS 腳為低電平；光電藕合器斷開時(shí) RTS 腳為高電平。RXD 接單片機(jī)的 TX 腳，接收單片機(jī)的通信信號(hào)；TX 接單片機(jī)的 RX 腳，向單片機(jī)傳送羅盤所測(cè)得的數(shù)據(jù)。3.2.2 操作步驟當(dāng)設(shè)備上電時(shí),TDCM3 就準(zhǔn)備好了輸出。當(dāng)設(shè)備第一次啟用時(shí)他可能需要標(biāo)定.TDCM3 還為用戶提供 3 個(gè)程序。它們是普通,連續(xù)和標(biāo)定模式。一般情況下,TDCM3 進(jìn)入睡眠模式以節(jié)省能量。1.普通模式長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人15當(dāng)主機(jī)通過 RTS 管腳向設(shè)備發(fā)出請(qǐng)求,設(shè)備就會(huì)輸出。請(qǐng)注意在主機(jī)給設(shè)備發(fā)出脈沖請(qǐng)求前,RX 角必須保持高電平。(請(qǐng)看圖 3-3 普通模式波形表) 圖 3-3 普通模式波形圖主機(jī)接受到的是 3 個(gè)連續(xù)字節(jié)。第一字節(jié)是狀態(tài)字節(jié)，狀態(tài)字節(jié)表示TDCM3 的狀態(tài),在正常狀態(tài)下,狀態(tài)字節(jié)等于 80H,當(dāng)查出失真時(shí),狀態(tài)字節(jié)等于81H,這時(shí)必須要標(biāo)定。(請(qǐng)看 P.6 標(biāo)定模式)；第二個(gè)是羅盤測(cè)得角度值的高字節(jié)；第三個(gè)是羅盤測(cè)得角度值的低字節(jié)。即羅盤傳輸?shù)?3 個(gè)字節(jié)為： LMSBnoteStaus??)(見計(jì)算公式（3-1）：（3-256LSMSB?????1） 2.連續(xù)模式當(dāng)主機(jī)把 RTS 腳設(shè)為低電平時(shí),數(shù)字羅盤將要進(jìn)入連續(xù)模式。他將自動(dòng)輸出數(shù)據(jù)。請(qǐng)注意如果連續(xù)模式一旦開啟就不能返回到睡眠模式。3.標(biāo)定模式當(dāng)狀態(tài)字節(jié)等于 81H 時(shí)扭曲被發(fā)現(xiàn),這時(shí)用戶就需要執(zhí)行標(biāo)定。當(dāng)主機(jī)通過 RTS 腳給羅盤信號(hào)(同時(shí) RX 腳必須置低電平),這時(shí)模塊進(jìn)入標(biāo)定狀態(tài),把模塊旋轉(zhuǎn)兩周。接著讓主機(jī)置 RX 管腳為高電平(模塊將會(huì)回復(fù)RDY)。之后模塊將會(huì)返回到睡眠模式。3.3 單片機(jī)電路板考慮到欲實(shí)現(xiàn)的功能比較復(fù)雜和繁多，我采用單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)做主控板。功能要求如下：1.能夠給電機(jī)提供 4 個(gè)方向信號(hào)，4 個(gè)脈沖信號(hào)；長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人162.能夠通過對(duì)脈沖的個(gè)數(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行開環(huán)位移控制；3.能夠方便地對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度控制；2.能夠與數(shù)字羅盤進(jìn)行通信；3.能夠接收 8 個(gè)限位開關(guān)信號(hào)。為滿足以上要求，我們需要大量的計(jì)數(shù)器和脈沖發(fā)生器，以及擴(kuò)展足夠數(shù)量的 I/O 口，故選擇芯片主要如下表：表 3-1 主要芯片的選擇及選擇理由序 號(hào)芯 片 名 稱 選 擇 理 由1單片機(jī) 89C51技術(shù)非常成熟，性能穩(wěn)定，價(jià)格也非常低廉，其內(nèi)存容量為 4K，考慮到程序不是太長(zhǎng)，所以 89C51 是最佳的選擇。2計(jì)數(shù)器/定時(shí)器8253一片 8253 中有 3 個(gè)計(jì)數(shù)器。每個(gè)計(jì)數(shù)器可以分別設(shè)定工作模式。其工作模式有 6 種之多，且用 8253 是硬件計(jì)數(shù)，不占用寶貴的 CPU 的資源。3I/O 擴(kuò)展81558155 能夠擴(kuò)展更多的 I/O 口，并且可以編程定義 I/O 口的輸入/輸出功能。內(nèi)部自帶了鎖存器，而且還提供了 256 個(gè) RAM單元。3.3.1 89C51 單片機(jī)由 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51 是與 8031 系列完全兼容的單片機(jī)，主要區(qū)別是它內(nèi)部有 4KBIT 的 ROM，出廠所配晶振頻率為 11.0592M，每個(gè)機(jī)器周期為1.085μs，用戶可更換晶振以提高速度。程序存儲(chǔ)器為 64K，其中前 4K 在 CPU內(nèi)部。89C51 單片機(jī)組成。(1)、一個(gè) 8 位微處理器 CPU。(2)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM 和特殊功能寄存器 SFR。(3)、內(nèi)部程序存儲(chǔ)器 ROM。(4)、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，用以對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，也可用做定時(shí)器。(5)、四個(gè) 8 位可編程的 I/O(輸入/輸出)并行端口，每個(gè)端口既可作輸入也可做輸出。(6)、一個(gè)串行端口，用于數(shù)據(jù)的串行通信。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人17(7)、中斷控制系統(tǒng)。(8)、內(nèi)部時(shí)鐘電路。以上各部分由系統(tǒng)內(nèi)部總線連接。該單片機(jī)具備一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)所具有的基本組成部分，即 CPU(運(yùn)算器和控制器)、存儲(chǔ)器(ROM 和 RAM)和 I/O 接口等。因此，89C51 單片機(jī)是一個(gè)功能很強(qiáng)的 8 位微處理器。89C51 的硬件結(jié)構(gòu)有如下一些主要特點(diǎn)：(1)、內(nèi)部程序存儲(chǔ)器(ROM)和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)。(2)、輸入/輸出(I/O)口。具有 4 個(gè) 8 位可編程的 I/O 并行端口，尤其是有一個(gè)全雙 I 的串行口，該串口由兩根 I/O 位線構(gòu)成，有四種工作方式，可通過編程選定。89C51 最多有32 根 I/O 位線。(3)、外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間。89C51 單片機(jī)可對(duì) 64KB 的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址，而對(duì)程序存儲(chǔ)器是內(nèi)外總空間為 64KB，外部程序存儲(chǔ)器的最大尋址空間為 64KB。(4)、中斷與堆棧。89C51 單片機(jī)有 5 個(gè)中斷源，分為 2 個(gè)優(yōu)先級(jí)，每個(gè)中斷源的優(yōu)先級(jí)是可編程的，它的堆棧位置也是可編程的，堆棧深度可達(dá) 128 字節(jié)。(5)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器與寄存器區(qū)。89C51 有 2 個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，通過編程可實(shí)現(xiàn)四種工作模式；在內(nèi)部RAM 中設(shè)置了四個(gè)通用工作寄存器區(qū)，共 32 個(gè)通用寄存器，以適應(yīng)多種中斷或子程序嵌套的要求。(6)、指令系統(tǒng)。89C51 指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，指令短，執(zhí)行速度快。如外接晶振的頻率為12MHZ 時(shí)，大部分指令執(zhí)行時(shí)間為 1μs。存儲(chǔ)空間配置和功能89C51 單片機(jī)的存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)可以分為三個(gè)不同的存儲(chǔ)空間，分別是：(1)、64KB 程序存儲(chǔ)器(ROM)，包括片內(nèi) ROM 和片外 ROM； (2)、64KB 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(外 RAM)；(3)、256B(包括特殊功能寄存器)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(內(nèi) RAM)。三個(gè)不同的存儲(chǔ)空間用不同的指令和控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)讀寫功能操作：(1)、ROM 空間用 MOVC 指令實(shí)現(xiàn)只讀功能操作，用 PSEN 信號(hào)選通讀外ROM。(2)、外 RAM 空間用 MOVX 指令實(shí)現(xiàn)讀寫功能操作，用 RD 信號(hào)選通讀外RAM，用 WR 信號(hào)選通寫外 RAM。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人18(3)、內(nèi) RAM(包括特殊功能寄存器)用 MOV 指令實(shí)現(xiàn)讀寫和其它功能操作。程序存儲(chǔ)器(ROM):ROM 空間共 64KB 。其中 60KB 在片外。地址范圍 1000H～FFFFH，無(wú)論片內(nèi)片外，ROM 地址空間是統(tǒng)一的，不重疊。對(duì)于有內(nèi) ROM 的 89C51，EA 應(yīng)接高電平，復(fù)位后先從內(nèi) ROM0000H 開始執(zhí)行程序，當(dāng) PC 值超出內(nèi) ROM4KB 空間時(shí)，會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向片外 ROM1000H 依次執(zhí)行程序。讀 ROM 是以程序計(jì)數(shù)器 PC 作為 16 位地址指針，依次讀相應(yīng)地址 ROM 中的指令和數(shù)據(jù)，每讀一個(gè)字節(jié)，(PC)+1→PC，這是 CPU 自動(dòng)形成的。但是有些指令有修改 PC 的功能，例如轉(zhuǎn)移類指令和 MOVC 指令，CPU 將按修改后的 PC16 位地址讀 ROM。讀外 ROM 的過程：CPU 從 PC 中取出當(dāng)前 ROM 的 16 位地址，分別由P0 口(低 8 位)和 P2 口(高 8 位)同時(shí)輸出，ALE 信號(hào)有效時(shí)由地址鎖存器鎖存低8 位地址信號(hào)，地址鎖存器輸出的低 8 位地址信號(hào)和 P2 口輸出的高 8 位地址信號(hào)同時(shí)加到外 ROM16 位地址輸入端，當(dāng) PSEN 信號(hào)有效時(shí)，外 ROM 將相應(yīng)地址存儲(chǔ)單元中的內(nèi)容送至數(shù)據(jù)總線(P0 口)，CPU 讀入后存入指定單元。需要指出的是，64KB 中有一小段范圍是單片機(jī)系統(tǒng)的專用單元，0003H～0023H 是五個(gè)中斷源中斷服務(wù)程序入口地址，用戶不能安排其它內(nèi)容。單片機(jī)復(fù)位后，(PC)=0000H，CPU 從地址為 0000H 的 ROM 單元中讀取指令和數(shù)據(jù)。從 0000H 到 0003H只有 3 個(gè)字節(jié)，根本不可能安排一個(gè)完整的系統(tǒng)程序，而單片機(jī)又是依次讀ROM 字節(jié)的，因此，這 3 個(gè)字節(jié)只能用來(lái)安排一條跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到其它合適的地址范圍執(zhí)行真正的主程序。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(外 RAM)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器共 64KB，讀寫外 RAM 用 MOVX 指令，控制信號(hào)是 P3 的 WR和 RD。讀寫外 RAM 的過程：外 RAM16 位地址分到由 P0 口(低 8 位)和 P2 口(高 8 位)同時(shí)輸出，ALE 信號(hào)有效時(shí)由地址鎖存器鎖存低 8 位地址信號(hào)，地址鎖存器輸出的低 8 位地址信號(hào)和 P2 口輸出的高 8 位地址信號(hào)同時(shí)加到外 RAM16 位地址輸入端，當(dāng)信號(hào)有效時(shí)，外 RAM 將相應(yīng)地址單元中的內(nèi)容送至數(shù)據(jù)總線(P0 口)，CPU 讀入后存入指定單元?；虍?dāng)信號(hào)有效時(shí)，外 RAM 將數(shù)據(jù)總線(P0 口分別傳送)上的內(nèi)容寫入相應(yīng)地址存儲(chǔ)單元中。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器主要用于存放數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果。一般情況下，只有在內(nèi)RAM 不能滿足應(yīng)用時(shí)，才接外 RAM。其最大容量可達(dá) 64K 字節(jié)，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的功能基本相同，但前者不能用于堆棧操作。必須注意，由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器全部 64K 地址重疊，且數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的片內(nèi)外的低字節(jié)地址重疊。所以，對(duì)片內(nèi)、片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的操作使用不長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人19同的指令。對(duì)片內(nèi) RAM 讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)讀寫信號(hào)(RD，WR)產(chǎn)生；對(duì)片外 RAM 讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，有讀寫信號(hào)產(chǎn)生。同樣對(duì)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的操作也是靠不同的控制信號(hào) PSEN、RD、WR 來(lái)區(qū)分的。另外，在片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)區(qū)和擴(kuò)展的 I/O 口是統(tǒng)一編址的，使用的指令也完全相同。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須合理的進(jìn)行外部 RAM 和 I/O 口的地址分配，并保證譯碼的唯一性。CPU 的時(shí)序及輔助電路計(jì)算機(jī)工作是在時(shí)鐘脈沖的統(tǒng)一控制下，按嚴(yán)格的先后次序有步驟地進(jìn)行工作的。所謂時(shí)序是指 CPU 執(zhí)行指令的各個(gè)微操作所對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)所遵循的時(shí)間順序。時(shí)序是非常重要的，它指明單片機(jī)內(nèi)部以及內(nèi)部與外部互相聯(lián)系所遵守的規(guī)律。單片機(jī)的時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)用來(lái)提供單片機(jī)內(nèi)各種微操作的時(shí)間基準(zhǔn)，這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)可由單片機(jī)內(nèi)時(shí)鐘電路產(chǎn)生，也可以直接使用外部時(shí)鐘信號(hào)。因此，單片機(jī)的時(shí)鐘電路有兩種形式：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。（1）內(nèi)部振蕩方式89C51 單片機(jī)內(nèi)有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1和 XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。把放大器與作為反饋元件的晶體振蕩器(簡(jiǎn)稱晶振)式陶瓷振諧器連接，就構(gòu)成了內(nèi)部自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。這種方式為內(nèi)部振蕩方式。（2 ）外部振蕩方式外部振蕩方式就是把外部已有的時(shí)鐘信號(hào)引入單片機(jī)，這種方式是用來(lái)使單片機(jī)的時(shí)鐘與外部信號(hào)保持同步。通常外接的時(shí)鐘信號(hào)的頻率不高于12MHZ。振蕩周期是指為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)的振蕩源的周期。CPU 在一個(gè)振蕩周期內(nèi)僅完成一個(gè)基本的操作，振蕩頻率越高，單片機(jī)的工作速度越快。時(shí)鐘周期是指振蕩源信號(hào)經(jīng)五分頻后形成的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。因此時(shí)鐘周期是振蕩周期的兩倍，時(shí)鐘周期被分成 2 個(gè)節(jié)拍，即節(jié)拍 P1 和 P2 節(jié)拍。在每個(gè)時(shí)鐘的前半周期，P1 信號(hào)有效，這時(shí) CPU 完成算術(shù)邏輯操作；在每個(gè)時(shí)鐘周期的后半周期，P2 信號(hào)有效，內(nèi)部寄存器與寄存器之間的數(shù)據(jù)傳輸一般在此狀態(tài)發(fā)生。機(jī)器周期：通常完成一個(gè)基本操作所需的時(shí)間稱為機(jī)器周期。一個(gè)機(jī)器周期由 6 個(gè)狀態(tài)(12 個(gè)振蕩脈沖)組成，即 6 個(gè)時(shí)鐘周期，是單片機(jī)完成一個(gè)基本操作所用時(shí)間，如讀操作，寫操作等。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人20指令周期是指 CPU 完成一條指令所需時(shí)間，一個(gè)指令周期通常含有 1～4 個(gè)機(jī)器周期，在 89C51 中，除了乘、除兩條四個(gè)機(jī)器周期的指令外，其余都為單周期或雙周期指令。若 89C51 外接晶振為 12MHZ 時(shí)，則單片機(jī)的四個(gè)周期的具體值為：振蕩周期=1/12MHZ=1/12μs=0.0833μs時(shí)鐘周期=1/6μs=0.167μs機(jī)器周期=1μs指令周期=1～4μs3.3.2 計(jì)數(shù)器/定時(shí)器 8253 簡(jiǎn)介如果用硬件方法定時(shí)，就要用到計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。在簡(jiǎn)單的軟件控制下，產(chǎn)生準(zhǔn)確的時(shí)間延遲。這種方法的主要思想是根據(jù)需要的時(shí)間，用指令對(duì)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器設(shè)置定時(shí)常數(shù)，并用指令啟動(dòng)計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，于是開始計(jì)數(shù)，計(jì)到確定的值時(shí)，便自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)定時(shí)輸出。在計(jì)數(shù)器開始工作以后，CPU 不必去管它，而可以去做別的工作。這種方法最突出的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)數(shù)時(shí)不占用 CPU 資源。Intel8253 是 NMOS 工藝制成的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器。最高計(jì)數(shù)速率為2.6MHZ[1]。8253 內(nèi)部有 3 個(gè)計(jì)數(shù)器，分別稱為計(jì)數(shù)器 0、計(jì)數(shù)器 1、計(jì)數(shù)器 2。它們的結(jié)構(gòu)完全相同。每個(gè)計(jì)數(shù)器的輸入和輸出都決定于本身所帶的控制寄存器的控制字，互相之間工作完全獨(dú)立。3 個(gè)引腳分別是時(shí)鐘輸入端 CLK，門控信號(hào)輸入端 GATE，輸出端 OUT。每個(gè)計(jì)數(shù)器的內(nèi)部有 1 個(gè) 8 位的控制寄存器，還有 1 個(gè) 16 位的計(jì)數(shù)初值寄存器 CR。1 個(gè)計(jì)數(shù)執(zhí)行部件 CE 和 1 個(gè)輸出鎖存器 OL[1]。執(zhí)行部件實(shí)際上是一個(gè) 16 位的減法計(jì)數(shù)器。輸出鎖存器 OL 用來(lái)鎖存計(jì)數(shù)執(zhí)行部件 CE 的內(nèi)容，從而使 CPU 可以對(duì)此進(jìn)行讀操作。表 3-4 8253 輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)功能S D R A1 A0 功 能0000001111000000110 00 11 01 10 00 1對(duì)計(jì)數(shù)器 0 設(shè)置計(jì)數(shù)初值對(duì)計(jì)數(shù)器 1 設(shè)置計(jì)數(shù)初值對(duì)計(jì)數(shù)器 2 設(shè)置計(jì)數(shù)初值設(shè)置控制字或者給一個(gè)命令從計(jì)數(shù)器 0 讀出計(jì)數(shù)值從計(jì)數(shù)器 1 讀出計(jì)數(shù)值長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人210 0 1 1 0 從計(jì)數(shù)器 2 讀出計(jì)數(shù)值除了這七組信號(hào)組合外，其他組合下，數(shù)據(jù)總線為高阻狀態(tài)。當(dāng) A1=A0=1時(shí)，第一次寫入的一定作為控制字，此后寫入的作為命令。8253 的控制寄存器的格式：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0SC1 SC0 RW1 RW0 M2 M1 M0 BCDBCD 位用來(lái)設(shè)置計(jì)數(shù)值格式:0 為二進(jìn)制，1 為 BCD 碼；M2、M1、M0 為模式選擇：其中 000 為計(jì)數(shù)模式，010 為閂鎖模式，011 為脈沖模式；RW1、RW0 是讀/寫指示位；其中 11 表示先讀寫低字節(jié)，再先讀寫高字節(jié)；SC1、SC0 用來(lái)選擇計(jì)數(shù)器：00 為計(jì)數(shù)器 1；01 為計(jì)數(shù)器 2；10 為計(jì)數(shù)器3；對(duì)計(jì)數(shù)器設(shè)置初值前必須先寫控制字。8253 可以用 6 種模式工作，如下：1、模式 0——計(jì)數(shù)結(jié)束產(chǎn)生中斷概括的說(shuō)，在模式 0 時(shí)，寫入控制字之后，輸出端 OUT 為低電平，一直當(dāng)計(jì)數(shù)值為 0 時(shí)，OUT 變?yōu)楦唠娖?，并保持。除非寫入新的初值。?dāng)門控 GATE=1 時(shí)，計(jì)數(shù)器執(zhí)行部件獲得初始值后便進(jìn)行計(jì)數(shù)，此時(shí)，如果 GATE 變?yōu)?0，則計(jì)數(shù)停止，但是門控不影響輸出端 OUT 的電平。2、模式 1——可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器3、模式 2——分頻器 4、模式 3——方波發(fā)生器當(dāng)輸入控制字以后，輸出端 OUT 出現(xiàn)高電平，作為初始電平。寫入初值后，下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)執(zhí)行部件開始減 1 計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)到一半時(shí)，輸出變?yōu)榈碗娖?，?jì)數(shù)器繼續(xù)計(jì)數(shù)，結(jié)束后，變?yōu)楦唠娖剑瑥亩瓿梢粋€(gè)周期 [1]。當(dāng)計(jì)數(shù)值為偶數(shù)時(shí)，OUT 的高低電平時(shí)間相等。當(dāng)計(jì)數(shù)值為奇數(shù)時(shí)，OUT 的高電平持續(xù)時(shí)間比低電平持續(xù)時(shí)間多一個(gè)時(shí)鐘周期。GATE=1 時(shí)，計(jì)數(shù)進(jìn)行，GATE=0 時(shí)，計(jì)數(shù)停。當(dāng) OUT 為低時(shí)，GATE 變?yōu)?0，則 OUT 會(huì)立即變?yōu)楦唠娖健Ｈ绻?GATE 一直為高電平，那么，在寫入控制字和計(jì)數(shù)值后，將在下一個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，開始計(jì)數(shù)。正在計(jì)數(shù)時(shí)，如果寫入新的計(jì)數(shù)值，那么，將不影響當(dāng)前輸出周期。但是在輸入新的計(jì)數(shù)值后，又受到門控上升沿的觸發(fā)，那么，就會(huì)結(jié)束當(dāng)前輸出周期。在下一個(gè)時(shí)鐘周期時(shí)，開始新值長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人22計(jì)數(shù)。5、模式 4——軟件觸發(fā)的選通信號(hào)發(fā)生器6、模式 5——硬件觸發(fā)的選通信號(hào)發(fā)生器對(duì)于 MCDC2805 型電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，在電機(jī)的步進(jìn)模式下。用 8253 的模式 3——方波發(fā)生器，可以發(fā)出頻率的方波脈沖。從而可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果把方波發(fā)生器發(fā)出的脈沖引入計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘端，那么，用 8253 的 模式 0——計(jì)數(shù)器，就可以設(shè)置初值，檢測(cè)電機(jī)是否轉(zhuǎn)到預(yù)定位置。不論用哪種模式工作，都會(huì)遵守下面幾條基本原則：1、控制字寫入計(jì)數(shù)器時(shí)，所有的控制邏輯電路，立即復(fù)位，輸出端 OUT進(jìn)入初始狀態(tài)（高或低電平）；2、初始值寫入后，要經(jīng)過一個(gè)時(shí)鐘上升沿和一個(gè)下降沿，才開始計(jì)數(shù)；3、通常，在時(shí)鐘脈沖 CLK 的上升沿時(shí)，門控信號(hào) GATE 被采樣；4、在時(shí)鐘下降沿，計(jì)數(shù)器作減 1 計(jì)數(shù)。 2. I/O 擴(kuò)展 8155 芯片簡(jiǎn)介8155 具有 3 個(gè)可編程 I/O 口，其中 2 個(gè)口（A 和 B）為 8 位口，1 個(gè)口（C口）為 6 位口 [2]。AD7~AD0——地址數(shù)據(jù)復(fù)用線ALE——地址鎖存信號(hào)。除進(jìn)行 AD7~AD0 的地址鎖存控制外，還用于把片選信號(hào) CE 和 IO/M 等信號(hào)鎖存。RD——讀選通信號(hào)。WR——寫選通信號(hào)。CE——片選信號(hào)。IO/M——I/O 與 RAM 選擇信號(hào)。8155 內(nèi)部 I/O 與 RAM 是分開編址的。RESET——復(fù)位信號(hào)。以 600ns 的正脈沖進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位后 A、B、C 口均置為輸入方式 [2]。8155 的 3 個(gè) I/O 口，分別以 PA、PB、PC 稱呼，其中 PA 和 PB 都是 8 位通用輸入/輸出口，主要用于數(shù)據(jù)的 I/O 口，它們都是數(shù)據(jù)口，因此只有輸入輸出兩種工作方式。而 PC 口為 6 位口，它既可以作為數(shù)據(jù)口，用于數(shù)據(jù)的 I/O 傳送，也可以作為控制口，用于傳送控制信號(hào)和狀態(tài)信號(hào)，對(duì) PA 和 PB 的 I/O 操作進(jìn)行控制 [2]。8155 有一個(gè)命令/狀態(tài)寄存器，實(shí)際上這是兩個(gè)不同的寄存器，分別存放命令字和狀態(tài)字。但由于對(duì)命令寄存器只需進(jìn)行讀操作，因此把它們編為同一地址，合在一起稱之為命令/狀態(tài)寄存器。命令字共 8 位，用于定義端口及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作方式。對(duì)命令寄存長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人23器只能寫不能讀。狀態(tài)字也是 8 位（但實(shí)際只使用 7 位，最高位沒定義）。用于寄存各端口及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作狀態(tài) [2]。圖 3-9 命令/狀態(tài)寄存器3.3.3 電路板原理整個(gè)電路板由 12V 工業(yè)電池供電。經(jīng)穩(wěn)壓管 7808 降為 8V，再經(jīng)穩(wěn)壓管7805 降為 5V。89C52 由 11.059MHz 的晶振驅(qū)動(dòng)（主要考慮到要與數(shù)字羅盤通信），采用上電復(fù)位。要注意的是，用單片機(jī)本身的 I/O 口因功率太小無(wú)法驅(qū)動(dòng)光電藕合器，必須用 8155 的 I/O 口來(lái)驅(qū)動(dòng)。由于要接受行程開關(guān)信號(hào)，控制 8253 的 GATE，電機(jī)的方向和繼電器，需要擴(kuò)充一定數(shù)量的 I/O 口。經(jīng)計(jì)算，采用 2 片 8155（分別為 8155A 與 8155B）與 89C52 連接就夠了。其中，8155A 的 I/O 口全為輸出，PA 口控制所有電機(jī)的方向和啟停；8155B 的 I/O 口全為輸入，PA 口接受所有限位開關(guān)的信號(hào)。由于 4 臺(tái)電機(jī)均需要一個(gè)方波發(fā)生器和一個(gè)計(jì)數(shù)器。所以，至少要有 8 個(gè)計(jì)數(shù)器，用 3 片 8253（8253A,8253B,8253C）可以提供 9 個(gè)計(jì)數(shù)器，可滿足要求。8253 采用 20MHz 的晶振，對(duì)其進(jìn)行分頻。所有計(jì)數(shù)器 GATE 都直接接高電平，保持可用的行走機(jī)構(gòu)電機(jī)的方波發(fā)生器的 GATE 由 8155 的輸出口控制；其他機(jī)構(gòu)電機(jī)的方波發(fā)生器的 GATE 由其對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)器的輸出經(jīng)過反向器控制，這樣計(jì)數(shù)結(jié)束時(shí)無(wú)需經(jīng)過單片機(jī)干預(yù)就可自動(dòng)關(guān)閉 GATE 門，停止發(fā)波。在每一個(gè)芯片的 VCC 與 GND 之間都并聯(lián)一個(gè)電容，降低尖鋒電壓。 為增強(qiáng)電路板的抗干擾性，我采用芯片 SN75174 將電路板與電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器隔離，防止電機(jī)的功率波動(dòng)對(duì)電路板產(chǎn)生干擾。電路原理圖見附圖 1。3.3.4 PCB同電路原理圖一樣，PCB 也是在 Protel 99 SE 中進(jìn)行的。在 PCB 中將數(shù)字電路和模擬電路分開：電路板左邊是數(shù)字電路，右邊是模長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 競(jìng)技型投籃機(jī)器人24擬電路，防止對(duì)數(shù)字電路的干擾。并另外在電路板的較空的地方鋪銅，并將前后板的地打孔相通，以增強(qiáng)電路板的抗干擾性。所有的地采用 3mm 寬的銅路。PCB 圖見附圖 2 3.4 電氣系統(tǒng)總體說(shuō)明電氣系統(tǒng)由內(nèi)部電路和外部電路組成：內(nèi)部電路如圖 3-10；外部電路如圖3-11。內(nèi)部電路與外部電路之間通過幾組插座插頭相連。數(shù)字羅盤所在的調(diào)試電路板通過 VCC 和 GND 由主電路板供電；電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器的 24V 供電有兩節(jié) 12V 工業(yè)電池串聯(lián)提供；整個(gè)系統(tǒng)的 GND 都相連；為減少插頭和連線數(shù)量和長(zhǎng)度，每一組空間距離較小的限為開關(guān)之間共用電源線和地線；由于投籃電機(jī)的光電碼盤已損壞，不能反饋信息，于是只要一上