機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計(jì)電控部分.doc
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根據(jù)運(yùn)動(dòng)合成與分解原理，車(chē)體的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系如下： : 三組驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的線(xiàn)速度。 : 分別是三組驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角。 : 機(jī)器人平移速度在機(jī)器人車(chē)體坐標(biāo)系下X和Y軸的分量。 ：機(jī)器人自傳的角速度。 ：分別是車(chē)體幾何中心到三組車(chē)輪中心的水平距離。 R ：是車(chē)輪的半徑。 將速度改成角速度： 改寫(xiě)成規(guī)范的矩陣形式： , 由這些公式可以很直觀(guān)的分析出機(jī)器人做簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)時(shí)三個(gè)驅(qū)動(dòng)輪速度的大小。 1.2 任意方向的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng) 此時(shí)機(jī)器人自轉(zhuǎn)角速度，即機(jī)器人平動(dòng)。則： 兩種特殊的情況： 沿X軸方向是： 理論上Vx0,Vy=0。則其分量為 沿Y軸方向是： 理論上Vx=0,Vy0，的值由線(xiàn)速度決定。 1.3其他方向 可以直接使用這個(gè)公式推斷 原地旋轉(zhuǎn)： 切線(xiàn)運(yùn)動(dòng)： 由于太復(fù)雜，暫時(shí)不考慮. 第二章 機(jī)器人電氣化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在開(kāi)始這章具體內(nèi)容之前，有必要對(duì)我們的專(zhuān)業(yè)背景進(jìn)行一下說(shuō)明，以便能更好的明白我們?yōu)槭裁磿?huì)這樣設(shè)計(jì)我們的電路。 五年制復(fù)合型專(zhuān)業(yè)：機(jī)械工程及自動(dòng)化+軟件工程。這就意味著我們要有限的時(shí)間內(nèi)學(xué)習(xí)兩個(gè)專(zhuān)業(yè)的知識(shí)，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)和軟件嵌入式，但是嵌入式方向并沒(méi)有學(xué)模擬電路這門(mén)極其重要的基礎(chǔ)課，僅僅是學(xué)過(guò)數(shù)字電路，所以我們的硬件電路知識(shí)是很薄弱和不可靠，更多的是靠我們自學(xué)，參考別人的電路模塊。所以采取了避開(kāi)自己弱項(xiàng)，充分發(fā)揮自己強(qiáng)項(xiàng)的方法，盡量的使用數(shù)字電路而非模擬電路。 兩年的參賽經(jīng)驗(yàn)：標(biāo)準(zhǔn)件、商業(yè)化的模塊才是可靠的。 很多時(shí)候我們喜歡自己設(shè)計(jì)一個(gè)模塊，為自己能設(shè)計(jì)制作出來(lái)而感到有成就感。但是這也容易帶來(lái)系統(tǒng)的不穩(wěn)定，也許一個(gè)模塊小小問(wèn)題在單獨(dú)調(diào)試時(shí)并沒(méi)有顯示太大的缺點(diǎn)，但是一旦集成了一個(gè)大系統(tǒng)就容易出現(xiàn)各種不穩(wěn)定，這一點(diǎn)在09年亞太機(jī)器人大賽中感受尤為深切。 在09年的比賽中，大部分模塊都是隊(duì)友設(shè)計(jì)的，很多東西并不具有通用性，什么都需要定制。在北京的一周時(shí)間里，我們發(fā)現(xiàn)很多好的學(xué)校電路幾乎都是工業(yè)級(jí)模塊，工業(yè)級(jí)的產(chǎn)品是經(jīng)過(guò)市場(chǎng)長(zhǎng)期檢驗(yàn)的，同時(shí)具有售后技術(shù)服務(wù)，性能可靠，而且具有互換性，不會(huì)因?yàn)樽约寒?dāng)初制作時(shí)預(yù)算數(shù)量不夠，關(guān)鍵時(shí)候出現(xiàn)尷尬。 能把各種穩(wěn)定的模塊集成一個(gè)新的系統(tǒng)也是一種設(shè)計(jì)創(chuàng)新。 2.1電源模塊的設(shè)計(jì) 2.1.1 7805電源模塊的設(shè)計(jì) 圖2-2-1 7805電源模塊電路圖 單片機(jī)最常用的是5V與3.3V兩種電壓。本線(xiàn)路只用5V電壓。輸入峰值電壓不超過(guò)15V，最好使用8—12V電源。 二極管D1防止用戶(hù)插錯(cuò)電源極性，可以換用1N4148或4007 2.1.2 LM2596電源模塊的設(shè)計(jì) 圖2-2-2 LM2596電源模塊電路圖 模塊性質(zhì)：非隔離降壓模塊（buck） ；整流方式：非同步整流 輸入電壓：4.5-35V； 輸出電壓：連續(xù)可調(diào)（1.25-30V） 輸出電流：額定電流2A，最大3A（需加散熱片）,如果輸出功率大于15W,需加上散熱片 轉(zhuǎn)換效率：最高92%（輸出電壓越高，效率越高） 開(kāi)關(guān)頻率：150KHz； 最低壓差：2V 工作溫度：工業(yè)級(jí)（-40℃到 +85℃）（輸出功率10W 以?xún)?nèi)） 滿(mǎn)載溫升：40℃；負(fù)載調(diào)整率：±0.5%；電壓調(diào)整率：±0.5% 輸出紋波：輸入12V 輸出5V 3A 60mV(MAX)；輸入24V 輸出12V 3A 120mV(MAX) 20M帶寬;動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度：5% 200uS 短路保護(hù)：限流，自恢復(fù)；輸入反接保護(hù)：無(wú)，或在輸入串聯(lián)二極管 接線(xiàn)方式：焊接，加引腳后可直接焊接在PCB上 2.2主控芯片的選擇和模塊的設(shè)計(jì) 對(duì)于主控芯片的選擇在設(shè)計(jì)之初大家都有些脫離具體實(shí)際情況，想到了用ARM和DSP等32位處理器系列，在2009年ABU Robocon 比賽中我們看到了很多好的學(xué)校使用這一類(lèi)處理器，甚是羨慕。也想到過(guò)用16位的PIC或者FREESCAL芯片以及PLC工控模塊。但是慢慢的我們都冷靜下來(lái)，因?yàn)檫@些高端的處理器我們僅僅是了解大概，甚至僅僅是皮毛。我們很多隊(duì)友連8位的51單片機(jī)都還沒(méi)有在實(shí)際項(xiàng)目中用過(guò)。 盡管之前我們課程中都學(xué)過(guò)80C51和ARM，但基于大部分隊(duì)員只能掌握8位的CPU，另外由于我之前就已經(jīng)開(kāi)始參加各類(lèi)比賽，接觸51單片機(jī)比較早，后來(lái)又接觸了AVR系列單片機(jī)，被AVR的高性能嗦吸引，最后我們的目光還是鎖定在了三款8位的單片機(jī)80C51、Atmega16、Atmega128上面。 從芯片說(shuō)明書(shū)的參數(shù)對(duì)比中我們看出各款芯片的優(yōu)劣勢(shì)，我們一致決定從最初的實(shí)驗(yàn)開(kāi)始就使用Atmega16。Atmega16一直伴隨我們完成了初期的各類(lèi)實(shí)驗(yàn)。基本的AVR硬件線(xiàn)路，包括以下幾部分： 圖2-2-3 Atmega16系統(tǒng)電路圖 1) 復(fù)位線(xiàn)路：Mega16已經(jīng)內(nèi)置了上電復(fù)位設(shè)計(jì)。并且在熔絲位里，可以控制復(fù)位時(shí)的額外時(shí)間，故AVR外部的復(fù)位線(xiàn)路在上電時(shí)，可以設(shè)計(jì)得很簡(jiǎn)單：直接拉一只10K的電阻到VCC即可(R0)。 為了可靠，再加上一只0.1uF的電容(C0)以消除干擾、雜波。 D3(1N4148)的作用有兩個(gè)：作用一是將復(fù)位輸入的最高電壓鉗在Vcc+0.5V 左右，另一作用是系統(tǒng)斷電時(shí)，將R0(10K)電阻短路，讓C0快速放電，讓下一次來(lái)電時(shí)，能產(chǎn)生有效的復(fù)位。 當(dāng)AVR在工作時(shí)，按下S0開(kāi)關(guān)時(shí)，復(fù)位腳變成低電平，觸發(fā)AVR芯片復(fù)位。 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果不需要復(fù)位按鈕，復(fù)位腳可以不接任何的零件，AVR芯片也能穩(wěn)定工作。即這部分不需要任何的外圍零件。 圖2-2-4 Atmega16系統(tǒng)復(fù)位和晶振電路圖 2) 晶振線(xiàn)路：Mega16已經(jīng)內(nèi)置RC振蕩線(xiàn)路，可以產(chǎn)生1M、2M、4M、8M的振蕩頻率。早期的90S系列，晶振兩端均需要接22pF左右的電容。Mega系列實(shí)際使用時(shí)，這兩只小電容不接也能正常工作。不過(guò)為了線(xiàn)路的規(guī)范化，我們?nèi)越ㄗh接上。 實(shí)際應(yīng)用時(shí)，如果不需要太高精度的頻率，可以使用內(nèi)部RC振蕩。即這部分不需要任何的外圍零件。 圖2-2-5 Atmega16 AD轉(zhuǎn)換濾波及ISP線(xiàn)路圖 本系統(tǒng)的熔絲位配置如圖5-1所示：系統(tǒng)時(shí)鐘源采用外接8MHz的石英晶振配合片內(nèi)RC振蕩器的方式，CLKSEL[3:0]的值為“1111”；SUT[1:0]的值為“00”，RESET復(fù)位啟動(dòng)延時(shí)時(shí)間/ms為65ms；JTAGEN值為“1”，禁止JTAG功能；SPIEN 值為“0”,允許SPI口下載程序；WDTON值為“1”，WDT定時(shí)器由程序控制；BOOTRST值為“1”，啟動(dòng)時(shí)第一條執(zhí)行指令從0x0000開(kāi)始執(zhí)行； 圖2-2-6 熔絲位配置 3) AD轉(zhuǎn)換濾波線(xiàn)路：為減小AD轉(zhuǎn)換的電源干擾，Mega16芯片有獨(dú)立的AD電源供電。官方文檔推薦在VCC串上一只10uH的電感（L1），然后接一只0.1uF的電容到地（C3）。Mega16內(nèi)帶2.56V標(biāo)準(zhǔn)參考電壓。也可以從外面輸入?yún)⒖茧妷?，比如在外面使用TL431基準(zhǔn)電壓源。不過(guò)一般的應(yīng)用使用內(nèi)部自帶的參考電壓已經(jīng)足夠。習(xí)慣上在A(yíng)REF腳接一只0.1uF的電容到地（C4）。 4) ISP下載接口：ISP下載接口，不需要任何的外圍零件。使用雙排2＊5插座。由于沒(méi)有外圍零件，故PB5（MOSI）、PB6（MISO）、PB7（SCK）、復(fù)位腳仍可以正常使用，不受ISP的干擾。 5) JTAG仿真接口：這個(gè)功能很好很強(qiáng)大，但是一直習(xí)慣于用ISP下載然后直接在機(jī)器人上面調(diào)試所以沒(méi)有怎么使用，這里就不在介紹。 在機(jī)器人將開(kāi)始整體聯(lián)機(jī)調(diào)試前，需要將試驗(yàn)階段的各種小電路模塊集成整體電路，在此階段對(duì)立果斷的更換了內(nèi)部資源更多的Atmega128，二者的系統(tǒng)電路沒(méi)有區(qū)別，但極大的減少了芯片數(shù)量，減少了我們最薄弱的硬件電路，更好的集成了控制電路，使代碼具有更好的效率，也減少了犯錯(cuò)的概率，為調(diào)試節(jié)約了寶貴的時(shí)間。 圖2-2-7 Atmega128模塊系統(tǒng)電路原理圖 圖2-2-8 Atmega128模塊系統(tǒng)實(shí)物圖 2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)與選擇 在直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中，主要考慮以下幾點(diǎn)： 功能：電機(jī)是單向還是雙向轉(zhuǎn)動(dòng)？需不需要調(diào)速？對(duì)于單向的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，只要用一個(gè)大功率三極管或場(chǎng)效應(yīng)管或繼電器直接帶動(dòng)電機(jī)即可，當(dāng)電機(jī)需要雙向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以使用由4 個(gè)功率元件組成的H 橋電路或者使用一個(gè)雙刀雙擲或者兩個(gè)單刀雙擲的繼電器。如果不需要調(diào)速，只要使用繼電器即可；但如果需要調(diào)速，可以使用三極管，場(chǎng)效應(yīng)管等開(kāi)關(guān)元件實(shí)現(xiàn)PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)速。 不需要調(diào)速但能實(shí)現(xiàn)電機(jī)雙向轉(zhuǎn)動(dòng)的繼電器控制電路； 圖2-2-9 繼電器控制電路圖 對(duì)于PWM 調(diào)速的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，主要有以下性能指標(biāo)。 1）輸出電流和電壓范圍，它決定著電路能驅(qū)動(dòng)多大功率的電機(jī)。 2）效率，高的效率不僅意味著節(jié)省電源，也會(huì)減少驅(qū)動(dòng)電路的發(fā)熱。要提高電路的效率，可以從保證功率器件的開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)和防止共態(tài)導(dǎo)通（H 橋或推挽電路可能出現(xiàn)的一個(gè)問(wèn)題，即兩個(gè)功率器件同時(shí)導(dǎo)通使電源短路）入手。 3）對(duì)控制輸入端的影響。功率電路對(duì)其輸入端應(yīng)有良好的信號(hào)隔離，防止有高電壓大電流進(jìn)入主控電路，這可以用高的輸入阻抗或者光電耦合器實(shí)現(xiàn)隔離。 4）對(duì)電源的影響。共態(tài)導(dǎo)通可以引起電源電壓的瞬間下降造成高頻電源污染；大的電流可能導(dǎo)致地線(xiàn)電位浮動(dòng)。 5）可靠性。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該盡可能做到，無(wú)論加上何種控制信號(hào)，何種無(wú)源負(fù)載，電路都是安全的。 下面這個(gè)驅(qū)動(dòng)器采用完整的全橋驅(qū)動(dòng)芯片＋極低內(nèi)阻的MOSFET組成。完整的全橋驅(qū)動(dòng)芯片可靠的驅(qū)動(dòng)方式，使MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗降至最低。提高電源利用率。MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片自帶硬件剎車(chē)功能和電能回饋功能。 本驅(qū)動(dòng)器優(yōu)于功率芯片方案功率余量低和其他半橋組合方案中時(shí)序協(xié)調(diào)復(fù)雜問(wèn)題和互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)問(wèn)題。 MOSFET采用耐電流沖擊型，內(nèi)阻為0.005歐，可快速使MOSFET溝道打開(kāi)，提高電機(jī)的加速曲率，同時(shí)也能迅速的為電機(jī)制動(dòng)。這可以使的的小車(chē)能迅速啟動(dòng)也能迅速殺車(chē)。驅(qū)動(dòng)器可以工作在0％-100％的PWM調(diào)制占空比，也是普通驅(qū)動(dòng)器無(wú)法做到的。 性能參數(shù)：額定電壓：12V-28V；額定電流：20A；峰值電流：50A 外形尺寸：4.4cm*2.7cm*1.2cm 圖2-2-10全橋驅(qū)動(dòng)電路圖及邏輯表 安裝方式：針腳孔是標(biāo)準(zhǔn)2.54mm間距，可與實(shí)驗(yàn)板直接插接。 在高精度控制的電機(jī)上面我們還需要使用專(zhuān)門(mén)的電機(jī)控制器； MLSS4805直流伺服驅(qū)動(dòng)器 圖2-2-12 MLSS4805直流伺服驅(qū)動(dòng)器 適用范圍 ? 適合驅(qū)動(dòng)有刷、永磁直流伺服電機(jī)，力矩電機(jī)，空心杯電機(jī)； ? 最大連續(xù)電流5A，最大峰值電流10A； ? 直流電源+12～48V； ? 功率200瓦，過(guò)載能力達(dá)400瓦； ? 速度、位置的四象限控制。 主要功能 ? 輸入脈沖、方向信號(hào)進(jìn)行步進(jìn)模式控制； ? 高精度PWM信號(hào)速度控制； ? 通過(guò)RS232實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)整、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)； ? PID參數(shù)數(shù)字化存儲(chǔ)； ? 實(shí)時(shí)讀取驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部溫度； ? 過(guò)流、過(guò)載、過(guò)壓、欠壓保護(hù)； ? 溫度保護(hù)； ? 超調(diào)、失調(diào)保護(hù)，動(dòng)態(tài)跟蹤誤差保護(hù)。 反饋元件：增量式編碼器。 接口定義 1 ＋12～48V 驅(qū)動(dòng)器電源（輸入電機(jī)額定電壓） 輸入 電源 2 0V 驅(qū)動(dòng)器電源地 輸入 3 MOT+ 電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)正 輸出 電機(jī) 4 MOT- 電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)負(fù) 輸出 5 +5V 編碼器正電源 輸出 編碼器 6 A 編碼器信號(hào)A通道 輸入 7 B 編碼器信號(hào)B通道 輸入 8 0V 編碼器電源地 輸出 9 TX RS-232發(fā)送端，與編碼器電源共地 輸出 RS232 10 RX RS-232接收端，與編碼器電源共地 輸入 11 VCC 控制信號(hào)公共電源（＋4.75～5.25V） 輸入 控制信號(hào) 12 CLK / PWM 控制輸入（脈沖 / 脈寬）（隔離） 輸入 13 DIR 方向控制(只在步進(jìn)模式有效，隔離） 輸入 14 EN / RST 外部使能控制（隔離） 輸入 15 FAULT 故障輸出（隔離） 輸出 16 GND 控制信號(hào)，和VCC由外部供給 輸入 串口連接 驅(qū)動(dòng)器標(biāo)號(hào) 顏色 DB9引腳號(hào) TX 紅 2 RX 藍(lán) 3 0V 黃（或綠） 5 PWM速度控制模式 （1）信號(hào)來(lái)源：PWM信號(hào) （2）設(shè)置模式：PWM速控模式，信號(hào)源：SCS2 （3）PWM信號(hào)規(guī)范： 頻率范圍：100-500Hz； 占空比范圍：1%≤占空比≤99%（推薦，在此范圍內(nèi)，線(xiàn)性度能保證在0.1%以?xún)?nèi)）。占空比＝50%，V = 0；占空比＜50%，電機(jī)反轉(zhuǎn)；占空比＞50%，電機(jī)正轉(zhuǎn)。 計(jì)算公式：V = Vmax *（占空比*100 – 50）/50 例如：當(dāng)設(shè)置SSP5000，占空比 = 5%時(shí)， V = 5000*（0.05*100 –50）/ 50 = -4500 RPM （4）為了保證 PWM占空比為50%時(shí)，電機(jī)速度為零，可用SMV指令設(shè)置最小速度； 2.4電池參數(shù)的計(jì)算與選擇 電池需要考慮芯片控制電路需要使用的電壓一般為5V，而動(dòng)力驅(qū)動(dòng)為24V，這樣就涉及二者到是否需要隔離?？紤]到電機(jī)啟動(dòng)對(duì)電路的穩(wěn)定影響很大，所以我們采用了兩種不同的電池為控制系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)提供電源。對(duì)于機(jī)器人電池我們從三個(gè)方面考慮：電壓，電流，容量： 手動(dòng)機(jī)器人主要?jiǎng)恿ο挠?臺(tái)25W的MAXON RE25底盤(pán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，2臺(tái)45W的升降的空心杯電機(jī)以及2臺(tái)20W的手臂推塊用電機(jī)。 動(dòng)力總功率： P=3*25+2*45+2*20=205W 電池電壓：U=24V 最大正常工作情況下總電路電流：I=P/U=205/24=8.5A 但實(shí)際正常工作的電路中不會(huì)出現(xiàn)上面所算出的那么大電流除非電機(jī)堵轉(zhuǎn)或者短路。 由流程圖可以看到機(jī)器人最大工作電流為升降時(shí)兩臺(tái)45W電機(jī)同時(shí)工作即90W，此時(shí)的電流I1=90/24=3.75A。 給電池留有余量所以I=I1*1.5=5.625A。 根據(jù)機(jī)器人的完成任務(wù)所需要的時(shí)間我們假設(shè)為10分鐘（實(shí)際上場(chǎng)比賽為90s，我們需要留有很大的余量，因?yàn)樵趥鋱?chǎng)調(diào)試還有等待的時(shí)間消耗）也就是1/6小時(shí)，那么整個(gè)動(dòng)力電池的容量根據(jù)上面的定義將需要接近1AH。 在家調(diào)試的時(shí)候我們繼續(xù)使用的09年亞太機(jī)器人大賽留下來(lái)的磷酸鐵聚合物電池容量為10AH，最大瞬間電流10A。但是磷酸鐵聚合物電池體積大重量大，在所有機(jī)器人都調(diào)試完了準(zhǔn)備去北京之前的半個(gè)月我們面臨超重的嚴(yán)峻問(wèn)題，在經(jīng)過(guò)大家討論之后決定更換航模電池，其特點(diǎn)是容量大，放電電流大，重量輕。 串聯(lián)/并聯(lián)： 當(dāng)電池組串聯(lián)時(shí)，電壓疊加，容量不變；當(dāng)電池組并聯(lián)時(shí)，容量疊加，電壓不變。根據(jù)串并聯(lián)原理我們需要得到24V的電池就需要串聯(lián)7個(gè)電池單元，最后我們得到的組合電池具體如下： 航模電池單元參數(shù) 芯片電5V航模電池單元參數(shù) 動(dòng)力24V航模電池組裝參數(shù) 尺寸(mm):58x9x24 尺寸(mm):120x20x50 尺寸(mm):120x20x75 容量（mAh): 1200 容量（mAh): 1200 容量（mAh): 1200 放電倍率:18c 放電倍率:18c 放電倍率:18c 電壓(V):3.7V 電壓(V):7.4 電壓(V):25.9 重量(g):32g 重量(g):65 重量(g):250 航模電池具有專(zhuān)門(mén)的智能充電器，解決了很多后顧之憂(yōu)。在后來(lái)的實(shí)踐中證明自己組裝的電池滿(mǎn)足我們機(jī)器人的使用。 圖2-2-11 航模電池單元及智能充電器 2.5傳感器信息采集模塊的設(shè)計(jì) 2.5.1編碼器 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中反饋裝置的作用是將物理參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，以便可由儀表轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)表示，或者形成反饋通道給控制器提供決策的依據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制，就需要反饋裝置把運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置、速度、轉(zhuǎn)矩、電流和電壓等參數(shù)反饋給控制器。 編碼器分為碼尺和碼盤(pán)。碼尺是用來(lái)測(cè)量線(xiàn)性位移的，而碼盤(pán)是用來(lái)測(cè)量角度位移的。我們的足球機(jī)器人選用光電編碼器。光電編碼器是把表征物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物理量（位移、速度、加速度等）轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電學(xué)數(shù)字量，再通過(guò)微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制，編碼器有兩種使用方法： 1) 通過(guò)安裝在編碼器軸上的從動(dòng)輪在地面滾動(dòng)的圈數(shù)計(jì)算，達(dá)到測(cè)量機(jī)器人在路面上行駛的位移的目的。 位移傳感器采用光電編碼盤(pán)。碼盤(pán)安裝在與主動(dòng)輪同軸的從動(dòng)輪上，與主動(dòng) 輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)從動(dòng)輪周長(zhǎng)為L(zhǎng)，碼盤(pán)線(xiàn)數(shù)為M，t時(shí)間內(nèi)碼盤(pán)輸出的脈沖數(shù)為N，輪子走過(guò)的距離S就是： 機(jī)器人選用的從動(dòng)輪碼盤(pán)采用的500線(xiàn)的中空軸編碼盤(pán)，輸出A、B、Z三相脈沖。在電路實(shí)現(xiàn)上碼盤(pán)的四路信號(hào)，，，可經(jīng)過(guò)差分傳輸器形成兩路信號(hào)，且這兩路信號(hào)有90度的相差，也可以直接利用有90度相差的，兩路信號(hào)。在CPU中用一路信號(hào)對(duì)另一路信號(hào)進(jìn)行鑒相就可以知道碼盤(pán)是正轉(zhuǎn)還是在反轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)時(shí)加計(jì)數(shù)，反轉(zhuǎn)時(shí)減計(jì)數(shù)。 在碼盤(pán)轉(zhuǎn)軸上的輪轉(zhuǎn)一圈也就代表碼盤(pán)光柵也轉(zhuǎn)了一圈。所以可以根據(jù)從碼盤(pán)光柵轉(zhuǎn)動(dòng)的輸出信號(hào)來(lái)判斷從動(dòng)輪轉(zhuǎn)了多少圈，再根據(jù)其周長(zhǎng)就能算出機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的距離。 這里要注意碼盤(pán)上的從動(dòng)輪一定要保證始終與地面有一定壓力接觸，不能丟圈。 圖2-2-12 增量光電編碼器工作原理 2) 安裝在電機(jī)軸上，信號(hào)反饋到控制器上實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制。 原理和上圖是一樣的，但測(cè)量對(duì)象發(fā)生了改變，通過(guò)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制。伺服電機(jī)控制器（除步進(jìn)電機(jī)外）的控制也是基于碼盤(pán)的。 圖2-2-13 HP 500線(xiàn)編碼器接線(xiàn)圖及和電機(jī)完整的裝配圖 2.5.2光電開(kāi)關(guān) 品牌 GAODE 名稱(chēng) 光電開(kāi)關(guān) 漫反射型 型號(hào) E3F-DS30C4 輸出方式 NPN三線(xiàn)常開(kāi) 外形 直徑18毫米圓柱體 工作電壓 直流10-36VDC以?xún)?nèi) 檢測(cè)距離 30厘米（CM) 距離可調(diào) 輸出電流 300毫安(MA) 檢測(cè)物體 不透明體 外殼材料 塑料ABS 常開(kāi)型（NO）和常閉型（NC）的區(qū)別： 常開(kāi)（NO）是平常狀態(tài)下信號(hào)輸出線(xiàn)為斷開(kāi)狀態(tài)，無(wú)信號(hào)輸出，當(dāng)感應(yīng)到物體時(shí)才閉合，輸出信號(hào)。 常閉（NC）是平常狀態(tài)下信號(hào)輸出線(xiàn)為閉合狀態(tài)，持續(xù)信號(hào)輸出，當(dāng)感應(yīng)到物體時(shí)才斷開(kāi)，關(guān)閉信號(hào)。 兩種類(lèi)型接近開(kāi)關(guān)或光電開(kāi)關(guān)根據(jù)實(shí)際需要選用。 三根線(xiàn)的接法：粽色接電源的正極，蘭色接電源的負(fù)極，黑色接負(fù)載（信號(hào)輸出）。 2.5.3觸動(dòng)/限位開(kāi)關(guān) 最簡(jiǎn)單最實(shí)用的傳感器，不在過(guò)多介紹。 2.6手動(dòng)機(jī)器人遙控手柄的設(shè)計(jì)與調(diào)試 2.6.1矩陣按鍵式 使用最為廣泛的信號(hào)輸入設(shè)備。 2.6.2 PS游戲手柄 PS手柄針腳輸出： 面對(duì)插頭 ------------------------------- PIN 1->| o o o | o o o | o o o | \_____________________________/ 對(duì)應(yīng)針腳及作用 1) DATA 2) COMMAND 3) N/C (9 Volts unused) 4) GND 5) VCC 6) ATT 7) CLOCK 8) N/C 9) ACK 圖2-2-14 SONY PS手柄實(shí)物圖 DATA：信號(hào)流向從手柄到主機(jī)。此信號(hào)是一個(gè)8 bit的串行數(shù)據(jù)，同步傳送于時(shí)鐘下降沿(輸入輸出信號(hào)在時(shí)鐘信號(hào)由高到低時(shí)變化，所有信號(hào)的讀取在時(shí)鐘前沿到電平變化之前完成。) COMMAND ：信號(hào)流向從主機(jī)到手柄。此信號(hào)和DATA相對(duì)，同樣是一個(gè)8 bit的串行數(shù)據(jù)，同步傳送于時(shí)鐘下降沿。 VCC：電源電壓從5V到3V原裝的索尼手柄都可以工作。主機(jī)主板上裝有表面安裝的750mA 保險(xiǎn)絲 ，用于防止外設(shè)過(guò)載(750mA是包括左右手柄和記憶卡)。 ATT：ATT 用于提供手柄觸發(fā)信號(hào)。信號(hào)在通信期間處于低電平。又有人將此針腳叫做 Select, DTR 和 Command。 CLOCK：信號(hào)流向從主機(jī)到手柄。用于保持?jǐn)?shù)據(jù)同步。 ACK：從手柄到主機(jī)的應(yīng)答信號(hào)。此信號(hào)在每個(gè)8 bits數(shù)據(jù)發(fā)送之后的最后一個(gè)時(shí)鐘周期變低，并且ATT 一直保低電平。如果ACK 信號(hào)不變低約60微秒PS主機(jī)會(huì)試另一個(gè)外設(shè)。 PS手柄信號(hào)： 所有通訊都是8 bit串行數(shù)據(jù)最低有效位先行。在PS 手柄總線(xiàn)的所有時(shí)碼在時(shí)鐘下降沿都是同步的。傳送一個(gè)字節(jié)的情況如下所示。 |BIT 0|BIT 1|BIT 2|BIT 3|BIT 4|BIT 5|BIT 6|BIT 7| CLOCK -----___---___---___---___---___---___---___---___----------- DATA -----000000111111222222333333444444555555666666777777-------- * * * * * * * * CMND -----000000111111222222333333444444555555666666777777-------- ACK ----------------------------------------------------------__- 數(shù)據(jù)線(xiàn)的邏輯電平在時(shí)鐘下降沿驅(qū)動(dòng)下觸發(fā)改變。數(shù)據(jù)的接收讀取在時(shí)鐘的前沿（在記號(hào)*處）到電平變化之前完成。 在被選手柄接收每個(gè)COMMAND 信號(hào)之后，手柄需拉低ACK 電平在最后一個(gè)時(shí)鐘。如果被選手柄沒(méi)ACK 應(yīng)答主機(jī)將假定沒(méi)手柄接入。 當(dāng)單片機(jī)主機(jī)想讀一個(gè)手柄的數(shù)據(jù)時(shí)，將會(huì)拉低ATT 線(xiàn)電平并發(fā)出一個(gè)開(kāi)始命令 (0x01)。手柄將會(huì)回復(fù)它的ID (0x41=數(shù)字, 0x23=NegCon, 0x73=模擬紅燈, 0x53=模擬綠燈). 在手柄發(fā)送ID 字節(jié)的同時(shí)主機(jī)將傳送0x42 請(qǐng)求數(shù)據(jù)。隨后命令線(xiàn)將空閑和手柄送出 0x5A 意思說(shuō)：“數(shù)據(jù)來(lái)了”。 下面是一個(gè)數(shù)字手柄的時(shí)鐘信號(hào) ATT -______________________________________________________________ | Byte 1 | | Byte 2 | | Byte 3 | CLOCK ---_-_-_-_-_-_-_-_-----_-_-_-_-_-_-_-_-----_-_-_-_-_-_-_-_----- 0xFF 0x41 0x5A DATA -------------------------__________--__----__--__----__--__---- 0x01 0x42 CMND -----_____________-----__--________--__------------------------ ACK --------------------__-------------------__-----------------__- 在手柄執(zhí)行初始化命令之后將發(fā)送它所有的數(shù)據(jù)字節(jié)（數(shù)字手柄只有兩個(gè)字節(jié)）。在最后字節(jié)發(fā)送之后使ATT 高電平，手柄無(wú)需ACK應(yīng)答。 數(shù)字手柄的數(shù)據(jù)傳送如下所示(這里A0,A1,A2...B6,B7 是兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)比特)。 ATT _______________________________________------- | Byte 4 | | Byte 5 | CLOCK ---_-_-_-_-_-_-_-_-----_-_-_-_-_-_-_-_-------- DATA ---D0D1D2D3D4D5D6D7----E0E1E2E3E4E5E6E7------- CMND ---------------------------------------------- *** ACK --------------------__------------------------ 注意: 沒(méi)ACK. 2.6.3 SPI串行總線(xiàn)介紹 3) SPI總線(xiàn)的組成：串行外設(shè)接口SPI是由Freescale公司提出的一種采用串行同步方式的3線(xiàn)或4線(xiàn)通信接口，使用信號(hào)有使能信號(hào)、同步時(shí)鐘、同步數(shù)據(jù)輸入和輸出。典型的SPI總線(xiàn)系統(tǒng)包括一個(gè)主機(jī)和一個(gè)從機(jī)，雙方通過(guò)4根信號(hào)線(xiàn)相連，分別是： 4) 主機(jī)輸出/從機(jī)輸入（MOSI）。主機(jī)的數(shù)據(jù)傳入從機(jī)的通道。 5) 主機(jī)輸入/從機(jī)輸出（MISO）。從機(jī)的數(shù)據(jù)傳入主機(jī)的通道。 6) 同步時(shí)鐘信號(hào)（SCLK）。同步時(shí)鐘是由SPI主機(jī)產(chǎn)生的，并通過(guò)該信號(hào)線(xiàn)傳送給從機(jī)。主機(jī)與從機(jī)之間的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送都以該同步時(shí)鐘信號(hào)為基準(zhǔn)進(jìn)行。 7) 從機(jī)選擇（）。該信號(hào)由主機(jī)發(fā)出，從機(jī)只有在該信號(hào)有效時(shí)才響應(yīng)SCLK上的時(shí)鐘信號(hào)，參與通信。主機(jī)通過(guò)這一信號(hào)控制通信的起始和結(jié)束。 8) SPI通信地特點(diǎn)：SPI通信過(guò)程是一個(gè)串行移位的過(guò)程。當(dāng)主機(jī)需要發(fā)起一次傳輸時(shí)，它首先拉低，然后在內(nèi)部產(chǎn)生的SCLK時(shí)鐘作用下，將SPI數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容逐位移出，并通過(guò)MOSI信號(hào)線(xiàn)傳送至從機(jī)。而在從機(jī)一側(cè)，一旦檢測(cè)到有效之后，在主機(jī)的SCLK時(shí)鐘作用下，也將自己寄存器中的內(nèi)容通過(guò)MISO信號(hào)線(xiàn)逐位移入主機(jī)寄存器中。當(dāng)移位進(jìn)行到雙方寄存器內(nèi)容交換完畢時(shí)，一次通信完成。如果沒(méi)有其他數(shù)據(jù)需要傳輸，則主機(jī)便抬高，停止SCLK時(shí)鐘，結(jié)束SPI通信。 9) 可以得出SPI通信的特點(diǎn)如下： 10) 主機(jī)控制具有完全的主導(dǎo)地位 11) SPI通信時(shí)一種全雙工高速的通信方式 12) SPI的傳輸始終是在主機(jī)控制之下，進(jìn)行雙向同步的數(shù)據(jù)交換 AVR的SPI接口原理 SPI接口的主要特征： 全雙工、3線(xiàn)同步數(shù)據(jù)傳輸 可選擇的主/從操作模式 數(shù)據(jù)傳送時(shí)，可選擇LSB（低位在前）方式或MSB（高位在前）方式 7種可編程的位傳送速率 數(shù)據(jù)傳送結(jié)束中斷標(biāo)志 寫(xiě)沖突標(biāo)志保護(hù) 從閑置模式下被喚醒（從機(jī)模式下） 倍速（CK/2）SPI傳送（主機(jī)模式下） SPI接口硬件： 數(shù)據(jù)寄存器 SPI接口的核心是一個(gè)8位移位寄存器，這個(gè)寄存器在時(shí)鐘信號(hào)的作用下，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從低位移入，高位移出。一旦程序?qū)⑿枰l(fā)送的字節(jié)寫(xiě)入該寄存器后，硬件就自動(dòng)開(kāi)始一次SPI通信的過(guò)程。通信結(jié)束之后，該寄存器中的內(nèi)容就被更新為收到的從機(jī)串出的字節(jié)，供程序讀取。寫(xiě)入發(fā)送的字節(jié)的操作需要在一字節(jié)傳輸結(jié)束之后進(jìn)行。 時(shí)鐘邏輯 當(dāng)配置為SPI主機(jī)時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)由內(nèi)部分頻器對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘分頻產(chǎn)生。這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)一方面被引入到移位寄存器，作為本機(jī)的移位時(shí)鐘；另一方面還被輸出到SCK引腳，以提供給從機(jī)使用。 當(dāng)配備為SPI從機(jī)時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)由SCK引腳引入到移位寄存器，與內(nèi)部時(shí)鐘無(wú)關(guān)，此時(shí)SPI時(shí)鐘配置位無(wú)效。 引腳邏輯 SPI引腳方向定義： 引腳 主機(jī)方式 從機(jī)方式 MOSI(PB5) 用戶(hù)定義 輸入 MISO(PB6) 輸入 用戶(hù)定義 SCK(PB7) 用戶(hù)定義 輸入 (PB4) 用戶(hù)定義 輸入 注：對(duì)輸入引腳應(yīng)通過(guò)設(shè)置相應(yīng)位使能內(nèi)部的上拉電阻，以節(jié)省總線(xiàn)上外接的上拉電阻。 ⑷控制邏輯 控制邏輯單元主要完成以下功能： SPI接口各參數(shù)的設(shè)定，包括主、從模式、通信速率、數(shù)據(jù)格式等 傳輸過(guò)程的控制 SPI狀態(tài)標(biāo)志，包括中斷標(biāo)志(SPIF)的設(shè)置、寫(xiě)沖突標(biāo)志（WCOL）的置位等 SPI接口的設(shè)計(jì)應(yīng)用要點(diǎn) ①初始化 正確選擇SPI的主/從機(jī)方式 正確設(shè)置通信參數(shù) 正確設(shè)置數(shù)據(jù)串出的順序 ②引腳的處理 在主機(jī)模式下，引腳方向的設(shè)置（PB4）會(huì)影響SPI接口的工作方式，盡量設(shè)置成輸出方式 在SPI（主機(jī)模式）操作過(guò)程中，并不會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生任何的控制信號(hào)，所有需要從輸出地控制信號(hào)均需通過(guò)用戶(hù)程序來(lái)完成 ③總線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)的處理 產(chǎn)生總線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)是當(dāng)SPI總線(xiàn)上存在多主機(jī)情況下產(chǎn)生的，處理總線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)不僅需要硬件具備相應(yīng)的功能，同時(shí)在SPI中斷程序中也需要包含對(duì)總線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)的處理過(guò)程。為了防止總線(xiàn)沖突，本機(jī)的SPI接口將自動(dòng)產(chǎn)生以下操作： 清除SPCR寄存器的MSTR（主機(jī)選擇）位，將自己設(shè)置為從機(jī)。MOSI和SCK引腳自動(dòng)設(shè)為輸入 SPSR寄存器的SPIF置位，申請(qǐng)中斷 注：在不需要處理總線(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)的簡(jiǎn)單SPI系統(tǒng)中，位保證本機(jī)作為SPI主機(jī)正常工作，應(yīng)將設(shè)置為輸出。如果將設(shè)置為輸入，則應(yīng)保證該引腳始終為高電平。 2.7機(jī)器人人機(jī)界面的設(shè)計(jì) LED：最簡(jiǎn)單的信號(hào)顯示裝置。 數(shù)碼管：要注意區(qū)分共陰和共陽(yáng)。AVR的IO口能直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。 LCD：為了顯示足夠的信息同時(shí)節(jié)約單片機(jī)的硬件資源我們使用了串行控制的12864LCD。 這次我們主要采用了LED和12864LCD作為人機(jī)界面。 圖2-2-15 12864與Atmega128接口圖 LCD液晶模塊采用128X64點(diǎn)陣的漢字圖形液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，它的內(nèi)部配置8192個(gè)中文漢字、128個(gè)字符，方便程序編寫(xiě)，而無(wú)需另外編寫(xiě)字模。模塊可與CPU直接接口，它提供兩種界面來(lái)連接微處理機(jī)：8-位并行及串行兩種連接方式，本電路采用串行連接方式。 串行連接方式用到的接口有：VSS、VDD、V0、RS/CS、RW/SID、E/SCLK、PSB、RST、LED+、LED-。 VSS為電源地，VDD為邏輯電路提供電壓源（+5V），V0為調(diào)節(jié)液晶屏的亮度。 RS/CS、RW/SID、E/SCLK三根引腳為串行總線(xiàn)，RS/CS為雙向數(shù)據(jù)線(xiàn)，RW/SID為讀或者寫(xiě)使能引腳，E/SCLK為使能信號(hào)線(xiàn)。 PSB為串行連接方式或者并行連接方式選擇引腳，低電平時(shí)為串行連接方式、高電平為并行連接方式；RST為復(fù)位引腳，低電平有效；LED+為背光燈正極；LED-為背光燈負(fù)極。 本系統(tǒng)的LCD液晶屏接口電路采用串口連接方式，其初始化流程圖如圖2-2-16，其初始化代碼如下： #define BIT(x) (1<下載提示(請(qǐng)認(rèn)真閱讀)
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