1566-投籃機器人,投籃,機器人 I目 錄第一章 緒 論 ........................................................11.1 課題背景 ......................................................11.1.1 機器人的發(fā)展及特點及發(fā)展前景 ...............................11.2 比賽規(guī)則 ......................................................21.2.1 規(guī)則簡介 ...................................................21.2.2 競技型投籃機器人的設(shè)計與制作的意義 .........................31.2.3 場地簡介 ...................................................31.3 方案簡介 ......................................................41.3.1 總體方案 ...................................................41.3.2 小自動機器人技術(shù)要求 .......................................51.3.3 小自動機器人初步設(shè)想 .......................................5第二章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 .................................................72.1 行走機構(gòu) ......................................................72.2 定位機構(gòu) ......................................................92.3 升降機構(gòu) ......................................................92.4 投籃機構(gòu) .....................................................10第三章 電氣裝備設(shè)計 ................................................133.1 電機及驅(qū)動器 .................................................133.2 數(shù)字羅盤 .....................................................133.2.1 性能簡介 ..................................................133.2.2 操作步驟 ..................................................143.3 單片機電路板 .................................................153.3.1 89C51 單片機 .............................................163.3.2 計數(shù)器/定時器 8253 簡介 ....................................203.3.3 電路板原理 ................................................233.3.4 PCB ......................................................233.4 電氣系統(tǒng)總體說明 .............................................23第四章 自動控制設(shè)計 ................................................264.1 編程準(zhǔn)備工作 .................................................264.1.1 設(shè)置電機驅(qū)動器 ............................................26 II4.1.2 確定地址 ..................................................264.1.3 計算測量某些參數(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 電機速度控制系列程序 ......................................314.2.4 電機位移控制系列程序 ......................................314.2.5 定位機構(gòu)檢測程序流程圖 ....................................334.2.6 投籃機構(gòu) A 控制程序流程圖 ..................................344.2.7 投籃機構(gòu) B 控制程序流程圖 ..................................35結(jié) 論 .............................................................36致 謝 .............................................................37參考文獻 ...........................................................38附錄 1 控制程序 .....................................................39附圖 1 硬件原理圖 ..................................................55附圖 2 PCB .........................................................56長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人1第一章 緒 論1.1 課題背景根據(jù)“全國大學(xué)生機器人電視大賽”中競技型投籃機器人的設(shè)計與制作要求，進行自動機器人的機械，電路和控制的設(shè)計。1.1.1 機器人的發(fā)展及特點及發(fā)展前景機器人雖然已經(jīng)有幾十年的發(fā)展歷史，然而，迄今為止，它還沒有一個嚴(yán)格的、為人們所公認(rèn)的定義。但實際上，人們所關(guān)心的是機器人作為一種實用的操作系統(tǒng)的特性和適用范圍，至于如何給它下一個嚴(yán)格的、精確的定義，似乎是個較為次要的問題。一般說來，機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、精細的操作的一種遠距離操作系統(tǒng)。當(dāng)然，這里所謂的“機器人”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。事實上，迄今所有的機器人，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。在機器人中，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操作任務(wù)的整個過程中，自始至終都必須有人的參加。同時，人通過觀察系統(tǒng)對從動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做出判斷和決策，以適應(yīng)工作對象或其周圍環(huán)境的變化，隨機應(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，機器人已經(jīng)越來越多、越來越廣泛地應(yīng)用于生產(chǎn)生活的各個方面。金字塔探密，機器人功不可沒。美國攻打伊拉克，機器人也發(fā)揮了重要作用。中國神州五號的成功發(fā)射，充分顯示了我國在機器人某個領(lǐng)域的實力。對于現(xiàn)階段的中國，要成為世界強國。必須大力發(fā)展工業(yè)現(xiàn)代化、智能化。根據(jù)目前我國現(xiàn)階段落后的工業(yè)和匱乏的高尖人才。大力發(fā)展自動機器人就成了我國現(xiàn)階段的當(dāng)務(wù)之急。機器人技術(shù)不但能提高我國的工業(yè)生產(chǎn)水平，而且還能極大的增強國家的軍事實力，為祖國的早日統(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)展機器人必然成了我國現(xiàn)階段的當(dāng)務(wù)之急。 長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人21.2 比賽規(guī)則1.2.1 規(guī)則簡介此次比賽的意圖是盡量多的將比賽用球射入 9 個有一定距離且高度不同的籃筐內(nèi)，每個籃筐包含 3 個排成三角形的網(wǎng)袋，射入賽球?qū)⒌玫揭欢ǖ姆謹(jǐn)?shù)，最后，按照得分多少來判定比賽的輸贏。如果一個參賽隊將球射入包括中心籃筐 3 個網(wǎng)袋在內(nèi)的所有籃筐，或者它的得分比對手高時，該隊將被視為獲勝隊。每場比賽的時間為 3 分鐘。計分標(biāo)準(zhǔn)如下：1.球入袋計分。袋中只有一球可計分。2.如果兩隊的球都放入同一網(wǎng)袋內(nèi)，兩隊都可以得分。3.每個網(wǎng)袋的分?jǐn)?shù)如下：“中心籃筐”　　5 分/進球/網(wǎng)袋；“內(nèi)部籃筐”　　2 分/進球/網(wǎng)袋；“外部籃筐”　　l 分/進球/網(wǎng)袋；4.如果某隊將球投入所有籃筐以及中心籃筐的三個網(wǎng)袋中，該隊將被視為“征服了太空”并贏得比賽。比賽場地分為手動區(qū)和自動區(qū)自動區(qū)：1.“自動區(qū)”是自動機器人的運行區(qū)域。2.該區(qū)域由一個 100mm 高、20mm 寬的 16 邊形木欄所包圍。3.在自動區(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.在自動區(qū)上標(biāo)有 8 條 30mm 寬、對角線狀的白色引導(dǎo)線。5.由排列成三角形的 3 個網(wǎng)袋（每個網(wǎng)袋的直徑為 450mm）組成的 9 個籃筐被懸掛在自動區(qū)上方，4 個外部籃筐掛在地面上方 l500mm 處,4 個內(nèi)部籃筐掛在地面上方 2000mm 處，中心籃筐的高度為 3000mm, 被懸掛賽場的中心點上。6.在各籃筐正下方的場地上固定有直徑為 100mm、高 10mm 的白色圓盤，以標(biāo)記籃筐的位置。 手動區(qū)：1.手動區(qū)是手控機器人的運行區(qū)域。2.該區(qū)域由一個 100mm 高、20mm 寬的 16 邊木欄所包圍3.內(nèi)有一個球庫為每個參賽隊提供的 16 個球放置在球庫中，排列方式為4×4 方陣。長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人3其它規(guī)定：1.手控機器人不能接觸或?qū)⒆约旱牟考烊搿白詣訁^(qū)”。2.機器人電源電壓必須低于 DC24 伏。3.所有機器人的總重應(yīng)小于 50kg。4.比賽所使用的球為塑料球，直徑 135mm，重 155g。比賽的規(guī)則和特點要求手控機器人應(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，使用簡單可靠的機械結(jié)構(gòu)。如圖 1-1 所示：圖 1-1 場地布局1.2.2 競技型投籃機器人的設(shè)計與制作的意義通過對競技型投籃機器人的設(shè)計與制作，不但能使我從理論學(xué)習(xí)過渡到實際工作中去，而且還能極大的開闊我的視野，提高我進行實際項目開發(fā)的能力。特別是對單片機的應(yīng)用和對電機的控制。1.2.3 場地簡介手動機器人從手動機器人啟動區(qū)啟動，并只能在手動區(qū)活動，初始狀態(tài)不能帶球；自動機器人從自動機器人啟動區(qū)啟動，初始狀態(tài)可以帶球。在啟動區(qū)機器人的尺寸必須控制在 1.2ⅹ1.2ⅹ2m 以內(nèi)，所有機器人的總重量不能超過 50kg。在場地中，籃筐有三種高度，分別為 3m，2m，1.5m,分布在自動區(qū)內(nèi)。籃筐的正下方有直徑 100mm 高 10mm 的白色標(biāo)志盤。場地上分布著 30mm 寬的白色引導(dǎo)線。如圖 1-2，圖 1-3 所示：長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人4圖 1-2 場地側(cè)視圖圖 1-3 場地俯視圖1.3 方案簡介1.3.1 總體方案經(jīng)過對場地的分析，我們決定采用一大一小兩個自動機器人和手動機器人配合的方案。如圖 1-4：其中，大機器人為進攻主力，以前導(dǎo)軌快速搶占中心點，再用大功率電機牽引機器人主體待指定位置并升出 5 個手臂同時投 3m 和 2m 的 5 個籃筐。小自動機器人是大機器人的補充，一開始裝在大機器人肚子里以有效利用空間，相對于大機器人他有較大的靈活性，有多條路徑，還可以根據(jù)形勢投 2m長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人5和 1.5m 的籃筐，必要時可充當(dāng)敢死隊員。手動機器人由人工直接操作，可在戰(zhàn)略上有效支援自動機器人。圖 3-4 初期方案的 3D 建模1.3.2 小自動機器人技術(shù)要求 根據(jù)總體方案，對小自動機器人提出以下要求：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)簡單，易于加工；6．與其他機器人的零件有一定的通用性，實現(xiàn)模塊化。7．電源為 12V，或 24V；8．采用單片機控制，以具有較強的靈活性；1.3.3 小自動機器人初步設(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．采用兩電機分別驅(qū)動兩主動輪，并以萬向輪作輔助支撐的方式，從而使整個機器人行走靈活，并準(zhǔn)確完成自轉(zhuǎn)等戰(zhàn)術(shù)動作。3．為降低機構(gòu)的復(fù)雜程度，適當(dāng)采用靈活的線傳動。長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人64．從精度，重量，以及物資情況等方面考慮，采用德國 FAULHABER 公司生產(chǎn)的 2657 型和 2342 型直流伺服電機。這兩種電機都配備了專用的減速器、碼盤和 MCDC2805 型驅(qū)動器，在單片機控制下，采用步進模式可十分簡便的實現(xiàn)較精確的位移和角度控制。5．整個機器人采用 4 個電機，其中兩個為行走電機；一個負責(zé)升降，機器人從初始高度到投 1.5m 籃，或投 2m 籃，都需要進行升降；另一個負責(zé)投籃。 6．為擺脫傳統(tǒng)的循線定位方式對導(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)場地布局。這樣，通過數(shù)字羅盤反饋角度，計數(shù)器和光電碼盤反饋位移，從而實現(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)定原點以減少累計誤差。7．由于數(shù)字羅盤，光電碼盤和機械結(jié)構(gòu)引起的總誤差可能太大，無法順利完成投籃，可能需要一個專門的定位機構(gòu)，在一定范圍內(nèi)糾正偏差。長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人7第二章 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 行走機構(gòu)剛開始采用圖 2-1 左圖比較常規(guī)的方案，結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)向靈活，只用兩個萬向輪，重量輕。但加工上比較困難，還有一個致命性的缺陷，就是由于萬向輪的輪徑較小，但車體正前方與標(biāo)志盤接觸時（經(jīng)常出現(xiàn)這種情況），容易導(dǎo)致車體被迫轉(zhuǎn)向，甚至整個機器人卡死。圖 2-1 行走機構(gòu)兩種步局方案后經(jīng)改進，采用右圖所示布局。雖然增加了兩個萬向輪，但有效的避免了萬向輪與標(biāo)志盤的直接接觸，而且加工裝配十分簡便，容易保持精度。行走機構(gòu)的控制精度對機器人能否完成成套動作起決定性的作用。為保證精度和足夠的剛度，設(shè)計了一套精度較高的加工件以實行運動從驅(qū)動電機到主動輪的傳遞。為簡化結(jié)構(gòu)，降低重量，不采用齒輪等傳動件，由于電機以步進模式工作，且功率較大，所以在速度和驅(qū)動力上都能滿足要求。驅(qū)動軸用兩個深溝球軸承和一個推力球軸承，可有效克服各種阻力。其受力分析如下：圖 2-3 驅(qū)動輪受力分析主動輪驅(qū)動系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖 2-3 所示：長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人8圖 2-3 投籃機構(gòu)原理如圖所示，2 為主動輪，11 為驅(qū)動電機，8 為連接電機與輪的驅(qū)動軸。驅(qū)動軸通過壓板 9 與電機軸配合，如圖 2-2 左下角所示。并通過法蘭盤 1 與主動輪固定。由深溝球軸承 5 與 7 限制驅(qū)動軸徑向位移，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)動軸軸向位移，承受徑向力。大部分零件通過套筒 10 和驅(qū)動軸得到定位，并把作用力通過套筒 10 傳遞到支撐架 4 上，從而傳遞到機器人主體。裝備順序：1.從驅(qū)動軸 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 11 固定；3.將驅(qū)動軸和軸承等裝入套筒 10 中，同時將電機軸插入驅(qū)動軸 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，主動輪 2，法蘭盤 1；7.用螺釘將法蘭盤分別與驅(qū)動軸 8 與主動輪 2 固定。長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人92.2 定位機構(gòu)定位機構(gòu)的功能是糾正行走機構(gòu)到達標(biāo)志盤時的誤差。其機構(gòu)非常簡單，由 3 個限位開關(guān)，2 個彈性擋片，以及一些附屬的支撐件，固定件組成。整個定位機構(gòu)裝在機器人的正前方，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，無論擋片觸發(fā)區(qū)上任何一點與標(biāo)志盤接觸，擋片產(chǎn)生彈性形變便可觸發(fā)對應(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)過時便觸發(fā)。圖 2-4 定位機構(gòu)原理如圖 2-4 所示，由于機器人全身機構(gòu)對稱分布，且萬向輪阻力很小，機器人旋轉(zhuǎn)中心大致在兩主動輪輪軸連線的中點。兩彈性擋片與機器人正前方的夾角都為 45 度，且機器人旋轉(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，如圖 2-4，左限位開關(guān)被觸發(fā)，此時標(biāo)志盤的圓心一定在經(jīng)過機器人旋轉(zhuǎn)中心，且與機器人正前方偏左 45 度的直線上。那么將機器人繞旋轉(zhuǎn)中心逆時針旋轉(zhuǎn) 45 度，便可使機器人正前方對準(zhǔn)標(biāo)志盤。這時再讓機器人緩慢前進，標(biāo)志盤就會觸發(fā)中限位開關(guān)，表明機器人的旋轉(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也同理。經(jīng)實驗，該定位機構(gòu)穩(wěn)定性較高，可糾正±300mm 的偏差。 2.3 升降機構(gòu)升降機構(gòu)要求重量輕，行程長，截面尺寸?。ǚ乐古c投籃機構(gòu)空間干涉）長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人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，利用滾輪滾動來減小摩擦，因此結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。但實際上我發(fā)現(xiàn)由于加工和裝備精度的原因，反而使機構(gòu)的阻力很大，爬行現(xiàn)象嚴(yán)重。由于升降機構(gòu)還要為投籃機構(gòu)提供動力（將在下面提到），很難滿足要求。支座將升降臺整個圍住，剛度很高，但重量也很大。圖 2-5 升降機構(gòu)兩種方案后來經(jīng)過改進，變?yōu)橛疫叺姆桨?，用簡單的滑動摩擦代替滾動摩擦。增加一個動滑輪，不但使升降臺減小了軸向作用力，而且減小了牽引繩的作用力，對鋼絲線和電機的要求都減小了。2.4 投籃機構(gòu)投籃機構(gòu)要求一次可將 3 個球分別投入同一個籃的 3 個籃筐中。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)，這勢必要提高整個機構(gòu)的復(fù)雜性。經(jīng)過長時間的設(shè)計，最終的方案只用一個電機，一個自由度。其原理如圖2-7 所示：采用靈活輕便的線傳動。由于整個投籃過程中執(zhí)行機構(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，為使整個投籃過程功率平穩(wěn)，以利用電機的功率，設(shè)計成偏心輪結(jié)構(gòu)。初始時主動力臂很小，隨著阻力矩的增大，增大主動力臂，之后又隨著阻力矩的減小，減小主動力臂。這樣在整個投籃過程中，主動力大小變化不大的情況下，使整個動作連貫平穩(wěn)。長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人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（兩組，每組三個）懸臂和手臂，每個手臂上的球袋里帶一個球。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，及時小范圍的晃動也不會從袋中躍出。而一旦手臂投籃時，球袋反扣，球就會順著鋁帶快速滾出，并作拋物線運動。圖 2-7 投籃機構(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，靠橡膠圈的長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人12變形套在方圓過渡上，這樣不僅拆卸方便而且必要時也快速調(diào)整手臂方向，使之正對場地上的籃筐，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。電機通過壓板帶動線輪旋轉(zhuǎn)。線輪牽引的鋼絲在接近末端時分成三股，每一股分別帶動一個手臂。鋼絲繩的末端固定在偏心輪上，當(dāng)拉動鋼絲時偏心輪就會繞自身的軸轉(zhuǎn)動，而固定在偏心輪的手臂也就隨著偏心輪繞軸轉(zhuǎn)動，從而把球送入藍筐中。當(dāng)手臂旋轉(zhuǎn)到位時，緩沖橡膠片就會觸發(fā)行程開關(guān)反饋給電路板，這時程序就會讓電機停車。另一組投籃手臂(稱為投籃機構(gòu) B)的原理與上一組(稱為投籃機構(gòu) A)有所不同。它沒有專門的動力系統(tǒng)。鋼絲繩的下端固定在機器人的底座上。但升降機構(gòu)升到一定高度時，鋼絲繩被拽緊，并開始帶動三個手臂。其他部分的結(jié)構(gòu)和原理與上一組一樣。投籃時球在手臂的最前面，直接與籃筐碰撞。如果正好對準(zhǔn)，則球直接滾入筐中；如果偏了，則在手臂的作用下球推動籃筐轉(zhuǎn)動，直到球擦入筐中；如果正好卡在死區(qū)（兩個籃筐之間的兩節(jié)縫隙，見圖 2-8），則嘗試讓機器人自轉(zhuǎn) 60 度后再投籃。圖 2-8 投籃的角度死區(qū)長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人13第三章 電氣裝備設(shè)計3.1 電機及驅(qū)動器為了獲得良好的機械和電氣性能，我選用了德國 FAULHABER 公司生產(chǎn)的2657 型和 2342 型直流伺服電機，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)動器。工作電壓 24V。這套電機具有體積小、重量輕、出力大、控制簡便等優(yōu)點。2805 型驅(qū)動器有電壓、步進等幾種控制模式。為了實現(xiàn)較精確的位移和角度控制，我采用了步進控制模式。該模式控制起來十分簡便。其接線如圖 3-1 所示：圖 3-1 電機與驅(qū)動器接線圖一共只需要兩個控制信號：方向和脈沖。用+5V 和 GND 作為方向信號來控制電機的正反轉(zhuǎn)動方向；用不同頻率的脈沖作為脈沖信號來控制電機的轉(zhuǎn)動速度。驅(qū)動器，電機和光電碼盤本身就組成了一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)。在不丟步的境況下，只要輸入相應(yīng)個數(shù)的脈沖，電機就轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度。3.2 數(shù)字羅盤3.2.1 性能簡介1.描述TDCM3 是一個高性能,低損耗的數(shù)字羅盤,一旦主機提出請求,它通過串口連接向主機系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)。TDCM3 內(nèi)有一個高度集成的標(biāo)定程序用來補償周圍有鐵磁介質(zhì)引起的失真。2.應(yīng)用1.交通工具指南針;2.PDA,移動電話,望遠鏡;3.導(dǎo)航系統(tǒng);長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人144.仿真實體.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 個等級的頻率。6.特色探測失真:當(dāng)有磁介質(zhì)干擾等將會顯示一個警告標(biāo)記。并妥善處理當(dāng)前的電信號.并具有自動標(biāo)定算法庫。 7.管角設(shè)定如圖 3-2：圖 3-2 管腳設(shè)定在實際應(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 RTS 腳為低電平；光電藕合器斷開時 RTS 腳為高電平。RXD 接單片機的 TX 腳，接收單片機的通信信號；TX 接單片機的 RX 腳，向單片機傳送羅盤所測得的數(shù)據(jù)。3.2.2 操作步驟當(dāng)設(shè)備上電時,TDCM3 就準(zhǔn)備好了輸出。當(dāng)設(shè)備第一次啟用時他可能需要標(biāo)定.TDCM3 還為用戶提供 3 個程序。它們是普通,連續(xù)和標(biāo)定模式。一般情況下,TDCM3 進入睡眠模式以節(jié)省能量。1.普通模式長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人15當(dāng)主機通過 RTS 管腳向設(shè)備發(fā)出請求,設(shè)備就會輸出。請注意在主機給設(shè)備發(fā)出脈沖請求前,RX 角必須保持高電平。(請看圖 3-3 普通模式波形表) 圖 3-3 普通模式波形圖主機接受到的是 3 個連續(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,狀態(tài)字節(jié)等于81H,這時必須要標(biāo)定。(請看 P.6 標(biāo)定模式)；第二個是羅盤測得角度值的高字節(jié)；第三個是羅盤測得角度值的低字節(jié)。即羅盤傳輸?shù)?3 個字節(jié)為： LMSBnoteStaus??)(見計算公式（3-1）：（3-256LSMSB?????1） 2.連續(xù)模式當(dāng)主機把 RTS 腳設(shè)為低電平時,數(shù)字羅盤將要進入連續(xù)模式。他將自動輸出數(shù)據(jù)。請注意如果連續(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 時扭曲被發(fā)現(xiàn),這時用戶就需要執(zhí)行標(biāo)定。當(dāng)主機通過 RTS 腳給羅盤信號(同時 RX 腳必須置低電平),這時模塊進入標(biāo)定狀態(tài),把模塊旋轉(zhuǎn)兩周。接著讓主機置 RX 管腳為高電平(模塊將會回復(fù)RDY)。之后模塊將會返回到睡眠模式。3.3 單片機電路板考慮到欲實現(xiàn)的功能比較復(fù)雜和繁多，我采用單片機系統(tǒng)來做主控板。功能要求如下：1.能夠給電機提供 4 個方向信號，4 個脈沖信號；長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人162.能夠通過對脈沖的個數(shù)對電機進行開環(huán)位移控制；3.能夠方便地對電機進行速度控制；2.能夠與數(shù)字羅盤進行通信；3.能夠接收 8 個限位開關(guān)信號。為滿足以上要求，我們需要大量的計數(shù)器和脈沖發(fā)生器，以及擴展足夠數(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 號芯 片 名 稱 選 擇 理 由1單片機 89C51技術(shù)非常成熟，性能穩(wěn)定，價格也非常低廉，其內(nèi)存容量為 4K，考慮到程序不是太長，所以 89C51 是最佳的選擇。2計數(shù)器/定時器8253一片 8253 中有 3 個計數(shù)器。每個計數(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 是硬件計數(shù)，不占用寶貴的 CPU 的資源。3I/O 擴展81558155 能夠擴展更多的 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 RAM單元。3.3.1 89C51 單片機由 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51 是與 8031 系列完全兼容的單片機，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，每個機器周期為1.085μs，用戶可更換晶振以提高速度。程序存儲器為 64K，其中前 4K 在 CPU內(nèi)部。89C51 單片機組成。(1)、一個 8 位微處理器 CPU。(2)、數(shù)據(jù)存儲器 RAM 和特殊功能寄存器 SFR。(3)、內(nèi)部程序存儲器 ROM。(4)、兩個定時/計數(shù)器，用以對外部事件進行計數(shù)，也可用做定時器。(5)、四個 8 位可編程的 I/O(輸入/輸出)并行端口，每個端口既可作輸入也可做輸出。(6)、一個串行端口，用于數(shù)據(jù)的串行通信。長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人17(7)、中斷控制系統(tǒng)。(8)、內(nèi)部時鐘電路。以上各部分由系統(tǒng)內(nèi)部總線連接。該單片機具備一個完整的計算機所具有的基本組成部分，即 CPU(運算器和控制器)、存儲器(ROM 和 RAM)和 I/O 接口等。因此，89C51 單片機是一個功能很強的 8 位微處理器。89C51 的硬件結(jié)構(gòu)有如下一些主要特點：(1)、內(nèi)部程序存儲器(ROM)和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器(RAM)。(2)、輸入/輸出(I/O)口。具有 4 個 8 位可編程的 I/O 并行端口，尤其是有一個全雙 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)、外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間。89C51 單片機可對 64KB 的外部數(shù)據(jù)存儲器尋址，而對程序存儲器是內(nèi)外總空間為 64KB，外部程序存儲器的最大尋址空間為 64KB。(4)、中斷與堆棧。89C51 單片機有 5 個中斷源，分為 2 個優(yōu)先級，每個中斷源的優(yōu)先級是可編程的，它的堆棧位置也是可編程的，堆棧深度可達 128 字節(jié)。(5)、定時/計數(shù)器與寄存器區(qū)。89C51 有 2 個 16 位定時/計數(shù)器，通過編程可實現(xiàn)四種工作模式；在內(nèi)部RAM 中設(shè)置了四個通用工作寄存器區(qū)，共 32 個通用寄存器，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)功能強大，指令短，執(zhí)行速度快。如外接晶振的頻率為12MHZ 時，大部分指令執(zhí)行時間為 1μs。存儲空間配置和功能89C51 單片機的存儲器組織結(jié)構(gòu)可以分為三個不同的存儲空間，分別是：(1)、64KB 程序存儲器(ROM)，包括片內(nèi) ROM 和片外 ROM； (2)、64KB 外部數(shù)據(jù)存儲器(外 RAM)；(3)、256B(包括特殊功能寄存器)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器(內(nèi) RAM)。三個不同的存儲空間用不同的指令和控制信號實現(xiàn)讀寫功能操作：(1)、ROM 空間用 MOVC 指令實現(xiàn)只讀功能操作，用 PSEN 信號選通讀外ROM。(2)、外 RAM 空間用 MOVX 指令實現(xiàn)讀寫功能操作，用 RD 信號選通讀外RAM，用 WR 信號選通寫外 RAM。長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人18(3)、內(nèi) RAM(包括特殊功能寄存器)用 MOV 指令實現(xiàn)讀寫和其它功能操作。程序存儲器(ROM):ROM 空間共 64KB 。其中 60KB 在片外。地址范圍 1000H～FFFFH，無論片內(nèi)片外，ROM 地址空間是統(tǒng)一的，不重疊。對于有內(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，會自動轉(zhuǎn)向片外 ROM1000H 依次執(zhí)行程序。讀 ROM 是以程序計數(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)，每讀一個字節(jié)，(PC)+1→PC，這是 CPU 自動形成的。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)同時輸出，ALE 信號有效時由地址鎖存器鎖存低8 位地址信號，地址鎖存器輸出的低 8 位地址信號和 P2 口輸出的高 8 位地址信號同時加到外 ROM16 位地址輸入端，當(dāng) PSEN 信號有效時，外 ROM 將相應(yīng)地址存儲單元中的內(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系統(tǒng)的專用單元，0003H～0023H 是五個中斷源中斷服務(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 個字節(jié)，根本不可能安排一個完整的系統(tǒng)程序，而單片機又是依次讀ROM 字節(jié)的，因此，這 3 個字節(jié)只能用來安排一條跳轉(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)存儲器(外 RAM)外部數(shù)據(jù)存儲器共 64KB，讀寫外 RAM 用 MOVX 指令，控制信號是 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)同時輸出，ALE 信號有效時由地址鎖存器鎖存低 8 位地址信號，地址鎖存器輸出的低 8 位地址信號和 P2 口輸出的高 8 位地址信號同時加到外 RAM16 位地址輸入端，當(dāng)信號有效時，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。或當(dāng)信號有效時，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)地址存儲單元中。外部數(shù)據(jù)存儲器主要用于存放數(shù)據(jù)和運算結(jié)果。一般情況下，只有在內(nèi)RAM 不能滿足應(yīng)用時，才接外 RAM。其最大容量可達 64K 字節(jié)，外部數(shù)據(jù)存儲器和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的功能基本相同，但前者不能用于堆棧操作。必須注意，由于數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器全部 64K 地址重疊，且數(shù)據(jù)存儲器的片內(nèi)外的低字節(jié)地址重疊。所以，對片內(nèi)、片外數(shù)據(jù)存儲器的操作使用不長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人19同的指令。對片內(nèi) RAM 讀寫數(shù)據(jù)時，無讀寫信號(RD，WR)產(chǎn)生；對片外 RAM 讀寫數(shù)據(jù)時，有讀寫信號產(chǎn)生。同樣對程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的操作也是靠不同的控制信號 PSEN、RD、WR 來區(qū)分的。另外，在片外數(shù)據(jù)存儲器中，數(shù)據(jù)區(qū)和擴展的 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)計時，必須合理的進行外部 RAM 和 I/O 口的地址分配，并保證譯碼的唯一性。CPU 的時序及輔助電路計算機工作是在時鐘脈沖的統(tǒng)一控制下，按嚴(yán)格的先后次序有步驟地進行工作的。所謂時序是指 CPU 執(zhí)行指令的各個微操作所對應(yīng)的脈沖信號所遵循的時間順序。時序是非常重要的，它指明單片機內(nèi)部以及內(nèi)部與外部互相聯(lián)系所遵守的規(guī)律。單片機的時鐘電路單片機的時鐘信號用來提供單片機內(nèi)各種微操作的時間基準(zhǔn)，這個時鐘信號可由單片機內(nèi)時鐘電路產(chǎn)生，也可以直接使用外部時鐘信號。因此，單片機的時鐘電路有兩種形式：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。（1）內(nèi)部振蕩方式89C51 單片機內(nèi)有一個用于構(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鐘信號引入單片機，這種方式是用來使單片機的時鐘與外部信號保持同步。通常外接的時鐘信號的頻率不高于12MHZ。振蕩周期是指為單片機提供時鐘信號的振蕩源的周期。CPU 在一個振蕩周期內(nèi)僅完成一個基本的操作，振蕩頻率越高，單片機的工作速度越快。時鐘周期是指振蕩源信號經(jīng)五分頻后形成的時鐘脈沖信號。因此時鐘周期是振蕩周期的兩倍，時鐘周期被分成 2 個節(jié)拍，即節(jié)拍 P1 和 P2 節(jié)拍。在每個時鐘的前半周期，P1 信號有效，這時 CPU 完成算術(shù)邏輯操作；在每個時鐘周期的后半周期，P2 信號有效，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。機器周期：通常完成一個基本操作所需的時間稱為機器周期。一個機器周期由 6 個狀態(tài)(12 個振蕩脈沖)組成，即 6 個時鐘周期，是單片機完成一個基本操作所用時間，如讀操作，寫操作等。長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人20指令周期是指 CPU 完成一條指令所需時間，一個指令周期通常含有 1～4 個機器周期，在 89C51 中，除了乘、除兩條四個機器周期的指令外，其余都為單周期或雙周期指令。若 89C51 外接晶振為 12MHZ 時，則單片機的四個周期的具體值為：振蕩周期=1/12MHZ=1/12μs=0.0833μs時鐘周期=1/6μs=0.167μs機器周期=1μs指令周期=1～4μs3.3.2 計數(shù)器/定時器 8253 簡介如果用硬件方法定時，就要用到計數(shù)器/定時器。在簡單的軟件控制下，產(chǎn)生準(zhǔn)確的時間延遲。這種方法的主要思想是根據(jù)需要的時間，用指令對計數(shù)器/定時器設(shè)置定時常數(shù)，并用指令啟動計數(shù)器/定時器，于是開始計數(shù)，計到確定的值時，便自動產(chǎn)生一個定時輸出。在計數(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)點是計數(shù)時不占用 CPU 資源。Intel8253 是 NMOS 工藝制成的可編程計數(shù)器/定時器。最高計數(shù)速率為2.6MHZ[1]。8253 內(nèi)部有 3 個計數(shù)器，分別稱為計數(shù)器 0、計數(shù)器 1、計數(shù)器 2。它們的結(jié)構(gòu)完全相同。每個計數(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立。3 個引腳分別是時鐘輸入端 CLK，門控信號輸入端 GATE，輸出端 OUT。每個計數(shù)器的內(nèi)部有 1 個 8 位的控制寄存器，還有 1 個 16 位的計數(shù)初值寄存器 CR。1 個計數(shù)執(zhí)行部件 CE 和 1 個輸出鎖存器 OL[1]。執(zhí)行部件實際上是一個 16 位的減法計數(shù)器。輸出鎖存器 OL 用來鎖存計數(shù)執(zhí)行部件 CE 的內(nèi)容，從而使 CPU 可以對此進行讀操作。表 3-4 8253 輸入信號對應(yīng)功能S D R A1 A0 功 能0000001111000000110 00 11 01 10 00 1對計數(shù)器 0 設(shè)置計數(shù)初值對計數(shù)器 1 設(shè)置計數(shù)初值對計數(shù)器 2 設(shè)置計數(shù)初值設(shè)置控制字或者給一個命令從計數(shù)器 0 讀出計數(shù)值從計數(shù)器 1 讀出計數(shù)值長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人210 0 1 1 0 從計數(shù)器 2 讀出計數(shù)值除了這七組信號組合外，其他組合下，數(shù)據(jù)總線為高阻狀態(tài)。當(dāng) A1=A0=1時，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 位用來設(shè)置計數(shù)值格式:0 為二進制，1 為 BCD 碼；M2、M1、M0 為模式選擇：其中 000 為計數(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 用來選擇計數(shù)器：00 為計數(shù)器 1；01 為計數(shù)器 2；10 為計數(shù)器3；對計數(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——計數(shù)結(jié)束產(chǎn)生中斷概括的說，在模式 0 時，寫入控制字之后，輸出端 OUT 為低電平，一直當(dāng)計數(shù)值為 0 時，OUT 變?yōu)楦唠娖?，并保持。除非寫入新的初值。?dāng)門控 GATE=1 時，計數(shù)器執(zhí)行部件獲得初始值后便進行計數(shù)，此時，如果 GATE 變?yōu)?0，則計數(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，下一個時鐘脈沖到來時，計數(shù)執(zhí)行部件開始減 1 計數(shù)。計數(shù)到一半時，輸出變?yōu)榈碗娖?，計?shù)器繼續(xù)計數(shù)，結(jié)束后，變?yōu)楦唠娖剑瑥亩瓿梢粋€周期 [1]。當(dāng)計數(shù)值為偶數(shù)時，OUT 的高低電平時間相等。當(dāng)計數(shù)值為奇數(shù)時，OUT 的高電平持續(xù)時間比低電平持續(xù)時間多一個時鐘周期。GATE=1 時，計數(shù)進行，GATE=0 時，計數(shù)停。當(dāng) OUT 為低時，GATE 變?yōu)?0，則 OUT 會立即變?yōu)楦唠娖?。如?GATE 一直為高電平，那么，在寫入控制字和計數(shù)值后，將在下一個時鐘脈沖時，開始計數(shù)。正在計數(shù)時，如果寫入新的計數(shù)值，那么，將不影響當(dāng)前輸出周期。但是在輸入新的計數(shù)值后，又受到門控上升沿的觸發(fā)，那么，就會結(jié)束當(dāng)前輸出周期。在下一個時鐘周期時，開始新值長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人22計數(shù)。5、模式 4——軟件觸發(fā)的選通信號發(fā)生器6、模式 5——硬件觸發(fā)的選通信號發(fā)生器對于 MCDC2805 型電機驅(qū)動器，在電機的步進模式下。用 8253 的模式 3——方波發(fā)生器，可以發(fā)出頻率的方波脈沖。從而可以控制電機的轉(zhuǎn)速。如果把方波發(fā)生器發(fā)出的脈沖引入計數(shù)器的時鐘端，那么，用 8253 的 模式 0——計數(shù)器，就可以設(shè)置初值，檢測電機是否轉(zhuǎn)到預(yù)定位置。不論用哪種模式工作，都會遵守下面幾條基本原則：1、控制字寫入計數(shù)器時，所有的控制邏輯電路，立即復(fù)位，輸出端 OUT進入初始狀態(tài)（高或低電平）；2、初始值寫入后，要經(jīng)過一個時鐘上升沿和一個下降沿，才開始計數(shù)；3、通常，在時鐘脈沖 CLK 的上升沿時，門控信號 GATE 被采樣；4、在時鐘下降沿，計數(shù)器作減 1 計數(shù)。 2. I/O 擴展 8155 芯片簡介8155 具有 3 個可編程 I/O 口，其中 2 個口（A 和 B）為 8 位口，1 個口（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。除進行 AD7~AD0 的地址鎖存控制外，還用于把片選信號 CE 和 IO/M 等信號鎖存。RD——讀選通信號。WR——寫選通信號。CE——片選信號。IO/M——I/O 與 RAM 選擇信號。8155 內(nèi)部 I/O 與 RAM 是分開編址的。RESET——復(fù)位信號。以 600ns 的正脈沖進行復(fù)位，復(fù)位后 A、B、C 口均置為輸入方式 [2]。8155 的 3 個 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，用于傳送控制信號和狀態(tài)信號，對 PA 和 PB 的 I/O 操作進行控制 [2]。8155 有一個命令/狀態(tài)寄存器，實際上這是兩個不同的寄存器，分別存放命令字和狀態(tài)字。但由于對命令寄存器只需進行讀操作，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器/計數(shù)器的工作方式。對命令寄存長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人23器只能寫不能讀。狀態(tài)字也是 8 位（但實際只使用 7 位，最高位沒定義）。用于寄存各端口及定時器/計數(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（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，用單片機本身的 I/O 口因功率太小無法驅(qū)動光電藕合器，必須用 8155 的 I/O 口來驅(qū)動。由于要接受行程開關(guān)信號，控制 8253 的 GATE，電機的方向和繼電器，需要擴充一定數(shù)量的 I/O 口。經(jīng)計算，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。由于 4 臺電機均需要一個方波發(fā)生器和一個計數(shù)器。所以，至少要有 8 個計數(shù)器，用 3 片 8253（8253A,8253B,8253C）可以提供 9 個計數(shù)器，可滿足要求。8253 采用 20MHz 的晶振，對其進行分頻。所有計數(shù)器 GATE 都直接接高電平，保持可用的行走機構(gòu)電機的方波發(fā)生器的 GATE 由 8155 的輸出口控制；其他機構(gòu)電機的方波發(fā)生器的 GATE 由其對應(yīng)的計數(shù)器的輸出經(jīng)過反向器控制，這樣計數(shù)結(jié)束時無需經(jīng)過單片機干預(yù)就可自動關(guān)閉 GATE 門，停止發(fā)波。在每一個芯片的 VCC 與 GND 之間都并聯(lián)一個電容，降低尖鋒電壓。 為增強電路板的抗干擾性，我采用芯片 SN75174 將電路板與電機的驅(qū)動器隔離，防止電機的功率波動對電路板產(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，右邊是模長春工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 競技型投籃機器人24擬電路，防止對數(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；電機的驅(qū)動器的 24V 供電有兩節(jié) 12V 工業(yè)電池串聯(lián)提供；整個系統(tǒng)的 GND 都相連；為減少插頭和連線數(shù)量和長度，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；由于投籃電機的光電碼盤已損壞，不能反饋信息，于是只要一上