1、单片机应用系统设计方案四足步行器单片机应用系统课程设计目 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。 4STC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-21.一、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
2、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
3、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STC1110xx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
4、内核，速度比普通 8051快812倍；宽电压，5541V37V；低功耗设计；工作频率，035MHz，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812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
5、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：STC 1T 8051，同样的工作频率时，速度是普通8051的812倍，F：5.5V4.1V/3.7V4.1V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*图2-2）：四足步行器控制系统电路图*图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612倍*宽电压：5.54.1V/3.7V，2.1
6、/2.43.6VSTC11L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：035MHZ，相当于普通8051: 0420MHZ*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，25
7、6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3.3V4、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
8、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
9、，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，如图34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35所示。ENABLE A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ENABLE A有效，INPUT1为低电平IN
10、PUT2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31是其使能引脚，输入引脚和输出引脚之间的逻辑关系。INPUT1(P1.0INPUT2(P1.1电机转向H(1H(1LL(0H同IN2同IN1停止L(0X(0、1X0、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ENABLE B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OUTPUT4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
11、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32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32）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变电机转动的方向。通过主板提供给电机一个方波信号，不同
12、的方波信号的平均电压不同，因此，利用这一点来进行对速度控制。采用不同的脉宽调节平均电压的高低，进而调节电机的转速，即脉宽调制PWM, Pulse Width Modulation ）。注：PWM是一种很常用的以数字信号控制模拟信号平均电压的方法。通过使用高分辨率的计数器，对矩形波的占空比进行脉宽调制，从而形成PWM信号。）2）直流电动机的运行控制如果PWN信号发生器输出的矩形波信号为12V，且占空比为50%，于是得到PWM信号的平均电压为6V，这与电池所提供的电压相同。如果想让电动机的转速可控，就需要使用PW信号来给电动机供电。比如需要电动机的转速低于6V时的转速，只要把PWM信号的平均电压降
13、低，即占空比减小即可；如果需要转速提高则通过增加PWM信号的平均电压来3）直流电动机的转速，转向控制注：图中所示为一个典型的直流电机控制电路，4个三极管）电机驱动电路包括4个三极管和一个电机，要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管，根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动电机周
14、围的箭头指示为顺时针方向）当Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一个方向转动电源的接地端,Gnd(10管脚晶振引脚,XTAL1(4管脚和XTAL2(5管脚2）逻辑关系表ENABLE A(P1.4INPUT1(P1.0INPUT2(P1.1电机转向H(1H(1LL(0H同IN2同IN1停止L(0X(0、1X和环境干扰过大时,必需选低一点的波特率(即通信速率。烧录成功与失败,可以从信息区的提示看出。选择并设置好串口后(一般不需更改,进入第四步,而这一步基本上不用更改。设置时钟倍频主要是为了提高工作速度,设置时钟增益是为了降低电磁幅射。这些,对于高级工程人员和最终产品会很有用,
15、对于初学者来说,只当没有看见就行了.第五步是最后一步,点击“Download/下载”,就可以进入烧录状态。五、安装与调试1.电路板原理图*四足步行器控制板*四足步行器控制系统电路图*四足步行器控制板2.手工制版图3.安装元件1）根据电路板的原理图，安装元件，并先用焊锡固定。2）零件在装配前必须清理干净，不得有毛刺、飞边、沙尘等。3）装配前应对零部件主要配合尺寸，特别是过盈配合尺寸及相关精度进行复查。4）装配过程中零件不允许磕碰、刮伤和锈蚀。5）按照四足步行器装配图的要求对各零部件进行装配。4.焊接工艺 电烙铁要先接近元件脚12秒的预热 电烙铁和焊锡均与45度角接近元件脚 焊点要光滑圆润，不能有
16、杂质，焊点也不能过大 焊接导线线头不能过长，以防发生短接5.系统调试 焊接好电机板，然后调试对各个接地点用万用表测试） 接上电源，测试电源输出 对程序进行调试 接上电机进行前进后退的运动调试六、心得体会四脚爬行器由香港理工大学的郑继昌教授所设计，这次工程实训是以小组为单位，由老师带队完成的，这个过程中不仅考验我们的相关知识及动手能力，还考验我们的团队合作精神，对我们今后工作有很大的帮助。在这次工程实训的过程中，我主要负责车床的零件加工和电机板的制作。在工程进行到装配调试阶段的时候我们到了一些问题，就是在各零部件都装配完成和电路板检查没问题的情况下通电进行调试，但四足步行器却不能动作。后来过我们的反复检查，确定是单片机芯片没有烧录到程序，最后也通过了老师的确认，我们重新把源程序烧录进芯片里再进行调试，最后问题解决了，四足步行器可以正常动作。经过这次的工程实训我学习到了很多东西，更加巩固了我的专业知识和提高我的实践动手能力，更重要的是让我深刻地感受到了团队合作的重要性，这次工程实训和工程设计让我受益匪浅。参考文献：1.ttp:/ 23附件：注：电路原理图，手工制版图，源代码，元件清单，实物照片等）清单元件：8个二级管、4个发光二极管、2个电解电容10uF、2个瓷片电容30pF、1个晶振、排座、排阻、1个三极管、单片机、线路板、电源变压器
