1、课程设计任务书（ 2015 级 ）目录摘要4 引言5 任务书6 第一章 我国机器人技术的发展概况7 第二章 机器人的总体设计解剖 1.1 资料的收集与阐述7 1.2 机器人工作原理简介 1.总体设计剖8 2.伺服电机的剖析-9 第三章 机器人总体设计综述12 1、1 设计课题的阐述12 1、2 单片机的选择-12 1、3 主控板部分简介12 第四章 机器人的总体设计方案与部分简介 1、1 设计方案13 1、2 各部分功能及原理简介13 第五章 机器人的原理图设计、仿真及电路板制作 1、1 机器人的原理图设计-15 1、2 电源部分16 1、3 稳压电源部分-16 1、5 接口电路部分-17 1
2、、6 单片机最小系统和 ISP 在线编程18 1、9 电路板制作18 第六章 机器人电路板的调试与结论 2第页 共 31 页1、1 数据的采集电路和处理方法-21 1、2 机器人测脉宽程序-23 1.2 送数据程序27 1、3 调试结论31 第七章 心得体会-31 附录： 1 元器件清单32 2 参考文献-32 摘要设计题目跳舞机器人30 年前，比尔盖茨毅然弃学，创立微软，成为个人电脑普及革命的领军人物；30 年后的今天，他预言，机器人即将重复个人电脑崛起的道路。点燃机器人普及的“导火索”，这场革命必将与个人电脑一样，彻底改变这个时代的生活方 式。机器人作为人类20 世纪最伟大的发明之一，在短
3、短的几十年内发生了日新月异的变化。近几年机器人已成为高技术领域内具有代表性的战略目标。机器 人技术的出现和发展，不但使传统的工业生产面貌发生根本性变化，而且将对 人类社会产生深远的影响。随着社会生产技术的飞速发展，机器人的应用领域 不断扩展。从自动化生产线到海洋资源的探索，乃至太空作业等领域，机器人 可谓是无处不在。目前机器已经走进人们的生活与工作，机器人已经在很多的 领域代替着人类的劳动，发挥着越来越重要的作用，人们已经越来越离不开机 器人帮助。机器人工程是一门复杂的学科，它集工程力学、机械制造、电子技 术、技术科学、自动控制等为一体。目前对机器人的研究已经呈现出专业化和 系统化，一些信息学
4、、电子学方面的先进技术正越来越多地应用于机器人领域。目前机器人行业的发展与 30 年前的电脑行业极为相似。今天在汽车装配线上忙碌的一线机器人，正是当年大型计算机的翻版。而机器人行业的利基产品也同 样种类繁多，比如协助医生进行外科手术的机械臂、在伊拉克和阿富汗战场上 负责排除路边炸弹的侦察机器人、以及负责清扫地板的家用机器人，还有不少 参照人、狗、恐龙的样子制造机器人玩具。关键词： STC15W4K60S4； 伺服电机， 单片机； 机器人。 31第页 共 31 页Abstract30 years ago, Bill Gate resolutely abandoned school, founde
5、d Microsoft, became a leading figure in the popularization of the personal computer revolution;30 years later, he predicted, robot is about to be repeated personal computer rising road. Lit robot Popularization fuse, this revolution will and personal computer, completely change the way of life of th
6、is era. One of the greatest invention robot as human beings in twentieth Century, happened to change rapidly changes in decades. In recent years, robot has become a strategic goal ofhigh technology inthe field ofrepresentative. The appearance and development of robot technology, not only the traditi
7、onal industrial production has undergone a fundamental change, and will havea profound impact on human society. With the rapid development of social production and technology, the application of robotics has been extended. Exploration from the automatic production line to the marine resources, and t
8、he space operation field, robots can be seen everywhere. Current machine has entered peoples life and work, the robot has been in many areas to replace human labor, plays a more and more important role, more and more people have cannot do without the help of robot. Robot engineering is a complexsubj
9、ect,itsetstheengineeringmechanics,mechanical manufacturing, electronic technology, science and technology, automatic control for the whole. At present the research of robots has been showing a professional and systematic, advanced technology and some information science, electronics are increasingly
10、 used in the field of robot. At present the development of robot industry and 30 years ago is very similar to the computer industry. Today in the line of robot car assembly line busy, was the large computer version. But the robot industry is also a wide variety of niche products, such as mechanical
11、arm, assisted the doctor in performing the surgery operation in Iraq and Afghanistan, in charge of reconnaissance robot out roadside bombs and household robot for cleaning floors, there are a lot of reference person, dog, dinosaur like manufacturing robot toy.Keywords:STC15W4K60S4;servo motor,single
12、 chip microcomputer;robot.引言 舞蹈机器人具有人类外观特征、可爱的外貌、又兼有技术含量，极受青少年的喜爱。我们的毕业设计开始机器人方面的研究，在这过程中尝试过很多次的失败，也感受到了无比的乐趣。基于前几届本课题设计的缺陷和不足之处本文提出了采用 STC 单片机 STC15W4K48S4 的跳舞机器人的设计方案。方案以单片机作为系统的控制核心，详细介绍了通过 STC15W4K48S4 单片机来控制机器人， 实现跳舞的功能。并且整个系统具有电路简明、应用方便、性价比高等特性。任务书毕业设计课题为：遥控唱歌跳舞机器人的探索实验。主要任务内容有以下几点：1、收集相关机器人的资
13、料及机器人相关工作原理的。 2、阅读相关单片机的书籍，丰富自己的编程知识。3、对已有的机器人进行了解和解剖。 4、解剖机器人的结构组成。 5、解剖机器人的各部分相关原理。 7、根据解剖的结构设计出自己的主板。 8、将自己设计的主板放入机器人看看是否能够驱动机器人做出表演。 9、写出这次探索实验的论文。 10、写出这次探索的心得体会。 11、附录相关程序及元器件清单。第一章 我国机器人技术发展概况 在我国发展机器人技术起步于上个世纪 70 年代末，但是，机器人技 术的发展引起我国科技界的高度重视。许多项目已被列入“863” 、“八五”、“九五”科技发展计划中。被列入国家重点工程的“机器人示范工程
14、 ”已由中国科学院沈阳自动化所完成，于 1990 年通过国家验收后向全国开放。他们已研制出多种型号的工业机器人、水下机器人、移动机器人等，已 成为我国机器人研究、开发及国内外机器人技术交流的基地。另外，我国高等院校，如国防科技大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、清华大学等在步行机器人、移动机器人等前沿领域的研究取得了可喜的成绩。国防科技大学在 1990 年成功研制出我国第一台两足步行机器人的基础上，经过 十年攻关，于 2000 年 12 月29 日研制成了我国第一台类人 机 器 人 “ 先 行 者 ” ， 实 现了 机 器 人 技 术 的 重 大 突 破 。哈 尔 滨 工 业 大学成功研制壁面
15、清洗爬壁机器人，可以用于瓷砖壁面和玻璃壁面的清洗作业。现在我国已经拥有 700 多家机器人用户， 3500 多台机器人（不包括台湾的 6000 余台），这标志着我国的机器人工业前进了一大步,正在朝机器人工业大国迈进。第二章机器人的总体设计解剖1.1 资料的收集与阐述 此次毕业设计，单片 机跳舞机器人课题小组有 11 人 ， 我们利用课余时间收集相关机器人的发展史以及如何利用单片机作为微处理器控制机器人的相关实例。因为我们这次的毕业设计是建立在现有机器人之上将其主控部分换成我们熟悉的单片机来控制的一个课题，所以我们就得先找到一款符合，并且适合我们的一款机器人来进行我们要的设计。于是我们利用上一届
16、所买的机器人， 进行设计和制作。这款机器人（如图 1） 。（图 1） 这款机器人用遥控器直接控制的模式，组合操纵杆，按钮，可步行，胳膊动作， 练武及日常的精彩动作及表情表演。有声音识别功能， “前进”、“后退”、“你好”等简单的 10 句短语，象是与朋友聊天一样，他/她就会做出相应的动作表演了！重量约 350 克，电源使用三洋 SANYO ENELOOP AAA 充电式镍氢电池(3 节)控制方式为红外线控制， 伺服器马达有 1 7 个，分别为左右脚个5 个，左右手各 3 个， 头部 1 个，最大可动角度 220 度，使用金属齿轮，内置离合器遥控器高 86MM 宽 100MM 厚 40MM，装有
17、液晶显示屏：16*32dot，用转换通道开关 A-B ，可以同时控制两台。通过对这款机器人的了解我们一致觉得这款机器人很符合我们的设计要求，并能够实现我们想要的设计效果。1.2 机器人工作原理简介1、总体结构的剖析我们对这款机器人做了一个解剖，解剖主要是把这个机器人拆了，并且把其中的一些我们需要的数据进行一些测量在对这些数据进行分析， 据我们所了解和掌握的数据表明这款机器人是一个没有传感器的机器人，这使得我们在对其进行改换单片机来控制这一方案变得电路的设计会简单起来。下面我用一个框图（如图 2）把这款机器人的总体结构做一个比较形象的论述。（图 2）机器人（主板）总体结构框图从上图我们可以很清晰
18、的看出机器人的总体结构。这样就能够比较清晰的了解到这款机器人的总体工作原理。 （1） 电源 电源是由电池(3 节，4.5v)供电的；从图上很容易看得出来机器人电源是有两路电源的。一路是直接由电池供电的 VCC，另一路是由主板电路将进来的主电源稳压成 3.3V 的供电电路。（2） CPU 部分主要的控制，通过内部的程序来产生相对应的数据，再把这些数据发送到每一个部分，实现相应的动作要求。（3） 伺服电机的剖析 机器人的本质特征就是能动。是一种可以像人一样能动的机器，所以说机器人最终要的就是电机了。不过，机器人当中的电机并不是普普通通的电机， 这种电机是伺服电机。下面我就对一种常用的伺服电机做一个
19、介绍（这款机器人的伺服电机是有点区别的， 不过在原理上是相通的）： A伺服电机（servo motor）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动 机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制， 并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类（这款机器人使用的是直流伺服电机），其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的 增加而匀速下降。这款机器人所用
20、的伺服电机在伺服电机的领域内又叫做微型 伺服马达，它总共使用了17 个微型伺服电机。一个微型伺服马达内部包括了一个小型直流马达；一组变速齿轮组；一个反馈可调电位器；及一块电子控制板。其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之 产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低。B、一个微型伺服马达是一个典型闭环反馈系统，其原理可由下（图 3）表示：（图 3）减速齿轮组由马达驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉
21、冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动马达正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为 0，从而达到使伺服马达精确定位的目的。那么这些伺服电机是怎么控制的呢？标准的微型伺服马达有三条控制线，分别为：电源、地及控制。电源线与地线用于提供内部的直流马达及控制线路所需的能源，电压通常介于4V6V 之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服马达会产生噪音）。甚至小伺服马达在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms2ms 之间，而低电平时间应在5ms 到 20ms 之间，并不很严格
22、，下表表示出一个典型的 20ms周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂位置的关系（如图 4）：（图 4）C、刚刚也说了这款机器人使用的微型伺服电机和一般通用的伺服电机是有点差别的具体差别在哪呢?接下来我就对这款机器人的微型伺服电机做个简介：1、如下图（图 5）示是这款机器人的伺服电机接口：（图 5）从图示的接口中我们不难看出这种伺服电机是有 4 条线控制的，其中VCC 是给电机供电的，电压为4.5V；VDD 是给伺服电机中的控制芯片供电的，电压为 3.3V； 数据则是由主板控制芯片给伺服电机控制数据的端口；最后则是接地了。而且，这款机器人当中的伺服电机均是并联的，下面我以左脚的电机为例子
23、做一个介绍（如图 6）：（图 6）如上图所示，这款机器人的伺服电机是通过并联的方式连在一起的，简单地说也就是主板控制芯片发出一组数据，由各个电机中的控制芯片自己认出属于自己的数据并作出相应的动作。第三章【机器人的总体设计综述】1.1 设计课题的阐述通过对这款机器人的解剖后我们就已经对这款机器人有所了解了那么我们这次课题设计的题意是把机器人自带的主板换成我们学过的，熟悉的单片机来实现同样功能的电路主板或者是说用我们所熟悉的单片机来替换原有的控制部分并实现我们想要的功能。1.2 单片机的选择我们通过查阅大量的单片机资料，并结合我们原有的电源等硬件设施，最终确定了单片机就使用 STC 15W4K48
24、S4 作为我们的主控微处理器，后面会对这个单片机做一个介绍。1.3 主控板及遥控部分简介主控制系统是由 AAA 充电式镍氢电池(3 节)+4.5V 和+3.3V 双电源供电的，按照这样的电源电路要求我们已经有一路电源是符合要求的，因此我们就得再设计一路电源是+3.3V 供电的电路。通过我们查阅大量的稳压电路资料决定利用稳压 IC LP2985AIM5X-3.3 稳压得到+3.3V 电源。1.4 整个主控制系统分为三个部分： 第一部分是单片机控制部分；第二部分是稳压部分；第三部分是驱动部分； 这样的三个部分组合起来就是我这次设计的主板系统控制部分，这样的设计 既简单又可行。第四章【机器人的总体设
25、计方案及部分简介】1.1 设计方案 在之前的机器人解剖中，介绍了这块机器人的各个部分的功能及各个部分的 一些工作原理，接下来我们按照课题的设计要求开始我们自己的设计。接下来我主要讲一讲我的设计方案，及各个部分的功能和原理介绍。下面是我这次设计当中的系统主板总体结构框框图（如图 7 所示）：（图 7）主板总体设计框图1.2 各部分功能及原理简介A、主控微处理器 CPU 模块：采用的微处理器单片机芯片是STC 公司生产的12C5A48S2 单片机，我们选用的是 48 引脚 LQFP 封装的芯片。这款单片机功能强大，可以位寻址。电压带宽是：3.3V-5.5V，这使得我们主电源的供电 4.5V处在这一
26、电压范围。flash 程序存储器大小为 48k，同时具有 44 个 I/O 口，而且这款单片机是 可以完成 ISP 在线编程功能的。下面是这款单片机的一个分装引脚图（如图 8 所示）：（图 8）B 、 IC CD4050六同相缓冲/变换器CD4049 是六反相缓冲器（如图 9 所示），具有仅用一电源电压(VCC)进行逻辑电平转换的特征。用作逻辑电平转换时，输入高电平电压(V IH)超过电源电压V CD。该器件主要用作 COS/MOS 到 DTL/TTL 的转换器，能直接驱动两个DTL/TTL 负载。CD4049 可替换 CD4009，因为 CD4049 仅需要一电源电压， 可取代 CD4009
27、 用于反相器、电源驱动器或逻辑电平转换器。CD4049 与CD4009 引出端排列一致，16 引出端是空脚 ，与内部电路无连接。若使用时不要求高的漏电流或电电压转换，推荐使用 CD4050 六反相器。CD4050 是非反相六缓冲器，具有仅用一电源电压(VCC)进行逻辑电平转换的特征。用作逻辑电平转换时，输入高电平电压(VIH) 超过电源电压 VCC。该器件主要用作COS/MOS 到 DTL/TTL 的转换器，能直接驱动两个 DTL/TTL 负载。因此我们让CPU 的数据信号通过 CD4050 来驱动伺服电机（图 9）C、电源模块：主电源采用 AAA 充电式镍氢电池(3 节)+4.5V 我们把这
28、路电源称作 VCC，副电源是通过稳压集成 IC LP2985AIM5X-3.3 稳压得到+3.3 直流电压。供给伺服电机内部控制电路。 第五章 机器人的原理图设计、仿真及电路板制作1.1 机器人原理图设计（如图 10 所示） （图 10）电路总体设计原理图1.2 电源部分电路：（图 11）上面的图（如图11 所示）是电源进来的一个电源开关控制部分原理图。从图中我们可以看出由电池供电出+4.5V 后经过一个单刀单掷开关到一个自恢复保险丝，这里要说下为什么要使用自恢复保险丝；这个自恢复保险可以很好地保护到电路和电机。当电路，或者电机电流过大时，自恢复保险丝就会自动断开。在断电后，它又将恢复到导通状
29、态，待电路检测好以后，在通电调试。电解电容 C7 则是一个电源滤波电容，可以很好的滤除电池电源交流成分。1.3 稳压电源部分在之前的介绍中我讲到了，机器人供电是有两路电源供电的，一路是 VCC（+4.5v）另一路是VDD（+3.3v），也就是接下来要介绍的这个稳压电源部分。下图是稳压电源部分的电路原理图（如图 12 所示）：（图 13）从上图（如图 13 所示）中可以看出，VCC（+4.5v）从 ICLP2985AIM-3.3 的1 脚和 3 脚输入，经 C6 滤波，其中 3 脚是一个芯片的开关，高电平开，低电平关。所以也接入高电平。芯片 5 脚就可以输出+3.3V 直流电源了。那么这个外围电
30、路是怎么确定下来的呢？我查了这块芯片的资料后就根据下图（如图14 所示) 的原理来设计出这个稳压电路的。(图 14） 芯片内部工作原理图 1.4 接口电路 （图15）如图 15 所示，在和伺服电机接口电路设计中，沿用原有插座，我在设计时就采用和原有的插座大小一样的排针(2.0)作为接口电路的输出插针。在李天恩老师的指导下在伺服电机供电两端加入两个电容滤波，这样可以很好的将电机产生的回流（交流成分）很好的滤除，以防止击穿主控芯片。1.5 单片机最小系统和 ISP 在线编程 和往常的单片机电路一样的最小系统电路，晶振选择的是 11.0592MHZ，这样时钟会比较准确（如图 16 所示）。（图 16） （图 17）ISP 在线编程很方便而且简单的实现单片机下载程序，这样能省去我们很多买单片机烧写器的开支。依据 STC 单片机芯片资料的介绍确定了ISP 的接口电路（如上图 17 所示）。只要接 4 根线，分别是、，这样
