畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-遙控滅火機(jī)器人設(shè)計(jì).doc

451 機(jī)器人概述 1.1 引言 自1954年美國(guó)g.c. devol發(fā)表了“通用重復(fù)型機(jī)器人”專利論文和1958年美國(guó)consolidated發(fā)表“數(shù)字控制機(jī)器人”論文，揭開了機(jī)器人研究的序幕以來，機(jī)器人科學(xué)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。它現(xiàn)在己經(jīng)發(fā)展成為一門涉及到力學(xué)、電子學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制理論、傳感器技術(shù)、機(jī)械工程、仿生學(xué)和人工智能等諸多學(xué)科領(lǐng)域的綜合性學(xué)科。隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人被大量地應(yīng)用于空間、海洋、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家庭以及醫(yī)療衛(wèi)生等眾多領(lǐng)域，用途越來越廣泛。機(jī)器人的發(fā)展大致經(jīng)過以下三代的演變: 第一代是順序控制機(jī)器人。它們是以1962年amf公司和unimation公司的“versatran”與“unimate”為起始產(chǎn)品，目前的應(yīng)用已經(jīng)普及化。這一代的機(jī)器人沒有裝配傳感器，依靠人們給定的程序,重復(fù)進(jìn)行各種操作。因?yàn)樗鼈儧]有傳感器的反饋信息，因此不能在作業(yè)過程中從外界不斷獲取信息，來改善其自身的行動(dòng)品質(zhì)，故應(yīng)用范圍和精度受到限制。 第二代是具有簡(jiǎn)單的傳感器反饋信息的機(jī)器人。它有若干傳感器，能對(duì)自身的實(shí)際位置、方向、速度、力、觸覺等進(jìn)行測(cè)量，能通過“視覺”、“觸覺”等傳感能力對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行實(shí)際探測(cè)，從而根據(jù)這些反饋信息，在事先編好的算法和程序指導(dǎo)下對(duì)操作過程進(jìn)行調(diào)整。 第三代是能感知外界環(huán)境與對(duì)象物，并具有對(duì)復(fù)雜信息進(jìn)行準(zhǔn)確處理，對(duì)自己行為作出自主決策能力的智能機(jī)器人。它能識(shí)別景物;有觸覺、視覺、力覺、聽覺，味覺等多種感覺;能實(shí)現(xiàn)搜索、追蹤、辨色和識(shí)圖等多種仿生動(dòng)作;具有專家知識(shí)、語(yǔ)音功能和自學(xué)習(xí)能力等人工智能。遙操作機(jī)器人科學(xué)作為機(jī)器人科學(xué)的重要分支，一直得到了人們的廣泛重視和關(guān)注。它的應(yīng)用，在一定程度上將人類從一些危險(xiǎn)、極限、不可達(dá)和不確定的環(huán)境中解放出來，人們希望能夠在遠(yuǎn)距離遙操作機(jī)器人來完成一些人類不易或者不能完成的操作，例如: 航空航天探測(cè)和試驗(yàn)，核工業(yè)生產(chǎn)，有毒以及易爆危險(xiǎn)品的處理，地下、海底作業(yè)等等。在操作者和控制對(duì)象之間存在遠(yuǎn)距離跨度約束的情況下，遙操作機(jī)器人技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人的同步交互操作，幫助人類實(shí)現(xiàn)感知能力和行為能力的延伸，將操作者、機(jī)器人和控制對(duì)象閉合到一個(gè)環(huán)路中。使得人類可以不必親臨現(xiàn)場(chǎng)，而通過安裝在機(jī)器人身上的各種傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)的有關(guān)數(shù)據(jù)、圖像和語(yǔ)音，在經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗笥行Э煽康貙⒂嘘P(guān)信息傳遞給操作者，在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)視頻技術(shù)的幫助下，操作者可以實(shí)時(shí)的獲知機(jī)器人操作現(xiàn)場(chǎng)的情況，并克服傳輸過程中的時(shí)延，得心應(yīng)手地在本地對(duì)遠(yuǎn)端的機(jī)器人進(jìn)行操作，進(jìn)而作用到操作現(xiàn)場(chǎng)達(dá)到交互控制操作對(duì)象的目的。1.2移動(dòng)機(jī)器人 作為機(jī)器人科學(xué)的一個(gè)重要組成部分，移動(dòng)機(jī)器人一直都是機(jī)器人科學(xué)的研究熱點(diǎn)之一,移動(dòng)機(jī)器人能夠移動(dòng)到固定機(jī)器人無(wú)法到達(dá)的預(yù)定目標(biāo)，完成設(shè)定的操作任務(wù)。近年來對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究受到重視，自主式移動(dòng)機(jī)器人是研究最多的一種。作為智能機(jī)器人的一種，自主式機(jī)器人能夠按照預(yù)先給出的任務(wù)指令，根據(jù)已知的地圖信息作出全局路徑規(guī)劃，并在行進(jìn)過程中，不斷感知周圍環(huán)境信息，引導(dǎo)機(jī)器人自身繞開障礙物，安全行駛到達(dá)指定目標(biāo)，并執(zhí)行要求的動(dòng)作與操作。 移動(dòng)機(jī)器人就其運(yùn)動(dòng)方式來說，可以分為陸、海、空三類。對(duì)于陸地機(jī)器人來說，按照移動(dòng)方式，又可以劃分成輪式移動(dòng)機(jī)器人、步行移動(dòng)機(jī)器人、蛇行機(jī)器人、履帶式移動(dòng)機(jī)器人、爬行機(jī)器人等幾種，本文將要研究的是陸地輪式移動(dòng)機(jī)器人。移動(dòng)機(jī)器人正在越來越受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，它在工業(yè)、民用、國(guó)防上都具有廣泛的應(yīng)用前景，如清洗機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、導(dǎo)游機(jī)器人、巡邏機(jī)器人、防化偵察機(jī)器人、水下自主作業(yè)機(jī)器人、飛行機(jī)器人等1.3 遙控機(jī)器人遙控機(jī)器人是一種可在對(duì)人有害或人接近的環(huán)境里,代替人去完成一定任務(wù)的遠(yuǎn)距離操作設(shè)備,而正是這些危險(xiǎn),惡劣,有害環(huán)境推動(dòng)了機(jī)器人的發(fā)展,我們的祖先用長(zhǎng)柄夾鉗去夾持燒紅的鐵塊,進(jìn)行鍛打以免燙傷人手,這可以說是人類應(yīng)用機(jī)器人的例子.1948年，美國(guó)阿爾汞實(shí)驗(yàn)室研制了一個(gè)應(yīng)用于原子堆操作的反饋式遙操作機(jī)械式主從機(jī)械手m- i，這個(gè)就是遙控機(jī)器人的雛形。隨著人工智能等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，遙控機(jī)器人科學(xué)取得了明顯的進(jìn)步。遙控機(jī)器人科學(xué)已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域的重要前沿課題，受到很多發(fā)達(dá)國(guó)家的重視，例如美國(guó)、俄羅斯、日本以及歐盟等地的研究機(jī)構(gòu)都是投入了巨資進(jìn)行遙控機(jī)器人的研究開發(fā)工作。 遙控機(jī)器人的研究最早主要是應(yīng)用于空間領(lǐng)域。美國(guó)的nasa的ime和jpl，日本宇航局，德國(guó)宇航研究院和歐洲空間局長(zhǎng)期致力于該領(lǐng)域的研究，取得了豐碩的成果。其中代表性的成果有: 美國(guó)nasa的火星探測(cè)器成功登陸火星并且進(jìn)行了相關(guān)研究;德國(guó)的rotex艙內(nèi)空間機(jī)器人系統(tǒng)在航天飛機(jī)的密封艙內(nèi)進(jìn)行了多種操作試驗(yàn)。隨著我國(guó)“神舟號(hào)”飛船研究工作的成功推進(jìn)，相信對(duì)于機(jī)器人的遙操作的研究在我國(guó)也將取得令人矚目的成功。 遙控機(jī)器人在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用也是一個(gè)很重要的方面。使用遙控機(jī)器人可以完成探雷、處理爆炸物、偵察甚至作戰(zhàn)等功能。其中使用遙控機(jī)器人進(jìn)行爆炸物的排除己經(jīng)廣泛的應(yīng)用到了警察的反恐活動(dòng)中。 隨著機(jī)器人科學(xué)的發(fā)展，遙控機(jī)器人作為工具，越來越深入人們的日常生活，被廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療、探測(cè)、消防、建筑、教育以及保安等諸多民用領(lǐng)域。在2002年引起了人們極大關(guān)注的埃及金字塔探秘活動(dòng)就是在一個(gè)遙控機(jī)器人的協(xié)助之下進(jìn)行的。相信遙控機(jī)器人在民用領(lǐng)域的研究一定會(huì)有著十分廣闊的應(yīng)用前景。 近年來，計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)取得了飛速的發(fā)展，尤其是隨著internet的高速發(fā)展和普及，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)在各個(gè)行業(yè)正在發(fā)揮著越來越大的作用，整個(gè)世界更加緊密的聯(lián)系在了一起。基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人控制就是利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的機(jī)器人控制。網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率、時(shí)間遲延、數(shù)據(jù)丟失等因素是基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人控制所面臨的問題，一些有效的處理方法和控制方案已經(jīng)被應(yīng)用到基于網(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人遙控中。 互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展進(jìn)一步促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在機(jī)器人控制領(lǐng)域的應(yīng)用?；诰W(wǎng)絡(luò)的機(jī)器人控制技術(shù)也從初期的簡(jiǎn)單的機(jī)器人遙控應(yīng)用逐漸擴(kuò)展到分布式機(jī)器人控制系統(tǒng)等研究領(lǐng)域。利用現(xiàn)有的internet技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)于機(jī)器人的控制是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作，這一技術(shù)的應(yīng)用將進(jìn)一步豐富機(jī)器人遠(yuǎn)程控制手段，具有良好的發(fā)展趨勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景1.2 設(shè)計(jì)概述2.1設(shè)計(jì)任務(wù)本設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)遙控滅火機(jī)器人，要求人通過手持遙控裝置對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制，機(jī)器人能夠按照人的意圖實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左傳、右轉(zhuǎn)、停止來選擇合適的路線，到達(dá)目的地（火源-本設(shè)計(jì)主要是針對(duì)室內(nèi)的蠟燭火源的滅火），然后人通過手持遙控裝置遙操作啟動(dòng)/停止風(fēng)扇（滅火裝置）。撲滅火源。2.2 設(shè)計(jì)方案2.2.1總體設(shè)計(jì)方案根據(jù)設(shè)計(jì)要求，遙控滅火機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要由三部分組成：遙控發(fā)送部分，接收部分，滅火部分。方案確定采用以pic16f84a為核心的的單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制，總體設(shè)計(jì)如圖2-1所示。紅外線發(fā)送部分采用了一片pic16f84a單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)的編碼，發(fā)送器有7個(gè)按鈕，分別實(shí)現(xiàn)遙控機(jī)器人的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，以及安裝在機(jī)器人身上的風(fēng)扇的啟動(dòng)和停止，單片機(jī)對(duì)按鈕的掃描、識(shí)別和編碼，然后通過紅外線led把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。接收部分也采用一片pic16f84a單片機(jī)作為整個(gè)控制部分的核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作控制。接收模塊接收到的數(shù)據(jù)通過pic16f84a單片機(jī)的解碼，把數(shù)據(jù)送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ta7257p或者風(fēng)扇啟動(dòng)/停止部分，ta7257p則負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)（dc電機(jī)）。機(jī)器人采用了兩片ta7257p電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，前進(jìn)則兩個(gè)dc電機(jī)正轉(zhuǎn)，后退則兩個(gè)dc電機(jī)反轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)則左dc電機(jī)停止，右dc電機(jī)正轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)則反之。滅火部分的設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單，只要在單片機(jī)一個(gè)引腳產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)就可以了。圖2-1 總體結(jié)構(gòu)框圖2.2.2 遙控發(fā)送部分的設(shè)計(jì)遙控發(fā)送部分是基于ppm的紅外線通信方式，通信原理在后面的“設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”里有詳細(xì)介紹，這套裝置適用各種機(jī)器人的遙控操作，本設(shè)計(jì)為發(fā)送器準(zhǔn)備了5個(gè)按鈕，每個(gè)按鈕對(duì)應(yīng)一個(gè)移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)作，發(fā)送部分關(guān)鍵是它的數(shù)據(jù)格式，發(fā)送數(shù)據(jù)包括10位，每次發(fā)送十位數(shù)據(jù)，第1位為開始位（“1”），其后的4位為移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)作數(shù)據(jù)，最后的5位為停止數(shù)據(jù)（“01010”），每一位的發(fā)送時(shí)間大約為600us，為了防止發(fā)送端的誤操作，當(dāng)發(fā)送完1次數(shù)據(jù)后設(shè)置了20ms的停止時(shí)間。2.2.3 接收部分的設(shè)計(jì)在接收部分采用了以pic16f84a單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)，其關(guān)鍵技術(shù)也在于接收數(shù)據(jù)的處理，在接收器的一側(cè)，以發(fā)送數(shù)據(jù)的開始位為起始標(biāo)志，從其后的4位中取得動(dòng)作數(shù)據(jù)然后再判斷停止位是否與“01010”一致。如果停止位不符，則放棄此動(dòng)作數(shù)據(jù)，并回到接收待機(jī)狀態(tài)。停止位也可以省略。但抗干擾能力隨之下降，將干擾信號(hào)認(rèn)讀成發(fā)送數(shù)據(jù)的可能性加大。比如，試驗(yàn)時(shí)甚至出現(xiàn)接收器上電后某動(dòng)作始終動(dòng)作的情況，可見，如果機(jī)器人遙控接收器將數(shù)據(jù)格式的停止位省略，同樣可能在上電后出現(xiàn)意象不到的誤操作。若要提高通信的可靠性，可以要求發(fā)送器重復(fù)2次發(fā)送數(shù)據(jù)，接受器也反復(fù)2次校對(duì)接收數(shù)據(jù)的方法。2.2.4 滅火部分的設(shè)計(jì)滅火部分其實(shí)就是一個(gè)電風(fēng)扇，電風(fēng)扇的電源電路圖是不與單片機(jī)聯(lián)系的，但在本設(shè)計(jì)中就必須要單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這里用三極管當(dāng)電源驅(qū)動(dòng)。rb4口接三極管基極，在適當(dāng)時(shí)候令單片機(jī)的接口產(chǎn)生一個(gè)+5v的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電風(fēng)扇。3 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3.1 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.1.1 單片機(jī)的概述及應(yīng)用特點(diǎn)1單片機(jī)的概述現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)都是向巨型化、微型化、網(wǎng)絡(luò)化及智能化發(fā)展。其中微型化是計(jì)算機(jī)發(fā)展的重要方向，把計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器、控制器、儲(chǔ)存器、輸入/輸出接口四個(gè)組成部分集成在一個(gè)硅片內(nèi)，于是就出現(xiàn)了一個(gè)大規(guī)模集成電路為主組成的微型計(jì)算機(jī)（microcomputer）單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)，由于單片機(jī)的重要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)橹悄芑娮赢a(chǎn)品，一般需要嵌入儀器設(shè)備內(nèi)，故又稱嵌入式微控制器。微處理器（芯片）本身不是計(jì)算機(jī)，但它是小型計(jì)算機(jī)或微型計(jì)算機(jī)的控制和處理部分。微機(jī)則是具有完整的運(yùn)算及控制功能的計(jì)算機(jī)，它除了包括微處理器（cpucentral processing unit）外，還包括存儲(chǔ)器、接口適配器（即輸入/輸出接口電路）以及輸入/輸出設(shè)備（i/o）等。圖3-1所示為微機(jī)的各個(gè)組成部分。其中，微處理器由控制器、運(yùn)算器和若干個(gè)寄存器組成；i/o設(shè)備與微處理器的連接需要通過接口適配器（即i/o接口）；存儲(chǔ)器是指微機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器（ram、rom和eprom等芯片）。微處理器存儲(chǔ)器接口適配 器i/o接口數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線圖3-1 微機(jī)的組成2單片機(jī)應(yīng)用特點(diǎn)面向控制方面：?jiǎn)纹瑱C(jī)主要應(yīng)用于控制領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)及功能均按自動(dòng)控制要求設(shè)計(jì)，又稱微控器（microcontroller unit，mcu）。利用微控制器進(jìn)行控制的技術(shù)稱微控制技術(shù)。微控制技術(shù)通過對(duì)單片機(jī)編程的方法代替模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分控制功能，是對(duì)傳統(tǒng)控制的一次革命。在線應(yīng)用方面：在線應(yīng)用就是一個(gè)單片機(jī)代替常規(guī)的模擬或數(shù)字控制電路，使其成為測(cè)控系統(tǒng)的一部分，在被控對(duì)象工作過程中實(shí)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并實(shí)時(shí)控制。在線應(yīng)用為實(shí)時(shí)測(cè)控提供了可能和方便。嵌入式應(yīng)用方面：?jiǎn)纹瑱C(jī)在應(yīng)用時(shí)通常裝入到各種智能化產(chǎn)品中，所以又稱嵌入式控制器（embedded microcontroller unit，emcu）。嵌入式使用使得單片機(jī)的應(yīng)用十分靈活。另外，單片機(jī)還具有體積小、成本底、速度快、使用靈活等特點(diǎn)。3.1.2 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1 基本系統(tǒng)單片機(jī)的基本系統(tǒng)也稱最小系統(tǒng)，這種系統(tǒng)所選擇的單片機(jī)內(nèi)部資源已可以滿足系統(tǒng)的硬件需求，不需要外接存儲(chǔ)器或i/o。2 擴(kuò)展系統(tǒng)單片機(jī)的擴(kuò)展系統(tǒng)通過單片機(jī)的并行擴(kuò)展總線（地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線）或串行擴(kuò)展總線在外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、i/o接口等以彌補(bǔ)單片機(jī)內(nèi)部資源的不足。單片機(jī)的擴(kuò)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。a/d電路d/a電路程序存儲(chǔ)器單片機(jī)i/o接口復(fù)位電路總線時(shí)鐘電路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器串行接口并行接口電 源串行輸出設(shè) 備串行輸入設(shè) 備輸入/輸出設(shè) 備輸入/輸出設(shè)備圖3-2 單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.1.3 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域及產(chǎn)品1 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域目前單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)深入到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)各個(gè)行業(yè)的技術(shù)改造和更新?lián)Q代起著重要的推動(dòng)作用。由單片機(jī)的特點(diǎn)決定了單片機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域智能機(jī)器人，智能儀器儀表、機(jī)電一體化、實(shí)時(shí)控制、民用電子產(chǎn)品及國(guó)防工業(yè)等方面。智能機(jī)器人是一門綜合性的學(xué)科，它集工程力學(xué)，機(jī)械制造，電子技術(shù)，自動(dòng)控制等為一體而電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)是他的智能核心，單片機(jī)在這里發(fā)揮它的巨大作用。單片機(jī)價(jià)格低廉，體積小，而又具有計(jì)算機(jī)的一般功能，能嵌入到任何應(yīng)用對(duì)象系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)以智能化為主要的控制目的。對(duì)機(jī)器人技術(shù)中，無(wú)論是過程控制技術(shù)、數(shù)據(jù)采集還是測(cè)控技術(shù)，都離不開單片機(jī)。隨著電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，單片機(jī)在智能機(jī)器人領(lǐng)域?qū)?huì)越來越發(fā)揮它的巨大作用。 2 單片機(jī)產(chǎn)品根據(jù)應(yīng)用范圍的不同，單片機(jī)分為通用型和專用型兩種。通用型單片機(jī)是供廣大用戶選擇使用的具有基本功能的芯片。它性能全面，適應(yīng)性強(qiáng)，能滿足多種控制的需要。但使用時(shí)用戶必須進(jìn)行二次開發(fā)：配備外圍電路，芯片，同時(shí)編寫程序。目前世界上通用單片機(jī)芯片的主要生產(chǎn)廠商有：intel公司，motorola公司，philips公司，simens公司等等。其中intel公司的單片機(jī)最具代表性，它的mcs-51系列應(yīng)用最廣。專用型單片機(jī)是專門針對(duì)某種特定產(chǎn)品而設(shè)計(jì)制造的特殊用途的單片機(jī)，不再需要二次設(shè)計(jì)，也不用進(jìn)行功能開發(fā)。例如來電顯示電話、全自動(dòng)洗衣機(jī)、各種ic卡讀寫器上的單片機(jī)都是專用型單片機(jī)4。3.2 pic單片機(jī)概述pic（periphery interface chip）系列單片機(jī)是美國(guó)microchip公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。pic系列單片機(jī)以其獨(dú)特的硬件系統(tǒng)和指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，逐漸被廣大工程設(shè)計(jì)人員采用，特別對(duì)于單片機(jī)新手，更能充分感受到pic單片機(jī)所具有的性能完善、功能強(qiáng)大、學(xué)習(xí)容易、開發(fā)應(yīng)用方便、人機(jī)界面友好等突出優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)使用了pic單片機(jī)，這里簡(jiǎn)單介紹一下pic單片機(jī)3.2.1 pic系列微控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)pic系列8位單片機(jī)為適應(yīng)各種不同的用途，有多種型號(hào)可供選用。但是，盡管pic單片機(jī)有不同的檔次和型號(hào)，但其最基本的組成則大同小異。因此，在這里從型號(hào)pic16f84的單片機(jī)入手，討論其基本組成。pic16f84是雙列直插式（dip）塑料封裝，最大時(shí)鐘頻率可達(dá)4mhz。pic16f84單片機(jī)器件的主要組成部分如圖3-3所示。pic16f84雖然體積不大，但仍然是一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)，它有一個(gè)中央處理器（cpu），程序存儲(chǔ)器（rom）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram）和兩個(gè)輸入/輸出口（i/o口） 時(shí) 鐘振蕩器cpuw寄存器數(shù)據(jù)寄存器（ram）專用寄存器a口b口cmos輸入和輸出晶振程序存儲(chǔ)器（flash eprom）圖3-3 pic微控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.2.2 pic的種類pic可分為基本產(chǎn)品、中檔產(chǎn)品和高檔產(chǎn)品三大類?；緋ic產(chǎn)品中，命令的字長(zhǎng)（構(gòu)成一個(gè)命令的位長(zhǎng)度）為12位，因此它的價(jià)格比較低，常用的型號(hào)有12c508、16c54等。中檔產(chǎn)品是指命令字長(zhǎng)以14位為主的pic微控制器。常見的型號(hào)有16f84a，16f877a。高檔產(chǎn)品的命令字長(zhǎng)達(dá)到16位，屬于高性能微控制器，常見的型號(hào)有18c44，18f452。在應(yīng)用場(chǎng)合，若控制方式簡(jiǎn)單，就可以選用16f84a，若需要較高的性能，就可以選用16f877a。這兩種產(chǎn)品屬于中檔產(chǎn)品。表3.1給出它們基本功能的比較，可以看出，16f84ade容量大，而且內(nèi)部還藏有a/d轉(zhuǎn)換器。表3.1 基本功能的比較pic型號(hào)程序內(nèi)存/字sram/字節(jié)eeprom/字節(jié)輸入輸出端口/字a/d轉(zhuǎn)換器引腳數(shù)參考價(jià)格/日元16f84a1k686413無(wú)1840016f877a8k36825633內(nèi)置408003.2.3 pic系列單片機(jī)的特點(diǎn)microchip公司是一家集開發(fā)、研制和生產(chǎn)為一體的專業(yè)單片機(jī)芯片制造商，其產(chǎn)品綜合應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路，具有很強(qiáng)大技術(shù)特色。產(chǎn)品采用全新的流水線結(jié)構(gòu)、單字節(jié)指令體系、嵌入flash以及10位a/d轉(zhuǎn)換器，使之具有卓越的性能，代表著單片發(fā)展新的潮流。pic系列單片機(jī)具有高、中、低3個(gè)檔次，可以滿足不同用戶開發(fā)的需要，適合在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。pic系列單片機(jī)具有如下特點(diǎn)：1. 哈佛總線結(jié)構(gòu)pic系列單片機(jī)在普林斯頓體系結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上采用獨(dú)特的哈佛總線結(jié)構(gòu)，徹底將芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，為采用不同的字節(jié)寬度、有效擴(kuò)展指令的字長(zhǎng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。pic系列單片機(jī)哈佛總線結(jié)構(gòu)如圖3-4所示。該結(jié)構(gòu)為實(shí)現(xiàn)指令提取和執(zhí)行的“流水作業(yè)”提供結(jié)構(gòu)保證，即在執(zhí)行一條指令的同時(shí)又協(xié)同下一條指令的取指操作。兩總線的分離，也為pic單片機(jī)實(shí)現(xiàn)全部指令的單字節(jié)和單周期化創(chuàng)造條件，從而大大提高了cpu執(zhí)行指令的速度和工作效率。這里需要說明一條指令執(zhí)行時(shí)間的概念，通常人們都說pic單片機(jī)一個(gè)指令周期執(zhí)行一條指令，如果嵌入的時(shí)鐘振蕩頻率為4mhz，那么一個(gè)指令周期就是1。但這樣一個(gè)結(jié)論是建立在宏觀分析的基礎(chǔ)上，如果深究指令微觀的執(zhí)行過程，應(yīng)清晰地認(rèn)識(shí)到一條指令分為取指過程和執(zhí)行過程2個(gè)步驟，實(shí)際上執(zhí)行一條指令的時(shí)間是2。程序存儲(chǔ)器pic16f8xcpu內(nèi)核數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器程序地址數(shù)據(jù)地址指令總線數(shù)據(jù)總線13位9位14位8位 圖3-4 pic系列單片機(jī)哈佛總線結(jié)構(gòu)pic系列單片機(jī)的程序、數(shù)據(jù)、堆棧三者各自采用互相獨(dú)立的地址空間，前兩者的地址訪問需要用戶特別注意4個(gè)分區(qū)的范圍，而堆棧過程則不必參與和操心。2. risc技術(shù)傳統(tǒng)的cisc（complex instruction set compute-復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）結(jié)構(gòu)有很大的弊端，即隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展而引入新的復(fù)雜指令集，為了支持這些新增的指令功能，計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜。1979年，美國(guó)伯克力分校提出了risc技術(shù)（reduced instruction set computer-精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）的概念。risc技術(shù)并非只是簡(jiǎn)單地去減少指令，而是著眼于如何改善技術(shù)及的結(jié)構(gòu)，更加簡(jiǎn)單合理的提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。pic系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)，由于采用精簡(jiǎn)指令risc技術(shù)，優(yōu)先選取使用頻率最高的精簡(jiǎn)指令，避免復(fù)雜指令，以控制邏輯為主的設(shè)計(jì)理念。pic16f8x單片機(jī)指令集系統(tǒng)只有35條指令，這對(duì)人們?nèi)ビ行д莆蘸屠斫庵噶钕到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)帶來很大的方便。此外，pic系列單片機(jī)全部采用單字節(jié)指令，而且除4條判斷轉(zhuǎn)移指令發(fā)生間跳外均為單周期指令，執(zhí)行速度較高。正是由于pic系列單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線和指令總線的有效分離，所以程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都有各自獨(dú)立的尋址空間。程序存儲(chǔ)器的字長(zhǎng)不再受約于8位一個(gè)字長(zhǎng)，一般可以擴(kuò)展到16位，因而同樣取指，其工作效率要高的多，真正為指令的單字節(jié)化奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，隨著長(zhǎng)機(jī)器碼指令的出現(xiàn)，過去所說的“字”不是通常所指8個(gè)二進(jìn)制位組成的字節(jié)，而是特指pic單片機(jī)的指令字節(jié)。pic系列單片機(jī)各類檔次具有不同的指令字節(jié)寬度，如pic初級(jí)產(chǎn)品的指令字節(jié)為12位，中級(jí)產(chǎn)品的指令字節(jié)為14位，高級(jí)產(chǎn)品的指令字節(jié)為16位；而它們的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都為8位寬度。3. 指令特色pic單片機(jī)的指令系統(tǒng)具有尋址方式簡(jiǎn)單和代碼壓縮率高等優(yōu)點(diǎn)。尋址方式就是在指令中給出操作數(shù)的方法，不同單片機(jī)類型的尋址方式存在著很大的差異。pic系列單片機(jī)的尋址方式共有4種，即寄存器間接尋址、立即數(shù)尋址、直接尋址和位尋址。與其他單片機(jī)相比，pic系列單片機(jī)的尋址方式較為簡(jiǎn)單，比較容易掌握。同時(shí)，pic系列單片機(jī)指令代碼壓縮率高，相同的程序存儲(chǔ)器空間所能容納有效指令的數(shù)量較多。例如，1kb程序存儲(chǔ)器空間，對(duì)于像mcs-51這樣的單片機(jī)大約只能存放500多條指令，而對(duì)于pic系列單片機(jī)則能夠非常有效地利用存儲(chǔ)器的空間，存放多達(dá)1024條指令。4.功耗低由于pic系列單片機(jī)采用cmos，使其功率消耗極低，特別是2004年已推出nw級(jí)器件，是目前世界上最低功耗的單片機(jī)品種之一。其中有些特殊型號(hào)單片機(jī)，在工作模式下的耗電僅為幾毫安；而在休眠模式下的耗電甚至到幾微安以下。因此，pic系列單片機(jī)的低功耗性能使得其在控制儀表以及在汽車電子中得到廣泛的應(yīng)用，尤其適用于野外移動(dòng)儀表的控制以及戶外免維修的控制系統(tǒng)。5.驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)pic系列單片機(jī)i/o端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力較強(qiáng)，每個(gè)輸出引腳可以驅(qū)動(dòng)多達(dá)2025ma的負(fù)載，既能夠高電平直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管led、光電耦合器、小型繼電器等，也可以低電平直接驅(qū)動(dòng)，這樣可大大簡(jiǎn)化控制電路。不過，請(qǐng)注意，每個(gè)引腳的驅(qū)動(dòng)能力并不表示端口引腳同時(shí)都具有這樣的功效。一般端口總驅(qū)動(dòng)能力約6070ma，而所有端口合計(jì)驅(qū)動(dòng)電流小于200ma,詳細(xì)數(shù)據(jù)可參考有關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)。6.同步串行數(shù)據(jù)傳送方式在pic系列單片機(jī)中，有些型號(hào)具有同步串行傳送功能，如pic168x,可以滿足ic(主控/從控)和spi（主控）總線要求。ic（inter integrated circuit bus）和soi(serial peripheral interface)分別是philips公司和motorola公司研制的2種廣泛流行的串行總線標(biāo)準(zhǔn)，是一種在芯片和系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)同步串行數(shù)據(jù)的首選技術(shù)。目前，不少外圍器件開發(fā)商已經(jīng)廣泛采用這2種總線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)出通用模塊式產(chǎn)品，例如：各類存儲(chǔ)器、溫度傳感器、lcd驅(qū)動(dòng)器和日歷時(shí)鐘芯片rtc等。同時(shí)，這些技術(shù)也已在電視機(jī)、手機(jī)等電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。7. 應(yīng)用平臺(tái)界面友好、開發(fā)方便microchip公司為用戶提供了周全的技術(shù)方案，不管是對(duì)初學(xué)者還是后續(xù)的應(yīng)用開發(fā)，都提供了完善的硬件和軟件支持，其包括各種檔次的硬件仿真器和編程器。此外，microchip公司還研制了多種版本的軟件仿真器和軟件集成開發(fā)環(huán)境(mplab-ide),可實(shí)現(xiàn)程序編寫，模擬仿真和在線調(diào)試，為用戶學(xué)習(xí)和實(shí)踐，應(yīng)用與開發(fā)提供了相應(yīng)的技術(shù)空間。借助于這套廉價(jià)的開發(fā)系統(tǒng)，用戶可以完成一些較低層次的電子產(chǎn)品開發(fā)。由此可見，對(duì)初次接觸單片機(jī)的用戶，pic單片機(jī)是一種比較合適的選擇方案。具有較高的技術(shù)性能和眾多可選用的外圍功能模塊，替別是面向教學(xué)實(shí)驗(yàn)的開發(fā)型應(yīng)用平臺(tái)，界面友好、操作方便，更容易被初學(xué)者所接受。8. 程序存儲(chǔ)器版本齊全microchip公司提供的產(chǎn)品是一個(gè)單片機(jī)系列，可供選擇的存儲(chǔ)器類別和產(chǎn)品封裝工藝的形式較多，為產(chǎn)品的不同實(shí)驗(yàn)階段和不同應(yīng)用場(chǎng)合可提供一個(gè)全方位的選擇內(nèi)容和不同的性能檔次。其產(chǎn)品主要有： eprom芯片。它是一種比較普通的可反復(fù)擦/寫的程序存儲(chǔ)器芯片，需要在紫外線下照射20min方能除去其中的信息內(nèi)容。其一般適合科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)，而且不是擦/寫十分頻繁的場(chǎng)合。 一次編程（otp）的eprom芯片。它是在經(jīng)歷過一個(gè)產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)周期后，又必須降低產(chǎn)品成本的情況下使用。其一般合適小批量非定型產(chǎn)品，用戶可以借助于專用設(shè)備自行完成程序的燒寫過程。 掩模rom型芯片。它是在經(jīng)歷過一個(gè)產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)周期后，又必須降低產(chǎn)品成本的情況下使用。其一般適合大批量定型產(chǎn)品，用戶必須請(qǐng)芯片制造商借助于專用設(shè)備自行完成程序的燒寫過程。 eprom或flash程序存儲(chǔ)器。它與其他產(chǎn)品相比，價(jià)格比較昂貴，其最大優(yōu)勢(shì)在于在線進(jìn)行程序的反復(fù)擦/寫，特別適合教學(xué)實(shí)驗(yàn)和程序調(diào)試開發(fā)初期的需要。3.3 pic16f84a芯片介紹3.3.1 pic的組成pic16f84a是一個(gè)小型微控制器，有18條引腳，作為簡(jiǎn)單的控制用途，它的功能已經(jīng)是足夠的。圖3-5為引腳配置圖。表3-2給出各引腳定義說明。 圖3-5 pic16f84a單片機(jī)引腳布置表 3-2 pic16f84a引腳的定義引腳編號(hào)名稱說明1ra2雙向i/o端口（端口的第2位）2ra3雙向i/o端口（端口a的第3位）3ra4/t0cki雙向i/o端口（端口a的第4位）定時(shí)器時(shí)鐘輸入4mclr復(fù)位5vss接地（接電源的負(fù)接線端子）6rb0/int雙向i/o端口（端口b的第0位），外部中斷7rb1雙向i/o端口（端口b的第1位）8rb2雙向i/o端口（端口b的第2位）9rb3雙向i/o端口（端口b的第3位）10rb4雙向i/o端口（端口b的第4位）11rb5雙向i/o端口（端口b的第5位）12rb6雙向i/o端口（端口b的第6位）13rb7雙向i/o端口（端口b的第7位）14vdd電源正極接線端子15osc2/clkout時(shí)鐘端口216osc1/clkin時(shí)鐘端口117ra0雙向i/o端口（端口的第0位）18ra1雙向i/o端口（端口的第1位）為使pic16f84a正常運(yùn)行，應(yīng)該按照?qǐng)D3-6所示完成連接。圖3-6 pic16f84a的連接16f84a微控制器的輸入/輸出引腳共計(jì)13條，其中端口a 5條、端口b 8條。這些引腳可以分別設(shè)定為輸入或輸出。一條引腳可驅(qū)動(dòng)的最大電流為20ma?；蛘哒f，各種傳感器來的信號(hào)輸入這些引腳，經(jīng)pic微控制器處理后，再?gòu)妮敵鲆_向機(jī)器人傳送動(dòng)作信號(hào)。工作用的電源（隨工作頻率、種類而異）為電壓5v，應(yīng)將它連接到產(chǎn)生工作時(shí)鐘的石英振蕩器或陶瓷振蕩器。一般計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)屬于所謂的諾伊曼型結(jié)構(gòu)，而pic微控制器則是哈佛型結(jié)構(gòu)。哈佛型結(jié)構(gòu)的特征在于存儲(chǔ)程序的存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器是分離的，這樣，雖然結(jié)構(gòu)比諾伊曼型的復(fù)雜，但便于高速處理。圖3-7給出了16f84a結(jié)構(gòu)組成。其中，alu表示算術(shù)邏輯運(yùn)算器，w表示暫存寄存器，它們對(duì)程序的運(yùn)行都負(fù)有重要的任務(wù)。16f84a包含表3-3所示的4種存儲(chǔ)器。表3-3 16f84a的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器功能數(shù)據(jù)長(zhǎng)度/位容量類型寫入電源off時(shí)的數(shù)據(jù)狀態(tài)程序存儲(chǔ)程序141024（1k）閃存romrom寫入裝置保持文件寄存器由sfr與通用寄存器組成868ram程序命令消失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)864eeprom程序命令（經(jīng)sfr）保持棧存儲(chǔ)子程序的返回地址138ram程序命令（call）消失存儲(chǔ)程序的存儲(chǔ)器是具有1k字容量的閃存只讀存儲(chǔ)器。pic所有的每一個(gè)命令都為一個(gè)字長(zhǎng)，所以16f84a可存儲(chǔ)1024條命令。而且pic內(nèi)藏的內(nèi)存rom是一種電可擦可寫的ic模塊。圖3-7 pic16f84a的構(gòu)造下面來看看pic輸入/輸出引腳的使用方法。使用i/o引腳時(shí)，將進(jìn)行下列操作： 設(shè)置端口的引腳為輸入端口或輸出端口。 設(shè)置從端口輸入引腳讀取輸入數(shù)據(jù)，或向端口輸出引腳傳送輸出數(shù)據(jù)。例如，考慮若設(shè)置端口b的上4位為輸入引腳，下4位為輸出引腳。端口b的輸入/輸出設(shè)置靠叫做teisb的8位寄存器完成。寄存器trisb的各位與端口b的各位相比，比如，若把“0”寫入trisb，端口b的對(duì)應(yīng)位就被設(shè)置為輸出引腳，反之，若把“1”寫入trisb，端口b對(duì)應(yīng)位就被設(shè)置為輸入引腳（參見圖3-8）。寄存器trisb位于文件寄存器的ram存儲(chǔ)單元第1列的86號(hào)地址，見圖3-9?！?”輸出“1”輸入101112131898761 pic16f84atrisb位7位6位5位4位3位2位1位011111111圖 3-8 輸入/輸出引腳的設(shè)置 圖3-9 文件寄存器這些設(shè)置若用pic匯編語(yǔ)言編寫，就是如下程序；* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * ；斷口設(shè)置程序；* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *listp=pic16f84a ；指定使用的pic include“p16f84a.inc” ；指定讀入設(shè)定文件；* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *org0 ；存儲(chǔ)程序的起始地址bsfstatus，rpo；選擇存儲(chǔ)單元第1列movlwf0h；把11110000b送入w寄存器中clrftrisb；設(shè)定端口b輸入輸出bcfstatus，rp0；選擇存儲(chǔ)單元第0列clrfportb；端口b清零（從下4位輸出0） repeat gotorepeat；待機(jī)end；程序結(jié)束想使用端口時(shí)，與端口b的設(shè)置步驟相同，不過應(yīng)該使用寄存器trisa與porta的下5位。使用pic時(shí)，對(duì)圖3-9所示的文件寄存器的上部（地址000b、808b）中的sfr（特殊功能寄存器）的操作具有重要意義。表3-3給出了sfr的一覽表，在sfr中地址0c4f可以作為ram區(qū)域使用。pic提供直接操作16f84a的匯編語(yǔ)言命令總共只有35條，如表3-4所示5。表3-4 16f84a的命令命令的種類命令字節(jié)操作命令（以文件寄存器的全部?jī)?nèi)容為對(duì)象）傳送movf，movwf，swapf算術(shù)運(yùn)算addwf，subwf，incf，decf邏輯運(yùn)算andwf，iorwf，comf，xorwf循環(huán)移位rrf，rlf轉(zhuǎn)移incfsz，clrwsz清除clrf，clrw特殊nop位操作命令（以文件寄存器的指定位為對(duì)象）位操作bcf，bsf轉(zhuǎn)移btfsc，btfss文字（數(shù)據(jù)）操作命令與控制命令傳送movlw算術(shù)運(yùn)算addlw，sublw邏輯運(yùn)算andlw，iorlw，xorlw轉(zhuǎn)移call，goto，return，retlw，retfie清除clrwdt控制sleep表3-3 sfr一覽表地址名稱 7位6位5位4位3位2位1位第0位第0列00hindfesr內(nèi)部地址的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（物理意義上不存在）01htmpo8位實(shí)時(shí)、時(shí)鐘/計(jì)數(shù)器02hpclpdtopc的下8位03hstatusirprpirpozdcc04hfsr間接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址指針05hportara4/tockira3ra2ra1ra006hportarb7rb6rb5rb4rb3rb2rb1rb0/int07h不使用，置為008heedataeeprom數(shù)據(jù)寄存器09heeadreeprom地址寄存器0ahpclathpc上位5位0bhintcongieeeietoieinterbietoifintfrbif第1列80hindfrbpufsr內(nèi)部地址的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（物理意義上不存在）81hoption_regintedgtocstosepsaps2ps1ps082hpcltopdpc下8位83hstatusirprpirpozdcc84hfsr間接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址指針85htristaporta數(shù)據(jù)輸入輸出設(shè)定寄存器86htrisbportb數(shù)據(jù)輸入/輸出設(shè)置寄存器87h不使用，置為088heecon1eeifwrerrwrenwrrd89heecon2eeprom控制寄存器2（無(wú)物理內(nèi)存）8ahpclath向pc上5位寫入的緩沖器8bhintcongieeeietoieinterbietoifintfrbif3.4 紅外遙控3.4.1 紅外線遙控系統(tǒng)人在遠(yuǎn)距離對(duì)機(jī)器人發(fā)送指令稱為遙控操作，遙控操作可分為有線方式和無(wú)線方式兩類從提高自主移動(dòng)機(jī)器人的靈活性出發(fā)，采用無(wú)線方式更為便利。無(wú)線遙控裝置有無(wú)線電、聲波、光等多種形式，本論文采用紅外遙控裝置，電視機(jī)和空調(diào)器的遙控器技術(shù)紅外線的，其電路比較簡(jiǎn)單而且性能上佳。通用紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大部分組成，應(yīng)用編/解碼專用集成電路芯片來進(jìn)行控制操作，如圖3-10所示。發(fā)射部分包括鍵盤矩陣、編碼調(diào)制、led紅外發(fā)送器；接受部分包括光、電轉(zhuǎn)換放大器、解碼、解碼電路。圖3-10紅外遙控系統(tǒng)框圖3.4.2 紅外線遙控裝置的工作原理如圖3-11所示,紅外線是波長(zhǎng)約大于770mn的不可見光，將發(fā)射紅外線的發(fā)光二極管(led)和感知紅外線的接收組合在一起就可以實(shí)現(xiàn)紅外線通信?？梢姽饪床灰娮贤饩€紫藍(lán)綠黃橙紅紅外線圖3-11 光的顏色及波長(zhǎng)1. 紅外線led和接收模塊圖3-12紅外線接收模塊，圖3-13為紅外線接收模塊。遙控發(fā)射器專用芯片很多，東芝公司生產(chǎn)的tln110是紅外線led，波長(zhǎng)為940mn,適合遙控應(yīng)用，紅外線led的接通裝置非常簡(jiǎn)單，如圖3-12(b)所示，與普通紅色或綠色led不同的是人眼無(wú)法分辨紅外線led是否點(diǎn)亮工作了，使用過程中應(yīng)注意不要超過最大電流，tln110的直流正向電流的最大值為100ma。tln105b也是一款與tln110規(guī)格基本的紅外線led。 圖3-12 紅外線led（tln110）的實(shí)例紅外線接收模塊tfk4(同類產(chǎn)品有crvp1738)由接收pin二極管,電壓控制電路，帶通濾波電路,解調(diào)電路等組成的集成電子單元.在未接收到紅外光線前它的輸出為“1”，接收到紅外光線后輸出為“0”，如圖3-8（b）所示。這種現(xiàn)象被稱為“低電平激活”。圖3-13 紅外線接收模塊（tfk4）實(shí)例 2. 基于ppm的紅外線通信方式應(yīng)用紅外線接收模塊通信時(shí)，必須將所使用的紅外線設(shè)計(jì)成圖3-14所示的頻率40khz(crvp1738頻率為38khz)方波形式，即1秒內(nèi)斷續(xù)的發(fā)送紅外線4萬(wàn)次，這種調(diào)制方式被稱為脈沖調(diào)制（ppm）。根據(jù)（1）式可以計(jì)算出1個(gè)方波為“1”的時(shí)間為12.5s。 t/2=12.5(s) 圖3-14 頻率為40khz紅外線當(dāng)紅外線接收模塊輸入“”時(shí)是12.5s的間隔，紅外線led則以60s的持續(xù)時(shí)間閃亮(向外發(fā)送紅外線)；當(dāng)輸入信號(hào)為“0”時(shí)，紅外線led持續(xù)停止工作600s，圖3-15表示向接收模塊輸入長(zhǎng)度為3位的信號(hào)“101”的實(shí)例，每一位的時(shí)間對(duì)應(yīng)600s，這是從接收模塊規(guī)格表中查到的標(biāo)準(zhǔn)值。為了適應(yīng)低電平激活的特點(diǎn)應(yīng)該將輸入信號(hào)反轉(zhuǎn)后輸出。當(dāng)輸入信號(hào)為“1”時(shí)，每個(gè)輸入脈沖都是12.5s方波，不過從接收模塊輸出的則是一個(gè)持續(xù)的600s的方波，可見，紅外led的40khz頻率閃亮，而在接收模塊的內(nèi)置電路中得到平滑化。圖3-15 接收模塊的輸入輸出信號(hào)實(shí)例綜上所述,在發(fā)送器一側(cè)，應(yīng)該根據(jù)被發(fā)送信號(hào)來控制紅外線led的點(diǎn)亮和熄滅；而接收器一側(cè),應(yīng)該大約按照600s的周期間隔讀取接收模塊的輸出的信號(hào)(參見圖3-16)。在這樣的電路中最好采用pic微控制器。圖3-16 紅外線通信方法3.5 直流電機(jī)直流電機(jī)(dc電機(jī))是日常生活中廣泛使用的一個(gè)電氣產(chǎn)品，好像人的肌肉一樣，它是機(jī)器人中最重要的動(dòng)力源。它常常與傳感器組合起來使用，以便讓機(jī)器人完成向給定位置移動(dòng)或搬運(yùn)某物體等動(dòng)作。實(shí)現(xiàn)這樣的動(dòng)作，需要能進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)控制和速度控制的電路，實(shí)際中通常采用微控制器和專用ic芯片。單獨(dú)使用直流電機(jī)尚不能達(dá)到精確的定位控制，只有將它與旋轉(zhuǎn)編碼器組合起來，才能實(shí)現(xiàn)精確的位置控制和速度控制。3.5.1 直流電機(jī)的組成及原理 電機(jī)是我們的生活中不可或缺的動(dòng)力源，常用的有交流電機(jī)和直流電機(jī)，機(jī)器人中作為控制對(duì)象的電機(jī)大都是靠電池供給能源而轉(zhuǎn)動(dòng)的直流電機(jī)。圖3-17是常用的3槽(極)直流電機(jī)的構(gòu)造。在繞有線圈的鐵心(轉(zhuǎn)子)的外周，有相同數(shù)目的定子(永久磁鐵)相向包圍。通過整流器的電刷轉(zhuǎn)子斷續(xù)地得到電流，轉(zhuǎn)子與定子的永久磁鐵反復(fù)相吸，相斥，結(jié)果無(wú)論它們的相互位置如何，轉(zhuǎn)子始終能夠沿著一定的方向回轉(zhuǎn)。圖3.17 直流電機(jī)的構(gòu)造圖3-18解釋了直流電機(jī)的工作原理，在永久磁鐵（n、s級(jí)）之間的線圈有電流通過時(shí)，產(chǎn)生電磁力，對(duì)應(yīng)于永久磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)，n極產(chǎn)生向上的力，s極產(chǎn)生向下的力，從而使線圈動(dòng)作。結(jié)果導(dǎo)致線圈旋轉(zhuǎn)。在線圈轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，整流器也隨之旋轉(zhuǎn)，這樣就能保證電流流向的自動(dòng)切換以便維持轉(zhuǎn)子向同一方向的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。于是，線圈中不斷地產(chǎn)生相同方向的旋轉(zhuǎn)力。根據(jù)弗萊明（fleming）左手法則，電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，而電機(jī)一旦開始回轉(zhuǎn)，就使線圈在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，再由弗萊明右手法則，應(yīng)該有電壓產(chǎn)生，稱之為反電動(dòng)勢(shì)，外部所施加的電壓克服反電動(dòng)勢(shì)，線圈中就有電流流過。圖3-18直流電機(jī)的工作原理直流電機(jī)中的電刷與整流器實(shí)際上屬于機(jī)械接觸，由于在轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中它們的接觸狀態(tài)不斷發(fā)生變化，往往產(chǎn)生電氣噪聲，這可能成為誘發(fā)cpu電路誤動(dòng)作的原因，因此為了克服噪聲干擾，一般在電機(jī)電源端子上并聯(lián)一個(gè)電容器。直流電機(jī)的特點(diǎn)可歸納如下：可高速旋轉(zhuǎn)，能取得大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。對(duì)應(yīng)于輸入電壓或輸入電流有良好的線性，易控制。由于存在機(jī)械觸點(diǎn)，所以容易產(chǎn)生噪聲而影響壽命。單獨(dú)使用時(shí)不能完成位置控制。價(jià)格低廉。3.5.2 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)控制在本設(shè)計(jì)中，所采用的驅(qū)動(dòng)芯片（ic）是東芝株式會(huì)社制造的ta7257p。下面就它的內(nèi)部電路的組成、功能以及使用方法加以說明。圖3-19是專用的電路驅(qū)動(dòng)ic，采用這樣的驅(qū)動(dòng)芯片，電路設(shè)計(jì)就會(huì)變得非常簡(jiǎn)單。 圖3-19 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ta7257p圖3-20是這個(gè)芯片的結(jié)構(gòu)框圖。圖3-20 ta7257p結(jié)構(gòu)框圖ta7257p的控制方法是如果向引腳1、2施加表3.1中的信號(hào)，它就會(huì)按照規(guī)定的模式動(dòng)作。如果引腳1(in1),引腳2（in2）為1，則電機(jī)正轉(zhuǎn)（取決于電機(jī)端子連接的+，-狀態(tài)，也可以反轉(zhuǎn)）。表3.2中給出了ta7257p性能規(guī)格。它的工作電源電壓范圍v是618v。表3-5 ta7257p的功能in1in2out1out2模式11ll制動(dòng)01lh正/反轉(zhuǎn)10hl反/正轉(zhuǎn)00高阻抗停止在ic驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)工作時(shí)，需要判斷該電機(jī)是否符合表3-6所給出的額定范圍。表3-6 ta7257p最大額定值項(xiàng) 目符號(hào)額定值單位電源電壓最大(max)25v工作(opr)18輸出電流峰值(peak)4.5a均值(ave.)1.5需用功耗12.5w工作溫度-3075保存溫度-55150有關(guān)直流電機(jī)額定值及特性等的相關(guān)數(shù)據(jù)和信息可以從生產(chǎn)廠家網(wǎng)頁(yè)的產(chǎn)品樣本目錄中了解到。圖3-21表示fa-130ra直流電機(jī)的特性。表3-7是fa-130ra直流電機(jī)的有關(guān)參數(shù)2。圖3-21直流電機(jī)（fa-130ra）的特性表3-7 fa-130ra直流電機(jī)的有關(guān)參數(shù)型號(hào)電壓空載最