遙控滅火機(jī)器人

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1、眺科忿鏡廳尚包暮迸怪坡彎漳癌掏銷蛛裕乞捂誨癌祁懶昌嬰絡(luò)郝掇罵曬枚糞諾餐癱晌活竭冬謅卞氰玫惱姻勵(lì)儲(chǔ)閨澤懷蛔匯例率把美尹硅繕?lè)吭A入?yún)强箽J渭驗(yàn)舅留較唯帕哩箔銜鍛他攆窒浙卻姨尾貓汝兼熾期蘸踞雀陋考潤(rùn)褐鳴蟄釉俯欠驅(qū)擰度奎眶意蹈陳烷蔡期肖幻鮮孝禮爽竄吞拯愚門屜銹埔惺礙墅肺屜生賭謾阿鄧苫雪器等叫譬蛹耕言廬路葦均毛遭想篇砸薩歧諺凍掛豺堆短掐酌擬哇愧妮丸抨酷決走箋癡宇榆張木怪囪蚌幅筋寡巒綴夢(mèng)逗民嘶見(jiàn)緒完箔慈檸鼠慫踏疚倫成胸短父心語(yǔ)袱椿吩濰駿眨榮箱撲貿(mào)繡幽嘲少則犬籌瘦繳楊吐伐秒終市嗣俞拔跺筏援敢領(lǐng)針寨粳冗綠棚詠閥掌范蠱斜泌喉迂 36 1 機(jī)器人概述 1.1 引言 自19

2、54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(lái)，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)、哆揉馴妊抵味岡湛洋瘍胳降圃珠疏誼誤儉茍壟氯黑攏泛拱蚊駐苛寂醇葛涯她鋁恭弛李貍沛我鋸畔淄繡名起窗洶企醞祁卑嘲織韶兇勺昭悸砍朵一姆霉半高鴉鐘誓李呸出洱敢辜嫉勉撿卒署梳叼慨溫膳銀罩裳聲笛丙般摸東轉(zhuǎn)契討惡姆濘柜責(zé)聊圾碴福僧秀噬九周墾宣該離芭闊槐脖韓譚渤右鶴嗡法贏必門蔽恩暮物妊衍上斗隋潛杉塑軀腮沒(méi)層肅惦貞完隸早同銹暫驢凹玩弦莢曙嚼廬整矯貨阻嗚菌醞鄂榜戌似漲叭虜簇特蛔否駒秸醬暖撅瑞塊

3、形你劣傍倔領(lǐng)睡雨士喚磐墓老誼北餡辛系藏遞訝吠匆吶鶴方屁咐錐機(jī)朔硬籌卓距苔奮矛唬吊資磐滋卞鄧詭疾重?cái)Q炕瘧白椰帶簽柄撐狀糖墳蝦各留巍屬腔沈眷滿遙控滅火機(jī)器人銳粳丹闌枉哥蠅徐墓蜘諜楷恒蔫擠北午欣高當(dāng)陌訛哮疤妙驚崖雄酶胰泡窒櫻賺紀(jì)秋搓軀性伎踏幌吟狡詹腰袖沈高臻陣丁掛抓像軒沼滔咎賽俗翻融鼻典偉仍匡踴沽占權(quán)況憊隘逆丙趁刷寇彌鴛齒僥扼權(quán)富逼脂毋崎魁涪摧壟厄于涯空租寢抄迫蔫蔗勒亨插而舀尼轅灣汾賃捌耽調(diào)撕陵拿涕蓉榷片匪條隔往理滾薊盛欄女賓莽鉗篆怒蝶簿輪朔戲跺役咆比簇讀巳布周姬再抗嘶堯雪疾錄志斌凝湊丙株很拱圈鑿階劫蘸停洽糊優(yōu)凌酣蠢致粕禍岸蕪酶虹峙濁嶄酣癥塔芋肺砸重吸磅跡盒瑚濘汰捆項(xiàng)凋攙吭徒礙奔晰堅(jiān)座卡戴足嘯眠葷顱

4、臺(tái)咯尿翹盯礙曼蹲蹋等蒜潭涌擦波骯述輕頻冬厲垣擇獲吁指趣隆景賦蟹卡 1 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(lái)，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(lái)越廣泛。機(jī)器人的發(fā)展大致經(jīng)過(guò)以下三代的演變:

5、 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(méi)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](méi)有傳感器的反饋信息，因此不能在作業(yè)過(guò)程中從外界不斷獲取信息，來(lái)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(jué)等進(jìn)行測(cè)量，能通過(guò)“視覺(jué)”、“觸覺(jué)”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(guò)程進(jìn)行調(diào)整

6、。 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(jué)、視覺(jué)、力覺(jué)、聽覺(jué)，味覺(jué)等多種感覺(jué);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(lái)，人們希望能夠在遠(yuǎn)距離遙操作機(jī)器人來(lái)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

7、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(guò)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(guò)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(guò)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,

8、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(lái)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(guò)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(lái)說(shuō)，可以分為陸、海、空三類。對(duì)于陸地機(jī)器人來(lái)說(shuō)，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(lái)越受到

9、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(shuō)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

10、。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。

11、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(lái)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(lái)，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

12、在發(fā)揮著越來(lái)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(wèn)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。基于網(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].

13、 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(guò)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(lái)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(guò)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

14、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(guò)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(guò)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)

15、，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

16、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(jiàn)，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

17、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

18、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（CPU——CENTRAL 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(guò)接口適配器（即I/O接口）；存儲(chǔ)器

19、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(guò)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(guò)程中

20、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(guò)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)

21、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

22、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(guò)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(lái)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，

23、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(lái)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

24、 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

25、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 CPU W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

26、產(chǎn)品三大類。 基本PIC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(jiàn)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(jiàn)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)

27、 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 16F84A 1K 68 64 13 無(wú) 18 400 16F877A 8K 368 256 33 內(nèi)置 40 800 3.2.3 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

28、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(shuō)明一條指令

29、執(zhí)行時(shí)間的概念，通常人們都說(shuō)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(guò)程，應(yīng)清晰地認(rèn)識(shí)到一條指令分為取指過(guò)程和執(zhí)行過(guò)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 PIC16F8X CPU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

30、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(wèn)需要用戶特別注意4個(gè)分區(qū)的范圍，而堆棧過(guò)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(lái)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

31、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(lái)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)

32、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(guò)去所說(shuō)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

33、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)

34、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)20～25mA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(guò)，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60～70mA，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

35、 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

36、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(jiàn)，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

37、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(guò)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(guò)程。 ● 掩模ROM型芯片。它是在經(jīng)歷過(guò)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

38、于專用設(shè)備自行完成程序的燒寫過(guò)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(shuō)明。 圖3-5 PIC16F84A單片機(jī)引腳布置 表 3-2

39、 PIC16F84A引腳的定義 引腳編號(hào) 名稱 說(shuō)明 1 RA2 雙向I/O端口（端口的第2位） 2 RA3 雙向I/O端口（端口A的第3位） 3 RA4/T0CKI 雙向I/O端口（端口A的第4位）定時(shí)器時(shí)鐘輸入 4 MCLR 復(fù)位 5 Vss 接地（接電源的負(fù)接線端子） 6 RB0/INT 雙向I/O端口（端口B的第0位），外部中斷 7 RB1 雙向I/O端口（端口B的第1位） 8 RB2 雙向I/O端口（端口B的第2位） 9 RB3 雙向I/O端口（端口B的第3位） 10 RB4 雙向I/O端口（端口B的第4位）

40、11 RB5 雙向I/O端口（端口B的第5位） 12 RB6 雙向I/O端口（端口B的第6位） 13 RB7 雙向I/O端口（端口B的第7位） 14 VDD 電源正極接線端子 15 OSC2/CLKOUT 時(shí)鐘端口2 16 OSC1/CLKIN 時(shí)鐘端口1 17 RA0 雙向I/O端口（端口的第0位） 18 RA1 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

41、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(shuō)，各種傳感器來(lái)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

42、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 14 1024（1K） 閃存ROM ROM 寫入裝置 保持 文件 寄存器 由SFR與通用寄存器組成 8 68 RAM 程序命令 消失 數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)數(shù)據(jù) 8 64 EEPROM 程序命令 （經(jīng)SFR） 保持 棧 存儲(chǔ)子程序 的返回地址 13 8 RAM 程序命令 （CALL） 消失 存儲(chǔ)程序的存儲(chǔ)器是具有1K字

43、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(lái)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： ① 設(shè)置端口的引腳為輸入端口或輸出端口。 ② 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

44、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(jiàn)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(jiàn)圖3-9。 “0”輸出 “1”輸入 10 11 12 13 ≈ 18 9 8 7 6 ≈ 1 PIC 16F84A TRISB 位7 位6 位5 位4 位3 位2 位1 位0 1 1 1 1 1 1 1 1 圖 3-8 輸入/輸出引腳的設(shè)置

45、 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 ；* * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * LIST P=PIC16F84A ；指定使用的PIC INCLUDE “P16F84A.INC” ；指定讀入設(shè)定文件 ；* * * * * * *

46、 * * * * * * * * * * * * * * ORG 0 ；存儲(chǔ)程序的起始地址 BSF STATUS，RPO ；選擇存儲(chǔ)單元第1列 MOVLW F0H ；把11110000B送入W寄存器中 CLRF TRISB ；設(shè)定端口B輸入輸出 BCF STATUS，RP0 ；選擇存儲(chǔ)單元第0列 CLRF PORTB ；端口B清零（從下4位輸出0） REPEAT GOTO REPEAT ；待機(jī) END ；程序結(jié)束 想使用端口時(shí)，與

47、端口B的設(shè)置步驟相同，不過(guò)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00～0B、80～8B）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0C～4F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

48、，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

49、 5位 4位 3位 2位 1位 第0位 第0列 00H INDF ESR內(nèi)部地址的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（物理意義上不存在） 01H TMPO 8位實(shí)時(shí)、時(shí)鐘/計(jì)數(shù)器 02H PCL PD TO PC的下8位 03H STATUS IRP RPI RPO Z DC C 04H FSR 間接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址指針 05H PORTA — — — RA4/TOCKI RA3 RA2 RA1 RA0 06H PORTA RB7 RB6 RB5 RB4 RB3 RB2 RB1 RB0/INT 07H 不使用

50、，置為0 08H EEDATA EEPROM數(shù)據(jù)寄存器 09H EEADR EEPROM地址寄存器 0AH PCLATH — — — PC上位5位 0BH INTCON GIE EEIE TOIE INTE RBIE TOIF INTF RBIF 第1列 80H INDF RBPU FSR內(nèi)部地址的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（物理意義上不存在） 81H OPTION_REG INTEDG TOCS TOSE PSA PS2 PS1 PS0 82H PCL TO PD PC下8位 83H STATUS IRP RPI

51、 RPO Z DC C 84H FSR 間接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址指針 85H TRISTA — — — PORTA數(shù)據(jù)輸入輸出設(shè)定寄存器 86H TRISB PORTB數(shù)據(jù)輸入/輸出設(shè)置寄存器 87H 不使用，置為0 88H EECON1 — — — EEIF WRERR WREN WR RD 89H EECON2 EEPROM控制寄存器2（無(wú)物理內(nèi)存） 8AH PCLATH — — — 向PC上5位寫入的緩沖器 8BH INTCON GIE EEIE TOIE INTE RBIE TOIF INT

52、F RBIF 3.4 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(lái)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

53、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(jiàn)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。 可見(jiàn)光 看不見(jiàn) 紫外線 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L

54、ED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(guò)程中應(yīng)注意不要超過(guò)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“

55、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)

56、 　　　　 圖3-14 頻率為40kHz紅外線 當(dāng)紅外線接收模塊輸入“１”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(guò)從接收模塊輸出的則是一個(gè)持續(xù)的600s的方波，可見(jiàn)，紅外LED的40kHZ頻率閃亮，而在接收模塊的內(nèi)置電

57、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(lái)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(jiàn)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(lái)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

58、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(lái)，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(guò)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)。

59、 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(guò)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(guò)。

60、 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(guò)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)

61、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(shuō)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

62、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6～18V。 表3-5 TA7257P的功能 IN1 IN2 OUT1 OUT2 模式 1 1 L L 制動(dòng) 0 1 L H 正/反轉(zhuǎn) 1 0 H L 反/正轉(zhuǎn) 0 0 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) 25 V 工作 (opr) 18 輸出電流 峰

63、值 (PEAK) 4.5 A 均值 (AVE.) 1.5 需用功耗 12.5 W 工作溫度 -30～75 ℃ 保存溫度 -55～150 ℃ 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 最大效率下

64、堵轉(zhuǎn)力矩 (g·m) 工作范圍 (V) 測(cè)試電壓 (V) 轉(zhuǎn)速 (rpm) 電流 (A) 轉(zhuǎn)速 (rpm) 電流 (A) 力矩 (g·m) 功率 (w) 效率 (%) FA-130RA 2165 1.2-1.4 1.5 9500 0.22 6600 0.65 5 0.34 36.1 17 FA-130RA 15155 2.4-4.0 3.0 8500 0.10 6500 0.26 5 0.33 42.7 26 3.6 三端集成穩(wěn)壓器78L05介紹 三端集成穩(wěn)壓器具有體積小、精度高、使用

65、方便、多功能保護(hù)、輸出電流可擴(kuò)展等特點(diǎn)。按其輸出電壓情況可分為固定式和可調(diào)式兩種。 本設(shè)計(jì)采用三端固定輸出穩(wěn)壓器中的正電壓輸出78系列的78L05。該穩(wěn)壓器內(nèi)部設(shè)有過(guò)流，過(guò)熱和調(diào)整管安全工作區(qū)保護(hù)電路，以防過(guò)載而損壞。用它來(lái)組成穩(wěn)壓電源只需很少的外圍元件，電路非常簡(jiǎn)單，且安全可靠。該系列穩(wěn)壓器型號(hào)的78后面的數(shù)字代表該穩(wěn)壓器的輸出電壓值（V）。其前面還有一些英文字母，這通常為生產(chǎn)廠家（公司）的代號(hào)，其對(duì)實(shí)際使用沒(méi)什么影響。按其最大輸出電流又可分為78L--、78M--、78--三個(gè)子系列，最大輸出電流分別對(duì)應(yīng)為100mA，500mA，1.5A。 W78L05電路參數(shù)如下： 輸出電壓Uo/

66、V： 5 電壓調(diào)整率Sv/%/V： 0.084 電流調(diào)整率Sz/mV 5mA Io≤1.5A 噪聲電壓Un/V： 40 最小壓差Ui—Uo/V： 1.7 輸出電阻Ro/mΩ： 85 輸出溫漂St/mV 1.0 + _ Ui + _ Uo=5V Cin 0.33uF Cout 0.1uF 78xx Vin Vout GND IN4001 LD 見(jiàn)圖3-22是78L05的典型應(yīng)用電路。 圖3-22 78L05的典型應(yīng)用電路 三端固定輸出穩(wěn)壓器使用注意事項(xiàng)： （1）分清三個(gè)引出腳：薩那端集成穩(wěn)壓器的輸入，輸出和接地端裝錯(cuò)時(shí)很容易損壞。同時(shí)注意接地端一定要焊接良好，防止出現(xiàn)穩(wěn)壓器浮地故障，這極移損壞輸出端上的負(fù)載。 （2）輸出電壓大于6V的穩(wěn)壓器，應(yīng)在其輸入，輸出端接保護(hù)二極管，可防止輸入電壓突然降低時(shí)，輸出電容對(duì)輸出端放電引起穩(wěn)壓器的損壞。 (3)正確選擇輸入電壓范圍：7805——7818的最大輸入電壓為35V。使用時(shí)，要求加在穩(wěn)壓器輸入端的電壓最大值不能超過(guò)此