【《搬運機器人控制系統的硬件和軟件設計案例》3300字】

搬運機器人控制系統的硬件和軟件設計案例1、課題來源任務書2、系統硬件設計2.1整體硬件設計該設計方案的整體硬件結構包括主控制電路的設計、遙控電路的設計、電力管理模塊的基本設計以及馬達驅動模塊的設計。集成電路的設計主要基于實際要求，硬件整體穩定性優先，系統整體的高速性和減少靜態錯誤需要設計系統硬件。2.2主控制電路設計這種方式的主控制芯片主要采用ArdinoUNO主控制方式。Arduino最大的優點是電路控制和傳感器數據收集。有易用、高效率、高速執行速度、多個驅動器庫以及低的特點。耗電。ArdinoUNO是基于ATmega16U2設計的開放源硬件。通過支持的功能性外部端口，設計者可以輕松開發。該操作機器人的設計需要多個功能端口，其ArdinoIDE也是開放源軟件。考慮ArdinoUNO是否滿足該項目的主控要求。2.2.1選擇主控制芯片ArdinUNO主控制芯片使用ATMega16U2作為主控制芯片。ATMega16U2是8位AVR微處理器。結構是RISC。另外，還配備了32個8位通用工作寄存器，可通過一個單元時鐘處理131個條目。循環指令。工作中的頻率在靜態狀態下可能達到16MHz。作為時鐘源，只需要2個時鐘周期的硬件。特定的引腳圖如圖1所示。圖1ATmega16U2引腳圖那個特征主要如下。（1）具備16K字節的閃光燈，支持512字節的EEPROM和SRAM的自動刪除。（2）內置的啟動器功能。（3）可通過UART通信與4個USB端口通信。（4）內置水晶振蕩器時鐘。（5）動作電壓范圍為2.7V～5.5V。供給電壓為2.7V時，最大動作頻率為8MHz，電壓為4.5V時，最大動作頻率為16MHz。2.2.2主控制芯片的最小系統根據ATmega16U2數據手冊，可以制作基本的Ardinouno主板。母板硬件的概略圖如圖2所示。圖2Ardino原理圖2.2.3主控制芯片的引腳資源結構主控制芯片的銷根據數據表的選擇而構成。引腳資源決定功能端口的選擇。您必須根據不同的功能選擇不同的引腳。ATmega16U2針有很多復用銷。請根據系統單元的需要選擇復用功能銷。具體的概要配線圖如圖3所示圖3主控引腳配置原理圖2.2.4主控制芯片速度構成使用主控制芯片時，需要與時鐘構成不可分割的結構。外部時鐘主要使用水晶振蕩器作為時鐘源，可分割內部時鐘來處理外部時鐘，提高運行速度。ATmega16U2。

主控制芯片的速度也和電壓有關。電壓電平也會影響內部時鐘的動作速度。微控制器的動作速度過快的話，會影響主控制芯片的精度和穩定性。因此，選擇電壓非常重要。2.3驅動模塊的設計方案該程序所使用的驅動模塊是與雙極H橋電路集成的ST（STMicroelectronics）L293D驅動模塊。考慮到技術環境，采用的解決方案為16針DIP包裝，可用于PWM波對馬達的降壓及速度調整。由于芯片的輸出電流是連續的，所以可以排除靜摩擦的死區，提高馬達的低速穩定性。同時，芯片可以合并兩個雙極H橋，同時控制兩個馬達的正向和反向。結合該解決方案的馬達驅動特性，L293D被選擇為馬達驅動模塊。2.3.1馬達驅動模塊的基本控制方法馬達驅動模塊的基本原理是，使用H橋驅動的同時，使用主控制芯片，作為基本的降壓速度調整方法，按照程序發送PWM波。各馬達需要3個控制信號端口ENA、IN1、IN2。ENA是使能信號，IN1和IN2是馬達控制方向的控制信號。IN1和IN2分別為1,0時，馬達向前旋轉。相反，馬達反轉，馬達速度依賴ENA輸入的PWM信號來調整基本速度。2.3.2馬達驅動器的示意圖馬達驅動器基于信號端口的數據表，電路圖如圖4所示。圖4電機驅動原理圖2.3.3馬達驅動模塊電路的介紹根據L293D的電路圖和設計手冊，馬達驅動電路有兩種不同的電源電壓。一個電壓是設備的直接邏輯電壓，另一個是用于向設備供電的VCC。另一個是共用的接地電壓VSS，VSS比VCC大，因此不會導致馬達無法控制。5V電源端口上，為了穩定電壓，并聯連接著10pf的陶瓷電容器。DC電動機是感應性負荷，為了改善馬達的功率因數，需要并聯連接10pf的陶瓷電容器。芯片不能生成PWM波，但只能放大主控生成的PWM波信號。2.4電源管理模塊設計根據該方式的設計，電源是將兩個3.7V18620鋰電池串聯使用完成的，因此需要將電源電壓分割成兩個部分。1個部分為7.4V，向馬達驅動模塊供電。L293D及其他部件需要提供給主控ARDINOUNO，用于5V電壓。需要分割電壓，電池電壓不穩定，因此需要選擇電力管理模塊78M05進行電力管理。外觀如圖5所示。圖5L293D外形圖2.4.1電源管理模塊的基本參數78M05是ST公司生產的高性能電壓調節器芯片，主要用于降壓及電壓穩定化功能，使用CMOS技術。基本參數如下。消耗功率為0.75W，輸入電壓為18V，工作溫度為0～125°C、最小輸出電壓4.8V，標準值5V，最大值5.2V，靜止電流4.3mA最小無負荷輸出電壓為6.1V，最大輸出電流為150mA。3、控制系統軟件設計本章主要說明操作機器人系統的程序和控制算法，詳細介紹該方案的控制想法和程序設計。關于程序，介紹了主程序系統的框架、程序內的轉向裝置的控制方法、程序內的馬達驅動的控制想法以及遙控裝置的程序控制原理。3.1設計程序開發軟件的介紹這個設計系統使用ArdinoIDE開發軟件。ArdinoIDE是基于IDE的處理的二次開發軟件。與Windows、MacintoshOSX、Linux及其他系統兼容。另外，也可以重新包裝AVR-gcc庫。操作簡單程序設計清晰，接口非常直觀，項目文件夾中包含了常用的命令和豐富的例程，軟件非常開放。結合上述特征，該項目選擇了ArdinoIDE作為開發平臺。3.2系統主程序設計在程序控制下，操作機器人可以通過人的遙控器完成抓取、行走、放置等任務。在程序控制中，主控制芯片作為接收主機使用，必須面對側面。信號接收、信號處理、轉向裝置控制、馬達控制的問題。系統的功能分析圖如圖6所示。圖6系統功能分析圖3.2.1操作機器人系統的主程序流程圖系統編程的情況下，基本的工作流程圖如下所示。（1）開關接通后，輸入程序復位（2）開始中斷模塊、通信模塊、動作模塊的初始化。（3）方向盤庫函數打開，程序進入循環。（4）接收到信號后，程序判斷標志變量，判斷哪個PS2被按下了哪個鍵。（5）通過修改標記變量，驅動由標記變量表示的控制模塊。（6）馬達移動中，控制馬達的接口發送PWM信號，驅動芯片L293D的ENA及ENB端口，控制馬達速度。（7）按下前進鍵和后退鍵，對應的串行端口將馬達驅動的IN1和IN2反轉，控制馬達的前進和后退旋轉。（8）按下左鍵，對應的串行端口只會向ENB發送信號。此時，左側的馬達停止，右側的馬達開始向前旋轉。發生速度差。操作機器人向左拐。按右鍵則相反，只向ENA發送信號。ENB沒有信號。左馬達向前旋轉，右馬達停止，機器人向右旋轉。（9）當PS2的鉗位按鈕開始鉗位時，伺服模塊模擬PWM信號發生器發送對應脈沖寬度的PWM信號，伺服向前旋轉并鉗制。按下釋放按鈕，PWM信號反轉，轉向齒輪開始反轉，機械爪被釋放。（10）不按鍵時，主控制進入待機狀態。特定主程序的流程圖如圖7所示。圖7主程序流程圖3.2.2系統程序的初始化狀態（1）接通主控制板的電源后，系統會自動初始化，所有I/O端口都會顯示1秒的高電平后，恢復待機狀態。系統未初始化時，可以使用重置按鈕手動重置。按下手動復位按鈕，所有I/O端口將顯示5秒鐘的高電平，然后返回待機狀態。（2）伺服初始化后，接收旋轉15度的脈沖信號。（3）馬達在額定電壓下正轉1秒。（4）PS2按鈕模塊的藍信號和紅信號復位，信號燈閃爍2秒。3.3伺服驅動程序方向盤齒輪的控制基于PWM波，也就是可變脈沖寬度調制信號。周期20ms的基準信號。高電平信號持續0.5～2.5ms后，可調整轉向齒輪的旋轉角度。1.5ms的占空比為基準信號時，方向盤的角度移動到中間位置。另外，無論是270度伺服還是無限伺服，1.5ms的脈沖寬度信號都移動到中間位置。控制有兩種控制方法。一種是使用芯片附帶的PWM銷，通過芯片內部定時器的設定期間和占空比來控制方向盤的角度的方法。另一種是使用芯片的計時器進行控制，將脈沖周期設定為20ms，通過計時器的延遲中斷來控制占空比。通常，PWM控制的值在高水平時間是500～2500ms。角度控制。在這個程序的程序設計中，控制馬達使用計時器生成PWM信號，為了控制馬達的速度，轉向裝置的程序設計主要由虛擬PWM生成控制。也就是說，軟件的延遲如下。用于控制轉向裝置的角度。控制方法如圖8所示。圖8舵機轉動角度關系按下鉗子按鈕，0.75ms的固定脈沖的高電平信號使轉向裝置旋轉15度。按下釋放按鈕，端口信號反轉，轉向齒輪的旋轉角反轉。完成鉗子和卸下燈的