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1、基于视觉导航的轮式移动机器人设计摘 要本设计的研究内容是视觉导航轮式移动机器人的底层控制，其核心内容是应用单片机控制步进电机实现机器人的左转弯、右转弯、前进和停止等动作。论文内容包括四个部分：简要介绍了移动机器人研究现状、对所设计移动机器人系统进行了描述、视觉导航轮式移动机器人底层硬件设计和视觉轮式移动移动机器人的底层控制。论文详细地介绍了移动机器人底层硬件系统元件的选型和原理电路图的设计。我们选用PIC16F877单片机作为下位机接收上位机传来的命令和产生驱动信号。步进电机的驱动电路采用两个步进电机驱动器-L298，驱动程序写入PIC16F877单片机，通过程序控制步进电机的转速和转向。采用
2、Propel设计了底层控制系统的原理图和PCB版图，采用Proteus进行程序和硬件系统的仿真。仿真结果表明：步进电机运行稳定、可靠性高，实现了对步进电机的预期控制。关键词：移动机器人，运动控制，底层控制，PIC16F877，步进电机VISION-GUIDED WHEELED MOBILE ROBOT（BOTTOM CONTROL）ABSTRACTThe final year project focus on the bottom control for the vision-guided wheeled mobile robot. The core content is to achieve
3、 such actions as turning left, turning right, running forward and stopping by using single-chip microcomputer to control stepper motors.The thesis includes four parts: a brief introduction of the-state-of-the-art on mobile robot researches, the framework of the mobile robot system designed in this p
4、roject, the hardware design and bottom control of vision-guided wheeled mobile robot.Component selection and the principle of circuit design are described in detail for the underlying hardware system of the mobile robot. We choose the PIC16F877 MCU as the slave computer to receive the command from t
5、he host computer and to generate the control signals for stepper motors. Stepper motor drive circuits use two stepper motor drivers L298.The driver program is written into PIC16F877 microcontroller to control the rotating speed and direction of the stepper motor. Protel, software for circuit and PCB
6、 design, is used to design schematic diagram and PCB layout of the bottom control system, and Proteus is used to conduct the simulation experiments for programs and hardware systems testing. The simulation results show that stepper motor can run with stability, high reliability, and the expected mot
7、ion controls of stepper motor are achieved.KEY WORDS: Mobile robot, motion control, bottom control, PIC16F877; stepper motor目录前言3第一章移动机器人41.1 移动机器人的研究历史41.2 移动机器人的国际现状51.3 移动机器人研究的国内现状7第2章 视觉导航的轮式移动机器人综述92.1 视觉导航的轮式移动机器人92.2 视觉导航系统构成及工作过程92.2.1 视觉导航的图像预处理102.2.2 视觉导航机器人的运动控制10第3章 视觉导航轮式移动机器人底层硬件设计13
8、3.1 电子元件的选型133.1.1 开关电压调节器 LM7805133.1.2 步进电机驱动芯片 L298133.1.3 单片机 PIC16F877143.1.4 步进电机163.2 电路的设计173.2.1 方案论证与比较173.2.2 电路图的设计18第4章 视觉轮式移动移动机器人的底层控制234.1 步进电机控制原理234.2 移动机器人的运动模型244.3 控制器的软件设计26结论29参考文献30致谢32附录33前言单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种
9、仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。而单片机驱动步进电机是非常常见的。目前国内部分中高档轿车，如一汽红旗世纪星，塞欧，安徽奇瑞，长安世纪星等均配备使用了步进电机式汽车仪表，仪表中的步进电机是用MB90428GA（富士通公司专门为汽车电子仪表及步进马达的工业控制开发的一款十六位单片机 ）驱动
10、的。一种医用自动输液器，该输液器以TI的MSO430系列单片机为控制芯片，配有显示模块、输液泵驱动模块和键控模块等。该设计方案整机结构新颖，体积小，耗电少，操作方便，使用安全可靠。其自动输液器就是单片机驱动步进电机完成的。在首届机器人舞蹈比赛中,中国科技大学用一个单片机控制多个步进电机指挥跳舞机器人的双肩、双肘和双脚伴着音乐做出各种协调舒缓充满感情的动作,荣获一等奖。因此，我们选用单片机驱动步进电机实现视觉导航的轮式移动机器人的底层运动控制第一章移动机器人1.1 移动机器人的研究历史机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能
11、力，是一种具有高度灵活性的自动化机器)。1962年，美国Unimation公司的第一台机器人Unimate。在美国通用汽车公司(GM)投入使用，标志着第一代机器人的诞生。智能移动机器人更加强调了机器人具有的移动能力，从而面临比固定式机器人更为复杂的不确定性环境，也增加了智能系统的设计复杂度。1968年到1972年间，美国斯坦福国际研究所(Stanford Research Institute, SRI)研制了移动式机器人Shaky,这是首台采用了人工智能学的移动机器人。Shaky具备一定人工智能，能够自主进行感知、环境建模、行为规划并执行任务(如寻找木箱并将其推到指定目的位置)。它装备了电视摄
12、像机、三角法测距仪、碰撞传感器、驱动电机以及编码器，并通过无线通讯系统由二台计算机控制。当时计算机的体积庞大，但运算速度缓慢，导致Shaky往往需要数小时的时间来分析环境并规划行动路径。1970年前苏联月球17号探测器把世界第一个无人驾驶的月球车送七月球，月球车行驶0.5公里，考察了8万平方米的月面。后来的月球车行驶37公里，向地球发回88幅月面全景图。在同一时代，美国喷气推进实验室也研制了月球车(Lunar rover),应用于行星探测的研究。采用了摄像机，激光测距仪以及触觉传感器。机器人能够把环境区分为可通行、不可通行以及未知等类型区域。1973年到1979年，斯坦福大学人工智能实验室研制
13、了CART移动机器人，CART可以自主地在办公室环境运行。CART每移动1米，就停下来通过摄像机的图片对环境进行分析，规划下一步的运行路径。由于当时计算机性能的限制，CART每一次规划都需要耗时约15分钟。CMU Rover由卡耐基梅隆大学机器人学研究所在1981年开始研制，它具有12个微处理器来处理实时任务，一个大型的远程计算机通过遥控方式来进行复杂规划与环境分析。它通过声纳传感器与视觉传感器来探测环境中的障碍。由于计算机的运行速度、传感器感知能力的限制，这些移动机器人的实时控制性能不佳。每自主前进一步都需要停下来花费大量的时间进行计算，因此在实际应用中通常采取遥控的方式。进入20世纪90年
14、代，随着计算机技术的飞速发展，机器人的感知、决策能力也获得了长足的进步。到了1994年，卡耐基梅隆大学机器人学研究所开发了Dante II，这是一个8足的移动机器人fill。在1994年4月，该机器人通过卫星通讯与Internet相连，通过网络由NASA的研究组、卡耐基梅隆大学以及阿拉斯加火山观测所的科研人员控制Dante进行阿拉斯加火山口观测，并收集了火山口喷出的气体样本。早在1971年，前苏联就曾向火星发射了两辆火星车，其中一辆撞毁了，另一辆发送一幅尚不完整的图片就失去了联系。1.2 移动机器人的国际现状索杰纳的成功应用，成为移动机器人技术发展的一个崭新的里程碑，向人们展现了移动机器人代替
15、人们从事肮脏(Dirty)，危险(Dangerous)，枯燥(Dull)工作的应用潜力激发了人们对于移动机器人技术研究的极大热情。世界各国或国际机构都加大了相关研究的力度。欧盟在20002004年启动的信息社会技术计划中开展了探测火山环境的机器人、用来评估地振危险性的爬行机器人(ROBOSENSE)、借助机器人的交互式博物馆临场感(TOURBOT)等项目研究。在火山爆发的发作阶段观测和测量火山活动的相关变量最有意义，但对研究人员也是最危险的时刻。在1993年的一次火山口考察中，8名火山研究人员遇难。ROBOVOLC将开发和测试一个自动化机器人系统，在火山环境下进行探测与测量，可以帮助科学家远离
16、危险环境进行分析研究。ROBOSENSE将开发一台能够携带探伤仪器的移动机器人，对地振造成的建筑物结构性损害进行检测。TOURBOT的目标是发一个交互式导游机器人，通过因特网实现个性化的临场感，同时TOURBOT能够在现场引导参观游客。此外欧盟还开展了移动机器人应用于人道主义排雷等研究。法国国家科学研究中心)于2001年中期，提出了一项有关机器人技术的大型国家计划，称作“机器人与人工体”。这项跨学科的计划涵盖了机器人学中信息科学与技术方面的主要研究领域。Robe计划对“感知器执行器”与认知功能进行跨学科的研究。实现这些功能在智能系统内的集成，能够在开放的、变化的环境中自主完成各种任务，实现智能
17、机器人与人交互、通过学习改进其行为的功能。具体开展了移动式操作手，移动机器人视觉定位，行星机器人1以及多移动机器人协作等研究。前苏联曾经在移动机器人技术方面居于世界领先的地位，Lunokhod-1是最早登上月球的遥控式移动机器人。俄罗斯作为前苏联的继承者，在机器人技术领域依然具有当雄厚的技术基础，ROVER科技有限公(Rover Science & Technology Joint-stock Company Ltd., RCL)把在开发空间机器人中获得的经验应用于开发地面机器人系统，如极坐标平面移动车、爬行移动机器人、球形机器人、工作伙伴平台以及ROSA-2移动车等。日本经济产业省(Mini
18、stry of Economy, Trade and Industry, M ETI)1998年开始启动了人形机器人技术研究计划(HRP)。在这一年，日本本田(Honda)公司展出了人形移动机器人的一个主要目标就是开发一个开放体系结构的人形机器人平台(简称Open HRP)，用来探索人形机器人的各种应用.METI从2002年又启动了一项国家项目一一“21世纪机器人挑战”,其中一个三年的子项目是开发应用于机器人开放式结构的中间件)。中间件能够对市场上销售的各种机器人零件实现标准化，并且能够更加容易地对这些零件进行系统集成。更长远的预期在于到2009年，实现机器人商品化(Commercialize
19、),将机器人的应用领域扩展到家庭(Home)，医疗服务(Medical care)、灾害救助(Disaster relief)。日本科技署(Japan Science and Technology Agency, JST)于2002年10月启动了一项5年期限的项目，用于开发人道主义排雷的机器人技术，日本产业界已开发出能实际应用的排雷机器人，并送往柬埔寨进行现场试验。此外，日本也一直进行着有关月球探测的研究，计划于2015-2020年在月球上建立一个小型基地，与该计划相应的行星漫游车研究也很活跃。韩国科学技术部(Ministry of Science and Technology，MOST)于1
20、999年启动的“21世纪尖端研究发展计划”(21Century Frontier R&D Program)，包括了服务机器人、恶劣环境中的机器人、微型机器人以及排雷机器人项目韩国信息与通讯部(Ministry of Information and Communication , MIC)发布了旨在促进IT增长的9个优先发展领域(Top 9 IT Growth Sectors)，其中智能化的服务机器人被列为首位。美国在行星移动机器人以及军用移动机器人的研究与应用方面投入了大量资金与科研力量。如:美国NASA支持的火星探测计划、美国国防部支持的无人战车研究计划UGV(Unmanned Ground
21、 Vehicle)美国能源部的核废料等危险品搜集、搬运自主车研究计划等项目，吸收JPL, MIT AI Lab. CMU Robotics Institute、Georgia Tech Mobile Robot Lab, Naval Warfare Systems Center of San Diego以Stanford Robotics Institute等许多知名大学与研究所的科研人员参与。最近的突出成果是2003年发射的火星漫游机器人“勇气”号与“机遇”号，它们的顶部装有全景照相机及具有红外探测能力的微型热辐射分光计，携带多种分析仪器对火星岩石纹理及其成分进行探测。“勇气”与“机遇”号的
22、探测使命预计为90个火星日，但在2004年成功着陆后，目前己经远远超过了预期的工作寿命。1.3 移动机器人研究的国内现状国内有关移动机器人研究的起步较晚，“八五”期间研制了ATB-1，即军用智能机器人平台，由浙江大学、国防科技大学、清华大学、北京理工大学、南京理工大学联合研制。“九五”期间又研制了军用“智能机器人平台2号，道路自主驾驶的最高速度为74Km/h。在国家“十五”863计划中，展开了一系列的有关智能机器人方面的研究。在危险环境下作业移动机器人、基于复合结构的非结构环境应用的移动机器人、高机动性越障机器人、多足仿生机器人、仿人形机器人等研究项目取得了众多的成果。国防科技大学、哈尔滨工业
23、大学、清华大学、中国科技大学、中科院自动化研究所、沈阳自动化研究所等正在开展有关月球探测自主机器人的相关研究。在863专项支持下，清华大学开发了多功能室外智能移动机器人实验平台、上海交通大学研制了移动机构试验平台以及Frontier-ITM等。211A MCTB采用了关节轮式移动结构，具有较强的越障能力。Frontier-ITM自主移动机器人作为中国大学的参赛队首次参加了Robocop中型组比赛。CASIA-1是中科院自动化所研制的集多种传感器、视觉、语音识别与会话功能于一体的智能移动机器人。沈阳自动化所研制的自行输送小车已投入生产现场，此外还研制了“多功能排险防暴机器人”和“蛇形机器人”。2
24、003年国防科技大学贺汉根教授主持研制的无人驾驶车采用了四层递阶控制体系结构以及机器学习等智能控制算法，在高速公路上达到了130Km/h的稳定时速，最高时速170Km/h，而且具备了自主超车功能，这些技术指标均处于世界领先的地位。这一系列的成就推动了我国移动机器人技术的发展，缩短了与国外先进水平的差距，而且在某些领域也取得了国际领先的成果，己经成为我国机器人应用的一个突出领域。第2章 视觉导航的轮式移动机器人综述2.1 视觉导航的轮式移动机器人现代机器人技术在人工智能、计算机技术和传感器技术的推动下获得了飞速发展，其中移动机器人因具有可移动性和自治能力，能适应环境变化被广泛用于物流、探测、服务
25、等领域。移动机器人的核心技术之一是导航技术，特别是自主导航技术。由于环境的动态变化和不可预测性、机器人感知手段的不完备等原因，使得移动机器人的导航难度较大，一直是人们研究的重点。目前常用的一种导航方式是“跟随路径导引”，即机器人通过对能感知到某些外部的连续路径参考信息做出相应的反应来导航。如在机器人运动路径上敷设金属导线或磁钉，通过检测金属导线或磁钉的特征信息来确定机器人的位置。从导航的角度看，这种方法的优点是可靠性较高，但功能单一，如不能在行进的同时对目标进行识别、避障，对环境的适应能力较弱、灵活性较差、维护成本较高，因此限制了其在移动机器人中的应用。随着计算机技术、数字图像处理技术及图像处
26、理硬件的发展，基于计算机视觉的导航方式在机器人导航中得到广泛关注。在实际应用中，只需要在路面上画出路径引导线，如同在公共交通道路上画的引导线一样，机器人就可以通过视觉进行自主导航。相对于敷设金属导线、磁钉等方法，这种方法增强了系统的灵活性，降低了维护成本。视觉信息中包含有大量的数据，要从中提取有用的信息，需要复杂的算法及耗时的计算。如何保证视觉导航系统在正确理解路径信息的前提下仍具有较好的实时性和鲁棒性，是该方法要解决的核心问题。2.2 视觉导航系统构成及工作过程基于计算机视觉的移动机器人导航实验系统的硬件部分由计算机、摄像头、机器人地盘组成。软件分为两部分，即图像处理和机器人运动控制。基于视
27、觉导航的原始输入图像是连续的数字视频图像。系统工作时，图像预处理模块首先对原始的输入图像进行缩小、边缘检测、等预处理。其次利用计算机计算并提取出对机器人有用的路径信息。最后，运动控制模块根据识别的路径信息，调用直行或转弯功能模块使机器人做相应的移动。图2-1 移动机器人控制系统的流程图2.2.1 视觉导航的图像预处理由机器人导航的特点和机器视觉处理的特殊性，我们认为机器人导航视觉系统要达到以下技术要求:（1)根据系统要求准确地分辨目标物（调色板），尽量降低误判，漏判的机率，并有一定的抗干扰能力。（2)能对目标物定位，为机器人的运动控制提供参照物、障碍物的位置信息，并能满足精度要求。（3)满足系
28、统实时性的要求。机器人摄像机每秒钟要从比赛场地上摄取30帧图像数据，如果视觉子系统达不到实时的要求，则系统所处理的前后两帧图像数据差异太大，不仅影响识别跟踪的顺利完成，而且也使动作表现为反应迟钝，所以视觉子系统的实时性越好，则系统反应越快。（4)鲁棒性与自适应性。由于目标物在室外，由于多方面的原因，致使调试过程中环境的光亮度会发生变化。更甚的是在同一帧视频图像中，场地的不同区域。光亮度也有可能不一致，有高亮度区域，也有阴暗区域（如楼房的阴影，或其它物体反射到场地中的光使场地局部变亮等等)。光照条件的变化及光亮度不均匀，将会降低系统识别的精度，甚至会导致目标识别失败。因此，很有必要研究对光亮度变
29、化不敏感的彩色识别算法，来增强视觉子系统的鲁棒性与自适应性。2.2.2 视觉导航机器人的运动控制机器人底层结构图如图2-2所示。图2-2 机器人底层结构图(1) 图2-1为机器人底层结构图，移动机器人底盘是一个菱形，具有四个轮子，其中前轮和后轮为支撑舵轮，起到支撑和导向的作用。中间的两个轮子是驱动轮，由步进电机驱动。可以通过调节中间的两个轮子的转速来控制移动机器人的运行速度和转动角度。步进电机与左、右轮构成一个系统。步进电机由单片机实现控制驱动，通过改变单片机输出脉冲波的占空比来改变步进电机的速度和转向，从而完成机器人的转弯，运动和停止。(2) 上层控制系统传给下层系统机器人与跟踪物体的距离L
30、和运动的角度a。通过分析距离L，我们可以判断机器人的运动状态。当距离L不变时，则机器人处于停止状态，当距离L改变机器人处于运动状态。(3) 当距离L改变时，我们判断移动机器人的转动角度a，当a=0时，机器人的运动如图2-3，当L0时，移动机器人前进。当L0时，移动机器人前进转弯。当L0时，移动机器人右转弯。 a0时，移动机器人左转弯。当机器人前进左转时，左轮正转，右轮反转。当机器人前进右转时，左轮反转，右轮正转。机器人后退右转时，左轮正转，右轮反转。机器人后退左转时，左轮反转，右轮正转。图2-4 机器人转向运动示意图具体的分析和计算会在以下的论文中4.2节中介绍。第3章 视觉导航轮式移动机器人
31、底层硬件设计3.1 电子元件的选型3.1.1 开关电压调节器LM7805LM7805是三端固定稳压器。有5V，6V，9V，12V，15V，18V和24V七种不同的固定输出电压，广泛用于各种电子设备中。其稳压器均有内部过流、热过载和输出晶体管安全区保护功能，电路安全可靠。虽然稳压器按国定的稳压设计，但外部接少量元件，即可做成可调稳压器或可调稳流器使用。3.1.2 步进电机驱动芯片L298L298是ST公司生产的一款高电压、大电流，小功率电机驱动芯片。该芯片内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等电感性负载;采用标准TTL逻辑电平信号控制;具有两个
32、使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作:有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作:可以外接检测电阻，将变化量反馈抬控制电路。其具有以下电气特性：(1)电源驱动电压Vs可达5V46V，逻辑支持电压VSS为4.5V7V;(2)输入高电压VIH为2.3VSS，输入低电压为O1.5V;(3)峰值驱动电流可达3A，正常工作电流为2A，总驱动电流可达4A;(4)响应速度快(5)提供过温保护，工作温度范围可达-25130正常工作温度为1335。温度过高或温度过低时，芯片均会停止工作，防止其损坏。(6)L289采用的是15脚的Mluitwatt15封装。LM298典型应用如图3
33、-1所示。图3-1 LM298典型应用L298引脚功能定义如表3-1所示。 表3-1 L298引脚功能定义名称引脚功能说明Sense A1桥路A电流取样引脚，取样电阻接在此引脚和地之间OUT12桥路A的输出OUT23桥路A的输出Vs4电机驱动电压输入，此引脚接一个100nf的无感电容到地In 15桥路A的输入，与TTL电平兼容En A6桥路A的使能输入，TTL电平，低电平时禁止桥路A工作In 27桥路A的输入，与TTL电平兼容GND8地，信号和功率地一起VSS9逻辑电路电压输入，此引脚接一个100nf的无感电容到地In 310桥路B的输入，与TTL电平兼容EN B11桥路B的使能输入，TTL电
34、平，低电平时禁止桥路B工作IN 412桥路B的输入，与TTL电平兼容OUT313桥路B的输出OUT414桥路B的输出Sense B15桥路B电流取样引脚，取样电阻接在此引脚和地之间3.1.3 单片机PIC16F877单片机是将中央处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时器芯片和一些输入输出接口电路集成的一个芯片上的微控制器。中央处理器是单片机的核心，它包括运算器、控制器和寄存器3个主要部分。存储器按工作方式可分为、随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。RAM可以随机地被CPU读写，断电后存储的内容消失；ROM种的信息只能读不能写。输入输出接口是单片机的重要组成部
35、分。程序、数据以及外部的所有信息都是通过单片机的I/O端口读入单片机的。单片机计算的所有结果也都通过I/O输出到显示部分或者控制外部其他执行机构。PIC16F877芯片上集成有：（1）端口RA模块：是一个只有6条引脚的输入/输出可编程的端口。（2）端口RB模块：是一个具有8条引脚的输入/输出可编程的端口。（3）端口RC模块：是一个具有8条引脚的输入/输出可编程的端口。（4）端口RD模块：是一个具有8条引脚的输入/输出可编程的端口。（5）端口RE模块：是一个具有3条引脚的输入/输出可编程的端口。（6）定时器TMR0模块：是一个8位宽的可编程的定时器，也可作为计数器使用。（7）定时器TMR1模块：
36、是一个16位宽的可编程的定时器，也可作为计数器使用，并且可以与捕捉/比较/脉宽调制CCP模块配合实现捕捉和比较功能。（8）定时器TMR2模块：是一个8位宽的可编程的定时器，也可作为计数器使用，并且可以与捕捉/比较/脉宽调制CCP模块配合实现捕捉和比较功能。（9）EEPROM数据存储模块：是2568的电可擦写的存储器，储存的内容掉电也不会丢失。（10）A/D转换器模块：具有8个输入通道和10位分辨率的模数转换器，用来将外部的各种模拟物理量变换为便于单片机内部处理的数字量。（11）捕捉/比较/脉宽调制CCP1和CCP2模块：PIC16F877片内包含两个几乎完全相同的CCP模块，与TMR1和TMR
37、2配合可以实现输入捕捉、输出比较和卖出调制输出功能。输入捕捉功能可以用于测量信号周期、频率、脉冲等；输出比较功能可以用于生产宽度不同的正负方波脉冲信号，以驱动可控硅、续电器等；脉宽调制输出功能用来产生周期和脉冲可调的周期性方波信号，以驱动可驱动可控硅、步进电机等。（12）通用同步/异步发生器USART模块：用于实现二线式串行通信，可以定义为两种工作方式，即全双工异步方式和半双工同步方式。（13）主同步串行端口MSSP模块：具有SPI和IC两种工作模式，用来与具有SPI和IC串行端口的外接器件或者其他单片机进行通信。（14）并行从动端口PSP模块：可以用来与其他具有开放总线的单片机、数字信号处理
38、器或微处理器的并行数据连接，进行高速的数据传输和交换。引脚的基本功能：OSC1（13引脚）：时钟振荡器输入端，也是晶振连接端。OSC2（14引脚）：时钟振荡器输出端，也是晶振连接端。MCLR（1引脚）：人工复位输入端。RA0RA5（27引脚）：RA是一个输入/输出可编程的双向5线端口。RB0RB7（3340引脚）：RB是一个输入/输出可编程的双向端口，作为输入时内部有可编程的弱上位电路。RC0RC7（1518，2326引脚）：RC是一个输入/输出可编程的双向端口。RD0RD7（1922，2730引脚）：RD是一个输入/输出可编程的双向端口。RE0RE2（810引脚）：RE是一个输入/输出可编程
39、的双向3线端口。VSS（12，31引脚）：接地端。VDD（11，32引脚）：正电源端。3.1.4 步进电机步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机分三种：永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都
40、很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。步进电机的一些特点：（1）一般步进电机的精度为步进角的3-5%，且不累积。（2）步进电机外表允许的最高温度。（3）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。（4）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸叫声。步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。步进电机的选用计算方法。步进电机是一种能
41、将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的转矩特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。转在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在转矩特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩大的电机，负载力矩大。选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，
42、这样可以得到机床所需的脉冲当量。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。3.2 电路的设计3.2.1 方案论证与比较方案1：使用多个功率放大器件驱动电机。通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是四相的步进电机，就需要对四路信号分别进行
43、放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。方案2：使用L298N芯片驱动电机。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。通过比较，使用L298N芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动步进电机，且价格不高，故选用L298N驱动电机。整个系统的框架如图3-2所示。图3-2 底层运动控制系统的框架3.2.2 电路图的设计电路图包含了由稳压电源电路部分、PIC16F877单片机电路部分和由L298芯片驱动两台步进电
44、机电路部分构成的。（1）稳压电源电路稳压电源电路是系统电路的重要部分。它的主要芯片是LM7805。通过这个电路给系统提供稳定的+5V电压。其中电容是稳压和滤波的作用。其电路图如图3-3所示。图3-3稳压电源电路图（2）PIC16F877单片机电路部分单片机电路部分包括时钟电路、复位电路和于步进电机驱动器L298连接部分。时钟电路、复位电路是单片机不可缺少的部分。这个系统选用的时钟电路的晶振是4MHZ，复位电路选用常用的综合复位电路。外部复位电路：外部复位电路如图3-4所示。图3-4 外部复位电路图当VDD上电斜率太小或使用低频振荡器时，需要较长的启动时间，这时需要使用外部上电复位电路，以保证正
45、确复位。一般外接的上电复位电路采用RC电路，其电路如上图所示。要实现正确复位，必须要求从VDD到达最高电平后开始计算。MCLR到达高电平的时间加上起振定时器OST的计数满18ms的时间应大于低频振荡器从启动到稳定的时间。由于OST的周期是18ms，它是固定不能改变的，因此在VDD到达高电平后，MCLR到达高电平的时间长短会影响复位过程。利用外接RC电路就可延长MCLR到达高电平的时间，从而保证复位过程的正确。上图中，VDD到达高电平后，通过R1对C1充电，在此期间，MCLR有较长的低电平时间。二极管D1在使电容在VDD掉电是快速放电。MCLR引脚的最大漏电电流约5uA，R1取值应小于40k，使
46、在其上的压降小于0.2V否则漏电流在R1产生的压降会使MCLR上的高电平下降。按键短路开关S1用于手动复位。外部时钟电路如图3-5所示。时钟电路是单片机系统的重要部件。因为单片机的运行时序完全依赖于时钟，因此，时钟的设计是单片机应用设计的重要环节之一。PIC系统单片机可工作于不同的振荡方式。在中级PIC单片机系统中，可以选择四种不同的振荡方式，振荡方式的选择由CONFIG的F0SC1和F0SC0位的值决定，并在EPROM编程时写入，其数值如表3-2所示，。我们可以根据不同的应用场合，从表3-2所示的四种振荡方式中选择一种，以获得最佳的性价比。图3-5 时钟电路图在XT,LP,HS三种方式中，需
47、将一个晶体或陶瓷振荡器连接到单片机的OSC1和OSC2引脚上，以建立振荡。PIC单片机振荡方式选择如表3-2所示。表3-2 PIC单片机振荡方式选择F0SC1FOSC0振荡方式00低功率振荡LP01标准晶体振荡XT10高速晶体振荡HS11阻容振荡RC（3）步进电机驱动器L298连接部分：L298芯片驱动两台步进电机,L298的4个输出端两两驱动步进电机的两个线圈。单片机的端口BC产生步进电机所需要的脉冲信号的控制信号。RB2RB5分别与L298（1）芯片的INPUT1INPUT4相连，RC4RC7分别与L298(2)芯片的INPUT1INPUT4相连，脉冲信号由此端口进入驱动芯片虽然L298总驱动电流可达4A，但是每一路的最大驱动电流只有2A，为了使得L298能达到其最大的驱动电流，设计中将L298内含的两路驱动器并联。如图3-6所示。
