輪式移動機器人控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種屬于控制系統(tǒng)設計技術及可靠性【技術領域】的輪式移動機器人控制系統(tǒng)，克服了現(xiàn)有控制系統(tǒng)存在的不穩(wěn)定工作問題，包括決策層、組織協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層，決策層為PC機，作為控制系統(tǒng)的上位機，組織協(xié)調(diào)層由微控制器子系統(tǒng)、超聲波測距子系統(tǒng)和電機驅(qū)動子系統(tǒng)組成，組織協(xié)調(diào)層作為控制系統(tǒng)的下位機；執(zhí)行層為電機；微控制器子系統(tǒng)通過RS232接口和上位機相連，微控制器子系統(tǒng)通過擴展其P0口與電機驅(qū)動子系統(tǒng)相連，電機驅(qū)動子系統(tǒng)通過單級接線模式驅(qū)動電機，微控制器子系統(tǒng)通過其P1口與超聲波測距子系統(tǒng)相連；輪式移動機器人控制系統(tǒng)操作方便，可靠性高，數(shù)據(jù)處理能力強，具有良好的擴展性，充分考慮了控制系統(tǒng)的通用性和實用性。
【專利說明】輪式移動機人制系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于控制系統(tǒng)設計技術及可靠性【技術領域】，具體涉及一種輪式移動機器人 控制系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002] 移動機器人系統(tǒng)的總體設計中，控制系統(tǒng)的設計尤為重要，是移動機器人的核心 部分，其性能直接決定了整個機器人系統(tǒng)智能化水平的高低，移動機器人的各種功能的實 現(xiàn)都是在控制系統(tǒng)的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下完成的，同時也決定了整個機器人系統(tǒng)的功能特點和可擴 展性?？刂平Y(jié)構的研究，是目前的一個研究熱點，主要針對有意識行為和反射行為而展開 的，如何將兩者相統(tǒng)一，目前，基于行為控制的結(jié)構還處于理論探討階段，很多工作還有待 深入，而對于移動機器人要完成一個非常復雜的任務，還需要采用更先進、更完善的結(jié)構。
[0003] 移動機器人控制系統(tǒng)的內(nèi)部電路比較復雜，不僅有輸入輸出電路，還有接口電路、 穩(wěn)壓電源、傳感器等，并且是模擬與數(shù)字電路并存、硬件與軟件相結(jié)合的。這將使得機器人 控制系統(tǒng)在實際的工作過程中，容易受到各種外部和內(nèi)部的干擾，使機器人控制系統(tǒng)產(chǎn)生 錯誤或故障。因此必須考慮機器人控制系統(tǒng)的可靠性問題，并采取相應的措施，提高機器人 控制系統(tǒng)工作時的可靠性?？煽啃酝ǔＪ侵冈谝?guī)定的條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功 能的能力?？刂葡到y(tǒng)質(zhì)量的高低主要表現(xiàn)在它的技術性能、可靠性、適應性和經(jīng)濟性四個方 面，其中技術性和可靠性是最重要的方面?，F(xiàn)有技術中往往特別強調(diào)其技術性能指標而忽 視了它的可靠性，并且由于可靠性設計的不周密，在偶然因素或意外事件的作用下，使機 器人控制系統(tǒng)不能正常工作。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術問題是克服了現(xiàn)有控制系統(tǒng)存在的不穩(wěn)定工作問題，提供 了一種輪式移動機器人控制系統(tǒng)，采用分級控制結(jié)構，即將控制系統(tǒng)分為決策層、組織協(xié)調(diào) 層和執(zhí)行層，三層之間采用接口參數(shù)進行彼此聯(lián)系，使得整個系統(tǒng)運行更加準確、穩(wěn)定。
[0005] 為解決上述技術問題，本發(fā)明是采用如下技術方案實現(xiàn)的，結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】如下：
[0006] 一種輪式移動機器人控制系統(tǒng)，包括決策層、組織協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層，決策層為PC 機，作為控制系統(tǒng)的上位機；組織協(xié)調(diào)層由微控制器子系統(tǒng)、超聲波測距子系統(tǒng)和電機驅(qū)動 子系統(tǒng)組成，組織協(xié)調(diào)層作為控制系統(tǒng)的下位機；執(zhí)行層為電機；
[0007] 微控制器子系統(tǒng)通過RS232接口和上位機相連，微控制器子系統(tǒng)通過擴展其P0 口 與電機驅(qū)動子系統(tǒng)相連，電機驅(qū)動子系統(tǒng)通過單級接線模式驅(qū)動電機，微控制器子系統(tǒng)通 過其P1 口與超聲波測距子系統(tǒng)相連；
[0008] 所述微控制器子系統(tǒng)由AT89S52單片機最小系統(tǒng)、AT89S52單片機的外部擴展電 路、電源電路和串行通信接口電路四部分組成；
[0009] 所述AT89S52單片機最小系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)總線連接AT89S52單片機的外部擴展電 路，AT 8%52單片機最小系統(tǒng)通過全雙工的UART串行口連接串行通信接口電路，集成電源 電路實現(xiàn)微控制器子系統(tǒng)。
[0010] 技術方案中所述AT89S52單片機的最小系統(tǒng)由AT89S52單片機、復位電路、系統(tǒng)時 鐘電路和ISP編程接口電路組成；
[0011] AT89S52單片機通過引腳RST與復位電路相連，AT89S52單片機通過引腳XTAL1、 XTAL2與系統(tǒng)時鐘電路相連，AT89S52單片機通過ISP編程電纜與ISP編程接口電路連接； [0012] 復位電路由手動復位S100、電阻R102、電容C100和電阻R103組成，手動復位S100 和電阻R102串聯(lián)，之后與電容C100并聯(lián)，再串聯(lián)電阻Ri〇3, 一端通電，另外兩端是接地和 RST引腳；
[0013] 系統(tǒng)時鐘電路由電容C101、電容C102和外部晶振Y100組成，電容C101和電容 C102串聯(lián)，再與外部晶振Y100串聯(lián)，一端接地，另外兩端是引腳XTAL1、XTAL2 ;
[0014] ISP編程接口電路是一個雙排的10針插座接口電路，十個引腳分別為SCK、MIS0、 RST、NC、M0SI、VCC、兩個GND以及兩個NC，不需要任何其他的外圍零件。
[0015] 技術方案中所述AT89S52單片機的外部擴展電路包括外部總線的擴展電路、外部 存儲器的擴展電路和I/O 口的擴展電路；
[0016] 所述外部總線的擴展電路由74LS373地址鎖存器連接，74LS373地址鎖存器設有 十八個引腳，十八個引腳分別是1D?8D、1Q?8Q、C、引腳1D?8D分別與單片機 AT89S52的AD0?AD7相連，引腳1Q?8Q分別與6264靜態(tài)隨機存儲器芯片的A0?A7相 連，死引腳接地，C引腳與單片機AT89S52的ALE相連；
[0017] 所述外部存儲器的擴展電路是6264靜態(tài)隨機存儲器芯片，6264靜態(tài)隨機存儲器 芯片是8KX8位的靜態(tài)隨機存儲器芯片，6264靜態(tài)隨機存儲器芯片二十五個引腳分別是 A0?A12、D0?D7、&、g、CS2,其中6264靜態(tài)隨機存儲器芯片的引腳A0? A7與74LS373地址鎖存器的引腳1Q?8Q相連，6264靜態(tài)隨機存儲器芯片的引腳A8? A12與單片機AT89S52的引腳A8?A12相連，6264靜態(tài)隨機存儲器芯片的引腳DO?D7 與可編程并行接口芯片8255A的引腳D0?D7相連，6264靜態(tài)隨機存儲器芯片的片選信號 5-- _ 74LS138片選信號線接地址譯碼器的輸出引腳Y0相連，片選信號CS2與電源相連， &、遠分別接至單片機AT89S52的互萬和I運引腳，當Y0輸出為低電平時，6264靜態(tài)隨 機存儲器芯片處于選中狀態(tài)，能夠進行讀寫數(shù)據(jù)的操作，6264靜態(tài)隨機存儲器芯片的地址 范圍為0000H?1FFFH ;
[0018] 所述I/O 口的擴展電路是由74LS377地址鎖存器組成，74LS377地址鎖存器的十八 個引腳分別是1D?8D、1Q?8Q、§s CLK ;引腳1D?8D分別與單片機AT89S52的AD0? AD7相連，引腳1Q?8Q輸出至電機，接數(shù)允許端1與引腳與74LS138片選信號線接地址 譯碼器引腳Y2相連，CLK為芯片的寫選通信號線，接至單片機AT89S52的?:引腳；74LS377 地址鎖存器具有8個D觸發(fā)器，當G為低電平且時鐘CLK端電平正跳變時，DO?D7端的數(shù) 據(jù)被鎖存到8個D觸發(fā)器中。
[0019] 技術方案中所述74LS138片選信號線接地址譯碼器是采用一個肖特基的3- 8線 譯碼器，十四個引腳分別是A、B、C、Gl、gA、石Y0?Y7, 74LS138片選信號線接地址 譯碼器的引腳A、B、C分別接到P2 口的高3位P25、P26、P27 口線上，引腳G1接電源，引腳 否\和函B接地，74LS138片選信號線接地址譯碼器的輸出引腳Y0與6264靜態(tài)隨機存儲 器芯片的片選信號相連，引腳Y1與可編程并行接口芯片82δ5Α的片選信號:?相連， 引腳Y2與74LS377地址鎖存器的接數(shù)允許端石引腳相連，其余五個引腳Y3?Y7空位；當 輸出地址信號A0?A15時，形成A、B、C的組合，能實現(xiàn)8個外部芯片或單元的選擇。
[0020] 技術方案中所述I/O 口的擴展電路是可編程并行接口芯片8255A擴展3個8位的 平行I/O 口，3個8位的平行I/O 口分別為PA、PB、PC，可編程并行接口芯片8255A的三十八 個引腳分別是 DO ?D7、及萬、涵、A0、A1、RESET、·^、PA0 ?PA7、PB0 ?PB7、PC0 ?PC7 ;
[0021] 引腳D0?D7分別與單片機AT89S52的AD0?AD7相連，讀、寫選通信號輸入引腳 胃分別接至單片機AT89S52的1引腳，端口地址輸入線Al、A0用于選擇可 編程并行接口芯片8255A內(nèi)部的端口寄存器，接至單片機AT89S52地址總線的末2位AD1、 AD0,引腳RESET連接單片機AT89S52的RST引腳，引腳_連接片選信號線接地址譯碼器 74LS138的Yl，Y1為低電平輸出時，使可編程并行接口芯片8255A處于選中狀態(tài)；
[0022] 可編程并行接口芯片8255A的PA 口、PB 口、PC和控制寄存器的地址分別為： 3FFCH、3FFDH、3F 腦、3FFFH。
[0023] 技術方案中所述電源電路由開關電源電路和電源監(jiān)控電路組成；
[0024] 所述開關電源電路由JP200接口、電容C200、電容C201、二極管D200、二極管 D201、電感L200、電阻R200和LM2575-5. 0開關穩(wěn)壓集成電路組成；
[0025] 所述二極管D201和電阻R200串聯(lián)，再與電容C201并聯(lián)，之后再與電感L200串聯(lián)， 再分別與LM2575-5.0開關穩(wěn)壓集成電路、電容C200、JP200接口并聯(lián)；
[0026] 所述電源監(jiān)控電路由電阻R201?R206、二極管D202、二極管D203、三極管Q200、 三極管Q201以及MAX813電壓監(jiān)控芯片組成；
[0027] 電阻R201與二極管D202與三極管Q200串聯(lián)，電阻R202與二極管D203與三極管 Q201串聯(lián)，二者并聯(lián)后再與電阻R205、R206串聯(lián)，之后再連接MAX813電壓監(jiān)控芯片與電阻 R203 和 R204。
[0028] 技術方案中所述串行通信接口電路由9針的D型插頭、4只1 μ F的有極性電容 C300?C303和一個接口芯片MAX232組成。
[0029] 與現(xiàn)有技術相比本發(fā)明的有益效果是：
[0030] 1、本發(fā)明所述的輪式移動機器人控制系統(tǒng)分為決策層、組織協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層，三 層之間采用接口參數(shù)進行彼此聯(lián)系，使得整個系統(tǒng)運行更加準確、穩(wěn)定；
[0031] 2、本發(fā)明所述的輪式移動機器人控制系統(tǒng)具有較廣泛的功能擴展空間，很好地兼 顧了控制系統(tǒng)的通用性和實用性要求，通過控制系統(tǒng)功能的擴展和升級，還可以增加語音 識別、視覺追蹤等交互性更強的功能；
[0032] 3、本發(fā)明所述的輪式移動機器人控制系統(tǒng)具有開放式結(jié)構、模塊化以及標準化運 動控制系統(tǒng)的研究對提高機器人性能和自主能力、推動機器人技術的發(fā)展具有重大意義；
[0033] 4、采用本發(fā)明所述的輪式移動機器人控制系統(tǒng)操作方便，可靠性高，數(shù)據(jù)處理能 力強，具有良好的擴展性，充分考慮了控制系統(tǒng)的通用性和實用性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034] 下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明作進一步的說明：
[0035] 圖1是本發(fā)明所述的輪式移動機器人控制系統(tǒng)結(jié)構原理圖；
[0036] 圖2是本發(fā)明所述的輪式移動機器人控制系統(tǒng)的復位電路圖；
[0037] 圖3是本發(fā)明所述的輪式移動機器人控制系統(tǒng)的時鐘電路圖；
[0038] 圖4是本發(fā)明所述的輪式移動機器人控制系統(tǒng)的ISP編程接口電路圖；
[0039] 圖5是本發(fā)明所述的輪式移動機器人控制系統(tǒng)的外部總線的擴展電路圖；
[0040] 圖6是本發(fā)明所述的輪式移動機器人控制系統(tǒng)的地址譯碼電路圖；
[0041] 圖7是本發(fā)明所述的輪式移動機器人控制系統(tǒng)的觸發(fā)信號電路圖；
[0042] 圖8是本發(fā)明所述的輪式移動機器人控制系統(tǒng)的I/O 口的擴展電路圖；
[0043]圖9是本發(fā)明所述的輪式移動機器人控制系統(tǒng)的電源電路圖；
[0044] 圖10是本發(fā)明所述的輪式移動機器人控制系統(tǒng)的電源監(jiān)控電路圖；
[0045] 圖11是本發(fā)明所述的輪式移動機器人控制系統(tǒng)的RS-232串行通信接口電路圖； [0046]圖12是本發(fā)明所述的輪式移動機器人控制系統(tǒng)的下位機數(shù)據(jù)接收中斷服務程序 的流程圖；
[0047]圖13是本發(fā)明所述的輪式移動機器人控制系統(tǒng)的主程序流程圖。

【具體實施方式】
[0048] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細的描述：
[0049]移動機器人工作環(huán)境的復雜性使移動機器人的控制系統(tǒng)設計不容忽視。因此，如 何進行控制系統(tǒng)的合理設計，使移動機器人能夠?qū)碗s的環(huán)境進行自主的分析、判斷和決 策，并實現(xiàn)快捷、安全、自由移動，將是一項富有挑戰(zhàn)性的研究工作。
[0050] 輪式移動機器人控制系統(tǒng)設計
[0051](:)移動機器人工作環(huán)境的復雜性使移動機器人的控制系統(tǒng)設計不容忽視。因 此，如何進行控制系統(tǒng)的合理設計，使移動機器人能夠?qū)碗s的環(huán)境進行自主的分析、判斷 和決策，并實現(xiàn)快捷、安全、自由移動，將是一項富有挑戰(zhàn)性的研究工作。采用分級控制結(jié) 構，即將控制系統(tǒng)分為決策層、組織協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性。 [00 52](二）作為移動機器人組織協(xié)調(diào)層核心的微控制器子系統(tǒng)電路的組成，在介紹單 片機AT89S52的最小系統(tǒng)的基礎上，為滿足系統(tǒng)功能的擴展，進行了單片機 AT89S52的外圍 擴展電路設計，研究了系統(tǒng)電源電路的低功耗設計原理，并對移動機器人的上、下位機間的 串行通信電路的設計進行了詳細介紹，進而完成了微控制器的電路設計。結(jié)合上位機中的 移動機器人控制界面可以使該系統(tǒng)實現(xiàn)移動機器人的手動運行和自主運行以及按特定曲 線運行三種運行模式，并且參數(shù)可以自由設置。
[0053]下面對本發(fā)明輪式移動機器人控制系統(tǒng)作詳細說明：
[0054] -、輪式移動機器人控制系統(tǒng)結(jié)構
[0055]參閱圖1，移動機器人控制系統(tǒng)采用分級控制結(jié)構，將控制系統(tǒng)分為3層，g卩：決策 層、組織協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層。3層之間采用接口參數(shù)進行彼此聯(lián)系，使得整個系統(tǒng)運行更加準 確、穩(wěn)定，其控制系統(tǒng)結(jié)構如圖1所示。
[0056] 1、決策層
[0057] 決策層為機器人智能行為決策系統(tǒng)，其功能是根據(jù)配備的感知系統(tǒng)（如超聲波傳 感器等）提供的信息，對機器人自身的位置和所處環(huán)境進行分析判斷，以及對機器人的運 動路徑進行規(guī)劃。鑒于PC機具有強大的信息處理功能，本發(fā)明采用PC機作為控制系統(tǒng)的 決策系統(tǒng)，作為控制系統(tǒng)的上位機，在整個系統(tǒng)中的主要功能是接收用戶輸入的運動參數(shù) 及運動控制命令、建立周圍環(huán)境中障礙物的分布模型、進行路徑規(guī)劃、完成定位計算和顯示 等任務。
[0058] 2、組織協(xié)調(diào)層
[0059] 組織協(xié)調(diào)層的核心是微控制器子系統(tǒng)，是將各個子系統(tǒng)反饋的信息，進行必要的 組織處理后，發(fā)送到?jīng)Q策層；并根據(jù)決策層做出的決策規(guī)劃，把任務分配給各個子系統(tǒng)。組 織協(xié)調(diào)層是綜合考慮機器人自身各種機電參數(shù)與運動方式控制之間關系的協(xié)調(diào)層，是保證 決策指令得以迅速、準確執(zhí)行的關鍵所在。組織協(xié)調(diào)層根據(jù)決策層提供的動作指令，結(jié)合機 器人自身的運動特性、電機特性等信息，給出能夠?qū)崿F(xiàn)決策系統(tǒng)動作指令的最佳驅(qū)動方案。 [0060] 3、執(zhí)行層
[0061] 執(zhí)行層是根據(jù)組織協(xié)調(diào)層輸出的期望值形成相應的控制量，驅(qū)動相應的電機工 作，完成機器人的運動控制。執(zhí)行層的核心部分是電機的運動控制，是保證機器人可靠運行 的機電系統(tǒng)。
[0062] 整個控制系統(tǒng)中的上位機處于決策層，采用PC機作為上位機，在整個系統(tǒng)中的 主要功能是接收用戶輸入的運動參數(shù)及運動控制命令、建立周圍環(huán)境中障礙物的分布模 型、進行路徑規(guī)劃、完成定位計算和顯示等任務，從而減輕下位機的負擔，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定 性和實時性。
[0063]整個控制系統(tǒng)中的下位機處于組織協(xié)調(diào)層，主要由以下三個子系統(tǒng)組成：微控制 器子系統(tǒng)、超聲波測距子系統(tǒng)及電機驅(qū)動子系統(tǒng)。結(jié)合上位機中的移動機器人控制界面可 以使該系統(tǒng)實現(xiàn)移動機器人的手動運行和自主運行以及按特定曲線運行三種運行模式，并 且參數(shù)可以自由設置。手動運行主要是控制機器人直線前進、直線后退、左右轉(zhuǎn)向動作。自 主運行是通過配備的超聲波傳感器檢測周圍環(huán)境，自主運行且避開前進方向的障礙物，并 最終順利達到既定目標。特定曲線運行則是控制機器人按照設定參數(shù)的圓弧、矩形、三角形 等常見路徑運行。在運行的過程中，通過超聲波傳感器測距子系統(tǒng)獲取環(huán)境信息，同時，在 上位機中建立機器人周圍的障礙物分布模型和實時顯示機器人的運動路徑。
[0064] 二、微控制器子系統(tǒng)
[0065]微控制器子系統(tǒng)是下位機的核心，本發(fā)明主要是研究微控制器子系統(tǒng)，主要進行 各種信息、數(shù)據(jù)的處理，協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各功能模塊完成預定任務。該微控制器子系統(tǒng)主要由四 部分組成，分別是（一）AT89S52單片機最小系統(tǒng)，（二）AT89S52單片機的外部擴展電路， (三）電源電路，（四）串行通信接口電路，并給出了該微控制器子系統(tǒng)的控制主程序和下 位機數(shù)據(jù)接收中斷服務程序的流程，各個組成部分之間的連接如圖2-圖11所示。下面從 微控制器子系統(tǒng)的各功能模塊的設計原理和功能出發(fā)，闡述各個模塊的硬件具體設計以及 軟件的程序流程。（一 UT89S52單片機最小系統(tǒng)
[0066] AT89S52單片機最小系統(tǒng)包括AT89SS2單片機、復位電路、系統(tǒng)時鐘、ISP編程接口 電路（In System Programmed),添加 ISP編程接口電路是為了將調(diào)試好的程序通過該電路 下載到微控制器中。
[0067] (1)AT89S52 單片機
[0068] AT89S52 單片機是低功耗、高性能、采用 CMOS (Complement Metal Oxide Semiconductor，復合互補金屬氧化物半導體）工藝的8位微控制器，采用了 ATMEL公司的 高密度、非易失性存儲器技術，與工業(yè)標準型80C51微控制器的指令系統(tǒng)和引腳完全兼容； 通用的8位CPU與在線可編程Flash集成在一塊芯片上，從而使AT89S52單片機功能更加 完善，應用更加靈活；具有較高的性價比，使其在嵌入式系統(tǒng)中有著廣泛的應用前景。
[0069] AT89S52單片機具有如下特性：片內(nèi)存儲器包含8KB的Flash,可在線編程，擦寫 次數(shù)不少于1000次；具有256字節(jié)的片內(nèi)RAM ;具有可編程的32根1/0 口線（P1、P2、P2和 P3);具有3個可編程定時器T0、T1和T2 ;內(nèi)含2個數(shù)據(jù)指針TPTR0和TPTR1 ;中斷系統(tǒng)是具 有8個中斷源、6個中斷矢量、2級優(yōu)先權的中斷結(jié)構；串行通信口是1個全雙工的UART串 行口；2種低功耗節(jié)電工作方式為空閑模式和掉電模式；具有3級程序鎖定位；含有1個看 門狗定時器；ΑΤ 8%52單片機的工作電源電壓為4. 0?5. 5V ;全靜態(tài)工作模式為0?3MHz， 最高工作頻率為33MHz。
[0070] (2)復位電路
[0071] 參閱圖2, AT89S52單片機最小系統(tǒng)的復位電路是由電感R102、電感R103、電容 C100和手動復位S100組成，具體連接如圖2所示，復位電路引腳RST與AT89S52單片機 的引腳RST相連，當系統(tǒng)上電時，該引腳上出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平，使器件復位， ATS%52單片機內(nèi)的大部分的寄存器的值恢復到初始狀態(tài)值（個別寄存器不受復位影響）。 若RST保持高電平，器件保持復位狀態(tài)；RST變低電平后，退出復位狀態(tài)，AT89S52從初始狀 態(tài)開始工作。在系統(tǒng)上電的瞬間，電容C100通過電阻R103進行充電，在RST端將出現(xiàn)一定 時間的高電平，RST端高電平的保持時間包括VCC的上升時間和振蕩器的起振時間，只要高 電平的時間足夠長（一般在 2〇ms以上），就可以保證可靠的上電復位。rc時間常數(shù)越大， 上電時RST端保持高電平的時間就越長。若復位電路失效，加電后微控制器將從一個隨機 的狀態(tài)開始工作，將導致系統(tǒng)無法正常工作。此外，除了上電時的自動復位外，常常需要加 上一個手動復位按鈕，以方便系統(tǒng)的調(diào)試或使系統(tǒng)重新開始工作，可以使用簡單的按鈕加 阻容電路構成，按下開關時就在RST端出現(xiàn)一定時間的高電平，引發(fā)微控制器的復位。
[0072] (3)系統(tǒng)時鐘電路
[0073] 參閱圖3, AT89S52單片機最小系統(tǒng)的系統(tǒng)時鐘電路是由電容C101、電容C1〇2和外 部晶振Y100組成，具體連接如圖3所示，時鐘電路引腳XTAL1、XTAL2分別與AT89S52單片 機的引腳XTAL1、XTAL2相連。系統(tǒng)時鐘電路控制微控制器子系統(tǒng)的工作節(jié)奏，AT89S52單 片機內(nèi)部有一個可控的負反饋反相放大器，引腳XTAL1、XTAL2分別為反相放大器的輸入和 輸出端，外接定時反饋元件后就可組成振蕩器，產(chǎn)生時鐘送至AT89S52內(nèi)部的各個部件。本 發(fā)明采用11. 〇592MHz的外部晶振Y100作為整個系統(tǒng)的振蕩源。電容C101和cl〇2的作用 主要是使振蕩器起振及對振蕩器的頻率f起微調(diào)的作用，若 C101、C1〇2增大，則f將變小， C101、Cl〇2的典型取值為3〇PF左右。為了減小寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠工 作，振蕩器和電容應盡可能與XTAL1和XTAL2靠近。
[0074] (4)ISP編程接口電路
[0075]參閱圖4, ISP編程接口電路是采用一個雙排的1〇針插座接口電路，十個引腳分 別為SCK、MISO、RST、NC、MOSI、VCC、兩個GND以及兩個NC，不需要任何其他的外圍零件。 AT89S52單片機支持ISP技術，當對其進行編程時，只須通過ISP編程接口將ISP編程電纜 和AT89S52單片機進行連接，接口原理參閱圖4所示。由于沒有其他外圍零件，故AT89S52 單片機的P15 (M0SI)、P16 (MIS0)，P17 (SCK)及復位引腳仍可以正常使用，不會受到干擾。 [0076](二）AT89S52單片機外部擴展電路
[0077] 由于AT89S52單片機片內(nèi)有限的資源往往不能很好地滿足系統(tǒng)功能擴展的要求， 當增加其他的功能模塊以及需要較多的存儲容量和較多的I/O接口時，必須對AT89S52單 片機進行擴展，包括外部總線的擴展電路、外部存儲器的擴展電路及I/O 口的擴展電路。
[0078] (1)外部總線的擴展電路
[0079] 參閱圖5,74LS373地址鎖存器十八個引腳分別是1D?8D、1Q?8Q、C、·^。引腳 1D?8D分別與AT89S52單片機的AD0?AD7相連，引腳1Q?8Q分別與6264靜態(tài)隨機存 儲器芯片的A0?A7相連，Μ引腳接地，C引腳與AT89S52單片機的ALE相連。
[0080] AT89S52單片機沒有對外專用的地址總線和數(shù)據(jù)總線，在進行外部存儲器或1/ 〇接口擴展時，必須通過引腳ALE實現(xiàn)對外總線的擴展。其中74LS373地址鎖存器是帶三 態(tài)輸出的8位鎖存器，其功能表參閱表1所示。當三態(tài)端面有效，使能端C為高電平時， 輸出跟隨輸入變化；當C端由高變低時，輸出端8位信息被鎖存，直到C端再次有效。利用 AT89S52單片機的P0 口和P2 口作為并行擴展總線可擴展出64K字節(jié)程序存儲器和64K字 節(jié)的RAM/I0 口，參閱圖5所示。P2 口輸出16位地址中的高8位的地址A8?A15，P0 口為 復用口，先輸出低8位地址A0?A7,再用ALE信號的電平負跳變將A0?A7鎖入74LS373 地址鎖存器，接著P0 口作為數(shù)據(jù)總線使用傳送數(shù)據(jù)，AT89S52單片機的P36和P37引腳作 為外部RAM/I0 口的讀出/寫入選通信號β、1萬，^^作為外部程序存儲器的讀出選 通信號。由于外部程序存儲器和RAM/I0 口使用不同的讀選通信號，故可以使AT89S52單片 機的CPU通過16位的地址總線訪問64K字節(jié)的程序存儲器和64K字節(jié)的RAM/I0 口。
[0081] 表 1 74LS373 功能表
[0082]

【權利要求】
1· 一種輪式移動機器人控制系統(tǒng)，包括決策層、組織協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層，其特征在于： 決策層為pc機，作為控制系統(tǒng)的上位機；組織協(xié)調(diào)層由微控制器子系統(tǒng)、超聲波測距 子系統(tǒng)和電機驅(qū)動子系統(tǒng)組成，組織協(xié)調(diào)層作為控制系統(tǒng)的下位機；執(zhí)行層為電機； 微控制器子系統(tǒng)通過RS232接口和上位機相連，微控制器子系統(tǒng)通過擴展其P0 口與電 機驅(qū)動子系統(tǒng)相連，電機驅(qū)動子系統(tǒng)通過單級接線模式驅(qū)動電機，微控制器子系統(tǒng)通過其 P1 口與超聲波測距子系統(tǒng)相連； ' 所述微控制器子系統(tǒng)由AT89S52單片機最小系統(tǒng)、AT89S52單片機的外部擴展電路、電 源電路和串行通信接口電路四部分組成； 所述AT89S52單片機最小系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)總線連接ATS9S52單片機的外部擴展電路， ATS9S52單片機最小系統(tǒng)通過全雙工的UART串行口連接串行通信接口電路，集成電源電路 實現(xiàn)微控制器子系統(tǒng)。
2·根據(jù)權利要求1所述的一種輪式移動機器人控制系統(tǒng)，其特征在于： 所述AT89SM單片機的最小系統(tǒng)由AT8%52單片機、復位電路、系統(tǒng)時鐘電路和ISP編 程接口電路組成； AT89S52單片機通過引腳RST與復位電路相連，AT89S52單片機通過引腳XTALUXTAL2 與系統(tǒng)時鐘電路相連，AT89S52單片機通過ISP編程電纜與ISP編程接口電路連接； 復位電路由手動復位S100、電阻R102、電容C100和電阻R103組成，手動復位S100和 電阻R102串聯(lián)，之后與電容C100并聯(lián)，再串聯(lián)電阻R103,一端通電，另外兩端是接地和 RST引腳； 系統(tǒng)時鐘電路由電容C101、電容Cl〇2和外部晶振Y100組成，電容C101和電容C102串 聯(lián)，再與外部晶振Y100串聯(lián)，一端接地，另外兩端是引腳XTAL1、XTAL2 ; ISP編程接口電路是一個雙排的10針插座接口電路，十個引腳分別為SCK、MIS0、RST、 NC、MOSI、VCC、兩個GND以及兩個NC。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種輪式移動機器人控制系統(tǒng)，其特征在于： 所述AT89S52單片機的外部擴展電路包括外部總線的擴展電路、外部存儲器的擴展電 路和I/O 口的擴展電路； 所述外部總線的擴展電路由74LS373地址鎖存器組成，74LS373地址鎖存器設有十八 個引腳，十八個引腳分別是1D?8D、1Q?8Q、C、反；引腳1D?8D分別與單片機AT89S52 的AD0?AD7相連，引腳1Q?8Q分別與6264靜態(tài)隨機存儲器芯片的A0?A7相連，_ 引腳接地，C引腳與單片機AT89S52的ALE相連； 所述外部存儲器的擴展電路是6264靜態(tài)隨機存儲器芯片，6264靜態(tài)隨機存儲器芯片 是8KX 8位的靜態(tài)隨機存儲器芯片，6264靜態(tài)隨機存儲器芯片二十五個引腳分別是A0? A1LD0?D7、&、標、:石I、CS2,其中6264靜態(tài)隨機存儲器芯片的引腳A0?A7與 74LS373地址鎖存器的引腳1Q?8Q相連，6264靜態(tài)隨機存儲器芯片的引腳A8?A12 與單片機AT89S52的引腳A8?A12相連，6264靜態(tài)隨機存儲器芯片的引腳D0?D 7與 可編程并行接口芯片8255A的引腳D0?D7相連，6264靜態(tài)隨機存儲器芯片的片選信號 巧豆與74LS138片選信號線接地址譯碼器的輸出引腳Y0相連，片選信號CS2與電源相連， S、瓦云分別接至單片機AT89S52的互和吞云引腳，當Y0輸出為低電平時，6264靜態(tài)隨 機存儲器芯片處于選中狀態(tài)，能夠進行讀寫數(shù)據(jù)的操作，6264靜態(tài)隨機存儲器芯片的地址 范圍為0000Η?1FFFH ; 所述I/O 口的擴展電路是由74LS377地址鎖存器組成，74LS377地址鎖存器的十八個 引腳分別是1D?8D、1Q?8Q、G、CLK ;引腳1D?8D分別與單片機AT89S52的ADO?AD7 相連，引腳1Q?8Q輸出至電機，接數(shù)允許端G與引腳與74LS138片選信號線接地址譯碼 器引腳Y2相連，CLK為芯片的寫選通信號線，接至單片機AT89S52的?:引腳；74LS377地 址鎖存器具有8個D觸發(fā)器，當夜為低電平且時鐘CLK端電平正跳變時，DO?D7端的數(shù)據(jù) 被鎖存到8個D觸發(fā)器中。
4. 根據(jù)權利要求3所述的一種輪式移動機器人控制系統(tǒng)，其特征在于： 所述74LS138片選信號線接地址譯碼器是采用一個肖特基的3- 8線譯碼器，十四個 引腳分別是A、B、C、G1、否;\、否B、Y0?Y7,74LS138片選信號線接地址譯碼器的引腳 A、B、C分別接到P2 口的高3位P25、P26、P27 口線上，引腳G1接電源，弓|腳運Λ和否B 接地，74LS138片選信號線接地址譯碼器的輸出引腳Υ0與6264靜態(tài)隨機存儲器芯片的片 選信號Μ:相連，引腳Υ1與可編程并行接口芯片8255Α的片選信號茂相連，引腳Υ2與 74LS377地址鎖存器的接數(shù)允許端1引腳相連，其余五個引腳Υ3?Υ7空位；當輸出地址 信號Α0?Α15時，形成A、B、C的組合，能實現(xiàn)8個外部芯片或單元的選擇。
5. 根據(jù)權利要求3所述的一種輪式移動機器人控制系統(tǒng)，其特征在于： 所述I/O 口的擴展電路是可編程并行接口芯片8255Α擴展3個8位的平行I/O 口，3 個8位的平行I/O 口分別為PA、PB、PC，可編程并行接口芯片8255Α的三十八個引腳分別是 DO ?D7、而、涵:、AO、Al、RESET、:茂、PA0 ?PA7、PB0 ?PB7、PC0 ?PC7 ; 引腳DO?D7分別與單片機AT89S52的ADO?AD7相連，讀、寫選通信號輸入引腳 天萬、吞云分別接至單片機AT89S52的?吞云引腳，端口地址輸入線Al、A0用于選擇可 編程并行接口芯片8255Α內(nèi)部的端口寄存器，接至單片機AT89S52地址總線的末2位AD1、 AD0,引腳RESET連接單片機AT89S52的RST引腳，引腳石|:連接片選信號線接地址譯碼器 74LS138的Y1，Y1為低電平輸出時，使可編程并行接口芯片8255A處于選中狀態(tài)； 可編程并行接口芯片8255Α的ΡΑ 口、ΡΒ 口、PC和控制寄存器的地址分別為：3FFCH、 3FFDH、3FFH1、3FFFH。
6. 根據(jù)權利要求1所述的一種輪式移動機器人控制系統(tǒng)，其特征在于： 所述電源電路由開關電源電路和電源監(jiān)控電路組成； 所述開關電源電路由JP2〇〇接口、電容C200、電容C201、二極管D200、二極管D201、電 感L200、電阻R200和LM2575-5. 0開關穩(wěn)壓集成電路組成； 所述二極管D201和電阻R200串聯(lián)，再與電容C201并聯(lián)，之后再與電感L200串聯(lián)，再 分別與LM2575-5. 0開關穩(wěn)壓集成電路、電容C200、JP200接口并聯(lián)； 所述電源監(jiān)控電路由電阻R201?R206、二極管D202、二極管D203、三極管Q200、三極 管Q201以及MAX813電壓監(jiān)控芯片組成； 電阻R201與二極管D2〇2與三極管Q200串聯(lián)，電阻R2〇2與二極管〇 2〇3與三極管Q2〇1 串聯(lián)；二者并聯(lián)后再與電阻R2〇5、R2〇6串聯(lián)，之后再連接MAXS13電壓監(jiān)控芯片與電阻 R203 和 R204。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種輪式移動機器人控制系統(tǒng)，其特征在于： 所述串行通信接口電路由9針的D型插頭、4只1 μ F的有極性電容C：300?C3〇3和一 個接口芯片MAX232組成。
【文檔編號】G05B19/418GK104216372SQ201410443985
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月2日 優(yōu)先權日:2014年9月2日
【發(fā)明者】張英芝, 戚曉艷, 申桂香, 孫曙光, 崔剛, 彭應龍 申請人:吉林大學