C8051F单片机在自动机器人上的应用

2.3 电机的选择
由于在比赛时电源必须自带，驱动电机采用直流电机，本文采用的是FAULHABER公司生产的2342L024CR直流电机。通过改变PWM的占空比来改变它的转速，通过改变电源的极性来改变电机的转向。为了能够准确测出电机的转速和转向，在每个电机上装有两路光电编码器，光电编码器输出与电机转速成正比的方波信号，两路信号在频率上相等，在相位上相差90°，如图2所示的CHa和CHb信号。

2.4 电机驱动电路
为了控制直流电动机，需用半导体功率器件进行驱动。大多数直流电动机的驱动是采用开关型驱动方式。由于PWM调制方式使晶体管工作在开关状态，这种调速方式不仅功率损耗低、效率高，而且具有调速范围广、响应速度快等特点。当输入信号为零时，伺服电机处于微振状态，克服了静摩擦力的影响，有利于改善伺服系统低速运行时的平稳性。
本文采用L298为电机驱动芯片，它采用双H桥式为主驱动电路，如图3所示。该电路不仅能够调速而且还能正反转，可以驱动同步进电机或同时驱动2个直流电机。通过它的2个引脚PWM和DIR实现对电机的控制。通过改变PWM引脚的占空比，可以实现对电机的转速控制；通过改变DIR引脚的高低电平，可以实现电机的正反转控制。

经过74LS86芯片倍频和74LS74芯片鉴向后的信号输送给MCU(C8051F310)，MCU经过PID运算后的结果输送给MCU内部的PCA阵列，从而输出符合要求的PWM脉冲信号以及电机的转向信号给直流电机，精确控制电机的转速和转向。
2.7 引导线的检测
在比赛场地上有3 cm宽的白色引导线，自动机器人可以沿着引导线确定自己的运动轨迹，因此，自动机器人可以利用白色的引导线来校正自己的运动轨迹。为了能够准确地检测到场地的白色引导线，采用光纤传感器来检测。光纤传感器上主要有如图5所示的发射光装置和接收光装置。

发射光装置发射出的光遇到前方的检测物后，反射回来给接收装置，如果检测物的距离和灰度不同，则反射回来的光的强度也不同。当调节好距离之后，设定不同的阈值就可以检测不同的灰度。光纤传感器检测比赛场地上的白色引导线，利用场地灰度不同，即白色引导线比周围背景的反射率更高的特点，使机器人行走时引导线处于机器人两驱动轮的中间。具体设计是：机器人左右各有4个光纤传感器，分别为1～4号传感器，如图6所示。考虑到引导线的宽度为3 cm，左1号传感器和右1号传感器之间的距离设为4 cm，留1cm的余地，左右传感器内部之间的距离为2.5 cm。机器人行走时：如果左右光纤传感器都没有检测到引导线，说明引导线在机器人两驱动轮的中间，两轮的速度正确；当左边的光纤传感器检测到引导线，说明左驱动轮的速度偏大，机器人在往右边偏移，这时应该减小左驱动轮速度或增大右驱动轮速度进行校正。左边的光纤传感器有4个，当1号光纤传感器检测到，说明偏移量较小其校正量也应较小；如果是2号光纤传感器检测到，说明偏移量更大，校正量也应更大。以此类推，4号光纤传感器偏移量最大，校正量也最大。若是右边的光纤传感器检测到白色引导线，其原理同左边的光纤传感器。这样MCU就可以通过光纤传感器传送来的信号实时调整左右驱动轮的速度，使机器人按要求的路线运行。

以上是以C8051F单片机作为主MCU在自动机器人控制电路中的应用，它通过PID算法和光电检测器构成双闭环的控制电路，实现了对驱动电机的精确控制，能够很好地满足比赛的控制要求。通过比赛实践证明了该电路具有体积小、功耗低、控制精度高、成本低的优点，非常适合大学生参赛使用，同时也是一个很好的训练和培养学生实践创新能力的试验项目。

2.5 倍频电路
从电机的编码器上输出两路矩型脉冲信号，它们的频率相等，与电机的转速成正比，相位上相差90°（如图2的Cha、CHb）。在PID算法中，为了提高脉冲取样的频率，提高算法的控制精度，要求能够提高编码器的矩形脉冲分辨率。因此本文对光电编码器的两路脉冲信号进行倍频。倍频芯片采用74LS86，它同时能够进行4个“异或”运算：Q=A×B。驱动电机的两路矩形方波信号CHa、CHb输入给74LS86的A、B端，通过74LS86“异或”运算后所得到的频率为原来的两倍（如图2的CHc）。
2.6 鉴向电路
在控制电机的PID算法中，MCU要知道电机的正反转，即需要鉴向电路。本文所用鉴向器的芯片是74LS74。74LS74是2路正边缘D触发器，它可以同时检测2路电机的转向，其工作过程为：74LS74的触发端CK引脚和输入端D引脚分别与电机光电编码器输送过来的2路方波信号CHa、CHb相连。因为74LS74的输出信号是：Q = CK↑·D，若CK引脚与CHb相连，D引脚与CHa相连，属于上升沿触发器。当电机正转时，其2路脉冲信号如图4(a)所示，CHb信号上升沿所对应的CHa信号为高电平，这时74LS74芯片的输出端Q为1；当电机反转时，其2路脉冲信号如图4(b)所示，CHb信号上升沿所对应的CHa信号为低电平，这时74LS74芯片的输出端Q为0。因此通过鉴向电路可以判断电机的转向。