基于lpc2131的蛇形机器人硬件设计论文(编辑修改稿)

基于lpc2131的蛇形机器人硬件设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

崔显世、颜国正等人也创造出了我国第一台小型蛇形机器人。 中科院开放实验室现金也开始了对蛇形机器人的研究，并在可重构思想的基础之上提出一种新型的结构；国防科技大学也研发了属于自己的蛇形机器人，而且可以在水中实现各种复杂的运动，虽然蛇形机器人的研究在我国起步比较晚，但发展速度之快， 前所未有。 近来，大家对仿生学的兴趣空前上涨，而仿生机器学也随之而受到在机器人领域的特别关注，对于地震、雪灾、泥石流、海啸、火山、有毒气等危险的地方和一些地面障碍物比较多、崎岖不平、以及狭窄难以通过的地形及环境，类似于蛇形机器人的机器有相当大的运动优势，可以满足各种各样的需求。 正是由于蛇形机器人具有轮式机器人及步行机器人所没有的灵活运动方式和广泛的应用前景，研究和设计蛇形仿生冗余度机器人受到越来越多人的重视。 蛇形机器人的简介 本 设计 以 STC89C51 为控制芯片， 主要由 4 个部分组成，分别为控制部分、机 械部分、无线传输部分、电源部分、上位机显示部分。 电源部分，主要采用的是开关稳压电源，可以分别输出所需要的 5V 和 12V 电压，且电流均可以达到 5A，即总共可以输出 85W 的电能，能够满足整个蛇身运动所需要的 3 能量，由于舵机所需要的启动电流特别大，每个舵机可以达到 ，同时启动的 3 个舵机对电源的稳定性有较大的影响，直流减速电机需要 12V 电压供电，而直接供电电流达不到的要求，故采用 L298N 作为驱动，加以外围电路，实现直流减速电机的运动，因此给 51 单片机和 ARM 单片机的供电另行采用 5V 的蓄电池，这样可以使整个系统 处于稳定的运行状态。 控制部分主要是靠 51 单片机和 LPC2131 的 ARM 系统来控制的， 51 单片机主要通过对 IO 口的控制，来实现对 NRF905 各个寄存器的配置，以及对存储器的 控 制命令，从而对超声波模块测得距离进行无线传输，然后利用 1602 对超声波侧得的数据进行实时显示，做到实时通讯，实时传输。 而 LPC2131 主要控制的是舵机、直流电机、红外避障模块、无线遥控。 LPC2131 通过选择 GPIO 输出功能，配置寄存器，通过控制占空比来实现对不同转动角度的控制，从而可以实现蛇身上下左右各个角度的转动，即达到两个自由度 的运动。 同理，对直流减速电机进行输出控制，实现蛇身的前进运动，补充一个自由度，继而实现 3 维运动。 而对于红外遥控，当前面 30CM 范围有障碍物时，电平被拉低，输送给单片机，单片机发送指令给 ARM 控制直流减速电机左转，避开障碍物，实现其功能。 无线传输模块主要分为控制蛇身运动的数字遥控、对数据传输的 NRF905 和网络摄像头。 对于四键式无线遥控，主要模块就是 2262 和 2272 两个接收和发射模块的配合，当有按键被按下时，电平被拉高，输出有效的，通过 74LS04 反相器输出低电平，传送给ARM 单片机控制蛇的摆动和 前进，其传输频率为 315MHZ。 NRF905 工作在 433MHZ 的频率范围内，主要有数字输入、数字输出、 SPI 接口，需要提供 3V 电压，最大发射功率可以达到 10dBm，在进行通讯时先将数据采集到后打包，压缩至缓存中，然后发射，待到接收端开启接收模式后，将打包后的数据解开，之后一位一位显示出来。 就网络摄像头而言，需要提供网络，然后将蛇周围的情况检测到后传输到电脑，打开设计好的上位机，显示出来。 上位机模块主要是利用 Labview 软件，在 Keil 里面编写好下位机模块后，通过 905把数据传输到上位机之后，再由串口 把数据传输到电脑里面，通过 Labview 编程之后，得到一个上位机的界面，再把数据从这个界面中用曲线和数字的形式显示出来。 机械部分主要是蛇的架构及其连接问题，蛇身用内径为 6CM 的 UPVC 管截成 8CM长的小块，通过用 3DMAX 软件对架构的设计及其仿真，形成了最终的便捷、可行性方案，即每个部件采双 U 形结构制成，并用舵机作为连接件，采用铆钉结构固定，每两个部件为一个单元，蛇身共有 5 个单元，可以充分显示出蛇的各个规定动作。 4 本文的结构安排 本课题以 LPC2131 和 STC51 单片机为控制芯片，设计了多关节蛇 形搜寻机器人。 现主要从以下方面进行介绍： 本论文总共包括四章内容，各个章节的顺序参照设计 工程中 工作 流程 方法 ， 其 大致安排如下： 第二章 ：主控制器简介和各模块理论。 对 LPC2131 和 51 单片机进行简单介绍，阐述其主要功能及原理；深入 分析 超声波、无线数传、远程控制、设的运动理论。 第三章：针对测量距离、液晶显示、避开障碍物、数字遥控、蛇体运动，从如何实现、硬件电路以及部分软件编程入手，进行深入分析，设计出相应的控制方案。 第四章：通过硬件检查，软件编译，再联合调试，给出精确度。 第五章：总结全文，并给出展望。 5 2 理 论概述 本课题是基于 LPC2131 的蛇形机器人的设计与实现。 首先，深入了解 LPC2131 的应用及基本原理。 然后，介绍下生物蛇运动的思想和各模块的运行原理。 最后，深入的掌握蛇型机器人的执行模型，从 理论上 为蛇形机器人作出分析与设计 主控制器 本次设计的主控制器是 LPC2131 控制舵机、直流减速电机、无线遥控以及红外避障，51 单片机主要控制液晶显示、 NRF905 和超声波，现将它们分别介绍如下。 LPC2131的简介 本次设计所用的主控制器 LPC2131 是 ARM7 系列里面 EasyARM 的最常用的 芯片， 是兼容 于 LPC21 系列的 指令系统 集，应用了菲利普公司的 ARM7TDMIS 核。 LPC2131 开发板上自带了独立键盘、 LED 发光、 5V 蜂鸣器等常用部件。 LPC2131 是以实时仿真和嵌入式为基础的的 32/16 位的 ARM7TDMISTM CPU 的微控制器，根据需要用户可以更换兼容的 CPU 进行仿真调试，类似的有， LPC213 LPC2138 等，他们带有 32kb、 64kb 的嵌入式 高速闪存处理器。 128 位宽度的存储器。 如今 随着 闪存 ROM 技术的 更新换代 ， 灵活的跳线组合，还有用户 GPIO 接口，使我们更加方便的对 32 位 ARM 进行开发 ,如图 21 所示。 X T A L 162X T A L 261P 0 .0 /T x D0/ P W M 119P 0 .1 /Rx D0/ P W M 3 /E I N T 021P 0 .2 /S CL0 /C A P 0 . 022P 0 .3 /S DA 0 /M A T 0 .. 0 /E I N T 126P 0 .4 /S CK 0 /CA P 0 .1 / A D 0 . 627P 0 .5 /M I S O 0 /M A T 0 .1 /A D 0 . 729P 0 .6 /M O S I 0 /CA P 0 .2 / A D 1 . 030P 0 .7 /S S E L 0 /P W M 2 / E I N T 231P 0 .8 /T x D1/ P W M 4 / A D 1 . 133P 0 .9 /Rx D1/ P W M 6 /E I N T 334P 0 .1 0 /RT S 1 /CA P 1 .0 / A D 1 . 235P 0 .1 1 /CT S 1 /CA P 1 .1 / S C L 137P 0 .1 2 /DS R1/ M A T 1 .0 / A D 1 . 338P 0 .1 3 /DT R1/ M A T 1 .1 /A D 1 . 439P 0 .1 4 /DCD 1 /E I NT 1 /S D A 141P 0 .1 5 /RI 1 /E I NT 2 /A D1 . 545P 0 .1 6 /E I NT 0 /M A T 0 .2 /CA P 0 . 246P 0 .1 7 /CA P 1 .2 /S CK 1 / M A T 1 . 247P 0 .1 8 /CA P 1 .3 /M I S O 1 /M A T 1 . 353P 0 .1 9 /M A T 1 .2 /M O S I 1 /C A P 1 . 254P 0 .2 0 /M A T 1 .3 /S S E L 1 /E I N T 355P 0 .2 1 /P W M 5 /A D1 . 6 / C A P 1 . 31P 0 .2 2 /A D1. 7 /CA P 0 .0 / M A T 0 . 02P 0 .2 358P 0 .2 5 /A D0. 4 /A O U T9P 0 .2 7 /A D0. 0 /CA P 0 .1 / M A T 0 . 111P 0 .2 8 /A D0. 1 /CA P 0 .2 / M A T 0 . 213P 0 .2 9 /A D0. 2 /CA P 0 .3 / M A T 0 . 314P 0 .3 0 /A D0. 3 /E I NT 3 /CA P 0 . 015V323RS T57V RE F63VSS6V S S A59P 1 .1 6 /T RA CE P K T 016P 1 .1 7 /T RA CE P K T 112P 1 .1 8 /T RA CE P K T 28P 1 .1 9 /T RA CE P K T 34P 1 .2 0 /T RA CE S Y N C48P 1 .2 1 /P I P E S T A T 044P 1 .2 2 /P I P E S T A T 140P 1 .2 3 /P I P E S T A T 236P 1 .2 4 /T RA CE C L K32P 1 .2 5 /E X T I N 028P 1 .2 6 /RT C K24P 1 .2 7 /T DO64P 1 .2 8 /T DI60P 1 .2 9 /T C K56P 1 .3 0 /T M S52P 1 .3 1 /T RS T20V343V351VSS18VSS25VSS42VSS50RT X C13RT X C25V 3 A7V B A T49P 0 .3 117P 0 .2 6 /A D 0 . 510U?L P C21 3 1 图 21 LPC2131 结构图 6 LPC2131 的主要功能： （ 1）拥有完全自主的软硬件设计及其仿真调试功能； （ 2）支持 ARM 的编程环境 集成开发环境及其菲利普公司所有的 ARM 系列微控制器； （ 3）可以进行 GPIO 口的控制性试验，例如键盘输入、 LED 控制模拟 ISP； （ 4）与上位机可以通过 RS232 转换电路进行直接通讯，完成 串口实验； （ 5）可以用提供的人机界面，进行实时时钟和串口通信等的调试； （ 6）有向量中断功能； （ 7）有 CAT1025 自带的复位功能； （ 8）使用锁存器 74HC595 芯片，可以实现数据的发送和接受功能； （ 9）自带 a/d 转换功能，可以进行数模转换； （ 10）具有 6 路 PWM 波，可以利用占空比控制输出； （ 11）可以进行远程的 MODEM 通讯； （ 12）可以对 SD 进行读写操作； （ 13）可以通过 USB 进行串口通信； （ 14）具有看门口和实时时钟。 LPC2131 的主要部分： （ 1） LPC2131 开发板总共有 47 个 GPIO 口。 分为 P0[31:0]和 P1[31:16],其中， 没有使用， 仅仅作为输出口使用。 LPC2131 的大部分引脚都可以有复用的功能，因此需要有一个专门的寄存器来对某个引脚使用什么功能进行选择，在 LPC2131 中，该寄存器就是 PINSELx.。 PINSEL0 和 PINSEL1 两位数字代表选择某个引脚何种功能。 例如 PINSEL0[1:0]设置 口为某一状态功能， PINSEL0[3:2]设置 口为哪种功能，其余引脚可以依次进行类推下去。 PINSEL2 口功能的设置与 PINSEL0 和 PINSEL1 的两个GPIO 口有很大的不同， PINSEL2 拥有 32 位的寄存器，但是在我们的使用中，只用到了PINSEL2[3:2]这 2 位。 （ 2）主要有 7 种工作模式，分别为：管理模式、中止模式、未定义模式、中断模式、快速中断模式、用户模式、系统模式。 （ 3）内部共有 37 个用户可以看见的寄存器。 其中 31 个 32 位的寄存器， 6 个状态寄存器。 （ 4）定时计数器、脉宽调制器、 A/D 转换器、实时时钟。 LPC2131 的外围模块化的连接，如图 22 所示。 7 L P C 2 1 3 1直 流 减速 电 机红 外 避障M G 9 9 5 舵机无 线 遥控 图 22 LPC2131 控制框图 51单片机 本次设计所用的单片机是 51 系列里面的 STC89C52 芯片，是兼容于 Intel 8031 指令系统 的单片机的上级统称。 该系列的单片机源于。