| 舞蹈機器人步進(jìn)電機驅(qū)動電路和程序設(shè)計 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系（安徽合肥230036） 楊子夫 米良川 李德升 王云博 劉軍 羅玉平 摘 要：介紹了舞蹈機器人步進(jìn)電機驅(qū)動電路和程序設(shè)計。電路采用74373鎖存,74LS244和ULN2003作電壓和電流驅(qū)動,單片機AT89C52作工作脈沖序列信號發(fā)生器。程序設(shè)計基于中斷服務(wù)和總線分時復(fù)用方式,實時更新各個電機的速度和方向。 關(guān)鍵詞：單片機,中斷服務(wù),速度累加計數(shù)器,歸一化速度 在中國科大首屆機器人舞蹈比賽中（中央10臺節(jié)目轉(zhuǎn)播）,我們用一個單片機控制多個步進(jìn)電機指揮跳舞機器人的雙肩、雙肘和雙腳伴著音樂做出各種協(xié)調(diào)舒緩充滿感情的動作,榮獲一等獎。電路采用74373鎖存,74LS244和ULN2003作電壓和電流驅(qū)動,單片機（Atc52）作脈沖序列信號發(fā)生器。程序設(shè)計基于中斷服務(wù)和總線分時利用方式,實時更新各個電機的速度、方向。整個舞蹈由運動數(shù)據(jù)所決定的一截截動作無縫連接而成。 1 步進(jìn)電機簡介 步進(jìn)電機根據(jù)內(nèi)部線圈個數(shù)不同分為二相制、三相制、四相制等。本文以四相制為例介紹其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖1為四相五線制步進(jìn)電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。 2 四相五線制步進(jìn)電機的驅(qū)動電路 電路主要由單片機工作外圍電路、信號鎖存和放大電路組成。我們利用了單片機的I/O端口,通過74373鎖存,由74LS244驅(qū)動,ULN2003對信號進(jìn)行放大。8個電機共用4bit I/O端口作為數(shù)據(jù)總線,向電機傳送步進(jìn)脈沖。每個電機分配1bit的I/O端口用作74373鎖存信號,鎖存步進(jìn)電機四相脈沖,經(jīng)ULN2003放大到12V驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。  電路原理圖（部分）如圖2所示。 （1）Intel 8051系列單片機是一種8位的嵌入式控制器,可尋址64K字節(jié),共有32個可編程雙向I/O口,分別稱為P0～P3。該系列單片機上集成8K的ROM,128字節(jié)RAM可供使用。 （2）74LS244為三態(tài)控制芯片,目的是使單片機足以驅(qū)動ULN2003。ULN2003是常用的達(dá)林頓管陣列,工作電壓是12V,可以提供足夠的電流以驅(qū)動步進(jìn)電機。關(guān)于這些芯片的詳細(xì)介紹可參見它們各自的數(shù)據(jù)手冊。 （3）74373是電平控制鎖存器,它可使多個步進(jìn)電機共用一組數(shù)據(jù)總線。我們用P1.0～P1.7作為8個電機的鎖存信號輸出端,見表1。  
這是一種基于總線分時復(fù)用的方式,以動態(tài)掃描的方式來發(fā)送控制信號,這和高級操作系統(tǒng)里的多任務(wù)進(jìn)程調(diào)度的思想一致。這種方法明顯的好處是節(jié)省I/O口,使系統(tǒng)可以控制更多的步進(jìn)電機。本電路設(shè)計為控制8個。 3 程序設(shè)計 傳統(tǒng)的步進(jìn)電機驅(qū)動程序利用簡單的條件循環(huán)來發(fā)送脈沖序列,但當(dāng)電機數(shù)目發(fā)生變化時,編程繁雜,冗余代碼較多,難以做到信號占空比一致,進(jìn)而產(chǎn)生“抖動”現(xiàn)象。下面提出一種基于中斷服務(wù)方式,面向舞蹈動作,可實時改變各個電機速度和方向（每200ms可改變一次）的程序設(shè)計方法。 3．1 速度歸一化和線性關(guān)系 我們將速度量化成一個-128～127內(nèi)可變的數(shù),正號代表正轉(zhuǎn),負(fù)號代表返轉(zhuǎn),稱之歸一化速度（-128～127為一個字節(jié)）。給每個電機分配一個速度累加計數(shù)器speed_tickers[i](I=0,1,2…,7分別代表8個電機),初始值為0,每個中斷觸發(fā)周期內(nèi)給該累加計數(shù)器加上從舞步信息數(shù)組dancedata中讀取的速度值speeds[i],當(dāng)計數(shù)器值大于或等于預(yù)設(shè)的閾值MAX_SPEED_TICKER=600時,則發(fā)送脈沖序列中的下一個（正轉(zhuǎn)）或上一個（反轉(zhuǎn)）給步進(jìn)電機,這取決于速度的符號（參考3.2節(jié)）。同時,將該電機的累加計數(shù)器speed_tickers[i]恢復(fù)為0。給出的速度值speed[i]越大,則累加達(dá)到或超過閾值MAX_SPEED_TICKER的時間就越短,那么向步進(jìn)電機發(fā)送脈沖的頻率就越高,速度也就越快。 歸一化速度值設(shè)為num（-128～127）,電機實際旋轉(zhuǎn)速度設(shè)為V,那么V和num之間滿足關(guān)系式： （1）當(dāng)num是閾值600的約數(shù)時, |
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