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一种 签字 机器人 控制系统 设计

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摘要一种签字机器人的控制系统设计摘 要本文是为一签字机器人的控制系统所做的研究。该签字机器人运动部分采用的是并联五杆机构，使用步进电机作为精准动力。使用者在上位机绘图界面中完成图形的绘制，相关的数据将被发送到下位机即单片机控制系统，系统对接收到的数据进行后期处理，进而驱动相关机构运动实现自动签字。对数据的预处理是在在PC端的上位机中完成的，本设计的重点是解决下位机控制系统的软件的设计编写以及硬件的设计制作并完成最终的调试工作。为使下位机和上位机之间实现数据的准确快速传送，本设计的通讯部分采用的是串口通讯方案。对步进电机的驱动采用的是专用控制器，保证了步进电机运行的稳定可靠。在调试过程中，使用了串口调试工具模拟数据的输入，通过观察现象判断系统的运行是否正确，整个设计过程严谨科学。本文的研究对平面微小并联机器人的特性研究以及对促进平面微小并联机器人理论与技术的成熟具有重要意义。关键词：微小并联机器人；五杆机构；串行通信；步进电机；单片机37ABSTRACTDesign of A Kind of Sign RobotsControl SystemABSTRACTThe research object of this article is about a kind of Sign Robots control system. This kind of Sign Robot use the Parallel five-bar mechanism Using precision stepper motor as a driving force, When the user in the PC graphics screen completion of graphic drawing, Related data are sent to the next bit machine is single chip microcomputer system, The system receives the data post-processing, Then drive the related mechanism motion graphics drawing. Because have graphics data in the upper machine to process according to certain rules, So the focal point of this design is to solve the machine control system hardware design and program code debugging. In order to achieve the next bit machine and computer data between the accuracy of the speed. The design of the communication part adopted serial communication scheme.Of the stepper motor driver using dedicated controller, Ensure the stable and reliable operation of the stepping motor, In the process of the final debugging, Using the simulation data input serial debugging tools, To correct operation through the phenomenon of the system can be accurate judgment, The whole design process is rigorous science.In this paper, the research on deep understanding of the characteristics of small plane parallel robot and the promotion of small plane parallel robot mature of the theory and technology is of great significance.Key words: micro-parallel robot;five-bar mechanism;serial communication;step motor;single-chip computer目录目录摘 要IABSTRACTII第一章 绪论11.1 引言11.2 并联机器人的概述11.3 签字机器人概述11.4 课题主要研究内容21.4.1 课题意义21.4.2 本课题主要研究内容21.4.3 本课题工作任务3本章小结3第二章 签字机器人控制系统硬件选型42.1 引言42.2 零部件选型42.2.1 电机的选型42.2.2 电机驱动器的选型52.2.3 电源的选择52.2.4 电磁铁的选型62.2.5 单片机的选型72.2.6 存储器的扩展：72.3 硬件的设计制作82.4 签字机器人的组装9本章小结9第三章 数据的处理103.1 引言103.2 签字机器人的控制原理103.3 机器人上位机的设计103.3.1 上位机面板的设计103.3.2 上位机串行发送程序的设计113.3.3 上位机的仿真测试133.4 下位机的程序设计153.4.1 下位机串行接收程序的初始化153.4.2 驱动程序设计18本章小结22第四章 系统的调试234.1 系统整体组成234.2 系统串口调试234.3 签字机器人整体调试24本章小结24第五章 总结与展望255.1 毕设总结255.2 需要完善的地方25参考文献26附录A：外文翻译原文27附录B：外文翻译译文30附录C：单片机汇编程序32致谢37华东交通大学毕业设计第一章 绪论1.1 引言在人类文明的发展历程中，对机械自动化的追求从来没有停止过，人类运用自己的智慧创造了一代又一代的机器人，给人们的生活带来了极大的便利，使生产效率得到了极大提高。机器人是一种能够代替人类从事一些工作的高度自动化机械设备，机器人的历史并不算长，1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才真正开始。到了1961 年，美国Unimation公司推出了第一台实用工业机器人, 从此机器人得到了迅速的发展，在工业各部门以及服务、医疗、卫生、娱乐等许多方面得到了广泛的应用【12】。1.2 并联机器人的概述机器人技术的出现和发展,使传统的工业生产格局面临着巨大的挑战，特别是近年来随着各国对机器人的重视程度不断提高，机器人的发展速度更是惊人。目前对机器人的研究取得比较大成果的国家主要有美国、日本和德国，例如美国研制的一款名为“Big Dog”的机器人，其具有和人体类似的行走能力，且具有高度的稳定性，在各种复杂的地形下均能实现稳定行走。日本近几年在仿生机器人上研究颇深，其最近研制的一款机器人具有逼真的皮肤及面容，并能模仿人类的各种表情和动作，几乎以假乱真。而在我国, 对机器人的研究无论是从开发应用方面或者是学术研究方面都在竞相争上,并且取得了许多成果，在应用上我国更是一个机器人应用大国，例如大型代工厂富士康已经投入了大批机器人用以取代人工作业，收效显著。传统的工业机器人，一般为串联机器人，所谓串联机器人，简单的说就像人的一个手拿东西,串联机器人具有很大的工作空间，机构相对简单，控制也较为简单，但其刚度不够大，承载能力不够强。与串联机器人相对应的是并联机器人，形象说来，并联机器人就像人的两个手拿东西，其效果显然要比一只手拿东西稳健，并联机器人具有以下优点： 刚度大，结构稳定； 承载能力强； 精度高； 运动惯性小； 在位置求解上，串联机构正解容易反解困难，而并联机器人正解困难反解容易。但凡事都有利弊，与串联机器人相比并联机器人最大的缺点是活动空间不够大，活动也不够灵活。但是，由于机器人的在线实时计算是要求计算反解的，这对串联机构十分不利，而并联机构实现起来却容易的多【4】。正是由于这些优点，使得并联机器人受到了越来越多国家的重视，特别是90年代以来,并联机器人得到了广泛的关注,并成为新的研究热点。许多国家的政府都设有专门的基金用于研究开发并联机器人,如美国国家科学基金、我国的“八六三”计划等。现在越来越多的在国际上有重要影响力的机器人杂志和学术组织都推出了并联机器人的专集或者召开了并联机器人专题研讨会,并联机器人的研究正呈迅猛发展的态势【3-7】。1.3 签字机器人概述签字机器人，顾名思义就是可以用来签字的机械装置。生活中有很多场合需要我们进行签字，例如签合同、签文件等等。该机器人的设计旨在代替人们完成签字的任务，方便我们的生活。该签字机器人主要由三大部分组成，分别是上位机操作软件、单片机控制系统、机械运动机构。上位机软件使用Visual C+6.0来编写，整个界面简洁友好，主要用于对使用者字体的采集存储以及预处理。单片机控制系统和上位机之间的通信是使用串口来实现的，单片机主要用于对从上位机接收到的数据进行存储和处理最终实现对三个步进电机和一个电磁铁的控制。机械运动机构由平面五杆机构、丝杆螺母副、圆柱导轨副、工作台等构成，由步进电机进行驱动。签字机器人由于它实际应用的需要，应向着微机电系统微型化、集成化的研究目标发展，如何使得机械系统在微型化下实现签字功能，与常规的机械系统相比在控制系统的设计上将做如何改变，这正是本课题所要解决的问题。1.4 课题主要研究内容1.4.1 课题意义本课题是为一套签字机器人系统解决控制的问题，通过本课题的研究，在理论上将进一步系统地探讨微小并联机器人的控制问题，开发出一套适合在日常生活中使用的签字机器人系统。本课题的研究对于微小并联机器人的理论研究与应用都具有积极意义。1.4.2 本课题主要研究内容本课题的研究对象是一种签字机器人，主要解决的是机器人系统的控制问题，它的系统原理图如图1-1所示。图1-1 签字机器人系统原理图其中文字图形的信息输入、信息处理和控制信号输出是该签字机器人运行的三个基本工作过程，也是签字机器人控制系统的三个基本组成部分，加上签字机器人机构本体，则整个机器人系统共具有文字图形的信息输入、信息数字处理、控制信号的输出和并联机器人机构本体四个基本组成部分，图中的文字图形的输出部分是用来记录签字机器人的轨迹输出，通过观察机器人运动后留下的轨迹，可以检测机器人的受控运动是否能够实现设计的功能。控制系统是本课题所要研究的主要内容，其基本原理是上位机进行数据采集和处理，下位机接收数据并进行处理分配最终通过步进电机专用驱动器驱动步进电机实现签字，同时添加了平台的移动和笔芯的上下移动作为机器人的辅助动作，图1-2是控制系统的原理图，由图可以看出该系统是一个开环的控制系统。图1-2控制系统原理图1.4.3 本课题工作任务本研究涉及到单片机控制原理、计算机控制技术、机械运动原理等多学科的知识，需要完成下列工作：在对机器人运动机构本体进行详细了解之后，得到了机器人的运动规律方程；使用Visual C+软件，创建了签字机器人的控制面板，完成数据采集及传送的程序设计；使用Protel 99设计单片机控制系统的硬件电路，使用万能板进行电路的焊接，完成相关的单片机程序设计；完成系统的组装及调试，初步实现签字功能。本章小结本章是关于签字机器人相关资料的综述，主要内容如下： 系统地介绍了并联机器人的研究现状及未来的发展前景； 阐述了签字机器人的组成、特点及应用前景； 说明了签字机器人选题意义。 提出了本课题所要研究的主要内容。 第二章 签字机器人控制系统硬件选型2.1 引言本签字机器人主要是应用在需要代替人们签字的场合，它具有PC端的上位机操作界面。在上位机中任意输入文字、图形，机器人便可在矩形工作空间ab=109mm的微小工作区域内，自动实现文字、图形的复现书写，配合丝杆螺母副的运动还可实现多个字体的书写。签字机器人控制系统主要由硬件和软件组成，硬件主要包括PC、单片机控制电路、驱动器、步进电机以及电源等组成，软件部分主要研究的是单片机系统的程序设计。本章的内容主要就对硬件进行选型。2.2 零部件选型2.2.1 电机的选型在签字机器人中，电机是整个机构最主要的动力来源，起着至关重要的作用，对电机的合理选型也就非常有必要。通常机器人电机驱动方式有如下几种类型【14】：直流伺服电机：直流伺服电机具有较大的启动力矩，调整特性良好，响应快速等特点，且控制技术也日趋成熟。但其结构复杂，需要外围转换电路和微机配合实现数字控制，且成本较高。此外，由于使用了电刷，使得其维护成本偏高且工作可靠性差。交流伺服电机：交流伺服电机结构比较简单，运行稳定可靠，使用维修都较方便。随着技术的不断发展，如今的交流伺服电机在调速性能方面已经可以和直流电机相匹敌了。采用增量式码盘的进行反馈控制可达到很高的精度。三倍的过载输出扭矩可以实现很大的启动功率，具有很高的响应速度。步进电机：步进电机可直接实现数字控制，运行稳定可靠，结构简单，控制性能良好，而且成本低廉，在正常情况下不需要反馈就实现精确控制，且不存在误差积累，配合细分电路可以达到很高的运动分辨率。步进电机还具有一定的自锁能力，这对于运动机构的定位是很有利的。考虑到实际设计的情况，综合比较上面三种方案，最终选择步进电机作为本签字机器人的动力来源。签字机器人要求具有良好的便携性，这就要求机构越小巧越好，故在满足设计要求的前提下，应尽量减小机构的外形尺寸，因此要求步进电机的尺寸越小越好。经过对已有的小型步进电机的型号进行比较并考虑到采购的方便性，最终确定选用型号为20HS4006A4二相四线高扭力扭矩步进电机（图2-6），该型号步进电机的一些相关技术参数如表1，在本签字机器人中，需要三个步进电机分别作为机械臂的驱动和丝杆的驱动，在此三个电机都选择20HS4006A4的电机【15】。型号20HS4006A4基本步矩角（）1.8额定电流（A）0.6静力矩（N.cm）2.6定位力矩(N.cm)0.5表1图2-6 20HS4006A4型步进电机2.2.2 电机驱动器的选型完成了对步进电机的选型后，就需要考虑给步进电机配备合适的驱动器了，对驱动器的选择主要考虑到的是能否与20HS4006A4步进电机进行合适的匹配，在满足这一基本要求之后还需考虑该驱动器应具备光电隔离的功能以消除电机运动对单片机控制系统产生干扰，驱动器还应该具备细分电路，以便对电机进行方便的调试以期达到理想的结果。最终选择型号为M420B的步进电机专业驱动器，该驱动器具有如下特点：高性能、低价格 供电电压1840VDC驱动电流0.252A可调自动半流功能最高动态128细分（可调）光电隔离信号输入电机噪声优化功能双极恒流斩波方式斩波频率最高100KHz外形精巧、便于安装图2-7是该驱动器的实物照片，图2-8是该驱动器的接线示意图。 图2-8步进电机驱动器接线原理图图2-7步进电机驱动器 2.2.3 电源的选择驱动器使用的电源范围为1840V，这里需要选择一个合适的电源为驱动器提供可靠的电源。电源的选择很多，初步选定电源的输出电压为24V，提供的电流至少应保证三个步进电机的正常工作，由之前选择的步进电机参数可以初步计算，当三个步进电机同时工作时其电流最大，最大电流为I=0.6*3=1.8A，所以电源提供的额定电流不应低于1.8A，最后经过权衡，选择了品牌为明伟牌，型号为S-75-24的开关电源，实际照片和接线示意图见图2-9和图2-10，该电源有关技术参数如下：输入电压：AC110220V 4763HZ电流：24V3A输出（有短路、过载保护、输出电压有一定可调范围）工作效率：75% 绝缘耐压： 50Mmin(500VDC)输出电压精度：5%10%（主回路可微调）绝缘电压：1500VAC（1分钟，输入对输出，输入对外壳）负载调整率：1%周围温度： -2555电网调整率：1%相对湿度：周围温度85%，不结露。温度漂移：1.5% 图2-9直流24V-3A稳压电源图2-10直流电源接线示意图 2.2.4 电磁铁的选型签字机器人在工作时，文字、图画的各个线条不一定是连续的，这时就需要机器人写字时能像人一样抬笔、下笔。实现这一动作靠的是一个推拉式电磁铁，它的驱动功率要求不高，只需它的外形尺寸能够和整个机械系统相匹配即可，通过比较选择，最后选用型号为HCNE4-13/30TH的圆管式推拉电磁铁作为驱动用（见图2-11）。该电磁铁的额定工作电压为12V，但在实际使用时使用了5V直流电源进行供电，这是因为在12V电压工作时电磁铁功率偏大，输出过大的力使笔尖与纸张接触过于紧密致使机械臂无法正常动作，通过查看图2-12该电磁铁的特性图可知，在行程和功率不一样时电磁铁的吸力也将不同，通过实际验证5V电源可以输出适合笔尖在纸上书写的的力，故使用5V电源对电磁铁供电。 图2-12 HCNE4-13/30TH 推拉式电磁铁特性图图2-11 HCNE4-13/30TH 推拉式电磁铁2.2.5 单片机的选型如前所述，本签字机器人系统的轨迹实现是由两个主步进电机、一个推拉式电磁铁以及一个辅助步进电机相互协调配合运动所实现的，而实现这种协调的最重要的器件就是单片机，它负责对数据进行接收和处理，最终形成对各个步进电机进行驱动的信号。单片机的选择很多，常见的51系列单片机品牌有INTEL、ATMEL、STC和PHILIPS，各品牌之间没有很大的区别，故在满足本课题设计要求的前提下最终采用了由宏晶科技生产的STC12C5A60S2型号的单片机作为主控来完成对这些脉冲信号进行接收和分配的工作。STC12C5A60S2是由本土企业宏晶公司生产的STC12系列的中的一种。该芯片不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内自带高达60K FLASH ROM，使得用户可以用电擦写的方式瞬间擦除、改写。该单片机还支持串口程序烧写，对于开发设备要求很低，开发时间大大缩短，程序还可加密,有效保护了作者的劳动成果，产品中有20脚封装形式的，这使得其体积更小，应用也更为灵活。STC12C5A60S2芯片上的SRAM容量大小为1280个字节，带一个1K大小容量的E2PROM，具有5个中断源，4个16位定时器。它的封装引脚个数及定义都和MCS-51系列芯片一样。在STC12C5A60S2单片机内有一个全双工的串行接口，这样通过编程即可实现PC机和单片机之间的串行通信功能，从而将储存在PC机上的PulseNumber数据链表结构下的数据发送至单片机里，最终完成信号的分配功能。此外该单片机还具有很多其它功能，如看门狗电路，AD转换电路等，由于本课题不涉及到这些功能的应用故不再详述。该单片机的实际照片和管脚定义可以参看图2-13和图2-14。 图2-14 STC12C5A60S2单片机管脚图图2-13 STC12C5A60S2单片机 2.2.6 存储器的扩展：单片机在对数据进行处理过程中，是将从串口传来的数据逐一存入单片机的RAM中的，然后再逐一取出来进行处理的，当数据量比较大时就有可能因为单片机的片内RAM容量不足而导致数据的遗漏，所以有必要对单片机进行RAM的扩展。考虑本次课题数据量有可能会比较大以及采购的便捷性，最终选用型号为UT62256的存储器，该存储器是一款高度集成的RAM，采用单一+5V电源供电，双列直插式28引脚封装，具有32K*8Bit的容量，地址范围为0000H7FFFH，对于本次设计来说其容量已经足够使用了。UT62256的实际图片及管脚定义可以参看图6-15及图6-16。 图2-16 UT62256管脚图图2-15 UT622562.3 硬件的设计制作在完成对元器件的选型之后就需要着手设计单片机控制电路了，单片机需要完成对三个步进电机和一个电磁铁的控制，由于机构中使用了三个步进电机和三个与其相对应的驱动器，而每个驱动器在接线上除VCC是公共接线端外，其它三个接线端PUL、DIR、ENA是需要接到单片机端口上的，这样三个驱动器一共需要9根控制线，另外三个VCC端口可以共同接到单片机控制板的+5V电源上以为其内部光电管提供上拉电源，而对电磁铁的驱动只是一个辅助信号，所以只需要一根信号线，加上之前驱动器上的9根控制线一共需要10个端口，拟定使用P1口作为电机1和电机2以及电磁铁的控制端口，P3.2、P3.3、P3.4作为电机3的控制信号。另外考虑到电磁铁的工作电流比较大，其工作时会拉低整个控制板电压，可能导致控制板不能正常工作，故在设计时使用间接控制电磁铁的方法，即使用P1.0控制三极管S8050的导通和截止进而控制继电器的通断，再利用继电器来控制电磁铁的通断，电磁铁的工作电源是由手机充电器单独提供的，这样就避免了电磁铁工作对控制电路的影响了。单片机控制电路主要解决RAM的扩展问题，RAM扩展芯片使用的是UT62256，由其管脚定义可知，该芯片有一个片选信号，在低电平时选中片外RAM，所以在设计时直接把接地，当系统一上电时即被选中。RAM依靠单片机的和进行读写操作，在电路连线上，和相连，和相连。UT62256的地址范围为0000H7FFFH，故其有15根地址总线，有8根数据总线。数据总线和单片机的P0口对应相接，由于P0口为地址/数据分时复用，所以还需要一个锁存器74LS373来对数据进行锁存操作，74LS373的输入口接到单片机的P0口，其输出允许端接地，表示输出三态门一直打开，LE接到单片机的地址锁存信号端口ALE，15根地址总线分别和74LS373的输出口和P2.0P2.6相连接【19】。至此，可以使用了Protel 99【20】工程软件进行电路的设计了，整体电路原理图请参照附图一。根据所设计的电路原理图，使用万能电路板制作控制板板，使用的工具主要有电烙铁、焊锡丝、钳子和剪刀，具体的焊接过程这里不做详述。2.4 签字机器人的组装在完成了单片机控制板的制作之后，需要将签字机器人系统的所有的零部件进行组装以便进行下一步的调试工作。由于本课题主要研究的是机器人的控制技术，所以机构方面的设计和组装已经由我的搭档曾德平同学完成了，下面需要做的是将已经组装好的机器人本体部分和之前制作好的单片机控制板进行连接，首先将三个步进电机和对应的驱动器相连接，然后将与电机1对应的驱动器控制线接到P0.1P0.3，将与电机2对应的驱动器控制器接到P0.4P0.6，将与电机3对应的驱动器接到P3.2P3.4，公共端VCC接到单片机的+5V电源上，三个驱动器均与24V电源两连接，将USB转串口小板上的TXD和RXD分别和单片机的RXD和TXD相连接，+5V和GND分别和单片机的VCC和GND相连接。为电磁铁提供单独+5V电源的手机充电器用USB延长线连入电路，至此机器人的所有硬件就组装好了，下一步就可以开始软件的设计和调试。本章小结本章主要介绍了机器人控制系统对硬件的选型和设计制作，主要内容如下： 系统地介绍了签字机器人控制系统所用到的零部件； 从硬件上介绍了签字机器人控制电路原理，设计了控制电路原理图； 根据电路原理图焊接了单片机控制卡。 完成了签字机器人的整体组装。第三章 数据的处理3.1 引言数据的处理包括在PC端上使用上位机对使用者输入的图文信息进行捕捉、计算、生成最终数据和进行串口发送，还包括在下位机即单片机控制系统中对接收到的数据进行处理和分配各种驱动信号。本章就上位机和下位机数据的处理过程进行主要分析和设计，这里上位机的设计使用的是Visual C+6.0来编写，下位机，即单片机系统中，程序的编写是在KEIL开发环境中实现的。 3.2 签字机器人的控制原理在本签字机器人，包含了分别对三个步进电机的驱动和对一个电磁铁的控制，而对电磁铁的控制目的是为了实现笔尖的起落，不涉及到签字机器人操作臂的运动规律，所以对电磁铁的控制只是一个辅助的控制信号。对于控制工作台平移的步进电机来说，其运动只有固定的移动范围，本质上也是一个辅助信号。机器人在整个任务的执行过程中，对操作臂的速度和加速度均没有特别的要求。下面就步进电机的控制方式进行阐述。首先需要了解在上位机中是如何对数据进行处理的，数据的处理方式直接影响到下位机对数据的进一步处理，在上位机中，对生成的数据是这样定义的：数据“FF”表示电磁铁断电，实现抬笔动作。数据“7F”表示电磁铁通电，实现下笔的动作。数据“7E”表示工作台需要右移9mm以定位在下一个框中书写。数据“7D”表示工作台需要左移9mm。在串行通信中数据“2E”表示串行数据传输结束，机器人可以开始绘制图形了，在单片机处理到“2E”时则将笔尖归位，停止动作，同时再次准备接收串行数据。其它数据则是控制机械臂的运动数据了，具体的意义为：数据的地址数为奇数，则驱动步进电机1，若为偶数则驱动步进电机2。数据首位为1，则相应的电机正转，若为0，则相应的电机反转，剩余7位则代表步进电机的脉冲数也即电机应该走的步数。在这里，机器人的轨迹运动使用了“插补算法”，所谓“插补”，就是用一小段圆弧或直线来拟合加工过程中出现的各种形状的图形，对于这一小段直线或曲线的长度，就可以看成是由计算机经过信息的数字处理后，而把刀具与工件的运动坐标所分割成的那些最小位移量。从上面可以看出，实际上二进制中的每一位也就代表了一个脉冲数。因而这个基准脉冲序列就代表了该段机床加工对象中的一段直线或曲线的长度。这种软件插补方法的插补程序比较简单，适合于本课题研究中的机器人控制系统。将辅助信号适当的穿插在插补数据中就构成了完整的数据段，单片机对这些数据按照之前的定义进行还原处理就能实现设计的要求了【9】【13】。以上详细地从上位机对数据的采集处理到单片机对数据信息的还原过程说明了签字机器人的控制原理，明确了控制原理就可以进行单片机程序的设计了。3.3 机器人上位机的设计3.3.1 上位机面板的设计利用Visual C+开发软件，创建一个具备对话框的应用程序。该应用程序具备绘图窗口、各种操作按钮，运行该程序，将会弹出一个操作面板，这个操作面板为使用者提供了一个可以输入文字、图形的界面，使用者在四个框内用鼠标进行任意图形的绘制时，在操作面板的直角坐标系中，所经过的位置坐标值将会被程序所捕获，并被保存到一个数据的链表结构中，当点击发送按钮后数据便通过串行口与单片机进行数据通信了单片机接收完数据后便可以开始绘制图形了。图3-1是该机器人上位机面板图，该上位机的信息处理流程图如图3-2【18】。图3-1签字机器人上位机面板图3-2上位机信息处理流程图3.3.2 上位机串行发送程序的设计串行通信可以分为同步通信和异步通信两类。同步通信是一种连续的串行传送数据通讯方式，适用于传送速度高的情况，但其缺点是要求发送时钟和接收时钟保持严格的同步，从而导致硬件相对复杂。而异步通信是一种利用字符的再同步技术的通信方式，它的发送时钟和接收时钟彼此独立，互不同步，传送速度一般在50到19200波特率之间，是一种比较常用的信息传送方式。本设计采用的是异步通讯。在异步通信中，数据格式和波特率是两个很重要的指标，这也就是所说的通信协议。数据通信是建立在机器之间的，所以必须有一个统一的通信标准来表达通信的内容是什么、如何通信、何时通信。概括地说，通信协议是对数据传送方式的规定，它包括数据格式定义和数据位定义等。数据是按照一定的顺序一帧一帧传送的，每一帧的数据格式由一位起始位、5-8位的数据位、一位奇偶校验位（可省略）和一位停止位四部分组成（如图3-3）。图3-3 异步通信字符帧格式波特率则指每秒钟传送二进制数码的位数，单位是bps(bit per second),即位/秒，它反映了数据传输的快慢【19】。对发送方和接收方设置相同的数据格式和波特率，就可以正确的进行数据传输了。该签字机器人系统中的串行通信包括两方面内容：一方面是STC12C5A60S2单片机对数据的串行接收程序，另一方面是PC机上的上位机的串行发送程序。在编写程序之前，需要制定其通信协议。现约定其通信协议如下：数据帧格式为：一位起始位，八位数据位，一位停止位，无奇偶校验位；波特率设置为4800bps；采用中断方式接收数据；使用PC机的COM2口通信；在上位机中点击“发送”的按钮后，PC机就依次发送储存在以PulseNumber为头指针的地址链表下的数据，当所有数据发送完后，再附加一个“.”的ASCII码作为数据已全部发送完毕的标志；单片机将接收到的数据全部依次存入RAM中的某一段地址中，当接收到发送方送来的“.”的 ASCII码后，即标志着接收的结束，同时开始对RAM中的数据进行处理，以分配各种控制信号。在串行通信方面，Visual C+6.0提供了一个串行通讯控件MSCOMM控件，该控件具有强大的通信控制功能，应用它可方便的设置串行通信的数据发送、接收、信息格式和通讯协议。MSCOMM控件为串行通讯提供了两种处理通信问题的方法：一是事件驱动（Event-Driven）法；二是查询法【18】。事件驱动方式在处理串行端口交互时效果很好。很多时候，在事件发生时需要及时得到通知。例如，当串口接收缓冲区出现字符，或者在载波检测线或请求发送线上的信号发生了变化。当出现这些情况时，可以利用MSCOMM控件的OnComm事件捕获并处理这些通信事件。OnCommEvent事件还可以检查和处理通信错误。本系统采用的就是这种事件驱动方式。启动VC+6.0，打开工程文件，在“工程”下拉菜单中添加组件和控件菜单至工程中，选中“Microsoft Communication Control,version6.0”后,将会看到控件工具条上新添加了一个形状类似电话机的通信控件，把它放到机器人操作面板的对话框上后，在这个机器人应用程序中便会增加一个类。激活通信控件的属性对话框，以便设置一些重要的属性【28】。这个通信控件的工作原理是：当有通信事件发生时（如发送数据、接收数据等），就会触发OnComm事件，并进一步引起该事件的处理函数调用GetCommEvent函数，通过返回值即可确定事件属于哪一类，由此可以做相应的处理，图3-4是PC机串行通信程序的流程图。图3-4 PC机串行通信程序流程图在Visual C+中对串行口进行初始化，初始化部分代码如下：BOOL CRobotControllDlg:OnInitDialog()CDialog:OnInitDialog();/ TODO: Add extra initialization herem_ctrlComm.SetCommPort(1);m_ctrlComm.SetOutBufferSize(512);m_ctrlComm.SetSettings(4800,n,8,1);if(!m_ctrlComm.GetPortOpen()m_ctrlComm.SetPortOpen(TRUE);return TRUE; 3.3.3 上位机的仿真测试使用者在书绘文字、图画后，机器人最终能否在工作台上实现图文的复现，这就需要查看数据的采集和处理是否正确。通过前面的介绍已经了解到，在上位机应用程序中，经过处理的数据都储存在以PulseNumber为头指针的数据链表结构中。为了对这些数据的合理性进行判断，特在控制面板上设计了一个“测试”按钮，如图3-5，在上位机中写上“华东交大”四个字，点击“测试”按钮，储存在PulseNumber下的数据将全部依次显示在机器人的控制面板的左侧上，如图3-6。图中Angle1和Angle4分别表示两个输入杆1和4由上一个位置移动到下一个位置时所需要的脉冲数，数字“127”和“-127”表示电磁铁通断电信号，“126”和“125”表示工作平台的左移和右移。图3-5 文字的输入 图3-6 数据的测试结果此外，为了更容易看出整个数据的算法是否正确，特设计了一个“模拟”按钮，其原理是：按照步进电机接收脉冲数据后走步的原理，将最后生成的这些数据通过机器人运动学逆方程处理后在计算机中重新生成图形，然后将生成后的图形与参观者输入的文字图形比较，就能很容易进行对比分析了。具体操作为：在控制面板中绘制完图文后，如写上“华东交大”四个字，点击绘图完毕，再点击“模拟”将弹出一个对话框，点击对话框中的“文字图形”就可以看到模拟出来的字体了，如图3-7。图3-7 数据处理后的重新生成的文字图形通过对比“模拟”出来的图形和输入的图形可以发现，重新生成的文字图形只是比原来的输入时的文字图形要小，但形状基本上能够复现。由此可以说明之前对数据的采集、处理的程序算法是切实可行的，只要能将上述处理后的数据完整的发送给单片机系统，就可以驱动机器人机构实现图文的复现。3.4 下位机的程序设计3.4.1 下位机串行接收程序的初始化在本课题中由于使用的是笔记本电脑，没有配置串行端口，所以必须利用USB接口模拟出一个串行端口，在这里使用了一个小型的USB转TTL小板，而单片机的输入、输出电平正好是TTL电平，这样就很方便的把单片机和笔记本电脑联系在一起了。该小板不仅可以实现串口通讯，而且可以直接使用它给单片机下载程序，非常方便。从该小板上引出的四根线+5V、TXD、RXD和GND分别与单片机的VC、RXD、TXD和GND相连，除用作通讯外还利用电脑的USB接口为单片机提供5V的电源。单片机控制卡的工作原理过程：通过串行通信接收由PC机发过来的数据信号，从62256存储器的首地址0000H开始，依次将这些数据储存在62256里；当接收到“2E”即“.”的ASCII后表明数据接收完毕，单片机停止接收数据转而开始从62256的首地址0000H开始，依次取出刚才接收到的数据，根据保存在PulseNumber指针中的规律，输出对应的控制信号驱动步进电机和电磁铁，从而完成相应的动作。STC12C5A60S2单片机的串行端口有4种基本工作方式，可以通过编程选择其中任一方式，以满足不同应用场合的需要。其中，方式0为同步移位寄存器方式，其波特率是固定的；方式1为波特率可变的8位异步通讯方式；方式2，3被定义为9位异步通信接口。串行端口有两个控制寄存器，即串行口控制寄存器SCON（如图3-8）和特殊功能寄存器PCON（如图3-9），它们是用来设置工作方式、发送或接收的状态、特征位、波特率以及作为中断标志等，此外还有一个与串行通信有关的特殊功能寄存器为中断允许寄存器IE。在此设定SCON的值为0x50，即串行口工作方式为方式1，允许串行接收。PCON设置为0x80，即SMOD=1，波特率加倍【19】。图3-8 串行口控制寄存器SCON图3-9 特殊寄存器PCON串行端口有一个串行口数据缓冲器SBUF，该缓冲器是在物理上独立的发送、接收缓冲器，可同时发送和接收数据。通过指令可以对SBUF的读写来区别是对接收缓冲器的操作还是对发送缓冲器的操作。串行通信的波特率可以通过编程进行设定，本系统的串行通信方式采用方式1，它是10位异步通信方式，其中，1个起始位（0），8个数据位（由低位到高位）和1个停止位（1），波特率设置为4800bps。使用一条写SBUF指令便可启动数据发送过程。在发送移位时钟（由波特率确定）的同步下，由TXD先送出起始位，然后是8位数据位，最后是停止位。这样一帧10位数据发送完毕后，中断标志位TI置位。令REN=1便允许接收，这时当RXD出现负跳变时，即被当成是串行发送来的一帧数据的起始位，从而启动一次接收过程。当8位数据接收完毕，接下来就是停止位1了，检测到停止位后，单片机便把接收到的8位数据装入SBUF，置位RI，一帧数据的接收过程就完成了。STC12C5A60S2单片机内部有两个16位可编程的定时器/计数器T1和T0，两者均可作为定时器或计数器使用。两个16位的定时/计数器是由两个八位的寄存器THx和TLx（X=1或0）拼装而成，对这两个八位寄存器附相应的值便可实现一定的计数时间。STC12C5A60S2单片机内部有两个特殊功能寄存器TMOD和TCON，TMOD用于设定是工作在定时方式还是工作在计数方式，TCON用于控制定时器T0、T1的启动与停止。图3-10和图3-11分别是TMOD和TCON的定义图。图3-10 定时/计数器方式控制寄存器图3-11 定时/计数器控制寄存器从图3-10中 TMOD的定义可以知道，通过M1和M0可以选择不同的工作方式，GATE是对应的门控制位，用于控制定时器的启动是否受外部中断源信号的影响，由于本系统的定时器不受外部影响故GATE设置为0，C/T设置为0，选择为定时方式。本系统中，采用了T1定时器的工作方式2。这是一种可自动重装载的8位定时/计数器。由TL1构成8位计数器，TH1仅用来存放时间常数。启动T1前，先为TL1和TH1装入相同的时间常数，当TL1计满后， TH1的时间常数会自动地装入TL1，并重新开始定时或计数。由于不需要指令重装时间常数，因而该方式操作方便。通过上述分析，可以在初始化程序中对TMOD赋值了，令TMOD=0x20即可满足要求。在设置波特率时，其实就是对TH1和TL1进行赋初值，这里使用了一个小软件“51串口通信计算器”，如图3-12所示，应用该软件可以很方便的计算出初值，根据结果TH1=TL1=0xF4。图3-12 51串口通信计算器由于使用了T1，所以在TCON中必须对TR1进行置位才能 启动T1。串行口中断有发送中断和接收中断两种，当串行口发送或接收完一组串行数据时，串行口控制器寄存器SCON中地RI或TI将被自动置位，并自动向CPU发出串行口中断请求，CPU响应串行口中断请求后便开始转入串行口中断服务程序执行对应的操作。因此，要区分串行口是发生了接收中断请求还是发送中断请求只要在串行口中断服务程序中对SCON中RI和TI中断标志位状态进行判断即可。要想实现中断，还需要把中断的开关打开，在STC12C5A60S2单片机中，要实现串行中断打开，需要在IE寄存器中同时打开串行口中断允许位和全局中断允许位才有可能打开中断。IE寄存器的内部定义如图4-8，在此应对IE初始化赋值为0x90，即EA=1，ES=1。图3-13 定时/计数器启动和中断控制位通过前面的分析，对程序的初始化参数已经确定了，同时也明确了对数据的定义，下面就可以开始编写单片机的程序代码了，首先需要对整个程序进行一个初始化的操作，初始化包括对串口进行参数设置，打开串口，对步进电机和电磁铁的初始状态进行设定，对RAM的起始地址进行设定【19】，初始化程序如下：ORG 0100H ；主程序入口地址MAIN：MOV SCON, #50H ；串行方式1，8位数据位，允许串行接收MOV PCON, #80H ；SMOD=1MOV TMOD, #20H ；定时器1，工作方式2，8位自动装入时间常数MOV TL1, #0F4H ；波特率BR=4800MOV TH1, #0F4HMOV IE, #90H ；全局中断允许位打开，串行口中断允许位打开SETB TR1 ；T1运行控制位打开MOV DPTR , #0000H ；外部RAM初始地址MOV P1 , #0FFH ；电机1 和电机2 有效，电磁铁断电接收时，采取串口中断的方式，如图3-14为单片机的串行通信的接收程序流程图。（b）接收服务程序（a） 主程序流程图图3-14 单片机串行通信的接收程序流程图3.4.2 驱动程序设计从上一章知道，单片机把从串行口接收到的数据全部依次存在62256中。当接收完发送完毕的标志位“.”后，单片机控制卡便开始启动步进电机和电磁铁的控制程序进行图形的绘制了。通过前面的数据存储规律以及对数据意义的定义可以知道，在8位数据里，有几个是特殊位，用来控制平台的移动，电磁铁的动作等，其它的数据首位为符号位，表示步进电机的旋转方向，其余7位表示步进电机需要走的拍数，对于这些数据的处理就需要区别对待了。下面就对不同数据类型处理方式进行介绍：首先来看单片机的程序流程图，图3-15是单片机驱动步进电机和电磁铁的程序流程图。图3-15 单片机控制卡程序流程图根据流程图就可以来编写单片机处理程序了，前面已经对程序进行初始化了，这样就打开了单片机的串口通信中断了，单片机处于待命状态随时准备接收数据，接下来我们需要编写一段程序使单片机跳出接收状态转而去执行驱动程序，在这里，使用了汇编语言中的CJNE跳转指令【19】，判断接收的数据是否为停止数据“2E”，读数据子程序如下：ORG 0130H ；子程序入口RXD1:JNB RI, $ ；接收结束等待，结束则RI=1,否则等待CLR RIMOV A, SBUF ；接收串行数据MOVX DPTR, A ；存数据INC DPTR ；地址加一CJNE A, #2EH, RXD1 ；如果A中不为“.”，则继续接收数据，为.则接收结束，中断返主CLR A ；清除A以跳出等待RETI ；中断返主以上程序使单片机完成了从串口接收数据并存储在RAM中的功能，下面就需要对这些数据进行处理了，取数据是通过一个“NEXT”子程序实现的，该子程序代码如下：ORG 0200H ；取数据子程序起始地址 NEXT:INC DPTR ；DPTR内容自加一以定位在下一数据 INC R2 ；地址计数器内容自加一MOVX A, DPTR ；从RAM中取数据放入A中CJNE A, #2EH, DRIVE1 ；该地址下数据若为“.”的ASCII码（2EH）,则结束，否则进入驱动程序CLR AAJMP START ；返回开始，继续等待串行中断通过以上程序对串口通信进行了一些设置和处理，下面将正式进入到数据处理的环节了，对于特殊数据的判断，同样可以使用DJNZ来进行判断处理【19】，例如，对于电磁铁的通断电进行判断处理，可以使用以下程序来进行判断：ORG 0140HDRIVE: ；开始执行控制程序，从DPTR指针首地址开始，连续取该地址下数据MOVX A, DPTRCJNE A, #0FFH, SOL_ON ；判断该数据是否为电磁铁的通电信号，是FF则继续往下执行，否则跳转到SOL_OFF继续判断SETB P1.0 ；是FF则电磁铁断电ACALL DELAY1 ；延时INC DPTR ；地址加一INC R2 ；地址计数器加一AJMP NEXT ；跳转到取数据程序SOL_ON: ；数据为7F 的处理程序CJNE A, #7FH, SIGAN ；是否为电磁铁的断电信号，是7F则继续往下走，否则转为执行驱动步进电机程序CLR P1.0 ；继电器通电，笔尖下移ACALL DELAY1 ；延时INC DPTR ；地址加一INC R2 ；地址计数器加一AJMP NEXT ；跳转到取数据程序其它的特殊数据，如“7E”为平台右移，“7D”为平台左移，都可以使用以上程序原理进行判断和处理。除了上述特殊数据的处理之外，还有最为重要的驱动步进电机的数据，如何 对这些数据进行正确的处理才是本设计最为关键的地方。根据程序流程图可以知道，对一般数据的处理分为以下几个步骤：判断地址指针数、判断数据首位、取出数据中有关步进电机步数的数据对步进电机给予正确的脉冲数。据此我们可以编写出程序。对于判断地址指针数，只需要对R2中的数进行判断，如果R2中的数为奇数则驱动步进电机2，为偶数则驱动步进电机1，这一段的程序代码为：ORG 0180HMOTOR:MOV A, R2 ；把此时数据的地址数送A，判断奇偶，以选择控制步进电机1或2ANL A, #01HJNZ MOTOR2 ；地址数为偶，则控制步进电机1，否则控制步进电机2MOTOR1: ；步进电机1驱动程序判断完对哪一个电机进行驱动后，接来下就是对确定的电机 进行具体驱动了，如图5-4为步进电机的驱动子程序，这个程序同时完成了对上述数据的处理，由于两个电机处理的方式是一样，这里只拿其中一个电机驱动程序来说明问题。图3-16 步进电机驱动程序流程图首先判断RAM中存储的数据是否为零，若为0则需要返回主程序继续取数据，这里只需要使用一条为零跳转指令JZ，若数据不为零，则应该判断数据首位是否为1以确定电机的旋转方向，若为0则该数据表示电机反转且数据值即为电机所需要的脉冲数【15】，若为1则代表电机正转，此时需要注意的是需要把数据首位屏蔽后留下来的数据才是步进电机实际需要的脉冲数，具体的程序如下（只以步进电机1为例）：MOTOR1:MOVX A, DPTR ；重新取数据JZ NEXT ；数据中若为零，则跳出，重新取下一个数据ANL A, #80H ；判断数据的符号位JNZ MOTOR1_CW ；首位为0，则CCW,否则CWMOTOR1_CCW: ；电机1反转子程序MOVX A, DPTR；重新取数据SETB P1.3 ；电机1驱动器使能端打开CLR P1.2；电机1驱动器方向信号置零CCW_ROTATE1:CLR P1.1 ；脉冲信号低电平ACALL DELAY2；延时SETB P1.1 ；脉冲信号高电平ACALL DELAY2；延时DEC A ；A中数据自减一JNZ CCW_ROTATE1 ；若A中不为零则继续驱动电机 AJMP NEXT；若A中数据为零则继续取下一个数据进行判断MOTOR1_CW: ；电机1正转子程序MOVX A, DPTR ；重新取数据CLR C ；清除进位位SUBB A, #80H ；屏蔽首位SETB P1.3；电机1驱动器使能端打开SETB P1.2 ；电机1驱动器方向信号置一CW_ROTATE1:CLR P1.1 ；脉冲信号低电平ACALL DELAY2；延时SETB P1.1 ；脉冲信号高电平ACALL DELAY2；延时DEC A ；A中数据自减一JNZ CW_ROTATE1 ；若A中数据不为零则继续驱动 AJMP NEXT ；若A中数据为零则取数继续判断由于签字机器人操作臂对速度加速度没有特别的要求，所以步进电机是按照一定的速度进行运动的，如果需要调节步进电机的转速，只需要控制提供给电机的脉冲频率即可。在本课题研究中，采取了软件延时的方法对步进电机的转速进行控制，由于提供给丝杆运动的步进电机和提供给操作臂运动的步进电机在速度上往往要求是不一样的，所以程序上编写了两个延时子程序分别对这两种不同的速度进行设定，如下面的延时子程序是提供给操作臂的步进电机使用的【15】。DELAY2: ;步进电机延时程序MOV R7, #2FHLOOP5:MOV R6, #0FFHDJNZ R6, $DJNZ R7, LOOP5RET至此，单片机程序的设计已结束，详细完整的程序请参阅附录C。本章小结本章是关于单片机控制系统程序的设计，主要内容有： 分析了机器人的控制框图，确定了控制思路； 完成了上位机的部分设计； 完成单片机的初始化设置，对串口等进行了设置； 完成了单片机对一般数据进行处理的程序； 完成了单片机对步进电机的驱动程序。第四章 系统的调试4.1 系统整体组成前面对单片机的程序进行了验证，下一步就需要对整个机器人系统进行实际验证了，这一步主要是验证在PC端的上位机能否发送正确的数据以及观察整个系统是否有存在重大缺陷。机器人经过设计、零部件的加工或购买、电路的焊接，最终组装出来的签字机器人系统如4-1所示，该系统包含了笔记本电脑、直流电源、步进电机控制器、单片机控制电路、机器人机构系统等五大部分组成。图4-1签字机器人系统4.2 系统串口调试最终我们需要对整个系统进行调试以期得到理想的结果，调试步骤如下：首先，将系统组装好，把所有线路正确连接，将单片机控制电路和笔记本电脑连接进行通讯，由于笔记本电脑没有串行通讯端口，所以使用了一款USB转串口的小设备，安装好相应驱动后我们可以在设备管理器里查看到模拟出来的串口，将串口设置为COM2，波特率设置为4800位/秒，8位数据位，无奇偶校验位，一位停止位。在准备工作做好之后，接下来就是调试了，给系统供电，打开KEIL开发环境，将编写好的汇编程序编译生成HEX代码，打开STC-ISP设置好相关的参数，将代码下载到单片机里。通过之前所做的一系列工作，已经将代码写入到单片机内了，如何验证设计的程序代码是否正确，需要我们进一步调试。这里使用了STC-ISP-V6.68内部集成的一个小工具“串口助手”，利用它可以很方便的给单片机输入数据，首先把签字机器人的硬件连接好，给系统上电通电，设置好串口为COM2波特率为4800bps，无校验位，一位停止位，设置好后再发送区输入一些数据以HEX模式点击“发送数据”就可以和单片机进行串口通信了，例如在发送区输入“7F 7F 32 32 B2 B2 FF FF 7E 7E 7D 7D 2E”，按照设计要求，如果程序无误，机器人将依次做出这些动作：电磁铁通电下笔、电机1电机2反转、电机1电机2正转、电磁铁断电抬笔，平台右移9mm、平台左移9mm，通过观察，机器人确实按照要求做出了动作，这就保证了前面程序的设计都是无误的。图4-2是该串口助手的界面。图4-2串口助手观察发现，系统能对输入的各种数据都能进行正确的处理，得到的输出也是合理的，这说明系统设计合理，能进行下一步的测试。4.3 签字机器人整体调试如图4-3，在上位机方框中绘制“华东交大”字样，点击绘画完毕，点击发送按钮。观察工作台。可以看到当数据发送完毕后工作台便开始在纸上绘制图形了。图4-4是在纸上得到的文字，从结果来看能大体上复现绘制的图形文字。至此调试工作结束。图4-3写入“华东交大”字样图4-2最终结果图本章小结本章主要是对签字机器人进行的调试以验证程序设计的正确性，使用了STC-ISP-V6.68里面一个串口助手小工具进行串口通信调试，在确认了程序设计无误的情况下使用上位机对签字机器人进行了实际调试。第五章 总结与展望5.1 毕设总结本次课题研究设计的签字机器人是一个集合了机械原理设计、单片机控制、电路设计、VC+编程等多门学科知识的复杂的机电一体化系统，是对学生专业能力的一次升华。在设计的过程中，难免会遇到这样那样的困难，但经过老师和同学的指点帮助，通过自己的不断钻研仔细思考，最终困难都一个个被得以攻破。通过本课题的研究设计及实物的建造和调试，在理论上进一步的探讨了微型并联机器人的分析、设计和控制等问题，解决了整个系统的控制问题，最终开发出一套可供使用的签字机器人系统。在本课题的实践操作中，对系统的设计、分析、控制等方面做了一些探讨、研究和尝试，并获得了一些研究成果和设计经验。主要的工作和尝试有以下几个方面：（1）对当前微操作机器人的系统的制作应用研究方面做了一些综述和分析，为设计本签字机器人系统提供了一些参考资料；（2）对控制系统所需硬件进行了合理的选型并最终完成了硬件的制作。（3）分析了串口通信的原理，完成了对串口通信参数的计算设计；（4）分析了下位机对数据处理的方式，完成了下位机的程序设计；（5）完成了微型签字机器人实验系统的安装和调试。5.2 需要完善的地方 总的来说，由于并联机器人控制系统的复杂性，限于对机构学、运动学和动力学等的研究，对控制理论、控制系统和技术研究等领域的了解还比较浅薄，因此本课题设计的签字机器人控制系统只是一个初步的、开环的、比较粗糙的系统，要使该签字机器人进入到实际的应用阶段，还需要进一步的完善。这些问题主要体现在以下四个方面：1. 由于签字机器人使用了PC进行绘图操作，数据基本也是在PC程序中进行处理的，这便使得本系统在实际使用中存在一定的不便性，比如携带存在不便。所以下一步要做的工作是考虑如何在脱离PC机的情况下，使系统更加小巧便携，这是本课题所要解决的关键问题；2. 由于在设计该签字机器人的时候使用的是开环控制系统，不存在反馈调节机制，所以在精度控制上便不能保证了，比如一旦电机丢步，将导致系统误差较大，所以下一步的工作中将要考虑增加必要的传感器，引入反馈；3. 精度是机器人性能指标优劣的重要体现之一，本次设计的签字机器人虽然能大致反映输入，但从实际效果中也能看到线条不够平滑，精度不是很高，影响精度的原因主要是机械系统的精度和控制系统对数据采集的精度要求，下一步为了提高系统精度，应从这两个方面重点考虑，如零部件的加工设计更加精确，对数据的采集量加大，电机采用细分电路等；4. 在实际的应用中，签字机器人往往是需要进行远程操作的，这就使得机器人必须具备远程通讯的能力，如使用互联网进行远程数据传输实现远程签字的功能，这也是下一步需要重点解决的内容。参考文献【1】 Stewart D, A Platform with six Degree of Freedom, Proc. 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It belong to a lot of kinds this line of one-chip computer the chips have, such as 8051, 8031, 8751, 80C51BH, 80C31BH,etc., their basic composition, basic performance and instruction system are all the same. 8051 daily representatives-51 serial is one-chip computers.A one-chip computer system is made up of several following parts: (1) One microprocessor of 8 (CPU). ( 2) At slice data memory RAM (128B/256B),it use not depositing not can reading /data that write, such as result not middle of operation, final result and data wanted to show, etc. (3) Procedure memory ROM/EPROM (4KB/8KB ), is used to preserve the procedure , some initial data and form in slice. But does not take ROM/EPROM within some one-chip computers, such as 8031, 8032, 80C, etc. ( 4) Four 8 run side by side I/O interface P0 four P3, each mouth can use as introduction , may use as exporting too. (5) Two timer / counter, each timer / counter may set up and count in the way, used to count to the external incident, can set up into a timing way too, and can according to count or result of timing realize the control of the computer. (6) Five cut off cutting off the control system of the source. (7) One all depleting serial I/O mouth of UART (universal asynchronous receiver/transmitter (UART) ), is it realize one-chip computer or one-chip computer and serial communication of computer to use for. (8) Stretch oscillator and clock produce circuit, quartz crystal finely tune electric capacity need outer. Allow oscillation frequency as 12 megahits now at most. Every the above-mentioned part was joined through the inside data bus .Among them, CPU is a core of the o ne-chip computer, it is the control of the computer and command centre, made up of such parts as arithmetic unit and controller , etc. The arithmetic unit can carry on 8 persons of arithmetic operation and unit ALU of logic operation while including one, the 1 storing device temporalities of 8, storing device 2 temporarily, 8s accumulation device ACC, register B and procedure state register PSW, etc. Person who accumulate ACC count by 2 input ends entered of checking etc. temporarily as one operation often, come from person who store 1 operation is it is it make operation to go on to count temporarily , operation result and loopback ACC with another one. In addition, ACC is often regarded as the transfer station of data transmission on 8051 inside. The same as general microprocessor, it is the busiest register. Help remembering that agreeing with A expresses in the order. The controller includes the procedure counter, the order is deposited, the order deciphers the oscillator and timing circuit, etc. The procedure counter is made up of counter of 8 for two, amounts to 16. It is a byte address counter of the procedure in fact, the content is the next IA that will carried out in PC. The content which changes it can change the direction that the procedure carries out. Shake the circuit in 8051 one-chip computers, only need outer quartz crystal and frequency to finely tune the electric capacity, its frequency range is its 12MHZ of 1.2MHZ. This pulse signal, as 8051 basic beats of working, namely the minimum unit of time. 8051 is the same as other computers, the work in harmony under the control of the basic beat, just like an orchestra according to the beat play that is commanded.There are ROM (procedure memory , can only read ) and RAM in 8051 slices (data memory, can is it can write ) two to read, they have each independent memory address space, dispose way to be the same with general memory of computer. Procedure 8051 memory and 8751 slice procedure memory capacity 4KB, address begin from 0000H, used for preserving the procedure and form constant. Data 8051- 8751 8031 of memory data memory 128B, address false 00FH, use for middle result to deposit operation, the data are stored temporarily and the data are buffered etc. In RAM of this 128B, there is unit of 32 batistes that can be appointed as the job register, this and general microprocessor is different, 8051 slice RAM and job register rank one formation the same to arrange the location. It is not very the same that the memory of MCS-51 series one-chip computer and general computer disposes the way in addition. General computer for first address space, ROM and RAM can arrange in different space within the range of this address at will, namely the addresses of ROM and RAM, with distributing different address space in a formation. While visiting the memory, corresponding and only an address Memory unit, can ROM, it can be RAM too, and by visiting the order similarly. This kind of memory structure is called the structure of Princeton. 8051 memories are divided into procedure memory space and data memory space on the physics structure, there are four memory spaces in all: The procedure stores in one and data memory space outside data memory and one in procedure memory space and one outside one, the structure forms of this kind of procedure device and data memory separated from data memory, called Harvard structure. But use the angle from users, 8051 memory address space is divided into three kinds: (1) In the slice, arrange blocks of FFFFH, 0000H of location , in unison outside the slice (use 16 addresses). (2) The data memory address space outside one of 64KB, the address is arranged from 0000H 64KB FFFFH (with 16 addresses) too to the location. (3) Data memory address space of 256B (use 8 addresses). Three above-mentioned memory space addresses overlap, for distinguishing and designing the order symbol of different data transmission in the instruction system of 8051: C PU visit slice, ROM order spend MOVC , visit block RAM order uses MOVX outside the slice, RAM order uses MOV to visit in slice.Output grade, P3 of mouth, P1 of P1, connect with inside have load resistance of drawing, every one of they can drive 4 Model LS TTL load to output. As while inputting the mouth, any TTL or NMOS circuit can drive P1 of 8051 one-chip computers as P3 mouth in a normal way. Because draw resistance on output grade of them have, can open a way collector too or drain-source resistance is it urge to open a way, do not need to have the resistance of drawing outer. Mouths are all accurate two-way mouths too. When the conduct is input, must write the corresponding port latch with 1 first. As to 80C51 one-chip computer, port can only offer milliamp ere of output electric currents, is it output mouth go when urging one ordinary basing of transistor to regard as, should contact a resistance among the port and transistor base, in order to the electricity while restraining the high level from exporting P1P3 Being restored to the throne is the operation of initializing of an one-chip computer. Its main function is to turn PC into 0000H initially, make the one-chip computer begin to hold the conduct procedure from unit 0000H. Except that the ones that enter the system are initialized normally, as because procedure operate it make mistakes or operate there arent mistake, in order to extricate oneself from a predicament , need to be pressed and restored to the throne the key restarting too. It is an input end which is restored to the throne the signal in 8051 China RST pin. Restore to the throne signal high level effective, should sustain 24 shake cycle (namely 2 machine cycles) the above its effective times. If 6 of frequency of utilization brilliant to shake, restore to the throne signal duration should exceed 4 delicate to finish restoring to the throne and operating. Produce the logic picture of circuit which is restored to the throne the signal:Restore to the throne the circuit and include two parts outside in the chip entirely. Outside that circuit produce to restore to the throne signal (RST) hand over to Schmitts trigger, restore to the throne circuit sample to output , Schmitt of trigger constantly in each S5P2 , machine of cycle in having one more , then just got and restored to the throne and operated the necessary signal in idly. Restore to the throne resistance of circuit generally, electric capacity parameter suitable for 6 brilliant to shake, can is it restore to the throne signal high level duration greater than 2 machine cycles to guarantee. Being restored to the throne in the circuit is simple, its function is very important. Pieces of one-chip computer system could normal running, should first check it can restore to the throne not succeeding. Checking and can pop ones head and monitor the pin with the oscillograph tentatively, push and is restored to the throne the key, the wave form that observes and has enough range is exported (instantaneous), can also through is it restore to the throne circuit group holding value carry on the experiment to change.Another name of MCS is embedded micro-controller, because it can be embedded into any micro-or small-scale equipment or equipment. At present, the single-chip embedded systems and Internet connectivity is a trend. However, Internet has been used as a fat server, thin machine technology users. This technology on the Internet to store and access large amounts of data is appropriate, but for control of embedded devices has become the sledgehammer cracking a nut, the. Embedded devices to achieve and Internet connection, we need the Internet to the traditional theory and practice of embedded devices is reversed. In order to make complex or simple embedded devices, such as single-chip microcomputer-controlled machine tools, single-chip microcomputer-controlled door locks, can be practical and Internet connection, requires specialized equipment for the embedded microcontroller design a web server to embed devices can be connected to Internet, and through a standard Web browser to process control.At present, in order to single-chip microcomputer as the core of embedded systems and Internet connected companies, there are many more studies in this area. More typical in this regard have aware and TASKING company. Embedded systems companies Edward network program - EMIT technology. This technology consists of three main parts: the e Micro, e Gateway and web browser. Which, e Micro embedded devices is a 1K-byte memory capacity accounted for only a very small web servers; e Gateway stronger as a function of the user or server, and it is used to achieve more than the management of embedded devices, as well as standard access the Internet communications, as well as the support of a web browser. Web browsers use to display and embedded e Objects data transmission between devices. If sufficient resources embedded devices, while at the same time e Micro and e Gateway into embedded devices, to achieve direct access to the Internet. Otherwise, it will require a web browser e Gateway and each other. E Wares EMIT software technology using standard Internet protocol for 8-bit and 16-bit embedded devices to manage, but costs much less traditional. At present, single-chip applications, a new problem: This is how to make the 8-bit, 16-bit single-chip microcomputer to control the product, or embedded products or equipment to achieve the interconnection and the Internet? TASKING is now to solve this problem means. The company has e Ware of EMIT software packages and related supporting integration, the formation of an integrated development environment, to provide users with convenient development. Embedded Internet Union ETI (embed the Internet Consortium) is to work closely with the development of embedded Internet solutions. Results in the near future there will be published.附录B：外文翻译译文51系列单片机结构和功能51系列单片机是英特尔公司生产的具有一定结构和功能的单片机产品。这家公司在1976年引入8位MCS - 48系列单片机后，于1980年又推出了8位高档的MCS - 51系列单片机。它包含很多种这类型的单片机，如8051，8031，8751，80C51BH，80C31BH等，它们的基本组成，基本性能和指令系统都是一样的。一般情况习惯用8051来代表51系列单片机。一个单片机的系统是由以下几部分组成：（1）一个8位CPU微处理器。（2）静态随机存取存储器，能够储存程序运行过程中产生的数据。（3）程序存储器ROM / EPROM中（4KB/8KB），用来保存程序和一些初始数据。但是在一些单片机中不使用ROM / EPROM中，如8031，8032，80c系列等。（4）4个8排的I / O并行接口P0 P3，每个口可以用作输入，也可以用作输出。（5）2个定时器/计数器，每个定时器/计数器可设置计数用来计数外部事件，可以设置成常用的定时方式，并可以根据计算或结果控制单片机的运行。（6）五个中断源控制系统。（7）1个双向串行I / O口的UART（通用异步接收器/发送器UART），用于实现单片机的串行通信。（8）振荡器和时钟产生电路，需要外部电源的石英晶体微调电路，允许接在12v的振荡频率上。上述部分通过内部数据总线连接。其中，CPU是单片机的核心，它是单片机的控制和指挥中心，ALU算数逻辑运算单元可进行算术运算和逻辑运算，由1个 8暂时存储器，和2个 8位的累加器组成。Acc累加器是ALU运算结果的存放单元，一般数据通过它来传送。此外，Acc往往被视为对8051内的数据传输中转站。和通常的微处理器一样，它是最繁忙的寄存器。有记忆功能并执行命令。该控制器包括程序计数器，可读写的存储器，振荡器和定时电路等。该程序计数器是有两对8或16位计数器，它是一个字节地址计数器，在个人电脑运行程序时，执行下一个单元的内容，程序执行时可以改变它的内容从而改变运行的结果。在8051芯片震荡电路中，需要外接石英晶体和微调电容，其频率范围为1.2MHz12MHz。该脉冲信号，即为8051的工作周期，是最小的时间单位。8051和其他单片机一样，都有相同的控制和功能，就像乐队也有打击乐器一样。在8051中有ROM（程序存储器，只能读取），和RAM（数据存储器，可以读和写），他们有各自独立的内存地址空间，也有相同的处理方式。8051和8751的程序存储器的存储容量为4KB，地址从0000H开始，在使用过程中其中的数据不变。8051、8751、8031数据存储器的内存为128B，默认地址是00FH，用于保存中间数据和缓存。在这128B的内存中，有32 bytes，被称作工作寄存器，和常用的微处理器不同的是，8051的RAM是按功能来划分模块的。MCS - 51系列单片机和一般电脑的处理方式不同。一般电脑会自动分配地址空间，ROM和RAM的计算机可以安排在不同的空间内，地址范围会根据ROM和RAM的位置分配不同地址空间。在访问的内存，不管是ROM和RAM，只有一个地址对应一个内存单元，都要按这个顺序访问。这种内存结构是所谓的普林斯顿结构。 8051的存储器按物理结构划分可分为程序存储器空间和数据存储空间，共有四个内存空间，按结构位置的不同分为内部程序存储空间、外部程序存储空间、内部数据存储空间和外部数据存储空间。但从用户的使用角度看，8051存储器地址空间被分成三类：（1）片内，安排FFFFH的块，片外的（使用16个地址）串口0000H地址。（2）外部数据存储器地址空间为64KB，地址是从0000H到 FFFFH（含16个地址）的位置排列也。（3）256B的数据存储器（使用8个地址）的地址空间。上述三个重叠的内存空间地址，用8051指令系统的传输不同的数据和使用的功能区分。CPU的访问内存时，访问ROM使用MOVC语句，访问RAM块顺序使用片外操作的MOVX语句，访问内存片段使用MOV语句。 P3口的输出级别小于P1，可以在里面绘制负载电阻，每一个都能驱动4个LS型TTL负载输出。作为输入口时，所有TTL或NMOS电路都可以驱动一个正常的方式8051 - P3口作为单片机的P1口。可以利用改变电阻的输出大小，直接地充当震荡开路，不需要添加外部电阻。其中每个口都是标准的双向口。当在当做输入口时，必须把相应的端口置1来锁闭输出。比如8051单片机，所有端口提供的输出电流只能几毫安，用作输出口时接一个普通的晶体管，要稳定使用，还要接一定电阻。其主要功能是把初始地址设为0000H，使单片机从0000H的地址开始运行程序。除了正常进入系统的初始化，由于操作失误或操作过程错误，也要能够解决错误，重新运行。在8051中RST引脚是一个输入复位键，复位键高电平信号有效，要保证24倍以上的时钟周期（即2个机