基于单片机的遥控机械手设计(含开题报告+完整程序)毕业设计.doc

2011 年度本科生毕业论文（设计） 遥控机械手 2011 年 5 月2011 Annual Graduation Thesis Project of the College Undergraduate Remote-controlled Manipulator 毕业论文（设计）原创性声明 本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明 本论文（设计）作者完全了解红河学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。作者签名： 指导教师签名：日期： 日期： 本科毕业论文 设计 摘 要 机械手的控制涉及到电子、机械设计、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等学科，是一项跨学科的综合控制技术。现如今工业自动化发展迅速，机械手成为了不可或缺的一部分，它在工业生产等领域的应用越来越广泛。本设计主要以自主学习为目的，以 Atmega 1280 单片机为核心控制舵机的转动来完成机械手的动作。机械设计部分主要利用 AutoCAD 来制图，根据所制图纸来手工打造机械手。程序设计是基于 C 语言的基础知识来完成，软件主要是运用Arduino 控制板自带的程序开发平台。关键词：Arduino；单片机；舵机；机械手；串口通讯 本科毕业论文 设计 ABSTRACT The control of the manipulator involves electronic mechanical designautomatic control technology the sensor technology and computer technologydiscipline is an interdisciplinary comprehensive control technology. Nowadaysindustrial automation development is rapid manipulator became indispensable partin industrial production it is widely used in the fields of the. This design is mainlyfor the purpose the autonomous learning Atmega 1280 singlechip control therotation of the steering gear to complete the manipulator of actions. Mechanicaldesign of the main use AutoCAD to drawing according to system made by handmanipulator blueprint. Based on C language program design is the basic knowledgeto complete the software is mainly used to bring program Arduino paneldevelopment platform. Key words: ArduinoSCMSteeringgear Manipulator Serial communication 本科毕业论文 设计 目 录1.前言.12.设计目的及总体设计方案.2 2.1 设计目的及意义 .2 2.2 总体设计方案 .2 2.2.1 整体思路.2 2.2.2 机械设计.2 2.2.3 软件设计.4 2.3 控制目标 .43.控制原理.5 3.1 舵机 .5 3.2 Arduino 控制器.7 3.3 PWM 控制.9 3.4 APC220 .10 3.5 串口通讯 .12 3.6 电源 .144.硬件部分.15 4.1 机械手制作 .15 4.2 机械手展示 .15 4.3 硬件系统的搭建 .165.软件部分.17 5.1 软件介绍 .17 5.2 控制流程 .19 5.3 PC 端编程软件介绍.196.编程调试.22 6.1 机械手端程序 .22 6.2 PC 端程序.34 6.3 调试过程中的相关问题 .42结束语.44参考文献.43致 谢.45 本科毕业论文 设计1.前言 机械手是一种模拟人手操作的自动化机械，它可按固定程序抓取、搬运物件或操持工具完成某些特定操作。应用机械手可以代替人从事单调、重复或繁重的体力劳动，实现生产的机械化和自动化，代替人在有害环境下的手工操作，改善劳动条件，保证人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。20 世纪 40 年代后期，美国在原子能实验中，首先采用机械手搬运放射性材料，人在安全的房间里操作机械手进行各种操作和实验。50 年代以后，机械手逐步推广到工业生产部门，用于在高温、污染严重的地方取放工件和装卸材料，也作为?驳母璞缸爸迷谧远病远吆图庸行闹杏茫瓿缮舷铝匣虼拥犊庵腥诺毒卟垂潭绦蚋坏毒叩炔僮鳌?机械手主要由手部和运动机构组成，手部是用来抓持工件的部件，根据被抓持物件的形状、尺寸、重量、材料和作业要求而有多种结构形式，如夹持型、托持型和吸附型等。运动机构使手部完成各种转动、移动或复合运动来实现规定的动作，改变被抓持物件的位置和姿势。运动机构的升降、伸缩、旋转等独立运动方式称为机械手的自由度。为了抓取空间中任意位置和方向的物体，需要有多个自由度。自由度是机械手设计的关键参数，自由度越多，机械手的灵活性越大，通用性越广，其结构也越复杂。机械手的种类按驱动方式可分为液压式、气动式、电动式、机械式机械手；按适用范围可分为专用机械手和通用机械手两种；按运动轨迹控制方式可分为点位控制和连续轨迹控制机械手等。 1 设计目的及总体设计方案2.设计目的及总体设计方案2.1 设计目的及意义 现如今，机器人研究领域正蒸蒸日上，机械手是其中应用较为广泛，技术较为成熟的一个成员。机器人的出现让我们的生活实现了真正意义上的自动化，代替了许多简单繁重的人力劳动，并且达到了高效、精确、快速的效果，所以在此领域追求卓越，努力探究就显得尤为重要。结合本身实际情况，此选题的目的更在于自主探索机器人领域最简单、基本的制作及控制方法，从实验验证到探索创新，最终掌握基础知识技能，为今后在此领域继续发展奠定良好基础。另一方面，带动我校在高新技术研究领域的积极性，希望更多的同学参与进来。单片机是一切智能电子产品的核心控制部件，广泛应用于航天技术、现代通讯技术、机电一体化、工业控制、智能化仪器仪表、家用电子产品等各个领域。单片机技术是一个综合技术，包含著硬件设计安装和软件编程等诸多内容。它是微型计算机的一个重要分支，随着各种高性能、高集成度、低成本的新兴单片机的出现以及嵌入式系统的兴起，单片机应用领域不断扩大。该设计的目的更在于更好的掌握单片机技术的知识，从学习到实践，把理论知识运用到实际当中。2.2 总体设计方案2.2.1 整体思路 手工完成机械手机械部分的制作，结合 AutoCAD 图纸做出符合控制要求及精度的机械手；利用单片机作为控制器控制舵机转动，从而实现机械手的各种操作；整合测试，不断完善程序，使得控制更加协调可靠；利用单片机的串口通讯，实现无线控制，PC 端作为控制信号发送端。2.2.2 机械设计 AutoCAD 是由美国 Autodesk 公司于二十世纪八十年代初为微机上应用CAD 技术而开发的绘图程序软件包，经过不断的完善，现已经成为国际上广为 2 本科毕业论文 设计流行的绘图工具。AutoCAD 具有很良好的用户界面，通过交互式菜单命令行方式便可以进行各种操作。它的多文档设计环境，让非计算机专业人员也能很快地学会使用。在不断实践的过程中更好的掌握它的各种应用和开发技巧，从而不断提高工作效率。机械部分的制作运用 AutoCAD 软件先进行图纸设计1，精确到机械手每个部件的尺寸，根据图纸选择合适的材料来制作。 设计效果图如下： 3 设计目的及总体设计方案2.2.3 软件设计 开发阶段的第一步要解决如何做的问题。软件设计过程是对程序结构、数据结构和过程细节逐步求精、重复调试的过程。抽象是控制复杂性的基本策略，把控制问题抽象话，从而逐步实现具体的每一步。软件设计包括总体结构设计、过程设计和数据设计，总体设计师设计和定义软件的整体实现框架，模块以及模块间的关系，过程设计是设计模块的内部细节，数据设计是对信息的描述。软件开发实际上就是一个从高层次抽象到低层次抽象逐步过渡的过程。 我在软件设计中的原则是在机械部分设计成熟的基础上尽可能简单的实现所要达到的功能。选择比较熟悉的编程语言，在确定编程语言的基础上在来确定编程软件，从而在此平台上挑选合适的控制板来编写程序。尽量采用模块化思想，把程序划分为一组具有相对独立功能的部件，每个部件称为一个模块，当把所有的模块组装在一起时，就得到了满足需要的软件系统。2.3 控制目标 实现以单片机控制为核心，PC 机辅助控制的机械手协调运动。编写多个单片机单独控制机械手的动作程序，并调试到最佳状态。利用 PC 机作为控制信号发送端，通过串口无线发送数据来控制机械手的动作。 4 本科毕业论文 设计3.控制原理3.1 舵机 舵机最早出现在航模中，非星级的飞行姿态是通过调节发动机和各个控制舵面来实现的。不仅在航模飞机中，在其它的模型运动中都可以看到它的运用，船模上用来控制尾舵，车模中用来转向等等，凡是需要操作性动作时都可以用舵机来实现。 舵机又叫伺服马达，它的内部包括一个小型直流马达，一组变速齿轮组，一个反馈可调电位器，一块电子控制板。其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速齿轮组产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也越低。结构图如下所示： 舵机的工作原理是一个典型的闭环反馈系统，由下图所示： 减速齿轮组由马达驱动，其输出端带动一个线性的比例电位器作为位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将 5 控制原理其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲并驱动马达正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于 0，从而达到使伺服马达精确定位的目的。标准舵机有三条控制线，分别为：电源、地及控制。电源线与地线用于提供内部的直流马达及控制电路所需的能源，电压通常介于 4V6V之间。舵机的控制信号为周期是 20ms 的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从 0.5ms2.5ms，相对应舵盘的位置为 0180，呈线性变化。给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期 20ms，宽度 1.5ms 的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用下图表示： 这样，只要给舵机频率为 50Hz 一定占空比的脉冲，就可以使舵机转过一定的角度，多个舵机协调转动就可以使机器人做出相应的动作。而控制脉冲就由单片机来产生。舵机的运动速度是由其内部的主流马达和变速齿轮组的配合 6 本科毕业论文 设计决定的，在恒定的电压驱动下，其数值唯一。但其平均运动速度可通过分段停顿的控制方式来改变。舵机运动的速度控制在本设计中显得尤为重要。3.2 Arduino 控制器 Arduino 是一个单片机的最小系统。单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，同时集成诸如通讯接口、定时器、实时时钟等外围设备。现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。 Arduino 是一块基于开放源代码的 USB 接口简单 I/O 接口板，并且有使用类似 JAVA，C 语言的 IDE 集成开发环境，可以很容易实现与 Flash 和 Processing的互动。集成开发环境是用于提供程序开发环境的应用程序，一般包括代码编程器、编译器、调试器和图形用户界面工具。就是集成了代码编写功能、分析功能、编译功能、调试功能等一体化的开发软件服务套。在 PC 端编写好程序后通过 USB 线下载到 Arduino 板上就可以运行了。 Arduino MEGA ATmega1280 是以 ATmega1280 为核心的微控制器，具有 54个数字 I/O 接口，CPU 频率为 16MHz，8KB SRAM128KB 闪存，4KB EEPROM。ATmega1280 单片机内嵌 Bootloader，因此能够通过 USB 接线直接下载程序而不需要经过其它下载线或者编程器。控制板如下图所示： 引脚说明： 7控制原理 8 本科毕业论文 设计 ATmega 1280 系统方框图如下所示；所有的寄存器都直接接到算术逻辑单元ALU允许两个独立的寄存器一条指令执行中存取在一个时钟周期。当停止空闲模式时，处理器允许静态存储，工作于 16MHz 时性能高达 16MIPS。具有独立的与分频器和比较器功能的 8 位定时器/计数器，独立晶振的实时时钟计数器，4 路 8 位 PWM 频道，12 路分辨率可编程的 PWM 频道可工作于主机/从机模式的 SPI 串行接口。3.3 PWM 控制 传统产生 PWM 波得方法是通过大量的分立元件来实现的，所产生的脉冲频率和宽度往往不是很精确，很难做到对舵机的精确控制。由于单片机具有性能稳定、编程灵活、精度较高、价格低廉等特点，用它产生 PWM 波在实际中得到了广泛的应用。最直接的方法就是用单片机本身所带的 PWM 口产生波形。在 9 控制原理程序中用到两种软件计数器：一种是脉冲周期计数器，一种是各通道的脉宽计数器。软件开始时，给周期计数器及各通道的脉冲宽度计数器分配单元并赋初值，各通道的脉冲宽度技术区共同存放在一个数组内。然后给定时器置初值，所有各通道输出全部置 1，开中断，当一次 5Ls 定时结束后，各脉宽对应计数器及周期计数器都减 1，如果不为 0，对应输出通道仍然输出为 1 否则输出为 0，紧接着定时器再置初值，再开中断，直到周期计数器为 0，一个周期结束，重新开始一个新的周期23。 具体的实现过程，如果想让舵机转向 0，它的正脉冲为 2ms，则负脉冲为20ms-2ms18ms，开始时在控制口发送高电平，然后设置定时器在 2ms 后发生中断，中断发生后，在中断程序里将控制口改为低电平，并将中断时间改为18ms，再经过 18ms 进入下一次定时中断，再将控制口改为高电平，并将定时器初值改为 2ms 等待下次中断到来。如此往复实现 PWM 信号输出到舵机，用修改定时器中断初值的方法形成了脉冲信号，调整时间段的宽度便可使舵机灵活运动。3.4 APC220 APC220 模块是高度集成半双工微功率无线数据传输模块，其嵌入高速单片机和高性能射频芯片。创新的采用高效的循环交织纠检错编码，抗干扰和灵敏度都大大提高，最大可以纠 24 字节连续突发错误，达到业内的领先水平。APC220 模块提供了多个频道的选择，可在线修改串口速率，发射功率，射频速率等各种参数。能够透明传输任何大小的数据，而用户无须编写复杂的设置与传输程序，同时小体积宽电压运行，较远传输距离，丰富便