JDC01-011@三自由度机械手运动控制下位机系统设计
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机械毕业设计全套
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JDC01-011@三自由度机械手运动控制下位机系统设计,机械毕业设计全套
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毕业设计中期 检 查表 填表日期 2012年 5月 10 日 迄今已进行 11 周剩余 6 周 学生姓名 王金新 院 系 机电工程学院 专业、班级 机械 08-2 班 指导教师姓名 刘 财 勇 职称 讲师 从事 专业 机械制造及自 动化 是否 外聘 是 否 题目名称 三自由度机械手运动控制下位机系统设计 （实验室建设） 学 生 填 写 毕业设计工作进度 已完成主要内容 待完成主要内容 查阅文献 ， 收集资料，撰写开题报告； 确定控制方案； 选择 器件，确定参数 ； 硬件电路设计（ 51 单片机各接口定义及 51 单片机外围电路焊接） 部分程序调试； 红外传感器连接； 红外传感器程序编写； 电磁铁选择及安装； 手动程序编写； 整体程序调试； 撰写设计说明书 ； 存在问题及努力方向 红外传感器怎样接入电路，编写 51程序； 手动程序编写； 解决电路虚焊问题； 学生签字： 指导教师 意 见 毕业设计进度：超前 正常 滞后 严重滞后 指导教师签字： 年 月 日 系 意见 系 主任 签字： 年 月 日 nts The Graduation Design for Bachelors Degree Three degrees of freedom movement control a machine under manipulator system design Candidate： Wang Jinxin Specialty ： Mechanical Design, Manufacturing and Automation Class： 08-2 Supervisor： Liu Caiyong Heilongjiang Institute of Technology nts 2012-06 Harbin nts I 摘 要 三自由度机械手能够在三维空间中完成升降、平移等基本指令，而二自由度机械手仅能在一个平面内动作，所以把三自由度机械手作为学校机器人类课程的教学中能够具有典型性。我校现在没有成型的、可以直接应用的机器人方面的教学设备，只有一些慧鱼机器人组件和未来伙伴机器人 组件。 本设计目的是在慧鱼组件的基础上设计出下位机控制系统，起到开发、拓展慧鱼机器人组件的功能。这样，在以后的机器人实践教学和学生的创新等活动中，可以应用自己开发的机器人运动控制系统，实现机器人单关节运动控制、多关节运动控制和示教再现等功能，并具有开放性，使学生可以自己根据任务编辑、修改程序，实现不同的工作。 关键词： 三自由度；机械手；机器人 ；单片机控制；控制程序 nts II ABSTRACT Three degrees of freedom in 3 space manipulator can be accomplished in the lift, shift, and other basic instruction, and two degrees manipulator can only in a plane within action, so the three degrees of freedom as a manipulator of human course teaching school machine to typical. Our school now not model, can be applied in the robot of teaching equipment, only some fischer robot kit and future partner robot kit. The design aims at fischer components designed on the base of a machine control system under, rise to development, develop fischer robot component function. So, in the later teaching and students practice robot innovation activities, and can be applied to develop their own robot motion control system, the realization robot single joint motion control, motion control and the joint teach reproduce, and other functions, and an open, so that the students can edit, modify the program according to the mission, the realization of different work. Keywords: Three degrees of freedom; Manipulator; robot； Single chip microcomputer control； Control program nts 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 概述 . 1 1.2 文献综述 . 1 1.2.1 工业机器人 . 1 1.2.2 工业机器人的国内外形势 . 2 1.3 基本内容和拟解决的问题 . 4 1.3.1 基本内容 . 4 1.3.2 拟解决的问题 . 4 第 2 章 三自由度机械手运动控制下位机 系统 总体方案设计 . 5 2.1 三自由度机械手运动控制下位机系统的设计原理 . 5 2.2 三自由度机械手运动控制下位机系统的设计方案 . 5 2.3 三自由度机械手运动控制下位机系统的工作过程概述 . 6 2.4 系统的设计要求 . 6 2.4.1 功能要求 . 7 2.4.2 控制要求 . 7 2.5 本章小结 . 7 第 3 章 元器件的选择 . 8 3.1 晶振模块 . 8 3.2 复位模块 . 9 3.2.1 上电复位电路 . 9 3.2.2 手动复位电路 . . 9 3.2.3 混合复位电路 . 10 3.3 电源供电模块 . 10 nts 3.4 串口下载模块 .11 3.5 电机驱动模块 . 12 3.6 单片机主电路模块 . 13 3.7 本章小结 . 15 第 4 章 控制系统硬件设计 . 16 4.1 确定 I/O 点数 . 16 4.2 单片机的选择 . 16 4.3 单片机 I/0 分配表 . 16 4.5 本章小结 . 17 第 5 章 控制系统的软件设计 . 18 5.1 流程图 . 18 5.2 程序 . 错误 !未定义书签。 5.3 本章 小结 . 23 结 论 . 24 参考文献 . 25 致 谢 . 26 附 录 . 27 nts 1第 1章 绪 论 1.1 概述 本设计目的 是在慧鱼组件的基础上设 计出下位机控制系统，起到开发、拓展慧鱼机器人组件的功能。这样，在以后的机器人实践教学和学生的创新等活动中，可以应用自己开发的机器人运动控制系统，实现机器人单关节运动控制、多关节运动控制和示教再现等功能，并具有开放性，使学生可以自己根据任务编辑、修改程序，实现不同的工作。 本文主要介绍了 三自由度机械手运动控制下位机 系统的硬件和软件设计，以及一些调试方法。 1.2 文献综述 1.2.1 工业机器人 工业机器人的发展始于 20 世纪年代， 1954 年美国戴沃尔发表了 “通用重复型机器人 ”的专利论文，第一次提出了 “工业机器 人 ”的概念。 1958年美国联合控制公司研制出第一台数控工业机器人原型。 1959 年美国 NIMATION 公司推出第一台工业机器人 ,美国是机器人的故乡。 60 年代随着传感技术和工业自动化的发展，这时是工业机器人的发展初期，机器人开始向适用化发展，并被用于电焊和喷涂作业。 70 年代随着计算机和人工智能的发展，机器人进入适用化时代。日本虽起步较晚，但结合国情，面向中小企业，采取了一系列鼓励使用机器人的措施。其机器人拥有量很快超过了美国，一举成为“机器人王国 ”。 80 年代工业机器人进入发展中期，汽车、电子等行业开始大 量使用工业机器人，推动了机器人产业的发展。工业机器人的应用满足了人们特性化的要求，产品的批量越来越大，品种越来越多，而且产品的一致性也大大提高 ， 为商家占有了更多的市场份额，获得了更多的市场利润。 90 年代初期，工业机器人的生产与需求达到了一个技术成熟期， 1990 年世界上新装备工业机器人 80943 台， 1991 年装备了 76443 台，到 1991 年底世界上已有 53万台工业机器人工作在各条战线上。 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 1.2.2 工业机器人的国内外形势 我国的工业机器人从 80 年代 “ 七五 ” 科技攻关开始起步，在国家的支持 下，通过 “ 七五 ” 、 “ 八五 ” 科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设 计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术 。 在教学机器人方面，我国各大高校分别研制了各种类型的教学机器人。主要有清华大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、上海交通大学等。哈尔滨工业大学研制的四轴直角坐标系教学机器人，如图 1.1所示。 图 1.1 哈尔滨工业大学研制的四轴直角坐标学教学机器人 上海交通大学研制的教学机器人如图 1.2 所示其属于典型的关 节式机器 人，包括底部回转、大臂俯仰、小臂俯仰三个位置自由度和小臂回转、手腕俯仰、手腕回转三个姿态自由度，展示了现代工业机器人的一般特征；它能够演示现代工业机器人的典型应用；在一定程度上满足机器人理论研究的需 要 。 国外工业机器人领域发展近几年有如下几个趋势： （ 1） 工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从 1991 年的 10.3 万美元降至 1997 年的 6.5 万美元。 （ 2） 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三 位一体化；关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有图 1.2 上海交通大学的六自由度教学机器人 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 模块化装配机器人产品问市。 （ 3） 工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 （ 4） 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有 成熟应用。 （ 5） 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 （ 6） 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的 “ 索杰纳 ” 机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。 （ 7） 机器人化机械开始兴起。从 1994 年美国开发出 “ 虚拟轴机床 ” 以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开 拓其实际应用的 领域 教学机器人作为机器人教学的基础，在机器人教育方面有重要的意义，因此各国都致力于教学机器人平台的开发与研制。例如德国研制了新型的教学机器人实验平台，如图1.3 所示。 其由一个五自由度的机械臂和一个视觉系统构成。机械臂有底部回转、大臂俯仰、小臂俯仰三个位置自由度和小臂回转、手腕回转两个姿态自由度，手腕上装有电机，以控制手爪的开合。通过摄像头采集的视觉信号作为机械臂的末端位置反馈到上位机中，在上位机中进行视觉伺服的算法，然后将各个关节的位置输出给机械手的伺服控制器， 从而进行末端位置的控制，这样构成了一个具有视觉反馈功能的、图 1.3 德国新型教学机器人实验平台 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 简单的教学机器人实验的平台。 1.3 基本内容和拟解决的问题 1.3.1 基本内容 1基本方案的选择和确定； 2设计电气控制原理图； 3硬件电路设计； 4. 控制程序的编写。 1.3.2 拟解决的问题 1拟解决实现机械手上电自动复位功能； 2拟解决机械手在三个平面内的自由移动和到达指定坐标； 3拟解决机械手可以按照预定位置，随意修改程序以到达目的要求； 4拟解决机械手识别物体进行抓取和放到指定位置； nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 第 2 章 三自由度机械手运动控制下位机 系统 总体方案设计 三自由度机械手运动控制下位机系统 单片机控制技术、传感器技术、位置控制技术、伺服系统等内容。 要进行 三自由度机械手运动控制下位机系统的设计，首先必须对控制对象进行调查，搞清楚控制对象的工作特点、工艺过程，明确控制要求以及各阶段的特点和各阶段的转换关系。 2.1 三自由度机械手运动控制下位机系统的设计原理 本次设计中，三自由度机械手运动控制下位机系统使用了单片机控制技术、传感器技术、位置控制技术、伺服系统等技术，可以实现对物体的识别、抓取、通过 多种控制方式使物体在三个自由度内自由移动。三自由度机械手运动控制下位机系统由底座、水平旋转装置、竖直旋转装置、水平移动装置、单片机控制装置、红外识别装置、电磁抓取装置等部分组成。 本系统采用台式结构，配有 80C52 单片机、传感器、直流电机、电源、机械手等。通过 传感器信号采集，单片机编程，实现对单片机各个 I/O 接口的开关控制、逻辑控制等功能，达到最终对电机的控制。 三自由度机械手运动控制下位机系统一般由输入装置（传感器）、控制装置（单片机）、输出装置（电机）等组成。控制器采用单片机控制，它接受 光电传感器、位置传感器等信号。根据要求分别控制电机，达到对机械手的控制。完成识别、抓取、移动等任务。 2.2 三自由度机械手运动控制下位机系统的设计方案 该系统由以下几个部分组成： （ 1） 电源供电部分：通过 MXS232 芯片将 USB 电源稳定在 5V 电压上，为单片机工作提供持续的电源。 （ 2） 晶振部分： 单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 在单片机晶振提 供的时钟频率上。 （ 3） 复位电路：是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。 （ 4） 电机驱动部分：通过单片机控制电机驱动芯片 L298，驱动直流电机实现正转、反转，及按照设计思路实现各个电机顺序工作。 （ 5） 串口下载部分：通过 USB 串口下载模块，实现对单片机程序的更改，将最新的运行程序下载到单片机内。 （ 6） 主控制电路：单片机单元，通过单片机将各个模块有序连接在一起，实现对 电机控制，达到设计要就。 2.3 三自由度机械手运动控制下位机系统的工作过程概述 本系统采用台式结构，配有 80C52 单片机、传感器、直流电机、电源、机械手等。可以通过三种方式控制机械手在三个自由度内进行运动。 系统上电后，进入程序选择状态，分为三种状态：手动、定点、定位。选定一种运行状态，是机械手能够识别是否能够识别物体，抓取物体并将其移动到指定的位置，系统框图如图 2.1 所示。 图 2.1 系统框图 2.4 系统的设计要求 系统的设计要求主要包括功能要求和控制要求，进行设计之前，首先应分析控制对象的要 求。 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 2.4.1 功能要求 三自由度机械手运动控制下位机系统能实现功能如下： 1）机械手的旋转 2）机械手的水平运动 3）机械手的竖直运动 2.4.2 控制要求 1）系统上电，确定运行状态（手动、定点、定位） 2）执行复位操作 3）检测是否有工件 4）机械手移动到工件处，抓取工件 5）机械手移动到指定位置 6）放下工件，循环执行。 2.5 本章小结 本章主要是 三自由度机械手运动控制下位机系统 的总体方案设计。在了解设计原理的基础上，根据 设计要求，确定设计方案，画出 三自由度机械手运动控制下位机系统 的结构与框图。 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 第 3章 元器件的选择 三自由度机械手运动控制下位机系统分为晶振模块、复位模块、电源供电模块、串口下载模块、电机驱动模块、单片机主电路模块。 3.1 晶振模块 晶振模块作为震荡电路，向单片机提供一个正弦波信号作为基准，决定单片机的执行 执行速度。实物图如图 3.1。 图 3.1 晶振实物 89C51 单片机时钟频率范围 ： 033MHz。 时钟电路连接方式如：图 3.2。 图 3.2 晶振电路 其中 X1 接单片机 18 引脚， X2 接单片机 19 引脚，晶振为 12MHz，两个 33P 电容起稳定作用。 注意： (1)时钟电路振荡频率 fosc=晶振频率 (2)时钟电路振荡周期 =1/fosc nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 (3)单片机机器周期 =振荡周期 *12 3.2 复位模块 复位电路产生复位信号，使单片机从固定的起始状态开始工作，完成单片机的“启机”过程。 89C51 单片机复位信号是高电平有效，通过 9 引脚输入。 复位电路连接方式有三种。 3.2.1 上电复位电路 单片机接通电源时产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机起 始工作状态，如图 3.3。 图 3.3 上电复位电路 3.2.2 手动复位电路 手动按键产生复位信号，完成单片机启动，确定单片机的初始状态。通常在单片机工作出现混乱或“死机”时，使用手动复位可实现单片机“重启”，如图 3.4。 图 3.4 手动复位电路 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 3.2.3 混合复位电路 将上电复位电路和手动复位电路结合到一起构成，通常使用的都是这种混合复位电路。如图 3.5 图 3.5混合复位电路 本设计采用混合复位电路，当单片机上电后，电容 E1 充电，当手动按下开关后电容放电，因为单片机工作速度远远大于手动按键 的速度，这时就会产生大于两个单片机机器周期的高电平，从而达到复位的作用。 3.3 电源供电模块 通过 USB 提供 5V 电源，其中包括一个总开关，两个电容，一个电阻和一个电源指示灯。其中电阻起到限流作用。电容起到去耦、滤波作用，因为 USB 为开关电源。通过这样的设计为单片机提供稳定的 5V 电源，如图 3.6 所示。 图 3.6电源供电电路 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 3.4 串口下载模块 MAX232 芯片是美信（ MAXIM）公司专 为 RS-232 标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用 +5v 单电源供电。 第一部分是电荷泵电路。由 1、 2、 3、 4、 5、 6 脚和 4 只电容构成。功能是产生 +12v 和 -12v 两个电源，提供给 RS-232 串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13、 14 脚构成两个数据通道。 其中 13 脚 （ R1IN） 、 12 脚 （ R1OUT） 、 11 脚（ T1IN）、 14 脚（ T1OUT）为第一数据通道。 8 脚（ R2IN）、 9 脚（ R2OUT）、 10 脚（ T2IN）、 7 脚（ T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS 数据从 T1IN、 T2IN 输入转换成 RS-232 数据从 T1OUT、 T2OUT送到电脑 DB9 插头； DB9 插头的 RS-232 数据从 R1IN、 R2IN 输入转换 TTL/CMOS数据后从 R1OUT、 R2OUT 输出。 第三部分是供电。 15 脚 GND、 16 脚 VCC（ +5v） 。 本设计采用 10uF 电解电容 104 为 RS-232 提供 12V 电源，标准九孔式 RS-232串口 。如图 3.7 串口下载电路。 图 3.7 串口下载电路 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 12 3.5 电机驱动模块 我们所使用的电机一般为直流电机，主要用到永磁直流电机、伺服电机及步进电机三种。直流电机的控制很简单，性能出众，直流电源也容易实现。所以本设计主要采用永磁直流电机，这种 直流电机的驱动及控制需要电机驱动芯片进行驱动，常用的电机驱动芯片有 L297/298， MC33886， ML4428 等。本设计选用 L298 驱动芯片。 L298N 是 SGS 公司的产品，内部包含 4 通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个 H 桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL 逻辑电平信号，可驱动 46V、 2A 以下的电机。其实物及引脚图如 3.8 所示，管脚图如图 3.9所示。 图 3.8 L298 实物图 图 3.9 管脚图 L298 芯片控制规则如下，当 ENA/ENB 口为高电平时， IN1=1、 IN2=1 或 IN1=0、IN2=0 电机停止转动 ； IN1=1、 IN2=0，电机顺时针旋转 ； IN1=0、 IN2=1，电机逆时针nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 旋转；当 ENA/ENB 口为低电平时， IN1、 IN2 被锁死，电机始终停止转动，如表 3.1所示。 表 3.1 L298 逻辑功能表 IN1 IN2 ENA 电机状态 1 0 1 顺时针旋转 0 1 1 逆时针旋转 1 1 1 停止 0 0 1 停止 X X 0 停止 L298 有两路电源分别为逻辑电源和动力电源，图 3.10 中 5V 为逻辑电源， 9V 为动力电源。 J4 接入逻辑电源， J9 接入动力电源， J5 与 J7 分别为单片机控制电机的输入端， J2 与 J3 分别与电极的正负极相连。 ENA 与 ENB 直接接入 5V 逻辑电源也就是说两个电机时刻都工作在使能状态，控制电机的运行状态只有通过 J5 和 J7 与 J10 和 J12 两个接口。 图 3.10 电机驱动模块连接图 3.6 单片机主电路模块 单片机主电路模块，主要包括单片机和 10K 排阻。其电路图如图 3.11。其中 : VCC:供电电压 GND：接地 P0 口： P0 口为一个 8 位漏极开路双向 I/O 口， 引 脚可吸收 8TTL 门电路，当 P1口的电路第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 P0 能够用于外部数据存储器，它被定义数据 /地址的第八位在 flash 编程时， P0 口作为原码输入口，当 flash 进行校验时，nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 14 P0 口输出原码，此时 P0 口外部必须拉高。 P1 口： P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流。 P1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， P1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故，在 flash 在编程和校验时，P1 口作为第 八位地址接收。 P2 口： P2 口为一个内不上拉的 8 双向 I/O 口， P2 缓冲器可接收，输出 4 个 TTL门电流，当 P2 口被写“ 1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时， P2 口管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上 拉 的缘故。 P2 口当用于外部程序存储或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， P2 口输出地址的高八位。在给出地址“ 1”时，它利用内部上拉优势，当外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2 口在 flash 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3 口： P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接受输出 4 个 TTL 门电流。 当 P3 口写入 “1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平， P3 口将输出电流（ ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口作为 STC89C52的一些特殊功能口， 管脚 备选功能 P3.0 RXD(串行输入口 ) P3.1 TXD(串行输出口 ) P3.2 /INT0(外部中断 0) P3.3 /INT1(外部中断 1) P3.4 T0(计时器 0 外部输入 ) P3.5 T1(计时器 1 外部输入 ) P3.6 /WR(外部数据存储器写通道 ) P3.7 /RD(外部数据存储器读通道 ) REST:复位输入。当振荡器复位器件时，要保持 REST 脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平哟公寓锁存地址的低位字节。在 flash 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， ALE 断以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为震荡频率的 1/6。因此他可以用作外部输出的脉冲或 用于定时目的。然而要注意的是：没到那个用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE 脉冲。如果想 禁 止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0.此时， ALE 只有执行nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 15 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用，另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /PSEN 有效，但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /PSEN 信号将不出现。 /EA/VPP；当 /EA 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时， /EA 将内部锁定为 RESET；当 /Ea保持高电平时，此间内部程序存储器。在 flash 编程区间，此引脚也用于施加 12V 变成电源（ VPP）。 XTAL1：反向震荡放大器的输入及内部始终工作电路输入。 XTAL2：来自反向振荡器 图 3.11 主电路电路图 3.7 本章小结 本章主要是 三自由度机械手运动控制下位机系统元器件的选择，根据系统设计方案，合理安排各个基本模块，配置各个模块的元器件，安排各个元器件的位置，最后将他们组装成三 自由度机械手运动控制下位机系统控制芯片。 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 16 第 4 章 控制系统硬件设计 单片机控制系统的硬件设计，主要是根据被控制对象对单片机控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备，选择合适的单片机类型，并分配 I/O 点。 4.1 确定 I/O 点数 三自由度机械手运动控制下位机系统根据要求输入有两个电源，一个复位， 2 个振，一个光电传感器信号等共有 24 个输入点。输出有 8 个电机驱动。共需要 I/O 点数 24 个。 4.2 单片机的选择 本系统的控制系统选用单片机控制，且三自由度机械手运动控制下位机系统的控制都是开 关量。所以单片机选用 80C52 它有两个电源接口，一个复位， 32 个 I/O 口，一个 EA 引脚，一个 ALE 引脚，一个 PSEN 引脚，一个 XTAL1，一个 XTAL2。满足本系统要求。 4.3 单片机 I/0 分配表 根据所选择的单片机型号，对本系统中单片机的输入输出端子进行分配，如表 4.1所示。 表 4.1 单片机 I/O分配表 输入点 信号 说明 P2.2 低电平信号 P22与机械手旋转复位位置相连 P2.7 低电平信号 P23与机械手上下位置（下方向）相连 P2.0 低电平信号 P24与机械手伸缩位置（缩方向）相连 P2.1 低电平信号 红外传感器信号 P0.0 低电平信号 旋转限位开关 P0.1 低电平信号 上升限位开关 P0.2 低电平信号 伸缩限位开关 P0.3 低电平信号 选择定位模式 P0.4 低电平信号 选择定点模式 P0.5 低电平信号 选择手动模式 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 17 P2.3 低电平信号 手动模式下方向开关（左旋） P2.4 低电平信号 手动模式下方向开关（右旋） P2.5 低电平信号 手动模式下方向开关（向上） P2.6 低电平信号 手动模式下方向开关（向下） P0.6 低电平信号 手动模式下方向开关（向前） P0.7 低电平信号 手动模式下方向开关（向后） P1.6 低电平信号 手动模式下三个自由度转换开关 输出点 信号 说明 P1.0 混合信号 P10与电机驱动 IN1相连 P1.1 混合信号 P11与电机驱动 IN2相连 P1.2 混合信号 P12与电机驱动 IN3相连 P1.3 混合信号 P13与电机驱动 IN4相连 P1.4 混合信号 P12与电机驱动 IN5相连 P1.5 混合信号 P12与电机驱动 IN6相连 P3.1 混合信号 P30与电机驱动 IN7相连 P3.2 混合信号 P31与电机驱动 IN8相连 4.5 本章小结 本章论述的是单片机控制系统的硬件设计，根据被控制对象对单片机控制系统的功能要求，确定系统所需的用户输入、输出设备，选择合适的单片机类型，并分配 I/O点。根据控制要求， 三自由度机械手运动控制下位机 系统共需 I/ O 点 24个，其中 17个输入， 8个输出。 三自由度机械手运动控制下位机系统 的控制为开关量控制。本系统选择 80C52单片机。 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 18 第 5章 控 制系统的软件设计 根据 操作方式及运动状态的不同 ，分析各个设备的操作内容和操作顺序，可画出程序流程图 。 5.1 流程图 通过 if、 else if、 goto 语句，实现程序循环扫描，程序选择功能。当单片机上电后，程序进入主程序，然后进入程序选择阶段，首先检测是否要执行限位操作程序，其次检测是否进行控制目的点坐标程序，最后检测是否进行手动操作程序，如果所有程序都没有选择，主程序将回到开始阶段，从新进行检测，直到选择某一种操作程序，如图 5.1。 （程序清单见附录） 当主程序检测到 dingwei=0 时 程序进入限位操作程序，首先执行复位操作，复位执行后机械手释放，程序停留在检测是否有物体阶段，当有物体时，程序继续执行，先 X 轴旋转，然后 Y 轴移动，最后 Z 轴升降。机械手抓取物体，如图 5.2。 （程序清操作程序选择 主程序 限位操作程序 控制目的点程序 手动操作程序 否 否 否 图 5.1 主程序流程图 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 19 单见附录） 当主程序检测到 dingdian=0 时，程序进入控制目的点程序，首先执行复位操作，程序停留在检测阶段，当检测到有物体时，程序继续执行。其次机械手移动到物体所在，机械手抓取物体。最后机械手移动到目的 位置并且机械手释放，如图 5.3。 （程序清单见附录） 当主程序检测到 shoudong=0 时，程序进入手动操作阶段，首先 Z 轴升降，当移动到指定位置后手动按下确定后，执行 Y 轴移动，移动到指定位置后手动按下确定后， 执行 X 轴旋转，移动到指定位置后手动按下确定后，机械手抓取物体。然后程序限位操作程序 X、 Y、 Z复位操作程序 机械手释放 检测是否有物体 X轴 旋转 Y 轴 移动 Z 轴 升降 机械手抓取物体 是 否 图 5.2 限位程序流程图 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 20 继续执行，将物体按照以上操作移动到指定位置后机械手释放，如图 5.4（ 程序清单见附录 ） 5.2 程序 if(dingwei=0) 注：如果 dingwei=0 将进入 dingwei 程序，程序循环执行 dingwei程序。 主程序选择程序： else if(dingdian=0) 注：如果 dingdian=0 将进入 dingdian 程序并一直保持在 dingdian程序内，知道复位或断电。 控制目的点程序 X、 Y、 Z 复位操作程序 检测是否有物体 是 否 移动到物体所在位置 X、 Y、 Z 三个方向分别检测物体目的位置与所 在位置的相对位置，并移动到目的位置 机械手抓取物体 机械手释放 图 5.3 控制目的点程序流程图 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 21 else if(shoudong=0) 注：如果 shoudong=0 将进入 shoudong 控制程 序。 else goto loop; 注：如果上面三个都不等于零，程序将回到第一个 if 语句，循环检测是否有等于零的语句，直到有等于零的进入该程序进行执行。 是 否 手动操作程序 通过 +Z、 Z 键控制 Z 轴移动距离 通过 +Y、 Y 键控制 Y 轴移动距离 通过 +X、 X 键控制 X 轴移动距离 机械手抓取物体 通过 +X、 X 键控制 X 轴移动距离 通过 +Y、 Y 键控制 Y 轴移动距离 通过 +Z、 Z 键控制 Z 轴移动距离 机械手释放物体 图 5.4 手动操作程序流程图 流程图 检测是否有物体 nts黑龙江工程学院本科生毕业设计 22 Z 轴电机旋转程序 void Tshang_s() 注：通过给 IN3、 IN4 高低电平，控制 L298 芯片驱动电 机选择。 IN3=1; IN4=0; Tshang_s(); 注：给上方向电机选择指令。 shang=1; 注 : 将上方向限位开关置为 1。 while(shang=
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