针对机械手臂智能控制器的研究

-摘要随着现代工业和制造业的迅速发展，机械手臂的应用已经在工业生产中起着巨大的作用，同时机械手臂智能控制器是机械手重要的组成部分，因此科学家对机械手臂智能控制器的研究越来越重要。本次毕业设计的要求是对机械手臂智能控制器的研究，它的目的是为了实现手臂旋转角度控制，握力控制，和手心物体探测功能。本设计所需的硬件材料主要有单片机STC89c52rc,显示压力的液晶屏，测试角度的舵机SG90，反射式光电开关TCR5000。软件主要是用来画原理图的protel和进行仿真的protues。先确定功能，用PROTEL软件画出原理图，根据原理图用PROTEUS画出电路仿真图，完成电路仿真图确定硬件为STC89C52，试角度的舵机SG90，反射式光电开关TCR5000，然后通过KEILC软件进行C语言编程，完成手臂旋转角度，握力控制，手心物体探测功能的实现，生成.hex文件烧录进仿真软件STC89C52中进行仿真，仿真通过进行硬件的焊接，焊接完成烧录芯片进行硬件调试不断修改完成设计。论文在最后还探讨了对系统进行进一步开发的展望。关键词：机械手臂智能控制器，STC89C52RC，SG90舵机，反射式光电开关TCR5000-i-AbstractWiththerapiddevelopmentofmodernindustrialandmanufacturing,theapplicationofthemechanicalarmhasplayanimportantroleintheindustrialproduction,atthesametime,themechanicalarmintelligentcontrolleristheimportantcomponentofthemanipulator,soscientistsstudyofmechanicalarmintelligentcontrollerismoreandmoreimportant.Thepurposeofthisgraduationdesignisthestudyofmechanicalarmintelligentcontroller,itspurposeisinordertoachievethecontrolarmrotatingAngle,gripstrengthcontrol,andthedetectionfunction.ThedesignofhardwarerequiredmaterialsmainlyincludetheSCMSTC89c52rc,LCDscreendisplaypressure,testtheAngleofsteeringgearSG90TCR5000photoelectricsensors.Theprinciplediagramofthesoftwareismainlyusedtodrawprotelandprotuessimulation.Todeterminethefunctionfirst,drawaschematicdiagramwithPROTELsoftware,accordingtodrawthecircuitprinciplediagramwithPROTEUSsimulationdiagram,completethesimulationdiagramtodeterminethehardwarecircuitfortheSTC89C52,AngleofsteeringgearSG90,TCR5000photoelectricsensor,andthenthroughtheKEILCsoftwarewithClanguageprogramming,completearmrotationAngle,gripstrengthcontrol,therealizationofthefunctionofpalmobjectdetection,generated.HexfileSTC89C52burnintosimulationsoftwaresimulation,simulationthroughhardwarewelding,weldingcompleteburningchiphardwaredebuggingconstantlymodifieddesign.Papersattheendofthesystemarediscussedinthisarticleforfurtherdevelopmentinthefuture.Keywords:mechanicalarmintelligentcontroller,STC89C52RC,SG90steeringgear,TCR5000photoelectricsensors.-ii-目录摘要.1Abstract.2前言.3第一章绪论.41.1课题背景.41.2本课题研究意义.41.3机械手臂智能控制器的研究范围.41.4机械手臂控制器的发展趋势.4第二章系统总体设计.62.1系统基本要求.62.2硬件系统设计方案.62.3软件系统设计方案.7第三章系统硬件设计.83.1单片机最小系统.83.2舵机SG90.93.3反射式光电开关TCR5000.103.4液晶显示器.103.5单片机称重AD模块-HX711.113.65kg压力传感器.123.7电压比较器LM311P.12第四章系统软件设计.134.1设计电路方案的比较.134.2软件电路设计.134.3程序的设计思想.144.3.1手心物体探测功能.144.3.2手臂旋转角度的控制.144.3.3手臂握力控制.144.4原理图软件设计.14-iii-第五章系统调试与误差分析.155.1软件调试.155.2硬件调试.155.3实验结果.155.4误差分析.18第六章总结与展望.196.1课题总结.196.2进一步开发的展望.19参考文献.20致谢.21附录.22-iv-前言课题研究机械手臂智能控制器，此项目在国内外都有重大意义，对工业生产有重大作用，将控制器用在机械手臂上可以实现一些一线工人不能完成的任务，比如定向，定位的搬运大型物品等。在此本文所要实现的功能是手臂旋转角度控制，握力控制，手心物体探测功能。在旋转角度方面我采用了步进电机进行控制，所以对步进电机也要进行一定的选择,在此我选择了TOWERPRO（辉盛）SG909G舵机。手心物体探测功能方面即探测有没有物体，通过传感器来检测有没有接触到物体，在此我选择了反射式光电开关TCR5000。在握力方面上出现了问题，一时没能想出方法，最后认为握力其实就是压力，可以用压力传感器，通过压力传感器来模拟握力控制。然后通过液晶屏来显示压力大小，以及手抓处于抓紧或松开的状态。最后将所有元件制作在一个电路板上实现以上三种功能。在软件方面，利用PROTEL画出电路原理图，利用KEIL软件进行软件烧录。全文共分为6章。第一章绪论，第二章系统总体设计，第三章系统硬件设计，第四章系统软件设计，第五章系统调试与分析，第六章总体与展望。-第一章绪论1.1课题背景随着工业生产的不断发展，机械手臂智能控制器的作用越来越巨大，它可以实现很多功能帮助机器人完成工业上的人类无法完成的任务。机械手智能控制器的研究与开发伴随着机械手的发展也越来越受到人们的重视。同时，随着工业上机械手臂的作用越来越广泛，地位越来越高。机械手臂旋转角度控制，握力控制，手心探测功能成为了越来越重视的问题。如何能接近完美的实现手臂角度控制，握力控制和手心物体探测功能功能将是个值得探讨的任务。机械手臂智能控制器的研究是一个非常重要的话题。在此本设计要求做一个小型机械手臂智能控制器模型，我认为它可以利用基于单片机原理，利用步进电机，压力传感器，光电传感器实现智能控制器的研究，大大实现机械手臂的各项功能，提高手臂的效率与质量。1.2本课题研究意义本课题研究目的是通过对机械手臂智能控制器的研究实现手臂旋转角度控制，握力控制，手心物体探测功能。通过本课题更加充分了解和掌握STC89C52单片机，步进电机，反射式光电开关TCR5000，单片机称重AD模块-HX711，压力传感器等相关的知识，学会用PROTEL画电路原理图，用KEIL编译器对C语言进行编辑，用PROTUES软件进行仿真。对工业生产机械手臂在智能控制器上的研究作用巨大，同时对自身的学习，以及知识掌握上也起到巨大的作用。1.3机械手臂智能控制器的研究范围本设计机械手臂智能控制器是基于STC89C52单片机的，通过单片机称重AD模块-HX711来测试压力，通过液晶显示器读取压力，通过电机实现旋转功能。通过反射式光电开关TCR5000实现手心物体探测功能。在此设计是小型控制器设计，通过一些简单的硬件进行模拟手臂所具有的功能。在软件上则利用了PROTEL，KEIL等软件。1.4机械手臂智能控制器的发展趋势-机械手臂智能控制器正朝着更简便快速准确的方向进行全方位的发展，包括手臂旋转角度控制，握力控制。通过各元件不断改进，使得控制器效率更高，效果更加突出。设计方法更加美观，准确。在手臂旋转角度方面，目的是使角度更准确。在握力控制方面，目的是使手臂更精确的测出握力的大小。在手心物体探测方面，目的是让手臂能迅速的实现辨别物体的功能。机械手控制系统有继电器控制、单片机控制、PLC控制等几种，在此选择单片机控制。-第二章系统总体设计机械手臂智能控制器的研究是基于STC89C52单片机，还拥有反射式光电开关TCR5000，液晶显示器LCD1602，步进电机，压力传感器单片机称重AD模块-HX711等元件。软件是利用C语言写的。其中光电传感器用于探测是否有物体的存在。步进电机用来实现机械手臂旋转角度的控制。压力传感器，单片机称重AD模块-HX711用来实现握力控制，液晶显示器LCD1602显示握力大小，光电传感器用于探测物体。将所有硬件制作在一个电路板上，实现手臂旋转角度控制，握力控制，手心物体探测功能。将系统程序通过KEIL软件烧录单片机中实现所需要的功能。2.1系统基本要求本设计研究机械手臂智能控制器的目的是为了实现手臂旋转角度控制，握力控制，手心物体探测功能。其中系统包括硬件系统设计，软件系统设计。选择硬件要满足手臂旋转角度控制，握力控制，手心物体探测功能三个目的。在手臂角度方面选择航模舵机TOWERPROSG90。在握力方面我选择了压力传感器及称重AD模块-HX711。在手心物体探测方面，通过传感器检测物体。通过开发平台Keil软件，运用C语言编辑程序。利用PROTEL软件进行原理图的制作。2.2硬件系统设计方案本设计机械手臂控制器的作用是为了实现手臂旋转角度控制，握力控制，手心物体探测功能。因为本设计是用单片机实现的，需要将所有硬件集中在一个板子上，所以在实现手臂旋转角度方面上通过焊接一个航模舵机TOWERPROSG90来实现此功能，在外观上小巧精致，角度准确！在握力控制上我选择了利用压力传感器以及称重AD模块-HX711，及双孔悬臂平行梁应变式称重传感器。它的特点是:精度高、易加工、结构简单紧凑、抗偏载能力强、固有频率高。通过液晶屏显示压力大小。在手心物体探测功能方面，选择反射式光电开关TCR5000来探测物体。它的作用本设计中选用单片机是STC89C52。系统电源为整个系统提供电源。如下图为硬件电路的设计。-2.3软件系统设计方案系统硬件电路的功能实现需要依赖软件，在此设计软件要求有较强的抗干扰能力，易理解性，易维护性，实时性和准确性。在单片机编程语言中有四种可以实现其功能，分别是汇编语言，C语言，PL/M51语言，BASI语言。在此运用C语言。主要特点是运行速度快，效率高，可靠性好等。机械手臂智能控制器系统软件主要有主程序模块，反射式光电开关模块，5KG压力传感器模块，液晶显示模块。STC89C52单片机AD模块-HX711光电开关舵机电源电路显示电路压力传感器-第三章系统硬件设计3.1单片机的选择根据设计需要的功能选择单片机型号，再次选择STC89C52，因为它是52内核，是我们苏大学校学习的最基础的单片机，这个单片机使用起来比较简单，方便下载程序。STC89C52RC是由宏晶公司推出的一种小型单片机，是电子工程师常用器件。其主要特点为采用Flash存贮器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS-51完全兼容，且采用高密度非易失存储器制造技术制造，将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，可以很快被中国广大用户接受。其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。STC89C52RC有很宽的工作电源电压，可为2.76V,当工作在3V时，电流相当于6V工作时的1/4。STC89C52RC工作于12Hz时，动态电流为5.5mA，空闲态为1mA,掉电状态仅为20nA。这样小的功耗很适合于电池供电的小型控制系统。STC89C52RC具有以下几个特点：STC89C52RC与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；片内有4k字节在线可重复编程快擦写程序存储器；全静态工作,工作范围:0Hz24MHz；三级程序存储器加密；1288位内部RAM；32位双向输入输出线；两个十六位定时器/计数器；五个中断源,两级中断优先级；一个全双工的异步串行口；间歇和掉电两种工作方式；超强抗干扰:高抗静电(ESD保护),轻松过2KV/4KV快速脉冲干扰；宽温度范围,-4085；禁止ALE输出；超低功耗:1、掉电模式:典型功耗unsignedcharmainflag,SetTempFlag,KeyFlag,PwmCount;unsignedintAdc_Data,Grop_Count;floatAD_ClearData,AD_Data;sbitCHECK=P17;sbitKEY=P37;/*/获取毛皮重量/*voidGet_ClearData()floatadc_Buff;adc_Buff=HX711_Read();AD_ClearData=adc_Buff/100;/*/称重/*voidGet_Weight()floatadc_dbuff;adc_dbuff=HX711_Read();adc_dbuff=adc_dbuff/100;if(adc_dbuffAD_ClearData)AD_Data=adc_dbuff;AD_Data=adc_dbuff-AD_ClearData;/获取实物的AD采样数值。AD_Data=AD_Data/4.22+0.05;/计算实物的实际重量/因为不同的-传感器特性曲线不一样，因此，每一个传感器需要矫正这里的4.30这个除数。/当发现测试出来的重量偏大时，增加该数值。/如果测试出来的重量偏小时，减小改数值。/该数值一般在4.0-5.0之间。因传感器不同而定。/+0.05是为了四舍五入百分位voidmain()/主函数StartTime0();/定时器0初始化LCD_Initial();/LCD1602初始化Init_Tim2();SetTempFlag=0;Get_ClearData();PwmCount=1;Grop_Count=0;while(1)if(mainflag&0x01)=0x01)/执行按键扫描判断50ms执行一次按键扫描if(CHECK=0)&(KEY=1)KeyFlag=0;elseif(CHECK=1)-if(KeyFlag=0)PwmCount=3;Grop_Count=0;Show(0,1,Grip);KeyFlag=1;if(KEY=0)if(KeyFlag=0)PwmCount=2;Grop_Count=0;Show(0,1,Pine);KeyFlag=1;mainflagif(mainflag&0x02)=0x02)/AD模数转换判断100ms执行一次Get_Weight();Temp_to_str(0,0,AD_Data);if(AD_Data1000.0)Grop_Count=9;mainflagif(mainflag&0x04)=0x04)/AD模数转换判断100ms执行一次-if(Grop_Count0)-LCD1602_write_data(*s);s+;voidInit_LCD1602()LCD1602_EN=0;LCD1602_RW=0;/设置为写状态LCD1602_write_com(0x38);/显示模式设定LCD1602_write_com(0x0c);/开关显示、光标有无设置、光标闪烁设置LCD1602_write_com(0x06);/写一个字符后指针加一LCD1602_write_com(0x01);/清屏指令单片机称重AD模块-HX711#include/IO设置sbitHX711_D