基于C8051F020單片機機械手控制系統(tǒng)設計摘要：本文主要論述了基于C8051F020單片機機械手控制系統(tǒng)的設計，介紹了機械手設計的背景和意義，國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及目前市場上對該產(chǎn)品的需求。首先闡述了機械手的結(jié)構(gòu)特點，工作原理和并結(jié)合人類手臂能夠?qū)崿F(xiàn)的實際功能設計出機械手的功能特性。其次介紹了控制系統(tǒng)的硬件設計，選擇C8051F020作為系統(tǒng)設計的核心，介紹了單片機的特點，最小系統(tǒng)和主要的電路模塊。并闡述所用的模擬軟件(proteus)以及開發(fā)環(huán)境（keil）并畫出程序流程圖。最后使用proteus對電路圖進行設計，使用keil和proteus聯(lián)調(diào)實現(xiàn)控制系統(tǒng)的功能。設計完成，能夠通過單片機驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)單片機機械手控制系統(tǒng)的設計。關鍵詞：C8051F020，機械手，proteus，電機BasedtheC8051F020SCMmanipulatorcontrolsystemdesignAbstract：ThisthesismainlydiscussesthedesignofcontrolsystemoftheSCMmanipulatorbasedonC8051F020,introducethebackgroundandsignificanceofrobot，presentresearchsituationofthedesignathomeandabroadandthedemandofthemarkettothismanipulator.Firstofallthethesisintroducestructurecharacteristicsofmanipulator,workingprincipleandfunctionalcharacteristics.Secondlythisthesisintroducedthehardwaredesignofcontrolsystem，chooseC8051F020SCMascoreofcontroller.IntroducethecharacteristicsofSCM，minimumsystemandmaincircuitmodule。Andintroducethesimulationsoftware（proteus）,developmentenvironment（keil）anddrawprogramflowchart.Useproteusdesigncircuitdiagram，useproteusintegratewithkeiltoachievethefunctionofthecontrolsystem.Afterdesigniscompleted,candriversteppermotorrotationthroughMCU,forwardandreverse,achievethedesignofcontrolsystemofMCUrobot.Keyword:C8051F020,manipulator,proteus,motor.目錄TOC\o"1-3"\h\z\u132371緒論 1192251.1課題研究的背景及意義 緒論仿人形假肢是機械手研究的一個重要方向，目前，一方面在太空，水下，核輻射等環(huán)境下的實驗，維護，排險等復雜任務[1];更重要的一方面是對于殘疾人而言，假肢形機械手不僅是追求裝飾方面的美化，而且更加追求的是功能上的完善，能夠盡善盡美的代替人體肢體的功能?，F(xiàn)今的的機械手設計一種是基于分析模型和性能指標進行設計，另一種是模仿人手進行設計。1.1課題研究的背景及意義機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展的一種新型裝置。它是機械人的一個重要分支。它的特點是可以通過編程完成各種預期的作業(yè)任務，在構(gòu)造和性能上各有人和機器的各自優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。（王希敏，1992）。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛應用與自動化生產(chǎn)線中，用于機床加工，鑄鍛，熱處理等方面。但在數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)越來越先進的要求，這促進了工業(yè)應用類機械手在國內(nèi)工業(yè)方面迅速的研究和發(fā)展。在日常生活中機械手主要是作為人體假肢存在，代替人們失去的手臂執(zhí)行一些簡單的抓取動作以及起到一定的美化作用?，F(xiàn)如今機械手的研究的一個重要方向是仿人形假肢，仿人形假肢是供截肢者使用以代償缺損肢體部分功能的人造肢體，有上肢假或下肢假肢，既是手臂和腿部。目前，假肢類型機械手的研究重點是對于仿生手的控制源的選擇。目前用于假肢控制的仿生控制信號主要有人體自身的肌電信號、腦電信號、神經(jīng)電信號和聲音等。現(xiàn)如今，市場上和醫(yī)療上的假肢形機械手產(chǎn)品多事為了美容，而實用的假肢中又很少能夠按照人的意志去控制，多是比較簡單的、容易提取的生物信號作為其控制源，采用聲音信號作為控制源的假肢在實現(xiàn)控制的過程中容易受到外界環(huán)境的影響，實用性很低。采用腦電波或者神經(jīng)電波信號作為控制信號的假肢形機械手，這類控制方式比較高級，且靈活性和準確性也大大提高，但這類控制方式尚處于研究之中。假肢形機械手的研究因其需求的不斷提高正向著高科技智能性不斷前進?，F(xiàn)今社會，導致截肢的原因有很多，嚴重外傷，嚴重感染，先天畸形和發(fā)育異常等都會導致截肢，而自然災害或是車禍事故等更是導致截肢的一個更普遍的原因。每年的高速公路上交通事故頻發(fā)，在中國有755萬肢殘殘疾人，需要安裝假肢的約45萬，而其中上肢殘肢者約占了1/3之多，而在全世界有數(shù)百萬上肢肢殘人員需要安裝假肢。在災害或事故中不幸遇難失去肢體致殘的人在日常生活和各方面都會有許多不便和為難之處。對家庭和個人都是很嚴重的依賴和負擔。假肢形機械手對人體上肢的代替，可以幫助殘疾人士做一些生活中簡單的事宜減輕生活中的負擔，也正是如此，假肢形機械手的智能化研究才不斷的前進，功能更加齊全，外形更加靈便好看。目前，市場上已有的假肢形機械手如圖1.1所示。多數(shù)此類產(chǎn)品是采用肌電信號作為控制信號源去控制假肢的動作。但肌電控制的假肢都是采用串行作業(yè)控制方式，這種控制方式在假肢的移動中需要一個關節(jié)的動作完成后另一個關節(jié)才能動作，這種操作方式連貫性很差，使用時很不自然且相當吃力，不符合人們的生理習慣，串行作業(yè)花費的時間較長也比較難以控制。因此圍繞并行運動的方式設計出的假肢操作系統(tǒng)更加符合人們對假肢的需求，本文旨在研究以單片機作為控制系統(tǒng)的假肢形機械手。圖1.1假肢型機械手1.2假肢型機械手的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)從上世紀八十年代初開始也在假肢研究方面取得了很好的成績，清華大學精密儀器與機械學系的金德文，張培玉，張濟川，王人成等學者、教授在這方面做了很多開創(chuàng)性的工作。后來的眾多學者和專家對假肢形機械手也做出了巨大的貢獻。促進工業(yè)發(fā)展是發(fā)展國民經(jīng)濟的重點，所以，在國內(nèi)主要是逐步擴大應用范圍，熱處理方面的機械手、重點發(fā)展鑄造，改善作業(yè)條件以減輕勞動強度，在應用專用機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制計算機控制機械手和組合機械手、示教式機械手等。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。此外還應大力研究記憶再現(xiàn)型，伺服型，以及有視覺，觸覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。在方便日常生活方面，促進殘疾人醫(yī)療事業(yè)的發(fā)展一直是黨和政府非常關心的問題，目前，國家不斷加大對假肢技術的支持，假肢技術的研究也因此不斷深入和完善。機械手的結(jié)構(gòu)上不斷的改善，功能上更加接近人的生理功能以及人體對假肢的生理排斥更小。哈爾濱工業(yè)大學劉宏教授等人成功研制出基于欠驅(qū)動原理的多自由度殘疾人假手樣機由五個手指組成，整個假手由三個電機驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)抓、捏、握等簡單的動作。在肌電的控制方面，才用了六個表面肌電電極可以實現(xiàn)人手19種運動模式的識別，如圖1.2所示，可以實現(xiàn)一些簡單的動作，彌補了日常生活中的不足。此領域相關項目的研究一直受到國家民政部和中國殘疾人協(xié)會的高度重視[2]。國家對假肢研究的支持和國內(nèi)眾多高校和科研單位的不斷努力也加快了這一技術的發(fā)展，使得假肢形機械手不斷發(fā)展，前景開闊。國外機械手在機械制造行業(yè)中應用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機械數(shù)的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。但就目前而言，與歐美、日本等發(fā)達國家相比存在相當大的差距，我國假肢生產(chǎn)行業(yè)相關產(chǎn)業(yè)同歐美和日本相比大體上約落后20年。九十年代初，歐美和日本已開始將電子技術、計算機控制技術、生物醫(yī)學工程技術融合在一起，用于假肢的研究與開發(fā)當中。國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研究機械手智能化技術，使機械手具有一定的傳感能力，能夠反饋外界條件的變化，做出相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測。智能化技術主要有兩個方面：1，運動協(xié)調(diào)性，是指使假肢運動能夠像人體一樣，可以根據(jù)外界環(huán)境的變化隨時調(diào)節(jié)運動軌跡，使得運動姿態(tài)協(xié)調(diào)美觀，耗能最少。2，智能傳感，是指假肢具有感知外界作用力的大小、溫度與濕度等能力，并作出相應的反應。目前下假肢的智能化主要以運動協(xié)調(diào)性和跟隨性為主，上假肢則主要以智能傳感技術為主。應用新型智能材料研究新型高效假肢驅(qū)動器和智能傳感器[3]。目前假肢的智能化已取得很好的成績。圖1.2五指仿人型殘疾假手樣機1.3課題研究的內(nèi)容及完成的工作本論文主要以基于c8051f020單片機機械手控制系統(tǒng)為主要研究目的，研究機械手假肢的控制方式和控制系統(tǒng)，并以proteus和keil的軟件環(huán)境為背景，模擬機械手的功能并仿真。2多自由度假肢結(jié)構(gòu)及功能特性2.1假肢結(jié)構(gòu)和工作原理假肢是人體缺損肢體的替代物,用以彌補缺損肢體的形狀和功能。故根據(jù)仿人型的特性，經(jīng)過研究與設計制作，設計出一種6自由度仿人型假肢，即肩離斷多自由度假肢型假肢（上肢）的結(jié)構(gòu)模型如圖2.1所示，六自由度的機械手每個自由度處均安裝一個電位器，六個電位器分別反映出連接在一起的兩個部件的相對轉(zhuǎn)動角度或者位移，這六個參數(shù)和機械手三維模型結(jié)合在一起可構(gòu)建機械手的詳細姿態(tài)示意圖，方便對機械手的各個關節(jié)的運動進行控制[4].其肩部轉(zhuǎn)動關節(jié)是由直流電機經(jīng)減速器減速后，驅(qū)動整個大臂90度前后旋轉(zhuǎn)；大臂的內(nèi)外擺動運動采用直線電機驅(qū)動，其中直線電機固定，其旋轉(zhuǎn)螺母在螺桿轉(zhuǎn)動的帶動下實現(xiàn)手臂外向90度的抬落運動；肘部關節(jié)擺動采用類似上臂向外擺動的結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)小臂內(nèi)向向外135度的屈伸運動；小臂轉(zhuǎn)動關節(jié)采用直流電動機經(jīng)減速器減速后進行驅(qū)動，可實現(xiàn)小臂向內(nèi)向外90度的旋轉(zhuǎn)運動；手腕俯仰運動關節(jié)采用直流電機驅(qū)動，經(jīng)減速器減速及一級傘齒輪變后實現(xiàn)手腕向上向下各50度的俯仰運動；手掌的開合采用直線電機驅(qū)動，通過連桿機構(gòu)實現(xiàn)手掌的開合運動[5]。以上各個關節(jié)同時運動，便可完成相應的軌跡運動。機械手的上、下、左、右、前行、后行6個方向移動，分別由六個電機的轉(zhuǎn)動來帶動，在硬件設計中，六個電機的轉(zhuǎn)動反應了機械手的各種動作。在實物設計中為了減小肩部前后擺動和外向擺動的驅(qū)動力矩和肘部關節(jié)伸屈過程中所需的力矩，可對大臂肩部的重力距和肘部關節(jié)的重力距采用氣動平衡結(jié)構(gòu)，從而可以減小相應驅(qū)動元器件的功率要求，使得設計更加輕便，成本較少。本設計采用的系統(tǒng)是基于反饋原理建立的自動控制系統(tǒng)。所謂反饋原理，就是根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息來進行控制，即通過比較系統(tǒng)行為輸出與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預期的系統(tǒng)性能。在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號反饋通路，兩者組成一個閉合的回路。因此，反饋控制系統(tǒng)又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制是自動控制的主要形式。自動控制系統(tǒng)多數(shù)是反饋控制系統(tǒng)。本設計使用的既是有反饋功能的閉環(huán)控制系統(tǒng)。CPU根據(jù)按鍵信息驅(qū)動相應的電機運轉(zhuǎn)，電機連接的編碼器記錄下驅(qū)動電機的PWM信號脈沖數(shù)，然后通過檢測電路將PWM脈沖數(shù)反饋給CPU，CPU可以根據(jù)得到的脈沖信息，再次驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動與否或轉(zhuǎn)動的時間。設計要求是:有自動工作方式和手動工作方式，當位于手動工作方式時，用按動按鈕去控制機械手的動作，可以完成機械手所有動作和操作機械手進行所有自由度的活動，并可將不在原來位置的機械手操作至原位，因此在設計中要首先要規(guī)定一個機械手的原點指示。手動操作:就是用按鈕操作，對機械手的每一種運動單獨進行控制。例如:當選擇上/下運動時，按下啟動按鈕，機械上升；按下下降按鈕，機械手下降。當選擇左/右旋轉(zhuǎn)運動時，按下啟動按鈕，機械手左移；按下右移按鈕，機械手右移。當選擇前行/后退運動時，按下啟動按鈕，機械手前行；按下停止按鈕，機械手后退。2.2假肢的功能特性假肢是供截肢者使用以代償缺損肢體部分功能的人造肢體，假肢研究的重點是生理信號的提取和對仿生假手的控制。目前用于假肢控制的仿生控制信號主要有人體自身的肌電信號、腦電信號、神經(jīng)電信號和聲音等，其中表面肌電信號由于滯后時間短和抗干擾能力強，仍然是假肢的主要仿生控制[6]。這種六自由度的假肢能夠通過多自由度的并行或串行運動完成對物體的抓取，運動連貫，反應時間短，同時使用者可以和激光傳感器及三位姿態(tài)配合使用，可以實現(xiàn)對隨機物體的定位，這對于假肢的智能性又是一個很大的進步。機械手假肢給殘疾者提供了一種代償工具，一定程度上滿足了肢體殘疾者的心理和生活的需要，且輕便易、易操作、便于攜帶。2.3本章小結(jié)本章主要介紹了多自由度假肢的結(jié)構(gòu)，工作原理及其功能特性。在實際的設計中，設計者不僅要考慮諸如幾何尺寸、速度以及承載能力等因素，而且還要考慮到關節(jié)的數(shù)量和它們的幾何分布。這些因素影響了機械手工作空間的大小和性質(zhì)、機械手結(jié)構(gòu)的剛度以及其他的性質(zhì)[7]。理解機械手的工作原理和特性對于我們實現(xiàn)機械手的設計是十分關鍵的。1.大臂轉(zhuǎn)動關節(jié)2.大臂內(nèi)擺關節(jié)3.小臂伸屈關節(jié)4.小臂旋轉(zhuǎn)關節(jié)5.手腕俯仰關節(jié)6.手掌開合關節(jié)圖2.1假肢的結(jié)構(gòu)模型3多自由度機械手控制系統(tǒng)硬件實現(xiàn)機械手控制系統(tǒng)的實現(xiàn)過程中，硬件系統(tǒng)的實現(xiàn)是整個設計的最基礎也是最重要的部分。硬件設計的主要任務是很據(jù)總體的設計要求，以及在所選機型的基礎上，確定系統(tǒng)擴展所要用的存儲器，I/O電路，A/D及有關外圍電路等，然后設計出系統(tǒng)的電路原理圖[8]。在設計過程中，可供選擇的驅(qū)動設備很多，但是為了盡可能的高機械手運動的準確性、穩(wěn)定性以及反應靈敏程度，慎重的選擇合適的設計原件是十分重要的。本章主要是根據(jù)具體情況及設計要求選擇合適的硬件控制系統(tǒng)CPU和驅(qū)動元件并畫出硬件電路原理圖。3.1系統(tǒng)整體設計假肢控制系統(tǒng)硬件電路主要包括控制部分、驅(qū)動分、被控對象部分和檢測反饋部分四個部分組成?？刂撇糠种饕且訡8051F020為核心控制系統(tǒng)件完成[9]。在實際的設計中選擇的事51系列的單片機，驅(qū)動部分是由八個驅(qū)動電機組成，檢測反饋部分是通過編碼器檢測電機編碼器的信號作為反饋信號，主要是由檢測電路和串口接口組成，被控部分是機械手?？刂品绞竭x擇按鍵方式，本設計中采用12個按鍵組成的小鍵盤，六只發(fā)光二管（用于模擬系統(tǒng)所處的狀態(tài)，是轉(zhuǎn)動狀態(tài)還是無動作狀態(tài)），主要由12個按鍵完成6個關節(jié)的雙向正反單獨運動，按鍵控制對應的關節(jié)運動情況如表3.1所示。使用74LS245芯片作為反向器，以代替上拉電阻，通過PortA和PortC兩個接口來連接驅(qū)動器，步進電機和電位器。機械手的運動包括轉(zhuǎn)動和伸縮，轉(zhuǎn)動和伸縮都可以歸為轉(zhuǎn)動。在用proteus進行模擬和仿真時可以用電機的轉(zhuǎn)動與否或發(fā)光二極管的發(fā)光與否來代表機械手的轉(zhuǎn)動情況。兩個按鍵對假肢運動軌跡進行示教和保存；兩個按鍵完成對兩個指定位置目標物體的自動抓取和釋放；一個按鍵完成控制方式的選擇：按鍵控制和語音控制；一個按鍵完成隨機目標物體定位等組成[10]。系統(tǒng)控制原理如圖3.2所示。按鍵對應關節(jié)的運動按鍵對應關節(jié)的運動S1手指張開S7小臂外擺S2手指閉合S8小臂內(nèi)合S3手腕上仰S9大臂外擺S4手腕下俯S10大臂內(nèi)合S5小臂外轉(zhuǎn)S11大臂前擺S6小臂內(nèi)轉(zhuǎn)S12大臂下落圖3.1各個按鍵對應控制關節(jié)的運動圖3.2假肢控制系統(tǒng)原理框圖圖4.2假肢控制系統(tǒng)原理框圖圖3.2假肢控制系統(tǒng)原理框圖圖4.2假肢控制系統(tǒng)原理框圖Fig4.2Thecontrollerprinciplediagramofartificiallimbs驅(qū)動部分六個驅(qū)動器被控對象相應的六個電機檢測反饋部分CPLD完成目標位置檢測和保存控制部分C8051f020單片機按鍵控制語音控制反饋反饋3.2c8051f020最小系統(tǒng)及外圍電路設計單片機最小系統(tǒng)或者稱為最小應用系統(tǒng)，就是用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)，對51系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應該包括：單片機、復位電路、晶振電路[11]。3.2.1供電電路部分整個控制系統(tǒng)是建立在電源供電的基礎上的，需要有穩(wěn)點工作的電源以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。此部分設計中控制系統(tǒng)的中心cpu需要的正常工作電壓是3.3V，但是通常的直流電源提供的電壓是5V，所以要對電源進行合理的轉(zhuǎn)換，可以用上拉電阻將電源的電壓轉(zhuǎn)換為cpu可以使用的電壓，或者用74ls04作為反相器，為cpu提供正常的工作電壓。電源電路如圖3.3所示。（此處描述錯誤，應該是使用LM1117使5V轉(zhuǎn)換成3.3V）3.2.2復位電路部分復位電路是為系統(tǒng)恢復至初始狀態(tài)而設計的：系統(tǒng)上電時提供復位信號，可以使系統(tǒng)初始化，或者在系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障或者運行結(jié)束時系統(tǒng)也需要提供復位信號使系統(tǒng)回到初始狀態(tài)。整個復位電路包括片內(nèi)外兩部分外部復位信號通過引腳RST/加入到內(nèi)部復位電路上，復位信號通過片內(nèi)一個斯密特觸發(fā)器與片內(nèi)復位電路相連。外部復位分為上電自動復位和按鍵手動復位兩種[12]。手動復位：當按下復位按鈕時，RST出現(xiàn)高電平，實現(xiàn)復位。上電自動復位：在單片機上電的瞬間，RC電路充電，由于電容上電電壓不能突變，所以RST引腳出現(xiàn)高電平，RST引腳出現(xiàn)的高電平將會隨著對電容C的充電過程而逐漸回落[13]。C8051F系列的單片機一共有七個復位源，分別為：上電/掉電復位，外部/RST引腳復位，外部CNVSTR信號復位，軟件命令復位，比較器復位，時鐘丟失檢測器和看門狗定時器超時復位[14]。同時在復位電路中還添加了上拉去耦電路以防止由于強噪聲而引起的復位。復位電路如圖3.4所示3.3電源電路原理圖圖3.4復位電路原理圖3.2.3電機驅(qū)動電路 C8051f020芯片I/O提供的電壓是3.3V，電機驅(qū)動器所需的正常的工作電壓為5V，采用上拉電阻將電壓上拉至5V，保證驅(qū)動電機的正常工作。首先將I/O輸出的信號經(jīng)過74ls04構(gòu)成的非門，而后再接上10k的上拉電阻即可。3.2.4控制系統(tǒng)核心設計此部分的電路設計是整個電路設計的核心，根據(jù)按鍵信息控制驅(qū)動器驅(qū)動電機，同時根據(jù)檢測電路檢測到得脈沖信息去控制各個關節(jié)的驅(qū)動情況。根據(jù)電路設計的結(jié)構(gòu)，安裝在各個關節(jié)處的電機需要相應的驅(qū)動器驅(qū)動，在六個驅(qū)動器中有三個驅(qū)動器需要占空比可調(diào)的PWM信號，另外三個驅(qū)動器需要的是頻率信號。C8051F020器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片，最多具有64個數(shù)字I/O引腳，片內(nèi)含CIP－51的CPU內(nèi)核，它的指令系統(tǒng)與MCS－51完全兼容。其中的C8051F020單片機含有64kB片內(nèi)Flash程序存儲器，4352B的RAM、8個I／O端口共64根I／O口線、一個12位A／D轉(zhuǎn)換器和一個8位A／D轉(zhuǎn)換器以及一個雙12位D／A轉(zhuǎn)換器、2個比較器、5個16位通用定時器、5個捕捉／比較模塊的可編程計數(shù)／定時器陣列、看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等部分。C8051F020單片機支持雙時鐘，其工作電壓范圍為2．7～3．6V（端口I/O,RST和JTAG引腳的耐壓為5V。與以前的51系列單片機相比，C8051F020增添了許多功能，同時其可靠性和速度也有了很大提高。電機驅(qū)動器主要需要三路信號，分別為：方向信號（控制電機的正反轉(zhuǎn)），占空比可調(diào)的PWM信號（控制電機的轉(zhuǎn)速）和OE使能信號（低電平有效）。直接給電機上電，電機就會全速運轉(zhuǎn)；用PWM信號控制電機，就可以實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速的數(shù)字化控制，在降低電機轉(zhuǎn)速的情況下，還具有節(jié)能的效果。PWM脈沖是一種占空比可調(diào)的脈沖信號，在單片機設計中用PWM脈沖信號去控制電機的轉(zhuǎn)動速度，高占空比時轉(zhuǎn)動速度高，低占空比時轉(zhuǎn)動速度低。C8051芯片可在工作時產(chǎn)生所需的三種信號從而驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動，同時鑒于C8051F020的I/0端口的輸出電壓為3.3V，驅(qū)動器工作所需電壓為5V，在芯片和驅(qū)動器之間需要接上上拉電阻，使電壓上升至5V，保證驅(qū)動器的正常工作。按鍵信息是通過在芯片外外接按鍵實現(xiàn)的，按鍵接入芯片使用的也是芯片的I/O端口。主控器跟其它CPU模塊之間的通信功能主要是通過MAX232完成的。MAX232主要由兩組模塊：發(fā)送和接受模塊，我們使用其中的一路用于跟PC機通信，另一路用于跟CPLD通信。假肢有多種控制方式，可以選擇通過按鍵實現(xiàn)按鍵控制，也可以通過語音識別系統(tǒng)實現(xiàn)語音控制，或者使用腦電控制方式。但是這三種控制方式并不是聯(lián)合使用的而是獨立存在的控制方式，在實際的操作中之能選擇一種方式進行操作。在假肢的實際使用中，腦電控制方式是最為智能和便捷的控制方式，本設計中使用按鍵控制的方式來演示電機的驅(qū)動。整體控制電路圖如圖3.4所示。3.3防干擾設計單片機控制系統(tǒng)受到的干擾的來源主要是來自交流電竄入的干擾；信號時輸入輸出通道的干擾；空間電磁輻射干擾和控制系統(tǒng)內(nèi)部的干擾[15]。此控制系統(tǒng)中主要的干擾有：高頻脈沖信號傳輸過程中的干擾；通信傳輸中的干擾和電源諧波干擾。在本系統(tǒng)的設計中使用的抗干擾的方法主要是用電感電容去掉高低頻的脈沖干擾，合理的配置去耦電容以消去耦合干擾，同時在PCB板的設計中合理的選擇不同型號的電源以盡量減少電源諧波的干擾。在連接系統(tǒng)電路時，要合理的配置線路的走向，布線時盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應干擾，注意晶振布線。晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線把時鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定。電路板合理分區(qū)，如強、弱信號，數(shù)字、模擬信號。盡可能把干擾源（如電機、繼電器）與敏感元件（如單片機）遠離。用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離。數(shù)字地與模擬地要分離，最后在一點接于電源地。大功率器件盡可能放在電路板邊緣。在電源的輸入和輸出處，在電路上串接鐵氧體磁珠，能夠抑制寄生震蕩和衰減感應或傳輸?shù)皆骷€上或與之相連的電纜的高頻無用信號；主控制板有+24V和+5兩個電壓值，采用多點接地可以減少接地阻抗、接地回路、信號環(huán)路[16]。3.4本章小結(jié)本章首先介紹了系統(tǒng)的總體設計框架，然后具體介紹了幾個重要的最小工作系統(tǒng)并給出了相應的電路原理圖。并簡單介紹了假肢通常會使用的控制方式，最后介紹了系統(tǒng)設計中主要的干擾因素，并提出了一些抗干擾措施及電路設計時一些布線和原件排列方式的介紹。3.4整體控制系統(tǒng)原理圖4多自由度多假肢控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)本章主要是針對于機械手系統(tǒng)的軟件部分進行分析設計。在上一章中對控制系統(tǒng)所選用的芯片及主要部件做了研究和設計，在硬件設計完成的情況下，設計出支持硬件系統(tǒng)的軟件程序，并對主要的模塊子程序做簡單介紹。4.1軟件開發(fā)環(huán)境介紹本論文使用的芯片是C8051F020，它是一個兼容性很好的芯片，其指令系統(tǒng)和MSC-51完全兼容，其驅(qū)動程序可以用C語言進行編寫。本論文中使用的開發(fā)環(huán)境是具有編譯功能Keilc51。支持8051微控制器體系結(jié)構(gòu)的Keil開發(fā)工具，適合每個階段的開發(fā)人員。產(chǎn)業(yè)標準的KeilC編譯器、宏匯編器、調(diào)試器、實時內(nèi)核、單板計算機和仿真器，支持所有的51系列微控制器。KeilμVision調(diào)試器能夠準確地模擬8051設備的片上外圍設備。4.2C8051F020主程序設計模塊程序設計時單片機應用中常用的一種程序設計技術。它是把一個功能完整的較長的程序分解為若干個功能相對獨立的較小的程序模塊，各個程序模塊分別進行設計，編譯個調(diào)試。最后把各個調(diào)試好的程序模塊聯(lián)成一個大的程序[17]。控制系統(tǒng)的軟件部分主要包括初始化模塊、產(chǎn)生PWM脈沖模塊和方向控制模塊。單片機根據(jù)物體位置信息，分析后驅(qū)動相應的電機轉(zhuǎn)動。產(chǎn)生PWM模塊用于提供占空比可調(diào)的脈沖信號作為驅(qū)動信號。方向模塊用于控制電機的轉(zhuǎn)動方向，正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4.1所示。4.2.1初始化子程序初始化就是在程序運行之前，先對PLC的一些狀態(tài)作預置的過程。在以后的運行過程中，這些指令將不再被執(zhí)行。如果預置的內(nèi)容不多，可以在主程序的最頂端用SM0.1觸發(fā)相關的指令，完成初始化。如果初始化的內(nèi)容比較多，最好寫一個初始化的子程序，在主程序的最頂端由SM0.1調(diào)用。系統(tǒng)上電或者復位后，程序首先執(zhí)行初始化程序，之后進入主循環(huán)，在循環(huán)體中運行各個功能函數(shù)。在初始化程序中，比較多的內(nèi)容是對一些標志位的操作、一些固定數(shù)據(jù)的賦值，還有中斷的定義、高速計數(shù)器的設置、高速脈沖輸出的設置等等。實質(zhì)上就是為程序的運行作準備，建立一個合適的初始狀態(tài)。當然，這些狀態(tài)在以后的程序中是可以被改變的。4.2.2PWM脈沖模塊步進電機有三線式，五線式，六線式三種，但其控制方式均相同，必須以脈沖電流來驅(qū)動[18]。PWM即PulseWidthModulation，就是脈沖寬度調(diào)制，意思是在一串高低電平交替變換的信號中、高電平的寬度是可以控制變化的，也即是占空比可調(diào)。PWM可以用與調(diào)節(jié)直流電機調(diào)速和控制電機的正反轉(zhuǎn)。PWM信號的產(chǎn)生有多種方式，其中比較常用的有模擬電路、單片機I/O口輸出[19-20]和單片機PWM部件的輸出[21]在本設計中C8051F020是51系列中功能較好的一個芯片，可以用其內(nèi)部的可編程計數(shù)器陣列直接產(chǎn)生PWM脈沖信號和方向信號。4.2.3方向模塊電機的轉(zhuǎn)動有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，方向信號即是用于控制電機的轉(zhuǎn)動方向，C8051F020自身就可以輸出方向信號不必再外接其他芯片去提供方向信號。正轉(zhuǎn)部分:送P4口不同的值，從而改變電機電源的相序，是電機正轉(zhuǎn)，數(shù)值分別為0xf8，0xfc，0xf4，0xf6，0xf2，0xf3，0xf1，0xf9。反轉(zhuǎn)部分:送P3.5口不同的值，從而改變電機電源的相序，是電機反轉(zhuǎn)，數(shù)值分別為0xf9，0xf1，0xf3，0xf2，0xf6，0xf4，0xfc，0xf8。步進電機速度控制程序圖如圖4.2所示。開始開始延時延時使用update或downdate有外部中斷使用update或downdate有外部中斷等待等待圖4.2電機正反轉(zhuǎn)流程圖4.3本章小結(jié)本章主要介紹了單片機控制機械手控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)的設計。首先介紹了系統(tǒng)的軟件設計的開發(fā)環(huán)境，對keil的功能特點作了簡單的說明，其次設計了控制系統(tǒng)的主程序，畫出主程序流程圖并對主要的功能模塊的程序設計進行了說明。開始開始初始化初始化選擇控制方式選擇控制方式按鍵控制按鍵控制位置示教或運動位置示教或運動目標位置示教目標位置示教指定目標位置目標指定目標位置目標位置保存目標位置1目標位置1自動運動到目標位置并抓取物體自動運動到目標位置并抓取物體目標位置2目標位置2將物體放到指定的位置將物體放到指定的位置目標位置3目標位置3否是否結(jié)束否是否結(jié)束是是結(jié)束結(jié)束圖4.1系統(tǒng)控制流程圖系統(tǒng)仿真：(模擬機械手運動)5總結(jié)和展望5.1總結(jié)本文主要對基于c8051f020控制的機械手控制系統(tǒng)的設計做了系統(tǒng)而全面的設計。并通過proteus模擬了機械手的運動，本文主要研究的內(nèi)容包括：（1）機械手假肢研究的發(fā)展歷程和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。分析了機械手研究迅速發(fā)展并前景廣闊的原因和背景及研究意義，對比和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及我國相比較與國外的優(yōu)勢和差距。（2）根據(jù)機械手假肢的實際需要，設計多自由度機械手假肢的結(jié)構(gòu)和功能特性，并在c8051f020的核心芯片的支持下，設計出機械手假肢的控制系統(tǒng)并使機械手的各個功能能夠?qū)崿F(xiàn)（3）設計了機械手假肢的硬件控制系統(tǒng)。機械手硬件控制系統(tǒng)是整個設計最主要的部分，通過對主要的最小系統(tǒng)的設計和主要模塊的控制，最終在proteus的環(huán)境中實現(xiàn)硬件系統(tǒng)的各個元件的連接。（4）設計了機械手假肢的軟件控制系統(tǒng)。針對控制系統(tǒng)的主程序和各個子模塊的程序進行了設計。通過keil與proteus的聯(lián)調(diào)實現(xiàn)從而使硬件和軟件系統(tǒng)都順利運行，整個設計完成。5.2展望對于機械手的控制技術，眾多學者和專家多年來堅持不懈的努力做出了令人矚目的成績，相關書籍和文獻也介紹了多種控制方法。選擇一種合適有效的控制方法對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效運行是十分重要的。本論文選擇的控制系統(tǒng)核心處理器是C8051F020，相對于51系統(tǒng)來說，C8051F020是一款性能比較豐富的芯片，但是對于實現(xiàn)機械手的智能化控制，這款新芯片的功能還是比較低的，部分模塊的功能需要計算機輔助來實現(xiàn)。隨著單片機的處理性能越來越高，以后會有能夠獨立完成系統(tǒng)控制的單片機的面世。鑒于本論文研究的不足之處，希望以后的研究工作可以從以下幾方面開展：選擇一款性能比較高級的單片機，如嵌入式的ARM,DSP等，嵌入式的處理器可以將整個控制系統(tǒng)進行高度集成，可以減輕控制系統(tǒng)的重量，使用時更加輕便靈巧。改善機械手的外形結(jié)構(gòu)，使其更加美觀，更像人類手臂，可以使用碳纖維作為組成材料，人體對機械手的排斥或因肢體損傷感染的可能性更小。選擇更加智能化的傳感器，提高系統(tǒng)的反應速度和靈敏度。選擇BP神經(jīng)網(wǎng)絡求解機械手關節(jié)空間的解，常用的假肢逆運動學求解方法在目標姿態(tài)信息未知的情況下不能求解關節(jié)空間的解，而基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡的BP神經(jīng)網(wǎng)絡求解方法能很好的解決這一問題。（5）使用更加高效，編寫方便的語言實現(xiàn)軟件程序設計，如Java，JavaSE。6致謝本論文的設計，從最初的選稿到定稿，都讓我收益頗多。本論文是在導師賈老師的悉心指導下完成的。我本專業(yè)學的是通信并不是單片機，大學期間并沒有太多的接觸過單片機的知識，本次的畢業(yè)設計讓我從對單片機的知之甚少到全部完成畢業(yè)設計，我收獲了很多知識。當然在完成畢業(yè)設計的過程中，導師賈老師對我的指導和教誨對設計的順利完成是必不可少的，老師的耐心教誨，淵博的專業(yè)知識和嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度對我影響深遠。首先對于老師的付出和教誨表示最誠摯的感謝，其次對于本文所引用的書籍和論文等文獻的原作者也致以由衷的感謝。在論文完成的過程中，耐心的查找資料，翻閱書籍，請較老師和同學，認真思考讓我收獲了很多知識，同