第6章控制系統(tǒng)設(shè)計6.1控制系統(tǒng)模式的選擇搭建機器人平臺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是展開控制系統(tǒng)設(shè)計。第一步需要有效選取硬件平臺，相對較為良好的硬件平臺在一定程度上可降低開發(fā)工作量、開放性相對較強。通常情況下性能相對較為良好的硬件平臺需要滿足：硬件系統(tǒng)具體憑借標(biāo)準(zhǔn)總線機構(gòu)，具備一定的可伸縮性；具備一定的實時求解能力；集成度高呈模塊化，便于進一步更改相應(yīng)的接口形式、傳感器以及特殊計算機等；價格低廉。截止到目前，普遍應(yīng)用的機器人控制系統(tǒng)的硬件平臺可歸結(jié)為：PLC控制系統(tǒng)、單片機控制系統(tǒng)、工業(yè)計算機控制系統(tǒng)。單片機是一種帶有標(biāo)準(zhǔn)總線接口，價格低廉，工作性能穩(wěn)定，通訊方式靈活的MCU，尤其是近年來隨著嵌入式微處理器的發(fā)展，單片機的性能有了很大提高，因此我們選擇AT89C51單片機作為控制單元。所謂單片機可將其認知成微型計算機(Single-chipmicrocomputer)，它主要是根據(jù)實際生產(chǎn)生活中的需求來設(shè)計的。在生產(chǎn)生活中不管是工業(yè)還是農(nóng)業(yè)單片機均被廣泛的應(yīng)用，單片機的發(fā)展日新月異，其誕生的時候為四位機的形式，截止到當(dāng)前階段發(fā)展到32位機，其相應(yīng)的性能呈現(xiàn)出天翻地覆的改變。單片機具有許許多多的優(yōu)點，譬如：可靠性相對較強；運行壽命長久；能夠憑借相對較低的功耗確保處理效率；較為簡單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，尤其是在一系列便攜式產(chǎn)品當(dāng)中應(yīng)用相對較廣，并且具備相對較強的控制能力，抵抗外界干擾相對較強。AT89C51價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，運行處理速度快；具有32個雙向I/O口，可反復(fù)擦寫，可用串行口直接下載程序；有多種封裝方式，適用不同產(chǎn)品的需求，并且定時器功能強大，可以用定時器輸出PWM波控制步進電機，已達到精確控制機械手位置的目的。AT89C51單片機并行的I/O口共有4個：P0~P3，其中包含著4個8位的I/O引腳，且每個引腳都可以單獨的編程控制。PDIP-40封裝形式的單片機引腳圖如6.1所示。圖6.1PDIP-40封裝的AT89C51單片機引腳圖后面對步進電機的控制要用到單片機的很多硬件資源，為了更好的使用單片機對步進電機控制，我們將單片機功能介紹如下：首先是它的命名規(guī)則，以AT89C51RC40PDIP為例說明，AT是單片機廠商名字，89是系列號，有89系列、12系列、15系列，5是固定數(shù)字，2代表程序存儲器大小，2代表程序存儲器為8KB，RC為數(shù)據(jù)存儲器大小，代表數(shù)據(jù)存取器大小為512B，40代表可接入的最大晶振，PDID代表封裝形式，此處為雙列直插式。其重要常用的硬件資源介紹如下，若要了解其全部硬件資源，讀者可查閱該單片機的數(shù)據(jù)手冊。1.一個機器周期可以選擇為6個震蕩周期（雙倍速）或者12個震蕩周期。2.用戶程序存儲空間是8KB，數(shù)據(jù)存儲空間是512B。3.ISP（在系統(tǒng)可編程），程序下載方便，用USART口即可完成程序的下載。4.3個定時器T0、T1可歸結(jié)為普通類型的定時器，其中T2定時器具備一定的輸入捕獲以及輸出比較功能。5.一個人通用串行通信口USART，可以下載程序、調(diào)試程序。6.2單片機最小系統(tǒng)設(shè)計要想一個單片機正常工作，只有一片單片機控制芯片是不夠的，要輔以外圍的晶振電路，單片機最小系統(tǒng)是指一個單片機正常工作所需必須的元件，少了任何一部分都不能正常工作，包括電源電路，晶振電路，復(fù)位電路。電源電路直接取用5V電源即可，下面我們根據(jù)本系統(tǒng)的要求對晶振電路和復(fù)位電路進行設(shè)計。晶振電路設(shè)計晶振之于單片機相當(dāng)于心臟之于人體，為單片機的一切工作提供節(jié)拍，AT89C51的時鐘生成方式具體可歸結(jié)為內(nèi)部以及外部兩種類型。本文所設(shè)計的機器人控制系統(tǒng)憑借內(nèi)部時鐘展開相關(guān)時鐘電路設(shè)計，因為其內(nèi)部存在一個增益相對較高的反相放大器，憑借單片機的18口以及19口與外部電路的石英晶體共同構(gòu)成了一個反饋型的自激振蕩器，其中石英晶振為12M。所以設(shè)計晶振電路如圖6.2所示。圖6.2晶振電路復(fù)位電路按鍵復(fù)位就是在當(dāng)設(shè)計好的程序出現(xiàn)錯誤不能運行，人為操作失誤，使系統(tǒng)陷入死循環(huán)的狀態(tài)時，按下復(fù)位按鈕就可以使單片機重新啟動的復(fù)位方式。按鍵手動復(fù)位電路的復(fù)位時間是通過復(fù)位端的電阻以及電容來控制的，電容在充電的瞬間有電流通過，復(fù)位引腳電壓為5V，隨著電容反復(fù)充放電，復(fù)位引腳端的電壓會以指數(shù)規(guī)律下降。到t的時刻，RST引腳端降為低電平，經(jīng)過查詢AT89C51單片機資料手冊得知，RST高電平范圍為：0.7VCC~VCC+0.5(+3.5V~+5.5V)。(6-1)為了確保單片機正常復(fù)位，時間t一定大于兩個機器周期，而一個機器周期相當(dāng)于十二個時鐘周期，同時時鐘周期的大小要看晶振頻率值的大小。本系統(tǒng)設(shè)計采用12MHz的石英晶體，因此：機器周期為：(6-2)所以t＞2T=2μs，在公式(6-1)中V0取3.5V，Vi取5V，電平保持時間越長越能夠保證單片機的復(fù)位，所以一般電容的取值大一些。τ的單位是：（R）*（C）＝秒。例如：R＝10kΩ，C＝10μF則：(6-3)RC=0.1秒，則t=0.12秒。t>>2μs，阻容取值符合復(fù)位電路的要求。復(fù)位電路如圖6.3所示。圖6.3復(fù)位電路6.3步進電機工作原理所謂步進電機具體可歸結(jié)為將電脈沖逐步轉(zhuǎn)變成角位移或線位移的開環(huán)控制器件。一旦步進驅(qū)動器收到相應(yīng)的單位脈沖信號，便會驅(qū)動其按照給定的轉(zhuǎn)向跳轉(zhuǎn)一個固定角度，這個角度將其稱之為步進角?？蛇M一步把控脈沖數(shù)量實現(xiàn)輸出角度的確定，進而實現(xiàn)精準(zhǔn)定位的功效；與此同時可進一步有效把控脈沖頻率，實現(xiàn)對其輸出速度以及加速度進行控制，進而實現(xiàn)調(diào)速的功效?；诠ぷ髟砜蓪⑵錃w結(jié)為：永磁式、反應(yīng)式、混合式。步進電機的主要參數(shù)有以下幾個，我們分別介紹。相數(shù)：其內(nèi)部線圈組數(shù)，有二相、三相、四相、五相，相數(shù)決定步距角的大小。步距角：控制系統(tǒng)一旦發(fā)出一個步進脈沖，相應(yīng)的電機便會旋轉(zhuǎn)一個角度，具體工作的過程當(dāng)中步距角取決于驅(qū)動器的性能。拍數(shù)：具體可歸結(jié)為進行一個磁場周期性變化需要的脈沖數(shù)目或者導(dǎo)電狀態(tài)，也可將其認知為轉(zhuǎn)過一個步距角需要的脈沖數(shù)，基于四相電機展開分析，四相八拍工作方式為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。具備了以上知識，根據(jù)位置控制要求，要精確控制機械手位置，我們選擇減速比為64:1的四相五線制步進電機28byj-48，因為單片機是控制器件不是驅(qū)動器件，相應(yīng)的輸出電流相對較小，不能針對步進電機進行直接驅(qū)動，因此選用達林頓驅(qū)動器ULN2003進行驅(qū)動電機。該驅(qū)動器的工作電壓相對較高，運行電流也相對較大，其中灌電流基本可達到500mA，此外在關(guān)態(tài)下能夠有效承受50V電壓，相應(yīng)的輸出還能夠在高負載電流下并行運行。步進電機以及相應(yīng)的驅(qū)動器實物圖分別為6.4和6.5所示。圖6.428byj-48步進電機實物圖圖6.5步進電機驅(qū)動器實物圖6.4步進電機的控制單片機一般情況下不能直接用于步進電機的驅(qū)動，因為P0最大輸出灌電流只有12mA，其他引腳最大輸出灌電流只有6mA，其輸出電流太小，達不到驅(qū)動步進電機28byj-48的電流大小，故憑借步進電機驅(qū)動器進行驅(qū)動。28byj-48為四相步進電機，其內(nèi)部繞組原理圖如6.6所示，ABCD四相通電順序的不同每項通電時間長短不同會呈現(xiàn)出存在差異的運行方式，具體的運行方式四相四拍，四相八拍，其中八拍運行過程當(dāng)中相應(yīng)的步距角相對較小，故具體選用四相八拍的通電方式。圖6.6步進電機內(nèi)部繞組其中標(biāo)號6代表的電源輸入端，數(shù)據(jù)手冊上典型的供電電壓為5V，ABCD代表四相，即四個線圈，上面說的通電順序、通電時間，就是指的給這四個線圈的通電。為了讓機械手的勻速運行時以及加減速時比較平穩(wěn)，振動小，要盡量選擇8拍的通電方式，盡量不用4拍的通電方式。本電機我們選擇的是四相八拍的通電方式，其ABCD四個繞組的通電的先后順序如圖6.7。假設(shè)從第1步到第8步的通電順序為正轉(zhuǎn)，那么要想實現(xiàn)想使電機反轉(zhuǎn)，只需顛倒通電順序，即從第8步到第1步通電即可。圖6.7勵磁順序步進電機驅(qū)動器與單片機的典型連接電路如圖6.7所示。圖6.7步進電機、步進電機驅(qū)動器、單片機三者連接電路圖其中，ULN2003的輸入端是1-4引腳，相應(yīng)的輸出端13-16引腳分別與步進電機ABCD四個繞組進行連接，COM端及供電端口，接5V電壓。由步進電機的數(shù)據(jù)手冊可知，其步距角為5.625，減速比64。當(dāng)我們用4-2-1四相八拍勵磁方式時，完成一次通電轉(zhuǎn)動8*5.625=45度，轉(zhuǎn)起一圈需要循環(huán)360度/45度=8次，注意，減速比為64，也就是說，步進電機轉(zhuǎn)動一圈，經(jīng)過減速之后，我們看到轉(zhuǎn)動了1/64圈，要想讓軸轉(zhuǎn)動一圈，我們需要讓步進電機轉(zhuǎn)動64圈。其轉(zhuǎn)動一圈的程序如下：ucharcodeCCW[8]={0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01,0x09};//正轉(zhuǎn)ucharcodeCW[8]={0x09,0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08};//反轉(zhuǎn)voidmotor_ccw(void){uchari,j;for(j=0;j<8;j++)//8*45°=360°{ for(i=0;i<8;i++)//5.625*8=45° { P1=CCW[i]; delaynms(1); }}}voidmotor_cw(void){uchari,j;for(j=0;j<8;j++)//8*45=360??{ for(i=0;i<8;i++)////8*45°=360° { P1=CW[i]; delaynms(1);//5.625*8=45° }}}控制delaynms()函數(shù)中延時時間的長短，可以進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)速控制，改變脈沖頻率，可進一步控制其輸出的角加速度。結(jié)論與展望兩個多月的畢業(yè)設(shè)計即將面臨答辯接近尾聲了，在這兩個多月的時間里，邊做畢業(yè)設(shè)計的同時，還有一段時間在找工作，工作也落實了，現(xiàn)在設(shè)計也完成，所以進行畢業(yè)設(shè)計的這段時期是這四年本科生涯最為充實的時期。不僅對之前所學(xué)知識進一步加深印象，還學(xué)到了一系列為人處事的道理。雖然本文涉及到的內(nèi)容相對較多，分很多環(huán)節(jié)，但是要一步一步的做，慢慢做的過程中就會獲得更多的經(jīng)驗。正是這一次的設(shè)計讓我積累了很多的經(jīng)驗，讓我覺得大學(xué)還是學(xué)到了很多知識的，感覺在以后工作中一定會對自己有很大幫助，讓自己有更強的理解能力。然而順利的完成本次的六自由度搬運機械手課題的畢業(yè)設(shè)計是我最大的動力，讓我對以后的工作前景有很大的幫助。做了兩個月的設(shè)計，用到了很多基礎(chǔ)知識，專業(yè)知識，也讓我更加的熟練的AutoCAD和CAXA的操作，沒有讓我忘記這么一個軟件的存在，一次一次的畫圖中也一次一次的增長了我做設(shè)計的信心。同時，因為設(shè)計的需要，要查閱收集大量關(guān)于機械手方面的文獻，對其進行分析和結(jié)構(gòu)計算，這都提高了我對于找原因知識的綜合運用能力和分析解決實際問題的能力。最后，做了本次關(guān)于六自由度搬運機械手課題的畢業(yè)設(shè)計之后，我也了解到了一般機械手的運作情況，有的是通過液壓作為驅(qū)動，有的是用步進電機作為驅(qū)動，而本次我選擇了用步進電機作為驅(qū)動，機械手肯定得有控制系統(tǒng)，對于做單片機這方面還是很難的，找了很多同學(xué)的幫助才順利完成控制原理圖。做完以后對于整個機械手的運作方式也知道了，大體結(jié)構(gòu)也清楚，總之這一次的設(shè)計讓我學(xué)到了很多知識，是一次深刻的記憶！參考文獻[1]六自由度機械臂軌跡規(guī)劃與仿真研究[J].孫亮,馬江,阮曉鋼.

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