某三自由度機械手控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u5009某三自由度機械手控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計案例 1547第1章本地控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 2201531.1本地控制系統(tǒng)方案 2224721.1.1本地控制系統(tǒng)的工作原理 223271.1.2控制要求 212561.2主要元器件的選型 3170681.2.1單片機及I/O口 352231.3機械手單片機接線原理圖的設(shè)計 6251011.3.1供電、程序下載、串口通信三合一電路 6176071.3.2復(fù)位電路 6156261.3.3時鐘電路 7103961.3.4單片機最小系統(tǒng)組成 719891.3.5擴展電路 7265881.3.6矩陣鍵盤 8259341.3.7指示燈 842271.3.8外部驅(qū)動器與電機連接圖 9282141.3.9接線原理圖 106485第2章本地控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 12257952.1軟件介紹 1240452.2子程序流程圖 12293122.3程序設(shè)計 14315582.3.1程序結(jié)構(gòu) 148802.3.2各部分程序詳情 15第1章本地控制系統(tǒng)硬件設(shè)計1.1本地控制系統(tǒng)方案1.1.1本地控制系統(tǒng)的工作原理此次研究的機械手是采用圓柱坐標形式的，總共有三個自由度，分別是一個旋轉(zhuǎn)和兩個方向上的伸縮再加上終端有一個機械手爪，這些主要通過單片機輸出脈沖信號與方向信號給驅(qū)動器以此控制步進電機和氣缸。圖3-1控制關(guān)系圖1.1.2控制要求本次設(shè)計中機械手有三種工作方式：手動工作方式、自動工作方式、單周期工作方式?！?9】手動模式在選擇手動模式之后，機械手系統(tǒng)就會按照規(guī)定步驟進行一系列操作。自動模式按下開始按鈕后，系統(tǒng)會自動按照預(yù)先設(shè)定的程序指令使機械手完成將工件從原始工作臺平移到目標工作臺，整個的工作流程。單周期模式單周期模式：按下開始按鈕后，系統(tǒng)在完成一次工作周期后主動終止。本次設(shè)計的三自由度機械手的整體工作流程如下圖3-2所示。剛開始機械手處于起始位置，得到指令動作后先使伸縮臂伸出由限位開關(guān)控制到達工件位置后停止；然后夾持器得到指令夾緊要搬運的貨物，夾持器再沿著升降臂上升到工作臺，Z軸旋轉(zhuǎn)的角度可以調(diào)整，在手爪到達目的地后，夾持器得到指令松開，伸縮臂縮回，待工件加工完，再次夾取工件移動一定距離將其放到傳送帶上。至此，整個工作流程基本結(jié)束，若無其它指令，機械手回到原始狀態(tài)，等待下一次指令。圖3-2機械手流程圖1.2主要元器件的選型1.2.1單片機及I/O口本章節(jié)主要對三自由度機械手的控制系給出了具體的設(shè)計思考過程包括選擇單片機的型號，單片機的硬件設(shè)計，外部端口的分配，以及單片機子程序的程序流程圖的繪制。鑒于本次設(shè)計機械手的性質(zhì)，而且為了保證機械手的精確定位，本次方案選取單片機來對機械手進行控制。主要是因為單片機使用起來十分方便，并且體積非常的小，最重要的一點是單片機價格十分便宜，抗外界干擾能力十分強。還有一點就是通用性十分好，只需改變單片機程序，就可以改變機械手工作流程，使其通用性更強。單片機的選型在仔細研究本設(shè)計所需控制的對象后，決定選用ATMEL公司的AT89C51單片機機。

AT89C51是一種單片機，它帶有4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器?！?3】單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。【22】該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容?！?1】AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案【20】。AT89C51單片機有如下特性（1）與MCS-51兼容（2）4K字節(jié)可編程閃爍存儲器（3）壽命：1000寫/擦循環(huán)（4）數(shù)據(jù)保留時間：10年（5）全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz（6）三級程序存儲器鎖定（7）128*8位內(nèi)部RAM（8）32可編程I/O線（9）兩個16位定時器/計數(shù)器（10）5個中斷源（11）可編程串行通道（12）低功耗的閑置和掉電模式（13）片內(nèi)振蕩器和時鐘電路單片機是控制系統(tǒng)的核心組成部分，如果用比較形象的話來描述，單片機就好像人的大腦，掌控全局。AT89C51單片機兼容于MCS－51系列單片機，它是具有1000次可擦寫的4K字節(jié)FLASH存儲器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，具有32個可編程I/O口和可編程串行通道，便于系統(tǒng)的開發(fā)以及參數(shù)的修改，且各方面完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求[5]。結(jié)構(gòu)圖如圖3-3所示。圖3-3AT89C51單片機AT89C51主要有以下幾個特點，見表3-1所示表3-1AT89C51的特點與MCS-51兼容4K字節(jié)可編程閃爍存儲器1000寫/擦循環(huán)可編程串行通道全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級程序存儲器鎖定128*8位內(nèi)部RAM32個可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源本次設(shè)計最少要有42個接線口，因為每個矩陣鍵盤要有16個I/O口，并且再要加上6個獨立的按鈕，20個指示燈，所以最少要有42個接線口。8255A是Intel系列的可編程并行接口芯片，擴展一片可獲得3個8位的并行I/O口，是一種單片機與外設(shè)之間的接口電路[6]，圖3-4為8255A的結(jié)構(gòu)。圖3-48255A8255A的特點見表5-2所示其特點是：表5-28255A的特點一個芯片可擴展多個并行I/O口可用軟件改變接口的功能可直接與單片機連接，進行并行數(shù)據(jù)傳送

1.3機械手單片機接線原理圖的設(shè)計本次設(shè)計的基于單片機的氣動三自由度機械手的控制部分單片機接線原理圖設(shè)計中，選擇型號為AT89C51的單片機來控制，驅(qū)動器選擇型號是3ND2283。機械手控制裝置主要包括單片機，供電、程序下載、串口通信三合一電路，復(fù)位電路，時鐘電路和拓展電路。1.3.1供電、程序下載、串口通信三合一電路圖3-6為單片機的供電、程序下載、串口通信三合一電路設(shè)計。圖5-6供電&下載&串口模塊通信1.3.2復(fù)位電路復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號[7]。復(fù)位電路設(shè)計如圖3-7所示。采用的復(fù)位電路為按鍵電平復(fù)位電路，通過RST端經(jīng)電阻與電源VCC接通來實現(xiàn)的[8]。圖3-7復(fù)位電路1.3.3時鐘電路時鐘電路的組成部分主要有電容、晶體振蕩器、晶振控制芯片。本次設(shè)計中的時鐘電路具體線路如下圖所示圖3-8時鐘電路1.3.4單片機最小系統(tǒng)組成單片機的最小系統(tǒng)組成如圖3-9所示。圖5-9單片機最小系統(tǒng)1.3.5擴展電路為滿足設(shè)計需求而進行添加額外的I/O口就是在擴展I/O口，具體的電路設(shè)計如下圖5-10所示。圖5-10擴展I/O口電路1.3.6矩陣鍵盤就單片機應(yīng)用系統(tǒng)中的鍵盤而言，通常情況下只有有獨立式和行列式兩種[9]。獨立式鍵盤中，每個鍵占用一根I/O口線，每個按鍵工作狀態(tài)不會影響其它I/O口線上的狀態(tài)相對獨立[10]。由于按鈕的數(shù)量是比較多的，那么都用獨立鍵盤的話，不僅僅會使整體的一個結(jié)構(gòu)混亂，最重要的是不方便進行電路的連接，把按鈕設(shè)計為行列式鍵盤正是考慮到了這些問題，如圖5-11所示。[11]圖5-11矩陣鍵盤1.3.7指示燈指示燈采用的是獨立式結(jié)構(gòu)，即每個I/O對應(yīng)一個LED線路，具體電路如圖5-12所示。圖5-12指示燈電路圖1.3.8外部驅(qū)動器與電機連接圖驅(qū)動器輸出的方向信號控制電機的正向、反向轉(zhuǎn)動帶動機械手逆時針、順時針運動，電機的轉(zhuǎn)動速度決定著機械手轉(zhuǎn)動的快慢，而電機轉(zhuǎn)動速度是由驅(qū)動器輸出的脈沖信號來控制的。因為只有Z軸方向轉(zhuǎn)動由電機驅(qū)動，所以只有一個步進電機控制就夠了，對應(yīng)有一個驅(qū)動器，具體接線圖如圖3-13所示。圖5-13驅(qū)動器接線圖1.3.9接線原理圖將各部分電路整合在一起，可得整體的接線原理圖如圖3-14所示。圖5-14接線原理圖第2章本地控制系統(tǒng)軟件設(shè)計2.1軟件介紹TA\s"本次設(shè)計中用的編程軟件是KeilμVision4。不管是用匯編語言還是C語言編程，都要使用編譯器，以便把寫好的程序編譯為機器碼，才能把HEX可執(zhí)行文件寫入單片機內(nèi)。KeilμVision4是眾多單片機應(yīng)用開發(fā)軟件中最優(yōu)秀的軟件之一，它支持眾多不同公司的MCS-51架構(gòu)的單片機，甚至ARM，它集編輯、編譯、仿真等于一體，它的界面和常用的VC++軟件的界面相似，界面友好，易學易用，在調(diào)試程序，軟件仿真方面也有很強大的功能。因此很多開發(fā)51應(yīng)用的工程師或普通的單片機愛好者，都對它十分喜歡。"\c1軟件產(chǎn)業(yè)和機械產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為航空工業(yè)和電子信息產(chǎn)業(yè)不可缺少的一部分。在實際應(yīng)用中，控制軟件也并不是完全孤立存在，而是為了發(fā)揮其應(yīng)有強有效的功能，控制軟件設(shè)計的質(zhì)量與機械手控制系統(tǒng)等軟件也是十分相似。好的軟件應(yīng)該具有應(yīng)用范圍廣、靈活性高、使用方便、操作速度快的優(yōu)點，同時還應(yīng)該具有一定的準確性和穩(wěn)定性。軟件設(shè)計和硬件設(shè)計是一個有趣的問題。軟件的誕生遠遠晚于硬件，誕生軟件被用來控制硬件而不是人為控制。因此，只能是在硬件基礎(chǔ)上構(gòu)建和開發(fā)它們，才能更好地進行軟件設(shè)計。一個強有效的硬件是軟件開發(fā)的必備品。硬件和軟件的結(jié)合是產(chǎn)品質(zhì)量的有力保證。由軟件控制的硬件行為更加精確。軟件是用來對硬件進行控制的過程:程序員通過編寫軟件來對硬件進行操控。軟件跟硬件兩者是相互促進，缺一不可的。在今后的幾十年當中，人們主要的精力將會是讓兩者更好地相互依存，也只有做到這一點，計算機的發(fā)展才會變得更加的迅速，未來的科技發(fā)展才會更加的美好。KeilμVision4是于二零零九年面世的，它的最大的更新在于更加注重用戶體驗，用戶在操作界面會十分便于操作，相對于前兩代在界面友好程度上有了質(zhì)的提升，給用戶提供了一個相當舒適整潔的軟件環(huán)境來進行程序的編制。2.2子程序流程圖（1）手爪夾緊放松：Y軸伸出縮回：x軸方向上升下降：2.3程序設(shè)計2.3.1程序結(jié)構(gòu)這個部分的程序大致有三個小部分。編程思路如圖6-1所示。其中如何正確確認出矩陣鍵盤的輸入鍵值是這之中難度最高的部分。矩陣鍵盤的工作原理是：對4×4的矩陣鍵盤，一般行線為輸出，列線為輸入，初始將單片機行線全部輸出為低電平，然后讀入列線數(shù)據(jù)，若列線全為高電平，則沒有按鍵按下[28]；若列線有低電平調(diào)用延時程序來去除按鍵抖動，延時完成后再判斷是否有低電平，要是此刻讀入列線數(shù)據(jù)仍有低電平，則說明確實有按鍵按下，進而確定鍵值[28]。每個按鍵代表不同的功能，檢測到有按鍵按下時會有對應(yīng)的指示燈亮起。圖6-1設(shè)計流程2.3.2各部分程序詳情判斷矩陣鍵盤鍵值程序根據(jù)不同的鍵盤對應(yīng)唯一一個鍵值來判斷按下的鍵盤位置，編程如下所示。#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharunsignedcodetable[4]={OxFE,OxFD,OxFB,OxF7};ucharscan(){ ucharTemp=0; ucharnum=0,i=0; for(i=0;i<4;i++) { PA=table[i]; Temp=PA&OxF0; if(Temp!=OxF0) { switch(Temp) {Temp=PA; caseOxF0:num=0;break;caseOxD0:num=1;break;caseOxB0:num=2;break; caseOx70:num=3;break; default:num=50;break; } break; } } returnnum+4*i+1;}確定矩陣鍵盤的鍵值相應(yīng)指示燈點亮一個功能指令對應(yīng)一個指示燈，根據(jù)輸入的不同指令即鍵值點亮指示燈，程序如下所示。voiddisplay(ucharnum1){ switch(num1) {case1:P1=Oxfe;PC=Oxff;break;//手動燈亮case2:P1=Oxfd;PC=Oxff;break;//自動燈亮case3:P1=Oxfb;PC=Oxff;break;//單周期燈亮case4:P1=Oxf7;PC=Oxff;break;//回原點燈亮case5:P1=Oxef;PC=Oxff;break;//縮回燈亮case6:P1=Oxdf;PC=Oxff;break;//伸出燈亮case7:P1=Oxbf;PC=Oxff;break;//停止燈亮case8:P1=Ox7f;PC=Oxff;break;//開始燈亮case9:P1=Oxff;PC=Oxfe;break;//上升燈亮case10:P1=Oxff;PC=Oxfd;break;//下降燈亮case11:P1=Oxff;PC=Oxfb;break;//右轉(zhuǎn)燈亮case12:P1=Oxff;PC=Oxf7;break;//左轉(zhuǎn)燈亮case13:P1=Oxff;PC=Oxef;break;//后限位燈亮case14:P1=Oxff;PC=Oxdf;break;//前限位燈亮case15:P1=Oxff;PC=Oxbf;break;//松開燈亮case16:P1=Oxff;PC=Ox7f;break;//夾緊燈亮 default:break; }}執(zhí)行指令動作程序根據(jù)按下的鍵盤，執(zhí)行對應(yīng)的動