1、課題名稱：一種簽字機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),指導(dǎo)老師:李志剛 答辯人:黃聰華 專 業(yè):機(jī)械電子工程,華東交通大學(xué) 本科畢業(yè)生答辯,3,一種簽字機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),課題研究對(duì)象、意義及研究?jī)?nèi)容 簽字機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件選型 單片機(jī)控制板的電路設(shè)計(jì)及制作 數(shù)據(jù)的處理過(guò)程及程序的編寫(xiě) 系統(tǒng)的調(diào)試,研究背景,課題研究對(duì)象及意義： 本課題是研究并解決一種簽字機(jī)器人的控制系統(tǒng)問(wèn)題。旨在為人們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一種可以代替人手進(jìn)行書(shū)寫(xiě)操作實(shí)現(xiàn)筆跡復(fù)現(xiàn)的小型機(jī)電設(shè)備，進(jìn)一步系統(tǒng)的探討了并聯(lián)機(jī)器人的控制問(wèn)題。,課題方向,主要研究?jī)?nèi)容： 本課題主要研究簽字機(jī)器人的軟硬件設(shè)計(jì)及制作，包括單片機(jī)控制板的設(shè)計(jì)制作，電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器的解

2、決方案，控制程序的編寫(xiě)和調(diào)試，系統(tǒng)的整體調(diào)試和完善。,3,一種簽字機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),課題研究對(duì)象、意義及研究?jī)?nèi)容 簽字機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件選型 單片機(jī)控制板的電路設(shè)計(jì)及制作 數(shù)據(jù)的處理過(guò)程及程序的編寫(xiě) 系統(tǒng)的調(diào)試,硬件的選型,簽字機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件主要包括：步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流電源、電磁鐵、單片機(jī)、擴(kuò)展RAM。對(duì)硬件的合理選型至關(guān)重要，它將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)能否穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。,電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、直流電源的選型：,機(jī)器人使用三個(gè)步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力，在滿足設(shè)計(jì)需要的前提下首先對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行選型，最終選用了一款型號(hào)為20HS4006A4的步進(jìn)電機(jī)，根據(jù)電機(jī)為其配置了對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器M420B和

3、直流電源S-75-24。圖1為電機(jī)，圖2為驅(qū)動(dòng)器，圖3為直流電源：,圖3,圖2,圖1,電磁鐵的選型,由于簽字機(jī)器人在進(jìn)行圖文的繪制時(shí)需要經(jīng)常實(shí)現(xiàn)下筆和抬筆的動(dòng)作，設(shè)計(jì)中采用電磁鐵來(lái)實(shí)現(xiàn)這一要求。電磁鐵選用了一款型號(hào)為HCNE4-13/30TH的推拉式電磁鐵（見(jiàn)圖4）。,單片機(jī)及片外RAM的選型,單片機(jī)選型： 單片機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部件，它需要完成對(duì)數(shù)據(jù)的串行接收和處理，本控制系統(tǒng)采用STC12C5A60S2來(lái)作為主控（見(jiàn)圖5），該單片機(jī)自帶60K FLASH ROM，管腳、指令和8051單片機(jī)完全兼容，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠，適合本設(shè)計(jì)的需要。,圖4,圖5,片外RAM的選型： 在本控制系統(tǒng)中，單片

4、機(jī)需要把從串口接收的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在RAM中，而STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)部SRAM容量為1280字節(jié)，當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)量比較大時(shí)就可能由于RAM容量的不足造成數(shù)據(jù)的丟失，最終導(dǎo)致機(jī)器人不能正常工作，故需要對(duì)RAM進(jìn)行擴(kuò)展，最終選用了UT62256進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，該RAM容量為32K*8Bit，實(shí)物圖如圖6,圖6,3,一種簽字機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),課題研究對(duì)象、意義及研究?jī)?nèi)容 簽字機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件選型 單片機(jī)控制板的電路設(shè)計(jì)及制作 數(shù)據(jù)的處理過(guò)程及程序的編寫(xiě) 系統(tǒng)的調(diào)試,單片機(jī)控制板的電路設(shè)計(jì),單片機(jī)電路板電路的設(shè)計(jì)主要需要完成片外RAM的擴(kuò)展，繼電器的驅(qū)動(dòng)，接口的引出。利用Protel

5、 99來(lái)進(jìn)行電路圖的設(shè)計(jì)，在接口上使用P1.0作為繼電器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，P1.1P1.3作為步進(jìn)電機(jī)1的控制線，P1.4P1.6作為步進(jìn)電機(jī)2的控制線，P3.2P3.4作為絲桿驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)3控制線，繼電器使用的是S8550三極管作為開(kāi)關(guān)管控制繼電器的動(dòng)作。詳細(xì)電路原理圖請(qǐng)參閱附圖一。,單片機(jī)控制板的制作,本控制板使用雙面玻璃纖維萬(wàn)能電路板進(jìn)行電路的焊接，使用電烙鐵把準(zhǔn)備好的電子元器件按照電路原理圖焊接在萬(wàn)能板上，最終焊接好的電路板如圖7和圖8：,圖7,圖8,3,一種簽字機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),課題研究對(duì)象、意義及研究?jī)?nèi)容 簽字機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件選型 單片機(jī)控制板的電路設(shè)計(jì)及制作 數(shù)據(jù)的處理過(guò)程及程

6、序的編寫(xiě) 系統(tǒng)的調(diào)試,數(shù)據(jù)的處理過(guò)程,簽字機(jī)器人的控制系統(tǒng)工作原理如圖9，本課題需要做的就是對(duì)從上位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理最終驅(qū)動(dòng)電機(jī)和電磁鐵實(shí)現(xiàn)簽字的功能。在設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制程序之前，必須知道上位機(jī)對(duì)最終數(shù)據(jù)進(jìn)行怎樣的定義，明白了數(shù)據(jù)的意義之后便可進(jìn)行對(duì)應(yīng)操作了。,圖9,數(shù)據(jù)的定義,在上位機(jī)中，對(duì)從鼠標(biāo)捕捉到的信息經(jīng)過(guò)處理之后形成具有一定意義的8位數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)一幀一幀的發(fā)送給單片機(jī)，所有數(shù)據(jù)加一塊便組成了某一文字圖形。其中，對(duì)數(shù)據(jù)的定義分為對(duì)特殊數(shù)據(jù)的定義和對(duì)一般數(shù)據(jù)的定義： 特殊數(shù)據(jù)的定義： 在上位機(jī)中定義了一些特殊數(shù)據(jù)以便完成一些諸如落筆和抬筆的動(dòng)作。數(shù)據(jù)“FF”表示需要進(jìn)行抬筆動(dòng)作，“

7、7F”表示需要進(jìn)行下筆動(dòng)作，“7E”表示工作臺(tái)需要右移9mm以使筆移動(dòng)到下一個(gè)需要書(shū)寫(xiě)的地方，“7D”表示工作臺(tái)需要左移9mm，“2E”表示數(shù)據(jù)的結(jié)束標(biāo)志位。,一般數(shù)據(jù)的定義： 除了特殊數(shù)據(jù)的定義外，其它數(shù)據(jù)都是一般性數(shù)據(jù)，一般數(shù)據(jù)的意義為：一幀數(shù)據(jù)為8位，若該幀數(shù)據(jù)的地址數(shù)為偶數(shù)則驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)1，若其地址數(shù)為奇數(shù)則驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)2，8位數(shù)據(jù)中若最高位為1則表示對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，若為0則表示對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。除了最高位剩余的7位數(shù)據(jù)表示步進(jìn)電機(jī)需要的脈沖數(shù)，每給一個(gè)脈沖步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)一定的角度,單片機(jī)控制程序的編寫(xiě),單片機(jī)控制板需要完成串行數(shù)據(jù)的接收和數(shù)據(jù)的處理控制信號(hào)的分配。首先需要在單片機(jī)中

8、進(jìn)行串口有關(guān)變量的設(shè)置以便實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的接收，串口的設(shè)置主要是對(duì)串口寄存器的設(shè)置，串行端口有兩個(gè)控制寄存器SCON（圖10）和PCON（圖11）。,串口變量的設(shè)置：,對(duì)SCON設(shè)置為50H(01010000),則串行口工作方式選擇了方式1，同時(shí)允許串行接收。,圖10,PCON設(shè)置為80H（10000000），則波特率加倍。,圖 11,波特率的設(shè)定,波特率在串口通信中非常重要，在上位機(jī)中設(shè)置了串行通信的協(xié)議為波特率4800bps，通過(guò)對(duì)TMOD寄存器和定時(shí)/計(jì)數(shù)器裝入計(jì)數(shù)值可進(jìn)行波特率的設(shè)定，設(shè)置TMOD為20H，則選擇定時(shí)器1，工作方式2,自動(dòng)裝載計(jì)數(shù)值。,圖 12,驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì),在對(duì)串口進(jìn)

9、行了必要的設(shè)定之后就需要編寫(xiě)步進(jìn)電機(jī)和電磁鐵的驅(qū)動(dòng)程序了。之前已經(jīng)分析了數(shù)據(jù)的定義，按照定義編寫(xiě)對(duì)一般數(shù)據(jù)的處理程序和特殊數(shù)據(jù)的處理程序，圖13是整個(gè)控制程序流程圖，按照此流程圖，首先應(yīng)該對(duì)從RAM中取出的數(shù)據(jù)進(jìn)行辨別區(qū)分，先判別是否為特殊數(shù)據(jù)，如果是轉(zhuǎn)而進(jìn)入相應(yīng)的程序中執(zhí)行操作，如果是一般數(shù)據(jù)則應(yīng)該按照一般數(shù)據(jù)的定義進(jìn)行處理，如判別數(shù)據(jù)地址數(shù)奇偶，判斷數(shù)據(jù)首位，執(zhí)行步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)等。,圖13,程序的編寫(xiě)使用的均為匯編語(yǔ)言，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷時(shí)使用的是“CJNE”比較判斷指令，如判斷數(shù)據(jù)是否為“FF”，程序是這樣的： MOVE A,DPTR CJNE A,#0FFH,SOL_ON 第一條程序是從

10、RAM中取數(shù)據(jù)，第二條程序?qū)λ〉臄?shù)據(jù)進(jìn)行判斷，如果是“FF”則繼續(xù)往下執(zhí)行，若不是“FF”則跳轉(zhuǎn)到SOL_ON程序段中進(jìn)行下一步判斷處理。對(duì)其它特殊數(shù)據(jù)的處理方式和這個(gè)原理相似。,當(dāng)程序處理到一般數(shù)據(jù)時(shí)，需要對(duì)步進(jìn)電機(jī)1和步進(jìn)電機(jī)2執(zhí)行相應(yīng)驅(qū)動(dòng)，這部分處理程序是這樣的： 首先對(duì)一般數(shù)據(jù)進(jìn)行地址數(shù)奇偶的判別，在程序中定義了一個(gè)寄存器R2用以對(duì)地址數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，只要對(duì)R2中的數(shù)進(jìn)行奇偶判斷就能選擇對(duì)電機(jī)1或者電機(jī)2的驅(qū)動(dòng)，奇偶的判斷是對(duì)R2最低位的判斷，如果最低位為1則為計(jì)數(shù)為0則為偶數(shù)。奇數(shù)與01H相與則結(jié)果為01H，偶數(shù)與01H相與則結(jié)果為00H，從而可以使用判零指令JNZ來(lái)進(jìn)行判斷，該程序段

11、為： MOV A,R2 ；R2中數(shù)放A中 ANL A,#01H ；A中數(shù)與01H相與結(jié)果 存A JNZ MOTOR2 ；若結(jié)果為0則繼續(xù)往下執(zhí)行，若不為零則轉(zhuǎn)移到MOTOR2程序段處執(zhí)行,步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序： 通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的定義知道，數(shù)據(jù)中除了最高位外其余七位表示步進(jìn)電機(jī)需要的脈沖數(shù)，故對(duì)電機(jī)每給一個(gè)脈沖則脈沖數(shù)進(jìn)行減一操作直到減為零止，這樣就能使電機(jī)精密運(yùn)轉(zhuǎn)了。這部分程序段如下： MOVX A,DPTR ;取數(shù)據(jù) SETB P1.3 ；電機(jī)驅(qū)動(dòng)器使能端置位 CLR P1.2 ；電機(jī)方向信號(hào)低電平反 轉(zhuǎn) CCW_ROTATEL1： CLR P1.1 ；低脈沖信號(hào) ACALL DELAY2 ；延時(shí) SETB P1.1 ；高脈沖信號(hào) ACALL DELAY2 ；延時(shí) DEC A ；A中數(shù)據(jù)自減一 JNZ CCW_ROTATE1 ；不為零則返回循環(huán)執(zhí)行,以上處理方式是在數(shù)據(jù)首位不為零的情況下執(zhí)行的，當(dāng)首位為零時(shí)需要先把首位屏蔽掉再按以上方法進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，屏蔽首位的方法是先清除進(jìn)位位再把數(shù)據(jù)減進(jìn)位位和80H即可把首位去除，程序段為： MOVX A,DPTR ;取數(shù) CLR C ；清進(jìn)位位 SUBB A,#80H ；除首位,3,一種簽字機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),課題