1、基于單片機(jī)的機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計與制作電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 學(xué) 號： 姓 名：丁路 班 級：電科081 日 期：2011.10.26目 錄課程設(shè)計題目及要求第一章 緒論 1.1 設(shè)計題目及要求 1.2 設(shè)計內(nèi)容第二章 硬件設(shè)計 2.1 硬件結(jié)構(gòu)圖 2.2 各模塊工作原理及設(shè)計 2.2.1 控制模塊 2.2.2 顯示模塊 2.2.3 按鍵模塊 2.2.4 舵機(jī)模塊 2.3 軟件程序設(shè)計第3章 硬件制作以及程序的下載調(diào)試 3.1 電路板的制作 3.2 元器件的焊接 3.3 程序的下載與調(diào)試第四章 總結(jié) 4.1 課程設(shè)計體會 4.2 奇瑞參觀感受課程設(shè)計題目及要求 題目： 基于單片機(jī)的機(jī)械臂控制系統(tǒng)

2、設(shè)計與制作 實習(xí)內(nèi)容：1，完成基于單片機(jī)的機(jī)械臂控制系統(tǒng)原理圖和PCB的繪制，在 基本要求的基礎(chǔ)上自己可以作一定的擴(kuò)展；2，利用熱轉(zhuǎn)印紙、三氯化鐵腐蝕液等完成PCB板的制作；3，完成相應(yīng)電路的焊接和調(diào)試； 4，完成相應(yīng)軟件程序的編寫；5，完成軟、硬件的聯(lián)調(diào)； 6，交付實習(xí)報告。 實習(xí)要求：1，兩人一組，自由搭配，但要遵循能力強(qiáng)弱搭配、男女搭配、考研和不考研的搭配； 2，充分發(fā)揮主觀能動性，遇到問題盡量自己解決，在基本要求基礎(chǔ)上可自由發(fā)揮； 3，第一次制作電路，電路不可追求復(fù)雜； 4，注意安全！熨斗、烙鐵。第一章 緒 論 單片機(jī)自20世紀(jì)70年代問世以來，以其極高的性價比，受到人們的重視和關(guān)注，

3、應(yīng)用廣泛，發(fā)展迅速。單片機(jī)集體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、環(huán)境要求低、價格低廉、可靠性高、靈活性好、開發(fā)較為容易等眾多優(yōu)點，以廣泛用于工業(yè)自動化控制、自動檢測、智能儀器儀表、家用電器、電力電子、機(jī)電一體化設(shè)備等各個方面，無論在民間、商業(yè)、及軍事領(lǐng)域單片機(jī)都發(fā)揮著十分重要的作用二十一世紀(jì)，隨著機(jī)械化、自動化水平的不斷提高，不僅減輕了勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)率，而且把人類活動從危險、惡劣環(huán)境中替換出來。而其中機(jī)器人技術(shù)，顯示出極大的優(yōu)越性；在宇宙探索、海洋開發(fā)以及軍事應(yīng)用上具有重要的實用價值。大力發(fā)展機(jī)器人技術(shù)，一方面能讓社會從勞動苦力型轉(zhuǎn)換到福利休閑型，另一方面能極大的提高民眾的幸福感。在新時期的世界

4、各國，隨著應(yīng)用日益廣泛，機(jī)器人技術(shù)將不斷發(fā)展并走向成熟。本次課程設(shè)以單片機(jī)作為控制器實現(xiàn)對機(jī)械手臂的簡單控制。在單片機(jī)最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展按鍵接口和舵機(jī)接口以及LED顯示器，構(gòu)成最簡單的機(jī)械臂控制系統(tǒng)。 第二章 硬件設(shè)計2.1 硬件結(jié)構(gòu)圖 本系統(tǒng)的控制器采用的是STC 12C5A32S2單片機(jī)，具有A/D轉(zhuǎn)換功能，并能產(chǎn)生PWM信號，有內(nèi)部EEPROM、雙串口，具有單時鐘/機(jī)器周期（1T），是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼不僅完全兼容傳統(tǒng)8051，而且速度快8-12倍。 本系統(tǒng)是在單片機(jī)最小系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴(kuò)展鍵盤接口和舵機(jī)接口以及LED顯示模塊。硬件結(jié)構(gòu)圖如下： 圖1

5、硬件結(jié)構(gòu)2.2 各模塊工作原理及設(shè)計 2.2.1 控制模塊 本系統(tǒng)的控制模塊選用STC 12C5A32S2單片機(jī) 引腳及功能：STC12C5A32S2單片機(jī)引腳圖 P0.0P0.7(3932引腳)：P0口是一個漏極開路型準(zhǔn)雙向I/O口。在訪問外部存儲器時，它是分時多路轉(zhuǎn)換的地址(低8位)和數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。在EPROM編程時，它接收指令字節(jié)，而在驗證程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，必須外接上拉電阻。 P1.0P1.7(1-8)：P1口是帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。在EPROM編程和程序驗證時，它接收低8位地址。 P2.0P2.7(21-28)：P2口是一個帶內(nèi)部上

6、拉電阻的8位雙向I/O口。在訪問外部存儲器時，它送出高8位地址。在對EFROM編程和程序驗證期間，它接收高8位地址。 P3.0P3.7(10-17)：P3口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。 STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對電機(jī)控制、強(qiáng)干擾場合。 本次設(shè)計基本原理是通過P3口的6個引腳輸出周期固定占空比可調(diào)的PWM波形來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動

7、及角度，通過按鍵實現(xiàn)對舵機(jī)角度的控制，從而實現(xiàn)對物品的轉(zhuǎn)移。通過P0口輸出數(shù)據(jù)以及P2口高四位的掃描實現(xiàn)數(shù)碼管的顯示。通過P1口以及P2低四位引腳連接按鍵，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動。2.2.2 舵機(jī)模塊舵機(jī)是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。目前在航模，包括飛機(jī)模型、潛艇模型，遙控機(jī)器人中已經(jīng)使用得比較普遍。舵機(jī)是一種俗稱，其實是一種伺服馬達(dá)。 一般來講，舵機(jī)主要由以下幾個部分組成：舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計5k、直流電機(jī)、控制電路板等。 工作原理：控制電路板接受來自信號線的控制信號，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸和

8、位置反饋電位計是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。 標(biāo)準(zhǔn)的舵機(jī)有3條導(dǎo)線，分別是：電源線、地線、控制線，如圖2所示。電源和地線給舵機(jī)提供最基本的能源保證，主要是電機(jī)的轉(zhuǎn)動消耗。 舵機(jī)的控制信號為周期是20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，相對應(yīng)舵盤的位置為0180度，呈線性變化。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會保持在一個相對應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應(yīng)的

9、位置上。程序?qū)崿F(xiàn)上可通過定時器來實現(xiàn) 舵機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于信號脈寬的變化速度。如果信號脈寬變化速度太較快的話，舵機(jī)會反應(yīng)不過來；將脈寬變化值線性到要求的時間內(nèi)，一點一點的增加脈寬值，就可以控制舵機(jī)的速度了。具體來說需要在調(diào)試時修改數(shù)值，以使舵機(jī)的運動更平滑。由于舵機(jī)在每一次脈寬值改變的時候總會有一個轉(zhuǎn)速由零增加再減速為零的過程，所以舵機(jī)會產(chǎn)生像步進(jìn)電機(jī)一樣運動的原因。 由于本設(shè)計中選用的舵機(jī)所需電源與單片機(jī)電源不一致故要單獨供電，地線應(yīng)接在一起。同時因為舵機(jī)所需的驅(qū)動電流比較大，因此P3輸出口需接上拉電阻。2.2.3 顯示模塊由于LED顯示器集易控制、性能很穩(wěn)定、耗能少、成本低等眾多優(yōu)點故本設(shè)計采

10、用LED顯示器。 本次設(shè)計，選用四聯(lián)LED顯示器，采用動態(tài)掃描方式，分別顯示所按鍵位和轉(zhuǎn)動角度。LED的每段需接一個限流電阻再接至P0口，顯示電路如下圖所示。這樣，就完成的擴(kuò)展模塊的LED顯示功能，可以很清晰的觀察到對應(yīng)的舵機(jī)轉(zhuǎn)動的角度。LED顯示電路2.2.4 按鍵模塊 本系統(tǒng)采用獨立按鍵查詢工作方式，通過12個（6組）按鍵控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動，即通過P2口低四位和P1口控制六個自由度的舵機(jī)正反轉(zhuǎn)動。由于系統(tǒng)比較簡單，且接口充足，所以采用獨立按鍵即可。 當(dāng)有按鍵按下時，可控制不同的舵機(jī)轉(zhuǎn)動，其中兩個按鍵控制一個舵機(jī)，分別控制舵機(jī)的正向轉(zhuǎn)動和反向轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動的度數(shù)可以通過按鍵時間的長短控制，最大的轉(zhuǎn)動

11、角度為180度。2.3 軟件程序設(shè)計 由于使用匯編程序編程能對單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運行原理有深一步了解，同時有程序占用存儲空間小等優(yōu)點，故本實驗采用匯編語言 匯編語言的特點: 目標(biāo)代碼簡短，占用內(nèi)存少，執(zhí)行速度快，是高效的程序設(shè)計語言。匯編語言基本保留了機(jī)器語言的靈活性。使用匯編語言能面向機(jī)器并較好地發(fā)揮機(jī)器的特性，得到質(zhì)量較高的程序。 匯編語言程序稱為源程序，運行時匯編程序要將源程序翻譯成目標(biāo)程序。目標(biāo)程序是機(jī)器語言程序，當(dāng)它被安置在內(nèi)存的預(yù)定位置上，就能被計算機(jī)的CPU處理和執(zhí)行。 匯編程序如下：ORG 0000HLJMP MAINORG 000BHLJMP T0INTORG 001BHLJM

12、P T1INTORG 1000HMEDL EQU 4EHMEDH EQU 4FHWAVE EQU 33HDGL EQU 30HDGH EQU 31HFLAG EQU 32HRANG_S EQU 2FH.1RANG_X EQU 2FH.2FLAG_X EQU 2FH.0DIS_DAT EQU 55HLED_DUAN EQU P0NUM_JI EQU 58HNUM_DAT EQU 37H NUM_FLAG EQU 3EHMAIN: MOV TMOD,#11H MOV TH0,#0B1H MOV TL0,#0F7H SETB ET1 SETB ET0 SETB EA SETB TR0 MOV MED

13、H,#0FAH MOV MEDL,#3AH MOV SP,#60H MOV WAVE,#0EFH MOV FLAG,#0 CLR RANG_S CLR RANG_X CLR FLAG_X MOV NUM_FLAG,#0 MOV DGL,#40H MOV DGH,#41H MOV 41H,#0FAH MOV 40H,#3AH MOV 43H,#0FAH MOV 42H,#3AH MOV 45H,#0FAH MOV 44H,#3AH MOV 47H,#0FAH MOV 46H,#3AH MOV 49H,#0FAH MOV 48H,#3AH MOV 4BH,#0FAH MOV 4AH,#3AH MO

14、V 38H,#0 MOV 39H,#0 MOV 3AH,#0 MOV 3BH,#0 MOV 3CH,#0 MOV 3DH,#0 MOV 55H,#0 MOV 56H,#0 MOV 57H,#16 MOV 58H,#0 START: LCALL PADCES LCALL DISPLAY JMP STARTDISPLAY: SETB P2.4 CLR P2.5 CLR P2.6 CLR P2.7 MOV A,#3 LCALL DUANXIAN CLR P2.4 SETB P2.5 CLR P2.6 CLR P2.7 MOV A,#2LCALL DUANXIAN CLR P2.4CLR P2.5 S

15、ETB P2.6CLR P2.7 MOV A,#1LCALL DUANXIANCLR P2.4CLR P2.5CLR P2.6SETB P2.7MOV A,#0LCALL DUANXIAN RETDUANXIAN: ADD A,#DIS_DATMOV R0,AMOV A,R0MOV DPTR,#TAB_duanMOVC A,A+DPTRMOV LED_DUAN,AMOV R5,#0FFHMOV R6,#3DO: DJNZ R5,$MOV R5,#0FFH DJNZ R6,DORETTAB_duan:DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8HDB 80H,90

16、H,88H,83H,0C6H,0A1H,86H,8EH,0BFH,0FFHPADCES: MOV P1,#0FFH MOV A,P2 ANL A,#0F0H ORL A,#0FH MOV P2,A MOV A,P1 CPL A JZ NEXTC JMP DNDNNEXTC: MOV A,P2 CPL A ANL A,#0FH JZ NN JMP DNDNNN: LJMP BAN DNDN: MOV R6,#10DO1: MOV R5,#0FFH DJNZ R5,$ DJNZ R6,DO1PD: MOV A,P1 CPL A JZ NEXTP CJNE A,#1,PAN1 MOV FLAG,#1

17、 JMP PDNPAN1: CJNE A,#2H,PAN2 MOV FLAG,#2 JMP PDNPAN2: CJNE A,#4H,PAN3 MOV FLAG,#3 JMP PDNPAN3: CJNE A,#8H,PAN4 MOV FLAG,#4 JMP PDNPAN4: CJNE A,#10H,PAN5 MOV FLAG,#5 JMP PDN PAN5: CJNE A,#20H,PAN6 MOV FLAG,#6 JMP PDNPAN6: CJNE A,#40H,PAN7 MOV FLAG,#7 JMP PDNPAN7: CJNE A,#80H,PDN MOV FLAG,#8 JMP PDNN

18、EXTP: MOV A,P2 CPL A ANL A,#0FH JZ BAND JMP KED BAND:LJMP BANKED: MOV A,P2 CPL A ANL A,#0FH CJNE A,#1,PAN11 MOV FLAG,#9 JMP PDNPAN11: CJNE A,#2,PAN12 MOV FLAG,#10 JMP PDNPAN12:CJNE A,#4,PAN13 MOV FLAG,#11 JMP PDNPAN13:CJNE A,#8,PDN MOV FLAG,#12 JMP PDNPDN: LCALL DATCESCES: MOV A,FLAG MOV B,#2 CLR C

19、DIV AB MOV A,B JZ JIA SETB FLAG_X JMP DNJIA: CLR FLAG_XDN: LCALL CHESHI JB FLAG_X,C1 JB RANG_S,JIN CLR RANG_X MOV R0,DGL MOV R1,DGH MOV A,R0 CLR C ADD A,#01H JMP C2C1: JB RANG_X,JIN CLR RANG_S MOV R0,DGL MOV R1,DGH MOV A,R0 CLR C SUBB A,#01HC2: MOV R0,A JNC JIN MOV A,R1 JB FLAG_X,C11 INC A MOV R1,A

20、JMP JINC11: DEC A MOV R1,A JIN: LCALL NUMCES MOV A,P2 ANL A,#0F0H ORL A,#0FH MOV P2,A MOV A,P1 CPL A JZ NEXTCA JMP DNDYNEXTCA:MOV A,P2 CPL A ANL A,#0FH JZ BANDNDY: MOV R6,#5DY1: MOV R5,#0FFH DJNZ R5,$ DJNZ R6,DY1 LCALL DISPLAY LJMP PDBAN:RET CHESHI: CLR C MOV A,56H MOV B,#10 MUL AB ADD A,55H MOV R3,

21、A MOV A,57H CJNE A,#17,FUSHI MOV A,R3 CLR C SUBB A,#90 JC CHESHID SETB RANG_S CLR RANG_X JMP CHESHIDFUSHI: MOV A,57H CJNE A,#16,CHESHID MOV A,R3 CLR C SUBB A,#90 JC CHESHID SETB RANG_X CLR RANG_S JMP CHESHID CHESHID:RETNUMCES: MOV R0,DGL MOV R1,DGH MOV A,R0 MOV R5,A MOV A,R1 MOV R4,A CLR C MOV A,MED

22、L SUBB A,R5 JCJIEWEI MOV R5,A CLR C MOV A,MEDH SUBB A,R4 MOV R4,A JMP JIANDJIEWEI: MOV R5,A INC R4 CLR C MOV A,MEDH SUBB A,R4 MOV R4,AJIAND: MOV A,R4 ANL A,#80H JNZ FUSHUO MOV R7,#0BH LCALL DIVOK MOV A,R3 MOV B,#10 DIV AB MOV 55H,B MOV 56H,A MOV 57H,#16 JMP NUMEND FUSHUO: MOV A,R5 CPL A CLR C INC A

23、MOV R5,A JC JIA1 MOV A,R4 CPL A MOV R4,A JMP JDF JIA1: MOV A,R4 CPL A INC A MOV R4,AJDF: MOV R7,#0BH LCALL DIVOK MOV A,R3 MOV B,#10 DIV AB MOV 55H,B MOV 56H,A MOV 57H,#17 JMP NUMEND NUMEND:RETDATCES: MOV R3,FLAG MOV A,R3 CLR C SUBB A,#3 JNC E1 MOV WAVE,#0F8H MOV DGL,#40H MOV DGH,#41H MOV NUM_JI,#1 M

24、OV NUM_DAT,#38H JMP ENE1: MOV A,R3 CLR C SUBB A,#5 JNC E2 MOV WAVE,#0F4H MOV DGL,#42H MOV DGH,#43H MOV NUM_JI,#2 MOV NUM_DAT,#39H JMP ENE2: MOV A,R3 CLR C SUBB A,#7 JNC E3 MOV WAVE,#0ECH MOV DGL,#44H MOV DGH,#45H MOV NUM_JI,#3 MOV NUM_DAT,#3AH JMP ENE3: MOV A,R3 CLR C SUBB A,#9 JNC E4 MOV WAVE,#0DCH

25、 MOV DGL,#46H MOV DGH,#47H MOV NUM_JI,#4 MOV NUM_DAT,#3BH JMP ENE4: MOV A,R3 CLR C SUBB A,#11 JNC E5 MOV WAVE,#0BCH MOV DGL,#48H MOV DGH,#49H MOV NUM_JI,#5 MOV NUM_DAT,#3CH JMP ENE5: MOV WAVE,#7CH MOV DGL,#4AH MOV DGH,#4BH MOV NUM_JI,#6 MOV NUM_DAT,#3DHEN: RET CLR RS1SETB RS0ORL P3,#0FCHSETB TR1CLR

26、TR0MOV TH0,#0B1HMOV TL0,#0F7HMOV R0,DGLMOV R1,DGH MOV TH1,R1 MOV TL1,R0 SETB TR0CLR RS1CLR RS0RETIT1INT: PUSH ACCMOV A,P3ANL A,#03H ORL A,WAVEMOV P3,A CLR TR1 POP ACCRETI DIVOK: CLR C MOV A,R4 SUBB A,R7 JC DV50 SETB OV RET DV50: MOV R6,#8 DV51: MOV A,R5 RLC A MOV R5,A MOV A,R4 RLC A MOV R4,A MOV F0,

27、C CLR C SUBB A,R7 ANL C,/F0 JC DV52 MOV R4,A DV52: CPL C MOV A,R3 RLC A MOV R3,A DJNZ R6,DV51 MOV A,R4 ADD A,R4 JC DV53 SUBB A,R7 JC DV54 DV53: INC R3 DV54: CLR OV RET END第3章 硬件制作以及程序的下載調(diào)試3.1 電路板制作首先用protel 99 SE繪制原理圖，生成PCB并手工調(diào)整布局，之后手工布線。布線時，要設(shè)置電氣規(guī)則，設(shè)置安全距離，對電源線、地線加粗；同時要盡量加大焊盤；盡可能地避免跳線（PCB圖如下所示）。PCB完

28、成后打印在熱轉(zhuǎn)印紙上，覆銅板先用砂紙打磨去除上面防氧化膠水，將熱轉(zhuǎn)印紙緊貼在板子上，并用熨斗熨幾分鐘，之后在自來水沖洗下揭去熱轉(zhuǎn)印紙，待板子風(fēng)干，觀察上面的油墨線路是否有缺損，若有可用油墨筆將缺損處瞄一下即可。待油墨風(fēng)干后放在三氯化鐵腐蝕液里腐蝕十分鐘左右，腐蝕時要不斷晃動腐蝕液加快腐蝕速度，直到板上面未覆油墨的銅全部腐蝕完，取出板子放在自來水中沖洗干凈，風(fēng)干后就可以鉆孔了，待孔鉆完，將板子放在自來水中用砂紙打磨去覆銅上的油墨，到此板子就制作完成了。3.2 原器件的焊接 PCB制作完畢后緊接著就可以焊接電子原器件，為了焊接方便應(yīng)先焊接小元件，比如電阻、按鍵、貼片電容排阻，之后焊接插槽以及其他元

29、件，最后焊接LED顯示器。焊接完畢后的電路板如下所示：3.3 程序的下載與調(diào)試軟件的燒錄需要Keil軟件、下載器以及USB驅(qū)動等，選擇相應(yīng)的單片機(jī)型號，打開相應(yīng)的hex文件，就可以進(jìn)行程序的下載了。軟、硬件調(diào)試都無誤之后，就可以連接舵機(jī)進(jìn)行最后的檢測了。通過不同的按鍵控制不同的舵機(jī)轉(zhuǎn)動，同時數(shù)碼管可以顯示出轉(zhuǎn)動度數(shù)。一個完整的機(jī)械臂控制系統(tǒng)就完成了。第四章 總 結(jié) 4.1 課程設(shè)計體會通過此次生產(chǎn)實習(xí)對電路板的腐蝕制作方法有了基本的掌握，對單片機(jī)控制機(jī)械臂系統(tǒng)的工作原理以及編程思想有了深刻的理解。在具體的設(shè)計與制作過程中對Protel 99 SE、單片機(jī)及外圍硬件電路、匯編程序編程都是一種溫故而知新