單片機控制機械手.doc

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XX大學(xué) 課 程 設(shè) 計 說 明 書 題目： 機械手的單片機控制 學(xué)院（系）： 電院自動化系 年級專業(yè)： XXXXXX 學(xué) 號： 09 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：王振臣 陳志旺 教師職稱： 教授 講師 XX大學(xué)課程設(shè)計（論文）任務(wù)書 院（系）： 基層教學(xué)單位： 學(xué) 號 學(xué)生姓名 專業(yè)（班級） 設(shè)計題目 設(shè) 計 技 術(shù) 參 數(shù) 設(shè) 計 要 求 工 作 量 工 作 計 劃 參 考 資 料 指導(dǎo)教師簽字 基層教學(xué)單位主任簽字 說明：此表一式四份，學(xué)生、指導(dǎo)教師、基層教學(xué)單位、系部各一份。 年 月 日 摘要 摘 要 機械手技術(shù)涉及到電子、機械學(xué)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù) 等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。隨著工業(yè)自動化發(fā)展的需要，機械手在工業(yè)應(yīng)用中越來越重要。文章主要敘述了機械手的設(shè)計過程 ，文章中介紹了機械手的設(shè)計理論與方法。 本設(shè)計以AT89C51 單片機為核心，采用L298 電機控制芯片達到控制直流電機的啟停和方向，完成了篩選機械手基本要求和發(fā)揮部分的要求。 【關(guān)鍵詞】：篩選機械手，AT89C51 單片機，L298 電機控制芯片，電機控制。 目 錄 目 錄 摘要.....................................................................I 第一章 緒論............................................................. 1 1．1機械手概述.....................................................1 1.1.1 機械手當代應(yīng)用........................................... 1 1.1.2 機械手工作方式...........................................1 1.1.3 機械手的分類.............................................1 1.2 機械手的一般組成..............................................1 第二章 總體方案設(shè)計......................................................3 2.1 設(shè)計要求......................................................3 2.2 基本設(shè)計思路..................................................3 2．2．1 CPU....................................................3 2．2．2 傳動機構(gòu)...............................................3 2．2．3 機械手.................................................4 2．2．3．1 機械手組成.....................................4 2．2．3．1 機械手分類.....................................4 2．2．4抓取機構(gòu)...............................................5 2．2．5 機械手的驅(qū)動方式.......................................6 2．3 設(shè)計方案的總結(jié)...............................................8 2．3．1 CPU的選擇.............................................8 2．3．2 機械手坐標形式的選擇...................................8 2．3．3 傳動機構(gòu)的選擇.........................................8 2．3．4 驅(qū)動方式的選擇.........................................8 第三章 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計......................................................9 3．1 機械手尺寸的確定.............................................9 3．2 傳動部分設(shè)計.................................................9 3．3 硬件部分總結(jié).................................................9 第四章 軟件電路部分設(shè)計.................................................10 4．1 單片機的選擇................................................10 4．1．1單片機的概念...........................................10 4．1．2單片機特點.............................................10 4．1．3單片機硬件結(jié)構(gòu).........................................11 4．1．3．1 89C51基本配置................................11 4．1．3．2 引腳及其功能................................. 12 4．2 驅(qū)動芯片選擇.................................................13 4．2．1 驅(qū)動芯片概念...........................................13 4．2．2 驅(qū)動芯片原理...........................................13 4．3 流程圖......................................................13 4．4 匯編程序...................................................... 4．5 本章小結(jié)...................................................... 結(jié)論..................................................................... 參考文獻................................................................. 第一章 緒論 1.1 機械手概述 1．1．1 機械手的當代應(yīng)用 機械化、自動化已成在現(xiàn)代工業(yè)中突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產(chǎn)過程的自 動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的，機器人的出現(xiàn)并得到應(yīng)用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎(chǔ)。 機械手，多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具 的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)機械手或通用機械手）。 1．1．2 機械手工作方式 機械手是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動化裝置。機械 手具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應(yīng)性較差。目前我國常把具有上述特點的機械手稱為專用機械手，而把工業(yè)機械手稱為通用機械手。 1．1．3 機械手的分類 簡而言之，機械手就是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作 位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工。 機械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機械手，也即本文所 研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（Manipulator）。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機械手，主要附屬于自動機床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機械手在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機服務(wù)的，由主機驅(qū)動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 機械手按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機械手以其結(jié)構(gòu) 緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點，成為機械手中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式。 1．2 機械手的一般組成 要機械手像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、 臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動機構(gòu)——執(zhí)行機構(gòu)；像肌肉那樣使手臂驅(qū)動－傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了運動的機械手的性能。一般而言，機械手通常就是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動－傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1-1 所示。 圖1-1 機械手的一般組成 對于現(xiàn)代智能機械手而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和 語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機械手“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及機械手的觸覺裝置。機器人的這些組成部分并不是各自獨立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個機械手的。要實現(xiàn)機械手所期望實現(xiàn)的功能，機械手的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。它們之間的相互關(guān)系如圖1-2 所示。 機械手的機械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動－傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構(gòu)是機械 手賴以完成工作任務(wù)的實體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動－傳動系統(tǒng)提供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。驅(qū)動－傳動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動機構(gòu)和傳動系統(tǒng)。驅(qū)動機構(gòu)提供機械手各關(guān)節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)則將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滿足機械手各關(guān)節(jié)力矩和運動所要求的驅(qū)動力或力矩。有的文獻則把機械手分為機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機械系統(tǒng)又叫操作機(Manipulator)，相當于本文中的執(zhí)行機構(gòu)部分。 第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計和關(guān)鍵技術(shù) 2.1 設(shè)計要求 工廠某處有一批不同型號的零件，設(shè)計一種機械手，該手能在識別零件類型后按照其類別自動放置在規(guī)定的地點。機械手有上行/下行、左行/ 右行運行方式。機械手能根據(jù)信號將零件運送到制定地點后放下，自動歸位。回到原點后自動校正位置。等待下一次信號的到來。開機后，不論機械手處于什么位置，它能在上電后自動歸到原點。有指示燈可以指示機械手目前的位置，方便控制人員管理。 2.2 基本設(shè)計思路 總體設(shè)計框圖如下： 圖2-1 總體設(shè)計框圖 2.2.1 CPU CPU 部分有兩種選擇:單片機控制和PLC 控制。 2.2.2 傳動機構(gòu) 傳動機構(gòu)種類繁多，常見的有齒輪傳動、齒條傳動、絲桿傳動、鏈條傳動。 由于一般的電機驅(qū)動系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過傳動機構(gòu)來增加力矩，提高帶負載能力。對機械手的傳動機構(gòu)的一般要求有： （1）結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同的傳動功率和傳動比時體積最小，重量最輕； （2）傳動剛度大，即由驅(qū)動器的輸出軸到連桿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時角度變形要小，這樣可以提高整機的固有頻率，并大大減輕整機的低頻振動； （3）回差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度； （4）壽命長、價格低。 2.2.3 機械手 2．2．3．1 機械手的組成 機械手一般由執(zhí)行機構(gòu)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)三個部分組成。 （1）執(zhí)行機構(gòu) 1) 手腕 手腕是聯(lián)接手臂與末端執(zhí)行器的部件，用以調(diào)整末端執(zhí)行器的方 位和姿態(tài)。 2) 手臂 手臂是支承手腕和末端執(zhí)行器的部件。它由動力關(guān)節(jié)和連桿組 成，用來改變末端執(zhí)行器的位置。 3) 機座 機座是機械手的基礎(chǔ)部件，并承受相應(yīng)的載荷，機座分為固定式 和移動式兩類。 （2）控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)用來控制機械手按規(guī)定要求動作，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制 系統(tǒng)。大多數(shù)工業(yè)機械手采用計算機控制，這類控制系統(tǒng)分為決策級，策略級和執(zhí)行級三級：決策級的功能是識別環(huán)境、建立模型、將工作任務(wù)分解為基本動作序列；策略級將基本動作變?yōu)殛P(guān)節(jié)坐標協(xié)調(diào)變化的規(guī)律，分配給各關(guān)節(jié)的伺服系統(tǒng)；執(zhí)行級給出各關(guān)節(jié)伺服系統(tǒng)的具體指令。 （3）驅(qū)動系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng)是按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令將信號放大，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的傳動 裝置。常用的由電氣、液壓、氣動和機械等四種驅(qū)動方式。 除此之外，機械手可以配置多種傳感器（如位置、力，觸覺，視覺等傳感器）， 用以檢測其運動位置和工作狀態(tài)。 2．2．3．2 機械手的分類 機械手按坐標形式、控制方式、驅(qū)動方式和信號輸入方式四種分類方法。 （1）按坐標形式分 坐標形式是指執(zhí)行機構(gòu)的手臂在運動時所取的參考坐標系的形式。 1) 直角坐標式 直角坐標機械手的末端執(zhí)行器在空間位置的改變式通過三 個互相垂直的軸線移動來實現(xiàn)的，即沿X 軸的縱向移動、沿Y 軸的橫向 移動及沿Z 軸的升降。這種機械手位置精度最高，控制無耦合，比較簡單， 避障性好，但結(jié)構(gòu)較龐大，動作范圍小，靈活性差。 2) 圓柱坐標式 圓柱坐標機械手是通過兩個移動和一個轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)末端執(zhí) 行器空間位置的改變，其手臂的運動由在垂直立柱的平面伸縮和沿立柱升 降兩個直線運動及手臂繞立柱轉(zhuǎn)動復(fù)合而成。這種機械手位置精度較高， 控制簡單，避障性好，但結(jié)構(gòu)也較龐大。 3) 極坐標式 極坐標機械手的運動式由一個直線運動和兩個轉(zhuǎn)動組成，即沿 手臂方向X 的伸縮，繞Y 軸的俯仰和繞Z 軸的回轉(zhuǎn)。這種機械手占地面 積小，結(jié)構(gòu)緊湊，位置精度尚可，但避障性差，有平衡問題。 4) 關(guān)節(jié)坐標式 關(guān)節(jié)坐標機械手主要是由立柱、大臂和小臂組成，立柱繞Z 軸旋轉(zhuǎn)，形成腰關(guān)節(jié)，立柱和大臂形成肩關(guān)節(jié)，大臂和小臂形成肘關(guān)節(jié)， 大臂和小臂作俯仰運動。這種機械手工作范圍大，動作靈活，避障性好， 但位置精度低，有平衡問題，控制耦合比較復(fù)雜，目前應(yīng)用越來越多。 （2）按控制方式分 1) 點位控制 采用點位控制的機械手，其運動為空間點到點之間的直線運 動，不涉及兩點之間的移動軌跡，只在目標點處控制機械手末端執(zhí)行器 的位置和姿態(tài)。這種控制方式簡單，適用于上下料、點焊等作業(yè)。 2) 連續(xù)軌跡控制 采用連續(xù)軌跡控制的機械手，其運動軌跡可以是空間的 任意連續(xù)曲線。機器人在空間的整個運動過程都要控制，末端執(zhí)行器在 空間任何位置都可以控制姿態(tài)。 （3）按驅(qū)動方式分 1) 電力驅(qū)動 電力驅(qū)動式目前采用最多的一種。早期多采用步進電機驅(qū) 動，后來發(fā)展了直流伺服電動機，現(xiàn)在交流伺服電動機的應(yīng)用也得到了 迅速發(fā)展。這類驅(qū)動單元可以直接驅(qū)動機構(gòu)運動，也可以通過諧波減速 器裝置減速后驅(qū)動機構(gòu)運動，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。 2) 液壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動的機械手具有很大的抓起能力，可抓取質(zhì)量達上百 公斤的物體，油壓可達7MPa，液壓傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封性 要求較高，不宜在高溫或低溫現(xiàn)場工作，需配備一套液壓系統(tǒng)。 3) 氣壓驅(qū)動 氣壓驅(qū)動的機械手結(jié)構(gòu)簡單，動作迅速，價格低廉，由于空 氣可壓縮性，導(dǎo)致工作速度穩(wěn)定性差，氣源壓力一般為0.7MPa，因此抓 取力小，只能抓取重量為幾公斤到十幾公斤的物體。 （4）按信號輸入方式分 1) 人操作機械手 是一種由操作人員直接進行操作的具有幾個自由度的 機械手。 2) 固定程序操作機械手 按預(yù)先規(guī)定的順序、條件和位置，逐步地重復(fù)執(zhí) 行給定的作業(yè)任務(wù)的機械手。 3) 可變程序操作機械手 它與固定程序機械手基本相同，但其工作次序等 信息易于修改。 4) 程序控制機械手 它的作業(yè)指令是由計算機程序向機械手提供的，其控 制方式與數(shù)控機床一樣。 5) 示教再現(xiàn)機械手 這類機械手能夠按照記憶裝置存儲的信息來復(fù)現(xiàn)由 人示教的動作，其示教動作可自動地重復(fù)執(zhí)行。 6) 智能機械手 采用傳感器來感知工作環(huán)境或工作條件的變化，并借助其 自身的決策能力，完成相應(yīng)的工作任務(wù)。 2.2.4 抓取機構(gòu) 抓取機構(gòu)是機械手執(zhí)行工作的裝置，可安裝夾持器、工具、傳感器等。抓取 機構(gòu)可分為機械夾緊、真空抽吸、液壓夾緊、磁力吸附等。 2.2.5 機械手的驅(qū)動方式 該機械手一共具有三個獨立的運動關(guān)節(jié)，連同末端機械手的運動，一共需要 三個動力源。機械手常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動三種類型。 這三種方法各有所長，各種驅(qū)動方式的特點見表： 表2-1 三種驅(qū)動方式的特點對照 機械手驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機械手的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有： （1） 驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高； （2） 反應(yīng)速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大，能夠進行頻 繁地起、制動，正、反轉(zhuǎn)切換； （3） 驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要小； （4） 安全可靠； （5） 操作和維護方便； （6） 對環(huán)境無污染，噪聲要??； （7） 經(jīng)濟上合理。 2.3 設(shè)計方案的總結(jié) 2．3．1 CPU 的選擇 由于單片機體積小，價格便宜且具有高穩(wěn)定性和很強的抗干擾能力，因此本 設(shè)計中用單片機取代PLC 控制。 2．3．2 機械手坐標形式的選擇 由于本設(shè)計中精度要求較高，首先排除了極坐標式和關(guān)節(jié)坐標式，而且它們 還存在平衡問題?？紤]到工廠應(yīng)用要易于擴展其功能，本機械手采用直角坐標形式。 2．3．3傳動機構(gòu)的選擇 本設(shè)計要求傳動方式為電機的轉(zhuǎn)動帶動機械手臂的上下、左右移動，適合采用帶傳動。 2．3．4 驅(qū)動方式的選擇 在選擇驅(qū)動方式階段，我首先考慮的是液壓、氣壓傳動，但方案存在一定缺 陷。其中，液壓裝置體積太過龐大，需要專門配置一套液壓系統(tǒng)，且對密封性要求高，不宜在高溫、低溫下工作。而氣壓傳動由于空氣的可壓縮性導(dǎo)致工作速度、穩(wěn)定性較差，且有一定噪音。電機選擇相對較為簡單，由于步進電機有步距角誤差，機械手在齒輪傳動和擺動時會進一步放大該誤差，因此選擇伺服電機驅(qū)動。 第三章 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 3.1 機械手尺寸的確定 由于本次設(shè)計對工作場地要求并沒有明確的限制，因此機械手的尺寸也就沒 有明確的規(guī)定，為了設(shè)計的方便，將機械手橫向有效距離長為280mm，縱向有效距離長為170mm。 3.2 傳動部分設(shè)計 （1） 機械手是有2臺伺服電機驅(qū)動：電機M1 控制機械手縱向運動，電 機M2 控制機械手在橫向運動。 為了設(shè)計的方便，控制方式采用限位器限位控制。由于2臺電機不是同時控制，因此不存在相互間的干擾，從而增強了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 （2） 具體傳動環(huán)節(jié)：基座部分裝有服電機M1和電機M2，通過齒輪傳動控制帶條運動。 （3）直流電機： （i）調(diào)速性能好，電動機在一定負載條件下，根據(jù)需要，人為改變電動機的轉(zhuǎn)速，直流電動機可以在重負載條件下實現(xiàn)均勻平滑無級調(diào)速。調(diào)速范圍寬。 （ii）起動力矩大可以均勻而經(jīng)濟的實現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，故凡是在重負載條件下啟動的機械都用直流電機拖動。 3．3 硬件部分總結(jié)： 為了實現(xiàn)電動機能準確的將部件送到制定的位置，我采用了限位器控制機械手的位置。機械手碰到限位器，限位器返回信號給單片機，單片機發(fā)送信號控制電機驅(qū)動芯片，從而達到機械手到位停止。電動機采用的是直流電動機，因為其性能價格比較高，適合工作在對輸出力矩比較大的環(huán)境下。通過齒條傳送裝置，使機械手在電機的控制下能夠精準的到達規(guī)定的位置。并且易于將來擴展其工作方式。 第四章 軟件電路部分設(shè)計 4.1 單片機的選擇 4．1．1 單片機的概念 單片機是將計算機的基本部件微型化并集成到一塊芯片上的微型計算機。通常在芯片內(nèi)含有CPU、ROM、RAM、并行I/O 口、串行口、定時/計數(shù)器、中斷控制系統(tǒng)、系統(tǒng)時鐘及系統(tǒng)總線等。 4．1．2 單片機特點 1) 優(yōu)異的性能價格比。 2) 高、體積小、可靠性高。單片機把各功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線，大大提高了計算機的可靠性與抗 干擾能力。另外，其體積小，對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在 惡劣環(huán)境下工作。 3) 控制功能強。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機的指令系統(tǒng)種均有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O 口的邏輯操作及位處理功能，單片機的邏輯控制功 能及運行速度均高于同一檔次的微機。 4) 低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。 5) 單片機的系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置叫典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。 4．1．3 單片機硬件結(jié)構(gòu) 4．1．3．1 89C51 系列單片機基本配置 1) 微處理器 該單片機中有一個8 位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括 了運算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數(shù)據(jù)，還可以進行位變量的處理。 2) 數(shù)據(jù)存儲器 片內(nèi)為128 個字節(jié)，片外最多可外擴至64k 字節(jié)，用來存儲程序在運行期間的工作變量、運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲器。 3) 程序存儲器 由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲器 的容量不夠，則需用擴展片外的只讀存儲器，片外最多可外擴至64k 字節(jié)。 4) 中斷系統(tǒng) 具有5 個中斷源，2 級中斷優(yōu)先權(quán)。 5) 定時器/計數(shù)器 片內(nèi)有2 個16 位的定時器/計數(shù)器， 具有四種工作方式。 6) 串行口 1 個全雙工的串行口，具有四種工作方式?？捎脕磉M行串行通訊，擴展并行 I/O 口，甚至與多個單片機相連構(gòu)成多機系統(tǒng)，從而使單片機的功能更強且應(yīng)用更廣。 7) P1 口、P2 口、P3 口、P4 口 為4 個并行8 位I/O 口。 8) 特殊功能寄存器 共有21 個，用于對片內(nèi)的個功能的部件進行管理、控制、監(jiān)視。實際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個具有特殊功能的RAM 區(qū)。 4．1．3．2 引腳及其功能 1) 電源及時鐘引腳 VCC：接+5V 電源正端； VSS：接+5V 電源地端； X1：接外部晶體振蕩器的一端； X2：接外部晶體振蕩器的另一端。 2) 控制引腳 RESET：單片機上電復(fù)位端。 ALE：當訪問外部存儲器時，ALE 一每機器周期兩次的信號輸出，用于 鎖存出現(xiàn)在P0 口的低8 位地址。 PSEN：為片外程序存儲器讀選通信號輸出端。 EA ：為訪問外部程序存儲器控制信號，低電平有效。 3) 輸入/輸出引腳 P3 口的第二功能： P3.0：RXD，串行輸入通道； P3.1：TXD，串行輸出通道； P3.2：INT0，外部中斷0； P3.3：INT1，外部中斷1； P3.4：T0，計數(shù)器0 外部輸入； P3.5：T1，計數(shù)器1 外部輸入； P3.6：WR ，外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通； P3.7： RD，外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通。 圖4-1 89c51 引腳圖 4.2 驅(qū)動芯片的選擇 4．2．1 驅(qū)動芯片概念 在微機控制系統(tǒng)中，還要處理另一類數(shù)字量，即開關(guān)信號、脈沖信號。 它們是以二進制的邏輯“1”和“0”，即電平的高和低出現(xiàn)的。如開關(guān)觸電 的閉合和斷開，指示燈的亮和滅，繼電器和接觸器的吸合和釋放，馬達的啟 動和停止，晶閘管的通和斷，閥門的打開和關(guān)閉等，我們稱為開關(guān)量。開關(guān) 量所控制的執(zhí)行器所要求的控制電壓一般都比較高，電流一般都較大，有的 是直流驅(qū)動，有的是交流驅(qū)動，必須根據(jù)具體對象采用適當?shù)慕涌凇ｉ_關(guān)量 的輸出接口實質(zhì)上是利用計算機做“弱電”控制“強電”。它需要解決兩個 重要問題：隔離和驅(qū)動。 用單片機控制各種各樣的高壓、大電流負載，如電動機、電磁鐵、繼電 器、燈泡等時，不能用單片機的I/O 線來直接驅(qū)動。P0、P1、P2、P3 四個口都可以做輸出口，但其驅(qū)動能力不同。P0 口的驅(qū)動能力較大，當其輸出高電平時，可提供400 m A的電流；當其輸出低電平（0.45V）時，則可提供3.2mA的灌電流，如低電平允許提高，灌電流會相應(yīng)加大。P1、P2、P3 口的每一位只能驅(qū)動四個LSTTL，即可提供的電流只有P0 口的一半。所以，用低電平輸出可獲得比高電平輸出更大的驅(qū)動能力。目前，一些MCS-51 系列單片機的引腳驅(qū)動能力有所提高，如89C2051，一些引腳可提供20mA 的灌入電流。但大多數(shù)場合，單片機I/O 口的驅(qū)動能力是不夠的，必須通過各種驅(qū)動電路的開關(guān)電路來提高驅(qū)動能力。 4．2．2 L298芯片原理 L298N 為SGS-THOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片( Dual Full-Bridge Driver ) ，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相步進電機的專用驅(qū)動器，可同時驅(qū)動2個二相或1個四相步進電機，內(nèi)含二個H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準 TTL邏輯準位信號，可驅(qū)動46V、2A以下的步進電機，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機的IO端口來提供模擬時序信號。L298N 之接腳如圖所示，Pin1 和Pin15 可與電流偵測用電阻連 接來控制負載的電路； OUTl、OUT2 和OUT3、OUT4 之間分別接2 個步進電機；input1~input4 輸入控制電位來控制電機的正反轉(zhuǎn)；Enable 則控制電機停轉(zhuǎn)。 4．3流程圖： 4．4 匯編程序 org 0000h ljmp start org 0100h start: lcall m2l ；使2電機反轉(zhuǎn)，達到回歸原點的目的 lcall m1u ；先X軸方向電機反轉(zhuǎn)，后Y軸方向電動機反轉(zhuǎn) mov a,#0ffh mov p0,a xjac: jnb p1.6,goa ；循環(huán)監(jiān)測去向信息 jnb p1.7,goc ajmp xjac goa: lcall m1d ；去A處 lcall delay ；在A處等待2秒，方便添加中斷，執(zhí)行中斷 lcall m1u ljmp start goc: lcall m2r ；去C處 lcall m1d lcall delay lcall m1u lcall m2l ljmp start ;*-------------------------------------------------------------------------------------- ；M1正轉(zhuǎn)子程序 m1d: mov a,#00010001b mov p0,a loop: jnb p1.0,stopm1 jnb p1.5,stopm1 mov b,#2 ajmp loop stopm1: lcall sdelay djnz b,loop mov a,#0ffh mov p0,a mov a,p1 mov p2,a ret ;*------------------------------------------------------------------------------------- ；M1反轉(zhuǎn)子程序 m1u: mov a,#00010010b mov p0,a loop1: jnb p1.1,stopm2 jnb p1.4,stopm2 mov b,#2 ajmp loop1 stopm2: lcall sdelay djnz b,loop1 mov a,#0ffh mov p0,a mov a,p1 mov p2,a ret ;*----------------------------------------------------------------------------------- ；M2正轉(zhuǎn)子程序 m2r: mov a,#00100100b mov p0,a loop2: jnb p1.3,stopm3 mov b,#2 ajmp loop2 stopm3: lcall sdelay djnz b,loop2 mov a,#0ffh mov p0,a mov a,p1 mov p2,a ret ;*-------------------------------------------------------------------------------- ；M2 反轉(zhuǎn)子程序 m2l: mov a,#00101000b mov p0,a loop3: jnb p1.2,stopm4 mov b,#2 ajmp loop3 stopm4: lcall sdelay djnz b,loop3 mov a,#0ffh mov p0,a mov a,p1 mov p2,a ret ;*-------------------------------------------------------------------------------- ；延遲2s子程序 delay: mov r7,#100 dell1: mov r6,#100 dell2: mov r5,#100 dell3: djnz r5,dell3 djnz r6,dell2 djnz r7,dell1 ret ;*------------------------------------------------------------------------------ ；消抖延遲程序 sdelay: mov r7,#25 del2: mov r6,#20 del1: djnz r6,del1 djnz r7,del2 ret ;*----------------------------------------------------------------------------- 結(jié)論 本文全面介紹了機械手的軟件與硬件的設(shè)計思路，并且按照工廠應(yīng)用的特點進行了改進。利用本機械手可以輕松做到多類別零件的分類，故本機械手采用了直流電機，其可控性優(yōu)越且容易通過設(shè)計算法消除外來干擾信號，調(diào)速范圍大，靜態(tài)性能好。同時，直流電機的帶動負載的能力要遠遠大于步進電動機。適合應(yīng)用于工廠車間。程序采用匯編語言編程，在功能實現(xiàn)上基本滿足要求，采用子程序結(jié)構(gòu)，使程序的可讀性有了較大的提高。本機械手考慮到實際應(yīng)用情況，作為搬運機械手，對位置的精確性要求并非特別嚴格，所以并未增加電機部分轉(zhuǎn)速的回饋。節(jié)約了生產(chǎn)成本，但硬件結(jié)構(gòu)與軟件程序為增加轉(zhuǎn)速回饋留有修改位置。方便將來對該搬運機械手進行精確性改進。在電機的控制按鈕處，我考慮到有抖動的情況會致使電機誤操作，故設(shè)計了消抖的環(huán)節(jié)，以便于更精確的對電機進行控制，防止由于電壓或電流不穩(wěn)定造成的誤觸發(fā)。設(shè)計更為合理。 參考文獻 [1] 劉丁.自動控制理論,高等教育出版社2005,40~53. 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