柔性驱动机器人手臂的位置伺服控制系统设计.docx
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柔性驱动机器人手臂的位置伺服控制系统设计
届毕业生
毕业论文
题目:
柔性驱动机器人手臂的位置伺服控制系统设计
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年06月10日
摘要
中央空调系统是密闭或半封闭系统，当送风系统和回风系统使用一定时间后，在风道和滤网上聚集大量灰尘、细菌和菌藻等，这些物质通过风道随风吹入房间，严重影响人们健康。
为了规范空调通风系统的清洗，管道清洁机器人便应运而生了。
本课题主要完成硬件系统平台构建和软件系统的部分设计，硬件系统包括电位器、数据采集转换装置、电机驱动器及电机、数码显示部分。
数据采集装DS2450将由电位器控制的输入电压采集并转换成数字量输入到单片机中，由单片机发送控制脉冲控制电机转动。
针对单片机如何控制直流电机这个问题，我选用SDA/10数字式直流伺服驱动器来驱动直流电机转动，SDA/10数字式直流伺服驱动器的输入指令采用脉冲/方向信号，实现了单片机对直流电机速度、位置、正反转的控制。
软件编程部分针对如何判断电机正反转问题，我首先设定第一次（刚上电时电位器所输出的电压）采集来的数据作为基准，再采集来的数据与上次做比较，从而实现了单片机对电机转动方向的控制。
关键词：
清洁机器人；伺服控制；控制器；DS2450
TitleTheDesignoftheServoControlSystemonthePositionofFlexible-drivenRobotArms
Abstract
BecauseofCentralair-conditioningsystembeingclosedorsemi-closedsystem,therewillbealotofdust,bacteria,algaebacteriagatheringonzheroadofwindandthefilter,whentheairsupplysystemandreturnairsystemusesacertainperiodoftime,therewillbehavingseriouslyaffectedonpeople'shealth,ifThesesubstanceswiththewindthroughzheroadofwindblowintotheroom.
（空2行）
Keywords××××××××××××（小4号TimesNewRoman）
（小4号黑体TimesNewRoman）
AbstractII
1.引言1
1.1背景及意义1
1.2国内外发展现状1
1.3总体要求3
2方案论证3
2.1微控制器模块3
2.2数据采集模块4
2.3显示模块4
2.3.1显示器4
2.3.2显示驱动5
2.4电机驱动模块5
2.5单片机振荡电路的设计6
2.5.1内部时钟方式6
2.5.2外部时钟方式7
2.6复位电路的设计7
2.6.1复位信号的产生7
2.6.2复位状态8
2.7总体方案8
3硬件设计9
3.1数据采集模块9
3.2电机驱动模块9
3.3数码显示模块10
图3.3数码管显示原理图11
4系统的软件实现12
4.1开发软件及编程语言12
4.2程序设计总流程图12
4.3数据采集模块流程图14
4.3.1数据采集总流程图14
4.3.3读写字节流程图17
4.3电机驱动流程图19
（空2行）
1.引言
1.1背景及意义
近年来，中央空调与通风系统已成为许多建筑中必不可少的一项重要设施。
据统计，仅上海市安装有中央空调系统的各类楼宇就有3000多幢，另外，生物制药行业、集成电路行业以及医院、疗养院等特殊场所对室内空气质量的要求也非常高。
随着人们生活水平的提高，中央空调系统还会进入普通市民家。
面临着这样一个大市场，楼宇“洗肺”必将形成一个大产业。
中央空调系统是密闭或半封闭系统。
当送风系统和回风系统使用一定时间后，在风道和滤网上聚集大量灰尘、细菌和菌藻、腐蚀掉落风管内壁材料等，甚至还有一些昆虫的尸体。
这些物质通过风道随冷（热）风吹入房间，严重影响处于这些环境中的人们的生命和健康。
由于发达国家很早就认识到中央空调系统通风管道清洁的重要性，已研制开发出了多种类型清洁机器人。
据统计，环境空气污染来自空调通风系统的占42%--53%。
随着人们对使用空调可能会造成疾病的转播的认识（如军团菌），特别是发生在2003年的极具传染性的“非典型肺炎”的肆虐，更使人们深刻意识到清洗空调系统的重要性。
为了规范空调通风系统的清洗，防止空调系统或通风系统清洗工程可能造成的二次污染，以及污染物在清洗过程中的扩散，国家标准化管理委员会在2003年制定并实施了《空调通风系统清洗规范》国家标准。
同时，国家发布的《大型公共场所中央空调通风系统清洗的通知》中，也严格规定了中央空调系统的空气质量指标。
1.2国内外发展现状
由于发达国家很早就认识到中央空调系统通风管道清洁的重要性，已研制开发出了多种类型清洁机器人。
我国随着中央空调大量的使用，尤其是在2003年“非典”之后，也意识到了该问题的重要性和紧迫性。
先后有中科院沈阳自动化所、东华大学等一些科研院所进行了相关的研究，并取得了一定的成果。
但是研制出的清洁机器人大都是运用轮式或双履带式移动机构，仅适用于水平或坡度不大的通风管道的清洗工作，而对垂直管道的清洗无能为力。
用于垂直表面清洁的主要有两种方法：
一种是靠升降平台或吊蓝搭载清洁工人进行玻璃窗和壁面的清洗；另一种是用安装在楼顶的轨道及索吊系统将擦窗机对准窗户自动擦洗。
采用人工的方式清洁玻璃窗和壁面，工作强度大和环境比较差，且会对工人的心理造成极大地影响。
后一种方式，要求在建筑物设计之初就将擦窗系统考虑进去，而且它无法适应阶梯状造型的壁面，这就限制了这种方法的使用。
目前这两种清洁方法正逐渐被爬壁式机器人所代替。
在石油管道、煤气管道、电厂管道等截面为圆形的管道检测和维修中所使用的主要是一种爬壁式机器人。
这种爬壁机器人采用了包括螺旋轮移动机构、行星轮移动机构、压电片驱动移动机构、履带式驱动机构、“整杆驱动”（WholeStemDrive）等在管道内的驱动移动机构。
这类管道机器人对管道直径有一定的约束范围。
如国内科研机构研制的适用于直径为10mm、20mm的管道检测机器人，它采用压电驱动原理和形状记忆合金记忆功能实现其作业功能，爬行速度在6~8mm/s。
英国的科研人员研制的用于直径为25mm、50mm、150mm的管道的管内检查机器人，以及国内相关科研院所试制出了适于多种直径的自适应型管道机器人。
此外，该类型的机器人不但具有清洁垂直管道的能力，而且在不受人工干涉的条件下成功的通过几十米长、任意大曲率半径的管道，还可以成功辨识管道壁上的缺陷与管内的物体以及管道的维修工作。
但这类管道爬壁机器人适合管道横截面为圆形，管道内部平滑没有大的凸凹的环境。
不适用管道的横截面为矩形，且表面很不光滑的中央空调垂直风管的清洁工作。
爬壁机器人有负压吸附和磁吸附两种吸附方式，大楼擦窗机器人采用的是负压吸附方式。
比较典型的是英国学者Akinfiev开发的机器人。
该机器人的各条腿上都安装了电磁系统，以便机器人吸附在金属表面上。
并利用摩擦系数大的弹性材料制成的辅助支撑元件提高机器人对滑动的稳定值。
这种表面可以是垂直的，也可以是倾斜的，坡度值也可以为负值。
吸附式结构的机器人本身结构复杂，体积和质量都比较大，要求墙壁的外表面平整和光滑。
而空调管道安装有通风孔和其它一些附属部件，表面并不平整，管道容积有限，不可能进入大型的清洁设备。
所以很难将吸附式机器人应用在中央空调管道的清洁中。
由此可见，在空调垂直风管的清洁中最重要的就是移动机构的设计和选择。
在这方面，仅有日本九州大学进行相应的研究，该系统采用嵌入式控制系统，主从遥控操作方式，但是此项研究处于起步阶段，而国内基本处于空白状态。
1.3总体要求
本课题设计研究的是管道清洁机器人的伺服控制系统，在直流伺服电机速度和位置伺服的基础上，应用单片机技术，设计相关的硬件和软件，能够精确的控制电机的速度、位置、正反转等物理量，满足柔性手臂精确位置伺服驱动的要求。
2方案论证
本方案以单片机80S52为核心，通过对其进行软件编程，实现该单片机对其外围电路的适时控制，并提供给外围电路各种所需的信号，包括电机转动所需要的方向和脉冲信号、数据处理信号和译码显示信号。
硬件设计的任务是根据总体设计要求，在所选择机型的基础上，确定系统扩展所需要用的电机驱动器，直流电机，显示电路，A/D电路以及有关外围电路等，然后设计出系统的电路原理图。
整个系统可以划分为数据采集模块，微控制器模块，电机驱动模块，显示模块。
为实现各模块功能，分别设计了几个不同的方案，并进行论证。
2.1微控制器模块
微控制器是整个系统的核心，负责整个系统的一系列动作。
按题目要求主要用于完成数据的采集，实现电机转速及位置控制和设定数据的实时显示等。
为达到设计要求，有如下的设计方案：
基于PLC的系统一般采用工业人机界面（触摸屏），便于与PLC接口。
基于工控或者个人计算机的系统采用标准键盘和CRT显示或液晶显示器，是工控机或者个人计算机标配的外部输入输出设备。
在数据采集通道方面，基于MCU的系统一般自行设计信号调理电路和AD转换电路，具有针对性强，价格低廉，电路冗余量小的特点。
基于PLC的系统一般选用与PLC同系列的模拟量输入模块。
便于与PLC接口。
其特点仍然是价格贵，但具有很高的可靠性和测量精度。
基于工控机或个人计算机的系统一般采用数据采集卡或远程数据采集模块，也可以得到较高的精度，不需要进行专门的硬件设计，缩短研发周期，但同样存在成本方面的问题。
随着单片机在各个领域的全面深入的发展和应用，出现了高速和大范围寻址强运算能力的单片机，80C51系列单片机已成为单片机发展的主流。
其特点是体积小，重量轻，价格低，耗电少，抗干扰能力强，可靠性高，面向控制，控制功能强，运行速度快。
80C51系列单片机新的一个分支称为89系列单片机，它的最突出优点是把快擦写存储器应用于单片机中，且AT89系列单片机的引脚和80C51是相同。
综合考虑以上因素本系统选用AT89S52。
2.2数据采集模块
当输入量为模拟量时，模拟量不能直接输入到单片机中要先经过A/D将模拟量转化成数字量再输入到单片机中。
本课题是通过旋转电位器调节输入电压再由A/D转换器将其转换成数字量来控制电机位置，有如下控制方案：
ADC0809是8位逐次逼近型A/D转换器。
它由一个8路模拟开关、一个地址锁存译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路0-5V模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。
但其分辨率只有8位，而实际应用中，12位A/D转换器使用更加普遍。
DS2450是DALLAS公司生产的单总线四通道逐次逼近式Ａ/D转换器芯片，它的输入电压范围、转换精度位数和报警门限电压均可编程；每个通道均可用各自的存储器来存储电压范围设置、转换结果和门限电压等参数。
DS2450采用8脚SOIC小体积封装。
它既可用单5V电源供电，也可采用寄生电源方式供电，芯片正常工作时的功耗仅2.5mw，空闲时的功耗为25µm。
多个DS2450或其它功能的具有MicroLAN接口的单总线芯片可以并联，CPU只需一根端口线就能与诸多单总线芯片通信，而且占用微处理器的端口较少，因此可节省大量的引出脚和逻辑电路。
DS2450的工作时序DS2450的一线工作协议流程是：
初始化功能命令——存储器读写——转换控制功能命令——传输数据，其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序。
2.3显示模块
2.3.1显示器
在单片及应用系统中常用的显示器主要有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器）。
这两种显示器具有耗电省、配置灵活、线路简单、安装方便、耐振动、寿命长等优点。
两者相比，LED显示器价格更低廉，结构简单，在各种仪器仪表中得到了广泛的应用。
LCD液晶显示器是一种极低功耗的显示器因其高清晰度和大信息量等特点，被广泛应用于小型仪器的显示中。
我们通常根据实际需要选择所要使用的显示器。
LED显示器即是我们平时所使用的数码管，LED显示器可以分为LED静态显示和LED动态显示两种方式：
静态显示电路，在位数较多时字符更新速度慢，电路比较复杂，成本也较高。
因此实际应用中常常采用动态方式。
LED动态显示方式不但能够提高数码管的发光效率，并且由于各个数码管的字段线是并联使用的，从而大大简化了硬件线路。
动态扫描显示接口虽然硬件简单，但其使用单片机的端口较多，需外接8155来扩展I/O口，且在使用时必须反复循环显示，若CPU需作其他操作，只能插入循环程序中，这就降低了CPU的工作效率，所以在实际应用中要根据具体情况选择显示方式。
本课题显示器精度要求不是很高，故采用LED显示器即可满足要求，且数码显示只有四位，采用静态显示显示更新速度不会很慢，也可提高CPU的工作效率。
2.3.2显示驱动
现在市场上出售的专用LED驱动器种类有很多,且大多数功能较多,但价格相应地也较高,如果用在低成本的简单系统中,不仅是一种资源的浪费,而且增加了产品的成本。
本课题选用74HC595芯片驱动LED有以下特点:
速度较快,功耗较小,LED的数目多少随意,既可以控制共阴极的LED显示器,也可以控制共阳极的LED显示器,可以软件控制LED的亮度,还可以在必要的时候关断显示（数据保留）,以减小功耗,并可随时唤醒显示。
用它设计的电路,不仅软硬件设计简单,而且功耗低,驱动能力强,占用的I/O口线较少,是一种造价低廉,应用灵活的设计方案。
2.4电机驱动模块
SDA/10数字式直流伺服驱动器（俗称980控制器）采用了优越的功率模块及先进的制造手段而生产的驱动器。
该款驱动器在用与位置控制时，由于其输入指令采用脉冲/方向信号，与步进驱动系统的指令相兼容，这使得用户可以很方便的将伺服电机用于步进控制系统中，在用于速度控制系统时，编码器的位置反馈有效的消除了模拟伺服静止时的“零飘”现象。
在小功率的运动控制系统的应用中，该驱动器能够在上、速度、精度、噪声、低速平稳性等方面达到或超过数字式交流伺服系统。
同时其具有较大范围的输出功率范围，具有过流、短路保护装置，具有较高性价比。
2.5单片机振荡电路的设计
计算机工作时序是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的。
这个脉冲是由单片机控制器中的时序电路发出的。
单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。
为了保证各部件间的同步工作，单片机内部电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。
提供给CPU时序的需要相应的硬件电路，即振荡器和时钟电路。
80C51系列单片机内部有一个高增益反向放大器，用于构成振荡器，但要形成时钟，外部还需附加电路。
80C51的时钟产生方法有以下两种：
2.5.1内部时钟方式
利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷谐震荡器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路。
见图2.1，外接晶振时，C1和C2值通常选择位30µF左右；外接陶瓷谐振器时C1和C2约为47pF。
C1、C2对频率有微调作用，晶体或陶瓷谐振器的频率范围可在0MHz-24MHz/33MHz之间选择。
为了减少寄生电容，更好地保证谐振器稳定可靠地工作，谐振器和电容应尽可能安装得与单片机靠近。
图2.1内部时钟方式
2.5.2外部时钟方式
此方式是利用外部振荡脉冲接入XTAL1。
对于CHMOS型的89C51/S51/C52/S52单片机，因内部时钟发生器的信号取自反向放大器的输入端，故采用外部时钟源时，接线方式为外时钟信号接至XTAL1，XTAL2悬空，如图2.2所示，
图2.280C51外部时钟源接法
外部时钟信号通过一个二分频的触发器而成为内部时钟信号，要求高、低电平的持续时间都大于20ns，一般为频率低于24MHz/33MHz的方波。
当多块芯片同时工作时，这种方式便于同步。
相对于外部时钟方式，我们更熟悉内部时钟方式，且内部时钟方式所需的晶振和电容较便宜，成本较低。
2.6复位电路的设计
复位是单片机的初始化操作，单片机在启动运行时，都需要先复位，它的作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
例如复位后，PC初始化为0，于是单片机自动从0单元开始执行程序。
因而复位是一个很重要的操作方式。
单片机本身一般是不能自动进行复位的（在热启动时本身带有看门狗复位电路的单片机除外），必须配合相应的外部电路才能实现。
2.6.1复位信号的产生
单片机的整个复位电路包括芯片内、外二部分，外部电路产生的复位信号通过复位引脚RST进入片内一个斯密特触发器（抑制噪声作用）再与片内复位电路相连，80C51内部复位电路原理图见。
复位电路每个机器周期对斯密特触发器的输出采样一次。
当RST引脚端保持两个机器周期（24个时钟周期）以上的高电平是单片机进入复位状态。
其实在实际当中复位电路有上电复位和手动复位两种在这个设计当中用的是上电复位，相当于复位端通过电阻与VCC相连来实现的具体电路如图2.3所示。
图2.3复位电路原理图
2.6.2复位状态
复位时，ALE和PSEN成输入状态，即ALE=PSEN=1，片内RAM不受复位影响。
复位后，P0~P3口输出高电平且使这些双向口皆出于输入状态，并且将07H写入栈指针SP，同时将PC和其余专用寄存器清为零，此时单片机从起始地址0000H开始重新执行程序。
所以单片机运行出错或进入死循环时，可使其复位后重新运行。
2.7总体方案
根据题目要求在直流伺服电机速度和位置伺服的基础上，应用单片机技术，设计相关的硬件和软件，能够精确的控制电机的速度、位置、正反转等物理量，满足柔性手臂精确位置伺服驱动。
本设计采用单片机作为主要控制部件，运用电位器通过控制输入电压来控制电机转动方向及转动角度，由DS2450来采集数据及转换成数字量输入到单片机，再由单片机发送控制脉冲到980控制器驱动直流电机，由编码器将电机旋转信息回馈给单片机，另外由软件编程记录脉冲数和电机旋转方向回馈给单片机形成闭环控制，并且由单片机发送控制信号通过74HC595驱动数码管显示机器人手臂转动方向和转动角度。
3硬件设计
3.1数据采集模块
通过旋转电位器得到输入电压，再由AD转换器DS2450采集电压信号将其转换成数字量。
DS2450是单总线四通道逐次逼近式AD转换器芯片，其转换精度从1－16位，有四个模拟量的输入通道分别为AIN-A、AIN-Ｂ、AIN-Ｃ、AIN-Ｄ。
这里我们选用AIN-D通道，其数字量的输出引脚为DATA引脚，将其连至单片机的P1.4。
硬件设计如图
图3.1数据采集电路
3.2电机驱动模块
SDA/10数字式直流伺服驱动器的输入指令采用脉冲/方向信号，故将其引脚DIR、STEP与单片机的P1.1、P1.0相连，通过P1.1控制电机转动方向，通过P1.0控制电机的脉冲。
光电编码盘将测得的角位移转换位脉冲形式的数字信号输出。
如图3.2所示
图3.2电机驱动电路
3.3数码显示模块
74HC595内含8位串入、串/并出移位寄存器和8位三态输出锁存器。
寄存器和锁存器分别有各自的时钟输入（SCLK和SLCK）,都是上升沿有效。
当SCLK从低到高电平跳变时,串行输入数据（SDA）移入寄存器;当SLCK从低到高电平跳变时,寄存器的数据置入锁存器。
清除端（CLR）的低电平只对寄存器复位（QS为低电平）,而对锁存器无影响。
当输出允许控制（EN）为高电平时,并行输出（Q0～Q7）为高阻态,而串行输出（QS）不受影响。
74HC595最多需要5根控制线,即SDA、SCLK、SLCK、CLR和EN。
其中CLR可以直接接到高电平,用软件来实现寄存器清零;如果不需要软件改变亮度,EN可以直接接到低电平,而用硬件来改变亮度。
把其余三根线和单片机的I/O口相接,即可实现对LED的控制。
数据从SDA口送入74HC595,在每个SCLK的上升沿,SDA口上的数据移入寄存器,在SCLK的第9个上升沿,数据开始从QS移出。
如果把第一个74HC595的QS和第二个74HC595的SDA相接,数据即移入第二个74HC595中,照此一个一个接下去,可接任意多个。
数据全部送完后,给SLCK一个上升沿,寄存器中的数据即置入锁存器。
此时如果EN为低电平,数据即从并口Q0～Q7输出,把Q0～Q7与LED的8段相接,LED就可以实现显示了。
要想软件改变LED的亮度,只需改变EN的占空比就行了。
本课题设计将CLR直接接到高电平,用软件来实现寄存器清零。
因为不需要数码管的亮度控制故直接将EN端直接接地，串行输入数据端（SDA）接P2.1，寄存器时钟输入端SCLK接P2.0,锁存器时钟输入端SLCK接P2.2。
所采用的数码管为共阳极所以将数码管COM口接+5V电源。
原理图如图3.3所示
图3.3数码管显示原理图
4系统的软件实现
4.1开发软件及编程语言
控制器采用AT89S52单片机，开发工具有WAVE6000和Kill软件仿真器，老师提供给我们软件模拟器，故我们选用Kill软件仿真器，该单片机编程语言可采用C和汇编。
C语言编程对硬件要求低，语言格式自由但效率比较低；汇编效率高，对硬件的可操作性更强，体积小，不易维护，可移植性差。
由于所用单片机内存有限，程序代码不是很多，所以采用汇编。
4.2程序设计总流程图
如图4.1所示，由电位器输入的电压经数据采集到单片机中，针对如何判断电机正反转这个问题，我先判断是否刚加电，单片机是否第一次采集数据，如果是刚加电，单片机第一次采集数据，则以此次采集数据为基准作为起点，继续采集数据，如果判断此次采集数据不是第一次采集数据，则将此次采集的数据与上次采集的数据作比较，判断正反转，向SDA/10数字式直流伺服驱动器发送脉冲/方向信号，并通过编码器A，B向单片机引脚
，
反馈两个脉冲信号，将
设置成脉冲触发方式，当
引脚有下降沿到来时，进入中断服务，此时判断编码器B端向
端所送脉冲高低电平，并通过
端记录接受脉冲的个数，当电机到达预定位置时，电机停转，此时调用显示子程序，再继续采集数据。
图4.1总流程图
4.3数据采集模块流程图
4.3.1数据采集总流程图
图4.2AD转换流程图
A/D转换程序
MAIN:
LCALLINIT2450;初始化2450;送转换控制字，启动A/D转换
MOVA,#0CCH;跳过匹配ROMLOOP:
LCALLINIT2450;初始化2450
LCALLWRITE2450MOVA,#0CCH;跳过匹配ROM
;设置Ｄ通道工作方式控制字，写入存储器地址LCALLWRITE2450
MOVA,#55H;写命令MOVA,#3CH;开始AD转换
LCALLWRITE2450LCALLWRITE2450;通道控制字和预置字
MOVA,#1CHMOVA,#08H
LCALLWRITE2450LCALLWRITE2450
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