机械手臂控制系统的设计.docx
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机械手臂控制系统的设计
摘要：
随着科技的进步，在当代工业生产中越来越多的应用到机器人，而机械手在数十年的发展中越来越成熟，其作为一种自动化生产设备，在很多生产场所应用都很多，因为目前软件编程应用越来掠夺，其便利性，也可应用到机器人的控制当中。
机器人可以模仿人的各种简单动作，，在智能与各种环境的适应方面更是表现突出。
机械手技术应用的广泛，其主要原因是涉及到诸多学科，例如：
模数电、机械控制、自动化、计算机、传感器等科学领域，是一门综合各方技术与一体的一种技术。
此次设计我们采用AT89C51单片机作为为系统控制核心，在电机控制芯片方面，我们用到了L298电机控制芯片，由它来控制电机的启停、速度和方向，完成机械手设计预定的基本要求。
在对电机的控制方面，用到了PWM技术，利用到占空比的计算，达到精确调速的目的。
关键词：
机械手臂；单片机AT89C51；电机控制，L298电机控制芯片；PWM技术
Thedesignofthecontrolsystemofthemanipulator
Abstract:
withtheprogressofscienceandtechnology,moreandmoreapplicationinmodernindustrialproductiontotherobot,therobotismoreandmorematureinthedecadesofdevelopment,asakindofautomatedproductionequipment,andappliedinmanyproductionenvironmentsaremany,becausethecurrentsoftwareapplicationistoplunder,itsconvenience,canalsobeappliedtothecontroloftherobot.Robotscanimitateavarietyofsimplehumanmovements,inintelligenceandavarietyofenvironmentaladaptationisoutstanding.Manipulatortechnologyiswidelyused,itsmainreasonisinvolvedinmanydisciplines,suchas:
modularelectricity,mechanicalcontrol,automation,computers,sensorsandotherscientificfields,isacomprehensivetechnologyandintegrationofatechnology.
ThisdesignweuseAT89C51microcontrollerasthesystemcontrolcore,inthemotorcontrolchip,weusedL298motorcontrolchip,byittocontrolthemotorstartandstop,speedanddirection,tocompletethemanipulatordesignpredeterminedbasicrequirements.Inthemotorcontrol,theuseofPWMtechnology,theuseofdutycyclecalculation,toachievethegoalofaccuratespeedregulation.
Keywords:
mechanicalarm;SCMAT89C51;Motorcontrol,L298motorcontrolchip;ThePWM
绪论
机器人，作为现代工业生产中应用最多的一项技术，它的控制核心可以用到单片机或者PLC，而且它涉及到许多的学科，例如：
自动控制理论，计算机软件编程，电力电子技术，人工智能系统的设计，机械工程设计等等，正因为这样，所以许多工程师将这些技术集中综合后会有许多不同的设计成果，但是其功能方面其实是大同小异的。
科技的进步，给了我们许多创新的机会，经过了几十年的发展，机器人的研究已经取得了不错的成就，而且，在工业生产中，机器人技术的先进性也体现着一个国家的科学技术发展的快慢。
这次的毕业设计是：
机械手臂控制系统的设计，对于一般机械手臂的控制系统来说，机械手臂各活动部件，可以采用电机驱动，通过控制核心CPU发送的控制信号进行功率放大，转换后，进而控制电机停止与转动，再通过各个电机的协调配合运动，完成机械手的一系列操作，例如：
上下，左右，前后运动等。
在现实的工业生产中，机械手臂应用广泛，尤其是在代替人类工作方面效果突出，因为它不仅可以提高生产效率和自动化水平。
而且能够避免发生人在危险工作环境下发生损伤。
工业生产中经常出现的体积大且难以搬运的物件，时常进行某一项特定的工作，如果单纯用人力去完成的话，费时费力，而且效率不高，这种情况下，采用机械手臂去进行工作，将会变得非常明智。
机器人可以按照预定的生产程序进行各种实际的操作，对实现，工业生产的自动化与现代化，推动生产力的发展非常的重要作用。
科学技术是第一生产力，这句话在这方面体现的淋漓尽致，其具有强大的生命力，在很长的时间以来，总是受到人们的关注。
但是，机器认的发展与创新任然是一个漫长的道路。
需要越来越多的创新人才不断努力才能有所突破，机器人技术由于与很多领域学科有关，所以需要更多的综合性人才，同时各领域互帮互助，为机器人发展找寻突破点
1机械手
1.1机械手的当代应用
工业生产中机械化、自动化是最主要的。
对于工业生产的自动化与连续性问题，因为自动控制等原理的广泛应用，自动化的问题，已经有很大的解决。
但在机械工业中，工件的加工、装配等生产，却是不连续的，新型机械手臂的出现，正好为其找到了突破点，并且智能机器人的应用，更是为这些生产的机械化，奠定了扎实的基础。
1.1.2机械手的工作方式
机械手是一种模仿人类肢体行动的一种结构。
通过设定要实现功能的程序来实现对实际情况的模拟运行。
1.2机械手一般组成
首先机械手要做到能够像人一样工作，必须就要具备类似于人的各种器官，手臂，关节，（执行机构）进行各种实际的操作，大脑（控制系统）对实际的情况进行判断，并做出指令，还有能够提供动力支持的心脏（驱动装置）。
因此，机械手的一般组成就是，执行机构，控制系统，驱动装置。
其具体关系如图1-1所示
图1-1机械手一般组成
对于一些智能机械手，则必须有一定的智能处理系统，可以区别分析具体的工作环境，并对现场的状况进行进行必要的处理。
而要实现这些功能，就必须要用到一些传感器，例如，温度传感器，位行传感器，距离传感器等等，机械手臂的各部分组成关系，并不是简单地互相叠加，它们之间是有一定的联系的，也正是以为如此，所以一才可以实现各种复杂的操作。
其具体关系如图1-2所示。
图1-2机械手系统图
机械手的机械系统主要有：
执行机构和驱动—传动系统。
执行机构是机械手进行操作的媒介，通过特定的机械工件之间的配合完成预定的工作任务，其组成部分一般包括手部，腕部，臀部，腰部，基座部（固定或移动），其工作的动力，由驱动系统提供。
驱动－传动系统组成部分包括：
驱动机构（电机）和传动系统。
驱动机构作用是：
提供机械手各部分运动所需的动力，传动系统作用是：
将驱动力转换为力矩或驱动力，机械手的运动条件由这项部分承担。
此外，控制系统的重要性不言而喻，作为设计的“大脑”，它对每一项指令的处理与发送都决定着预期目标的完成，综上所述，机械手的系统可简要总结为，控制，驱动以及执行。
2任务要求与总体设计方案
2.1设计任务与要求
在对预期的设计任务进行分析之后，其主要完成的功能也变得相当明确：
（1）机械手的控制系统核心，单片机（由于单片机芯片的应用广泛性，且价格低廉）；
（2）机械手的各种运动可以通过按键来实现复位。
（3）电机驱动，提供动力支持。
2.2预期设计方案
由以上的设计任务要求考虑，设计方案作为要实现其目标的框架，可以从以下三个方面来确定。
（1）机械手有上移、下移、左移、右移的运行方式；
（2）采用单片机进行控制系统的设计。
（3）机械手臂驱动运动部件的选择。
2.3系统基本设计框图
通过对设计任务要求及设计方案的分析，可初步确定系统总体设计的框图，
其系统总体设计框图如图2-1所示。
图2-1系统总体设计框图
3.硬件选择
3.1控制核心CPU的选择
相比于PLC的应用，单片机具有体积小且价格低廉，在稳定性和抗干扰方面也有很好的表现，所以采用单片机进行控制核心的应用。
3.2机械手坐标形式的选择
机械手坐标形式是一般定义为机器人机械手臂，在运动时依据的参考坐标系。
（1）直角坐标式
这种坐标形式类似于数学上的坐标系，有X轴，Y轴，Z轴。
机械手臂在运动时，依据坐标系上的空间位置来移动，在精度的准确性上可以得到满足，并且简单易行，避免出错，但是由于系统的结构较大，使用的时候灵活性有一定的限制，并且动作范围由于坐标系的限制，变得很小。
（2）圆柱坐标式
这种坐标系通过两个移动和一个转动的变化来控制机械手臂的位置。
在精度方面不如直角坐标系好，但是控制简单，出错率低，结构上也较大。
（3）极坐标式
机械手臂的运动由一个两个转动及一个直线方向的运动构成。
类似于直角坐标系中的，沿着X轴进行手臂的伸缩运动，绕Y轴与Z轴转动，这种坐标系的特点是：
结构小，精度一般，出错率较高，在平衡性方面也有一定的问题。
。
（4）关节坐标式
这种坐标系，依靠机械手臂的各关节运动进行位置的确定，动作灵活多变，出错率低，但精度和平衡性方面存在问题。
由于此设计精度要求高，因此极坐标式和关节坐标式不予选用，且其存在平衡问题。
考虑到应用要易于扩展其功能，所以机械手当采用直角坐标形式比较好。
3.3传动机构的选择
传动机构作为机械手臂运动的纽带，其作用是增加力矩，提高系统的带载能力，之所以采用传动机构的原因是，电机输出的力矩较小，并不能满足系统所需。
机械手的传动机构也有一定的要求，具体如下：
（1）结构要尽量的紧凑，在同等的传动功率和传动比情况下，要做到质量尽量小，体积也尽量小；
（2）为了能够减轻系统的低频振动，提高系统的固有频率，使驱动器输出轴与连杆关节转轴之间扭矩角小一点，所以系统的传动刚度要尽量大；
（3）为了能够得系统达到更高的位置控制精度，所以系统的回差要做到尽量的小，；
（4）价格低廉，使用寿命长。
本设计要求传动方式为电机的转动带动机械手臂的上下、左右移动，适合采用带传动。
3.4驱动方式的选择
目前可选用的驱动方式是，液压驱动，气压驱动，还有电机驱动，其特性方面的优缺点如下表3-1所示，。
表3-1驱动方式的比较
机械手驱动系统是系统的动力核心，因此对其也有一些要求，具体如下：
（1）驱动系统的质量尽可能要小，在同等的条件下，做到效率高，功率大；
（2）反应快，
（3）驱动灵活，误差小，确保了精度；
（4）经济上合理，保证了成本；
（5）操作和维护方便，便于进行系统的检修；
（6）噪声小；
（7）安全可靠；
关于最终的驱动系统选择，首先液压传动要配备专门的液压装置，造成体积过大，而且其对于工作环境也有一定的要求。
若采用气压传动，其较大的噪音造成人体不适，而且在效率方面也不能得到满足。
所以这两种方案都存在一定的缺陷。
电机的选择方面，由于步进电机步距角的误差因素，所以不予采用，可选择伺服电机驱动。
3.5驱动电机类型的选择
机械手臂驱动系统可选用的电机有：
直流电机、步进电机、舵机。
（1）：
步进电机
步进电机工作原理：
利用系统发出的电脉冲信号可转变为角位移，线位移，进行控制。
系统的精准度，则通过脉冲的频率与数量进行判断，电机转动的速度与加速度就是通过脉冲的频率来控制的。
（2）：
使用直流电机
由电磁感应原理得到交流电，经整流变成直流，再到应用。
直流电机的最大特点是驱动力大，但是在精度方面却是稍逊一筹。
。
（3）：
使用舵机
图3-1舵机图3-2舵机接线图
图3-3舵机结构图
舵机工作原理：
舵机常用的控制信号是一个周期为20毫秒左右，宽度为1毫秒到2毫秒的脉冲信号。
当舵机收到该信号后，会马上激发出一个与之相同的，宽度为1.5毫秒的负向标准的中位脉冲。
之后二个脉冲在一个加法器中进行相加得到了所谓的差值脉冲。
输入信号脉冲如果宽于负向的标准脉冲，得到的就是正的差值脉冲。
如果输入脉冲比标准脉冲窄，相加后得到的肯定是负的脉冲。
此差值脉冲放大后就是驱动舵机正反转动的动力信号。
舵机电机的转动，通过齿轮组减速后，同时驱动转盘和标准脉冲宽度调节电位器转动。
直到标准脉冲与输入脉冲宽度完全相同时，差值脉冲消失时才会停止转动。
舵机的运动灵活，可在0°~180°精确转动，能够提供较大力矩抓取物体，反应迅速且灵活多变。
综上所述，选择舵机
4.硬件电路部分设计
4.1单片机的选择
方案一：
采用常见的AT89C51单片机作为控制核心。
其应用的广泛性与普及性的到广大用户的认可。
方案二：
采用AVR单片机作为控制核心，其特点主要有：
具备1MIPS/MHz的高速运行处理能力；超功能精简指令集（RISC），具有32个通用工作寄存器，；快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号FLASH非常大，特别适用于使用高级语言进行开发；作输出时与PIC的HI/LOW相同，可输出40mA（单一输出），作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备10mA-20mA灌电流的能力；片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠；大部分AVR片上资源丰富：
带E2PROM，PWM，RTC，SPI，UART，TWI，ISP，AD，AnalogComparator，WDT等；大部分AVR除了有ISP功能外，还有IAP功能，方便升级或销毁应用程序，。
从机械手控制的稳定性和程序处理角度出发，AVR单片机是不错的选择，单要考虑应用的广泛性和普及性则选择用AT89C51作为这个电路的控制芯片
4.1.1AT89C51单片机的硬件组成
单片机虽然小，但其具有更多的功能，同时通过集成将许多部件综合到一起，极大地节省了空间，运行也非常快。
其一般组成由以下几部分，具体如图5-1所示
图5-1AT89C51单片机硬件组成
4.1.2AT89C51单片机引脚
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM-FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
外形及引脚排列如图5-2所示。
图5-2AT89C51引脚图
4.1.3主要特性
·与MCS-51兼容
·4K字节可编程FLASH存储器
·寿命:
1000写/擦循环
·数据保留时间:
10年
·全静态工作:
0Hz-24MHz
·三级程序存储器锁定
·128×8位内部RAM
·32可编程I/O线
·两个16位定时器/计数器
·5个中断源
·可编程串行通道
·低功耗的闲置和掉电模式
·片内振荡器和时钟电路
AT89C51提供以下标准功能:
4k字节Flash闪速存储器，256字节片内数据存储器（00H-7FH为片内RAM，80H-FFH为特殊功能寄存器SFR），32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
4.1.4管脚说明
VCC:
芯片上的40引脚，其作用是进行系统的供电，其工作电压一般为+5V。
GND:
芯片上的20号接地引脚。
P0端口:
P0端口指的是芯片上的32-39号即P0.0-P0.7引脚，这部分的引脚主要作用及功能是：
用于外部程序及数据的存储校验，此时可将其定义为数据/地址的低8位。
此外其实P0口是一个8位漏级开路双向I/O口，并且它的每一个引脚都可以吸收8TTL门电流。
若需将其定义为高阻态，则要将管脚的第一次写1。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。
P1口:
P1端口指的是芯片上1到8号引脚，即P1.0-P1.7引脚。
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。
P2口:
P2端口指的是芯片上的21-28号端口，即P2.0-P2.7引脚。
具体为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2端口的缓冲器可接收或者输出4个TTL门电流，当P2口被写"1"时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址"1"时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3端口指的是芯片上的10-17号引脚，即P3.0-P3.7引脚。
其管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可作为接收或者输出4个TTL门电流。
当P3口写入"1"后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，将P3口输出电流（ILL）上拉，就会造成外部下拉为低电平。
P3端口还有第二功能，具体如下:
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（计时器0外部输入）
P3.5T1（计时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
/EA/VPP:
外部访问与编程控制端口。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
4.2复位电路
复位是对单片机进行的工作初始化处理，防止程序在运行当中出现死循环和跑飞。
目前常用的复位电路有上电复位与按键复位。
有关这两部分的介绍如下所示：
（1）上电复位：
上电瞬间，电容充电电流最大，电容相当于短路，RST端为高电平，自动复位；电容两端的电压达到电源电压时，电容充电电流为零，电容相当于开路，RST端为低电平，程序正常运行。
具体如图5-1所示。
图5-1上电复位电路
（2）按键复位：
工作原理：
首先经过上电复位，当按下按键时，RST直接与VCC相连，为高电平形成复位，同时电解电容被短路放电；按键松开时，VCC对电容充电，充电电流在电阻上，RST依然为高电平，仍然是复位，充电完成后，电容相当于开路，RST为低电平，正常工作。
如图5-2所示。
图5-2按键复位电路
综上所述，并结合实际设计情况，所以此次设计采用按键复位。
此设计的复位电路图如图5-3所示。
图5-3复位电路
4.3晶振电路
在电气上它可以等效为一个电容与一个电阻并联再串联一个电容的二端网络。
电工学上这个网络可分为有两个谐振点，其区分点就是频率，频率低的是串联谐振，频率高的是并联谐振，。
因为晶体自身的特性会导致这两个频率的距离非常接近，在这个非常窄的频率范围中，晶振将等效为一个电感,所以要想形成并联谐振，就必须在晶振的两端并联合适的电容，将这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就会构成正弦波振荡电路，也就是晶振电路。
晶振电路系统可靠性的保障，其作用与地位不可忽视，因此对于其选择怎样的晶体尤为重要，尤其是对于一些带有睡眠功能的低功耗系统，因为低压供电会使其提供给晶体的功率减少降低，这样就会造成晶体的起振时间很长或者有可能不会起振，而这个现象在上电复位时不会特别的明显而察觉，以为在上电时电路中有足够的扰动，所以很容易就会建立振荡。
而在睡眠唤醒的时候，有关扰动小的因素就会体现出来，起振也变得异常困难，振荡回路当中，晶体不能过激励（导致振荡到高次谐波）也不能欠激励（造成不易起振），由此晶体的选择必须要考虑以下几个因素：
负载电容，温度特性，长期稳定性，激励的功率，谐振的频率点。
晶振电路图如5-4所示。
图5-4晶振电路图
4.4时钟电路设计
此设计中单片机的工作脉冲电路采用的晶振为2MHZ的工作脉冲。
这里用到两个端口，振荡器反相放大器与内部时钟发生电路的输入端口，即XTAL1端口。
振荡器反相放大器的输出端口即XTAL2端口。
其在电路中起着引导作用，例如它可以将直流电变为交流电供系统使用。
振荡电路如图5-5所示。
图5-5单片机工作时钟脉冲电路设计
4.5矩阵按键模块
为了减少单片机IO口的使用，单片机通过矩阵按键来实现，这种按键当被按下时，因为是机械式的开关，所以键会震动一段时间，为了避免这种局面的出现，我们应该在侦测到有键位被按下时，延迟一小段时间，从而使键位跳过抖动状态至稳定这状态，这样再去判读所按下的键，就可以使键盘稳定输入，如图5-6所示
图5-6矩阵按键
4.6数码管显示电路
根据实际的设计情况，显示模块采用4个共阳极的LED数码管，其有4个位选线端和32条段码线，由此来控制数码管的亮暗。
此设计采用动态扫描的显示方式，。
由4个PNP三极管和电阻组成数码驱动电路，驱动数码管显示。
其具体电路模块如图5-7所示
图5-7数码管显示电路
4.7驱动电路
4.7.1驱动芯片概念
在计算机控制系统当中，有一些数字量是需要处理的，例如，脉冲信号，开关信号，因为他们都是以二进制的逻辑出现（逻辑“1”和逻辑“0”），也就是一般说的高电平与低电平例如灯的亮与灭，开关的闭合与断开，电机的启动与停止等，我们一般称之为开关量，而有关开关量的控制，其执行器要求的控制电压一般较高，电流也较大，有直流驱动和交流驱动之分，因此要根据实际的对象选用适当的接口。
一般来说开关量的输出接口实际上是通过计算机用“弱电”控制“强电”，这样的话，就需要解决两个问题，驱动和隔离。
当选用单片机控制各种大电流，高压负载，如电磁铁，继电器，灯泡，电动机时，不能采用单片机的I/O线直接驱动。
可以做输出的四个口有P0,P1,P2,P3,但是每个端口的驱动能力又有所不同，P0口的驱动能力大，输出高电平时，可以提供400毫安的电流，当输出为低电平时，可提供3.2毫安的电流，若低电平允许提高，则电流对应加大。
P1,P2,P3口其中的每位却只能驱动四个LSTL，即提供的电流只有
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