除冰機器人的控制仿真設(shè)計(畢業(yè)論文+全套CAD圖紙)(答辯通過)

下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 除冰機器人的設(shè)計 摘 要 隨著科技的發(fā)展，機器人技術(shù)也越來越普及。在各個領(lǐng)域的發(fā)展到一定階段，機器也開始代替人的工作，對那些具有安全隱患的工作也是機器人應(yīng)用最多的地方，如今西南地區(qū)隨著天氣的影響對輸電線的破壞也越來越加重，本次設(shè)計是針對這種情況設(shè)計一種專門除冰的一種機器人，通過對內(nèi)部的控制設(shè)計達到對機械的操作，進而達到除冰的效果。在根據(jù)運動學仿真，驗證了動作規(guī)劃的合理性。接下來，用 Lagrange 法建立了機器人的多剛體系統(tǒng)動力學模型，推導(dǎo)了機器人逆動力學方程的求解算法，并結(jié)合機器人的虛擬樣機，并且考慮導(dǎo)線 的柔性，對除冰機器人單臂越障的過程進行了仿真，根據(jù)結(jié)果，為除冰機器人最薄弱的關(guān)節(jié)選擇了合適和電機，驗證了除冰機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性。最后，研究了柔性導(dǎo)線的懸掛形狀，并用 Lagrange 方程建立了機器人的剛?cè)狁詈蟿恿W模型，在ADAMS 中用除冰機器人的虛擬樣機模型和導(dǎo)線的柔性模型進行了仿真，得到機器人運動與導(dǎo)線變形間耦合特性。驗證了即使在考慮導(dǎo)線柔性的情況下， 因此，研制安全有效的除冰機械以代替人進行導(dǎo)線除冰具有較好的實用意義。 關(guān)鍵詞： 除冰機器人 ；運動學；多剛體動力學；剛?cè)狁詈蟿恿W Abstract With the development of science and technology, robotics is becoming increasingly popular. In various fields of development to a certain stage, machines began to replace the work of a place where most work is also a robot application security risks, and now the southwest with the weather damage to the transmission line more and more aggravated this design is a specialized de-icing for this case to design a robot, and internal control designed to meet the operation of machines, thus achieving the effect of de-icing.kinematics simulation to verify the rationality of the action plan. Next, using the Lagrange method, the robots multi-body dynamics model, the derivation of the algorithm of the robot inverse dynamics equations, combined with the virtual prototype of the robot, and to consider the flexibility of the wire de-icing robot single arm the more impaired the process of simulation, based on the results, the weakest de-icing robot joints to choose the right motor, verify the feasibility of de-icing design of the robot body structure. Finally, flexible wire hanging shape, and the Lagrange equations of the robot rigid-flexible coupling dynamic model, a flexible model of the virtual prototype model of the robot in ADAMS using de-icing and wire were simulated to get the robot motion coupling between the wire deformation features.verified even in the wire flexible, so the development of safe and effective de-icing machines to replace human conductors de-icing has practical significance. Key words： Deicing robot； kinematics； multi-body dynamics； rigid-flexible coupling dynamics 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 目 錄 摘 要 . 1 1 引言 . 1 1.1 除冰機器人的研究 . 1 1.2 研究現(xiàn)狀 . 1 1.3 工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)的分類 . 2 2控制系統(tǒng)的設(shè)計 . 3 2.1 工作電源及控制系統(tǒng) . 3 2.2 傳感器的應(yīng)用 . 4 2.2.1 溫度傳感器 . 4 2.2.2 光照傳感器 . 5 2.3 單片機的選用及硬件設(shè)計 . 5 2.4 8255A 芯片與 AT89C51 接口電路設(shè)計 . 7 2.5 時鐘電路的設(shè)計 . 8 2.6 ADC0809 引腳配置及其接口電路設(shè)計 . 9 3指令系統(tǒng)編程 . 11 3.1 運動及軸的指令系統(tǒng) . 11 3.2 輸入 /輸出指令說明或編程 . 12 3.2.1 程序循環(huán)和結(jié)構(gòu)循環(huán) . 12 3.2.2 恒量 . 14 3.3 軸參數(shù)說明和編程 . 14 4除冰機器人的運動模塊 . 16 4.1 無線傳輸模塊 . 16 4.2 測控系統(tǒng) . 17 4.3 控制功能模塊 . 18 4.4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 . 20 4.5 系統(tǒng)監(jiān)控程序設(shè)定 . 22 參考文獻 . 24 致 謝 . 25 附錄 . 26 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學習好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 1 1 引言 1.1 除冰機器人的研究 2008年 1月我國南方數(shù)省輸電線路遭遇歷史上罕見的冰雪災(zāi)害。長時間持續(xù)的高強度、大范圍低溫雨雪冰凍天氣 , 導(dǎo)致湖南、江西、浙江、安徽、湖北等地的電網(wǎng)發(fā)生倒塔、斷線、舞動、覆冰閃絡(luò)等多種災(zāi)害。由于溫度、濕度和風速與覆冰形成的最佳氣象條件吻合 , 南方各省的輸電線路大范圍嚴重覆冰。加之冰凍天氣持續(xù)時間長、強度大 , 導(dǎo)線和鐵塔上的覆冰表現(xiàn)為生成 發(fā)展 保持 消融 再保持 再發(fā)展的循環(huán)過程 , 冰厚不 斷增加。雪災(zāi)造成國家電網(wǎng)公司直接財產(chǎn)損失達 10415 億元 , 災(zāi)后電網(wǎng)恢復(fù)重建和改造需要投入資金390 億元。由此可見 , 如何破除輸電線路覆冰成為一個亟待解決的很有實際意義的課題。 為了達到除冰效率高、能耗小、安全性強、成本低、操作簡便、適應(yīng)力強的目的 , 本文從機械除冰的角度出發(fā) , 設(shè)計了一種輸電線路除冰機器人。特別是電力系統(tǒng)遭受毀滅性重創(chuàng)，冰災(zāi)引起了倒塔 ,現(xiàn)場調(diào)查了 2008 年湖南冰災(zāi)期間 220kV 輸電線路的受損情況 ,發(fā)現(xiàn)倒塔線路覆冰厚度主要集中在 20 60mm,同時微地形和微氣象造成覆冰加重和覆冰的不均勻性 ,檔距、塔形等對線路倒塔也存在影響。分析倒桿斷線的形式認為覆冰太厚超過設(shè)計值、垂直荷載壓垮和不平衡張力拉垮是造成線路倒塔。專家解說，高壓線高高的鋼塔在下雪天時，可以承受 2-3 倍的重量。但如果下雨凇，可能會承受 10-20 倍的電線重量。電線結(jié)冰，遇冷收縮，風吹引起震蕩，就使電線不勝重荷而斷裂。 1.2 研究現(xiàn)狀 目前，在國內(nèi)還沒有技術(shù)成熟的除冰機器人，但是，在外國這種除冰機器人技術(shù)相對比較成熟，其代表作品是加拿大的研究院設(shè)計的遙控小車，它主要用于清除電力傳輸線上的覆冰，但是該機器人質(zhì)量過大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且只能清 除倆桿塔之間的覆冰，不具備越障功能，因此不完全的代替人工線上除冰，由于這些國家的地理與氣候情況與我國相似，甚至一些國家的情況更加惡劣，為了保證電力系統(tǒng)的可靠性，提高高壓輸電線除冰的效率，減少損失，維護工人的安全，在借鑒國內(nèi)外除冰機器人以及巡線機器人的優(yōu)點，本文設(shè)計的是高壓線路除冰機器人，這種機器人可以滿足直導(dǎo)線上覆冰不是太厚情況下除冰要求。因此，研制安全有效的除冰機械以代替人進行導(dǎo)線除冰具有較好的應(yīng)用前景和實用意義。 全球氣候正經(jīng)歷以變暖為主要特征的變化，氣候變暖導(dǎo)致“厄爾尼諾”和“拉尼娜”等極端天氣氣候事 件的頻率與強度明顯增加，輸電線路所處地質(zhì)條件復(fù)雜，容易遭受冰災(zāi)等極端天氣的影響，目前國內(nèi)外對已多次發(fā)生的輸電線路冰災(zāi)事故進行了相關(guān)的研究。襲擊湖南的持續(xù)低溫、雨雪、冰凍天氣過程來臨之前，湖南溫度偏高、空氣干燥。湖南東、南、西部三面環(huán)山，向中部、北部過渡為丘陵和平地，冷空氣襲擊湖南后，湖南降溫迅速，冷暖空氣交匯形成的鋒面逆溫強度大，加上湖南北低南高的地勢使逆溫層得以加強，地勢陡增處南下冷空氣因推進受阻而徘徊駐留，隨著暖濕氣流不斷補充，易形成長時間降雨、冰凍，形成持續(xù)的雨凇。由于降溫迅速，湘西高海拔山區(qū)和緯度較 高的湘北地區(qū)地表氣溫除冰機器人的設(shè)計 2 低，但降水主要集中在湘南、湘中、湘東，且停留時間較長，導(dǎo)致湘南、湘中、湘東冰凍災(zāi)害強于湘北和湘西高海拔山區(qū)。湖南電網(wǎng)冰凍災(zāi)害是在大尺度天氣形勢控制下形成的，拉尼娜現(xiàn)象起到推波助浪的作用，冰凍災(zāi)害受損范圍與程度具有較強的微地形影響特征。長時間的低溫 (0 5 )、降水過程為覆冰提供了適宜條件。受冷暖空氣共同影響，湖南從 01-11 02-07，共出現(xiàn) 4次明顯的雨雪天氣過程，這次持續(xù)時間長的凍雨和冰凍天氣給湖南電網(wǎng)帶來了災(zāi)難性的影響。湖南省電力公司 500 kV 線路 33 條有 14 條線路倒塔 182基 ，變形 75 基，導(dǎo)線斷線或受損 159 處，地線斷線或受損 322 處； 220 kV 有 44 條線路倒塔 679 基， 110 kV 有 121 條倒塔 1864 基； 35 kV 高壓線路倒桿 6 萬 4 千多基，發(fā)生斷線超過 5萬處；低壓線路倒桿斷桿 33 萬多基，斷線近 37 萬處，在整個冰凍期間，發(fā)生了多次電網(wǎng)解裂和衡陽、郴州等地區(qū)大面積停電事故，使湖南電網(wǎng)受了有史以來最嚴峻的威脅，直接經(jīng)濟損失數(shù) 10 億元。 1.3 工業(yè)機器人的控制系統(tǒng)的分類 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)可以從不同角度分類，如控制運動的方式不同，可為關(guān)節(jié)控制、笛卡爾空間運動控制和自適應(yīng)控制；按 軌跡控制方式的不同，可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制；按速度控制方式的不同，可分為速度控制、加速度控制。 程序控制系統(tǒng)：給每個自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機器人就可實現(xiàn)要求的空間軌跡。 自適應(yīng)控制系統(tǒng)：當外界條件變化時，為保證所要求的品質(zhì)或為了隨著經(jīng)驗的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時間和條件自動改變。 人工智能系統(tǒng)：事先無法編制運動程序，而是要求在運動過程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息，實時確定控制作用。當外 界條件變化時，為保證所要求的品質(zhì)或為了隨著經(jīng)驗的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時間和條件自動改變。因而本系統(tǒng)是一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)。 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 3 2 控制系統(tǒng)的設(shè)計 2.1 工作電源及控制系統(tǒng) 要保證除冰機器人在野外大范圍內(nèi)長時間工作，必須提供持續(xù)可靠的電源。機器人一般的功率一般為幾百瓦，由于受體積和重量的限制，蓄電池組不能滿足長時間供電要求。嘗試采用小型汽油發(fā)電機為機器人供電，但汽油發(fā)電機需攜帶油箱，工 作時受環(huán)境影響大，可靠性差。由于除冰機器人一般沿高壓的電力線爬行，因此，最好能直接從電力線上獲取能源，即耦合供電。對采用電流互感器耦合從電力線上獲取電源的設(shè)計方法進行了深入研究，分析了機器人所需的最大驅(qū)動力與其重量的比率、磁芯的截面積、副邊線圈匝數(shù)等變量的關(guān)系，實驗結(jié)果驗證了方案的可行性。采用電力線耦合供電雖然解決了巡線機器人長期工作的電源問題，同時也導(dǎo)致機械機構(gòu)及控制系統(tǒng)的復(fù)雜化。這是因為機器人越障時，電流互感器磁芯須從電力線上脫離，需解決磁芯分離機構(gòu)控制和備用電源切換技術(shù) 圖 2-1 控制系統(tǒng) 這種系 統(tǒng)是適應(yīng)控制系統(tǒng)，當外界條件變化時，為保證所要求的目的或為了隨著經(jīng)驗的積累而自行改善控制系統(tǒng)，其過程是基于操作機的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時間和條件自動改變。這種是事先無法編制運動程序，而是要求在運動過程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息，實時確定控制作用。當外界條件變化時，為保證所要求的品質(zhì)或為了隨著經(jīng)驗的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過程是基于操作機的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時間和條件 自動改變。因而本系統(tǒng)是一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)。 除冰機器人的設(shè)計 4 2.2 傳感器的應(yīng)用 2.2.1 溫度傳感器 系統(tǒng)選用溫濕度一體數(shù)字式傳感器 SHT11，該傳感器將溫濕度敏感元件、信號放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器、標準數(shù)據(jù)存儲器、 I2C 總線等外圍電路集成在了一個芯片上，不需外圍電路，直接輸出經(jīng)過標定了的相對濕度和溫度的數(shù)字信號。信號強度增加，抗干擾性增強，且長期穩(wěn)定性也得到了保證，有效地解決了傳統(tǒng)溫、濕度傳感器的不足。另外，還可以精確地測定露點，不會因為溫濕度之間的溫度差而引入誤差。 （ 1）選擇測量范圍 和測量重量、溫度一樣，選擇濕度傳 感器首先要確定測量范圍。除了氣象、科研部門外，搞溫、濕度測控的一般不需要全濕程 (0-100 RH)測量。 （ 2） 選擇測量精度 。 測量精度是濕度傳感器最重要的指標，每提高 個百分點，對濕度傳感器來說就是上一個臺階，甚至是上一個檔次。因為要達到不同的精度，其制造成本相差很大，所以使用者一定要量體裁衣，不宜盲目追求 “ 高、精、尖 ” 。如在不同溫度下使用濕度傳感器，其示值還要考慮溫度漂移的影響。眾所周知，相對濕度是溫度的函數(shù)，溫度嚴重地影響著指定 空間內(nèi)的相對濕度。溫度每變化 0.1 。將產(chǎn)生 0.5 RH 的濕度變化 (誤差 )。 使用場合如果難以做到恒溫，則提出過高的測濕精度是不合適的。多數(shù)情況下，如果沒有精確的控溫手段，或者被測空間是非密封的， 5 RH 的精度就足夠了。對于要求精確控制恒溫、恒濕的局部空間，或者需要隨時跟蹤記錄濕度變化的場合，再選用 3 RH以上精度的濕度傳感器。而精度高于 2 RH的要求恐怕連校準傳感器的標準濕度發(fā)生器也難以做到，更何況傳感器自身了。相對濕度測量儀表，即使在 20 25 下，要達到 2RH的準確度仍是很困難的。通常產(chǎn)品資料中 給出的特性是在常溫（ 20 10 ）和潔凈的氣體中測量的。 （ 3） 考慮時漂 和溫漂 。 在實際使用中，由于塵土、油污及有害氣體的影響，使用時間一長，電子式濕度傳器會產(chǎn)生老化，精度下降，電子式濕度傳器年漂移量一般都在 2%左右，甚至更高。一般情況下，生產(chǎn)廠商會標明 1次標定的有效使用時間為 1年或 2年，到期需重新標定。 （ 4） 其它注意事項 。 濕度傳感器是非密封性的，為保護測量的準確度和穩(wěn)定性，應(yīng)盡量避免在酸性、堿性及含有機溶劑的氣氛中使用。也避免在粉塵較大的環(huán)境中使用。為正確反映欲測空間的濕度，還應(yīng)避免將傳感 器安放在離墻壁太近或空氣不流通的死角處。有的濕度傳感器對供電電源要求比較高，否則將影響 測量精度?；蛘邆鞲衅髦g相互干擾，甚至無法工作。使用時應(yīng)按照技術(shù)要求提供合適的、符合精度要求的供電電源。傳感器需要進行遠距離信號傳輸時，要注意信號的衰減問題。當傳輸距離超過 200m 以上時，建議選用頻率輸出信號的濕度傳感器。 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 5 2.2.2 光照傳感器 在基礎(chǔ)學科研究中， 光照 傳感器更具有突出的地位?，F(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，進入了許多新領(lǐng)域 ； 例如在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀察小到 cm 的粒子世界，縱向上要觀察長達數(shù)十萬年的天體演化 。 此外，還出現(xiàn)了對深化物質(zhì)認識、開拓新能源、新材料等具有重要作用的各種 極端技術(shù)研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強磁場、超弱磁碭等等。顯然，要獲取大量人類感官無法直接獲取的信息，沒有相適應(yīng)的傳感器是不可能的。許多基礎(chǔ)科學研究的障礙，首先就在于對象信息的獲取存在困難，而一些新機理和高靈敏度的檢測 傳感器的出現(xiàn)，往往會導(dǎo)致該領(lǐng)域內(nèi)的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學科開發(fā)的先驅(qū)。 光照 傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、資源調(diào)查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的 工程系統(tǒng)，幾乎每一個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。 由此可見， 光照 傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟、推動社會進步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國都十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展。相信不久的將來，傳感器技術(shù)將會出現(xiàn)一個飛躍，達到與其重要地位相稱的新水平。 本系統(tǒng)是采用硅光電池 2DU6 作為光照傳感器，該傳感器的短路電流信號對此進行放大到 0-5V 供 A/D 模塊轉(zhuǎn)換之用。硅光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是發(fā)電式有源元件。它 有較大面積的 PN結(jié)，當光照射在 PN 結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。 2.3 單片機的選用及硬件設(shè)計 為了適應(yīng)各種應(yīng)用領(lǐng)域的需要，世界各國都在不斷地進行研制和開發(fā)。目前世界上最具實力的單片機開發(fā)公司有：美國的 Intel、 ATMEL，荷蘭的 Philips，德國的 Siemens 等。其中 Intel 公司開發(fā)的 MCS-51 高性能 8 位機代表著單片機的發(fā)展方向，成為單片機領(lǐng)域中的主流產(chǎn)品，其他公司則紛紛推出了與 MCS-51 系列兼容的單片機， ATMEL 公司的 89 系列 Flash 單片機便是其中的一種。其以 Intel80C51/52 作為內(nèi)核，并采用可重復(fù)編程的Flash ROM 技術(shù)，是一種源于 8051 而又優(yōu)于 8051 的單片機，已成為廣大 MCS-51 用戶進行電子設(shè)計與開發(fā)的優(yōu)選單片機品種。根據(jù)系統(tǒng)的功能和要求，課題選用 ATMEL 公司 89 系列標準型單片機 AT89C51 作為控制中心。 硬件電路以 AT89C51 單片機為核心，計時采用 AT89C51 的計數(shù)器 1作為定時時鐘，人機對話接口主要由鍵盤顯示打印電路、故障報警電路構(gòu)成 ；處理轉(zhuǎn)換 (A/D)電路構(gòu)成 ；輸出控制由光隔、繼電器、執(zhí)行器件構(gòu)成 ；系統(tǒng)可靠性采取軟件數(shù)字濾波和硬狗 MAX706 等技術(shù)。人機 對話功能主要通過 4位 LED 顯示、 4位按鍵、蜂鳴器、打印機 (通過并行口 DB25 與 PC機通信打印 )來實現(xiàn)。 除冰機器人的設(shè)計 6 AT89C51 是一種低功耗、低電壓、高性能的 8位單片機，片內(nèi)帶有一個 4KB Flash EPROM，它采用了 CMOS 工藝和 ATMEL 公司的 NURAM 技術(shù)，且引腳和指令系統(tǒng)都與 MCS-51 產(chǎn)品兼容，最大特點就是其閃速存儲器優(yōu)越的在線可重復(fù)編程性能。其主要性能如下 :4KB 可改編程序Flash 存儲器，可經(jīng)受 1， 000 次的寫入 /擦除周期 ；全靜態(tài)工作 :OHZ 24MHZ； 三級程序存儲器保密 ；128B(8 位 )內(nèi)部 RAM； 32 條可編程 I/O 口線 ；2個 16 位定時器 /計數(shù)器 ；5個中斷源 ；可編程串行通道 ；片內(nèi)時鐘振蕩器 ；低功耗的閑置及掉電保護模式。 AT89C51 單片機有 40個引腳，為 CMOS 工藝雙列直插封裝 (DIP)，其引腳配置見圖 2?，F(xiàn)將各引腳功能分述如下： (l)主電源引腳 VCC 接 +5V 電源正端， GND 接 +5V 電源地端。 (2)時鐘震蕩電路引腳 XTALl 和 XTAL2 (3)控制或與其它電源復(fù)用引腳 RST、 ALE/PROG 、 PSEN 和 EA /VPPRST 為復(fù)位輸入端 ；ALE為地址鎖存允許信號， PROG 為 Flash 存儲器編程脈沖輸入端 ；PSEN 為外部程序存儲的讀選通信號 ；EA 為訪問外部程序存儲器允許端， VPP 為 Flash 存儲器編程電源 12V 輸入端。 (4)輸入 /輸出引腳 PO.O PO.7， P1.0 1.7， P2.0 P2.7 和 P3.O P3.7PO 口 (PO.0PO.7)是三態(tài)雙向口，通稱數(shù)據(jù)總線。 Pl 口 (P1.0 P1.7)是準雙向口，專門供用戶使用的I/O 口。 P2 口 (P2.0 P2.7)也是準雙向口。 P3 口 (P3.0 P3.7)是雙功能口，第一功能是一般 I/O 口，第二功能定義具體見表 1所示。存儲器分開編址的，它們有各自的尋址系統(tǒng) 、控制信號和特定功能。程序和數(shù)據(jù)存儲器在物理和邏輯上均分為兩個地址空間 :內(nèi)部存儲空間和存儲器分外部存儲空間。這里系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量不太大，程序也不太長， AT89C51 片內(nèi)的 4KBROM 閃速存儲器和 128B 的 RAM 數(shù)據(jù)存儲器即可滿足要求，無需擴展片外 RAM 和 ROM，CPU 只需訪問內(nèi)部 RAM 和 ROM，故在硬件電路設(shè)計上將 EA 和 PSEN 引腳連在一起接 VCC，由一上拉電阻將其拉高。 AT89 內(nèi)部存儲器地址空間分配為 :片內(nèi) 4KB 程序 Flash 存儲空間(0000H OFFFH)；片內(nèi) 128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲空間 (OOH 7FH)；特殊功能寄存器空間 (80H圖 2-2 AT89C51 引腳圖 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 7 FFH)；位尋址空間 (00H FFH)。 表 2-3 P3 口各引腳兼用功能表 這里本系統(tǒng)為典型的單片機應(yīng)用系統(tǒng)，由于系統(tǒng)外圍配置和應(yīng)用電路的要求現(xiàn)有并行I/O 口已不能滿足，故需要對 I/O 口線進行擴展。由于選用的單片機與 Intel 公司的 MCS-51系列是兼容的，故選用 Intel 公司的通用型可編程 I/O 接口擴展芯片 8255(3 8 位 )來擴展 I/O 口線最為簡捷可靠。擴展方法選用廣泛采用的總線擴展方法，這種方法十分方便，擴展的并行口 I/O 芯片的數(shù)據(jù)輸入線 取自 AT89C51 的 PO 口，只分時占用 PO 口，并不影響PO口與其他擴展芯片的連接操作，不會造成單片機硬件的額外開支。 2.4 8255A 芯片與 AT89C51 接口電路設(shè)計 8255A 的端口選擇地址線 AO 和 Al 分別接 AT89C51 的 P2.3、 P2.2 端，片選 CS 接 P2.1端，復(fù)位引腳接 AT89C51 的 RESET 端， 8255A 的控制線 RD 和 WR 分別接 AT89C51 的 RD 和 WR ，數(shù)據(jù)線 DO D7 接 PO.0 0.7 端。 8255A 的工作方式這里選用方式 O(基本輸入輸出方式 )。在這種 方式下， PA、 PB、 PC口均可設(shè)置為輸入或輸出，且不需任何選通信號。 8255A 是 Intel公司與其微處理器配套的通用可編程并行 I/O 接口擴展芯片，可與 AT89C51 系統(tǒng)總線直接連接，其引腳采用 40線雙列直插式封裝，具體配置如圖 3 所示。各引腳功能分述如下 : 數(shù)據(jù)總線 (8 條 )DO D7 為雙向數(shù)據(jù)總線，用于傳送 CPU 和 8255A 間的數(shù)據(jù)、命令和狀態(tài)字?？刂瓶偩€ (6 條 )RESET 為復(fù)位線，高電平有效。 CS 為片選線，低電平有效。若為高電平，則 8255A 不被選中工作 ；RD 為讀命令線， WR 為寫命令線，均為低電平有效。 RD 為低電平 (WR為高電平 )則本片 8255A 處于讀狀態(tài) ；為低電平 (WR 為高電平 )，則所選 8255A 處于寫狀態(tài)。A0 和 Al 為口地址選擇線，用于選中 PA 口、 PB 口、 PC 口和控制寄存器中的哪一個工作。并行 I/O 口線 (3 8 位 )PA 口、 PB 口、 PC 口用于和外設(shè)通信。電源線 (兩條 )VCC 為 +5V 電源線，允許變化 10%， GND 為地線。 數(shù)據(jù)總線 (8 條 )DO D7 為雙向數(shù)據(jù)總線，用于傳送 CPU 和 8255A 間的數(shù)據(jù)、命令和狀態(tài)字?？刂瓶偩€ (6 條 )RESET 為復(fù)位線，高電平有效。 CS 為片選線，低電平有效。若 CS 為高電平，則 8255A 不被選中工作 ；RD 為讀命令線， WR 寫命令線，均為低電平有效。 RD 為低電平 (WR 為高電平 )則本片 8255A 處于讀狀態(tài) ；RD 為低電平 (WR 為高電平 )，則所選 8255A 處于寫狀態(tài)。 A0 和 Al 為口地址選擇線，用于選中 PA 口、 PB 口、 PC 口和控制寄存器中的哪一個工作。并行 I/O 口線 (3 8 位 )PA 口、 PB口、 PC口用于和外設(shè)通信。電源線 (兩條 )VCC為 +5V 電源線，允許變化 10%， GND 為地線。 引腳 第二功能 引腳 第二功能 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸入口） INT0（外部中斷 0） INT1（外部中斷 1） P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 T0(定時器 0 的外部輸入 ) T1(定時器 1 的外部輸入 ) WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 ) RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 ) 除冰機器人的設(shè)計 8 2.5 時鐘電路的設(shè)計 AT89C51 單片機內(nèi)部有個振蕩器，可以用作 CPU 的時鐘源。這里系統(tǒng)時鐘選用內(nèi)部方式，因為這種方式結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、可靠性高。 AT89C51 內(nèi)部含有一 個高增益的反相放大器，通過 XTALI(輸入端 )、 XTAL2(輸出端 )外接作為反饋元件的片外石英晶體 (或陶瓷諧振器 )和電容 C1、 C2 組成的并聯(lián)諧振電路后便構(gòu)成片內(nèi)自激振蕩器，從而利用部的振蕩器產(chǎn)生時鐘。連接方法見圖 4 所示，其中晶體呈感性，其決定著振蕩器的振蕩頻率 ；電容C1、 C2 對頻率有微調(diào)作用。電路中反饋元件選用石英晶體，電容 C1 和 C2 均為 30PF，電容的安裝位置應(yīng)盡量靠近單片機。 圖 2-5 時鐘電路連接圖 圖 2-4 8255A 引腳配置 C2 C1 XTAL2 AT89C51 XTAL1 END Y1 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 9 2.6 ADC0809 引腳配置及其接口電路設(shè)計 ADCO809 芯片屬 ADC0808 系列多通道 8位 CMOS 模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其芯片內(nèi)置有多路模擬開關(guān)以及通道地址譯碼和鎖存電路，因此能夠?qū)Χ嗦纺M信號進行分時采集與轉(zhuǎn)換。 ADCO809 是 8位逐次比較式 A/D 轉(zhuǎn)換芯片， 28 引腳，雙列直插封裝，具有地址鎖存控制的 8路模擬開關(guān)，應(yīng)用單一 +5V 電源，其模擬輸入電壓范圍為 O +5V，對應(yīng)的轉(zhuǎn)換數(shù)字量為 00H FFH，轉(zhuǎn)換時間為 1OOuS，無須調(diào)零或調(diào)整滿量程。因此能夠?qū)崿F(xiàn) 8路模擬信號的分時采集和轉(zhuǎn)換 (每個瞬間只能轉(zhuǎn)換一路 )，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器。 A/D 轉(zhuǎn)換原理及過程 :ADC0809 最多允許 8 路模擬量分時輸入，共用一個 A/D 轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，由 A、 B、 C 編碼選擇通道號通過最高位 (DN-1)至最低位 D0 的逐次檢測來逼近被轉(zhuǎn)換的輸入電壓。 A/D 轉(zhuǎn)換過程主要包括采樣量化及編碼。采樣是使模擬信號在時間上離散化，量化及編碼是把采樣后的值按比例變換成相應(yīng)的二進制數(shù)碼。如 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器所采集到的 O5V 電壓轉(zhuǎn)換成為 OOH FFH 相對應(yīng)的數(shù)字量。通過數(shù)字量的運算比較的結(jié)果實現(xiàn)對模擬量的測量及控制。 ADC0809 引腳配置見圖 9 所示，引腳功能如下 :INO 7 為 8 個輸入通道的模擬輸入端 ；DO D7 為 8 位 數(shù)字量的輸出端 ；A、 B、 C和 ALE 控制 8 路模擬通道的切換， ALE(地址鎖存信號 )高電平時把 3 個地址信號送入地址鎖存器，并經(jīng)譯碼器得到地址輸出，以選擇相應(yīng)的模擬輸入通道。 A、 B、 C為輸入地址選擇線，三者編碼對應(yīng) 8個通道地址。 CAB=000111分別對應(yīng) INO IN7通道地址 ；START為啟動信號，加上正脈沖后， A/D開始進行轉(zhuǎn)換 ；EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，是芯片的輸出信號。轉(zhuǎn)換開始后， EOC 信號變低，轉(zhuǎn)換結(jié)束后， EOC 返回高電平。這個信號可作為 A/D 轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)信號來查詢，也可直接用作中斷請求信號 ；ENABLE(OE)為輸出允許控制端，當給 0E 端輸入高電平時，控制三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器向外部輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)果 ；CLK 為時鐘信號，其典型值為 64OKHZ； VREF(+)和 VREF(-)為 A/D轉(zhuǎn)換器參考電壓，由外部參考電壓源提供 (典型值為 +5V)；VCC 為電源電壓，由于是 CMOS 芯片，允許的電源范圍較寬可以從 +5 +15V， VCC 由 VCC 和 GND 引入。 由于 ADCO809 片內(nèi)有三態(tài)輸出鎖存器，因此可直接與 AT89C51 芯片接口，即其 8 位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與 CPU 數(shù)據(jù)總線相連。接口電路的硬件邏輯設(shè)計主要是處理好 A/D 引腳與 AT89C51 主機的硬件連接，以實現(xiàn) 8路模擬信號的分時切換選通。 ADC0809 的數(shù)據(jù)線 D0 D7 可直接和 AT89C51 的數(shù)據(jù)總線 PO.O PO.7 相連接， A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號由 P0口傳送到 CPU。這里由于利用 TTL 芯片實現(xiàn)對系統(tǒng) 1/0 口線的擴展，無疑會加重 P0 口負載。為了增強系統(tǒng)總線的驅(qū)動能力，特在 AT89C51 和 ADCO809 的數(shù)據(jù)線間增加雙向總線驅(qū)動芯片 74LS245，同時能夠有效地避免資源共享發(fā)生沖突。 具體連接如下 :74LS245 的 AO A7 引腳接 AT89C51 的 P0.0 P0.7 端 ；74LS245 的 BOB7引腳接 ADCO809 的數(shù)據(jù)線 DO D7；DIR 為方向控制端，這里接地 ；E 允許端也即片選端，這里接 AT89C51 的 P2.7 端。當 P2.7 端輸出低電平時， E =O 有效， AT89C51 的傳送 ；當 P2.7數(shù)據(jù)實現(xiàn) B 到 A 方向的傳送即從 ADC08O9 到 AT89C51 的傳送，當 P2.7 置高電平時 ， E 無效，三態(tài)門不通， Ai 和 Bi 成高阻態(tài)，這時數(shù)據(jù)總線可為 8255A 使用。 ADC08O9 的時鐘頻率范除冰機器人的設(shè)計 10 圍要求在 10 1280KHZ 內(nèi)，由于其內(nèi)部沒有時鐘電路，故其時鐘信號必須由外部提供。 這里 ADC08O9 的 CLK 端的時鐘信號由十進制計數(shù) /分頻器芯片 4017 十分頻后 C0 引腳提供，而 4017 的 CL 引腳 (分頻輸入端 )信號由 AT89C51 的 ALE 端提供， RST 引腳 (復(fù)位置 0端 )和 ENA 引腳均接地， QO Q9 端均懸空。 ADCO809 的 ALE 端由 8255A 的 PC4 端控制， ENABLE 端由 8255A 的 PC2 端控制， START端由 8255A 的 PC1 端控制。模擬輸入通道地址的譯碼輸入信號 A、 B、 C由 AT89C51 的地址總線 P2.4、 P2.5、 P2.6 提供，其信號狀態(tài)決定選擇的通道。 8 路模擬通道共用一個 A/D轉(zhuǎn)換器， 8路模擬信號分時轉(zhuǎn)換，每個瞬間只能轉(zhuǎn)換 1路，各路之間的切換由軟件變換通 道地址來實現(xiàn)。 8255A 的 PC1、 PC4 和 PC2 控制 ADC08O9 的啟動、鎖存和輸出。 PC4=1 時，送模擬通道號地址到地址鎖存器 ；PC4=0 時，地址鎖存 ；當 PC1=1 時，啟動 A/D 轉(zhuǎn)換 ；轉(zhuǎn)換開始后 EOC=0，轉(zhuǎn)換結(jié)束則 EOC=1；當 PC2=1 時，輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。這些信號狀態(tài)由指令時序形成。 ADCO809 芯片的轉(zhuǎn)換速度在最高時鐘頻率下為 10OuS 左右，根據(jù) A/D 轉(zhuǎn)換器與微處理器接口方式及應(yīng)用系統(tǒng)本身要求的不同，實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換所需軟件的設(shè)計方法也不同。目前常用的控制方式 (即數(shù)據(jù)傳送方式 )有 :程序查詢方式、延時等待方式 (定時傳送 )和中斷方式。本系統(tǒng) A/D 轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)采用程序查詢方式， ADC0809 的 EOC 引腳接 AT89C5l 的 P3.2端。這里由微處理器向 A/D 轉(zhuǎn)換器發(fā)出啟動信號，然后讀入轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，查詢轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。若轉(zhuǎn)換結(jié)束，可以讀入數(shù)據(jù) ；否則再繼續(xù)讀入轉(zhuǎn)換結(jié)束信號進行查詢，直至轉(zhuǎn)換結(jié)束再讀入數(shù)據(jù)。這種程序設(shè)計方法比較簡單，可靠性高，但由于微機把許多時間都消耗在“查詢”上，因而效率低，實際應(yīng)用的許多系統(tǒng)對于消耗這點時間還是允許的，因此這種方法應(yīng)用的比較普遍。傳送時，首先送出口地址并以 PC2 端輸出作為選通信號。當信號有效時， OE 信 號即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機接收。 圖 2-6 ADC08O9 管腳配置 中國地質(zhì)大學長城學院 2012 屆畢業(yè)論文 11 3 指令系統(tǒng)編程 3.1 運動及軸的指令系統(tǒng) 軸指令用來和舊的 Trio 控制器兼容。加速度率和減速度率可用 ACCEL 和 DECEL 軸參數(shù)設(shè)定。同時設(shè)定加速度率和減速度率， acc 率 : 參數(shù)單位決定于單位軸參數(shù)。加速度因子從 UNITS/SEC/SEC 輸入。修改指令是設(shè)置單軸運動指令或單軸參數(shù)讀寫。 AXIS 參數(shù)在命令行或程序行特別有效。使用 BASE 指令改變基本軸。任何有效的 BASIC 表達式特定軸數(shù)。AXIS 指令可用于修改以下指令的軸參數(shù)： ADDAX， CAM， CAMBOX， CANCEL， CONNECT， DATUM，DEFPOS， FORWARD， MOVEABS， MOVECIRC， MOVELINK， MOVE， MOVEMODIFY， REVERSE， REGIST，WAIT IDLE， WAIT LOADED。 運動控制指令 BASE（軸 1，軸 2，軸 3） BA（軸 1，軸 2，軸 3） BASE 指令用于導(dǎo)向下一個運動指令軸的參數(shù)讀 /寫入特定軸或軸組，設(shè)置的缺省值依次為： 0， 1， 2 每一個過程有其自己的BASE 基本軸組，每個程序能單獨賦值。 Trio Basic 程序 與控制軸運動的運動發(fā)生器分開。每個軸的運動發(fā)生器有其獨立的功能，因此每個軸能以自己的速度、加速度等進行編程，單獨運動，或者通過插補或鏈接運動鏈接在一起。 AXIS（）命令只要應(yīng)用正在進行的單命令可以重新導(dǎo)向不同的軸。而 BASE（）指令除非規(guī)定軸號，否則導(dǎo)向接下來的所有指令。軸號：軸號或軸組號成為新的基準軸排列，即軸號或軸組發(fā)送運動指令給多軸指令里的第一個軸?；据S的軸數(shù)和順序軸在軸組用于多軸運動。 CANCEL 指令取消軸插補軸組的當前運動。速度軌跡（ FORWARD， REVERSE， MOVE， MOVEABS， MOVECIRC）將會以 DECEL 參數(shù)減速直到停止。其它運動會立即停止。 DATUM 指令執(zhí)行 6 種方法中的一種搜尋原點位置，其為絕對位置同時可以重置跟隨誤差。伺服驅(qū)動器機構(gòu)原點搜尋用于軸 0。軸 1 用于 MC 控制單元機構(gòu)。 DATUM 使用 CREEP 速度和目標速度用于原點搜尋。伺服驅(qū)動器用于軸 0。爬行速度用CREEP 參數(shù)設(shè)定。目標速度用 SPEED 參數(shù)設(shè)定。原點搜尋輸入數(shù)由 DATUM_IN 參數(shù)決定，用于 3 或 7中。 DATUM（ 0）用于軸出錯時重新啟動系統(tǒng)，位置不變。 DATUM（ 0）指令清除跟隨誤差。將當前位置設(shè)定為目標位置同 時 AXISSTATUS 狀態(tài)會被清除。注如果產(chǎn)生錯誤的問題仍然存在，誤差不能被清除。 1 軸以爬行速度（ CREEP）正向運行直到發(fā)現(xiàn) Z信號。目標位置重置為 0 同時糾正測量位置，維持跟隨誤差。 2 軸以爬行速度（ CREEP）反向運行直到發(fā)現(xiàn) Z信號。目標位置重置為 0同時糾正測量位置，維持跟隨誤差。 3 軸以目標速度（ SPEED）正向運行，直到碰到原點開關(guān)。隨后軸以爬行速度正向運動直到原點開關(guān)復(fù)位。 目標位置重置為 0同時糾正測量位置，維持跟隨誤差。 4 軸以目標速度（ SPEED）反向運行，直到碰到原點開關(guān)。隨后軸以爬行速度正 向運動直到原點開關(guān)復(fù)位。 目標位置重置為 0同時糾正測量位置，維持跟隨誤差。 5 軸以目標速度（ SPEED）正向運行，直到碰到原點開關(guān)。隨后軸以爬行速度正向運動直到碰到 Z信號。 目標位置重置為 0同時糾正測量位置，維持跟隨誤差。 6 軸以目標速度（ SPEED）反向運行，直到碰到原點開關(guān)。隨后軸以爬行速度正向運動直到碰到 Z信號。 目標位置重置為 0同時糾正測量位置，維持跟隨誤差。 除冰機器人的設(shè)計 12 MOVE 指令使一軸或多軸在目標速度，加速度和減速度下以增量的方式運動到特定位置。在多軸運動中， 速度，加速度，減速度是基于基本軸的插補運動。 特定長度的比例由轉(zhuǎn)換因子 UNITS 參數(shù)設(shè)定。例如，一軸編碼 4000edges/mm，于是軸的單元數(shù)設(shè)為 4000，MOVE（ 12.5）將會移動 12.5毫米。 MOVE 工作在缺省軸，除非 AXIS 定義臨時基本軸。參數(shù)dist_1 定義為缺省軸， dist_2 作為另一個軸等等。通過改變軸在獨立運動，非插補，非同步可以獲得多軸運動。增量運動可以合并成連續(xù)運動軌跡，通過設(shè)置 MERGE=ON。 考慮兩軸運動，每軸速度可以由以下等式計算得到。指令 MOVE （ x1， x2） 和速度Vp由 SPEED 控制 ACCEL 和 DECEL 參數(shù)計算得 到。多軸運動距離 L。 MOVEABS 指令使一軸或多軸在目標速度，加速度和減速度下以絕對的方式運動到特定位置。在多軸運動中， 速度，加速度，減速度是基于基本軸的插補運動。特定長度的比例由轉(zhuǎn)換因子 UNITS 參數(shù)設(shè)定。例如，一軸編碼器是 4000edges/mm，于是軸的單元數(shù)設(shè)為4000， MOVEABS（ 12.5）將會從起始點移動 12.5毫米。 MOVEABS 工作在缺省軸除非 AXIS 定義臨時基本軸。參數(shù) dist_1 定義為缺省軸， dist_2 作為另一個軸等等。通過改變軸在獨立運動，非插補，非同步可以獲得多軸運動。增量 運動可以合并成連續(xù)運動軌跡，通過設(shè)置 MERGE=ON。