工業(yè)機器手自動控制系統(tǒng)畢業(yè)論文1

1、工業(yè)機器手自動控制系統(tǒng)目錄第1章 緒論31.1機器手系統(tǒng)概述31.3本課題所要做的主要內(nèi)容、目的及意義51.3.1 本論文主要研究物料分揀機器手以下幾個方面的內(nèi)容：51.3.2 研究工業(yè)機器手自動控制系統(tǒng)的目的及意義5第2章 單片機機器手系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)72.1控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)72.2機器手控制系統(tǒng)82.3單片機系統(tǒng)92.3.1 at89c51的基本結(jié)構(gòu)92.3.2 at89c51的基本特性及引腳定義92.3.3 at89c51的引腳功能說明92.4系統(tǒng)主程序程序122.4.1 硬件選擇122.4.2 系統(tǒng)主要程序構(gòu)成122.5驅(qū)動電路132.6供電電源14第3章 機器手系統(tǒng)的總體設(shè)計163.

2、1總體設(shè)計方案163.2硬件電路設(shè)計163.2.1 步進電機的結(jié)構(gòu)原理和特點163.2.2 機器手的組成183.2.3 機器手的結(jié)構(gòu)原理19第4章 系統(tǒng)的程序設(shè)計204.1主程序軟件設(shè)計204.2子程序軟件設(shè)計204.3系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計224.3.1電源模塊224.3.2旋轉(zhuǎn)底盤、機器手爪模塊224.3.3指示燈模塊234.3.4限位開關(guān)模塊234.3.5機器手臂步進電機驅(qū)動模塊244.3.6底盤光電對射耦合器模塊254.3.7微控制器核心模塊254.3.8系統(tǒng)整體原理圖26第5章 總結(jié)27參考文獻28致謝29附錄30第1章 緒論1.1機器手系統(tǒng)概述機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝

3、備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術(shù)進步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。工業(yè)機器手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機器手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機器手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)

4、展前景。機器手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機器手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機器手的發(fā)展，使得機器手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機器手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機器手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。機器手技術(shù)涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、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)。機器手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動

5、的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。1.2機器手的發(fā)展和現(xiàn)狀機器手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機器。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機器手。商名為unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標(biāo)通用機器手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司,專門生產(chǎn)工業(yè)機器手。1962年美國機械制造公司也實

6、驗成功一種叫vewrsatran機器手。該機器手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機器手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機器手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種unimate-vicarm型工業(yè)機器手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于1毫米。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機器手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。日本是工業(yè)機器手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機器手后大力從事機器手的研究。目前，隨著單片機等控制器的發(fā)展，工業(yè)機器手在自動控制和定位精度

7、上有了很大提高。機器手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化的生產(chǎn)設(shè)備。機器手是機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器的優(yōu)點。尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機器手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在全國經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景，隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)控加工中心，它在減輕工人的勞動強度的同時，大大提高了勞動生產(chǎn)率，但是數(shù)控加工中心加工中常見的上下料工序，通常乃采用人工操作或傳統(tǒng)繼電器控制的半自動化裝置。前者費時費工，效力低；后者因設(shè)計復(fù)雜，需要較多繼電器，接線復(fù)雜。容易車體震動干擾，而存在可靠性差，故障多，維修困難等問題?？删?/p>

8、程控制器單片機控制的上下料機器手控制系統(tǒng)動作簡便，線路設(shè)計合理，具有較強的抗干擾能力。保證了系統(tǒng)運行的可靠性，降低了維修率。提高了工作效率。機器手技術(shù)涉及到力學(xué)，單片機，自動控制技術(shù)，傳感器技術(shù)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)。機器手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，他又多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。在工資水平較低的中國，分揀行業(yè)盡管仍屬于勞動密集型，機器手的使用已經(jīng)越來越普及，那些電子和汽車業(yè)的奧美跨國公司很早就在它們設(shè)在中國的工廠中引進了自動化生產(chǎn)。但現(xiàn)在的變化時那些分布在工業(yè)密集的華南，華東沿海地區(qū)也開始對機器手表現(xiàn)出越來越濃厚的興

9、趣，因為他們要面對工人流失率高，以及交帶來的挑戰(zhàn)。隨我國工業(yè)生產(chǎn)的飛躍發(fā)展，自動化程度的迅速提高，實現(xiàn)工件的裝卸，轉(zhuǎn)向，輸送或分揀流程越來越節(jié)約勞動力，可見機器手的大力發(fā)展有著很重要的意義。1.3本課題所要做的主要內(nèi)容、目的及意義1.3.1 本論文主要研究物料分揀機器手以下幾個方面的內(nèi)容：（1）物料分揀機器手執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇執(zhí)行系統(tǒng)是由傳動部件與機械構(gòu)件組成，是機器手賴以實現(xiàn)各種運動的實體。主要包括機身、手臂、末端執(zhí)行器3部分組成，其中每一部分都可以具有若干的自由度。執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計主要是對機器手的手部、手臂和機座進行設(shè)計。（2）物料分揀機器手控制系統(tǒng)的設(shè)計控制系統(tǒng)是機器手的指揮系統(tǒng)，它控制

10、驅(qū)動系統(tǒng)，讓執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定的要求和時序進行工作。本機器手采用可編程控制器（單片機）對機器手進行控制，主要包括對單片機的型號選擇、傳感器類型進行選擇、i/o口的選擇、對控制系統(tǒng)原理圖、自動程序梯形圖的繪制等內(nèi)容。1.3.2 研究工業(yè)機器手自動控制系統(tǒng)的目的及意義采用以51單片機為核心控制裝箱機器手，代替人工裝箱。機器手由電機驅(qū)動，采用最佳升降頻的控制方法，為了保證機器手的可靠性和安全性對其控制系統(tǒng)建立相應(yīng)的故障白診斷系統(tǒng)以尋找和排除控制系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)的故障。機器手每個工作臂都有上下限位和左右限位開關(guān)，而其夾持裝置不帶限位開關(guān)。一旦控制夾持開始，定時器開始記時，定時結(jié)束，夾持動作隨即完成。機

11、器手到達b后，將工件松開的時間也是由定時器控制的，定時結(jié)束時，表示工件已松開。機器手的動作過程如下：搬取工件時，按下啟動開關(guān)，機器手先由原點下降，碰到下限位開關(guān)后，停止下降；同時接通定時器，機器手開始夾緊工件，定時結(jié)束，夾緊完成。機器手上升，上升到頂時，碰到上限位開關(guān)，上升停止。機器手右移，至碰到右限位開關(guān)時，右移停止。機器手下降，下降到底時，碰到下限位開關(guān)，下降停止。同時接通定時器，機器手放松工件，定時結(jié)束，工件已松開。機器手上升，上升到頂，碰到上限位開關(guān)時，上升停止。機器手左移，左移到原點，碰到左限位開關(guān)時，左移停止。于是機器手動作的一個周期結(jié)束。在工業(yè)生產(chǎn)和其他領(lǐng)域內(nèi)，由于工作的需要，人

12、們經(jīng)常受到高溫、腐蝕及有毒氣體等因素的危害，甚至于危及生命。工業(yè)機器手就這樣誕生了,機器手是工業(yè)機器人系統(tǒng)中任務(wù)執(zhí)行機構(gòu)，是機器人的關(guān)鍵部件之一。其電氣方面有步進電機、開關(guān)電源、電磁閥等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術(shù)，位置控制技術(shù)、氣動技術(shù)等，是機電一體化的典型代表儀器之一。本文介紹的機器手是由單片機輸出五路來分別驅(qū)動手臂上下直線運動，手臂左右直線運動，手腕旋轉(zhuǎn)運動，機器手整體旋轉(zhuǎn)運動，手爪夾緊動作的精確定位，微動開關(guān)將位置信號傳給單片機；電機拖動手爪和底盤旋轉(zhuǎn)；電磁閥控制氣閥的開關(guān)來控制機器手手爪的張合，從而實現(xiàn)機器手精確運動的功能。本課題擬開發(fā)的工業(yè)機器手模型可在空間抓放物體，動

13、作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化及運動流程的要求隨時更改相關(guān)參數(shù)。工業(yè)機器手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機器手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展, 出現(xiàn)了數(shù)控加工中心,它在減輕工人的勞動強度的同時, 大大提高了勞動生產(chǎn)率。但數(shù)控加工中常見的上下料工序, 通常仍采用人工操作或傳統(tǒng)繼電器控制的半自動化裝置。前者費時費工、效率低; 后者因設(shè)計復(fù)雜, 需較多繼電器,接線繁雜,

14、 易受車體振動干擾,而存在可靠性差、故障多、維修困難等問題?？删幊绦蚩刂破鲉纹瑱C控制的上下料機器手控制系統(tǒng)動作簡便、線路設(shè)計合理、具有較強的抗干擾能力, 保證了系統(tǒng)運行的可靠性,降低了維修率, 提高了工作效率。機器手技術(shù)涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、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)。 機器手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。在工資水平較低的中國，塑料制品行業(yè)盡管仍屬于勞動力密集型，機器手的使用已經(jīng)越來越普及。目前，大多數(shù)生產(chǎn)線上的搬運，裝箱工作仍由人工進行。為了提高勞動生產(chǎn)率

15、，降低勞動強度，需研制出一種簡單、實用的機器手來取代這種緊張且繁重枯燥的體力勞動，特別是在某些粉塵、噪聲、污染嚴(yán)重的場合尤為迫切。雖然至今國內(nèi)外已為自動生產(chǎn)線研制出了各種工業(yè)機器人， 但大多數(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜(以求具備多種功能)，造價較高，而且工人也不容易掌握，難于推廣。第2章 單片機機器手系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)2.1控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)機器手一般由兩個運動機構(gòu)組成，即手部和肘部。手部是實現(xiàn)抓持工件（或工具）功能，按工件不同的結(jié)構(gòu)形式有夾持型、托持型和吸附型機器手。手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。另外，機器手自由度也是設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度多，機器手結(jié)構(gòu)越復(fù)

16、雜，其靈活性越大，其功能也越強大。本設(shè)計是由單片機控制的機器手模型。單片機選用了at89c51芯片，機器手具有三自由度，可以完成上下升降、左右90度旋轉(zhuǎn)、前后伸縮、夾緊松開的簡單動作。根據(jù)機器手控制系統(tǒng)可知，其總體結(jié)構(gòu)包括：單片機用戶系統(tǒng)、驅(qū)動電路、供電電源、執(zhí)行元件和反饋元件 (接近開關(guān) )等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖，如圖2-1所示，工作過程如下：2-1機器手工作控制圖機器手主要由機械系統(tǒng)（執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)）、控制系統(tǒng)構(gòu)成。執(zhí)行機構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)是機器手完成抓去工件，實現(xiàn)各種運動所必需的機械部件，它包括手部、手臂、腕部、機身等。（1）手部：又稱手爪或者抓取機構(gòu)，它直接抓取工件或者夾取。（2）腕部：又稱

17、手腕，連接手部和臂部之間的部件，其作用是改變手部的工作方位。（3）手臂：是支撐腕部的部件，作用是承受工件的負(fù)荷，并且把它傳送到預(yù)定的位置。（4）機身：是支撐手臂的部件，其作用是帶動臂部自轉(zhuǎn)、升降或俯仰運動。a、驅(qū)動系統(tǒng)：未執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)動其動力的裝置。常用的機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電機傳動。b、控制系統(tǒng)：通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，當(dāng)發(fā)生錯誤或故障時，發(fā)出報警信號2.2機器手控制系統(tǒng)（1） 系統(tǒng)上電，機器手在原位。（2） 檢測上料位有無工件，若有工件，將信號送入單片機。（3） 機器手通過單片機控制的電機，實現(xiàn)抓取、搬運和放下工件的工序（4） 如此

18、往復(fù)，直到系統(tǒng)斷電。系統(tǒng)中選用光電傳感器檢測工件，機器手由步進電機控制，機器手在運動過程中，通過觸碰行程開關(guān)轉(zhuǎn)換狀態(tài)。此系統(tǒng)兼有故障診斷的功能，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障（如電路故障）時，系統(tǒng)可將信號經(jīng)電路保護單元反饋給單片機，實現(xiàn)對應(yīng)的保護措施。工作流程如下圖2-2所示：2-2機器手工作流程圖2.3單片機系統(tǒng)2.3.1 at89c51的基本結(jié)構(gòu)單片機的基本結(jié)構(gòu)組成中包含中央處理器cpu、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、輸入/輸出接口部件、還有地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線等。2.3.2 at89c51的基本特性及引腳定義1、at89c51單片機的主要性能參數(shù)：（1）與mcs-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容（2）8k字

19、節(jié)可重擦寫flash閃速存儲器（3）1000次擦寫周期（4）全靜態(tài)操作：0hz24mhz（5）三級加密程序存儲器（6）2568字節(jié)內(nèi)部ram（7）32個可編程i/o口線（8）3個16位定時/計數(shù)器（9）8個中斷源2.3.3 at89c51的引腳功能說明（引腳圖如圖2-3所示）：（1）主電源vcc和gndvcc：電源端，工作電源和編程校驗（+5v）。gnd；接地端。（2）時鐘振蕩電路引腳xtal1和xtal2xtal1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。xtal2：振蕩器反相放大器的輸出端。在使用內(nèi)部振蕩電路時，這兩個端子用來外接石英晶體，振蕩頻率為晶振頻率，振蕩信號送至內(nèi)部時鐘電路產(chǎn)

20、生時鐘脈沖信號。若采用外部振蕩電路，則xtal2用于輸入外部振蕩脈沖，該信號直接送至內(nèi)部時鐘電路，而xtal1必須接地。（3）控制信號引腳rst/ vpp、ale/ prog、psen 和ea/ vpp、rst/ vpp：rst是復(fù)位信號輸入端，當(dāng)振蕩器工作時，rst引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。第二功能vpp為內(nèi)部ram的備用電源輸入端。主電源vcc一旦發(fā)生斷電（稱掉電或失電），降到一定低電壓值時，可通過vpp為單片機內(nèi)部ram提供電源，以保護片內(nèi)ram中的信息不丟失，使上電后能繼續(xù)正常運行。ale/prog：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ale（地址鎖存允許）輸出脈沖

21、用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ale仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ale脈沖。對flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（prog）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中的8eh單元的d0位置位，可禁止ale操作。該位置復(fù)位后，只有一條movx和movc指令才能將ale激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ale禁止位無效。psen：程序存儲允許輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)at89c52由外部程序存儲器取指令或數(shù)據(jù)時，每個機器周期兩次psen

22、有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次psen信號。ea/vpp：外部訪問允許。欲使cpu僅訪問外部程序存儲器（地址為0000hffffh），ea端必須保持低電平（接地）。需要注意的是：如果加密位lb1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存ea端狀態(tài)。如ea端為高電平，cpu則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。flash存儲器編程時，該引腳加上+12v的編程允許電源vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12v編程電壓vpp。（4）4個8位i/o端口p0、p1、p2、p3p0口：p0口是一組8為漏極開路型雙向i/0口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個ttl邏

23、輯門電路，對端口p0寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問器件激活內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，p0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。 p1口：p1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個ttl邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作為輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。p1.0和p1.1還可分別作為定時/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（p1.0/t2

24、）和輸入（p1.1/t2ex）。flash編程和程序校驗期間，p1接收低8位地址。p2口：p2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個ttl邏輯門電路。對端口p2寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行movx dptr指令）時，p2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行movx r1指令）時，p2口輸出p2鎖存器的內(nèi)容。flash編程和程序校驗期間，p2亦接收高位地址和

25、一些控制信號。p3口：p3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p3的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個ttl邏輯門電路。對端口p3寫“1”時，它們被上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的p3口將用上拉電阻輸出電流。p3口除了作為一般的i/o口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表2-1所示。此外，p3口還接收一些用于flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。端口引腳第二功能p3.0rxd（串行輸入口）p3.1txd（串行輸出口）p3.2int0（外中斷0）p3.3int1（外中斷1）p3.4t0（定時/計數(shù)器0）p3.5t1（定時/計數(shù)器1）p3.6wr（外部數(shù)據(jù)存儲

26、器寫選通）p3.7rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）表2-1 p3口的第二功能圖23 at89c51的引腳圖2.4系統(tǒng)主程序程序2.4.1 硬件選擇系統(tǒng)主要控制對象為機器手，其動力系統(tǒng)為氣動式。系統(tǒng)主要由采樣放大單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元和控制單元、驅(qū)動單元和執(zhí)行單元組成。信號采集選用漫反射式光電傳感器；信號放大選用ad522芯片；模數(shù)轉(zhuǎn)換采用8位串行a/d轉(zhuǎn)換器tlc549芯片；控制單元選用at89c51單片機；步進電機由ucn5804b集成電路芯片驅(qū)動。2.4.2 系統(tǒng)主要程序構(gòu)成機器手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計主要由主程序、轉(zhuǎn)換子程序、報警子程序、定時子程序組成。系統(tǒng)主程序主要實現(xiàn)自檢初始化、外部中斷及啟動機器

27、手搬運的功能。用戶可以通過它監(jiān)控系統(tǒng)的工作。主程序流機器手的運動主要由4個步進電機實現(xiàn)。步進電機經(jīng)驅(qū)動芯片與單片機p2口依次連接，行程開關(guān)與單片機的p0口依次連接。為使程序編寫方便，將機器手的運動形式分解，劃分為11個步驟，與驅(qū)動的電機的工作狀態(tài)相對應(yīng)，列出真值表。再根據(jù)真值表編寫機器手控制程序。另外，單片機實現(xiàn)對機器手運動控制，可對步進電機轉(zhuǎn)角精確控制，因此必須能夠產(chǎn)生pwm（脈沖調(diào)制）周期信號，并且能夠調(diào)節(jié)脈沖信號的占空比。采用的控制方式是使用定時器設(shè)置初值，定時時間為20ms，在程序運行時通過改變定時器中斷的初值，使其輸出指定占空比的脈沖信號。此脈沖信號寬度是微秒級單位，這樣既能提高系統(tǒng)

28、控制精度，又能保證系統(tǒng)可靠工作。2.4.3 其它子程序（1）a/d轉(zhuǎn)換子程序是將傳感器輸出信號放大后，經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換器送入單片機內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器中，將數(shù)據(jù)按照指定格式存放在對應(yīng)的位置。（2） 報警子程序是將當(dāng)系統(tǒng)采集、數(shù)字濾波后的數(shù)據(jù)（比如電機溫度）超過給定值的的上、下限時，系統(tǒng)發(fā)出聲光報警，使程序轉(zhuǎn)而處理故障。（3） 定時子程序是設(shè)定pwm（脈沖調(diào)制）周期信號的寬度，從而控制步進電機的轉(zhuǎn)角精度。2.5驅(qū)動電路步進電動機和步進電動機驅(qū)動器構(gòu)成步進電機驅(qū)動系統(tǒng)。步進電動機驅(qū)動系統(tǒng)的性能，不但取決于步進電動機自身的性能，也取決于步進電動機驅(qū)動器的優(yōu)劣。對步進電動機驅(qū)動器的研究幾乎是與步進電動機的研究同

29、步進行的。步進電動機不能直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅(qū)動電源（步進電動機驅(qū)動器）?？刂破鳎}沖信號發(fā)生器）可以通過控制脈沖的個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。因為步進電機是靠單片子產(chǎn)生脈沖來控制轉(zhuǎn)矩的，單片機本身驅(qū)動電流較小，驅(qū)動不了電機繞組，要用驅(qū)動電路產(chǎn)生較大電流，直接驅(qū)動會燒壞單片機。在此只對驅(qū)動電路做簡單說明（如圖2-4）。圖24驅(qū)動電路模塊2.6供電電源單片機、機器手、各個芯片要工作，就必須為其提供電源，他們的電源電壓都是5v。因此就需要將220v的交流電降壓整流為5v的直流電源。其電

30、路如圖2-5所示。這就是一個簡單的整流電路，220v的交流電經(jīng)過變壓器（220/9v）后輸出9v的交流電，再經(jīng)過單相橋式整流、電容濾波，最后由7805穩(wěn)壓輸出5v的電壓供給整個電路板使用。此設(shè)計中用到了單片機，而單片機的抗干擾能力很差，所以電源板與單片機的電路板是分開的。電源板由按鍵開關(guān)控制輸出，由發(fā)光二極管顯示工作狀態(tài)，c4、c5的使用是為了提高抗干擾能力。圖25單片機的電源第3章 機器手系統(tǒng)的總體設(shè)計3.1總體設(shè)計方案機器手的重要指標(biāo)有快速性 、定位精度和平穩(wěn)性等。而運用at89c51單片機時 ，有價格低廉、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強和可靠性高等優(yōu)點。因此煤餅的裝箱采用了單片機控制機器

31、手和走箱工作臺相配合的方式，機器手工作軌跡固定，而工作臺可做定向移動。為提高裝箱速度，在機器手卸完煤餅返回的同時，使工作臺完成相應(yīng)的位移量。機器手從a點抓去工件右行至b點，放下工件，然后返回到a點抓取下個工件，依次反復(fù)。步進電機作為機器手左右運行的執(zhí)行機構(gòu)。 圖3-1 總體設(shè)計方案3.2硬件電路設(shè)計3.2.1 步進電機的結(jié)構(gòu)原理和特點步進電機是數(shù)字控制電機，它將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個脈沖信號，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度。即電機的總轉(zhuǎn)動角度由輸入脈沖數(shù)決定，而電機的轉(zhuǎn)速由脈沖信號頻率決定。它具有高精度的定位、位置及速度控制、具定位保持力、動作靈敏、中低速時具備高轉(zhuǎn)矩、高信賴性、小型、高功率等

32、特征，使其具有廣泛的應(yīng)用。步進電動機是一種控制用的特種電機，作為執(zhí)行元件，步進電機是機電控制中一種關(guān)鍵的執(zhí)行機構(gòu)，它的驅(qū)動電路根據(jù)控制信號工作，控制信號由單片機產(chǎn)生。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，控制換相順序，即通電控制脈沖必須嚴(yán)格按照一定順序分別控制各相的通斷。通過控制脈沖個數(shù)即可以控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的。步進電動機不能直接接到直流或交流電源上工作，必須使用專用的驅(qū)動電源（步進電動機驅(qū)動器）?？刂破鳎}沖信號發(fā)生器）可以通過控制脈沖的個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度

33、，從而達到調(diào)速的目的控制步進電機的轉(zhuǎn)向，即給定工作方式正序換相通電，步進電機正轉(zhuǎn)，若按反序通電換相，則電機就反轉(zhuǎn)。控制步進電機的速度，即給步進電機發(fā)一個控制脈沖，它就轉(zhuǎn)一步，再發(fā)一個脈沖，它會再轉(zhuǎn)一步，兩個脈沖的間隔越短，步進電機就轉(zhuǎn)得越快。同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。選擇步進電機的轉(zhuǎn)速為1500r/min。1、步進電機的一些特點： （1）一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。 （2）步進電機外表允許的最高溫度。 步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點

34、；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。 （3）步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。 當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。 （4）步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。 2、步進電機的換向控制一般來說，驅(qū)動器的輸入共有3路，它們是：步進脈沖信號cp、方向電平dir、脫機信號free。它們在驅(qū)動器內(nèi)部分別通過限流電阻接入光藕的負(fù)輸入端，且電路形式完全相同，在這

35、三路輸入信號的共同的控制下，驅(qū)動器將輸入合適的電流來控制步進電機完成指定的操作。另外，驅(qū)動器一般有一個接入端opto，該端口為三路信號的公共正端。三路輸入信號在驅(qū)動器內(nèi)部接成共陽方式，所以opto端須接外部系統(tǒng)的vcc，并在需要的情況下加限流電阻r，保證驅(qū)動器內(nèi)部光藕提供合適的驅(qū)動電流。a.步進脈沖信號cp步進脈沖信號cp用于控制步進電機的位置與速度，也就是說：驅(qū)動器每接受一個cp脈沖就驅(qū)動步進電機一個旋轉(zhuǎn)的步距角，cp脈沖的頻率改變則會使步進電機的轉(zhuǎn)速改變，控制cp脈沖的個數(shù)，則可以使步進電機精確定位。b.方向電平dir方向電平信號dir用于控制步進電機的旋轉(zhuǎn)方向，此端為高電平時，電機一個轉(zhuǎn)

36、向，此端為低電平時，電機轉(zhuǎn)向另外一個方向，電機轉(zhuǎn)相必須在電機停機后進行，并且換向信號一定要在前一個方向的最后一個cp脈沖結(jié)束后以及下一個方向的第一個脈沖前發(fā)出。c.脫機電平信號free當(dāng)驅(qū)動器上電后，步進電機處于鎖定狀態(tài)（未施加cp脈沖時）或者運行狀態(tài)（施加cp脈沖時），但當(dāng)用戶想手動調(diào)整電機而又不想關(guān)閉驅(qū)動器電源，這時就可以用到此信號，當(dāng)此信號起作用時（低電平有效），電機處于自由無力矩狀態(tài)，當(dāng)此信號為高電平時或懸空不接時，取消脫機狀態(tài)。此信號用戶可選用，如果不需要此功能，此端不接即可。3、步進電機的位置控制步進電機的位置控制是指要求電機從當(dāng)前位置轉(zhuǎn)過一個給定的步數(shù)。電機不丟步數(shù)這一控制的實際

37、。就是要求精確地發(fā)出定量的步進脈沖，例如，機器手再現(xiàn)工作時的啟動信號后，要走到示教時給出的初始作業(yè)位置，就是用到位置控制。不過不帶加/減速控制，位置控制很容易實現(xiàn)的。將發(fā)給電機的脈沖，用計數(shù)器通道計數(shù)，到最后通過cpu停發(fā)脈沖就是了。但是這種不帶加/減速的位置控制，除非速度特別低，否則會在起停時造成器械沖擊、失步。3.2.2 機器手的組成機器手主要由手部、運動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持

38、物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機器手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機器手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機器手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機器手有23個自由度。現(xiàn)使用為機器手模型，模型裝置主要由底盤、主機模塊、運動機械、電氣控制及一些電纜電線等部分組成。機器手模型裝置的機械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、氣缸等機械器件組成;電氣方面有步進電機、交流伺服電機、驅(qū)動模塊、開關(guān)電源、電磁閥等電子器件組成。3.2.3 機器手的結(jié)構(gòu)原理根據(jù)圖3-1可得：（1）在機器手臂的前端安裝由交流伺服電機驅(qū)動可上下左右移動的電控機

39、械抓手；（2）由兩臺步進電機驅(qū)動兩組絲杠組件分別構(gòu)成該系統(tǒng)運動方向的x軸和y軸,機器手臂沿x軸做伸縮運動,沿y軸做升降運動(含x、y軸限位開關(guān))；（3）在y軸的底部安裝可回旋=270的轉(zhuǎn)盤機構(gòu),由轉(zhuǎn)盤帶動機器手臂做水平方向上的旋轉(zhuǎn)動作(其電氣部分由直流電動機、限位開關(guān)等組成)。第4章 系統(tǒng)的程序設(shè)計4.1主程序軟件設(shè)計硬件電路完成以后，必須為單片機編寫程序才能使整個電路完成預(yù)計的功能，單片機輸出脈沖信號用以驅(qū)動電機正反轉(zhuǎn)運行和高速低速的相互轉(zhuǎn)換。因此單片機程序需要分為主程序和子程序兩大部分組成。主程序是核心部分，安排調(diào)度各部分的運行。首先是初始化，然后再讀入外部的輸入，接著是由定時器中斷調(diào)度三

40、個任務(wù)，然后是運行邏輯功能模塊和輸出結(jié)果。主程序流程圖如圖4-1所示。上電按鍵按下工作等待命令結(jié)束是否到位否圖4-1主程序流程圖4.2子程序軟件設(shè)計子程序是中斷響應(yīng)程序, 它的調(diào)用是系統(tǒng)執(zhí)行過程中采用中斷事件觸發(fā)產(chǎn)生.中斷是周期性發(fā)生的。子程序是整個系統(tǒng)的核心代碼,這段代碼不光涉及到顯示,還涉及到系統(tǒng)計時,這段代碼的優(yōu)劣關(guān)系到整個系統(tǒng)的可靠性,后面還將詳細(xì)討論。為初步減小系統(tǒng)誤差,置定初值一定要在程序開始時就設(shè)置。機器手先由原點下降，碰到下限位開關(guān)后，停止下降；同時接通定時器，機器手開始夾緊工作，定時結(jié)束，夾緊完成。機器手上升，上升到頂時，碰到上限位開關(guān)，上升停止。機器手右移，至碰到右限位開關(guān)

41、時，右移停止。機器手下降，下降到底時，碰到下限位開關(guān)，下降停止。同時接通定時器，機器手放松工件，定時結(jié)束，工件已松開。機器手上升，上升到頂，碰到上限位開關(guān)時，上升停止。機器手左移，左移到原點，碰到左限位開關(guān)時，左移停止。機器手工作流程圖如圖4-2所示。下降抓取是否到底上升是否到頂向右移動下降是否到底松開上升是否到頂向左移動是否到位是否到位等待命令否否否否否否4-2機器手工作流程圖4.3系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計4.3.1電源模塊圖4-3-1電源模塊4.3.2旋轉(zhuǎn)底盤、機器手爪模塊圖4-3-2旋轉(zhuǎn)底盤、機器手爪模塊4.3.3指示燈模塊圖4-3-3指示燈模塊4.3.4限位開關(guān)模塊圖4-3-4限位開關(guān)模塊4

42、.3.5機器手臂步進電機驅(qū)動模塊圖4-3-5機器手臂步進電機驅(qū)動模塊4.3.6底盤光電對射耦合器模塊圖4-3-6底盤光電對射耦合器模塊4.3.7微控制器核心模塊圖4-3-7微控制器核心模塊4.3.8系統(tǒng)整體原理圖圖4-3-8系統(tǒng)整體原理圖第5章 總結(jié)此次我們做的畢業(yè)設(shè)計是單片機應(yīng)用于機器手，通過3個月的努力，設(shè)計終于順利完成。這次設(shè)計給了我一個很好的機會，使我了解了設(shè)計工作的基本流程的方法以及理念。在此次的畢業(yè)設(shè)計中，我遇到了許多以前從未遇到過的問題，但是通過指導(dǎo)教師的指導(dǎo)和我的努力，這些問題都得到了很好地解決。雖然我設(shè)計的只是機器手的簡單動作，但是需要完成機器手的行走、抓取和翻轉(zhuǎn)等各種功能，

43、對應(yīng)分別要有行走機構(gòu)，抓取機構(gòu)，提升機構(gòu)，翻轉(zhuǎn)機構(gòu)來實現(xiàn)。通過這些機構(gòu)的設(shè)計，使理論知識與實際相結(jié)合，鞏固和深化了所學(xué)過的專業(yè)理論知識。系統(tǒng)的功能完全符合設(shè)計任務(wù)的要求, 經(jīng)過大量的測試數(shù)據(jù)顯示, 系統(tǒng)的可靠性已經(jīng)完全達到了實際機器手的設(shè)計要求. 同時系統(tǒng)具有很強的擴展性，即擴充串口的功能可以得到很好的計算機控制系統(tǒng). 畢業(yè)設(shè)計使對大學(xué)四年所學(xué)知識的一次綜合運用的考察，又是對所學(xué)知識的融會貫通，做到了學(xué)以致用。通過此次設(shè)計將課本上的知識運用到實踐中，使我了解到了理論和實踐的差異以及實際生產(chǎn)中所需要的精神和能力，為今后走向工作崗位打下了一個好的基礎(chǔ)。由于本人自身經(jīng)驗和時間有限，本設(shè)計還存在不足之

44、處，今后還需繼續(xù)努力，懇請各位老師和同學(xué)提出寶貴意見。參考文獻1 常文平. 電氣控制與單片機原理及應(yīng)用. 西安：電子科技大學(xué)出版社，2006. p352 王耀南. 機器人智能控制工程. 科學(xué)出版社，2004. p85-903 常曉玲. 電氣控制系統(tǒng)與可編程控制器. 北京：機械工業(yè)出版社，2004. p20-594 陳建明. 電氣控制與單片機運用. 北京：電子工業(yè)出版社，20065 廖常初. 單片機基礎(chǔ)及應(yīng)用. 北京：機械工業(yè)出版社，2004. p12-43.6 吳 麗. 電氣控制與單片機應(yīng)用技術(shù)m.北京:機械工業(yè)出版社,2008.7 湯以范. 電氣與可編程控制技術(shù)m.北京:機械工業(yè)出版社,20

45、04.8 王兆義.可編程控制器教程m.北京:機械工業(yè)出版社,2003.9 高欽和.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)與設(shè)計實例.m.北京：人民郵電出版社，2004.10周繼功.單片機在機器手中的應(yīng)用研究，河北北方學(xué)院學(xué)報，2005.8.11 lozano,r.(rogelio).adaptive control systemsm .fresno:witerwoof lnc.,1999.12 a water pumping control system with a programmable logic controller (single chip microcomputer) and industrial

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47、lectronics and ac j. prentice-hall. 2006.(12)致謝四年的讀書生活在這個季節(jié)即將劃上一個句號，而于我的人生卻只是一個逗號，我將面對又一次征程的開始。四年的求學(xué)生涯在師長、親友的大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在論文即將付梓之際，思緒萬千，心情久久不能平靜。偉人、名人為我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻給一位平凡的人，我的導(dǎo)師。我不是您最出色的學(xué)生，而您卻是我最尊敬的老師。您治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學(xué)術(shù)目

48、標(biāo)，領(lǐng)會了基本的思考方式，從論文題目的選定到論文寫作的指導(dǎo),經(jīng)由您悉心的點撥,再經(jīng)思考后的領(lǐng)悟,常常讓我有“山重水復(fù)疑無路,柳暗花明又一村”。 同時也感謝學(xué)院為我提供良好的做畢業(yè)設(shè)計的環(huán)境.感謝我的老師、同學(xué)以及所有幫助我的人，你們永遠(yuǎn)健康快樂是我最大的心愿。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯謝意！最后再一次感謝所有在畢業(yè)設(shè)計中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué)，以及在設(shè)計中被我引用或參考的論著的作者。附錄/*項目名稱：工業(yè)機器手自動控制系統(tǒng)院 系：長春大學(xué)電子信息工程學(xué)院指導(dǎo)教師：于存江（副教授）代

49、碼作者：高 亮編寫時間：2013-05-11修改日期：修改內(nèi)容：最終版本：v1.0= 項目描述：要求動作過程如下：抓起 向前0.5米 左轉(zhuǎn)90度后向前0.5米 右轉(zhuǎn)90度后向前0.5米 右轉(zhuǎn)90度后后退0.5米 放下。*/#include #define uint unsigned int #define uchar unsigned char#define true 1#define false 0uchar limint-up,limint-down,limint-lift,limint-right;uchar motorr90，motorl90,motor;uchar arm1,arm2

50、;/*步進電機采用單雙八拍方式，即a-ab-b-bc-c-cd-d-da。const uchar table=0x00,0x01,0x09,0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03; /反轉(zhuǎn)控制脈沖const uchar table1=0x00,0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08,0x09; /正轉(zhuǎn)控制脈沖*/*/sbit limint-up = p1.0; /機器手臂縱向電機上限位sbit limint-down = p1.1; /機器手臂縱向電機下限位sbit limint-lift = p1.2; /機器手臂橫向電機左限位sbit li

51、mint-right = p1.3; /機器手臂橫向電機右限位sbit run = p1.4; /機器手臂工作運行指示燈sbit stop = p1.5; /機器手臂停止工作指示燈sbit motor hand+ = p0.0; /手抓電機sbit motor hand- = p0.1;sbit motor spin+ = p0.2; /底盤旋轉(zhuǎn)電機sbit motor spin- = p0.3;sbit motor handen = p0.4; /手抓電機使能端sbit motor spinen = p0.5; /底盤旋轉(zhuǎn)電機使能端sbit motor arm1_1b = p2.7; /手臂縱向行走步進電機sbit motor arm1_2b = p2.6;sbit motor arm1_3b