三自由度機械手控制系統(tǒng)設計含開題及CAD圖,自由度,機械手,控制系統(tǒng),設計,開題,cad 三自由度機械手控制系統(tǒng)設計 中文摘要 機械手是近30年才發(fā)展起來的一種能夠模仿人手和手臂的功能，按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置，它基本上綜合了機電一體化的所有技術研究成果，是當代機電一體化技術發(fā)展最活躍的領域之一。 本設計的機械手具有三個自由度，它是由用來執(zhí)行抓取、操作等動作的末端執(zhí)行器固定在移動平臺上構成的。平臺的移動用來擴展機械手的工作空間，使末端執(zhí)行器可以到達指定的位置工作。平臺的三個移動均采用步進電動機作為驅動裝置，單片機作為運動控制器。采用軟件生成拍脈沖，然后經過光電耦合器消除共地干擾，再經過放大器進行電流和功率放大，得到步進電動機控制繞組所需要的脈沖電流。此外還必須對單片機進行I/O口擴展，在位置和速度輸入的控制部分，采用矩陣式鍵盤。在鍵盤部分的軟件設計主要包括按鍵消抖、按鍵識別和數(shù)據(jù)轉換等。通過控制步進電動機脈沖數(shù)來控制三個關節(jié)在三個直角坐標系上移動的距離；同時通過修改定時器的初值來改變定時時間，從而改變脈沖頻率以改變電動機轉速。這樣就能使這個機械手在規(guī)定的空間里達到任意一個位置。 這樣的三自由度的機械手既可以用于實際生產，又可以用于教學實驗。用于實際生產，它能夠滿足裝配作業(yè)內容改變頻繁的要求；用于教學實驗，它能夠使人直觀地了解機器人結構組成、動作原理等。所以開發(fā)設計和研究機械手具有廣泛的實際意義和應用前景。 關鍵詞：步進電動機，單片機，鍵盤，脈沖 Design a manipulator control system with 3 degrees of freedom Abstract In the past 30 years, manipulator have a great development.It is a manpower and arms to mimic the function and it is a compositive system which integrating all the technology of mechatronics system and the latest research results of artificial intelligence technology. It represents the most active area of the technology of mechatronics system. The manipulator my designed has three degrees of freedom. The end of it is a actuator fixed on mobile platform. The actuator to grasp or operate and so on, and the moveing platform used to expand the work space of manipulator, so that the end of the actuator can arrive to the designated position.The platform’s mobile is driven by stepper motor and controlled by SCM. We use software to generate pulse, then after Optocoupler to eliminate the interference. Finally the signal must flow through amplifier to amplify electric current and power, so that the signal can drive the stepper motor. There is also a need for the 8031 to expand I/O,We use the matrix keyboard to input the control signal of position and velocity. The design of the keyboard in the software include keys buffeting, keypad code identification and data transfer. By controlling the number of stepper motor’s pulse ,we can controll the distance of movement in the three joint Cartesian. By modifying the initial timer to change the timing of time, so that we can change the pulse frequency. Finally we can change the motor speed. This will enable the manipulator achieve any position in the space and the speed is adjustable. These three degree-of-freedom manipulator can be used for the actual production, and experiments can be used in teaching a. For the actual production, it can meet the assembly operations’requirements which are changed frequently. For teaching experiment, people can directly observe the robot structure and easily understand ration of action. Therefore, the design and development of manipulator has the most extensive practical significance and application prospects. Key words: stepper motors, microprocessor, keyboard, pulse 目錄 摘要………………………………………………………………. I Abstract…………………………………………………………… II 第1章 緒論 1 1.1引言 1 1.2研究背景 1 1.3機械手現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 2 1.4本文主要的研究內容 4 第2章 單片機硬件電路設計 5 2.1單片機元件的選擇 5 2.2復位電路設計 6 2.3時鐘振蕩電路 7 2.4 顯示接口電路設計 8 第3章 鍵盤電路設計 10 3.1鍵盤排列設計 10 3.2中斷電路 11 3.3鍵盤掃描并識別按鍵 13 3.4數(shù)據(jù)轉換設計 14 3.5本章小結 16 第4章 步進電機的驅動和控制 17 4.1步進電機的選擇 17 4.2驅動電路的設計 18 4.2.1拍脈沖的生成 18 4.2.2隔離電路的設計 20 4.2.3功率放大電路的設計 21 4.3本章小結 22 結論 23 謝辭 24 參考文獻 25 附錄 26  第1章 緒論 1.1引言 機械手是能夠模仿人手和手臂的某些動作功能，按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可以部分或全部代替人力，從事一些單調、繁重的重復性勞動，實現(xiàn)生產的機械化和自動化，，能在有害環(huán)境下操作得以保護人身安全，應而當前正廣泛應用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支，是近幾十年才發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備。它的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟各領域中有著廣闊的發(fā)展前景。 1.2研究背景 早在上個世紀40年代，美國在原子能實驗中，率先采用機械手搬運放射性材料，工作人員在安全室操縱機械手完成各種動作和實驗，其控制系統(tǒng)采用遙控操作方式。遙控操作方式是一種最簡單的機械手控制形式，機械手通過機械或電動等仿形機構，跟蹤操作人員的手臂(操作機)動作。其突出特點是機械手工作過程中需要人的參與，能夠充分發(fā)揮人的視覺、聽覺等器官的傳感與檢測能力，以及人腦的思維、判斷與決策能力。但因為其對人的依賴，自動化程度不高。 50年代后，機械手逐步推廣到工業(yè)生產部門，用于在高溫、污染嚴重的地方取放工件和裝卸材料，也作為機床的輔助裝置，在自動機床、自動生產線和加工中心中應用，完成上下料或從刀庫中取放刀具并按固定程序更換刀具等操作。在這些機械手系統(tǒng)中，普遍采用了繼電邏輯控制或計算機邏輯控制，機械手按照事先編制好的控制邏輯，自動完成順序動作。 移動機械手的研究始于60年代末期，斯坦福研究院（SRI）的Nilssen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年中研造出了取名Shakey的自主移動機器人。其目的是研究應用人工智能技術，在復雜環(huán)境下機器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。70年代末，隨著計算機的應用和傳感器技術的發(fā)展，移動機器人研究又出現(xiàn)了新高潮。特別是在80年代中期，設計和制造機器人的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司開始研制移動機器人平臺，這些移動機器人主要作為大學及研究機構的移動機器人實驗平臺，從而促進另外移動機器人學多種研究方向的出現(xiàn)。90年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術，高適應性的移動機器人控制技術，真實環(huán)境下的規(guī)劃技術標志，開展了移動機器人更高層次的研究。 目前研究的移動機器人都是帶有智能的機器人：機器人本身能認識工作環(huán)境、工作對象及其狀態(tài)，它能根據(jù)人給予的指令和“自身”認識外界來獨立決定工作方法，利用操作機構和移動機構完成任務，并能適應工作環(huán)境的變化。 這些具有智能的機器人，有的能夠模擬人類用兩條腿走路，可在凹凸不平的地面上行走移動；有的具有視覺和觸覺功能，能夠進行獨立操作、自動裝配和產品檢驗；有的具有自主控制和決策能力，不僅能夠應用各種反饋傳感器，而且還能夠應用人工智能中的各種學習、推理和決策技術。 1.3機械手現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 美國在2003年發(fā)射的火星探測車“勇氣”號2004年1月3日在火星安全著陸，并完成了90個火星日的科研工作?！坝職狻碧栠@輛先進的探測車向世人展示了美國在機器人技術領域的領先地位。 圖1-1勇氣號安全著陸火星 圖1-2勇氣號升出機械手臂采集巖石樣本 簡單來說，“勇氣”號探測車就是一個具有手臂的移動機器人。他的大腦是一臺高速計算機，車體靠自身具有的六個輪子在火星地面運動，視覺系統(tǒng)采用一對全景照相機來拍攝火星表面和天空的全景視圖，也用于形成著陸點附近的地形圖、搜索感興趣的巖石和土壤，來完成尋找火星遠古時期存在液態(tài)水的證據(jù)的工作；另外分別于車體前端和后端安裝兩組相同的避危攝影機，由一組立體影象的黑白攝影機所構成的，所拍攝的影象除了用于手臂障礙物偵測之外還用于探險車的路徑規(guī)劃上。 最先進的要數(shù)探測車上的機械，手臂末端裝備了各種工具，有顯微鏡成象儀、三種質譜儀和兩種分光計，一套巖石研磨和樣本采集工具以及三個磁鐵陣列，所有設備主要用來尋找火星上是否曾經有液態(tài)水的證據(jù)。 日本TMSUK公司開發(fā)的搶險救生機器人“T-52援龍”屬于雙臂式油壓驅動機器人，通過履帶移動，雙臂有22個自由度，可在事故現(xiàn)場完成數(shù)倍于人力的工作以及救援人員無法接近的危險區(qū)救援等。配備9臺有效像素68萬的CCD相機，可向遠程操作裝置傳送圖象。而日本有信(y-ushin)精機株式會社生產的以機械手為中心的各種機械設備、儀器等主要產品采用了低阻力導軌機構，機械手臂采用更輕，硬度更高的材質，從而實現(xiàn)了高速的機械動作。 歐美的機械手發(fā)展比較成熟，位于奧地利的Wittmann集團是全球最大的自動化設備供應商之一，產品有全伺服機械手 W711、單軸伺服機械手W710等，其中W710型機械手的橫軸采用伺服馬達，確保運動自由靈活，W7n型機械手是三軸主軸配備高速伺服馬達的機械手，可實現(xiàn)圖形化的操作界面。 我國對移動機械手的研究雖然起步較晚，但也取得了一定的成果。我國的機械手研究開發(fā)工作始于上世紀70年代初，到現(xiàn)在經歷了30多年的歷程，前10年處于研究單位自行開展研究工作狀態(tài)，發(fā)展比較緩慢。1985年后開始列入國家有關計劃，經過幾年的攻關，完成了工業(yè)機器人的成套技術(包括機械手、控制系統(tǒng)、驅動轉動測試系統(tǒng)的設計、制造、應用和小批量生產的工藝技術等)的開發(fā)，進入90年代后半期，我國實現(xiàn)了機器人的商品化，為產業(yè)化奠定了基礎。 由南京大學研制的“靈晰-B”型排爆機器人已在南京市公安局特勤支隊正式服役。該機器人為三段履帶式設計，身上裝置行走、機械手、云臺三個部件，最大行走速度30米/秒，能抓取15公斤重物，爬行40度斜坡和樓梯，越過40厘米高障礙物和50厘米寬壕溝，自帶電源可連續(xù)工作4小時。排爆人員可在遠距離以無纜操作方式對機器人進行精確操控。同時這臺機器人還選裝了爆炸物銷毀器，在對可疑物爆炸裝置確認后，可對爆炸裝置進行迅速銷毀。 圖1-5 “靈晰-B”型排爆機器人 1.4本文主要的研究內容 （1）采用軟件生成拍脈沖；用定時器產生中斷，每次中斷步進電機走完一個拍數(shù)循環(huán)。分配脈沖采用查表法，按正向運轉的通電順序列出各相繞組的脈沖分配表。 （2）步進電機供電與單片機進行隔離供電；從單片機出來的脈沖電流要經過光電耦合器，隔離數(shù)字量與模擬量，以消除回路對單片機的共地干擾。 （3）驅動步進電動機；從單片機出來的脈沖電流只有幾十毫安，這樣小的電流是不能直接驅動電機的，必須經過放大器進行電流和功率放大，從而得到步進電動機控制繞組所需要的脈沖電流，最后再與電動機相連。 （4）給每個電動機分配拍數(shù)；對于給定的坐標位置，三個電機所走的距離可能是不同的，這就需要計算各個電機的脈沖數(shù)。首先計算出位置和角度之間的公式，把機械手要達到的直角坐標位置轉換為電動機旋轉的角度，再把電動機旋轉的角度化成脈沖數(shù)即步數(shù)。 （5）對電機進行速度控制；電機的速度控制是由電動機脈沖的頻率決定的。對于鍵盤輸入的速度值，通過修改定時器初值，從而修改了脈沖頻率，最后使電機的速度得到控制。 （6）單片機輸入端的矩陣式按鍵；它用于輸入給定的機械手的坐標位置，以及步進電機的轉動速度，此外還有若干個功能鍵。該部分軟件設計主要包括按鍵消抖、按鍵識別和數(shù)據(jù)轉換等。按鍵消抖是通過延時來完成的；按鍵識別是通過行列掃描來找出相應的按鍵；數(shù)據(jù)轉換是由查表和計算完成的。 第2章 單片機硬件電路設計 2.1單片機元件的選擇 單片機由單塊集成電路芯片構成，內部包含有計算機的基本功能部件：CPU（中央出理器）、存儲器和I/O接口電路等。因此，單片機只需要與適當?shù)能浖巴獠吭O備相結合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)[1]。 本設計單片機芯片選擇ATMEL公司生產的8位AT89C51單片機。因為在MCS-51系列中，8031片內不帶片內程序存儲器ROM，片內RAM也只有128字節(jié)，使用時需外接程序存儲器和一片邏輯電路74LS373。如果想對寫入到EPROM中的程序進行修改，必須先用一種特殊的紫外線燈將其照射擦除，之后再可寫入。這樣給設計和實際運用帶來了很多麻煩。雖然8051片內有4KB ROM，不用外接外存儲器和373，但是編寫的程序無法燒寫到其ROM中，只有將程序交芯片廠代燒寫，并是一次性的，今后設計者和芯片廠都不能改寫其內容。所以8051也會給實際運用操作帶來很多麻煩[2]。 與8031和8051相比AT89C51更實用，因為他不但和8051指令、管腳完全兼容，而且其片內的4K程序存儲器是FLASH工藝的，這種工藝的存儲器用戶可以用電的方式瞬間擦除、改寫。寫入單片機內的程序還可以進行加密，這又很好地保護了勞動成果。再者，AT89C51目前的售價比8031還低，市場供應也很充足。所以本設計選擇AT89C51芯片。 MCS-51有四個并行I/O端口，每個端口都有8條端口線，用于傳送數(shù)據(jù)或地址。但真正能夠提供用戶使用的只有P1口，因為P2和P0口通常需要用來傳送外部存儲器的地址和數(shù)據(jù)，P3口也需要使用它的第二功能。在本設計中，由于要用到定時器及中斷，89C51芯片的P3口就不能當作I/O口了。本設計一共有三個電動機，要有9個I/O接口，還有16個按鍵，所以，只有89C51芯片的I/O口是不夠的，需要對89C51進行I/O擴展。MCS-51的I/O端口的擴展方法有兩種：①借用外部RAM的地址來擴展I/O端口；②采用并行I/O接口芯片來擴展I/O端口。前者比較簡單，所擴展的I/O端口數(shù)量通常不限，但當外設本身沒有接口能力時，使用受到限制；后者較為復雜，但I/O數(shù)據(jù)可以得到緩沖和鎖存，故可采用中斷方法傳送I/O數(shù)據(jù)。本設計采用第二種方法，使用8155進行擴展。 MCS-51和8155接口極為簡單，因為8155內部包含有一個8位地址鎖存器，故可以用來鎖存CPU送來的端口地址和RAM（256字節(jié)）地址。MCS-51和8155的硬件連接中，所用地址譯碼的方法有：全譯碼、部分譯碼和線選法等三種。本設計采用16位地址線選法譯碼，具體接線如圖2-1所示。 圖2-1 8155線選法譯碼接線圖 89C51與8155相連不僅可為外設提供兩個8位I/O斷口（A口和B口）和一個6位I/O端口（C口），也可為CPU提供一個256字節(jié)的RAM和一個14位定時器/計數(shù)器。因此8155的擴展為本設計提供了很多方便。 圖中8155的CE與P2.7相連，其他.P2.6～P2.0懸空。當P2.7=0時，選中8155內部各I/O端口工作。此時，8155的選口地址為： 8000H～8007H基本選口地址 8000H～FFFFH重疊選口地址 當P2.7=1時，選中8155內部RAM(256字節(jié))工作。此時8155的選口地址為： 0000H～00FFH基本地址 0000H～7FFFH重疊地址 按照這種接線，查《單片機原理及其接口技術》表7-3可知，圖中8155的PA口的地址為8001H；PB口的地址為8002H；PC口的地址為8003H。 2.2復位電路設計 任何單片機在開機時都需要復位，以便中央處理器CPU以及其他功能部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。復位對單片機來說，是程序還沒有開始執(zhí)行，是在做準備工作。復位信號是高電平有效，因此只要在單片機復位信號的輸入端，即RET引腳上加上高電平就可以使單片機復位了，持續(xù)時間要有24個時鐘周期以上。為了保證應用系統(tǒng)可靠地復位，在設計復位電路時，一般使RESET引腳保持10ms以上穩(wěn)定的高電平。復位的時間不少于10ms，為了達到這個要求，需要在外部設計復位電路。 復位電路就是使系統(tǒng)回到初始化狀態(tài)。復位分為自動上電復位和人工按鈕復位兩種。在單片機應用系統(tǒng)中，除單片機本身需要復位外，外部擴展I/O接口電路等也需要復位，因此需要一個系統(tǒng)同步復位電路。本設計中用到的8155芯片復位端的復位電平與89C51的復位電平的要求一致，可以將復位信號與8155的復位端相連。上電瞬間，RC電路充電，RST引線出現(xiàn)正脈沖，只要RST保持10ms以上的高電平，就能使單片機有效的復位。在應用系統(tǒng)中，外圍芯片也需要復位，當上電時，單片機和外圍電路都同時得到了復位。 RST/VPD的第二功能是作為備用電源輸入端。當主電源VCC發(fā)生故障而降低到規(guī)定低電平時，RST/VPD線上的備用電源自動投入，以保證片內RAM中信息不丟失。本設計采用的是開關復位電路，開關按下系統(tǒng)就復位。電路圖如圖2-2，RST/VPD同時還與8155的復位端相連，當開機運行時，系統(tǒng)自動復位到初始化狀態(tài)。 圖2-2 單片機開關復位電路 2.3時鐘振蕩電路 MCS-51單片機內部的振蕩電路是一個到增益反相放大器，引線 XTAL1和XTAL2分別為反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入和來自反向振蕩器的輸出，該反向放大器可以配置為片內振蕩器。單片機內部雖然有振蕩電路，但要形成成時鐘，外部還需要附加電路。所以就需要外部再接時鐘振蕩電路，該電路可以采用石晶振蕩和陶瓷振蕩。 在MCS-51單片機內部的振蕩電路XTAL1和XTAL2引線上外接定時元件時，內部振蕩電路便產生自激振蕩。MCS-51單片機的時鐘產生方式有兩種，分別為：內部時鐘方式和外部時鐘方式。一般采用內部時鐘方式，也就是在XTAL1和XTAL2之間連接晶體振蕩器與電容構成穩(wěn)定的自激振蕩器，如圖2-3所示。 圖2-3 時鐘振蕩電路 晶體和電容決定了單片機的工作時間精度為1微秒。晶體可在0.5-16MHz之間選擇。MCS-51單片機在通常應用情況下，使用振蕩頻率為6MHZ的石英晶體，而12MHZ頻率的主要是在高速串行通信情況下才使用，本設計選用的是12MHZ石英晶體。外部電路中對電容沒有嚴格要求，但它的取值值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及振蕩電路起振速度有一點影響。C1和C2一般在20-100PF之間取值，典型值為30PF。 根據(jù)上面的要求，本設計在片內振蕩電路輸入線XTAL1和XTAL2上外接石英晶體和微調電容。石英晶振起振后，應能在XTAL2線上輸出一個3V左右的正弦波，以便使片內的OSC電路按石英晶振相同頻率自激振蕩。本設計OSC的輸出時鐘頻率fOSC為12MHz；電容的取值為30PF。具體的電路如圖3-3所示。 2.4 顯示接口電路設計 在本單片機系統(tǒng)設計中，通過8155擴展I/O端口來連接4位LED（Light-Emitting Diode，發(fā)光二極管）數(shù)碼顯示管，用來顯示步進電機當前的轉動速度。LED顯示器是單片機應用系統(tǒng)中常用的輸出設備，其結構簡單，價格便宜。LED有七段和八段之分，也有共陰和共陽兩種。在此采用的是八段共陰LED顯示管。八段LED顯示管由八只發(fā)光二極管組成，編號是a、b、c、d、e、f、g和SP，分別和同名管腳相連。八段LED顯示管原理是通過同名管腳上所加電平的高低來控制發(fā)光二極管是否點亮從而顯示不同字形的。在八段共陰LED顯示管中，所有發(fā)光二極管陰極共連后接到引腳G，G腳為控制器，用于控制LED是否點亮。若G腳接地，則LED被點亮；若G腳接TTL高電平，則它被熄滅。 圖2—4 LED顯示器電路 第3章 鍵盤電路設計 3.1鍵盤排列設計 鍵盤是若干按鍵的集合，是單片機的常用輸入設備，操作人員可以通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)和命令，實現(xiàn)人機通信。鍵盤的連接方式可以分為獨立聯(lián)接式和行列（矩陣）式兩類。每一類又可根據(jù)對按鍵的譯碼方法分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型[1]。 編碼鍵盤主要通過硬件電路產生被按按鍵的鍵碼和一個選通脈沖，選通脈沖常用做CPU的中斷請求信號，以便通知CPU以中斷方式接收被按按鍵的鍵碼。這種鍵盤使用方便，但硬件電路復雜，常不被微型計算機采用[1]。 在非編碼鍵盤中，每個按鍵的作用只是使相應接點接通或斷開，每個按鍵的鍵碼并非由硬件電路產生，而是有相應掃描處理程序對它掃描形成的。因此，非編碼鍵盤硬件電路極為簡單，在微型計算機中得到了廣泛應用。因為本設計采用的是單片機控制系統(tǒng)，所以本設計中鍵盤對按鍵的譯碼方法采取非編碼鍵盤。 在獨立聯(lián)接式的非編碼鍵盤中，每個按鍵都是彼此獨立的，均需占用CPU的一條I/O輸入數(shù)據(jù)線。這樣的排列只有在按鍵較少或I/O口使用較少時使用。本設計中按鍵有16個，再加上須控制三個步進電動機， I/O口的使用也已經很緊張了，因此用獨立聯(lián)接式的非編碼鍵盤已經不能滿足要求了，所以本設計的鍵盤選擇為行列式非編碼鍵盤。 行列式非編碼鍵盤是一種把所有按鍵排列成行列矩陣的鍵盤。在這種鍵盤中，每根行線（水平線）和列線（垂直線）的交叉處都接有一個按鍵，每當某個按鍵被按下時，與這個按鍵相連的行線和列線就會接通，否則是斷開狀態(tài)。因此，一個MⅹN的行列式鍵盤只需M條行線和N條列線，共占用M+N條單片機的I/O端口線。 8155對行列式鍵盤的接口電路如圖3-1所示，該鍵盤共有16個按鍵，分成四行四列。四條行線是接在8155的PC0、PC1、PC2、PC3口上的，而四條列線是接在8155的PB4、PB5、PB6、PB7上的。在每條行線和列線的交叉處都有一個按鍵。所以4*4=16，一共16個按鍵。圖中這16個鍵分成三類：一是數(shù)字鍵0～9；二是速度鍵1個，按的次數(shù)為Ⅰ～Ⅵ次，分別代表六檔速度，每按一次速度檔加一；三是功能鍵5個，分別是：“確認”、“刪除”、“復位”、“急?！?、“開始”。 CPU監(jiān)視鍵盤中是否有鍵按下的原理很簡單。如圖3-1所示，行線通過電阻與+5V的電源相連。CPU只要把全“0”送到8155的PB4、PB5、PB6、PB7，就可以在所有的列線R1、R2、R3、R4上得到低電平，然后讀取PC0、PC1、PC2、PC3上的行值就可以判斷是否有鍵按下。在沒有鍵按下時，行線都是高電平。當有鍵按下時，行線與列線接通，相應的行線就變?yōu)?。 圖3-1 行列式鍵盤接線圖 3.2中斷電路 判斷是否有鍵按下，CPU可以采取定時掃描和中斷的方式。如果采取定時掃描，CPU每隔一段時間就得中斷掃描一次，這樣增加了CPU的負荷。所以本設計采用中斷方式，當有鍵按下時才進行處理。 中斷是指計算機暫時停止原程序的執(zhí)行轉而為外部設備服務（執(zhí)行中斷服務程序），并在服務完成后自動返回原程序執(zhí)行的過程。中斷由中斷源產生，中斷源在需要時可以向CPU提出“中斷請求”。中斷的優(yōu)點是：①可以提高CPU的工作效率。CPU有了中斷功能就可以通過分時操作啟動多個外設同時工作，并能對它們進行統(tǒng)一管理。CPU執(zhí)行主程序中安排的有關指令可以令各外設與它并行工作，而且任一個外設在工作完成后都可以通過中斷得到滿意的服務。因此，CPU在與外設交換信息時通過中斷就可以避免不必要的等待和查詢，從而大大提高它的工作效率。②可以提高實時數(shù)據(jù)的處理實效。在實時控制系統(tǒng)中，被控系統(tǒng)的實時參量、越限數(shù)據(jù)和故障信息必須為計算機及時采集、進行處理和分析判斷，以便對系統(tǒng)實施正確的調節(jié)和控制。CPU有了中斷功能，系統(tǒng)的失常和故障就都可以通過中斷立刻通知CPU，使它可以迅速采集實時數(shù)據(jù)和故障信息，并對系統(tǒng)作出應急處理。所以本設計采用中斷方式判斷是否有鍵按下。 在鍵盤的4條行線通過與非門和一個反向器與AT89C51的相連。這個與非門是74LS40四輸入與非門。如圖3-2當有鍵按下時，行線上值變?yōu)?，只要有一路為0，與非門的輸出就為1,再經過反向器后的輸出就為0。而INTO是負邊沿觸發(fā)，這樣就會向AT89C51發(fā)出中斷請求，AT89C51則響應中斷對按鍵和數(shù)據(jù)進行處理。 圖3-2 鍵盤中斷接線圖 圖3-2中使用的74LS40四輸入與非門的狀態(tài)表如下（A、B、C、D是與非門的四個輸入端；Y是與門的輸出端）： A B C D Y 0 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 當沒鍵按下時，行線PC0～PC2的值都為1，當有鍵按下時，行線和列線接通，變?yōu)?，經與非門輸出變?yōu)?，再經過反向器后輸出就變?yōu)?，就向CPU發(fā)出中斷請求。 3.3鍵盤掃描并識別按鍵 當按下某個按鍵時，被按鍵的簧片總會有輕微抖動，這種抖動常常會持續(xù)10ms左右。如圖3-3所示。 圖3-3 鍵合斷時的電壓抖動 因此CPU在按鍵抖動期間掃描鍵盤會得到錯誤的行首鍵號和列值，最好的辦法是使CPU在檢測到有鍵按下時延時20ms再進行列向掃描。延時的方法用CPU執(zhí)行循環(huán)程序，來消耗一定的機器周期數(shù)，達到延時的時間。具體的程序如下： DY20MS:MOV 05H, #27H DY20MS1:MOV 06H, #0FFH DY20MS2:DJNZ 06H, DY20MS2 DJNZ 05H, DY20MS1 RET 時鐘周期又稱為振蕩周期，由單片機片內振蕩電路OSC產生，常定義為時鐘脈沖頻率的倒數(shù)，是時序中最小的時間單位。本設計單片機的晶振頻率為12MHz，，則它的時鐘周期為1/12M，等于1/12（us）。而機器周期定義為實現(xiàn)特定功能所需要的時間，通常是若干個時鐘周期構成。MCS-51單片機的機器周期時間是固定不變的，均為12個時鐘周期T構成。所以本設計的單片機芯片的機器周期為1 us。指令周期是時序中最大的時間單位，定義為執(zhí)行一條指令所需的時間，而不同指令所包含的機器周期數(shù)是不相同的。 在上述程序中，第一條DY20MS程序的執(zhí)行需要消耗2個機器周期數(shù)；第二條DY20MS1程序的執(zhí)行也是需要消耗2個機器周期數(shù)；第三條DY20MS2第一行程序的執(zhí)行需要消耗2個機器周期數(shù)；第二行也同樣要消耗2個機器周期數(shù)，20ms的消耗計算如下： 2+（2+255*2+2）*39=20048（機器周期） 而單片機的機器周期為1 us，所以延時的時間是（1*20048）us，也就是20.048ms。通過這樣就可以達到延時20ms的目的了。 經過了按鍵去抖動后，確認有鍵按下時，CPU獲取被按鍵的行首鍵號和列值只需逐列對鍵盤掃描（即輪流地使8155的B口中接鍵盤的四條列線變?yōu)榈碗娖剑┮宰x取和判斷PC3～PC0的行值即可。讀取的行值還要進行高四位屏蔽，因為沒接入線路的高四位可能會因為某些干擾而改變，從而影響了數(shù)據(jù)的判斷。在屏蔽完成后，讀取的行值若為0FH，則表明被按鍵不在本列，若行值不為0FH，則表明被按鍵在本列。判斷處于0狀態(tài)的行即可獲取行首鍵號，以及判斷處于0狀態(tài)的列（設置一個列值計數(shù)器R0，并在列掃描前清零）即可得到列值。 通過以上的方法，就可以得到被按鍵的行值和列值。 3.4數(shù)據(jù)轉換設計 由于鍵盤上所有按鍵的鍵值都存放在鍵值表中。鍵值表：CPU掃描鍵盤時可以通過程序讀取被按鍵的行首鍵號（每行第0列的鍵號）和列值（第0條的列值為0，第7條的列值為7），并求出被按鍵的鍵號（即鍵值的地址偏移量），然后再查鍵值表即可知道什么鍵被按下。因此，欲求被按鍵的鍵值必須先求出被按鍵鍵值在鍵值表中的地址偏移量。本設計中被按鍵鍵值的地址偏移量實際上是被按鍵的鍵號，這個鍵號等于被按鍵所在行首鍵號與它的列值之和。求取公式為： 被按鍵的鍵號N=行首鍵號+列值 CPU求得被按鍵的鍵號N（地址偏移量）后，就可以利用查表指令求得被按鍵的鍵值了。 本設計中第一行的行首鍵號為00H；第二行的行首鍵號為08H；第三行的行首鍵號為10H；第四行的行首鍵號為18H。各鍵的行首鍵號、列值、鍵值和相應鍵的關系編在一個表格中。如表3-1所示： 表3-1 鍵值表 地址偏移量 鍵值 行首鍵號 列值 按鍵 00H 00H 00H 00H 0 01H 01H 00H 01H 1 02H 02H 00H 02H 2 03H 03H 00H 03H 3 04H 04H 00H 04H 4 05H 05H 00H 05H 5 地址偏移量 鍵值 行首鍵號 列值 按鍵 06H 06H 00H 06H 6 07H 07H 00H 07H 7 08H 08H 08H 00H 8 09H 09H 08H 01H 9 0AH 0AH 08H 02H 速度 0BH 0BH 08H 03H 確認 0CH 0CH 08H 04H 刪除 0DH 0DH 08H 05H 復位 0EH 0EH 08H 06H 急停 0FH 0FH 08H 07H 開始 當獲得鍵值后，還要對按鍵的類型進行識別。在鍵值表中，數(shù)字鍵所對應的鍵值必小于0AH；速度鍵是0AH；功能鍵是大于0AH到0FH。因此，CPU判別被按鍵是數(shù)字鍵還是速度鍵還是功能鍵就十分容易了。若被按鍵的鍵值小于0AH，則轉數(shù)字鍵處理程序；若被按鍵等于0AH，則轉速度鍵處理程序；如果被按鍵大于0AH，則轉功能鍵處理程序。 當獲得鍵值后，還必須對數(shù)據(jù)進行處理。如果是數(shù)字鍵，還要分清是百位還是十位還是個位。如果是百位的數(shù)值，因為八位的二進制數(shù)最大只有255，所以為了防止數(shù)值過大，溢出出錯，百位上的數(shù)值先乘以25，到了電動機旋轉時，百位輸出四遍。如果是十位數(shù)，鍵值就乘以10，如果是個位數(shù)，就不變，然后乘完后的十位數(shù)和個位數(shù)相加，得到實際的數(shù)值，這個實際的數(shù)值到電動機旋轉時只輸出一遍，與百位不同。每個位上的數(shù)據(jù)在轉化后都要存到相應的單元。 如果是速度鍵，要識別速度鍵按下了幾次。按下一次表示一檔速度，按下兩次表示二檔速度。因為本設計所用的步進電機要求速度實現(xiàn)6檔控制，分別為500r/min；1000 r/min；1500 r/min；2000 r/min；2500 r/min；3000 r/min，所以速度鍵最多只能被按下六次。識別到是哪個速度檔后，就把相應速度檔的定時器初值裝入固定單元。這樣就可以修改定時器的定時時間，也就修改了脈沖頻率，從而就修改了電動機的轉動速度。 如果是功能鍵，要識別是哪個功能鍵。如果是“確認”鍵，要判斷“確認”鍵是第幾次按下，如果是第一次按下，表示輸入的是X軸坐標；如果是第二次按下，表示輸入的是Y軸坐標；如果是第三次按下，表示輸入的是Z軸坐標。判斷完后再把輸入的絕對坐標進行轉換，把數(shù)據(jù)與實際代表的數(shù)值進行聯(lián)系，同時還要把絕對坐標轉化為相對坐標，因為電機的運轉是走相對坐標的。最后，還要把相對坐標轉化為各個電機的脈沖數(shù)。如果是“刪除”鍵，則在確認鍵按下之前就要對電機的相應坐標清零，以便重新輸入X、Y、或Z軸的坐標。如果是“復位”鍵，就要對電機的所有坐標清零，同時使電機運行到三個坐標的零點，即原點。如果是“急?！辨I，就關閉定時器，中斷脈沖，電機就停轉了。如果是“開始”鍵，就打開定時器，輸出激勵信號，重新開啟脈沖，電動機就開始轉動并在4位LED（Light-Emitting Diode，發(fā)光二極管）數(shù)碼顯示管上顯示電機轉速。 3.5本章小結 本章主要介紹了鍵盤的連接方式，按鍵的布局，以及按鍵中斷和按鍵數(shù)據(jù)的處理和轉換。闡述了實現(xiàn)按鍵識別和數(shù)據(jù)轉換的具體方法和操作過程。 第4章 步進電機的驅動和控制設計 4.1步進電機的選擇 步進電動機是一種利用電磁鐵的作用原理將電脈沖信號轉換成為線位移或角位移的電機，近年來在數(shù)字控制裝置中的應用日益廣泛。其基本原理是對步進電動機加一個電脈沖后，其轉軸就轉過一個角度，稱為一步；脈沖數(shù)增加，角位移隨之增加；脈沖頻率越高，電動機的旋轉速度就越快，反之則慢。輸入脈沖的相序改變后，電動機便反轉。它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的，可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的。因此，步進電動機是純粹的數(shù)字控制電動機，非常合適單片機控制，在非超載的情況下，電機的轉速只取決于電脈沖信號的頻率，而不受負載變化的影響[3]。 步進電動機有如下特點：步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比。因此，當它轉一圈后，沒有積累誤差，具有良好的跟隨性；由步進電動機與驅動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既簡單、廉價，又非?？煽?；步進電動機的動態(tài)響應快，易于啟停、正反轉及變速；速度可在相當寬的范圍內平穩(wěn)調整，低速下仍能獲得較大轉距，因此一般可以不用減速器而直接驅動負載。 由于以上所有的優(yōu)點，所以本設計選擇步進電動機。選擇的電機的型號是：55BF003；三相六拍；步距角1.5度；電壓27V；相電流3A；運行頻率為12000HZ；最高空載啟動頻率1800 Hz。本設計電機可調轉速分為6檔，分別為：500r/min、1000 r/min；1500 r/min；2000 r/min；2500 r/min；3000 r/min。電機轉速的大小是由脈沖的頻率來決定的。而脈沖頻率是由定時器中斷的頻率決定的；定時器中斷頻率又是由初值決定的。所以要使電動機的轉速改變就必須改變定時器的初值。 （1）轉速500r/min： 定時器的工作方式選擇方式1，在該方式下，定時器是按16位加1計數(shù)器工作的，該計數(shù)器由高8位TH和低8位TL組成。電動機的步距角為1.5度， 360/1.5=240，所以電動機轉一圈要240個脈沖。電動機的轉速500r/min，即120ms/r,也就是單片機發(fā)出240個脈沖的時間是120ms。那每個脈沖是0.5ms，即500us。單片機時鐘脈沖頻率為12MHz，在定時器模式下，計數(shù)器由單片機主脈沖經12分頻后計數(shù)，所以計數(shù)的時間單位T是單片機時鐘周期TCLK的12倍。T=12*（1/fosc）=12*（1/12）（us）=1（us）。這樣我們就可以計算定時器的初值了： TC=216-500us/1us=65036=FE0CH 所以，在轉速是500r/min時，定時器的初值是FE0CH。 （2）轉速1000r/min： 電動機的轉速1000r/min，即60ms/r,也就是單片機發(fā)出240個脈沖的時間是60ms。那每個脈沖是0.25ms，即250us。所以定時器的初值為： TC=216-250us/1us=65286=FF06H 所以，在轉速是1000r/min時，定時器的初值是FF06H。 （3）轉速1500r/min： 電動機的轉速1500r/min，即40ms/r,也就是單片機發(fā)出240個脈沖的時間是40ms。那每個脈沖是0.167ms，即167us。所以定時器的初值為： TC=216-167us/1us=65369=FF59H 所以，在轉速是1500r/min時，定時器的初值是FF59H。 （4）轉速2000r/min： 電動機的轉速2000r/min，即30ms/r,也就是單片機發(fā)出240個脈沖的時間是30ms。那每個脈沖是0.125ms，即125us。所以定時器的初值為： TC=216-125us/1us=65411=FF83H 所以，在轉速是2000r/min時，定時器的初值是FF83H。 （5）轉速2500r/min： 電動機的轉速2500r/min，即24ms/r,也就是單片機發(fā)出240個脈沖的時間是24ms。那每個脈沖是0.1ms，即100us。計數(shù)的時間單位T= 1us。所以定時器的初值為： TC=216-100us/1us=65436=FF9CH 所以，在轉速是2500r/min時，定時器的初值是FF9CH。 （6）轉速3000r/min： 電動機的轉速3000r/min，即20ms/r,也就是單片機發(fā)出240個脈沖的時間是20ms。那每個脈沖是0.083ms，即83us。計數(shù)的時間單位T= 1us。所以定時器的初值為： TC=216-83us/1us=65453=FFADH 所以，在轉速是3000r/min時，定時器的初值是FFADH。 本設計一共使用了三個步進電動機，分別控制X、Y、Z方向上的移動。單片機發(fā)出的脈沖數(shù)決定步進電動機轉過的角度，也決定了機械手在各個方向上移動的距離。 4.2驅動電路的設計 4.2.1拍脈沖的生成 步進電動機的脈沖可以用環(huán)形分配器生成，也可以用軟件生成。本設計的脈沖是用軟件生成的。55BF003采用三相六拍工作方式，則正向旋轉各相繞組的通電順序和I/O口對應的輸出狀態(tài)為： X電機三個繞組是連在89C51的P1.0、P1.1、P1.2口上的，狀態(tài)如下： 通電繞組：A→AB→B→BC→C→CA→A┅ P1口輸出狀態(tài)： FEH→FCH→FDH→F9H→FBH→FAH→FEH┅ Y電機三個繞組是連在89C51的P1.3、P1.4、P1.5口上的，狀態(tài)如下： 通電繞組：A→AB→B→BC→C→CA→A┅ P1口輸出狀態(tài)：F7H→E7H→EFH→CFH→DFH→D7H→F7H┅ Z電機三個繞組是連在89C51的P2.1、P2.2、P2.3口上的，狀態(tài)如下： 通電繞組：A→AB→B→BC→C→CA→A┅ P2口輸出狀態(tài)：8CH→88H→8AH→82H→86H→84H→8CH┅ 反向旋轉時,改變通電順序即可,各相繞組的通電順序和I/O口對應的輸出狀態(tài)為： X電機狀態(tài)如下： 通電繞組：A→CA→C→CB→B→BA→A┅ P1口輸出狀態(tài)：FEH→FAH→FBH→F9H→FDH→FCH→FEH┅ Y電機狀態(tài)如下： 通電繞組：A→CA→C→CB→B→BA→A┅ P1口輸出狀態(tài)：F7H→D7H→DFH→CFH→EFH→E7H→F7H┅ Z電機狀態(tài)如下： 通電繞組：A→CA→C→CB→B→BA→A┅ P2口輸出狀態(tài)：8CH→88H→8AH→82H→86H→84H→8CH┅ 上述的狀態(tài)可以以下面的表格表示： 表4-1 電機輸出狀態(tài)表 PC PB PA 狀態(tài) 低地址L00→ 1 1 0 FEH 順↓ ↑逆 1 0 0 FCH 1 0 1 FDH 0 0 1 F9H 0 1 1 FBH 高地址L01→ 0 1 0 FAH 對于“軟件生成拍脈沖”，用定時器產生中斷，每次中斷步進電機走一個拍數(shù)。分配脈沖采用查表法，按正向運轉的通電順序列出各相繞組的脈沖分配表。給電動機設一個指針寄存器，初始化時使指針指向分配表的表首。步進電動機需要正向運行一步時，指針下移一行，同時輸出該行的狀態(tài)，當指針超出分配表表尾時自動回到表首；步進電動機反向運行時，指針上移一行，并輸出該行的脈沖值，當指針超出表首時又自動回到表尾。具體的流程如圖4-1所示。通過這樣的設計，就可以實現(xiàn)軟件生成脈沖了。 圖4-1 指針法程序流程圖 4.2.2隔離電路的設計 在工業(yè)控制領域中，單片機不僅要對被控對象進行監(jiān)測，輸入被控系統(tǒng)的開關量和模擬量，而且要把經過處理后的信息以開關量和模擬量形式輸出并控制被控系統(tǒng)工作。這些開關量（如動力回路的啟停、機械限位開關狀態(tài)，等等）和模擬量（如壓力、溫度和流量傳感器的輸出、發(fā)電機的輸出電壓、電流和功率、電網電壓、等等）本身往往就是強電系統(tǒng)。因此，強電控制電路必將會對單片機控制系統(tǒng)產生嚴重干擾，以致單片機控制系統(tǒng)不能正常工作。本設計中，步進電動機的電流和電壓、功率就是強電系統(tǒng)。 單片機控制系統(tǒng)和強電控制回路共地是引起干擾的主要原因，因為強電控制回路中電流和電壓往往很大，并會在強電使用的電器和地之間形成強大的脈動干擾。這個脈動干擾必然會通過接地不良電阻和電容耦合到單片機主機回路中。消除這些脈沖干擾的最有效的方法是使單片機弱電部分和強電控制回路的地隔開，在電氣連接上切斷它們彼此間的耦合通路[4]。因此，隔離器件兩側必須使用獨立的電源分別供電。 電氣隔離通?？煞譃槔^電器隔離和光電隔離兩類。繼電器隔離適用于啟動負荷大且響應速度慢的動力設備，因為繼電器觸點的負載能力大，能直接控制動力回路工作。光電隔離又稱為光電耦合、光電去耦器或光子耦合器等。光電耦合器由光源（發(fā)光二極管）和光傳感器（光敏三極管，本設計用達林頓管）組成。如圖4-2所示 圖4-2 光電隔離電路 4.2.3功率放大電路的設計 由于從單片機出來的脈沖電流只有幾十毫安，而步進電動機的定子繞組相電流需要3安培，所以從單片機出來的電流是無法直接驅動步進點電機的，這就必須用到電流和功率的放大器[5]。功率放大器的功能是將脈沖電流放大到足以驅動步進電動機旋轉。 本設計所用的放大器是達林頓管，達林頓管又稱復合管。它是將二只三極管適當?shù)倪B接在一起，以組成一只等效的新的三極管。這等效復合管的電流放大系數(shù)近似為二管電流放大系數(shù)的乘積。在電工學的電路設計中，達林頓接法常用于功率放大器和穩(wěn)壓電源中。 達林頓電路有四種接法：NPN+NPN，PNP+PNP，NPN+PNP,PNP+NPN. 前二種是同極性接法，后二種是異極性接法。本設計選擇的是NPN+NPN型，具體接法如圖4-3所示。前面為三極管射極跟后面三極管基極相接，前面三極管功率一般比后面三極管小，前面三極管基極為達林頓管基極，后面三極管射極為達林頓管射極，用法跟三極管一樣，放大倍數(shù)大約是兩個三極管放大倍數(shù)的乘積[6]。 本設計選用的組成復合管的三極管的型號為2SD560，電壓是150V；電流是5A；功率是30W，管子類型為NPN。 圖4-3電流放大電路 圖4-3中二極管起到單向導通和釋放電感線圈儲能的作用。當達林頓管導通時，由于二極管的單向導通性能，二極管和R1的線路就被截止，只有R2和線圈工作。由于線圈是屬于電感，電感是儲能元件，當斷開電源，要求電機停止工作時，線圈中仍然有能量。這時，二極管和R1、R2、線圈就組成了回路，釋放能量。 4.3本章小結 本章主要闡述了步進電機的選擇和步進電機速度檔的分配，以及驅動電路的設計。在驅動電路部分主要介紹了步進電機脈沖的生成；光電隔離電路的設計；電機功率放大電路的設計。 結論 本設計的三自由度機械手是由用來執(zhí)行抓取、操作等動作的末端執(zhí)行器固定在移動平臺上構成的。它具有很大的工作空間和移動速度可控制等優(yōu)點，并具有移動和操作功能，是機器人領域一個重要的研究課題。 本論文在參考了國內外相關文獻的基礎上，對系統(tǒng)完成了整體的設計，所用器件的選擇，闡述了具體功能及實現(xiàn)的原理，之后主要針對機械手運動控制進行研究。對于輸入設備的鍵盤，主要分析了它的排列方式，設計了按鍵中斷電路，然后識別按鍵，最后再對按鍵進行數(shù)據(jù)處理和轉換，從而來完成輸入的控制。對于單片機控制系統(tǒng)，本論文主要分析了它的選型，設計了它的晶振電路和開關復位電路，并對89C51進行I/O擴展，分析了各個I/O口的地址。對步進電動機的控制方面：設計了用軟件生成拍脈沖；完成了電機驅動電路的設計。在驅動電路里主要是對電機的隔離電路和功率放大電路進行設計。此外還設計了電機轉動時的轉數(shù)和轉速的控制過程，設計方法是通過控制電機的脈沖數(shù)從而控制步進電動機轉動的轉數(shù)，通過控制電機的脈沖頻率來控制步進電動機轉動的速度。這樣就完成了電機驅動和轉數(shù)以及速度的控制。 本課題的研究過程中主要完成了以下工