機械手控制設計

山東華宇職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)設計 山東華宇職業(yè)技術(shù)學院高職畢業(yè)生畢業(yè)設計（論文）課題名稱 機械手控制設計 專業(yè)： 班級： 學號： 姓名： 指導教師： 畢業(yè)設計（論文）任務書畢業(yè)設計（論文）題目： 機械手控制設計 專業(yè)： 機電一體化 姓名： 畢業(yè)設計（論文）工作起止時間：2011年10月10日2011年11月10日畢業(yè)設計（論文）的內(nèi)容要求： 生產(chǎn)線上有紅黑兩種直徑為2cm 厚1cm 的圓鐵片，設計一種機械手，該手能自動篩選出紅色鐵片，并把紅色鐵片放到指定位置。機械手有上行/下行、左行/右行、放松/夾緊幾個運行方式，并要求機械手有判別鐵片顏色的功能，且能準確把握鐵片位置、重量、形狀等因素。該手運行路徑合理，接近指定位置時能夠減速運行。整個過程無人工操作，系統(tǒng)通過傳感裝置檢測工件，工作結(jié)束后能自動停止。自動機械手的機械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構(gòu)是機械手賴以完成工作任務的實體，通常由連桿和關節(jié)組成，由驅(qū)動傳動系統(tǒng)提供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務。驅(qū)動傳動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動機構(gòu)和傳動系統(tǒng)。驅(qū)動機構(gòu)提供機械手各關節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)則將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滿足機械手各關節(jié)力矩和運動所要求的驅(qū)動力或力矩。有的文獻則把機械手分為機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機械系統(tǒng)又叫操作機(Manipulator)，相當于本文中的執(zhí)行機構(gòu)部分。 指導教師（簽名）： 年 月 日畢業(yè)設計開題報告一、課題設計（論文）目的及意義工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設備。工業(yè)機械手的是工業(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期的作業(yè)任務，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(jīng)濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。機械手是在機械化，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，機械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)殿起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，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，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用在機械工業(yè)中，應用機械手的意義可以概括如下：1、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度應用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。2、以改善勞動條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。3、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢二、課題設計（論文）提綱1、機械手概述2、機械手總體方案設計主要包括機械手設計要求和基本設計思路3、硬件結(jié)構(gòu)設計主要包括機械手尺寸的確定、傳動部分的設計、單片機的選擇、驅(qū)動芯片的選擇、傳感器的確定、接口電路、電路圖繪制等。軟件電路部分設計 電路圖繪制 4、設計過程、序流程框圖、考程序、片機裝置安裝與調(diào)試的注意事項三、課題設計（論文）思路、方法及進度安排思路：主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。1.機械手的工藝流程: 機械手原位機械手前伸機械手上升機械手抓取并夾緊機械手后退機械手前進（小車）小車停止機械手左轉(zhuǎn)90°機械手前伸機械手松開機械手后退（小車）機械手下降機械手右轉(zhuǎn)90°小車后退退至原位2.畢業(yè)設計的目的就是要把我們所學的比較分散的知識綜合起來，并進行靈活運用?，F(xiàn)在的發(fā)展趨勢是機電一體化，因此，我們的畢業(yè)設計是要我們將“機”、“電”、“液”三者合并起來?！皺C”即是指機械，機械手的動作過程可以分為：機械手的上升下降、機械手的前伸后縮、機械手的加緊放松、機械手的左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)。這幾部分中我們靠機械完成機械手的上升下降動作。進度安排：第一周 準備開題報告會；第二周 據(jù)課題進展情況完成中期檢查表，并口頭匯報工作；第三周 基本完成設計工作，交由老師審閱。第四周 根據(jù)老師提出的意見，進行論文修改，并提交答辯小組審閱。四、課題設計（論文）參考文獻1張建民機電一體化系統(tǒng)設計.北京:北京理工大學出版社,1996:108-1102陳光東. 單片微型計算機原理與接口技術(shù).武昌: 華中理工大學出版社,1999:13劉鑫.工業(yè)控制計算機的設計技術(shù).自動化博覽,2001(6):9-114 孫克梅. 直流伺服電機的單片機控制及應用. 沈陽航空工業(yè)學院學報,2003(2):50-525鄧星鐘.機電傳動控制.武昌:華中科技大學出版社,2001:349-3516張建民.機電一體化系統(tǒng)設計.北京:北京理工大學出版社,2000:15-267廖常初.可編程序控制器的編程方法與工程應用.重慶:重慶大學出版社,2001:102-10610周凱.精密數(shù)控機床的轉(zhuǎn)角-線位移雙閉環(huán)位置控制系統(tǒng).中國機械工程.1998(8):12-1611劉群山, 李志勇, 王勇.沖床送料裝置的單片機自適應控制.組合機床與自動化加工技術(shù).1999(3):38-40目錄第1章 機械手設計概述21.1 機械手概述2第2章 機械手總體方案設計42.1 設計要求42.2 基本設計思路42.2.1 CPU42.2.2 傳動機構(gòu)52.2.3 機械手52.2.4 抓取機構(gòu)72.2.5 機械手的驅(qū)動方式82.2.6 設計方案的定型10第3章 硬件結(jié)構(gòu)設計113.1 機械手尺寸的確定113.2 傳動部分的設計113.3 單片機的選擇153.4 驅(qū)動芯片的選擇173.5 傳感器的確定223.6 接口電路22第4章 控制電路部分設計及程序調(diào)試264.1電路圖繪制264.2設計過程284.3 程序流程框圖294.4參考程序：314.5 單片機裝置安裝與調(diào)試的注意事項37全文總結(jié)38致謝39參考文獻40機械手控制設計姓名：XXX 學號：XXXXXXXXXXX 班級：XXXXXXXXXX指導教師：XXX摘 要：機械手技術(shù)涉及到電子、機械學、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學領域，是一門跨學科綜合技術(shù)。隨著工業(yè)自動化發(fā)展的需要，機械手在工業(yè)應用中越來越重要。文章主要敘述了機械手的設計過程以及機械手的設計理論與方法。本設計以AT89C51 單片機為核心，采用LMD18200 電機控制芯片達到控制直流電機的啟停、速度和方向，完成了篩選機械手基本要求和發(fā)揮部分的要求。在篩選機械手設計中，采用了PWM 技術(shù)對電機進行控制，通過對占空比的計算達到精確調(diào)速的目的。關鍵詞：篩選機械手，AT89C51 單片機，LMD18200 電機控制芯片，PWM技術(shù)，電機控制第1章 機械手設計概述1.1 機械手概述機械化、自動化已成為現(xiàn)代工業(yè)中突出的主題。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的，機器人的出現(xiàn)和應用，為這些作業(yè)的機械化奠定了良好的基礎。機械手，多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操作工具的裝置（國內(nèi)稱作工業(yè)機械手或通用機械手）。機械手是一種具有人體上肢的部分功能，工作程序固定的自動化裝置。機械手具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、維修容易的優(yōu)勢，但功能較少，適應性較差。目前我國常把具有上述特點的機械手稱為專用機械手，而把工業(yè)機械手稱為通用機械手。簡而言之，機械手就是用機器代替人手，把工件由某個地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進行加工。機械手一般分為三類,第一類是不需要人工操作的通用機械手，也即本文所研究的對象。它是一種獨立的、不附屬于某一主機的裝置，可以根據(jù)任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它是除具備普通機械的物理性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機（Manipulator）。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機械手，主要附屬于自動機床或自動生產(chǎn)線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機械手在國外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅(qū)動。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。機械手按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關節(jié)型機械手以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對工作空間最大，甚至能繞過基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點，成為機械手中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式。要機械手像人一樣拿取東西，最簡單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關節(jié)等部分組成的抓取和移動機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)；像肌肉那樣使手臂驅(qū)動傳動系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了運動的機械手的性能。一般而言，機械手通常就是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)這三部分組成，如圖 1-1 所示。機械手執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動-傳動系統(tǒng)控制系統(tǒng)手部腕部臂部腰部基座部（固定或移動）電、液或氣動驅(qū)動裝置單關節(jié)伺服控制器關節(jié)協(xié)調(diào)及其他信息交換計算機圖1-1 機械手的一般組成對于現(xiàn)代智能機械手而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺裝置、視覺裝置和語言識別裝置等。目前研究主要集中在賦予機械手“眼睛”，使它能識別物體和躲避障礙物，以及機械手的觸覺裝置。機械手的這些組成部分并不是各自獨立的，或者說并不是簡單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個機械手的。機械手的各部分之間必然存在著相互關聯(lián)、相互影響和相互制約的關系。它們之間的相互關系如圖1-2 所示。第2章 機械手總體方案設計2.1 設計要求生產(chǎn)線上有紅黑兩種直徑為2cm 厚1cm 的圓鐵片，設計一種機械手，該手能自動篩選出紅色鐵片，并把紅色鐵片放到指定位置。機械手有上行/下行、左行/右行、放松/夾緊幾個運行方式，并要求機械手有判別鐵片顏色的功能，且能準確把握鐵片位置、重量、形狀等因素。該手運行路徑合理，接近指定位置時能夠減速運行。整個過程無人工操作，系統(tǒng)通過傳感裝置檢測工件，工作結(jié)束后能自動停止。自動機械手的機械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動傳動系統(tǒng)組成。執(zhí)行機構(gòu)是機械手賴以完成工作任務的實體，通常由連桿和關節(jié)組成，由驅(qū)動傳動系統(tǒng)提供動力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務。驅(qū)動傳動系統(tǒng)主要包括驅(qū)動機構(gòu)和傳動系統(tǒng)。驅(qū)動機構(gòu)提供機械手各關節(jié)所需要的動力，傳動系統(tǒng)則將驅(qū)動力轉(zhuǎn)換為滿足機械手各關節(jié)力矩和運動所要求的驅(qū)動力或力矩。有的文獻則把機械手分為機械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分。其中的機械系統(tǒng)又叫操作機(Manipulator)，相當于本文中的執(zhí)行機構(gòu)部分2.2 基本設計思路總體設計框圖如下所示： 、單片機光電傳感器獨立鍵盤計算機機械手電磁鐵機械手抓手驅(qū)動芯片伺服電機增量式光電編碼器傳動部件機械手手臂 圖2-1 總體設計框圖2.2.1 CPUCPU 部分有兩種選擇:單片機控制和PLC 控制。2.2.2 傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)種類繁多，常見的有齒輪傳動、齒條傳動、絲桿傳動、鏈條傳動。由于一般的電機驅(qū)動系統(tǒng)輸出的力矩較小，需要通過傳動機構(gòu)來增加力矩，提高帶負載能力。對機械手的傳動機構(gòu)的一般要求有：（1）結(jié)構(gòu)緊湊，即具有相同傳動功率和傳動比時體積最小，重量最輕；（2）傳動剛度大，即由驅(qū)動器的輸出軸到連桿關節(jié)的轉(zhuǎn)軸在相同的扭矩時角度變形要小，這樣可以提高整機的固有頻率，并大大減輕整機的低頻振動；（3）回差要小，即由正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)時空行程要小，這樣可以得到較高的位置控制精度；（4）壽命長、價格低。2.2.3 機械手1.機械手的組成機械手一般由執(zhí)行機構(gòu)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)三個部分組成。（1）執(zhí)行機構(gòu)1) 手腕 手腕是聯(lián)接手臂與末端執(zhí)行器的部件，用以調(diào)整末端執(zhí)行器的方位和姿態(tài)。2) 手臂 手臂是支承手腕和末端執(zhí)行器的部件。它由動力關節(jié)和連桿組成，用來改變末端執(zhí)行器的位置。3) 機座 機座是機械手的基礎部件，并承受相應的載荷，機座分為固定式和移動式兩類。（2）控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)用來控制機械手按規(guī)定要求動作，可分為開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。大多數(shù)工業(yè)機械手采用計算機控制，這類控制系統(tǒng)分為決策級，策略級和執(zhí)行級三級：決策級的功能是識別環(huán)境、建立模型、將工作任務分解為基本動作序列；策略級將基本動作變?yōu)殛P節(jié)坐標協(xié)調(diào)變化的規(guī)律，分配給各關節(jié)的伺服系統(tǒng)；執(zhí)行級給出各關節(jié)伺服系統(tǒng)的具體指令。（3）驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令將信號放大，驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的傳動裝置。常用的有電氣、液壓、氣動和機械等四種驅(qū)動方式。除此之外，機械手可以配置多種傳感器（如位置、力，觸覺，視覺等傳感器），用以檢測其運動位置和工作狀態(tài)。2.機械手的分類機械手按坐標形式、控制方式、驅(qū)動方式和信號輸入方式四種方法分類。（1）按坐標形式分坐標形式是指執(zhí)行機構(gòu)的手臂在運動時所取的參考坐標系的形式。1) 直角坐標式 直角坐標機械手的末端執(zhí)行器在空間位置的改變是通過三個互相垂直的軸線移動來實現(xiàn)的，即沿X 軸的縱向移動、沿Y 軸的橫向移動及沿Z 軸的升降。這種機械手位置精度最高，控制無耦合，比較簡單，避障性好，但結(jié)構(gòu)較龐大，動作范圍小，靈活性差。2) 圓柱坐標式 圓柱坐標機械手通過兩個移動和一個轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)末端執(zhí)行器空間位置的改變，其手臂的運動由在垂直立柱的平面伸縮和沿立柱升降兩個直線運動及手臂繞立柱轉(zhuǎn)動復合而成。這種機械手位置精度較高，控制簡單，避障性好，但結(jié)構(gòu)也較龐大。3) 極坐標式 極坐標機械手的運動由一個直線運動和兩個轉(zhuǎn)動組成，即沿手臂方向X軸的伸縮，繞Y軸的俯仰和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。這種機械手占地面積小，結(jié)構(gòu)緊湊，位置精度尚可，但避障性差，有平衡問題。4) 關節(jié)坐標式 關節(jié)坐標機械手主要是由立柱、大臂和小臂組成，立柱繞Z軸旋轉(zhuǎn)，形成腰關節(jié)，立柱和大臂形成肩關節(jié)，大臂和小臂形成肘關節(jié)，大臂和小臂作俯仰運動。這種機械手工作范圍大，動作靈活，避障性好，但位置精度低，有平衡問題，控制耦合比較復雜，目前應用越來越多。（2）按控制方式分1) 點位控制 采用點位控制的機械手，其運動為空間點到點之間的直線運動，不涉及兩點之間的移動軌跡，只在目標點處控制機械手末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)。這種控制方式簡單，適用于上下料、點焊等作業(yè)。2) 連續(xù)軌跡控制 采用連續(xù)軌跡控制的機械手，其運動軌跡可以是空間的任意連續(xù)曲線。機器人在空間的整個運動過程都要控制，末端執(zhí)行器在空間任何位置都可以控制姿態(tài)。（3）按驅(qū)動方式分1) 電力驅(qū)動 電力驅(qū)動是目前采用最多的一種。早期多采用步進電機驅(qū)動，后來發(fā)展了直流伺服電動機，現(xiàn)在交流伺服電動機的應用也得到了迅速發(fā)展。這類驅(qū)動單元可以直接驅(qū)動機構(gòu)運動，也可以通過諧波減速器裝置減速后驅(qū)動機構(gòu)運動，結(jié)構(gòu)簡單緊湊。2) 液壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動的機械手具有很大的抓取能力，可抓取質(zhì)量達上百公斤的物體，油壓可達7MPa，液壓傳動平穩(wěn)，動作靈敏，但對密封性要求較高，不宜在高溫或低溫現(xiàn)場工作，需配備一套液壓系統(tǒng)。3) 氣壓驅(qū)動 氣壓驅(qū)動的機械手結(jié)構(gòu)簡單，動作迅速，價格低廉，由于空氣可壓縮性，導致工作速度穩(wěn)定性差，氣源壓力一般為0.7MPa，因此抓取力小，只能抓取重量為幾公斤到十幾公斤的物體。（4）按信號輸入方式分1) 人操作機械手 是一種由操作人員直接進行操作的具有幾個自由度的機械手。2) 固定程序操作機械手 按預先規(guī)定的順序、條件和位置，逐步地重復執(zhí)行給定作業(yè)任務的機械手。3) 可變程序操作機械手 它與固定程序機械手基本相同，但其工作次序等信息易于修改。4) 程序控制機械手 它的作業(yè)指令是由計算機程序向機械手提供的，其控制方式與數(shù)控機床一樣。5) 示教再現(xiàn)機械手 這類機械手能夠按照記憶裝置存儲的信息來復現(xiàn)由人示教的動作，其示教動作可自動地重復執(zhí)行。6) 智能機械手 采用傳感器來感知工作環(huán)境或工作條件的變化，并借助其自身的決策能力，完成相應的工作任務。2.2.4 抓取機構(gòu)抓取機構(gòu)是機械手執(zhí)行工作的裝置，可安裝夾持器、工具、傳感器等。抓取機構(gòu)可分為機械夾緊、真空抽吸、液壓夾緊、磁力吸附等。2.2.5 機械手的驅(qū)動方式該機械手一共具有三個獨立的運動關節(jié)，連同末端機械手的運動，一共需要三個動力源。機械手常用的驅(qū)動方式有液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機驅(qū)動三種類型。這三種方法各有所長，各種驅(qū)動方式的特點見表：內(nèi)容驅(qū)動方式液壓驅(qū)動氣動驅(qū)動電機驅(qū)動輸出功率很大，壓力范圍為50140pa大，壓力范圍為4860pa較大控制性能利用液體的不可壓縮性，控制精度較高，輸出功率大，可無級調(diào)速，反應靈敏，可實現(xiàn)連續(xù)軌跡控制氣體壓縮性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，難以實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制控制精度高，功率較大，能精確定位，反應靈敏，可實現(xiàn)高速、高精度的連續(xù)軌跡控制，伺服特性好，控制系統(tǒng)復雜響應速度很高較高很高結(jié)構(gòu)性能及體積結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。結(jié)構(gòu)適當，執(zhí)行機構(gòu)可標準化、模擬化，易實現(xiàn)直接驅(qū)動。伺服電動機易于標準化，結(jié)構(gòu)性能好，噪聲低，電動機一般需配置減速裝置，表2-1 三種驅(qū)動方式的特點對照如下：安全性防爆性能好，用液壓油作傳動介質(zhì)，在一定條件下有火災危險防爆性能好，高于1000kpa（10個大氣壓）時應注意設備的抗壓縮性設備自身無爆炸和火災危險，直流有刷電動機換向時有火花，對環(huán)境的防爆性能較差對環(huán)境的影響液壓系統(tǒng)易漏油，對環(huán)境有污染排氣時有噪聲無在工業(yè)機械手中應用范圍適用于重載、低速驅(qū)動，電液伺服系統(tǒng)適用于噴涂機械手、點焊機械手適用于中小負載驅(qū)動、精度要求較低的有限點位程序控制機械手，如沖壓機械手本體的氣動平衡及裝配機械手氣動夾具適用于中小負載 ，要求具有較高的位置控制精度和軌跡控制精度、速度較高的機械手，如AC伺服噴涂機械手、點焊機械手、弧焊機攜手、裝配機械手等。成本維修及使用液壓元件成本較高方便，但油液對環(huán)境溫度有一定的要求成本低，方便成本高較復雜機械手驅(qū)動系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點，通常對機械手的驅(qū)動系統(tǒng)的要求有：（1） 驅(qū)動系統(tǒng)的質(zhì)量盡可能要輕，單位質(zhì)量的輸出功率要高，效率也要高；（2） 反應速度要快，即要求力矩質(zhì)量比和力矩轉(zhuǎn)動慣量比要大，能夠進行頻繁地起、制動，正、反轉(zhuǎn)切換；（3） 驅(qū)動盡可能靈活，位移偏差和速度偏差要小；（4） 安全可靠；（5） 操作和維護方便；（6） 對環(huán)境無污染，噪聲要?。唬?） 經(jīng)濟上合理。2.2.6 設計方案的定型1.CPU 的選擇由于單片機體積小，價格便宜且具有高穩(wěn)定性和很強的抗干擾能力，因此本設計中用單片機取代PLC 控制。2.機械手坐標形式的選擇由于本設計中精度要求較高，首先排除了極坐標式和關節(jié)坐標式，而且它們還存在平衡問題，直角坐標式靈活性差，不利于提高工作效率。因此為了使其工作方式更加簡單直觀，機械手坐標類型選擇為圓柱坐標式機械手。3.傳動機構(gòu)的選擇本設計要求傳動方式為電機的轉(zhuǎn)動帶動機械手臂的上下、左右移動，即圓周運動轉(zhuǎn)換為直線運動，首先排除了帶傳動。與此同時，由于設計精度要求較高，所以鏈條傳動也不作考慮。剩下絲桿傳動和齒輪傳動，從零件的加工方面考慮，最終確定了加工較為簡單的齒輪傳動。4.抓取機構(gòu)的選擇目前工業(yè)上較長采用的抓取機構(gòu)為手爪。但是本次設計要求的工件為直徑2cm厚1cm 的圓形鐵片，抓取精度要求高，操作難度較大?？紤]到材質(zhì)，因此選擇了電磁閥作為抓取機構(gòu)。通過電磁閥的通斷來控制工件的抓取和放下，操作方便。5.驅(qū)動方式的選擇在選擇驅(qū)動方式階段，我首先考慮的是液壓、氣壓傳動，但方案存在一定缺陷。其中，液壓裝置體積太過龐大，需要專門配置一套液壓系統(tǒng)，且對密封性要求高，不宜在高溫、低溫下工作。而氣壓傳動由于空氣的可壓縮性導致工作速度、穩(wěn)定性較差，且有一定噪音。電機選擇相對較為簡單，由于步進電機有步距角誤差，機械手在齒輪傳動和擺動時會進一步放大該誤差，因此選擇伺服電機驅(qū)動。第3章 硬件結(jié)構(gòu)設計3.1 機械手尺寸的確定由于本次設計對工作場地要求并沒有明確的限制，因此機械手的尺寸也就沒有明確的規(guī)定，為了設計的方便，將機械手大臂有效距離長定為280mm，小臂有效距離長定為170mm，機械手3D 圖如下：圖3-1機械手3D 圖3.2 傳動部分的設計（1） 機械手由三臺伺服電機驅(qū)動：電機M1控制大臂在Z軸旋轉(zhuǎn)擺動，電機M2控制小臂在Z軸的旋轉(zhuǎn)擺動，電機C控制末端執(zhí)行器在Z軸的上下移動。為了設計的方便，控制方式采用點位控制。通過分別控制三臺電機的正反轉(zhuǎn)來確定末端執(zhí)行器在空間上的具體位置。由于三臺電機不是同時控制，因此不存在相互間的干擾，從而增強了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（2） 具體傳動環(huán)節(jié)：基座部分裝有伺服電機M1，通過齒輪傳動控制大臂旋轉(zhuǎn)，基座與大臂底座用軸承連接；大臂座裝有伺服電機M2，通過齒輪、絲桿傳動控制小臂的旋轉(zhuǎn)擺動；末端執(zhí)行器部分裝有伺服電機M3，同樣通過齒輪、絲桿傳動控制末端執(zhí)行器的上下移動。（3） 伺服電機一個伺服電機內(nèi)部包括了一個小型直流馬達，一組變速齒輪組，一個反饋可調(diào)電位器及一塊電子控制板。其中，高速轉(zhuǎn)動的直流馬達提供了原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服馬達的輸出扭力也愈大，也就是說越能承受更大的重量，但轉(zhuǎn)動的速度也愈低。 圖3-2 伺服電機圖（4）微型伺服馬達的工作原理一個微型伺服馬達是一個典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其原理可由下圖表示： 圖3-3 伺服電機原理圖減速齒輪組由馬達驅(qū)動，其終端（輸出端）帶動一個線性的比例電位器做位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制線路板，控制線路板將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動馬達正向或反向地轉(zhuǎn)動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，令糾正脈沖趨于0，從而達到使伺服馬達精確定位的目的。（5）伺服馬達的控制標準的微型伺服馬達有三條控制線，分別為：電源、地及控制。電源線與地線用于提供內(nèi)部的直流馬達及控制線路所需的能源，電壓通常介于4V6V 之間，該電源應盡可能與處理系統(tǒng)的電源隔離（因為伺服馬達會產(chǎn)生噪音）。甚至小伺服馬達在重負載時也會拉低放大器的電壓，所以整個系統(tǒng)的電源供應比例必須合理。輸入一個周期性的正向脈沖信號，這個周期性脈沖信號的高電平時間通常在1ms2ms之間，而低電平時間應在5ms 到20ms 之間，并不很嚴格，下表表示出一個典型的20ms周期性脈沖的正脈沖寬度與微型伺服馬達的輸出臂位置的關系：（6）選用的伺服馬達我選用的伺服馬達為TowPro ，型號為SG303。其主要技術(shù)參數(shù)如下：轉(zhuǎn)速：0.23 秒60 度。力矩：3.2kgcm。尺寸：40.4mm×19.8mm×36mm。重量：0.6kg。電壓：12V 和24V 電源供電?？刂浦芷诿}沖寬度為20ms，送出不同的正脈沖寬度，就可以得到不同的控制效果。（7）增量式編碼器編碼器是把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號的一種裝置。前者稱碼盤，后者稱碼尺。按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種，接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“”還是“”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“”還是“”。按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關。旋轉(zhuǎn)增量式編碼器以轉(zhuǎn)動時輸出脈沖，通過計數(shù)設備來知道其位置，當編碼器不動或停電時，依靠計數(shù)設備的內(nèi)部記憶來記住位置。這樣，當停電后，編碼器不能有任何的移動，當來電工作時，編碼器輸出脈沖過程中，也不能有干擾而丟失脈沖，不然，計數(shù)設備記憶的零點就會偏移，而且這種偏移的量是無從知道的，只有錯誤的生產(chǎn)結(jié)果出現(xiàn)后才能知道。解決的方法是增加參考點，編碼器每經(jīng)過參考點，將參考位置修正進計數(shù)設備的記憶位置。在參考點以前，是不能保證位置的準確性的。為此，在工控中就有每次操作先找參考點，開機找零等方法。比如，打印機掃描儀的定位用的就是增量式編碼器原理，每次開機，我們都能聽到噼哩啪啦的一陣響，它在找參考零點，然后才工作。增量式編碼器特點：增量式編碼器轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，有相應的脈沖輸出，其計數(shù)起點任意設定，可實現(xiàn)多圈無限累加和測量。編碼器軸轉(zhuǎn)一圈會輸出固定的脈沖，脈沖數(shù)由編碼器光柵的線數(shù)決定。需要提高分辨率時，可利用90度相位差的 A、B 兩路信號進行倍頻或更換高分辨率編碼器。（8）絲桿及螺母副(1).主要確定絲桿的外徑d及長度，選擇螺紋的類型，牙型角，計算出螺紋中徑d2，螺紋升角，定出螺距P，求出螺紋導程S?？捎孟率竭M行計算此公式也用來計算齒輪等圓形零件的轉(zhuǎn)動慣量i -由電機軸到絲杠一級齒輪減速器的傳動比（9）滾動軸承滾動軸承的類型、尺寸和公差等級均已制定有國家標準，在機械設計中只需根據(jù)工作條件選擇合適的軸承類型，尺寸和公差等級等，并進行軸承的組合結(jié)構(gòu)設計。按滾動軸承承受載荷的作用方向，常用軸承可分為三類，即徑向接觸軸承、向心角接觸球軸承和軸向接觸軸承。在機械手的設計中，通常使用角接觸球軸承、圓錐滾子軸承或深溝球軸承和推力球軸承的組合件。選擇軸承要根據(jù)它所支承的軸的粗度（一般軸徑的設計要先由計算的強度來確定基本尺寸，再根據(jù)GB/T2822-81 來選取標準尺寸，也可以根據(jù)標準件如軸承等決定）來決定，選定軸承后，還要進行軸承的壽命計算3.3 單片機的選擇（1） 單片機的概念單片機是將計算機的基本部件微型化并集成到一塊芯片上的微型計算機。通常在芯片內(nèi)含有CPU、ROM、RAM、并行I/O 口、串行口、定時/計數(shù)器、中斷控制系統(tǒng)、系統(tǒng)時鐘及系統(tǒng)總線等。（2） 單片機的特點1) 優(yōu)異的性能價格比。2) 體積小、可靠性高。單片機把各功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線，大大提高了計算機的可靠性與抗干擾能力。另外，其體積小，對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作。3) 控制功能強。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機的指令系統(tǒng)中均有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O 口的邏輯操作及位處理功能，單片機的邏輯控制功能及運行 速度均高于同一檔次的微機。4) 低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。5) 單片機的系統(tǒng)擴展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應用系統(tǒng)。（3） 單片機硬件結(jié)構(gòu)1) 89C51 系列單片機基本配置如下：a) 微處理器該單片機中有一個8 位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數(shù)據(jù)，還可以進行位變量的處理。b) 數(shù)據(jù)存儲器片內(nèi)為128 個字節(jié)，片外最多可擴展至64k 字節(jié)，用來存儲程序在運行期間的工作變量、運算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲器。c) 程序存儲器由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲器的容量不夠，則需用擴展片外的只讀存儲器，片外最多可擴展至64k 字節(jié)。d) 中斷系統(tǒng)具有5個中斷源，2級中斷優(yōu)先權(quán)。e) 定時器/計數(shù)器片內(nèi)有2個16位的定時器/計數(shù)器， 具有四種工作方式。f) 串行口1個全雙工的串行口，具有四種工作方式。可用來進行串行通訊，擴展并行I/O 口，甚至與多個單片機相連構(gòu)成多機系統(tǒng)，從而使單片機的功能更強且應用更廣。g) 并行I/O端口 4個8位并行I/O端口P0 口、P1 口、P2 口、P3 口。共有21個可尋址的特殊功能寄存器，用于對片內(nèi)的各功能的部件進行管理、控制、監(jiān)視。實際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個具有特殊功能的RAM 區(qū)。2) 引腳及其功能a) 電源及時鐘引腳VCC：接+5V 電源正端；VSS：接+5V 電源地端；XTAL1：接外部晶體振蕩器的一端；XTAL2：接外部晶體振蕩器的另一端。b) 控制引腳RESET：單片機上電復位端。ALE：當訪問外部存儲器時，用于鎖存出現(xiàn)在P0口的低8位地址，以實現(xiàn)低8位地址和數(shù)據(jù)的隔離。PSEN：為片外程序存儲器讀選通信號輸出端。EA ：為訪問外部程序存儲器控制信號，低電平有效。c) 輸入/輸出引腳P3 口的第二功能：P3.0：RXD，串行輸入通道；P3.1：TXD，串行輸出通道；P3.2：INT0，外部中斷0；P3.3：INT1，外部中斷1；P3.4：T0，計數(shù)器0外部輸入；P3.5：T1，計數(shù)器1外部輸入；P3.6：WR，外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通；P3.7：RD，外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通。圖3-1 89c51 引腳圖3.4 驅(qū)動芯片的選擇在微機控制系統(tǒng)中，還要處理另一類數(shù)字量，即開關信號、脈沖信號。它們是以二進制的邏輯“1”和“0”，即電平的高和低出現(xiàn)的。如開關觸電的閉合和斷開，指示燈的亮和滅，繼電器和接觸器的吸合和釋放，馬達的啟動和停止，晶閘管的通和斷，閥門的打開和關閉等，我們稱為開關量。開關量所控制的執(zhí)行器所要求的控制電壓一般都比較高，電流一般都較大，有的是直流驅(qū)動，有的是交流驅(qū)動，必須根據(jù)具體對象采用適當?shù)慕涌?。開關量的輸出接口實質(zhì)上是利用計算機做“弱電”控制“強電”。它需要解決兩個重要問題：隔離和驅(qū)動。用單片機控制各種各樣的高壓、大電流負載，如電動機、電磁鐵、繼電器、燈泡等時，不能用單片機的I/O 線來直接驅(qū)動。P0、P1、P2、P3 四個口都可以做輸出口，但其驅(qū)動能力不同。P0 口的驅(qū)動能力較大，當其輸出高電平時，可提供400 mA的電流；當其輸出低電平（0.45V）時，則可提供3.2mA的灌電流，如低電平允許提高，灌電流會相應加大。P1、P2、P3 口的每一位只能驅(qū)動四個LSTTL，即可提供的電流只有P0 口的一半。所以，用低電平輸出可獲得比高電平輸出更大的驅(qū)動能力。目前，一些MCS-51 系列單片機的引腳驅(qū)動能力有所提高，如89C2051，一些引腳可提供20mA 的灌入電流。但大多數(shù)場合，單片機I/O 口的驅(qū)動能力是不夠的，必須通過各種驅(qū)動電路的開關電路來提高驅(qū)動能力。 電機驅(qū)動芯片LMD18200 原理及應用摘要 LMD18200 是美國國家半導體公司(NS)推出的專用于直流電動機驅(qū)動的H橋組件。同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件，利用它可以與主處理器、電機和增量型編碼器構(gòu)成一個完整的運動控制系統(tǒng)。LMD18200 廣泛應用于打印機、機器人和各種自動化控制領域。本文介紹了 LMD18200 芯片的結(jié)構(gòu)、原理及其典型應用。（1）主要性能峰值輸出電流高達6A，連續(xù)輸出電流達3A；工作電壓高達55V；Low RDS(ON) typically 0.3W per switch；TTL/CMOS 兼容電平的輸入；無 “shoot-through” 電流；具有溫度報警和過熱與短路保護功能；芯片結(jié)溫達145，結(jié)溫達170時，芯片關斷；具有良好的抗干擾性。（2） 典型應用l 驅(qū)動直流電機、步機電機2 伺服機構(gòu)系統(tǒng)位置與轉(zhuǎn)速3 應用于機器人控制系統(tǒng)4 應用于數(shù)字控制系統(tǒng)5 應用于電腦打印機與繪圖儀（3） 內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳說明LMD18200 外形結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)部電路框圖如圖2所示。它有11個引腳,采用TO-220 和雙列直插式封裝。各引腳的功能如下：引腳名稱功能描述1、11橋臂1，2的自舉輸入電容連接端在腳1與腳2、腳10與腳11之間接入10uf的自舉電容2、10H橋輸出端3方向輸入端轉(zhuǎn)向時輸出驅(qū)動電流方向見表1.該腳控制輸出1與輸出2（腳2、10）之間電流的方向，從而控制馬達旋轉(zhuǎn)方向4剎車輸入端剎車時，輸出驅(qū)動電流方向見表1，通過該端將馬達繞組短路而使其剎車。剎車時，將該腳置邏輯高電平，并將PWM信號輸入端（腳5）置邏輯高電平，3腳的邏輯狀態(tài)決定于短路馬達所用的器件。3腳為邏輯高電平時，H橋中2個高端晶體管導通；3腳為邏輯低電平時，H橋中2個低端晶體管導通。腳4置邏輯高電平、腳5置邏輯低電平時，H橋中所有晶體管關斷，此時，每個輸出端只有很小的偏流（1.5mA）。5PWM信號輸入端PWM信號與驅(qū)動電流方向的關系見表1.該端與3腳（方向輸入）如何使用決定于PWM信號類型。6、7電源正端與負端8電流取樣輸出端提供電流源取樣信號，典型值為377uA/A。9溫度報警輸出溫度報警輸出，提供溫度報警信號。芯片結(jié)溫達145攝氏度時,該端變?yōu)榈碗娖?結(jié)溫達170攝氏度時芯片關斷。表1LMD18200邏輯真值表PWM轉(zhuǎn)向剎車實際輸出驅(qū)動電流電機工作狀態(tài)HHL流出1，流入2正轉(zhuǎn)HLL流入1，流出2反轉(zhuǎn)LXL流出1，流出2停止HHH流出1，流出2停止HLH流入1，流入2停止LXHNONELMD18200的工作原理：內(nèi)部集成了四個DMOS管，組成一個標準的H型驅(qū)動橋。通過充電泵電路為上橋臂的2個開關管提供柵極控制電壓，充電泵電路有一個300kHz 左右的工作頻率。可在引腳1、11 外接電容形成第二個充電泵電路，外接電容越大，向開關管柵極輸入的電容充電速度越快，電壓上升的時間越短，工作頻率也就越高。引腳 2、10接直流電機電樞，正轉(zhuǎn)時電流的方向應該從引腳2到引腳10；反轉(zhuǎn)時電流的方向應該從引腳10到引腳2。電流檢測輸出引腳8可以接一個對地電阻，通過電阻來輸出過流情況。內(nèi)部保護電路設置的過電流閾值為10A，當超過該值時會自動封鎖輸出，并周期性的自動恢復輸出。如果過電流持續(xù)時間較長，過熱保護將關閉整個輸出。過熱信號還可通過引腳9 輸出，當結(jié)溫達到145度時引腳9有輸出信號3.5 傳感器的確定顏色傳感器，通過一種特殊的三色方式發(fā)揮作用。傳感器把光（紅、藍、綠）投射到將被檢測的物體上，計算來自反射輻射的色度坐標，并與之前存儲的三色值進行比較。當三色值在設定的允許偏差范圍內(nèi)，就會產(chǎn)生一個交換輸出。傳感器使用白熾燈做光源，使用光電池做接收器，直到后來發(fā)明了高效的可見光LED?，F(xiàn)在，多數(shù)的色標傳感器都是使用經(jīng)調(diào)制的各種顏色的可見光LED發(fā)射器。經(jīng)調(diào)制的傳感器往往犧牲了響應速度以獲取更長的檢測距離，這是因為檢測距離是一個非常重要的參數(shù)。未經(jīng)調(diào)制的傳感器可以用來檢測小的物體或動作非常快的物體，這些場合要求的響應速度都非常快。但是，現(xiàn)在高速的調(diào)制傳感器也可以提供非?？斓捻憫俣龋軡M足大多數(shù)的檢測應用。圖 4-2 CSSRE（M18 顏色識別傳感器）顏色值或顏色 模擬量輸出0-10V最大顏色選擇度導向光束（紅色）響應時間，典型值：100s自檢功能獨立放大器，1種顏色自學功能物體尺寸>5mm信號強度0-10V距離：5-200mm白色光源達到32色自學功能的FSK存儲卡任選附件防護等級IP 65 光源，自適應顏色傳感器和放大器3.6 接口電路1.串行通信的基本原理計算機的數(shù)據(jù)傳送有并行和串行兩種方式。并行數(shù)據(jù)傳送的特點是：各數(shù)據(jù)同時傳送，傳送速度快，效率高。但并行數(shù)據(jù)傳送有多少數(shù)據(jù)位就需要多少根數(shù)據(jù)線，因此傳送成本高。并行數(shù)據(jù)傳送的距離通常小于30 米，計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳送通常都是并行的；串行數(shù)據(jù)傳送的特點是：數(shù)據(jù)傳送按位順序進行，最少只需一根線即可完成，成本低但速度慢。計算機與外界的數(shù)據(jù)傳送大多是串行的，其傳送的距離可以從幾米到幾千公里。串行通信又分為異步和同步兩種方式。單片機中使用的串行通信通常都是異步方式的。（1）串行通信的數(shù)據(jù)傳送格式異步串行通信以字符為單位，即一個字符一個字符地傳送。其字符格式通常表示如下：它用一個起始位表示字符的開始，用停止位表示字符的結(jié)束構(gòu)成一幀。異步通信的特點是每次只傳送一個字符，每個字符由起始位（規(guī)定為低電平）、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位、停止位（規(guī)定為高電平12 位）組成。由于單片機的停止位規(guī)定為1位，為了與單片機相匹配，PC機的一幀數(shù)據(jù)的停止位我們也采用1位。（2）串行通信的收發(fā)過程發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過發(fā)送低電平起始位開始一個字符的傳送，起始位之后便按特定的速率發(fā)送數(shù)據(jù)位（包括奇偶校驗位），當最后一位數(shù)，對于采用奇偶個高電平停止位用以標志一個字符傳送結(jié)束，這樣就完成了一幀數(shù)據(jù)發(fā)送。如果不再發(fā)送新數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)尚未準備好，就將傳輸線鉗在高電平狀態(tài)。接收方不斷檢測傳輸線的電平狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)傳輸線由高電平變?yōu)榈碗娖綍r（起始位標志位），即認為有數(shù)據(jù)傳入，進入接收狀態(tài)，然后以相同的速率檢測傳輸線的電平狀態(tài)，接收隨后送來的數(shù)據(jù)位，奇偶校驗位和停止位。可見在異步通信方式中，發(fā)送方是靠控制傳輸線的電平狀態(tài)來完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。接收方通過不斷檢測數(shù)據(jù)線的狀態(tài)來完成數(shù)據(jù)的接收，只要發(fā)送率和接收檢測速率相同，即能準確接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送與接收設備可以使用各自的時鐘源完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，無需使用相同的時鐘信號。（3）串行通信的傳送速率傳送速率用于說明數(shù)據(jù)傳送的快慢。在串行通信中，數(shù)據(jù)是按位進行傳送的，因此傳送速率用每秒鐘傳送二進制數(shù)碼的位數(shù)來表示，稱之為波特率。在串行通信中常用波特率來衡量通信速率的快慢，每秒鐘傳送一位就是一波特，一般異步通信波特率為1109600KHZ。在選擇通信的波特率時，不要盲目追高，要以滿足數(shù)據(jù)傳輸要求為原則。因為波特率越高，對發(fā)送和接收時鐘信號頻率的一致性要求就越高。（4）串行通信的電平轉(zhuǎn)換PC 機與單片機是通過串行口進行通信的。由于單片機的輸入、輸出是TTL 電平（+5V 表示邏輯1，電平低于2V 便不能被識別為邏輯1；0V 表示邏輯0），TTL電平一般不能用于遠距離傳輸，因為傳輸過程中電平的衰減會使傳輸數(shù)據(jù)不準確。而PC機配置的是RS232串行接口，因此，單片機與PC機之間進行通信時，要進行電平的轉(zhuǎn)換，需要將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232 電平（-5V-15V 表示邏輯1，+5V+15V 表示邏輯0），在傳輸線上傳送的RS232 電平可高達 12V，比TTL 電平有更強的抗衰減能力及抗干擾能力，可用于遠距離傳輸。常用的電平轉(zhuǎn)換芯片為MAX232，此芯片能實現(xiàn)以上兩種電平的相互轉(zhuǎn)換。另外，信號傳輸?shù)慕橘|(zhì)最好使用雙絞線，有利于抑制外界共模信號的干擾。2.單片機與PC機串行通信的實現(xiàn)手段由于PC機中集成了串行異步通信的可編程芯片8250，我們可以通過PC機的串行通信口COM1或COM2對它進行控制，因而不需要再單獨做實驗板。我們可以把單片機的內(nèi)部電平轉(zhuǎn)換接口與PC機的串行通信口COM1或COM2通過串行連接線連接起來，然后用軟件對它們進行初始化，使它們運行各自的接收或發(fā)送程序。在具體編程的時候，我們可以實現(xiàn)很多的功能。例如，我們可以從PC機和單片機中讀其RAM 或ROM 的內(nèi)容，對它們進行在線修改。PC機的程序可以用匯編程序MASM6.0、VB、C+Bilder 或VC+進行編寫?？刂齐娐放c計算機通訊能夠在計算機上作監(jiān)控界面，使機械手控制更加人性化。 圖4-3 串行通訊電路第4章 控制電路部分設計及程序調(diào)試4.1電路圖繪制（1） 系統(tǒng)控制電路圖如下： 圖4-4 系統(tǒng)控制電路圖（2） 電路圖說明：PC 機通過電頻轉(zhuǎn)換器將程序傳送至單片機，單片機通過驅(qū)動芯片控制步進電機正反轉(zhuǎn)，使傳感器到達指定位置。傳感器檢測工件顏色，并發(fā)射相應信號給單片機（紅色，進行下一步；黑色，停止、延時；無反射，程序結(jié)束），單片機通過已設定的程序完成相應步驟。（3） 單片機電路1) 看門狗復位電路復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和按鍵復位。本電路中采用的是上電復位，其工作原理為：上電瞬間，RC 電路充電，RST 引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RST 端保持兩個時鐘周期以上的高電平，就能使單片機有效的復位?？撮T狗又叫 watchdog timer,是一個定時器電路, 一般有一個輸入,叫喂狗,一個輸出到MCU 的RST 端,MCU 正常工作的時候,每隔一段時間輸出一個信號到喂狗端,給 WDT 清零,如果超過規(guī)定的時間不喂狗(一般在程序跑飛時),WDT 定時超過,就會給出一個復位信號到MCU使MCU復位，防止MCU死機。看門狗的作用就是防止程序發(fā)生死循環(huán)，或者說程序跑飛。工作原理：在系統(tǒng)運行以后也就啟動了看門狗的計數(shù)器，看門狗就開始自動計數(shù)，如果到了一定的時間還不去清看門狗，那么看門狗計數(shù)器就會溢出從而引起看門狗中斷，造成系統(tǒng)復位。所以在使用有看門狗的芯片時要注意清看門狗。硬件看門狗是利用了一個定時器，來監(jiān)控主程序的運行，也就是說在主程序的運行過程中，我們要在定時時間到之前對定時器進行復位如果出現(xiàn)死循環(huán)，或者說PC指針不能回來。那么定時時間到后就會使單片機復位?？撮T狗復位電路圖如下所示：圖4-1 看門狗復位電路2) 晶振電路MCS-51 系列單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部振蕩方式。在引腳XTAL1和XTAL2端外接晶體振蕩器，就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩電路，如下圖所示。圖中C3、C4 起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，電容值一般為530pF。晶振常選用頻率為6MHz、12MHz 或24MHz 的，采用串口時常使用頻率為11.0592MHz 的晶振。內(nèi)部振蕩方式所得到的時鐘信號比較穩(wěn)定，應用較多。 圖4-1 振蕩電路 主機模塊電源模塊傳感器模塊繼電器模塊 智能物料搬運裝置 顯示模塊4.2設計過程（1）外部電路連接圖如圖2所示圖2外部電路連接圖（2）實驗接線：物料搬運裝置 傳感器配接模塊 主機模塊 繼電器模塊 物料搬運 （端子號4） IN0 OUT0 P3.0 （5） IN1 OUT1 P3.1（6） IN2 OUT2 P3.2（7） IN3 OUT3 P3.3（8） IN4 OUT4 P3.4（9） IN5 OUT5 P3.5（11） IN6 OUT6 P3.6 （12） IN7 OUT7 P3.7（10） IN0 OUT0 P2.0NO （端子號13） P1.0 K2 NO （14） P1.1 K3 NO （15） P1.2 K4NO （16） P1.3 K5 NO （17） P1.4 K6物料搬運裝置 傳感器配接模塊 繼電器模塊 紅端24V COM 24V COM+ 5V COM 24V地 黑端0V COM- 0V 4.3 程序流程框圖程序開始運行后，系統(tǒng)初始化，機械手回到原始位置。傳送帶將工件運送過來，到達指定位置后延時1s。這時傳感器開始檢驗，向工件位置發(fā)射光線，通過是否有收到反射光來判斷工件是否到達指定位置。如果有發(fā)射光，則運行下一步程序，開始搬運工件。如此循環(huán)，直到傳感器不再接受到反射光，則加工停止，程序結(jié)束。程序流程圖如下：414.4參考程序：RS EQU P1.7 RW EQU P1.6 E EQU P1.5 CS1 EQU P3.1 CS2 EQU P3.5 RES EQU P3.4 COM EQU 20H DAT EQU 30H DATA_ORA EQU P2