机械手顺序控制器论文

湖南工程学院 课 程 设 计 课程名称 课题名称 专 业 班 级 学 号 姓 名 指导教师 年 月 日 湖 南工程学院 课 程 设 计 任 务 书 课程名称 单片机原理与应用 课 题 机械手顺序控制器 专业班级 电子信息 0201 03 学生姓名 学 号 指导老师 审 批 任务书下达日期 年 月 日 任务完成日期 年 月 日 设计内容与设计要求 设计内容： 用单片机设计一个机械手顺序控制器，用来对某一机械手作业的 8 个工序按时间节拍进行顺序控制，并有合适键盘操作和的工序指示功能。 设计要求： 1）确定系统设计方案； 2）进行系统的硬件设计； 3）完成必要的参数计算与元器件选择； 4）完成应用程序设计； *5）进行部分单元电路及应用程序的调试； 主 要 设 计 条 件 机械手控制系统的工作时间节拍为 5秒，设作业工序流程如下： 1、 2 2、 3 3、 4 4、 5 5、 6 6、 7 7、 8 8、 1 说 明 书 格 式 1. 课程设计任务书 2. 目录 3. 系统总体方案选择与说明 4. 系统结构框图与工作原理 5. 各单元硬件设计说明及计算方法 6. 软件设计与说明（包括流程图） 7. 调试结果与必要的调试说明 8. 使用说明 9. 程序清单 10、总结 11、参考文献 附录 附录 A 系统原理图 附录 B 程序清单 进 度 安 排 设计时间为两周 第一周 星期一、上午：布置课题任务，讲课及课题介绍 下午：借阅有关资料，总体方案讨论 星期二、确定总体设计方案 星期三、硬件模块方案设计 星期四、软件模块方案设计 星期 五、各硬件模块设计 第二周 星期一、各硬件模块设计 星期二、各软件模块设计 星期三、各软件模块设计 星期四、写说明书 星期五、上午：写说明书，整理资料 下午：交设计资料，答辩 参 考 文 献 参考文献 1、 教材单片微型计算机技术 刘国荣 编 机械工业出版社 2、 单片微型计算机原理、应用及接口技术 张迎新 编 国防工业出版社 3、 单片机实用系统设计技术 房小翠 编 国防工业出版社 4、单片机应用系统设计 何立民 编 北航出版社 5、单片机原理及接口技术 曹琳琳编 国防科技大学出版社 电气与信息工程系课程设计评分表 项 目 评 价 设计方案的合理性与创造性 硬件制作或软件编程完成情况 * 硬件制作测试或软件调试结果 * 设计说明书质量 设计图纸质量 答辩汇报的条理性和独特见解 答辩中对所提问题的回答情况 完成任务情况 独立工作能力 组织纪律性（出勤率） 综合评分 指导教师签名： _ 日 期： _ 注： 表中标 *号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容； 此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非 16K 大小的图纸及程序清单）。 前 言 计算机的出现使人类的生活发生了翻天覆地的变化。单片机也是伴随着计算机的产生而产生和发展的。也可以毫不夸张地说，单片机技术的出现给现代工业测控领域带来了 一次新的技术革命。它使原来用分立元件进行的控制，转变到用程序进行控制，使控制的可靠性增加了，功能增多了，成本降低了，控制更灵活了。最重要的是，使学习和掌握测控技术变得更加容易。许多非自动化控制专业的人员也能毫不费力地、甚至通过自学单片机技术而成为此专业的控制专家。因单片机技术的应用而产生了许多新兴的专业，它开辟了更多的单片机应用领域，如工业控制、自动化设备、机床、数据采集和处理、智能化仪器仪表、办公自动化、家电、汽车、医疗器械等。越来越多的人在关心、学习、从事单片机应用技术。 单片微型计算机是把组成微型计算 机的各功能部件，既中央处理器CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM， I/O 接口电路、定时 /计数器以及串行通讯接口等部件制作在一块集成芯片中，简称单片机。它是随微型计算机的发展而产生和发展的，在智能化仪表、检测和控制系统领域中有着广泛的应用。 目 录 一 系统总体设计 . 3 1.1 设计内容 . 3 1.2 设计要求 . 3 1.3 设计思路 .3 1.4 系统结构 . .3 二 硬件电路设计与框图 . 4 2.1 单片机的选择 . 4 2.2 按键电路设计与器件选择 . 5 2.3 LED 显示电路设计 . 6 2.4 一位显示器电路 . 7 2.5 时钟与复位电路 . . 8 三 系统软件设计 . . 9 3.1 主程序模块 . . 9 3.2 数码显示模块 . . . 11 3.3 延时子程序 . . 12 3.4 数据表 . 12 四 调试说明与调试结果 . 13 五 系统功能及操作说明 . 13 5.1 系统功能 . . 13 5.2 操作说明 . 13 六 总结与体会 . 14 七 附录 . 15 附录 1 显示模块流程图 . 15 附录 2 主程序流程图 . 16 附录 3 硬件电路原理图 . 17 八 参考文献 . . 18 一 、 系统的总体设计 1.1 设计内容 该课题是用 MCS 51单片机实现机械手的控制。要求机械手完成五种加工方法，用相应按键选择；每种加工方法有八道工序，用高低电平信号表示，并用发光二极管模拟，同时用数码管显示工序步数。 1.2 设计要求 1）确定系统设计方案； 2）进行系统的硬件设计； 3）完成必要的参数计算与元器件选择； 4）完成应用程序设计； *5）进行部分单元电路及应用程序的调试； 1.3 设计思路 根据设计要求，初步思路如下： 1）将各种加工方法的八道工序对应的高低电 平模拟信号用十六进制表示，存入五个数据表中。 2）五种加工方法各有一按键控制，通过单片机的一端口输入控制信号，同时在端口的一位设置一停止按钮，作为一种加工方法的结束。 3）用八个 LED 模拟加工工序，接于单片机的一个端口，作为输出口。 4）将工序步数 1 8 对应的数码显示字形存入一数表，用查表方式在串行口输出要数码显示的工序步数字形，然后并行输入到七段显示器。 1.4 系统结构 硬件：实验室提供的 MCS 51 单片机 、 七个开关按钮 、 八个 LED 灯 、一片数码管 、 一片 74LS164。 单片机接口分配和接线： P1 口作为数据输出端， P1.0 P1.7 分别接LED1 LED8 作为工序信号模拟显示； P2 口作为控制输入端， P2.0 P2.4分别接按钮 K1 K5 作为加工方法选择键； P2.5 接按钮 STOP 作为停止按键； RXD 作为串行数据输出端接 74LS164 的 DATA 端 ,TXD 作为时钟脉冲输出端接 CLK。 寄存器分配： R2 作为工序控制寄存器， R0 作为输出显示间接寻址寄存器， 79H 作为输出显示缓冲区。 R4、 R5、 R6、 R7 在延时子程序中使用。 二、硬件电路设计与框图 根据设计要求与设计思路，确定该系统的设计方案，图 1为 该系统设计方案的硬件电路设计框图。硬件电路有四部分组成，即单片机按键输入电路、 LED 显示驱动电路、一位显示器电路和时钟与复位电路。系统总框图见图 1。下面我们将分别对硬件电路的设计作详细介绍。 图 1 系统总框图 2.1 单片机的选择 根据初步设计方案的分析，设计这样一个简单的应用系统可以选择采用 HM0S制造工艺制造的 MCS 51单片机，都采用 40管脚双列直插式封装，因此可以选用 8031 或 8051，应用程序直接存放在片内，不用在内部扩展程序存储器，电路简化，使整 个硬件电路体积小，物美价廉，经济实用。下面对 8051 的主要特点作简要说明。 P0 口（ 32 39 脚） 8 路漏极开路型双向并行 I/O 口。在访问外部存储器时， P0 口作为低 8 位地址数据总线复用口，可分时操作，先传送低 8位地址，利用 ALE 信号的下降沿将地址锁存，然后作为 8位双向数据总线使用，用来传送 8位数据。 外部不扩展而芯片应用时，作双向 I/O 口使用， P0 口能以吸 收电流的方式驱动 8个 LSTTL 负载。 P1 口（ 1 8 脚） 具有内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 口，在对片内EPROM 编程及校验时，它接收低 8位地址 ， P1 口能驱动 4个 LSTTL 负载。 P2 口（ 21 28 脚） 8 位具有内部上拉电阻的准双向 I/O 口，在外接存储器时， P2 口作为高 8 位地址总线，在对片内 EPROM 编程及校验时，它接收高位地址。 P2 口能驱动 4 个 LSTTL 负载。 P3 口（ 10 17 脚） 8 位带有内部上拉电阻的准双向 I/O 口。每一位又具有如下特殊功能（或称第二功能）： P3.0(RXD):串行输入端。 P3.1(TXD):串行输出端。 P3.2(INTO):外部中断 0输入端 ,低电平有效。 P3.3(INT1): 外部中断 1 输入端 ,低电平有效。 P3.4(TO)：定时 /计数器 0 外部事件计数输入端。 P3.5(T1): 定时 /计数器 1 外部事件计数输入端。 P3.6(WR):外部数据存储器写选通信号，低电平有效。 P3.7(RD):外部数据存储器读选通信号，低电平有效。 2.2 按键电路设计与器件选择 （ 1） 键盘结构的选择 键盘结构可以分为独立式键盘和行列式 键盘（矩阵式）两类。本系统只需要六个按键，因此选择独立式键盘。电路有按键和六个电阻组成，按键可以采用轻触开关，按键分别命名为 K1、K2、 K3、 K4、 K5 和 STOP 键，电阻阻值为 6 1 欧。 图 2 键盘电路 （ 2） 键盘与单片机的接口电路设计 将键盘直接与单片机的 P2 口连接，作为 I/O 口使用，用 P2.0 P2.4 分别通过电阻与 K1 K5 连接，作为加工方法选择按键； P2.5 通过电阻与 STOP 连接，作为工序循环停止按键。 （ 3） 按键去抖动的处理 由于机械触点的弹性作用，在闭合及 断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，而按键稳定闭合时间的长短 图 3 去按键抖动程序流程图 则是由操作人员的按键动作决定的，一般为几秒至数秒。键抖动 会引起一次按键被误读为多次，为了确保 CPU 对键的一次闭合仅作一次处理，我们用软件去抖动的方法，程序流程图如图 2，程序见程序清单。 2.3 LED 显示电路设计 开始 有键闭合吗？ 有键闭合吗？ 等待松键 延时 10ms 子程序 N N Y Y 图 4 LED 显示电路 用单片机的 P1 口作为 I/O 口，输出工序模拟信号， P1.0 P1.7 分别通过电阻与 LED1 LED8 连接，电阻可用 8 1 欧。当数据在 P1口输出时，将驱动二极管发光。 2.4 一位显示器电路 本系统只需显示工序进行步数，故只需一位 数码管显示器， 我们用串行口方式 0 输出 1 8 的显示字形码，但显示器的驱动需八位并行数据，故采用一片 74164 作为一位数码显示器的静态连接端口， 74164的低电平输出电流 8mA，可直接驱动共阳极七段 LED。 2.4.1 174LS164 的介绍 我们使用 74164 作为串行输入并行输出的转换。 功能表： 2.4.2 LED 数码管 LED 数码管是单片机控制系统中最常用的显示器件之一， LED 数码管在单片机系统中的地位类似于 CRT（阴极射线管）显 示器在台式微机系统中的地位（ CRT 显示器是台史微机系统的标准输出设备）。 LED 数码管用a g 段显示数字和字符的笔画， dp 显示小数点，一英寸以下的 LED 数码管内，每一笔段含有一只 LED 发光二极管，导通压降为 1.2 2.5v。根据LED 数码管内各笔段 LED 发光二极管的连接方式，可以将 LED 数码管分为共阴极和共阳极两大累。本实验中所用的是共阳极接法。根据 LED 的结构，不同笔段的组合就可以构成不同的字符， 7 段可以显示 128 种不同的字符，起字符表如下。 LED 显示器十六进制数的字形代码 字形 段 g f e d c b a 共阳极 代码 0 暗 亮 亮 亮 亮 亮 亮 03H 1 暗 暗 暗 暗 亮 亮 暗 9FH 2 亮 暗 亮 亮 暗 亮 亮 25H 3 亮 暗 暗 亮 亮 亮 亮 0DH 4 亮 亮 暗 暗 亮 亮 暗 99H 5 亮 亮 暗 亮 亮 暗 亮 49H 6 亮 亮 亮 亮 亮 暗 亮 41H 7 暗 暗 暗 暗 亮 亮 亮 1FH 8 亮 亮 亮 亮 亮 亮 亮 01H 采用软件查表向 74164 输出字形代码，有单片机的 RXD 端输 出数据到74164 的 DATA 端，同时 TXD 端输出移位脉冲接 74164 的 CLK 作为时钟。由于显示器工作是静态的，主程序可不必扫描显示器，从而节省了主程序的时间。 图 5 数码显示电路 2.5 时钟与复位电路 单片机工作的时间基准是由时钟电路提供的。在单片机的 XTAL1 和XTAL2 两个管脚，接一只晶振和两只电容就构成了单片机的时钟电路。电路中电容器 C1、 C2 对振荡电路起微调作用，通常的取值范围为（ 20 40）pF。石英晶体选择 12MHz。 单片机的 RST 管脚 为为主机提供一个外部复位信号输入端口，复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间应为 2个机器周期以上。在此，我们选择手动复位组合电路，复位以后，单片机各内部件恢复到初始状态。RST 按键可以选择专门的复位按键也可以选择轻触开关。 图 6 时钟与复位电路 系统硬件原理图见附录表。 三、 系统软件设计 3.1 主程序模块 程序开始首先将工序控制寄存器 R2 清零，将工序模拟显示灯清零即将 P1口清零。然后在程序段 STA 检测 P2 口的输入情况，如果某一位假设P2.2 为高电平，就转到该位对应的按键所控制的下一段程序 NEXT2 处执行，先调用一延时 10ms 子程序，然后重新判断该位是否还为高电平，否，就返回 STA 重新检测，是，就继续执行下一步，判断该为是否变为低电平，否，就在此等待松键，是，就将该加工方法的工序模拟信号所在的表格标号 TAB2 送查表基 址 DPTR，然后转到主程序端 LOOP 执行。 将工序控制寄存器 R2 的值给累加器 A，然后查表，将查出的值送 A到中，再在 P1 口输出，即驱动了 LED 灯显示，将 R2 加一准备执行下一道工序，然后将 R2 的值存入显示缓冲区 79H，将 DPTR 入栈保护，调用数码显示子程序，将工序步数在数码管同步显示，然后将 DPTR 出栈恢复现场，调用延时 5s 子程序作为工序间隔。再判断八道工序是否全部执行完，若否就转回 LOOP 执行下一步工序，若已完就判断停止按钮是否按下，按下就返回主程序开始处重新开始，没按下就将 R2 清零进行下一个工序循环。 其程 序流程图见附录。 主程序清单如下： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0030H MAIN:MOV R2,#00H ；将工序控制寄存器零 MOV P1,#00H ；将 P1 口清零 MOV R0,#00H ；将寄存器 R0 清零 STA: JB P2.0,NEXT1 ；判断哪个按键被按下就 JB P2.1,NEXT2 转到应程序段处执行 JB P2.2,NEXT3 JB P2.3,NEXT4 JB P2.4,NEXT5 LJMP STA NEXT1:LCALL DLS10MS ；调用延时 10ms 子程序 JNB P2.0, STA ； P2.0=0 就返回重新判断 JB P2.0, $ ； P2.0=1 等待松键 MOV DPTR, #TAB1 ；将表首址给查表基址 DPTR LJMP LOOP ；转到 LOOP 程序段 NEXT2:LCALL DLS10MS JNB P2.1, STA JB P2.1, $ MOV DPTR, #TAB2 LJMP LOOP NEXT3:LCALL DLS10MS JNB P2.2, STA JB P2.2, $ MOV DPTR, #TAB3 LJMP LOOP NEXT4:LCALL DLS10MS JNB P2.3,STA JB P2.3,$ MOV DPTR,#TAB4 LJMP LOOP NEXT5:LCALL DLS10MS JNB P2.4,STA JB P2.4,$ MOV DPTR,#TAB5 LJMP LOOP LOOP:MOV A,R2 ；将 R2 的值给 A MOVC A,A+DPTR ；查表将查出的值送到 A中 MOV P1,A ；将 A 中的数送 P1 口输出 INC R2 ； R2 自加一 MOV 79H,R2 ；将 R2 的值送 输出缓冲 79H PUSH DPH ；保护现场 PUSH DPL LCALL DISP ；调用数码显示子程序 LCALL DLS5S ；调用延时 5s 子程序 POP DPL ；恢复现场 POP DPH CJNE R2,#08H,LOOP ；八步未完成就返回 LOOP JB P2.5,MAIN ；停止按钮按下就返回 MAIN MOV R2,#00H ；将 R2 清零 LJMP LOOP ；转到 LOOP 3.2 数码显示模块 程序开始设置串行口输出控制字 SCON 为方式 0 发送，然后将显示缓冲区 79H 送 R0，将 0 8字形代码表的标志 SEGPT 送查表基址 DPTR，用寄存器间接寻址把要显示的数送到 A中，查表将查出的字形代码送到 A 中，然后将其写入发送缓冲器 SBUF，八位数据开始从 RXD 端串行发送到 74164中，当八位数据发送完毕时，数据和移 位脉冲停止发送，并自动将发送中断标志位 TI 置 1，因此 设置一检测指令，判断 TI 是否已为 1，为 1 就是已发送完毕，用软件将其清零，然后返回主程序。其程序流程图见附录。 显示子程序清单如下： DISP:MOV SCON,#00H ；置串行方式 0 MOV R0,#79H ；将显示缓冲区中值送 R0 MOV DPTR,#SEGPT ；字形表首址送 DPTR MOV A,R0 ；取出要显示的数送 A MOVC A,A+DPTR ；查出字形 MOV SBUF,A ；字形送串行口 WAIT:JNB TI,WAIT ；输出完否 CLR TI ；完，清中断标志 RET ；返回 3.3 延时子程序 我们采用软件延时，根据指令占用的机器周期，用寄存器控制次数的多重循环来实现。程序清单如下： 延时 10ms： DLS10MS:MOV R7,#10 ； 1T DL1:MOV R6,#249 ； 1T DL2:NOP ； 1T NOP ； 1T DJNZ R6,DL2 ； 2T R6-1 0转到 DL2 DJNZ R7,DL1 ； 2T R7-1 0转到 DL1 RET ； 2T 延时 5s： DLS5S:MOV R6,#20 ； 1T DL3:MOV R5,#251 ； 1T DL4:MOV R4,#248 ； 1T DL5:NOP ； 1T NOP ； 1T DJNZ R4,DL5 ； 2T R4-1 0转到 DL5 DJNZ R5,DL4 ； 2T R5-1 0转到 DL4 DJNZ R6,DL3 ； 2T R6-1 0转到 DL3 RET ； 2T 3.4 数据表 TAB1:DB 03H,04H,05H,06H,07H,08H,09H,0AH TAB2:DB 18H,27H,53H,30H,45H,06H,07H,08H TAB3:DB 10H,12H,13H,14H,15H,16H,17H,18H TAB4:DB 78H,34H,5AH,16H,04H,25H,8EH,23H TAB5:DB 12H,45H,67H,09H,6CH,6BH,98H,26H SEGPT:DB 03H,9FH,25H,0DH,99H DB 49H,41H,1FH,01H ；字形“ 0 8” END ；结束 四、调试说明与调试结果 用软件 U51 编辑好程序后，汇编、下载然后运行，选择一种加工方法的按钮按下程序停止在等待松键处，松键后程序继续运行，工序模拟灯间隔 5秒依次点亮工作相应的灯，同时数码管显示工序步数。按下停止按钮，在工序完成第八道工序后自动停止，若不按下，则工序 继续循环进行。 五、系统功能及操作说明 5.1 系统功能 本设计能够控制机械手完成五种加工方法。它有五个按键，每 个按键代表一种加工方法，每一种加工方法都包括八道加工工序，执行工序时， LED 灯能够模拟其工作情况，灯亮表示该项工作进行，灯灭表示该项工作停止，同时显示器同步显示工序进行的步数，每道工序间隔 5秒钟。当一种加工方法的八道工序进行完后，若停止按钮已按下，则机械手的工作停止，未按下则该加工方法继续循环执行。 5.2 操作说明 （ 1）选择要进行的加工方法按钮按下。 （ 2）机械手就开始依次执行该加 工方法的八道工序，通过 LED 灯的显示可观察机械手的工作情况，同时通过显示器可看到工序的进度。（ 3）按下停止按钮可控制该加工方法在八道工序完成后自动停止。若未按下将继续循环执行八道工序。 六、总结与体会 紧张与忙碌使两周的时间不知不觉地从身边走过，回想两周以来的设计过程，期间值得回味的有很多。从接到