基于CAN总线3自由度机械手控制器的设计教材

1、辽宁工业大学 工业控制网络 课程设计（论文） 题目：基于 CAN总线3自由度机械手控制器的设计 院（系）： （签字） 起止时间： 2016.1.4-2016.1.15 本科生课程设计（论文） 课程设计（论文）任务及评语 号 学 论 （目 计题 程设 文） （ 论 文 ） 任 务 N A。 服 C 上 号 线 发 信 总 及 指令 AN 接 理 受指CA 、 合在 接、 化 、应 ； 线 型 初始 确 书 t/s 总选 初 正明 bi NU 。 总线 求 说 4k CACP 言 容 设 10 CC语 AN内容 ；设 1 包括 C C的 份 10 现设 、 所明 为 实件或 序 ；说 围 数 器硬

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4、 论文质量 60% 答辩 20% 以百分制计算 本科生课程设计（论文） 摘要 随着科技的迅猛发展，为了在大量的传感器和控制器的复杂或大规模的环境中使用。 CAN 总线就是为适应这种环境而发展起来的。 而且在机械手控制领域出现了种类多样的 控制手段，并且其功能越来越完善。 本系统利用工业控制网络实现基于 CAN 总线 3 自由度机械手控制器的设计，实现 通过 CAN 总线接受指令信号，驱动伺服电机实现机械手按给定指令进行工作。通过选 用 AT89C51 为核心部件， CAN 总线控制器为 SJA1000，CAN 总线收发器为 82C250，采 用 ULN2003 为伺服电机的驱动器，光电隔离器为

5、 6N137 并完成了全部的设计任务。系 统设计主要包括方案设计，硬件设计，软件设计三大部分。能通过键盘电路控制控制器 的编号，并且编写了按键显示程序、 CAN 总线初始化、接收及发送程序。 本系统采用基于 CAN 总线 3 自由度机械手控制器，减少了工业生产中需要的人力， 减少了系统维护成本，提高了电动机的工作效率，从而提高了整个工业生产的效率 . 关键词：机械手； CAN 总线；AT89C51 II 本科生课程设计（论文） 目录 第 1 章 绪论 . 1 第 2 章 设计方案 . 3 2.1 概述 . 3 2.2 组成总体结构 . 3 第 3 章 硬件设计 5. 3.1 单片机最小系统 .

6、 5 3.1.1 单片机 89C51介绍 . 5 3.1.2 复位电路的设计. 6 3.1.3 时钟电路 . 7 3.1.4 单片机最小系统. 7 3.2 CAN 总线接口电路 8. 3.2.1 CAN 总线控制器 SJA1000. 8 3.2.2 CAN 总线收发器 82C250. 9 3.2.3 光电隔离 . 10 3.2.4 CAN 总线接口电路 11 3.3 按键显示电路 1.2. 3.3.1 显示模块的设计 1.2 3.3.2 键盘显示模块的设计 1.2 3.4 伺服电机接口电路 1.3 3.4.1 驱动器 1.3. 3.4.2 伺服电机 1.4. 3.4.3 伺服电机接口电路 1.

7、5 3.5 系统总体电路设计 1.5 第 4 章 软件设计 1.6. 4.1 系统软件 . 16 4.2 CAN 总线初始化程序 16 4.3 CAN 总线发送程序 17 4.4 CAN 总线接收程序 18 4.5 显示程序 . 18 4.6 按键程序 1.9. III 本科生课程设计（论文） 第 5 章 课程设计总结 . 20 参考文献 . 21 附录 . 22 附录 . 23 IV 本科生课程设计（论文） 第1章 绪论 机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。它是机器 人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造 和性能上兼有人和机器各自的优点，

8、尤其体现了人的智能和适应性。在现代生产 过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械手虽然目前还不如人手那样 灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量 比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到 了应用。 机械手首先是从美国开始研制的。 1958 年美国联合控制公司研制出第一台机 械手。它的结构是： 机体上安装一个回转长臂， 顶部装有电磁块的工件抓放机构， 控制系统是示教形的。 1962 年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成 一台数控示教再现型机械手。商名为 Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦 克炮塔，臂可以回转、

9、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。 不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年，美国机械制造公司 也实验成功一种叫 Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用 液压驱动控制系统也是示教再现型。这两种出现在六十年代初的机械手，是后来 国外工业机械手发展的基础。 1978年美国 Unimate 公司和斯坦福大学，麻省理工 学院联合研制一种 Unimate-Vicarm 型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制， 用于装配作业，定位误差小于 1 毫米。联邦德国 KnKa 公司还生产一种点焊机 械手，采用关节式结构和程序控制。 目前，机械手大部分还属于

10、第一代，主要依靠人工进行控制；改进的方向主 要是降低成本和提高精度。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控 制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感 觉到的信息反馈，使机械手具有感觉机能。第三代机械手则能独立完成工作中过 程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系 统 FMS 和柔性制造单元 FMC 中的重要一环节。 三自由度机械手，是指能将单个或多个工件快速的从一个位置准确地抓取移 动到目标位置。 在自动化装配电镀生产线上 ,机械手能将单个或多个工件快速的从 一个位置准确地抓取移动到目标位置。 机械手的应用大大提高了生产效率

11、,也更容 易实现自动化控制 ,同时二自由度机械手和三自由度机械手。 随着电镀工业的发展 ,对电镀工艺提出了新的要求 ,同样对电镀设备也提出了 本科生课程设计（论文） 更高的要求。机械手其还能使操作人员免受电镀环境对于人身健康的影响。目前 应用较多的机械手有因其具有良好的空间转移性能和控制性能佳等特点，因而在 电镀生产线上有很好的应用前景。 CAN 是 Controller Area Network 的缩写（以下称为 CAN） ，是 ISO 国际标准化 的串行通信协议。在汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低 成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所

12、用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的 数量也随之增加。为适应“减少线束的数量”、“通过多个 LAN ，进行大量数据 的高速通信”的需要， 1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽车的 CAN 通信 协议。此后， CAN 通过 ISO11898及 ISO11519 进行了标准化，在欧洲已是汽车 网络的标准协议。 CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、 医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一， 被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间 实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术

13、支持。 CAN 属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比 ,CAN 总线的数据通 信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计， CAN 总线越来越受到人们的重视。它在汽车领域上的应用是最广泛的，世界上一些著 名的汽车制造厂商，如BENZ（奔驰 ） 、 BMW（ 宝马 ） 、 PORSCHE（保时捷 ）、 ROLLS-ROYCE（劳斯莱斯）和 JAGUAR（美洲豹）等都采用了 CAN 总线来实现汽车 内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时，由于 CAN 总线本身的 特点，其应用范围已不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空航天、航海、过 程工业、机械工业、纺织机

14、械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感 器等领域发展。 本科生课程设计（论文） 第 2章 设计方案 2.1 概述 本次设计主要是综合应用所学知识，设计基于 CAN总线 3 自由度机械手控制 器的设计，实现通过 CAN 总线接受指令信号，驱动伺服电机实现机械手按给定 指令进行工作。并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩 固和应用“工业控制网络”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握工业 控制网络系统设计的基本方法。在本次设计中系统设计主要包括方案设计，硬件 设计，软件设计三大部分。能通过键盘电路控制控制器的编号，并且编写了按键 显示程序、 CAN 总线初始化、接收及

15、发送程序。 应用场合：机床加工工件的装卸，特别是在自动化车床、组合机床上使用较 为普遍。在装配作业中应用广泛，在电子行业中它可以用来装配印制电路板，在 机械行业中它可以用来组装零部件。可在劳动条件差，单调重复易子疲劳的工作 环境工作，以代替人的劳动。可在危险场合下工作，如军工品的装卸、危险品及 有害物的搬运等。宇宙及海洋的开发。军事工程及生物医学方面的研究和试验。 系统功能介绍：能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬 运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化 和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶 金、电子、轻工和原子

16、能等部门。 在自动化装配电镀生产线上 , 机械手能将单个或 多个工件快速的从一个位置准确地抓取移动到目标位置。机械手的应用大大提高 了生产效率 ,也更容易实现自动化控制， 同时其还能使操作人员免受电镀环境对于 人身健康的影响。目前应用较多的机械手有二自由度机械手和三自由度机械手。 2.2 组成总体结构 本文采用了 AT89C51 为控制核心。单片机通过 CAN 总线接口电路，实现了 单片机与 CAN 总线的数据的传输。通过伺服驱动器，实现了单片机对伺服电机 的控制。本文 CAN 控制器采用 SJA1000，CAN 总线收发器采用 82C250，显示模 块采用了 1602 液晶，伺服驱动器采用了

17、 ULN2003 ，光电隔离采用了 6N137，加 在了控制器和收发器之间，能够较好的抑制干扰，使接受的数据更准确。本系统 实现了通过 CAN 总线接受指令信号，驱动伺服电机实现机械手按给定指令进行 本科生课程设计（论文） 工作的功能。 伺服电机 系统总体控制结构框图如图 2.1 所示： 图 2.1 系统总体控制结构框图 如图所示， CAN 总线接口包括 CAN 总线、总线收发器、光电隔离、总线控 制器。实现了单片机与 CAN 总线的数据的传输。伺服电机接口电路包括驱动电 路、伺服电机。实现了单片机对伺服电机的控制。 本科生课程设计（论文） 第3章 硬件设计 3.1 单片机最小系统 3.1.1

18、 单片机 89C51介绍 本系统中的微控制器采用了 AT89C51，AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的， 图3.1是89C51单片机的引脚图其内部包括一个 8位的 89C51微处理器 CPU、256 字节的数据存储器 RAM/SFR 、4K 程序存储器 Flash ROM、4个8位并行 I/O 端 口 P0-P3、1个全双工 UART 的串行 I/O口、两个 16位的定时器 /计数 I/O口。单 片机引脚如图 3.1 所示： 图 3.1 AT89C51 引脚图 VSS（20 脚）：接地端。 VCC（40 脚）：电源端，为 5V。 P0口：双向 8位三态 I/O 口，此口为地址总线（

19、低 8位）及数据总线分时复 用口，可带 8个 LSTTL 负载。在访问外部存储器时， 可分时用作低 8位地址线和 8 位数据线。 P1口：是一个带有内部上拉电阻的 8位准双向 I/O 口，接受低 8位地址。可 带 4 个 LSTTL 负载。 P2口：是一个带有内部上拉电阻的 8位准双向 I/O口，与地址总线（高 8位） 复用，可带 4个 LSTTL 负载。 P3口：带有内部上拉电阻的 8位双向 I/O口 P3口能驱动 4个LSTTL 门电路。 本科生课程设计（论文） 这 8 个引脚都有各自的第二功能。 RESET（9 脚）：当振荡器运行时，在此引脚外加上两个机器周期的高电平 将使单片机复位。

20、此引脚与 VSS 引脚之间连接一个约 10K的下拉电阻， 与引脚 之间连接一个约 10F 的电容，以保证可靠的复位。在单片机正常工作时，此引 脚为 0.5V 的低电平 XTAL1 （19 脚）：接外部晶体和微调电容的另一端。在 89C51片内，它是振 荡电路反相放大器的输入端及内部时钟发生器的输入端。在采用外部时钟时，该 引脚输入外部时钟脉冲。 XTAL2 （18 脚）：接外部晶体和微调电容的一端。在 89C51 片内它是振荡电 路反向放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体的固有频率。若须采用外部时 钟电路，则该引脚悬空。 ALE （ 30脚）：地址锁存允许信号。当访问单片机外部存储器时， A

21、LE （地 址锁存器）输出脉冲的负跳沿用于 16 位地址的低 8 位的锁存信号。即使不访问外 部存储器， ALE 端仍有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡频率的 1/6。但是， 每当访问外部数据存储器时（即从程序存储器取来 MOVX 类指令），在两个机 器周期中 ALE 只出现一次，即丢失一个 ALE 脉冲。因此，严格来说，用户不能 用 ALE 做时钟源或定时。 ALE 端可以驱动（吸收或输出电流） 8 个 TTL 负载。 PSEN（29 脚）：外部程序存储器的读选通信号。此脚的输出是单片机访问 外部存储器的读选通信号。在由外部存储器取指令（或常数）期间，每个机器周 期 PSEN 两次有效。但在

22、此期间，每当访问外部数据存储器时（即从程序存储器 取来的指令是 MOVX 类指令），这两次有效的 PSEN信号将不出现。 PSEN 可以 驱动（吸收或输出电流） 8个LSTTL 负载。 EA（31脚）：内、外 ROM 选择端。当 EA端保持高电平时，单片机访问内 部 Flash ROM 程序存储器，当 PC（程序计数器）值超过 0FFFH 时，单片机将自 动转向执行外部程序存储器内的程序。当 EA 接低电平时，则只访问外部程序存 储器，而不管是否有内部程序存储器。 3.1.2 复位电路的设计 复位电路的基本功能是：可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片 机重新启动。系统上电时提供复位信号

23、，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。 为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电 源插头分 -合过程中引起的抖动而影响复位。 按键式复位电路与上电复位电路的原理相同，但是它还可以通过按键实现复 位，按下按键后，通过 R1 和 R2 形成回路，使 RESET 引脚产生高电平。按键时 本科生课程设计（论文） 间决定了复位的时间。最终方案选取的是按键复位电路。 复位电路如图 3.2 所示： 图 3.2 复位电路 本设计中 R1和 R2选择 10K,，C3选择 10uF。 R1连接地 3.1.3 时钟电路 时钟电路是单片机的心脏， 它控制着单片机的工作节奏。 单片机工作的时

24、候， 是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的，这个脉冲的来源是单片机控制中 的时序电路发出的，这种时钟信号可以有两种方式产生：内部时钟方式和外部时 钟方式。 内部时钟方式： 89C51 内部有一个高增益反相放大器，用于构成内振荡器， 引脚 XTAL1 和XTAL2 分别是放大器的输入端和输出端。 在 XTAL1 和 XTAL2 两 端跨接晶体或陶瓷振荡器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入 内部时钟发生器。振荡电路如图 3.3 所示： 图 3.3 振荡电路 本设计中 C1和 C2选择 30pF，晶振为 12MHz 。 3.1.4 单片机最小系统 AT89C51 单片机芯片内集成了

25、计算机的基本功能部件，已具备了很强的功 本科生课程设计（论文） 能。一块芯片就是外加振荡电路和复位电路就是一个完整的最小微机系统。本振 荡电路采用 12MHz 的晶体，与微调电容配合，外接于引脚 XTAL1 和 XTAL2 之 间。复位电路采用了上电复位和手动复位相结合的方式。在通电瞬间，电容 C3 通过电阻 R1 充电， RST 端出现正脉冲，用以复位。只要电源的上升时间不超过 1ms，就可以实现自动上电复位。 手动复位就是通过按下按钮开关 S，使单片机进 入复位状态。复位电路接在 89C51单片机的 RESET 引脚上。 89C51 是片内有 ROM/EPROM 的单片机，因此，这种芯片构

26、成的最小系统简 单可靠。用 89C51 单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和 复位电路即可，如图 3.4 单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系 统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点： （1）有可供用户使用的大量 I/O 口线。 （2）内部存储器容量有限。 图 3.4 单片机最小系统 （3）应用系统开发具有特殊性。 3.2 CAN总线接口电路 3.2.1 CAN总线控制器 SJA1000 CAN 总线控制器 SJA1000是 Philips 公司于 1997 年推出的一种 CAN 总线控 制器，他实现了 CAN 总线物理层和链路层的所有功能。 SJA1000是 P

27、CA 82C200 的替代产品。 PCA 82C200 支持 CAN2.0A 协议，可完成基本的 CAN 模式。而 本科生课程设计（论文） SJA1000 可完成增强模式，支持 CAN2.0B 协议。试用于汽车和一般工业环境。 CAN 总线控制器 SJA1000引脚图如图 3.5 所示： SJA1000的主要特点 引脚、电气特性、软件与 PCA 82C200 兼容。 增强 CAN 模式支持 CAN2.0B 协议，同时支持 11位和 29 位标识符。 具有 64字节的 FIFO 扩展接受缓存器。 位通信速率高达 1Mb/s. 采用 24MHz 时钟频率。 支持多种微处理器接口。 可编程配置 CA

28、N 输出驱动方式。 具有不应答、不激活出错标志的只听模式。 接受滤波器扩展为 4 字节编码， 4 字节屏蔽。 工作温度范围扩展为 -40 +125。 SJA1000还增强了以下出错处理功能。 带读写访问的出错计数器。 可通过编程设置出错报警限。 最近一次出错代码寄存器。 可对总线错的出错中断。 图 3.5 SJA1000 引脚图 仲裁丢失中断带有位置细节信息。 3.2.2 CAN总线收发器 82C250 82C250是CAN 控制器与物理总线之间的接口，他最初是为汽车高速通信的 应用而设计的。 器件可以提供对总线的差动发送和接受功能。 82C250 的主要特性 如下： 与 ISO/DIS 11

29、898 标准完全兼容 本科生课程设计（论文） 高速性（最高可达 1Mb/s） 。 具有抗汽车环境下的瞬间干扰，保护总线能力 降低射频干扰的斜率控制。 热保护。 电源与地之间的短路保护。 低电流待机方式。 掉电自动关闭输出，不干扰总线的正常运行。 可支持多达 110 个节点相连接。 PCA 82C250引脚图如图 3.6 所示： 图 3.6 PCA 82C250 引脚图 3.2.3 光电隔离 光电隔离器（ optoelectronic isolator，英文缩写为 OC）亦称光电耦合器、光 耦合器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有 良好的隔离作用，所以，它在各种电路

30、中得到广泛的应用。 光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信 号驱动发光二极管（ LED ），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光 电流，再经过进一步放大后输出。 这就完成了电光电的转换， 从而起到输入、 输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性 等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属 于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输 信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中 作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。 光耦合器的主要

31、优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔 离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长， 传输效率高。光耦合器是 70 年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、 电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、 级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器 （SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合 器可构成光耦反馈电路， 通过调节控制端电流来改变占空比， 达到精密稳压目的。 6N137 光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器， 其内部有一个 850 nm 波 10 本

32、科生课程设计（论文） 长 AlGaAs LED 和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线 性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压补 偿功能，高的输入输出隔离， LSTTL/TTL 兼容，高速 （典型为 10MBd） ， 5mA 的 极小输入电流。特性：转换速率高达 10MBit/s ；摆率高达 10kV/us；扇出 系数为 8；逻辑电平输出；集电极开路输出；工作参数：最大输入电流，低 电平：250uA最大输入电流，高电平：15mA 最大允许低电平电压 （输出高）：0.8V 最大允许高电平电压： Vcc 最大电源电压、输出： 5.5V 扇出（TTL

33、负载）：8 个（最 多 ）工作温度范围： -40C85C 典型应用：高速数字开关，马达控制系统和 A/D 转换等。 6N137 引脚图如图 3.7 所示： 图 3.7 6N137 引脚图 3.2.4 CAN总线接口电路 如图 3.8 总线接口电路 11 CAN 总线接口电路由 CAN 控制器 SJA1000，CAN 收发器 82C250，光电隔 离器件 6N137组成，其总线接口电路如图 3.8 所示： 本科生课程设计（论文） 3.3 按键显示电路 3.3.1 显示模块的设计 OLED，即有机发光二极管，又称为有机电激光显示。因为具备轻薄、省电 等特性，因此从 2003 年开始，这种显示设备在

34、 MP3 播放器上得到了广泛应用， 而对于同属数码类产品的 DC 与手机，此前只是在一些展会上展示过采用 OLED 屏幕的工程样品， 还并未走入实际应用的阶段。 但 OLED 屏幕却具备了许多 LCD 不可比拟的优势。 OLED 显示技术与传统的 LCD 显示方式不同， 无需背光灯， 具 有自发光的特性 ,采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，当有电流通过时， 这些 有机材料就会发光。 通过 OLED 显示本控制器编号、接收到 CAN 总线的数据其电路图 3.9 如下： 图 3.9 液晶显示 如上图所示， OLED 有 7 个主要的引脚， 其中 GND 接电源地； VCC 接电源； D0：时钟线

35、； D1：数据线； RES：复位线； DC：数据命令； CS：片选； 3.3.2 键盘显示模块的设计 图 3.10 键盘模块 12 由于本系统所用按键少，所以采用独立键盘，其连接电路图如3.10 所示： 本科生课程设计（论文） 图中独立键盘引出的三根线分别接单片机的 P1.0、P1.1、P1.2，另一端接地 开关 S2 表示设置移动光标，开关 S3 表示设置数据，开关 S4 表示确定。 3.4 伺服电机接口电路 3.4.1 驱动器 伺服驱动器 （servo drives） 又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用 来控制伺服电机的一种控制器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，属于 伺服系

36、统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力 矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，目前是传动技术 的高端产品。 目前主流的伺服驱动器均采用数字信号处理器（ DSP）作为控制核心，可以 实现比较复杂的控制算法，实现数字化、网络化和智能化。功率器件普遍采用以 智能功率模块（ IPM ）为核心设计的驱动电路， IPM 内部集成了驱动电路 ,同时具 有过电压、过电流、过热、欠压等故障检测保护电路 ,在主回路中还加入软启动电 路 ,以减小启动过程对驱动器的冲击。 功率驱动单元首先通过三相全桥整流电路对 输入的三相电或者市电进行整流，得到相应的直流电。经过整流好的三

37、相电或市 电，再通过三相正弦 PWM 电压型逆变器变频来驱动三相永磁式同步交流伺服电 机。功率驱动单元的整个过程可以简单的说就是 AC-DC-AC 的过程。 13 ULN2003 是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由七个硅 NPN 复合晶体管组 成。ULN2003的每一对达林顿都串联一个 2.7K的基极电阻，在5V 的工作电压下 它能与 TTL 和 CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来 处理的数据。 ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达 500mA，并且能 够在关态时承受 50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。 ULN2003 采 用 DIP-16

38、 或 SOP-16塑料封装。驱动电路如图 3.11 所示： 本科生课程设计（论文） 3.4.2 伺服电机 伺服电机（ servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是 一种补助马达间接变速装置。 伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和 转速以驱动控制对象。 伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用 作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压低等特性，可把所收 到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动 机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加 而匀速下

39、降。 伺服系统（ servomechanism）是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能 够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定 位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到 1个脉冲，就会旋转 1 个脉冲对应的 角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机 每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成 了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时 又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的 定位，可以达到 0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。 有刷电

40、机成本低， 结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护不方便（换 碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求高。因此它可以用于对成本敏感的普通工 业和民用场合。 图 3.12 1FK7 同步伺服电机 1FK7 同步伺服电机是高度紧凑型的永磁同步电机。根据不同的应用，可以 选择相应的编码器。作为选件的集成齿轮箱和较宽的产品范围使得 1FK7 电机可 以方便的应用到各种场合。他们可以满足用户对机器精益求精的要求。 1FK7 电 机只有自然冷风，没有外部冷却系统。热量通过电机表面散发。 1FK7 电机有很 强的过载能力。 1FK7 同步伺服电机如图 3.12 所示： 优点： 1FK7 紧凑

41、型同步伺服电机、功率密度高，节省安装空间、用途广泛、型号 齐全、 1FK7 高动态同步电机、极地的转子惯量，较高的动态响应 14 本科生课程设计（论文） 应用范围： 机床、机器人和机械手、木材，玻璃，陶瓷和石器加工、包装，塑料和纺织 机器。 3.4.3 伺服电机接口电路 图 3.13 伺服电机接口电路 伺服电机接口电路由 AT89C51，驱动器，伺服电机组成，其伺服电机接口电 路如图 3.13 所示： 3.5 系统总体电路设计 系统总体电路见附录 15 本科生课程设计（论文） 第 4章 软件设计 4.1 系统软件 N 图 4.1 系统软件流程图 系统软件是保证系统正常运行、高可靠性、高实时性和

42、高稳定性工作的重要 环节。本系统的软件开发，主要以系统的通信协议为主，按照系统的硬件结构设 计的。按照系统硬件的要求，系统软件主要分为以下几部分：初始化模块、按键 显示模块、接收及发送模块等。系统软件流程图如图 4.1 所示： 4.2 CAN总线初始化程序 通过向 CAN 控制器 SJA1000 模式寄存器写 0 x01，让其进入复位模式，然后 分别对 SJA1000 的时钟分频寄存器、错误报警限额寄存器、中断使能寄存器、接 16 本科生课程设计（论文） 收代码和接收屏蔽寄存器、总线时序寄存器和输出控制寄存器设置，最后向模式 图 4.2 CAN 总线初始化流程图 寄存器写 0 x08，进入正常

43、工作模式。初始化流程图如图 4.2 所示： 4.3 CAN总线发送程序 在对 SJA1000CAN 控制器初始化后，控制器的主要任务是处理 CAN 总线数 据的发送和接收。发送数据比较简单，在配置好 SJA1000CAN 控制器后，只要将 要发送的数据写人发送缓冲区， 然后设置 SJA1000CAN 控制器的命令寄存器的发 送位，数据就会被送往 CAN 总线， 数据发送流程图如图 4.3 所示： 图 4.3 数据发送流程图 17 本科生课程设计（论文） 4.4 CAN总线接收程序 在接收数据时 ,应该先判断 SJA1000CAN 控制寄存器状态 ,并判断是否有新数 据被送往总线上以及数据类型，

44、再进行相应的处理。如图 4.4 所示 开始 SJA1000初始化 关闭所有中断 Y 总线状态 Y 是否正在发送 Y Y Y 是否可向发送缓冲区写写报文 待发送数据送发缓冲区 是否正在接受 发送请求是否处理完毕 发送数据初始值 启动发送 结束 图 4.4 数据接收流程图 4.5 显示程序 现场设备在使用的仪表中有很大比例，因而要求在就地能够进行观测， LCD 就是为满足此要求而设计的， LCD 显示采用了 LCD1602。在软件中对芯片进行初 始化，从而保证能够正常显示。 通过对命令寄存器进行操作， 从而完成工作方式、 18 本科生课程设计（论文） 图 4.5 显示程序流程图 输入方式、显示方式

45、和光标初始位置等设置。显示程序流程图如图4.5 所示 4.6 按键程序 在本设计中按键电路设置本控制器的编号，通过设置移动光标、设置数据、 设置确定来实现。按键流程图如图 4.6 所示： 设置移动光标 设置数据 图 4.6 按键流程图 N 19 本科生课程设计（论文） 第 5章 课程设计总结 本次的设计中利用 AT89C51，SJA1000，82C250，以及驱动器完成电路的设 计，能通过键盘电路控制控制器的编号， 并且编写了按键显示程序、 CAN 总线初 始化、接收及发送程序。实现了通过 CAN 总线接受指令信号，驱动伺服电机实 现机械手按给定指令进行工作。 在这次的软件设计中，程序设计采用

46、的 C 语言。C 语言简洁高效，是最贴近 硬件的高级编程语言，经过多年的发展，现在已成熟为专业水平的高级语言。而 且，现在单片机产品推出时纷纷配套了 C 语言编译器，应用广泛。 由于真正意义上的程序设计还不多，因此还不是很得心应手，所以在设计中 遇到一些问题和一些难点。比如：在程序设计中如何实现程序结构的最优化，以 达到较高的质量。这是以后设计中要注意的问题。 通过这次课程设计，我进一步了解了机械手的原理，在实际编写过程中，使 我接触了许多我以前没接触过的元件，而且重新温习了刚学不久的知识，使我学 得了许多知识，使我获益匪浅。 这次课程设计，使我的编写能力得到了很大的提高，更使我们懂得理论知识

47、 的重要性，没有理论的指导一切实际行动都是盲目的。 20 本科生课程设计(论文) 参考文献 1 何钦铭,颜晖.C语言程序设计M. 高等教育出版社 ,2008 2 梅丽凤. 单片机原理及接口技术 M. 清华大学出版社 ,2014 3 梁清华, 郭栋, 赵越岭. 工业控制网络技术实验教程 M. 东北大学出版社 ,2013 4 阳宪惠. 现场总线技术及其应用 M. 清华大学出版社 ,2008 5 马江 . 六自由度机械臂控制系统设计与运动学仿真 D. 北京 : 北京工业大 学,2009 6 耿振.基于 CAN总线的搬运机械手控制系统设计 D. 宁夏:宁夏大学 ,2015 7 杨振宇.基于CAN总线的

48、工业控制系统的研究与应用 D. 厦门:厦门大学,2007 8 韩成浩 .CAN总线技术及其应用 J. 制造业自动化 ,2010,32(2):146-150 9 孙兵 , 周建辉 , 邓海龙 . 基于 CAN 总线的机械手控制系统 J. 微计算机信 息,2003,19(11):14-16 10 邓海龙 . 基于 CAN 总线的气动机械手控制系统硬件设计 J. 制造业自动 化,2007,29(7):63-66 11 张军 , 胡孝昌 . 单片机应用系统抗干扰技术的研究 J. 计算机测量与控 制,2006,14(3):412-414 12 徐晓磊 ,姜波, 薛锦诚, 陈祥光 .单片机系统的低功耗设计与应用 J. 电测与 表,2000,34(10):28-31 13 陈杨杨,陈梅,储昭碧.CAN总线和 DeviceNet通信协议在单片机系统中的应用 J. 仪器仪表学报 ,2005,6(8):299-301 14 邵玉华 . 基于 SJA1000 的 CAN 总线通信系统的设计 J. 铁道通信信号 , 2010,46(3):56-58 15 韩 成 浩 , 高 晓 红 .CAN 总 线 技 术 及 其 应 用 J. 制 造 业 自 动 化,2010,32(2):146-149 21 本科生课程设计（