基于单片机的机械手运动控制设计毕业论文

1、编号： 毕业设计(论文)说明书 题 目：基于单片机的机械手运动控制设计学院： 机电工程学院 专 业： 机械电子工程 学生姓名： 学 号： 指导教师单位： 机电工程学院 姓 名： 职 称： 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2013年5月20日 摘 要机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动生产设备。工业机械手也是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现在人的智能和适应性。机械手作业的准确性和环境中完成作业的能力，在国民经济领域有着广泛的发展空间。机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。随着

2、工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。 机械手技术涉及到电子、机械学、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。本设计以at89c51单片机为核心，采用l298电机控制芯片达到控制直流电机的启停、速度和方向，完成了机械手基本要求和发挥部分的要求。在机械手设计中，采用了pwm技术对电机进行控制，通过对占空比的计算达到精确调速的目的。关键词

3、：机械手；at89c51单片机；l298电机控制芯片；电机控制。abstract a robot is developed in recent decades a high-tech automated production equipment. industrial robots is an important branch of industrial robots. it features can be programmed to perform a variety of jobs expected in the structure and performance of the respe

4、ctive merits of both people and machines, particularly evident in human intelligence and adaptability. the accuracy of manipulators and the environments ability to complete the job in the field of the national economy has a broad space for development. starting the robot structure is relatively simp

5、le, highly specific.with the development of industrial technology, made by program control can be achieved independent of repeated operations, and broad scope of the program control universal manipulator,referred universal manipulator.because generic robot can quickly change the working procedures,

6、adaptability, so it is constantly changing variety of small batch production to obtain a wide range of references. robotic technologies related to electronics, mechanics, automatic control technology, sensor technology and computer technology and other scientific fields, is a multidisciplinary integ

7、rated technology. with the needs of the development of industrial automation, robots and more important in industrial applications. the design at89c51 microcontroller as the core, using l298 motor control chip to control the dc motor start and stop, speed and direction, completing the basic requirem

8、ents and manipulator play a part requirements.in the manipulator design, using a pwm motor control technology, through the calculation of the duty cycle to achieve accurate speed control purposes.keywords:manipulator;at89c51 microcontroller;l298 motor control chip;motor control.目 录引言11 绪论31.1 机械手概述3

9、1.1.1机械手的当代应用41.1.2机械手工作方式41.1.3机械手的分类41.2 机械手的一般组成42 任务要求与总体设计方案62.1 设计任务与要求62.2 总体设计方案62.3 基本设计思路62.2.1 cpu62.2.2传动机构62.2.3机械手组成72.2.4抓取机构92.2.5机械手的驱动方式92.3 设计方案的总结112.3.1 cpu的选择112.3.2机械手坐标形式的选择112.3.3传动机构的选择112.3.4驱动方式的选择112.3.5电机类型的选择113 机械手结构设计133.1 机械手尺寸的确定133.2 传动部分设计133.3 机械手结构部分总结134 硬件电路部

10、分设计134.1 单片机的选择134.1.1单片机的简介144.1.2 89c51简介174.1.3 89c51系列单片机基本配置174.1.4 89c51单片机引脚及其功能184.1.5单片机的i/o口结构204.1.6 a/d转换204.2 驱动芯片的选择204.2.1驱动芯片概念204.2.2 l298的简介214.2.3 l298芯片引脚及其功能214.2.4 l298芯片原理224.3 直流电机224.3.1直流机简介224.4 主控电路的设计234.4.1晶振电路设计244.4.2复位电路的设计244.4.3时钟电路设计254.4.4复位电路设计254.4.5矩阵按键模块264.4

11、.6串口通信模块264.4.7开关量采集电路285 软件设计295.1 软件流程图295.2 主从机信息交换流程图305.3 软件抗于扰315.3.1输入输出的软件抗干扰315.3.2程序执行过程中的软件抗于扰325.3.3系统的恢复366 总结39谢 辞40参考文献41附 录42附录一 程序清单42附录二 原理图46附录三 pcb图47引言 基于单片机控制的机械手，就其本质上来说，属于工业机器人的范畴，机器人工程师近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，师当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪

12、国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，师一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。 本毕业设计是基于单片机控制的机械手的设计，机械手各活动部件采用直流电机驱动，单片机发送的控制信号经过功率放大，转换后，控制直流电机转动与停止，各个电机的协调转动，完成机械手的升降，左右旋转，伸缩等功能。工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁，单调的操作，如果没有机械手那么工人的劳动强度是很高的，有时候还要用行车员工件，生产速度大大延缓，这种情况采用机械手是很有效的。此外，它能在高温

13、、低温、深水、宇宙、反射性和其他有毒、有污染环境条件上进行操作。更显其优越性，有着广阔的发展前途。机械手是一种模仿人体上肢运动的机器，它能按照预定要求输送工种或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力，受到人们的广泛重视和欢迎。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业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，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是

14、在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。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在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： （一）以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳

15、动生产率和降低生产成本。 （二）以改善劳动条件，避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。可以减轻人力，并便于有节奏的生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。1 绪论1.1 机械手概述随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。美国机器人协

16、会(ria-robot institute of american):“一种用于搬运材料、部件、工具或其它特种装置的可重复编程的多功能的操作机。”日本工业机器人协会(jira-japanese industrial robot association):“一种带有存储器件和末端执行器的通用机械，它能够通过自动化的动作替代人类劳动。”1987年国际标准化组织对工业机器人进行了统一的定义:“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。”我国科学家对机器人的定义是:“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动

17、作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。在国外，机器人技术已经走在了前面，机器人的应用范围越来越广，使用的数量也越来越多。1968年，日本川崎重工引进美国unimation公司的unimate机器人制造技术，开始了日本机器人时代。1970年，在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议，此后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。1979年unimation公司推出了puma系列工业机器人。到1990年已有30万台的机器人在全世界使用，其中高性能的机器人所占比例不断增加，特别是各种装配机器人的产量增加较快，和机器人配套使用的机器视觉技术和装备也得到迅速发展。进入20世纪90年代后，装配机器

18、人及柔性装配技术进入了大发展时期。日本一直拥有全世界机器人总数的60%左右。到1998年，美国拥有机器人8万台，德国为7万多台，分别占世界机器人总数的15%和13%左右。到2000年，服役的机器人总数约100万台。我国机器人起步于70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段:70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用期。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了“示教”再现式工业机器人成套技术的开发。1986年国家高技术研究发展计划(863计划)开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、

19、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。从90年代初期起，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。但是，由于起步较晚以及受到投入研究资金的影响，我国的工业机器人和国外还是存在较大的差距，在机器人的使用数量和使用行业领域方面还需要有很大的提高。机器人技术涉及很多学科领域，是多学科综合交叉的边缘学科，机器人技术的发展依赖于很多相关技术的进步。1.

20、1.1机械手的当代应用 机械化、自动化已成在现代工业中突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的，机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。机械手多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机械手或通用机械手）。1.1.2机械手工作方式 机械手是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。机械手具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。目前我国常把具有上述特点的机械手称为专用机械手，而把工业机械手称为通用机械手。1.1.3机械手的分类 简而言之，机械手就是

21、用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。机械手一般分为三类。第一类是不需要人工操作的通用机械手，也即本文所研究的对象。它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工操作的，称为操作机（manipulator）。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是专业机械手，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外通常被称之为“mechanical hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。

22、除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。机械手按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机械手以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机械手中使用最多的一种结构形式。1.2 机械手的一般组成要机械手像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构执行机构；像肌肉那样使手臂驱动传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。这些系统的性能就决定了运动的机械手的性能。一般而言，机械手通常就是由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如图1-1所示。图1-1 机械手的一般组成 对于现代智能

23、机械手而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。目前研究主要集中在赋予机械手“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机械手的触觉装置。机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机械手的。要实现机械手所期望实现的功能，机械手的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2所示。图1-2 机械手系统图 机械手的机械系统主要由执行机构和驱动传动系统组成。执行机构是机械手赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。驱动传动系统主要包括驱动机构和传动系统

24、。驱动机构提供机械手各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机械手各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。有的文献则把机械手分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。其中的机械系统又叫操作机(manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。2 任务要求与总体设计方案2.1 设计任务与要求 许多娱乐场合设有投币手动抓物机械手。仿照娱乐场合中的手动抓物机械手，设计机械手的控制系统，能够配合机械手的机械结构实现手动抓物。要求：在资料调查和分析的基础上，对系统进行的分析和设计；要求完成如下主要功能：（1）机械手的控制可以用单片机或plc；（2）通过按键，实现机械手的上升、下降、左移、右移。

25、（3）采用电机驱动控制方式。2.2 总体设计方案确定机械手的任务要求，根据任务要求初步拟定机械手的技术参数、运动形式、驱动方案、控制系统方案等。本课题主要涉及到一下三部分内容： 第一，机械手有上移、下移、左移、右移的运行方式； 第二，使机械手摆动的设计及驱动手臂运动的选择； 第三，控制系统的设计。2.3 基本设计思路总体设计框图如下：图2-1 总体设计框图2.2.1 cpucpu 部分有两种选择:单片机控制和plc控制。2.2.2传动机构 传动机构种类繁多，常见的有齿轮传动、齿条传动、丝杆传动、链条传动。由于一般的电机驱动系统输出的力矩较小，需要通过传动机构来增加力矩，提高带负载能力。对机械手

26、的传动机构的一般要求有： （1）结构紧凑，即具有相同的传动功率和传动比时体积最小，重量最轻； （2）传动刚度大，即由驱动器的输出轴到连杆关节的转轴在相同的扭矩时角度变形要小，这样可以提高整机的固有频率，并大大减轻整机的低频振动； （3）回差要小，即由正转到反转时空行程要小，这样可以得到较高的位置控制精度； （4）寿命长、价格低。2.2.3机械手组成机械手一般由执行机构、控制系统、驱动系统三个部分组成。 （1）执行机构 1) 手腕 手腕是联接手臂与末端执行器的部件，用以调整末端执行器的方位和姿态。 2) 手臂 手臂是支承手腕和末端执行器的部件。它由动力关节和连杆组成，用来改变末端执行器的位置。

27、3) 机座 机座是机械手的基础部件，并承受相应的载荷，机座分为固定式和移动式两类。 （2）控制系统 控制系统用来控制机械手按规定要求动作，可分为开环控制系统和闭环控制系统。大多数工业机械手采用计算机控制，这类控制系统分为决策级，策略级和执行级三级：决策级的功能是识别环境、建立模型、将工作任务分解为基本动作序列；策略级将基本动作变为关节坐标协调变化的规律，分配给各关节的伺服系统；执行级给出各关节伺服系统的具体指令。 （3）驱动系统 驱动系统是按照控制系统发出的指令将信号放大，驱动执行机构运动的传动装置。常用的由电气、液压、气动和机械等四种驱动方式。除此之外，机械手可以配置多种传感器（如位置、力，

28、触觉，视觉等传感器），用以检测其运动位置和工作状态。 机械手按坐标形式、控制方式、驱动方式和信号输入方式四种分类方法： （1）按坐标形式分坐标形式是指执行机构的手臂在运动时所取的参考坐标系的形式。 1）直角坐标式 直角坐标机械手的末端执行器在空间位置的改变式通过三个互相垂直的轴线移动来实现的，即沿x轴的纵向移动、沿y轴的横向移动及沿z 轴的升降。这种机械手位置精度最高，控制无耦合，比较简单，避障性好，但结构较庞大，动作范围小，灵活性差。 2）圆柱坐标式 圆柱坐标机械手是通过两个移动和一个转动来实现末端执行器空间位置的改变，其手臂的运动由在垂直立柱的平面伸缩和沿立柱升降两个直线运动及手臂绕立柱转

29、动复合而成。这种机械手位置精度较高，控制简单，避障性好，但结构也较庞大。 3）极坐标式 极坐标机械手的运动式由一个直线运动和两个转动组成，即沿手臂方向x 的伸缩，绕y 轴的俯仰和绕z 轴的回转。这种机械手占地面积小，结构紧凑，位置精度尚可，但避障性差，有平衡问题。 4）关节坐标式 关节坐标机械手主要是由立柱、大臂和小臂组成，立柱绕z轴旋转，形成腰关节，立柱和大臂形成肩关节，大臂和小臂形成肘关节，大臂和小臂作俯仰运动。这种机械手工作范围大，动作灵活，避障性好，但位置精度低，有平衡问题，控制耦合比较复杂，目前应用越来越多。 （2）按控制方式分 1) 点位控制 采用点位控制的机械手，其运动为空间点到

30、点之间的直线运动，不涉及两点之间的移动轨迹，只在目标点处控制机械手末端执行器的位置和姿态。这种控制方式简单，适用于上下料、点焊等作业。 2）连续轨迹控制 采用连续轨迹控制的机械手，其运动轨迹可以是空间的任意连续曲线。机器人在空间的整个运动过程都要控制，末端执行器在空间任何位置都可以控制姿态。 （3）按驱动方式分 1) 电力驱动 电力驱动式目前采用最多的一种。早期多采用步进电机驱动，后来发展了直流伺服电动机，现在交流伺服电动机的应用也得到了迅速发展。这类驱动单元可以直接驱动机构运动，也可以通过谐波减速器装置减速后驱动机构运动，结构简单紧凑。 2）液压驱动 液压驱动的机械手具有很大的抓起能力，可抓

31、取质量达上百公斤的物体，油压可达7mpa，液压传动平稳，动作灵敏，但对密封性要求较高，不宜在高温或低温现场工作，需配备一套液压系统。 3）气压驱动 气压驱动的机械手结构简单，动作迅速，价格低廉，由于空气可压缩性，导致工作速度稳定性差，气源压力一般为0.7mpa，因此抓取力小，只能抓取重量为几公斤到十几公斤的物体。 （4）按信号输入方式分 1) 人操作机械手 这是一种由操作人员直接进行操作的具有几个自由度的机械手。 2）固定程序操作机械手 按预先规定的顺序、条件和位置，逐步地重复执行给定的作业任务的机械手。 3）可变程序操作机械手 它与固定程序机械手基本相同，但其工作次序等信息易于修改。 4）程

32、序控制机械手 它的作业指令是由计算机程序向机械手提供的，其控制方式与数控机床一样。 5）示教再现机械手 这类机械手能够按照记忆装置存储的信息来复现由人示教的动作，其示教动作可自动地重复执行。 6）智能机械手 采用传感器来感知工作环境或工作条件的变化，并借助其自身的决策能力，完成相应的工作任务。2.2.4抓取机构 抓取机构是机械手执行工作的装置，可安装夹持器、工具、传感器等。抓取机构可分为机械夹紧、真空抽吸、液压夹紧、磁力吸附等。2.2.5机械手的驱动方式 该机械手一共具有三个独立的运动关节，连同末端机械手的运动，一共需要三个动力源。机械手常用的驱动方式有液压驱动、气压驱动和电机驱动三种类型。表

33、2-1 常用驱动系统特性特性输出功率和使用范围控制性能和安全性结构性能安装和维护要求效率和制造成本气压驱动气压较低，输出功率小，当输出功率增大时，结构尺寸将过大只适用于小型，快速驱动压缩性大，对速度、位置精确控制困难。阻尼效果差。低速不易控制，排气有噪音结构体积较大，结构易于标准化。易实现直接驱动，密封问题不突出安装要求不高，能在恶劣环境种工作，维护方便效率低，（为0.150.2）气源方便，结构简单，成本低液压驱动油压高，可获得较大的输出功率，适用于重型，低速驱动器液体不可压缩，压力、流量易控制，反应灵敏，可无级调速、能实现速度、位置的精确控制，传动平稳，泄漏对环境污染结构较气动要小，易于标准

34、化，易实现直接驱动，密封问题显得重要安装要求高（防泄漏），要配置液压元设备，安装面积大，维护要求较高效率中等为0.30.6，管路结构较复杂，成本高交直流普通电动机适用于抓其重量较大而速度低的中、重型机器人的驱动 输出力较大控制性能差，惯性大，不易精确定位对环境无影响电动机驱动以实现标准化，需减速装置，传动体积较大安装维修方便成本低效率为0.5左右步进、伺服电动机步进电动机输出力较小、伺服电机可大一些适用于运动控制要求严格的中、小型机器人控制性能好，控制灵活性强，可实现速度、位置的精确控制，对环境无影响体积小，需减速装置维修使用较复杂成本较高效率为0.5左右 机械手驱动系统各有其优缺点，通常对机

35、械手的驱动系统的要求有： （1） 驱动系统的质量尽可能要轻，单位质量的输出功率要高，效率也要高； （2） 反应速度要快，即要求力矩质量比和力矩转动惯量比要大，能够进行频繁地起、制动，正、反转切换； （3） 驱动尽可能灵活，位移偏差和速度偏差要小； （4） 安全可靠； （5） 操作和维护方便； （6） 对环境无污染，噪声要小； （7） 经济上合理。2.3 设计方案的总结2.3.1 cpu的选择 由于单片机体积小，价格便宜且具有高稳定性和很强的抗干扰能力，因此本设计中用单片机取代plc控制。2.3.2机械手坐标形式的选择 由于本设计中精度要求较高，首先排除了极坐标式和关节坐标式，而且它们还存在平衡

36、问题。考虑到工厂应用要易于扩展其功能，本机械手采用直角坐标形式。2.3.3传动机构的选择 本设计要求传动方式为电机的转动带动机械手臂的上下、左右移动，适合采用带传动。2.3.4驱动方式的选择 在选择驱动方式阶段，我首先考虑的是液压、气压传动，但方案存在一定缺陷。其中，液压装置体积太过庞大，需要专门配置一套液压系统，且对密封性要求高，不宜在高温、低温下工作。而气压传动由于空气的可压缩性导致工作速度、稳定性较差，且有一定噪音。电机选择相对较为简单，由于步进电机有步距角误差，机械手在齿轮传动和摆动时会进一步放大该误差，因此选择伺服电机驱动。2.3.5电机类型的选择在日常系统所采用的电机，一般采用直流

37、电机、步进电机、舵机。 方案一：使用直流电机直流电机工作原理：直流电动机是使电机的绕组在直流磁场中旋转感应出交流电，经过机械整流，得到直流电。广泛应用于收录机、录像机、影碟机、电动剃须刀、电吹风、电子表、玩具等。直流电机能提供较大力矩，能够轻易驱动机体运动。在极限位置放置限位开关，可控制机械手转动。 方案二：使用步进电机 步进电机的工作原理：步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，

38、它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可固定角度转动，不需限位开关便可控制机械手转动到指定位置。方案三：使用舵机 图2-2 舵机 图2-3 舵机接线图 图2-4 舵机结构图 舵机工作原理：舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。其工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的 ic判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号，判断是否已经到达定位。舵机可在0180精确转动，能够提供较

39、大力矩并且拥有保持位置的功能，反应灵敏，可很好的完成机械手运动要求。 根据设计要求，该机械手的电机需满足： （1）电机能够提供比较大的力矩来抓取物体； （2）电机能够做到精确角度定位，使机械爪准确移动抓取物体； （3）电机能够在较大力矩下保持原位置能力。综上要求，直流电机虽然能提供很大力矩，但不好精确定位并保持原位置。步进电机能够转动较精确角度，但不能提供大力矩和保持原来位置。舵机可在0180精确转动，且能够提供较大力矩并且拥有保持位置的功能。3 机械手结构设计3.1 机械手尺寸的确定 由于本次设计对工作场地要求并没有明确的限制，因此机械手的尺寸也就没有明确的规定，为了设计的方便，将机械手横向

40、有效距离长为280mm，纵向有效距离长为170mm。3.2 传动部分设计 （1）机械手是有2台伺服电机驱动：电机m1控制机械手纵向运动，电机m2控制机械手在横向运动。为了设计的方便，控制方式采用限位器限位控制。由于2台电机不是同时控制，因此不存在相互间的干扰，从而增强了整个系统的稳定性。 （2）具体传动环节：基座部分装有服电机m1和电机m2，通过齿轮传动控制带条运动。 （3）直流电机 （i）调速性能好，电动机在一定负载条件下，根据需要，人为改变电动机的转速，直流电动机可以在重负载条件下实现均匀平滑无级调速，调速范围宽。 （ii）起动力矩大可以均匀而经济的实现转速调节，故凡是在重负载条件下启动的

41、机械都用直流电机拖动。3.3 机械手结构部分总结 为了实现电动机能准确的将部件送到制定的位置，我采用了限位器控制机械手的位置。机械手碰到限位器，限位器返回信号给单片机，单片机发送信号控制电机驱动芯片，从而达到机械手到位停止。电动机采用的是直流电动机，因为其性能价格比较高，适合工作在对输出力矩比较大的环境下。通过齿条传送装置，使机械手在电机的控制下能够精准的到达规定的位置。并且易于将来扩展其工作方式。4 硬件电路部分设计4.1 单片机的选择单片机体积小巧，内部包括中央处理器，数据存储器，程序存储器及输入输出设备。对于需要灵活机动，精度要求不高，有可扩展性及程序可擦写和简单成熟的编程平台等要求，单

42、片机不失为最合适的选择。现有两种单片机at89c51和avr可供选择。 方案一：采用常见的89c51作为米粉机点餐系统的控制核心。传统的51 单片机具有价格低廉，输入输出接口多，使用简单容易开发等特点。 方案二：采用avr单片机，avr单片机在一个芯片内将增强性能的risc 8位cpu与可下载的flash相结合使其成为适合于许多要求。具有高度灵活性的嵌入式高效微控制器。从机械手的功能实现来说，单片机主要能够多路模拟输出精确的pwm功能上，实现上位机串口通讯，s51单片机与avr单片机相比，avr单片机拥有内置多路的pwm输出而且avr单片机具有更好的稳定性和程序处理效率，实现起来也比较方便。不

43、过鉴于at89c51的广泛性和普及性，最终选择用at89c51作为这个电路的主控芯片。4.1.1单片机的简介 为适应社会发展的需要，微型计算机不断的更新换代，新产品层出不穷。在微型计算机的大家族中，近年来单片微型计算机异军突起，发展极为迅速。单片微型计算机（single-chip microcomputer）简称单片机。它是在一块芯片上集成中央处理器（central professing unit,cpu）,随机存取存储器(random access memory, ram),只读存储器(read only memory, rom),定时计数器及i/o(input/output)接口电路等部件

44、，构成一个完整的计算机。它的特点是：高性能，高速度，体积小，价格低廉，稳定可靠，因此也广泛应用于卫星定向、汽车火花控制、交通自动管理和微波炉等专用控制上。近几年来，单片机的发展更为迅速，它已渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。 单片机应用的主要领域有以下几点： 智能化仪器仪表用单片机改造原有的测量、控制仪表，使仪器仪表数字化、多功能化和微型化，并使长期以来测量登记表中的误差修正和线性化处理等难题迎刃而解。由单片机构成的智能登记表，集测量处理控制功能于一身，从而赋予测量仪表以崭新的面貌，是仪表产品更新换代的标志。 机电一体化产品 机电一体化是机械工业发展的方向，机电一体化产品是指集机械

45、技术微电子技术和计算机技术于一体，具有智能化特性和机电产品。单片机的出现促进了机电一体化的发展，它作为机电产品中的控制器，使传统的机械产品结构简单化控制智能化，构成了新一代的机电一体化产品。例如，在电传打字机中，由于采用了单片机而取代了近千个机械部件。 测控系统 用单片机可以构成各种工业控制系统自适应控制系统和数据采集系统等。例如，温度、湿度的自动控制，锅炉燃烧的自动控制和包装生产线的自动控制等。 计算机网络及通信技术 高档单片机集成有通信接口，为单片机在计算机网络与通信设备中的应用提供了良好的条件。 家用电器 由于单片机价格低廉，体积小，逻辑判断功能强，内部具有定时计数器，所以广泛应用于家电

46、设备。例如：洗衣机、电冰箱、高级智能玩具、电子门铃和家用防盗报警器等，提高了自动化程度，备受人们喜爱。单片机的出现是计算技术发展上的一个重要的里程碑，它使计算机从海量数值计算进入到控制领域。近年来单片机的发展速度很快，就其发展趋势而言，应该说是大容量高性能，小容量低价格化和外围电路内装化。因此单片机会愈来愈广泛地应用于日常生活中的智能电器产品以及家电中。 单片机具有以下特点:受集成度限制，片内存储容量较小，一般8位单片机的rom小于4/8k字节，ram小于256字节，但可在外部扩展，通常rom、ram可分别扩展至64k字节。可靠性好。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，其抗工业噪声干扰优于一般

47、通用cpu；程序指令及常数、表格固化在rom中不易破坏；许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。易扩展。片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。控制功能强。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中具有极丰富的条件分支转移指令、i/o口的逻辑操作以及位处理功能。一般说来，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器。一般单片机内无监控程序或系统通用管理软件，只放置有用户调试好的应用程序。但近年来也开始出现了在片内固化有basic解释程序的单片机。单片机在各个技术领域的迅猛发展，与单片机所构成的

48、计算机应用系统的特点有关：单片机构成的应用系统有较大的可靠性。系统扩展和系统配置比较典型和规范，容易构成各种规模的应用系统。由于构成的应用系统是一个计算机系统，相当多的测控功能由软件实现，故具有柔性特点。有优异的性能价格比。对广大的应用型技术人员而言，目前所面临的单片机应用技术是使用单片机和可编程逻辑器件相结合构成的新一代电子应用技术。这是工程应用技术发展的一个新趋势。通常一个微型计算机系统由微型计算机与外部设备组成，而微型计算机则包含有微处理器（通称cpu），存储器（存放程序指令或数据的rom、ram等），输入/输出口（i/o）及其他功能部件如定时/计数器、中断系统等。它们通过地址总线、数据

49、总线和控制总线连接起来,通过输入/输出口线与外部设备及外围芯片相连。cpu中配置有指令系统，计算机系统中配置有驻机监控程序、系统操作软件及用户应用软件。目前用户在构成应用系统时，有三种构成方式可供选择。专用系统系统的扩展与配置完全按照应用系统的功能要求设计的。硬件系统的性能/配置比近于1。系统中只配备有应用软件，故系统有最佳配置，系统的软、硬件资源能获得充分利用，但这种系统无自开发能力。采用这种方式要求有较强的硬件开发基础。模块化系统鉴于单片机应用系统的系统扩展与配置电路具有典型性,因此，有些厂家将这些典型配置做成用户系列板，供用户选择使用。用户可根据应用系统的需要选择适当的模块板组合成各种测

50、、控系统。有些用户系列板在结构上做成std总线型。模块化结构是中、大型应用系统发展方向。它可以大大减少用户在硬件开发上投入的力量。但目前系统模块化产品水平尚不高，软硬件配套工作还不完善，有待于进一步发展。单片单板机系统受通用cpu单板机的影响，国内有用单片机来构成单片单板机，其硬件按照典型应用系统配置，并配有监控程序，具有自开发能力。但是，单板机的固定结构形式常使应用系统不能获得最佳配置。产品批量大时，软、硬件资源浪费较大，但可大大减少系统研制时的硬件工作量，并具有二次开发能力。单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(

51、cpu)，随机存取数据存储器(ram)，只读程序存储器(rom)，输入输出电路(i/o口)，可能还包括定时计数器，串行通信口(sci)，显示驱动电路(lcd或led驱动电路)，脉宽调制电路(pwm)，模拟多路转换器及a/d转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。单片机是控制器工作的核心，它的性能直接影响到控制器的工作性能。为了使用方便，系统要求可以进行在线改写，并能在断电情况下保存数据而不需要保护电源，同时为了实现真正的单片控制，最好系统使用尽可能少的外部扩展芯片，提高系统运行的可靠性，所以我们

52、要求使用的单片机具有片内电擦除可编程只读存储器eeprom。4.1.2 at89c51简介 89c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低电压、高性能cmos8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的89c51是一种高效微控制器，89c2051是它的一种精简版本。89c单片机为很多嵌

53、入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。4.1.3 89c51系列单片机基本配置 1) 微处理器 该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。 2) 数据存储器 片内为128 个字节，片外最多可外扩至64k 字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。 3) 程序存储器 由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k 字节。 4) 中断

54、系统 具有5个中断源，2级中断优先权。 5) 定时器/计数器 片内有2 个16 位的定时器/计数器， 具有四种工作方式。 6) 串行口 1 个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行i/o 口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。 7) p1 口、p2 口、p3 口、p4 口 为4 个并行8 位i/o 口。 8) 特殊功能寄存器一共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的ram区。4.1.4 89c51单片机引脚及其功能1) 电源及时钟引脚vcc：接+5v 电源正端；vss：接+5v 电源地端；x1：接外部晶体振荡器的一端；x2：接外部晶体振荡器的另一端。2) 控制引脚reset：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。 ale：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在