分揀機(jī)器人單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì).docx

資料收集于網(wǎng)絡(luò) 如有侵權(quán)請聯(lián)系網(wǎng)站 刪除 謝謝 Lake Titicaca 的的喀喀湖學(xué)校代碼： 10128學(xué) 號： 010202064 （ 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書題 目：分揀機(jī)器人單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 學(xué) 院： 系 別： 專 業(yè)： 班 級：指導(dǎo)教師：二 一 七 年 五 月摘 要一般的分揀機(jī)器人由于其操作方式較復(fù)雜，分揀的效率較差，人機(jī)交互系統(tǒng)的不太完善，機(jī)械性能欠佳等已經(jīng)很難滿足當(dāng)今社會的生產(chǎn)實(shí)踐需要。伴隨著社會的飛速發(fā)展，人們對性能優(yōu)良智能分揀人的需求也與日俱增。設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)的分揀機(jī)器人有很大的實(shí)踐需要和社會功能。根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，決定采用美國INTEL公司MCS-51系列單片機(jī)基本產(chǎn)品89C52，作為分揀機(jī)器人的主控制芯片。它具有運(yùn)行速度快，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠完全我的設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)包括硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件系統(tǒng)主要包括電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)、單片機(jī)連接PC機(jī)串口電路的設(shè)計(jì)，單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，顯示電路的設(shè)計(jì)等。在電路圖板上完成各模塊的設(shè)計(jì)與連接。分析易得，此系統(tǒng)可以完全滿足設(shè)計(jì)需要。通過光耦等器件克服電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分與單片機(jī)部分的相互干擾。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；硬件設(shè)計(jì)；軟件編程；89C52AbstractThe general sorting robot is more complicated due to its operation，sorting is less efficient，human-computer interaction system is not perfect，poor mechanical performance has been difficult to meet the needs of todays social production practice. Accompanied by the rapid development of society，the demand for smart sorters is also growing。The design of a sorting robot based on a single chip has a great practical need and social function.According to the requirements of the control system，Decided to adopt the United States INTEL MCS-51 series of basic products 89C52，as the main control chip for the sorting robot。It has the advantages of fast running speed, low power consumption and strong anti-interference ability，can be completely my design requirements。The system includes both hardware and software。The hardware system mainly includes the design of voltage conversion circuit，design of serial circuit of PC computer connected by single chip microcomputer，design of Single Chip Microcomputer System，design of the drive circuit，display circuit design, etc。In the circuit board to complete the design and connection of the module。Analysis easy to get，This system can fully meet the design needs。Through the optocoupler and other devices to overcome the motor drive part and the microcontroller part of the mutual interference。Keywords: Single chip，hardware design，software programming，89C52精品文檔目 錄第一章 前言11.1 本論文的背景和意義11.2 研究現(xiàn)狀11.3 本論文的主要方法與研究進(jìn)展21.4 本論文的工作原理框圖21.5 本論文的主要內(nèi)容3第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)42.1 單片機(jī)型號的論證與選擇42.2 數(shù)據(jù)顯示模塊的論證與選擇52.3 驅(qū)動(dòng)器模塊的論證與選擇62.4 電磁閥的論證與選擇72.5 總體的方案比較與選擇7第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)83.1 STC89C52RC單片機(jī)模塊83.1.1 中央處理單元CPU的介紹83.1.2 STC89C52RC單片機(jī)的特點(diǎn)93.2 復(fù)位電路模塊103.3 振蕩電路模塊103.4 LCD12864液晶顯示器模塊113.5 繼電器驅(qū)動(dòng)電路113.6 8255電機(jī)驅(qū)動(dòng)123.7 外部定時(shí)器123.8 下載電路14第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)154.1程序流程圖154.2塊初始化函數(shù)154.2.1定時(shí)器初始化和pwm的模擬154.1.2 12864液晶的初始化204.2 按鍵檢測程序254.3電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)控制程序274.3.1電機(jī)控制方法簡介274.3.2電機(jī)速度控制策略274.4機(jī)械爪控制程序314.5鎖存器74LS573控制程序32第五章 設(shè)計(jì)總結(jié)及技術(shù)展望33致 謝34參 考 文 獻(xiàn)35附錄1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路總圖36第1章 前言1.1 本論文的背景和意義隨著人類社會的進(jìn)步，人類的聰明才智使得工具越來越先進(jìn)。工具一直是為人類服務(wù)而被生產(chǎn)和改進(jìn)。工具的進(jìn)步使人類勞動(dòng)更加方便，能夠在更困難的環(huán)境中工作。機(jī)器人的誕生是通過解放人類的雙手和大腦，從社會生產(chǎn)力的枯竭和生產(chǎn)更方便的工具。自恩格爾伯格先生的發(fā)明1，機(jī)器人已經(jīng)在過去的100年里發(fā)生了很大的變化。目前，機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于人類生產(chǎn)活動(dòng)的各個(gè)領(lǐng)域。在現(xiàn)代工廠中，白天不懂夜的黑，輸送搬運(yùn)物品，危險(xiǎn)完成排爆排爆機(jī)器人代替人類工作，甚至坐在宇宙飛船探索宇宙去探索人類未知的世界。與人類相比，機(jī)器人有許多優(yōu)點(diǎn)。機(jī)器人不怕累，怕臟，不怕苦。在危險(xiǎn)的情況下，機(jī)器人的功能突出。而且，機(jī)器人工作的準(zhǔn)確性比較高，人們不會受到同樣情緒波動(dòng)的影響。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式主要是機(jī)械運(yùn)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)2是其主要控制方式。單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)3在當(dāng)今社會很普遍。隨著單片機(jī)理論和硬件系統(tǒng)的更替，單片機(jī)控制技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要的作用。自20世紀(jì)70年代單片機(jī)誕生以來，先后經(jīng)歷了單片機(jī)、單片機(jī)和SOC三個(gè)發(fā)展階段。目前，供應(yīng)鏈管理正朝著高性能、多品種方向發(fā)展。未來的趨勢將是CMOS，低功耗，小體積，高性能，低價(jià)格，外圍電路。目前，如功率表、示波器等智能儀表，在工業(yè)控制、家用電器、各種大型電器等的模塊化應(yīng)用中，都有單片機(jī)的使用。單片機(jī)滲透到我們工作的各個(gè)領(lǐng)域。1.2 研究現(xiàn)狀國外分揀系統(tǒng)起步較早，目前普遍采用自動(dòng)化的分揀系統(tǒng)，在我國分揀系統(tǒng)起步較晚，目前主要采用人工分揀方式。智能分揀系統(tǒng)發(fā)展依賴于機(jī)械設(shè)計(jì)水平的不斷提高，在自動(dòng)分揀系統(tǒng)中4，機(jī)械手爪設(shè)計(jì)科學(xué)性影響系統(tǒng)的正常工作。自動(dòng)分揀系統(tǒng)是二戰(zhàn)后，發(fā)達(dá)國家為了提升運(yùn)送物品效率提出的一種作業(yè)方式，廣泛應(yīng)用于大型商場、快遞行業(yè)。分揀系統(tǒng)適用于大批量的分揀貨物，降低了出錯(cuò)概率。此系統(tǒng)的出現(xiàn)極大的減少了人員使用。隨著技術(shù)的發(fā)展，國外的分揀系統(tǒng)呈現(xiàn)出自動(dòng)化程度越來越高5，精確度越來越高。但是系統(tǒng)一次性投入較大，資本回收較慢，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)對商品外觀要求較高，因此國內(nèi)發(fā)展較慢。而機(jī)械機(jī)械手在國外發(fā)展也較快，由于國外起步較早，其機(jī)床加工水平相對較高，機(jī)械手爪的生產(chǎn)主要使用自動(dòng)化機(jī)械生產(chǎn)，產(chǎn)品工藝水平高，同時(shí)機(jī)械手臂自由度公式的出現(xiàn)，加快了工業(yè)水平的提升，通過理論計(jì)算可以得到機(jī)械手臂的尺寸以及需要多少相關(guān)的模塊678。在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前可以進(jìn)行仿真分析每個(gè)部件受到的力度，優(yōu)化各部分尺寸的設(shè)計(jì)。在國內(nèi)分揀系統(tǒng)起步較晚，目前還是主要采用人工分揀方式。我國的分揀系統(tǒng)集約化程度低。企業(yè)投資一般集中在貨架以及傳送帶等設(shè)備上面。物流體系整體運(yùn)轉(zhuǎn)較低，技術(shù)設(shè)備相對落后。隨著技術(shù)的發(fā)展，我國自動(dòng)分揀系統(tǒng)也在不斷發(fā)展，我國可以自主生產(chǎn)多種自動(dòng)分揀機(jī)，如托盤式翻板式與交叉帶式分揀機(jī)等，主要應(yīng)用于配送中心、郵政、機(jī)場等部門。但精度還需要提高。同時(shí)我國的機(jī)械加工水平不斷提升，我國機(jī)械加工起步較晚，但隨著車床等技術(shù)的引進(jìn)，發(fā)展較快。1.3 本論文的主要方法與研究進(jìn)展本畢業(yè)設(shè)計(jì)論文以生產(chǎn)實(shí)踐中所出現(xiàn)的問題為出發(fā)點(diǎn)， 為了滿足市場化需要，提升我國的自動(dòng)化水平，本文擬研究一款基于單片機(jī)的分揀機(jī)器人。該系統(tǒng)采用傳送結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，傳送帶負(fù)責(zé)將物件傳送等待分揀，紅外檢測到物品到達(dá)時(shí)，單片機(jī)控制伺服電機(jī)抓取物品，放置在對應(yīng)的物品箱。1.4 本論文的工作原理框圖本設(shè)計(jì)采用以單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)抓物的基本動(dòng)作功能，基于紅外技術(shù)的收發(fā)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測機(jī)器抓物的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的工作原理框圖如圖1.4所示。圖1.4 工作原理框圖1.5 本論文的主要內(nèi)容研究伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)區(qū)別，伺服電機(jī)的工作原理，單片機(jī)控制器使用驅(qū)動(dòng)器高精度控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)9，可以實(shí)現(xiàn)水平、垂直兩個(gè)軸的定位控制和機(jī)械手爪的開合控制；（1）手爪運(yùn)行速度可達(dá)3m/s，定位精度不小于0.5mm；（2）要具有較好的人機(jī)接口和安全性措施；（3）控制系統(tǒng)具有與其它計(jì)算機(jī)通訊功能。第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)2.1 單片機(jī)型號的論證與選擇方案一：51單片機(jī)優(yōu)點(diǎn)：STC89C52RC是51單片機(jī)，它的成本低性能高而且支持ISP和IAP技術(shù)。用戶可以在系統(tǒng)板上燒錄自己的程序，修改調(diào)試非常簡單方便。IAP技術(shù)能將內(nèi)部部分EEPROM可以用專用Flash代替使用，保證停電后能保證數(shù)據(jù)不丟失，擦寫次數(shù)可以達(dá)到100000多次，不用外接EEPROM。而且與傳統(tǒng)8051單片機(jī)程序兼容，硬件無需改動(dòng)。缺點(diǎn)：作為8位的單片機(jī)，運(yùn)行速度相對來說比較慢。而且普通的非加強(qiáng)版51單片機(jī)并不帶內(nèi)部時(shí)鐘電路，如果不外接振蕩電路就無法工作，5v的工作環(huán)境相對來說比較耗電。方案二：MSP430單片機(jī)優(yōu)點(diǎn)：使用MSP430系列單片機(jī)。MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器公司生產(chǎn)的一種16位微處理器，使用的是精簡指令集。MSP430單片機(jī)最顯著特點(diǎn)就是超低功耗。微小的電量就能使單片機(jī)正常工作，中央處理器可的工作電壓在1.8V3.3V之間10。缺點(diǎn)：超低功耗使得單片機(jī)只需要3.3v就能工作，但是這也使得很多需要5v才能工作的硬件電路需要外加驅(qū)動(dòng)才能工作，使得硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜化。而且430單片機(jī)不帶片內(nèi)EEPROM，這就使得430單片機(jī)不能執(zhí)行一些特殊指令。430單片機(jī)作為16位單片機(jī)雖然運(yùn)行速度快了一些但是價(jià)格卻高了很多，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中無疑會增加產(chǎn)品的成本。方案三：STM32單片機(jī)優(yōu)點(diǎn)：STM32F1系列屬于32位ARM微控制器中的中低端產(chǎn)品，由意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)， Cortex-M3內(nèi)核?？捎蒄lash的大小可分為小容量、中容量、大容量。芯片集成定時(shí)器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多種功能11。所以STM32單片機(jī)基本具備51和430單片機(jī)的所有優(yōu)點(diǎn)，而且隨著STM32的普及，部分STM32的低端產(chǎn)品甚至比430還要便宜。缺點(diǎn)：基于ARM內(nèi)核的STM32單片機(jī)的價(jià)格也是單片機(jī)中價(jià)格最高的，而且程序編寫復(fù)雜，初學(xué)者不容易看懂。綜上所述，STM32單片機(jī)雖然最強(qiáng)，但是由于其出色的性能與高昂的價(jià)格，使得它并不適用于小型的電子產(chǎn)品的應(yīng)用，430單片機(jī)可以說除了低功耗基本沒有任何優(yōu)點(diǎn)。至于51單片機(jī)，作為年代最早的單片機(jī)，它使用的方式簡單，基本能滿足多種小型電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求，而且它使用和學(xué)習(xí)都十分簡單，比較能被更多人接收。通過對比使用STC89C52RC單片機(jī)。2.2 數(shù)據(jù)顯示模塊的論證與選擇方案一：數(shù)碼管優(yōu)點(diǎn)：數(shù)碼管是由半導(dǎo)體發(fā)光器件組成，主要是由八個(gè)發(fā)光二極管工作。而且數(shù)碼管擁有兩種驅(qū)動(dòng)方式，靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)，但是無論是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)還是靜態(tài)驅(qū)動(dòng)，數(shù)碼管都有高亮度和低功耗的優(yōu)點(diǎn)。而且數(shù)碼管的使用相當(dāng)?shù)暮唵吻覂r(jià)格低廉。缺點(diǎn)：不同位數(shù)的數(shù)碼管的管腳數(shù)不同，位數(shù)越多管腳越多。所有的數(shù)碼管都需要外接驅(qū)動(dòng)電路，焊接比較復(fù)雜而且能顯示的內(nèi)容相當(dāng)有限。方案二：LCD1602優(yōu)點(diǎn)： LCD1602為平面薄型顯示設(shè)備,LCD1602能夠顯示字母、符號和數(shù)字，能夠顯示16*2個(gè)字符，能夠顯示較多信息。而且LCD1602價(jià)格低，體積小，功耗低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的用作各種儀器的顯示器。缺點(diǎn)：1602除了程序上要求復(fù)雜一點(diǎn)基本沒有缺點(diǎn)。方案三：LCD12864優(yōu)點(diǎn)：12864液晶顯示模塊分為有字庫和無字庫兩種，都是由128*64個(gè)點(diǎn)陣構(gòu)成，該模塊可以較多的各種文字?jǐn)?shù)字字符圖案等信息。而且使用較為方便。缺點(diǎn)：該模塊的價(jià)格較高，有字庫的12864在編程是容易出現(xiàn)字符亂碼的現(xiàn)象，處理起來較為麻煩。綜上所述，LCD1602具有很大的優(yōu)勢，但是考慮到實(shí)際的需求，雖然數(shù)碼管的使用硬件設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，但是很多情況下可以直接使用驅(qū)動(dòng)芯片來代替驅(qū)動(dòng)電路，而且在大部分電子產(chǎn)品中液晶LCD1602的使用并不是很普及，比如它顯示的字符特別小，且不可改變，大部分電子產(chǎn)品中使用的都是筆段式液晶，其原理和用法和數(shù)碼管一樣，但是成本卻比數(shù)碼管要高得多，但是這兩種模塊都只能十分局限的顯示數(shù)字字母等信息，無法符合本次設(shè)計(jì)的要求，以本次設(shè)計(jì)選擇了無字庫的LCD12864。2.3 驅(qū)動(dòng)器模塊的論證與選擇方案一：繼電器優(yōu)點(diǎn)：繼電器是在電氣輸出電路中使用的電氣控制裝置，使用較為廣泛，用法簡單。而且根據(jù)不同的要求還分為不同的繼電器，普通的繼電器價(jià)格也十分的低。缺點(diǎn)：繼電器的使用需要外接驅(qū)動(dòng)電路，而且不同的功率的繼電器所需要的驅(qū)動(dòng)的電壓也不同，所以使用繼電器時(shí)要考慮到電源的要求。方案二：可控硅優(yōu)點(diǎn)：使用簡單，無論多大功率的可控硅都只需要高低電平就能驅(qū)動(dòng)，不需要考慮控制端電源的要求。缺點(diǎn)：只適用于交流電。綜上所述：本次設(shè)計(jì)不需要使用大功率電機(jī)，所以普通的繼電器就能工作，所以選擇繼電器。2.4 電磁閥的論證與選擇方案一：直動(dòng)式電磁閥在通電時(shí)電磁力會將關(guān)閉閥門的開關(guān)提起，閥門就打開了，斷電的時(shí)候電磁力消失開關(guān)又開始工作閥門就會關(guān)閉12。優(yōu)點(diǎn)：能在各種環(huán)境下工作。缺點(diǎn)：孔徑太小，用處很局限。方案二：先導(dǎo)式電磁閥在通電的時(shí)候電磁力會先把導(dǎo)孔打開，這樣會使上腔的壓力下降，在關(guān)閉開關(guān)周圍形成壓差，流體產(chǎn)生的壓力毀推動(dòng)開關(guān)向上移動(dòng)，閥門開啟。同樣斷電，閥門關(guān)閉13。優(yōu)點(diǎn)：可以通過定制隨意安裝。缺點(diǎn)：工作時(shí)有流體壓差的限制。綜上所述，作為機(jī)械手，需要滿足任意性，有力度限制，所以選擇先導(dǎo)式電磁閥。2.5 總體的方案比較與選擇該設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)主要利用直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)在平面上運(yùn)動(dòng)，數(shù)字金屬舵機(jī)構(gòu)成機(jī)械手抓取物體。利用按鍵控制裝置到達(dá)指定位置，再由機(jī)械手抓取物體，再將物體送往指定位置，從而實(shí)現(xiàn)物體的分揀。13主控芯片選擇較多，有常見的AVR、STC、ARDUINO 等。根據(jù)之前學(xué)過的課程，我們決定采用stc系列的STC89c5A60S2增強(qiáng)型單片機(jī)作為主控芯片。之所以不選89C52等芯片，不是因?yàn)樗麄兊倪\(yùn)算速度不夠，主要原因是它們的片上flash太小，難以滿足需求，其次是因?yàn)樽约河虚e置的STC89C5A60S2，片上內(nèi)存大，運(yùn)算速度1T，即充分利用資源節(jié)省成本，又可以實(shí)現(xiàn)所需要的功能需求。最后就是附屬配件 usb轉(zhuǎn)ttl串口的stc下載線。選擇采用cp2102作為usb轉(zhuǎn)串口芯片方案，下載STC單片機(jī)完勝PL2303方案，最高下載速度可達(dá)115200波特率。第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1 STC89C52RC單片機(jī)模塊 3.1.1 中央處理單元CPU的介紹STC89C52RC單片機(jī)是宏晶科技推出一款超低功耗、抗干擾、高速的單片機(jī)。STC89C52RC單片機(jī)選用8051核的ISP在系統(tǒng)可編程芯片。它具有結(jié)構(gòu)簡單，易于開發(fā)和價(jià)格便宜等特點(diǎn)。STC89C52RC單片機(jī)有兩種工作電壓，一種是2.0V-3.8V,即3V電壓單片機(jī)，另一種是3.4V-5.5V,即5V電壓單片機(jī)，本設(shè)計(jì)選用5V電壓單片機(jī)。 STC89C52RC單片機(jī)具有很寬廣的工作溫度范圍，工業(yè)級的單片機(jī)能夠工作在-40至85的環(huán)境里，商業(yè)級的單片機(jī)能夠工作在0至75的環(huán)境里。STC89C52RC單片機(jī)的工作頻率最大能夠達(dá)到48MHz，這樣它就能夠以飛快的速度去處理相關(guān)數(shù)據(jù)。STC89C52RC單片機(jī)內(nèi)部擁有專用復(fù)位電路，當(dāng)外部晶體頻率在20MHz以下時(shí)，可以省去外部的復(fù)位電路。STC89C52RC單片機(jī)是一種低功耗、抗干擾性強(qiáng)、速度快的單片機(jī)。STC89C52RC單片機(jī)在系統(tǒng)可編程芯片上使用8051核isp。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，開發(fā)簡單，價(jià)格低廉。STC89C52RC微控制器有兩種工作電壓，一種是2.0 V到3.8 V，即三V電壓單片微機(jī)，另一種是3.4 V到3.4 V，5 V電壓單芯片微機(jī)，這種設(shè)計(jì)選擇5伏電壓單片機(jī)。STC89C52RC單片機(jī)具有廣泛的工作溫度范圍，工業(yè)級MCU可在40到85的環(huán)境中工作，在0到75的環(huán)境中，單片微型計(jì)算機(jī)的商業(yè)水平可以工作。STC89C52RC單片機(jī)的工作效率最高為48MHz，因此它可以以快速的速度處理相關(guān)數(shù)據(jù)。STC89C52RC單片機(jī)有一個(gè)專用的復(fù)位電路，當(dāng)外部的晶體頻率低于20MHz時(shí)，它可以保存外部復(fù)位電路 3.1.2 STC89C52RC單片機(jī)的特點(diǎn)1.512字節(jié)的RAM;2.eepm功能;3.兩個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;4.看門狗;5.有一個(gè)程序系列的UART通道;6.六個(gè)中斷;7.低功耗模式;8.有三個(gè)級別的加密內(nèi)存圖3.1.2 STC89C52RC的管腳圖3.2 復(fù)位電路模塊當(dāng)系統(tǒng)接入5V電源時(shí)時(shí)，STC89C52RC單片機(jī)開始復(fù)位，如圖3.3所示復(fù)位電路模塊電路原理圖。圖3.2 復(fù)位電路模塊電路原理圖3.3 振蕩電路模塊此次設(shè)計(jì)選用的是11.0592MHz的晶振和30pF的電容，那么STC89C52RC單片機(jī)的工作周期是11.0592MHz(1/11.0592MHz)=1us。如圖3.3所示的最小時(shí)鐘振蕩電路原理圖。圖3.3 振蕩電路模塊3.4 LCD12864液晶顯示器模塊本設(shè)計(jì)使用LCD2864液晶顯示作為觀察正在執(zhí)行的功能。如圖3.4所示為LCD12864液晶顯示器電路原理圖。圖3.4 LCD12864液晶顯示器模塊電路原理圖3.5 繼電器驅(qū)動(dòng)電路當(dāng)認(rèn)為按下啟動(dòng)按鍵時(shí)，單片機(jī)開始工作，給繼電器發(fā)送指令。因?yàn)镾TC89C52RC單片機(jī)端口輸出的電流比較低，所以加一個(gè)三極管以增大功率，驅(qū)動(dòng)繼電器正常工作。如圖3.5所示的繼電器電路原理圖。圖3.5 繼電器驅(qū)動(dòng)模塊電路原理圖3.6 8255電機(jī)驅(qū)動(dòng)DRV8255可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)二項(xiàng)四線步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，與8-45v輸入電壓，最大電流為1.7a，經(jīng)得起2.5a的瞬時(shí)電壓通過PWM輸入驅(qū)動(dòng)?？梢詀vref / bvref調(diào)整電機(jī)繞組電流的電阻，電流應(yīng)大小的電機(jī)額定電流；通過模型/模型/模式，三角配置細(xì)分驅(qū)動(dòng)模式，您可以配置2 / 4 / 8 / 16 / 32細(xì)分。nhome腳，從電源，電機(jī)轉(zhuǎn)了45度的位置，nhome引腳會輸出一個(gè)低電平。如圖3.6.圖3.6 8255連接電路3.7 外部定時(shí)器此次8253作為定時(shí)器執(zhí)行復(fù)雜的電機(jī)控制器。 1數(shù)據(jù)母線緩沖器這個(gè)三態(tài)、雙向和八位的緩沖器用于將8253與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線連接起來。CPU執(zhí)行輸入輸出指令時(shí)緩沖器就發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)總線緩沖器有三個(gè)基本功能： 通過編程確定8253的工作方式；向計(jì)數(shù)寄存器裝入數(shù)據(jù)；讀出計(jì)數(shù)值。 2讀寫邏輯讀寫邏輯接受來自系統(tǒng)總線的輸入，然后產(chǎn)生控制整個(gè)器件工作的控制信號。由CS信號來允許或禁止讀寫邏輯的工作，因此除非該器件被系統(tǒng)邏輯選中，否則不會發(fā)生改變其功能的操作。 3RD（讀）這個(gè)輸入端上的低電平信號告知8253，CPU正在輸入計(jì)數(shù)值。4WR（寫）這個(gè)輸入端上的低電平信號告訴8253，CPU正在輸出工作方式信息或向計(jì)數(shù)器裝入數(shù)據(jù)。5.A0A1這兩個(gè)輸入端通常連接到地址總線上。其作用是選擇三個(gè)計(jì)數(shù)器中的一個(gè)以及選擇控制字寄存器以便選擇工作方式。6CS（選片）這個(gè)輸入端上的低電平信號將啟用8253。除非器件被選中，否則不會發(fā)生讀或?qū)懖僮?。CS輸入信號對計(jì)數(shù)器的實(shí)際操作沒有影響8253內(nèi)部擁有三個(gè)獨(dú)立但是結(jié)構(gòu)和功能全部相同的定時(shí)器。本次設(shè)計(jì)使用到了兩個(gè)8253，連接方式如圖3.7。圖3.7 8253連接圖3.8 下載電路本次設(shè)計(jì)使用到了CH340芯片下載，因?yàn)楝F(xiàn)在的筆記本電腦都沒有了并口通信接口，而用了CH340就可以實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口，電腦上裝上驅(qū)動(dòng)后就可以下載數(shù)據(jù)，接線方式如圖3.8圖所示.圖3.8 CH340下載電路第四章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1程序流程圖程序采用了順序結(jié)構(gòu)，流程圖如下：4.2塊初始化函數(shù)4.2.1定時(shí)器初始化和pwm的模擬本方案中定時(shí)器采用的是8253定時(shí)器，該定時(shí)器有六種工作方式，我們需要定時(shí)功能。8253的片選端是用來控制定時(shí)器工作方式的端口。該端口連接至單片機(jī)io口。只需要設(shè)置對應(yīng)端口的電平就可以設(shè)置定時(shí)器的工作方式。定時(shí)器的作用是用來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間。由于存在著電機(jī)這種設(shè)備，所以需要使用pwm進(jìn)行調(diào)速。但是51單片機(jī)并不能直接輸出pwm，所以本設(shè)計(jì)中通過軟件模擬的方法產(chǎn)生pwm。軟件模擬主要利用定時(shí)器的定時(shí)中斷功能。本設(shè)計(jì)采用的是51單片機(jī)，51單片機(jī)內(nèi)部有兩個(gè)定時(shí)器，分別是T0和T1，T0和T1是兩個(gè)完全一樣的16位定時(shí)器。定時(shí)器的作用主要就是定時(shí)，在51單片機(jī)中定時(shí)器的工作方式是以中斷的方式進(jìn)行的。設(shè)定一個(gè)定時(shí)時(shí)間當(dāng)定時(shí)器定時(shí)達(dá)到定時(shí)時(shí)間后，就會進(jìn)入定時(shí)器中斷。在中斷中可以處理相關(guān)的事件。在本設(shè)計(jì)中定時(shí)器中斷的作用是用來模擬產(chǎn)生pwm的。由于51單片機(jī)內(nèi)部不帶硬件pwm，所以需要模擬。模擬的思路是通過定時(shí)器設(shè)定時(shí)間來控制脈沖的寬度，其控制思路如下圖所示：上述流程圖是定時(shí)器模擬產(chǎn)生pwm的步驟，定時(shí)器設(shè)定的定時(shí)時(shí)間為1ms，也就是說，定時(shí)時(shí)間到了1ms定時(shí)器就會進(jìn)入中斷，在初始化時(shí)，要首先設(shè)置好單片機(jī)的工作方式，設(shè)置單片機(jī)的工作方式為方式1，定時(shí)時(shí)間設(shè)為1ms，通過往寄存器TH和TL中裝入初始值實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)時(shí)間的調(diào)節(jié)。定時(shí)時(shí)間到1ms時(shí)，程序會自動(dòng)進(jìn)入中斷。在中斷服務(wù)程序中可以執(zhí)行相關(guān)的任務(wù)代碼。也就是說程序會每隔1ms就會進(jìn)入一次中斷，就會有一個(gè)較為準(zhǔn)確的周期性。在中斷中主要進(jìn)行的是按鍵的處理和pwm的模擬，按鍵的處理將在后續(xù)章節(jié)中介紹。PWM如下圖所示：圖4.2.1 PWM圖在上圖中，可以看到pwm是一個(gè)方波。占空比是t/T,要讓單片機(jī)的管腳輸出這個(gè)占空比，只有通過定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)。首先假設(shè)要輸出的pwm頻率為100hz，也就是周期T為10ms。在上面已經(jīng)提到設(shè)置單片機(jī)的定時(shí)時(shí)間為1ms，也就是每個(gè)1ms會執(zhí)行一次中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序里設(shè)一個(gè)變量flag，每進(jìn)一次中斷這個(gè)變量就會自增一次，那么變量自增的次數(shù)就可以用來表示時(shí)間，每加一次就是過來1ms。利用這個(gè)時(shí)間變量就可以設(shè)置單片機(jī)輸出的PWM了。假設(shè)現(xiàn)在要設(shè)置的占空比是百分之30.那么就是說整個(gè)周期中，高電平時(shí)間占整個(gè)周期的百分之30.也就是3ms。在程序中是通過判斷定時(shí)變量實(shí)現(xiàn)的，在第一次進(jìn)入中斷時(shí)，設(shè)置單片機(jī)的一個(gè)io口輸出低電平。當(dāng)?shù)谄叽芜M(jìn)入中斷時(shí)，此時(shí)正好是7ms?？刂七@個(gè)單片機(jī)的io口輸出電平翻轉(zhuǎn)，輸出高電平。當(dāng)?shù)谑芜M(jìn)入中斷的時(shí)候，此時(shí)是第10ms，控制這個(gè)io口再次輸出低電平，如此反復(fù)，就可以模擬出占空比為百分之30的pwm了。程序代碼如下：void timer0( ) interrupt 1 /定時(shí)器0工作方式1 TH0=0xff; /重裝計(jì)數(shù)初值 TL0=0x38; /重裝計(jì)數(shù)初值 b+; get_key();/按鍵查詢 if(p10=0) delay(10); /延時(shí)消抖，按鍵消抖 if(p10=0) p00=0;p02=p01=p03=1;/前進(jìn) list_write_HZ_Str(6,20,qianjin); if(p11=0) delay(10); if(p11=0) p01=0;p02=p00=p03=1; list_write_HZ_Str(6,20,houtui );/后退 if(p12=0) delay(10); if(p12=0) p02=0;p00=p01=p03=1; list_write_HZ_Str(6,20,zuo ); /左邊 if(p13=0) delay(10); if(p13=0) p03=0;p00=p01=p02=1; /右邊運(yùn)動(dòng) list_write_HZ_Str(6,20,you ); if(p14=0) delay(10); if(p14=0) p00=p02=p01=p03=1; list_write_HZ_Str(6,20,停止 ); if (key_up=1) if(X!=15)/判斷是否計(jì)數(shù)到9999 X=X+1;/加一 key_up=0; if (key_down=1) if(X!=2)/判斷是否計(jì)數(shù)到0 X=X-1;/減一 key_down=0; 4.1.2 12864液晶的初始化12864是一個(gè)帶字符庫的液晶，可以顯示128*64個(gè)點(diǎn)。12864液晶需要通過軟件寫入命令和數(shù)據(jù)才可以顯示出字符。在初始化時(shí)首先需要寫入命令，讓12864液晶進(jìn)入顯示狀態(tài)。設(shè)定顯示地址。指令是根據(jù)12864液晶的數(shù)據(jù)手冊編寫的。12864液晶的初始化流程如下：程序代碼如下：/*寫指令代碼*/void wcode(uchar cd) /寫指令 代碼 chkbusy(); /寫等待 P2=0xff; /使能LCD RW=0; /讀禁止 RS=0; /輸出 設(shè)置 P2=cd; /寫數(shù)據(jù)代碼 E=1; /以下兩句產(chǎn)生下降沿 E=0; /*把顯示數(shù)據(jù)寫到內(nèi)存單元中 */void wdata(uchar dat) /寫顯示數(shù)據(jù) chkbusy(); /寫等待 P2=0xff; /使能LCD RW=0; /讀禁止 RS=1; /輸出 設(shè)置 P2=dat 0xFF; /寫數(shù)據(jù)代碼 E=1; /以下兩句產(chǎn)生下降沿 E=0; /*顯示LCD程序*/void disrow(uchar page,uchar col,uchar *temp) uchar i; if(col64) / 左半平面 L=1;R=0;wcode(LCDPAGE+page); / 寫指令 頁 wcode(LCDLINE+col); /寫指令行 if(col+16)64) /如果字在左半平面顯示不了，轉(zhuǎn)到右半平面去 for(i=0;i16;i+) /寫字 wdata(*(temp+i); else /右半平面 for(i=0;i64-col;i+) /減去左邊數(shù)，從右半平面第一位開始顯示 wdata(*(temp+i); /寫字顯示 L=0;R=1; /右半平面 wcode(LCDPAGE+page); / 寫指令頁 wcode(LCDLINE); /寫指令行 for(i=64-col;i16;i+) /寫字右半平面 wdata(*(temp+i); else L=0;R=1; wcode(LCDPAGE+page); / 寫指令 頁 wcode(LCDLINE+col-64); /寫指令行 for(i=0;i16;i+) /寫字 wdata(*(temp+i); /*供調(diào)用 *子程序 */void display( int page, int col,uchar *temp) disrow( page, col, temp); /顯示上半字 disrow( page+1, col, temp+16); /顯示下半字 void disrow_ascii(uchar page,uchar col,uchar *temp) uchar i; if(col64) / 左半平面 L=1;R=0;wcode(LCDPAGE+page); / 寫指令 頁 wcode(LCDLINE+col); /寫指令行 if(col+8)64) /如果字在左半平面顯示不了，轉(zhuǎn)到右半平面去 for(i=0;i8;i+) /寫字 wdata(*(temp+i); else /右半平面 for(i=0;i64-col;i+)/減去左邊數(shù)，從右半平面第一位開始顯示 wdata(*(temp+i); /寫字顯示 L=0;R=1; /右半平面 wcode(LCDPAGE+page); / 寫指令頁 wcode(LCDLINE); /寫指令行 for(i=64-col;i8;i+) /寫字右半平面 wdata(*(temp+i); else L=0;R=1; wcode(LCDPAGE+page); / 寫指令 頁 wcode(LCDLINE+col-64); /寫指令行 for(i=0;i8;i+) /寫字 wdata(*(temp+i); void display_ascII( int page, int col,uchar *temp) disrow_ascii( page, col, temp); /顯示上半字 disrow_ascii( page+1, col, temp+8); /顯示下半字 /*LCD初始化 * /void iniLCD(void) /初始化 L=1; R=1; wcode(0x38); wcode(0x0f); /開顯示 設(shè)置 wcode(0xc0); /設(shè)置顯示啟動(dòng)為第一行 wcode(0x01); /清屏 wcode(0x06); /畫面不動(dòng)，光標(biāo)右移。 list_write_HZ_Str(0,18,電子科技); list_write_HZ_Str(3,18,前進(jìn)); list_write_HZ_Str(6,20,停止); 4.2 按鍵檢測程序按鍵檢測程序是整個(gè)系統(tǒng)中人機(jī)交模塊的重要組成部分。按鍵起著輸入?yún)?shù)的作用。按鍵檢測的原理是掃描法。當(dāng)按鍵被按下時(shí)，按鍵連接著單片機(jī)的IO口就會被拉到地，此時(shí)，單片機(jī)io電平就會由高電平變成低電平。程序就是掃描這個(gè)電平的變化來檢測按鍵的狀態(tài)的。一旦檢測到某個(gè)引腳被拉低，就會進(jìn)行相應(yīng)的按鍵處理。在按鍵處理過程中需要有一些問題需要注意。其中最重要的就是按鍵的消抖問題。 按鍵的消抖是按鍵處理過程中不可避免的一環(huán) ，按鍵的抖動(dòng)，就是按鍵在按下過程中，按鍵的觸點(diǎn)之間的接觸并不是理想的直接接觸的，而是有一個(gè)抖動(dòng)的過程。在松開按鍵的過程中，也會有一個(gè)抖動(dòng)的過程，具體如下圖所示：圖4.2 按鍵消抖過程圖在上圖中，理想的按鍵檢測波形，是一個(gè)沒有任何毛刺的波形，按鍵一按下就會接觸，一松開就會立馬分離。但是在實(shí)際中，按鍵是由機(jī)械結(jié)構(gòu)制作的，都會有一定的彈性。所以觸點(diǎn)在分合時(shí)都會有圖中的抖動(dòng)現(xiàn)象。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)，人手按下按鍵的時(shí)間大約在20ms。按下時(shí)的抖動(dòng)時(shí)間大約在5ms，松手時(shí)抖動(dòng)也是5ms。如果不消除這段抖動(dòng)，那么程序就會檢測到按鍵按下了多次。實(shí)際上并沒有按下多次，只是按下了一次。 按鍵的消抖方法主要由硬件法和軟件法兩種。硬件消抖的方法主要是用濾波電路實(shí)現(xiàn)。在本設(shè)計(jì)中使用的是軟甲消抖的方法。軟件消抖使用的是延時(shí)的策略，由于按鍵按下時(shí)，抖動(dòng)的時(shí)間只有5ms，只要能夠在這段時(shí)間內(nèi)不檢測按鍵的狀態(tài)，只在按鍵穩(wěn)定接觸的那段時(shí)間內(nèi)檢測，就可以消除抖動(dòng)的影響。所以只要檢測到按鍵按下，就立馬進(jìn)行延時(shí)，延時(shí)時(shí)間為5ms。再檢測按鍵的狀態(tài)，就可以保證檢測到的是穩(wěn)定的狀態(tài)。在檢測到按鍵按下時(shí)，需要等待按鍵松手，此就使用while函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)按鍵的端口一直是低電平時(shí)，就一直循環(huán)，等待松手，松手時(shí)按鍵是從低電平跳變到高電平。然后執(zhí)行相關(guān)按鍵的處理任務(wù)。由于在松手時(shí)，按鍵也會有一個(gè)抖動(dòng)，如果不對這個(gè)按鍵抖動(dòng)進(jìn)行處理，那程序也會多次檢測到按鍵按下。這個(gè)時(shí)刻的按鍵處理也是使用延時(shí)的方法實(shí)現(xiàn)的。按鍵檢測的流程圖如下：按鍵控制程序如下：if (key_up=1) if(X!=15) /判斷是否計(jì)數(shù)到9999 X=X+1; /加一 key_up=0; if (key_down=1) if(X!=2) /判斷是否計(jì)數(shù)到0 X=X-1; /減一 key_down=0; 4.3電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)控制程序4.3.1電機(jī)控制方法簡介電機(jī)控制采用的是電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制。單片機(jī)對電機(jī)的控制采用的是使能和pwm法。電機(jī)驅(qū)動(dòng)每個(gè)通道有一個(gè)使能端。兩個(gè)使能端如果給的是相同狀態(tài)的電平，那么電機(jī)就不會轉(zhuǎn)動(dòng)。如果兩個(gè)使能端電平狀態(tài)不同電機(jī)就會轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和兩個(gè)電平的狀態(tài)有關(guān)?？刂苾蓚€(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向就是通過控制每個(gè)電機(jī)的使能端來實(shí)現(xiàn)的。電機(jī)運(yùn)行速度的判定采用的是pwm的方法。使能端的信號以pwm的方式輸入進(jìn)去。就可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 4.3.2電機(jī)速度控制策略 由于要使電機(jī)能夠穩(wěn)定的在3m/s的狀態(tài)下運(yùn)行，所以需要對電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行測速。電機(jī)的測速是通過測量電機(jī)的脈沖數(shù)進(jìn)行的。電機(jī)采用的是光耦測速。每轉(zhuǎn)一圈光耦輸出兩個(gè)脈沖數(shù)。在設(shè)計(jì)中采用的電機(jī)是傳送帶傳輸?shù)姆绞?，電機(jī)主動(dòng)傳動(dòng)飛輪采用的是直徑為20cm的圓盤。要想保證機(jī)械手每秒運(yùn)行3m，即相當(dāng)于電機(jī)每秒要轉(zhuǎn)4.77圈。也就是電機(jī)每秒輸出的脈沖數(shù)至少要有9.55個(gè)脈沖。由于不存在9.55個(gè)脈沖數(shù)的情況，所以要求電機(jī)測速機(jī)構(gòu)每秒中要輸出10個(gè)脈沖。所以程序里需要對電機(jī)的速度進(jìn)控制。電機(jī)各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)速度之間的對應(yīng)關(guān)系如下表：電機(jī)輸出脈沖數(shù)(HZ)電機(jī)轉(zhuǎn)速（R/S）機(jī)械手移動(dòng)速度(M/S)210.628表1 電機(jī)各傳動(dòng)機(jī)構(gòu)速度之間的對應(yīng)關(guān)系表在上表中可以發(fā)現(xiàn)電機(jī)每秒輸出1個(gè)脈沖，機(jī)械手移動(dòng)速度是0.314m/s。要想機(jī)械手移動(dòng)速度在3m/s以上，就需要電機(jī)每秒輸出10個(gè)脈沖數(shù)以上。所以在程序中要實(shí)時(shí)監(jiān)控電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于所采用的51單片機(jī)內(nèi)部沒有輸入捕獲模塊，需要通過軟件來計(jì)算輸入的脈沖頻率。脈沖頻率的獲取方法是依靠定時(shí)器和單片機(jī)的外部中斷實(shí)現(xiàn)的，51單片機(jī)的外部中斷引腳只要輸入一個(gè)跳變的波形，就會觸發(fā)一個(gè)中斷。觸發(fā)中斷后會進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)，在中斷服務(wù)函數(shù)里開啟定時(shí)器，連續(xù)計(jì)數(shù)到10個(gè)脈沖，說明電機(jī)轉(zhuǎn)了5圈，記到第五圈時(shí)就停止定時(shí)器定時(shí)。此時(shí)將10個(gè)脈沖除以這段時(shí)間內(nèi)的時(shí)間就是頻率。因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)一圈輸出的是兩個(gè)脈沖。所以再將這個(gè)頻率除以2就是得到了電機(jī)的轉(zhuǎn)速。檢測到電機(jī)的實(shí)時(shí)速度后，需要換算成機(jī)械手的移動(dòng)速度，在上標(biāo)中，已經(jīng)提到了電機(jī)轉(zhuǎn)速和機(jī)械手移動(dòng)速度之間的關(guān)系根據(jù)表格的關(guān)系，至少要保證電機(jī)每秒輸出的脈沖數(shù)在10個(gè)以上。當(dāng)檢測到電機(jī)轉(zhuǎn)速低于是個(gè)脈沖每秒的時(shí)候，就增大占空比，提高電