本科畢業(yè)論文-基于單片機的多自由度機械手臂控制器設(shè)計

1、唐 山 學(xué) 院畢 業(yè) 設(shè) 計設(shè)計題目：基于單片機的多自由度機械手臂控制器設(shè)計 系 別： 信息工程系 班 級： 11電氣工程及其自動化3班 姓 名： 劉亮 指 導(dǎo) 教 師： 田紅霞 2015年6月1日基于單片機的多自由度機械手臂控制器設(shè)計摘 要機械臂控制器作為機械臂的大腦，對于它的研究有著十分重要的意義。隨著微電子技術(shù)和控制方法的不斷進步，以單片機作為控制器的控制系統(tǒng)越來越成熟。本課題正是基于單片機的機械臂控制系統(tǒng)的研究。本文首先介紹了國內(nèi)外機械臂發(fā)展狀況以及控制系統(tǒng)的發(fā)展狀況。其次，闡述了四自由度機械手臂控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計及軟件實現(xiàn)。詳細闡述了機械臂控制系統(tǒng)中單片機及其外圍電路設(shè)計、電源電

2、路設(shè)計和舵機驅(qū)動電路設(shè)計。在程序設(shè)計中，著重介紹了利用微分插補法進行PWM調(diào)速的程序設(shè)計。并給出了控制器軟件設(shè)計及流程圖。最后，給出了系統(tǒng)調(diào)試中出現(xiàn)的軟硬件問題，進行了詳細的分析并給出了相應(yīng)的解決辦法。關(guān)鍵詞：機械臂 單片機 自由度 舵機 PWMDesign of Multi DOF Manipulator Controller Based on MCUAbstractAs the brain of robot arm, manipulator controller is very important for its research.With the development of micro

3、electronics technology and control method, the control system of MCU is becoming more and more mature.This thesis is based on the research of the manipulator control system of MCU.Firstly,it is introduced the development of the manipulator and the control system at home and abroad.Secondly,it is giv

4、en the circuit and software design for the four DOF manipulator in this disertation.it is expatiated the Single Chip Microcomputer(SCM),the relative circuit design ,Power circuit design,and driver circuit design of manipulator control system.In the design of the program, the design of PWM speed regu

5、lation by differential interpolation is introduced emphatically. The software design and flow chart of the controller are given.Finally,it is presented the problems of hardware and software in practive given resolves.Key word: Manipulator;MCU;DOF;Steering engine;PWM目 錄1引言11.1研究的背景和意義11.2國內(nèi)外機械臂研究現(xiàn)狀21

6、.2.1國外機械臂研究現(xiàn)狀21.2.2國內(nèi)機械臂研究現(xiàn)狀31.3機械臂控制器的發(fā)展現(xiàn)狀31.4本設(shè)計研究的任務(wù)42機械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)概述52.1機械結(jié)構(gòu)52.2控制系統(tǒng)62.3系統(tǒng)功能介紹82.4舵機工作原理與控制方法82.4.1概述82.4.2舵機的組成82.4.3舵機工作原理93系統(tǒng)硬件電路設(shè)計113.1時鐘電路設(shè)計113.2復(fù)位電路設(shè)計113.3控制器電源電路設(shè)計123.4舵機驅(qū)動電路133.5串口通信電路設(shè)計134系統(tǒng)軟件設(shè)計144.1四自由機械臂軌跡規(guī)劃154.2主程序設(shè)計164.3舵機調(diào)速程序設(shè)計174.3.1舵機PWM信號174.3.2利用微分插補法實現(xiàn)對多路PWM信號的輸出18

7、4.4初末位置置換子程序214.5機械爪控制程序224.6定時器中斷子程序234.6.1定時器T1中斷程序234.6.2定時器T0中斷子程序245系統(tǒng)軟硬件調(diào)試255.1單片機系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試工具255.1.1編程器255.1.2集成開發(fā)環(huán)境Keil和Protues255.2控制系統(tǒng)的仿真265.3軟件調(diào)試275.4硬件調(diào)試275.5軟硬件聯(lián)合調(diào)試286結(jié)論29謝辭30參考文獻31附錄32唐 山 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計1引言1.1研究的背景和意義機器人是傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)學(xué)結(jié)合現(xiàn)代電子技術(shù)、電機學(xué)、計算機科學(xué)、控制理論、信息科學(xué)和傳感器技術(shù)等多學(xué)科綜合性高新技術(shù)產(chǎn)物,它是一種擬生結(jié)構(gòu)、高速運行、重復(fù)操

8、作和高精度機電一體化的自動化設(shè)備。在研究和開發(fā)未知及不確定環(huán)境下作業(yè)的機器人的過程中，人們逐步認識到機器人技術(shù)的本質(zhì)是感知、決策、行動和交互技術(shù)的結(jié)合1。隨著科技的不斷進步尤其控制理論、材料學(xué)和傳動結(jié)構(gòu)學(xué)的發(fā)展以及制造工藝的進步，推動著機器人技術(shù)大跨步的向前發(fā)展。目前，各個領(lǐng)域的都有其專有的機器人為其服務(wù)，如移動機器人、微機器人、水下機器人、醫(yī)療機器人、軍用機器人、空中空間機器人、娛樂機器人等2。當今各領(lǐng)域的制造行業(yè)都有其自動化流水線，例如，汽車自動化生產(chǎn)流水線就主要由工業(yè)機器人組成。機器人與其他相應(yīng)的制造設(shè)備的最大的優(yōu)點是，其對生產(chǎn)環(huán)境有著極大的適應(yīng)性和對各種任務(wù)的拓展性。目前工業(yè)機器人已和

9、最初的仿人型機器人有著很大的區(qū)別，更加符合各種不同生產(chǎn)制造領(lǐng)域的特殊要求，其中，目前，大多數(shù)工業(yè)機器人的形狀類似人的手臂，能模擬人的手臂的部分動作,按預(yù)定的程序軌跡及其它要求,實現(xiàn)抓取、搬運工作或操縱工具的自動化裝置3。它們通常用于代替人的繁重勞動以解決人的生存，生產(chǎn)的難題，實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化,能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全,因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工業(yè)和原子能等行業(yè)4。近年來工業(yè)機器人在工廠自動化改革中發(fā)揮著巨大的作用，代替人處理一些重復(fù)性、精密性、高工作負荷的工作，大大加快了生產(chǎn)效率，縮減了生產(chǎn)周期。如汽車自動化生產(chǎn)線中的機器人的無縫焊接，鋼廠里的鋼材分揀機器人的搬運

10、打捆，都用到了工業(yè)機器人（機械臂）。各生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)Ｓ械臋C器人能夠使生產(chǎn)效率更高,降低損失，節(jié)約成本。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，當前的工業(yè)機械手臂的結(jié)構(gòu)更加的簡單，大多數(shù)為模塊化的，因此,能夠做到易于維護、容易擴展到更多的自由度,并且其動作能夠具有較高的靈活性。對于機械手臂的控制器設(shè)計,希望使用復(fù)雜高效的控制算法使機械手臂實現(xiàn)更高的控制性能，更精確的定位精度。并希望其控制擁有較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性并有較強的可擴展性。1.2國內(nèi)外機械臂研究現(xiàn)狀1.2.1國外機械臂研究現(xiàn)狀世界上第一臺工業(yè)機器人（機械手臂）誕生在美國，1954年美國人喬治·德沃爾研制了世界上第一臺可編程機器人樣機。從第一臺機械手臂誕生

11、以來的60多年里，人類對機械手臂的熱情不但沒有絲毫減弱，反而越來越多的人投入到機械臂的研究和制造中。1969年，世界上第一條自動化汽車生產(chǎn)線由美國通用汽車公司用21臺工業(yè)機器人組成。美國憑借其機器人技術(shù)全面、先進、適應(yīng)性強在國際上仍一直處于領(lǐng)先地位。日本在1967年，由豐田紡織自動化公司從美國引入第一臺工業(yè)機器人，開始了日本的工業(yè)機器人發(fā)展時代。1976年以后，隨著微電子的快速發(fā)展和市場需求急劇增加，日本當時經(jīng)濟增長迅速，勞動力顯著不足，工業(yè)機器人的出現(xiàn)使企業(yè)猶如獲得了救命稻草，使其日本工業(yè)機器人得到快速發(fā)展。日本現(xiàn)有的工業(yè)機器人保有量位居世界第一，素有“機器人王國”之稱5。工業(yè)機器人在歐洲的

12、發(fā)展也非常快，1973年ABB公司研制的IRB6機器人，是世界上第一臺全自動微型處理器控制的機器人。同年庫卡機器人也推出了自己的第一臺機器人FAMULUS，它是第一個由6個電機驅(qū)動的關(guān)節(jié)機器人。大多數(shù)歐洲國家政府比較重視工業(yè)機器人的發(fā)展，比如法國規(guī)定，對于一些危險、有毒、有害的工作崗位，必須以機器人來代替普通人的勞動。德國由于其先進的工業(yè)體系，政府通過大力支持一系列研究計劃，建立了一個完整的工業(yè)機器人科學(xué)技術(shù)體系，使德國機器人技術(shù)一直處于領(lǐng)先的地位。近些年，意大利、瑞典、英國、俄羅斯、烏克蘭等國家由于自身國內(nèi)機器人市場的巨大需求和國際上機器人市場的激烈競爭，發(fā)展速度也非常迅速。目前，世界上工業(yè)

13、機器人生產(chǎn)廠家主要集中在日本和歐美。日系生產(chǎn)廠家組要有三菱、發(fā)那科、松下、川崎、安川等。歐系中具有代表性的有，瑞典的ABB、德國的KUKA、美國的Adept、意大利的COMAU及奧地利的IGM公司。下面以KUKA最新研制的小型機器人KR 6 R700 fivve為代表介紹當前工業(yè)機器人的最新技術(shù)， KR AGILUS fivve 是一個五自由度的機械臂，它的特點是極高的作業(yè)速度和極高的精確度。因為它的體積小，占用空間很小，可選擇安裝地面、天花板等位置，因此 KR AGILUS fivve 的安裝適用能力極高。KR AGILUS fivve的重量48kg，最大負荷是6kg，最大工作半徑是7067

14、mm,重復(fù)精確度為0.03mm,可見其精確度極高，可以應(yīng)付的工藝流程很多。其控制系統(tǒng)是KUKA公司最新研究的KR C4 COMPACT，只是一種更高效、更穩(wěn)定、更靈活且更智能化的控制系統(tǒng)。靈活的結(jié)構(gòu)設(shè)計和由此產(chǎn)生的可擴展性令其成為一款全能型控制系統(tǒng)。按照目前的發(fā)展趨勢國外機械手今后將大力研制具有某種智能的機械手，例如，觸覺交互技術(shù)的加入。1.2.2國內(nèi)機械臂研究現(xiàn)狀在古代的中國就有類似于現(xiàn)代的某些機器人的設(shè)備，例如，諸葛亮研制的木牛流馬，魯班造的木車。當前在我國，現(xiàn)代機械臂的研究最早開始于上世紀70年代。1972，上海成功的研制了我國的第一臺機械手臂，隨之各地都有相應(yīng)的研制計劃研制基地，各重點

15、高校陸續(xù)的開展的相關(guān)的專業(yè)和課程，今天我國的機械手臂應(yīng)用已達到空前的高度。我國政府從七五規(guī)劃開始，大力發(fā)展機器人技術(shù)，制定了大量的相關(guān)鼓勵政策并且為此投入大量的科研資金。隨后各地自動化研究所和相關(guān)企業(yè)開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機器人，有由北京機電一體化研究所研制的焊接機器人，哈爾濱機床廠和哈工大聯(lián)合制造的噴涂機器人，大連自動化研究所設(shè)計制造的擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的氬弧焊機器人，沈陽工業(yè)大學(xué)設(shè)計制造的裝卸載機器人等6。機器人的控制器技術(shù)通過從外國引進、消化、吸收，大多是由中國工程院和沈陽自動化研究所及北京科技大學(xué)機器人研究所開發(fā)的，但很多的機器人關(guān)鍵部件還有國外幾家少數(shù)機構(gòu)壟斷，如機器人專用軸承，減

16、震齒輪，直流伺服電機等7。我國的工業(yè)機械手的應(yīng)用范圍主要集中在一些自動化要求較高的制造業(yè)和先進的重工業(yè)，并且隨著能源產(chǎn)業(yè)的壯大的相應(yīng)的工業(yè)機器人也在逐漸的被應(yīng)用。在目前專業(yè)機械手的發(fā)展和應(yīng)用比較廣泛時，應(yīng)相應(yīng)的發(fā)展通用機械手，組合式機械這種機械手具有很強的靈活性和較高的拓展性，由此帶來的優(yōu)點是對生產(chǎn)環(huán)境有很強的適應(yīng)性，可以在多種生產(chǎn)環(huán)境工作。目前國內(nèi)工業(yè)機械臂主要應(yīng)用在鑄造、焊接、搬運及熱處理方面，以減輕人類的勞動強度，改善生產(chǎn)作業(yè)條件。在研究設(shè)計通用機械手時可以將機械手臂的各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機構(gòu)，以便適應(yīng)不同工作環(huán)境的作業(yè)要求，選用通用型結(jié)構(gòu)機

17、構(gòu)，使其能夠組裝成可改變結(jié)構(gòu)的各種用途的機械手，這種機械手往往便于跟換工件，同時也便與設(shè)計制造與檢修，擴大了應(yīng)用范圍。當前我國在機械臂的數(shù)量、品種、性能方面都達不到工業(yè)生產(chǎn)的需要，并且在機械臂的通用性，精確性和穩(wěn)定性等方面與國外還有很大的差距。因此，我國機械臂產(chǎn)業(yè)在大力發(fā)展專用型和通用型機械臂的前提下，此外還應(yīng)大力研究通用型的機械臂控制器、以及具有觸覺、視覺處理能力的學(xué)習(xí)型機械臂控制器，并考慮將將其接入互聯(lián)網(wǎng)，逐步建立智能學(xué)習(xí)型機械臂控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。1.3機械臂控制器的發(fā)展現(xiàn)狀機械臂控制器主要分為兩部分：機械臂控制系統(tǒng)硬件平臺和機械臂軟件控制系統(tǒng)。在早期的工業(yè)機械臂控制中，主要采用可編程控制器（

18、PLC）作為主控制器，這種控制系統(tǒng)是將控制步驟和運行軌跡事先編程寫入PLC中。這種控制器體積大、能耗高、不適合實時數(shù)據(jù)處理且壽命短難以滿足越來越復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境。隨著半導(dǎo)體芯片制造工藝的進步帶動微電子技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，單片機、FPGA、ARM等被廣泛的應(yīng)用于的機械臂控制系統(tǒng)中。在如今的機械臂系統(tǒng)中，機械臂需要進行實時調(diào)整、多傳感器融合輔助以及實現(xiàn)自動控制等任務(wù),同時采集現(xiàn)場環(huán)境并加以識別并做出相應(yīng)的控制策略8。1.4本設(shè)計研究的任務(wù)本設(shè)計以單片機為核心控制器完成機械手控制系統(tǒng)設(shè)計，主要圍繞四自由度機械手臂實現(xiàn)貨物的抓取這一任務(wù)：對機械手的結(jié)構(gòu)進行分析，查閱資料，選擇合適的單片機型號；對機械

19、手臂建立空間坐標模型，確定規(guī)定動作控制要求；設(shè)計控制系統(tǒng)各功能電路，驅(qū)動電路、控制電路及各部分元件選型；根據(jù)機械手臂各關(guān)節(jié)動作控制要求，完成控制系統(tǒng)軟件設(shè)計。制定手臂動作行程，手臂能實現(xiàn)四自由度規(guī)定動作。2機械結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)概述2.1機械結(jié)構(gòu)機械手臂的動力驅(qū)動方式有氣動式、齒輪式和繩索式等。其中齒輪式是目前被采用最多的機械手臂驅(qū)動方式之一，主要因為齒輪式機械手臂具有傳動精度高、體積小、速度較快及運行平穩(wěn)等優(yōu)點。隨著制造工業(yè)的發(fā)展需要，對機械手臂的自由度，精確度，運行的平穩(wěn)性要求越來越高，機械手臂向多自由度，高速度，高精確度發(fā)展?？紤]到齒輪式的機械臂結(jié)構(gòu)簡單，易于安裝與拆卸；重量輕，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的慣

20、性小、靈活性強等優(yōu)點，本文選用齒輪式（舵機驅(qū)動方式）。本設(shè)計綜合考慮機械臂的結(jié)構(gòu)、功能要求、平舉力矩等因素決定機械臂為四自由度，四自由度機械臂采用四個舵機控制，如圖2.1所示，舵機1控制底座，實現(xiàn)自由旋轉(zhuǎn)，舵機2控制機械臂上下運動，舵機3控制末端機械爪的水平傾角，舵機4控制機械爪的開合，用于抓取物件。其中在機械臂的驅(qū)動中最大力矩出現(xiàn)在平舉的過程中，為了使機械臂能平穩(wěn)準確的完成平舉，本機械臂舵機2選用輸出力矩更大的數(shù)字舵機，考慮到性價比其它舵機采用模擬舵機。為了使機械手運行的更加輕巧，關(guān)節(jié)連接件選用輕質(zhì)U型鋁合金連接桿，因此可以在動作上可以做的更加靈活，可以完成各種高難度動作。本機械臂各關(guān)節(jié)的最

21、大運動范圍：關(guān)節(jié)1（舵機1）底座的轉(zhuǎn)動范圍受舵機極限轉(zhuǎn)動范圍的限制為-90°+90°。關(guān)節(jié)2（舵機2）用于平舉最大的轉(zhuǎn)動為最低0°，最高90°。關(guān)節(jié)3（舵機3）機械爪傾角的控制最低為-90°，最高90°。關(guān)節(jié)4（舵機4）機械爪的開合，最?。ㄩ]合）0°，最大（張開）90°。關(guān)節(jié)1關(guān)節(jié)2關(guān)節(jié)3關(guān)節(jié)4圖2.1 機械臂關(guān)節(jié)運動范圍圖2.2控制系統(tǒng)本控制系統(tǒng)的直接控制對象是驅(qū)動機械臂的舵機，而舵機的控制信號是一種占空比可調(diào)的PWM波。從而本設(shè)計從PWM信號的生成上考慮主控制器的選型。機械臂舵機PWM信號的生成方法,主要有以下

22、三種。第一種是采用模擬電路的方法實現(xiàn)的，利用一些獨立元器件搭建模擬電路來實現(xiàn)，這種電路雖然原理簡單易實現(xiàn)，但是脈寬精度不高、脈沖寬度難以調(diào)整且受環(huán)境影響較大等缺點；第二種是采用可編程邏輯器FPGA實現(xiàn)的，F(xiàn)PGA有豐富的編程指令，強大的運算能力，并且具有并行處理的功能，能夠產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的PWM信號，但是FPGA系統(tǒng)電路復(fù)雜，編程難度大開發(fā)效率低且成本很高；第三種是利用單片機作為控制系統(tǒng)的主控制器來產(chǎn)生PWM信號的，這種方法具有輸出性能穩(wěn)定、編程靈活多樣、控制精度較高等優(yōu)點，而且這種電路的體積較小，是當前生成PWM信號進行舵機及直流電機調(diào)速的最常用的方案。綜合比較以上的三種方法本設(shè)計確定采用性價

23、比更高的新一代8051單片機STC12C5A60S2作為主控制芯片?？刂葡到y(tǒng)方案如圖2.2所示。STC12C5A60S2是一種新型的8051單片機，最大的特點是具有單時鐘/機器周期（1T）速度快8-12倍，自帶A/D轉(zhuǎn)換功能，并能產(chǎn)生PWM信號，雙串口，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。傳統(tǒng)8051單片機與新一代STC12C5A60S2系列單片機的區(qū)別：STC12C5A60S2系列單片機的定時器T0/定時器T1及串口與傳統(tǒng)8051完全兼容，但其沒有定時器T2。上電復(fù)位后，定時器方式控制寄存器缺省仍然是除12再計數(shù)的。STC12C5A60S2與傳統(tǒng)8051的111條指令完全兼容且執(zhí)行速度全面提速，最

24、高的能提速24倍，最慢的也能快3倍。新型的STC12C5Axx去除了傳統(tǒng)8051單片機ALE腳對6分頻輸出，不可對外輸出時鐘，但可利用其新加進去的可編程時鐘輸出控制器對外輸出時鐘(CLKOUT0/CLKOUT1/CLKOUT2)或XTAL2腳串一個200歐姆電阻對外輸出時鐘。由于STC12系列速度更快執(zhí)行由高變低或由低變高的I/O口操作，僅需4個時鐘周期，而傳統(tǒng)8051需要12個時鐘9。傳統(tǒng)8051單片機在執(zhí)行讀外部狀態(tài)時，需將相應(yīng)的引腳拉高，否則讀不對。主要特性：1) 增強型 8051 CPU，1T單時鐘/機器周期2) 工作頻率范圍：035MHz，相當于普通8051的 0420MHz3) 片

25、上集成1280字節(jié) RAM4) 通用I/O口（36/40/44個），復(fù)位后為：準雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設(shè)置成四種模式：準雙向口/弱上拉，強推挽/弱上拉，僅為輸入/高阻，開漏每個I/O口驅(qū)動能力均可達到20mA，但整個芯片最大不要超過120mA10。電源舵機控制系統(tǒng)編程接口STC12C5A60S2時鐘電路復(fù)位電路5) 共4個16位定時器，兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數(shù)器，16位定時器T0和T1，沒有定時器2，但有獨立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器，再加上2路PCA模塊可再實現(xiàn)2個16位定時器11。圖2.2 機械臂控制系統(tǒng)組成2.3系統(tǒng)功能介紹本設(shè)計采用電動式四自

26、由度機械手臂結(jié)構(gòu)方案，其控制器方案由單片機系統(tǒng)提供，采用舵機作為動力傳動方式來驅(qū)動機械臂12。該手臂具有四個關(guān)節(jié)，每個關(guān)節(jié)可以轉(zhuǎn)動180°，手臂轉(zhuǎn)動采用4臺舵機驅(qū)動，可以完成點對點的夾取物件的簡單動作，系統(tǒng)控制圖如圖2.3所示。單片機驅(qū)動器1驅(qū)動器2驅(qū)動器3驅(qū)動器4電機1電機2電機3電機4單片機驅(qū)動器1驅(qū)動器2驅(qū)動器3圖2.3 四自由度機械臂控制2.4舵機工作原理與控制方法2.4.1概述舵機是一種伺服控制系用，由于可以通過程序連續(xù)控制其轉(zhuǎn)角，通常用于需要實現(xiàn)角度旋轉(zhuǎn)控制的各類關(guān)節(jié)運動中。舵機是關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)向的控制與驅(qū)動機構(gòu)，具有體積小、力矩大、外部機械設(shè)計簡單、控制精度高等特點，無論是在硬

27、件設(shè)計還是軟件設(shè)計，舵機的設(shè)計都是機械臂驅(qū)動的重要的組成部分。2.4.2舵機的組成一般來講，舵機主要由舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機、控制電路幾部分組成，如圖2.4所示。圖2.4舵機的組成示意圖舵機有三條輸入線，電源線、地線、控制線如圖2.5所示，其中中間的紅線是電源線，黑色的是地線，舵機的地線要與控制電路的接地端相連（共地）。舵機主要是通過這兩條線獲取能源的。舵機的電源電壓一般有兩種規(guī)格，一是4.8V，一是7.2V，7.2V通常應(yīng)用于轉(zhuǎn)矩要求較高的場合，4.8V主要應(yīng)用于超小型長時間持續(xù)工作的場合；另外一根黃色線是控制信號線，舵機由這條信號線接收控制系統(tǒng)輸出的PWM信號。圖2.5

28、舵機的輸出線圖2.4.3舵機工作原理舵機的信號線接收PWM控制信號控制電機轉(zhuǎn)動，電機帶動一系列減速齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤，舵機的輸出軸帶動位置反饋電位計，電位計將相應(yīng)角度的輸出電壓信號與到控制電路板的PWM控制信號進行比較，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機轉(zhuǎn)動的方向和速度，從而達到目標停止13。其工作流程為：控制信號控制電路板電機轉(zhuǎn)動齒輪組減速舵盤轉(zhuǎn)動位置反饋電位計控制電路板反饋，如圖2.6所示?？刂齐娐冯姍C減速齒輪電位器角度PWM波圖2.6舵機控制原理圖舵機的控制信號是周期為20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號，脈沖寬度的調(diào)節(jié)范圍是0.5ms2.5ms，對應(yīng)輸出角度-90°90

29、°，呈線性變化如圖2.7所示。對于模擬舵機來說，只有給它提供穩(wěn)定持續(xù)的脈寬信號，它的輸出軸才會保持在對應(yīng)角度上。而對于數(shù)字舵機，則只用給它提供相應(yīng)的脈寬信號，它的輸出軸就會保持在對應(yīng)的角度上，并不用維持這一脈寬信號。舵機的控制電路產(chǎn)生一個周期為20ms，寬度1.5ms的基準PWM信號，其內(nèi)部有一個比較器，將外加信號與內(nèi)部基準信號相比較，判斷出電機的轉(zhuǎn)動方向和大小。通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比可以方便的控制舵機的轉(zhuǎn)角，因此舵機廣泛的應(yīng)用于角度控制系統(tǒng)中，比如機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動，智能小車的轉(zhuǎn)向控制等。圖2.7舵機輸出轉(zhuǎn)角與輸入脈沖的關(guān)系3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計單片機為整套系統(tǒng)的控制核心，單片機本身

30、和其外圍電路的性能直接決定系統(tǒng)復(fù)雜程度及系統(tǒng)性能。故單片機的選擇及其外圍電路的設(shè)計也就顯得十分的重要。STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍14。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S ，即25萬次/秒），針對電機控制，強干擾場合15。考慮到芯片的性價比以及供貨等綜合因數(shù)，本文中采用STC12C5A60S2單片機。3.1時鐘電路設(shè)計STC12C5A60S2的時鐘源可以來自外部時鐘信號或者振蕩器

31、。通常單片機系統(tǒng)使用外部時鐘輸入，因為外部時鐘可更換靈活性強可根據(jù)處理速度選著不同頻率的時鐘芯片，同時外部時鐘的精度高、穩(wěn)定性好。時鐘電路如圖3.1所示。圖3.1 時鐘電路3.2復(fù)位電路設(shè)計復(fù)位操作完成單片機片內(nèi)電路的初始化，使單片機從一種確定的狀態(tài)開始運行。當8051單片機的復(fù)位引腳RST出現(xiàn)5ms以上的高電平時，單片機就完成了復(fù)位操作。常用的上電且開關(guān)復(fù)位電路如圖3.2所示。上電后，由于電容充電，使RST持續(xù)一段高電平時間。當單片機已在運行之中時，按下復(fù)位鍵也能使RST持續(xù)一段高電平時間。從而實現(xiàn)上電且開關(guān)復(fù)位的操作。通常選擇C=1030F，R=10k。圖3.2復(fù)位電路圖3.3控制器電源電

32、路設(shè)計本電路所需5V直流電源采用工頻220V電源，經(jīng)由一個變壓器降壓后，通過H橋整流，再使用三端穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓得到。常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78××系列和負電壓輸出的79××系列。三端IC的三條引腳分別是輸入端、接地端和輸出端。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。因為本設(shè)計只需要正電壓5V，故這里選用7805。整流橋選擇正向電流1A，耐壓值為25V。整流出來的波形是脈動的，為了得到平穩(wěn)的電壓，在整流橋輸出端接一個大電容。7805的最高輸出電流約

33、為1.5A，最高輸出功率：P=UI=5V *1.5A=7.5W故用一片7805可設(shè)計滿足要求。下圖中C1和C3作平波用，故選用大電容；C2和C4擇消除長導(dǎo)線的電感效應(yīng)，選用小電容如圖3.3所示。圖3.3控制器電源電路圖3.4舵機驅(qū)動電路通過實驗發(fā)現(xiàn)，舵機在運行過程中要從電源吸納較大的電流，若舵機與單片機控制器共用一個電源，則舵機會對單片機產(chǎn)生較大的干擾。因此，舵機與單片機控制器采用兩個電源供電。兩者共地，并且給舵機供電的電源最好采用輸出功率較大的開關(guān)電源，如圖3.4所示。圖3.4 舵機驅(qū)動電路圖3.5串口通信電路設(shè)計STC12C5A60S2有兩個全雙工的串行通訊口，所以單片機和計算機之間可以方

34、便地進行串口通訊。進行串行通訊時要滿足一定的條件，比如計算機的串口是RS232電平的，而單片機的串口是TTL電平的，兩者之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路，本設(shè)計采用了專用芯片MAX232進行轉(zhuǎn)換，雖然也可以用幾個三極管進行模擬轉(zhuǎn)換，但是還是用專用芯片更簡單可靠。采用三線制連接串口，也就是說和計算機的9針串口只連接其中的3根線：第5腳的GND、第2腳的TXD、第3腳的RXD。這是最簡單的連接方法，但是已經(jīng)足夠使用了，電路如下圖3.5所示，MAX232的第10腳和單片機的11腳連接，第9腳和單片機的10腳連接，第15腳和單片機的20腳連接。圖3.5 RS232串口通信電路4系統(tǒng)軟件設(shè)計隨著單片機技術(shù)日新

35、月益的發(fā)展，學(xué)習(xí)和應(yīng)用它的人越來越多。相應(yīng)的單片機的編程語言也在不斷地發(fā)展、完善、豐富中。目前比較完善、常用的編程語言有3種，即匯編語言、C語言和BASIC語言。BASIC是一種高級語言，是在1965年5月，由美國科學(xué)家托馬斯·庫爾茲研制出來的。幾十年來，BASIC語言一直被認為是初學(xué)者編程的語言。具備了很多結(jié)構(gòu)化思想和編程方式，如函數(shù)、模塊、局部變量、全局變量、數(shù)據(jù)傳遞等。BASIC為簡化使用變量，所有變量都用浮點值。另外，它還有針對單片機硬件所設(shè)計的命令如：LCD命令可以用一條命令來實現(xiàn)LCD的顯示操作。Cls/清LCD屏Lcd“How are you”/向LCD輸入字符“How

36、 are you”類似于這樣的命令主要是提供了直接對單片機及其外部硬件的操作，大大的簡化了開發(fā)過程。匯編語言是面向機器的，為了克服機器語言的缺點，用英文字符來代替機器語言，這些英文字符被稱為助記符。用匯編語言編寫的程序效率高，占用存儲空間小，適時性強，運行速度快，因此用匯編語言能編出最優(yōu)化的程序。但是，匯編語言可讀性差，編程耗時，并且匯編語言與機器語言一樣，都離不開具體的機器硬件，對不同的類型的單片機，其匯編語言可能有點差異，因此，缺乏通用性不易移植。例如，比如你在PICl2CESl8單片機上用匯編語言編了一個程序，到了STC89C51單片機上那可就運行不了，因為他們的指令系統(tǒng)是有區(qū)別的。C語

37、言是嵌入式系統(tǒng)中一種通用的程序設(shè)計語言，其數(shù)據(jù)類型及運算符豐富，代碼率高，有較好的移植性和豐富的功能函數(shù)，并且有良好的程序結(jié)構(gòu)，適用于各種應(yīng)用程序的設(shè)計，是目前嵌入式系統(tǒng)中使用較廣的編程語言。51單片機的C語言采用C51編譯器(簡稱C51)。C51是一種結(jié)構(gòu)化的編程語言，其源程序可讀性強、簡單易學(xué)、便于調(diào)試、符合C語言的ANSI標準，十分適合作為單片機這類微處理的編程語言，并且可與A51匯編語言目標代碼混合使用。應(yīng)用C51變成具有以下優(yōu)點：1 編程時不用考慮內(nèi)部寄存器和存儲器的分配，從而減少用戶編程的工作量；2 程序由若干函數(shù)組成，具有良好的模塊化結(jié)構(gòu)；3 有豐富的子程序庫可直接引用，極大地提

38、高了編程的速度；4 C語言和匯編語言可以交叉使用本設(shè)計總結(jié)以上各編程語言的優(yōu)缺點，決定采用匯編語言和C51混合編程的方法。為了使程序結(jié)構(gòu)清晰，便與調(diào)試，采用結(jié)構(gòu)式編程方法。本設(shè)計程序由主程序、初末位置置換函數(shù)、速度控制函數(shù)、機械爪控制函數(shù)、定時器T0子程序、定時器T1子程序6部分組成。4.1四自由機械臂軌跡規(guī)劃在工業(yè)生產(chǎn)的中，裝配機器人廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)線上。生產(chǎn)線上的典型機器人即機械臂，主要是自動完成往復(fù)式操作。本設(shè)計的機械手臂正是基于此，執(zhí)行往復(fù)式操作的。執(zhí)行往復(fù)式操作的機械手臂在運行之前就在程序中設(shè)定好執(zhí)行軌跡，即事先設(shè)定機械臂的末端機械爪位姿和過程位姿。為了保證機械臂末端運動平穩(wěn)，需要機械

39、臂各個關(guān)節(jié)保持平穩(wěn)運動。而為了保證關(guān)節(jié)平穩(wěn)運動，機械臂關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動變量在運動的過程中增量不能出現(xiàn)突變。為了實現(xiàn)機械臂末端按照給定的路徑運動，需要對機械臂的各自由度的位姿進行規(guī)劃。即機械臂控制參數(shù)設(shè)定，由前文已知舵機的轉(zhuǎn)動范圍是0°180°，脈沖寬度是0.5ms2.5ms，對應(yīng)的占空比參數(shù)為500025000。機械臂在組裝后，應(yīng)先確定各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍，舵機一般能夠承受10秒以內(nèi)的堵轉(zhuǎn)，在調(diào)節(jié)舵機時要避免舵機進入堵轉(zhuǎn)狀態(tài)。在測試初期采用各關(guān)節(jié)單獨測試，在測試其中一個舵機時，其它舵機需要保持斷電狀態(tài)。通過修改舵機測試程序的占空比參數(shù)，同時觀察相應(yīng)舵機的實際運行范圍。記錄舵機運行時角度

40、位置與占空比的對應(yīng)關(guān)系。然后確定機械臂的初始位置。機械臂的初始位置即為機械臂的復(fù)位狀態(tài)，該狀態(tài)需要機械臂保持一種平衡，且有利于其抓取操作。在機械臂各自由度關(guān)節(jié)運動范圍確定以后，將占空比參數(shù)設(shè)置為舵機運動范圍的中間值。角度與占空比參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如表4.1所示。機械臂初始參數(shù)設(shè)定后，保證機械臂可以在相對安全空間內(nèi)運動，機械臂末端的運動空間如圖4.1所示。由于受機械臂自身結(jié)構(gòu)限制，該系統(tǒng)中機械臂在XOY平面內(nèi)只能轉(zhuǎn)動180°，末端只能在圖4.1所示的1/4球面內(nèi)運動，機械臂在XYZ空間的最大伸臂長度20cm。表4.1 舵機角度與占空比參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系表位置A位置B初始位置占空比參數(shù)占空比占空

41、比參數(shù)占空比占空比參數(shù)占空比舵機112006%5002.5%9004.5%舵機2200010%14007%17008.5%舵機310005%16508.25%13006.5%舵機421004.5%15007.5%18009%xZY位置A位置BZYX位置A位置B圖4.1 機械臂運動空間圖4.2主程序設(shè)計主程序是模塊化程序中主干，起到協(xié)調(diào)程序執(zhí)行的順序，連接各子程序，傳遞各子程序間的參數(shù)。本設(shè)計的主程序主要執(zhí)行以下4部分任務(wù)：第一步，在程序啟動后完成全局變量的聲明，占空比參數(shù)數(shù)組初始化，定時器T0、T1初始化，將引腳設(shè)為強推挽輸出，使其能為舵機提供足夠大的電流。第二步，開定時器中斷，定時器賦初值，

42、開定時器程序真正啟動，程序進入循環(huán)執(zhí)行狀態(tài)。第三步，再循環(huán)體內(nèi)判斷定時器中斷是否置1，是，則調(diào)用pwm數(shù)組更新函數(shù)vpwm()（舵機調(diào)速子程序），否，則等待中斷到來。流程圖如圖4.2所示。全區(qū)變量聲明，占空比參數(shù)數(shù)組聲明，定時器初始化，P口設(shè)為強推挽輸出開始Flag_vpwm=1?調(diào)用vpwm()開中斷，定時器賦初值Flag_vpwm=0圖4.2 主流程圖4.3 舵機調(diào)速程序設(shè)計為使機械臂運行平穩(wěn)，需要對舵機進行速度調(diào)節(jié)控制，其實質(zhì)是對舵機控制信號PWM占空比的調(diào)節(jié)。下文將首先介紹PWM信號。4.3.1舵機PWM信號PWM(Pulse-Width Modulation)即脈沖寬度調(diào)制信號，具有

43、控制簡單、快速和動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在機器人及航模設(shè)計的舵機及直流電機的控制中，其PWM格式注意的幾個要點：(1)上升沿最少為0.5mS，為0.5mS-2.5mS之間；(2)要求連續(xù)供給PWM信號，這時表現(xiàn)出來的跟隨性能很好、很緊密。通過閱讀相關(guān)文獻結(jié)合實驗經(jīng)驗，總結(jié)出了評價PWM信號生成方法合理性的四個原則：(1)PWM信號周期的適應(yīng)性(2)占空比的可調(diào)整性(3)PWM信號輸出的豐富性(4)PWM信號輸出的同步性其中原則一，PWM信號周期的適應(yīng)性指的是PWM信號周期能夠滿足不同應(yīng)用場合的要求。比如舵機的PWM控制信號周期要求是20ms，而對于直流電機控制來說，PWM信號的周期一般要小

44、于0.1ms。只有PWM信號周期具有可調(diào)性，或者周期恰好為所需要的周期，產(chǎn)生的PWM信號才能被應(yīng)用，因此原則一是對PWM信號生成方法合理性評價的一個最基本的原則16。原則二是PWM控制核心，因為只有PWM控制信號通過實時的改變占空比，才能實現(xiàn)PWM信號對平均電壓的調(diào)整，才能在一些控制系統(tǒng)中實現(xiàn)脈寬調(diào)制的控制作用，體現(xiàn)PWM控制的意義。原則三要求能夠?qū)崿F(xiàn)多路PWM信號的輸出，在大多數(shù)控制系統(tǒng)中往往需要多路的PWM信號協(xié)同控制，比如在機器人的控制系統(tǒng)中，通常有幾十上百路的舵機要協(xié)調(diào)運行，那么就需要有相同數(shù)量的PWM信號進行單獨控制。如果不能生成足夠的PWM信號就不能實現(xiàn)對該機器人的控制，這種生成P

45、WM信號的方法也就不算是一種合理的方法17。原則四是多路PWM控制信號的關(guān)鍵，多路PWM信號如果不能同步輸出，也就失去了多路PWM控制信號的意義。尤其對于機械手臂這種同步性要求較高的場合，如果不能實現(xiàn)對多路PWM信號的同步輸出，就無法實現(xiàn)各個關(guān)節(jié)運動的協(xié)調(diào)控制，也就無法完成各種高精度的復(fù)雜動作。4.3.2利用微分插補法實現(xiàn)對多路PWM信號的輸出(1)微分插補法的原理在舵機的控制中不僅其位置角度的控制至關(guān)重要，而且速度的控制也是一個必須考慮的問題。尤其對于像機械臂的控制，其運動平滑性決定了它工作的穩(wěn)定性，準確性是一個重要的考核指標。這就需要對驅(qū)動機械臂關(guān)節(jié)的舵機進行速度調(diào)節(jié)控制，舵機速度的控制其

46、實都是讓舵機從初始位置到目標的位置不是直接到達，而是劃分成很多細微的小過程逐步讓他到達。比如說讓舵機的初始位置是0度讓他跑到90度，直接送入90度的數(shù)據(jù)的話由于舵機的響應(yīng)速度還是比較快的，幾乎就一下子跑到90度的位置。如果我們在它到達90度的過程中給他制造很多緩沖，就是讓他從0度到1度到2度3度的逐步過渡過到90度，那么出現(xiàn)的效果就是舵機以比較慢的速度到達目標位置，這樣就達到控速的目的，而每個間距切換的時間加以控制既可以得到我們想要的具體旋轉(zhuǎn)速度，因為劃分的過程很多，所以舵機的旋轉(zhuǎn)看上去是一個流暢的速度的旋轉(zhuǎn)18。這就是微分插補法。微分插補法的中心思想是先微分，將某一過程量進行微分處理分割成若

47、干個（通常越多越好）小過程量，然后進行插補，將小過程量一步一步的疊加起來直至完成整個過程量的插補。從而得到控制過程量增長速度的目的。根據(jù)微分插補法的思想設(shè)計多路舵機PWM速度控制程序。(2)微分插補法生成多路舵機PWM速度控制信號的程序?qū)崿F(xiàn)VPWM( )函數(shù)采用微分插補法對舵機進行調(diào)速使機械臂能從一個位置平滑穩(wěn)定的過度到另一個位置。VPWM( )是數(shù)組pwm更新函數(shù)，其功能是數(shù)據(jù)插補，由定時器T0控制，使舵機實現(xiàn)平滑的速度控制；另一個功能是執(zhí)行完一行后更新下一行數(shù)據(jù)，即調(diào)用change( )函數(shù)。此程序的執(zhí)行的流程圖如圖4.3所示。第一步，聲明一些判斷標志：flag_how，用來表示是否4個舵

48、機都達到目標位置，是則置1；flag_Tover，用來表示運行時間是否結(jié)束，是則置1；m用來累加插補的次數(shù)。第二步，進入VPWM( )函數(shù)，首先執(zhí)行m+，表示插補累加一次，并判斷是否等于總的插補次數(shù)n，是，則flag_Tover置1。并且判斷是否4個舵機都達到目標位置，是，則flag_how置1。第三步，若flag_Tover=1且flag_how=1，則本行作業(yè)完成，先后執(zhí)行jiazi( )，change( )子程序，并清零標志，返回主程序；否則直接返回主程序。聲明局部變量累加插補次數(shù)(m+)m=nFlag_Tover=1Flag_Tover=1Flag_how=1本行作業(yè)完成判斷標志清零執(zhí)

49、行夾子程序jiazi()返回開始第j個舵機是否到終點how+繼續(xù)插補How=4Flag_how=1;How=0;調(diào)用change()YNYNYNYN圖4.3 多路舵機PWM速度控制程序流程圖4.4初末位置置換子程序由于本機械臂執(zhí)行在兩個位置搬運物件的，所以機械臂是一種簡單的自動往返運動。Change( )函數(shù)的功能就是初位置與末位置的替換，并計算插補增量dpj和插補次數(shù)n。程序流程圖4.4所示。第一步，進行初末位置置換，初位置占空比參數(shù)給pospoint_nows，末位置占空比參數(shù)給pospoint_aims，并給循環(huán)計數(shù)s賦值1。第二步，判斷是否pospoint_aims>pospoi

50、nt_nows。第三步，根據(jù)第二步的結(jié)果，是，則執(zhí)行dp=pospoint_aims-pospoint_nows;dps=dp/n;否，則執(zhí)行dp=pospoint_nows-pospoint_aims;dps=-dp/n。開始首末位置互換S=1pospoint_aims>pospoint_nows?S+S>5?m=0返回dp=pospoint_aims-pospoint_nowsdps=dp/n;dp=pospoint_nows-pospoint_aimsdps=-dp/nYNYN第四步，s+后判斷s>5?是，則m清零，返回原函數(shù)；否，則返回第二步繼續(xù)執(zhí)行。圖4.4初末位置

51、置換子程序流程圖4.5機械爪控制程序機械爪是在機械臂末端到達目標位置后，才開始啟動抓取，碼放動作的。因此機械爪和機械臂并不是同時運行的，故機械爪需單獨控制。機械爪控制程序主要功能是在機械臂到達目標位置后，更改產(chǎn)生機械爪舵機PWM控制信號的定時器T1的定時初值，完成機械爪的開合。第一步，當執(zhí)行機械爪程序jiazi( )時，首先判斷機械爪的當前狀態(tài)，當機械爪為閉合狀態(tài)，則執(zhí)行第二步；機械爪為張開狀態(tài)，則執(zhí)行第三步。第二步，將打開機械爪的占空比參數(shù)賦給定時器T1的TH1,TL1寄存器。第三步，將閉合機械爪的占空比參數(shù)賦給定時器T1的TH1，TL1寄存器。開始機械爪狀態(tài)更改T1的定時初值，使機械爪閉合

52、更改T1的定時初值，使機械爪打開返回打開閉合第四步，返回原程序。流程圖如圖4.5所示。圖4.5機械爪控制程序流程圖4.6定時器中斷子程序4.6.1定時器T1中斷程序由于機械爪的狀態(tài)在打開或閉合后需保持不動，故需連續(xù)不斷的向機械爪舵機輸出PWM信號，以維持其狀態(tài)不變，此舵機的PWM信號有定時器T1中斷函數(shù)單獨輸出。程序流程如圖4.6所示。第一步，聲明靜態(tài)變量static i=1。此變量只在第一次賦值有效，i是高低電平標志，i=1輸出高電平，i=2輸出低電平。第二步，根據(jù)標志i輸出相應(yīng)的電平，若i=1，輸出高電平，賦定時初值pwmj；若i=2，輸出低電平，賦定時初值20000-pwmj，i=0。第

53、三步，執(zhí)行i+，中斷返回。定時器T1定時中斷聲明靜態(tài)變量 i=1i=1?I=2?輸出高電平輸出低電平賦定時初值pwmj賦定時初值20000-pwmji+中斷返回i=0YNYN圖4.6定時器T0中斷程序流程圖4.6.2定時器T0中斷子程序機械臂關(guān)節(jié)1,2,3的舵機PWM控制信號有定時器T0產(chǎn)生，其中第二路PWM信號輸出原理同第一三路，其中第一三路程序流程，如圖4.7所示。第一步，聲明靜態(tài)變量static i=1。此變量只在第一次賦值有效，i是高低電平標志，i=1，3，5輸出高電平，i=2，4，6輸出低電平。第二步，根據(jù)標志i輸出相應(yīng)的電平，若i=1，3，5輸出高電平，賦定時初值pwmx；若i=2

54、，4，6輸出低電平，賦定時初值5000-pwmx，i=0。第三步，執(zhí)行i+，中斷返回。定時器T0定時中斷聲明靜態(tài)變量 i=1i=1?i=2?P0.1輸出1P0.1輸出0賦定時初值pwm3賦定時初值5000-pwm1i+中斷返回YNYNi=5?i=6?P0.3輸出1P0.3輸出0賦定時初值5000-pwm3i=0賦定時初值pwm1.YNYX圖4.7定時器T0中斷子程序流程圖5系統(tǒng)軟硬件調(diào)試機械臂控制系統(tǒng)的調(diào)試時開發(fā)中必不可少的環(huán)節(jié)，只有通過系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試，才能深刻的了解控制系統(tǒng)的實際運行效果，才能將軟件和硬件更好地結(jié)合起來，系統(tǒng)軟硬件的聯(lián)合調(diào)試也是軟件和硬件磨合的過程。機械臂通常工作在高速、

55、高精度、高穩(wěn)定性要求的場合，所以，只有在硬件電路絕對可靠地前提下，才能對軟件系統(tǒng)進行精確的調(diào)試。因此，在整個調(diào)試過程中，硬件與軟件的調(diào)試都是相當?shù)闹匾?.1單片機系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試工具以MCU為控制核心的嵌入式系統(tǒng)是嵌入式的一種，它是以單片機為核心構(gòu)成的計算機應(yīng)用系統(tǒng)，是最具代表性和使用最廣泛的嵌入式系統(tǒng)。對嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計、軟、硬件調(diào)試稱為開發(fā)。嵌入式本身無開發(fā)能力，必須借助開發(fā)工具。單片機的開發(fā)工具有PC、編程器和仿真機。其中最基本、必不可少的工具是PC和編程器。仿真機和編程器通過串行接口和PC的串行口COM1或COM2相連，借助PC的鍵盤、監(jiān)視器及相應(yīng)的軟件完成人機交流。5.1.1編程器編程器又稱燒寫器、下載器，通過它將調(diào)試好的程序燒寫到程序存儲器中（單片機內(nèi)程序存儲器或片外的EPROM、E2PROM、或Flash），通常專用編程器具備以下功能：對多種型號的單片機（MCU)、E(E)PROM、Flash、R