機(jī)器人關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)畢業(yè)論文

1、河南科技學(xué)院 2011屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）論文（設(shè)計(jì)）題目：機(jī)器人關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)學(xué)生姓名： 周 涵 所在院系： 信息工程學(xué)院 所學(xué)專業(yè)： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 導(dǎo)師姓名： 曲培新 完成時(shí)間：2011-05-25摘 要機(jī)器人關(guān)節(jié)是機(jī)器人的基礎(chǔ)部件,其性能的好壞直接影響機(jī)器人的性能。隨著數(shù)字伺服技術(shù)等電子技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人關(guān)節(jié)也在不斷發(fā)展。本文主要研究基于舵機(jī)的機(jī)器人關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。本文主要了完成以下工作：采用定時(shí)器控制方法產(chǎn)生舵機(jī)控制的脈沖信號(hào)，為了能實(shí)現(xiàn)活動(dòng)關(guān)節(jié)根據(jù)輸入角度準(zhǔn)確定位和微調(diào)，設(shè)計(jì)加入了矩陣鍵盤調(diào)控系統(tǒng)。在硬件搭建方面，設(shè)計(jì)了基于STC89C52的2路脈沖信號(hào)的舵機(jī)硬件控制電路系

2、統(tǒng)。之后對(duì)系統(tǒng)所使用的編輯軟件和調(diào)試工具進(jìn)行了簡(jiǎn)要說明，并詳細(xì)介紹了軟硬件的主要模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程，以及重要部分的調(diào)試和仿真的具體過程。最后，根據(jù)軟硬件設(shè)計(jì)結(jié)果，制作了一個(gè)極坐標(biāo)結(jié)構(gòu)的機(jī)器人關(guān)節(jié)，能夠完成分別在水平和豎直方向的比較精確的控制。關(guān)鍵詞 舵機(jī)，機(jī)器人關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)AbstractRobots joint, is a basic part of robot, whose performance will directly affect a robot. With the development of electronic technology such as digital servo,

3、 the technology of robot joint is developing continually. This paper is studying how to designed and (實(shí)現(xiàn)) a two-(自由度) robot joint based on digital servo. Key words cellular phone virus, loopholes, Bluetooth目 錄1.緒論51.1.課題背景51.2.舵機(jī)簡(jiǎn)介51.3.本文研究的工作72.系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路73.硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)83.1.主要元器件介紹83.1.1.舵機(jī)83.1.2.STC89C5

4、283.2.硬件的設(shè)計(jì)過程83.2.1.工作電源控制電路9顯示控制電路93.2.3.矩陣鍵盤的設(shè)計(jì)電路103.2.4.舵機(jī)與系統(tǒng)接口電路113.2.5.機(jī)器人關(guān)節(jié)的外形設(shè)計(jì)113.3.硬件的實(shí)現(xiàn)過程113.3.1.電路板的設(shè)計(jì)過程113.3.2.硬件的組裝過程124.軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)124.1.單片機(jī)的C語(yǔ)言及其開發(fā)工具124.2.各模塊程序設(shè)計(jì)134.2.1.脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊134.2.2.矩陣鍵盤控制模塊144.3.數(shù)據(jù)處理155.仿真與調(diào)試165.1.硬件電路的仿真設(shè)計(jì)165.2.單片機(jī)的程序調(diào)試166.總結(jié)16致謝17附錄117附錄218附錄3191. 緒 論1.1. 課題背景從一戰(zhàn)以

5、來，機(jī)器人學(xué)和飛機(jī)、火箭、計(jì)算機(jī)等一樣，也日益發(fā)展成為我們?nèi)粘Ｉ畈豢苫蛉钡目茖W(xué)技術(shù)，機(jī)器人的應(yīng)用廣泛，從傳統(tǒng)的自動(dòng)化制造領(lǐng)域，到人類的日常生活，再到茫茫星系的探索，都已經(jīng)離不開機(jī)器人。機(jī)器人關(guān)節(jié)是機(jī)器人的基礎(chǔ)部件,其性能的好壞直接影響機(jī)器人的性能。機(jī)器人關(guān)節(jié)的種類有很多，根據(jù)機(jī)器人的功能不同，關(guān)節(jié)的配置和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的形式葉都各不相同。工業(yè)機(jī)器人關(guān)節(jié)根據(jù)輸出運(yùn)動(dòng)形式的不同分為移動(dòng)關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)：根據(jù)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的不同可以分為齒輪傳動(dòng)、連桿傳動(dòng)和擺線針輪減速傳動(dòng)；根據(jù)驅(qū)動(dòng)器形式的不同可以分為電驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)、氣壓驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)、液壓驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)和特種驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)等等。仿人機(jī)器人也是當(dāng)今機(jī)器人愛好者研究的熱點(diǎn)之一，仿人機(jī)器

6、人因?yàn)橥庑皖惾藙t其關(guān)節(jié)可以分為上肢關(guān)節(jié)和下肢關(guān)節(jié)。微型機(jī)器人則是利用集成電路微細(xì)加工，將驅(qū)動(dòng)器，關(guān)節(jié)傳動(dòng)裝置以及傳感器控制器和電源等集成在很小的多晶硅上?？傮w來看機(jī)器人關(guān)節(jié)呈現(xiàn)出大力矩，高精度，反應(yīng)靈敏，小型化，標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化的趨勢(shì)和發(fā)展。工業(yè)機(jī)器人常見的關(guān)節(jié)形式有移動(dòng)關(guān)節(jié)和轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。應(yīng)用最多的工業(yè)機(jī)器人是多關(guān)節(jié)機(jī)器人，它主要是由多個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和連桿組成，模擬人的肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)等的作用。其關(guān)節(jié)與仿人機(jī)器人的肩、肘、髖關(guān)節(jié)不同的是自由度的個(gè)數(shù)。通常工業(yè)機(jī)器人的肩肘髖的關(guān)節(jié)的自由度為1。仿人機(jī)器人主要分為仿人手臂型和仿人雙足型。仿人手臂型主要是研究7自由度手臂和多自由度操作臂、多指靈巧手及手

7、臂和靈巧手的組合。仿人雙足型主要研究步行機(jī)構(gòu)及步行特性，下肢關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)是步行質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。1.2. 舵機(jī)簡(jiǎn)介在機(jī)器人關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)中，電機(jī)是至關(guān)重要的一部分，電機(jī)就像是機(jī)器人關(guān)節(jié)的肌肉，只有正確的配置和使用電機(jī)才能使機(jī)器人關(guān)節(jié)正常運(yùn)轉(zhuǎn)起來。常見的電機(jī)主要有直、交流電機(jī)，而直流電機(jī)一直在機(jī)器人設(shè)計(jì)中占有主導(dǎo)地位。直流電機(jī)可以分為連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)2種，主要區(qū)別是連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)在通電后主軸連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，只有當(dāng)斷電或者電機(jī)提供的驅(qū)動(dòng)力無(wú)法驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)，主軸才停止轉(zhuǎn)動(dòng)或這阻塞；步進(jìn)電機(jī)則是通電后主軸轉(zhuǎn)動(dòng)某一個(gè)角度后，然后停止。伺服電機(jī)是一種比較特殊的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)類型。直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)都是開環(huán)反饋系統(tǒng)，也就

8、是在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中并不知道電機(jī)究竟轉(zhuǎn)過了多少角度。而伺服電機(jī)是一種閉環(huán)反饋系統(tǒng)，內(nèi)部主要有一個(gè)控制電路、一個(gè)電機(jī)、一個(gè)齒輪箱和一個(gè)電位計(jì)組成。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度可以通過控制電路反饋，并且控制電路不斷的修正轉(zhuǎn)動(dòng)角度的誤差，直到電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)要預(yù)期位置。舵機(jī)是一種伺服電機(jī)，它具有伺服電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，即在接收到控制信號(hào)后可以轉(zhuǎn)過相對(duì)準(zhǔn)確的位置，這使舵機(jī)在機(jī)器人設(shè)計(jì)，航模，船模等有著廣泛的應(yīng)用，比如用來控制機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)方向等。舵機(jī)的控制方法。舵機(jī)的定位是利用脈寬調(diào)制的方法實(shí)現(xiàn)的。舵機(jī)可以根據(jù)周期內(nèi)高電平的持續(xù)時(shí)間（即脈寬）來完成定位。一般的舵機(jī)控制電路能夠接收周期為20ms、脈寬為12ms的脈沖信號(hào)，脈沖的準(zhǔn)

9、確長(zhǎng)度決定了舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的準(zhǔn)確位置（圖1.1）。目前普遍使用PWM（占空比）即高電平在20ms周期內(nèi)的持續(xù)時(shí)間所占的比例來描述脈寬。當(dāng)舵機(jī)接收到的1ms的脈寬時(shí)，舵機(jī)向某一個(gè)極限位置轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)接收到脈寬為2ms的時(shí)候，舵機(jī)向另一個(gè)方向極限位置轉(zhuǎn)動(dòng)。也可以說舵機(jī)的角位移與接收到的脈寬成正比，一般來說，舵機(jī)能在0.250.5的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過60°。舵機(jī)的控制原理。電位計(jì)的作用是檢測(cè)舵機(jī)的輸出軸是否已經(jīng)轉(zhuǎn)到期望位置。電位計(jì)與舵機(jī)的輸出軸相連接，這樣分壓計(jì)能夠非常準(zhǔn)確的反映出舵機(jī)輸出軸的當(dāng)前位置。電位計(jì)輸出為一個(gè)電壓信號(hào)，當(dāng)舵機(jī)的輸出軸的位置變換時(shí)，控制電路就會(huì)從分壓器接收到不同的電壓信號(hào)。舵機(jī)中的

10、控制電路將電位計(jì)的輸出的電壓信號(hào)和控制脈沖信號(hào)定時(shí)比較，如果電壓信號(hào)不正確就會(huì)產(chǎn)生誤差信號(hào)。該誤差信號(hào)與電位計(jì)的位置和可能告知脈沖的差值成正比，當(dāng)存在誤差信號(hào)時(shí)，電機(jī)就會(huì)保持轉(zhuǎn)動(dòng)，直到電位計(jì)輸出的電壓信號(hào)和控制脈沖信號(hào)相匹配時(shí)，誤差信號(hào)被移除，電機(jī)停轉(zhuǎn)。舵機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)有力矩，回轉(zhuǎn)率，工作電壓，工作溫度，死區(qū)等。圖1.1 周期為20ms的脈沖信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間在12ms之間變化可以控制舵機(jī)的輸出軸位置舵機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合，主要有多自由度機(jī)器人設(shè)計(jì)，多路伺服航模控制,電動(dòng)遙控飛機(jī),油動(dòng)遙控飛機(jī),航海模型，高檔遙控仿真車等。1.3. 本文研究的工作通過對(duì)電機(jī)類型的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行分析與比較，本課題選用

11、舵機(jī)作為機(jī)器人關(guān)節(jié)的本體原件，來完成的機(jī)器人關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到可以在水平和豎直兩個(gè)方向上控制機(jī)器人關(guān)節(jié)的活動(dòng)效果。主要包括系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)，以及最終硬件的制作。在本文的下面一些章節(jié)會(huì)詳細(xì)介紹各部分的設(shè)計(jì)過程。通過對(duì)舵機(jī)的結(jié)構(gòu)原理，控制特性與機(jī)械特性的綜合分析與研究，最終選擇TowerProMG995型號(hào)舵機(jī)（圖1.2）作為本課題的舵機(jī)本體。該型號(hào)的舵機(jī)具有力矩大（10KG/cm），輸出功率高，價(jià)格合理，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。圖 1.2 TowerProMG9952. 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)分別包括系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。下圖（圖2.1）為總的流程圖。圖2.1 系統(tǒng)流程圖3. 硬

12、件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)硬件是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，硬件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要組成部分。本系統(tǒng)中的硬件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)工作電源，液晶顯示，矩陣鍵盤和脈沖信號(hào)產(chǎn)生的電路設(shè)計(jì)過程等。3.1. 主要元器件介紹下面主要對(duì)硬件中使用的一些重要的元器件的電氣特征作一下介紹。3.1.1. 舵機(jī)名 稱：TowerPro MG995外 形：40.7*19.7*42.9mm力 矩：10kg/cm回轉(zhuǎn)率：0.20s/60°工作電壓：4.87.2v溫度范圍：055工作死區(qū)：10us角度范圍：090°脈寬范圍：1ms2ms3.1.2. STC89C52由于51系列單片機(jī)在國(guó)內(nèi)廣泛使用，技術(shù)比較成熟，而且相關(guān)的開發(fā)工具

13、也比較普及，性能優(yōu)越，所以在此也選擇51系列的STC89C52單片機(jī)作為控制機(jī)器人關(guān)節(jié)的單片機(jī)。STC89C5*系列單片機(jī)不僅性能優(yōu)越，而且控制簡(jiǎn)單，價(jià)格合理。該型號(hào)的單片機(jī)片內(nèi)EPROM達(dá)到8K，同時(shí)有2個(gè)定時(shí)器，足以承擔(dān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要。其他的選用的主要器件還有穩(wěn)壓器7805, 液晶顯示器1602，電容和電阻等一系列電器元件。3.2. 硬件的設(shè)計(jì)過程硬件的設(shè)計(jì)過程包括硬件的電路設(shè)計(jì)和機(jī)器人關(guān)節(jié)的外形設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)將要完成的幾項(xiàng)功能考慮硬件電路設(shè)計(jì)，硬件部分所要提供的功能有液晶顯示、矩陣鍵盤、舵機(jī)接口，所以電路設(shè)計(jì)主要包含這幾個(gè)部分以及要完成系統(tǒng)工作的電壓、單片機(jī)的最小系統(tǒng)（復(fù)位和晶振）等電路

14、設(shè)計(jì)。下面主要介紹重要功能模塊的設(shè)計(jì)電路。3.2.1. 工作電源控制電路為了給系統(tǒng)各部分提供穩(wěn)定可靠的直流電壓，在控制系統(tǒng)中選用了穩(wěn)壓器7805完成對(duì)工作電壓的穩(wěn)定控制工作。7805具有體積小，重量輕，可靠性好等特點(diǎn)。下圖（圖3.1）是為系統(tǒng)電源控制電路圖。圖3.1電源控制電路圖12V的直流電壓經(jīng)過7805后轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的5V電壓后，供應(yīng)整個(gè)電路的電源系統(tǒng)。LED的作用是保護(hù)7805，防止電路回時(shí)電流過大對(duì)7805造成損害。3.2.2. 1602顯示控制電路系統(tǒng)選用1602（SPI16引腳）作為數(shù)據(jù)顯示器件，主要用于顯示舵機(jī)的當(dāng)前角度和調(diào)整角度。1602是一種16*2字符型液晶顯示器，引腳分為電

15、源、通信數(shù)據(jù)和控制三部分，可以很方便的可以與單片機(jī)進(jìn)行連接。下圖（圖3.2）為1602與STC89C51的接口電路圖。圖3.2 1602顯示電路圖選用單片機(jī)的P0口作為1602的數(shù)據(jù)輸入端口（D0D7），P3.2，P3.3，P3.4分別作為數(shù)據(jù)命令選擇端(H/L)（RS），讀/寫選擇端（H/L）（RW），使能信號(hào)端（E）。上拉電阻部分（RP1）具有限流的作用。3.2.3. 矩陣鍵盤的設(shè)計(jì)電路本系統(tǒng)的矩陣鍵盤主要是用于定位調(diào)整和加減微調(diào)舵機(jī)角度兩項(xiàng)功能。下圖（3.3）為矩陣鍵盤的控制電路。圖3.3矩陣鍵盤電路圖選用STC98C52單片機(jī)的P2口作為矩陣鍵盤的控制端口。按鍵09為數(shù)字按鍵，主要用于

16、定位舵機(jī)角度的輸入。鍵D1+，D1，D2+，D2分別為舵機(jī)1和舵機(jī)2微調(diào)時(shí)的加減。確定鍵，當(dāng)輸入舵機(jī)需要定位的角度后，按下確認(rèn)鍵后，舵機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。取消鍵，用于取消輸入的定位角度（未按確定鍵前）。3.2.4. 舵機(jī)與系統(tǒng)接口電路向舵機(jī)發(fā)送脈沖信號(hào)的電路部分，舵機(jī)根據(jù)PWM的大小調(diào)整舵機(jī)的位置。下圖（圖3.4）為舵機(jī)PWM控制電路部分。圖3.4舵機(jī)脈沖信號(hào)控制電路分別選用STC89C52單片機(jī)的P1.3，P1.4引腳作為舵機(jī)1和舵機(jī)2的輸出脈沖信號(hào)的控制端口。在電路仿真中，該2個(gè)端口接的是虛擬示波器，用來顯示和反映脈沖信號(hào)的輸出狀態(tài)。3.2.5. 機(jī)器人關(guān)節(jié)的外形設(shè)計(jì)機(jī)器人關(guān)節(jié)的外形設(shè)計(jì)是指最終機(jī)

17、器人關(guān)節(jié)的成型外形。機(jī)器人關(guān)節(jié)的外形設(shè)計(jì)主要參考當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)上流行的多自由度機(jī)械臂的外形。3.3. 硬件的實(shí)現(xiàn)過程3.3.1. 電路板的設(shè)計(jì)過程將整個(gè)系統(tǒng)電路圖設(shè)計(jì)出來后，接下來我們就需要制作電路板圖了。電路板設(shè)計(jì)得是否合理，質(zhì)量是否可靠，直接決定著制作出來的紅外通信遙控器的質(zhì)量和運(yùn)行的可靠性。Altium Designer提供了板圖設(shè)計(jì)功能，包括自動(dòng)布線和器件自動(dòng)擺放功能。事實(shí)上，器件自動(dòng)擺放功能是達(dá)不到要求的，因此，實(shí)際操作時(shí)應(yīng)采用“人工擺放元件人工預(yù)布線自動(dòng)布線人工細(xì)調(diào)”的設(shè)計(jì)流程，一步一步制作出符合要求的電路板。電路板圖見附錄二。3.3.2. 硬件的組裝過程硬件的組裝主要包括機(jī)器人關(guān)節(jié)的外

18、形組裝和電路板的各元件的安放與焊接。4. 軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)軟件是系統(tǒng)的靈魂，軟件設(shè)計(jì)的好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)性能的強(qiáng)弱。所以軟件設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)中很重要的組成部分。在本系統(tǒng)中的軟件主要是指單片機(jī)的程序，主要包括舵機(jī)脈沖信號(hào)發(fā)生模塊，矩陣鍵盤控制模塊和液晶顯示器1602顯示模塊幾大部分。4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖4.1. 單片機(jī)的C語(yǔ)言及其開發(fā)工具對(duì)于單片機(jī)的編程語(yǔ)言的選擇，選用近年來流行的C語(yǔ)言編程。首先C語(yǔ)言比較普及，可讀性強(qiáng)，易編寫，且不必了解處理器的指令集和存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。和匯編語(yǔ)言相比，C語(yǔ)言程序的編制和調(diào)試時(shí)間都大大縮短，并且C語(yǔ)言的可移植性好，穩(wěn)定性強(qiáng)。基于C語(yǔ)言的種種優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)選擇C語(yǔ)言來

19、設(shè)計(jì)和開發(fā)單片機(jī)程序。開發(fā)工具則是選用目前國(guó)內(nèi)流行的Keil公司出品的51系列單片機(jī)軟件仿真器。Keil uVision3是一個(gè)基于Windows的應(yīng)用程序，可以完成編輯，編譯，鏈接，調(diào)試等整個(gè)開發(fā)流程，而且界面友好，方便易用，支持很多單片機(jī)類型。本系統(tǒng)所有的單片機(jī)程序均使用Keil進(jìn)行編輯，鏈接，調(diào)試。4.2. 各模塊程序設(shè)計(jì)單片機(jī)程序的子模塊主要包括脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊，矩陣鍵盤控制模塊和液晶顯示模塊，這這里主要介紹和分析前2個(gè)模塊。4.2.1. 脈沖信號(hào)產(chǎn)生模塊在該單片機(jī)程序中，主要使用2個(gè)定時(shí)器來產(chǎn)生2路脈沖信號(hào)（PWM1、PWM2）注1，分別輸送給2個(gè)舵機(jī)。具體實(shí)現(xiàn)方法是timer1作為

20、基準(zhǔn)定時(shí)器，提供穩(wěn)定的10ms定時(shí)，timer0則作為控制高電平時(shí)間定時(shí)器。在timer1中每次根據(jù)標(biāo)志位選擇翻轉(zhuǎn)（PWM1或PWM2）脈沖信號(hào)高低電平，并打開timer0：在timer0中斷到來后，timer0中則根據(jù)標(biāo)志位重新翻轉(zhuǎn)脈沖信號(hào)，最后關(guān)閉timer0，則形成高電平脈沖，完成舵機(jī)脈沖信號(hào)的輸出。脈沖信號(hào)產(chǎn)生流程圖如圖（圖4.1）所示。圖4.1 脈沖信號(hào)產(chǎn)生流程圖因?yàn)槎鏅C(jī)的控制電路周期的脈沖時(shí)間為20ms，而STC89C52里共有2個(gè)定時(shí)器，所以本系統(tǒng)采用分時(shí)復(fù)用的方法來產(chǎn)生2路脈沖信號(hào)。該方法在理論上可以控制10個(gè)舵機(jī)的共同工作，可擴(kuò)充性強(qiáng)。4.2.2. 矩陣鍵盤控制模塊在單片機(jī)程

21、序中，矩陣鍵盤的控制最為繁雜。首先是鍵盤的掃描，根據(jù)按鍵的不同分別執(zhí)行不同的程序操作：09數(shù)字按鍵經(jīng)過鍵盤的散列轉(zhuǎn)換后分別被存入程序處理并置flag_key=1（表示有數(shù)字按鍵被按下）和送去液晶顯示器顯示；+，按鍵直接控制脈寬信號(hào)微調(diào)增加（減少）千分之0.5（<0.1°）；確定鍵則是很據(jù)所輸入2個(gè)舵機(jī)的角度的范圍滿足要求且flag_key=1（表示數(shù)字鍵按下后產(chǎn)生的確定鍵操作）時(shí)，脈寬信號(hào)發(fā)生變化，則舵機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)角度，并更新1602顯示，否則執(zhí)行出錯(cuò)；取消鍵則是用于取消已輸入角度，但是還未按下確定鍵的角度值。矩陣鍵盤的控制流程圖如下圖（圖4.2）所示。圖4.2 矩陣鍵盤流程

22、圖4.3. 數(shù)據(jù)處理在本單片機(jī)程序中，數(shù)據(jù)處理的任務(wù)主要有兩個(gè)部分，分別是矩陣鍵盤的散列轉(zhuǎn)換和脈寬轉(zhuǎn)換為角度的處理。散列轉(zhuǎn)換是指鍵盤分別接收到不同的按鍵信息后，分別轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字或者相應(yīng)的操作。脈寬與角度的滿足線性關(guān)系（圖4.2），角度記為，脈寬記為w。圖4.2 脈寬角度關(guān)系圖脈寬與角度的處理包含2個(gè)部分，一是將脈寬信號(hào)轉(zhuǎn)化為角度并用液晶顯示器顯示出來，另一部分是將輸入的角度轉(zhuǎn)換為脈寬信號(hào)。在將脈寬轉(zhuǎn)換為角度的時(shí)候，因?yàn)轱@示的角度是整數(shù)，顯示部分采取下限取整（如80.0°80.9°顯示為80）。需要指出的是，在程序內(nèi)部，使用的脈寬單位為us，故轉(zhuǎn)換公式如下：=0.09*w

23、 -90°脈寬信號(hào)在程序內(nèi)部采用的是整數(shù)（即10002000us），在將輸入的角度轉(zhuǎn)換為脈寬信號(hào)時(shí)，采取的約法是四舍五入（如1500.3=1500,1500.6=1501）。轉(zhuǎn)換公式如下：w=（+90）*1000）*1.1111+0.55. 仿真與調(diào)試5.1. 硬件電路的仿真設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中的硬件電路仿真設(shè)計(jì)，主要是運(yùn)用英國(guó)Labcenter electronics公司開發(fā)的 EDA工具軟件Protues，Protues是一款非常優(yōu)秀的仿真軟件，能支持當(dāng)前主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真并有豐富的軟件調(diào)試功能。下面對(duì)主要的硬件電路仿真作介紹和分析。首先是系統(tǒng)PWM信號(hào)的產(chǎn)生，因?yàn)楫a(chǎn)生的是脈沖信號(hào)，

24、所以選用2個(gè)虛擬示波器查看單片機(jī)定時(shí)器產(chǎn)生的波形與大小；然后使用LCD1602來模擬液晶顯示器的顯示，4*4按鍵模擬矩陣鍵盤（仿真圖見附錄圖1）。下圖（圖5.1）為2路舵機(jī)脈沖信號(hào)圖。圖5.1 2路舵機(jī)脈沖信號(hào)圖5.2. 單片機(jī)的程序調(diào)試由于單片機(jī)程序采用C語(yǔ)言編寫，因而程序的調(diào)試比較簡(jiǎn)單。使用Keil uVision3提供了豐富的調(diào)試工具，使調(diào)試進(jìn)行的非常順利，最后通過編譯并生成了hex可執(zhí)行文件（部分調(diào)試圖見附錄圖2）。6. 總結(jié)本課題利用單片機(jī)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)2路脈沖信號(hào)的輸出，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的功能，完成了本課題的主要內(nèi)容：機(jī)器人關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。由于制作工藝水平的有限，使得本次設(shè)

25、計(jì)中電路系統(tǒng)做得比較簡(jiǎn)易與粗糙，由于時(shí)間緊迫，未能完成更高等的目標(biāo)與任務(wù)。然而，在有限的時(shí)間內(nèi)，我努力掌握了舵機(jī)的控制方式，整體把握了機(jī)器人關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)思路，完成了從設(shè)計(jì)硬件電路、單片機(jī)程序到實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的整個(gè)過程。在實(shí)驗(yàn)過程中，我學(xué)習(xí)了Keil、Potues和Altium Designer軟件的基本功能，并掌握了一些基本的使用方法。在前期收集資料的過程中，從網(wǎng)上和前輩們的論文中搜集到了很多不同的多路PWM脈沖信號(hào)的控制方法，使我從不同的角度深入的了解舵機(jī)的控制方法，這對(duì)我本次實(shí)驗(yàn)的軟件設(shè)計(jì)脈沖信號(hào)部分有很大的借鑒和參考意義。雖然這次軟件設(shè)計(jì)過程中，林林總總換了三、四種脈沖型號(hào)產(chǎn)生方案，在作過幾

26、種方法的穩(wěn)定性與操作難度的比較之后，最終決定使用定時(shí)器方式來完成脈沖信號(hào)的產(chǎn)生。畢業(yè)設(shè)計(jì)是一個(gè)回顧與理順舊知識(shí)，不斷的吸收新知識(shí)的過程。在這個(gè)過程中，我深深感覺到自己的不足，連每一次的失敗都顯得是那么的珍貴，都會(huì)給我以深刻的啟迪。雖然在以后不一定會(huì)有機(jī)會(huì)從事單片機(jī)相關(guān)的工作，但是這個(gè)過程的努力和汗水，思維和方法都會(huì)是我寶貴的人生財(cái)富。致 謝在論文的完成過程中，得到了院系的支持。尤其感謝曲培新老師的精心指導(dǎo)和幫助，感謝曲師在百忙之中的辛苦指點(diǎn)，給予我無(wú)盡的啟迪。在論文即將完成之際，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意！附錄11、硬件電路仿真圖附圖 1： 硬件電路仿真圖2、軟件調(diào)試圖附圖2：軟件調(diào)試圖附錄2附

27、錄3主要單片機(jī)程序代碼：/* 現(xiàn)在系統(tǒng)中需要2個(gè)舵機(jī)的控制，采用的控制方式是改變單片機(jī)的一個(gè)定時(shí)器中斷的初值，對(duì)于每一個(gè)舵機(jī)來說，是將20ms分為三次中斷執(zhí)行，一次短定時(shí)中斷和兩次長(zhǎng)定時(shí)中斷。這樣既節(jié)省了硬件電路，也減少了軟件開銷，控制系統(tǒng)工作效率和控制精度都很高。具體的設(shè)計(jì)過程：例如想讓舵機(jī)轉(zhuǎn)向左極限的角度，它的正脈沖為2ms，則負(fù)脈沖為20ms-2ms=18ms，所以開始時(shí)在控制口發(fā)送高電平，然后設(shè)置定時(shí)器在2ms后發(fā)生中斷，中斷發(fā)生后，在中斷程序里將控制口改為低電平，并關(guān)閉短中斷，再過18ms進(jìn)入下一次定時(shí)長(zhǎng)中斷，再將控制口改為高電平，打開短中斷并將定時(shí)器初值改為2ms，等待下次中斷到來

28、，如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)輸出到舵機(jī)。用修改定時(shí)器中斷初值的方法巧妙形成了脈沖信號(hào)，調(diào)整時(shí)間段的寬度便可使伺服機(jī)靈活運(yùn)動(dòng)為保證軟件在定時(shí)中斷里采集其他信號(hào)，并且使發(fā)生PWM信號(hào)的程序不影響中斷程序的運(yùn)行(如果這些程序所占用時(shí)間過長(zhǎng)，有可能會(huì)發(fā)生中斷程序還未結(jié)束，下次中斷又到來的后果)，所以需要將采集信號(hào)的函數(shù)放在長(zhǎng)定時(shí)中斷過程中執(zhí)行，也就是說每經(jīng)過兩次中斷執(zhí)行一次這些程序，執(zhí)行的周期還是20ms。*/#include < reg52.h > #include <intrins.h> #include <duoji.h>#include <duoji.c>/1ms-2ms 步進(jìn)為1ns，1000步 1/1000的分辨率unsigned char TIM0H1; unsigned char TIM0L1; unsigned char flag=1;unsigned char TIM0H2;unsigned char TIM0L2;void in