電動式關節(jié)型機器人機械手的結(jié)構設計與仿真

word文檔可自由復制I編輯摘要本文簡要介紹了電動式關節(jié)型機器人機械手的概念，機械手硬件和軟件的組成，機械手各個部件的整體尺寸設計，氣動技術的特點。本文對機械手進行總體方案設計，確定了機械手的坐標形式和自由度，確定了機械手的技術參數(shù)。同時，設計了機械手的夾持式手部結(jié)構，設計了機械手的手腕結(jié)構，計算出了手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩和回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動力矩。設計了機械手的手臂結(jié)構。設計出了機械手的氣動系統(tǒng)，繪制了機械手氣壓系統(tǒng)工作原理圖，大大提高了繪圖效率和圖紙質(zhì)量，畫出了機械手的裝配圖圖。關鍵詞：工業(yè)機器人機械手電動電動式關節(jié)型機器人機械手AbstractAtfirst,thepaperintroducestheconceptionoftheindustrialrobotandtheEller.Dairyinformationofthedevelopmentbriefly.What’smore,thepaperaccountsforthebackgroundandtheprimarymissionofthetopic.Thepaperintroducesthefunction,composingandclassificationofthemanipulator,tellsoutthefree-degreeandtheformofcoordinate.Atthesametime,thepapergivesouttheprimaryspecificationparameterofthismanipulator,Thepaperdesignsthestructureofthehandandtheequipmentofthedriveofthemanipulator.Thispaperdesignsthestructureofthewrist,computestheneededmomentofthedrivewhenthewristwheelsandthemomentofthedriveofthepump.Thepaperdesignsthestructureofthearm.Thepaperinstitutestwocontrolschemesofaccordingtotheworkflowofthemanipulator.Thepaperdrawsouttheworktimesequencechartandthetrapeziumchart.KEYWORDS:Industrialrobotrobotelectricelectric-typejointsrobotmanipulator第1章緒論1.1緒言到目前為止，世界各國對“機器人機械手”還沒有做出統(tǒng)一的明確定義。通常所說的“機器人機械手”是一種能模擬人的手、臂的部分動作，按照予定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運或操縱工具的自動化裝置。而“機械手”一般具有固定的手部、固定的動作程序（或簡單可變程序）、一般用于固定工位的自動化裝置。因為國內(nèi)外稱作“機器人機械手”、“機械手”、“操作機”的這三種自動化和半自動化裝置，在技術上有某些相通之處，所以有時不易明確區(qū)分，就它們的技術特征來看，其大致區(qū)別如下?！皺C器人機械手”（IndustrailRobot）：多數(shù)是指程序可變（編）的獨立的自動抓取、搬運工件、操縱工具的裝置（國內(nèi)稱作機器人機械手或通用機械手）。“機械手”（MechanicalHand）：多數(shù)是指附屬于主機、程序固定的自動抓取、操作裝置（國內(nèi)一般稱作機械手或?qū)Ｓ脵C械手）。如自動線、自動線的上、下料，加工中心的自動換刀的自動化裝置。“操作機”（Manipulator）：一般是指由工人操縱的半自動搬運、抓取、操作裝置。如鍛造操作機或處理放射性材料、火工品的裝配等所使用的半自動化裝置。機器人機械手（IndustralRobot,簡稱IR）是1960年由《美國金屬市場》報首先使用的，但這個概念是由美國George·C·Pevol在1954年申請的專利“程序控制物料傳送裝置“時提出來的。在這專利中所記述的機器人機械手，以現(xiàn)在的眼光來看，就是示教再現(xiàn)機器人。根據(jù)這一專利，Devol與美國ConsolideControlCorp合作，于1959年研制成功采用數(shù)字控制程序自動化裝置的原型機。隨后，美國的Unimation公司和美國的機械鑄造(AMF)公司于1962年分別制造了實用的一號機，并分別取名為Unimate和Ver·satran。Unimate機器人外形類似坦克炮塔，采用極坐標結(jié)構，而Versatran機器人采用圓柱坐標結(jié)構。上述兩種機器人成為機器人結(jié)構的主流，美國通用汽車公司和福特汽車公司在其金屬冷熱加工中，采用這類機器人進行壓、鑄、沖壓等上、下料，收到了良好的效果。美國的機器人機械手技術的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個階段：1963~1967年為實驗定型階段。1963~1967年，萬能自動公司制造的機器人機械手供用戶做工藝實驗。1967年，該公司生產(chǎn)的機器人機械手定型為1900臺。1968~1970年為實驗應用階段。這一時期，機器人機械手在美國進入應用階段。例如美國通用汽車公司1968年訂購了68臺機器人機械手；1969年又自行研制出SAM型機器人機械手，并用21臺組成了點焊小汽車車身的焊接自動線。1970年至今一直出于技術發(fā)展和推廣應用階段。1970~1972年，機器人機械手處于技術發(fā)展階段。1970年4月美國在伊利斯工學院研究所召開了第一屆全國機器人機械手會議。據(jù)當時統(tǒng)計，美國已采用了大約200臺機器人機械手，工作時間共達60萬小時以上。與此同時，出現(xiàn)了所謂高級機器人，例如森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計算機控制50臺機器人機械手的系統(tǒng)。在歐洲第一臺機器人機械手是1963年瑞典Kavieldt公司發(fā)表的第一臺操作機。日本在六十年代初期就開始研制固定程序控制的機器手，并從其他各國引進了用于不同生產(chǎn)過程的機器人，并獲得迅速，很快研制出日本國產(chǎn)華的機器人機械手，技術水平很快趕上了美國并超過了其它國家，目前機器人機械手在日本已得到迅速發(fā)展并很快得到普及。我國雖然開始研制機器人機械手僅比日本晚5~6年，但由于種種原因，機器人機械手的技術發(fā)展比較慢。但目前已引起了有關方面的極大關注。除了引進、消化、仿制外，已經(jīng)具備了一定的獨立設計和研制能力。在1958年新疆維吾爾自治區(qū)成立30年大慶站展覽館展出了由新疆機械局研制的跳舞機器人《阿依古麗》。在1986年地十六屆廣交會上，成都電訊工程學院研制的第三代仿人機器人《成蓉小姐》已經(jīng)用漢語或英語向來賓問好，并能簡要的介紹的展覽產(chǎn)品及回答簡單問話。西北電訊工程學院研制的微機控制示教再現(xiàn)式機器人《西電I號》，也于1985年9月在陜西省科技貿(mào)易大會上進行了表演。此外，清華大學自動化系研制的具有視覺手眼系統(tǒng)，北京鋼鐵學院研制的焊接機器人，均已達到了較高的水平。同時，在機器人學科中的視覺、聽覺、語音合成、觸覺、計算控制以及人工智能諸領域研究，也取得了一定的進展。近幾年來的成就表明，我國機器人技術已經(jīng)邁出了可喜的一步。相信在不久的將來，我們一定回趕上世界各國前進的步伐。1.2課題工作要求啟動啟動初始化初始化手臂伸長手部下降手臂伸長手部下降手臂縮回手臂縮回夾持工件夾持工件是否夾緊？Ｎ是否夾緊？Ｙ手臂上升手腕回轉(zhuǎn)180度手腕回轉(zhuǎn)180度手臂回轉(zhuǎn)180度手臂回轉(zhuǎn)180度回到原位手爪松開回到原位手爪松開為了保證機器人在抓取工件時的精確度，我們在機器人的手部安裝了力覺傳感器。用以對機器人的檢測和監(jiān)控。該檢測系統(tǒng)運用的是閉環(huán)控制。整個抓取動作的流程見圖。圖1.1機械手的工作程序圖1.3課題基本參數(shù)的確定1、手部負重：10kg（抓取物體的形狀為圓柱體.圓柱半徑.高度自定.密度7.8g/cm3.2、自由度數(shù)：4個，沿Z軸的上下移動，繞Z軸轉(zhuǎn)動，沿X軸的伸縮，繞X軸的轉(zhuǎn)動坐標型式：圓柱坐標，其圓柱坐標型式的運動簡圖如圖所示（見圖1）最大工作半徑：1800mm，最小工作半徑1350mm手臂最高中心位置：1012mm或伺服電機上端最高行程：1387mm（見圖2）最小行程：1237mmωφXZ圖1.2手臂運動參數(shù)：伸縮行程（X）：450伸縮速度：〈250mm/s升降行程（Z）：150mm升降速度：〈60mm/s回轉(zhuǎn)范圍（φ）：0~180度回轉(zhuǎn)速度：〈70/s手腕運動參數(shù)：回轉(zhuǎn)范圍（ω）：0~180回轉(zhuǎn)速度：90/s手臂握力：由N=0.5/f*G定這里取f=0.1G=10N=0.5/f*G=50即手指握力為50定位方式：閉環(huán)伺服定位重復定位精度：±0驅(qū)動方式：電氣（伺服電機）控制方式：采用MGS-51單片微機第2章結(jié)構的設計2.1手部機構手部機構是機器人機械手直接與工件、工具等接觸的部件，它能執(zhí)行人手的部分功能。目前，根據(jù)被抓取工件、工件等的形狀、尺寸、重量、易碎性、表面粗糙度的不同，在工業(yè)生產(chǎn)中使用著多種形式的手部機構，最常見的是鉗爪式、磁吸式和氣吸式，也有少數(shù)的特殊形式。不同形式的手部機構其夾緊力的計算各有不同。鉗爪式手部機構是最常見的形式之一。手爪有兩個、三個或多個，其中兩個的最多。抓取工件的方式有兩種：外卡式和內(nèi)撐式。從其機械機構特征、外觀與功用來看，有多種形式，它們分別是：撥桿杠桿式鉗爪平行連桿式鉗爪齒輪齒條移動式鉗爪重力式鉗爪自鎖式鉗爪自動定心鉗爪抓取不同直徑工件的鉗爪具有壓力接觸銷的鉗爪抓勾與定位銷十鉗爪復雜形狀工件用的自動調(diào)整式鉗爪同時抓取一對工件的鉗爪與內(nèi)撐式三指鉗爪特殊式手指鉗爪同時對鉗爪的選用也非常重要，應考慮以下幾個方面：應具有足夠的夾緊力，這樣才能防止工件在移動過程中脫落，一般夾緊力為工件重量的2到3倍。應具有足夠的張開角，來適應它抓取和松開工件之間較大的直徑范圍，而且夾持工件中心位置變化要?。炊ㄎ徽`差?。哂凶銐虻膹姸群蛣偠龋悦獬惺茉谶\動過程中產(chǎn)生的慣性力和震動的影響。應能保證工件的可靠定位應適應被抓取對象的要求盡可能具有一定的通用性夾持式手部結(jié)構由手指(或手爪)和傳力機構所組成。其傳力結(jié)構形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。2.1.1手指的形狀和分類夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指;同理，當二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型。回轉(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結(jié)構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。2.1.2設計時考慮的幾個問題(一)具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。(二)手指間應具有一定的開閉角兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。(三)保證工件準確定位為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。(四)具有足夠的強度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結(jié)構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。(五)考慮被抓取對象的要求根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結(jié)構是一支點，兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型，其結(jié)構如附圖所示。2.1.3手部夾緊的設計1、手部驅(qū)動力計算本課題電動機械手的手部結(jié)構如圖2-1所示：圖2-1齒輪齒條式手部此處刪減NNNNNNNNNNNNNNNN字需要整套設計請聯(lián)系q：99872184。第3章控制系統(tǒng)設計由于微型計算機具有體積小，可靠性高，靈活性強，易于配置，功能豐富及價格便宜等特點，采用微型計算機對工業(yè)機器人進行控制，已經(jīng)成為當今機器人控制技術研究和發(fā)展的主流。機械手的控制系統(tǒng)，原則上可分為點位控制與連續(xù)軌跡控制兩大類。點位控制只要求按規(guī)定精度從起始點到達預定點，而對移動路徑不做要求。連續(xù)軌跡不僅與運動的起點與終點有關，還必須保證運動軌跡與設計軌跡一致。因此，在連續(xù)軌跡控制中要進行軌跡設計，并對任意運動軌跡進行補插（補間）運算。為了機器人運動平穩(wěn)，就必須保證機器人的運動速度、加速度連續(xù)，這無疑也需要進行復雜的運算。微型計算機對機器人的控制，一般采用分層控制的方法。第一層為最高層，其任務是識別工作空間，并據(jù)此決定如何完成給定的任務；第二層是決策層，其任務是將給定的操作分成基本的運動；第三層是策略層，其工能是將基本的運動轉(zhuǎn)化成各自由度的運動；第四層是執(zhí)行層，它將控制機器人完成各自由度的運動。其中第一層及第二層屬于人工智能的范疇，機器人的控制主要是研究第三、第四層。微型計算機種類很多，一般均由以下三部分組成。A.中央處理器CPU，或稱微處理器MPU。B.內(nèi)存儲器，即主記憶裝置ROM及RAM。C.輸入輸出裝置I/O，或稱接口裝置，聯(lián)系這些裝置的為三條總線，即數(shù)據(jù)總線DB，地址總線AB及控制總線CB。不同型號的微型計算機主要是中央處理器CPU的內(nèi)容的功能不同，因而有不同的指令系統(tǒng)和匯編語言。由于外部設備之不同以及是否用于實時控制，其I/O接口裝置因而很大差異。RAM和ROM的存儲量大小直接影響計算機的應用范圍。但一般微型計算機都可以在原有存儲量的基礎上加以擴充。本機器人的控制系統(tǒng)的組織結(jié)構如圖3-1。它由主CPU板、I/O板、控制面板、示教盒、伺服板、和穩(wěn)壓電源板等組成。I/O端口及I/O端口及電平轉(zhuǎn)換電路輔助運算回路RAMROM8031CPU輔助運算回路RAMROM8031CPU控制板伺服板控制板機器人伺服控制電路讀位置電路串行中斷電路串行通訊電路機器人伺服控制電路讀位置電路串行中斷電路串行通訊電路示教盒脈沖分配電路示教盒脈沖分配電路圖3-1控制系統(tǒng)組織結(jié)構圖主CPU板是本控制器的核心，其上有CPU、存儲器、多級中斷控制電路、脈沖分配電路、讀位置電路以及串行通訊電路等，完成系統(tǒng)的管理、控制運算、伺服系統(tǒng)控制和仿置檢測等控制功能以及與示教盒、控制板的通訊。I/O接口板主要負責輸入輸出和監(jiān)測各種故障報警的輸入信號。伺服板共8塊，負責完成四個軸的位置環(huán)速度環(huán)和電流環(huán)的伺服控制。本次控制系統(tǒng)設計主要設計CPU、ROM和RAM中斷處理電路示教盒以及串行通訊電路鍵盤顯示電路這幾個部分。1.CPU與存儲器CPU采用8031微處理器地址譯碼器內(nèi)存RAM和EPROM以及鎖存器組成。8031的結(jié)構1）寄存器堆8031中有12個通用寄存器，6個專用寄存器，兩個累加器和兩個標志寄存器。由于寄存器很多，故稱其為堆。它們各個單元不是以序號作為地址號，而是以其名稱作為地址號。它們?nèi)庆o態(tài)RAM實現(xiàn)。各寄存器的功能如下：堆棧指示器SP：它是一個8位的專用寄存器。用以指示堆棧區(qū)的最上面的存儲單元的地址，即棧頂?shù)刂?。堆棧指示器是在計算機中接受中斷要求而去處理某些外部設備提出的請求時需要用到的寄存器。系統(tǒng)復位后，SP初始化為07H，使得堆棧事實由08H單元開始?？紤]到08H~1FH單元分屬與工作寄存器區(qū)1~3，若程序設計中要用到這些區(qū)，則最好把SP值改置為1FH或更大值。由于棧指針是一個8位的專用寄存器，其值可由軟件改變，因此在內(nèi)部RAM中的位置比較靈活。響應中斷或子程序調(diào)用時，發(fā)生入棧操作，入棧的是16位PC值，PSW并不自動入棧。在指令系統(tǒng)中有棧操作指令PUSH（壓入）和POP（彈出），如有必要，中斷時可用把PSW的內(nèi)容壓入堆棧，加以保護，返回前用POP指令恢復。除用軟件直接改變SP值外，在執(zhí)行PUSH、POP、各種程序調(diào)用、中斷響應、子程序返回RETI等指令時，SP值將自動增量或減量。變址寄存器IX及IY：它們能將其內(nèi)容加減一個稱作偏移量的數(shù)，以達到一個新的地址。中斷向量地址寄存器IV：這個寄存器用以存放中斷服務子程序的入口地址。存儲器刷新寄存器R：8031可以使用動態(tài)存儲器。刷新存儲器是再生時進行計數(shù)用的。特殊功能寄存器SFR：8031單片機片內(nèi)的SFR與存儲器是獨立的，但它能像訪問內(nèi)部RAM一樣被訪問。8031單片機具有21個特殊功能寄存器，可分為3個16位寄存器和15個8位寄存器。這些寄存器分散地分布在片內(nèi)RAM的高128字節(jié)地址80H~FFH，訪問這些專用寄存器僅允許使用直接尋址的方式。寄存器并未占滿80H~FFH整個地址空間，對空閑地址的操作是無意義的。片內(nèi)的SFR能綜合的實時反映整個單片機基本系統(tǒng)內(nèi)部的工作狀態(tài)及工作方式。因此，它是非常重要的。對單片機應用者來說，掌握個各SFR的工作狀態(tài)，工作方式，從而實現(xiàn)對整個單片機系統(tǒng)的控制具有重要的意義。表3-1列出了個SFR的名稱幾地址。·ACC累加器0E0H·BB寄存器0F0H·PSW程序狀態(tài)字堆棧指針0D0HSP堆棧指針81HDPTR數(shù)據(jù)指針（包括DPH和（DPL）口083H和82H·P0口080H·P1口190H·P2口20A0H·P3口30B0H·IP中斷優(yōu)先級控制0B8H·IE允許中斷控制0A8HTMOD定時器/計數(shù)器方式控制89H·TCON定時器/計數(shù)器控制88H+·T2CON定時器/計數(shù)器2控制0C8HTH0定時器/計數(shù)器控制0（高位字節(jié)）8CHTL0定時器/計數(shù)器控制0（低位字節(jié)）8AHTH1定時器/計數(shù)器控制1（高位字節(jié)）8DHTL1定時器/計數(shù)器控制1（低位字節(jié)）8BH+TH2定時器/計數(shù)器控制2（高位字節(jié)）0CDH+TL2定時器/計數(shù)器控制2（低位字節(jié)）0CCH+RLDH定時器/計數(shù)器控制2自動再裝載（高位字節(jié)）0CBH+RLDL定時器/計數(shù)器控制2自動再裝載（低位字節(jié)）0CAH·SCON串行控制98HSBUF串行數(shù)據(jù)緩沖器99HPCON電源控制97H數(shù)據(jù)指針DPTR（83H，82H）：數(shù)據(jù)指針DPTR是一個16位專用寄存器，其高位字節(jié)寄存器用DPH表示，低位字節(jié)寄存器用DPL表示。即可以作為16位寄存器DPTR來處理，也可以作為2個獨立的8位寄存器DPH和DPL來處理。DPTR主要用來保持16位地址，當64KB外部數(shù)據(jù)存儲空間尋址時，可作為間接寄存器用。這時有兩條傳送指令MOVXA，@DPTR和MOVX@DPTR,A。在訪問程序存儲器時，DPTR可用作基址寄存器，這時采用一條基址+變址尋址方式的指令MOVCA，@+DPTR,常用于讀取存放在程序存儲器內(nèi)的表格數(shù)據(jù)。2）8031的引腳功能8031為40引腳芯片如圖3-4，按其功能可分為三個部分：I/O口線：P0，P1，P2，P3共4個8位口。P0（雙向I/O）口（39~32腳）：P0口既可作地址/數(shù)據(jù)總線使用，又可作通用I/O口用。P1（準雙向I/O）口（1~8腳）：P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向I/O端口。P2（準雙向I/O）口（21~28腳）：在結(jié)構上，P2口比P1口多了一個輸出轉(zhuǎn)換控制部分。當轉(zhuǎn)換開關倒向左面時，P2口作通用的I/O端口用，是一個準雙向口。P3（雙功能）（10~17腳）：P3口是一個多用途的端口。b.控制信號引腳：PSEN（片外取指控制），ALE（地地鎖存控制），EA（片外存儲器選擇），RESET（復位控制）。c.電源及時鐘：Vcc，Vss，XTAL1，XTAL2。其應用特性：a.I/O口線不能都用作用戶I/O口線。b.I/O口的驅(qū)動能力，P0口可驅(qū)動8個TTL門電路，P1、P2、P3則只能驅(qū)動4個TTL門。c.P3口是雙重功能口，其功能如圖3-5所示。P3.0:RXD(串行輸入口);P3.1:TXD(串行輸出口);P3.2:INT0(外部中斷0輸入線);P3.3:INT1(外部中斷1輸入線);P3.4:T0(T0外部記數(shù)脈沖輸入線);P3.5:T1(T1外部記數(shù)脈沖輸入線);P3.6:WR(外部RAM寫選通脈沖輸出線);P3.7:RD(外部RAM讀選通脈沖輸出線)。譯碼器采用74LS138（8205），它具有以下特性：能作為I/O口或存儲器地址選擇器，擴充簡便，有輸入選擇端，采用了遵肖特基雙極型工藝，最大延遲為18ns，連接與TTL邏輯電路兼容，低電平輸入負載電流最大為0.25A,是標準TTL輸入負載的1/6。INTEL8205譯碼器可以擴充那些輸入口、輸出口和帶有低電平有效的片選輸入存儲器件的系統(tǒng)。當8205被片選時，它的八個輸出端之一變“低”，于是存儲器系統(tǒng)的一行被選中。對于擴大的系統(tǒng)，可把8205級聯(lián)系起來，使得每一譯碼器能驅(qū)動8個譯碼器，可任意擴充存儲器。8205的邏輯符號、引腳排列，選通和譯碼真值表如下：引腳說明：A0~A2為選址輸入，E1~E3為選通允許輸入（既片選），O0~O7為譯碼輸出。8205譯碼真值表如下：地址選通允許輸出A0A1A2E1E2E301234567－－－－－＋－＋＋＋＋＋＋＋＋－－－－＋＋－＋＋＋＋＋＋－＋－－－＋＋＋－＋＋＋＋＋＋＋－－－＋＋＋＋－＋＋＋＋－－＋－－＋＋＋＋＋－＋＋＋＋－＋－－＋＋＋＋＋＋－＋＋－＋＋－－＋＋＋＋＋＋＋－＋＋＋＋－－＋＋＋＋＋＋＋＋＋地址選通允許輸出A0A1A2E0E1E201234567×××－－－＋＋＋＋＋＋＋＋×××＋－－＋＋＋＋＋＋＋＋×××－＋－＋＋＋＋＋＋＋＋×××＋＋－＋＋＋＋＋＋＋＋×××＋－＋＋＋＋＋＋＋＋＋×××－＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋×××＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋鎖存器采用74LS373：它的作用是把輸入信號鎖存起來，一直保持到選通信號來取出信息。其工作原理：當鎖存允許端為高電平時，Q端跟隨D端變化；當鎖存允許由高變低時，將此變化前一瞬時輸入鎖存，此后輸入（D）不會影響輸出（Q）直至鎖存允許為高電平，E是讀選通脈沖。應當注意在讀期間鎖存允許不能變化。鎖存允許信號通常取自譯碼器和R/W線，地址譯碼有時需3到15級門延遲，來防止讀鎖存。數(shù)據(jù)存儲器采用6264（8K×8），一共采用3塊6264，故RAM為24K，除了作為系統(tǒng)參數(shù)工作區(qū)，標志單元外，主要用作用戶程序存儲區(qū)，為了保存RAM的內(nèi)容，一旦斷電，保證RAM中的用戶程序不會丟失，故采用電池利用CE2引腳的掉電保護裝置在此也得到了應用，具體內(nèi)容在后詳講，這里不再敘述。6264靜態(tài)RAM的技術性能為：一組三態(tài)輸出引腳作為輸入/輸出公共引腳，輸入/輸出與TTL電路兼容，A0~A12為地址總線，I/O0~I/O7為數(shù)據(jù)輸入/輸出，CE1為片選1，CE2為片選2，WE為寫選通，OE為讀選通。WECE1CE2OE方式D0~D7×高××未選中高阻××低×未選中高阻高低高高禁止輸出高阻高低高低讀D輸出低低高高寫D輸入低低高低寫D輸入6264引腳排列如下：EPROM讀存儲器采用2764（8K×8），一共3塊，達到24字節(jié)，它的技術性能。存取速度快，功耗低，編程簡單，采用雙線控制，全靜態(tài)方式，采用單一+5V電源。EPROM一個很好的特點就是把輸出元件控制（OE）和片選控制（CE）分開，保證了其良好接口特性。對于EPROM的工作方式簡述說明如下：1）.讀方式：EPROM有兩種控制功能，兩者邏輯上部滿足能夠按次序在輸出方面獲得數(shù)據(jù)的要求。片選（CE）是電源控制方面，用于器件的選擇。輸出允許（OE）是輸出控制方面，用作數(shù)據(jù)到輸出引腳的選通信號，它與器件選擇無關。2）.維持方式：在維持方式時，器件功耗從有效功耗減少到靜態(tài)維持功能。EPROM時一個TTL高電平信號加到CE輸入端而建立維持方式的。當處于維持方式時，輸出端均為高阻狀態(tài)與OE輸入無關。3）.編程方式：2764進入編程方式時，Vpp在12.5V且OE和PGM都在TTL低電平、被編程的8位數(shù)據(jù)以并行方式送到數(shù)據(jù)輸出引腳。地址和數(shù)據(jù)輸入所需電平都為TTL。2764的引腳圖：在主機2764（Ⅰ）的起始地址為0000H~1FFFH；2764（Ⅱ）的起始地址為2000H~3FFFH；2764（Ⅲ）的起始地址為4000H~5FFFH；6264（Ⅰ）的起始地址為6000H~7FFFH；6264（Ⅱ）的起始地址為8000H~9FFFH；6264（Ⅲ）的起始地址為8000H~9FFFH；在示教盒中，2764的起始地址為0000H~1FFFH；2.中斷處理電路本控制系統(tǒng)中采用8259中斷控制器來實現(xiàn)系統(tǒng)多重中斷的優(yōu)先排隊和中斷申請?zhí)幚怼?259具有多中工作方式，可通過編程設定或變更它的工作方式。CPU響應中斷時，8259A能自動提供中斷入口地址，而使CPU轉(zhuǎn)問相應的中斷處理程序。中斷入口地址可由用戶設定，入口地址可以選定在任何存儲單元。8259A的引腳，功能說明如下：CS片選WR寫RD讀CAS0~CAS2級聯(lián)線SP/EN從片/開啟緩沖器INT中斷IR0~IR7中斷請求INTA中斷響應A0地址線（1）.數(shù)據(jù)總線緩沖器：是三態(tài)，雙向8位緩沖器，外部引腳D0~D7用于和CPU的數(shù)據(jù)總線相連，CPU通過數(shù)據(jù)緩沖器向8259A傳送命令碼，成從8259A讀聯(lián)狀態(tài)字。在中斷響應時，8259通過數(shù)據(jù)總線緩沖器問CPU提供CALL指令的操作碼（11001101）和調(diào)用子程序入口地址高8位和低8位。（2）.中斷申請寄存器（IRR）：用來寄存所有從中斷申請輸入線（IR0~IR7）輸入的中斷申請信號，當IR0~IR7中任何一條申請線上開為高電平時，IRR中相應的位置位。（3）.優(yōu)先級分辨器（PR）：用于確定中斷申請寄存器（IRR）中個中斷申請位的優(yōu)先級。IR0~IR7的優(yōu)先級可由CPU編程設定。（4）.控制邏輯根據(jù)CPU對8259編程設定的工作方式產(chǎn)生8259A控制信號，并在適當?shù)臅r候?qū)PU發(fā)生中斷申請信號INT請求CPU響應。INTA是來自CPU的中斷響應信號。當CPU進入中斷響應周期，送來第一個INTA脈沖時，8259的控制邏輯一方面把CALL指令操作碼（11001101）經(jīng)D0~D7送上數(shù)據(jù)線供CPU讀入指令寄存器。另一方面又把優(yōu)先級分辨器從IRR中選出的具有最高優(yōu)先級的中斷中請存入服務狀態(tài)寄存器（ISR）。以確定對應的服務程序入口地址，CPU在讀到CALL指令操作碼后，由于這是一條3字節(jié)指令,因此繼續(xù)發(fā)來兩個INTA的脈沖信號，在第二個INTA脈沖到來時，控制邏輯把被響應的中斷申請所對應的服務程序入口地址的低8位送上數(shù)據(jù)總線，當?shù)谌齻€INAT脈沖到來時，則提供服務的程序入口地址高8位，然后CPU執(zhí)行調(diào)用指令CALL，轉(zhuǎn)到相應的服務程序入口地址。在中斷服務結(jié)束，CPU送來的中斷結(jié)束（EOL）和特殊中斷結(jié)束（SEOL）命令碼時，控制邏輯服務狀態(tài)寄存器中的IS位復位。（3）.讀、寫邏輯暈高來接受CPU的控制信號，使來自CPU的初始化命令字（ZCW）和操作命令字（OCW）存入8259A內(nèi)部相應的寄存器中，用以規(guī)定8259的工作方式，也CPU讀取8259A內(nèi)部狀態(tài)信息，有關引腳功能如下：CS：片選線。當CS=0時，8259A被選中，允許CPU對8259A進行讀、寫操作。WR：寫信號。當WR=0時允許CPU把命令字（ICW和OCW）寫入8259。RD：讀信號RD=0時，允許8259A將中斷申請寄存器（IRR），服務狀態(tài)寄存器（ISR），中斷屏蔽寄存器（IMR）和中斷級的BCD碼送上數(shù)據(jù)總線供CPU讀取。A0：地址線。這個輸入信號同WR、RD信號一起用來確定命令所需寫入的各種命令寄存器?；蛑付–PU要讀出的狀態(tài)信息寄存器。（4）.級聯(lián)緩沖器/比較器：當8259A為主器件時（SP=1），CAS0~CAS2為輸出線，在CPU響應中斷時，用來表示級聯(lián)代碼，選出申請中斷的從器件，這是被選的從器件將在下兩個接連出現(xiàn)的INTA脈沖期間，把預先編好的中斷服務程序入口地址代送上數(shù)據(jù)總線。當8259A為從器件時（SP=0），CAS0~CAS2為輸入線，接收主器件送來的選擇代碼。8259A的操作控制和工作原理：A0、WR、RD、CS的控制作用，表3-2表示了在控制引腳不同的電平狀態(tài)下的操作控制狀態(tài)。表A0、WR、RD、CS的控制作用A0D4D3RDWRCS輸出操作0010IRR、ISR或中斷級BCD碼數(shù)據(jù)總線1010IMR數(shù)據(jù)總線輸入操作000100數(shù)據(jù)總線OCW2寄存器001100數(shù)據(jù)總線OCW3寄存器01×100數(shù)據(jù)總線ICW11××100數(shù)據(jù)總線OCW1，ICW2，ICW3對IRRISR或中斷級的BCD碼的選擇，決定于在此讀出操作之前，CPU寫入的操作命令OCW3的內(nèi)容。這寫命令的輸入順序由芯片的時序邏輯以適當?shù)臅r序加以排列。8259A的工作過程及中斷應答時序：8259按下列順序管理外圍設備的中斷申請：（1）當在IR0~IR7的中斷申請輸入端上由一個或多個輸入出現(xiàn)高電平時，IRR中的個對應為被置1，表明已經(jīng)由外圍設備提出中斷申請。（2）8259A在接受這些中斷申請，并分辨優(yōu)先級的同時，向CPU發(fā)出INT脈沖作為應答。（3）若CPU處于“中斷允許”的情況下，在收到INTA信號后應向8259A發(fā)出INTA脈沖作為應答。（4）當8259A接收來自CPU的第一個脈沖（INTA）時，便使ISR的最高優(yōu)先級相應位置1，而將IRR中于之對應的位置0，并送一條CALL指令碼（11001101）至數(shù)據(jù)總線。（5）當CPU讀到這個CALL指令后便發(fā)出兩個INTA脈沖至8259A。（6）這后兩個INTA脈沖促使8259把一個預先編程的16位地址傳到數(shù)據(jù)總線上（分兩次送出，先低8位后高位）。這個地址就是中斷服務程序的入口地址。（7）當執(zhí)行完上述的3字節(jié)調(diào)用指令后，便轉(zhuǎn)移至執(zhí)行外設中斷服務子程序。在子程序執(zhí)行期間，其相應的ISR位一直保持位1，只有在子程序的末尾，在8259A收到一個EOL（中斷結(jié)束）命令時，才使相應的ISR復位。中斷應答時序如圖所示：IRINTINTADB8259的編程與命令控制字：8259編程時，要設定初始化命令字ICW和操作命令字OCW。在8259啟動之前，必須送入2~4個字節(jié)的ICW1、ICW2用來設置中斷服務程序的16位入口地址。ICW的D4位時特征位，當D4=1，且A0=0時，8259就會識別出它時初始化命令字ICW1，將其存入相當?shù)募拇嫫?，并啟動初始化時序。在初始化命令字進入8259A之后，8259A就準備好接收來自IR輸入線的中斷申請信號。但是，在8259A工作期間CPU可以通過操作命令OCW命令8259A完成不同方式的操作。8259A共有三種操作命令字：OCW1、OCW2、OCW3，這三個操作命令字是依靠A0和OCW中的D4、D3特征位來區(qū)別的。OCW命令字可在初始化后的任何時刻寫入，下面分別介紹在不同的操作命令字的控制下8259A的工作方式：（1）無OCW的操作方式。在完成初始化程序命令送入后，如果沒有任何OCW操作命令字寫入，則8259A以全嵌套的操作方式響應來自IR輸入線的中斷申請信號，中斷申請的優(yōu)先級被定位IR0~IR7（IR0的優(yōu)先級最高）。當中斷被響應時，中斷申請寄存器IRR中優(yōu)先級最高的申請信號被選出，并被存入服務狀態(tài)寄存器，ISR相應的IS位（IS0~IS7）被置位。在CPU有服務程序返回之前，保持置位直到CPU發(fā)出一個中斷結(jié)束命令（EOL）為止。（2）OCW1的操作方式：CPU可以通過操作命令字OCW1來分別屏蔽每一個中斷申請。OCW1的格式如圖：當Mn=1則相應的IRn被屏蔽1M7M6M5M4M3M2M1M1M7M中斷屏蔽1=設置屏蔽中斷屏蔽1=設置屏蔽2=清除屏蔽（3）OCW2的操作方式：OCW2操作命令字用于控制8259A的循環(huán)優(yōu)先方式和中斷結(jié)束，OCW2中的R位用來設定循環(huán)優(yōu)先方式。當R=0時，8259A以不循環(huán)的優(yōu)先方式操作。IR0~IR7的優(yōu)先權時固定的。當R=1時，8259A被設定以循環(huán)優(yōu)先方式操作。（4）OCW3的操作方式：操作命令字OCW3用來設定特殊屏蔽方式和指定將要讀出的寄存器。3．8279鍵盤、顯示8279芯片是一種通用的可編程序的鍵盤、顯示接口器件，單個芯片就能完成鍵盤輸入和LED顯示控制兩種功能，鍵盤部分提供的掃描方式，可以和具有64個按鍵成傳感器的陣列相連，能自動消除開關抖動以及n鍵同時按下的保護。顯示部分按掃描方式工作，可以顯示8或16位LED顯示塊。8279電路工作原理如下：（1）.I/O控制及數(shù)據(jù)緩沖器，數(shù)據(jù)緩沖器是雙向緩沖器，連接內(nèi)、外總線，用于傳送CPU和8279之間的命令或數(shù)據(jù)。I/O控制線是CPU對8279進行控制的引線。CS是8279的片選信號，當CS=0時，8279才被允許讀出或?qū)懭胄畔?。WR、RD為來自CPU的讀、寫控制信號。A0用于區(qū)別信息特性：A0=1時，表示數(shù)據(jù)緩沖器輸入為指令，輸出為狀態(tài)字，A0=0時，輸入、輸出皆為數(shù)據(jù)。（2）控制與定時寄存器及定時控制，控制與定時器用來寄存鍵盤及顯示的工作方式，以及由CPU編程的其它操作方式。這些寄存器一旦接收并鎖存送來的命令就通過譯碼產(chǎn)生相應的信號，從而完成相應的控制功能。定時控制包含基本訂數(shù)鍵。首級計數(shù)器是一個可編程的N級計數(shù)器。N可以2~31之間由軟件編程，以便從外界時鐘CLK分頻得到內(nèi)部所需要的100KHZ時鐘，然后再經(jīng)過分頻，為鍵盤掃描提供適當?shù)闹鹦袙呙桀l率和顯示時間。（3）.掃描計數(shù)器有兩種工作方式，按編程碼方式工作時，計數(shù)器做二進制計數(shù)。4位計數(shù)狀態(tài)從掃描線SL0~SL3輸出，經(jīng)外部譯碼器譯碼后，為鍵盤和顯示器提供掃描線；按譯碼器工作方式時，掃描計數(shù)器的最后二位被譯碼后，從SL0~SL3輸出。因此，SL0~SL3提供了4中取1的掃描譯碼。（4）.回復緩沖器：鍵盤去抖及控制來自RL0~RL7的8根回復線的回復信號，由回復緩沖器緩沖并鎖存。在鍵盤工作方式中，回復線作為行列式鍵盤的行列輸入線。在逐行掃描時，回復線用來搜尋每一行列中閉合的鍵。當某一鍵閉合時，去抖電路被置位，延時等待100ms后，在檢驗該鍵是否閉合，并將該鍵的地址和附加的位移、控制狀態(tài)一起形成鍵盤數(shù)據(jù)被送入8279內(nèi)部FIF0（先進先出）存儲器。8279的引腳及功能如圖所示：D0~D7（數(shù)據(jù)總線）：雙向、三態(tài)總線和系統(tǒng)數(shù)據(jù)相連，用于CPU和8279間的數(shù)據(jù)/命令傳送。CLK（系統(tǒng)時鐘）：輸入線，為8279提供內(nèi)部時鐘的輸入端。RESET（復位）：輸入線，當RESET=1時，8279復位，其復位狀態(tài)為：16字符顯示，編碼掃描鍵盤-雙鍵鎖定。CS（片選）：輸入線，當CS=0時8279被選中，允許CPU對其讀、寫，否則被顯示。A0（數(shù)據(jù)選擇）：輸入線，當A0=1時CPU寫入數(shù)據(jù)為命令字，讀出數(shù)據(jù)為狀態(tài)字，A0=0時CPU讀、寫的字節(jié)均為數(shù)據(jù)。RD、WR（讀、寫信號）：輸入線，低電平有效，來自CPU的控制信號，控制8279的讀、寫操作。IRQ（中斷申請）：輸出線。高電平有效。SL0~SL3（掃描線）：輸出線。用來掃描鍵盤和顯示器，它們可以編程設定為編碼（4中取1）或譯碼輸出。RL0~RL7（回復線矩陣或傳感器矩陣的列（或行）信號輸出線。SHIFT（移位信號）：輸出線，高電平有效，該輸入信號是8279鍵盤數(shù)據(jù)的次高位。CNTL/STB（控制/選通）：輸入線，高電平有效。OUTA0~OUTA3（A組顯示信號）：輸出線這兩組都是顯OUTB0~OUTB3（B組顯示信號）：輸出線示信號輸出線，與多位數(shù)字顯示的掃描線SL0~SL3同步。BD（顯示消隱）：輸出線，低電平有效，該信號在數(shù)字切換顯示或使用消隱命令時，將顯示消隱。LED顯示及顯示器接口：LED顯示器的結(jié)構與原理：LED顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字端的顯示器件，在單片機應用系統(tǒng)中通常使用的是七段LED，這種顯示塊有共陰極與供陽極之分，共陰極LED顯示塊的發(fā)光二極管陰極共地，如圖（a）當某個發(fā)光二極管的陽極為高電平時，發(fā)光二極管點亮共陽極LED顯示塊的發(fā)光二極管陽極并接如圖（b）所示通常的七段LED顯示塊中共有八個發(fā)光二極管，故也有人叫做八段顯示塊，其中七個發(fā)光二極管構成七筆字形“8”，一個發(fā)光二極管構成小數(shù)點。七段二極管與單8279接口很容易，這要將3.8譯碼器中8位并行口與顯示塊的發(fā)光二極管引腳相連即可。8位并行輸出口輸出不同的字節(jié)數(shù)據(jù)即可獲得不同的數(shù)字或字符。通常將控制發(fā)光二極管的8位字節(jié)數(shù)據(jù)為段選碼。共陽極與共陰極的段選碼互為補數(shù)。LED在靜態(tài)顯示下，共陰極或共陽極點連接在一起接地或+5V。鍵盤：是為了控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以及向系統(tǒng)中輸入數(shù)據(jù)，行列式鍵盤又叫做矩陣式鍵盤。用I/O口線組成行、列結(jié)構，按鍵設置在行、列的交點上。行列線分別連接到按鍵開關的兩端。當航線通過上拉電阻接+5V時，被鉗為在高電平狀態(tài)。鍵盤中有無按鍵按下時由列線送如全掃描字、行線讀入行線狀態(tài)來判斷的，當有鍵按下時，8279送出中斷信號，請求CPU進行按鍵處理。機器人的示教系統(tǒng)：系統(tǒng)采用示教盒示教機器人的作業(yè)信息，通過串行通行將示教信息送到CPU進行處理，形成用戶程序，供再現(xiàn)解釋執(zhí)行。用戶程序的記述為了盡可能使系統(tǒng)簡化，將作業(yè)任務以規(guī)定的字符表示，通過示教盒的按鍵輸入到主機中。示教信息的表示和存儲機器人的作業(yè)任務是以步為單位示教的，在一步中，可能示教一種或12種功能，在執(zhí)行時，執(zhí)行哪一步需要根據(jù)當前步的內(nèi)容和條件加以判斷因此一步中的內(nèi)容屬于隨機文件，應以定長結(jié)構存儲。示教系統(tǒng)的硬件示教盒體積很小，重量輕，時最小的微機系統(tǒng)，電路簡單，有與主件的硬件相似，有微機處理器8031、內(nèi)存RAM和EPROM以及存器組成ROM為2764A，占有空間8K×8，RAM為6264占有空間8K×8，鎖存器為74LS373，除了有鍵盤掃描與顯示電路之外，還有串行通訊電路，實現(xiàn)與主CPU板串行通訊，采用RS-232C接口電平調(diào)整芯片完成串行通行電路。RS-232信號線提供15m以內(nèi)單端線路的單間數(shù)據(jù)傳輸，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為20KB/s，邏輯口電平必須超過5V，不能高于15V。邏輯1電平必須低于-5V，但不能低于-15V。目前，RS-232C與TTL的電平轉(zhuǎn)換最常用的芯片是1488、1489，其作用除了電平調(diào)整外，還實現(xiàn)正負邏輯電平的轉(zhuǎn)換。1488由于3個與非門和1個反相器構成，供電電壓為±15V或±12V，輸入為TTL電平，輸出為RS-232C電平。1489由4個反相器組成，輸入為RS-232C電平，輸出為TTL電平，電源電壓為+5V。1489中每一個反向器都由一個控制端，既可以作為RS-232C操作的控制端，也可以把它接到電壓源上，用來改變輸入門限特性。器作用除了電平調(diào)整外還實現(xiàn)正負邏輯電平的轉(zhuǎn)換。如果一旦停電，主機里面的程序就會丟失，為了避免這一結(jié)構，故采用6264芯片的CE2引腳，進行掉電保護，通常正常工作時，須將此引腳保持高電平，當把該引腳拉至小于或等于0.2V時，RAM進入保護狀態(tài)，利用CE2引腳進行掉電保護的電路圖如下：圖中U1、U2為電壓比較器，穩(wěn)壓管提供了一個基準電壓Vr（Vr=3.5V）。故當Vcc為+5V時，在R4上的分壓大于Vr，使U2輸出高電壓，這時U4輸出高電平，故CE2輸出為高電平，使6264RAM處于工作狀態(tài)，主機即可對RAM進行存取。當電源掉電時，Vcc開始下降，當滿足以下條件時：R4*Vcc／（R4+R3）∥（R5+R6）≥VrU2輸出低電平，通過U5、U6使CE輸出≤0.2V，RAM進入數(shù)據(jù)保護狀態(tài)，按圖中所給參數(shù)計算，當Vcc降到4.7V時，U3輸出為低電平。若Vcc繼續(xù)下降到小于E時，使D2截止，D1導通，這時E作為備用電池使用。當單片機系統(tǒng)重新加電時，Vcc由零變到+5V，U2的輸出端會出現(xiàn)瞬間干擾脈沖，由于U3和U4間電路的積分延時（約0.7RC），CE不會立即開到高電平。從而抑制了干擾脈沖，抵擋延時結(jié)束時，電源電壓已穩(wěn)定在+5V，使CE2成為高電平，6264轉(zhuǎn)為工作狀態(tài)，單片機可對其進行讀/寫。圖中U3~U6為一塊CMOS回旋密特與非門（CD4093），該芯片直接由備用電源供電，這樣才能保證掉電后使CE2≤0.2V，并且重新上電時CE2不受電源電壓缺變的干擾。比較器U1、U2由Vcc供電，U1為后備電源E的電壓監(jiān)測電路，當備份電池耗至3.5V以下，發(fā)光二極管發(fā)亮，表示要更換電池，備份電源可用5號電池或鋰電池。另則主機8031上采用了掉電保護，用555與P1.0,RST與Vcc連接起來實現(xiàn)。對于8259A可編程中斷控制器編程實例：設8259A為完全嵌套工作方式。中斷入口地址間隔為4個字節(jié)，IR0的入口地址為0260H時，則8259A的初始化程序如下：CLREA8031CPU禁止中斷MOVR0，#00H送ICW1（A0=0，CS=0A0=0）MOVA，#76H（0111011013），設ICW1命令字MOVX@R0，AICW1命令字送入8259AMOVR0，#01H，送ICW2（A0=1，CS=A0=0）MOVA，#02H，中斷入口的高8字節(jié)地址為02HMOVX@R0，A，送ICW2命令字入8259ASETBEA，8031CPU中斷允許SETBIT0，8031選擇INT0為負跳變觸發(fā)SETBEX0，8031允許INT0中斷8259A中斷服務程序流程圖如下：程序清單如下：ORG0003HINTO:PUSHPSW，保護現(xiàn)場