摘 要本次設計采用工業(yè)模型機器人，以機械手為例，完成生產中的一整套流程。設計內容有：硬件設計、軟件設計、仿真、實物調試四個部分組成。機器人在運動過程中主要通過電機運行過程中的限位開光和對開關計數(shù)來實現(xiàn)對機器人具體位置的檢測與控制，以單片機的匯編語言為核心，外加直流電機驅動芯片，通過在線下載功能，在程序設計時能不斷的修改，通過不斷的實驗直至精確的控制機器人運動。關鍵詞： 機器人模型 單片機 直流電機AbstractThis design USES industrial robots to model robot as an example, the complete set production process. Contents: design of hardware design, software design and simulation and real debugging four parts. Robot in athletic process, mainly through the motor running process of the dedication and limit switch count to achieve robot location of test and control, with MCU assembly language as the core, plus dc motor drive chip, through online download function in program design, can unceasing revision, through continuous experiment until the precise control robot movement.Keywords: robot model MCU DC motor 目 錄引言-3一、硬件電路的設計-31.1總體設計-31.1.1 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能-31.1.2 方案的選擇與比較-31.1.3 系統(tǒng)總體結構布局-41.2 CPU模塊-41.2.1 STC12C5410AD單片機簡介-41.2.2與8051單片機的結構功能比較-51.2.3 單片機的應用-61.3串口模塊-61.3.1 串口簡介-61.3.2 與單片機連接硬件原理與分析-71.4驅動電機模塊-71.4.1 L298N芯片簡介-71.4.2 芯片工作原理分析-71.4.3直流電機驅動原理-8二、軟件設計-10 2.1機器人模型-102.2初始化設計-102.3 延時-112.4機器人的運動具體運動方向和軌跡-11三、仿真、調試以及出現(xiàn)的問題-12四、總結評價-13謝詞-13參考文獻-13附錄-14附錄一：復雜方案電路原理圖-14附錄二：現(xiàn)行方案電路原理圖-15附錄三：元器件清單-16附錄四：PCB印刷圖-17附錄五：實物圖-17附錄六：電路板與機器人連接圖-18附錄七：程序清單-19引 言現(xiàn)代超大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展和不斷完善，各種新穎的單片機層出不窮，使得單片機在工業(yè)控制領域也因某些功能用于其他控制器而被廣泛的應用。機器人是機械技術、電子技術、傳感技術、控制工程等多種學科相互滲透,緊密結合的典型機電一體化技術緊密型高新技術產品。隨著工廠自動化、家庭自動化、辦公自動化、國防武器裝備自動化的發(fā)展和需要，機器人將越來越成為其必不可缺的“執(zhí)行者”。直流電機體積小、重量輕、操作簡單等特點安裝在機器人的各個運動關節(jié)。將直流電機安裝在機器人的運動關節(jié)，再加上限位開關、計數(shù)開關，以單片機為核心編寫程序，驅動直流電機動作，直流電機帶動機器人運動，即可完成一整套運動。一、 硬件電路的設計1.1總體設計1.1.1系統(tǒng)實現(xiàn)的功能通過單片機編程，控制直流電機芯片驅動機器人的運動。制作一個機器人驅動程序，機器組成部分包括：四個直流電機，四個限位開關，四個計數(shù)開關；運動方式包括：水平左右旋轉，上下升降，手臂伸長與收縮，機械手夾緊與放松。左右旋轉、上下升降、手臂伸縮、機械手夾放，分別由四個電機的正傳與反轉控制。1.1.2方案的選擇與比較方案中主要是單片機的接口問題和驅動電機芯片的驅動能力問題。（1）驅動芯片的選擇：對于L298N直流電機驅動芯片應用最為廣泛。該芯片可驅動電機范圍+2.5V-+46V，而機器人上安裝的電機5-9V，因此滿足驅動要求。每個芯片中有兩路電機驅動模塊，則設計中只要用到兩塊芯片就足夠。因此電路中選定兩片L298N芯片。（2）單片機的選擇比較分析：對于本次設計的機器人，只帶有限位開關和計數(shù)開關，而大多數(shù)的機器人為了運行時能準確定位，都采用AD采樣技術。為能做到一板多用的功能，因次選擇AT89C51與AD0809組合，考慮到四個限位開關，四個計數(shù)開關則就要占用單片機八個腳，在加上每個電機芯片要占用七個管腳，在加上AD0809芯片控制采樣占用15個口，單片機的接線口就不夠用，根據(jù)L298N芯片內部電路的分析，驅動一個電機的運行，兩個輸入端必須是相反，因此加入74LS04芯片，減少電機驅動模塊占用單片機的接口數(shù)。這種設計雖然都滿足了電路的要求，但在PCB的制作上，無法布出單層板。因此改用新型的單片機STC帶AD系列，不僅能滿足上述要求，還節(jié)省了AD0809和74LS04芯片，而且STC系列單片機有ISP/IAP功能，無需專用編程器。因此確定選用的單片機型號為STC12C5410AD。1.1.3系統(tǒng)整體結構布局系統(tǒng)所需功能電路是以單片機作為控制核心，配以電子元件構成。采用單片機控制的優(yōu)點是電路簡潔，控制精確，可靠性高。圖1 總體系統(tǒng)框圖1.2 CPU模塊1.2.1STC12C5410AD單片機簡介STC12C5410系列單片機是單時鐘/機器周期（1T）的兼容8051內核單片機，是高速/低功耗的新一代8051單片機，全新的流水線/漸漸的指令集結構，內部集成MAX810專用復位電路。1.特點：（1）增強型1T流水線/精簡指令集結構8051CPU（2）工作電壓：5.5V-3.4V（5V單片機）/3.8V-2.0V（3V單片機）（3）工作頻率范圍0-35MHZ，相當于普通8051的0-420MHZ，實際工作頻率可達48MHZ（4）用戶應用程序空間12K/8K/6K/4K/2K字節(jié)（5）片上集成512字節(jié)RAM（6）通用I/O口，復位后為準雙向/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口）可設置成四種模式：準雙向口/弱上啦，推挽/強上拉，僅為輸入/高阻，開漏每個I/O口驅動功率均可達20mA,但整個芯片最大不得超過55mA（7）ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應用可編程），無需專用編程器（8）EEPROM功能（9）看門狗（10）內部集成MAX810專用復位電路（外部晶振20M下時，可省外部復位電路）（11）時鐘源：外部高精度晶體/時鐘，內部R/C振蕩器用戶在下載用戶程序時，可選擇是使用內部R/C振蕩器還是外部晶振/時鐘常溫下內部R/C振蕩器頻率為：5.2MHZ-6.8MHZ精度要求不高時可選擇內部時鐘，但因為有溫漂，應認為是4MHZ-8MHZ（12）共2個16位定時器/計數(shù)器（13）外部中斷2路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，POWER DOWN模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒（14）PWM(4路)/PCA(可編程計數(shù)器陣列)，也可用來實現(xiàn)4個定時器也可用來實現(xiàn)4個定時器或4個外部中斷（上升中斷/下降沿中斷均可支持）(15）ADC,10位精度ADC，共8路（16）通用異步串行口(UART)（17）SPI同步通信口，主模式/從模式（18）工作溫度范圍：0-75/-40-+851.2.2與8051單片機的結構功能比較圖2 STC12C5410AD單片機管腳排列 圖3 AT89C51單片機管腳排列 STC12C5410AD單片芯片相比傳統(tǒng)的8051沒有P0口，但是卻有8051的所有功能 ，例如定時/計數(shù)、并行I/O口、串行口等，而且增加了P1口的AD功能，P1口即可作為普通I/O口，也可最為AD輸入口，是對8051單片機的繼承和發(fā)展。1.2.3 單片機的應用單片機作為核心元件，雖然內部帶有復位和晶振，但是為了使單片機工作安全可靠，電路中加入了晶振電路、復位電路。將單片機的P1.0-P1.3做為AD采樣口，P1.4-P1.7做為電機芯片控制口，將P2口最為電機芯片的輸入口，P3口則為限位開關與技術開關檢測口。單片機的所有管腳都得到應用。圖4 單片機硬件接線圖1.3 串口模塊1.3.1 串口簡介STC12C5410AD 系列單片機具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性，ISP 的好處是：省去購買通用編程器，單片機在用戶系統(tǒng)上即可下載/ 燒錄用戶程序，而無須將單片機從已生產好的產品上拆下，再用通用編程器將程序代碼燒錄進單片機內部。1.3.2 與單片機連接硬件原理與分析在線下載主要運用電平轉換芯片STC232芯片與單片機P3.0、P3.1連接進行通訊，在運用串口與電腦端的連接，將程序直接燒至單片機內。圖5 STC232接線圖1.4驅動芯片模塊1.4.1 L298N芯片簡介 L298N管腳排列如圖6：圖6 L298N芯片管腳排列 由圖可知：L298N芯片中有兩個驅動模塊，可同時驅動兩塊電機。1.4.2芯片工作原理分析芯片內部結構如圖7：圖7 L298N芯片內部原理結構 L298N芯片的工作原理：由圖可知ENA為第一塊驅動的控制口，與IN1,IN2通過三極管共同控制OUT1/OUT2的輸出，假設左邊這塊電路中的上面兩個三極管由左至右分別為V1,V2,下面的兩個三極管從左至右分別為V3,V4。V1的基極=IN1*ENA，V3的基極=IN1(非)*ENA,V2的基極=IN2*ENA,V4的基極=IN2(非)*ENA。例如：ENA=0，由上述公式的V1,V2,V3,V4的基極都為0，則V1的發(fā)射極為0，V3的集電極為0，則OUT1=0，V2發(fā)射極為0，V4的基極為0，則OUT2=0；ENA=1，IN1=1，IN2=0,則V1發(fā)射極為1，V3的集電極為0，則OUT1=1,V2的發(fā)射極為0，V4的集電極為0，則OUT2=0則電機正轉；ENA=1,IN1=0,IN2=1,則V1發(fā)射極為0，V3的集電極為1，則OUT1=0，V2的發(fā)射極為1，V4的集電極為0，則OUT2=0則電機反轉。ENB工作原理相同。1.4.3直流電機驅動原理驅動直流電機只要通過控制電機正反轉來控制機器人的運行狀態(tài)，驅動控制原理為H橋原理，如圖8：圖8 電機驅動H橋原理以機械手手臂伸縮為例：假設控制電機的兩個控制線分別標為1線，2線，1線高電平為正傳，2線高電平為反轉。當電機的控制線1線與電路中的1腳相連，2線與2腳相連，K1開關閉合，則電機正傳；當電機的控制線2線與電路中的1腳相連，1線與2腳相連，K2開關閉合，則電機反轉。如圖9：輸入端與控制口接單片機口，輸出口接電機，在通過單片機內部程序控制電機的運行。圖9 L298N電機驅動接線圖二、 軟件設計2.1機器人模型本次設計以及其模型機械手為例，進行軟件編程及演示。模型如圖10：圖10 機器人模型圖2.2初始化開始時，單片機系統(tǒng)要進行初始化和自檢。按照設計要求，通電后系統(tǒng)要進行自檢，而單片機開始運行必須先進行初始化。因此程序開始的第一步就是初始化，初始化主要是針對單片機的程序設計特點進行一些必要的控制設定，為程序運行做好準備。流程如圖11：圖11 初始化流程 2.3延時延時的第一次運用：在程序中，為了說明初始化程序已運行結束，則加入了一段延時程序，暫停機器人運動，表示即將進入正式運行工作。延時的第二次運用：在此次設計中，是通過電機的運行帶動齒輪運作，在齒輪控制旋轉，每轉動一圈，碰到四次計數(shù)開關，在碰觸過程中就涉及到了去抖動問題。2.4機器人的運動具體運動方向和軌跡流程圖：圖12 機器人運動流程 三、 仿真、調試以及出現(xiàn)的問題在進行實物調試過程中，碰到以下問題：（1）計數(shù)開關問題：由于在仿真時涉及到計數(shù)開關，過程中必須手動的關、開按鈕，因此仿真時只設置3次測試對錯。當程序設置完好之后，進行實物調試時，計數(shù)開關確最多最能工作一次，后來發(fā)現(xiàn)，在仿真的時候，沒考慮到按鍵去抖動的問題，在調試實物中沒有去抖動則無法實現(xiàn)控制。（2）在線下載問題：由于串口有公、母之分，而以前設計中未用過這種串口。導致安裝全部完成之后，無法下載。后來經(jīng)過示波器測量發(fā)現(xiàn)管腳接錯，在進行改正之后，實現(xiàn)了在線下載。（3）具體運行時的精確控制問題：根據(jù)具體物體放置的高度、大小要控制機器人下降的高度、身體旋轉的幅度以及機械手夾緊的幅度大小。通過實物運行不斷修改程序中的計數(shù)值的大小，以實現(xiàn)準確控制。四、 總結評價花了一兩個月時間，畢業(yè)設計總算完成了。通過這次畢業(yè)設計，學到不少東西，也加深了理論學習。在學校學的只是基礎，很多的東西還需要在深入學習。通過在設計硬件電路對STC12C5410AD單片機的了解，軟件上與AT89C51系列單片機的編程原理相同。及后計好軟件流程，就開始按照流程圖編寫代碼了。有流程圖輔助，加上單片機仿真軟件PROTEUS的輔佐，編程就比較容易。這里面編寫代碼模式都是一樣的，也是非常簡單的。完成了硬件和軟件，接下來要做的就是調試和參數(shù)測試。調試部分是個考驗電路知識的環(huán)節(jié)，通過反反復復的修改、調試，直到最后達到設計要求的目標。參考文獻1 楊寧，胡學軍.單片機與控制技術M，北京:北京航空航天大學出版社.20052林志琦等.基于PROTEUS的單片機可視化軟硬件仿真M，北京:北京航空航天大學出版社.20063 先鋒工作室.單片機程序設計實例M. 北京：清華大學出版社.2003.4 （美）邁克普瑞德科著；宗光華，李大寨譯.器人控制器與程序設計M.北京：科學出版社.20045 潘家壽.機器人在先進鑄造生產中的應用A.第八屆中國鑄造協(xié)會年會論文集C.20086 席裕庚, 陳衛(wèi)東. 機器人向智能化的發(fā)展及其關鍵技術 A. 05中國自動化產業(yè)高峰會議暨中國企業(yè)自動化和信息化建設論壇論文集 C.2005附錄一：現(xiàn)行方案電路原理圖附錄二：復雜方案電路原理圖附錄三：元件清單附錄四：附錄五：實物圖附錄六：電路板與機器人連接圖附錄七：單片機源程序：ORG 0000H;假設一號電機控制手臂前進和后退;假設二號電機控制柱體左右運行 ;假設三號電機控制機械手夾緊放松運行;假設四號電機控制身體上升下降MOTOR1_RUN EQU P1.6 ;一號電機運行控制口MOTOR2_RUN EQU P1.7 ;二號電機運行控制口MOTOR3_RUN EQU P1.4 ;三號電機運行控制口MOTOR4_RUN EQU P1.5 ;四號電機運行控制口MOTOR1_Z EQU P2.0 ;正轉前進MOTOR1_F EQU P2.1 ;反轉后退MOTOR2_Z EQU P2.2;正轉右轉MOTOR2_F EQU P2.3 ;反轉左轉MOTOR3_Z EQU P2.4 ;正轉夾緊MOTOR3_F EQU P2.5 ;反轉放松MOTOR4_Z EQU P2.6 ;正傳下降MOTOR4_F EQU P2.7 ;反轉上升MOTOR1_Z_STOP EQU P3.0 ;前進計數(shù)MOTOR1_F_STOP EQU P3.1 ;后退限位MOTOR2_Z_STOP EQU P3.2 ;右轉計數(shù)MOTOR2_F_STOP EQU P3.3 ;左轉限位MOTOR3_Z_STOP EQU P3.4 ;伸到計數(shù)MOTOR3_F_STOP EQU P3.5 ;縮到最短MOTOR4_Z_STOP EQU P1.2 ;下降計數(shù)MOTOR4_F_STOP EQU P1.3 ;上升限位 MOV SP,#60H;運行初始化,回歸到原點，即手臂縮到最短，身體轉到最左邊，上升在最高位，機械手最放松狀態(tài) CLR P1.4 CLR P1.5 CLR P1.6 CLR P1.7MOTOR4: JNB P1.3,MOTOR1 CLR MOTOR4_ZSETB MOTOR4_FSETB MOTOR4_RUNMOTOR1:JB P1.3,MOTOR4 CLR MOTOR4_RUN JNB P3.1,MOTOR2 CLR MOTOR1_ZSETB MOTOR1_FSETB MOTOR1_RUNMOTOR2: JB P3.1, MOTOR1 CLR MOTOR1_RUN JNB P3.3,MOTOR3 CLR MOTOR2_Z SETB MOTOR2_FSETB MOTOR2_RUN MOTOR3:JB P3.3,MOTOR2CLR MOTOR2_RUN JNB P3.5, NEXT5 CLR MOTOR3_ZSETB MOTOR3_FSETB MOTOR3_RUN JB P3.5,MOTOR3 CLR P1.4NEXT5:CLR P1.4 JB P3.1,MOTOR1 JB P3.3,MOTOR2JB P3.5,MOTOR3JB P1.3,MOTOR1;開始運行;身體轉到固定位置MOV R0,#10H D: LCALL DELAY DJNZ R0,D ;初始化完成暫停一會;身體旋轉到固定位置 MOV A,#00HBEGAIN1:LCALL TURN_RIGHTJB P3.2,BEGAIN1LCALL DELAYJB P3.2,BEGAIN1JNB P3.2,$INC A CJNE A,#10H,BEGAIN1 CLR P1.7;身體下降 MOV A,#00HBEGAIN2: LCALL TURN_DOWN JNB P1.2,BEGAIN2 LCALL DELAY JNB P1.2,BEGAIN2 JB P1.2,$ INC A CJNE A,#10H,BEGAIN2 CLR P1.5 ;手臂伸前 MOV A,#00HBEGAIN3:LCALL GO_ON JB P3.0,BEGAIN3 LCALL DELAY JB P3.0,BEGAIN3 JNB P3.0,$ INC A CJNE A,#0BH,BEGAIN3 CLR P1.6 ;機械手夾緊 MOV A,#00HBEGAIN4:LCALL TURN_SMALLJB P3.4,BEGAIN4LCALL DELAYJB P3.4,BEGAIN4JNB P3.4,$INC ACJNE A,#0BH,BEGAIN4CLR P1.4 ;身體上升BEGAIN5:LCALL TURN_UP JB P1.3,BEGAIN5 CLR P1.5;身體旋轉回原位BEGAIN6:LCALL TURN_LEFT JB P3.3,BEGAIN6 CLR P1.7;身體下降 MOV A,