王 晴

應(yīng)用單片機(jī)進(jìn)行多自由度機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 晴

（江西青年職業(yè)學(xué)院，江西 南昌 330033）

機(jī)器人（臂）是機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)和信息技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。機(jī)械臂的優(yōu)點(diǎn)眾多，其中最為顯著的是其精確性和高效性。而要實(shí)現(xiàn)這些優(yōu)點(diǎn)，作為機(jī)械臂的大腦——機(jī)械臂的控制系統(tǒng)則顯得尤為重要，伴隨著微電子技術(shù)的日趨成熟和控制方法的不斷改進(jìn)，以單片機(jī)作為控制系統(tǒng)也變得更為簡單和方便。介紹了基于單片機(jī)（STC12C5A60S2）采用脈沖調(diào)制技術(shù)（PWM）控制舵機(jī)達(dá)到控制多自由機(jī)械臂的工作原理以及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（包括硬件電路設(shè)計(jì)和C語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)），為今后開發(fā)更加復(fù)雜且功能更為強(qiáng)大的現(xiàn)代機(jī)械臂奠定了基礎(chǔ)。

單片機(jī)；機(jī)械臂；控制系統(tǒng)

一、引言

近年來，隨著人工智能技術(shù)、數(shù)字化制造技術(shù)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)之間創(chuàng)新融合步伐的不斷加快，發(fā)達(dá)國家紛紛做出戰(zhàn)略部署，搶占機(jī)器人產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)。機(jī)器人（臂）是機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)和信息技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，在現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感測(cè)試技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、軟件編程技術(shù)以及人體仿生學(xué)技術(shù)等群體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高功能、高質(zhì)量、高精度、高可靠性、低能耗，是多種技術(shù)功能復(fù)合的最佳功能價(jià)值系統(tǒng)工程技術(shù)的產(chǎn)物。它是應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機(jī)械手或多自由度的機(jī)械裝置，能自動(dòng)執(zhí)行工作，靠自身動(dòng)力和控制能力來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。它既可接受人類指揮，也可按照預(yù)先編排的指令程序運(yùn)行，先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人能夠根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動(dòng)。

二、80C51單片機(jī)

單片機(jī)[1]是一種集成在一塊電路芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

1.單片機(jī)的構(gòu)成

單片機(jī)是由中央處理器和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（8051芯片共有256個(gè)RAM單元，但能供用戶使用的寄存器只有前面128個(gè)單元，簡稱這128個(gè)單元為內(nèi)部RAM。內(nèi)部ROM從功能和用途上又分為三個(gè)不同區(qū)域：工作寄存器區(qū)、位尋址區(qū)、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。）以及內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（8 051片內(nèi)有4KB的程序儲(chǔ)存單元，其地址范圍為0000H~FFFFH。用于存放程序、原始數(shù)據(jù)或表格）構(gòu)成的。

2.單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)

該單片機(jī)優(yōu)點(diǎn)眾多，如體積小、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高；控制能力強(qiáng)；低電壓、低功耗；優(yōu)異的性能/價(jià)格比等，所以適用于很多工作場(chǎng)所特別是較為惡劣的工作環(huán)境。

三、硬件電路的設(shè)計(jì)

1.舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)[2-3]

相對(duì)于其他元器件來說，由于舵機(jī)需要更大電流來驅(qū)動(dòng)其正常運(yùn)轉(zhuǎn)，如果其供電電路和控制器電路共用同一個(gè)5V電源，則會(huì)影響控制電路單片機(jī)的正常工作，導(dǎo)致舵機(jī)精度缺失，達(dá)不到和PWM信號(hào)同步的效果。故舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路采用獨(dú)立電源供電，且采用大功率開關(guān)元件，與控制器電源共地，其原理和控制電源電路基本相似，具體如圖1所示。

圖1 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2.串口通訊電路

許多外設(shè)和計(jì)算機(jī)（接口電路之間）按串行方式進(jìn)行通信。STC12C5A60S2[4-5]有2個(gè)全雙工的串行通訊口，但是由于計(jì)算機(jī)的串口是采用RS232電平，而單片機(jī)的串口是采用TTL電平，要使單片機(jī)和計(jì)算機(jī)之間可以方便地進(jìn)行串口通訊，那么兩者之間就必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路（圖2），本設(shè)計(jì)采用了專用芯片MAX232進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖2 串口通訊電路原理圖

四、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.舵機(jī)PMM信號(hào)

脈沖寬度調(diào)制（PWM）是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。舵機(jī)PWM格式應(yīng)注意：

（1）上升沿最少為0.5mS，為0.5mS-2.5mS之間。

（2）PWM波形是一個(gè)周期1mS的標(biāo)準(zhǔn)方波。

（3）要求連續(xù)供給PWM信號(hào)，這樣表現(xiàn)出來的跟隨性能很好、很緊密。

通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)[6-7]結(jié)合本實(shí)驗(yàn)，得出了評(píng)價(jià)PWM信號(hào)生成是否合理的4個(gè)原則：

原則一：PWM信號(hào)周期的適應(yīng)性。現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，不同的控制系統(tǒng)需要產(chǎn)生不同周期的PWM信號(hào)，只有PWM信號(hào)周期具有可調(diào)性，PWM信號(hào)才能被廣泛應(yīng)用。

原則二：實(shí)現(xiàn)多路PWM信號(hào)的輸出。在大多數(shù)的控制系統(tǒng)中，往往需要的不僅僅是輸出單個(gè)PWM信號(hào)控制，而是輸出多個(gè)PWM信號(hào)協(xié)同控制。如果一個(gè)控制系統(tǒng)只能輸出單一的PWM信號(hào)，那么這樣的控制系統(tǒng)產(chǎn)生PWM信號(hào)的方法也就是沒有任何意義。

原則三：多路PWM信號(hào)同步性。多路PWM控制信號(hào)的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)輸出的同時(shí)，還要多路控制信號(hào)的同步輸出才能實(shí)現(xiàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)控制，這樣才能實(shí)現(xiàn)控制多自由度機(jī)械臂的意義。

原則四：PWM信號(hào)的豐富性。對(duì)于同一種周期的PWM信號(hào)，我們往往需要通過實(shí)時(shí)的改變占空比，去實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)對(duì)平均電壓的分配，才能控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制的控制作用，體現(xiàn)PWM輸出控制的意義。

2.PWM信號(hào)的輸出

8951單片機(jī)數(shù)據(jù)分辨率為256，經(jīng)過舵機(jī)極限參數(shù)實(shí)驗(yàn)，得到應(yīng)該將其劃分為250份。0.5mS-2.5mS的寬度為2mS = 2000uS。2000uS÷250=8uS則：PWM的控制精度為8uS，可以以8uS為單位遞增控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)與定位。舵機(jī)可以轉(zhuǎn)動(dòng)180o，180o÷250=0.72o，則：舵機(jī)的控制精度為0.72o?？刂扑璧腜WM寬度為0.5mS-2.5mS，寬度2mS。2mS÷250=8uS；所以得出：PWM信號(hào) = 1o/8uS。

五、控制系統(tǒng)的調(diào)試

1.集成開發(fā)環(huán)境Keil和Protues

Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，提供了豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具uVision3。Keil C51標(biāo)準(zhǔn)C編譯器為8051微控制器的軟件開發(fā)提供了C語言環(huán)境，同時(shí)保留了匯編語言代碼高效、快速的特點(diǎn)。Proteus和Keil uVision2二者配合使用，通過相應(yīng)的設(shè)置可實(shí)現(xiàn)Keil和Protues的聯(lián)合調(diào)試，即在Keil平臺(tái)下調(diào)試程序，在Protues平臺(tái)下觀看調(diào)試后的結(jié)果。

2.系統(tǒng)調(diào)試

先在KeiL中，可以發(fā)現(xiàn)程序在語法上的錯(cuò)誤，進(jìn)行反復(fù)修改使語句更加精簡明了；然后再在Proteus中觀察示波器（輸出的PWM波）是否為目標(biāo)波形，波形是否穩(wěn)定，通過仿真調(diào)試直到消除這些不利因素。

六、結(jié)論

機(jī)器人（臂）是機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)和信息技術(shù)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物。本論文是采用STC12C5A60S2作為主控制器系統(tǒng)，并針對(duì)舵機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)需要大電流維持的特性采用雙電源對(duì)控制系統(tǒng)和舵機(jī)分別供電，很好的解決了舵機(jī)工作時(shí)而不影響控制系統(tǒng)工作。而C語言簡單方便且可移植性強(qiáng)，通過Keil和Protues的聯(lián)合調(diào)試實(shí)現(xiàn)了機(jī)械臂抓手將工件從A轉(zhuǎn)移到B的簡單功能。因而，本論文的功能實(shí)現(xiàn)為今后開發(fā)更加復(fù)雜且功能更為強(qiáng)大的現(xiàn)代機(jī)械臂奠定了基礎(chǔ)，從而為增強(qiáng)我國現(xiàn)代制造業(yè)進(jìn)行了技術(shù)儲(chǔ)備。

[1]郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[2]馬瑞卿，劉衛(wèi)國，韓英桃.基于無刷直流電機(jī)的舵機(jī)試驗(yàn)器研制[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2006，（01）：41-46.

[3]劉陵順，王亭，顧文錦.IR2110集成驅(qū)動(dòng)電路在舵機(jī)控制中的應(yīng)用[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，（02）：228-230.

[4]林躍，梁立容，王鳳等.基于STC12C5A60S2的無人機(jī)遙控器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2017，（08）：212-216.

[5]馬貝，田瑞明，周野等.基于電感感測(cè)的自動(dòng)循跡小車的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2017，（07）：1422-1425.

[6]陳爾奎，尹曉鋼，王丙輝等.三相電壓型PWM變流器在礦用電動(dòng)運(yùn)煤車中的應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2017，（12）：192-193.

[7]陳釗，黃鳳辰，花再軍等.全數(shù)字調(diào)制技術(shù)在水文遙測(cè)終端中的應(yīng)用[J].工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2017，（06）：78-82，87.

Design of Multivariant Robot Arm Control System with Single Chip Microcomputer

WANG Qing

（Jiangxi Youth Vocational College, Nanchang, Jiangxi 330033, China）

Robotic arm is a product of the combination of mechanical technology, electronic technology and information technology. The mechanical arm has many advantages, and the most notably one is its accuracy and efficiency. To achieve these advantages, manipulator control system, the brain of a mechanical arm, is particularly important. The use of single chip microcomputer(SCM) as a control system has become more simple and convenient with the maturation of microelectronics technology and continuous improvement of control methods. The paper introduces how to control the multivariant robot arm by using pulse modulation technology (PWM) based on SCM (STC12C5A60S2) to control the servo, working principles and control system design (including hardware circuit design and software design by C language). It lays the foundation for the development of more complex and powerful modern robotic arms in the future.

SCM; robot arm; control system

2018—04—10

王晴（1977—），女，江西南昌人，江西青年職業(yè)學(xué)院，副教授。

TP241;TP273

A

1008—6129（2018）03—0064—04