基于51單片機的三自由度氣動機械手控制系統的設計

陳林祥，王正初

（臺州學院 機械工程學院，浙江 臺州 318000）

0 引言

機械手是在自動化生產過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，是在機械化、自動化生產過程中發展起來的一種新型裝置。機械手是近些年發展起來的一種高端科技自動化生產設備，是工業機器人的一個重要分支。它的特點是可以通過編程來完成各種預期的作業任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優點。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產率。近年來，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到應用，特別在機械行業中它可用于零部件組裝，加工工件的搬運、裝卸等等。

1 3自由度氣動機械手結構及其控制系統要求

3自由度氣動機械手機構如圖1 所示。3 自由度分別是指機械手的順時針和逆時針旋轉，機械手的水平伸縮，機械手的垂直運動，同時還能控制機械手手爪的張開和閉合。機械手旋轉是靠控制步進電機來來帶動，步進電機裝在基座上，機械手水平、垂直以及手爪的打開和閉合，是靠電磁閥控制氣缸來驅動。三個氣缸分別裝在機械手手臂水平位置、垂直位置以及手爪上?？刂葡到y的基本要求為：能獨立控制各個關節；具有示教功能，機械手能進行自動運行；步進電機速度可調；系統分別采用本地控制和上下位機結構形式的控制。

圖1 3 自由度氣動機械手結構Fig.1 Structure of 3 degree freedom pneumatic robotic arm

2 控制系統硬件設計

本文設計了以stc89c52rc 單片機核心控制系統硬件電路，系統的硬件框圖和單片機IO 端口分配分別如圖2和表1 所示。為減少編程工作，系統采用獨立的按鍵。主要包括電機正反轉控制按鍵、電機調速按鍵、三個電磁閥獨立控制按鍵、數據存儲按鍵、系統學習按鍵、演示按鍵等等。E2PROM 采用了ATMEL24C08，主要存儲系統示教過程的相關數據，液晶屏采用1602，繼電器主要是為驅動電磁閥。系統采用的電源主要包括5V 和24V 兩種，其中24V 的電源主要用于驅動電磁閥和步進電機，其余均采用5V 電源。

圖2 控制系統結構框圖Fig.2 Block diagram of control system

表1 單片機端口分配Tab.1Mcuportassignment

3 控制系統軟件設計

根據所需要實現的功能，將整個系統劃分為三種狀態：點動狀態、學習狀態、示教狀態。按下狀態切換鍵，能實現各個狀態的切換。在點動狀態下，可實現機械手與步進電機的點動運行，即按下按鍵實現機械手順時針和逆時針點動運行，如果長按鍵能實現機械手順時針和逆時針連續旋轉。還能實現機械手水平運動，垂直運動以及機械手手爪張開和閉合；在學習狀態下可保存繼電器的狀態參數以及步進電機的位置參數，在液晶屏中能顯示保存參數的個數；在示教狀態可以實現繼電器及步進電機依次回放學習狀態所保存的一系列動作。程序編寫采用模塊化方式，即對各個模塊單獨調試，調試完成后，考慮如何用最小系統把各個部分有效串聯起來，最終將各個模塊串聯起來，達到控制要求。

系統軟件的主程序包括程序初始化和主循環。初始化主要針對定時器、AT24C08、繼電器、液晶顯示等硬件進行初始化。軟件部分主程序主要包括系統初始化程序、步進電機控制程序、學習保存（外部中斷）程序、按鍵處理程序、液晶顯示程序、示教程序和上下位機串口中斷程序等等。主程序流程如圖3 所示。定時器T0 中斷主要用于按鍵定時掃描、步進電機發脈沖等等。定時器T1則用于串口中斷。在系統初始化的時候，將 TMOD =0x21，SCON=0X50，設置波特率9600，所以將TH1=TL1=0xFD，設定串行口工作方式1 允許接收。下位機采用串口中斷實現，串行通信部分通信協議詳見表2。上下位機通訊時，將上位機傳送下來的數據用htd ()函數將十六進制轉換為十進制，然后采用switch 語句，將不同的數對應不同的操作。系統的上位機采用VB 軟件來實現，上位機的界面如圖4 所示。

表2 系統上下位機通訊協議Tab.2System communication protocolofupper-lowercomputer

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flow chart of main program

圖4 上位機控制界面Fig.4 Control interface of upper computer

4 結束語

三自由度機械手采用單片機直接控制，可以在本地用按鍵操作和PC 機進行控制，提高了機械手操作的靈活性，提供了一種新的機械手的控制系統實現方法。

[1]蔡振江.單片機原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2008.

[2]馬忠梅.單片機的C 語言應用程序設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，1998.

[3]周航慈.單片機應用程序設計技術[M].北京航空航天大學出版社，2002.

[4]索雪松.傳感器與信號處理電路[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[5]李華.單片機實用接口技術[M].北京:北京航空航天大學出版社，2002.