王 晴

應(yīng)用單片機進行多自由度機械臂控制系統(tǒng)設(shè)計

王 晴

（江西青年職業(yè)學院，江西 南昌 330033）

機器人（臂）是機械技術(shù)、電子技術(shù)和信息技術(shù)有機結(jié)合的產(chǎn)物。機械臂的優(yōu)點眾多，其中最為顯著的是其精確性和高效性。而要實現(xiàn)這些優(yōu)點，作為機械臂的大腦——機械臂的控制系統(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，以單片機作為控制系統(tǒng)也變得更為簡單和方便。介紹了基于單片機（STC12C5A60S2）采用脈沖調(diào)制技術(shù)（PWM）控制舵機達到控制多自由機械臂的工作原理以及控制系統(tǒng)的設(shè)計（包括硬件電路設(shè)計和C語言進行軟件設(shè)計），為今后開發(fā)更加復(fù)雜且功能更為強大的現(xiàn)代機械臂奠定了基礎(chǔ)。

單片機；機械臂；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)與移動互聯(lián)網(wǎng)之間創(chuàng)新融合步伐的不斷加快，發(fā)達國家紛紛做出戰(zhàn)略部署，搶占機器人產(chǎn)業(yè)制高點。機器人（臂）是機械技術(shù)、電子技術(shù)和信息技術(shù)有機結(jié)合的產(chǎn)物，在現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用機械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感測試技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、軟件編程技術(shù)以及人體仿生學技術(shù)等群體技術(shù)，實現(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)機械手或多自由度的機械裝置，能自動執(zhí)行工作，靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)設(shè)計功能。它既可接受人類指揮，也可按照預(yù)先編排的指令程序運行，先進的工業(yè)機器人能夠根據(jù)人工智能技術(shù)制定的原則綱領(lǐng)行動。

二、80C51單片機

單片機[1]是一種集成在一塊電路芯片上的完整計算機系統(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、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、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)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

1.單片機的構(gòu)成

單片機是由中央處理器和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（8051芯片共有256個RAM單元，但能供用戶使用的寄存器只有前面128個單元，簡稱這128個單元為內(nèi)部RAM。內(nèi)部ROM從功能和用途上又分為三個不同區(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)部程序存儲器（8 051片內(nèi)有4KB的程序儲存單元，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.單片機的優(yōu)點

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

三、硬件電路的設(shè)計

1.舵機驅(qū)動電路的設(shè)計[2-3]

相對于其他元器件來說，由于舵機需要更大電流來驅(qū)動其正常運轉(zhuǎn)，如果其供電電路和控制器電路共用同一個5V電源，則會影響控制電路單片機的正常工作，導(dǎo)致舵機精度缺失，達不到和PWM信號同步的效果。故舵機的驅(qū)動電路采用獨立電源供電，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 舵機驅(qū)動電路

2.串口通訊電路

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

圖2 串口通訊電路原理圖

四、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.舵機PMM信號

脈沖寬度調(diào)制（PWM）是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。舵機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波形是一個周期1mS的標準方波。

（3）要求連續(xù)供給PWM信號，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[6-7]結(jié)合本實驗，得出了評價PWM信號生成是否合理的4個原則：

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

原則二：實現(xiàn)多路PWM信號的輸出。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PWM信號控制，而是輸出多個PWM信號協(xié)同控制。如果一個控制系統(tǒng)只能輸出單一的PWM信號，那么這樣的控制系統(tǒng)產(chǎn)生PWM信號的方法也就是沒有任何意義。

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

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

2.PWM信號的輸出

8951單片機數(shù)據(jù)分辨率為256，經(jīng)過舵機極限參數(shù)實驗，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轉(zhuǎn)動與定位。舵機可以轉(zhuǎn)動180o，180o÷250=0.72o，則：舵機的控制精度為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 = 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)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具uVision3。Keil C51標準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，同時保留了匯編語言代碼高效、快速的特點。Proteus和Keil uVision2二者配合使用，通過相應(yīng)的設(shè)置可實現(xiàn)Keil和Protues的聯(lián)合調(diào)試，即在Keil平臺下調(diào)試程序，在Protues平臺下觀看調(diào)試后的結(jié)果。

2.系統(tǒng)調(diào)試

先在KeiL中，可以發(fā)現(xiàn)程序在語法上的錯誤，進行反復(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

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

[1]郭天祥.新概念51單片機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.基于無刷直流電機的舵機試驗器研制[J].電機與控制應(yīng)用，2006，（01）：41-46.

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

[4]林躍，梁立容，王鳳等.基于STC12C5A60S2的無人機遙控器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2017，（08）：212-216.

[5]馬貝，田瑞明，周野等.基于電感感測的自動循跡小車的設(shè)計[J].計算機與數(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變流器在礦用電動運煤車中的應(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)在水文遙測終端中的應(yīng)用[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，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)學院，副教授。

TP241;TP273

A

1008—6129（2018）03—0064—04