基于单电机控制的机械手毕业论文.doc

目录1绪论51.1 机器人概述61.2 慧鱼创意组合模型71.2.1慧鱼模型公司简介71.2.2慧鱼设备特点91.2.3慧鱼模型应用91.3 单片机简介112 系统设计132.1 系统设计的要求与任务132.1.1 设计任务132.1.2 设计要求132.2本文的主要研究内容意义142.3 总体设计方案143 硬件设计153.1硬件设计基本框图153.2 基本流程163.3控制器的核心单片机的选型与设计183.3.1芯片引脚说明183-2单片机引脚图193.3.2单片机的I/O口结构203.3.3 A/D转换213.4上位机通信213.4.1串行通信223.4.2 RS-232223.5直流机253.5.1 直流机简介253.5.2 L293及驱动电路263.6时钟和复位电路设计283.6.1 时钟电路设计283.6.2复位电路设计293.7开关量采集电路294 软件设计304.1软件流程图304-1 软件流程图314.2 主从机信息交换流程图图314.3软件抗于扰324.3.1 输入输出的软件抗干扰324.3.2 程序执行过程中的软件抗于扰334.3.3系统的恢复37总结39致谢40主要参考文献：40附录421绪论基于单电机控制的机械手，就其本质上来说，属于工业机器人的范畴，机器人工程师近二十多年来迅速发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新研究成果，师当代科学技术发展最活跃的领域之一，也是我国科技界跟踪国际高科技发展的重要方面。工业机器人的研究、制造和应用水平，师一个国家科技水平和经济实力的象征，正受到许多国家的广泛重视。本毕业设计是基于单片机控制的机械手的设计，机械手各活动部件采用直流电机驱动，单片机发送的控制信号经过功率放大，转换后，控制直流电机转动与停止，各个电机的协调转动，完成机械手的升降，左右旋转，伸缩等功能。工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，提高劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁，单调的操作，如果没有机械手那么工人的劳动强度是很高的，有时候还要用行车员工件，生产速度大大延缓，这种情况采用机械手是很有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、反射性和其他有毒、有污染环境条件上进行操作。更显其优越性，有着广阔的发展前途。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：（一）以提高生产过程中的自动化程度应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。（二）以改善劳动条件，避免人身事故在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。（三）可以减轻人力，并便于有节奏的生产。综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。1.1 机器人概述随着机器人技术的飞速发展和信息时代的到来，机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。美国机器人协会(RIA-Robot Institute of American):“一种用于搬运材料、部件、工具或其它特种装置的可重复编程的多功能的操作机。”日本工业机器人协会(JIRA-Japanese Industrial Robot Association):“一种带有存储器件和末端执行器的通用机械，它能够通过自动化的动作替代人类劳动。”1987年国际标准化组织对工业机器人进行了统一的定义:“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。”我国科学家对机器人的定义是:“机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器”。在国外，机器人技术已经走在了前面，机器人的应用范围越来越广，使用的数量也越来越多。1968年，日本川崎重工引进美国UNIMATION公司的UNIMATE机器人制造技术，开始了日本机器人时代。1970年，在美国召开了第一届国际工业机器人学术会议，此后，机器人的研究得到迅速广泛的普及。1979年UNIMATION公司推出了PUMA系列工业机器人。到1990年已有30万台的机器人在全世界使用，其中高性能的机器人所占比例不断增加，特别是各种装配机器人的产量增加较快，和机器人配套使用的机器视觉技术和装备也得到迅速发展。进入20世纪90年代后，装配机器人及柔性装配技术进入了大发展时期。日本一直拥有全世界机器人总数的60%左右。到1998年，美国拥有机器人8万台，德国为7万多台，分别占世界机器人总数的15%和13%左右。到2000年，服役的机器人总数约100万台。我国机器人起步于70年代初期，经过20多年的发展，大致经历了3个阶段:70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的应用期。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了“示教”再现式工业机器人成套技术的开发。1986年国家高技术研究发展计划(863计划)开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，目前己基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。从90年代初期起，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。但是，由于起步较晚以及受到投入研究资金的影响，我国的工业机器人和国外还是存在较大的差距，在机器人的使用数量和使用行业领域方面还需要有很大的提高。机器人技术涉及很多学科领域，是多学科综合交叉的边缘学科，机器人技术的发展依赖于很多相关技术的进步。1.2 慧鱼创意组合模型1.2.1慧鱼模型公司简介图1-1 慧鱼创意组合模型1964年，慧鱼创意组合模型（fischertechnik。图1-1）诞生于德国，是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，是展示科学原理和技术过程的理想教具，也是体现世界最先进教育理念的学具，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计使六面都可拼接，独特的设计可实现随心所欲的组合和扩充。慧鱼创意组合模型主要有组合包、培训模型、工业模型三大系列，涵盖了机械、电子、控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科，利用工业标准的基本构件（机械元件/电气元件/气动元件），辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合，运用设计构思和实验分析，可以实现任何技术过程的还原，更可以实现工业生产和大型机械设备操作的模拟，从而为实验教学、科研创新和生产流水线可行性论证提供了可能，世界知名的德国西门子、德国宝马、美国IBM等一大批著名公司都采用慧鱼模型来论证生产流水线。慧鱼创意组合模型体现不同学科知识点的各种组合包，不仅可以应用于中小学各个年级学科教学、还可以用于大学不同专业以及研究生工程实验和技术创新活动，现在以清华大学、上海交通大学为代表的一批高校建立的慧鱼创新实验室就是利用慧鱼模型组合包系列建立的工程技术实验室，是创新教育的一个全新平台。通过慧鱼模型的使用，不仅可以让我们的孩子将多学科多领域的综合知识融会贯通于实践过程中，更重要的是培养了他们的创新意识和创新能力。创新是一个民族进步的灵魂，而慧鱼创意组合模型就是我们期待的创新教育的理想学具。1.2.2慧鱼设备特点Fischertechnik包含机械构件，电气构件和气动构件。 所有构件主料均采用优质的尼龙塑胶，辅料采用不锈钢芯 铝合金架等，采用燕尾槽插接方式连接，可实现六面拼接，多 次拆装，组合成各种教学、工业模型。模型可用电脑、PLC 或 单片机对其进行控制。用电脑控制模型时，采用LLWin 软件或 高级语言如c、c+、VB 等编程。LLWin 软件是一种图形编程 软件，简单易用，实时控制。用PLC 控制器控制模型时，采用梯形图编程。智能接口板的特点：自带微处理器。程序可在线和下载操作。用LLWin2.1，3.0或高级语言编程（vc，vb）。通过RS232串口与电脑连接。四路马达输出。八路数字信号输入。二路模拟信号输入。两接口板级联实现输入输出信号加倍。带有程序断电保护功能（新版接口）。提供LLWin2.1/3.0软件（CDROM）WINDOWS版本。软件包含17种功能模块，可任意组合编程，图形化显示，全自动联线。1.2.3慧鱼模型应用“慧鱼创意组合模型”（fishertechnik）集教具和仿真模型于一身，是科技知识启迪、创新思维训练及创新力开发的有效载体。它提供的创意结合模型拥有7个大类，集能源（包括太阳能）、机械、液压、气动、遥控、自控、程控等多种学科知识于一身，能通过学生自动动手、创意组合进行设计和装配，使用计算机接口及相关软件可使模型能进行控制运行。现已有数十所高校将“慧鱼”模型运用于实验教学环节中。如：上海交大、大连理工大学等。2001年在上海举办的全国“慧鱼”模型创意大赛上，各高校创作出了一些较好的参赛作品，充分展示了学生的动手、创新能力。随着学生知识的增长，需要应用更多的技术措施，去控制一些规模更大和构成更复杂的系统。同时，现代工业企业设备的自动化程度也越来越高，越来越多的设备被集成在系统中。而在当前实验室的环境中却不能提供相应的设备和系统，更无法构建大规模的设备集成系统。解决这一问题，对于丰富搞笑的教学实验环节有着较大的意义。“慧鱼”模型虽然提供了丰富的动手创新环境，但它的原用途只是用于搭建单体的自动模型，并不能构建较大规模的设备集成系统模型，这是它的不足之处。目前解决这一问题的方法有如下几种：慧鱼”模型的电脑控制板互连。将“慧鱼”模型的电脑控制板用互连的方法进行连接，完成单个自动模型装置互相之间的信息交互，以构成总体协调动作。如图1-2所示由三块“慧鱼”电脑板控制三个“慧鱼”模型的顺序动作过程是这样的：电脑板1控制模型1，而模型1动作结束的信号发送至电脑板2，电脑板2继续控制模型2动作，并根据要求，适时发送电脑板3工作的信号。由这种控制方式使得三个模型实现有序的连续动作。这种方式只是使用了“慧鱼”模型所提供的功能模块，但该方式与实际控制过程相差甚远。用可编程序控制器进行控制。将其输入输出信号直接连接至各个模型装置的驱动元件和传感器，进行控制，其形式如图2所示。目前“慧鱼”公司的工业系列模型即是以这种方式进行控制的。但这也并不是典型的分布式控制模式，有其局限性，且该系列模型价格较高，难以普及。图1-2 电脑控制板用互联的方法进行控制 “慧鱼”模型在高校实验室的引进使用，有效的打破了原来的实验模式，为学生创造了一个良好的动手环境，使之可以进行开放式的创造性实验，并可以在四年的时间里，衔接对应所学课程开展具有针对性的多层次应用。而我们所开展的工作，突破了“慧鱼”模型原有的控制架构模式，使之可以参照模拟实际工业控制模式对“慧鱼”模型进行控制，有效地解决了实验室无法提供的设备集成系统，可以运用实验室常见的设备(如：计算机、PLC、单片机等)来实现各种控制方式。并可以充分发挥学生的才能，将已学习过的各类知识加以串联运用，进行创意、创新、创造，去完成一个在原实验室条件下不可能实现的较大规模工业模型控制。1.3 单片机简介为适应社会发展的需要，微型计算机不断的更新换代，新产品层出不穷。在微型计算机的大家族中，近年来单片微型计算机异军突起，发展极为迅速。单片微型计算机（Single-chip Microcomputer）简称单片机。它是在一块芯片上集成中央处理器（Central Professing Unit, CPU）,随机存取存储器(Random Access Memory, RAM),只读存储器(Read Only Memory, ROM),定时计数器及I/O(Input/Output)接口电路等部件，构成一个完整的计算机。它的特点是：高性能，高速度，体积小，价格低廉，稳定可靠，因此也广泛应用于卫星定向、汽车火花控制、交通自动管理和微波炉等专用控制上。近几年来，单片机的发展更为迅速，它已渗透到诸多学科的领域，以及人们生活的各个方面。单片机应用的主要领域有以下几点：智能化仪器仪表。用单片机改造原有的测量、控制仪表，使仪器仪表数字化、多功能化和微型化，并使长期以来测量登记表中的误差修正和线性化处理等难题迎刃而解。由单片机构成的智能登记表，集测量处理控制功能于一身，从而赋予测量仪表以崭新的面貌，是仪表产品更新换代的标志。机电一体化产品。机电一体化是机械工业发展的方向，机电一体化产品是指集机械技术微电子技术和计算机技术于一体，具有智能化特性和机电产品。单片机的出现促进了机电一体化的发展，它作为机电产品中的控制器，使传统的机械产品结构简单化控制智能化，构成了新一代的机电一体化产品。例如，在电传打字机中，由于采用了单片机而取代了近千个机械部件。测控系统。用单片机可以构成各种工业控制系统自适应控制系统和数据采集系统等。例如，温度、湿度的自动控制，锅炉燃烧的自动控制和包装生产线的自动控制等。计算机网络及通信技术。高档单片机集成有通信接口，为单片机在计算机网络与通信设备中的应用提供了良好的条件。家用电器。由于单片机价格低廉，体积小，逻辑判断功能强，内部具有定时计数器，所以广泛应用于家电设备。例如：洗衣机、电冰箱、高级智能玩具、电子门铃和家用防盗报警器等，提高了自动化程度，备受人们喜爱。单片机的出现是计算技术发展上的一个重要的里程碑，它使计算机从海量数值计算进入到控制领域。近年来单片机的发展速度很快，就其发展趋势而言，应该说是大容量高性能，小容量低价格化和外围电路内装化。因此单片机会愈来愈广泛地应用于日常生活中的智能电器产品以及家电中。单片机具有以下特点:受集成度限制，片内存储容量较小，一般8位单片机的ROM小于4/8K字节，RAM小于256字节，但可在外部扩展，通常ROM、RAM可分别扩展至64K字节。可靠性好。芯片本身是按工业测控环境要求设计的，其抗工业噪声干扰优于一般通用CPU；程序指令及常数、表格固化在ROM中不易破坏；许多信号通道均在一个芯片内，故可靠性高。易扩展。片内具有计算机正常运行所必需的部件。芯片外部有许多供扩展用的三总线及并行、串行输入/输出管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统。控制功能强。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中具有极丰富的条件分支转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。一般说来，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器。一般单片机内无监控程序或系统通用管理软件，只放置有用户调试好的应用程序。但近年来也开始出现了在片内固化有BASIC解释程序的单片机。单片机在各个技术领域的迅猛发展，与单片机所构成的计算机应用系统的特点有关：单片机构成的应用系统有较大的可靠性。系统扩展和系统配置比较典型和规范，容易构成各种规模的应用系统。由于构成的应用系统是一个计算机系统，相当多的测控功能由软件实现，故具有柔性特点。有优异的性能价格比。对广大的应用型技术人员而言，目前所面临的单片机应用技术是使用单片机和可编程逻辑器件相结合构成的新一代电子应用技术。这是工程应用技术发展的一个新趋势。通常，一个微型计算机系统由微型计算机与外部设备组成，而微型计算机则包含有微处理器（通称CPU），存储器（存放程序指令或数据的ROM、RAM等），输入/输出口（I/O）及其他功能部件如定时/计数器、中断系统等。它们通过地址总线、数据总线和控制总线连接起来,通过输入/输出口线与外部设备及外围芯片相连。CPU中配置有指令系统，计算机系统中配置有驻机监控程序、系统操作软件及用户应用软件。目前用户在构成应用系统时，有三种构成方式可供选择。专用系统。系统的扩展与配置完全按照应用系统的功能要求设计的。硬件系统的性能/配置比近于1。系统中只配备有应用软件，故系统有最佳配置，系统的软、硬件资源能获得充分利用，但这种系统无自开发能力。采用这种方式要求有较强的硬件开发基础。模块化系统。鉴于单片机应用系统的系统扩展与配置电路具有典型性,因此，有些厂家将这些典型配置做成用户系列板，供用户选择使用。用户可根据应用系统的需要选择适当的模块板组合成各种测、控系统。有些用户系列板在结构上做成STD总线型。模块化结构是中、大型应用系统发展方向。它可以大大减少用户在硬件开发上投入的力量。但目前系统模块化产品水平尚不高，软硬件配套工作还不完善，有待于进一步发展。单片单板机系统。受通用CPU单板机的影响，国内有用单片机来构成单片单板机，其硬件按照典型应用系统配置，并配有监控程序，具有自开发能力。但是，单板机的固定结构形式常使应用系统不能获得最佳配置。产品批量大时，软、硬件资源浪费较大，但可大大减少系统研制时的硬件工作量，并具有二次开发能力。单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU)，随机存取数据存储器(RAM)，只读程序存储器(ROM)，输入输出电路(I/O口)，可能还包括定时计数器，串行通信口(SCI)，显示驱动电路(LCD或LED驱动电路)，脉宽调制电路(PWM)，模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。单片机是控制器工作的核心，它的性能直接影响到控制器的工作性能。为了使用方便，系统要求可以进行在线改写，并能在断电情况下保存数据而不需要保护电源，同时为了实现真正的单片控制，最好系统使用尽可能少的外部扩展芯片，提高系统运行的可靠性，所以我们要求使用的单片机具有片内电擦除可编程只读存储器EEPROM。2 系统设计2.1 系统设计的要求与任务2.1.1 设计任务 深入了解工业机器人创新套件常见组合形态的工作过程，分析其检测和控制信号的种类和数量，并提出对控制器设计的要求； 参与总体设计方案的确定，参与控制器具体指标要求的确定； 负责控制器电路设计，包括原理图设计,器件选型等； 参与控制器中主单片机的程序设计以及与上位机交换数据协议的制订； 参与电路板上辅助单片机或可编程器件的编程。2.1.2 设计要求要求：在资料调查和分析的基础上，对系统进行的分析和设计；要求完成如下主要功能：（1）机械手的控制可以用单片机或PLC；（2）通过按键，实现机械手的上升、下降、左移、右移、手爪张开、闭合；（3）可采用上位机，远程控制机械手的上升、下降、左移、右移、手爪张开、闭合。（4）采用电机驱动控制方式。2.2本文的主要研究内容意义由于机器人的研究方向具有学科综合和交叉性强等特点，国内、外大学均对机器人技术的教学给予了充分的重视。目前，在我们国家开展机器人实践教学的高校较少，即使开展实践教学也仅是采用购买来的手臂式机器人，只能开展机器人轨迹规划、编程等试验，而不能收到良好的机器人教学成果。实际上机器人作为创新设计实践教学来说是个非常好的载体，能够开阔学生眼界，培养创新能力、分析问题解决问题的能力、实践动手能力。而且，机器人不管有多么先进，功能多么强大和智慧，总可以分为感受外部环境的传感器部分、各种信号的分析、综合、判断的智能控制部分及把结果表现为机器人行为的动作驱动部分，三个部分紧密配合、相互结合。我校在机器人实践教学方面，也投入了大量的建资金。近年来，信电学院自动化实验室先后引进了一批模块化机器人创新套件，用于构建机器人教学实践平台，例如慧鱼公司的创新模块。由于这些套件均采用模块化设计机构，所以在可重构方面具有很大的灵活性。由于这些模块化机器人配备专用的核心控制电路板，编程十分简单，方法单一，不利于锻炼学生用通用计算机语言编程实现工业控制，也不便进行功能扩展。基于此种情况，本文设计一个德国慧鱼公司生产的创新机器人模块，设计制作的控制器也可用在自动化实验室里控制其它模块化机器人等运动机械。2.3 总体设计方案确定机械手的任务要求，根据任务要求初步拟定机械手的技术参数、运动形式、驱动方案、控制系统方案等。本课题主要涉及到一下三部分内容：第一，机械手的机械结构的设计；第二，使机械手摆动的设计及驱动手臂运动的选择。第三，控制系统的设计。实施方案：（1）机械手的机械结构设计按照模块化的设计方法，将机械手分为底座、大臂、中臂、前臂和手爪四个部分，共四个自由度（不包括爪开关自由度）。（2）机械手摆动的设计机械手根据手臂的动作形态，采用多关节型机械手结构紧凑，定位精度较高，控制灵活范围广，占地面积小，因此本设计采用多关节型机械手。（3）驱动手臂运动的选择 机械手采用电动机构驱动机械手结构简单、控制方便，驱动力较大大等特点。（4）控制系统的设计本设计制作的是一个较完整的单片机系统：主机通过TTL-RS232电平转换实现与上位机通信，并和从机保持交换数据。初始位置检测利用主机的P2.2，P2.3，P2.5和P2.6使各部分碰到行程开关，即达到指定位置后断开； INT0和INT1中断来进行位置检测；P1.1-P1.4引脚为电机驱动输出，最后通过P1.0-P1.3口对电机电流进行检测，判断是否堵转。使用宏晶科技生产的STC12C5628AD系统单片机作为控制核心，扩展了必要的外围电子元器件。可以利用RS-232与上位机（PC机）通信。接口板模式下根据上位机传来的指令设置输出，把检测到的数据送到上位机。3 硬件设计3.1硬件设计基本框图硬件设计由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三部分组成，如图 1-1 所示。图1-1机械手系统组成要实现机械手所期望实现的功能，机械手的各部分之间必然还存在着相互关联、相互影响和相互制约。它们之间的相互关系如图1-2 所示。图1-2 机械手控制系统3.2 基本流程功能定义功能定义过程中，要明白想做什么。一个结合自己知识自己积累情况和实力的切实可行的想法是项目得以实施的关键。一般容易目标过高，此时由于条件受限将无法实现。方案选定列出实现功能可能的几种方案。方案的内容一般是由什么芯片实现什么功能，以及这些芯片之间如何接口。对于主要芯片，还要致电厂商询问有无现及价格。要对这些方案进行对比分析，综合考虑其价格，可参考设计等内容来取舍。最后要选定一种方案实施。功能更多的功能，这时，可以考虑更改功能定义，充分利用芯片潜能增加功能。有些功能的存在芯片无法满足要求或成本成倍增加，则考虑暂时去掉某些功能。流程图中的虚线箭头反映了这种关系和影响电路原理图设计根据方案选定的结果，将所选择芯片的各信号引脚以一定的规律和自己的设计考虑连接起来。一般使用Protel电路制作软件。电路原理图设计与软件设计之间有一个双向箭头，意指在进行电路原理图设计一定充分考虑到将来进行软件设计师的一些需要。比如，要给软件保留那些输出接口，软件体系结构对硬件电路的设计有无何特殊要求。采购元件电路原理图设计完成之后,便可通过各种途径购买元件了。对于常用元件，北京地区可到中关村电子市场购买。对于一些北京市场上没有的芯片，要通过互联网查询，并通过邮购，特快传递等方式购买。印制电路板设计元件购买齐全之后，就要根据元件的封装情况来设计印制电路板。因为印制电路板不同 于导线连接的电路，修改起来非常麻烦，并增加了电路工作的不可靠性，因此，要尽量确保印制电路板上的元件封装确定，最好将印制电路板以打印出来，然后奖元件放置在图上进行核对。电路板加工电路板加工一般请专门的厂商进行，当然需要向他们支付费用。设计者将印制电路通过电子邮件发给某个线路板制作商，一般可根据需要决定制作周期，一般从1天到10天不等，当然，加工越快，价格越高，工艺质量相对越差。电路焊接与硬件调试 经过数天，电路板制作完成后，只要有配置基本的焊接工具，就可以进行电路焊接了因为还无法确保电路可以按设计正常，因此焊接过程其实也是硬件调试过程。按照一定顺序，对各个功能模块的元件依次焊接，并依次进行测试，有必要时，可能还需要割线飞线，直至调通硬件。如果出现大的原则性错误，比如弄错封装型式，则有可能需要重新制版。软件设计硬件调试通过以后，以后的工作便是调试软件了。在这个过程，可以再关心硬件的细节。参考设计过程中的电路原理图，以及所用芯片的相关资料，在编写硬件电路的软件程序。硬件电路设计与软件程序编写必须相辅相成，相得益彰，才能使所设计功能顺利实现。3.3控制器的核心单片机的选型与设计单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU)，随机存取数据存储器(RAM)，只读程序存储器(ROM)，输入输出电路(I/O口)，可能还包括定时计数器，串行通信口(SCI)，显示驱动电路(LCD或LED驱动电路)，脉宽调制电路(PWM)，模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小然而完善的计算机系统。这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。单片机是控制器工作的核心，它的性能直接影响到控制器的工作性能。为了使用方便，系统要求可以进行在线改写，并能在断电情况下保存数据而不需要保护电源，同时为了实现真正的单片控制，最好系统使用尽可能少的外部扩展芯片，提高系统运行的可靠性，所以我们要求使用的单片机具有片内电擦除可编程只读存储器EEPROM。基于以上原因，我们在众多的单片机类型中选取了宏晶科技生产的STC12C5628AD系列单片机作为控制器的核心控制芯片。3.3.1芯片引脚说明单片机是整个控制器的核心，它性能的好坏直接影响到整个系统的性能。通过对机器人控制功能的分析，决定采用宏晶科技生产的STC12C5628AD系列单片机作为控制器的核心控制芯片。用于实现数据采集，和PC机的通信处理，和从机共同实现数据的中断计数处理，电机驱动检测信号的模拟量输入，对电机驱动芯片提供输入信号等。STC12C5628AD系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）单片机，是高速/功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍，内部集成MAX810专用复位电路。4路PWM，8路高速10位A/D转换，针对电机控制，强干扰场合。芯片引脚布局如图3-2所示。3-2单片机引脚图 增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051。 工作电压：STC12C5628AD系列工作电压：5.5 V - 3.5 V（5V单片机）/ 3.6 V 2.2 V(3 V 单片机)。 工作频率范围：0 35 MHz，相当于普通8051的 0 420MHz。 用户应用程序空间 30K/ 28K/ 24K/ 20K/ 16K/ 12K/ 8K/ 4K 字节 片上集成768字节RAM。 通用I/O口（27 / 23 / 15 个），复位后为：准双向口 / 弱上拉（普通8051传统I/O口）。可设置成四种模式：准双向口 / 弱上拉，推挽 / 强上拉，仅为输入 / 高阻，开漏。每个I/ O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不得超过55mA。 ISP（在系统可编程）/ IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（P3.0/ P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。 EEPROM 功能。 看门狗。 内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体20M以下时，可省外部复位电路）。 时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器。用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟。常温下内部R/C 振荡器频率为：5.2MHz6.8MHz。精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造差和温漂，应认为是4MHz8MHz。 共6个16位定时器/计数器，两个专用16位定时器T0和T1。PCA模块可再实现4个16位定时器。 外部中断9路，下降沿中断或低电平触发中断，PCA模式可分别或同时支持上升沿中断/下降沿中断，Power Down 模式可由外部中断唤醒。INT0/P3.2,INT1/P3.3,P3.4/T0,P3.5/T1,P3.0/RXD,PCA0/P3.7,PCA1/P3.5,PCA2/P2.0,PCA3/P2.4。 PWM(4路)/PCA(可编程计数器陈列，4路)。 也可用来当4路D/A使用。 也可用来再实现4个定时器。 也可用来再实现4个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持）。 A/D转换，10位精度ADC，共8路。 通过全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，也可再用定时器软件实现多串口。 SPI同步通信口，主模式/从模式。 工作温度范围：0-75 ºC /-40-+85 ºC。 封装：LQFP-32,SOP-32/28/20,SKDIP-28,PDIP-20,TSSOP-20（超小封状6.4mm*6.4mm，定货）。LQFP/SOP32有27个I/O口，SOP28/SKIP28有23个I/O口，SOP20/TSSOP-20/PDIP20有15个I/O口，I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595(均可级联)来扩展I/O口，还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU，三线通信，还多了串口。3.3.2单片机的I/O口结构STC12C5628AD系列单片机其所有I/O口均可由软件配置成4种工作类型之一，如下表所示。4种类型分 别为：准双向口 （标准8051输出模式）、推挽输出、仅为输入 （高阻）或开漏输出功能。每个口由2个控制寄存器中的相应位控制每个引脚工作类型。STC12C5628AD系列单片机上电复位后为准双向口 （传统8051的I/O口）模式。2V以上时为高电平，0.8V以下时为低电平。关于I/O口应用注意事项：少数I/O口有损坏现象，有些是I/O口由低变高读外部状态时，读不对，实际没有损坏，软件处理一下即可。是因为1T的8051单片机速度太快了，软件执行由低变高指令后立即读外部状态，此时由于实际输出还没有变高，就有可能读不对，正确的方法是在软件设置由低变高后加1到2个空操作指令延时，再读就对了。有些实际没有损坏，加上拉电阻就OK了。是因为外围接的是SPI/I2C等漏极开漏的电路，要加10K上拉电阻.有些是外围接的是NPN三极管，没有加上拉电阻，其实基极串多大电阻，I/O口就应该上拉多大的电阻， 或者将该I/O口设置为强推挽输出。3.3.3 A/D转换STC12C5624AD系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口（P1.7-P1.0），有8路10位高速A/D转换器，速度均可达到100KHz（10万次/秒）。8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。本设计中用了主机中的P1.0到P1.3四个接口实现驱动电机电路的堵转检测，若电机没有堵转则继续运行。需作为A/D使用的口需先将其设置为开漏模式或高阻输入，在P1M0、P1M1寄存器中对相应的位进行设置。3.4上位机通信单片机本身有一个全双工的串行口，只要外接一个MAX232电平转换就可以与PC机的RS-232C串行口连接，组成一个简单可行的通信接口。图3-3单片机与上位机通信电路单片机通过I/O 口与 PC 机 RS232 串口实现通信的硬件接口电路如图3-3所示。由于 PC 系列微机串行口为 RS232 标准接口，与输入、输出均采用 TTL 电平的STC12C5628AD系列单片机在接口规范上不一致，因此TTL电平到RS232 接口电平的转换采用 MAXIM 公司的 MAX232 标准RS232接口芯片，该芯片可以用单电压（+5V）实现RS232接口逻辑“1”（-3V15V）和逻辑“0”（+3V15V）的电平转换。其中STC12C5628AD单片机通过TxD（P3.1）终端将串行数据发送到接收设备, 通过RxD(P3.0)线终端接收从发送设备而来的串行数据。3.4.1串行通信本实验采用串口通讯而没有采用目前最为流行的USB接口技术主要原因是由于芯片是用于实验设备，不经常进行插拔。USB接口技术主要优点是支持热插拔，传输速率快，但用于实验设备这些优点就不是主要的了。实验仪器本身是不需要经常拆卸的，基本上是安装了就不许要经常变动，而且要求实验设备工作稳定。既然有这些要求，那么采用串口通信技术是最合适不过的了。串口通信有着很好的稳定性，传输数据准确不容易出错。虽然串口通信比较古老，但依然适用。串行通信是工业现场仪器或设备常用的通信方式，网络通信则是构建智能化分布式自动测试系统的基础。采用串行口通讯，作为下位机的仪表完成实验数据的采集和各种控制任务，同时将数据传送给上位机进行处理，从而实现集中管理和最优控制。串行通信的通信方式是将一条信息的各位数据按顺序逐位传送。串行通信是一种古老但目前仍较为常用的通信方式，早期的仪器、单片机等均使用串口与计算机通信。3.4.2 RS-232RS232是美国电子工业协会（Electrical