江西理工大学应用科学学院微机控制课程设计报告设计题目：机械手控制(继电器+发光二极管)设计者：学号：班级：电气工程及其自动化指导老师：完成时间：2012/7/6设计报告用户板软件设计答辩（20）平时（20）总评格式（10）内容（10）检测（5）绘图（15）程序（10）调试情况（10）摘要随着工业自动化的普及和发展，控制器的需求量逐年增大主要在汽车，电子，机械加工、食品、医药等领域的生产流水线或货物装卸调运, 可以更好地节约能源和提高运输设备或产品的效率，满足现代经济发展的要求。

机械手技术涉及到电子、机械学、自动控制技术、传感器技术和计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

随着工业自动化发展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。

文章主要叙述了机械手的设计过程，文章中介绍了四自由度机械手的设计理论与方法。

本设计以51 单片机为核心，利用继电器控制电机正转，反转和停止。

本机械手的执行机构主要由四台电机组成，分别控制机械臂的X轴伸缩、Z 轴升降、底盘、腕回转功能。

动作模式有两种：自动模式，手动模式。

单片机驱动继电器，继电器动作由发光二极管指示（二极管代表各电机）。

【关键词】：四自由度机械手， 51 单片机，直流电机，继电器，发光二极管.目录摘要 (2)目录 (3)1 绪论 (5)1.1 机械手概述 (5)1.2 设计要求及设计内容 (7)1.2 此次设计研究的主要内容应解决的问题 (7)2 设计方案 (9)2.1用户板抄板步骤及过程 (9)2.1.1原理图绘制说明 (9)2.2 户板检测步骤及过程 (11)2.4 各部分电路介绍 (11)2.4.1 51单片机系统板电路介绍 (11)2.4.2 机械手控制电路介绍 (13)2.4.3 主要器件介绍 (16)3 系统程序设计 (18)3.1、程序流程图 (18)3.2、程序设计 (19)3.3、电路总图 (23)总结 (24)致谢 (26)参考文献 (27)附录 (28)附录1：元件清单 (28)附录2：硬件原理图: (29)附录3：程序清单 (30)1 绪论1.1 机械手概述机械化、自动化已成在现代工业中突出的主题。

化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。

但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的，机器人的出现并得到应用，为这些作业的机械化奠定了良好的基础。

机械手，多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操作工具的装置（国内称作工业机械手或通用机械手）。

机械手是一种具有人体上肢的部分功能，工作程序固定的自动化装置。

机械手具有结构简单、成本低廉、维修容易的优势，但功能较少，适应性较差。

目前我国常把具有上述特点的机械手称为专用机械手，而把工业机械手称为通用机械手。

简而言之，机械手就是用机器代替人手，把工件由某个地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操纵工件进行加工。

机械手一般分为三类。

第一类是不需要人工操作的通用机械手。

它是一种独立的、不附属于某一主机的装置，可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定操作。

它是除具备普通机械的物理性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。

第二类是需要人工操作的，称为操作机（Manipulator）。

工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。

第三类是专业机械手，主要附属于自动机床或自动生产线上，用以解决机床上下料和工件传送。

这种机械手在国外通常被称之为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动。

除少数外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。

机械手按照结构形式的不同又可分为多种类型，其中关节型机械手以其结构紧凑，所占空间体积小，相对工作空间最大，甚至能绕过基座周围的一些障碍物等这样一些特点，成为机械手中使用最多的一种结构形式。

要机械手像人一样拿取东西，最简单的基本条件是要有一套类似于指、腕、臂、关节等部分组成的抓取和移动机构——执行机构；像肌肉那样使手臂驱动－传动系统；像大脑那样指挥手动作的控制系统。

这些系统的性能就决定了运动的机械手的性能。

一般而言，机械手通常就是由执行机构、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 机械手的一般组成对于现代智能机械手而言，还具有智能系统，主要是感觉装置、视觉装置和语言识别装置等。

目前研究主要集中在赋予机械手“眼睛”，使它能识别物体和躲避障碍物，以及机械手的触觉装置。

机器人的这些组成部分并不是各自独立的，或者说并不是简单的叠加在一起，从而构成一个机械手的。

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机械手的机械系统主要由执行机构和驱动－传动系统组成。

执行机构是机械手赖以完成工作任务的实体，通常由连杆和关节组成，由驱动－传动系统提供动力，按控制系统的要求完成工作任务。

驱动－传动系统主要包括驱动机构和传动系统。

驱动机构提供机械手各关节所需要的动力，传动系统则将驱动力转换为满足机械手各关节力矩和运动所要求的驱动力或力矩。

有的文献则把机械手分为机械系统、驱动系统和控制系统三大部分。

其中的机械系统又叫操作机(Manipulator)，相当于本文中的执行机构部分。

1.2 设计要求及设计内容机械手是一种能模拟人的手臂的部分动作，按预定的程序轨迹及其它要求，实现抓取、搬运工作或操纵工具的自动化装置。

四自由度机械手的结构及运动四自由度机械手为圆柱坐标型，可实现X轴伸缩、Z轴升降、底盘、腕回转功能。

驱动全部采用步进电机控制，夹爪采用气动方式控制。

具体要求如下：控制4个关节的机械手动作。

动作模式有两种：自动模式，手动模式。

单片机驱动继电器，继电器动作由发光二极管指示（二极管代表各电机）1.2 此次设计研究的主要内容应解决的问题1)继电器对直流电机的控制：如何解决由继电器对电机的正反转控制和电机的停转。

2）单片机对继电器的控制：如何由单片机实现对继电器的通断处理，由继电器的通断实现对直流电机的控制。

3）系统在手动模式下的按键设计，这里采用基于单片机的按键设计，实现对电机的控制。

4）继电器控制电机，自然要由按键实现对继电器的控制，在自动模式的基础上，设计按键对继电器的控制，实现对电机的控制，从而达到控制机械手的目的。

5）自动模式和手动模式的切换，使用按键来实现。

6）单片机程序的设计，自动模式和手动模式的自由切换程序，自动模式下的I/O 实现对继电器的控制，手动模式下的按键I/O口对继电器控制I/O口的输出控制。

7）检测与调试电路实现所有模块的功能。

达到控制目的。

2 设计方案2.1用户板抄板步骤及过程1）仔细观察用户板，了解用户板的大致结构与布局。

2）准备纸笔，绘制用户板用户板各个模块的线路草图，了解每个模块的功能，在此过程中使用万能表检测每条线路的通断，将所有元件的连接电路绘制出来。

同时检测元件是否完好。

3）用Proteus软件绘制用户板的原理图，进一步了解系统的控制原理，由继电器对发光二极管的亮灭的控制代替机械手的执行机构。

掌握单片机对继电器的控制方法，继电器对LED灯的控制过程。

掌握单片机和按键的结合控制原理，实现I/O口的输入输出控制。

4）将绘制好的各个模块组合到一起，用万用表对用户板的各个元件参数进行测量，记录元件名称、数量、参数，完成对用户板的原理图绘制。

2.1.1原理图绘制说明振荡电路：MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入为引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2，这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。

如图2-1是MCS-51内部时钟方式的振荡器电路。

图2-1 振荡电路图电路中的电容1C 和2C 典型值通常选择为30pF 左右。

该电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。

复位电路：最简单的上电自动复位电路如图2-2所示。

上电自动复位电路是通过外部复位电容充电来实现的。

当电源cc V 接通时只要电压上升时间不超过1ms ，就可以实现自动上电复位。

当时钟频率为6MHZ ，3C 取22μF ，R 取1K Ω。

图2-2 复位电路图2、原理图绘制(1)打开Proteus 软件，进入其界面，然后新建一个图纸文件，软件默认为LandspaceA4纸张，符合我们的要求，所以不需要修改。

(2)开始绘图，点击按钮P ，弹出选择添加器件框图，如图2-3所示，在keywords 里直接输入所需器件的名称或者在category 的下面各个选项里一次查找所需的器件名称，然后点击ok图2-3 选择添加器件框图(3)依次添加AT89C51芯片，晶振，电容,地及电源找不到P89V51可以修改名称。

(4)按照设计的要求正确连接电路，连接时注意管脚的分配及AT89C51的工作原理。

(5)对连接好的电路图进行仿真，如有错误要先按下暂停，然后对电路作进一步的调整与修改，再进行仿真，保存原理图文件。

2.2 户板检测步骤及过程1）检查用户板完整程度。

2）用万用表检测元器件的完好程度，更换损坏的元器件。

3）用万用表检测电路的通断，排除有虚短，虚焊等问题。

4）连接系统板与用户板，检查是否能正常工作。

2.4 各部分电路介绍2.4.1 51单片机系统板电路介绍1） 51单片机最小系统复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般采用10~30uF，51单片机最小系统容值越大需要的复位时间越短。

2） 51单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。

3） 51单片机最小系统起振电容C2、C3一般采用15~33pF，并且电容离晶振越近越好，晶振离单片机越近越好4） P0口为开漏输出，作为输出口时需加上拉电阻，阻值一般为10k。

其他接口内部有上拉电阻，作为输出口时不需外加上拉电阻。

设置为定时器模式时，加1计数器是对内部机器周期计数（1个机器周期等于12个振荡周期，即计数频率为晶振频率的1/12）。

计数值N乘以机器周期Tcy就是定时时间t。

设置为计数器模式时，外部事件计数脉冲由T0或T1引脚输入到计数器。

在每个机器周期的S5P2期间采样T0、T1引脚电平。

当某周期采样到一高电平输入，而下一周期又采样到一低电平时，则计数器加1，更新的计数值在下一个机器周期的S3P1期间装入计数器。

由于检测一个从1到0的下降沿需要2个机器周期，因此要求被采样的电平至少要维持一个机器周期。

当晶振频率为12MHz时，最高计数频率不超过1/2MHz，即计数脉冲的周期要大于2 ms。

标识符号地址寄存器名称P3 0B0H I/O口3寄存器PCON 87H 电源控制及波特率选择寄存器SCON 98H 串行口控制寄存器SBUF 99H 串行数据缓冲寄存器TCON 88H 定时控制寄存器TMOD 89H 定时器方式选择寄存器TL0 8AH 定时器0低8位TH0 8CH 定时器0高8位TL1 8BH 定时器1低8位TH1 8DH 定时器1高8位2.4.2 机械手控制电路介绍自动模式一、继电器驱动原理下图2-4是51单片机实验板上继电器驱动电路原理图，三极管Q1的基极接到单片机的I/O口，三极管的发射极E接到继电器线圈的一端，线圈的另一端接到＋5V电源VCC上；继电器线圈两端并接一个二极管IN4148，用于吸收释放继电器线圈断电时产生的反向电动势，防止反向电势击穿三极管Q1及干扰其他电路；R和发光二极管LED组成一个继电器状态指示电路，当继电器吸合的时候，LED点亮，这样就可以直观的看到继电器状态了。