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1、 基于C8051F020单片机机械手控制系统设计摘要：本文主要论述了基于C8051F020单片机机械手控制系统的设计，介绍了机械手设计的背景和意义，国内外的研究现状及目前市场上对该产品的需求。首先阐述了机械手的结构特点，工作原理和并结合人类手臂能够实现的实际功能设计出机械手的功能特性。其次介绍了控制系统的硬件设计，选择C8051F020作为系统设计的核心，介绍了单片机的特点，最小系统和主要的电路模块。并阐述所用的模拟软件(proteus)以及开发环境（keil）并画出程序流程图。最后使用proteus对电路图进行设计，使用keil和proteus联调实现控制系统的功能。设计完成，能够通过单片机
2、驱动步进电机的转动，正转和反转，从而实现单片机机械手控制系统的设计。关键词：C8051F020，机械手，proteus，电机Based the C8051F020 SCM manipulator control system designAbstract：This thesis mainly discusses the design of control system of the SCM manipulator based on C8051F020,introduce the background and significance of robot，present research situ
3、ation of the design at home and abroad and the demand of the market to this manipulator.First of all the thesis introduce structure characteristics of manipulator,working principle and functional characteristics .Secondly this thesis introduced the hardware design of control system，choose C8051F020
4、SCM as core of controller .Introduce the characteristics of SCM，minimum system and main circuit module。And introduce the simulation software（proteus）,development environment （keil）and draw program flow chart.Use proteus design circuit diagram，use proteus integrate with keil to achieve the function o
5、f the control system.After design is completed,can driver stepper motor rotation through MCU,forward and reverse,achieve the design of control system of MCU robot.Keyword:C8051F020,manipulator,proteus,motor.目 录1 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2假肢型机械手的国内外研究现状21.3 课题研究的内容及完成的工作42 多自由度假肢结构及特性42.1 假肢结构和工作原理42.2 假肢
6、的功能特性52.3本章小结53 多自由度机械手控制系统硬件设计63.1系统整体设计63.2 c8051f020最小系统及外围电路设计73.2.1 供电电路部分83.2.2 复位电路部分83.2.3电机驱动电路93.2.4控制系统核心设计93.3 防干扰设计103.4本章小结114 多自由度多假肢控制系统软件设计114.1 软件开发环境介绍114.2C8051F020主程序设计124.2.1 初始化子程序124.2.2 PWM脉冲模块124.2.3方向模块134.3本章小结135 总结与展望146 致谢167 参考文献171 绪论 仿人形假肢是机械手研究的一个重要方向，目前，一方面在太空，水下，
7、核辐射等环境下的实验，维护，排险等复杂任务1;更重要的一方面是对于残疾人而言，假肢形机械手不仅是追求装饰方面的美化，而且更加追求的是功能上的完善，能够尽善尽美的代替人体肢体的功能。现今的的机械手设计一种是基于分析模型和性能指标进行设计，另一种是模仿人手进行设计。1.1 课题研究的背景及意义 机械手是在机械化、自动化生产过程中发展的一种新型装置。它是机械人的一个重要分支。它的特点是可以通过编程完成各种预期的作业任务，在构造和性能上各有人和机器的各自优点，尤其体现了人的智能和适应性。（王希敏，1992）。在现代生产过程中，机械手被广泛应用与自动化生产线中，用于机床加工，铸锻，热处理等方面。但在数量
8、、品种、性能方面都不能满足工业生产越来越先进的要求，这促进了工业应用类机械手在国内工业方面迅速的研究和发展。在日常生活中机械手主要是作为人体假肢存在，代替人们失去的手臂执行一些简单的抓取动作以及起到一定的美化作用。现如今机械手的研究的一个重要方向是仿人形假肢，仿人形假肢是供截肢者使用以代偿缺损肢体部分功能的人造肢体，有上肢假或下肢假肢，既是手臂和腿部。 目前，假肢类型机械手的研究重点是对于仿生手的控制源的选择。目前用于假肢控制的仿生控制信号主要有人体自身的肌电信号、脑电信号、神经电信号和声音等。现如今，市场上和医疗上的假肢形机械手产品多事为了美容，而实用的假肢中又很少能够按照人的意志去控制，多
9、是比较简单的、容易提取的生物信号作为其控制源，采用声音信号作为控制源的假肢在实现控制的过程中容易受到外界环境的影响，实用性很低。采用脑电波或者神经电波信号作为控制信号的假肢形机械手，这类控制方式比较高级，且灵活性和准确性也大大提高，但这类控制方式尚处于研究之中。假肢形机械手的研究因其需求的不断提高正向着高科技智能性不断前进。 现今社会，导致截肢的原因有很多，严重外伤，严重感染，先天畸形和发育异常等都会导致截肢，而自然灾害或是车祸事故等更是导致截肢的一个更普遍的原因。每年的高速公路上交通事故频发，在中国有755万肢残残疾人，需要安装假肢的约45万，而其中上肢残肢者约占了1/3之多，而在全世界有数
10、百万上肢肢残人员需要安装假肢。在灾害或事故中不幸遇难失去肢体致残的人在日常生活和各方面都会有许多不便和为难之处。对家庭和个人都是很严重的依赖和负担。假肢形机械手对人体上肢的代替，可以帮助残疾人士做一些生活中简单的事宜减轻生活中的负担，也正是如此，假肢形机械手的智能化研究才不断的前进，功能更加齐全，外形更加灵便好看。目前，市场上已有的假肢形机械手如图1.1所示。多数此类产品是采用肌电信号作为控制信号源去控制假肢的动作。但肌电控制的假肢都是采用串行作业控制方式，这种控制方式在假肢的移动中需要一个关节的动作完成后另一个关节才能动作，这种操作方式连贯性很差，使用时很不自然且相当吃力，不符合人们的生理习
11、惯，串行作业花费的时间较长也比较难以控制。因此围绕并行运动的方式设计出的假肢操作系统更加符合人们对假肢的需求，本文旨在研究以单片机作为控制系统的假肢形机械手。 图 1.1 假肢型机械手1.2假肢型机械手的国内外研究现状 国内从上世纪八十年代初开始也在假肢研究方面取得了很好的成绩，清华大学精密仪器与机械学系的金德文，张培玉，张济川，王人成等学者、教授在这方面做了很多开创性的工作。后来的众多学者和专家对假肢形机械手也做出了巨大的贡献。促进工业发展是发展国民经济的重点，所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，热处理方面的机械手、重点发展铸造，改善作业条件以减轻劳动强度，在应用专用机械手的同时，相应的发展
12、通用机械手，有条件的还要研制计算机控制机械手和组合机械手、示教式机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究记忆再现型，伺服型，以及有视觉，触觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。在方便日常生活方面，促进残疾人医疗事业的发展一直是党和政府非常关心的问题，目前，国家不断加大对假肢技术的支持，假肢技术的研究也因此不断深入和完善。机械手的结构上不断的改善，功能上更加接近人的生理功能以及人体对假肢的生理排斥更小。哈尔滨工业大学刘宏教授等人成功研制出基于欠驱动原理的多自由度残疾人假手样机由五个手指组成，整个假手由三个
13、电机驱动，能够实现抓、捏、握等简单的动作。在肌电的控制方面，才用了六个表面肌电电极可以实现人手19种运动模式的识别，如图1.2所示，可以实现一些简单的动作，弥补了日常生活中的不足。此领域相关项目的研究一直受到国家民政部和中国残疾人协会的高度重视2。国家对假肢研究的支持和国内众多高校和科研单位的不断努力也加快了这一技术的发展，使得假肢形机械手不断发展，前景开阔。 国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械数的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外
14、界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。 但就目前而言，与欧美、日本等发达国家相比存在相当大的差距，我国假肢生产行业相关产业同欧美和日本相比大体上约落后20年。九十年代初，欧美和日本已开始将电子技术、计算机控制技术、生物医学工程技术融合在一起，用于假肢的研究与开发当中。国外机械手的发展趋势是大力研究机械手智能化技术，使机械手具有一定的传感能力，能够反馈外界条件的变化，做出相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测。 智能化技术主要有两个方面：1，运动协调性，是指使假肢运动能够像人体一样，可以根据外界环境
15、的变化随时调节运动轨迹，使得运动姿态协调美观，耗能最少。2，智能传感，是指假肢具有感知外界作用力的大小、温度与湿度等能力，并作出相应的反应。目前下假肢的智能化主要以运动协调性和跟随性为主，上假肢则主要以智能传感技术为主。应用新型智能材料研究新型高效假肢驱动器和智能传感器3。目前假肢的智能化已取得很好的成绩。 图1.2 五指仿人型残疾假手样机1.3 课题研究的内容及完成的工作 本论文主要以基于c8051f020单片机机械手控制系统为主要研究目的，研究机械手假肢的控制方式和控制系统，并以proteus和keil的软件环境为背景，模拟机械手的功能并仿真。2 多自由度假肢结构及功能特性2.1 假肢结构
16、和工作原理 假肢是人体缺损肢体的替代物,用以弥补缺损肢体的形状和功能。故根据仿人型的特性，经过研究与设计制作，设计出一种6自由度仿人型假肢，即肩离断多自由度假肢型假肢（上肢）的结构模型如图2.1 所示，六自由度的机械手每个自由度处均安装一个电位器，六个电位器分别反映出连接在一起的两个部件的相对转动角度或者位移，这六个参数和机械手三维模型结合在一起可构建机械手的详细姿态示意图，方便对机械手的各个关节的运动进行控制4.其肩部转动关节是由直流电机经减速器减速后，驱动整个大臂90 度前后旋转；大臂的内外摆动运动采用直线电机驱动，其中直线电机固定，其旋转螺母在螺杆转动的带动下实现手臂外向90 度的抬落运
17、动；肘部关节摆动采用类似上臂向外摆动的结构，可实现小臂内向向外135 度的屈伸运动；小臂转动关节采用直流电动机经减速器减速后进行驱动，可实现小臂向内向外90 度的旋转运动；手腕俯仰运动关节采用直流电机驱动，经减速器减速及一级伞齿轮变后实现手腕向上向下各50度的俯仰运动；手掌的开合采用直线电机驱动，通过连杆机构实现手掌的开合运动5。以上各个关节同时运动，便可完成相应的轨迹运动。 机械手的上、下、左、右、前行、后行6个方向移动，分别由六个电机的转动来带动，在硬件设计中，六个电机的转动反应了机械手的各种动作。在实物设计中为了减小肩部前后摆动和外向摆动的驱动力矩和肘部关节伸屈过程中所需的力矩，可对大臂
18、肩部的重力距和肘部关节的重力距采用气动平衡结构，从而可以减小相应驱动元器件的功率要求，使得设计更加轻便，成本较少。 本设计采用的系统是基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为输出与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主要形式。自动控制系统多数是反馈控制系统。本设计使用的既是有反馈功能的闭环控制系统。CPU根据按键信息驱动相应的电机运转，电机连接的编
19、码器记录下驱动电机的PWM信号脉冲数，然后通过检测电路将PWM脉冲数反馈给CPU，CPU可以根据得到的脉冲信息，再次驱动电机的转动与否或转动的时间。设计要求是:有自动工作方式和手动工作方式，当位于手动工作方式时，用按动按钮去控制机械手的动作，可以完成机械手所有动作和操作机械手进行所有自由度的活动，并可将不在原来位置的机械手操作至原位，因此在设计中要首先要规定一个机械手的原点指示。手动操作:就是用按钮操作，对机械手的每一种运动单独进行控制。例如:当选择上/下运动时，按下启动按钮，机械上升；按下下降按钮，机械手下降。当选择左/右旋转运动时，按下启动按钮，机械手左移；按下右移按钮，机械手右移。当选择
20、前行/后退运动时，按下启动按钮，机械手前行；按下停止按钮，机械手后退。2.2 假肢的功能特性 假肢是供截肢者使用以代偿缺损肢体部分功能的人造肢体，假肢研究的重点是生理信号的提取和对仿生假手的控制。目前用于假肢控制的仿生控制信号主要有人体自身的肌电信号、脑电信号、神经电信号和声音等，其中表面肌电信号由于滞后时间短和抗干扰能力强，仍然是假肢的主要仿生控制6。这种六自由度的假肢能够通过多自由度的并行或串行运动完成对物体的抓取，运动连贯，反应时间短，同时使用者可以和激光传感器及三位姿态配合使用，可以实现对随机物体的定位，这对于假肢的智能性又是一个很大的进步。机械手假肢给残疾者提供了一种代偿工具，一定程
21、度上满足了肢体残疾者的心理和生活的需要，且轻便易、易操作、便于携带。 2.3本章小结 本章主要介绍了多自由度假肢的结构，工作原理及其功能特性。在实际的设计中，设计者不仅要考虑诸如几何尺寸、速度以及承载能力等因素，而且还要考虑到关节的数量和它们的几何分布。这些因素影响了机械手工作空间的大小和性质、机械手结构的刚度以及其他的性质7。理解机械手的工作原理和特性对于我们实现机械手的设计是十分关键的。 1.大臂转动关节 2.大臂内摆关节 3.小臂伸屈关节 4.小臂旋转关节 5.手腕俯仰关节 6.手掌开合关节图2.1 假肢的结构模型3 多自由度机械手控制系统硬件实现机械手控制系统的实现过程中，硬件系统的实
22、现是整个设计的最基础也是最重要的部分。硬件设计的主要任务是很据总体的设计要求，以及在所选机型的基础上，确定系统扩展所要用的存储器，I/O电路，A/D及有关外围电路等，然后设计出系统的电路原理图8。在设计过程中，可供选择的驱动设备很多，但是为了尽可能的高机械手运动的准确性、稳定性以及反应灵敏程度，慎重的选择合适的设计原件是十分重要的。本章主要是根据具体情况及设计要求选择合适的硬件控制系统CPU和驱动元件并画出硬件电路原理图。3.1系统整体设计 假肢控制系统硬件电路主要包括控制部分、驱动分、被控对象部分和检测反馈部分四个部分组成。控制部分主要是以C8051F020 为核心控制系统件完成9。在实际的
23、设计中选择的事51系列的单片机，驱动部分是由八个驱动电机组成，检测反馈部分是通过编码器检测电机编码器的信号作为反馈信号，主要是由检测电路和串口接口组成，被控部分是机械手。控制方式选择按键方式，本设计中采用12个按键组成的小键盘，六只发光二管（用于模拟系统所处的状态，是转动状态还是无动作状态），主要由12个按键完成6个关节的双向正反单独运动，按键控制对应的关节运动情况如表3.1所示。使用74LS245芯片作为反向器，以代替上拉电阻，通过Port A和Port C 两个接口来连接驱动器，步进电机和电位器。机械手的运动包括转动和伸缩，转动和伸缩都可以归为转动。在用proteus进行模拟和仿真时可以用
24、电机的转动与否或发光二极管的发光与否来代表机械手的转动情况。两个按键对假肢运动轨迹进行示教和保存；两个按键完成对两个指定位置目标物体的自动抓取和释放；一个按键完成控制方式的选择：按键控制和语音控制；一个按键完成随机目标物体定位等组成10。系统控制原理如图3.2所示。按键对应关节的运动按键对应关节的运动S1手指张开S7小臂外摆S2手指闭合S8小臂内合S3手腕上仰S9大臂外摆S4手腕下俯S10大臂内合S5小臂外转S11大臂前摆S6小臂内转S12大臂下落图3.1 各个按键对应控制关节的运动图3.2 假肢控制系统原理框图图4.2 假肢控制系统原理框图Fig4.2 The controller prin
25、ciple diagram of artificial limbs驱动部分六个驱动器被控对象相应的六个电机检测反馈部分CPLD完成目标位置检测和保存控制部分C8051f020单片机按键控制语音控制反馈3.2 c8051f020最小系统及外围电路设计 单片机最小系统或者称为最小应用系统，就是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统，对 51系列单片机来说，最小系统一般应该包括：单片机、复位电路、晶振电路11。3.2.1 供电电路部分 整个控制系统是建立在电源供电的基础上的，需要有稳点工作的电源以确保系统的稳定工作。此部分设计中控制系统的中心cpu需要的正常工作电压是3.3V，但是通常的直流电源提供
26、的电压是5V，所以要对电源进行合理的转换，可以用上拉电阻将电源的电压转换为cpu可以使用的电压，或者用74ls04作为反相器，为cpu提供正常的工作电压。电源电路如图3.3所示。（此处描述错误，应该是使用LM1117使5V转换成3.3V）3.2.2 复位电路部分 复位电路是为系统恢复至初始状态而设计的：系统上电时提供复位信号，可以使系统初始化，或者在系统运行出现故障或者运行结束时系统也需要提供复位信号使系统回到初始状态。整个复位电路包括片内外两部分外部复位信号通过引脚RST/加入到内部复位电路上，复位信号通过片内一个斯密特触发器与片内复位电路相连。外部复位分为上电自动复位和按键手动复位两种12
27、。 手动复位：当按下复位按钮时，RST出现高电平，实现复位。上电自动复位：在单片机上电的瞬间，RC电路充电，由于电容上电电压不能突变，所以RST引脚出现高电平，RST引脚出现的高电平将会随着对电容C的充电过程而逐渐回落13。 C8051F系列的单片机一共有七个复位源，分别为：上电/掉电复位，外部/RST引脚复位，外部CNVSTR信号复位，软件命令复位，比较器复位，时钟丢失检测器和看门狗定时器超时复位14。同时在复位电路中还添加了上拉去耦电路以防止由于强噪声而引起的复位。复位电路如图3.4所示3.3电源电路原理图 图3.4复位电路原理图3.2.3电机驱动电路C8051f020芯片I/O提供的电压
28、是3.3V，电机驱动器所需的正常的工作电压为5V，采用上拉电阻将电压上拉至5V，保证驱动电机的正常工作。首先将I/O输出的信号经过74ls04构成的非门，而后再接上10k的上拉电阻即可。3.2.4控制系统核心设计 此部分的电路设计是整个电路设计的核心，根据按键信息控制驱动器驱动电机，同时根据检测电路检测到得脉冲信息去控制各个关节的驱动情况。根据电路设计的结构，安装在各个关节处的电机需要相应的驱动器驱动，在六个驱动器中有三个驱动器需要占空比可调的PWM信号，另外三个驱动器需要的是频率信号。 C8051F020器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，最多具有64 个数字I/O 引脚 ，片内含CI
29、P51的CPU内核，它的指令系统与MCS51完全兼容。其中的C8051F020单片机含有64kB片内Flash程序存储器，4352B的RAM、8个IO端口共64根IO口线、一个12位AD转换器和一个8位AD转换器以及一个双12位DA转换器、2个比较器、5个16位通用定时器、5个捕捉比较模块的可编程计数定时器阵列、看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器等部分。C8051F020单片机支持双时钟，其工作电压范围为2736V（端口I/O,RST和JTAG引脚的耐压为5V。与以前的51系列单片机相比，C8051F020增添了许多功能，同时其可靠性和速度也有了很大提高。 电机驱动器主要需要三路信号，分别
30、为：方向信号（控制电机的正反转），占空比可调的PWM信号（控制电机的转速）和OE使能信号（低电平有效）。直接给电机上电，电机就会全速运转；用PWM信号控制电机，就可以实现电机的转速的数字化控制，在降低电机转速的情况下，还具有节能的效果。PWM脉冲是一种占空比可调的脉冲信号，在单片机设计中用PWM脉冲信号去控制电机的转动速度，高占空比时转动速度高，低占空比时转动速度低。 C8051芯片可在工作时产生所需的三种信号从而驱动电机的转动，同时鉴于C8051F020的I/0端口的输出电压为3.3V，驱动器工作所需电压为5V，在芯片和驱动器之间需要接上上拉电阻，使电压上升至5V，保证驱动器的正常工作。按键
31、信息是通过在芯片外外接按键实现的，按键接入芯片使用的也是芯片的I/O端口。 主控器跟其它CPU 模块之间的通信功能主要是通过MAX232 完成的。MAX232 主要由两组模块：发送和接受模块，我们使用其中的一路用于跟PC 机通信，另一路用于跟CPLD 通信。 假肢有多种控制方式，可以选择通过按键实现按键控制，也可以通过语音识别系统实现语音控制，或者使用脑电控制方式。但是这三种控制方式并不是联合使用的而是独立存在的控制方式，在实际的操作中之能选择一种方式进行操作。在假肢的实际使用中，脑电控制方式是最为智能和便捷的控制方式，本设计中使用按键控制的方式来演示电机的驱动。整体控制电路图如图3.4所示。
32、3.3 防干扰设计 单片机控制系统受到的干扰的来源主要是来自交流电窜入的干扰；信号时输入输出通道的干扰；空间电磁辐射干扰和控制系统内部的干扰15。此控制系统中主要的干扰有：高频脉冲信号传输过程中的干扰；通信传输中的干扰和电源谐波干扰。在本系统的设计中使用的抗干扰的方法主要是用电感电容去掉高低频的脉冲干扰，合理的配置去耦电容以消去耦合干扰，同时在PCB板的设计中合理的选择不同型号的电源以尽量减少电源谐波的干扰。 在连接系统电路时，要合理的配置线路的走向，布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应干扰，注意晶振布线。晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。电路板合理分区，
33、如强、弱信号，数字、模拟信号。尽可能把干扰源（如电机、继电器）与敏感元件（如单片机）远离。用地线把数字区与模拟区隔离。数字地与模拟地要分离，最后在一点接于电源地。大功率器件尽可能放在电路板边缘。在电源的输入和输出处，在电路上串接铁氧体磁珠，能够抑制寄生震荡和衰减感应或传输到元器件引线上或与之相连的电缆的高频无用信号；主控制板有+24V和+5两个电压值，采用多点接地可以减少接地阻抗、接地回路、信号环路16。3.4本章小结 本章首先介绍了系统的总体设计框架，然后具体介绍了几个重要的最小工作系统并给出了相应的电路原理图。并简单介绍了假肢通常会使用的控制方式，最后介绍了系统设计中主要的干扰因素，并提出
34、了一些抗干扰措施及电路设计时一些布线和原件排列方式的介绍。3.4 整体控制系统原理图4 多自由度多假肢控制系统软件实现 本章主要是针对于机械手系统的软件部分进行分析设计。在上一章中对控制系统所选用的芯片及主要部件做了研究和设计，在硬件设计完成的情况下，设计出支持硬件系统的软件程序，并对主要的模块子程序做简单介绍。4.1 软件开发环境介绍 本论文使用的芯片是C8051F020，它是一个兼容性很好的芯片，其指令系统和MSC-51完全兼容，其驱动程序可以用C语言进行编写。本论文中使用的开发环境是具有编译功能Keil c51。 支持8051微控制器体系结构的Keil开发工具，适合每个阶段的开发人员。产
35、业标准的Keil C编译器、宏汇编器、调试器、实时内核、单板计算机和仿真器，支持所有的51系列微控制器。Keil Vision调试器能够准确地模拟8051设备的片上外围设备。4.2 C8051F020主程序设计 模块程序设计时单片机应用中常用的一种程序设计技术。它是把一个功能完整的较长的程序分解为若干个功能相对独立的较小的程序模块，各个程序模块分别进行设计，编译个调试。最后把各个调试好的程序模块联成一个大的程序17。控制系统的软件部分主要包括初始化模块、产生PWM脉冲模块和方向控制模块。单片机根据物体位置信息，分析后驱动相应的电机转动。产生PWM模块用于提供占空比可调的脉冲信号作为驱动信号。方
36、向模块用于控制电机的转动方向，正转或者反转。系统主程序流程图如图4.1所示。4.2.1 初始化子程序 初始化就是在程序运行之前，先对PLC的一些状态作预置的过程。在以后的运行过程中，这些指令将不再被执行。如果预置的内容不多，可以在主程序的最顶端用SM0.1触发相关的指令，完成初始化。如果初始化的内容比较多，最好写一个初始化的子程序，在主程序的最顶端由SM0.1调用。 系统上电或者复位后，程序首先执行初始化程序，之后进入主循环，在循环体中运行各个功能函数。在初始化程序中，比较多的内容是对一些标志位的操作、一些固定数据的赋值，还有中断的定义、高速计数器的设置、高速脉冲输出的设置等等。实质上就是为程
37、序的运行作准备，建立一个合适的初始状态。当然，这些状态在以后的程序中是可以被改变的。4.2.2 PWM脉冲模块 步进电机有三线式，五线式，六线式三种，但其控制方式均相同，必须以脉冲电流来驱动18。PWM即Pulse Width Modulation，就是脉冲宽度调制，意思是在一串高低电平交替变换的信号中、高电平的宽度是可以控制变化的，也即是占空比可调。PWM可以用与调节直流电机调速和控制电机的正反转。PWM信号的产生有多种方式，其中比较常用的有模拟电路、单片机I/O口输出19-20和单片机PWM部件的输出21在本设计中C8051F020是51系列中功能较好的一个芯片，可以用其内部的可编程计数器
38、阵列直接产生PWM脉冲信号和方向信号。4.2.3方向模块 电机的转动有正转和反转，方向信号即是用于控制电机的转动方向，C8051F020自身就可以输出方向信号不必再外接其他芯片去提供方向信号。正转部分: 送P4口不同的值，从而改变电机电源的相序，是电机正转，数值分别为0xf8，0xfc，0xf4，0xf6，0xf2，0xf3，0xf1，0xf9。反转部分:送P3.5口不同的值，从而改变电机电源的相序，是电机反转，数值分别为0xf9，0xf1，0xf3，0xf2，0xf6，0xf4，0xfc，0xf8。步进电机速度控制程序图如图4.2所示。开始 延时使用up date或down date有外部中
39、断 等待图4.2 电机正反转流程图4.3本章小结 本章主要介绍了单片机控制机械手控制系统的软件系统的设计。首先介绍了系统的软件设计的开发环境，对keil的功能特点作了简单的说明，其次设计了控制系统的主程序，画出主程序流程图并对主要的功能模块的程序设计进行了说明。开始初始化选择控制方式按键控制位置示教或运动目标位置示教指定目标位置目标位置保存目标位置1自动运动到目标位置并抓取物体目标位置2将物体放到指定的位置目标位置3否是否结束是结束图4.1 系统控制流程图系统仿真：(模拟机械手运动)5 总结和展望5.1 总结 本文主要对基于c8051f020控制的机械手控制系统的设计做了系统而全面的设计。并通
40、过proteus模拟了机械手的运动，本文主要研究的内容包括： （1）机械手假肢研究的发展历程和国内外的研究现状。分析了机械手研究迅速发展并前景广阔的原因和背景及研究意义，对比和国内外的研究现状及我国相比较与国外的优势和差距。 （2）根据机械手假肢的实际需要，设计多自由度机械手假肢的结构和功能特性，并在c8051f020的核心芯片的支持下，设计出机械手假肢的控制系统并使机械手的各个功能能够实现 （3） 设计了机械手假肢的硬件控制系统。机械手硬件控制系统是整个设计最主要的部分，通过对主要的最小系统的设计和主要模块的控制，最终在proteus的环境中实现硬件系统的各个元件的连接。 （4）设计了机械手
41、假肢的软件控制系统。针对控制系统的主程序和各个子模块的程序进行了设计。通过keil与proteus的联调实现从而使硬件和软件系统都顺利运行，整个设计完成。5.2 展望对于机械手的控制技术，众多学者和专家多年来坚持不懈的努力做出了令人瞩目的成绩，相关书籍和文献也介绍了多种控制方法。选择一种合适有效的控制方法对于系统的稳定性和高效运行是十分重要的。本论文选择的控制系统核心处理器是C8051F020，相对于51系统来说，C8051F020是一款性能比较丰富的芯片，但是对于实现机械手的智能化控制，这款新芯片的功能还是比较低的，部分模块的功能需要计算机辅助来实现。随着单片机的处理性能越来越高，以后会有能
42、够独立完成系统控制的单片机的面世。鉴于本论文研究的不足之处，希望以后的研究工作可以从以下几方面开展：（1） 选择一款性能比较高级的单片机，如嵌入式的ARM,DSP等，嵌入式的处理器可以将整个控制系统进行高度集成，可以减轻控制系统的重量，使用时更加轻便灵巧。（2） 改善机械手的外形结构，使其更加美观，更像人类手臂，可以使用碳纤维作为组成材料，人体对机械手的排斥或因肢体损伤感染的可能性更小。（3） 选择更加智能化的传感器，提高系统的反应速度和灵敏度。（4） 选择BP神经网络求解机械手关节空间的解，常用的假肢逆运动学求解方法在目标姿态信息未知的情况下不能求解关节空间的解，而基于人工神经网络的BP神经
43、网络求解方法能很好的解决这一问题。 （5）使用更加高效，编写方便的语言实现软件程序设计，如Java，Java SE。6 致谢 本论文的设计，从最初的选稿到定稿，都让我收益颇多。本论文是在导师贾朝川老师的悉心指导下完成的。我本专业学的是通信并不是单片机，大学期间并没有太多的接触过单片机的知识，本次的毕业设计让我从对单片机的知之甚少到全部完成毕业设计，我收获了很多知识。当然在完成毕业设计的过程中，导师贾朝川老师对我的指导和教诲对设计的顺利完成是必不可少的，老师的耐心教诲，渊博的专业知识和严谨的工作态度对我影响深远。首先对于老师的付出和教诲表示最诚挚的感谢，其次对于本文所引用的书籍和论文等文献的原作
44、者也致以由衷的感谢。在论文完成的过程中，耐心的查找资料，翻阅书籍，请较老师和同学，认真思考让我收获了很多知识，同时也培养了我处理问题细心、严谨的态度，此次设计的完成对我以后的工作也会影响深远，对于我的人生态度也是一次很好的塑造。7 参考文献1 张玉茹，李继婷，李剑锋.机械人灵巧手M.北京:机械工业出版社.2007.11:张玉茹，李继婷，李剑锋.机械人灵巧手M.北京:机械工业出版社.2007.1.2:谭冠政,吴立明.国内外人工腿(假肢)研究的进展及发展趋势J.机器人.中南工业大学机械人研究所.2001,23(1).3：王人成.假肢技术的研究热点及发展趋势J.中国康复医学杂志2005,20(7).
45、4:李建昌,宫兴,简晓慧等.基于AT89C52单片机的消防救援机械人J.消防科学与技术.东北大学机械工程与自动化学院.2011,30(12).5：殷 慧. 机器人假肢功能设计与分析D.山东科技大学硕士论文, 2010.6.6: 夏春明,杨正宜,曹炜等.基于肌音信号的虚拟假肢控制J.东理工大学学报自然科学版 2010.4.7:美John J.Craig.机器人学导论M.北京:机械工业出版社(原书第三版),2006.1.8:曹巧媛单片机原理及应用M.北京:电子工业出版社.2002.2.9:J. C. Becker, N. V. Thakor and K. G. Gruben. A study of
46、 human hand tendon kinematicswith applications to robot hand designJ. Proc. IEEE Conf. on Robotics and Automation,1986.10:贾朝川.多自由度假肢控制系统的设计与实现J.电子技术应用.2012.11 Guihua Cui,M. R. Luo, B.Rigg et a1.Colour-differnce evaluationr using CRT colours.part I:date gathering and testing colour differenc formulaeJ.Col.R