應用單片機進行多自由度機械臂控制系統設計

王晴

摘 要：機器人（臂）是機械技術、電子技術和信息技術有機結合的產物。機械臂的優點眾多，其中最為顯著的是其精確性和高效性。而要實現這些優點，作為機械臂的大腦——機械臂的控制系統則顯得尤為重要，拌隨著微電子技術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也變得更為簡單和方便。介紹了基于單片機（STC12C5A60S2）采用脈沖調制技術（PWM）控制舵機達到控制多自由機械臂，工作原理以及控制系統的設計（包括硬件電路設計和C語言進行軟件設計），為今后開發更加復雜且功能更為強大的現代機械臂奠定了基礎。

關鍵詞：單片機；機械臂；控制系統

中圖分類號：TP241.2 文獻標識碼： A 文章編號：2095-7394（2018）02-0060-04

近年來，隨著人工智能技術、數字化制造技術與移動互聯網之間創新融合步伐的不斷加快，發達國家紛紛做出戰略部署，搶占機器人產業制高點。機器人（臂）是機械技術、電子技術和信息技術有機結合的產物，在現代工業的基礎上，綜合應用機械技術、微電子技術、信息技術、自動控制技術、傳感測試技術、電力電子技術、接口技術、軟件編程技術以及人體仿生學技術等群體技術實現高功能、高質量、高精度、高可靠性、低能耗等諸方面實現多種技術功能復合的最佳功能價值系統工程技術的產物。它是應用于工業領域的多關節機械手或多自由度的機械裝置，能自動執行工作，靠自身動力和控制能力來實現設計功能的裝置。它既可接受人類指揮，也可按照預先編排的指令程序運行，先進的工業機器人能夠根據人工智能技術制定的原則綱領行動。

1 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，是采用超大規模集成電路技術把具有數據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、定時器/計數器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統，在工業控制領域廣泛應用。

1.1 單片機的構成

單片機是由中央處理器和內部數據存儲器（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個單元為內部RAM。內部ROM從功能和用途上又分為三個不同區域：工作寄存器區、位尋址區、數據緩沖區。）以及內部程序存儲器（8051片內有4KB的程序儲存單元（簡稱ROM），其地址范圍為0000H～FFFFH（64KB）。用于存放程序、原始數據或表格）

1.2 單片機的優點

該單片機具有體積小、結構簡單、可靠性高；控制能力強；低電壓、低功耗；優異的性能/價格比等優點，所以適用于很多工作場所特別是較為惡劣的工作環境。

2 硬件電路的設計

2.1 舵機驅動電路的設計[2-3]

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

2.2 串口通訊電路

許多外設和計算機（接口電路之間）按串行方式進行通信。STC12C5A60S2[4-5]有兩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換電路（圖2），本設計采用了專用芯片MAX232進行轉換。

3 控制系統軟件設計

3.1 舵機PMM信號

脈沖寬度調制（PWM）是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。舵機PWM格式應注意。

（1）上升沿最少為0.5ms，為0.5～2.5ms之間。

（2）PWM波形是一個周期1ms的標準方波。

（3）要求連續供給PWM信號，這樣表現出來的跟隨性能很好、很緊密。

通過閱讀相關文獻[6-7]結合本實驗，得出了評價PWM信號生成是否方法的四個原則：

原則一：PWM信號周期的適應性。現實應用中，不同的控制系統需要產生不同周期的PWM信號，只有PWM信號周期具有可調性，這樣，PWM信號才能被廣泛應用。

原則二：實現多路PWM信號的輸出。在大多數的控制系統中，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信號協同控制。如果一個控制系統只能輸出單一的PWM信號，那么這樣的控制系統產生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控制信號的關鍵，實現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各個環節的協調控制，只有這樣，才能實現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PWM信號對平均電壓的分配，才能控制系統中實現脈寬調制的控制作用，體現PWM出控制的意義。

3.2 PWM信號的輸出

8951單片機其數據分辨率為256，那么經過舵機極限參數實驗，得到應該將其劃分為250份。那么0.5～2.5ms的寬度為2ms = 2 000us。2 000us÷250=8us則：PWM的控制精度為8us，我們可以以8us為單位遞增控制舵機轉動與定位。舵機可以轉動180o，那么180o÷250=0.72o，則：舵機的控制精度為0.72o?？刂扑璧腜WM寬度為0.5～2.5ms，寬度2ms。2ms÷250=8us；所以得出：PWM信號 = 1o/8us。

4 控制系統的調試

4.1 集成開發環境Keil和Protues

Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列單片機C語言軟件開發系統。提供了豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具uVision3。Keil C51標準C編譯器為8051微控制器的軟件開發提供了C語言環境，同時，保留了匯編語言代碼高效、快速的特點。Proteus和Keil uVision2倆者配合使用，通過相應的設置可實現Keil和Protues的聯合調試，即在Keil平臺下調試程序，在Protues平臺下觀看調試后的結果。

4.2 系統調試

先在KeiL中，可以發現程序在語法上的錯誤，進行反復修改使語句更加精簡明了，然后再在Proteus觀察示波器（輸出的PWM波）是否為目標波形，波形是否穩定。通過仿真調試直到消除這些不利因素。

5 結語

機器人（臂）是機械技術、電子技術和信息技術有機結合的產物。本研究采用STC12C5A60S2作為主控制器系統，并針對舵機運轉需要大電流維持的特性采用雙電源對控制系統和舵機分別供電，很好的解決了舵機工作時而不影響控制系統工作。而C語言簡單方便且可移植性強，通過Keil和Protues的聯合調試實現了機械臂抓手將工件從A轉移到B的簡單功能。因而，本研究為今后開發更加復雜且功能更為強大的現代機械臂奠定了基礎，從而為增強我國現代制造業進行了技術儲備。

參考文獻：

[1] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程入門、提高、開發、拓展全攻略[M].北京：電子工業出版社，2013.

[2] 馬瑞卿，劉衛國，韓英桃.基于無刷直流電機的舵機試驗器研制[J].電機與控制應用，2006（1）：41-47.

[3] 劉陵順，王亭，顧文錦.IR2110集成驅動電路在舵機控制中的應用[J].海軍航空工程學院學報，2002 （2）：228-230.

[4] 林躍，梁立容，王鳳， 等.基于STC12C5A60S2的無人機遙控器的設計與實現[J].電子測量技術，2017，40（8）：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計[J].計算機與數字工程，2017，45（7）：1 422-1 425.

[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用[J].煤炭技術，2017，36（12）：192-193.

[7] 陳釗，黃鳳辰，花再軍， 等.全數字調制技術在水文遙測終端中的應用[J].工業儀表與自動化裝置，2017 （6）：78-82.

Design of Robot Arm Control System of Multiple Freedom Degrees Using Single Chip Microcomputer

WANG Qing

（Department of Economic Management，Jiangxi Youth Vocational College， Nanchang 330033， China）

Abstract： Robotic arm is a product of the combination of mechanical technology， electronic technology and information technology. The mechanical arm has many advantages， the most notably is its accuracy and efficiency. To achieve these advantages， manipulator control system that is 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 introduced how to control the robot arm of mutiple freedom degrees using pulse modulation technology （PWM） based on SCM （STC12C5A60S2） by controlling the servo， working principle and control system design （including hardware circuit design and software design using C language） ， laying the foundation for the development of more complex and more powerful modern robotic arms in the future.

Key words： SCM； robot arm； control system

責任編輯 祁秀春