【文章內(nèi)容簡介】 IP－ 51 的 CPU 內(nèi)核，它的指令系統(tǒng)與 MCS－ 51 完全兼容。其中的 C8051F020 單片機含有 64kB 片內(nèi) Flash 程序存儲器， 4352B 的 RAM、 8 個 I／ O 端口共 64 根 I／ O 口線、一個 12位 A／ D 轉(zhuǎn)換器和一個 8 位 A／ D 轉(zhuǎn)換器以及一個雙 12 位 D／ A 轉(zhuǎn)換器、 2 個比較器、 5 個 16位通用定時器、 5 個捕捉／比較模塊的可編程計數(shù)／定時器陣列、看門狗定時器、 VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器等部分。 C8051F020 單片機支持雙時鐘，其工作電壓范圍為 2． 7～ 3． 6V（端口I/O,RST 和 JTAG 引腳的耐壓為 5V。與以前的 51 系列單片機相比， C8051F020 增添了許多功能，同時其可靠性和速度也有了很大提高。 電機驅(qū)動器主要需要三路 信號，分別為：方向信號（控制電機的正反轉(zhuǎn)），占空比可調(diào)的PWM 信號（控制電機的轉(zhuǎn)速）和 OE 使能信號（低電平有效）。 直接給電機上電，電機就會全速運轉(zhuǎn)；用 PWM 信號控制電機，就可以實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速的數(shù)字化控制，在降低電機轉(zhuǎn)速的情況下，還具有節(jié)能的效果。 PWM 脈沖是一種占空比可調(diào)的脈沖信號，在單片機設(shè)計中用 PWM 脈沖信號去控制電機的轉(zhuǎn)動速度，高占空比時轉(zhuǎn)動速度高，低占空比時轉(zhuǎn)動速度低。 C8051 芯片可在工作時產(chǎn)生所需的三種信號從而驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動，同時鑒于 C8051F020的 I/0 端口的輸出電壓為 ，驅(qū)動器工作所需電壓為 5V，在芯片和驅(qū)動器之間需要接上上拉電阻，使電壓上升至 5V，保證驅(qū)動器的正常工作。按鍵信息是通過在芯片外外接按鍵實現(xiàn)的，按鍵接入芯片使用的也是芯片的 I/O 端口。 主控器跟其它 CPU 模塊之間的通信功能主要是通過 MAX232 完成的。 MAX232 主要由兩組模塊：發(fā)送和接受模塊，我們使用其中的一路用于跟 PC 機通信，另一路用于跟 CPLD 通信。 假肢有多種控制方式，可以選擇通過按鍵實現(xiàn)按鍵控制，也可以通過語音識別系統(tǒng)實現(xiàn)語音控制，或者使用腦電控制方式。但是這三種控制方式并 不是聯(lián)合使用的而是獨立存在的控制方式，在實際的操作中之能選擇一種方式進行操作。在假肢的實際使用中，腦電控制方式是最為智能和便捷的控制方式，本設(shè)計中使用按鍵控制的方式來演示電機的驅(qū)動。整體控 12 制電路圖如圖 所示。 防干擾設(shè)計 單片機控制系統(tǒng)受到的干擾的來源主要是來自交流電竄入的干擾；信號時輸入輸出通道的干擾；空間電磁輻射干擾和控制系統(tǒng)內(nèi)部的干擾 [15]。此控制系統(tǒng)中主要的干擾有：高頻脈沖信號傳輸過程中的干擾；通信傳輸中的干擾和電源諧波干擾。在本系統(tǒng)的設(shè)計中使用的抗干擾的方法主要是用電感電容去 掉高低頻的脈沖干擾，合理的配置去耦電容以消去耦合干擾，同時在 PCB 板的設(shè)計中合理的選擇不同型號的電源以盡量減少電源諧波的干擾。 在連接系統(tǒng)電路時，要合理的配置線路的走向，布線時盡量減少回路環(huán)的面積，以降低感應(yīng)干擾，注意晶振布線。晶振與單片機引腳盡量靠近，用地線把時鐘區(qū)隔離起來，晶振外殼接地并固定。電路板合理分區(qū)，如強、弱信號，數(shù)字、模擬信號。盡可能把干擾源（如電機、繼電器）與敏感元件（如單片機）遠離。用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離。數(shù)字地與模擬地要分離，最后在一點接于電源地。大功率器件盡可能放在電路板邊 緣。在電源的輸入和輸出處，在電路上串接鐵氧體磁珠，能夠抑制寄生震蕩和衰減感應(yīng)或傳輸?shù)皆骷€上或與之相連的電纜的高頻無用信號；主控制板有 +24V 和 +5 兩個電壓值，采用多點接地可以減少接地阻抗、接地回路、信號環(huán)路 [16]。 本章小結(jié) 本章首先介紹了系統(tǒng)的總體設(shè)計框架，然后具體介紹了幾個重要的最小工作系統(tǒng)并給出了相應(yīng)的電路原理圖。并簡單介紹了假肢通常會使用的控制方式，最后介紹了系統(tǒng)設(shè)計中主要的干擾因素，并提出了一些抗干擾措施及電路設(shè)計時一些布線和原件排列方式的介紹。 13 整體控制系統(tǒng)原理 圖 14 4 多自由度多假肢控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn) 本章主要是針對于機械手系統(tǒng)的軟件部分進行分析設(shè)計。在上一章中對控制系統(tǒng)所選用的芯片及主要部件做了研究和設(shè)計，在硬件設(shè)計完成的情況下，設(shè)計出支持硬件系統(tǒng)的軟件程序，并對主要的模塊子程序做簡單介紹。 軟件開發(fā)環(huán)境介紹 本論文使用的芯片是 C8051F020，它是一個兼容性很好的芯片，其指令系統(tǒng)和 MSC51 完全兼容，其驅(qū)動程序可以用 C 語言進行編寫。本論文中使用的開發(fā)環(huán)境是具有編譯功能 Keil c51。 支持 8051 微 控制器體系結(jié)構(gòu)的 Keil 開發(fā)工具，適合每個階段的開發(fā)人員。產(chǎn)業(yè)標準的Keil C 編譯器、宏匯編器、調(diào)試器、實時內(nèi)核、單板計算機和仿真器，支持所有的 51 系列微控制器。 Keil μ Vision 調(diào)試器能夠準確地模擬 8051 設(shè)備的片上外圍設(shè)備。 C8051F020 主程序設(shè)計 模塊程序設(shè)計時單片機應(yīng)用中常用的一種程序設(shè)計技術(shù)。它是把一個功能完整的較長的程序分解為若干個功能相對獨立的較小的程序模塊，各個程序模塊分別進行設(shè)計，編譯個調(diào)試。最后把各個調(diào)試好的程序模塊聯(lián)成一個大的程序 [17]?？刂葡到y(tǒng)的軟件部 分主要包括初始化模塊、產(chǎn)生 PWM 脈沖模塊和方向控制模塊。單片機根據(jù)物體位置信息，分析后驅(qū)動相應(yīng)的電機轉(zhuǎn)動。產(chǎn)生 PWM 模塊用于提供占空比可調(diào)的脈沖信號作為驅(qū)動信號。方向模塊用于控制電機的轉(zhuǎn)動方向，正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)主程序流程圖如圖 所示。 初始化子程序 初始化就是在程序運行之前，先對 PLC 的一些狀態(tài)作預(yù)置的過程。在以后的運行過程中，這些指令將不再被執(zhí)行。如果預(yù)置的內(nèi)容不多，可以在主程序的最頂端用 觸發(fā)相關(guān)的指令，完成初始化。如果初始化的內(nèi)容比較多，最好寫一個初始化的子程序，在主程 序的最頂端由 調(diào)用。 系統(tǒng)上電或者復位后，程序首先執(zhí)行初始化程序，之后進入主循環(huán)，在循環(huán)體中運行各個功能函數(shù)。在初始化程序中，比較多的內(nèi)容是對一些標志位的操作、一些固定數(shù)據(jù)的賦值，還有中斷的定義、高速計數(shù)器的設(shè)置、高速脈沖輸出的設(shè)置等等。實質(zhì)上就是為程序的運行 15 作準備，建立一個合適的初始狀態(tài)。當然，這些狀態(tài)在以后的程序中是可以被改變的。 PWM 脈沖模塊 步進電機有三線式，五線式，六線式三種，但其控制方式均相同，必須以脈沖電流來驅(qū)動 [18]。 PWM 即 Pulse Width Modulation，就是脈沖寬度調(diào)制，意思是在一串高低電平交替變換的信號中、高電平的寬度是可以控制變化的，也即是占空比可調(diào)。 PWM 可以用與調(diào)節(jié)直流電機調(diào)速和控制電機的正反轉(zhuǎn)。 PWM 信號的產(chǎn)生有多種方式，其中比較常用的有模擬電路、單片機 I/O 口輸出 [1920]和單片機 PWM 部件的輸出 [21]在本設(shè)計中 C8051F020 是 51 系列中功能較好的一個芯片，可以用其內(nèi)部的可編程計數(shù)器陣列直接產(chǎn)生 PWM 脈沖信號和方向信號。 方向模塊 電機的轉(zhuǎn)動有正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，方向信號即是用于控制電機的轉(zhuǎn)動方向， C8051F020 自身就可以輸出方向信號不必再外接其他芯片去提供方向信號。 正轉(zhuǎn)部分 : 送 P4 口不同的值，從而改變電機電源的相序，是電機正轉(zhuǎn)，數(shù)值分別為 0xf8，0xfc， 0xf4， 0xf6， 0xf2， 0xf3， 0xf1， 0xf9。 反轉(zhuǎn)部分 :送 口不同的值，從而改變電機電源的相序，是電機反轉(zhuǎn)，數(shù)值分別為 0xf9，0xf1， 0xf3， 0xf2， 0xf6， 0xf4， 0xfc， 0xf8。步進電機速度控制程序圖如圖 所示。 圖 電機正反轉(zhuǎn)流程圖 開始 延時 有外部中斷 等待 使用 up date或 down date 16 本章小結(jié) 本章主要介紹了單片機控制機械手控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)的設(shè)計。首先介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)計的開發(fā)環(huán)境，對 keil 的功能特點作了簡單的說明，其次設(shè)計了控制系統(tǒng)的主程序，畫出主程序流程圖并對主要的功能模塊的程序設(shè)計進行了說明。 圖 系統(tǒng)控制流程圖 開始 初始化 選擇控制方式 按鍵控制 位置示教或運動 目標位置示教 目標位置 1 目標位置 2 目標位置 3 目 標 位 置 保 存 指定目標位置 自動運動到目標位置 并抓取物體 將物體放到指 定的位置 是否結(jié)束 結(jié)束 是 否 17 系 統(tǒng)仿真： (模擬機械手運動 ) 5 總結(jié)和展望 總結(jié) 本文主要對基于 c8051f020 控制的機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計做了系統(tǒng)而全面的設(shè)計。并通過 proteus 模擬了機械手的運動，本文主要研究的內(nèi)容包括： （ 1）機械手假肢研究的發(fā)展歷程和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。分析了機械手研究迅速發(fā)展并前景廣闊的原因和背景及研究意義，對比和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及我國相比較與國外的優(yōu)勢和差距。 （ 2）根據(jù)機械手假肢的實際需要，設(shè)計多自由度機械手假肢的結(jié)構(gòu)和功能特性，并在c8051f020 的核心芯片的支持下，設(shè)計出機 械手假肢的控制系統(tǒng)并使機械手的各個功能能夠?qū)崿F(xiàn) （ 3） 設(shè)計了機械手假肢的硬件控制系統(tǒng)。機械手硬件控制系統(tǒng)是整個設(shè)計最主要的部分，通過對主要的最小系統(tǒng)的設(shè)計和主要模塊的控制，最終在 proteus 的環(huán)境中實現(xiàn)硬件系統(tǒng)的各個元件的連接。 （ 4）設(shè)計了機械手假肢的軟件控制系統(tǒng)。針對控制系統(tǒng)的主程序和各個子模塊的程序進行了設(shè)計。通過 keil 與 proteus 的聯(lián)調(diào)實現(xiàn)從而使硬件和軟件系統(tǒng)都順利運行，整個設(shè)計完成。 展望 對于機械手的控制技術(shù)，眾多學者和專家多年來堅持不懈的努力做出了令人矚目的成 績，相關(guān)書籍和文獻也介紹了多種控制方法。選擇一種合適有效的控制方法對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效運行是十分重要的。本論文選擇的控制系統(tǒng)核心處理器是 C8051F020，相對于 51 系統(tǒng)來說， C8051F020 是一款性能比較豐富的芯片，但是對于實現(xiàn)機械手的智能化控制，這款新芯片的功能還是比較低的，部分模塊的功能需要計算機輔助來實現(xiàn)。隨著單片機的處理性能越來越高，以后會有能夠獨立完成系統(tǒng)控制的單片機的面世。 鑒于本論文研究的不足之處，希望以后的研究工作可以從以下幾方面開展： （ 1） 選擇一款性能比較高級的單片機，如嵌入式的 ARM,DSP 等，嵌入式的處理器可以將整個控制系統(tǒng)進行高度集成，可以減輕控制系統(tǒng)的重量，使用時更加輕便靈巧。 （ 2） 改善機械手的外形結(jié)構(gòu)，使其更加美觀，更像人類手臂，可以使用碳纖維作為組成 18 材料，人體對機械手的排斥或因肢體損傷感染的可能性更小。 （ 3） 選擇更加智能化的傳感器，提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度和靈敏度。 （ 4） 選擇 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解機械手關(guān)節(jié)空間的解，常用的假肢逆運動學求解方法在目標姿態(tài)信息未知的情況下不能求解關(guān)節(jié)空間的解，而基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解方法能很好的解決這一問題。 （ 5）使用更加高效，編寫方便的語言實現(xiàn)軟件程 序設(shè)計，如 Java， Java SE。 19 6 致謝 本論文的設(shè)計，從最初的選稿到定稿，都讓我收益頗多。本論文是在導師賈朝川老師的悉心指導下完成的。我本專業(yè)學的是通信并不是單片機，大學期間并沒有太多的接觸過單片機的知識，本次的畢業(yè)設(shè)計讓我從對單片機的知之甚少到全部完成畢業(yè)設(shè)計，我收獲了很多知識。當然在完成畢業(yè)設(shè)計的過程中，導師賈朝川老師對我的指導和教誨對設(shè)計的順利完成是必不可少的，老師的耐心教誨，淵博的專業(yè)知識和嚴謹?shù)墓ぷ鲬B(tài)度對我影響深遠。首先對于老師的 付出和教誨表示最誠摯的感謝，其次對于本文所引用的書籍和論文等文獻的原作者也致以由衷的感謝。在論文完成的過程中，耐心的查找資料，翻閱書籍，請較老師和同學，認真思考讓我收獲了很多知識，同時也培養(yǎng)了我處理問題細心、嚴謹?shù)膽B(tài)度，此次設(shè)計的完成對我以后的工作也會影響深遠，對于我的人生態(tài)度也是一次很好的塑造。 20 7 參考文獻 [1] 張玉茹，李繼婷，李劍鋒 .機械人靈巧手 [M].北京 :機械工業(yè)出版社 . [1]:張玉茹，李繼婷，李劍鋒 .機械人靈巧手 [M].北京 :機械工 業(yè)出版社 .. [2]:譚冠政 ,吳立明 .國內(nèi)外人工腿 (假肢 )研究的進展及發(fā)展趨勢 [J].機器人 .中南工業(yè)大學機械人研究所 .2021,23(1). [3]：王人成 .假肢技術(shù)的研究熱點及發(fā)展趨勢 [J].中國康復醫(yī)學雜志 2021,20(7). [4]:李建昌 ,宮興 ,簡曉慧等 .基于 AT89C52 單片機的消防救援機械人 [J].消防科學與技術(shù) .東北大學機械工程與自動化學院 .2021,30