吳德道　邵龍安　何福保　郭童軍

摘要：熟悉機械手，特別是電動式機械手的驅(qū)動原理，理解各個自由度的獨立驅(qū)動和機械手協(xié)調(diào)工作的一致性。課題主要利用了STC89C52單片機，L298N和HEDS9000（兩通道高分辨率光學(xué)增量編碼器模塊），構(gòu)建閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對直流電機的正反轉(zhuǎn)停，精確調(diào)速控制。在控制軟件設(shè)計中引入數(shù)字控制策略，并用電力電子的PWM方式實現(xiàn)。用12864液晶和鍵盤作為人機界面顯示直流電機的運行狀態(tài)并可以實現(xiàn)輸入控制。

關(guān)鍵詞：機械手；自由度；STC89C52； L298N；光學(xué)增量編碼器；PWM

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）36-8837-02

機械手是近幾十年發(fā)展起來的，由于它可以模仿人的手臂進行一些工作并且機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成工作的能力，在各個領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。它可以代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化保護人身安全。機械手有四種驅(qū)動方式，其中電氣驅(qū)動是最靈活的，而且可以實現(xiàn)機械手的閉環(huán)控制，本設(shè)計是關(guān)于電動式機械手的一個自由度的控制，結(jié)合DDC（直接數(shù)字控制系統(tǒng)），便可以實現(xiàn)機械手多個自由度的控制和協(xié)調(diào)。利用單片機構(gòu)造一個閉環(huán)系統(tǒng)控制一個自由度，這樣多個自由度就可以用多個這樣的閉環(huán)系統(tǒng)進行控制 ， 然后利用單片機的通信功能，實現(xiàn)每個單片機通過串口與計算機進行通信，由上位機來發(fā)送命令，實現(xiàn)多個閉環(huán)系統(tǒng)的控制來達到控制機械手的多個自由度。在本設(shè)計中研究一個閉環(huán)控速系統(tǒng)。

圖1 閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 總體方案的設(shè)計

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)采用STC89C52單片機作為控制器，由于STC89C52單片機I/O口輸出電流能力很小，所以采用L298N芯片來驅(qū)動直流電機，并且L298N內(nèi)部的H橋可以實現(xiàn)單片機的直接正、反轉(zhuǎn)切換并且該芯片很容易配合單片機進行PWM調(diào)速。系統(tǒng)采用12864液晶來顯示直流電機的速度和運行狀態(tài)。

2 主要接口電路的設(shè)計

2.1 L298N直流電機驅(qū)動電路

L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅(qū)動兩臺直流電機。

2.2 顯示模塊與單片機連接

本設(shè)計以12864作為顯示模塊來與單片機相連，其中DB0～DB7與單片機P0（P0.0～P0.7） 口對應(yīng)連接，在具體的實物連接時，視情況連接上拉電阻，具體連接方式如圖3所示。

3 測速方案

由于現(xiàn)在的碼盤精度可以做的很高，測速非常的精準，所以光電編碼器測速用的比較廣泛。具體的詳細工作原理要根據(jù)選用的光學(xué)編碼器。本設(shè)計選用的是兩通道高分辨光學(xué)增量編碼器，碼盤的精度為888線，即每旋轉(zhuǎn)一周可以得到888個脈沖。測速方法：把其中一個通道連接到52單片機的T0口。假設(shè)1S得到的脈沖個數(shù)為N. 那么電機的轉(zhuǎn)速為 （N/888） *60 （r/min）。

4 結(jié)論

本設(shè)計電路結(jié)構(gòu)簡單，采用STC89C52單片機為核心，以L298N芯片驅(qū)動直流電機，用12864作為顯示模塊與單片機相連，本次設(shè)計中在硬件上需要注意的是碼盤精度，軟件上是按鍵在正反切換時，需要關(guān)閉所有定時器并且把和電機速度有關(guān)的幾個參數(shù)清零，并且相應(yīng)的給定時器T1從新賦初值，外部計數(shù)值TH0，TL0清零，再重新開啟定時器，以及涉及中斷優(yōu)先級的問題。

參考文獻：

[1] 徐泳龍.單片機原理與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[2] 謝維成，楊加國.單片機原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2009.

摘要：熟悉機械手，特別是電動式機械手的驅(qū)動原理，理解各個自由度的獨立驅(qū)動和機械手協(xié)調(diào)工作的一致性。課題主要利用了STC89C52單片機，L298N和HEDS9000（兩通道高分辨率光學(xué)增量編碼器模塊），構(gòu)建閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對直流電機的正反轉(zhuǎn)停，精確調(diào)速控制。在控制軟件設(shè)計中引入數(shù)字控制策略，并用電力電子的PWM方式實現(xiàn)。用12864液晶和鍵盤作為人機界面顯示直流電機的運行狀態(tài)并可以實現(xiàn)輸入控制。

關(guān)鍵詞：機械手；自由度；STC89C52； L298N；光學(xué)增量編碼器；PWM

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）36-8837-02

機械手是近幾十年發(fā)展起來的，由于它可以模仿人的手臂進行一些工作并且機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成工作的能力，在各個領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。它可以代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化保護人身安全。機械手有四種驅(qū)動方式，其中電氣驅(qū)動是最靈活的，而且可以實現(xiàn)機械手的閉環(huán)控制，本設(shè)計是關(guān)于電動式機械手的一個自由度的控制，結(jié)合DDC（直接數(shù)字控制系統(tǒng)），便可以實現(xiàn)機械手多個自由度的控制和協(xié)調(diào)。利用單片機構(gòu)造一個閉環(huán)系統(tǒng)控制一個自由度，這樣多個自由度就可以用多個這樣的閉環(huán)系統(tǒng)進行控制 ， 然后利用單片機的通信功能，實現(xiàn)每個單片機通過串口與計算機進行通信，由上位機來發(fā)送命令，實現(xiàn)多個閉環(huán)系統(tǒng)的控制來達到控制機械手的多個自由度。在本設(shè)計中研究一個閉環(huán)控速系統(tǒng)。

圖1 閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 總體方案的設(shè)計

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)采用STC89C52單片機作為控制器，由于STC89C52單片機I/O口輸出電流能力很小，所以采用L298N芯片來驅(qū)動直流電機，并且L298N內(nèi)部的H橋可以實現(xiàn)單片機的直接正、反轉(zhuǎn)切換并且該芯片很容易配合單片機進行PWM調(diào)速。系統(tǒng)采用12864液晶來顯示直流電機的速度和運行狀態(tài)。

2 主要接口電路的設(shè)計

2.1 L298N直流電機驅(qū)動電路

L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅(qū)動兩臺直流電機。

2.2 顯示模塊與單片機連接

本設(shè)計以12864作為顯示模塊來與單片機相連，其中DB0～DB7與單片機P0（P0.0～P0.7） 口對應(yīng)連接，在具體的實物連接時，視情況連接上拉電阻，具體連接方式如圖3所示。

3 測速方案

由于現(xiàn)在的碼盤精度可以做的很高，測速非常的精準，所以光電編碼器測速用的比較廣泛。具體的詳細工作原理要根據(jù)選用的光學(xué)編碼器。本設(shè)計選用的是兩通道高分辨光學(xué)增量編碼器，碼盤的精度為888線，即每旋轉(zhuǎn)一周可以得到888個脈沖。測速方法：把其中一個通道連接到52單片機的T0口。假設(shè)1S得到的脈沖個數(shù)為N. 那么電機的轉(zhuǎn)速為 （N/888） *60 （r/min）。

4 結(jié)論

本設(shè)計電路結(jié)構(gòu)簡單，采用STC89C52單片機為核心，以L298N芯片驅(qū)動直流電機，用12864作為顯示模塊與單片機相連，本次設(shè)計中在硬件上需要注意的是碼盤精度，軟件上是按鍵在正反切換時，需要關(guān)閉所有定時器并且把和電機速度有關(guān)的幾個參數(shù)清零，并且相應(yīng)的給定時器T1從新賦初值，外部計數(shù)值TH0，TL0清零，再重新開啟定時器，以及涉及中斷優(yōu)先級的問題。

參考文獻：

[1] 徐泳龍.單片機原理與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[2] 謝維成，楊加國.單片機原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2009.

摘要：熟悉機械手，特別是電動式機械手的驅(qū)動原理，理解各個自由度的獨立驅(qū)動和機械手協(xié)調(diào)工作的一致性。課題主要利用了STC89C52單片機，L298N和HEDS9000（兩通道高分辨率光學(xué)增量編碼器模塊），構(gòu)建閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對直流電機的正反轉(zhuǎn)停，精確調(diào)速控制。在控制軟件設(shè)計中引入數(shù)字控制策略，并用電力電子的PWM方式實現(xiàn)。用12864液晶和鍵盤作為人機界面顯示直流電機的運行狀態(tài)并可以實現(xiàn)輸入控制。

關(guān)鍵詞：機械手；自由度；STC89C52； L298N；光學(xué)增量編碼器；PWM

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）36-8837-02

機械手是近幾十年發(fā)展起來的，由于它可以模仿人的手臂進行一些工作并且機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成工作的能力，在各個領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。它可以代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化保護人身安全。機械手有四種驅(qū)動方式，其中電氣驅(qū)動是最靈活的，而且可以實現(xiàn)機械手的閉環(huán)控制，本設(shè)計是關(guān)于電動式機械手的一個自由度的控制，結(jié)合DDC（直接數(shù)字控制系統(tǒng)），便可以實現(xiàn)機械手多個自由度的控制和協(xié)調(diào)。利用單片機構(gòu)造一個閉環(huán)系統(tǒng)控制一個自由度，這樣多個自由度就可以用多個這樣的閉環(huán)系統(tǒng)進行控制 ， 然后利用單片機的通信功能，實現(xiàn)每個單片機通過串口與計算機進行通信，由上位機來發(fā)送命令，實現(xiàn)多個閉環(huán)系統(tǒng)的控制來達到控制機械手的多個自由度。在本設(shè)計中研究一個閉環(huán)控速系統(tǒng)。

圖1 閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 總體方案的設(shè)計

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)采用STC89C52單片機作為控制器，由于STC89C52單片機I/O口輸出電流能力很小，所以采用L298N芯片來驅(qū)動直流電機，并且L298N內(nèi)部的H橋可以實現(xiàn)單片機的直接正、反轉(zhuǎn)切換并且該芯片很容易配合單片機進行PWM調(diào)速。系統(tǒng)采用12864液晶來顯示直流電機的速度和運行狀態(tài)。

2 主要接口電路的設(shè)計

2.1 L298N直流電機驅(qū)動電路

L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅(qū)動兩臺直流電機。

2.2 顯示模塊與單片機連接

本設(shè)計以12864作為顯示模塊來與單片機相連，其中DB0～DB7與單片機P0（P0.0～P0.7） 口對應(yīng)連接，在具體的實物連接時，視情況連接上拉電阻，具體連接方式如圖3所示。

3 測速方案

由于現(xiàn)在的碼盤精度可以做的很高，測速非常的精準，所以光電編碼器測速用的比較廣泛。具體的詳細工作原理要根據(jù)選用的光學(xué)編碼器。本設(shè)計選用的是兩通道高分辨光學(xué)增量編碼器，碼盤的精度為888線，即每旋轉(zhuǎn)一周可以得到888個脈沖。測速方法：把其中一個通道連接到52單片機的T0口。假設(shè)1S得到的脈沖個數(shù)為N. 那么電機的轉(zhuǎn)速為 （N/888） *60 （r/min）。

4 結(jié)論

本設(shè)計電路結(jié)構(gòu)簡單，采用STC89C52單片機為核心，以L298N芯片驅(qū)動直流電機，用12864作為顯示模塊與單片機相連，本次設(shè)計中在硬件上需要注意的是碼盤精度，軟件上是按鍵在正反切換時，需要關(guān)閉所有定時器并且把和電機速度有關(guān)的幾個參數(shù)清零，并且相應(yīng)的給定時器T1從新賦初值，外部計數(shù)值TH0，TL0清零，再重新開啟定時器，以及涉及中斷優(yōu)先級的問題。

參考文獻：

[1] 徐泳龍.單片機原理與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[2] 謝維成，楊加國.單片機原理與應(yīng)用[M].清華大學(xué)出版社，2009.