基于单片机控制的工业机械手控制系统设计.doc

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1、- .摘要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。随着工业自动化开展的需要，机械手在工业应用中越来越重要。文章主要表达了机械手的设计过程 ，文章中介绍了机械手的设计理论与方法。 本设计以AT89C51 单片机为核心，采用LMD18200 电机控制芯片到达控制直流电机的启停、速度和方向，完成了筛选机械手根本要求和发挥局部的要求。在筛选机械手设计中，采用了PWM 技术对电机进展控制，通过对占空比的计算到达准确调速的目的。 【关键词】：筛选机械手，AT89C51 单片机，LMD18200 电机控制芯片，PWM技术，电机控制。Abstract

2、The manipulator technology involves to the electron, mechanics, the automatic control technology,the sensor technology and the puter technology and so on scientific field, is an interdisciplinaryprehensive technology. Along with the industrial automation need to develop, the manipulator isgetting mo

3、re and more important in the industrial application. The article mainly narratedmanipulators design process, in the article introduced manipulators design theory and the method.This design take at89C51 monolithic integrated circuit as a core, uses the LMD18200 motorcontrol chip to achieve the contro

4、l direct current machine to open stops, the speed and the direction,pleted has screened the manipulator essential requirements and the display part request. Inscreens the manipulator to design, used the PWM technology to carry on the control to the electricalmachinery, through the putation achieved

5、the precise velocity modulation to the dutyfactor thegoal.【Key words】Screening manipulator, AT89C51 monolithic integrated circuit, LMD18200 ,motor control chip, PWM technology, motor control.- . 可修编. 目录第一章 绪论11.1机械手的概述11.2机械手的根本构造21. 3机械手的类型3第二章 机械手总体方案的设计42. 1设计要求42. 2根本设计思路5第三章 硬件构造设计63. 1机械手尺寸确实定

6、63. 2传动局部设计6第四章 软件电路局部设计94.1 单片机的选择94.2 驱动芯片的选择114.3 传感器确实定134.4 接口电路144.5 电路图绘制164.6 程序流程框图18参考文献20.s. . . . 第一章 绪论1.1机械手的概述1.机械手的简介 机械手是模仿着人手的局部动作，按照给定程序、轨迹和要求能实现自动抓取、搬运的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手叫做“工业机械手。在实际生产中，应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率，可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现平安生产。尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境下，它代替人进展正常的

7、工作，意义更为重大。随着生产的开展，功能和性能的不断改善和提高，在机械加工、冲压、锻、铸、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等领域得到了越来越广泛的应用。国外对机器人及机械手所作的定义不尽一样。国际标准化组织对机器人的定义:机器人是一种能自动定位、可控的可编程的多功能操作机。这类操作机具有几个轴在可编程序操作下，能处理各种材料、零件、工具和专用装置，以执行各种任务。美国国家标准(NBS)对机器人的定义:“一种可编程，并在自动化控制下执行某种特定操作和移动作业任务的机械装置。日本工业机器人协会对工业机器人的定义:“一种装备有记忆装置和最终执行装置，能够完成各种移动来代替人类劳动

8、的通用机器。它又分为以下两种情况来定义:(1)工业机器人:“一种能执行与人的上肢类似动作的多功能机器。(2)智能机器人:“一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器。2.构造框图：机械手由执行机构、驱动传动系统和控制系统这三局部组成，如下列图所示。.s. . . .1.2机械手的根本构造工作原理 机械手是一个水平、垂直运动的机械设备，用来将工件由左工作台搬到右工作台。有上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制。简易机械手在各类全自动和半自动生产线上应用得十分广泛，主要用于零部件或成品在固定位置之间的移动，替代人工作业，实现生产自动化。本设计中的机械手采用上下升降加平面转动

9、式构造，机械手的动作由气动缸驱动，气动缸由相应的电磁阀来控制，电磁阀由单片机控制驱动执行元件完成，能十分方便的嵌入到各类工业生产线中。图2-1为机械手简图,其中SQ1-上限开关，SQ2-左限，SQ3-下限开关，SQ4-光电开关，SQ5-夹紧，SQ6-右限。图2-1 机械手简图这个机械手具有二个直线运动和一个旋转运动自由度用于将源工作台上的物品搬到其左侧或右侧目的工作台上。机械手的直线动作由气缸驱动，气缸由电磁阀控制，整个机械手在工作中能实现上升/下降、左传/右转、夹紧/放松功能，是目前较为简单的、应用比拟广泛的一种机械手。其升降运动通过升降气缸、垂直导柱、滑动导柱、垂直导轨及升降位置微动开关相

10、互配合完成，升降工作行程为0100mm、转动是通过旋转气缸实现、转开工作行程为090；手爪是通过气缸、弹簧的作用来夹持物品，夹持力是靠调节弹簧的预压缩调整。 机械手的根本构造由感知局部、控制局部、主机局部和执行局部四个方面组成。采集感知信号及控制信号均由气动缸驱动。主机局部采用了标准型材辅以模块化的装配形式，使得气动机械手能拓展成系列化、标准化的产品。图2-1中工件所处位置为原点位置，根据要求：机械手初始位置在原点位置，每次循环动作都从原点位置开场，完成上升、下降运动，左移、右移运动和夹紧、放松动作和位置控制，并能实现手动操作和自动操作方式。当机械手在原点位置下启动按钮，系统启动，左传送带运转

11、。当光电开关检测到物品后，左传送带停顿运行。根据分析可得出机械手的工作流程图，如图2-2所示。原位下降夹紧上升右移停顿左移上升松开下降下限延时上限左限启动右限机械手工作流程图根据以上分析，机械构造方案根本固定。整个机械手一共用到三个气缸，单片机需要控制每个气缸的动作：横梁长气缸的外调，执行气爪的夹持与放松、竖导杆气缸的升降、各气缸的定位控制和旋转轴的定位控制，另外两个是工件计数和故障报警。1.3机械手的类型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。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定工作。它的特点是除具备普通机械的物理性能外，还具备通

12、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。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来开展到用无线电信号操作机械手来进展探测月球、火星等。第三类是专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用于解决机床上下料和工件传送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand，它是为主机效劳的，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。 第二章 机械手总体方案的设计2.1设计要求下列图为机械手动作示意图，机械手将传送带A上的物品搬运到传送带B上，机械手按照下述动作顺序周而复始的搬运货物。（1） 机械手的初始状态为：机械手放松、处于左限位置SQ2为

13、左限位开关、上限位置SQ1为上限位开关；（2） 传送带A和B分别由两台电动机控制，初始状态为停顿；（3） 按动启动按钮后，传送带A和B开场输送物品，同时其他检测、控制局部也开场或准备工作，此时：a光电开关SQ4检测到传送带A输送来的物品后，停顿传送带A的运动；b机械手抓取传送带A上的物品。机械手由气动阀控制，当气动阀开关SQ5=1时，机械手夹紧；当SQ5=0时，机械手放松；c机械手往上移动，到达上限位置，上限位置由上限限位开关SQ1检测。机械手上移和下移的动作由气动阀控制，需要另外设置一个该气动阀的开关，如SQ10，假设SQ10=1，那么上移；假设SQ10=0，那么下移。d机械手向右旋转，到达

14、右限位置，右限位置由右限限位开关SQ6检测；e机械手向下移动，到达下限位置，下限位置由下限位置开关SQ3检测。机械手的左右移动由气动阀控制，需要另外设置一个该气动阀的开关，如SQ11，假设SQ11=1，那么左移；假设SQ11=0，那么右移。f机械手放松，将抓取的物品放在传送带B上；g机械手往上移动，到达上限位置，上限位置由上限限位开关检测；h机械手向左旋转，到达左限位置，左限位置由左限限位开关检测；i启动传送带A，进展下一个周期的动作；2.2 根本设计思路总体设计框图如下： 图2-1 总体设计框图1.CPU 的选择 由于单片机体积小，价格廉价且具有高稳定性和很强的抗干扰能力，因此本设计中用单片

15、机取代PLC 控制。2.机械手坐标形式的选择 由于本设计中精度要求较高，首先排除了极坐标式和关节坐标式，而且它们还存在平衡问题，直角坐标式灵活性差，不利于提高工作效率。因此为了使其工作方式更加简单直观，机械手坐标类型选择为圆柱坐标机械手。3.传动机构的选择 本设计要求传动方式为电机的转动带动机械手臂的上下、左右移动，即圆周运动转换为直线运动，首先排除了带传动。与此同时，由于设计精度要求较高，所以链条传动也不作考虑。剩下丝杆传动和齿轮传动，从零件的加工方面考虑，最终确定了加工较为简单的齿轮传动。4.抓取机构的选择 目前工业上较长采用的抓取机构为手爪。但是本次设计要求的工件为直径2cm厚1cm 的

16、圆形铁片，抓取精度要求高，操作难度较大。考虑到材质，因此选择了电磁阀作为抓取机构。通过电磁阀的通断来控制工件的抓取和放下，操作方便。5.驱动方式的选择 在选择驱动方式阶段，我首先考虑的是液压、气压传动，但方案存在一定缺陷。其中，液压装置体积太过庞大，需要专门配置一套液压系统，且对密封性要求高，不宜在高温、低温下工作。而气压传动由于空气的可压缩性导致工作速度、稳定性较差，且有一定噪音。电机选择相对较为简单，由于步进电机有步距角误差，机械手在齿轮传动和摆动时会进一步放大该误差，因此选择伺服电机驱动。第三章 硬件构造设计3.1 机械手尺寸确实定 由于本次设计对工作场地要求并没有明确的限制，因此机械手

17、的尺寸也就没有明确的规定，为了设计的方便，将机械手大臂有效距离长为280mm，小臂有效距离长为170mm3.2 传动局部设计1. 机械手是有三台伺服电机驱动 电机M1 控制大臂在Z 轴旋转摆动，电机M2 控制小臂在Z 轴的旋转摆动，电机C 控制末端执行器在Z 轴的上下移动。为了设计的方便，控制方式采用点位控制。通过分别控制三台电机的正反转来确定末端执行器在空间上的具体位置。由于三台电机不是同时控制，因此不存在相互间的干扰，从而增强了整个系统的稳定性。2. 具体传动环节 基座局部装有服电机M1，通过齿轮传动控制大臂旋转，基座与大臂底座用轴承连接；大臂座装有伺服电机M2，通过齿轮、传动控制小臂的旋

18、转摆动；末端执行器局部装有伺服电机M3，同样通过齿轮、丝杆传动控制末端执行器的上下移动。3. 伺服电机 一个伺服电机部包括了一个小型直流马达；一组变速齿轮组；一个反应可调电位器；及一块电子控制板。其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速减速齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低4.微行伺服马达的工作原理 一个微型伺服马达是一个典型闭环反应系统，其原理可由下列图表示：伺服电机原理图 减速齿轮组由马达驱动，其终端输出端带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反应给控制线路板，控

19、制线路板将其与输入的控制脉冲信号比拟，产生纠正脉冲，并驱动马达正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而到达使伺服马达准确定位的目的。5.伺服马达的控制 标准的微型伺服马达有三条控制线，分别为：电源、地及控制。电源线与地线用于提供部的直流马达及控制线路所需的能源，电压通常介于4V6V 之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离因为伺服马达会产生噪音。甚至小伺服马达在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供给的比例必须合理。输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms2ms 之间，而低电平时间应在5ms 到20ms 之间，并不很

20、严格，下表表示出一个典型的20ms 周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂位置的关系：6.选用的伺服马达 此处选用的伺服马达为TowPro 的，型号为SG303。其主要技术参数如下：转速：0.23 秒60 度。l力矩：3.2kgcm。l尺寸：40.4mm19.8mm36mm。l重量：0.6kg。l12V 和24V 电源供电。 控制周期脉冲宽度为20ms。送出不同的正脉冲宽度是，就可以得到不同的控制效果。控制正脉冲宽度如下：7.增量式编码器 编码器是把角位移或直线位移转换成电信号的一种装置。前者成为码盘，后者称码尺按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种接触式采用电刷输出，一电刷接触

21、导电区或绝缘区来表示代码的状态是“还是“；非接触式的承受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时以透光区和不透光区来表示代码的状态是“还是“。按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有

22、干扰而丧失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。 解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。比方，打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理，每次开机，我们都能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作。增量式编码器特点：增量式编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，其计数起点任意设定，可实现多圈无限累加和测量。编码器轴转一圈会出固定的脉冲，脉冲数由编码器光栅的线数决定。需要提高分辨率时，可利用

23、90 度相位差的 A、B 两路信号进展倍频或更换高分辨率编码器。8.丝杆及螺母副 主要确定丝杆的外径d，及长度，选择螺纹的类型，牙型角，计算出螺纹中径d2，螺纹升角，定出螺距P，求出螺纹导程S。9.滚动轴承 滚动轴承的类型、尺寸和公差等级均已制定有国家标准，在机械设计中只需根据工作条件选择适宜的轴承类型，尺寸和公差等级等，并进展轴承的组合构造设计。按滚动轴承承受载荷的作用方向，常用轴承可分为三类，即径向接触轴承、向心角接触球轴承和轴向接触轴承。 在机械手的设计中，通常使用角接触球轴承、圆锥滚子轴承或深沟球轴承和推力球轴承的组合件。选择轴承要根据它所支承的轴的粗度一般轴径的设计要先由计算的强度来

24、确定根本尺寸，再根据GB/T2822-81 来选取标准尺寸，也可以根据标准件如轴承等决定来决定的，选定轴承后，还要进展轴承的寿命计算。第四章 软件电路局部设计4.1 单片机的选择1. 单片机的概念 单片机是将计算机的根本部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机。通常在芯片含有CPU、ROM、RAM、并行I/O 口、串行口、定时/计数器、中断控制系统、系统时钟及系统总线等。2. 单片机特点1) 优异的性能价格比。2) 高、体积小、可靠性高。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，部采用总线构造，减少了各芯片之间的连线，大大提高了计算机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措

25、施，适合在恶劣环境下工作。3) 控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统种均有极丰富的转移指令、I/O 口的逻辑操作及位处理功能，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。4) 低功耗、低电压，便于生产便携式产品。5) 单片机的系统扩展和系统配置叫典型、规，容易构成各种规模的应用系统。3. 单片机硬件构造1) 89C52 系列单片机根本配置如下：a) 微处理器 该单片机中有一个8 位的微处理器，与通用的微处理器根本一样，同样包括了运算器和控制器两大局部，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进展位变量的处理。b) 数据存储器 片为128 个字节，片外最多

26、可外扩至64k 字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。c) 程序存储器 由于受集成度限制，片只读存储器一般容量较小，如果片的只读存储器的容量不够，那么需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64k 字节。d) 中断系统 具有5 个中断源，2 级中断优先权。e) 定时器/计数器 片有2 个16 位的定时器/计数器， 具有四种工作方式。f) 串行口1 个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进展串行通讯，扩展并行I/O 口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。g) P1 口、P2 口、P3 口、P4

27、 口 为4 个并行8 位I/O 口。h) 特殊功能存放器 共有21 个，用于对片的个功能的部件进展管理、控制、监视。实际上是一些控制存放器和状态存放器，是一个具有特殊功能的RAM 区。2) 引脚及其功能a) 电源及时钟引脚VCC：接+5V 电源正端；VSS：接+5V 电源地端；X1：接外部晶体振荡器的一端；X2：接外部晶体振荡器的另一端。b) 控制引脚RESET：单片机上电复位端。ALE：当访问外部存储器时，ALE 一每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在P0 口的低8 位地址。PSEN：为片外程序存储器读选通信号输出端。EA ：为访问外部程序存储器控制信号，低电平有效。c) 输入/输出引脚

28、P3 口的第二功能：P3.0：RXD，串行输入通道；P3.1：TXD，串行输出通道；P3.2：INT0，外部中断0；P3.3：INT1，外部中断1；P3.4：T0，计数器0 外部输入；P3.5：T1，计数器1 外部输入；P3.6：WR ，外部数据存储器写选通；P3.7： RD，外部数据存储器读选通。 图4-1 89c51 引脚图4.2驱动芯片的选择 在微机控制系统中，还要处理另一类数字量，即开关信号、脉冲信号。它们是以二进制的逻辑“1和“0，即电平的高和低出现的。如开关触电的闭合和断开，指示灯的亮和灭，继电器和接触器的吸合和释放，马达的启动和停顿，晶闸管的通和断，阀门的翻开和关闭等，我们称为开

29、关量。开关量所控制的执行器所要求的控制电压一般都比拟高，电流一般都较大，有的是直流驱动，有的是交流驱动，必须根据具体对象采用适当的接口。开关量的输出接口实质上是利用计算机做“弱电控制“强电。它需要解决两个重要问题：隔离和驱动。 用单片机控制各种各样的高压、大电流负载，如电动机、电磁铁、继电器、灯泡等时，不能用单片机的I/O 线来直接驱动。P0、P1、P2、P3 四个口都可以做输出口，但其驱动能力不同。P0 口的驱动能力较大，当其输出高电平时，可提供400 m A的电流；当其输出低电平0.45V时，那么可提供3.2mA的灌电流，如低电平允许提高，灌电流会相应加大。P1、P2、P3 口的每一位只能

30、驱动四个LSTTL，即可提供的电流只有P0 口的一半。所以，用低电平输出可获得比高电平输出更大的驱动能力。目前，一些MCS-51 系列单片机的引脚驱动能力有所提高，如89C2051，一些引脚可提供20mA 的灌入电流。但大多数场合，单片机I/O 口的驱动能力是不够的，必须通过各种驱动电路的开关电路来提高驱动能力。电机驱动芯片LMD18200 原理及应用 LMD18200 是美国国家半导体公司(NS)推出的专用于直流电动机驱动的H 桥组件。同一芯片上集成有CMOS 控制电路和DMOS 功率器件，利用它可以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统。LMD18200 广泛应用于打印机

31、、机器人和各种自动化控制领域。下面介绍 LMD18200 芯片的构造、原理及其典型应用。1主要性能峰值输出电流高达6A，连续输出电流达3A；工作电压高达55V；Low RDS(ON) typically 0.3W per switch；TTL/CMOS 兼容电平的输入；无 “shoot-through 电流；具有温度报警和过热与短路保护功能；芯片结温达145，结温达170时，芯片关断；具有良好的抗干扰性。2 典型应用l 驱动直流电机、步机电机l 伺服机构系统位置与转速l 应用于机器人控制系统l 应用于数字控制系统l 应用于电脑打印机与绘图仪（3） 部构造和引脚 LMD18200 外形构造如图1

32、 所示，部电路框图2 如下图。它有11 个引脚,采用TO-220 和双列直插式封装。(4)LMD18200 工作原理： 部集成了四个DMOS 管，组成一个标准的H 型驱动桥。通过充电泵电路为上桥臂的2 个开关管提供栅极控制电压，充电泵电路由一个300kHz 左右的工作频率。可在引脚1、11 外接电容形成第二个充电泵电路，外接电容越大，向开关管栅极输入的电容充电速度越快，电压上升的时间越短，工作频率可以更高。引脚 2、10 接直流电机电枢，正转时电流的方向应该从引脚步到引脚10；反转时电流的方向应该从引脚10 到引脚2。电流检测输出引脚8 可以接一个对地电阻，通过电阻来输出过流情况。部保护电路设

33、置的过电流阈值为10A，当超过该值时会自动封锁输出，并周期性的自动恢复输出。如果过电流持续时间较长，过热保护将关闭整个输出。过热信号还可通过引脚9 输出，当结温到达145 度时引脚9 有输出信号。4.3 传感器确实定 颜色传感器， 通过一种特殊的三色方式发挥作用。传感器把光红、蓝、绿投射到将被检测的物体上，计算来自反射辐射的色度坐标，并与之前存储的三色值进展比拟。当三色值在设定的允许偏差围，就会产生一个交换输出。传感器使用白炽灯做光源，使用光电池接收器，直到后来创造了高效的可见光。现在，多数的色标传感器都是使用经调制的各种颜色的可见光发射器。经调制的传感器往往牺牲了响应速度，以获取更长的检测距

34、离，这是因为检测距离是一个非常重要的参数。 未经调制的传感器可以用来检测小的物体或动作非常快的物体，这些场合要求的响应速度都非常快。但是，现在高速的调制传感器也可以提供非常快的响应速度，能满足大多数的检测应用。如上图： CSSREM18 颜色识别传感器颜色值或颜色 模拟量输出0-10V最大颜色选择度导向光束红色响应时间，典型值：100s自 检功能独立放大器，1 种颜色自学功能物体尺寸 5 mm信号强度0-10V距离：5-200mm白色光源到达32 色自学功能的FSK 存储卡任选附件防护等级IP 65光源，自适应颜色传感器和放大器4.4 接口电路1.串行通信的根本原理 计算机的数据传送有并行和串

35、行两种方式。并行数据传送的特点是：各数据同时传送，传送速度快，效率高。但并行数据传送有多少数据位就需要多少根数据线，因此传送本钱高。并行数据传送的距离通常小于30 米，计算机部的数据传送通常都是并行的；串行数据传送的特点是：数据传送按位顺序进展，最少只需一根线即可完成，本钱低但速度慢。计算机与外界的数据传送大多是串行的，其传送的距离可以从几米到几千公里。串行通信又分为异步和同步两种方式。单片机中使用的串行通信通常都是异步方式的。1串行通信的数据传送格式 异步串行通信以字符为单位，即一个一个字符地传送。其字符格式通常表示如下：它用一个起始位表示字符的开场，用停顿位表示字符的完毕构成一帧。异步通信

36、的特点是每次只传送一个字符，每个字符由起始位规定为低电平、数据位、奇偶校验位、停顿位规定为高电平12 位组成。由于单片机的停顿位规定为1 位，为了与单片机相匹配，PC 机的一帧数据的停顿位我们采用1 位。2串行通信的收发过程 发送方发送数据时，通过发送低电平起始位开场一个字符的传送，起始位之后便按特定的速率发送数据位包括奇偶校验位，当最后一位数对于采用奇偶个高电平停顿位用以标志一个字符传送完毕，这样就完成了一帧数据发送。如果不再发送新数据或数据尚未准备好，就将传输线钳在高电平状态。接收方不断检测传输线的电平状态，当发现传输线由高电平变为低电平时起始位标志位，即认为有数据传入，进入接收状态，然后

37、以一样的速率检测传输线的电平状态，接收随后送来的数据位，奇偶校验位和停顿位。可见在异步通信方式中，发送方是靠控制传输线的电平状态来完成数据的发送。接收方通过不断检测数据线的状态来完成数据的接收，只要发送率和接收检测速率一样，即能准确接收和发送数据。发送与接收设备可以使用各自的时钟源完成数据的发送与接收，无需使用一样的时钟信号。3串行通信的传送速率 传送速率用于说明数据传送的快慢。在串行通信中，数据是按位进展传送的，因此传送速率用每秒钟传送二进制数码的位数来表示，称之为波特率。在串行通信中常用波特率来衡量通信速率的快慢，每秒钟传送一位就是一波特，一般异步通信波特率为110KHZ。在选择通信的波特

38、率时，不要盲目追高，要以满足数据传输要求为原那么。因为波特率越高，对发送和接收时钟信号频率的一致性要求就越高。4串行通信的电平转换 PC 机与单片机是通过串行口进展通信的。由于单片机的输入、输出是TTL 电平+5V 表示逻辑1，电平低于2V 便不能被识别为逻辑1；0V 表示逻辑0，TTL电平一般不能用于远距离传输，因为传输过程中电平的衰减会使传输数据不准确。而PC 机配置的是RS232 串行接口，因此，单片机与PC 机之间进展通信时，要进展电平的转换，需要将TTL 电平转换为RS232 电平-5V-15V 表示逻辑1，+5V+15V 表示逻辑0，在传输线上传送的RS232 电平可高达 12V，

39、比TTL 电平有更强的抗衰减能力及抗干扰能力，可用于远距离传输。常用的电平转换芯片为MAX2232，此芯片能实现以上两种电平的相互转换。另外，信号传输的介质最好使用双绞线，有利于抑制外界共模信号的干扰。2.单片机与PC 机串行通信实现手段 由于PC 机中集成了串行异步通信的可编程芯片8250，我们可以通过PC 机的串行通信口1 或2 对它进展控制，因而不需要再单独做实验板。我们可以把单片机的部电平转换接口与PC 机的串行通信口1 或2 通过串行连接线连接起来，然后用软件对它们进展初始化，使它们运行各自的接收或发送程序。在具体编程的时候，我们可以实现很多的功能。例如，我们可以从PC 机和单片机中

40、读其RAM 或ROM 的容，对它们进展在线修改。PC 机的程序可以用汇编程序MASM6.0、VB、C+Bilder 或VC+进展编写。 控制电路与计算机通讯能够在计算机上作监控界面，使机械手控制更加人性化。 图4-3 串行通讯电路4.5 电路图绘制1.系统控制电路图如下： 图4-4 系统控制电路图2. 电路图说明：PC 机通过电频转换器将程序传送至单片机，单片机通过驱动芯片控制步进电机正反转，使传感器到达指定位置。传感器检测工件颜色，并发射相应信号给单片机红色，进展下一步；黑色，停顿、延时；无反射，程序完毕。单片机通过已设定的程序完成相应步骤。3. 单片机电路1) 看门狗复位电路 复位操作通常

41、有两种根本形式：上电复位和按钮复位。本电路中采用的是上电复位，其工作原理为：上电瞬间，RC 电路充电，RST 引脚端出现正脉冲，只要RST 端保持两个时钟周期以上的高电平，就能使单片机有效的复位。 看门狗又叫 watchdog timer,是一个定时器电路, 一般有一个输入,叫喂狗,一个输出到MCU 的RST 端,MCU 正常工作的时候,每隔一端时间输出一个信号到喂狗端,给 WDT 清零,如果超过规定的时间不喂狗,(一般在程序跑飞时),WDT 定时超过,就回给出一个复位信号到MCU,是MCU 复位. 防止MCU 死机. 看门狗的作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。工作原理：在系统运行以

42、后也就启动了看门狗的计数器，看门狗就开场自动计数，如果到了一定的时间还不去清看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统复位。所以在使用有看门狗的芯片时要注意清看门狗。硬件看门狗是利用了一个定时器，来监控主程序的运行，也就是说在主程序的运行过程中，我们要在定时时间到之前对定时器进展复位如果出现死循环，或者说PC 指针不能回来。那么定时时间到后就会使单片机复位。看门狗复位电路图如下。图4-5 看门狗复位电路2) 晶振电路MCS-51 系列单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：部振荡方式和外部振荡方式。在引脚XTAL1 和XTAL2 外接晶体振荡器，就构成了部振荡电路，如下列图所

43、示。图中C1、C2 起稳定振荡频率、快速起振的作用，电容值一般为530pF。晶振常选用频率为6MHz、12MHz 或24MHz 的，采用串口时常使用频率为11.0592MHz 的晶振。部振荡方式所得到的时钟信号比拟稳定，应用较多。图4-6 振荡电路4.6 程序流程框图 程序开场运行后，系统初始化，机械手回到原始位置。传送带将工件运送过来，到达指定位置后延时1s。这时，传感器开场检验，向工件位置发射光线，通过是否有收到反射光来判断工件是否到达指定位置。如果有发射光，那么运行下一步程序，开场搬运工件。如此循环，直到传感器不再承受到反射光，那么加工停顿，程序完毕。程序流程图如下：参考文献1辉平, 周国雄，单片机原理与应用设计，：航空航天大学，2007。2吴振顺，气动传动与控制，：:工业大学，1995。3方华, 许江淳，单片机原理及应用：嵌入式，：大学，2009。4. 新松. 机器人与工业自动化M . : 教育,2003.5. 王耀南. 机器