作者：欧家明
来源：《科技视界》 2014年第16期
欧家明
（广东省南方高级技工学校，广东 韶关 512023）
【摘 要】目前，51系列单片机广泛应用于各院校的单片机教学当中，而多自由度的机械手的教学应用也比较广泛。本文探讨了利用51系列单片机进行多自由度机械手教学模型的设计，可作为自动控制等专业学生学习单片机应用和自动控制的教学模型。 【关键词】51系列单片机；自由度；机械手；舵机；PWM 按键消抖 0 概述
在各院校的开设的单片机课程当中，几乎都是采用51系列单片机进行教学。51系列单片机是一种8位单片机，始祖是MCS-51单片机，由INTEL公司发明。后来INTEL公司将核心技术授权其它公司，生产出 兼容的51系列单片机。现在国内教学比较常用的是美国ATMEL公司的AT89系列和深圳宏晶公司的STC89系列，采用都是兼容的51指令。由于51单片机到现在还能到处见到它的踪影，可见其生命力之长。掌握了51单片机的应用，对于进一步的学习AVR系列和PIC系列单片机就更有帮助了。
多自由度机械手教学模型，有助于学生更好的理解工业自动控制的过程，激发学习兴趣。教学用的多自由度机械手可分为气动类和电动类的。气动类需要压缩空气驱动汽缸作为动力；电动类可以由步进电机、直流电机等驱动。以上的机械手结构比较复杂，制作起来费时费力。本设计采用航模中的舵机作为动力，结合由51单片机组成的控制系统，可以对机械手进行多自由度控制。不仅可以作为自动控制专业课程的教学演示，还可以在单片机的教学中作为目标机，供学生编程学习用，应用效率高。
1 机械手硬件组成
1.1 舵机
本设计采用舵机作为驱动。舵机主要由以下几个部分组成：舵盘、减速齿轮组、位置反馈比例电位器、直流电机、控制电路板等。控制电路板接受来自控制端口的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出轴。舵机的输出轴和位置反馈比例电位器是相连的，输出轴转动的同时，带动位置反馈比例电位器，转换为一比例电压反馈到控制电路板，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，达到目标后停止。标准的舵机接线端子顺序为：控制端、电源正、电
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源负。控制端输入周期为20ms的脉宽调制信号，脉宽范围为0.5ms～2.5ms，相对应舵盘的位置为-90o～+90o，呈线性变化。
１．２ 多自由度机械手客车散热器
机械手由底座、大臂、小臂、腕部和机械钳组成。其中底座采用1个舵机实现机械臂的左右转动；大臂由于负荷重，采用2个舵机并联驱动；小臂和腕部分别采用1个舵机驱动，实现上下转动；机械钳抓、放是利用将舵机的旋转运动转化成直线拉伸运动而实现的。机械手的制作材料采用亚克力有机玻璃板，用数控雕刻机雕刻而成。部件的连接采用铜柱。转轴采用类似于螺栓的设计，各部件能够绕轴自由转动，转轴通过联杆与舵机的舵盘相联，形成绕轴的扭转力。
２ 控制系统组成
从上述舵机转角的控制方法可看出，舵机的控制信号实质是一个PWM调制信号。目前采用单片机做舵机控制器的方案比较多，考虑到本教学模型控制系统要简单易懂，程序不要太复杂，设计的起点定位于：在单片机入门学习后，即可对控制系统进行编程。因此，制定出以下控制系统：采用51系列单片机作为控制系统，结合按键操作来控制舵机的转角与转向，控制的实现由程序来完成。高压阻尼线
2.1 控制系统的硬件部分设计
控制单元采用STC89C51芯片，该芯片的一个特点是支持串口在线编程（ISP），不需要额外的编程器，方便程序的修改、下载，非常适合学生使用；晶振为12MHz，使单片机的机器周期为1μs；由于舵机在运行过程中要从电源吸纳较大的电流，若舵机与单片机控制器共用一个电源，舵机会对单片机产生较大的干扰。因此，舵机与单片机控制器采用两个电源供电，舵机供电的电源最好采用输出功率较大的开关电源。该控制器利用MAX232芯片，将PC机的RS232电平转换成单片机的TTL电平。单片机串口除作为编程口外，还可以和上位机通讯，利用上位机控制机械手。
２．２ 控制系统的软件部分设计
由于舵机的控制信号为脉宽调制信号，结合之前的分析，采用汇编指令进行编程。编程中需要考虑的部分有：
1）按键的去抖动问题
卷纸架 由于按键的结构为机械弹性开关，在开关按下和释放操作时，触点闭合和断开的瞬间会接触不稳定，从而产生抖动。按键的抖动时间一般为5～10ms，会引起CPU对一次键操作进行多次处理，所以必须要进行消抖的处理。按键消抖处理可用硬件或软件的方法进行，出于系统的简易性和成本的考虑，这里采用软件消抖的方法。一般情况下，只需对开关按下时作消抖处理即可满足要求。具体的做法就是在判断按键有没有闭合时加入一定的延时来避开抖动，加入延时时间要比按键的抖动时间要长。
在检测到按键按下时，经过延时，判断键号并转入相应的按键处理程序。
2）PWM脉宽调制波的形成
PWM脉宽调制波的周期为20ms，占空比为2.5%～12.5%。由于51系列单片机没有专门的PWM输出端，编程要比AVR等系列稍显复杂。PWM输出实现的方案有很多，本设计采用T0和T1定时中断的方法实现。单片机的晶振为12MHz，机器周期为1μs，T0和T1都工作于工作方式2（8位自动）。T0的初值设为#06，计数250次，即每过250μs响应一次中断。寄存器R6设定响应中断次数#080，执行80次即为一个周期20ms；T1的初值设为#206，计数50次，寄存器R7装载初始值为#00，每过50μs响应一次中断R7加1。执行10次即为脉宽0.5ms。通过改变R7的计数终值可以控制脉冲的宽度在0.5ms～2.5ms间变化，步进为50μs，舵机大约转过4.5°。
化学膨胀螺栓 ３ 结束语
该教学模型是专门针对于高职、技术院校中相关的专业而进行的设计，将机械、电子、软件编程进行了很好的结合。机械手采用舵机作为输出动力，省却了采用直流电机驱动时所需的行程开关或编码轮，结构简单。控制系统采用单片机设计，准确、高效，具备多种运动模式，通过拓展还可以跟上位机通讯，通过上位机控制运行。程序通俗易懂，对机械手能进行很好的控制。作为单片机应用教学中的目标机，能直观地进行动态演示，提升了教学层次。在实际应用中，给予教师和学生一个全新的教
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与学的方法，对机械手从模糊的认识上升到感官认知，大大提高了学生的学习能动性，激发了他们的学习兴趣。对扎实掌握自动控制、电子技术、单片机应用，起到了良好的作用。
【参考文献】
［１］张伟．单片机原理及应用[M]．机械工业出版社．
［２］徐淑华，程退安，姚万生．单片微型机原理及应用[M]．哈尔滨工业大学出版社．
［责任编辑：薛俊歌］
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