应用单片机进行多自由度机械臂控制系统设计

王晴

摘 要：机器人（臂）是机械技术、电子技术和信息技术有机结合的产物。机械臂的优点众多，其中最为显著的是其精确性和高效性。而要实现这些优点，作为机械臂的大脑——机械臂的控制系统则显得尤为重要，拌随着微电子技术的日趋成熟和控制方法的不断改进，以单片机作为控制系统也变得更为简单和方便。介绍了基于单片机（STC12C5A60S2）采用脉冲调制技术（PWM）控制舵机达到控制多自由机械臂，工作原理以及控制系统的设计（包括硬件电路设计和C语言进行软件设计），为今后开发更加复杂且功能更为强大的现代机械臂奠定了基础。

关键词：单片机；机械臂；控制系统

中图分类号：TP241.2 文献标识码： A 文章编号：2095-7394（2018）02-0060-04

近年来，随着人工智能技术、数字化制造技术与移动互联网之间创新融合步伐的不断加快，发达国家纷纷做出战略部署，抢占机器人产业制高点。机器人（臂）是机械技术、电子技术和信息技术有机结合的产物，在现代工业的基础上，综合应用机械技术、微电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术、电力电子技术、接口技术、软件编程技术以及人体仿生学技术等群体技术实现高功能、高质量、高精度、高可靠性、低能耗等诸方面实现多种技术功能复合的最佳功能价值系统工程技术的产物。它是应用于工业领域的多关节机械手或多自由度的机械装置，能自动执行工作，靠自身动力和控制能力来实现设计功能的装置。它既可接受人类指挥，也可按照预先编排的指令程序运行，先进的工业机器人能够根据人工智能技术制定的原则纲领行动。

1 80C51单片机

单片机[1]是一种集成在一块电路芯片上的完整计算机系统，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。

1.1 单片机的构成

单片机是由中央处理器和内部数据存储器（8051芯片共有256个RAM单元，但能供用户使用的寄存器只有前面128个单元，简称这128个单元为内部RAM。内部ROM从功能和用途上又分为三个不同区域：工作寄存器区、位寻址区、数据缓冲区。）以及内部程序存储器（8051片内有4KB的程序储存单元（简称ROM），其地址范围为0000H～FFFFH（64KB）。用于存放程序、原始数据或表格）

1.2 单片机的优点

该单片机具有体积小、结构简单、可靠性高；控制能力强；低电压、低功耗；优异的性能/价格比等优点，所以适用于很多工作场所特别是较为恶劣的工作环境。

2 硬件电路的设计

2.1 舵机驱动电路的设计[2-3]

相对于其他元器件来说，由于舵机需要更大电流来驱动其正常运转，如果其供电电路和控制器电路共用同一个5V电源的话，则会影响控制电路单片机的正常工作，导致舵机精度缺失，达不到和PWM信号同步的效果。故舵机的驱动电路采用独立电源供电，且采用大功率开关元件，与控制器电源共地，其原理和控制电源电路基本相似，具体如图1所示。

2.2 串口通讯电路

许多外设和计算机（接口电路之间）按串行方式进行通信。STC12C5A60S2[4-5]有两个全双工的串行通讯口，但是由于计算机的串口是采用RS232电平，而单片机的串口是采用TTL电平，要使单片机和计算机之间可以方便地进行串口通讯，那么两者之間就必须有一个电平转换电路（图2），本设计采用了专用芯片MAX232进行转换。

3 控制系统软件设计

3.1 舵机PMM信号

脉冲宽度调制（PWM）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。舵机PWM格式应注意。

（1）上升沿最少为0.5ms，为0.5～2.5ms之间。

（2）PWM波形是一个周期1ms的标准方波。

（3）要求连续供给PWM信号，这样表现出来的跟随性能很好、很紧密。

通过阅读相关文献[6-7]结合本实验，得出了评价PWM信号生成是否方法的四个原则：

原则一：PWM信号周期的适应性。现实应用中，不同的控制系统需要产生不同周期的PWM信号，只有PWM信号周期具有可调性，这样，PWM信号才能被广泛应用。

原则二：实现多路PWM信号的输出。在大多数的控制系统中，往往需要的不仅仅是输出单个PWM信号控制，而是输出多个PWM信号协同控制。如果一个控制系统只能输出单一的PWM信号，那么这样的控制系统产生PWM信号的方法也就是没有任何意义。

原则三：多路PWM信号同步性。多路PWM控制信号的关键，实现多路信号输出的同时，还要多路控制信号的同步输出才能实现各个环节的协调控制，只有这样，才能实现控制多自由度机械臂的意义。

原则四：PWM信号的丰富性。对于同一种周期的PWM信号，我们往往需要通过实时的改变占空比，去实现PWM信号对平均电压的分配，才能控制系统中实现脉宽调制的控制作用，体现PWM出控制的意义。

3.2 PWM信号的输出

8951单片机其数据分辨率为256，那么经过舵机极限参数实验，得到应该将其划分为250份。那么0.5～2.5ms的宽度为2ms = 2 000us。2 000us÷250=8us则：PWM的控制精度为8us，我们可以以8us为单位递增控制舵机转动与定位。舵机可以转动180o，那么180o÷250=0.72o，则：舵机的控制精度为0.72o。控制所需的PWM宽度为0.5～2.5ms，宽度2ms。2ms÷250=8us；所以得出：PWM信号 = 1o/8us。

4 控制系统的调试

4.1 集成开发环境Keil和Protues

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列单片机C语言软件开发系统。提供了丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具uVision3。Keil C51标准C编译器为8051微控制器的软件开发提供了C语言环境，同时，保留了汇编语言代码高效、快速的特点。Proteus和Keil uVision2俩者配合使用，通过相应的设置可实现Keil和Protues的联合调试，即在Keil平台下调试程序，在Protues平台下观看调试后的结果。

4.2 系统调试

先在KeiL中，可以发现程序在语法上的错误，进行反复修改使语句更加精简明了，然后再在Proteus观察示波器（输出的PWM波）是否为目标波形，波形是否稳定。通过仿真调试直到消除这些不利因素。

5 结语

机器人（臂）是机械技术、电子技术和信息技术有机结合的产物。本研究采用STC12C5A60S2作为主控制器系统，并针对舵机运转需要大电流维持的特性采用双电源对控制系统和舵机分别供电，很好的解决了舵机工作时而不影响控制系统工作。而C语言简单方便且可移植性强，通过Keil和Protues的联合调试实现了机械臂抓手将工件从A转移到B的简单功能。因而，本研究为今后开发更加复杂且功能更为强大的现代机械臂奠定了基础，从而为增强我国现代制造业进行了技术储备。

参考文献：

[1] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2013.

[2] 马瑞卿，刘卫国，韩英桃.基于无刷直流电机的舵机试验器研制[J].电机与控制应用，2006（1）：41-47.

[3] 刘陵顺，王亭，顾文锦.IR2110集成驱动电路在舵机控制中的应用[J].海军航空工程学院学报，2002 （2）：228-230.

[4] 林跃，梁立容，王凤， 等.基于STC12C5A60S2的无人机遥控器的设计与实现[J].电子测量技术，2017，40（8）：212-216.

[5] 马贝，田瑞明，周野， 等.基于电感感测的自动循迹小车的设计[J].计算机与数字工程，2017，45（7）：1 422-1 425.

[6] 陈尔奎，尹晓钢，王丙辉， 等.三相电压型PWM变流器在矿用电动运煤车中的应用[J].煤炭技术，2017，36（12）：192-193.

[7] 陈钊，黄凤辰，花再军， 等.全数字调制技术在水文遥测终端中的应用[J].工业仪表与自动化装置，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

責任编辑 祁秀春