单片机控制机械手模拟物料搬运装置设计与调试

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1、I / 27摘 要在中国工业韧带发展中，很多高生产率高精度的机械加工设备从国外引进，大大的提高了工作速度，产品的加工精度，降低了工作的劳动强度，所以大受欢迎。机械手是一种模仿人体上肢运动的机器，它能按照预定要求输送工种或握持工具进行操作的自动化技术设备，对实现工业生产自动化，推动工业生产的进一步发展起着重要作用。因而具有强大的生命力，受到人们的广泛重视和欢迎。 工业机械手可以代替人手的繁重劳动，显著减轻工人的劳动强度，提高 劳动生产率和自动化水平。工业生产中经常出现的笨重工件的搬运和长期频繁，单调的操作，如果没有机械手那么工人的劳动强度是很高的，有时候还要用行车员工件，生产速度大大延缓，这种情

2、况采用机械手是很有效的。此外，它能在高温、低温、深水、宇宙、反射性和其他有毒、有污染环境条件上进行操作。更显其优越性，有着广阔的发展前途。单片机技术作为计算机技术的一个重要的分支，广泛应用于工业控制、智能化仪器，家用电器，甚至电子玩具等各个领域，它具有体积小、功能多、价格低廉、使用方便、系统设计灵活等优点。本论文设计以STC89S52 单片机为中心，运用 c 语言和汇编语言的方式，控制机械手来完成模拟智能物料搬运装置。关键词：机械手，自动化，单片机 单片机控制机械手模拟物料搬运装置设计与调试 II / 27目目 录录摘 要 .I目 录 .III第一章 单片机与机械手的概况 .11.1 工业机械

3、手的简史 .11.2 工业机械手在生产中的应用 .11.3 机械手的组成 .21.4 工业机械手的发展趋势 .31.5 单片机的简史 .31.6 单片机的应用领域 .41.7 单片机开发系统的组成 .51.8 单片机的发展趋势 .5第二章 模拟智能物料搬运装置实训 .62.1 设计内容 .62.2 设计模块 .72.3 设计过程 .72.4 参考例程 .82.5 单片机装置安装与调试的注意事项 .21第三章 结 论 .22参考文献 .23致 谢 .24 1 / 27第一章 单片机与机械手的概况1.1 工业机械手的简史用于再现人手的的功能的技术装置称为机械手。机械手是模仿着人手的部分动作，按给定

4、程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。在工业生产中应用的机械手被称为工业机械手。 工业机械手是近代自动控制领域中出现的一项新技术，并已成为现代机械制造生产系统中的一个重要组成部分，这种新技术发展很快，逐渐成为一门新兴的学科机械手工程。机械手涉及到力学、机械学、电器液压技术、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。 机械手是一种能自动控制并可从新编程以变动的多功能机器，他有多个自由度，可以搬运物体以完成在不同环境中的工作。 机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强。 随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序

5、控制通用机械手”，简称通用机械手。由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。1.2 工业机械手在生产中的应用机械手是工业自动控制领域中经常遇到的一种控制对象。机械手可以完成许多工作，如搬物、装配、切割、喷染等等，应用非常广泛。 在现代工业中，生产过程中的自动化已成为突出的主题。各行各业的自动化水平越来越高，现代化加工车间，常2 / 27配有机械手，以提高生产效率，完成工人难以完成的或者危险的工作。可在机械工业中，加工、装配等生产很大程度上不是连续的。据资料介绍，美国生产的全部工业零件中，有 75%是小批量生产；金属加工生产批量中有四

6、分之三在 50 件以下，零件真正在机床上加工的时间仅占零件生产时间的 5%。从这里可以看出，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。目前在我国机械手常用于完成的工作有：注塑工业中从模具中快速抓取制品并将制品传诵到下一个生产工序；机械手加工行业中用于取料、送料；浇铸行业中用于提取高温熔液等等。本文以能够实现这类工作的搬运机械手为研究对象。下面具体说明机械手在工业方面的应用。1.3 机械手的组成工业机械手由执行机构、驱动机构和控制机构三部分组成。 1.3.1 执行机构手部 、腕部 、臂部、手臂等部件。 1.3.2 驱动机构驱动机构是工业机械手的重要组成部分。根

7、据动力源的不同, 工业机械手的驱动机构大致可分为液压、气动、电动和机械驱动等四类。采用液压机构驱动机械手,结构简单、尺寸紧凑、重量轻、控制方便。1.3.3 控制系统分类在机械手的控制上，有点动控制和连续控制两种方式。大多数用插销板进行点位控制，也有采用可编程序控制器控制、微型计算机控制，采用凸轮、磁盘磁带、穿孔卡等记录程序。主要控制的是坐标位置，并注意其加速度特性。3 / 271.4 工业机械手的发展趋势工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降，平均单机价格从 91 年的 10.3 万美元降至97 年的 6.5 万美元。机械结构向模块化、可重构化发

8、展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化:由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机;国外已有模块化装配机器人产品问市。 工业机器人控制系统向基于 PC 机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化;器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构:大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真

9、、预演发展到用于过程控制如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。1.5 单片机的简史单片机作为微型计算机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。自单片机诞生至今，已发展为上百种系列的近千个机种。4 / 27单片机发展简史如果将 8 位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段（1）第一阶段（1976-1978）

10、：单片机的控索阶段。（2）第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。Intel 公司在MCS 48 基础上推出了完善的、典型的单片机系列 MCS 51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。 完善的外部总线。 CPU 外围功能单元的集中管理模式。 体现工控特性的位地址空间及位操作方式。指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指（3）第三阶段（1982-1990）：8 位单片机的巩固发展及 16 位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。 （4）第四阶段（1990）：微控制器的全面发展阶段。1.6 单片机的应用领域目前，单片机的应用领域 主要包括：办公

11、自动化设备；单片机在机电一体化中的应用；在实时过程控制中的应用；单片机在日常生活及家用电器领域的应用；在各类仪器仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比；在计算机网络和通信领域中的应用；5 / 27商业营销设备；单片机在医用设备领域中的应用；汽车电子产品；航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域.1.7 单片机开发系统的组成单片机的全称为：单片微型计算机也就是说将计算机的所有功能都集成在一块芯片内的芯片都可以称之为单片机说白了就是一块集成 IC内部包含中央处理器 CPU、程序存储器 ROM、数据存储器RAM、I/O 口、定时计数器、

12、外部中断、串行通信等内部结构以单片机为核心，再配合其它外部电路组成的控制系统称为单片机系统单片机开发一般要求硬件和软件都要在行，因为单片机开发面向的都是最底层的开发，硬件方面可以先从一些常用的电子器件开始（如二极管，三极管，74XXXX 系列 CD4XXX 系列的逻辑芯片，以及一些运放，AD、DA 转换，各种串行接口的芯片开始着手），软件方面的话则可以先从汇编开始，然后再转向 C 语言开发。1.8 单片机的发展趋势（1）制作工艺 CMOS 化(全盘 CMOS 化)（2）尽量实现单片化（3）共性与个性共存个性化的产品如专用单片机等在满足用户需求方面得到了大家的认可，在应用领域大有后来赶上的架势；

13、它们由于先天的优势，在 80C51 的基6 / 27础上扬长避短，以用户需要为根本，在市场上受到欢迎。总之，80C51作为共性的代表会与个性化的产品相互依存，共同发展，将会给用户带来更大的实惠与方便7 / 27第二章第二章 模拟智能物料搬运装置实训模拟智能物料搬运装置实训2.1 设计内容 让智能物料搬运装置在启动时进行初始化动作，通过 1 工位上的物料传感器，判断该位置是否有小球，有则执行动作抓取小球，并在 3 工位放下小球，通过各个传感器实现对装置运动轨迹的检测，实现简单的循环搬运功能。通过光电传感器判断一工位物料有无，通过光纤传感器判断手爪中是否有物体，通过磁性开关判断手爪是否夹紧及是否到

14、达底部，通过行程开关控制手爪的运动轨迹。通过一对电磁阀来控制电机的正反转实现手爪的左右移动，通过电气阀控制手爪的夹紧，放松，下降的动作。物料搬运装置内部电气图如图 1所示图 1 物料搬运装置内部电气图8 / 272.2 设计模块电源模块主机模块智能物料搬运装置传感器配接模块继电器模块2.3 设计过程（1）外部电路连接图如图 2 所示 主机模块电源模块传感器模块继电器模块 智能物料搬运装置 显示模块图 2 外部电路连接图（2）实验接线：物料搬运装置 传感器配接模块 主机模块 继电器模块 物料搬运 （端子号 4） IN0 OUT0 P3.0 （5） IN1 OUT1 P3.1（6） IN2 OUT

15、2 P3.2（7） IN3 OUT3 P3.39 / 27（8） IN4 OUT4 P3.4（9） IN5 OUT5 P3.5（11） IN6 OUT6 P3.6 （12） IN7 OUT7 P3.7（10） IN0 OUT0 P2.0NO （端子号 13） P1.0 K2 NO （14） P1.1 K3 NO （15） P1.2 K4 NO （16） P1.3 K5 NO （17） P1.4 K6物料搬运装置 传感器配接模块 继电器模块 红端 24V COM 24V COM+ 5V COM 24V 地 黑端 0V COM- 0V 2.4 参考例程RS EQU P1.7 RW EQU P1.6

16、 E EQU P1.5 CS1 EQU P3.1 CS2 EQU P3.510 / 27 RES EQU P3.4 COM EQU 20H DAT EQU 30H DATA_ORA EQU P2 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0003H AJMP INT00 ;暂停键中断程序 ORG 0013H AJMP INT01 ;停止键中断程序 ORG 0030HMAIN:LCALL YANSHI1 ;上电延时，消抖 CLR P3.7 ;低电平 键盘行 SETB P3.6 AA: JB P3.6,AAQIDONG: MOV R7,#00H CLR IT0 CLR IT1 ;外部中断 低

17、电平有效 SETB EA SETB EX0 SETB EX1 SETB P0.7 AA1:JB P0.7,AA1 ;检测工位一物料有无 SETB P0.3 AA2:JB P0.3,AA3 ;检测手臂是否缩回 SETB P1.411 / 27 AJMP AA2 AA3:SETB P0.0 AA4:JNB P0.0,AA5 ;检测是否在工位一上方 SETB P1.0 CLR P1.1 ;右移 AJMP AA4 AA5:SETB P1.2 CLR P1.3 LCALL YANSHI CLR P1.4 LCALL YANSHI AAY:SETB P1.3 CLR P1.2 LCALL YANSHI S

18、ETB P0.6 JNB P0.6,AA6 SETB P1.2 CLR P1.3 LCALL YANSHI LCALL YANSHI AJMP AAY AA6:SETB P1.4 LCALL YANSHI LCALL YANSHI SETB P1.1 CLR P1.012 / 27 SETB P0.2 AA7:JB P0.2,AA7 SETB P1.0 SETB P1.2 CLR P1.3 LCALL YANSHI SETB P1.3 CLR P1.2 LCALL YANSHI CJNE R7,#0FFH,QIDONG AJMP XXINT00:CLR P3.7 SETB P3.6 JB P3

19、.6,INT00 RETIINT01:MOV R7,#0FFH RETI LCDHUANYING: MOV SP,#60H LCALL INTI LCALL CLEAN LCALL SHOW RETINTI:CLR RES LCALL DEALY SETB RES13 / 27 SETB CS1 SETB CS2 MOV COM,#3EH LCALL WR_COM MOV COM,#3FH LCALL WR_COM RET CLEAN: MOV R3,#8 MOV R2,#0B8HLOOP_LINE: MOV COM,R2 LCALL WR_COM MOV COM,#40H LCALL WR_

20、COM MOV COM,#0C0H LCALL WR_COM MOV R5,#64LOOP_ROW: MOV DAT,#0 LCALL WR_DAT DJNZ R5,LOOP_ROW INC R2 DJNZ R3,LOOP_LINE RET SHOW:MOV DPTR,#S1 ;欢14 / 27 MOV R6,#0BBH SETB CS1 CLR CS2 MOV COM,R6 LCALL WR_COM MOV COM,#60H LCALL WR_COM MOV R1,#16ROW: MOV A,#00H MOVC A,A+DPTR MOV DAT,A LCALL WR_DAT INC DPTR

21、 DJNZ R1,ROW DEC R6 MOV COM,R6 LCALL WR_COM MOV COM,#60H LCALL WR_COM MOV R1,#16ROW1:SETB CS1 CLR CS2 MOV A,#00H MOVC A,A+DPTR MOV DAT,A15 / 27 LCALL WR_DAT INC DPTR DJNZ R1,ROW1 MOV DPTR,#S2 ;迎 MOV R6,#0BBH SETB CS1 CLR CS2MOV COM,R6 LCALL WR_COM MOV COM,#70H LCALL WR_COM MOV R1,#16ROW2: MOV A,#00H

22、 MOVC A,A+DPTR MOV DAT,A LCALL WR_DAT INC DPTR DJNZ R1,ROW2 DEC R6 MOV COM,R6 LCALL WR_COM MOV COM,#70H LCALL WR_COM MOV R1,#16ROW3:SETB CS116 / 27 CLR CS2 MOV A,#00H MOVC A,A+DPTR MOV DAT,A LCALL WR_DAT INC DPTR DJNZ R1,ROW3 MOV DPTR,#S3 ;使 SETB CS2 CLR CS1 MOV R6,#0BBH MOV COM,R6 LCALL WR_COM MOV

23、COM,#40H LCALL WR_COM MOV R1,#16ROW4: MOV A,#00H MOVC A,A+DPTR MOV DAT,A LCALL WR_DAT INC DPTR DJNZ R1,ROW4 DEC R6 MOV COM,R617 / 27 LCALL WR_COM MOV COM,#40H LCALL WR_COM MOV R1,#16ROW5:SETB CS2 CLR CS1 MOV A,#00H MOVC A,A+DPTR MOV DAT,A LCALL WR_DAT INC DPTR DJNZ R1,ROW5 MOV DPTR,#S4 ;用 SETB CS2 C

24、LR CS1 MOV R6,#0BBH MOV COM,R6 LCALL WR_COM MOV COM,#50H LCALL WR_COM MOV R1,#16ROW6: MOV A,#00H MOVC A,A+DPTR MOV DAT,A LCALL WR_DAT18 / 27 INC DPTR DJNZ R1,ROW6 DEC R6 MOV COM,R6 LCALL WR_COM MOV COM,#50H LCALL WR_COM MOV R1,#16ROW7:SETB CS2 CLR CS1 MOV A,#00H MOVC A,A+DPTR MOV DAT,A LCALL WR_DAT

25、INC DPTR DJNZ R1,ROW7 RETWR_COM:PUSH ACC LCALL WR_BUSY CLR RS CLR RW MOV DATA_ORA,COM SETB E NOP CLR E POP ACC19 / 27 RET WR_DAT:PUSH ACC LCALL WR_BUSY SETB RS CLR RW MOV DATA_ORA,DAT SETB E NOP CLR E POP ACC RET WR_BUSY: PUSH ACC CLR RS SETB RW SETB P2.7 SETB P2.4 SETB ELOOP:JB P2.7,LOOPLOOP1:JB P2

26、.4,LOOP1 NOP CLR E POP ACC RET DEALY:MOV R6,#0 DEL:DJNZ R6,DEL20 / 27 RET YANSHI: LCALL YANSHI1 LCALL YANSHI1 LCALL YANSHI1 LCALL YANSHI1 LCALL YANSHI1 LCALL YANSHI1 LCALL YANSHI1 LCALL YANSHI1 LCALL YANSHI1 LCALL YANSHI1 RETYANSHI1: MOV TMOD,#01H MOV TH0,#4CH MOV TL0,#00H SETB TR0LOOP2:JBC TF0,LOOP

27、3 AJMP LOOP2LOOP3: NOP RET XX:SETB P1.0 CLR P1.1 SETB P0.021 / 27 BB:JNB P0.0,BB1 SETB P1.0 CLR P1.1 AJMP BB BB1:SETB P1.1AJMP ZUIHOUS1:;- 文字: 欢 -DB 20H,10H,4CH,43H,43H,2CH,20H,10H,0CH,03H,06H,18H,30H,60H,20H,00HDB 14H,24H,44H,84H,64H,1CH,20H,18H,0FH,0E8H,08H,08H,28H,18H,08H,00HS2: ;- 文字: 迎 -DB 40H,

28、20H,1FH,20H,40H,47H,42H,41H,40H,5FH,40H,42H,44H,43H,40H,00HDB 40H,41H,0CEH,04H,00H,0FCH,04H,02H,02H,0FCH,04H,04H,04H,0FCH,00H,00HS3: ;- 文字: 使 -DB 00H,00H,7FH,00H,40H,41H,22H,14H,0CH,13H,10H,30H,20H,61H,20H,00HDB 40H,20H,0F0H,1CH,07H,0F2H,94H,94H,94H,0FFH,94H,94H,94H,0F4H,04H,00HS4: ;- 文字: 用 -DB 80H,

29、40H,30H,0FH,02H,02H,02H,02H,0FFH,02H,02H,42H,82H,7FH,00H,00H22 / 27DB 00H,00H,00H,0FEH,22H,22H,22H,22H,0FEH,22H,22H,22H,22H,0FEH,00H,00HZUIHOU: NOP END 2.5 单片机装置安装与调试的注意事项（1）上电前检查电源和地是否短路。（2）上电后检查各电源电压是否稳定正常，各指示灯是否正常。（3）在检测电路过程中要熟练掌握万用表的应用。（4）加深理解包括加深对硬件和软件的理解。只有建立在对相关硬件和软件深入理解的基础上才可能做出更符合实际的判断，才可能更

30、好地解决问题。（5）当碰到分析起来比较复杂、可能有很多因素的问题时，可以把问题分成解几个小问题来测试诊断，比如编写几个单独的小测试程序对各种可能因素进行排查测试，根据这些测试结果再进行科学判断。（6）诊断、排故要建立在大量实验的基础之上，要多动手，不能光知道臆想，不愿实际操作，还美其名曰“善于思考和分析”。23 / 27第三章 结 论通过此次毕业设计，使我了解了很多机械手的相关知识。使我也了解了当前国内外在此方面的一些先进生产和制造技术。了解了机械手程序设计的一般过程，掌握了程序设计方面的基础，为以后的工作、学习打下了坚实的基础。本次毕业设计只对机械手模拟智能物料搬运装置做出了概述。设计中没有

31、更广面的阐述，没有对机械手的驱动做出系统的计算设计，对于这方面有点模糊，需要在以后的工作、学习中了解和掌握。最后总结为以下几点：（1） 本次设计的是轻行平动搬运机械手设计，相对于通用机械手，因此，动作固定、结构简单，同时成本低廉，专用性比较高，可完成车间内的一些搬运工作。（2） 该机械手选择配置二指夹持手指，抓取一般物料（球状物料）。（3） 本次设计介绍的是气动式机械手，并全面展示了机械手的手部、腕部、手臂以及机身等主要的部件。（4） 由于经验知识水平的局限，设计难免有不到之处，望大家见谅、指正。 24 / 27参考文献1 李朝青单片机简介M北京：北京航空航天大学出版社，199987902 李

32、广第等单片机基础M北京：北京航空航天大学出版社，2001，147 3 栾桂冬，张金铎，金欢阳单片机发展及应用M西安：西安电子科技大学出版社，20022552614李勋：单片机实用教程M北京：北京航空航天大学出版社，2005:，55段晨东.机械手简介M北京：清华大学出版社.2008,76张毅坤. 机械手发展及应用M机械工业出版社 19987余锡存 曹国华.机械手实用教程M北京：北京航空航天大学出版社,2000.78雷丽文 等.机械手内部结构M机械工业出版社，1997.225 / 27致 谢三年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。三年的求学生

33、涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。 伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人，我的导师。我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的老师。您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，从论文题目的选定到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。 感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！ 同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。 最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，在此向你们表示深深的感谢！