1、- i -本科毕业论文（20 届）机械手臂智能控制器的研究所在学院专业班级 电子信息工程学生姓名指导教师完成日期- ii -目 录摘 要 . .1Abstract. .2前 言. .3第一章 绪 论 .41.1 课题背景 .41.2 本课题研究意义 .41.3 机械手臂智能控制器的研究范围 .41.4 机械手臂控制器的发展趋势 .4第二章 系统总体设计 .62.1 系统基本要求 .62.2 硬件系统设计方案 .62.3 软件系统设计方案 .7第三章 系统硬件设计 .83.1 单片机最小系统 .83.2 舵机 SG90.93.3 反射式光电开关 TCR5000.103.4 液晶显示器 .103.
2、5 单片机称重 AD 模块-HX711 .113.6 5kg 压力传感器 .123.7 电压比较器 LM311P.12第四章 系统软件设计 .134.1 设计电路方案的比较 .134.2 软件电路设计 .134.3 程序的设计思想 .144.3.1 手心物体探测功能.144.3.2 手臂旋转角度的控制 .144.3.3 手臂握力控制.144.4 原理图软件设计.14- iii -第五章 系统调试与误差分析 .155.1 软件调试 .155.2 硬件调试 .155.3 实验结果 .155.4 误差分析 .18第六章 总结与展望 .196.1 课题总结 .196.2 进一步开发的展望 .19参考文
3、献 .20致谢 .21附录.22- iv - -摘 要随着现代工业和制造业的迅速发展，机械手臂的应用已经在工业生产中起着巨大的作用，同时机械手臂智能控制器是机械手重要的组成部分，因此科学家对机械手臂智能控制器的研究越来越重要。本次毕业设计的要求是对机械手臂智能控制器的研究，它的目的是为了实现手臂旋转角度控制，握力控制，和手心物体探测功能。本设计所需的硬件材料主要有单片机 STC89c52rc,显示压力的液晶屏，测试角度的舵机 SG90，反射式光电开关 TCR5000。软件主要是用来画原理图的 protel 和进行仿真的 protues。先确定功能，用 PROTEL 软件画出原理图，根据原理图用
4、 PROTEUS 画出电路仿真图，完成电路仿真图确定硬件为 STC89C52，试角度的舵机 SG90，反射式光电开关 TCR5000，然后通过KEIL C 软件进行 C 语言编程，完成手臂旋转角度，握力控制，手心物体探测功能的实现，生成.hex 文件烧录进仿真软件 STC89C52 中进行仿真，仿真通过进行硬件的焊接，焊接完成烧录芯片进行硬件调试不断修改完成设计。论文在最后还探讨了对系统进行进一步开发的展望。关键词：机械手臂智能控制器，STC89C52RC，SG90 舵机，反射式光电开关 TCR5000- -AbstractWith the rapid development of moder
5、n industrial and manufacturing, the application of the mechanical arm has play an important role in the industrial production, at the same time, the mechanical arm intelligent controller is the important component of the manipulator, so scientists study of mechanical arm intelligent controller is mo
6、re and more important.The purpose of this graduation design is the study of mechanical arm intelligent controller, its purpose is in order to achieve the control arm rotating Angle, grip strength control, and the detection function. The design of hardware required materials mainly include the SCM ST
7、C89c52rc, LCD screen display pressure, test the Angle of steering gear SG90 TCR5000 photoelectric sensors. The principle diagram of the software is mainly used to draw protel and protues simulation. To determine the function first, draw a schematic diagram with PROTEL software, according to draw the
8、 circuit principle diagram with PROTEUS simulation diagram, complete the simulation diagram to determine the hardware circuit for the STC89C52, Angle of steering gear SG90, TCR5000 photoelectric sensor, and then through the KEIL C software with C language programming, complete arm rotation Angle, gr
9、ip strength control, the realization of the function of palm object detection, generated. Hex file STC89C52 burn into simulation software simulation, simulation through hardware welding, welding complete burning chip hardware debugging constantly modified design.Papers at the end of the system are d
10、iscussed in this article for further development in the future.Keywords: mechanical arm intelligent controller, STC89C52RC, SG90 steering gear, TCR5000 photoelectric sensors.- -前 言课题研究机械手臂智能控制器，此项目在国内外都有重大意义，对工业生产有重大作用，将控制器用在机械手臂上可以实现一些一线工人不能完成的任务，比如定向，定位的搬运大型物品等。在此本文所要实现的功能是手臂旋转角度控制，握力控制，手心物体探测功能。在
11、旋转角度方面我采用了步进电机进行控制，所以对步进电机也要进行一定的选择,在此我选择了 TOWER PRO（辉盛）SG909G 舵机。手心物体探测功能方面即探测有没有物体，通过传感器来检测有没有接触到物体，在此我选择了反射式光电开关TCR5000。在握力方面上出现了问题，一时没能想出方法，最后认为握力其实就是压力，可以用压力传感器，通过压力传感器来模拟握力控制。然后通过液晶屏来显示压力大小，以及手抓处于抓紧或松开的状态。最后将所有元件制作在一个电路板上实现以上三种功能。在软件方面，利用 PROTEL 画出电路原理图，利用 KEIL 软件进行软件烧录。全文共分为 6 章。第一章绪论，第二章系统总体
12、设计，第三章系统硬件设计，第四章系统软件设计，第五章系统调试与分析，第六章总体与展望。- -第一章 绪 论1.1 课题背景随着工业生产的不断发展，机械手臂智能控制器的作用越来越巨大，它可以实现很多功能帮助机器人完成工业上的人类无法完成的任务。机械手智能控制器的研究与开发伴随着机械手的发展也越来越受到人们的重视。同时，随着工业上机械手臂的作用越来越广泛，地位越来越高。机械手臂旋转角度控制，握力控制，手心探测功能成为了越来越重视的问题。如何能接近完美的实现手臂角度控制，握力控制和手心物体探测功能功能将是个值得探讨的任务。机械手臂智能控制器的研究是一个非常重要的话题。在此本设计要求做一个小型机械手臂
13、智能控制器模型，我认为它可以利用基于单片机原理，利用步进电机，压力传感器，光电传感器实现智能控制器的研究，大大实现机械手臂的各项功能，提高手臂的效率与质量。1.2 本课题研究意义本课题研究目的是通过对机械手臂智能控制器的研究实现手臂旋转角度控制，握力控制，手心物体探测功能。通过本课题更加充分了解和掌握 STC89C52 单片机，步进电机，反射式光电开关 TCR5000，单片机称重 AD 模块-HX711，压力传感器等相关的知识，学会用 PROTEL 画电路原理图，用 KEIL 编译器对 C 语言进行编辑，用 PROTUES 软件进行仿真。对工业生产机械手臂在智能控制器上的研究作用巨大，同时对自
14、身的学习，以及知识掌握上也起到巨大的作用。1.3 机械手臂智能控制器的研究范围本设计机械手臂智能控制器是基于 STC89C52 单片机的，通过单片机称重 AD 模块-HX711 来测试压力，通过液晶显示器读取压力，通过电机实现旋转功能。通过反射式光电开关 TCR5000 实现手心物体探测功能。在此设计是小型控制器设计，通过一些简单的硬件进行模拟手臂所具有的功能。在软件上则利用了 PROTEL，KEIL 等软件。 1.4 机械手臂智能控制器的发展趋势- -机械手臂智能控制器正朝着更简便快速准确的方向进行全方位的发展，包括手臂旋转角度控制，握力控制。通过各元件不断改进，使得控制器效率更高，效果更加
15、突出。设计方法更加美观，准确。在手臂旋转角度方面，目的是使角度更准确。在握力控制方面，目的是使手臂更精确的测出握力的大小。在手心物体探测方面，目的是让手臂能迅速的实现辨别物体的功能。机械手控制系统有继电器控制、单片机控制、PLC 控制等几种，在此选择单片机控制。- -第二章 系统总体设计机械手臂智能控制器的研究是基于 STC89C52 单片机，还拥有反射式光电开关TCR5000，液晶显示器 LCD1602，步进电机，压力传感器单片机称重 AD 模块-HX711 等元件。软件是利用 C 语言写的。其中光电传感器用于探测是否有物体的存在。步进电机用来实现机械手臂旋转角度的控制。压力传感器，单片机称
16、重 AD 模块-HX711 用来实现握力控制，液晶显示器 LCD1602 显示握力大小，光电传感器用于探测物体。将所有硬件制作在一个电路板上，实现手臂旋转角度控制，握力控制，手心物体探测功能。将系统程序通过 KEIL 软件烧录单片机中实现所需要的功能。2.1 系统基本要求本设计研究机械手臂智能控制器的目的是为了实现手臂旋转角度控制，握力控制，手心物体探测功能。其中系统包括硬件系统设计，软件系统设计。选择硬件要满足手臂旋转角度控制，握力控制，手心物体探测功能三个目的。在手臂角度方面选择航模舵机TOWERPRO SG90。在握力方面我选择了压力传感器及称重 AD 模块-HX711。在手心物体探测方
17、面，通过传感器检测物体。通过开发平台 Keil 软件，运用 C 语言编辑程序。利用PROTEL 软件进行原理图的制作。2.2 硬件系统设计方案本设计机械手臂控制器的作用是为了实现手臂旋转角度控制，握力控制，手心物体探测功能。因为本设计是用单片机实现的，需要将所有硬件集中在一个板子上，所以在实现手臂旋转角度方面上通过焊接一个航模舵机 TOWERPRO SG90 来实现此功能，在外观上小巧精致，角度准确！在握力控制上我选择了利用压力传感器以及称重 AD 模块-HX711，及双孔悬臂平行梁应变式称重传感器。它的特点是: 精度高、易加工、结构简单紧凑、抗偏载能力强、固有频率高。通过液晶屏显示压力大小。在手心物体探测功能方面，选择反射式光电开关 TCR5000 来探测物体。它的作用本设计中选用单片机是 STC89C52。系统电源为整个系统提供电源。如下图为硬件电路的设计。
