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基于51单片机的三轴机械臂控制系统（PWM）_基于单片机的机械臂控制系统

作者：我家自动化 | 2024-04-17 14:59:29

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基于单片机的机械臂控制系统

2021年参加校内电子竞赛所做的课题，发出来留作纪念，也希望能对大家有所帮助。

此项目获得了校电赛三等奖: )

1系统方案

1.1 控制系统的论证与选择

方案一：使用纯模拟电路控制，利用三极管的通断，一些模拟集成电路（电压比较器、RC延时电路、NE555芯片等）来实现对电机的延时控制，从而达到机械手的各方向移动，并且通过改变延时时间来决定机械手的移动幅度。

分析：纯模拟电路控制理论上可行，但在实际设计方面存在较大困难且在调试及改进方面存在不便，以及电路较不稳定，可能导致延时出现较大误差，可靠性欠佳。除此之外，一般电机达不到机械手控制的精确性要求。虽然换用舵机能达到所需效果，但用模拟电子技术设计PWM驱动电路复杂程度更高，稳定性更难以把握。最终舍弃使用纯模拟电路控制机械手的方案。

方案二：利用以单片机为核心的电路控制，通过单片机检测外部操作（按键开闭），利用单片机内部程序完成延时与高低电平信号的输出，从而控制各个舵机转动，进而达到机械手的各方向移动效果。

分析：单片机体积小、性能强大，功能引脚个数多，足以达到单个单片机控制多个电机的效果；延时功能可靠，足以满足机械手的精确控制。且单片机通过C语言编程形式达到控制，编写基本程序过程较为简单，后续调试与改进工作也相对方便。

综合上述两种方案，选择方案二。

1.2 单片机的论证与选择

当今单片机运用较广泛的是51、PIC、AVR三个系列。其中51系列是最基础且运用最广泛的一种，它从内部的硬件到软件有着一整套完成的位处理系统，处理对象不是字节而是位，能对一些特殊功能寄存器的特定位处理，且能进行位的逻辑运算，满足本次设计需求。且51系列单片机的指令系统、内部结构相对简单，易于上手，虽有运行速度相对较慢的缺点，但足以满足本次设计的指标。

因此，本次设计选择51系列单片机，其具体型号为STC89C516RD+。

2电路与程序设计

2.1系统总体框图

2.1.1系统总体框图

系统总体框图

2.2电路原理图

2.2.1 单片机及外围电路电路原理图

51单片机最小系统板原理图

舵机排针接口原理图

其中，D1对应单片机的P02端，D2对应单片机的P12端，D3对应单片机的P22端，D4对应单片机的P32端，分别根据P00、P01、P10、P11、P20、P21、P30端的信号变化发生信号变化。

按键原理图

        其中，K1、K2分别对应P00、P01，K3、K4分别对应P10、P11，K5、K6分别对应P20、P21，K7对应P30。

2.3单片机程序

2.2.1内部定时器

51单片机带有内部计时器，可以在编程中通过函数调用。不同系列的单片机带有的内部定时器数量和种类各不相同，但定时器0（Timer0）和定时器1（Timer1）是51系列单片机共有的定时器。

本设计以定时器0为基础产生PWM信号用以控制舵机，下面对定时器0的设置进行说明。

51单片机内部定时器状态由寄存器TCON（定时器/计数器控制寄存器）和TCOM（定时器/计数器工作模式寄存器）共同决定。

TCON寄存器

TMOD寄存器

        要使用定时器0，首先要对寄存器TMOD进行设置。本设计使用16位定时器的设置（M1=0，M0=1），需要对TMOD寄存器每位进行赋值。随后在TCON寄存器中启动计时功能（TR0=1）。

        51单片机的内部定时器具有一个特性，即会在定时器设定值TL0和TH0溢出时进入中断程序。本例中将进入定时器0（Timer0）对应的中断程序并在执行完毕后返回定时器。本设计中，我们来利用这种特性产生周期变化的电平（PWM信号），进而控制舵机。

        定时器设置如下，

定时器设定代码

        其中，EA=1，PT0=0，ET0=1为中断程序的前置控制命令。

3.2.2 PWM信号

        PWM技术是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，即通过控制固定周期内高电平的持续时间与周期长度的比值（占空比）来输出信号并控制设备。本设计中利用51单片机内部定时器形成PWM信号输出以调控舵机，其具体实现方法如下。

0.5ms

1ms

1.5ms

2ms

2.5ms

0°

45°

90°

135°

180°

表格 SG90舵机转动角度与对应占空比(T=20ms)

        将定时器设置为0.25ms中断一次，设置计数变量counter初始值等于零，在中断程序中每次加一，在counter=80时将其归零一次，从而实现固定的变化周期。另定义可控变量compare，使得当counter小于等于compare时输出高电平，counter大于compare时输出低电平，从而输出一定的PWM信号。

本方法对应实现代码

        根据计算，本套方法对应SG90舵机精度应为22.5度。

3.3.3 程序设计

本设计意在通过按键控制机械手的前后、左右、上下、开合，表明需要在主函数中将按键端口与舵机端口的信号变化联系起来。

附录

附录1 主程序代码

  1. #include <REGX51.H>
  2.  
  3. #include "Timer.h"
  4.  
  5. #include "Key.h"
  6.  
  7. #include "Delay.h"
  8.  
  9. sbit FB=P0^2;//forward&backward
  10.  
  11. sbit LR=P1^2;//left&right
  12.  
  13. sbit UD=P2^2;//up&down
  14.  
  15. sbit CLAW=P3^2;//CLAW
  16.  
  17. unsigned char counter=0,compare1=6,compare2=6,compare3=6,compare4=6;
  18.  
  19. unsigned char con1=5,con2=5,con3=5,con4=0,Keynum=0;
  20.  
  21. void main()
  22.  
  23. {
  24.  
  25.         Timer0_Init();
  26.  
  27.         while(1)
  28.  
  29.         {
  30.  
  31.                  Keynum=key();
  32.  
  33.                  if(Keynum==1)
  34.  
  35.                  {
  36.  
  37.                          con1++;
  38.  
  39.                          if(con1>12){con1=12;}
  40.  
  41.                  }
  42.  
  43.                  if(Keynum==2)
  44.  
  45.                  {
  46.  
  47.                          con1--;
  48.  
  49.                          if(con1<0){con1=0;}
  50.  
  51.                  }
  52.  
  53.                  if(Keynum==3)
  54.  
  55.                  {
  56.  
  57.                          con2++;
  58.  
  59.                          if(con2>12){con2=12;}
  60.  
  61.                  }
  62.  
  63.                  if(Keynum==4)
  64.  
  65.                  {
  66.  
  67.                          con2--;
  68.  
  69.                          if(con2<0){con2=0;}
  70.  
  71.                  }
  72.  
  73.                  if(Keynum==5)
  74.  
  75.                  {
  76.  
  77.                          con3++;
  78.  
  79.                          if(con3>12){con3=12;}
  80.  
  81.                  }
  82.  
  83.                  if(Keynum==6)
  84.  
  85.                  {
  86.  
  87.                          con3--;
  88.  
  89.                          if(con3<0){con3=0;}
  90.  
  91.                  }
  92.  
  93.                  if(Keynum==7)
  94.  
  95.                  {
  96.  
  97.                          con4++;
  98.  
  99.                          con4%=2;
  100.  
  101.                  }
  102.  
  103.                  switch(con1)
  104.  
  105.                  {
  106.  
  107.                          case 0:compare1=1;break;
  108.  
  109.                          case 1:compare1=2;break;
  110.  
  111.                          case 2:compare1=3;break;
  112.  
  113.                          case 3:compare1=4;break;
  114.  
  115.                          case 4:compare1=5;break;
  116.  
  117.                          case 5:compare1=6;break;
  118.  
  119.                          case 6:compare1=7;break;
  120.  
  121.                          case 7:compare1=8;break;
  122.  
  123.                          case 8:compare1=9;break;
  124.  
  125.                          case 9:compare1=10;break;
  126.  
  127.                          case 10:compare1=11;break;
  128.  
  129.                          case 11:compare1=12;break;
  130.  
  131.                  }
  132.  
  133.                  switch(con2)
  134.  
  135.                  {
  136.  
  137.                          case 0:compare2=1;break;
  138.  
  139.                          case 1:compare2=2;break;
  140.  
  141.                          case 2:compare2=3;break;
  142.  
  143.                          case 3:compare2=4;break;
  144.  
  145.                          case 4:compare2=5;break;
  146.  
  147.                          case 5:compare2=6;break;
  148.  
  149.                          case 6:compare2=7;break;
  150.  
  151.                          case 7:compare2=8;break;
  152.  
  153.                          case 8:compare2=9;break;
  154.  
  155.                          case 9:compare2=10;break;
  156.  
  157.                          case 10:compare2=11;break;
  158.  
  159.                          case 11:compare2=12;break;
  160.  
  161.                  }
  162.  
  163.                  switch(con3)
  164.  
  165.                  {
  166.  
  167.                          case 0:compare3=1;break;
  168.  
  169.                          case 1:compare3=2;break;
  170.  
  171.                          case 2:compare3=3;break;
  172.  
  173.                          case 3:compare3=4;break;
  174.  
  175.                          case 4:compare3=5;break;
  176.  
  177.                          case 5:compare3=6;break;
  178.  
  179.                          case 6:compare3=7;break;
  180.  
  181.                          case 7:compare3=8;break;
  182.  
  183.                          case 8:compare3=9;break;
  184.  
  185.                          case 9:compare3=10;break;
  186.  
  187.                          case 10:compare3=11;break;
  188.  
  189.                          case 11:compare3=12;break;
  190.  
  191.                  }
  192.  
  193.                  switch(con4)
  194.  
  195.                  {
  196.  
  197.                          case 0:compare4=6;break;
  198.  
  199.                          case 1:compare4=7;break;
  200.  
  201.                  }
  202.  
  203.         }
  204.  
  205.  void Timer0_Routine() interrupt 1
  206.  
  207. {
  208.  
  209.         TR0=0;
  210.  
  211.         TL0 = 0x06;
  212.  
  213.         TH0 = 0xFF;//0.25ms
  214.  
  215.         counter%=80;
  216.  
  217.         if(counter<=compare1){FB=1;}
  218.  
  219.         else{FB=0; }
  220.  
  221.         if(counter<=compare2){LR=1;}
  222.  
  223.         else{LR=0; }
  224.  
  225.         if(counter<=compare3){UD=1;}
  226.  
  227.         else{UD=0; }
  228.  
  229.         if(counter<=compare4){CLAW=1;}
  230.  
  231.         else{CLAW=0; }
  232.  
  233.         counter++;
  234.  
  235.         TR0=1;
  236.  
  237. }

附录2 调用函数代码（部分）

Delay（）函数代码

  1. void Delay(unsigned int xms)
  2.  
  3. {
  4.  
  5.         unsigned char i, j;
  6.  
  7.         while(xms--)
  8.  
  9.         {
  10.  
  11.         i = 2;
  12.  
  13.         j = 239;
  14.  
  15.         do
  16.  
  17.         {
  18.  
  19.                  while (--j);
  20.  
  21.         } while (--i);
  22.  
  23.         }
  24.  
  25. }

Key（）函数代码

  1. #include <REGX51.H>
  2.  
  3. #include "Delay.h"
  4.  
  5. unsigned char key()
  6.  
  7. {
  8.  
  9.         unsigned char KeyNumber=0;
  10.  
  11.         if(P0_0==0){Delay(50);while(P3_0==0);Delay(50);KeyNumber=1;}
  12.  
  13.         if(P0_1==0){Delay(50);while(P3_1==0);Delay(50);KeyNumber=2;}
  14.  
  15.         if(P1_0==0){Delay(50);while(P3_0==0);Delay(50);KeyNumber=3;}
  16.  
  17.         if(P1_1==0){Delay(50);while(P3_1==0);Delay(50);KeyNumber=4;}
  18.  
  19.         if(P2_0==0){Delay(50);while(P3_0==0);Delay(50);KeyNumber=5;}
  20.  
  21.         if(P2_1==0){Delay(50);while(P3_1==0);Delay(50);KeyNumber=6;}
  22.  
  23.         if(P3_0==0){Delay(50);while(P3_0==0);Delay(50);KeyNumber=7;}
  24.  
  25.                  return KeyNumber;
  26.  
  27. }

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