毕业设计实验气动夹紧装置控制面板设计与制作.doc

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1、 南京工程学院 先进制造技术工程中心 本科毕业设计说明书（论文）题目： 实验气动夹紧装置控制面板设计与制作 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： D数加工081 学 号： 231080132 学生姓名： 沙勇 指导教师： 胥保春（讲师） 起迄日期： 2012.2.202012.6.8 设计地点： 工程中心1号楼 毕业设计说明书（论文）中文摘要摘要：本文主要对实验气动夹紧装置的控制面板作了设计和制作。该设计的控制系统主要以STC89C52单片机为核心，取代了原有PLC的控制。控制系统主要由控制电路和程序两部分组成。控制电路主要由控制模块、输入输出模块和LCD显示模块构成。程序部分主要是在控

2、制电路的基础上通过编写的程序来实现各个操作及状态的显示。主要实现的功能包括执行、计数、当前状态的LCD显示。执行的动作包括机械手臂的伸缩、升降、旋转、抓取等。面板的设计简单，易操作，在单片机的控制下最终完成预期的动作，给学生以直观的印象，达到教学演示的目的。关键词：单片机 控制电路 机械手毕业设计说明书（论文）英文摘要Title The design and production of the control panel of the pneumatic test clamping device AbstractThis paper is intended for experimental p

3、neumatic clamping device of the control panel for the design and production.The design of the control system is mainly controlled by STC89C52 SCM ,Replaced the control of PLC .The control system consists of control circuit and program. The control circuit is mainly composed of a control module, an i

4、nput and output module and LCD display module. The procedure part mainly realizes each operation and the condition demonstration in the control circuit foundation through the compilation procedure. The main function includes performing,count,and the current status of the LCD display.Execution of mov

5、ements including mechanical arm stretching, lifting, rotating and grabbing.The design of the panel is simple,it is easy to be operated.And completed the expected action in final, under the control of the MCU.It gives the students a visual impression,and has achieved the purpose of teaching objective

6、 of the presentation. Keywords SCM; Control circuit; Manipulator目 录前 言1第一章 绪 论31.1 引言31.2 单片机的发展背景31.2.1 单片机的应用领域41.2.2 单片机的发展趋势51.3 单片机课程实验现状61.4 课题研究的内容及意义7第二章 实验用机械手的结构原理及控制方案82.1 机械手的组成82.2 气压传动系统的工作原理102.3 电磁阀102.3.1 电磁阀的结构原理102.3.2 性能分析112.4 实验机械手总体控制设计方案122.4.1 气缸的控制设计132.4.2 机械手的控制要求14第三章 主控

7、制器和外围器件153.1 AT89S52单片机153.2 继电器163.2.1 继电器工作原理173.2.2 继电器主要产品技术参数173.2.3 继电器驱动电路设计183.3 ULN2003双极型线性集成电路183.4 HD74LS04P反相器19第四章 硬件电路及PCB图设计214.1 硬件电路设计软件214.2 电路设计框图224.3 单片机最小电路设计224.3.1 复位电路234.3.2 晶振电路234.4 工作方式的选择和执行电路设计244.5 信号输入端的电路设计254.6 LCD液晶显示电路254.6.1 液晶显示简介264.6.2 1602LCD的基本参数及引脚功能264.6

8、.3 显示电路设计284.7 电源模块284.8 PCB板的制作29第五章 软件设计与调试325.1 手动子程序设计335.2 LCD显示程序流程设计335.3 软件调试345.3.1 面板实物介绍345.3.2 面板接线与通电355.3.3 面板调试36第六章 结论396.1 结论396.2 展望39致 谢40参考文献41附录A附录B附件：光盘前 言单片机在一块半导体材料上集成了CPU、存储器、I/O接口等各种功能部件，具有体积小、功耗低、价格便宜、功能强、可靠性好和使用方便灵活的特点。单片机在工业控制、数据采集、智能化仪表、办公自动化以及家用电器等各个领域中得到了越来越广泛的应用。将单片机

9、技术与测量控制技术相结合，可以使工业自动控制变得更方便、控制效果更佳。在机电一体化方面，单片机也发挥了它的特殊作用，使许多传统产业发生了巨大的变化，使许多工业产品体积缩小，能耗降低，功能增加，操作方便。由于单片机在如此广泛的领域里获得了应用，世界上许多集成电路生产厂家相继推出了各种类型的单片机，其中MCS-51系列单片机以其优越的性能、成熟的技术和高可靠性，占领了工业控制的主要市场。特别是在我国，MCS-51系列单片机已成为单片机应用领域的主流。因此，我国大多高校都设立了有关单片机的课程。“单片机原理与应用”是机械电子工程专业方向的技术基础课，是其后续专业课的基础，是本专业方向的主干课程。此外

10、，“单片机原理与应用”又是一门技术性和实践性很强的课程，因此，实验教学占有重要的位置。传统的实验教学往往是预先由实验教师设计好相应的实验项目，如程序设计、IO口使用、中断与定时器使用、显示与键盘、串行口通信、AD等。然后由学生照本宣科地重复，完成所谓教学大纲所规定的实验，这种实验教学方法不利于培养学生的动手能力、创新能力和综合运用知识的能力，也不能进一步激发学生的学习兴趣和主观能动性，甚至出现了学生不作实验前的准备、抄袭他人程序和实验报告的不良现象，学生普遍反映这种验证式的实验教学收获不大。为了适应当今社会对机械电子专业的人才需求，必须对单片机实验教学进行改革。为此设计了一个单片机实验系统。本

11、文对学校现有的实验用机械手的控制系统作了一个设计：以单片机作为系统的控制核心元件。系统设计简便、实用性强、操作简单、程序设计简便。为后继单片机教学提供了一个很好的实验平台，对调动学生主动学习的热情起着不容忽视的作用。全文一共分为六章，第一章介绍了单片机技术的应用与发展，并且研究了当前单片机实验教学的现状，由此引出了此次设计的意义。第二章介绍的是机械手的结构及原理，并有针对性地提出控制系统的设计方案。第三章对相关元器件作了重点性介绍。第四章讲的是具体的控制系统的电路设计。第五章是程序设计和调试。第六章是本设计最终的结论。本文还附带了控制系统电路原理总图、PCB图以及源程序。 第一章 绪 论1.1

12、 引言二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。它的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑，因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在这个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。单片机具有体积小、功能强、应用面广等优点，目前正以前所未见的速度取代着传统电子线路构成的经典系统，蚕食着传

13、统数字电路与模拟电路固有的领地。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛。彩电、冰箱、空调、录像机、VCD、遥控器、游戏机、电饭煲等无处不见单片机的影子，单片机早已深深地融入我们每个人的生活之中。单片机能大大地提高这些产品的智能性，易用性及节能性等主要性能指标，给我们的生活带来舒适和方便的同时，在工农业生产上也极大地提高了生产效率和产品质量。单片机按用途大体上可分为两类，一种是通用型单片机，另一种是专用型单片机。1.2 单片机的发展背景单片机也叫嵌入式微控制器，它的出现是计算机发展史

14、上重要的里程碑，使计算机的用途从海量数据计算发展到智能化控制，它具有体积小、功能强、可靠性高、价格低、使用方便、性能稳定等优点。单片机应用系统是单片机嵌入到对象环境、结构、体系中作为其中的一个智能化控制单元，构成各种嵌入式应用的电路系统。单片机应用系统中包括了满足对象要求的全部硬件电路和应用软件。单片机应用系统结构通常分为3个层次，即单片机、单片机系统和单片机应用系统，如图1.1所示。图1.1 单片机应用系统结构的3个层次1.2.1 单片机的应用领域单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分为如下几个范畴：一、在智能仪器仪表的应用单片

15、机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。二、在家用电器中的应用可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。三、在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如工

16、厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。四、在计算机网络和通信领域中的应用现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。五、单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 此外，单片机在工商、金融、科研、教育、国防航空等领

17、域都有着十分广泛的用途。1.2.2 单片机的发展趋势单片机现在可以说是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供了广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有：一、微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器（CPU）、随机存取数据存储（RAM）、只读程序存储器（ROM）、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW（脉宽调制电路）、WDT（看门狗

18、）、有些单片机将LCD（液晶）驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD（表面封装）越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。二、低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS（互补金属氧化物半导体工艺）

19、。像80C51就采用了HMOS（即高密度金属氧化物半导体工艺）和CHMOS（互补高密度金属氧化物半导体工艺）。CMOS虽然功耗低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于要求低功耗像电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。三、主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以80C51占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集合（RISC）也有

20、着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEX公司近年的单片机产量与日俱增，与其底价质优的优势，占据一定的市场份额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补、相辅相成、共同发展的道路。1.3 单片机课程实验现状目前，我国大部分院校都开设了“单片机原理与应用”课程，通过系统地学习单片机技术课程，使学生熟悉了单片机的原理与结构，通过实验实训的训练和一些简易单片机项目制作，掌握单片机指令系统、单片机原理、接口技术、单片机应用系统开发、设计的基本技能，以及程序设计的基本思想、基本方法和技巧，了解了单

21、片机技术在家用电器以及自动控制工程中的应用，达到通过学习相关课程能够解决实际问题的教学目标，并为后继课程的打下坚实的基础。单片机应用技术是一门实践性很强的课程，实验课时比重很大。在进行实验教学中，大部分是验证性实验，最后是综合性实验。由于单片机汇编语言的实验环境是在字符方式下进行的，实验过程比较枯燥，实验结果的表示单调，学生学习兴趣不高，学习效果不佳，导致学生的综合应用能力不高，甚至影响到后继课程的学习。因此，采用哪些措施，通过实验提高学生的学习兴趣，提高学生的动手能力和解决实际问题的能力，是实验教学改革的一项重要任务。为此，本文设计了一套能调动学生学习积极性、提高学生综合应用能力的实验项目。

22、 单片机教学中普遍存在着一些问题1单片机课程往往多以理论为主，实验为辅的教学形式。实验也多是进行验证性实验。实验现在普遍采用“实验箱”，学生在做实验时都是按指导书上现成的资料,编译现成的程序,很少有同学去分析编程的原理和实验程序的流程,更谈不上去修改和完善。对于单片机电路也只是按实验指导书在实验箱上做简单的连线,没有一个整体的电气原理图概念,最终还是不会设计电路,甚至连基本的电气原理图都读不懂。但单片机是一门实践性很强的学科，只学习理论不做实验练习，很难真正地把单片机方面的知识理解掌握，很难真正成为单片机应用领域的高级人才。2学生实验时也存在着诸多限制，单片机实验室由于存在着场地和时间有限等问

23、题，学生除了上课外，平时很难有机会实践。个人配备单片机编程实验开发系统，因成本较高，很多学生无法承受。同时一般单片机实验箱由于是成品，学生很难参与到其中的细节设计中去，一般单片机实验箱也只是起验证实验的作用，学生动手能力很难得到训练与提高。3教学过程中应用的单片机编程软件都是封装后发布，学习者根本不了解单片机编程器的工作原理，对于大多数的编程器软件只会简单的操作，不利于激发学生学习的积极性。1.4 课题研究的内容及意义本课题主要对机械手的控制系统作了设计，阐述了实验型机械手的要求和现实意义，通过对机械手工作原理的学习和了解，熟悉机械手的运动原理。在现有机械手技术的基础上，认知实验型机械手控制系

24、统的基本结构，完成对机械手传动部分，执行、驱动等系统进行综合控制的面板设计。本次毕业设计的具体内容：操作控制面板上的按钮对气动机械手的左右旋转、水平伸缩、上下升降、夹紧控制并能够显示当前气动器件状态：1、了解机械装置功能；2、控制电路设计与制作；3、控制电路的程序设计。 实验用控制面板的现实意义科学发展观为我国工程技术的发展开辟了广阔的道路，而机械手作为一种高科技自动化生产设备，已经广泛应用于国名经济的各个领域，这就对我们的教育培训部门提出了新的要求。因此为了适应社会发展的趋势，在现有的机械手的基础上设计出能够驱动控制的面板有着深远的科教意义。学生通过本课题的设计，在综合应用机械设计基础、单片

25、机原理与应用、液压与气动传动等专业知识方面能得到很大的锻炼，对于提高学生实际动手能力、尽快适应岗位能力要求具有很大帮助，也为后继学习这些知识的学生提供了一个很好的学习平台。第二章 实验用机械手的结构原理及控制方案2.1 机械手的组成实验机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统以及检测装置等组成。各系统之间的相互关系如图2.1所示。控制系统 驱动系统 执行机构 抓取工件 图2.1实验机械手的组成方框图（一）执行机构它包括手部、手腕、手臂和立柱等部件。1、手部即与物件接触的部件。由于与物件接触的形式不同，可分为夹持式和吸附式手部。夹持式手部由于手指（或手爪）和传力机构所构成。手指是与物件直接接触的

26、构件，常用的手指运动形式有回转型和平移型。回转型手指结构简单，构件制造容易，故应用广泛。平移型应用较少，其原因是结构比较复杂，但平移型手指夹持圆形零件时，工件直径变化不影响其轴心的位置，因此适宜夹持直径变化范围大的工件。手指结构取决于被抓取物件的表面形状、被抓部位（是外廓还是内孔）和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的：手指有外夹式和内卡式；指数有双指式、多指式和双手双指式等。而传力机构则通过手指产生夹紧力来完成夹放物件的任务。传力机构型式较常用的有：连杆式、凸轮式、齿轮齿条式、螺旋式和绳轮式等。吸附式手部主要由吸盘等构成，它是靠吸附力（如吸盘内形成负压或产生电吸磁力）吸附物

27、件，相应的吸附式手部有负压吸盘和电磁盘两类。对于轻小片状零件、光滑薄板材料等，通常用负压吸盘吸料。造成负压的方式有气流负压式和真空泵式。对于导磁性的环类和带孔的盘类零件，以及有网状的板料等，通常用电磁吸盘吸料。电磁吸盘的吸力由直流电磁铁和交流电磁铁产生。用负压吸盘和电磁吸盘吸料，其吸盘的形状、数量、吸附力大小，根据被吸附的物件形状、尺寸和重量大小而定。本实验用机械手的手部结构是采用的外卡夹持式，其传力结构是由方形SDAJ气缸实现的，可实现对工件的夹取，机械手可运动物体的重量不小于1kg。2、手腕是连接手部和手臂的部件，并可用来调整被抓取物件的方位（即姿势）。3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手

28、腕的重要部件。手臂的作用是带动手指去抓取物件，并按预定要求将其搬运到指定位置。机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件（如油缸、气缸、齿轮齿条机构、连杆机构、螺旋机构和凸轮机构等）与驱动源（如液压、气压或电机等）相配合，以实现手臂的各种运动。按照抓取工件的要求，机械手的手臂有三个自由度，即手臂的伸缩、左右回转和升降（或俯仰）运动。本实验用机械手手臂各种运动都是由气缸来实现的。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回转运动和升降（或俯仰）运动均与立柱有密切的联系。机械手的立柱通常为固定不动的，但因工作需要，有时也可作横向移动，即称为可移式立柱。5、机座机座是机械手的基础部分，

29、机械手执行机构的各部件和驱动系统均安装于机座上，故起支撑和连接的作用。（二）驱动系统在普通的机械手运动中，机械的驱动一般有气压传动、液压传动、电机传动等。本文名为实验气动夹紧装置，显然，采用的是气压传动，优点：输出功率大；速度响应高；结构适当，执行机构可标准化，模块化，易实现直接驱动；成本低，使用方便。缺点：气体压缩性大，精度低，阻尼效果差，低速不易控制，难以实现高速高精度的连续轨迹控制；防爆性能好，高于1000KPa（10个大气压）时应注意设备的抗压性；适用于中小负载驱动、精度要求较低的有限点位程序控制机械手。（三）控制系统 控制系统是支配着工业机械手按规定的要求运动的系统。目前机械手的控制

30、系统一般由程序控制系统和电气定位（或机械挡块定位）系统组成。控制系统一般采用电气控制，它支配着机械手按规定的程序运动，并记忆人们给予机械手的指令信息（如动作顺序、运动轨迹、运动速度及时间），同时按其控制系统的信息对执行机构发出指令，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有误或发生故障时即发出报警信号。2.2 气压传动系统的工作原理气动系统原理图如图2.2 所示。整个气动系统就是要对4 个气缸的动作进行控制, 其中升降缸采用的是MSAL 型铝合金迷你气缸，气动手爪由方形SDAJ 系列气缸实现。气动执行元件的动作均是通过电磁阀控制进出气的方向达到控制效果。旋转马达升降缸夹紧缸伸缩缸 图2.2 气动

31、原理图2.3 电磁阀 2.3.1 电磁阀的结构原理1、直动式电磁阀 有常闭型和常开型二种。常闭型断电时呈关闭状态，当线圈通电时产生电磁力，使动铁芯克服弹簧力同静铁芯吸合直接开启阀，介质呈通路；当线圈断电时电磁力消失，动铁芯在弹簧力的作用下复位，直接关闭阀口，介质不通。结构简单，动作可靠，在零压差和微真空下正常工作。常开型正好相反。如小于6流量通径的电磁阀。（图2.3.1是典型结构图） 2、分步直动式电磁阀 该阀采用一次开阀和二次开阀连在一体，主阀和导阀分步使电磁力和压差直接开启主阀口。当线圈通电时，产生电磁力使动铁芯和静铁芯吸合，导阀口开启而导阀口设在主阀口上，且动铁芯与主阀芯连在一起，此时主

32、阀上腔的压力通过导阀口卸荷，在压力差和电磁力的同时作用下使主阀芯向上运动，开启主阀介质流通。当线圈断电时电磁力消失，此时动铁芯在自重和弹簧力的作用下关闭导阀孔，此时介质在平衡孔中进入主阀芯上腔，使上腔压力升高，此时在弹簧复位和压力的作用下关闭主阀，介质断流。结构合理，动作可靠，在零压差时工作也可靠。如：ZQDF，ZS，2W等。（图2.3.2是典型结构图） 2.断电关闭状态3.通电打开状态 1.通电打开状态图2.3 电磁阀3、间接先导式电磁阀该系列电磁阀由先导阀和主阀芯联系着形成通道组合而成；常闭型在未通电时，呈关闭状态。当线圈通电时，产生的磁力使动铁芯和静铁芯吸合，导阀口打开，介质流向出口，此

33、时主阀芯上腔压力减少，低于进口侧的压力，形成压差克服弹簧阻力而随之向上运动，达到开启主阀口的目的，介质流通。当线圈断电时，磁力消失，动铁芯在弹簧力作用下复位关闭先导口，此时介质从平衡孔流入，主阀芯上腔压力增大，并在弹簧力的作用下向下运动，关闭主阀口。常开式原理正好相反。如：SLA，DF（15以上口径），ZCZ等。（图2.3 .3是典型结构图）2.3.2 性能分析一：适用性管路中的流体必须和选用的电磁阀系列型号中标定的介质一致。流体的温度必须小于选用电磁阀的标定温度。电磁阀允许液体粘度一般在20CST以下，大于20CST应注明。工作压差，管路最高压差在小于0.04MPa时应选用如ZS,2W,ZQ

34、DF,ZCM系列等直动式和分步直动式；最低工作压差大于0.04MPa时可选用先导式（压差式）电磁阀；最高工作压差应小于电磁阀的最大标定压力；一般电磁阀都是单向工作，因此要注意是否有反压差，如有安装止回阀。流体清洁度不高时应在电磁阀前安装过滤器，一般电磁阀对介质要求清洁度要好。注意流量孔径和接管口径；电磁阀一般只有开关两位控制；条件允许请安装旁路管，便于维修；有水锤现象时要定制电磁阀的开闭时间调节。注意环境温度对电磁阀的影响，电源电流和消耗功率应根据输出容量选取，电源电压一般允许10%左右，必须注意交流起动时VA值较高。二、可靠性电磁阀分为常闭和常开二种；一般选用常闭型，通电打开，断电关闭；但在

35、开启时间很长关闭时很短时要选用常开型了。寿命试验，工厂一般属于型式试验项目，确切地说我国还没有电磁阀的专业标准，因此选用电磁阀厂家时慎重。动作时间很短频率较高时一般选取直动式，大口径选用快速系列。三、安全性一般电磁阀不防水，在条件不允许时请选用防水型，工厂可以定做。电磁阀的最高标定公称压力一定要超过管路内的最高压力，否则使用寿命会缩短或产生其它意外情况。有腐蚀性液体的应选用全不锈钢型，强腐蚀性流体宜选用塑料王（SLF）电磁阀。爆炸性环境必须选用相应的防爆产品。2电磁阀的动作是由继电器来控制的。原理如图2.4所示：当继电器通电时，因为电磁感应的原理，继电器的衔铁吸合，则所对应的电磁阀得电，它将驱

36、动与其对应的液压缸动作。图 2.4 电磁阀原理图2.4 实验机械手总体控制设计方案 机械手的控制面板的控制系统就相当于人的大脑，它指挥机械手的动作。机械手的工作顺序、应达到的位置。如手臂的升降、伸缩、回转、手指的开闭动作，以及各个动作的时间、当前在状态的LCD显示等，都是通过控制面板的控制系统来实现的。 本次设计的主要内容就是通过控制面板上的按钮控制来实现自动和手动完成工作行程。具体工作循环流程设计图2.5所示：步进 初始位置手臂伸手臂下降手爪张开 手爪夹紧 手臂上升 右 转 手臂缩回 手臂缩回 左 转 手爪夹紧 手臂上升 手爪张开 手臂下降 手臂伸出快进 起始位置手臂伸出、下降，手爪张开手爪

37、闭合 右 转 手臂缩回、上升，手爪闭合 手爪张开 手臂伸出、下降 左转 手臂缩回、上升 图2.5 步进、快进流程图2.4.1 气缸的控制设计如图2.2所示由两个液压缸完成工件的夹紧和提升的动作，它们分别通过一对两位四通电磁换向阀控制工件的夹紧、放松，机械手爪的升、降；机械手的伸缩缸和旋转马达的原理也基本相同。2.4.2 机械手的控制要求为了便于生产加工、维修、调整设置的工作方式选择开关。分为手动和自动操作，其中自动操作中包括了：步进和快进两种。手动操作：供维修用，即用按钮对机械手的每一步动作单独控制。例如，当选择手动操作时，按下上升/下降按钮，机械手在满足条件情况下即执行相应的动作，其它动作以

38、此类推。复位：当由于断电或其它原因导致机械手运行中途停止时，再次通电将操作方式选择置于回原位位置，按下复位按钮，机械手即可按最短路径的原则返回到初始位置。步进：供试用，即按设计的工作流程系统在程序的控制下一步步一次完成。快进：正常使用时，为了提高工作效率而设计一步完成多个动作。第三章 主控制器和外围器件本控制面板设计的主控器件即控制的核心是单片机，外围器件有继电器、反相器和功率放大器等。3.1 AT89S52单片机 AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用AT

39、MEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央 处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。 图3.1 AT89C52引脚功能图 如图3.1所示，AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本。 AT89C52有PDIP、PQFP/T

40、QFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能特性： 兼容MCS51指令系统 8k可反复擦写(1000次）Flash ROM 32个双向I/O口 256x8bit内部RAM 3个16位可编程定时/计数器中断 时钟频率0-24MHz 2个串行中断 可编程UART串行通道 2个外部中断源 共6个中断源 2个读写中断口线 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能3.2 继电器电磁继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流。较低的电压去控制较大电流。较高的电压的一种“自动开关”。

41、故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。图3.2 实物图本设计电路板上使用的是直流电磁继电器。直流继电器有两种，一种是中间继电器，一种是驱动继电器。图3.3 继电器示意图3.2.1 继电器工作原理继电器就是电子机械开关，它是用漆包铜线在一个圆铁芯上绕几百圈至几千圈，当线圈中流过电流时，圆铁芯产生了磁场，把圆铁芯上边的带有接触片的铁板吸住，使之断开第一个触点而接通第二个开关触点。当线圈断电时，铁芯失去磁性，由于接触铜片的弹性作用，使铁板离开铁芯，恢复与第一个触点的接通。因此，可以用很小的电流去控制其他电路的开关。整个继电器由塑料或有机玻璃防尘罩保护着，有的还是全密封的，以防触电氧化。如

42、图3.4所示，当控制电路中的开关K闭合时，电磁铁便具有磁性，将衔铁吸下，使继电器触点接触，与触点相连接的电源电路便接通；当控制开关K断开时，电磁铁的磁性被撤消，继电器触点弹开，电源电路亦随之断开。图3.4 继电器工作原理图3.2.2 继电器主要产品技术参数1. 额定工作电压 是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。 2. 直流电阻 是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。 3. 吸合电流 是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过

43、额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。 4. 释放电流 是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。 5触点切换电压和电流 是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。63.2.3 继电器驱动电路设计单片机与继电器的驱动电路连接如图3.5所示：由于单片机的工作电压和电磁阀的工作电压和功率不匹配，所以我们用继电器作为过渡桥梁。74LS04P的反相器，它的作用就是改变相序；ULN2003A为功率放大器，其目的是放大

44、功率。图3.5 继电器驱动电路3.3 ULN2003双极型线性集成电路ULN2003是一个单片高电压、高电流的达林顿晶体管阵列集成电路。它是由7对NPN达林顿管组成的，它的高电压输出特性和阴极箝位二极管可以转换感应负载。单个达林顿对的集电极电流是500mA。达林顿管并联可以承受更大的电流。此电路主要应用于继电器驱动器，字锤驱动器，灯驱动器，显示驱动器（LED气体放电），线路驱动器和逻辑缓冲器。主要特点* ULN2003的每对达林顿管都有串联一个2.7K电阻，可以直接和TTL或5V CMOS装置。* ULN2003工作电压高，工作电流大，并能在关态时承受50V的电压。* 输入和各种逻辑类型兼容* 继电器驱动器ULN2003引脚介绍，如图3.6所示：3.6 ULN2003逻辑图引脚1-7：CPU脉冲输入端，一个端口对