除冰機(jī)器人的控制仿真設(shè)計(jì)【畢業(yè)論文答辯資料】

需要購(gòu)買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì) 摘 要 隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)也越來(lái)越普及。在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展到一定階段，機(jī)器也開(kāi)始代替人的工作，對(duì)那些具有安全隱患的工作也是機(jī)器人應(yīng)用最多的地方，如今西南地區(qū)隨著天氣的影響對(duì)輸電線的破壞也越來(lái)越加重，本次設(shè)計(jì)是針對(duì)這種情況設(shè)計(jì)一種專門除冰的一種機(jī)器人，通過(guò)對(duì)內(nèi)部的控制設(shè)計(jì)達(dá)到對(duì)機(jī)械的操作，進(jìn)而達(dá)到除冰的效果。在根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，驗(yàn)證了動(dòng)作規(guī)劃的合理性。接下來(lái)，用 建立了機(jī)器人的多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，推導(dǎo)了機(jī)器人逆動(dòng)力學(xué)方程的求解算法，并結(jié)合機(jī)器人的虛擬樣機(jī)，并且考慮導(dǎo)線 的柔性，對(duì)除冰機(jī)器人單臂越障的過(guò)程進(jìn)行了仿真，根據(jù)結(jié)果，為除冰機(jī)器人最薄弱的關(guān)節(jié)選擇了合適和電機(jī)，驗(yàn)證了除冰機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性。最后，研究了柔性導(dǎo)線的懸掛形狀，并用 程建立了機(jī)器人的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型，在用除冰機(jī)器人的虛擬樣機(jī)模型和導(dǎo)線的柔性模型進(jìn)行了仿真，得到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)與導(dǎo)線變形間耦合特性。驗(yàn)證了即使在考慮導(dǎo)線柔性的情況下， 因此，研制安全有效的除冰機(jī)械以代替人進(jìn)行導(dǎo)線除冰具有較好的實(shí)用意義。 關(guān)鍵詞： 除冰機(jī)器人 ；運(yùn)動(dòng)學(xué)；多剛體動(dòng)力學(xué)；剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué) of is In of to a to of a is a to is a to a to of of to of s of of of to of of on to of of of a of of to in so of to 要購(gòu)買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 目 錄 摘 要 . 1 1 引言 . 1 冰機(jī)器人的研究 . 1 究現(xiàn)狀 . 1 . 2 2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 3 作電源及控制系統(tǒng) . 3 感器的應(yīng)用 . 4 度傳感器 . 4 照傳感器 . 5 片機(jī)的選用及硬件設(shè)計(jì) . 5 255口電路設(shè)計(jì) . 7 . 8 . 9 3指令系統(tǒng)編程 . 11 . 11 入 /輸出指令說(shuō)明或編程 . 12 . 12 . 14 . 14 4除冰機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模塊 . 16 . 16 控系統(tǒng) . 17 . 18 統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) . 20 統(tǒng)監(jiān)控程序設(shè)定 . 22 參考文獻(xiàn) . 24 致 謝 . 25 附錄 . 26 需要購(gòu)買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 需要購(gòu)買對(duì)應(yīng) 紙 咨詢 14951605 買對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 1 1 引言 冰機(jī)器人的研究 2008年 1月我國(guó)南方數(shù)省輸電線路遭遇歷史上罕見(jiàn)的冰雪災(zāi)害。長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的高強(qiáng)度、大范圍低溫雨雪冰凍天氣 , 導(dǎo)致湖南、江西、浙江、安徽、湖北等地的電網(wǎng)發(fā)生倒塔、斷線、舞動(dòng)、覆冰閃絡(luò)等多種災(zāi)害。由于溫度、濕度和風(fēng)速與覆冰形成的最佳氣象條件吻合 , 南方各省的輸電線路大范圍嚴(yán)重覆冰。加之冰凍天氣持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度大 , 導(dǎo)線和鐵塔上的覆冰表現(xiàn)為生成 發(fā)展 保持 消融 再保持 再發(fā)展的循環(huán)過(guò)程 , 冰厚不 斷增加。雪災(zāi)造成國(guó)家電網(wǎng)公司直接財(cái)產(chǎn)損失達(dá) 10415億元 , 災(zāi)后電網(wǎng)恢復(fù)重建和改造需要投入資金390億元。由此可見(jiàn) , 如何破除輸電線路覆冰成為一個(gè)亟待解決的很有實(shí)際意義的課題。 為了達(dá)到除冰效率高、能耗小、安全性強(qiáng)、成本低、操作簡(jiǎn)便、適應(yīng)力強(qiáng)的目的 , 本文從機(jī)械除冰的角度出發(fā) , 設(shè)計(jì)了一種輸電線路除冰機(jī)器人。特別是電力系統(tǒng)遭受毀滅性重創(chuàng)，冰災(zāi)引起了倒塔 ,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查了 2008 年湖南冰災(zāi)期間 220電線路的受損情況 ,發(fā)現(xiàn)倒塔線路覆冰厚度主要集中在 20 60時(shí)微地形和微氣象造成覆冰加重和覆冰的不均勻性 ,檔距、塔形等對(duì)線路倒塔也存在影響。分析倒桿斷線的形式認(rèn)為覆冰太厚超過(guò)設(shè)計(jì)值、垂直荷載壓垮和不平衡張力拉垮是造成線路倒塔。專家解說(shuō)，高壓線高高的鋼塔在下雪天時(shí)，可以承受 2如果下雨凇，可能會(huì)承受 10線結(jié)冰，遇冷收縮，風(fēng)吹引起震蕩，就使電線不勝重荷而斷裂。 究現(xiàn)狀 目前，在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有技術(shù)成熟的除冰機(jī)器人，但是，在外國(guó)這種除冰機(jī)器人技術(shù)相對(duì)比較成熟，其代表作品是加拿大的研究院設(shè)計(jì)的遙控小車，它主要用于清除電力傳輸線上的覆冰，但是該機(jī)器人質(zhì)量過(guò)大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且只能清 除倆桿塔之間的覆冰，不具備越障功能，因此不完全的代替人工線上除冰，由于這些國(guó)家的地理與氣候情況與我國(guó)相似，甚至一些國(guó)家的情況更加惡劣，為了保證電力系統(tǒng)的可靠性，提高高壓輸電線除冰的效率，減少損失，維護(hù)工人的安全，在借鑒國(guó)內(nèi)外除冰機(jī)器人以及巡線機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)的是高壓線路除冰機(jī)器人，這種機(jī)器人可以滿足直導(dǎo)線上覆冰不是太厚情況下除冰要求。因此，研制安全有效的除冰機(jī)械以代替人進(jìn)行導(dǎo)線除冰具有較好的應(yīng)用前景和實(shí)用意義。 全球氣候正經(jīng)歷以變暖為主要特征的變化，氣候變暖導(dǎo)致“厄爾尼諾”和“拉尼娜”等極端天氣氣候事 件的頻率與強(qiáng)度明顯增加，輸電線路所處地質(zhì)條件復(fù)雜，容易遭受冰災(zāi)等極端天氣的影響，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)已多次發(fā)生的輸電線路冰災(zāi)事故進(jìn)行了相關(guān)的研究。襲擊湖南的持續(xù)低溫、雨雪、冰凍天氣過(guò)程來(lái)臨之前，湖南溫度偏高、空氣干燥。湖南東、南、西部三面環(huán)山，向中部、北部過(guò)渡為丘陵和平地，冷空氣襲擊湖南后，湖南降溫迅速，冷暖空氣交匯形成的鋒面逆溫強(qiáng)度大，加上湖南北低南高的地勢(shì)使逆溫層得以加強(qiáng)，地勢(shì)陡增處南下冷空氣因推進(jìn)受阻而徘徊駐留，隨著暖濕氣流不斷補(bǔ)充，易形成長(zhǎng)時(shí)間降雨、冰凍，形成持續(xù)的雨凇。由于降溫迅速，湘西高海拔山區(qū)和緯度較 高的湘北地區(qū)地表氣溫除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì) 2 低，但降水主要集中在湘南、湘中、湘東，且停留時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致湘南、湘中、湘東冰凍災(zāi)害強(qiáng)于湘北和湘西高海拔山區(qū)。湖南電網(wǎng)冰凍災(zāi)害是在大尺度天氣形勢(shì)控制下形成的，拉尼娜現(xiàn)象起到推波助浪的作用，冰凍災(zāi)害受損范圍與程度具有較強(qiáng)的微地形影響特征。長(zhǎng)時(shí)間的低溫 (0 5 )、降水過(guò)程為覆冰提供了適宜條件。受冷暖空氣共同影響，湖南從 0102出現(xiàn) 4次明顯的雨雪天氣過(guò)程，這次持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的凍雨和冰凍天氣給湖南電網(wǎng)帶來(lái)了災(zāi)難性的影響。湖南省電力公司 500 路 33 條有 14 條線路倒塔 182基 ，變形 75基，導(dǎo)線斷線或受損 159處，地線斷線或受損 322處； 220 44條線路倒塔 679 基， 110 121 條倒塔 1864 基； 35 壓線路倒桿 6 萬(wàn) 4 千多基，發(fā)生斷線超過(guò) 5萬(wàn)處；低壓線路倒桿斷桿 33萬(wàn)多基，斷線近 37萬(wàn)處，在整個(gè)冰凍期間，發(fā)生了多次電網(wǎng)解裂和衡陽(yáng)、郴州等地區(qū)大面積停電事故，使湖南電網(wǎng)受了有史以來(lái)最嚴(yán)峻的威脅，直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù) 10 億元。 業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)的分類 工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)可以從不同角度分類，如控制運(yùn)動(dòng)的方式不同，可為關(guān)節(jié)控制、笛卡爾空間運(yùn)動(dòng)控制和自適應(yīng)控制；按 軌跡控制方式的不同，可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制；按速度控制方式的不同，可分為速度控制、加速度控制。 程序控制系統(tǒng)：給每個(gè)自由度施加一定規(guī)律的控制作用，機(jī)器人就可實(shí)現(xiàn)要求的空間軌跡。 自適應(yīng)控制系統(tǒng)：當(dāng)外界條件變化時(shí)，為保證所要求的品質(zhì)或?yàn)榱穗S著經(jīng)驗(yàn)的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過(guò)程是基于操作機(jī)的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時(shí)間和條件自動(dòng)改變。 人工智能系統(tǒng)：事先無(wú)法編制運(yùn)動(dòng)程序，而是要求在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)確定控制作用。當(dāng)外 界條件變化時(shí)，為保證所要求的品質(zhì)或?yàn)榱穗S著經(jīng)驗(yàn)的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過(guò)程是基于操作機(jī)的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時(shí)間和條件自動(dòng)改變。因而本系統(tǒng)是一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 3 2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 作電源及控制系統(tǒng) 要保證除冰機(jī)器人在野外大范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間工作，必須提供持續(xù)可靠的電源。機(jī)器人一般的功率一般為幾百瓦，由于受體積和重量的限制，蓄電池組不能滿足長(zhǎng)時(shí)間供電要求。嘗試采用小型汽油發(fā)電機(jī)為機(jī)器人供電，但汽油發(fā)電機(jī)需攜帶油箱，工 作時(shí)受環(huán)境影響大，可靠性差。由于除冰機(jī)器人一般沿高壓的電力線爬行，因此，最好能直接從電力線上獲取能源，即耦合供電。對(duì)采用電流互感器耦合從電力線上獲取電源的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入研究，分析了機(jī)器人所需的最大驅(qū)動(dòng)力與其重量的比率、磁芯的截面積、副邊線圈匝數(shù)等變量的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性。采用電力線耦合供電雖然解決了巡線機(jī)器人長(zhǎng)期工作的電源問(wèn)題，同時(shí)也導(dǎo)致機(jī)械機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)的復(fù)雜化。這是因?yàn)闄C(jī)器人越障時(shí)，電流互感器磁芯須從電力線上脫離，需解決磁芯分離機(jī)構(gòu)控制和備用電源切換技術(shù) 圖 2制系統(tǒng) 這種系 統(tǒng)是適應(yīng)控制系統(tǒng)，當(dāng)外界條件變化時(shí)，為保證所要求的目的或?yàn)榱穗S著經(jīng)驗(yàn)的積累而自行改善控制系統(tǒng)，其過(guò)程是基于操作機(jī)的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時(shí)間和條件自動(dòng)改變。這種是事先無(wú)法編制運(yùn)動(dòng)程序，而是要求在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中根據(jù)所獲得的周圍狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)確定控制作用。當(dāng)外界條件變化時(shí)，為保證所要求的品質(zhì)或?yàn)榱穗S著經(jīng)驗(yàn)的積累而自行改善控制品質(zhì)，其過(guò)程是基于操作機(jī)的狀態(tài)和伺服誤差的觀察，再調(diào)整非線性模型的參數(shù)，一直到誤差消失為止。這種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)能隨時(shí)間和條件 自動(dòng)改變。因而本系統(tǒng)是一種自適應(yīng)控制系統(tǒng)。 除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì) 4 感器的應(yīng)用 度傳感器 系統(tǒng)選用溫濕度一體數(shù)字式傳感器 傳感器將溫濕度敏感元件、信號(hào)放大器、A/準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、 需外圍電路，直接輸出經(jīng)過(guò)標(biāo)定了的相對(duì)濕度和溫度的數(shù)字信號(hào)。信號(hào)強(qiáng)度增加，抗干擾性增強(qiáng)，且長(zhǎng)期穩(wěn)定性也得到了保證，有效地解決了傳統(tǒng)溫、濕度傳感器的不足。另外，還可以精確地測(cè)定露點(diǎn)，不會(huì)因?yàn)闇貪穸戎g的溫度差而引入誤差。 （ 1）選擇測(cè)量范圍 和測(cè)量重量、溫度一樣，選擇濕度傳 感器首先要確定測(cè)量范圍。除了氣象、科研部門外，搞溫、濕度測(cè)控的一般不需要全濕程 (0量。 （ 2） 選擇測(cè)量精度 。 測(cè)量精度是濕度傳感器最重要的指標(biāo)，每提高 個(gè)百分點(diǎn)，對(duì)濕度傳感器來(lái)說(shuō)就是上一個(gè)臺(tái)階，甚至是上一個(gè)檔次。因?yàn)橐_(dá)到不同的精度，其制造成本相差很大，所以使用者一定要量體裁衣，不宜盲目追求 “ 高、精、尖 ” 。如在不同溫度下使用濕度傳感器，其示值還要考慮溫度漂移的影響。眾所周知，相對(duì)濕度是溫度的函數(shù)，溫度嚴(yán)重地影響著指定 空間內(nèi)的相對(duì)濕度。溫度每變化 。將產(chǎn)生 濕度變化 (誤差 )。 使用場(chǎng)合如果難以做到恒溫，則提出過(guò)高的測(cè)濕精度是不合適的。多數(shù)情況下，如果沒(méi)有精確的控溫手段，或者被測(cè)空間是非密封的， 5 精度就足夠了。對(duì)于要求精確控制恒溫、恒濕的局部空間，或者需要隨時(shí)跟蹤記錄濕度變化的場(chǎng)合，再選用 3 精度高于 2 何況傳感器自身了。相對(duì)濕度測(cè)量?jī)x表，即使在 20 25 下，要達(dá)到 2常產(chǎn)品資料中 給出的特性是在常溫（ 20 10 ）和潔凈的氣體中測(cè)量的。 （ 3） 考慮時(shí)漂 和溫漂 。 在實(shí)際使用中，由于塵土、油污及有害氣體的影響，使用時(shí)間一長(zhǎng)，電子式濕度傳器會(huì)產(chǎn)生老化，精度下降，電子式濕度傳器年漂移量一般都在 2%左右，甚至更高。一般情況下，生產(chǎn)廠商會(huì)標(biāo)明 1 次標(biāo)定的有效使用時(shí)間為 1年或 2年，到期需重新標(biāo)定。 （ 4） 其它注意事項(xiàng) 。 濕度傳感器是非密封性的，為保護(hù)測(cè)量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，應(yīng)盡量避免在酸性、堿性及含有機(jī)溶劑的氣氛中使用。也避免在粉塵較大的環(huán)境中使用。為正確反映欲測(cè)空間的濕度，還應(yīng)避免將傳感 器安放在離墻壁太近或空氣不流通的死角處。有的濕度傳感器對(duì)供電電源要求比較高，否則將影響 測(cè)量精度?；蛘邆鞲衅髦g相互干擾，甚至無(wú)法工作。使用時(shí)應(yīng)按照技術(shù)要求提供合適的、符合精度要求的供電電源。傳感器需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸時(shí)，要注意信號(hào)的衰減問(wèn)題。當(dāng)傳輸距離超過(guò) 200m 以上時(shí)，建議選用頻率輸出信號(hào)的濕度傳感器。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 5 照傳感器 在基礎(chǔ)學(xué)科研究中， 光照 傳感器更具有突出的地位?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)入了許多新領(lǐng)域 ； 例如在宏觀上要觀察上千光年的茫茫宇宙，微觀上要觀察小到 粒子世界，縱向上要觀察長(zhǎng)達(dá)數(shù)十萬(wàn)年的天體演化 。 此外，還出現(xiàn)了對(duì)深化物質(zhì)認(rèn)識(shí)、開(kāi)拓新能源、新材料等具有重要作用的各種 極端技術(shù)研究，如超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強(qiáng)磁場(chǎng)、超弱磁碭等等。顯然，要獲取大量人類感官無(wú)法直接獲取的信息，沒(méi)有相適應(yīng)的傳感器是不可能的。許多基礎(chǔ)科學(xué)研究的障礙，首先就在于對(duì)象信息的獲取存在困難，而一些新機(jī)理和高靈敏度的檢測(cè) 傳感器的出現(xiàn)，往往會(huì)導(dǎo)致該領(lǐng)域內(nèi)的突破。一些傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學(xué)科開(kāi)發(fā)的先驅(qū)。 光照 傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn)、宇宙開(kāi)發(fā)、海洋探測(cè)、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、甚至文物保護(hù)等等極其之泛的領(lǐng)域?？梢院敛豢鋸埖卣f(shuō)，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復(fù)雜的 工程系統(tǒng)，幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，都離不開(kāi)各種各樣的傳感器。 由此可見(jiàn)， 光照 傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國(guó)都十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展。相信不久的將來(lái)，傳感器技術(shù)將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)飛躍，達(dá)到與其重要地位相稱的新水平。 本系統(tǒng)是采用硅光電池 2為光照傳感器，該傳感器的短路電流信號(hào)對(duì)此進(jìn)行放大到 0 A/D 模塊轉(zhuǎn)換之用。硅光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。由于它可把太陽(yáng)能直接變電能，因此又稱為太陽(yáng)能電池。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是發(fā)電式有源元件。它 有較大面積的 光照射在 結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)。 片機(jī)的選用及硬件設(shè)計(jì) 為了適應(yīng)各種應(yīng)用領(lǐng)域的需要，世界各國(guó)都在不斷地進(jìn)行研制和開(kāi)發(fā)。目前世界上最具實(shí)力的單片機(jī)開(kāi)發(fā)公司有：美國(guó)的 蘭的 國(guó)的 中 司開(kāi)發(fā)的 性能 8 位機(jī)代表著單片機(jī)的發(fā)展方向，成為單片機(jī)領(lǐng)域中的主流產(chǎn)品，其他公司則紛紛推出了與 列兼容的單片機(jī)， 司的 89 系列 片機(jī)便是其中的一種。其以 2 作為內(nèi)核，并采用可重復(fù)編程的一種源于 8051而又優(yōu)于 8051 的單片機(jī)，已成為廣大 據(jù)系統(tǒng)的功能和要求，課題選用 司 89 系列標(biāo)準(zhǔn)型單片機(jī) 為控制中心。 硬件電路以 片機(jī)為核心，計(jì)時(shí)采用 作為定時(shí)時(shí)鐘，人機(jī)對(duì)話接口主要由鍵盤顯示打印電路、故障報(bào)警電路構(gòu)成 ;處理轉(zhuǎn)換 (A/D)電路構(gòu)成 ;輸出控制由光隔、繼電器、執(zhí)行器件構(gòu)成 ;系統(tǒng)可靠性采取軟件數(shù)字濾波和硬狗 技術(shù)。人機(jī) 對(duì)話功能主要通過(guò) 4 位 4位按鍵、蜂鳴器、打印機(jī) (通過(guò)并行口 來(lái)實(shí)現(xiàn)。 除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì) 6 電壓、高性能的 8位單片機(jī)，片內(nèi)帶有一個(gè) 4采用了 司的 引腳和指令系統(tǒng)都與 大特點(diǎn)就是其閃速存儲(chǔ)器優(yōu)越的在線可重復(fù)編程性能。其主要性能如下 :4改編程序儲(chǔ)器，可經(jīng)受 1， 000 次的寫入 /擦除周期 ;全靜態(tài)工作 :24三級(jí)程序存儲(chǔ)器保密 ;128B(8 位 )內(nèi)部 32 條可編程 I/O 口線 ;2 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ;5 個(gè)中斷源 ;可編程串行通道 ;片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器 ;低功耗的閑置及掉電保護(hù)模式。 0 個(gè)引腳，為 其引腳配置見(jiàn)圖 2?，F(xiàn)將各引腳功能分述如下： (l)主電源引腳 55 (2)時(shí)鐘震蕩電路引腳 3)控制或與其它電源復(fù)用引腳 、 和 ; 為訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器允許端， 2V 輸入端。 (4)輸入 /輸出引腳 (三態(tài)雙向口，通稱數(shù)據(jù)總線。 (準(zhǔn)雙向口，專門供用戶使用的I/是準(zhǔn)雙向口。 雙功能口，第一功能是一般 I/二功能定義具體見(jiàn)表 1所示。存儲(chǔ)器分開(kāi)編址的，它們有各自的尋址系統(tǒng) 、控制信號(hào)和特定功能。程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在物理和邏輯上均分為兩個(gè)地址空間 :內(nèi)部存儲(chǔ)空間和存儲(chǔ)器分外部存儲(chǔ)空間。這里系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量不太大，程序也不太長(zhǎng)， 內(nèi)的 428需擴(kuò)展片外 在硬件電路設(shè)計(jì)上將 和 引腳連在一起接 一上拉電阻將其拉高。 部存儲(chǔ)器地址空間分配為 :片內(nèi) 4序 儲(chǔ)空間(0000H 片內(nèi) 128 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間 (7特殊功能寄存器空間 (80H圖 2腳圖 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 7 位尋址空間 (00H 表 23 口各引腳兼用功能表 這里本系統(tǒng)為典型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，由于系統(tǒng)外圍配置和應(yīng)用電路的要求現(xiàn)有并行I/需要對(duì) I/于選用的單片機(jī)與 司的 選用 司的通用型可編程 I/O 接口擴(kuò)展芯片 8255(3 8 位 )來(lái)擴(kuò)展 I/展方法選用廣泛采用的總線擴(kuò)展方法，這種方法十分方便，擴(kuò)展的并行口 I/自 分時(shí)占用 ，并不影響會(huì)造成單片機(jī)硬件的額外開(kāi)支。 255A 芯片與 口電路設(shè)計(jì) 8255A 的端口選擇地址線 別接 ，片選 位引腳接 ， 8255A 的控制線 據(jù)線 8255(基本輸入輸出方式 )。在這種 方式下， 均可設(shè)置為輸入或輸出，且不需任何選通信號(hào)。 8255，可與 統(tǒng)總線直接連接，其引腳采用 40 線雙列直插式封裝，具體配置如圖 3所示。各引腳功能分述如下 : 數(shù)據(jù)總線 (8條 )于傳送 8255A 間的數(shù)據(jù)、命令和狀態(tài)字?？刂瓶偩€ (6 條 )復(fù)位線，高電平有效。 為片選線，低電平有效。若為高電平，則 8255為讀命令線， 為低電平有效。 為低電平 (為高電平 )則本片 8255A 處于讀狀態(tài) ;為低電平 (，則所選 8255A 處于寫狀態(tài)。 口地址選擇線，用于選中 、 、 和控制寄存器中的哪一個(gè)工作。并行 I/O 口線 (3 8 位 )、 、 用于和外設(shè)通信。電源線 (兩條 ) +5V 電源線，允許變化 10%， 數(shù)據(jù)總線 (8條 )于傳送 255A 間的數(shù)據(jù)、命令和狀態(tài)字。控制總線 (6 條 )復(fù)位線，高電平有效。 電平有效。若 8255A 不被選中工作 ;為低電平有效。 則本片 8255A 處于讀狀態(tài) ;，則所選 8255A 處于寫狀態(tài)。 口地址選擇線，用于選中 、 、 和控制寄存器中的哪一個(gè)工作。并行 I/3 8位 )用于和外設(shè)通信。電源線 (兩條 )5許變化 10%， 引腳 第二功能 引腳 第二功能 行輸入口） 行輸入口） 部中斷 0） 部中斷 1） 0(定時(shí)器 0 的外部輸入 ) 時(shí)器 1 的外部輸入 ) 部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 ) 部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 ) 除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì) 8 鐘電路的設(shè)計(jì) 片機(jī)內(nèi)部有個(gè)振蕩器，可以用作 時(shí)鐘源。這里系統(tǒng)時(shí)鐘選用內(nèi)部方式，因?yàn)檫@種方式結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、可靠性高。 部含有一 個(gè)高增益的反相放大器，通過(guò) 入端 )、 出端 )外接作為反饋元件的片外石英晶體 (或陶瓷諧振器 )和電容 而利用部的振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘。連接方法見(jiàn)圖 4 所示，其中晶體呈感性，其決定著振蕩器的振蕩頻率 ;電容頻率有微調(diào)作用。電路中反饋元件選用石英晶體，電容 為 30容的安裝位置應(yīng)盡量靠近單片機(jī)。 圖 2鐘電路連接圖 圖 2255A 引腳配置 1 1 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 9 腳配置及其接口電路設(shè)計(jì) 列多通道 8位 數(shù)轉(zhuǎn)換器。其芯片內(nèi)置有多路模擬開(kāi)關(guān)以及通道地址譯碼和鎖存電路，因此能夠?qū)Χ嗦纺M信號(hào)進(jìn)行分時(shí)采集與轉(zhuǎn)換。 位逐次比較式 A/28 引腳，雙列直插封裝，具有地址鎖存控制的 8路模擬開(kāi)關(guān)，應(yīng)用單一 +5模擬輸入電壓范圍為 O +5V，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換數(shù)字量為 00H 換時(shí)間為 1須調(diào)零或調(diào)整滿量程。因此能夠?qū)崿F(xiàn) 8路模擬信號(hào)的分時(shí)采集和轉(zhuǎn)換 (每個(gè)瞬間只能轉(zhuǎn)換一路 )，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器。 A/路模擬量分時(shí)輸入，共用一個(gè) A/ A、 B、 C 編碼選擇通道號(hào)通過(guò)最高位 (最低位 逐次檢測(cè)來(lái)逼近被轉(zhuǎn)換的輸入電壓。 A/D 轉(zhuǎn)換過(guò)程主要包括采樣量化及編碼。采樣是使模擬信號(hào)在時(shí)間上離散化，量化及編碼是把采樣后的值按比例變換成相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)碼。如 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器所采集到的 O5V 電壓轉(zhuǎn)換成為 對(duì)應(yīng)的數(shù)字量。通過(guò)數(shù)字量的運(yùn)算比較的結(jié)果實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量的測(cè)量及控制。 腳配置見(jiàn)圖 9 所示，引腳功能如下 :7 為 8 個(gè)輸入通道的模擬輸入端 ;位 數(shù)字量的輸出端 ;A、 B、 制 8路模擬通道的切換， 址鎖存信號(hào) )高電平時(shí)把 3 個(gè)地址信號(hào)送入地址鎖存器，并經(jīng)譯碼器得到地址輸出，以選擇相應(yīng)的模擬輸入通道。 A、 B、 者編碼對(duì)應(yīng) 8個(gè)通道地址。 00111分別對(duì)應(yīng) 上正脈沖后， A/芯片的輸出信號(hào)。轉(zhuǎn)換開(kāi)始后， 號(hào)變低，轉(zhuǎn)換結(jié)束后， 回高電平。這個(gè)信號(hào)可作為 A/D 轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)信號(hào)來(lái)查詢，也可直接用作中斷請(qǐng)求信號(hào) ;E)為輸出允許控制端，當(dāng)給 0制三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器向外部輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)結(jié)果 ;時(shí)鐘信號(hào)，其典型值為 64)和 )為 A/外部參考電壓源提供 (典型值為 +5V);于是 許的電源范圍較寬可以從 +5 +15V， 由于 此可直接與 其 8位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與 據(jù)總線相連。接口電路的硬件邏輯設(shè)計(jì)主要是處理好 A/實(shí)現(xiàn) 8路模擬信號(hào)的分時(shí)切換選通。 0 數(shù)據(jù)總線 連接， A/0口傳送到 里由于利用 ，無(wú)疑會(huì)加重 負(fù)載。為了增強(qiáng)系統(tǒng)總線的驅(qū)動(dòng)能力，特在 數(shù)據(jù)線間增加雙向總線驅(qū)動(dòng)芯片 74時(shí)能夠有效地避免資源共享發(fā)生沖突。 具體連接如下 :74O 74OO 里接地 ;里接 。當(dāng) 有效， 傳送 ;當(dāng) 到 傳送，當(dāng) 態(tài)門不通， 時(shí)數(shù)據(jù)總線可為 8255A 使用。 時(shí)鐘頻率范除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì) 10 圍要求在 10 1280于其內(nèi)部沒(méi)有時(shí)鐘電路，故其時(shí)鐘信號(hào)必須由外部提供。 這里 的時(shí)鐘信號(hào)由十進(jìn)制計(jì)數(shù) /分頻器芯片 4017十分頻后 4017的 分頻輸入端 )信號(hào)由 復(fù)位置 0端 )和 255A 的 由 8255控制， 255擬輸入通道地址的譯碼輸入信號(hào) A、 B、 地址總線 供，其信號(hào)狀態(tài)決定選擇的通道。 8 路模擬通道共用一個(gè) A/8路模擬信號(hào)分時(shí)轉(zhuǎn)換，每個(gè)瞬間只能轉(zhuǎn)換 1路，各路之間的切換由軟件變換通 道地址來(lái)實(shí)現(xiàn)。 8255啟動(dòng)、鎖存和輸出。 時(shí)，送模擬通道號(hào)地址到地址鎖存器 ; 時(shí)，地址鎖存 ;當(dāng) 時(shí)，啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換 ;轉(zhuǎn)換開(kāi)始后 ，轉(zhuǎn)換結(jié)束則 ;當(dāng) 時(shí)，輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。這些信號(hào)狀態(tài)由指令時(shí)序形成。 0據(jù) A/現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換所需軟件的設(shè)計(jì)方法也不同。目前常用的控制方式 (即數(shù)據(jù)傳送方式 )有 :程序查詢方式、延時(shí)等待方式 (定時(shí)傳送 )和中斷方式。本系統(tǒng) A/D 轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)采用程序查詢方式， 腳接 里由微處理器向 A/D 轉(zhuǎn)換器發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，然后讀入轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，查詢轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。若轉(zhuǎn)換結(jié)束，可以讀入數(shù)據(jù) ;否則再繼續(xù)讀入轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)進(jìn)行查詢，直至轉(zhuǎn)換結(jié)束再讀入數(shù)據(jù)。這種程序設(shè)計(jì)方法比較簡(jiǎn)單，可靠性高，但由于微機(jī)把許多時(shí)間都消耗在“查詢”上，因而效率低，實(shí)際應(yīng)用的許多系統(tǒng)對(duì)于消耗這點(diǎn)時(shí)間還是允許的，因此這種方法應(yīng)用的比較普遍。傳送時(shí)，首先送出口地址并以 信號(hào)有效時(shí)， 即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機(jī)接收。 圖 2腳配置 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)長(zhǎng)城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)論文 11 3 指令系統(tǒng)編程 動(dòng)及軸的指令系統(tǒng) 軸指令用來(lái)和舊的 制器兼容。加速度率和減速度率可用 時(shí)設(shè)定加速度率和減速度率， 參數(shù)單位決定于單位軸參數(shù)。加速度因子從 改指令是設(shè)置單軸運(yùn)動(dòng)指令或單軸參數(shù)讀寫。 用 何有效的 運(yùn)動(dòng)控制指令 1，軸 2，軸 3） 1，軸 2，軸 3） 寫入特定軸或軸組，設(shè)置的缺省值依次為： 0， 1， 2 每一個(gè)過(guò)程有其自己的個(gè)程序能單獨(dú)賦值。 序 與控制軸運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)發(fā)生器分開(kāi)。每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)發(fā)生器有其獨(dú)立的功能，因此每個(gè)軸能以自己的速度、加速度等進(jìn)行編程，單獨(dú)運(yùn)動(dòng)，或者通過(guò)插補(bǔ)或鏈接運(yùn)動(dòng)鏈接在一起。 命令只要應(yīng)用正在進(jìn)行的單命令可以重新導(dǎo)向不同的軸。而 指令除非規(guī)定軸號(hào)，否則導(dǎo)向接下來(lái)的所有指令。軸號(hào)：軸號(hào)或軸組號(hào)成為新的基準(zhǔn)軸排列，即軸號(hào)或軸組發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令給多軸指令里的第一個(gè)軸。基本軸的軸數(shù)和順序軸在軸組用于多軸運(yùn)動(dòng)。 度軌跡（ 會(huì)以 它運(yùn)動(dòng)會(huì)立即停止。 種方法中的一種搜尋原點(diǎn)位置，其為絕對(duì)位置同時(shí)可以重置跟隨誤差。伺服驅(qū)動(dòng)器機(jī)構(gòu)原點(diǎn)搜尋用于軸 0。軸 1用于 服驅(qū)動(dòng)器用于軸 0。爬行速度用標(biāo)速度用 點(diǎn)搜尋輸入數(shù)由 數(shù)決定，用于 3或 7中。 0）用于軸出錯(cuò)時(shí)重新啟動(dòng)系統(tǒng)，位置不變。 0）指令清除跟隨誤差。將當(dāng)前位置設(shè)定為目標(biāo)位置同 時(shí) 態(tài)會(huì)被清除。注如果產(chǎn)生錯(cuò)誤的問(wèn)題仍然存在，誤差不能被清除。 1 軸以爬行速度（ 向運(yùn)行直到發(fā)現(xiàn) 標(biāo)位置重置為 0同時(shí)糾正測(cè)量位置，維持跟隨誤差。 2 軸以爬行速度（ 向運(yùn)行直到發(fā)現(xiàn) 標(biāo)位置重置為 0同時(shí)糾正測(cè)量位置，維持跟隨誤差。 3 軸以目標(biāo)速度（ 向運(yùn)行，直到碰到原點(diǎn)開(kāi)關(guān)。隨后軸以爬行速度正向運(yùn)動(dòng)直到原點(diǎn)開(kāi)關(guān)復(fù)位。 目標(biāo)位置重置為 0 同時(shí)糾正測(cè)量位置，維持跟隨誤差。 4 軸以目標(biāo)速度（ 向運(yùn)行，直到碰到原點(diǎn)開(kāi)關(guān)。隨后軸以爬行速度正 向運(yùn)動(dòng)直到原點(diǎn)開(kāi)關(guān)復(fù)位。 目標(biāo)位置重置為 0同時(shí)糾正測(cè)量位置，維持跟隨誤差。 5 軸以目標(biāo)速度（ 向運(yùn)行，直到碰到原點(diǎn)開(kāi)關(guān)。隨后軸以爬行速度正向運(yùn)動(dòng)直到碰到 目標(biāo)位置重置為 0同時(shí)糾正測(cè)量位置，維持跟隨誤差。 6 軸以目標(biāo)速度（ 向運(yùn)行，直到碰到原點(diǎn)開(kāi)關(guān)。隨后軸以爬行速度正向運(yùn)動(dòng)直到碰到 目標(biāo)位置重置為 0同時(shí)糾正測(cè)量位置，維持跟隨誤差。 除冰機(jī)器人的設(shè)計(jì) 12 速度和減速度下以增量的方式運(yùn)動(dòng)到特定位置。在多軸運(yùn)動(dòng)中， 速度，加速度，減速度是基于基本軸的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)