基于51单片机的三轴机械臂控制系统（PWM）

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+。

系统总体框图

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。

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。

        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。

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

#include <REGX51.H>#include "Timer.h"#include "Key.h"#include "Delay.h"sbit FB=P0^2;//forward&backwardsbit LR=P1^2;//left&rightsbit UD=P2^2;//up&downsbit CLAW=P3^2;//CLAWunsigned char counter=0,compare1=6,compare2=6,compare3=6,compare4=6;unsigned char con1=5,con2=5,con3=5,con4=0,Keynum=0;void main(){Timer0_Init();while(1){Keynum=key();if(Keynum==1){con1++;if(con1>12){con1=12;}}if(Keynum==2){con1--;if(con1<0){con1=0;}}if(Keynum==3){con2++;if(con2>12){con2=12;}}if(Keynum==4){con2--;if(con2<0){con2=0;}}if(Keynum==5){con3++;if(con3>12){con3=12;}}if(Keynum==6){con3--;if(con3<0){con3=0;}}if(Keynum==7){con4++;con4%=2;}switch(con1){case 0:compare1=1;break;case 1:compare1=2;break;case 2:compare1=3;break;case 3:compare1=4;break;case 4:compare1=5;break;case 5:compare1=6;break;case 6:compare1=7;break;case 7:compare1=8;break;case 8:compare1=9;break;case 9:compare1=10;break;case 10:compare1=11;break;case 11:compare1=12;break;}switch(con2){case 0:compare2=1;break;case 1:compare2=2;break;case 2:compare2=3;break;case 3:compare2=4;break;case 4:compare2=5;break;case 5:compare2=6;break;case 6:compare2=7;break;case 7:compare2=8;break;case 8:compare2=9;break;case 9:compare2=10;break;case 10:compare2=11;break;case 11:compare2=12;break;}switch(con3){case 0:compare3=1;break;case 1:compare3=2;break;case 2:compare3=3;break;case 3:compare3=4;break;case 4:compare3=5;break;case 5:compare3=6;break;case 6:compare3=7;break;case 7:compare3=8;break;case 8:compare3=9;break;case 9:compare3=10;break;case 10:compare3=11;break;case 11:compare3=12;break;}switch(con4){case 0:compare4=6;break;case 1:compare4=7;break;}}void Timer0_Routine() interrupt 1{TR0=0;TL0 = 0x06;TH0 = 0xFF;//0.25mscounter%=80;if(counter<=compare1){FB=1;}else{FB=0; }if(counter<=compare2){LR=1;}else{LR=0; }if(counter<=compare3){UD=1;}else{UD=0; }if(counter<=compare4){CLAW=1;}else{CLAW=0; }counter++;TR0=1;}

附录2 调用函数代码（部分）

Delay（）函数代码

void Delay(unsigned int xms){unsigned char i, j;while(xms--){i = 2;j = 239;do{while (--j);} while (--i);}}

Key（）函数代码

#include <REGX51.H>#include "Delay.h"unsigned char key(){unsigned char KeyNumber=0;if(P0_0==0){Delay(50);while(P3_0==0);Delay(50);KeyNumber=1;}if(P0_1==0){Delay(50);while(P3_1==0);Delay(50);KeyNumber=2;}if(P1_0==0){Delay(50);while(P3_0==0);Delay(50);KeyNumber=3;}if(P1_1==0){Delay(50);while(P3_1==0);Delay(50);KeyNumber=4;}if(P2_0==0){Delay(50);while(P3_0==0);Delay(50);KeyNumber=5;}if(P2_1==0){Delay(50);while(P3_1==0);Delay(50);KeyNumber=6;}if(P3_0==0){Delay(50);while(P3_0==0);Delay(50);KeyNumber=7;}return KeyNumber;}