毕业设计---实验气动夹紧装置控制面板设计与制作

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
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
Abstract
This paper is intended for experimental pneumatic 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 input 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 movements 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 of the presentation.
Keywords SCM; Control circuit; Manipulator
目录
前言 (1)
第一章绪论 (3)
1.1引言 (3)
1.2单片机的发展背景 (3)
1.2.1单片机的应用领域 (4)
1.2.2单片机的发展趋势 (5)
1.3单片机课程实验现状 (6)
1.4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 (8)
2.1机械手的组成 (8)
2.2 气压传动系统的工作原理 (10)
2.3电磁阀 (10)
2.3.1电磁阀的结构原理 (10)
2.3.2 性能分析 (11)
2.4实验机械手总体控制设计方案 (12)
2.4.1气缸的控制设计 (13)
2.4.2 机械手的控制要求 (14)
第三章主控制器和外围器件 (15)
3.1 AT89S52单片机 (15)
3.2继电器 (16)
3.2.1继电器工作原理 (17)
3.2.2继电器主要产品技术参数 (17)
3.2.3继电器驱动电路设计 (18)
3.3 ULN2003双极型线性集成电路 (18)
3.4 HD74LS04P反相器 (19)
第四章硬件电路及PCB图设计 (21)
4.1硬件电路设计软件 (21)
4.2电路设计框图 (22)
4.3单片机最小电路设计 (22)
4.3.1复位电路 (23)
4.3.2晶振电路 (23)
4.4工作方式的选择和执行电路设计 (24)
4.5信号输入端的电路设计 (25)
4.6 LCD液晶显示电路 (25)
4.6.1液晶显示简介 (26)
4.6.2 1602LCD的基本参数及引脚功能 (26)
4.6.3显示电路设计 (28)
4.7电源模块 (28)
4.8 PCB板的制作 (29)
第五章软件设计与调试 (32)
5.1手动子程序设计 (33)
5.2 LCD显示程序流程设计 (33)
5.3软件调试 (34)
5.3.1 面板实物介绍 (34)
5.3.2 面板接线与通电 (35)
5.3.3面板调试 (36)
第六章结论 (39)
6.1结论 (39)
6.2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，“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、I／O口使用、中断与定时器使用、显示与键盘、串行口通信、A／D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
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）、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）。

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。

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SDA J 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，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。

伸缩缸升降缸夹紧缸旋转马达
图2.2 气动原理图
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φ6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。