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摘 要：为组建单片机实践教学系统，设计了一种4轴机械手。该机械手的水平移动由直流电机驱动，其它轴由舵机驱动，由一片STC单片机控制各轴运动，该单片机还能够与PC机进行Modbus网络通信。在PC端，通过运行组态画面实现对机械手的实时监控。通過机械手本体设计、单片机软硬件设计、PC组态画面设计及联网调试，对整个系统进行了验证。该设计方案对组建单片机工控网络实践教学系统具有参考价值。
关键词：机械手；STC单片机；Modbus；单片机控制
一、引言
本题目是我校2015大学生大创新项目“单片机机电控制及工控网络应用”的一个组成部分，其设计内容是：用STC单片机控制一台4轴机械手的运动，且单片机的串口与PC电脑通过Modbus网络协议进行通信，PC端则通过运行组态画面对单片机进行实时监控，详见图1机械手实物图。
在图1中，机械手的水平移动由直流电机经齿轮组减速驱动双螺线螺杆，在直流电机轴的另一端安装有光电码盘，以检测电机的角位移。螺杆的转动带动其上的滑块作X轴水平运动。在滑块上安装有一台三坐标机械手，其底盘旋转（A轴），手臂摆动（B轴），夹爪开合（C轴）分别由三只数字舵机S1501驱动。整个机械手由一片STC12C5A32S2单片机控制。该单片机的串口经MAX485与PC进行通信，以Modbus RTU协议实现主从联网。
二、控制电路设计
4轴机械手的控制电路如图2所示。
在图2中，STC12的P1.3/CCP0引脚用于接收与直流电机同轴安装的码盘的光电脉冲信号，并把PCA0设置为对该引脚上升/下降双边沿触发中断的工作方式，每当PCA0中断发生，就根据电机转向对码盘脉冲数加1或减1操作，由此确定出滑块（即X轴）的当前位置。P1.4/PWM1引脚的作用是向直流电机驱动电路发出PWM脉冲，实现直流电机的PWM调速。该PWM脉冲是通过把STC12的PCA1通道设置为8位PWM输出方式来实现的。此外，在X轴两端的极限位置，各安装有一个光电开关，其信号分别接入P3.2/1NT0和P3.3/1NT1引脚。两引脚的下降沿脉冲输入能够触发STC12的1NT0、1NT1中断。P0.0、P0.1、P0.2引脚用于向机械手底盘舵机、手臂舵机和夹爪舵机发出控制信号。STC12的P3.0、P3.1引脚通过MAX485芯片实现TTL/RS485转换，转换后的信号再接到FT232模块的A、B端，经FT232模块把RS485信号转为PC电脑的USB信号。STC12的P3.7引脚用于MAX485的收/发控制。
三、PC组态监控设计
PC端采用uscada组态软件进行上位机监控设计。在用uscada设计监控画面前，要配置串口设备（即从机）的参数和数据区，并进行模拟量和状态量管理。首先，应把串口通信协议设置为Modbus RTU，设置从站地址，该地址应与STC单片机自设的Modbus站址一致。然后再对串口设备数据区进行设置。uscada为从站设备配备了4种类型的数据区：Discrete Input，即DI，离散量输入；Input Registers，即AI，输入寄存器 ；Coil，即DO，线圈输出；Holding Registers，即AO，保持寄存器。在uscada这4个区设置的变量应与在单片机XRAM中DI、AI、DO、AO型变量区设置的变量相对应，但名称可以不同。主从机通信时，单片机的Modbus RTU函数将按照这种 对应关系处理变量。设置好从站的数据区后，就可以 定义模拟量和状态量，并进行监控画面设计。图4为4轴机械手组态监控画面图。
在图4的画面中，分别对机械手的X、A、B、C轴设置了数字框图元，用以显示各轴坐标值，各轴数字框图元右侧的阀门图元用于设定该轴的坐标值。机械手有手动/自动两种工作方式，由图中的档位开关图元进行转换。手动方式下，机械手按图4中左侧各轴坐标设定值进行动作。自动方式下，机械手以手动方式的设定值为起点，以图4中右侧的设定值为终点，进行自动往复循环动作。画面中，滑块起点和终点是DI型变量，手动/自动档位开关是DO型变量，X轴当前位置为AI型变量，其它为AO型变量。当主机与从机通信后，画面即显示出各变量的当前值。
uscada具有串口通道通信数据实时监视功能，图5为主从机通信数据实时监视窗口图。本系统的Modbus RTU从站函数能够处理Modbus 01，02，03，04，05，06，15，16功能码。
四、结语
本文所设计的4轴机械手，首先，具有一个由直流电机驱动的水平移动轴，与全部采用舵机驱动的机械手相比，增加了运动方式和控制方式的多样性，并用到了STC增强型单片机的多种片内资源，是更好的单片机教学与实践模型。其次，本机械手能够通过Modbus工控网络与PC机联网，在PC端通过设计组态画面实现对机械手的实时监控，这就把单片机的学习与实践提升到了网络应用的层面。再次，由于利用了STC单片机丰富的片内资源，并通过上位机监控实现人机交互，这就使得系统的控制电路简单，且uscada为永久免费的组态软件，所以使用本设计方案，能够经济的组建具有工控网络应用的单片机实践教学系统。
参考文献
[1]www.STCMCU.com：STC12C5A60S2系列单片机器件手册
[2]http：//www.uscada.com：uscada8.1使用手册
关键词：机械手；STC单片机；Modbus；单片机控制
一、引言
本题目是我校2015大学生大创新项目“单片机机电控制及工控网络应用”的一个组成部分，其设计内容是：用STC单片机控制一台4轴机械手的运动，且单片机的串口与PC电脑通过Modbus网络协议进行通信，PC端则通过运行组态画面对单片机进行实时监控，详见图1机械手实物图。
在图1中，机械手的水平移动由直流电机经齿轮组减速驱动双螺线螺杆，在直流电机轴的另一端安装有光电码盘，以检测电机的角位移。螺杆的转动带动其上的滑块作X轴水平运动。在滑块上安装有一台三坐标机械手，其底盘旋转（A轴），手臂摆动（B轴），夹爪开合（C轴）分别由三只数字舵机S1501驱动。整个机械手由一片STC12C5A32S2单片机控制。该单片机的串口经MAX485与PC进行通信，以Modbus RTU协议实现主从联网。
二、控制电路设计
4轴机械手的控制电路如图2所示。
在图2中，STC12的P1.3/CCP0引脚用于接收与直流电机同轴安装的码盘的光电脉冲信号，并把PCA0设置为对该引脚上升/下降双边沿触发中断的工作方式，每当PCA0中断发生，就根据电机转向对码盘脉冲数加1或减1操作，由此确定出滑块（即X轴）的当前位置。P1.4/PWM1引脚的作用是向直流电机驱动电路发出PWM脉冲，实现直流电机的PWM调速。该PWM脉冲是通过把STC12的PCA1通道设置为8位PWM输出方式来实现的。此外，在X轴两端的极限位置，各安装有一个光电开关，其信号分别接入P3.2/1NT0和P3.3/1NT1引脚。两引脚的下降沿脉冲输入能够触发STC12的1NT0、1NT1中断。P0.0、P0.1、P0.2引脚用于向机械手底盘舵机、手臂舵机和夹爪舵机发出控制信号。STC12的P3.0、P3.1引脚通过MAX485芯片实现TTL/RS485转换，转换后的信号再接到FT232模块的A、B端，经FT232模块把RS485信号转为PC电脑的USB信号。STC12的P3.7引脚用于MAX485的收/发控制。
三、PC组态监控设计
PC端采用uscada组态软件进行上位机监控设计。在用uscada设计监控画面前，要配置串口设备（即从机）的参数和数据区，并进行模拟量和状态量管理。首先，应把串口通信协议设置为Modbus RTU，设置从站地址，该地址应与STC单片机自设的Modbus站址一致。然后再对串口设备数据区进行设置。uscada为从站设备配备了4种类型的数据区：Discrete Input，即DI，离散量输入；Input Registers，即AI，输入寄存器 ；Coil，即DO，线圈输出；Holding Registers，即AO，保持寄存器。在uscada这4个区设置的变量应与在单片机XRAM中DI、AI、DO、AO型变量区设置的变量相对应，但名称可以不同。主从机通信时，单片机的Modbus RTU函数将按照这种 对应关系处理变量。设置好从站的数据区后，就可以 定义模拟量和状态量，并进行监控画面设计。图4为4轴机械手组态监控画面图。
在图4的画面中，分别对机械手的X、A、B、C轴设置了数字框图元，用以显示各轴坐标值，各轴数字框图元右侧的阀门图元用于设定该轴的坐标值。机械手有手动/自动两种工作方式，由图中的档位开关图元进行转换。手动方式下，机械手按图4中左侧各轴坐标设定值进行动作。自动方式下，机械手以手动方式的设定值为起点，以图4中右侧的设定值为终点，进行自动往复循环动作。画面中，滑块起点和终点是DI型变量，手动/自动档位开关是DO型变量，X轴当前位置为AI型变量，其它为AO型变量。当主机与从机通信后，画面即显示出各变量的当前值。
uscada具有串口通道通信数据实时监视功能，图5为主从机通信数据实时监视窗口图。本系统的Modbus RTU从站函数能够处理Modbus 01，02，03，04，05，06，15，16功能码。
四、结语
本文所设计的4轴机械手，首先，具有一个由直流电机驱动的水平移动轴，与全部采用舵机驱动的机械手相比，增加了运动方式和控制方式的多样性，并用到了STC增强型单片机的多种片内资源，是更好的单片机教学与实践模型。其次，本机械手能够通过Modbus工控网络与PC机联网，在PC端通过设计组态画面实现对机械手的实时监控，这就把单片机的学习与实践提升到了网络应用的层面。再次，由于利用了STC单片机丰富的片内资源，并通过上位机监控实现人机交互，这就使得系统的控制电路简单，且uscada为永久免费的组态软件，所以使用本设计方案，能够经济的组建具有工控网络应用的单片机实践教学系统。
参考文献
[1]www.STCMCU.com：STC12C5A60S2系列单片机器件手册
[2]http：//www.uscada.com：uscada8.1使用手册