一、引言
　　目前，小型货运机械臂可在电子产品制造、机械加工、医药生产等领域的流水线上进行小型货物搬运，能较好地解决以往由人工重复搬运所导致的问题，提高了生产效率和产品质量，避免人身事故，满足了自动化生产的要求。
　　然而，通过调查发现目前市场上已有货物搬运机械臂控制系统，普遍存在以下几个问题：大多采用可编程控制器PLC进行控制，控制系统体积大、成本高；系统多采用开环控制方式，控制精度低，定位不够准确；机械臂运动控制多采用机械传动方式，导致系统响应速度慢，并存在机械滞后现象。
　　针对以上问题，本文提出了一种基于单片机的小型货运机械臂控制系统设计方案；采用位置检测电路、距离检测电路获取转台位置和货物与机械臂之间的距离，经单片机处理后，控制舵机驱动大臂、小臂旋转，以及控制夹爪夹取货物完成搬运。同时，本文重点介绍了系统的硬件电路设计方法和试验结果。
　　二、系统结构
　　单片机的小型货运机械臂控制系统主要由STC89C52单片机、电源电路、物体位置检测电路、距离检测电路、舵机驱动电路、液晶显示电路、角度检测电路和时钟复位电路等几部分组成。
　　系统工作时，控制转台转向取货位置，当物体位置检测电路检测到对中指示带时，控制转台停止旋转；使用距离检测传感器检测货物与机械臂之间的距离并送入微处理器；微处理器根据该距离计算出夹取货物时大臂、小臂应旋转的角度，并通过舵机驱动电路控制大臂、小臂旋转，当转至目标位置时控制夹爪夹取货物；系统抬起大臂举起货物，并让转台反向旋转至卸货位置；控制大臂和夹爪将货物放置到指定位置。此外，系统通过角度传感器实时检测大臂、小臂的旋转角度并进行显示。
　  三、系统硬件设计方案
　　（一）物体位置检测电路
　　物体位置检测电路用于检测机械臂是否到达取货或卸货位置，进而控制系统是否开启距离检测电路工作。由于红外对管的工作性能稳定，所以本电路设计时采用两对红外对管来进行物体位置检测。红外对管是利用红外探测法检测物体位置的。
　　每对红外对管包括一个红外线发射管和一个红外接收管，红外对管的有效检测距离为0.2cm—5cm（可通过串联电位器调节），检测角度为35度，检测输出信号可由LM339进行处理。红外探测法是依据红外线在不同颜色物体表面具有不同反射性质的特点，由红外发射管向外发射红外光，当红外光遇到白色面时发生漫发射，反射光可被接收管接收；若遇到黑色面时红外光被吸收，接收管接收不到信号。
　　物体位置检测电路在设计时，将两对红外对管安装在机械臂转台上并能随转台旋转，同时在取货或卸货位置地面上设置黑色标志带。当系统开机后红外对管通电，红外发射管开始发射红外光，在转台未旋转至对准中线前，接收管一直可接收到反射光，使红外接收管OUT1、OUT2端为低电平，通过电压比较器LM339后给单片机P2.0、P2.1引脚输出低电平；反之，当转台旋转至对中线，使红外接收管OUT1、OUT2端为高电平，则单片机P2.0、P2.1引脚为高电平，系统控制转台停止旋转。
　　（二）角度检测电路
　　角度检测电路主要用于检测机械臂大臂、小臂取货（或卸货）时的旋转角度，便于工作人员及时了解机械臂各部分的运动状态。
　　SCA60C是一款单轴角度传感器，它是基于芬兰VTI公司SCA60C-N1000060芯片而设计的。该传感器的测量范围为±180度，为模拟0.5V—4.5V比例电压输出，具有抗冲击能力强、能耗低、工作温度范围宽等优点；本设计选用SCA60C角度传感器来检测机械臂大臂、小臂的旋转角度。SCA60C传感器的输出为模拟电压信号，因此本设计采用8位A/D转换芯片ADC0804对输出电压进行转换。
　　ADC0804的IN+端直接与SCA60C的输出端Vout相连，用于被测角度模拟电压的输入；ADC0804的CS端接地，使其一直处于被选中状态；ADC0804的DB0-DB7输出端与单片机的P0口相连；单片机的P3.6、P3.7引脚分别与 ADC0804的WR、RD端相连，用于控制A/D转换开始及转换后数字电压的读取。
　　（三）距离检测电路
　　距离检测电路主要用于检测货物与机械臂之间的距离。若检测距离在设定范围内，则根据检测距离计算出机械臂大臂、小臂的旋转角度，控制机械臂抓取货物；反之，认为无货物需要搬运，重新检测货物与机械臂之间的距离，直到检测到货物为止。
　　由于HC-SR04超声波传感器具有2cm—400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达3mm，满足本系统测距精度要求，所以选用该传感器来检测货物与机械臂之间的距离。该传感器模块共四个引脚：引脚1为VCC接电源、引脚2为TRIG（控制端）、引脚3为ECHO（接收端）、引脚4为GND接地。
　　四、结语
　　本文主要研究了一种基于单片机的小型货运机械臂控制系统的设计与实现，文中重点介绍了系统的硬件电路设计方法。该系统可在电子产品制造、机械加工、医药生产等领域的流水线上进行小型货物搬运；系统采用位置检测、距离检测电路获取转台位置和货物与机械臂之间的距离，经单片机处理后，控制舵机驱动大臂、小臂旋转，控制夹爪夹取货物完成搬运。实验测试表明，该系统各检测电路、执行电路工作正常，各功能子程序设计正确，系统能够准确地检测出物体与机械臂之间的距离，并能有效地驱动舵机控制转台转动和大臂、小臂旋转，实现了货物的搬运功能，达到了预期设计要求。
　　本文系2024年陕西省大学生创新训练计划项目“小型货运机械臂控制系统设计”研究成果（项目编号：S2024131230050）