下载文档原格式
工业机械智能化升级改造解决方案第一章总体方案设计 (2)1.1 项目背景与目标 (3)1.2 总体框架规划 (3)1.3 技术路线选择 (3)第二章工业机械智能化现状分析 (4)2.1 工业机械智能化发展历程 (4)2.2 当前市场应用情况 (4)2.3 存在的主要问题与挑战 (5)第三章智能传感器应用与集成 (5)3.1 传感器类型与选择 (5)3.1.1 传感器类型概述 (5)3.1.2 传感器选择原则 (6)3.2 传感器集成与布局 (6)3.2.1 传感器集成方式 (6)3.2.2 传感器布局策略 (6)3.3 数据采集与处理 (6)3.3.1 数据采集 (6)3.3.2 数据处理 (7)第四章控制系统优化与升级 (7)4.1 控制系统硬件升级 (7)4.2 控制系统软件优化 (7)4.3 控制策略研究与实施 (8)第五章机器视觉系统应用 (8)5.1 视觉系统硬件配置 (8)5.2 视觉算法与软件平台 (9)5.3 视觉系统在实际应用中的优化 (9)第六章工业大数据分析与应用 (9)6.1 数据采集与存储 (9)6.1.1 数据采集 (10)6.1.2 数据存储 (10)6.2 数据处理与分析 (10)6.2.1 数据预处理 (10)6.2.2 数据分析 (10)6.3 大数据在工业机械中的应用 (11)6.3.1 设备维护与预测性维修 (11)6.3.2 生产优化与调度 (11)6.3.3 产品质量监控与改进 (11)6.3.4 能源管理 (11)6.3.5 安全生产 (11)第七章智能运维与故障诊断 (11)7.1 运维监控体系建立 (12)7.2 故障诊断算法研究 (12)7.3 智能运维实施策略 (12)第八章人工智能与机器学习应用 (13)8.1 机器学习算法介绍 (13)8.2 人工智能在工业机械中的应用 (13)8.3 人工智能与机器学习在实际项目中的应用 (14)第九章安全生产与环境保护 (14)9.1 安全生产措施 (14)9.1.1 安全风险评估 (14)9.1.2 设计与制造安全 (14)9.1.3 安全防护设施 (14)9.1.4 安全培训与教育 (14)9.2 环境保护措施 (15)9.2.1 污染防治 (15)9.2.2 节能减排 (15)9.2.3 环保设施 (15)9.2.4 环保管理 (15)9.3 安全生产与环境保护监管体系 (15)9.3.1 组织机构 (15)9.3.2 制度建设 (15)9.3.3 监管手段 (15)9.3.4 奖惩机制 (15)第十章项目实施与评估 (15)10.1 项目实施步骤 (16)10.1.1 项目启动 (16)10.1.2 需求分析与设计 (16)10.1.3 设备选型与采购 (16)10.1.4 设备安装与调试 (16)10.1.5 系统集成与优化 (16)10.1.6 培训与交付 (16)10.2 项目评估标准 (16)10.2.1 技术指标 (16)10.2.2 经济效益 (16)10.2.3 环境与安全 (16)10.2.4 用户满意度 (16)10.3 项目后期运维与优化 (17)10.3.1 运维管理 (17)10.3.2 数据分析与优化 (17)10.3.3 技术支持与升级 (17)10.3.4 用户反馈与改进 (17)第一章总体方案设计1.1 项目背景与目标科技的飞速发展，工业机械智能化已经成为推动制造业转型升级的关键因素。
制造业工业系统集成方案第一章绪论 (2)1.1 项目背景 (2)1.2 项目目标 (3)1.3 项目意义 (3)第二章系统集成概述 (3)2.1 系统集成概念 (3)2.2 系统集成流程 (3)2.2.1 需求分析 (3)2.2.2 方案设计 (4)2.2.3 设备选型与采购 (4)2.2.4 设备安装与调试 (4)2.2.5 系统集成与优化 (4)2.2.6 系统验收与交付 (4)2.3 系统集成关键因素 (4)2.3.1 技术水平 (4)2.3.2 经验丰富 (4)2.3.3 资源整合能力 (4)2.3.4 项目管理能力 (4)2.3.5 用户体验 (5)第三章选型与配置 (5)3.1 类型选择 (5)3.2 功能参数配置 (5)3.3 安全防护 (6)第四章生产线布局与优化 (6)4.1 生产线布局原则 (6)4.2 生产线优化策略 (6)4.3 生产线平衡与调整 (7)第五章控制系统设计 (7)5.1 控制系统架构 (7)5.2 控制系统硬件设计 (8)5.3 控制系统软件设计 (8)第六章传感器与执行器集成 (9)6.1 传感器选型与安装 (9)6.1.1 传感器选型 (9)6.1.2 传感器安装 (9)6.2 执行器选型与安装 (9)6.2.1 执行器选型 (10)6.2.2 执行器安装 (10)6.3 传感器与执行器协同控制 (10)第七章通信网络搭建与优化 (10)7.1 通信网络设计 (10)7.1.1 网络架构设计 (10)7.1.2 网络协议选择 (11)7.1.3 网络拓扑设计 (11)7.2 网络设备选型 (11)7.2.1 网络交换机选型 (11)7.2.2 网络通信模块选型 (12)7.2.3 无线通信设备选型 (12)7.3 网络功能优化 (12)7.3.1 数据传输优化 (12)7.3.2 网络延迟优化 (12)7.3.3 网络安全性优化 (12)第八章安全防护与故障诊断 (13)8.1 安全防护措施 (13)8.1.1 物理安全防护 (13)8.1.2 电气安全防护 (13)8.1.3 软件安全防护 (13)8.2 故障诊断方法 (13)8.2.1 信号监测法 (13)8.2.2 故障树分析 (14)8.2.3 人工智能方法 (14)8.3 故障预警与处理 (14)8.3.1 故障预警 (14)8.3.2 故障处理 (14)第九章系统集成测试与验收 (15)9.1 测试方案制定 (15)9.2 测试过程执行 (15)9.3 验收标准与流程 (15)第十章项目管理与售后服务 (16)10.1 项目管理方法 (16)10.2 项目进度控制 (16)10.3 售后服务与维护 (17)第一章绪论1.1 项目背景科技的飞速发展，制造业正面临着智能化、自动化转型的压力与挑战。
《基于软PLC的PID控制系统的设计与实现》一、引言随着工业自动化程度的不断提高，PID（比例-积分-微分）控制系统在工业生产过程中扮演着越来越重要的角色。
而软PLC （软件可编程逻辑控制器）作为一种新型的控制器，具有灵活、易用、可编程等优点，广泛应用于各种工业控制系统中。
本文将介绍基于软PLC的PID控制系统的设计与实现，旨在提高工业控制系统的性能和可靠性。
二、系统设计1. 需求分析在系统设计阶段，首先需要对系统需求进行全面的分析。
主要包括系统的控制对象、控制目标、系统性能指标等。
基于软PLC的PID控制系统主要用于对工业生产过程中的各种参数进行精确控制，以达到提高产品质量、降低能耗等目的。
2. 系统架构设计系统架构设计是系统设计的关键环节。
基于软PLC的PID控制系统采用分层结构设计，包括人机交互层、控制层和执行层。
人机交互层负责与操作人员进行交互，控制层负责实现PID控制算法，执行层负责与被控对象进行交互。
3. PID控制算法设计PID控制算法是系统的核心部分。
通过调整比例、积分和微分三个参数，使系统达到最佳的控制效果。
在算法设计过程中，需要考虑系统的稳定性、快速性、准确性等指标。
同时，为了适应不同控制对象的需求，系统支持多种PID控制算法的选择和切换。
三、系统实现1. 软PLC平台选择与搭建选择合适的软PLC平台是实现系统的基础。
根据系统需求和性能要求，选择具有良好可编程性、稳定性和扩展性的软PLC平台。
在搭建过程中，需要配置适当的硬件设备，如I/O模块、通信模块等，以保证系统的正常运行。
2. PID控制算法编程实现在软PLC平台上，使用编程语言（如梯形图、指令表等）实现PID控制算法。
在编程过程中，需要注意算法的逻辑性、可读性和可维护性。
同时，为了方便调试和优化，系统支持在线编程和离线仿真功能。
3. 系统调试与优化在系统实现后，需要进行系统调试和优化。
通过调整PID参数、检查程序逻辑等方式，确保系统达到预期的控制效果。
控制系统的模块化设计与应用研究随着现代科技的发展，控制系统在工业自动化制造中扮演着越来越重要的角色。
为了提高控制系统的可靠性、稳定性和可维护性，控制系统的模块化设计成为了不可或缺的一环。
本文将从控制系统模块化设计的原理、应用案例以及未来发展趋势三个方面进行探讨。
一、控制系统模块化设计的原理在传统控制系统中，所有的控制功能都会被集成在一台设备或者一个程序中，这种设计方式遇到了很多问题。
例如，在系统故障的情况下，我们很难准确定位问题所在，也很难快速排除故障。
此外，传统控制系统的扩展性也很差，无法根据实际需要快速修改或者增加新的功能模块。
为了解决这些问题，控制系统的模块化设计开始被广泛应用。
模块化设计的主要原理在于，将不同的控制功能分离成独立的模块，通过模块之间的通信实现控制功能。
每个模块都有相应的接口，可以方便地进行组合和拆卸。
控制系统中的每个模块都可以独立运行，相互之间没有依赖关系，因此可以有效提高整个控制系统的可靠性和稳定性。
二、控制系统模块化设计的应用案例控制系统模块化设计在工业自动化领域得到广泛的应用。
以汽车制造行业为例，传统的生产线需要大量的人力资源来完成车身焊接、涂装、组装等工艺过程。
这些生产线通常由数百台设备和大量的传感器、执行器等元件组成。
其中涂装机器人、输送设备、激光焊接机器人等等都可以看作是控制系统的模块。
通过模块化设计，我们可以将所有的控制功能分离成独立的模块，实现一个模块的独立升级和维护。
这不仅可以提高生产效率，而且可以有效降低维护成本。
除了工业自动化制造领域，控制系统的模块化设计也成功地应用在了智能家居、医疗设备、机器人等领域。
例如，智能家居系统中的智能灯具、温控器、智能插座等都是控制系统的模块，通过模块化设计实现了相互独立和协作工作。
三、控制系统模块化设计的未来发展趋势随着物联网技术的不断发展，未来的控制系统将更加智能化和集成化。
控制系统模块化设计将更加注重模块之间的互联互通，从单一的控制模块逐渐演变为多模块、跨领域控制系统。
分布式控制系统的设计与实现分享分布式控制系统的设计原则方法和实践分布式控制系统是一种将控制功能分散到多个节点上，并通过网络相互协作完成控制任务的系统。
它具有高可靠性、高可扩展性和高性能等优点，广泛应用于工业自动化、交通管理、电力系统等领域。
本文将分享分布式控制系统的设计原则、方法和实践。
1.设计原则（1）模块化：将系统划分为多个功能模块，每个模块独立且具有清晰的接口。
这样可以降低系统的复杂性，方便模块替换和维护。
（2）分布式：将控制功能分散到多个节点上，使得系统能够同时处理多个任务，提高系统的并发性和处理能力。
（3）容错性：通过采用冗余设计、容错算法等手段，提高系统的可靠性和容错能力，确保在一些节点或通信链路故障时依然能够正常运行。
（4）实时性：分布式控制系统通常要求对输入输出数据进行实时处理和传输，因此需要设计合理的实时通信机制和算法，保证及时响应和高效传输。
2.设计方法（1）系统拓扑结构设计：分布式控制系统的拓扑结构包括中心控制、客户端-服务器和对等网络等形式。
根据实际需求选择合适的拓扑结构，确保系统能够满足通信和控制要求。
（2）通信协议设计：采用合适的通信协议进行节点之间的数据传输，如TCP/IP、CAN等。
通信协议的选择需考虑数据传输速度、带宽、实时性和安全性等方面。
（3）任务分配算法设计：根据系统的控制需求和节点的计算能力，设计合理的任务分配算法，确保各个节点之间的任务分配均衡，提高系统的性能和效率。
（4）容错设计：采用冗余设计，如备份控制器、多路径通信等手段，提高系统的容错能力，确保在一些节点或链路故障时仍能够正常工作。
3.实践经验（1）合理规划系统资源：合理分配系统的计算资源、存储资源和通信带宽，确保系统能够满足实时性和性能要求。
（2）合适的时钟同步：分布式系统中节点的时钟需要保持同步，以确保节点之间的时序一致性。
可采用NTP等时钟同步协议进行同步。
（3）故障检测与恢复：分布式控制系统中，对故障的检测和恢复至关重要。
控制系统中的模块化控制设计模块化控制设计在控制系统中的应用在现代工业自动化控制领域中，控制系统的设计和实施是至关重要的。
而其中的一个重要方面就是模块化控制设计。
模块化控制设计利用模块化概念将整个系统划分为多个相互独立、可重复使用的模块，从而实现系统的可靠性、灵活性和可维护性。
本文将探讨控制系统中模块化控制设计的重要性以及其在工业自动化领域中的应用。
一、模块化控制设计的重要性在传统的控制系统设计中，通常将整个系统视为一个整体来设计，各个功能模块之间存在着紧密的耦合关系。
这种设计方式存在着以下问题：1. 可维护性差：当系统需要进行维护和升级时，由于模块之间的紧密耦合关系，任何一个功能的改动都可能导致整个系统的不稳定。
2. 可靠性低：由于模块之间的耦合关系，当一个模块发生故障时，可能会影响到其他模块的正常运行，导致整个系统的故障。
3. 灵活性差：在传统设计中，一个功能的改动可能会牵扯到整个系统的重新设计和调试，因此很难实现功能模块的灵活组合和扩展。
而模块化控制设计通过将系统划分为多个相互独立、可重复使用的模块，解决了上述问题。
模块化控制设计的重要性主要体现在以下几个方面：1. 可维护性提高：由于模块之间的解耦，每个模块可以独立进行维护和升级，大大降低了维护和升级的难度。
2. 可靠性增强：模块化控制设计中的每个模块都是独立的，一个模块的故障不会影响到其他模块的正常运行，从而提高了整个系统的可靠性。
3. 灵活性提升：模块化设计使得功能模块可以独立组合和扩展，系统可以根据需求进行灵活的组织和配置。
二、模块化控制设计在工业自动化中的应用模块化控制设计在工业自动化领域中得到了广泛的应用，以下是几个具体的应用示例：1. 工业生产线控制系统：将整个生产线划分为多个模块，如物料输送模块、加工模块、质检模块等，每个模块都有独立的控制器。
这样可以实现生产线的灵活组织和扩展，同时也提高了系统的可靠性和稳定性。
2. 交通信号灯控制系统：将交通信号灯分为多个独立的控制模块，如红灯控制模块、绿灯控制模块、黄灯控制模块等。
《工业自动化控制系统的HMI组件设计与实现》一、引言在当今工业领域中，工业自动化控制系统已变得尤为重要。
作为工业控制的核心，HMI（人机界面）组件负责人与机器之间的信息交互，因此其设计与实现具有极其重要的价值。
本文将深入探讨工业自动化控制系统中HMI组件的设计与实现过程。
二、HMI组件的设计1. 设计目标与原则设计HMI组件时，首先应明确设计目标，如提供友好的交互界面、快速的信息反馈等。
设计原则包括简洁性、直观性、易用性等，以保障操作人员能够快速掌握并高效使用。
2. 界面布局设计界面布局应遵循人体工程学原理，合理分配各元素的位置与大小。
重要信息应放在显著位置，以便于操作人员快速识别。
此外，色彩搭配和图形元素的使用也需符合行业标准，以提升界面的整体美观性。
3. 功能模块设计根据工业自动化控制系统的需求，HMI组件应包括以下功能模块：数据展示、参数设置、报警提示、日志记录等。
每个模块应具备相应的操作界面和交互方式，以满足用户需求。
三、HMI组件的实现1. 技术选型为实现HMI组件，需选择合适的开发工具和技术。
常用的开发语言包括C++、C等，同时需使用到图形库、网络通信库等。
此外，还应考虑系统的实时性要求，选择合适的操作系统和硬件平台。
2. 界面开发根据设计阶段确定的布局和功能模块，进行界面开发。
使用选定的开发工具和技术，实现各模块的界面和交互功能。
在开发过程中，需注意保证界面的稳定性和可靠性。
3. 程序编写与调试根据功能需求，编写相应的程序代码。
在编写过程中，需遵循编程规范和标准，保证代码的可读性和可维护性。
完成代码编写后，进行调试和测试，确保HMI组件的功能正常且性能稳定。
四、测试与优化1. 测试阶段对HMI组件进行严格的测试，包括功能测试、性能测试、稳定性测试等。
测试过程中，需关注界面显示、交互响应、数据处理等方面的问题，确保HMI组件满足设计要求。
2. 问题分析与优化在测试阶段发现的问题，需进行详细的分析和定位。
第四章控制系统硬件模块化设计研究与实现控制系统硬件模块化设计是指将控制系统的硬件设备进行模块化划分，使得系统的各个组成模块能够独立运行、互相协作，并且能够灵活地进行组合与替换。
这种设计方式可以提高系统的可靠性、可扩展性和可维护性，促进系统的快速开发和升级。
本文将以控制系统硬件模块化设计的研究与实现为主题，介绍该设计方法的背景、原理、方法和实施步骤等内容。
背景介绍：传统的控制系统硬件设计通常采用集成设计方式，即将所有硬件设备集成在一个板上，导致系统的扩展和升级困难，且整个系统的可靠性受到限制。
随着技术的不断进步和市场的不断竞争，控制系统要求具备高度的可扩展性和可调整性，以适应快速变化的市场需求。
原理和方法：控制系统硬件模块化设计基于模块化原理和方法，通过将硬件系统划分为多个模块，并在模块间定义标准的接口和通信协议，实现模块的独立开发、测试和运行。
模块化设计的核心思想是将系统分解为一个个独立的模块，通过定义模块之间的接口和协议，实现模块之间的互联和协作。
具体的硬件模块可以是处理器模块、输入输出模块、存储模块等，每个模块都有特定的功能和接口。
通过模块化设计，不同的模块可以进行独立开发和测试，并且可以根据需要进行组合和替换，实现系统的灵活性和可扩展性。
实施步骤：1.定义系统需求和功能首先，需要明确系统的需求和功能，根据系统的要求划分硬件模块。
根据系统的需要，可以分为输入模块、输出模块、控制模块、通信模块等不同的模块。
2.分解系统为模块根据系统需求和功能，将整个系统分解为若干个模块，每个模块都有一个明确的功能和接口定义。
每个模块的接口包括输入和输出接口，用于模块之间的通信和数据交换。
3.设计模块间的接口和通信协议根据不同模块的功能和数据交换需求，设计模块间的接口和通信协议。
接口定义包括接口类型、接口参数和接口数据格式等。
通信协议定义包括通信方式、数据传输格式和错误处理机制等。
4.独立开发和测试模块根据模块的定义和接口规范，进行模块的独立开发和测试。
基于PLC的工业控制系统的设计与实现一、本文概述在当前工业化生产日益智能化、自动化的背景下，设计与实现一套基于可编程逻辑控制器（PLC）的工业控制系统具有重要的实践意义和理论价值。
本文旨在全面探讨基于PLC的工业控制系统的设计原理、关键技术及其实际应用过程。
研究工作首先从梳理PLC的基本原理和功能特性入手，深入剖析其在控制领域中的核心地位，以及如何适应不同工业环境下的复杂控制需求。
本文系统地阐述了工业控制系统的设计思路，涵盖了系统架构设计、硬件选型配置、软件编程策略以及网络通信技术等方面。
在设计阶段，我们将详细介绍如何结合生产工艺流程，利用PLC的模块化和灵活性优势构建可靠且高效的控制方案。
在实现环节，将进一步探讨如何通过梯形图、结构文本等编程语言实现控制逻辑，并采用先进的故障诊断与安全防护措施确保系统的稳定运行。
全文将以具体的实际案例为依托，展示基于PLC的工业控制系统从设计规划到实施调试的全过程，旨在为相关领域的工程技术人员提供一套完整的、具有指导意义的设计方法和实践经验。
同时，通过对现有技术的总结和展望，本文还将对PLC在工业0及智能制造背景下的发展趋势和挑战进行探讨，以期推动我国工业自动化水平的不断提二、技术概述在进入基于PLC的工业控制系统的设计与实现之前，首先需要了解一些关键技术。
PLC，即可编程逻辑控制器，是一种广泛应用于工业控制系统中的数字化运算控制器。
它采用一类可编程的存储器，用于存储指令，执行逻辑运算，顺序控制，定时、计数和算术操作等面向用户的指令。
本节将重点概述PLC技术、工业控制系统设计的基本原则以及实现这些系统时常用的技术。
可靠性高：PLC采用了一系列的硬件和软件抗干扰措施，能在恶劣环境下稳定运行。
灵活性强：通过改变编程，PLC能适应不同的控制要求，具有良好的灵活性和扩展性。
需求导向：系统设计应以实际工业需求为出发点，确保系统功能满足生产需求。
经济高效：在满足功能需求的前提下，尽可能降低成本，提高系统效率。
第四章控制系统硬件模块化设计研究与实现4.1微处理器的选择由于机械手控制系统中没有大量的信号需要处理，同时又要满足控制要求，决定采用美国Silicon Labs公司的C8051F型单片机，具体型号为C8051F020。
从嵌入式计算机系统的角度来看，单片机的技术发展经历了SCM(Single Chip Microcomputer，单片微型计算机)，MCU(Microcontroller Unit，微控制器)以及SoC(System on Chip，片上系统)三个阶段。
该单片机C8051F020为高度集成的混合信号SoC系统级芯片，具有与8051单片机兼容的高速、流水线CIP-51微处理器核，与MCS-51指令集完全兼容。
64K字节可在线编程的FLASH存储器，可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口等资源。
除了具有标准8051的数字外设部件外，片还集成了数据采集和控制系统中的常用的模拟部件及其他一些数字外设部件[15]。
C8051F020单片机部的结构如图4.1所示。
图4.1 C8051F020单片机部结构框图Fig.4.1 C8051F020 SCM internal structure diagram C8051F020的封装为100脚TQ型式。
其中电源10根，分为数字电源和模拟电源。
JIAG接口引脚为6根。
C8051F020单片机是混合信号型的单片机所以引脚分为数字子系统引脚(64根)和模拟子系统(18根)。
I/O端口有复用方式和非复用方式两种方式。
C8051F020单片机引脚如图4.2所示。
图4.2 C8051F020引脚结构图Fig.4.2 The C8051F020 pin structure picture在C8051F系列单片机中采用交叉开关网络以硬件方式实现I/O端口的灵活配置。
在这种通过交叉开关配置的I/O端口的系统中，单片机外部为通用I/O 口，有输入/输出的电路单元通过相应的配置寄存器控制的交叉开关配置到所选择的端口上。
对C8051F020引脚功能的熟悉是设计外围硬件电路和绘制电路原理图的基础。
只有深刻的理解这100个引脚每个引脚的功能，复用方式，才能合理分配使用每个引脚，在与外围硬件电路的设计中达到C8051F020效能的最大化。
4.2模块化控制系统硬件总体设计方法4.2.1单片机外围硬件电路设计基本原则C8051F020 SoC型单片机具有集成度高，功能强大的特点。
过去设计单片机系统往往采取的是搭积木式扩展的方式。
根据需要将外设(如A/D，D/A，RAM等)进行片外扩展，体积规模较大，与之相配合的供电，时钟信号，抗干扰一系列问题也要考虑，系统的复杂程度越大故障点就越多。
而片上系统具有高度集成性，我们要做的只是根据自己的设计要求进行设置。
因此，应用SoC系统可靠性会提高不少[16]。
尽管如此，SoC设计与应用仍然有一些共性的问题和设计原则需要处理，处理妥当才可以把它的特点和性能较好的发挥出来。
(1)尽可能选择典型电路，并符合51单片机常规设计规。
典型电路为硬件系统的标准化，模块化打下良好基础，典型电路易查找资料，改正问题[17]。
(2)系统设计应充分满足控制系统的功能要求，并一定要有预留模块，以便扩展系统功能。
(3)硬件设计出的实物最后是PCB板，所以系统设计时要规划好PCB的设计。
SoC工作频率较高，对电源的要求也较高，因此所设计的电路板至少是2层。
除从PCB考虑外，还要从供电电源考虑，无论单片机片是否有稳压器，最好都要接稳压器再连接单片机，并在电源入口处加容量为4.7uF与0.1uF的电容。
(4)要充分利用C8051F020的可编程I/O口的分配功能，若在设计PCB时发现问题可再调整电路原理图，做到I/O口最佳的分配方案。
(5)C8051F020的电压较低，连接其他系统或本系统的高压外设时要经过光耦隔离。
这种做法可以有效的切断干扰，保证电路不被烧坏。
4.2.2模块化硬件系统总体架构与设计硬件设计上以功能特征作为划分模块的依据，分为基本功能模块、预留功能模块和辅助功能模块。
选择触摸屏作为软硬件交互的平台。
硬件上C8051F020单片机作为主控芯片，基本功能模块部分分为串口电路模块、JTAG接口模块、步进电机驱动两关节模块，输出端子口J1模块。
预留功能模块部分设计了12位电路转换模块、输入端子口模块、输出端子口模块、驱动三关节模块等。
其中12位模数转换电路模块的设计是考虑到采集到的视频信号的输入与转换。
输入端子口模块电路的预留是方便用开关按键对机械手的控制。
输出端子口的设计是考虑到若手动按键时LCD可以显示机械手运动过程中的相关参数等。
步进电机驱动三关节这是模块化机械本体已设定的要求。
辅助功能模块部分有电源电路模块和晶振复位电路模块。
具体见图4.3。
图4.3硬件模块化总体设计框图Fig.4.3 The hardware modular overall design diagram4.3基于触摸屏的人机交互平台功能架构本控制系统中触摸屏作为整个控制系统人机交互的核心，同时也是软硬件交互的核心。
通过触摸屏发送命令给单片机调用单片机部的功能模块，完成相应动作，达到控制要求。
所以触摸屏是整个控制系统的关键。
触摸屏购买并使用迪文科技的以工业应用为主的T系列8寸800*600(分辨率)触摸屏，具体型号为DMG80600T080_01W。
触摸屏两根串口线与单片机相连，一根电源线。
触摸屏功能架构的确定是根据模块化机械手本体来设定，通过设计触摸屏的界面和命令按钮来达到。
界面设计包括参数的设定，关节模式的选择，工作方式选择等界面。
其中关节模式有两关节模式和三关节模式，参数的设定是大小臂长度的设定，装配点，抓取点位置的设定，工作方式有手动和自动等。
在设计触摸屏的同时是与硬件模块化相互参照，协同设计，从而达到触摸屏的界面和命令按钮与硬件模块相互吻合，实现预想的控制功能。
4.4基本功能模块设计4.4.1串口模块设计C8051F020单片机中有2个增强型串行口：UART0和UART1。
所谓“增强型”是指，这2个串行口都具有帧错误检测和通信地址硬件识别功能。
串口通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本。
本控制系统中迪文触摸屏采用的是串口通信，所以单片机串口UART0作为与触摸屏通信的接口，UART1作为预留模块的串口接口为以后可能的数据传输预留。
UART0串口通信采用MAX232电平转换芯片。
它是专门为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V单电源供电，集成度高，在设计电路时片外最低只需4个1uF的电容即可工作[18]。
设计原理图如图4.4所示。
图4.4 串口电路图Fig.4.4 The serial interface circuit diagram4.4.2JTAG接口模块设计JTAG (Joint Test Action Group,联合测试行动小组)，是一种国际标准测试协议，它与IEEE1149.1兼容，主要用于芯片部测试，可以以单片或其它方式调试程序。
现在越来越多的器件支持JTAG协议，如DSP，FPGA等。
支持JTAG 协议的80C51兼容类单片机并不多，当前市场上主要就是C8051F系列。
JTAG编程方式是在线编程，简化流程为先固定器件到电路板上，再用JTAG编程，从而可以大大加快工程进度。
标准的JTAG接口是4根信号线：TMS，TCK，TDI，TDO，分别为模式选择，时钟，数据输入和数据输出线。
可选引脚TRST用于测试复位，为输入引脚，低电平有效。
C8051F020本身就带有JTAG接口，其端口引脚1到引脚4与JTAG连接端子相连。
JTAG适配器通过USB接口与上位机相连，同时通过10芯JTAG连接端子与目标电路板相连。
JTAG连接完成后，可以通过上位机来控制程序的运行，停止，单步和过程单步执行，可以设置硬件断点，可以查看和修改存储器和寄存器。
在调试完成后，能够将代码下载到Flash程序存储器中，从而完成一个完整的开发过程[19]。
如图4.5所示。
图4.5 JTAG与单片机的连线图Fig.4.5 The wiring diagram of JTAG to the single chip microcomputer4.4.3步进电机驱动模块设计装配机械手为平面关节型，大、小臂均为回转运动，重量较轻，转动惯量不大，一般电机都能带动。
步进电机系统多用于开环控制，结构简单，位置和速度易于控制，其相应速度快，输出力矩较大，能快速启动，反制和制动。
特别是步进电机没有积累误差，一般精度为实际步距角的百分之三到五，且不累积，驱动机械手运动时有较高的位置精度，对于本系统的控制较为理想，其它交流伺服电机等性价比不高。
经过分析比较目前省步进电机生产厂家的产品，现选择市泽明自动化设备两相混合式步进电机 39BYG系列：表2.1 两相混合式步进电机39BYG系列技术参数Tab.2.1 The series technical parameters of 39 BYG two phase hybrid stepping motor型号歩距角机身长电流电阻静力距定位距转动惯量引线重量39BYGB6410 1.8°26mm 0.6A 9欧姆1.4Kg.cm0.8N.cm 14g.cm^2 4根120g图4.6两相混合式步进电机39BYG系列尺寸Fig.4.6 The series size of two phase hybrid stepping motor of 39BYG 步进电机驱动电路设计中购买了96560A V3型CNC步进电机驱动器。
如图4.7所示。
图4.7 步进电机驱动器Fig.4.7 The stepping motor drive它采用TB6560AHQ型驱动芯片。
此芯片是东芝公司最新设计生产的单片正弦细分二相步进电机驱动专用芯片，与早期推出TB6560HQ芯片相比，其性能有较大的提高，输出电流最高可达 3.5A。
而采用该芯片的驱动板在电路上，结构上都使用了可靠性设计，在普通散热方式的情况下可稳定地工作在3A电流。
可以驱动3A以下的二，四相步进电机。
(1)在结构上TB6560AHQ芯片采用卧式安装，增强了散热效果和结构强度，所有接线，操作部位移至一侧，方便操作。
(2)接口情况见图4.8。
图中的四幅图分别代表了整体接口情况，电源输入及步进电机接口，控制信号输入接口(最后的一幅图中，其中白色的插头与绿色接线端口功能相同)。
图4.8 步进电机接口图Fig.4.8 The stepping motor interface diagram驱动器电源接入12~34直流电源，注意正负极。
电源可用交流变压器加整流滤波得到，整流前的交流电压不能高于25V，滤波电容用3300uF比较合适。
