基于C8051F020的假肢控制系统设计

摘  要： 以C8051F020单片机为核心处理器，设计了仿人手臂形假肢的控制系统。系统采用单片机自身集成的PCA模块产生占空比可调的PWM信号用于驱动三个直流电机,采用定时器产生频率信号用于驱动三个步进电机,采用CPLD对各个关节控制量的检测并实时地反馈给控制器实现实时控制。在此基础上设计出了按键控制和语音控制两种控制方式。该系统不但结构简单、操作方便，而且可靠性高。
关键词： C8051F020；PCA；CPLD；语音识别
       假肢是人体缺损肢体的替代物,用以弥补缺损肢体的形状和功能。本文针对失去整个手臂的情况，设计出一种仿人手臂形假肢的控制系统。使用者可以补偿部分缺失的功能,达到生活自理甚至于可以从事基本劳动,减少身心痛苦,同时也相应地解放了护理工作用。在设计中，采用C8051F020[1]单片机作为主控制器，并通过CPLD(Complex Programmable Logic Device)完成对各个关节控制量的检测以及凌阳61单片机实现语音控制功能。
1 机器人假肢结构
　多自由度机器人型假肢（上肢）拥有6个自由度，其结构原理图如图1所示。
   
   2 假肢控制系统的硬件设计
2.1 控制器的工作原理
　控制系统原理框图如图2所示，主要由控制、驱动、被控对象和检测反馈四个部分构成。控制部分主要由C8051f020完成；驱动部分由6个电机驱动器构成；被控对象即是六自由的假肢；检测反馈部分主要由CPLD检测目标位置各个关节的控制量。系统主要采用按键控制和语音控制两种控制方式。
   
   2.1.1 按键控制
　　系统采用了12个独立式按键对6个电机正反方向转动的控制，电机的转动驱动着各个关节进行运动。各个按键对应控制关节运动情况如表1所示。
   
   
2.1.2 语音控制
　语音识别模块由SPCE061A单片机完成。首先，对各个命令进行训练，并将训练结果保存下来。在系统运行过程中，当SPCE061A单片机识别出某条命令时，它会通过串口给C8051F020发送指令,当C8510F020接收到相应的指令时，控制相应的关节做相应的运动[2]。例如：当SPCE061A识别出“手指张开”命令时，将会通过串口发送如“0x10”的十六进制的数，当C8051F020通过串口接收到“0x10”后，就会控制手指做张开运动。其他关节控制亦如此。其语音命令的控制形式如图3所示。