假手电机控制与驱动电路设计与制作
本次设计是介绍基于MSP430F149的假手控制系统与驱动电路。随着科学技术的不断发展，手部残肢者也得到了帮助，越来越多的假手帮助他们更方便的生活。假手的制作是非常精密的，要考虑到残肢者的感受，方便他们日常生活。本次设计用的是MSP430单片机，这种单片机功耗超低，能够使用很长时间。处理能力强大、运算速度快，轻松完成所要的各种指令。集成度高、外部设备丰富，适用大部分的驱动电路，非常适合假手系统。控制系统芯片采用L298N，这款芯片连接简单，操作方便，很方便控制电机正转反转，能够很灵活的通过MSP430控制电机的运动。关键词 假手，MSP430，L298N目 录
1 引言1
1.1 历史1
1.2 假手的概括2
1.3 假手发展状况2
2 假手整体硬件图2
3 单片机3
3.1 单片机介绍3
3.2 型号选择4
3.3 MSP430F149功能 4
3.4 开发板7
4 驱动电路8
4.1 驱动芯片的选择8
4.2 L298N管脚8
4.3 电路图设计9
4.4 PWM调速11
4.5 直流电机的调速方法11
5 电机12
6 实物13
7 软件设计15
7.1 代码15
7.2 程序写入17
结论 18
致谢 19
参考文献 20
1 引言
手是人类最重要的器官之一，人类的一切活动都离不开它，一旦丧失，将会给人的日常生活带来极大的不便。肌电假手即是使用者根据自身残臂保留肌肉伸缩的强弱来控制的假手[1]。人如果没有手的话，在日常生活中会非常不便，手是非常重要的一个器官，他与外接接触来接受信息，为人类完成各种各样的操作。残肢者没有一只手对他们正常生活有很大的阻碍，所以研究假手对残疾人，对社会有着重大意义。当然，研究出来的假手必须要模拟出真手的功能，能够简化各种动作，帮助残疾人完成各种动作，要和正常人没有太大的差别。完美的假手是现在社会追求的最高境界，要做
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自身残臂保留肌肉伸缩的强弱来控制的假手[1]。人如果没有手的话，在日常生活中会非常不便，手是非常重要的一个器官，他与外接接触来接受信息，为人类完成各种各样的操作。残肢者没有一只手对他们正常生活有很大的阻碍，所以研究假手对残疾人，对社会有着重大意义。当然，研究出来的假手必须要模拟出真手的功能，能够简化各种动作，帮助残疾人完成各种动作，要和正常人没有太大的差别。完美的假手是现在社会追求的最高境界，要做到和真手一样，具有相同的外形与功能。能够取代真手在生活中进行各种操作，但目前的技术无法完成这个要求。尽管设计完美的假手存在着巨大的困难，但在不久的将来，我们一定能攻克这些难题，让残肢者的生活和常人无异，这是一个重要的阶段。
1.1 历史
1919年Borchard等最早发明了作为外力来驱动的机械假手[2]，可惜那时没有先进的单片机和持久的电池，因此这件产品没有用到残肢者的生活中。后来在1945年名叫Vaduz的假手申请了专利，这种假手是用残端肌肉运动来控制的。在1960年，俄罗斯学者发明了第一个临床应用的以表面肌电信号为控制源的假手控制系统[3]。从这以后促进了全世界假手的研究。残疾人的生活也得到了更多人的关注。
1960接下来的10年里，各种微型电子元器件的发明使假手越来越轻便。我国在假手上的研究开始与上个世纪60年代，1979年研究出3自由度假手。近年来,由于微电子技术、信号处理技术、控制技术等的不断发展,肌电几首的发明研究越来越出色。另外,有学者研究表明手部动作的强度与肌电信号的强度成正相关性,这为肌电信号对假手的控制提供了理论依据。因此,越来越多的学者认为肌电信号是目前对假手进行控制的最有前途的信息源[4]。至今假手的研究事业已经越来越有起色，已经有很多残肢者佩戴了肌电假手。在将来，假手的机电控制技术会更加成熟，肌电假手会普及到所有的手部残肢者之中。
1.2 假手的概括
肌电假手是利用人体的肌电信号进行控制的电动上肢假肢,通过采集假手佩戴者手臂的肌电信号( EMG) ，配合适当的动作模式识别器和握力控制器实现了对假手的控制，这种控制方式因符合人体的操作习惯，动作自然而受到关注［5]。现在国内已经在使用的肌电假手有单自由度、二自由度的肌电假肢。单自由度的假手因为要求有简单的统计信号处理才能得到控制信号，所以识别的正确率高，因此得到广泛应用[6]。肌电假手的原理是通过脑部上神经传递信息，然后肌肉运动来发出肌电信号，接着将肌电信号放大，放大信号传输到微型电机从而控制它，带动系统后驱动假手装置。因为肌电假手的运动方式是通过脑部神经发出信号来控制的，所以它不仅拥有传统电动假手的优点，还具有操作简单、便于上手、精密度高等特点。肌电假手是新时代的伟大产品，虽然目前还未普及，但将来单片机越来越普及后成本会逐步变低，会让所有残肢者能够拥有假手。
1.3 假手发展状况
现在国内外有很多公司制造假手，各个医院也都有假肢安装的项目。但是现在国内的假手事业还在起步阶段，高端灵活的假手都在外国产生。在国际上，制造假肢比较出名的公司有德林、新科、英中耐等，这些都是制造假手的老牌企业，制造出的假手质量也是很好。国内的公司大多是代做假手，通过国外公司的图纸代工，我国还需要不断努力，做出更好的肌电假手。
2 假手整体硬件图
图2.1 假手装置框图
本次设计的硬件设计如图2.1，这是假手装置的框图。主要采用的是按钮控制单片机，单片机根据按钮开关发出信号给驱动电路，驱动电路根据收到的信号来使电机转动，电机转动就能使假手动起来了。
本文是设计一个以MSP430单片机为主控制芯片的假手，单片机输出口来控制驱动电路，使电机正反转控制假手张开闭合的动作。MSP单片机称之为混合信号处理器，是将多个不同的模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上[7]。驱动芯片用L298N芯片，它是属于H桥电路，使用起来很稳定，还能同时驱动2个电机。一组驱动电路控制两个电机，使用多组电机驱动来使假手装置运动。假手则需要专业的制作，内部安装电机、齿轮等零件，需要非常精密的设计。
3 单片机
3.1 单片机介绍
我采用的是德州公司的含16位总线的单片机MSP430，内置2个16位定时器，一个14路输入的12位A/D转换器，采样速率高达200ksps，1.8至3.6V低电压工作，同时具有非常强力的处理能力，最高可达2MIPS[8]。他将常用的模拟电路和数字电路模块都集成在了芯片里面。比较常见的如ADC、DAC、模拟比较器、看门狗计时器等，对于一般的要求都能实现。这种单片机是一种超低功耗但性能很高的微处理器，可以用电池长时间工作，很适合假手的单片机系统。
MSP430主要有3个功能部件，CPU、存储器、外围模块。它的CPU和通用的微处理器基本相同。MSP430结构是按照精简指令和高透明的总之设计的，这样能让单片机处理速度大大提升，效率也大大提升。它的存储器是FLASH型。外围模块有很多，比如看门狗、时钟模块、定时器等。
MSP430具有很多特点。最主要的特点是超低的功耗，2.2V时钟频率，1MHZ时，活动模式为0.2MA，关闭模式仅为0.0001 MA，并且具有5种方式用来节能。高效的16位RISC-CPU，大部分指令只需一个时钟周期就能够完成。低电压供电，工作电压
1 引言1
1.1 历史1
1.2 假手的概括2
1.3 假手发展状况2
2 假手整体硬件图2
3 单片机3
3.1 单片机介绍3
3.2 型号选择4
3.3 MSP430F149功能 4
3.4 开发板7
4 驱动电路8
4.1 驱动芯片的选择8
4.2 L298N管脚8
4.3 电路图设计9
4.4 PWM调速11
4.5 直流电机的调速方法11
5 电机12
6 实物13
7 软件设计15
7.1 代码15
7.2 程序写入17
结论 18
致谢 19
参考文献 20
1 引言
手是人类最重要的器官之一，人类的一切活动都离不开它，一旦丧失，将会给人的日常生活带来极大的不便。肌电假手即是使用者根据自身残臂保留肌肉伸缩的强弱来控制的假手[1]。人如果没有手的话，在日常生活中会非常不便，手是非常重要的一个器官，他与外接接触来接受信息，为人类完成各种各样的操作。残肢者没有一只手对他们正常生活有很大的阻碍，所以研究假手对残疾人，对社会有着重大意义。当然，研究出来的假手必须要模拟出真手的功能，能够简化各种动作，帮助残疾人完成各种动作，要和正常人没有太大的差别。完美的假手是现在社会追求的最高境界，要做
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
自身残臂保留肌肉伸缩的强弱来控制的假手[1]。人如果没有手的话，在日常生活中会非常不便，手是非常重要的一个器官，他与外接接触来接受信息，为人类完成各种各样的操作。残肢者没有一只手对他们正常生活有很大的阻碍，所以研究假手对残疾人，对社会有着重大意义。当然，研究出来的假手必须要模拟出真手的功能，能够简化各种动作，帮助残疾人完成各种动作，要和正常人没有太大的差别。完美的假手是现在社会追求的最高境界，要做到和真手一样，具有相同的外形与功能。能够取代真手在生活中进行各种操作，但目前的技术无法完成这个要求。尽管设计完美的假手存在着巨大的困难，但在不久的将来，我们一定能攻克这些难题，让残肢者的生活和常人无异，这是一个重要的阶段。
1.1 历史
1919年Borchard等最早发明了作为外力来驱动的机械假手[2]，可惜那时没有先进的单片机和持久的电池，因此这件产品没有用到残肢者的生活中。后来在1945年名叫Vaduz的假手申请了专利，这种假手是用残端肌肉运动来控制的。在1960年，俄罗斯学者发明了第一个临床应用的以表面肌电信号为控制源的假手控制系统[3]。从这以后促进了全世界假手的研究。残疾人的生活也得到了更多人的关注。
1960接下来的10年里，各种微型电子元器件的发明使假手越来越轻便。我国在假手上的研究开始与上个世纪60年代，1979年研究出3自由度假手。近年来,由于微电子技术、信号处理技术、控制技术等的不断发展,肌电几首的发明研究越来越出色。另外,有学者研究表明手部动作的强度与肌电信号的强度成正相关性,这为肌电信号对假手的控制提供了理论依据。因此,越来越多的学者认为肌电信号是目前对假手进行控制的最有前途的信息源[4]。至今假手的研究事业已经越来越有起色，已经有很多残肢者佩戴了肌电假手。在将来，假手的机电控制技术会更加成熟，肌电假手会普及到所有的手部残肢者之中。
1.2 假手的概括
肌电假手是利用人体的肌电信号进行控制的电动上肢假肢,通过采集假手佩戴者手臂的肌电信号( EMG) ，配合适当的动作模式识别器和握力控制器实现了对假手的控制，这种控制方式因符合人体的操作习惯，动作自然而受到关注［5]。现在国内已经在使用的肌电假手有单自由度、二自由度的肌电假肢。单自由度的假手因为要求有简单的统计信号处理才能得到控制信号，所以识别的正确率高，因此得到广泛应用[6]。肌电假手的原理是通过脑部上神经传递信息，然后肌肉运动来发出肌电信号，接着将肌电信号放大，放大信号传输到微型电机从而控制它，带动系统后驱动假手装置。因为肌电假手的运动方式是通过脑部神经发出信号来控制的，所以它不仅拥有传统电动假手的优点，还具有操作简单、便于上手、精密度高等特点。肌电假手是新时代的伟大产品，虽然目前还未普及，但将来单片机越来越普及后成本会逐步变低，会让所有残肢者能够拥有假手。
1.3 假手发展状况
现在国内外有很多公司制造假手，各个医院也都有假肢安装的项目。但是现在国内的假手事业还在起步阶段，高端灵活的假手都在外国产生。在国际上，制造假肢比较出名的公司有德林、新科、英中耐等，这些都是制造假手的老牌企业，制造出的假手质量也是很好。国内的公司大多是代做假手，通过国外公司的图纸代工，我国还需要不断努力，做出更好的肌电假手。
2 假手整体硬件图
图2.1 假手装置框图
本次设计的硬件设计如图2.1，这是假手装置的框图。主要采用的是按钮控制单片机，单片机根据按钮开关发出信号给驱动电路，驱动电路根据收到的信号来使电机转动，电机转动就能使假手动起来了。
本文是设计一个以MSP430单片机为主控制芯片的假手，单片机输出口来控制驱动电路，使电机正反转控制假手张开闭合的动作。MSP单片机称之为混合信号处理器，是将多个不同的模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上[7]。驱动芯片用L298N芯片，它是属于H桥电路，使用起来很稳定，还能同时驱动2个电机。一组驱动电路控制两个电机，使用多组电机驱动来使假手装置运动。假手则需要专业的制作，内部安装电机、齿轮等零件，需要非常精密的设计。
3 单片机
3.1 单片机介绍
我采用的是德州公司的含16位总线的单片机MSP430，内置2个16位定时器，一个14路输入的12位A/D转换器，采样速率高达200ksps，1.8至3.6V低电压工作，同时具有非常强力的处理能力，最高可达2MIPS[8]。他将常用的模拟电路和数字电路模块都集成在了芯片里面。比较常见的如ADC、DAC、模拟比较器、看门狗计时器等，对于一般的要求都能实现。这种单片机是一种超低功耗但性能很高的微处理器，可以用电池长时间工作，很适合假手的单片机系统。
MSP430主要有3个功能部件，CPU、存储器、外围模块。它的CPU和通用的微处理器基本相同。MSP430结构是按照精简指令和高透明的总之设计的，这样能让单片机处理速度大大提升，效率也大大提升。它的存储器是FLASH型。外围模块有很多，比如看门狗、时钟模块、定时器等。
MSP430具有很多特点。最主要的特点是超低的功耗，2.2V时钟频率，1MHZ时，活动模式为0.2MA，关闭模式仅为0.0001 MA，并且具有5种方式用来节能。高效的16位RISC-CPU，大部分指令只需一个时钟周期就能够完成。低电压供电，工作电压
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