基于單片機的XY平臺控制系統(tǒng)的設計

1、精品畢業(yè)設計基于單片機的xy平臺控制系統(tǒng)的設計王安敏 牛傳猛 崔偉（青島科技大學，機電工程學院，青島，266061）摘要：為實現(xiàn)x-y二維工作平臺的精確定位,以容柵傳感器作為位置檢測環(huán)節(jié)，實時的將工作臺的運動狀態(tài)反饋給單片機，單片機根據(jù)設定程序對兩個方向的步進電機進行閉環(huán)控制。通過將容柵傳感器輸出的串行信號轉換成并行信號的方法，方便地實現(xiàn)了單片機對容柵傳感器輸出信號的處理。試驗證明，這種控制方法能實現(xiàn)工作平臺的精確定位，具有較高的實用價值。關鍵詞：步進電機 單片機 容柵傳感器 閉環(huán)控制中圖分類號：tm383 文獻標識碼：adesign of x-y motion platform contrl

2、e system based on single-chip microcomputerwang an-min niu chuan-meng cui wei(mechanical manufacture and automation, qingdao university of science technology, qingdao, 266061)abstract: in order to realize the accurate point control of the x-y motion platform ,using the capacitive sensor as the posit

3、ion detection segment . the capacitive sensor feeds the platforms situition back to the single chip timely so that two direction motors can be closed-loop controled by the single chips through the setted program . the single chip can process the serial signal outputing from capacitive sensor easly t

4、hrough method of transforming serial signal to parallel signal . this controlling mathod was proved to be highly worthy to realize the accurate point control of the platform by experiment .keyword：stepping motor ; single chip ; capative sensor ; close-loop control 0 引言在對x-y兩軸運動的工作平臺進行控制時一般采用單片機為主控制單

5、元對x-y兩軸驅動步進電機進行控制。步進電機的主要優(yōu)點之一是能在開環(huán)系統(tǒng)中保證一定的控制精度,但開環(huán)系統(tǒng)也具有一些缺點：無法知道步進電機在點位運動的勻速階段和起動的升速階段是否失步,在步進結束時是否超步,以及由于負載變化而引起的速度變化,尤其當負載轉矩較大且有沖擊現(xiàn)象時,失步和丟步問題就顯得十分突出,從而使步進電機的開環(huán)控制的應用受到一定程度的影響。為實現(xiàn)x-y工作平臺的準確定位,采用了以容柵傳感器作為位置檢測環(huán)節(jié)的全伺服控制,其根本的方法就是容柵傳感器將檢測到的工作平臺的實際位移反饋給控制器,控制器根據(jù)檢側到的實際位移和速度狀態(tài)，來實時調整輸入的脈沖數(shù)、頻率，使步進電機穩(wěn)定在正常運行狀態(tài)，并

6、使實際位置和指令位置一致，從而達到精確定位和穩(wěn)速的要求。以x軸運動為例，其閉環(huán)系統(tǒng)統(tǒng)結構圖如圖1所示。位置控制控制信號位置給定指令脈沖細分驅動驅動信號d/f轉換工作臺位置檢測位置反饋圖1 閉環(huán)系統(tǒng)結構圖1 硬件組成該系統(tǒng)是一個兩級的控制系統(tǒng)，上位系統(tǒng)主要由一臺586pc機構成，下位控制系統(tǒng)由兩塊at89c52單片機組成，如圖2所示。上位機主要負責二維定位平臺運動位置的采集和控制下位單片機；下位單片機分別完成一路步進電機驅動、解讀容柵位移傳感器輸入信號、限位開關輸入信號、和pc機進行通信。pc機與兩單片機之間通過rs232串行接口通信，其中x軸單片機控制平臺x方向運動的步進電機，與pc機的串口1

7、（com1）相連，y軸單片機控制平臺y方向運動的步進電機，與pc機的串口2（com）相連。平臺x、y方向分別裝有容柵式位移傳感器，經(jīng)串并接口轉換后分別和單片機相連，將平臺的運動狀態(tài)反饋給單片機。為了防止工作平臺運動出界，在x，y兩軸的極端位置分別設置了限位開關，可以在平臺超出運動范圍時自動切斷電機的電源，使平臺停止運動。單片機采用近年來市場上比較流行的at89c52單片機，它采用chmos工藝及高密度、非易失存儲技術制造，與80c51引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。開關采用omron公司的接近開關tlq5mf1，它的輸入是12v24v電壓，屬常閉型開關。由于選用的步進電機的工作電壓為24v，因此我們將

8、接近開關的輸出作為步進電機的工作電壓輸入，可以在平臺超出運動的極限位置后，由接近開關自動切斷步進電機的電源使平臺停止運動。步進電機驅動器采用常州澤明自動化設備有限公司出品的wzm-2h042m型驅動器，該驅動器采用原裝進口模塊，實現(xiàn)高頻斬波，恒流驅動，具有很強的抗干擾性、高頻性能好、起動頻率高、控制信號與內部信號實現(xiàn)光電隔離、電流可選、結構簡單、運行平穩(wěn)、可靠性好、噪聲小，并可實現(xiàn)細分驅動。pc機at89c52（x軸）at89c52（y軸）光電隔離光電隔離x軸限位開關x軸步進電機x軸容柵傳感器y軸步進電機y軸容柵傳感器y軸限位開關圖2 硬件組成2 電路設計容柵傳感器輸出為串行數(shù)據(jù)信號，其最大傳

9、輸?shù)乃俣瓤蛇_到100kb/s。如果直接采用直接同單片機進行串行通訊的方式，勢必會導致單片機忙于接收傳感器所發(fā)來的數(shù)據(jù)，而無法處理其它的任務。為了解決這一問題，本系統(tǒng)采用了串并轉換的方法加以解決，將傳感器輸出的串行數(shù)據(jù)轉換成并行數(shù)據(jù)，然后再進行相應的數(shù)據(jù)處理。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串并轉換，本系統(tǒng)采用了74ls164串人/并出移位寄存器來完成從串行信號到并行信號的轉變。由于容柵傳感器的輸出串行信號分為前后兩組，每組分別有24位二進制數(shù)字，而74ls164最多只能存儲8位數(shù)字。本系統(tǒng)為了能完成信號串并轉換，所以采用了3片74ls164芯片串聯(lián)起來，從而實現(xiàn)24位有效數(shù)字的轉換，其電路如圖3所示。從圖3所示

10、的電路圖中，可以看到除u1之外，每片74ls164的最高位都與前一片的a.b端相聯(lián)，而u3的a.b端直接與經(jīng)過電平變化后的傳感器串行輸出信號data1相聯(lián)。另一方面74ls164以容柵傳感器輸出的時鐘信號clk做為移位控制信號。時鐘信號clk在輸入到移位寄存器之前，經(jīng)過與串行信號相似的電平轉換電路，在此就不重復敘述了。移位寄存器的引腳clk高電平有效，可以將輸出端上所有的數(shù)字清零。它是有信號st與單片機的引腳p1.0控制的。兩個信號同時為低的時候，移位寄存器清零。當串行數(shù)據(jù)經(jīng)移位寄存器轉化成為并行數(shù)據(jù)后送入鎖存器中。這是由于所有的24位有效數(shù)字全部通過單片機的p0口輸入，而p0口只有8位。為了

11、使數(shù)據(jù)讀入，電路中采用3片鎖存器（u4-u6）分別與移位寄存器（u1-u3）相聯(lián)，將24為有效數(shù)字存儲在其中，以便數(shù)據(jù)被依次讀入。本系統(tǒng)采用線選法來控制數(shù)據(jù)的寫入，單片機p1口的p1.1、p1.2和p1.3分別與u4-u6的引腳相聯(lián)，通過此引腳選通相應的鎖存芯片。圖3 串并轉換電路3 軟件設計軟件主要部分框圖如圖4所示。為簡化起見，x、y兩軸控制只畫出一路。圖4（1）是pc機工作流程。初始化完成后，檢測是否給定平臺所需要到達的目標點坐標值，根據(jù)程序計算步進電機運動方向、運動步數(shù)、脈沖頻率等，并存儲在非遺失型ram中。圖4（2）是單片機工作流程。初始化完成后，等待主機發(fā)來的控制命令，驅動步進電機

12、工作，同時檢測容柵傳感器和限位開關的狀態(tài)，對步進電機進行系統(tǒng)閉環(huán)控制。主機初始化有給定坐標根據(jù)設定程序計算步進電機運動方向、移動步數(shù)及步進頻率等，通過rs232接口分別和x、y軸單片機進行通信，下傳相應命令，并將x、y兩軸的最新位置存儲在ram中。yesno 單片機初始化根據(jù)主機傳來的指令對步進電機進行細分驅動控制，同時檢測容柵傳感器，進行對比判斷，實現(xiàn)閉環(huán)控制。限位開關用中斷方式檢測，保證工作臺的安全。主機有命令noyes （1） （2） 圖 4 程序主要模塊框圖4 結束語本文著重介紹了一種基于二維定位平臺的步進電機閉環(huán)系統(tǒng)的硬件和軟件設計，并重點介紹了容柵傳感器與單片機通信的串并轉換電路設

13、計。該系統(tǒng)具有結構簡單、調速穩(wěn)定、精度高、功能多、適應性強的特點,并在臺球機自動擺球裝置的應用中定位準確，運行效果良好, 系統(tǒng)投入使用以來，產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益20余萬元。本文作者創(chuàng)新點：采用容柵位移傳感器實現(xiàn)步進電機閉環(huán)控制的位置反饋，并設計串并轉換電路，將傳感器輸出的串行數(shù)據(jù)轉換為并行數(shù)據(jù)送單片機處理。參考文獻1 匡胤，唐年慶.基于單片機的新型步進電機運動控制器j .微計算機信息，2008，06-2：123-124。2 張榮，徐鳴謙.容柵旋轉編碼器原理及應用.傳感器世界.2006（2）：21-24。3 張福學.實用傳感器手冊.北京：電子工業(yè)出版社，1998。4 王福瑞.單片微機測控系統(tǒng)設計大全.北京:北京航空航天大學出版社,1998。5 王曉明.電動機的單片機控制m.北京:北京航空航天大學出版社,2002。王安敏（1960- ），男，黑龍江集賢縣人，工學博士，教授，系主任，主要研究方向為光機電一體化、機電系統(tǒng)計算機控制技術及計算機輔助測試技術，發(fā)表論文30余篇。牛傳猛（1984-），男，山東聊城人，青島科技大學在讀研究生。biography: wang an-min(1960-),male(han), born in 1960 in lai