精密仪器实验二报告_电子电工实验报告二

2020-02-27 其他范文下载本文

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精密工作台控制系统设计

摘要

为了实现利用单片机软、硬件系统通过三相或四相步进电动机实现精密工作台位移、速度（满足电机的加、减速特性）、方向、定位的控制。本设计采用STC89C51为中央处理器模块；利用L298N为核心设计驱动模块驱动工作台工作；利用LCD1602作为显示模块，显示工作台相关运动参数。

关键词：电机驱动 STC8951 L298N LCD1602

Abstract In order to achieve the use of single-chip microcomputer software and hardware system through three phase and four phase step motor to realize precision worktable displacement and speed(meet motor, deceleration features), direction, position control.This design adopts the STC89C51 as the central proceor module;Used L298N driver module driven workbench as the core design work;Using LCD1602 as a display module, display the workbench relative motion parameters.目录

I.题目..................................................1 2.引言.................................................1 3.方案论证与选择.......................................1 3.1.系统控制部分选择....................................1 3.2.单片机显示接口电路选择.............................1 3.3.驱动电路选择........................................1 4.系统结构框图..........................................3 5.系统设计及线路图和流程图..............................3 6.系统调试..............................................4 7.总结.................................................5 8．附件..................................................5

一、题目精密工作台控制系统设计。

二、引言

精密工作台作为精密工程中的一种典型结构,在精密加工、精密测试和精密机械中被广泛应用。因此,精密工作台定位控制系统的研究越来越受到人们的重视。国外(如美国、日本等)在微位移控制技术方面研究得比较多,技术己经比较成熟,已研制出行程50mm、定位精度达士0.01um的精密工作台。国内许多单位(如清华大学、东南大学、长春光机所等)也在从事这方面的工作,也己研制出行程在几十~几百微米精密工作台,定位精度达到士0.05um。但目前国内行程在几十毫米的精密工作台研制得还比较少,而且定位速度也较低。但从实际应用来看,低速、小行程的精密工作台存在很大的局限性,难以满足一些精密工程中的需要。为此,我们开发研制了一种新型的精密工作台,主要利用压电陶瓷微位移器进行精密定位,由微机进行总体闭环控制,从而满足实际工作中大行程、高速度、高精度的要求。

本定位系统是为电机驱动系统的工作台精密定位而研制的。

三、方案论证和选择 3.1 系统控制部分选择

原本打算使用AT系列51单片机，因为它很常见，使用起来很方便，但是后来发现我的下载器下载不了，因为我的下载器是STC公司开发的下载软件，由此，本部分选用以STC89C52为核心的系统最小模块。

3.2.单片机显示接口电路选择

输出数据显示部分利用LCD1602是因为1602硬件链接很方便，并且鉴于本身对显示没有特别要求，自己使用过1602，所以就选择LCD1602进行数据显示。即本设计采用AT89S52单片机做为控制器。

3.3驱动电路选择

选用步进电机L298N。类型：两相四线八拍。步进电机工作原理

步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。

特点：它是通过输入脉冲信号来进行控制的;电机的总转动角度由输入脉冲数决定；电机的转速由脉冲信号频率决定。3.3.1 驱动芯片L298N介绍：

L298N 为SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱

动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机，还可以用来驱动继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。双全桥步进电机专用驱动芯片(Dual Full-Bridge Driver)，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号。

主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。

3.3.2 电机工作的八个状态：

1、在A与A-正电压，B与B-不给电悬空；

2、在A与A-正电压，B与B-也给正电压；

3、A与A-不给电压悬空，B与B-正电压；

4、A与A-给负电压，B与B-给正电压；

5、A与A-给负电压，B与B-不给悬空；

6、A与A-给负电压，B与B-给负电压；

7、A与A-不给电悬空，B与B-给负电压；

8、A与给正电压，B与B-给负电压；

5.4 控制时序如下图1所示：图1 控制时序图

电机工作时序图如下图2所示。

脉冲信号

B相 A相

C相

D相

图2 电机工作时序

四、系统结构框图

系统整体由电源模块、中央处理模块、电机驱动模块、显示模块4个模块构成，其中中央处理模块选择以STC89C51单片机为核心的最小系统；电机驱动模块选择L298N驱动芯片加外围电路构成；显示模块选择LCD1602液晶显示屏控制。整体框图如下图3所示。

多路电源选择模块系统控制模块电机驱动模块工作台显示模块图3 系统整体框图

五、系统设计及线路图和流程图 5.1 系统硬件线路图

根据自己选择的各个模块，通过阅读各个模块的芯片的各个管脚的工作机制和相关性能指标，确定芯片的外围电路，最终设计总体电路并进行编程仿真，其中系统整体线路图如下图4所示。

图4 系统整体线路图

5.2 系统软件流程图如下图5所示。

Y查询按键1是否按下N查询按键2是否按下N查询按键3是否按下N速度参数+1查询按键4是否按下NN是否开始NY按键5是否按下N按键6是否按下Y驱动电机旋转固定参数Y旋转圈数+1Y将方向标志取反Y将开关标志位取反LCD初始化开始

Y按所设方向参数驱动八拍N开关标志是否为开Y图5 系统软件流程图

六、系统调试

原本我想使用驱动芯片2003，但是经过查阅资料了解到2003的电压不足以控制电机驱动工作台，后来我加了功率放大电路后，仿真结果是可以实现，但是实际并不能很好的达到预期目标，后来不得不更改了驱动部分方案，改用以L298N驱动芯片为核心的驱动电路。更换方案后遇到的问题及解决方案如下：显示屏部分

问题1：LCD显示屏背景不亮。

解决方法：在确定显示屏亮度调节管脚和15，16管脚没有接错后，我利用万用表测试LCD各个管脚电压，最终发现在焊接的16排插孔中有一个插孔不能很好的导电，使LCD根本没有正常通电，经过更改后问题得到解决。问题2：LCD白屏（不现实数据）。

解决方法：在确定硬件焊接没有问题之后，我通过调节调节亮度的滑动变阻器，后来达到能够成功显示。驱动模块

问题3：电机不工作。

解决方案：通过检查电路连接，发现我的两排地线并没有链接，只是孤立的存在，后来更改以后电机仅仅是抖动并不转；我又通过改变脉冲频率，由最初的毫妙级改为微妙级，并没有起到作用，然后我用万用表对298管脚逐脚测试，发现开关打开时电机4个输出管教电压三个为有电压，一个为0V，开关断开是四个输出管教全部输出为5V，开始怀疑驱动芯片有问题，更换电路芯片以后，电机工作正常，因为知道L298的最大承受电源电压为46V，所以自然的认为芯片是好使的，这段调试花费了时间较多。

七、总结

通过本次试验我掌握精密仪器控制系统的设计方法，掌握了驱动芯片L298N的相关工作原理，并成功实现了利用单片机软、硬件系统通过三相或四相步进电动机实现精密工作台位移、速度、方向、定位的控制。

此外对于这次试验不得不承认自己犯了很多比较低级的错误，电路焊接的马虎，编程时的粗心增加了很多不必要的工作量，更加深刻懂得了磨刀不误砍柴工的道理。

我懂得了最重要的一个道理是：任何一个电路的设计都是基于芯片的工作原理，如果能够好好的看透芯片资料，了解每一个管脚的作用以及工作机制，再去设计硬件编程。

八、附件 8.1.实验目的1.掌握精密仪器控制系统的设计方法，利用单片机软、硬件系统通过三相或四相步进电动机实现精密工作台位移、速度（满足电机的加、减速特性）、方向、定位的控制。

2.硬件方面完成控制电路板的设计和实现。3.掌握电机控制软件编程。

8.2.实验任务

（1）系统任务分析、原理分析。（2）选择步进电动机参数。

（3）设计步进电动机开环伺服控制系统。

（4）步进电动机开环伺服控制单片机软、硬件系统制作及调试。（5）精密工作台开环伺服控制系统连接及调试。（6）完成预习思考题。

（7）查阅资料，掌握驱动芯片L298的工作原理。

8.3.系统要求及任务分析