单片机二维试验台实验指导手册.docx
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单片机二维试验台实验指导手册
二维试验台的单片机控制
51单片机的应用极为广泛,几乎遍及各个领域,在工业实时控制(简称为工控)领域也不例外。
在工业控制系统中,通常要控制机械部件的平移和转动,这些机械部件的驱动大都采用交流电机、直流电机和步进电机。
在这三种电机中,步进电机最适合用于数字控制,因此它在数控机床等设备中得到了广泛的应用。
内容简介
本书是为了指导哈尔滨工业大学(威海)机械设计制造及其自动化专业本科生完成“工业机器人技术”、“机械系统计算机控制”等课程的配套实验而编写的。
书中介绍了实验的要求、内容、实验方法和步骤等。
实验守则
1.上课前学生必须对实验内容进行充分预习,并写出预习报告。
经指导教师检查合格后,方可进行试验。
2.必须爱护仪器设备,遵守操作规程,严禁乱动、乱拆。
如有损坏丢失,必须立即报告指导教师,由实验室酌情处理。
因违反规章制度、不遵守操作规程而造成仪器损坏者,需按规定进行赔偿。
3.实验室内严禁吸烟、吐痰、吃东西和乱扔纸屑。
除实验室必须的讲义、记录纸及文具以外,个人的书包及衣物等一概不要放在实验台上。
实验室内不得大声喧哗,注意保持肃静。
4.实验做完后,需先经指导教师审查数据并签字,然后再将仪器设备按原样整理完毕,搞好试验室卫生,经教师允许后方可离开。
5.学生认真写好试验报告,在规定的时间内交给教师批阅。
批阅后的试验报告由学生妥善保管,以备考核。
1.1试验目的
1.了解二维试验台的机构组成;
2.了解二维试验台的驱动部件和控制系统;
3.熟悉二维试验台的工作原理;
4.掌握二维试验台的基本运动控制。
1.2试验设备
1.二维试验台一个;
2.电磁铁一个;
3.单片机控制板一个。
1.3试验原理
本实验采用的二维试验台由步进电机驱动丝杠实现滑台的横向和纵向进给,同时通过控制电源的通断实现电磁铁的吸合和断开。
通过在电磁铁出安装画笔,通过控制步进电机的进给规律,可以实现二维试验台的绘图功能,根据所编程序,可以绘制出各种复杂的曲线。
1.3.1二维试验台的机构
二维试验台的机构部分主要由横向运动执行机构,纵向运动执行机构,画笔吸附机构组成。
图1试验台主要结构示意图
1)二维试验台运动执行机构
二维试验台的运动执行机构主要包括横向运动执行机构和纵向运动执行机构组成,由于横向和纵向的机构类似,故只介绍横向运动执行机构。
二维试验台的运动有步进电机带动,经过联轴器与丝杠相连,丝杠两端由光轴固定,起到导向的作用。
丝杠的行程决定了滑台的运动范围,同时步进电机的步距角在很大程度上决定了试验台的精度。
同时直线轴承与光轴的配合,以及两根光轴的直线度决定了滑台能否顺利运动,所以对零件的加工精度要求较高。
2)画笔吸附机构
画笔吸附机构主要用于固定电磁铁,使画笔在电磁铁的作用下能够完成画笔的上升和下降,从而控制绘图的开始与停止。
图2画笔吸附机构示意图
1.3.2二维试验台的控制系统
二维试验台的控制系统主要包括步进电机驱动器,单片机控制板和电磁铁,这几个部分构成了二维试验台的控制系统,其中步进电机驱动器和单片机控制板共同控制二维试验台的进给运动,电磁铁主要负责画笔的吸放,以完成图形的描绘功能。
1.3.2.1步进电机
图3步进电机示意图
一般电机都是连续旋转,而步进电机却是一步一步转动的,故叫步进电机。
具体而言每当步进电机的驱动器收到一个驱动脉冲信号,步进电机将会按照设定的方向转动一个固定的角度(有的步进电机可以直接输出线位移,称为直线电机)。
因此,步进电机是一种将脉冲信号转化为角位移(或直线位移)的执行机械。
对于经常使用的角位移步进电机,用户可以通过确定控制脉冲的个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时还可以通过控制脉冲频率来控制步进电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。
二维试验台采用的步进电机指的是角位移步进电机。
由于本设计不要求电机有很高的转速且根据电机57BYG250C-SAFRMC-0152型号的特征确定电机绕组为串联接法,见图3接线图a。
下图为两相混合式步进电机绕组接线图,其中图(a)为标准接线方式,图(b)为高速接线方式。
图4电机绕组接线图
1.3.2.2步进电机驱动器
图5步进电机驱动器
1)功能及使用
Ø电源电压
本驱动器采用直流电源供电,电源电压在24V~70VDC之间都可以正常工作,用户可直接采用交流整流加滤波电容滤波后提供。
但注意应使整流后电压纹波峰值不超过70V。
考虑到电网电压的波动,变压器副边空载输出电压建议小于50VAC。
采用较低的电源电压会使电机高速运行力矩下降,但有助于驱动器降低温升和增加低速时的运行平稳性。
所加电源的输出能力应不少于电机的额定相电流,电源电压越低则对电源电流输出能力的要求越大。
接线时务必注意电源正负,切勿反接!
Ø输出电流选择
本驱动器采用双极恒流方式,最大输出电流值为6.2A/相(峰值),通过驱动器侧板第1,2,3位拨码开关的不同组合可以方便的选择8种电流值,从1.4A到6.2A(详见电流选择表)。
(注意:
这里所说的电流是指驱动器每相输出电流的峰值,使用串电流表的方式不能得到正确的读数)。
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
OFF
OFF
OFF
6.2A
ON
ON
OFF
4.3A
ON
OFF
OFF
5.7A
OFF
ON
OFF
4.8A
ON
ON
ON
1.4A
ON
OFF
ON
3.2A
OFF
ON
ON
2.0A
OFF
OFF
ON
3.6A
Ø改善半步
本驱动器采用改善半步运行模式。
驱动整步步距角1.8度的两相电机时可实现每步0.9度的分辨率,即400步/转。
在这一点上与标准半步运行方式相同,但是由于采用了力矩补偿技术,可以提高电机的低速力矩(理论上最大可以提升40%),并且可有效解决相邻两拍之间的力矩波动,即强弱步问题,使电机的加速性和平稳性得到改善。
对于不同的电机由于其电感电阻参数的差异改善的效果不尽相同,对于高速运行(一般500转/分以上),采用改善半步和标准半步差别不大。
Ø自动半电流
通过侧板第4位拨码开关可以选择是否开放自动半电流功能,开关置于‘OFF’时为半电流有效。
当选择开放此功能时驱动器工作若连续1秒没有接收到新的脉冲则驱动器自动进入半电流状态,相电流降低为标准值的50%,达到降低功耗的目的,在收到新的脉冲时驱动器自动退出半电流状态。
Ø错相保护
两相电机与驱动器连接时,用户极易接错相,从而严重损坏驱动器。
本驱动器设计了错相保护电路,用户接错相时,驱动器不会损坏,但电机运行不正常,主要表现在出力极小。
遇此情况,应检查电机接线是否错误。
2)输入信号
公共端驱动器的信号输入采用可拔插的端子,可以将其拔下,接好线后再插上。
本驱动器的输入信号采用公共端接线方式,兼容共阳和共阴两种模式。
输入控制信号通过驱动器内置光耦隔离,用户应将输入信号的公共端(共阳为电源正极、共阴为电源负极)连接到该端子上,将输入信号连接到对应的信号端子上。
脉冲信号输入脉冲信号的有效电平(共阳为低电平、共阴为高电平)使驱动器内部光耦导通,驱动器对脉冲信号有效沿(共阳为下降沿、共阴为上升沿)响应。
有效脉冲电平的宽度不应小于10μs。
过大的脉冲宽度和较低的信号幅度都会影响对信号的良好响应并易引入扰动。
本驱动器的信号响应频率为50KHz,过高的输入频率将可能得不到正确响应。
方向信号输入该端信号的高电平和低电平控制电机的两个转向。
控制电机转向时,应确保方向信号领先脉冲信号输入至少10μs建立,可避免驱动器对脉冲的错误响应。
脱机信号输入脱机控制端外加有效电平(共阳为低电平、共阴为高电平)时,驱动器将切断电机绕组电流使电机轴处于自由状态,此时的脉冲信号将不能被响应。
此状态可显著降低驱动器和电机的功耗和温升。
当不需用此功能时,脱机信号端可悬空。
图6步进电机驱动器典型接线图
1.3.2.3单片机控制板
由于使用的是单片机开发板,所以开发板上有许多模块,可以充分发挥实验者的动手能力,由于功能较多,所以只简单介绍几种在本实验中要用到的最基础的控制模块,分别是独立键盘,51单片机以及继电器。
图7单片机开发板
1)独立键盘
图8独立键盘电路图
把对应的端口赋值高电平,即“1”,按键按下,端口被拉至低电平,即“0”,通过检测该端口的电平即可判断按键是否按下。
去抖概念:
按键是机械器件,按下或者松开时有固定的机械抖动,抖动图如下:
上图看出按键按下和松开的瞬间出现机械抖动,这个抖动时间虽然很短,一般10~15ms,不同的按键抖动不同,但对应单片机来说,很轻松能检测到,单片机是us级别。
但这个结果并不是我们需要的,所以大多数产品实际使用中都要使用按键去抖功能。
按键去抖分为硬件去抖和软件去抖,硬件去抖最简单的就是按键两端并联电容,容量根据实验而定。
软件去抖使用方便不增加硬件成本,容易调试,所以现在大多使用软件去抖。
软件去抖原理
Ø检测到按键按下后进行10~15ms延时,用于跳过这个抖动区域;
Ø延时后再检测按键状态,如果没有按下表明抖动或者干扰存在,如果仍旧按下,可以认为是真正的按下,并进行相应的操作;
Ø同样按键释放后也要进行去抖延时,延时后检测按键是否真正松开。
2)STC89C52单片机
图9单片机开发板上安装图
图6描述的是stc89c52单片机在开发板上的安装示意图,该开发板通过锁紧插座将单片机固定在开发板上,并通过扩展插针将其引脚引出,并进行扩展。
具体单片机的性能及应用查看附录。
3)继电器
继电器是一种电子控制器件,它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路),通常应用于自动控制电路中,它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成。
只要在线圈两端加上一定的电压,线圈中就会流过一定的电流,从而产生电磁效应,衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。
当线圈断电后,电磁的吸力也随之消失,衔铁就会在弹簧的反作用力下返回原来的位置,使动触点与原来的静触点(常闭触点)吸合。
这样吸合、释放,从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点,可以这样来区分:
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点,称为“常开触点”;处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。
图10小功率继电器结构原理图
1、2是线圈,3是动触点,4是常闭触点,5是常开触点
图11继电器电路原理图
从上图可以看出,在使用继电器的时候通过接头J42对其进行控制。
1.4注意事项
1)在老师的指导下进行实验;
2)机器通电后,身体的任何部位不要进入试验台运动可达范围之内;
3)机器运动不正常时,及时按下急停开关。
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