毕业论文-冷轧辊激光毛化装置的设计.docx

本 科 毕 业 论 文 冷轧辊激光毛化装置的设计Design of laser texturing equipment for cold roller学院名称： 机械工程学院 专业班级： 机械电子工程13-2班 学生姓名： 学生学号： 1 指导教师姓名： 指导教师职称： 讲师 2017 年 5 月毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 目 录摘要IAbstract1第一章 绪论21.1课题研究的目的、意义及内容21.2冷轧辊毛化技术概述21.2.1 喷丸毛化技术21.2.2 电火花毛化技术31.2.3 电子束毛化技术31.2.4 喷墨毛化技术41.2.5 激光毛化技术41.3激光加工技术概述41.4轧辊毛化技术的现状及存在的问题5第二章 冷轧辊激光毛化装置的整体设计62.1 整体方案设计62.2设计方案的可行性分析72.3 本章小结7第三章 系统硬件设计方案83.1 机械结构的设计83.1.1 机械框架的设计与制作83.1.2 卡盘和主轴的安装83.1.3 丝杠导轨和电机的安装93.2 硬件电路设计113.2.1单片机选型113.2.2 STM32最小系统123.2.3 STM32的启动方式143.2.4 步进电机驱动电路143.2.5直流电机驱动电路设计173.2.6 12864液晶屏驱动电路设计183.2.7 按键电路的设计183.3 本章小结20第四章 系统软件设计214.1 软件开发环境介绍214.2 程序整体执行流程214.3 步进电机驱动程序设计224.4 LCD12864驱动程序设计244.4.1 忙检测244.4.2 写数据254.4.3 延时函数264.5 按键响应程序设计274.5.1 按键消抖程序274.5.2 轮询检测284.5.3 外部中断284.6 本章小结29第五章 实物制作与调试305.1 实物制作流程305.2 实物调试与功能测试305.2.1 所遇问题及解决办法305.2.2 系统所实现的功能30结论32致谢33参考文献34附件A35附录B36冷轧辊激光毛化装置的设计摘要：随着汽车工业和家电业等制造业的快速发展，普通冷轧板已经无法满足这些领域高标准的要求，市场对高质量表面毛化冷轧板的需求越来越大，于是需要一种效率更高，毛化质量更好的新的加工工艺来满足市场这些需求，激光加工技术的出现在很大程度上缓解了这一问题。激光毛化技术是一种毛化点分布和形貌具有可控性、粗糙度及密度可以进行大范围调整、重复性好、毛化表面性能优良的技术。表面毛化的冷轧板是由表面经毛化处理的冷轧辊轧制而成，轧辊在冷轧板的轧制过程中起着举足轻重的作用，将该技术应用于冷轧辊的毛化，前景将非常广阔。但是该技术目前还处于起步阶段，很多问题有待研究。本文正是介绍一种用于毛化冷轧辊的控制装置。该装置主要由微控制器STM32、主控制板和机械结构三部分组成，可高效快捷的实现多种毛化方式,同时大大提高了系统的稳定性和可维护性。关键词：激光毛化 冷轧辊 微控制器IDesign of laser texturing device for cold rollerAbstract：With the rapid development of automobile industry and the electronics industry, the common cold rolled strip has been unable to meet these requirements for high quality cold-rolled sheet, the market demand for high quality surface texturing of cold rolled plate is more and more big, so all kinds of texturing process began to be created and applied. The fiber laser texturing is a texturing topography and the distribution of roughness and density can be controlled, large adjustment range, good repeatability, excellent performance of surface texturing technology. Cold rolled steel sheet with special surface morphology have been widely used in manufacturing industry, especially in automotive and appliance industry in a wide range of applications. This technology is applied to the roll texturing that prospect will be very broad. But the technology is still in the initial stage, many problems to be studied. The surface texturing of cold rolled plate is composed by rolling roller surface texturing to roll in rolling cold rolling process Plays an important role, and this paper is to introduce a control device for cold rolling roller. The device is composed of a micro controller STM32, interface circuit and the external device which can realize efficient and orderly texturing, disorder of hair and hair style, and greatly improve the system stability and maintainability. Key words：laser texturing microcontroller automata第一章 绪论1.1课题研究的目的、意义及内容激光毛化技术是一种先进可靠的毛化方法,具有良好的应用前景和经济效益。将激光加工技术运用到冷轧辊的毛化,不仅可以得到满足技术要求的毛化表面,而且毛化效率高,无污染,设备免维护,能够解决毛化工艺相关问题,是一种应用前景非常广阔的轧辊毛化工艺方法。但是市面上的一些激光毛化装置往往价格昂贵，不利于普及，针对市面上已有的冷轧辊激光毛化设备的一些不足之处，本课题设计出一种成本较低，性能稳定，操作方便的冷轧辊激光毛化装置。该课题设计的冷轧辊毛化装置主要分为三部分，其中机械结构使用Auto CAD软件设计图纸，然后使用激光雕刻机将亚克力板雕刻成各种零部件，最后搭建机械结构。电路部分使用AD软件画出电路原理图和PCB图，然后使用腐蚀剂蚀刻出PCB板，最后完成元器件的焊接和电路板的调试。软件部分用C语言和汇编语言混合编写，使用STM32F103系列芯片作为控制器，开发环境为MDK。本文将先介绍该作品的整体方案，然后分别从硬件设计方案和软件设计方案两个方面说明该作品的设计流程和工作原理。1.2冷轧辊毛化技术概述1.2.1 喷丸毛化技术喷丸毛化是通过离心轮高速旋转然后将一些硬度很大的颗粒撞向冷轧辊表面,使其表面产生塑性变形,如图1.1所示。这种毛化工艺的结果是不确定的,而且不易控制,冷轧辊的毛化效果受双方相对硬度的影响较大,使得一些性能好的冷轧辊无法被利用,很多发达国家已经不再使用这种技术。 图1.1 喷丸毛化示意图1.2.2 电火花毛化技术电火花毛化是将冷轧辊和电极放在绝缘液体中,然后对两者施加合适的电压。在两者之间形成放电通道,最终将电能转化为热能。从而使正极和负极表面产生瞬时的高温,将液体中的物质气化,这些气体的排出导致冷轧辊表面形成了许多的电蚀坑。随着冷轧辊的不断转动,其表面就就逐渐被毛化完成,如图1.2。图1.2 电火花毛化示意图1.2.3 电子束毛化技术 电子束毛化工艺目前还不成熟,主要原理是将高能电子束投射在轧辊表面释放出热量,这些热量产生的高温将与轧辊表面接触的部分融化并形成凹坑,通过改变电子束的一些特征参数便可以得到具有不同粗糙度的冷轧辊。 图1.3 电子束毛化示意图1.2.4 喷墨毛化技术喷墨毛化技术是将喷墨打印技术与电化学加工相结合而成的一种轧辊毛化技术,目前还处于实验阶段。通过软件设定好毛化参数值,然后驱动打印头将光致抗蚀剂打印在轧辊表面,这样在轧辊表面形成许多的光致抗蚀剂小点,然后利用与打印头并列的腐蚀头对轧辊进行电化学腐蚀,从而形成轧辊表面毛化形貌。1.2.5 激光毛化技术激光毛化技术是将具有高能量的激光照射到物体表面,产生的高温将接触部分融化或气化,形成凹坑,这些凹坑凝固后周围便形成了凸缘，然后通过一定的工艺将这些毛化点转印在钢板上即可得到一定形貌的毛化板。激光加工技术可以很方便的控制相关指标,通过调节激光束的特征参数,便可以控制毛化表面的粗糙度等参数。图1.4 激光毛化工艺示意图1.3激光加工技术概述社会在向前发展，科技也在不断进步,激光加工技术日趋成熟,并逐渐运用到工业制造中。激光器在工业中应用的一个重要方面就是激光加工技术。与传统的冷轧辊毛化方法相比,激光加工技术主要特点如下:1.加工时不用接触被加工物体,对物体没有切削力,加工效率高,噪声比较小。2.激光加工不受电磁干扰。可以在大气中进行加工,设备对环境要求低。3.激光束的照射面积很小,虽然瞬间会产生较高的温度,但是激光加工速度很快,因此基本不会造成冷轧辊发生形变。4.激光的能量密度很高,使得加工效率较高,而且对环境无污染,这是激光加工技术和其他加工工艺的一个显著优点。1.4轧辊毛化技术的现状及存在的问题经过人们的不断探索,现在已经有了很多种冷轧辊毛化工艺,虽然加工工艺一直在不断改进,但是还是存在一些问题。比如较为先进的激光毛化技术,与传统工艺相比,具有可控性好、效率高、对环境无污染等优点,但是市面上出售的一些激光毛化设备价格一般都很高,中小企业很难承受这样的价格,导致激光毛化技术很难普及,因此如何降低这些设备的价格是目前一个急需解决的问题。第二章 冷轧辊激光毛化装置的整体设计2.1 整体方案设计制造业的不断发展导致其对冷轧辊的需求量逐步增大,质量要求也越来越高,人们迫切希望能有一种新的加工方法改变传统工艺的一些缺陷,如加工效率低,成本高,污染环境等。近些年,由于激光加工技术的出现,人们开始将其运用于冷轧辊的毛化,并且取得了很好的效果。本文正是研究一种冷轧辊激光毛化装置,为了缩短开发周期和减少开发成本,拟采用激光器作为毛化工艺的执行装置,该激光器是设计好的产品模块,通过接通和断开电源即可简单控制激光束。使用STM32F103系列单片机作为控制核心,单片机在我们的生活中无处不在,具有体积小、价格低、稳定性好的优点。该装置的主要设计思路是通过两个步进电机及相关机械结构组成一个二维坐标系,通过单片机控制可将激光器移动到坐标系内的任意一点并射出激光束,然后由点到线,由线到面对冷轧辊钢板进行毛化处理，整体设计框图如图2.1所示。电源模块LCD12864LED指示灯Cortex-M3按键电路蜂鸣器 步进电机2直流电机步进电机1丝杠导轨主轴丝杠导轨 尾座 卡盘激光器 图2.1 整体设计框图2.2设计方案的可行性分析1.技术可行性。本装置采用STM32作为控制核心,STM32是ARM公司推出的一款32位微控制器,体积小,性能稳定,并且提供官方库,极大的缩短了开发周期,硬件主要使用步进电机来搭建坐标系,使用STM32作为控制器控制步进电机十分简单。只需要使用STM32的一个IO口即可控制激光器,经过上述分析,该设计在技术上是可行的。2.经济可行性。本设计采用的STM32和步进电机、12864液晶屏等主要硬件,具有成本低,工作电压低,功耗低等特点。而且系统机构简单,开发周期短,人员经济支出不高。软硬件均采用模块化设计的思想,使得后期维护简单且维护成本较低。2.3 本章小结本章主要介绍了该课题的研究背景以及设计方案的选择，同时从技术实现和经济上对该课题进行了可行性分析，最后得出结论，该设计方案是可行的。第三章 系统硬件设计方案3.1 机械结构的设计本装置的机械结构由主体框架和工作台两部分组成，主体框架为整个装置提供了支撑，而工作面上则是放置一些加工工具如：卡盘、尾座、激光器等。3.1.1 机械框架的设计与制作机械结构的主体框架首先由PROE软件画出装配图，如图3.1。然后使用规格为20*20mm的花管铝型材搭建出实物的框架，由于该铝材是使用铝合金经3D打印而成，所以质量较轻，便于运输。并且将表面氧化为银白色，不仅形象美观，而且抗腐蚀和抗摩擦效果较好。图3.1 机械框架装配图3.1.2 卡盘和主轴的安装该装置使用规格为K11-80的三爪自定心卡盘作为冷轧辊的夹持工具，夹持范围为2-63mm，卡盘和主轴相连接，主轴的支架则固定在工作面的亚克力板上，因此卡盘和主轴安装尺寸的确定是一个比较重要的步骤，其安装尺寸直接影响到主轴和电机的连接。为保证精度，首先使用Auto CAD制图软件绘制出工作面上所有部件的安装尺寸以及定位孔等。然后用激光雕刻机在亚克力板上雕刻出底板固定在工作面上，并将主轴支架通过定位孔固定在亚克力板上。固定好卡盘及主轴后以同样的方式固定步进电机，该步进电机作为动力装置通过同步带和主轴相连，如图3.2所示。图3.2 卡盘安装示意图3.1.3 丝杠导轨和电机的安装该课题设计的冷轧辊毛化装置中使用的丝杠导轨如图3.3所示，丝杠外径为8mm,有效行程为300mm,导程为2mm，非常适合一些精度较高的运动控制，并且配有长80mm,宽30mm的滑台，可以搭载一些工具。 图3.3丝杠导轨实物图该装置中用到两组丝杠导轨，其中一组用于搭载尾座，如图3.3。向卡盘方向移动滑台，当尾座上的顶针和冷轧辊之间形成一定的压力时，便可以起到固定冷轧辊的作用，否者在旋转的过程中容易导致冷轧辊因为没有固定紧而发生晃动，从而导致毛化不均匀。当需要更换冷轧辊时，仅仅需要将尾座向反方向移动一定距离即可。 图3.3 尾座安装实物图该装置中另一组丝杠导轨用于搭载激光器，激光器放置在亚克力板制作的底座上，然后调整好焦距后将底座固定到滑台上，如图3.4。两组丝杠导轨的尺寸、型号均相同。丝杠导轨和电机之间通过联轴器连接，如图3.5。由于搭载尾座的丝杠导轨对精度要求不高，所以使用直流电机作为动力装置；而搭载激光器的丝杠导轨是通过程序来确定坐标，需要单步移动且精度要求较高，因此选用步进电机作为动力装置，如图3.6所示。图3.4 激光器安装实物图 图3.5 联轴器实物图 图3.6 电机连接实物图3.2 硬件电路设计本装置的硬件电路主要由单片机控制系统、液晶屏驱动电路、按键电路、电源电路、步进电机驱动电路、直流电机驱动电路组成。3.2.1单片机选型目前市场上的单片机种类繁多,发展迅速,从最开始的4位单片机发展到8位以及现在32位的各种高性能单片机,粗略统计可达几十个系列,几百个品种。这些单片机在时钟频率、内存容量、外设资源上各有特点。其中,由ST厂商推出的STM32系列微控制器,是一种性价比很高的单片机,使用ARM Cortex-M3内核,具有丰富的外设资源,在功耗和集成度方面也做的十分不错,由于以上这些优点,本课题最终选用STM32作为主控制器，具体型号为STM32F103ZET6，如图3.7。图3.7 STM32F103ZET6 STM32是一款中低端的32位ARM微控制器。芯片内置512K大容量Flash存储器64K的RAM，具有丰富的外设资源如定时器,CAN总线,ADC,DAC,SPI,I2C,USB,串口等多种功能，它具有体积小、性能强、供电方便、可靠性高的优点。并且内部集成了调试系统,在很大程度上方便了用户的开发和调试。3.2.2 STM32最小系统单片机最小系统是一个控制系统的基础也是最核心的部分，最小系统包括微控制器、时钟震荡电路、复位电路、电源电路等。STM32系列单片机的时钟系统比较复杂，一般有四个时钟源，分别是高速外部时钟、高速内部时钟、低速外部时钟和低速内部时钟，如表3.1所示。当STM32刚上电时，由于内部高速时钟起振较快，STM32会优先使用内部高速时钟，等待STM32启动后再通过软件将时钟源配置为高速外部时钟源。表3.1 STM32的时钟源时钟源时钟频率特点高速外部时钟(HSE)416MHz通常选用频率为8MHz的晶振，优点是比较稳定。高速内部时钟(LSE)8MHz该时钟是由内部RC振荡器产生的时钟，起振速度快但是不稳定。低速外部时钟(HSI)32.768KHz主要用于RTC供电。低速内部时钟(LSE)40KHz由内部 RC 振荡器产生，主要提供给实时时钟模块。复位电路是单片机控制系统不可缺少的一部分，复位电路的主要作用是将单片机内部所有的寄存器置为初始状态，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从确定的状态开始工作，单片机系统常用的复位方式是按键复位。按键复位即人为在RST引脚加上低电平。一般采用的办法是在VCC和GND之间串联一个10K的电阻和0.1uF的电解电容，将电解电容上的电平接到单片机的复位引脚，然后在电解电容两端并联一个轻触开关，正常情况下RST引脚为高电平，单片机正常工作。当按键被按下，电解电容短路，两端电压为零，RST引脚为低电平，单片机复位。按键复位的电路如图3.8所示，由于人的动作再快也会使按钮保持接通达数十毫秒，所以，完全能够满足复位的时间要求。图3.8 按键复位电路稳定的供电是整个控制系统稳定的基础，本设计中采用24V直流开关电源作为系统的总电源，然后经过多级分压，得到12V、5V和3.3V的电压。24V电压主要用于步进电机和主轴电机的供电，12V电压则是用于尾座直流电机的供电，5V和3.3V的电压则是分别用于液晶屏和微控制器的供电。这些结构清晰的电源结构为整个系统的稳定提供了有力的保障。该设计中采用LM2596模块降压，图3.9为模块实物图。该模块使用国产优质的LM2596芯片，输入电压范围为直流3V至40V，通过旋转模块上的可调电位器即可输出直流1.5V至35V的连续可调电压，效率高，同时发热量小，适用于一些传感器供电，单片机系统供电等对电源纹波的要求很高的场合。图3.9 LM2596降压模块实物图3.2.3 STM32的启动方式与其他单片机不同，STM32有三种启动方式，当芯片重启时，BOOT引脚的值会在系统时钟的第4个上升沿被锁存，因此用户需要在芯片重启之前按照需要设置好BOOT0和BOOT1引脚的状态，具体启动方式见表3.2。表3.2 STM32三种启动模式启动模式选择引脚启动模式 说明BOOT1BOOT0 X 0主闪存存储器从用户闪存启动，这是正常的工作模式 0 1系统存储器从系统存储器启动，这种模式启动的程序功能由厂家设置。 1 1内置SRAM从内置SRAM启动，这种模式可以用于调试。3.2.4 步进电机驱动电路步进电机是一种专门用于速度和位置精确控制的特种电机，它转动是以固定的角度（步距角）一步一步运行的，故称步进电机。步进电机的精度较高，且不累积，具有低噪音、低发热、运行平稳、加速性能好的特点。经过综合考虑，本设计选用一款42系列两相步进电机，电源电压为12-36V，步距角为1.8度，如图3.9所示。 图3.10 步进电机实物图使用TB6560模块驱动步进电机，如图3.11，该模块工作电压为直流10V-35V，本装置使用24V直流开关电源供电。模块内置6N137高速光藕，可以保证高速不失步，同时内置低压关断、过热停车及过流保护电路，以保证最优性能。模块有自动半流功能，静止时电流自动减半，可以减少电机自锁发热量。对步进电机的细分可选择整步，半步，1/8步，1/16步，最大16细分。 图3.11 TB6560模块一个驱动模块可以驱动一个步进电机，接线图见图3.12。控制器和模块连接需要3根线，其中两根用于控制使能端和电机方向，另一根从STM32输出脉冲到模块。该模块不仅使步进电机驱动变得简单而且节省了单片机的资源，该驱动器的接口及其功能见表3.2。 表3.2 TB6560驱动器接口接线端名称 含义 +24V，GND 电源正负端 A+，A-电机A相 B+,B- 电机B相CLK+,CLK-脉冲正负端CW+,CW-方向正负端EN+,EN-使能正负端 图3.12 TB6560模块接线图TB6560模块是一种能使步进电机运转的功率放大器，能把控制器发来的脉冲信号转化为步进电机的角位移，电机的转速与脉冲频率成正比，所以控制脉冲频率可以精确调速，控制脉冲数就可以精确定位，其工作原理见图3.13。图3.13 步进电机驱动器工作原理图3.2.5直流电机驱动电路设计在本设计中直流电机和丝杠导轨相连接，当直流电机转动时，丝杠导轨上的滑台随之移动，因而带动尾座运动。直流电机虽然使用简单，但是选型过程却要多方面综合考虑，比如扭矩、工作电压、电流，额定功率等参数。经过分析，最终选择了一款12V的减速直流电机，空载转速可达600rpm，其实物图见图3.14 图3.14 直流电机实物图使用L298N模块驱动直流电机，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。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机等感性负载。采用标准逻辑电平信号控制，具有两个使能控制端。模块可以使用内置的78M05通过驱动电源部分取电工作，但是为了避免稳压芯片损坏，当使用大于12V驱动电压的时候，一般使用外置的5V逻辑供电。模块使用大容量滤波电容，续流保护二极管，大大提高了可靠性，其原理图如图3.15。当ENA 使能，IN1、IN2 控制 OUT1、OUT2，当ENB使能，IN3、IN4控制OUT3、OUT4。 图3.15 L298N模块原理图3.2.6 12864液晶屏驱动电路设计 LCD12864是一种点阵屏，该模块内置汉字库和RAM缓冲区，实物图如图3.16。每行可以显示8个汉字或16个字母，一共可以显示4行。STM32以并口方式与其连接，如图3.17。 图3.16 LCD12864实物图 图3.17 LCD12864接口电路3.2.7 按键电路的设计 在单片机系统中，按键是一种常用的外设，根据接线方式可分为独立按键和矩阵键盘两种。查询按键是否按下一般通过轮询或中断的方式。按键本质是一种触发条件，单片机通过检测IO口电平状态的变化，判断是哪一个键按下，然后执行相应的任务，执行完后回到主程序。单片机控制系统中，如果需要按键数量较少，可采用独立式按键结构。独立按键的特点是一个按键占用一个I/O口，电路比较简单。如图3.18所示，当按键按下时，相应的IO口电平被拉低，单片机通过查询IO口状态即可知道哪一个按键被按下。 图3.18 独立按键电路原理图机械式按键按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定的时间触点机械抖动，然后触点才稳定下来，如图3.19。抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为5-10ms。在触点抖动期间检测按键的通与断，可能导致判断出错，即按键一次按下或释放错误的被认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取消抖措施。按键较少时，可采用硬件消抖；按键较多时，采用软件消抖。 图3.19 按键触点机械抖动示意图3.3 本章小结本章主要以功能模块的形式介绍了该课题中需要用到的硬件及其工作原理，使得整个系统的硬件结构一目了然，一方面为个人后续设计提供了方便，另一方面也可以帮助读者快速了解该装置。第四章 系统软件设计4.1 软件开发环境介绍MDK 即RealView MDK 或MDK-ARM，如图4.1。是 ARM 公司收购Keil公司以后，基于uVision界面推出的针对ARM7、ARM9、Cortex-M0、Cortex-M1、Cortex-M2、Cortex-M3、Cortex-R4等ARM处理器的嵌入式软件开发工具。Keil公司开发的ARM开发工具MDK，集成了业内最领先的技术。适合不同层次的开发者使用，包括专业的应用程序开发工程师和嵌入式软件开发的入门者。MDK包含了工业标准的Keil C编译器、宏汇编器、调试器、实时内核等组件，支持所有基于ARM的设备,不仅易学易用，而且功能强大，能够满足大多数苛刻的嵌入式应用。图4.1 MDK开发环境4.2 程序整体执行流程软件编写按照模块化的编程思想将整个驱动软件分为几个部分，分别是液晶显示模块、按键处理模块、主轴控制模块、尾座控制模块以及激光头滑台控制模块。当系统一上电，首先会初始化所有外设，然后微控制器等待按键按下触发外部中断，然后根据按下的按键来进行相应的操作。具体流程见图4.2。开始 LCD12864初始化电机状态初始化按键初始化 设备初始化完成检测按键是否按下 否 是功能键菜单键开始停止激光器移动尾座进退主轴转停取消确定返回菜单光标下移光标上移 图4.2 程序整体流程图4.3 步进电机驱动程序设计STM32产生一路PWM作为脉冲输入模块的CLK。该脉冲的频率不同，步进电机的转速也不同。STM32的定时器有输出PWM的功能，因此首先要设计定时器PWM输出程序，如图4.3。开始配置并使能PWM输出对应的GPIO打开GPIO时钟，定时器时钟设置定时器自动装载寄存器的值设置定时器时钟预分频寄存器的值设置定时器为向上计数模式使能PWM输出功能 结束 图4.3 定时器PWM输出程序流程图本装置使用TB6560驱动模块驱动42步进电机，要使步进电机以不同的步距角转动，关键在于向TB6560模块的CLK引脚输入不同频率的脉冲。下面是定时器输出PWM的具体代码：/*定义结构体*/TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; /*选择定时器模式，TIM脉冲宽度调制模式2*/TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2;/*比较输出使能*/TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;/*输出比较极性低*/TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_Low;/*根据结构体信息进行初始化*/TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); /*使能定时器TIM2在CCR2上的预装载值*/TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable); 上述代码配置脉冲计数器TIMx_CNT为向上计数，而重载寄存器TIMx_ARR被配置为N，即TIMx_CNT的当前计数值数值X在TIMxCLK时钟源的驱动下不断累加，当TIMx_CNT的数值X大于N时，会重置TIMx_CNT数值为0重新计数。而在TIMxCNT计数的同时，TIMxCNT的计数值X会与比较寄存器TIMx_CCR预先存储了的数值A进行比较，当脉冲计数器TIMx_CNT的数值X小于比较寄存器TIMx_CCR的值A时，输出高电平（或低电平），相反的，当脉冲计数器的数值X大于或等于比较寄存器的值A时，输出低电平（或高电平）。如此循环，得到的输出脉冲周期就为重载寄存器TIMx_ARR存储的数值(N+1)乘以触发脉冲的时钟周期，其脉冲宽度则为比较寄存器TIMx_CCR的值A乘以触发脉冲的时钟周期，即输出PWM的占空比为 A/(N+1) 。4.4 LCD12864驱动程序设计LCD12864主要用来显示系统的一些状态信息，系统上电后液晶屏首先显示开机画面然后进入菜单选项，等待按键按下，如图4.3。每当按键按下，液晶屏就会更新一下显示状态。LCD12864的驱动程序主要由写数据、写指令、忙检测、延时函数等几个函数组成。4.4.1 忙检测每次对LCD12864进行写数据或写指令时都必须要先读一下忙标志位，如果处于非忙状态可以写入内容。如果处于忙状态，就不能对12864执行写操作。程序流程如图4.4。开始RS=0RW=1EN=0延时2usEN=1 读取忙标志位 EN=0结束 图4.4 忙检测程序流程图4.4.2 写数据在LCD12864驱动程序中，写时序是经常被使用的一个操作。我们可以通过这个操作向模块写指令或数据。具体流程如图4.4。开始busy=1 YESRS = 1RW = 0 NOEN= 1写入指令EN=0结束图4.4 写数据程序流程图 4.4.3 延时函数延时函数比较简单，一般使用系统滴答定时器实现。定时器产生一个时基，然后在该时基的基础上叠加即可得到任意数值的延时，流程图如图4.5。结束配置定时器时钟 给LOAD寄存器赋初值清空计数器 设置为向下计数模式 读CTRL寄存器时间到达？ 否 是清空计数器 图4.5 延时函数4.5 按键响应程序设计4.5.1 按键消抖程序按键消抖主要有两种方案：一是延时重采样；二是持续采样。从理论上来说，延时（如10ms）重采样的准确率肯定低于持续采样,但是使用简单。这里本人采用的是延时采样。程序流程图如下：开始 有键按下下？ 否 延时510ms 是读取IO口电平状态，再次判断是否有键按下 图 4.5 按键消抖4.5.2 轮询检测一般检测按键是否按下有两种方式：轮询检测和中断响应。轮询检测的原理较为简单，即每隔一段时间读取一下按键对应的IO口的输入电平状态，本设计中有部分按键采用轮询检测的方法。 4.5.3 外部中断STM32的外部中断控制器由20个产生中断请求的边沿检测器组成，每个输入线可以独立地配置输入类型(脉冲或挂起)和对应的触发事件(上升沿或下降沿或者双边沿都触发)。每个输入线都可以独立地被屏蔽。挂起寄存器保持着状态线的中断请求。虽然STM32中每一个GPIO都可以触发一个外部中断，但是GPIO的中断是以组为单位的，如图4.5。同组间的外部中断同一时间只能使用一个。比如说，PA0，PB0，PC0，PD0，PE0，PF0，PG0这些为1组，如果我们使用PA0作为外部中断源，那么别的就不能够再使用了，在此情况下，我们只能使用类似于PB1，PC2这种末端序号不同的外部中断源。每一组使用一个中断标志EXTIx。EXTI0 EXTI4这5个外部中断有着自己的单独的中断响应函数，EXTI5-9共用一个中断响应函数，EXTI10-15共用一个中断响应函数，STM32通过NVIC实现对中断的控制。图4.5外部中断通用IO映像STM32可支持68个中断通道，已经固定分配给相应的外部设备，每个中断通道都具备自己的中断优先级控制字节PRI_n(8位，但是STM32中只使用4位，高4位有效)，每4个通道的8位中断优先级控制字构成一个32位的优先级寄存器。68个通道的优先级控制字至少构成17个32位的优先级寄存器。 4bit的中断优先级可以分成2组，从高位看，前面定义的是抢占式优先级，后面是响应优先级。按照这种分组，4bit一共可以分成5组。第0组：所有4bit用于指定响应优先级； 第1组：最高1位用于指定抢占式优先级，后面3位用于指定响应优先级；第2组：最高2位用于指定抢占式优先级，后面2位用于指定响应优先级； 第3组：最高3位用于指定抢占式优先级，后面1位用于指定响应优先级； 第4组：所有4位用于指定抢占式优先级。所谓抢占式优先级和响应优先级，他们之间的关系是：具有高抢占式优先级的中断可以在具有低抢占式优先级的中断处理过程中被响应，即中断嵌套。当两个中断源的抢占式优先级相同时，这两个中断将没有嵌套关系，当一个中断到来后，如果正在处理另一个中断，这个后到来的中断就要等到前一个中断处理完之后才能被处理。如果这两个中断同时到达，则中断控制器根据他们的响应优先级高低来决定先处理哪一个；如果他们的抢占式优先级和响应优先级都相等，则根据他们在中断表中的排位顺序决定先处理哪一个。每一个中断源都必须定义2个优先级，使用外部中断的基本步骤如下： 1.设置好相应的时钟；2.设置相应的中断； 3.IO口初始化； 4.把相应的IO口设置为中断线路（要在设置外部中断之前）并初始化； 5.在选择的中断通道的响应函数中中断函数。4.6 本章小结本章主要对照着硬件的功能模块，对软件进行模块化设计，从软件设计的角度介绍了各个模块的工作原理，使得读者更进一步的了解该装置，也为自己梳理了思路。第五章 实物制作与调试5.1 实物制作流程本人经过对本课题的深入了解及可行性分析最终设计了实物一份。该实物由本人独立完成，主要流程如下：1. 分析需求，将功能模块化。2. 设计控制板原理图及PCB图并制作电路板。3. 购买元器件，制作控制板，然后进行一些电气测试防止其出现短路等情况。4. 搭建机械机构，如安装电机及主轴等。5. 将外设和控制板通过预留的接口连接。6. 编写代码，调试设备。5.2 实物调试与功能测试5.2.1 所遇问题及解决办法虽然该装置实现的功能并不复杂，但是在实际制作的过程中却遇到了不少问题，现整理如下：1.装置中所用线路均由杜邦线连接，导致稳定性不高且可维护性差，一旦出现短路或者断路情况，要找出问题费时费力，为了方便后期维护，最终经过改进设计出了第二代，将控制板替换为PCB板，这样大大提高了系统的稳定性和可维护性。2.用机械接触式继电器控制激光器的通断，但是由于激光器导通或开启瞬间，峰值电流较大，导致控制系统受到干扰，最终使用固体继电器代替，成功过滤掉了干扰。3.采用LCD12864作为显示屏并设计了二级菜单，但是二级菜单经常会卡顿，通过串