RTV胶的自动加注系统.doc

xx理工大学本科毕业设计摘 要本文阐述了RTV胶的自动加注系统的实现过程。该系统利用成熟的单片机技术，以微控制器AT89C51作为主要控制器件，并通过扩展相关的外围电路以及采用模块化的软件设计完成了能够实现胶的精确自动加注和批量生产的系统。该系统硬件主要包括MCU模块、步进电机驱动模块、液晶显示模块、键盘模块等几个模块。该系统的软件主要由主模块、数据采集模块、控制模块、显示模块及控制输出模块等几个部分组成，主模块为核心，管理其他几个子模块。设计完成的系统可以对工厂零件的RTV胶的加注进行自动控制。通过液晶显示屏实时显示当前操作的动作信息。关键词：单片机 步进电机 自动控制 RTV胶AbstractThis paper elaborates the design process of the RTV glue self-motion infuse system. This system uses mature Single-chip technology and Microcontrollers AT89C51 as the main control device. Achieve the system which chould add agglutinant precisely and automatically through the expansion of the related circuits, and the use of modular software design .The hardware system includes: MCU module,Stepper motor drive module, liquid crystal display module, keyboard module and so on.The software system includes the main module, control module, display module ,the output module and other several parts. The main module was the core which managed the others sub-module.The design system is completed the automatic adding of RTV glue to the factory parts . Through the LCD screen shows real-time information which how to operate the action.Key words: Single-chip Stepping Motor Automatic Control RTVgluewater长春理工大学本科毕业设计目 录目 录I绪 论11.1 国内外发展现状11.2 本系统研究的意义和主要内容11.3 系统应用背景21.3.1 RTV胶概述21.3.2 灌胶工件4第二章 系统硬件电路设计62.1 系统组成62.2 系统核心AT89C5162.2.1 AT89C51简介62.2.2 系统端口分配82.3 步进电机概述82.3.1 反应式步进电机工作原理102.4 器件选型介绍112.4.1 步进电机的选用112.4.2 显示器的选用112.4.3 驱动器的选用122.5 电机驱动电路设计122.6 LCD显示模块电路设计132.6.1 液晶与AT89C51的I/O连接132.6.2 显示设置142.7 键盘设计部分152.8 二维运动系统工作台的设计16第三章 系统软件设计183.1统开发软硬件环境183.2整机初始化自检模块193.3 采用字符点阵液晶模块的显示模块软件流程203.4 步进电机控制模块软件流程203.4.1 单片机控制步进电机加减速运行规律203.4.2 步进电机实现X/Y方向行程233.4.3 步进电机软件流程图25第四章 系统集成调试274.1 系统硬件调试274.2 软件调试27结 论28致谢29参考文献30附录31II长春理工大学本科毕业设计绪 论1.1 国内外发展现状这一设备的研究在国内已有先例，目前市场上的大型灌胶机品种较多，功能也十分完善，但价格昂贵，功能方面已经远超过工厂现在的简单灌胶要求，现在工厂里的灌胶机是老式灌胶机，灌胶头是固定不动的，它只能依靠手动控制运动来完成对零件表面的灌胶，而无法实现对内腔、圆周及其它特殊的平面曲线的灌胶，更无法适应对数量较多的电子管集成线路板的灌胶，因此这种灌胶机在使用上有一定的局限性。在国外，目前日本三洋己经研制了一种灌胶机，它在微机系统的控制下能够对新型微波炉的内腔和面板四周一圈自动灌封。但是，其价格昂贵，而且灌胶机中所用的一些需要定期更换的附件，目前在国内市场上是买不到的，这就造成机子在使用过程中的维修，保养及附件更换不方便的现实问题。而且这种灌胶机只能用日本的胶进行灌封，日本的胶不仅要比国产的胶贵好几倍，而且购买也不方便，这样就造成生产成本成倍的提高，产品的价格相应的上升，产品的市场竞争力就下降了。1.2 本系统研究的意义和主要内容通过对国内外研究现状的了解，设计研制我们自己的灌胶设备对满足工厂内的灌胶封装要求是非常必要的。随着微电子技术、电子计算机技术的迅速发展，以及智能化程度的提高，集成电路技术的发展和进一步完善，在汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造、家用电器、军事、医疗、航空航天等工业领域，自动灌胶机设备将被广泛的应用在自动化生产线上，以实现对电子部件、混合集成电路、变压器、高低压电源、线圈、继电器、传感器、电气开关、仪器仪表等进行灌封。以便保证电子元器件、电控板及其它仪表的良好的电气性能、化学稳定性、机械性能、导热性、绝缘性、阻燃性、以及粘接、抗震、抗老化等。现在设计研制的这种自动灌胶机系统在研制过程中采用了步进电机、单片机、自动计量系统以及其他一些系统，实现了系统的自动化和设计的柔性化。本灌胶机研制成功后将对工厂内电子元件、线路板等的灌封生产效率有本质的提高。由于胶量易于控制，可减少胶的浪费，而且经处理的胶不会出现烂胶现象，利用这种灌胶机将能对线路板及曲线实现自动灌封，从而解决了以往工人手工灌胶胶量难以控制，质量难以保证，到处滴胶等问题，而且本机的适应性强，国产的大部分胶都可以用，从而使得灌封的线路板的质量得到了保证，工人的生产环境得到了改善，胶的利用率大大提高，生产效率成倍增加，生产成本大大降低。而且本机工作可靠，操作方便，便于维护。1.3 系统应用背景1.3.1 RTV胶概述1.3.1.1 组成分类有机硅是分子结构中含有硅元素的高分子合成材料，一般指聚硅氧烷而言，包括硅油、硅橡胶、硅树脂、硅烷偶联剂四大门类几千个品种牌号。有机硅是二次大战期间作为飞机、火箭的特殊材料使用而发展起来的，经过六十多年的开发研究，现在己成为一类几乎到处都可使用的材料，其原因是出于其独特的结构和优异的性能。世界上著名的有机硅生产厂商有：美国的道康宁公司，通用电气公司，联合碳化公司德国的拜耳公司和瓦克尔化学公司；日本的信越化学公司等。我国的有机硅研究和生产始于五十年代，发展很快。现在，主要生产厂家有江西星火有机硅厂、吉林化学工业公司电石厂、浙江新安江集团、中蓝晨光化工研究院、上海树脂厂等。另外，在广东、江苏、浙江等省以生产有机硅聚合产品或制品为主的工厂增长迅速。目前我国不仅有机硅单体的产量已成规模生产，而且有机硅下游产品的品种和产量都在日益增多。硅橡胶是聚硅氧烷最主要的产品之一。由以si-o-si键为骨架的硅氧烷构成，具有良好的耐候、耐热、耐寒性及电器性能等特点。硫化前为高摩尔质量的线型聚硅氧烷，硫化后成为网状结构的弹性体。在所有橡胶中，硅橡胶具有最广的工作温度范围(-100+350)，耐高低温性能优异。硅橡胶具有优良的热稳定性，在-60+260内，不仅能保持一定的柔软性、回弹性和表面硬度，机械性能无明显变化，而且还能抵抗长时间的热老化，并且具有优良的电绝缘性、耐候性、耐臭氧和透气性，而且无毒无味。一些特殊结构的硅橡胶，还具有优异的耐油、耐溶剂、耐辐射以及在超高低温下使用等特性。硅橡胶按其产品形态及硫化机理，可分为如图1-1所示的几种类型。硅橡胶按其硫化温度，可分为高温加热硫化型及室温硫化型两类；按产品形态及混配方式可以分为混炼硅橡胶及液体硅橡胶两类；按其交联反应机理又可分为有机过氧化物引发型、缩合反应型及加成反应型三类。图1-1 硅橡胶的分类1.3.1.2 室温硫化硅橡胶RTV胶又叫室温硫化硅橡胶，室温硫化硅橡胶通常为轻基或乙烯基封端的、分子量在18万之间的直链聚硅氧烷，又称为液体硅橡胶。室温硫化硅橡胶是六十年代问世的一种新型的有机硅弹性体，这种橡胶的最显著特点是在室温下无须加热、即可就地固化，使用极其方便。因此，一问世就迅速成为整个有机硅产品的一个重要组成部分。液体硅橡胶以其品种众多、性能优良、适应性强及使用方便等而博得人们青睐，虽然它们的开发历史较短，但发展速度则超过了混炼型硅橡胶，它是有机硅聚合产品中最为活跃的一个领域。现在室温硫化硅橡胶己广泛用作粘合剂、密封剂、防护涂料、灌封和制模材料，在各行各业中都有它的用途。室温硫化硅橡胶一般包括缩合型和加成型两大类。加成型室温胶是以具有乙烯基的线性聚硅氧烷为基础胶，以含氢硅氧烷为交联剂，在催化剂存在下于室温至中温下发生交联反应而成为弹性体。它具有良好的耐热性、憎水性、电绝缘性，同时由于活性端基的引入，使其具有优异的物理机械性能，尤其是在抗张强度、相对伸长和撕裂强度上有明显的提高。它适用于多种硫化方法，如辐射硫化、过氧化物硫化及加成型硫化，广泛用于耐热、防潮、电绝缘、高强度硅橡胶制品等方面。缩合型室温硫化硅橡胶是以硅羟基与其他活性物质之间的缩合反应为特征，于室温下即可交联成为弹性体的硅橡胶，产品分为单组分包装和双组分包装两种形式。单组分室温硫化硅橡胶(简称RTV-1胶)是缩合型液体硅橡胶中主要产品之一。通常由基础聚合物、交联剂、催化剂、填料及添加剂等配制而成。产品包装在密封软管中，使用时挤出，接触空气后能自行硫化成弹性体，使用极为方便。硫化胶能在-60+200温度范围长期使用，具有优良的电绝缘性能和化学稳定性，能耐水，耐臭氧，耐气候老化，对多种金属和非金属材料有良好的粘接性。主要用作各种电子元器件及电气设备的涂覆，包封材料绝缘、防潮、防震；作为半导体器件的表面保护材料；也可作为密封填隙料及弹性粘接剂等。双组分室温硫化硅橡胶(简称RTV-2胶)使用上没有RTV-1胶方便，但其组分比例富于变化，一个品种可以得到多种规格性能的硫化制品，而且还能深度硫化，因而被广泛用于电子电器、汽车、机械、建筑、纺织、化工、轻工、印刷等行业作绝缘、封装、嵌缝、密封、防潮、抗震及制作辊筒的材料。此外，由于RTV-2具有优异的脱模性，因而作为软模材料大量用于文物、工艺品、玩具、电子电器、机械零件等的复制与制造。此外，RTV胶大量用作建筑物接缝密封，玻璃粘接及密封，如玻璃幕墙以及高层建筑等新型建筑形式的粘接密封等，也用于公路及机场跑道接缝密封，轻质复合屋顶材料及电缆通道阻燃密封等；在医疗卫生行业，主要用做各种假体、印模材料等。1.3.2 灌胶工件工件的图形如图1-2，它的中间黑色部分是需要注入RTV胶的槽，它深3mm、宽3mm。注入RTV胶后在它的上面扣一个密封盖子，在其中间需要密封的是一块电路板，密封后可以防止其他的气体、液体进入腐蚀电路板影响电路的使用性能。图1-2 工件示意图在往槽内注入胶的时候，X电机先转动使胶头按照直线方向行进，把X方向的槽均匀注入胶，走过到固定距离后进行转弯处的注胶，这时两个电机一起转动，使胶头走出圆弧的曲线，把圆弧形槽处注胶，走过90后，X电机停止转动，Y电机再转动固定的圈数，将Y轴方向的槽均匀注入胶，然后再进行下一个90转弯处槽的胶浇注。31第二章 系统硬件电路设计2.1 系统组成根据RTV胶的自动加注系统的设计要求，整个系统由电源，显示，单片机（MCU），按键电路和电机驱动电路组成。系统中采用并行控制，用单片机接口线直接连接步进电机各相驱动电路，由单片机发出信号控制步进电机，然后根据起始的位置和步距角及丝杆的传送比确定CPU发出的脉冲个数，X轴和Y轴需要各用一个电机，负责完成注胶头的横向与纵向的直线运动及转弯的运动。AT89C51单片机步进电机灌胶头键盘真空泵电磁阀气缸LCD显示计量缸电磁阀驱动器图2-1 系统总体框图2.2 系统核心AT89C512.2.1 AT89C51简介单片机从诞生至今己经产生了许多种，新品种的也是层出不穷，从最初INTEL的MCS-51和PIC系列，以及最近推出的AVR，ARM等，品种繁多，功能各异。但是就目前来说，51系列的单片机仍是许多设计的首选，特别是ATMEL公司的89系列单片机，运用更是广泛。而且各种技术参考资料相对也较多。通过对本设计所需资源的分析，选用ATMEL公司的8位单片机AT89C51作为主控芯片。它的片内含可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和随机存取数据存储器（RAM）。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，这些使AT89C51成为一强劲的微型计算机。它为许多嵌入式控制应用提供了高度灵活和低成本的解决方法。AT89C51提供以下标准功能：4KB可编程Flash存储器（可擦写1000次）；128字节RAM；32条I/O引线；两个16位可编程定时器/计数器；6个中断源；1个全双工一个串行通讯口；片内振荡器。AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM、定时/计数器、串行通信口及中断系统继续工作。掉电保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。主要性能如下：1.与MCS-51产品指令系统完全兼容；2.4K字节可重擦写Flash闪速存储器；3.耐久性：1000写、擦除； 4.全静态操作：0-24MHz；5.三级加密程序存储器；6. 1288字节内部RAM； 7.32个可编程I/O口线；8.两个16位可编程定时器/计数器；9.6个中断源；10.可编程串行UART通道；11.低功耗空载和掉电方式；引脚功能: P0口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在FIash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。FIash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。 P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器时，P2 口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL逻辑门电路。对P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2-2所示：表2-2 P3引脚第二功能端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外中断0）P3.3/INT1（外中断1）P3.4T0（定时计数器0外部输入）P3.5T1（定时计数器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）2.2.2 系统端口分配1.P0.0-P0.7：输出步进电机控制信号到步进电机驱动器，用于控制步进电机。2.P1.0-Pl.1：键盘接口。3.P2.0-P2.7：接LCD显示数据口 4.P3.0-P3.3：接LCD控制口。详细接线见附录系统原理图。2.3 步进电机概述步进电机又称脉冲电机或阶跃电机，国外一般称Step motor或Stepping motor。目前，随着电子技术、控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统电机分类间的界面越来越模糊。就传统的步进电机来说，步进电机可以简单地定义为：根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度或长度，若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机。从广义上讲，步进电机是一种受电脉冲信号控制的无刷直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与脉冲频率同步的同步电动机。步进电机具有其自身的特色，归纳起来有：1直接接收数字信号，不必进行数模转换，使用方便；2位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可以要求更高精度时组成闭环控制系统；3无刷，电动机本体部件少，可靠性高；4易于起动、停止、正反转及变速，响应性也好；5停止时，可有自锁功能；6步距角选择范围大，可在几十角分至180度大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在较低速下以高转矩运行，因而可以不经减速器直接驱动负载工作；7速度可以相当宽范围内平滑调节。同时用一台控制器控制几台步进电机可使它们完全同步运行；8不能直接使用普通的交流电源驱动；步进电动机的种类很多，从广义上讲，步进电机的类型分为机械式、电磁式和组合式三大类型。按结构特点电磁式步进电机可分为反应式(VR)、永磁式(PM)和混合式(HB)三大类；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。目前使用最为广泛的为反应式和混合式步进电机。(1)反应式步进电机（VR）反应式步进电机的转子是由软磁材料制成的，转子中没有绕组。它的结构简单，成本低，步距角可以做得很小，但动态性能较差。反应式步进电机有单段式和多段式两种类型。(2)永磁式步进电机（PM）永磁式步进电机的转子是用永磁材料制成的，转子本身就是一个磁源。转子的极数和定子的极数相同，所以一般步距角比较大。它输出转矩大，动态性能好，消耗功率小(相比反应式)，但启动运行频率较低，还需要正负脉冲供电。(3) )混合式步进电机（HB）混合式步进电机综合了反应式和永磁式两者的优点。混合式与传统的反应式相比，结构上转子加有永磁体，以提供软磁材料的工作点，而定子激磁只需提供变化的磁场而不必提供磁材料工作点的耗能，因此该电机效率高，电流小，发热低。因永磁体的存在，该电机具有较强的反电势，其自身阻尼作用比较好，使其在运转过程中比较平稳、噪声低、低频振动小。这种电动机最初是作为一种低速驱动用的交流同步机设计的，后来发现如果各相绕组通以脉冲电流，这种电动机也能做步进增量运动。由于能够开环运行以及控制系统比较简单，因此这种电机在工业领域中得到广泛应用。由于本设计的设计目的更注重整个系统的有机结合，所以只采用反应式步进电机。2.3.1 反应式步进电机工作原理 图2-3是反应式步进电机结构示意图，它的定子具有均匀分布的八个磁极，磁极上绕有绕组，两个相对的磁极组成一组。反应式步进电机的工作原理是利用了物理上的“磁通总是力图使自己所通过的路径的磁阻最小”所产生的磁阻转矩，使电机一步步转动。以四相反应式步进电机为例。图2-3 四相步进电机步进示意图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。其通电顺序分别为：四相单四拍：A-B-C-D-A；四相双四拍：AB-BC-CD-DA-AB；四相八拍：A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。电机正反转控制：当电机绕组通电时序为AB-BC-CD-DA时为正转，通电时序为DA-CA-BC-AB时为反转。单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序分别如图2-4 a、b、c所示：四相单四拍在换相瞬间可能导致相电流的缺失从而影响系统工作的稳定性，其余两种方式在任何时刻至少有一相通电，避免了这样的问题；步进电机在两相通电时力矩较大，大约是单相的1.4倍。四相双四拍可以取得最大的驱动力矩，但其牺牲了一定的定位精度。四相八拍步距角是7.5度，是单四拍与双四拍的一半，正转1圈需要360/7.5=48个脉冲，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度，由于系统对与电机的周期稳定性有很高要求，因此系统中采用的是四相八拍的运行方式。a. 单四拍 b. 双四拍 c八拍图2-4 步进电机工作时序波形图2.4 器件选型介绍2.4.1 步进电机的选用由前面介绍的步进电机的运行性能可知，步进电机在工作时只能在电机的启动频率范围内起动。微机控制步进电机系统除必须保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率、步进电机的步距角a和机械系统匹配得到合适的脉冲当量占外，还必须考虑在负载情况下，步进电机频率变化。在选用步进电机时，先估算出机械系统的负载惯量和机械系统所要求的启动频率，使之与步进电机的矩频特性相匹配并具有一定的余量，而且要使最高连续工作频率能满足工作台快速移动的要求。步进电机在选用时应考虑以下几个关键问题：1.转动惯量；2.定位转距；3.最大静转距；通过以上这些参数的分析来判断我们所选的步进电机是否符合系统的实际运行要求。考虑到本系统的机械结构、精度要求及灌封时间，选择35BY48S03型步机电机。表2-535BY48S03型步机电机参数型号步距角相数电压电流电阻最大静转距定位转距转动惯量35BY48S037.54120.264718065 2.52.4.2 显示器的选用在数据显示方面，由于系统的显示量大，同时从实现方便性和经济性考虑，因此采用了1602字符液晶模块作为显示界面，它微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，是单片机应用设计中最常用的信息显示器件。1602可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0-D7，和RS、R/W、EN三个控制端口，工作电压为5V，并且带有字符对比度调节和背光，液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，有阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的，系统功率消耗低，满足系统长期连续不间断工作的要求。2.4.3 驱动器的选用L298是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。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；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和步进电动机、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。使用L298芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，可以直接通过电源来调节输出电压；并可以直接用单片机的I/O口提供信号；由L298组成的步进电机控制电路使用元件少，组件的损耗低，可靠性高，体积小。而且电路简单，使用比较方便。 2.5 电机驱动电路设计由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件, 它不能直接接到交直流电源上, 而必须使用专用设备-步进电机控制驱动器。典型步进电机控制系统如图2-6所示，电机驱动电路如图2-7，控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几十千赫兹可以连续变化的脉冲信号, 它为环形分配器提供脉冲序列。图2-6 典型步进电机控制框图环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输人端，以驱动步进电机的转动。环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环分器要求的功能，通常称软环形分配器，另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称为硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机目的。L298 芯片是一种高压、大电流双全桥式驱动器，设计是为接受标准TTL 逻辑电平信号和驱动电感负载的，例如继电器、圆筒形线圈、直流电动机和步进电动机。具有两抑制输人来使器件不受输入信号影响。每桥的三级管的射极是连接在一起的, 相应外接线端可用来连接外设传感电阻。为防止电机产生的反向感应电压烧毁芯片，所以在电机输出端接二极管。图2-7 电机驱动电路2.6 LCD显示模块电路设计2.6.1 液晶与AT89C51的I/O连接LCD是液晶显示器的英文名称的缩写，它是一种被动式的显示器，即液晶本身并不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性达到显示的目的。功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多，同时抗干扰能力强。LCD按排列形状可分为字段型、点阵字符型和点阵图形型。点阵字符型液晶显示模块是专门用来显示字母、数字、符号等点阵型的液晶显示模块。它由若干个5X7或5X10点阵组成，每一个点阵显示1个字符。本系统显示采用的1602点阵字符型显示器，芯片工作电压：4.55.5V，工作电流：2.0mA(5.0V)，能够同时显示1602即32个字符（16列2行），液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，就能看到字母“A”。1602采用标准的16脚，与单片机的I/O接口：第1脚：VSS接电源地；第2脚：VDD接5V电源正极；第3脚：VEE为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高；第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。接单片机的P1.0口；第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。接单片机的P1.1口；第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。接单片机的P1.2口；第714脚：D0D7为8位双向数据端。接单片机的P3口；第15脚：背光正极；第16脚：背光负极。液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块显示字符位置。2.6.2 显示设置1602基本操作时序表：图2-8 读操作时序图2-9 写操作时序显示模式设置：0011 0000 0x38 设置162显示，57点阵，8位数据接口。显示开关及光标设置：0000 1DCB D显示(1有效)、C光标显示(1有效)、B光标闪烁(1有效)。0000 01NS N=1(读或写一个字符后地址指针加1 &光标加1)，N=0(读或写一个字符后地址指针减1 &光标减1)。S=1，N=1 (当写一个字符后，整屏显示左移)S=0 当写一个字符后，整屏显示不移动。数据指针设置：数据首地址为80H，所以数据地址为80H+地址码(0-27H，40-67H)。其他设置：01H(显示清屏，数据指针=0，所有显示=0)；02H(显示回车，数据指针=0)。图2-10 显示模块电路图2.7 键盘设计部分键盘是按其结构形式可分为非编码键盘和编码键盘。编码键盘采用硬件方法产生键码。每按下一个键，键盘能自动生成键盘代码，键数较多，但硬件较复杂。非编码键盘仅提供按键开关工作状态，每个按键各接一根输入线，通过检测输入线的电平状态可以判断哪个按键被按下。其键码由软件确定，这种键盘键数较少，硬件简单。独立式键盘相互独立，每个按键占用一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其他按键的工作状态。在独立键盘电路中，各按键都采用上拉电阻，这保证了在按键断开时，各I/O口有确定的高电平。这种按键软件程序简单，适用于键盘应用数量较少的系统中。I/O状态皆为高电平，则表示无键闭合；I/O状态中有低电平则表明有键闭合。本系统中需要的按键较少，采用的两个独立式按键即可满足系统操作的要求。按键1接P1.1口，按键2接P1.0口，如图2-11。图2-11 独立式按键电路2.8 二维运动系统工作台的设计二维工作是自动灌胶机系统的执行部件，它主要由上下两层组合而成，见图2-12所示。各层结构均有丝杠副与直线滚动导轨副组成。运动由步进电机经联轴器传给丝杠2，使与滚动螺母3相连接的滑板4沿导轨的承导件5移动。上层导轨的底板与下层导轨的滑板连接在一起，使上层导轨随下层导轨的滑板一起移动，上层导轨的滑板还可以沿其本身的导轨移动，从而使与滑板相连接的灌胶头6实现二维运动。夹持灌胶头的底座7是固定在上层导轨的滑板4上，依靠切口部分的弹性螺钉将其固定。为了保证灌胶系统在灌胶过程中的可靠性和提高滚珠滚动副的定位精度，在每层导轨的的两侧安装了零位传感器8，从而保证了滚珠丝杠的零位准确，并大大减少了螺距累积误差对灌胶质量的影响。通过滚珠丝杠可以将步进电机的旋转运动转化成直线运动，滚珠丝杠和滑板的相对位移为： （2-1）其中：-丝杠或螺母的位移； -螺距； -螺旋线头数； -丝杠和螺母的相对转角；工作台设计采用了以步进电机、自线导轨副和滚珠丝杠副为主体的二维运动装置，具有结构紧凑、运动灵活、量程大、精度高等优点。图2-12 二维测量系统工作台第三章 系统软件设计3.1统开发软硬件环境Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，它增加了源代码功能、导航器功能、模板编辑和改进的搜索功能。与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解，在开发大型软件时有高级语言的优势。C51工具包的整体结构如图3-1所示，其中uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发时可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，或直接写入程序存贮器如EPROM中。 图3-1 C51工具包的整体结构软件框架设计，软件中主模块是管理模块，设计考虑因素有：1）系统资源的合理使用，例如中断资源，内部存储器的寄存器资源。2）在实现功能的前提下，保证程序的简化和优化，减少调试工作量。 3）系统集成调试，分为硬件调试和软件调试，硬件的调试侧重于原理的正确性验证和印刷电路板的工艺性错误的检测：软件的调试重于子模块的功能验证与模块的接口配合。3.2整机初始化自检模块开机或复位后，系统首先进行整机初始化处理。初始化模块完成对本系统硬、软件的初态设置，自检指系统在上电时对控制器的部分器件进行检测，看其工作是否正常，该单片机系统在上电时主要对各种存储器进行自检，包括89C51的内部RAM、外部RAM、EEPROM、显示控制器。整机初始化完成后，将表首数据(运行频率)放入定时器中，并开定时器中断，然后判断是不是需要调用EPROM子程序，将灌胶对象的参数送CPU，如果不要则系统进入灌胶子程序;如果需要则调用键盘子程序并将参数保存在EEPROM中，同时调用计算子程序将每一段的具体运行频率及步数送入表中，然后进入灌胶子程序。整机初始化流程框图如图3-2图3-2 整机初始化流程框图CPU模块、步进电机驱动模块、液晶显示模块、键盘模块为独立模块。CPU模块为主模块，管理其他3个子模块，这4个模块均为实模块，而软件模块为虚模块，它存储于CPU的程序存储器中，其作用就是监视和控制系统的运行状态。将程序烧入CPU ，系统上电后复位，对LCD1602进行初始化，由AT89C51扫描键盘接口有无输入，判断输入信号的内容，采集到输入信号后，将输入信号种类进行显示的同时根据输入的控制信号输出电机的控制信号到驱动电路，由步进电机的驱动电路控制电机的各种动作。3.3 采用字符点阵液晶模块的显示模块软件流程显示模块软件流程图如图3-3。图3-3 显示模块软件流程图单片机复位后进行LCD的初始化，设置显示的格式：清屏，设置显示初始位置，设置显示模式：8位子行5X7点阵显示光标右移，显示开，光标不显示，不闪烁。初始化后由键盘控制步进电机的启动，同时根据操作的内容调用相应数组的内容送显示。3.4 步进电机控制模块软件流程3.4.1 单片机控制步进电机加减速运行规律一般情况下，步进电机的极限起动频率较低，系统要求的灌胶速度要快，即要求的运行频率比较高，如果系统以要求的速度直接起动，可能会发生丢步或根本不能运行的情况，因为要求的运行速度即频率己经超过起动频率而造成电机不能正常工作。同样系统运行起来后，如果到达终点时突然停发脉冲令其停止，由于系统惯性的原因，灌胶头会继续往前冲过终点的现象。因此在灌胶开始时，程序要有一个加速过程，结束时要有一个减速过程，才能保证系统的正常平稳运行。步进电机不能以系统要求的速度即频率起动，必须以步进电机的极限起动频率或更小的频率起动，步进电机才能正常工作。因此灌胶系统的运行速度有一个加速、恒速、减速的过程。在本系统中采用了自线规律的加减速，用单片机控制步进电机的加减速实际上是改变输出脉冲的频率。在加速时脉冲频率逐渐增加，从极限起动频率一直到恒速运行所需的频率；在减速时脉冲频率逐渐降低，从恒速运行的频率一直降到极限起动频率。因此有必要分析系统的加减速度运行规律及确定运行加速度值。3.4.1.1 加速度值的确定图3-4 步进频率、脉冲序列和时间序列的关系图步进电机的转速常用每秒数或每秒脉冲数来表示。加速度常用步.秒来表示。单片机控制步进电机系统中，步进电机在线性加速条件下，加速中的速度指令、脉冲序列P和时间序列t的关系如图3-4所示。图中为恒速运行频率；为负载条件下的起动频率；为非零频率起动时的初值。在力学上，加速与减速的运动形态是一致的，但对于控制问题来说，由于步进电机的加速和减速特性有差异，加速运行时步进电机的起动力矩非常值，在计算和分析加速过程的值时要一并考虑。在图3-4中，a、b、c和d表示步进电机在线性加速运行一步情况下的运行频率和时间间隔所包络的梯形面积。从图中的线性加速段能看出下列的关系存在： （3-1） （3-2）式中：-步进电机加速度；-起动时的步进频率在线性加速时，从t=0到t=运行的总步数是一定值，假设为m由于横轴是时间坐标，纵轴是步进电机的步进频率坐标，则有如下的关系成立： （3-3）解方程(3-1)(3-2)能得到脉冲时间定时 （3-4）在微机控制步进电机系统中，线性加速后进入恒速运行，假定从第m个脉冲(脉冲编号为m-l)开始恒速运行，取则由式(3-1)可得：则由式(3-4)可得：解上述联立方程可得： （3-5）将式3-2代入式3-5可得： （3-6）解这个关于的二次方程并求有效值可得: （3-7）在已知m、的情况下就可以得到值了。微机控制步进电机时，加速过程和减速过程的具体实现要靠微机在一定的时刻发送一定的脉冲来实现，从而需先计算出加速度，然后推算出脉冲定时和脉冲间隔。利用上面的公式在步进电机行程较短，升速运行的步数不是很多m小于10情况下控制起来可靠、方便。但当升速段的步数大于10时，利用每一步都改变脉冲频率的方法来加速和减速就不方便了。因此在升速段的步数大于10的情况下，将加速段和减速段分成几段，在每一段改变频率的方法来实现。在该系统中加减速段的行程为15mm，步进电机每一步所对应的直线位移量即脉冲当量可由下式确定： （3-8）式中：-脉冲当量值C-丝杆螺距-步距角在该系统中丝杠的螺距c为5mm，步距角为0.72，则由式3-8可得步进电机每一步所对应的位移量为10um。则在加速段微机需发的脉冲个数可由下式确定： （3-9）式中：x-步进电机行程已知x为15mm、为10um则可得加速段所需的步进脉冲数为1500个，将其分成5段，则每一段的脉冲数是300个。通过改变每一段的频率就可以实现加速过程和减速过程了。3.4.2 步进电机实现X/Y方向行程灌胶机是要对如图3-5所示的曲线进行灌封。图3-5 灌胶曲线示意图步进电机走X、Y两个方向就可以实现对一封闭曲线进行灌胶了。分别由X、Y两个方向的步进电机控制两个方向的导轨的移动来带动导轨上的灌胶头的运动。单片机控制X方向的步进电机沿正方向到灌胶零位，灌胶零位在方向的中点(取该点是为了使灌胶起始和结束的重合点处于不显眼的位置)，到灌胶零位后等待进一步的灌胶命令，接到灌胶命令后灌胶头沿X正方向、Y正方向、X反方向、Y反方向、X正方向的循序按加速、匀速、减速对每一段实现灌胶。通过控制单片机系统的输出脉冲的频率的大小来控制步进电机的加速、平稳运行、减速运行速度，从而实现对灌胶速度的控制。在软件上可以查表结合定时器来实现升降频控制，即速度的控制。首先将各段运行频率常数及步进脉冲数依序存入表中，在开始运行后，将表首数据(运行频率)放入定时器中，待第二次时钟中断到来时送一个步进脉冲，同时将表中下一个数据即下一段的频率常数送入定时器中，这样重复至升至最高运行频率，然后将最高频率常数送定时器，保持最高频率运行到要减速时反查表送数据。图3-6 升降频控制程序框图圆弧段的灌胶实现起来相对复杂一点。对于圆弧段而言，可以采用一个方向的步进电机减速，另一个方向的步进电机同时加速的方法来实现。当然也可以利用走阶梯步的方法，即一个方向的步进电机先走一段然后停止，然后另一方向的步进电机再走一段后停止的方法来实现，只要每段的长度足够小就可等效于走圆弧了。虽然后一种方法编程实现起来比较容易，但考虑到步进电机的起动特性较差(起动频率较低)的特点，如果用阶梯步的方法来实现，会造成灌胶速度大大减慢，影响灌胶效率。因此我们选用第一种方法来实现对圆弧段的灌胶。对于有圆弧段是这样来实现灌胶的：第一步、灌胶头到初始灌胶零位；第二步、X正向加速运行，然后匀速运行；第三步、走第一个圆弧，X正方向步进电机开始减速，同时Y方向步进电机正向加速运行；第四步、Y方向步进电机正向匀速运行；第五步、走第二个圆弧，Y方向步进电机正向减速运行，X方向步进电机反向加速运行；第六步、X方向步进电机反向匀速运行；第七步、走第三个圆弧，X方向步进电机反向减速运行，同时Y方向步进电