单片机原理及应用系统设计第13章--激光绘图仪控制系统课件

1、第13章 激光绘图仪控制系统单片机原理及应用系统设计本章主要内容12项目基本介绍3 系统硬件设计项目方案论证45上位机软件设计系统调试及运行结果13.1.1项目简介13.1.2 项目背景13.2 项目方案论证13.3.1 步进电机驱动电路13.3.2 步进电机基本原理13.3.3 控制系统驱动电路13.3.4 滚珠丝杆的选择13.3.5 绘图仪支架的搭建13.4.1 易语言简介13.4.2 易语言编辑软件介绍13.4.3 易语言与单片机通讯13.5.1 下位机程序调试13.5.2 系统调试问题13.5.3 系统测试本章主要内容13.1.1项目简介本项目设计了一个两轴的平面激光绘图仪。本系统以S

2、TC15为核心控制机，通过操纵步进电机，控制激光笔和纸的移动实现绘图效果。系统由上位机和下位机两部分组成。单片机（下位机）通过接收PC机（上位机）软件的绘图信息，控制步进电机形成X方向和Y方向的移动来完成图形的绘制。本设计还包括绘图仪硬件电路部分和软件部分。硬件电路部分包括绘图仪外形尺寸设计，丝杠的选择，导轨副的选择及步进电机的选择等。根据设计要求确定绘图仪的尺寸，通过计算选取丝杠以及滚动导轨。根据总转动惯量来选取步进电机及步进电机驱动，主芯片的选择和各种辅助电路设计。软件部分包括主控程序设计，XY方向移动的程序设计等。13.1.2 项目背景绘图仪是一种输出图形的硬拷贝设备。绘图仪在绘图软件的

3、支持下可绘制出复杂、精确的图形，是各种计算机辅助设计不可缺少的工具。绘图仪的性能指标主要有激光笔数、图纸尺寸、分辨率、接口形式及绘图语言等。绘图仪一般是由驱动电机、插补器、控制电路、绘图台、笔架、机械传动等部分组成。绘图仪除了必要的硬设备之外，还必须配备丰富的绘图软件。只有软件与硬件结合起来，才能实现自动绘图。软件包括基本软件和应用软件两种。绘图仪的种类很多，按结构和工作原理可以分为滚筒式和平台式两大类。13.1.2 项目背景20世纪50年代在美国诞生第一台计算机绘图系统，开始出现具有简单绘图输出功能的被动式的计算机辅助设计技术。60年代初期出现了绘图的曲面技术，中期推出商品化的计算机绘图设备

4、。70年代，完整的绘图仪系统开始形成，后期出现了能产生逼真图形的光栅扫描显示器，推出了手动游标，图形出入版等多种形式的图形输入设备，促进了绘图技术的发展。80年代，随着强有力的超大规模集成电路制成的微处理器和存储器件的出现，工程工作站问世，绘图技术在中小型企业逐步普及。80年代中期以来，绘图技术向标准化，集成化，智能化方向发展。一些标准的图形接口软件和图形功能相继推出为绘图技术的推广，软件的移植和数据共享起了重要的促进作用；系统构造由过去的单一功能变成综合功能，出现了计算机辅助设计与辅助制造联成一体的计算机集成制造系统；固化技术，网络技术，多处理机和并行处理技术在绘图仪控制系统中的应用，极大的

5、提高了绘图系统的性能。13.1.2 项目背景绘图仪种类很多，按结构和工作原理可以分为滚筒式和平台式两大类：滚筒式绘图仪。当X向步进电机通过传动机构驱动滚筒转动时，链轮就带动图纸移动，从而实现X方向运动。Y方向的运动，是由Y向步进电机驱动笔架来实现的。这种绘图仪结构紧凑，绘图幅面大。但它需要使用两侧有链孔的专用绘图纸。平台式绘图仪。绘图平台上装有横梁，笔架装在横梁上，绘图纸固定在平台上。X向步进电机驱动横梁连同笔架，作X方向运动；Y向步进电机驱动笔架沿着横梁导轨，作Y方向运动。图纸在平台上的固定方法有3种，即真空吸附、静电吸附和磁条压紧。平台式绘图仪绘图精度高，对绘图纸无特殊要求，应用比较广泛。

6、按照绘图方式可分为笔试和喷墨两种：笔式绘图仪，用过激光笔将纸样绘制在纸上，绘图时，绘图纸会来回的滚动所以对绘图纸张的要求就稍微高些。喷墨绘图机是利用墨水将线条喷在纸上，有特制和使用HP通用喷头两种，由于是单方向的走纸，于是对纸张的要求就不是很高，如此绘图仪磨损也较小使用寿命更长。激光绘图仪一般是由驱动电机、插补器、控制电路、绘图台、笔架、机械传动等部分组成，绘图仪除了必要的硬设备之外，还必须配备绘图软件，只有软件与硬件结合起来，才能实现自动绘图。方案一：滚轴式绘图仪。当Y向步进电机通过传动机构驱动滚轴转动时，链轮就带动图纸移动，从而实现Y方向运动，X方向的运动，是由X向步进电机驱动笔架来实现的

7、。步进电机开环系统有着结构简单、成本低廉、可靠易行的优点，但无法消除干扰所带来的误差。13.2 项目方案论证方案二：平台式绘图仪。绘图平台上装有横梁，笔架装在横梁上，绘图纸固定在平台上，X向步进电机驱动横梁连同笔架，作X方向运动，Y向步进电机驱动笔架沿着横梁导轨，作Y方向运动，图纸在平台上的固定方法有3种，即真空吸附、静电吸附和磁条压紧。考虑到效率和经济，及实现的难易程度，选择方案一。13.2 项目方案论证13.3 系统硬件设计激光绘图仪系统硬件电路设计主要包括：STC-15单片机系统、步进电动机驱动电路、激光驱动电路、串口通讯电路以及绘图仪外壳的搭建。X-Y绘图仪的机械特性主要包括平台、X/

8、Y坐标尺h 和Ly、X/Y传动丝杠驱动坐标尺的步进电动机Mx/My、激光笔、控制器等，如图13-1所示。图13-1 系统总体结构图平台是用于固定绘图纸的台面。两个坐标尺可在绘图区域内双向运动，激光笔位于两坐标尺的交点（PEN）处，XY坐标尺的位置确定了激光笔的位置，可用（X，Y）坐标对来表示其位置。激光笔的抬起和落下用继电器控制。传动丝杠实现步进电动机到坐标尺之间的传动，将步进电动机的旋转角度转换为坐标尺的直线运动。 单片机的作图命令通过通信接口发送给控制器(单片机最小系统)，控制器将命令进行分析，并调用相应的绘图子程序。该程序的功能是驱动X和Y方向上的步进电动机，使两个坐标尺按规律地移动，将

9、画笔移至要求的位置。13.3 系统硬件设计L298N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；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，

10、也可以驱动两台直流电机。 13.3.1 步进电机驱动电路其特点如下： （1）具有信号指示 （2）转速可调 （3）抗干扰能力强 （4）具有过电压和过电流保护 （5）可单独控制两台直流电机 （6）可单独控制一台步进电机 （7）PWM脉宽平滑调速 （8）可实现正反转 （9）采用光电隔离13.3.1 步进电机驱动电路13.3.2 步进电机基本原理两相四拍工作模式时序图如表13-1所示。 表13-1 步进电机换向表13.3.2 步进电机基本原理 （1）控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。例如： 两相四线步进电机的四拍工作方式，其各相通电顺序为(A-B-A-B)依次循环。通电控制脉冲必须严格按照这一

11、顺序分别控制A、B相的通断。 两相四线步进电机的八拍工作方式，其各相通电顺序为(AABBBAAABBBA)。出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用八拍工作方式)。 （2）控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。如：正转通电顺序是：（ABAB依次循环。）则反转的通电顺序是：（BABA依次循环。） （3）控制步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。 【注意】如果脉冲频率的速度大于了电机的反应速度

12、，那么步进电机将会出现失步现象。13.3.2 步进电机基本原理 （1）控制换相顺序通电换相这一过程称为脉冲分配。例如： 两相四线步进电机的四拍工作方式，其各相通电顺序为(A-B-A-B)依次循环。通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B相的通断。 两相四线步进电机的八拍工作方式，其各相通电顺序为(AABBBAAABBBA)。出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用八拍工作方式)。 （2）控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。如：正转通电顺序是：（ABAB依次循环。）则反转的通电顺序是：（BABA依次循环。） （3）控制

13、步进电机的速度如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。 【注意】如果脉冲频率的速度大于了电机的反应速度，那么步进电机将会出现失步现象。13.3.3 控制系统驱动电路 激光绘图仪控制系统主要由步进电机进行两维平面的控制。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）。步进电机最大特点是：通过输入脉冲信号来进行控

14、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。 1.步进电机的驱动电路 根据控制信号工作，控制信号由单片机产生，步进电机驱动收到信号来驱动步进电机工作，进一步来调节XY轴的运动，实现激光雕刻的目的。如图13-2所示，步进电机驱动激光绘图仪的XY轴运转。图13-2 步进电机的驱动电路图电机驱动L298N实物图如图13-3所示： 2. 激光驱动电路本设计采用的是250W的大功率激光管，其主要是射出红外点状射线，通过旋转激光管头部的聚焦镜，使其在一个平面内聚焦，在偏深色的物体上灼烧后留下痕迹。其工作电路图如图13-4所示。 图13-4 激光驱动电路13.3.4 滚珠丝杆的选择

15、 各厂家滚珠丝杆型号表示方式不一，但常规规格丝杆型号有四位数组成前两位代表丝杆直径，后两位代表丝杠旋转一圈横向移动的距离如2005代表丝杠直径为20毫米，旋转一圈横向行程5毫米。本系统由于对图片打印精度要求较高，因此选用精密程度较高的丝杆，便于控制，其实物如图13-5所示。图13-5 步进电机及丝杠其规格如下：丝杆长度：90mm滑块行程：80mm丝杆直径：3mm丝杆螺距：0.5mm（一步移动0.025mm ，如需更小可以采用细分驱动）步距角：18/step 直线行进的速度最大每秒25mm13.3.4 滚珠丝杆的选择 考虑到激光绘图仪的轻便性与经济型以及丝杆移动方向，本设计DIY搭建绘图仪的外壳

16、。设计思路有如下三种方案： （1）采用联动型固定激光管在X轴上使其能左右移动，再把本部分装载在可前后移动的丝杆上，使其带动激光管沿着XY轴双方向移动。这种设计的优点是行程可以做的很大，缺点是加工速度大的时候不稳定，精度达不到要求。 （2）采用全动型用两个电机分别控制X轴Y轴的移动，将激光管固定在可以左右移动的X轴上，用步进电机前后移动带动底板移动为Y轴，分别移动达到XY平面移动效果。这种方法的缺点是行程小，但是加工精度高，步进电机运动稳定。符合本设计系统运动要求。 （3）应用三角形稳定性原理，本设计X轴丝杆的控制设计成三角形，以使步进电机在运动过程中的稳定。13.4 上位机软件设计 13.4.

17、1 易语言简介 易语言是一门计算机编程语言。以“易”著称，以中文作为程序代码表达的语言形式。易语言的创始人是吴涛。早期版本的名字为E语言。一款全中文全可视跨平台的编程工具，由大连大有吴涛易语言软件开发有限公司设计开发的，它的特点是全中文化，入门要求低，几乎只要懂得使用计算机和文字输入的人都可以进行程序设计，而且它的开发语言也是全中文的、生活化，这在今后的学习中会深刻体会到它的“易”。13.4.2 易语言编辑软件介绍 易语言本身也是一个程序，所以易语言的打开方式和我们以往学习的软件打开方式一样，在正常安装易语言的前提下，我们可以通过以下二种方法打开易语言的设计窗口： （1）在桌面上直接双击易语言

18、图标 打开； （2）可以通过“开始菜单”程序易语言5.3版； （3）易语言程序运行后，可以看到如下图所示的新建对话框，可以根据需要选择相应的功能模块进行操作。点击新建出现图13-6窗口，选择Windows窗口程序，进入如图12-7窗口便可实现对上位机的编写。图13- 6 新建程序窗口图13-7 易语言工作环境此时只需要在工作窗口中编辑程序，然后运行编译，便可把编辑的程序封装成软件。（1）易语言和单片机通信，采用串口方式，在易语言中，我们选择端口组件，如下图13-8鼠标按下并且显示提示的组件。13.4.3 易语言与单片机通讯图13-8 端口选择13.4.3 易语言与单片机通讯（2）之后设计一个需

19、要的界面，界面中计划发送两个数据序列，分别为10101010和01010101，用来控制单片机上的8个发光二极管的发光和关闭（因为在单片机中，通过给对应的管脚发送0和1来控制高低电平，也就可以控制线路的通断，达到控制的效果），同时希望用程序来模拟显示出当前发光二极管的工作状态，于是在程序动态生成了8个标签，分别代表8个发光二极管，在程序中，发送数据到单片机，让单片机把收到的数据完整地返回给计算机，这样计算机收到的数据和单片机收到的数据一致，就可以完全仿真出当前单片机的工作状态。 系统中规定标签背景为红色代表对应的发光二极管发光，界面上放置有端口组件和两对编辑框和发送按钮以及模拟标签，端口组件的

20、属性设置可以保持默认，即端口号为1，波特率为9600，这些设置需要根据计算机的硬件控制，比如串口线连接在哪个串口上了，默认连接在计算机的第一个串口上则设置为1，波特率的设置需要根据单片机的晶振计算，同时单片机代码和计算机的代码中波特率设置要一致，本例中统一设置为9600，设计的界面如图13-9所示。13.4.3 易语言与单片机通讯图13-9 编辑窗口（3）通过如图13-10代码，可以生成8个模拟标签图13-10 代码截图（4）运行后，生成标签如下图13-11所示。图13-11 运行图标（5）下面就要编写发送数据的代码，代码如下，分别通过两个按钮发送两个整数170和85，因为170对应的二进制为

21、10101010，85对应为01010101，易语言发送数据无法直接发送二进制，所以发送对应的十进制数据即可，发送代码如图13-12所示。11.3 PCA模块的工作模式与应用图13-12 程序截图（6）现在已经可以运行程序，通过点击两个按钮发送数据，只需要在单片机中进行简单的程序编写便可以看到单片机上的发光二极管有点亮的过程，如图13-13所示。图13-13 系统工作流程13.5.1 下位机程序调试 通过置位CCAPMn寄存器的ECOM和MAT位，可使PCA模块用作软件定时器（上图）。 为了调试系统能够正常工作，将编写好的程序下载到单片机，首先通过串口调试助手向单片机发送信号，程序中编辑的单片机每收到三个字节的数据便会向上位机回一个0同时可将发送的前两个字节合成数组的地址，最后一个字节赋值给这个地址，打开窗口调试助手，向单片机任意发送三个字节的数据，成功收到一个0，如图13-14所示，串口通讯成功。 13.5 系统调试及运行结果 图13-14 串口通讯在解决了串口通讯问题之后，需要继续调试，是否可以控制程序打开激光头，激光头由数组Z57控制，需要向单片机发送