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标题

基于单片机的小型终端二维位移系统设计

范文

刘晓伟邹春龙邓小雯何松涛

摘?要：二维位移系统是许多精密设备的重要部件，广泛应用于精密机械及自动化领域。随着制造业对精度和效率的要求越来越高，精密激光加工设备的工作平台、电子元件贴片机等设备对二维位移系统提出了小型化无线终端化新需求。本课题设计了基于单片机的二维位移系统，通过蓝牙UART串口通信实现无线终端控制。系统可实时显示位移和插补类型，具有限位和报警功能。测试验证该小型无线终端位移系统各项工作状态良好、精度高成本低，可推广至大部分终端设备上并实现控制，具有很高的应用价值和前景。

关键词：位移系统;单片机;插补;终端

中图分类号：TB?????文献标识码：A??????doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.36.069

近几年精密位移系统发展较快，其结构形式主要包括：以压电材料作为驱动器的微动工作台，采用双四杆移动关节加位移放大机构，主要侧重于运动解耦，动态响应速度研究。此类平台精度处于微纳米级别，但工作空间小，材料和制造成本较高，精度余量较多。另一类代表性位移系统，采用粗精两级驱动形式，粗级为交流伺服电机配合精密丝杠和直线导轨进行驱动，精驱动采用压电陶瓷配合柔性铰支进行驱动，每个方向的两级驱动共用一个计量光栅。其解决了行程和精度限制问题，但控制系统复杂和成本昂贵。这类系统大部分采用PC端控制，位移系统工作台面与过程监测距离较远。综上设计一种小型化无线终端化二维位移系统。

1?二维位移系统总体设计

1.1?二维位移系统工作台

二维位移系统的机械部分，主要由丝杠、支撑滑块、直线导轨、工作平台、底座及联轴器等零部件构成。底座支撑系统的平稳运行;移动滑块连接直线导轨及精密丝杠;工作平台放置待加工元器件，其行程200mm*200mm;丝杠将角位移量转化为轴向进给。联轴器用于连接丝杠和伺服电机传递扭矩。位移工作台如图1所示。

1.2?控制设计及接口

本课题采用STC89C52RC单片机，运行速度高，相比同系列产品功耗和资源占用更低，抗外部干扰能力强，其指令系统与传统的 MCS-51 单片机一致。内部结构主要分为 Flash程序存储器、RAM 数据存储器和 SFR 特殊功能寄存器。位移系统将单片机P0 口作为液晶显示屏的数据口，连接外加排阻作为上拉，用于将要显示的字符串写入液晶显示中;P1、P2、 P3口分别用于驱动控制信号的输出连接，键盘控制口和双向控制信号输入输出。其中P3.0 和 P3.1作为蓝牙通信串口读写引脚，接口电路图如图2所示。

位移系统采用无线终端控制微处理器，单片机通过光耦隔离板连接伺服电机位移控制，微动开关限制位移。系统方案如图3所示，UART串口中断与手机蓝牙终端通信，设置终点坐标插补类型并显示位移。外部中断服务函数0/1和限位微动开关，实现极限位置的检测，停止进给与报警。液晶显示屏显示终端给定终点和位移过程等;光耦隔离板隔离控制信号防止电磁干扰，伺服系统连接精密丝杠控制位移。

2?终端通信设计

2.1?蓝牙模块选型

目前小型终端设备已集成较多的外接模块，其中蓝牙模块广泛地应用与无线数据传输中，其信号传输稳定，抗干扰能力较强，易实现数据加密。蓝牙模块指集成无线蓝牙通信功能的电路集合元件。系统采用SPP-CA蓝牙模块。该蓝牙模块支持UART串口通信和终端蓝牙串口协议，其中UART-TX引脚连接RXD引脚;UART-RX引脚连接TXD引脚。

2.2?UART串口中断控制

当蓝牙模块接收到上位机，单片机接收数据并存入SBUF暂存，接收完后，通过判断接收起始标志位“#”，将接收字符存入蓝牙暂存数组blue[i]，并开始计数字符数，当接收字符为9时，清零计数，并调用蓝牙字符串拆字函数，接收字符串格式为“#（xx，yy）Z”，蓝牙拆字函数chaizi（）中，将蓝牙数组中的2，3，5，6位字符分别赋值给输入数组shu_ru[]并显示，判断插补类型并赋值给插补类型暂存标志位flag_g_value;清零X，Y轴进给量x_jing，y_jing，并確认实际插补类型并赋值标志位flag_g，将shu_ru[]数组值赋值给终点位置x_finish，y_finish;调用象限判断函数，启动T0定时器中断，调用进给判断函数，工作台进给，流程如图4所示。

3?系统测试验证与结论

该位移系统通过蓝牙UART串口通信实现无线终端控制，可实时显示工作台位移和实时插补类型，具有限位和报警功能，如图5（a）和（b）所示。按照位移系统的功能要求，测试工作台的插补功能和位置精度。测试过程图5（c）和（d）：工作台由起点位置（0，0），经直线插补（0，0）->（0，40），后进行圆弧插补（0，40）->（40，0），直线插补（40，0）->（40，40），到对角线位置，最后由斜线插补（40，40）->（0，0），回到起点位置（0，0），开环精度<1mm。位移系统上位机可扩展至手机、平板等终端设备，二维位移系统功能完善，可用于小型精密仪器设备，在精密制造测量等领域具有广泛的应用前景。

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