線掃描運動控制平臺設計

丁偉，秦懷宇

（江蘇科技大學江蘇張家港215600）

線掃描運動控制平臺設計

丁偉，秦懷宇

（江蘇科技大學江蘇張家港215600）

基于單片機微控制器，利用數字控制系統的直流電機脈寬調制技術，實現了高精度、可非線性調速的線掃描運動控制平臺，成功為后續的線掃描系統提供機械模塊。該設計可通過按鍵實現控制直流電機的啟動、停止、正反向控制，分別用5個等級的占空比來對應表征五級速度，實現了直流電機的加減速，且采用LCD實現數據顯示。

線掃描；單片機；直流電機；脈沖寬度調制

機器視覺檢測技術［1］是近年來發展起來的一種新興質量檢測技術，主要用計算機來模擬人的視覺功能，將信息從客觀事物的圖像中提取出來進行處理并加以理解，最終用于實際的檢測、測量和控制。隨著產品的尺寸的加大，在提高產能和檢測效率的前提下，傳統的面陣掃描［2］已經無法滿足這些要求的問題。由此，線掃描檢測技術［3］應運而生。

線掃描檢測技術是機器視覺檢測技術中發展較快、前景較廣的一個分支。線掃描運動控制系統［4］是專門為線掃描相機配備的運動控制平臺，每一臺線掃描相機能夠取得理想中的圖像效果都離不開運動控制平臺的緊密配合。在一定程度上，運動控制平臺設計的好壞直接決定了線掃描檢測系統是否能夠完成所需的檢測要求［5］。

目前，在實際應用中，運動控制平臺的成本基本高于線掃描相機系統的成本，都具有高精度、高速、高效率的特點，設備部件的選用要求嚴格［6］。文中重點研究一種易實現、造價低、要求稍低的運動平臺的控制方法，以達到滿足實驗模擬要求的目的。文中主要研究基于數字控制系統的直流電機脈寬調制技術、采用單片機微控制器利用直流電機實現高精度、可非線性調速的線掃描運動控制平臺。該設計可通過按鍵實現控制直流電機的啟動、停止、正反向和加減速控制，且采用LCD實現數據顯示。

1　直流電機脈寬調制技術

脈沖寬度調制［7］是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。PWM調速作為一項新概念的調速技術，目前不論是在同步電機還是異步電機的調速方面，PWM調速都是眾多調速方式的佼佼者。PWM調速克服了變極調速是有極調速，對于不需平滑調速的場合就無法使用的缺點，也克服了變轉差調速效率低的缺點，與交_交變頻電路的變頻過程比較，多了一個使PWM電路更具靈活性的直流轉換過程［8］。

總的來說PWM變頻調速技術調速靈活，在一定范圍內可實現恒力矩輸出，調速的范圍寬，是一種相當適合工程應用使用的調速方式，而且其本身的技術也在不斷的革新中，隨著PWM技術的不斷改進，它的應用的范圍也將不斷的擴大。

2　線掃描運動控制平臺設計

2.1設計指標

本文主要通過STC12C5A60S2單片機產生脈寬可調的脈沖信號并輸入到L298N驅動芯片來控制直流電機的的加速、減速、正轉、反轉工作。主要包含輸入、控制和速度顯示三大模塊。其中，輸入模塊是利用獨立式鍵盤來實現對直流電機的加速、減速、正轉、反轉和啟動、停止控制；控制模塊：主要由STC12C5A60S2單片機和部分外部擴展電路組成。直流電機PWM控制實現部分主要由控制電路、電機和L298N驅動芯片組成；速度顯示模塊是通過LCD液晶顯示，實現對直流電機轉速等級、占空比及停止等信息的實時顯示。

2.2設計方案

考慮到既要系統操作方便，又要通過電機控制的轉速顯示實時性強，故采用以單片機STC12C5A60S2為中心，通過D/A轉換器，將單片機的數字量轉換為模擬量輸入給電機，從而起到控制電機的轉速。在單片機控制部分，通過按鍵直接從程序中調出不同的速度值，輸入到數碼管模塊和D/A轉換模塊，以實現電機的速度調節。其系統框圖如圖1所示。

圖1　系統框圖

2.3系統模塊設計

系統模塊包含直流電機模塊、LCD顯示模塊、鍵盤模塊3部分設計。

1）直流電機模塊

直流電機模塊的程序設計主要是使能及占空比的時序設計。在給電機一個使能信號的同時，相應的按鍵按下，電機啟動。電機將會按照該按鍵輸入的占空比命令轉動，這個轉動的過程其實由延時函數完成，例如當輸入占空比為40%時即電機轉動40ms，停止60ms，但是這個過程是很快的，通過人眼是無法辨別的，當輸入占空比有明顯變化事才能容易識別，故本設計將占空比分為了5個等級，每等級相差20%。

2）LCD顯示模塊

開始時判斷LCD是否忙碌即正在讀寫其他數據，若不忙，則通過相應控制端的高低電平設置進行數據的讀寫。首先打開使能端，等數據完成傳輸后關閉使能端，因數據傳輸需要一定的時間，故需要一定的延時，但是為了方便接受下一次的數據傳輸，使能端在經過延時后需要再次打開。

3）鍵盤模塊

在整個程序設計中鍵盤掃描會一直進行，即每次按鍵按下后都會有及時的響應。當檢測到有按鍵按下后需要一個10ms的延時，目的是軟件消抖。調用相應的程序使得電機做出相應的動作并讓LCD做出與動作相符合的顯示。全部完成后回到主程序繼續保持按鍵掃描。

3　線掃描運動控制平臺硬件實現

本設計采用的是單片機控制PWM調速系統。系統控制對象是JGA25_370有刷直流電動機，主要技術指標如表1所示。

表1　電機參數

硬件系統設計分別包含單片機控制模塊、電源模塊、鍵盤輸入模塊、LCD顯示模塊。

3.1單片機控制模塊

本設計使用的單片機型號為STC12C5A60S2，其計是按照最小系統的模式設計的。因該單片機的工作電壓為5V，考慮到直流電機的供電需及系統的簡易性，在硬件設計上集成了電壓轉換電路，將外部24V電壓轉為5V給單片機供電。另外，所有的接地引腳全部連接到一起，增強系統的穩定性。其硬件電路如圖2所示。

圖2　單片機控制模塊

3.2電源模塊設計

在本設計中，由于直流電機調速系統中邏輯元件需要+5 V直流電源，而小型直流電動機的額定電壓為24 V，故本設計中需要兩個直流電源，故本模塊設計選用芯片L7805CV，實現24 V電壓到5 V直流電的轉換給邏輯器件供電。其硬件電路如圖3所示。

圖3　電源模塊

3.3鍵盤模塊設計

本設計中選擇的是獨立按鍵輸入設備組成鍵盤模塊，采用的是查詢工作法，其硬件電路如圖4所示。其中，S2、S3、S4 3個按鍵可以分別控制直流電機的加速、減速、停止，每個按鍵配一個上拉電阻，在實現功能的同時還可以起到保護電路的作用。

圖4　鍵盤模塊

3.4LCD顯示模塊設計

本設計中選用LCD1602液晶顯示器，與單片機相應的IO口連接起來完成功能需求，其硬件電路如圖5所示。

圖5　LCD顯示模塊

圖6　電機驅動模塊實物圖

4　系統調試

4.1電機驅動

選用L298N的電機驅動模塊進行開發，該模塊可以實現2路直流電機和1路步進電機的驅動控制。電機驅動模塊的實物圖如圖6所示。

該模塊設置了使能信號EN，僅當使能信號置1時電機才能工作。為實現電機轉動，還需將模塊上的INA和INB與單片機模塊的IO口連接，INA和INB的高低電平決定了電機的正反轉、轉動、停止等功能。將OUT1、OUT2與直流電機的兩根線相連，即可實現電機驅動。

4.2系統調試

本系統設計的調試主要由軟件編譯和軟硬件聯調完成。其中，軟件部分的調試在Kei1 uVision3編程軟件上實現，。軟硬件聯調即將軟件程序下載到硬件電路的控制核心，對硬件電路進行控制，以實現系統設計的功能。當系統啟動初始化或復位后，電機啟動但是不會轉動，LCD顯示為None！！！表明系統已經啟動但是還沒有收到控制信號，如圖7所示。

圖7　系統初始化及復位后顯示

系統啟動后，對按鍵進行操作可以實現電機加減速，本系統將占空比的設計分成了5個等級，分別為20%、40%、60%、80%、100%。當占空比為20%，可以到達速度等級1，如圖8所示。當占空比為100%時，可以達到速度等級5。電機轉動過程中若對電機進行急停控制，按停止鍵后電機制動，LCD顯示“STOP！！！”。若繼續控制電機轉動，可以直接按加速鍵使得電機加速轉動。

圖8　占空比為20%

5　結論

本文利用STC12C5A60S2單片機產生脈寬可調的脈沖信號，并輸入到L298N驅動芯片來控制直流電機，并通過按鍵實現控制直流電機的啟動、停止、正反向和加減速控制，且采用LCD實現對直流電機轉速等級、占空比及停止等信息的實時顯示。實現了一種易實現、造價低、要求稍低的運動平臺的控制方法，可以達到滿足簡單實驗要求的目的，成功的為后續的線掃描系統提供機械模塊。

［1］Carsten Steger Markus UIrich著.機器視覺算法與應用［M］.北京：清華大學出版社，2008：46_61.

［2］楊育周.基于數字TDI技術的面陣掃描信息獲取方式研究［D］.北京：中國科學院研究生院，2014.

［3］張東波，彭英輝，劉霞，等.基于線掃描分析的點狀目標檢測和分割［J］.光電子·激光，2014，25（8）：1586_1591.

［4］王海霞，顏桂定，李寶輝，等.直線電機運動控制系統的軟件設計與實現［J］.電子測量與儀器學報，2013，27（3）：264_269.

［5］馬莉波，張甲，李星.掃描檢測平臺效用評估［J］.廈門大學學報：自然科學版，2007，46（z2）：79_83.

［6］付毅賓，袁自鈞，吳先友，等.基于PLC_839+的二維步進運動平臺控制系統設計［J］.機床與液壓，2011，39（4）：92_94.

［7］郝建衛.基于FPGA的脈沖寬度調制信號發生器［J］.計算機工程，2013，39（2）：260_264，269.

［8］孟海崗，常美，孫劍.基于8051單片機控制的直流電機PWM調速系統設計［J］.伺服控制，2013（2）：40_41.

Deslgn of llne scannlng motlon control Platform

DING Wei，QIN Huai_yu
（Jiangsu University of Science and Technology，Zhangjiagang 215600，China）

The theory and method to rea1ize 1ine scanning motion contro1 p1atform which is high accuracy and non1inear contro1 speed regu1ation，using pu1se width modu1ation method，based on sing1e_chip micro contro11er to DC motor，to provide mechanica1 modu1e for 1ine scan system.The design uses buttons can rea1ize contro1 DC motor to start，stop，forward，reverse contro1，using five 1evers of duty ratios corresponding characterization of five speed，rea1ized the dece1eration of the DC motor and LCD disp1ay.

1ine scanjsing1e chip microcomputerjDC motorjPWM

TN06

A

1674_6236（2016）10_0061_03

2015_06_02稿件編號：201506020

江蘇科技大學校區青年教師科研項目（112110146）

丁偉（1985—），女，江蘇蘇州人，碩士，講師。研究方向：數字信號處理，單片機。