arduino微处理器的二维运动控制平台设计【字数：12426】
本论文基于二维运动平台，完成以Arduino mega 2560微处理器为控制核心的二维运动控制系统的硬件和软件的设计。通过PC端向单片机发送运动指令，经过单片机信号处理后向两台步进电机驱动器发送使能、方向、脉冲等信号。两台步进电机驱动器分别驱动X、Y轴步进电机运转，完成绘图等功能。在二维运动控制平台的两轴末端安装限位装置，可以防止执行机构的损坏。本设计可以实现画直线和圆弧线条，软件主要有电机驱动程序设计，单片机和各模块的初始化设置，Arduino的串口接收上位机PC端的数据并做数据处理，根据分析线条的类型采用不同的插补算法，插补算法主要是为了实现点与点之间的数据密化，从而形成要求的运动轨迹。利用Labview编写上位机的控制界面，实现在上位机界面上输入指令可以控制平台运动的功能。本次设计通过多次实验最终实现了在电脑上输入指令，经过单片机接收并处理数据，二维运动平台能够画任意角度的直线和任意象限的曲线。
目录
1.绪论 1
1.1目的和意义 1
1.2 现状与趋势 1
1.3 研究内容 2
2.硬件设计 3
2.1硬件系统的组成 3
2.1.1控制芯片的选型 3
2.1.2 电机接口电路 4
2.1.3步进电机的选型 5
2.1.4限位电路 6
3.插补算法 8
3.1直线插补算法 8
3.2直线插补编程 9
3.3圆弧插补算法 10
3.4圆弧插补编程 12
4.软件设计 14
4.1系统初始化程序 15
4.2串口接收程序和数据处理 16
4.3电机驱动程序 17
4.4插补算法程序 18
5.上位机软件设计 20
5.1上位机编程 20
5.1.1控制界面编写 20
5.1.2程序框图的编写 20
5.2调试 21
5.2.1下位机调试 21
5.2.2系统总体调试 22
总结与展望 23
参考文献 24
致谢 25
附录 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
26
附录一 下位机程序 26
1.绪论
1.1目的和意义
二维平面运动系统主要包括3个部分:上位机、伺服系统和机械台体,上位机是一台高性能工控机, 通过PCI总线与运动控制卡相连, 主要实现人机界面交互和承载系统的控制算法, 并负责机械台体的运动[1][2] 。
本次毕业设计的课题为：基于Arduino微处理器的二维运动控制平台设计。主要目的是以单片机作为核心，二维运动控制平台为执行机构。在对插补算法和步进电机细分技术理解后，完成了二维运动控制系统机械平台的设计、硬件电路和下位机算法设计。二维平台的搭建采用两台步进电机分别控制X和Y轴，传动机构采用丝杆运动。整体控制流程为:上位机软件输入线段的参数之后进行发送，下位机通过串口通信接收并进行处理，然后对两台步进电机驱动器发送差分脉冲信号，控制步进电机的运动完成画直线或画圆弧的操作。
本次设计的二维运动控制系统以二维运动控制平台为主体，另外设计PC机端上位机的控制界面，结合单片机对二维运动控制平台进行高精度连续控制。在增加第三维Z轴的设备之后可以实现更多的功能。有着软硬件功能可靠、性价比高、使用方便等特点，具有一定的使用价值。
1.2 现状与趋势
当今的自动化技术发展突飞猛进，数控技术系统便是自动化工业领域的一个必不可少的重要分支。数控技术以往的运动控制系统多为模拟量控制，但如今计算机技术蓬勃发展。数控技术的运动控制系统将会以控制器为核心，逐渐向数字化、网络化、智能化方向深入发展。
数控系统的构成由软件和硬件构成，数控多维平台主要有开环系统、全闭环系统和半闭环系统。随着数控技术的不断发展，制造业对自动化设备的位置控制精度要求越来越高，开环控制系统由于缺少反馈环节，在外部扰动或者产生误差的情况下输出量不能做出相应的调整，所以传统的开环控制系统无法达到数控领域的精度指标。闭环系统因为可以通过反馈元件对输出量进行反馈，可以在通过反馈量与输入量的偏差比较之后调整输出量的大小，保证系统的稳定性和精度指标，因此开发高精度的全闭环运动控制器具有非常重要的实用价值和广阔的应用前景[3]。
目前国际数控系统的发展现状为硬件技术发展迅速、现场总线技术应用广泛、网络通信功能逐渐变为主流。数控技术作为现代制造工业的技术基础，集计算机、微电子、运动控制、检测与传感器等高新技术于一体，并且新技术在数控系统方面应用越来越多。自20世纪90年代以来，随着数控系统相关技术突发猛进的发展，尤其是以计算机信息技术为代表的高新技术的发展。数控技术主要依靠以机械制造装备为基础，以计算机技术为辅不断的设计与制造各种典型的产品。（SIMEN 810M改造X53铣床、GSK980K和交流伺服系统改造C6140车床）。
随着先进制造技术的不断进步，数控系统的发展将朝着全新的方向不断进步，PC总线是一种开放性总线, 这使得PCNC的系统体系结构具有开放性、模块化、可嵌入的特点。一方面可以根据需要选择合适的软硬件模块, 以最低的成本组成性能最佳系统, 另一方面也可方便地进行二次开发，追加系统功能, 实现功能的个性化[4]。对于数控系统的而言，精度和稳定性是两个最重要的指标，精度和稳定性完全决定了生产的质量和效率。目前数控技术在这方面研究趋势主要为采用更高的位数，运算速度更快的微处理器，采用高精度伺服电机为执行元件，在软件的粗插补之后采用硬件集成设备的插补运算放大器进行精插补运算（日本FANUC公司DDA专用插补集成芯片）。为了提高生产的效率，数控车床将会多轴联动、多面体加工，并且具有更好的通信功能，一般数控车床会拥有RS485高速远距离串行接口。在现代的科技发展下数控车床系统将会在随机变化的过程中自动调节自身的参数来达到最佳的工作状态，在数控系统发生故障时会自动检测故障源在哪，向控制端发送故障信息，并采用自适应控制技术自动调整轴运动状态接近于最佳工作状态。
1.3 研究内容
课题主要研究了二维运动控制平台的设计，设计了一个基于Arduino系列的芯片为控制核心的二维运动控制系统。使二维平台的XY两轴能够产生联动，并且能够实现任意方向的进行直线和圆弧的运动，并具有良好的稳定性和精度。主要研究内容如下：
目录
1.绪论 1
1.1目的和意义 1
1.2 现状与趋势 1
1.3 研究内容 2
2.硬件设计 3
2.1硬件系统的组成 3
2.1.1控制芯片的选型 3
2.1.2 电机接口电路 4
2.1.3步进电机的选型 5
2.1.4限位电路 6
3.插补算法 8
3.1直线插补算法 8
3.2直线插补编程 9
3.3圆弧插补算法 10
3.4圆弧插补编程 12
4.软件设计 14
4.1系统初始化程序 15
4.2串口接收程序和数据处理 16
4.3电机驱动程序 17
4.4插补算法程序 18
5.上位机软件设计 20
5.1上位机编程 20
5.1.1控制界面编写 20
5.1.2程序框图的编写 20
5.2调试 21
5.2.1下位机调试 21
5.2.2系统总体调试 22
总结与展望 23
参考文献 24
致谢 25
附录 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
26
附录一 下位机程序 26
1.绪论
1.1目的和意义
二维平面运动系统主要包括3个部分:上位机、伺服系统和机械台体,上位机是一台高性能工控机, 通过PCI总线与运动控制卡相连, 主要实现人机界面交互和承载系统的控制算法, 并负责机械台体的运动[1][2] 。
本次毕业设计的课题为：基于Arduino微处理器的二维运动控制平台设计。主要目的是以单片机作为核心，二维运动控制平台为执行机构。在对插补算法和步进电机细分技术理解后，完成了二维运动控制系统机械平台的设计、硬件电路和下位机算法设计。二维平台的搭建采用两台步进电机分别控制X和Y轴，传动机构采用丝杆运动。整体控制流程为:上位机软件输入线段的参数之后进行发送，下位机通过串口通信接收并进行处理，然后对两台步进电机驱动器发送差分脉冲信号，控制步进电机的运动完成画直线或画圆弧的操作。
本次设计的二维运动控制系统以二维运动控制平台为主体，另外设计PC机端上位机的控制界面，结合单片机对二维运动控制平台进行高精度连续控制。在增加第三维Z轴的设备之后可以实现更多的功能。有着软硬件功能可靠、性价比高、使用方便等特点，具有一定的使用价值。
1.2 现状与趋势
当今的自动化技术发展突飞猛进，数控技术系统便是自动化工业领域的一个必不可少的重要分支。数控技术以往的运动控制系统多为模拟量控制，但如今计算机技术蓬勃发展。数控技术的运动控制系统将会以控制器为核心，逐渐向数字化、网络化、智能化方向深入发展。
数控系统的构成由软件和硬件构成，数控多维平台主要有开环系统、全闭环系统和半闭环系统。随着数控技术的不断发展，制造业对自动化设备的位置控制精度要求越来越高，开环控制系统由于缺少反馈环节，在外部扰动或者产生误差的情况下输出量不能做出相应的调整，所以传统的开环控制系统无法达到数控领域的精度指标。闭环系统因为可以通过反馈元件对输出量进行反馈，可以在通过反馈量与输入量的偏差比较之后调整输出量的大小，保证系统的稳定性和精度指标，因此开发高精度的全闭环运动控制器具有非常重要的实用价值和广阔的应用前景[3]。
目前国际数控系统的发展现状为硬件技术发展迅速、现场总线技术应用广泛、网络通信功能逐渐变为主流。数控技术作为现代制造工业的技术基础，集计算机、微电子、运动控制、检测与传感器等高新技术于一体，并且新技术在数控系统方面应用越来越多。自20世纪90年代以来，随着数控系统相关技术突发猛进的发展，尤其是以计算机信息技术为代表的高新技术的发展。数控技术主要依靠以机械制造装备为基础，以计算机技术为辅不断的设计与制造各种典型的产品。（SIMEN 810M改造X53铣床、GSK980K和交流伺服系统改造C6140车床）。
随着先进制造技术的不断进步，数控系统的发展将朝着全新的方向不断进步，PC总线是一种开放性总线, 这使得PCNC的系统体系结构具有开放性、模块化、可嵌入的特点。一方面可以根据需要选择合适的软硬件模块, 以最低的成本组成性能最佳系统, 另一方面也可方便地进行二次开发，追加系统功能, 实现功能的个性化[4]。对于数控系统的而言，精度和稳定性是两个最重要的指标，精度和稳定性完全决定了生产的质量和效率。目前数控技术在这方面研究趋势主要为采用更高的位数，运算速度更快的微处理器，采用高精度伺服电机为执行元件，在软件的粗插补之后采用硬件集成设备的插补运算放大器进行精插补运算（日本FANUC公司DDA专用插补集成芯片）。为了提高生产的效率，数控车床将会多轴联动、多面体加工，并且具有更好的通信功能，一般数控车床会拥有RS485高速远距离串行接口。在现代的科技发展下数控车床系统将会在随机变化的过程中自动调节自身的参数来达到最佳的工作状态，在数控系统发生故障时会自动检测故障源在哪，向控制端发送故障信息，并采用自适应控制技术自动调整轴运动状态接近于最佳工作状态。
1.3 研究内容
课题主要研究了二维运动控制平台的设计，设计了一个基于Arduino系列的芯片为控制核心的二维运动控制系统。使二维平台的XY两轴能够产生联动，并且能够实现任意方向的进行直线和圆弧的运动，并具有良好的稳定性和精度。主要研究内容如下：
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