基于单片机的悬挂运动控制系统设计(共44页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上基于单片机的悬挂运动控制系统设计摘要悬挂运动控制系统是运动控制中的一个独特而重要的分支。对这种系统的设计与研究可以解决实际生活中的很多问题。本系统是一电机控制系统，该课题要求被控对象通过步进电机的旋转来调节其两端的绳索长度，从而不断改变物体的位置，在80cm×100cm的范围内做直线、画圆、点位等运动，此外，系统还要具备键盘输入与实时显示的功能。在对该课题做了功能需求分析之后，进行了具体的方案论证，详细地阐述了各个模块的工作原理。设计的主要内容包括：以逐点比较插补算法和等分圆法的计算原理为基础，采用AT89C51单片机作为运算、控制单元；为了实现对物体的位置、方向以及运动时间的精确控制，采用两相混合式步进电机SC86HB65-04作为运动的执行机构，并由L297/L298驱动器进行驱动；选用4×4键盘来设定任意点的坐标参数以及运行模式；同时，使用LCD显示器来直观地显示被控对象的位置坐标。结果表明，本课题采用的控制原理与设计思路可以满足任务要求。关键词：单片机，步进电机，悬挂运动，插补算法，等分圆法DESIGN OF THE SUSPENDED MOTION CONTROL SYSTEM BASED ON THE SINGLE-CHIP MICROCOMPUTERABSTRACTSuspended motion control system is a unique and important branch of the motion control system. Many problems in real life can be solved by design and study of this system. This system is a motor control system. The object is required to change position to make linear, circle and point motion in the range of the 80cm×100cm through the rotation of the stepper motor to adjust the length of two ropes in this subject. In addition, the system has the function of keyboard input and real-time display. After the analysis of functional requirements on this subject, a specific demonstration of the program is done, the working principle of each module is clarified dentally also. The contents of the design include: The design is based on interpolation algorithm and sub-circle algorithm, AT89C51 single-chip microcomputer is used as the operator and control unit; Stepper motor SC86HB65-04 is used as the executing unit to achieve the precise control of the position, direction, and movement time, which derived by the driver of L297/L298; The selection of the parameters of points coordinates and the model of running is done by 4×4 keyboard; Besides, LCD display is used to show the location of the object coordinates. The results showed that the control theory and design ideas used in this subject meet the mission requirements.Key words: single-chip microcomputer，stepper motor，suspended motion，interpolation algorithm，sub-circle algorithm目 录专心-专注-专业1. 绪论1.1 课题背景运动控制是自动化技术的重要组成部分，它集成了单片机原理、计算机控制技术、电力电子技术、电机拖动等内容，是很多高科技领域的技术基础。悬挂运动系统作为其中一个分支，具有鲜明的特色，因为被控对象是通过改变悬挂它的绳索长度来控制其运动轨迹的，不同于普通的平面控制。现代生活中，悬挂运动控制技术已经被广泛应用于工业控制、车辆运动和医疗设备等系统中。在这些系统中，悬挂运动部件通常是具体的执行机构，因而悬挂部件运动的精确性就成为了该系统工作成效的决定因素。本课题就是设计一个基于单片机和步进电机技术的悬挂运动控制系统。当代的计算机是微电子学与计算数学相结合的产物。微电子学的基本元件及其集成电路构成了它的硬件基础；而计算数学的计算方法与数据结构则构成计算机的软件基础。微型计算机是大规模集成技术发展的直接产物，属于第四代计算机。自从1971年微型机问世以来，随着大规模集成技术的不断发展，导致微型机正朝两个主要方向发展：一个是高速度、高性能的高档方向发展；另一个是向稳定可靠、体积小而价格低的单片机方向发展1。单片机的发展十分迅速。1976年9月Inter公司率先推出MCS48系列单片机，它以体积小、功能全、价格低的特点，赢得了广泛的应用，为单片机的发展奠定了基础，成为单片机发展过程中的一个重要阶段。在MCS48成功的刺激下，世界上许多著名的大公司竞相研制和发展自己的单片机系列。如Inter公司的MCS51系列、MCS96系列，Motorola公司的6801、6802，Zilog公司的Z8系列等。此外，日本的NEC公司，日立公司等也都推出了各自具有特色的单片机品种。近几年，很多公司又相继推出了新一代80C51系列单片机。从国内开发应用单片机的情况看，自80年代初起步以来，以Inter公司的MCS48系列单片机为主导机种，率先渗入到微机控制的各个领域，取得了一定的应用成果。80年代中期以后，随着性能更强、速度更快的MCS51系列的加入，单片机得到了更为迅速的推广。目前，尽管16位和32位单片机已为人们所了解和熟悉，但在我国目前和今后相当一段长的时间内，8位单片机仍然是实际应用中的主导品种，并且大多数单片机的应用仍会以MCS51系列单片机为主。单片机应用的意义绝不仅限于它的广阔范围以及所带来的经济效益。更重要的意义在于，单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统的设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分控制功能，现在已能使用单片机通过软件实现了。这种以软件代替硬件并能提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。微控制技术标志着一种全新概念的提出，是对传统控制技术的一次革命。随着单片机的推广普及，微控制技术必将不断发展，日益完善。随着电子技术的发展，利用微处理器对步进电机进行控制在实际中已得到广泛的应用。步进电机可以对旋转角度和转动速度进行高精度控制，它以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的作用。作为控制执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统和精密机械制造等领域。例如，在仪器仪表，机床设备以及计算机的外围设备中（如打印机和绘图仪等），凡需要对转角进行精确控制的情况下，使用步进电机最为理想。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。本系统中，采用步进电机作为控制系统的执行机构，由于步进电机在不失步的情况下不会产生累积误差，即可使用开环的控制方式，在满足指标要求的前提下简化系统设计的复杂性。1.2 课题目的本课题利用所学的单片机原理，计算机控制技术，电力电子技术，电路等课程完成设计。通过该设计掌握步进电机的驱动原理与应用，以及计算机数字控制中插补计算的原理。融合单片机技术使被控对象可以在规定条件下完成任意曲线的运动。该课题应解决的主要问题是控制器如何来控制电机的转动。通过控制器发出驱动脉冲，通过两个电机的转动改变两段吊绳的长度，从而使吊绳上悬挂的物体在倾斜（仰角100度）的板上运动。整个系统的设计分为硬件设计和软件设计两部分。硬件设计的核心是控制器模块，主要解决单片机显示接口技术的实现问题和电机的驱动控制问题。软件设计主要对相应的键盘扫描子程序、显示驱动程序、步进电机驱动程序以及走步子程序进行编程。该课题设计的目的是为了让我们把大学四年所学的知识融会贯通，综合在一起，做到活学活用。并且该设计可以解决生活中存在的很多问题，对该模型的理论实现可以为现实应用打下坚实的基础。1.3 课题意义随着社会的发展、科技的进步以及人们生活水平的逐步提高，各种方便于生活的自动控制系统开始进入了人们的生活，以单片机为核心的悬挂运动控制系统就是其中之一。同时也标志了自动控制领域成为了数字化时代的一员。它实用性强，功能齐全，技术先进，是科技进步的成果。该课题的设计可以解决很多实际问题，比如利用此系统代替人去完成一些高风险、高难度的工作。本设计主要应用单片机作为控制核心，组成一个键盘、LCD显示芯片、步进电机相结合的运动控制系统。充分发挥了单片机的性能。其优点是硬件电路简单，软件功能完善，控制系统可靠，性价比很高，具有一定的使用和参考价值。1.4 应解决的主要问题在基于单片机的悬挂运动控制系统设计中，主要分为三个模块设计部分:一个是步进电机驱动模块设计；另一个是键盘输入和显示模块设计；第三个软件部分的设计。面临解决的主要问题有：（1）控制算法的选择；（2）步进电机驱动模块设计；（3）键盘及显示模块设计；（4）程序设计。2. 方案论证与比较悬挂运动控制系统是一电机控制系统。为满足控制需要，本系统要采用单片机作为核心控制器件，以步进电机为具体的运动执行机构，并且采用键盘对被控对象的坐标及运行模式进行输入，最后还需要显示装置对键盘的输入内容进行实时显示。各功能模块的选取将做如下论证。22.1 总体控制方案选择方案一：闭环数字控制方式。闭环数字控制方式，主要利用光电传感器检测法，系统结构如图2-1所示。首先单片机根据输入的数据来计算物体要移动的距离并控制物体向目标的大概方向运动，红外发射接收器来探测悬挂物体移动了多少个1×1cm的小方格，并经过A/D送给单片机，单片机通过特定的算法计算出物体的坐标，并控制电机的转动来控制物体向着目的坐标进发，在此过程中单片机不断计算、不断调整电机的转速和方向使悬挂物体做规定路线的移动。但其缺点是，电路复杂，不但要求要有A/D电路，光电探测电路，还要求其电路要做得十分精确。任何一个电路设计得不好，也会使物体运动产生很大的偏差。图2-1 闭环控制系统结构图方案二：开环数字控制方式。开环数字程序控制方式，即没有反馈系统，开环数字控制系统的结构如图2-2所示。由图可看出，此种控制方式与上面的控制方式相比，少了反馈电路。单片机由输入的数据来计算物体要移动的距离，直接发出控制脉冲来控制电机的转动，进而控制物体的运动方向。由于少了反馈电路，系统的精度只与单片机所采用的算法准确性有关，此种方式电路结构简单，成本低且易于调整和维护，是一种较理想的方式。图2-2 开环控制系统结构图从控制系统的角度来看，采用闭环控制方式比采用开环控制的效果要好。但在闭环方式的控制系统中，一般都需要反馈信息。就本设计而言，要取得物体位置反馈信息相当困难，采用纯粹的闭环方式控制的难度太大。作为控制系统的执行机构，步进电机具有在不失步时不产生累积误差的特性，故可以使用开环控制的方式。经计算表明，采用较小步距角的电机，系统可以很好地满足设计指标要求。因此，整个系统的总体控制结构是开环的。2.2 控制器模块根据设计要求，控制器主要用于控制电机，并对坐标参数进行处理，控制电机移动方向。对于控制器的选择有以下两种方案。方案一：采用16位单片机作为控制中心。RAM、ROM空间大、指令周期短、运算速度快、低功耗、低电压、可编程音频处理、易于编写等优点。方案二：采用传统的8位AT89C51单片机作为运动物体的控制中心。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，应用领域十分广泛。并且，由于芯片引脚少，在硬件上很容易实现。综合上述两种方案，方案二较为简单，可以满足设计要求。因此，在本设计中采用AT89C51处理输入的数据并控制电机运动，拟选择方案二。2.3 电动机选择方案一：采用直流电动机。直流电机具有优越的调速性能，主要表现在调速方便（可无极调速）、调速范围宽、低速性能好（起动转矩大、起动电流小）、运行平稳、噪音低、效率高等方面。方案二：采用步进电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件，因此非常适合单片机控制。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。可以实现物体的精确定位和方向控制。本系统需要对电机的转速、转向、起停等多种状态进行准确的控制，以保证悬挂物体按照预先设定或即时设定的运动轨迹运行。基于对两种电机的分析，选择方案二。2.4 电动机驱动模块方案一：单极性驱动电路。结构简单，但是由于电阻要消耗功率，所以用这种电源供电的步进电机起动和运行频率都比较低。原理图如图2-3所示图2-3 单电压型驱动电源原理图方案二：双极性驱动电路。采用H桥式驱动，一般用于永磁式步进电机。原理图如图2-4所示。图2-4 利用H桥式的双极性驱动电路方案三：使用专用电机驱动芯片。随着集成电路飞速发展，已经有众多的用于步进电机的集成芯片出现，使得步进电机驱动电源的设计变得简单而高效。专用驱动芯片内部的压降一般比较低，在驱动电路上的功耗较低。因此是一种比较合适的选择。从系统的稳定性和设计方便上考虑，本设计选择方案三，拟用L297/L298驱动器共同配合驱动步进电机。2.5 显示模块方案一：采用LED数码管显示器。LED数码管亮度高、醒目，成本低廉，但其电路复杂，占用资源较多，显示信息量少。方案二：采用汉字LCD液晶显示器。液晶显示器（LCD）是一种采用液晶显示控制透光度来表现色彩的显示器。由于LCD通过液晶控制透光度，让底板整体发光，因此它真正做到了完全平面；一些高档的数字LCD采用数字方式传输数据、显示图像，因而不会产生色彩偏差或损失。LCD有明显的优点：微功耗、尺寸小，超薄轻巧、显示信息量大、字迹清晰、美观、视觉舒适，可以用中文LCD液晶进行菜单显示，使整个控制系统更加人性化。考虑到液晶显示器与单片机的连接电路简单的特点，并且显示效果更加美观，故选择方案二。2.6 算法选择方案一：直线简易算法。这种算法是根据计算机图形学中直线的显示方法改变而来，基本原理也是“逐点比较”，执行机构根据当前位置和轨迹位置的关系，从而确定下一步的进给方向，但是数据的处理过程不同。在直线插补法中，一次循环只能确定一个走向（X向或Y向），而在直线简易算法中，一次循环可以走两步，这样可以大大提高效率。同时，直线插补法要考虑象限的问题，不同的象限有不同的计算公式，而直线简易算法绕开了象限的问题，可以节省很多代码。方案二：逐点比较插补法。逐点比较插补法是在绘图系统中常用的一种逐点比较算法。它的原理是：执行机构每走一步，都要和给定轨迹上的坐标值进行一次比较，看当前位置和轨迹位置的关系，从而确定下一步的进给方向。如果当前位置在给定轨迹的下方，下一步向给定轨迹的上方走，反之则相反。如果当前位置在给定轨迹的里面，下一步向给定轨迹的外面走，反之则相反。这样走一步看一步，决定下一步走向，形成“逐点比较”， 使走线逼近给定轨迹2。方案三：等分圆法。其原理是讲一个圆（或圆弧）按一定的圆心角等分为若干份，当这个角度足够小时，该圆弧就可以近似的看成一个多边形，在这种情况下，画圆的问题就转变为走直线画多边形的问题了。逐点比较法以阶梯折线来逼近直线或圆弧等曲线，因此只要脉冲当量选取合适，就可以很好地满足设计要求，所以本设计选用方案二和方案三共同来完成被控对象的直线及画圆走步。3. 系统功能及基本原理33.1 设计任务本设计利用所学的单片机原理、计算机控制技术、电力电子技术、电路等课程完成一个基于单片机和步进电机的悬挂运动控制系统。示意图如图3-1所示。图3-1 悬挂系统示意图主要设计任务使系统具备以下功能：在一个指定区域：（1）控制系统能够通过键盘或其它方式任意设定坐标点参数；（2）控制物体在80cm×100cm的范围内作自行设定的运动，运动轨迹长度不小于100cm，物体在运动时能够在板上画出运动轨迹，限300秒内完成；（3）控制物体做圆心可以任意设定、直径为50cm的圆周运动，限300秒内完成；（4）物体从左下角原点出发，在150秒内到达设定的一个坐标点（两点之间直线距离不小于40cm）。3.2 系统各模块基本原理1233.13.23.2.1 单片机基本原理所谓单片机，就是把中央处理器、随机存储器、只读存储器、定时/计数器、输入/输出接口电路等主要计算机部件，集成在一块电路芯片上的单片微型计算机，简称单片机3。它是专门为工业控制和智能化仪器而设计的一种集成度很高的微型计算机。与微型计算机相比，单片机具有以下特点：（1）集成度高，功能强微型计算机通常由微处理器、存储器以及输入/输出接口组成，其各部分分别集成在不同的芯片上，然后，再由几个芯片组成一台微型计算机。单片机则是把CPU、ROM、RAM、I/O接口，以及定时器/计数器都集成在一个芯片上。（2）结构合理目前，单片机大多采用Harvard结构。这是数据存储器与程序存储器相互独立的一种结构。采用上述结构主要有两点好处：存储容量大。例如，采用16位地址总线的8位单片机可寻址外部64KRAM和64KROM。此外还有内部ROM和内部RAM。正因如此，单片机不仅可以进行控制，而且能够进行数据处理。速度快。由于单片机主要用于工业控制方面，一般都需要较大的程序存储器，用以固化已调好的控制程序；而数据存储器的容量相对来讲用量较少，主要用来存储少量的随机数据。小容量随机存储器直接装在单片机内部，可使数据传送速度加快。（3）抗干扰能力强由于单片机的各种功能部件都集成在一个芯片上，因而步线短，数据大多在内部传送，所以不容易受到外界干扰，从而增强了抗干扰能力，使系统运行更可靠。（4）指令丰富单片机一般都有传送指令、逻辑运算指令、转移指令、加、减法运算指令等，有些单片机还具有乘法及除法运算指令。特别是位操作指令十分丰富。单片机的控制范围十分广泛，具有体积小、价格低廉以及控制功能强的特点。可以说，其应用涉及到现今的各个行业。一些典型的应用领域为：工业自动化、智能仪表与集成智能传感器、家用电器领域、办公自动化领域、汽车电子、航空航天器电子系统等等。单片机应用的重要意义在于，它从根本上改变着传统的控制系统的设计思想与设计方法。本设计选用AT89C51单片机作为系统的主控制器。AT89C51系列单片机是高性能8位单片机，主要由运算器、控制器、内部存储器、I/O接口、定时/计数器、寄存器区等几部分组成。它是工业过程控制、智能化仪表、数控机床以及通讯系统的优选品种。目前在我国应用十分广泛。3.2.2 步进电机的基本原理随着计算机技术的发展，步进电机在自动控制系统中已经得到了广泛的应用，例如数控机床、绘图机、计算机外围设备、自动记录仪表和钟表等。步进电机是一种把电脉冲信号转换成机械角位移的控制电机，常作为数字控制系统中的执行元件。由于其输入信号是脉冲电压，输出角位移是断续的，即输入一个电脉冲信号，转子就前进一步，因此称为步进电动机。在数字控制系统中，由于它可以直接接受计算机传来的数字信号，而不需要进行数/模转换，所以用起来十分方便。步进电机角位移与控制脉冲间精确同步，若将角位移的改变转变为线性位移、位置、体积、流量等物理量变化，便可实现对它们的控制。步进电机的种类繁多，按其运动形式分，有旋转式步进电机和直线式步进电机两大类。按其工作原理又可分为反应式、永磁式和混合式三种。从运行状态上来说有静止、单步运行和连续运行三种4。步进电机的主要特点有：（1）转速和步距不受电压波动、负载变化和温度变化的影响，只与脉冲频率同步，转子运动的总位移量只取决于总的脉冲信号数。（2）具有快速起停能力。（3）开环控制，无需反馈，系统结构大为简化，在一般定位驱动装置中具有足够高的精度。在没有齿轮传动的情况下，步距角的范围可以由每步90度到每步0.18度。另一方面，无论是变磁阻式还是永磁式，都能精确地返回原来位置。（4）控制性能好，可以在很宽范围内通过改变脉冲的频率来调节电机的转速。（5）误差不积累。步进电机每走一步所转过的角度与理论值之间总有一定的误差，但它每转一圈都有固定的步数，所以在不失步的情况下，其步距误差是不会累积的。常用的步进电机有三相，四相，五相，六相四种，其旋转方向与内部绕组的通电顺序有关。以三相步进电机为例，其工作方式有三种：（1）单三拍，通电顺序为A-B-C-A；（2）双三拍，通电顺序为AB-BC-CA-AB；（3）三相六拍，通电顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A。如果按上述三种通电方式和通电顺序进行通电，则步进电机正向旋转。反之，如果通电顺序与上述方向相反，则步进电机反转。步进电机的主要性能指标有：（1）步距角每输入一个脉冲信号时转子转过的角度称为步距角。（2）静态步距角误差静态步距角误差即实际的步距角与理论的步距角之间的差值，通常用理论步距角的百分数或绝对值来衡量。静态步距角误差越小，表示步进电机精度越高。（3）最大净转矩最大净转矩是指步进电机在规定的通电相数下矩角特性上的转矩最大值。（4）起动频率和起动矩频特性起动频率又称突跳频率，是指步进电机能够不失步起动的最高脉冲频率。在一定的负载惯量下，起动频率随负载转矩变化的特性称为起动矩频特性，在产品资料中通常以表格或曲线形式给出。（5）运行频率和运行矩频特性步进电机起动后，在控制脉冲频率连续上升时，能维持不失步的最高频率称为运行频率。通常给出的也是空载情况下的运行频率。当电机带一定负载运行时，运行频率与负载转矩有关，两者的关系称为运行矩频特性。提高步进电机的运行频率对于提高生产效率和系统的快速性具有很大的实际意义。另外在使用的时候必须注意，步进电机的起动频率、运行频率以及其矩频特性都与电源形式密切相关。（6）额定电流额定电流是指电机静止时每相绕组允许通过的最大电流。当电机运转时，每相绕组通过的是脉冲电流，并非额定电流（此值比额定值低）。绕组电流过大时可能会烧毁步进电机。（7）额定电压额定电压是指驱动电源提供的直流电压。一般它不等于加在绕组两端的电压。国家标准规定步进电机的额定电压应如下。单一电压型电源：6V、12V、27V、48V、60V、80V。高低压切换型：60/12V、80/12V。步进电机不同于普通的交、直流电动机，它必须与驱动控制器、直流电源组成系统方能运行。步进电机驱动控制器是由缓冲寄存器、环形分配器、控制逻辑和正、反转控制门等组成。它的作用就是把输入的脉冲转换成环形脉冲，以便控制步进电机，并能进行正反向控制。在实际系统中，步进电机与驱动控制器是两个不可分割的组成部分5。如图3-2所示：图3-2 步进电机控制系统示意图3.2.3 步进电机驱动器工作原理L297是两相或四相步进电机的专用芯片。如图3-3，它主要包括下列三部分：（1）译码器它将输入的走步时钟脉冲（CP）、正/反转方向信号（CW/CCW）、半步/全步信号综合以后，产生合乎要求的各相通断信号。（2）斩波器由比较器、触发器和震荡器组成。用于检测电流采样值和参考电压值，并进行比较。由比较器输出信号来开通触发器，再通过振荡器按一定频率形成斩波信号。（3）输出逻辑它综合了译码器信号与斩波信号，产生A、B、C、D（1，3，2，4）四相信号以及禁止信号。控制信号（CONTROL）信号用来选择斩波信号的控制方式。当它是低电平时，斩波信号用于禁止信号；而当它是高电平时，斩波信号作用于A、B、C、D信号。使能（ENABLE）信号为低电平时，禁止信号及A、B、C、D信号均被强制为低电平。图3-3 L297的原理框图3.2.4 键盘接口技术键盘是计算机不可缺少的输入设备，是实现人机对话的纽带。其结构形式可以分为非编码键盘和编码键盘，前者用软件方法产生键码，而后者则用硬件方法产生键码。在单片机中使用的都是非编码键盘，因为此种方法结构简单，成本低廉。键盘上的键按照行、列构成矩阵，在行列的交点上都对应有一个键。所谓键实际上就是一个机械开关，被按下则其交点的行线和列线接通。非编码键盘接口技术的主要内容就是如何确定被按键的行列位置，并据此产生键码。按键识别的流程是：（1）测试有没有键被按下。（2）当有键按下时，对该键进行译码，找出按下的是哪一个键；若无键按下，则返回。（3）如果按下的是数字键，便送入显示缓冲单元；若为功能键，即转移到对应的键服务程序。（4）做去抖动处理。（5）键扫描以确定被按键的物理位置，接着计算键码，最后等待被释放。单片机控制键盘的方式通常有三种：查询方式、定时扫描方式以及中断扫描方式。一般根据所需键数目的多少和工作量来选取不同的工作方式。在键盘扫描程序中，求得键值只是手段，最终目的是使程序转移到相应的地址去完成该键所代表的操作。对数字键一般是直接将该键值送到显示缓冲区进行显示；对功能键则需找到该功能键处理程序入口地址，并转去执行该键的功能。因此，求得键值后，还必须找到功能键处理程序入口。3.2.5 显示技术单片机应用系统中使用的显示器主要有两种，一种是发光二极管显示器，简称LED；另一种液晶显示器，简称LCD。液晶显示器（LCD）是一种采用液晶显示控制透光度来表现色彩的显示器。由于LCD通过液晶控制透光度，让底板整体发光，因此它真正做到了完全平面；一些高档的数字LCD采用数字方式传输数据、显示图像，因而不会产生色彩偏差或损失。LCD通常由用玻璃基板、ITO导电膜、配向膜、偏光板等制成的上下两层夹板夹持一个液晶层构成。装在两片玻璃基板上的配向膜，使液晶沿着沟槽偏离90°配向。当玻璃基板没有加入电场时，光线透过偏光板跟着液晶做90°扭转，透过下方偏光板，所以液晶面板显示白色；当玻璃基板加入电场时，液晶分子产生配向变化，光线透过液晶分子空隙时维持原方向，被下方偏光板遮蔽，光线被吸收无法透出，所以液晶面板显示黑色。液晶显示器便是通过改变玻璃基板上的电压来改变光线的折射，从而在液晶屏幕上产生色彩的变化。通电后，液晶可以改变方向以控制光线的透过，这样就可以调节显示的色彩。当供应电压变化时，液晶就会产生变形，使光线的折射角改变，从而产生色彩的变化6。LCD按驱动方式分可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（Simple Matrix）以及主动矩阵驱动（Active Matrix）三种。LCD按物理结构分为四种：扭曲向列型（Twisted Nematic，TN），主要应用在游戏机液晶屏等领域；超扭曲向列型（Super TN，STN），目前多应用于手机液晶屏等；双层超扭曲向列型（Dual Scan Tortuosity Nomograph，DSTN），早期的笔记本电脑和目前手机等数码设备上均采用；播磨晶体管型（Thin Film Transistor，TFT），这种LCD是目前各领域应用的主流。TN液晶显示屏是各种液晶屏的鼻祖，其技术原理是以后液晶显示屏发展的基石。TN液晶显示屏包括两层由玻璃基板、ITO膜、配向膜、偏光板等组成的夹板，上下夹层中是液晶分子，接近上部夹层的液晶分子按照上部沟槽的方向排列，整体看起来，液晶分子的排列像扭转螺旋形。一旦通过电极给液晶分子加电，TN液晶将变成竖立的状态。液晶显示器的夹层贴附了两块偏光板，这两块偏光板的排列的透光角度与上下夹层沟槽的排列和透光度相同。正常情况下，当光线从上向下照射时，通常只有一个角度的光线能够穿透显示屏，通过上偏光板导入上部夹层的沟槽中，再通过液晶分子扭转排列的通路从下偏光板穿出，形成一个完整的光线穿透路径。当液晶分子竖立时，光线就无法通过，结果显示屏显示黑色。这样，液晶显示屏在透光时显示白色，不透光时显示黑色，根据这个原理就可以将画面显示在屏幕上。目前主流的TFT型液晶显示器结构更复杂一些，它主要由荧光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄膜式晶体管等构成。TFT液晶显示器具有背光源荧光管，其光源会先经过一个偏光板，再经过液晶材料，经过液晶材料时，液晶分子的排列方式会改变穿透液晶的光线的角度，然后这些光线还必须再经过前方彩色的滤光膜及另一块偏光板。只要改变加在液晶上的电压值，就可以控制最后出现的光线的强度和色彩，这样就能在液晶面板上显示出不同的颜色组合。因为TN、STN及TFT型液晶显示器利用液晶分子的扭转的原理不同，所以在视角、色彩、对比及动画显示等品质上也有差别，因而这几种显示器的应用范围也有明显的区别。以目前液晶显示技术所应用的范围以及层次而言，主动矩阵驱动技术是以TFT为主流，多应用于笔记型计算机及动画、影像处理产品上；而被动矩阵驱动技术目前则以TN及STN为主，目前的应用多以文书处理器以及消费性产品为主。在这之中，TFT液晶显示器所需的技术及资金投入较高，但是TN以及STN液晶显示器所需要的技术及资金投入则相对比较低廉。3.3 逐点比较插补法的原理能够根据输入的指令和数据，控制生产机械按规定的工作顺序、运动轨迹、运动距离和运动速度等规律自动完成工作的自动控制，称为数字程序控制。数字程序控制主要应用于机床的自动控制系统中。而在数字程序控制中，最常用的方法就是逐点比较法插补计算原理，以及作为数字程序控制系统输出装置的步进电机控制程序的设计。数字程序控制系统的分类有多种方式：（1）按控制运动的轨迹分类点位控制。这类数控系统控制运动部件从一点准确地移动到另一点，而对两点之间的速度和运动轨迹没有严格要求，移动过程中不需要加工。直线控制。这种数控系统不仅要求运动部件从一点准确地移动到另一点，还要控制两相关点之间的移动速度和轨迹。轮廓控制。这类数控系统能够同时对两个或两个以上运动坐标的位移及速度进行连续相关控制。（2）按伺服控制方式分类开环控制。这类控制方式没有位置检测反馈装置，以步进电机为驱动元件。数控系统发出进给指令脉冲，经步进电机驱动电路，驱动步进电机旋转，移动工作台到与指令脉冲相应的位置，指令脉冲发出后，工作台的实际移动值不再反馈回来，控制的精度主要由步进电机和传动装置保证。闭环控制。这种控制方式带有位置检测反馈装置，以直流或交流电机为驱动元件。闭环数字控制程序定位精度高，但系统复杂、成本高、调试和维修都比较困难。而开环数字控制系统控制结构简单、可靠性高、成本低、易于维护，因此得到广泛应用。数控机床加工的零件轮廓一般由直线和圆弧组成，一些非圆曲线可以用直线段或圆弧段去逼近，刀具在加工过程中必须按照零件轮廓轨迹移动。但是，通常输入到计算机中的零件数据只是各段轨迹之间的起点坐标值、终点坐标值和圆弧半径等有限数据。所谓轨迹插补，就是在线段的起点和终点之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，并向相应的坐标轴输出进给脉冲信号。插补的方式一般采用直线插补和圆弧插补。实现直线插补和二次曲线插补的方法有多种，常见的有逐点比较法、数字积分法和时间分割法等，其中以逐点比较插补法应用最多。所谓逐点比较插补，就是刀具或绘图笔每走一步都要和给定轨迹上的坐标值进行比较，看这一点在给定轨迹的上方或下方，或是在给定轨迹的里面或外面，从而决定下一步的进给方向。如此走一步，比较一次，决定下一步走向，以便逼近给定轨迹，即形成“逐点比较”插补。逐点比较法是以阶梯折线来逼近直线或圆弧等曲线的，它与规定的加工直线或圆弧之间的最大误差为一个脉冲当量，因此只要把脉冲当量取得足够小，就可以达到加工精度的要求。下面介绍逐点比较法直线插补和圆弧插补的原理。3.33.3.1 逐点比较法直线插补的基本原理以第一象限直线插补计算原理为例，其步骤为：（1）偏差计算公式根据逐点比较法插补原理，必须把每一插值点的实际位置与给定轨迹的理想位置间的误差计算出来，根据偏差的正、负决定下一步的走向，来逼近给定轨迹。假定有一直线如图3-4所示，取直线起点为原点，直线终点坐标是已知的。图3-4 第一象限直线图3-4中，为加工点，若点在直线上，根据相似三角形的关系可得 （3-1）即 （3-2）定义直线插补的偏差判别式如下： （3-3）则若，表明点在直线上；，表明点在直线上方；，表明点在直线下方。由此可得第一象限直线逐点比较法插补原理为：从直线的起点（坐标原点）出发，当时，沿轴方向走一步；当时，沿方向走一步；当两方向所走的步数与终点坐标相等时发出终点到信号，停止插补。按式（3-3）计算偏差时，要做两次乘法，一次减法，比较麻烦，需要进一步简化。简化后，对于第一象限而言，设加工点正处于点，则当时，表明点在上或的上方，此时应向方向进给一步，走一步后的新坐标值为（3-4）这时该点的偏差为（3-5）当时，表明点在的下方，此时应向方向进给一步，走一步后的新坐标值为（3-6）这时该点的偏差为（3-7）式（3-5）、（3-7）就是简化后的偏差计算公式，可以看出在公式中只有加、减运算，新的加工点的偏差可由前一点的偏差与已知的终点坐标值相加、减得到，加工的起点是坐标原点，起点的偏差是已知的，即。（2）终点判别方法逐点比较法的终点判别有多种方法，下面介绍两种：终点坐标法：设置两个减法计数器、，在加工开始前，在计数器中分别存入终点坐标值、。加工时，坐标轴每进给一步，就在计数器中减去1，坐标每进给一步，就在计数器中减去1，直到这两个计数器中的数都减到零，就达到终点。总步长法：设置一个终点计数器，寄存、两个坐标方向进给的总步数，每进给一步，计数器就减1，直到减到零，就达到终点。（3）插补计算过程逐点比较法直线