二維運動控制實驗平臺,二維運動控制實驗裝置
2023-05-17 20:08二維運動控制實驗平臺
一、概述
二維運動控制實驗平臺是集運動控制卡、單片機開發控制板、步進電機及驅動器、開關電源、XY控制平臺及運動控制軟件于一體的理想教學實驗系統。XY控制臺是一個采用滾珠絲杠傳動的模塊化十字工作臺，可以實現平面內X、Y軸方向的運動控制，用于實現目標軌跡和動作。實驗系統軟件包括基于軸的控制、基于坐標系的控制、命令編輯和運行、數控代碼編輯和運行、復雜運動軌跡控制。
二、技術性能
1.定位精度：0.4mm
2.X軸有效行程：230mm；Y軸有效行程：230mm；最大運動速度：20mm／s；最大運動加速度：1g
3.輸入電源：220V±10％(50Hz)
4.工作環境：溫度-10℃～+40℃ 相對濕度<85％(25℃) 海拔<4000m
5.裝置容量：≤1．2kVA
6.外形尺寸：45cm*45cm*75cm
三、系統結構及組成
二維運動控制實驗平臺主要由步進電機控制系統和電腦桌兩部分組成，結構框圖如下圖所示：
系統結構框圖
1.對象模塊
步進電機二個：采用二個 2 相步進電動機，分別為 XY 兩個方向布置，X 軸運動行程為 230mm，Y 軸運動行程為 230mm。
2.51 單片機開發控制板
單片機開發控制板，主 CPU 為 AT89S52，帶下載接口（編程電纜，編程軟件），所有接口資源引出，供用戶使用。并配置相應控制開關按鈕。
3.運動控制卡一塊
(1)32 位 PCI 總線，即插即用
(2)所有輸入、輸出均采用光耦隔離,抗干擾性強
(3)2 軸伺服/步進電機控制，每軸可獨立運動，互不影響
(4)脈沖輸出的頻率誤差小于 0.1% 最大脈沖輸出頻率為 2MHz
(5)脈沖輸出可用單脈沖（脈沖+方向）或雙脈沖（脈沖+脈沖）方式梯形加/減速
(6)任意 2 軸直線插補最大插補速度 1MHz
(7)運動中可以實時讀出邏輯位置、實際位置、驅動速度24 路數字輸入，12 路輸出
(8)每軸兩個限位輸入，可設置成無效，作為通用輸入使用支持在一個系統中使用多達 16 個控制卡
(9)支持 DOS、WINDOWS95/98/NT/2000/XP/WINCE 等操作系統
4.步進電機驅動器：二個
(1)輸出電流：最大電流為 2A
(2)輸出方式：光光耦合器?開路集電極輸出
5.穩壓直流電源：一個
(1)輸出電流：最大輸出電流為 5A 輸出電壓：24V
(2)輸出功率：120w
6.運動控制卡接口板：一塊
為運動控制卡提供接口端子，可根據自己的需要進行相應的接線，實現接線的靈活及開放性。
7.實驗平臺信號接口板：一塊
用以實現單片機和運動控制卡與實驗平臺的信號連接，在同一時刻只能一種控制起作用。
8.計算機一臺(用戶自備)
用于安裝單片機集成開發環境 KEIL C、編程下載軟件，主要完成程序的編寫、修改、編譯、軟件仿真等功能，最后通過編程下載軟件裝載到單片機內部 FLASH ROM 中運行。還用于運行控制卡上位軟件的開發、運行。
硬件配置：基本配置要求 P4 3.OG 以上，內存至少為 256M，至少有一個 USB 接口、一個并行口、一個Rs232 串口和一個空閑 PCI 插槽。操作系統：Windows系統。
9.單片機技術應用系統：
系統配置 2000/xp/win7/win10 等操作平臺的單片機技術應用軟件，支持匯編、C51 語言編譯、調試；單片機在線下載軟件等。
10.實驗室智能電源安全管理系統：
(1)設備可以使用手機wifi/4G/3G/2G 全球化遠程控制。
(2)可設置定時，分享，狀態反饋，場景聯動，分享等功能，千里之外均可以控制，實現設備智能化電源、網絡化管理；
(3)支持權限管理功能，采用主賬戶管理機制，安全，方便。
(4)手機系統支持安卓，蘋果IOS；
(5)支持無網絡狀態下現場手動控制；
(6)可遠程控制單臺或多臺設備的開啟與關閉；
(7)可遠程監控單臺或多臺設備的運行狀態；
(8)可遠程定時預約單臺或多臺設備進行實驗。
四、單片機創新模塊資源
(1)用戶CPU（51單片機最小系統），40芯鎖緊插座，I/O口資源全部引出。配置STC90C516RD+單片機。支持USB取電。
(2)RS232串行通訊口（用于RS232通訊實驗或給STC系列單片機在線編程）
(3)USB轉串通訊口（用于RS232通訊實驗或給STC系列單片機在線編程）
(4)8組獨立按鈕開關模塊
(5)8組LED發光二極管模塊
(6)可調電壓模塊（0~3.3V或0~5V可調）
(7)射極跟隨器實驗模塊
(8)蜂鳴器模塊
(9)TLC549串行A/D轉換模塊
(10)LCD16*02液晶接口（背光可調）
(11)LCD128*64液晶接口（背光可調）
(12)DC5V直流電源輸入接口（內正外負），帶開關控制，加0.5A保險絲過流保護
(13)DC5V/3.3V轉接口（大金孔，小金孔，多組插針，方便各種電源接口連接）
(14)ISP下載接口，用于ATMEL公司AT89S5X系列單片機芯片在線編程，需配置專用ISP下載線。
(15)創新模塊擴展接口
五、創新實驗模塊（選配）
(1)傾斜檢測傳感器模塊
(2)觸摸檢測傳感器模塊
(3)紫外檢測傳感器模塊
(4)振動檢測傳感器模塊
(5)數字光強度測試儀設計
(6)人體紅外感應模塊
(7)凝露檢測傳感器模塊
(8)火焰檢測傳感器模塊
(9)氣體檢測傳感器模塊
(10)超聲波測距模塊
(11)無線數據通訊模塊
(12)塵埃灰塵粉塵檢測傳感器模塊
六、教學課件資源
(1)178組實驗例程(C語言源代碼及實驗對應的Proeus ISIS仿真電路)
(2)16組上百個PPT課件
(3)30+參考資料
(4)1000+畢業設計及產品設計資料
(5)200個模塊PCB及原理圖PROTEL源文件
(6)阻抗，波特率，電感量，定時器，振蕩電路計算，反激變壓器設計，LED數碼管段碼發生器，取模多項輔助軟件。
七、提供單片機數字孿生仿真系統
單片機數字孿生仿真系統遵循"虛實結合、精準映射、互為驗證" 的原則，借助于數字孿生過程產生孿生數據，實現單片機物理實體實驗和單片機數字虛擬實驗的虛實結合。虛擬仿真實驗教學極大地增強了學生對單片機學習的熱情和積極性， 提高了課程的教學效果。 同時虛擬仿真大幅度降低了對實驗場地的需求，系統具有實驗性能穩定、 實驗內容豐富、 實驗地點靈活、 實驗時間自由、 實驗方式多樣化等特點。
(1)單片機微控制面板功能：用戶可以訪問所有8051單片機內部的寄存器和數據存儲器。可以編輯部分寄存器設置和修改存儲數據。可以設置單片機的工作時鐘頻率，可以設置仿真軟件的刷新頻率。
(2)代碼操作面板功能：可以新建、修改、保存、調入源代碼文件;可以編譯、設置斷點、單步運行、全速運行、暫停、復位程序。調試過程中，可以在微控制面板上實時監控和查看各寄存器和存儲器的數據變化。
(3)外圍設備面板功能：提供多組外設模塊，提供一張所有外設和單片機的動態連接圖，用戶可以使能單個模塊或多個模塊同時與單片機的連接，用戶還可以設置和改變外設模塊與單片機不同的引腳連接。
(4)提供以下外設模塊
（1）ADC模數轉換器模塊；
(2)DAC數模轉換器模塊；
（3）比較器模塊；
（4）4位7段LED數碼管顯示模塊；
（5）1602液晶顯示模塊；
（6）RS232串口實驗模塊；
（7）矩陣鍵盤模塊（含三種工作模式）；
（8）8位LED流水燈模塊；
（9）8位撥碼開關模塊；
（10）雙向直流電機模塊（帶測速反饋傳感器）；
（11）示波器顯示模塊。
(5)提供積木式代碼編輯器，通過搭積木的方式來進行邏輯組裝，降低初學編程的同學使用鍵盤來操作的門檻，但又保持了內在的邏輯性，支持全中文界面。
(6)支持將積木式代碼自動生成C語言代碼，并編譯生成HEX文件，可以裝載到數字虛擬仿真模型中運行，也可直接下載到單片機物理芯片中實際運行，真正實現了虛實結合、互為驗證的功能 。
(7)數字虛擬仿真模型提供仿真單片機；提供電阻，電容，電感，二級管、三極管等模擬器件；提供多種74系列TTL數字邏輯芯片；提供AD,DA,串轉并，并轉串，運算放大器等功能芯片；提供LED發光二極管，開關，蜂鳴器，七段LED數碼管，LCD液晶屏等外設模塊；提供電壓表，頻率計，示波器等儀器儀表。
(8)數字虛擬仿真模型支持器件用鼠標拖動到任意位置，支持手動連線和器件搭建，完全仿真實物器件的實驗連線。電路搭建后之后，可以將HEX文件裝載到仿真單片機中運行仿真，并能直觀、生動地觀察到實驗運行動作和結果。
八、實驗項目
（一）基礎實驗
(1)單片機的認識和操作實驗
(2)單片機集成開發環境KEIL C 的認識實驗
(3)單片機在線編程軟件的認識與使用
(4)單片機基本編程練習實驗
（二）基于 51 單片機控制的系統性實驗
(1)6、基于 51 單片機控制的單軸實驗
(2)7、基于 51 單片機控制的兩軸聯動控制實驗
(3)8、基于 51 單片機控制的任意路線物料搬運實驗
（三）基于運動控制卡控制的系統性實驗
(1)基于運動控制卡控制的單軸實驗
(2)1基于運動控制卡控制的兩軸聯動實驗
(3)基于運動控制卡控制的任意路線物料搬運
（四）運動控制卡可用以下開發工具
(1)CBuilderBorland C++Bulider
(2)DephiBorland Dephi 6
(3)VbMicrosoft Visual basic 工具開發的基本庫函數示例程序及源代碼
(4)VCMicrosoft Visual C++工具開發的基本庫函數示例程序及源代碼
一、概述
二維運動控制實驗平臺是集運動控制卡、單片機開發控制板、步進電機及驅動器、開關電源、XY控制平臺及運動控制軟件于一體的理想教學實驗系統。XY控制臺是一個采用滾珠絲杠傳動的模塊化十字工作臺，可以實現平面內X、Y軸方向的運動控制，用于實現目標軌跡和動作。實驗系統軟件包括基于軸的控制、基于坐標系的控制、命令編輯和運行、數控代碼編輯和運行、復雜運動軌跡控制。
二、技術性能
1.定位精度：0.4mm
2.X軸有效行程：230mm；Y軸有效行程：230mm；最大運動速度：20mm／s；最大運動加速度：1g
3.輸入電源：220V±10％(50Hz)
4.工作環境：溫度-10℃～+40℃ 相對濕度<85％(25℃) 海拔<4000m
5.裝置容量：≤1．2kVA
6.外形尺寸：45cm*45cm*75cm
三、系統結構及組成
二維運動控制實驗平臺主要由步進電機控制系統和電腦桌兩部分組成，結構框圖如下圖所示：
系統結構框圖
1.對象模塊
步進電機二個：采用二個 2 相步進電動機，分別為 XY 兩個方向布置，X 軸運動行程為 230mm，Y 軸運動行程為 230mm。
2.51 單片機開發控制板
單片機開發控制板，主 CPU 為 AT89S52，帶下載接口（編程電纜，編程軟件），所有接口資源引出，供用戶使用。并配置相應控制開關按鈕。
3.運動控制卡一塊
(1)32 位 PCI 總線，即插即用
(2)所有輸入、輸出均采用光耦隔離,抗干擾性強
(3)2 軸伺服/步進電機控制，每軸可獨立運動，互不影響
(4)脈沖輸出的頻率誤差小于 0.1% 最大脈沖輸出頻率為 2MHz
(5)脈沖輸出可用單脈沖（脈沖+方向）或雙脈沖（脈沖+脈沖）方式梯形加/減速
(6)任意 2 軸直線插補最大插補速度 1MHz
(7)運動中可以實時讀出邏輯位置、實際位置、驅動速度24 路數字輸入，12 路輸出
(8)每軸兩個限位輸入，可設置成無效，作為通用輸入使用支持在一個系統中使用多達 16 個控制卡
(9)支持 DOS、WINDOWS95/98/NT/2000/XP/WINCE 等操作系統
4.步進電機驅動器：二個
(1)輸出電流：最大電流為 2A
(2)輸出方式：光光耦合器?開路集電極輸出
5.穩壓直流電源：一個
(1)輸出電流：最大輸出電流為 5A 輸出電壓：24V
(2)輸出功率：120w
6.運動控制卡接口板：一塊
為運動控制卡提供接口端子，可根據自己的需要進行相應的接線，實現接線的靈活及開放性。
7.實驗平臺信號接口板：一塊
用以實現單片機和運動控制卡與實驗平臺的信號連接，在同一時刻只能一種控制起作用。
8.計算機一臺(用戶自備)
用于安裝單片機集成開發環境 KEIL C、編程下載軟件，主要完成程序的編寫、修改、編譯、軟件仿真等功能，最后通過編程下載軟件裝載到單片機內部 FLASH ROM 中運行。還用于運行控制卡上位軟件的開發、運行。
硬件配置：基本配置要求 P4 3.OG 以上，內存至少為 256M，至少有一個 USB 接口、一個并行口、一個Rs232 串口和一個空閑 PCI 插槽。操作系統：Windows系統。
9.單片機技術應用系統：
系統配置 2000/xp/win7/win10 等操作平臺的單片機技術應用軟件，支持匯編、C51 語言編譯、調試；單片機在線下載軟件等。
10.實驗室智能電源安全管理系統：
(1)設備可以使用手機wifi/4G/3G/2G 全球化遠程控制。
(2)可設置定時，分享，狀態反饋，場景聯動，分享等功能，千里之外均可以控制，實現設備智能化電源、網絡化管理；
(3)支持權限管理功能，采用主賬戶管理機制，安全，方便。
(4)手機系統支持安卓，蘋果IOS；
(5)支持無網絡狀態下現場手動控制；
(6)可遠程控制單臺或多臺設備的開啟與關閉；
(7)可遠程監控單臺或多臺設備的運行狀態；
(8)可遠程定時預約單臺或多臺設備進行實驗。
四、單片機創新模塊資源
(1)用戶CPU（51單片機最小系統），40芯鎖緊插座，I/O口資源全部引出。配置STC90C516RD+單片機。支持USB取電。
(2)RS232串行通訊口（用于RS232通訊實驗或給STC系列單片機在線編程）
(3)USB轉串通訊口（用于RS232通訊實驗或給STC系列單片機在線編程）
(4)8組獨立按鈕開關模塊
(5)8組LED發光二極管模塊
(6)可調電壓模塊（0~3.3V或0~5V可調）
(7)射極跟隨器實驗模塊
(8)蜂鳴器模塊
(9)TLC549串行A/D轉換模塊
(10)LCD16*02液晶接口（背光可調）
(11)LCD128*64液晶接口（背光可調）
(12)DC5V直流電源輸入接口（內正外負），帶開關控制，加0.5A保險絲過流保護
(13)DC5V/3.3V轉接口（大金孔，小金孔，多組插針，方便各種電源接口連接）
(14)ISP下載接口，用于ATMEL公司AT89S5X系列單片機芯片在線編程，需配置專用ISP下載線。
(15)創新模塊擴展接口
五、創新實驗模塊（選配）
(1)傾斜檢測傳感器模塊
(2)觸摸檢測傳感器模塊
(3)紫外檢測傳感器模塊
(4)振動檢測傳感器模塊
(5)數字光強度測試儀設計
(6)人體紅外感應模塊
(7)凝露檢測傳感器模塊
(8)火焰檢測傳感器模塊
(9)氣體檢測傳感器模塊
(10)超聲波測距模塊
(11)無線數據通訊模塊
(12)塵埃灰塵粉塵檢測傳感器模塊
六、教學課件資源
(1)178組實驗例程(C語言源代碼及實驗對應的Proeus ISIS仿真電路)
(2)16組上百個PPT課件
(3)30+參考資料
(4)1000+畢業設計及產品設計資料
(5)200個模塊PCB及原理圖PROTEL源文件
(6)阻抗，波特率，電感量，定時器，振蕩電路計算，反激變壓器設計，LED數碼管段碼發生器，取模多項輔助軟件。
七、提供單片機數字孿生仿真系統
單片機數字孿生仿真系統遵循"虛實結合、精準映射、互為驗證" 的原則，借助于數字孿生過程產生孿生數據，實現單片機物理實體實驗和單片機數字虛擬實驗的虛實結合。虛擬仿真實驗教學極大地增強了學生對單片機學習的熱情和積極性， 提高了課程的教學效果。 同時虛擬仿真大幅度降低了對實驗場地的需求，系統具有實驗性能穩定、 實驗內容豐富、 實驗地點靈活、 實驗時間自由、 實驗方式多樣化等特點。
(1)單片機微控制面板功能：用戶可以訪問所有8051單片機內部的寄存器和數據存儲器。可以編輯部分寄存器設置和修改存儲數據。可以設置單片機的工作時鐘頻率，可以設置仿真軟件的刷新頻率。
(2)代碼操作面板功能：可以新建、修改、保存、調入源代碼文件;可以編譯、設置斷點、單步運行、全速運行、暫停、復位程序。調試過程中，可以在微控制面板上實時監控和查看各寄存器和存儲器的數據變化。
(3)外圍設備面板功能：提供多組外設模塊，提供一張所有外設和單片機的動態連接圖，用戶可以使能單個模塊或多個模塊同時與單片機的連接，用戶還可以設置和改變外設模塊與單片機不同的引腳連接。
(4)提供以下外設模塊
（1）ADC模數轉換器模塊；
(2)DAC數模轉換器模塊；
（3）比較器模塊；
（4）4位7段LED數碼管顯示模塊；
（5）1602液晶顯示模塊；
（6）RS232串口實驗模塊；
（7）矩陣鍵盤模塊（含三種工作模式）；
（8）8位LED流水燈模塊；
（9）8位撥碼開關模塊；
（10）雙向直流電機模塊（帶測速反饋傳感器）；
（11）示波器顯示模塊。
(5)提供積木式代碼編輯器，通過搭積木的方式來進行邏輯組裝，降低初學編程的同學使用鍵盤來操作的門檻，但又保持了內在的邏輯性，支持全中文界面。
(6)支持將積木式代碼自動生成C語言代碼，并編譯生成HEX文件，可以裝載到數字虛擬仿真模型中運行，也可直接下載到單片機物理芯片中實際運行，真正實現了虛實結合、互為驗證的功能 。
(7)數字虛擬仿真模型提供仿真單片機；提供電阻，電容，電感，二級管、三極管等模擬器件；提供多種74系列TTL數字邏輯芯片；提供AD,DA,串轉并，并轉串，運算放大器等功能芯片；提供LED發光二極管，開關，蜂鳴器，七段LED數碼管，LCD液晶屏等外設模塊；提供電壓表，頻率計，示波器等儀器儀表。
(8)數字虛擬仿真模型支持器件用鼠標拖動到任意位置，支持手動連線和器件搭建，完全仿真實物器件的實驗連線。電路搭建后之后，可以將HEX文件裝載到仿真單片機中運行仿真，并能直觀、生動地觀察到實驗運行動作和結果。
八、實驗項目
（一）基礎實驗
(1)單片機的認識和操作實驗
(2)單片機集成開發環境KEIL C 的認識實驗
(3)單片機在線編程軟件的認識與使用
(4)單片機基本編程練習實驗
（二）基于 51 單片機控制的系統性實驗
(1)6、基于 51 單片機控制的單軸實驗
(2)7、基于 51 單片機控制的兩軸聯動控制實驗
(3)8、基于 51 單片機控制的任意路線物料搬運實驗
（三）基于運動控制卡控制的系統性實驗
(1)基于運動控制卡控制的單軸實驗
(2)1基于運動控制卡控制的兩軸聯動實驗
(3)基于運動控制卡控制的任意路線物料搬運
（四）運動控制卡可用以下開發工具
(1)CBuilderBorland C++Bulider
(2)DephiBorland Dephi 6
(3)VbMicrosoft Visual basic 工具開發的基本庫函數示例程序及源代碼
(4)VCMicrosoft Visual C++工具開發的基本庫函數示例程序及源代碼