數(shù)控模塊基礎(chǔ)組件專(zhuān)利

1、技術(shù)交底書(shū)（一）發(fā)明或者實(shí)用新型的名稱(chēng) 數(shù)控沙盤(pán)基礎(chǔ)組件的發(fā)明（二）所屬技術(shù)領(lǐng)域 本發(fā)明是做出一個(gè)電路板，電路板主要是以單片機(jī)為CPU，主要是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)來(lái)控制數(shù)控沙盤(pán)模塊，以達(dá)到所要求的功能。數(shù)控沙盤(pán)模塊是一個(gè)機(jī)械裝置，因此本發(fā)明屬于機(jī)電一體化。（三）背景技術(shù) 機(jī)電一體化技術(shù)是將機(jī)械技術(shù)、電工電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、接口技術(shù)、信號(hào)變換技術(shù)等多種技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，并綜合應(yīng)用到實(shí)際中去的綜合技術(shù)?，F(xiàn)在機(jī)電一體化技術(shù)，是機(jī)械和微電子緊密集合的一門(mén)技術(shù)，他的發(fā)展使冷冰冰的機(jī)器有了人性化，智能化。而微電子技術(shù)是建立在以集成電路為核心的各種半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)上的

2、高新電子技術(shù)，特點(diǎn)是體積小、重量輕、可靠性高、工作速度快。集成電路（integrated circuit）是一種微型電子器件或部件，是20世紀(jì)50年代后期一60年代發(fā)展起來(lái)的一種新型半導(dǎo)體器件。它是經(jīng)過(guò)氧化、光刻、擴(kuò)散、外延、蒸鋁等半導(dǎo)體制造工藝，把構(gòu)成具有一定功能的電路所需的半導(dǎo)體、電阻、電容等元件及它們之間的連接導(dǎo)線全部集成在一小塊硅片上，然后焊接封裝在一個(gè)管殼內(nèi)的電子器件。其封裝外殼有圓殼式、扁平式或雙列直插式等多種形式。集成電路技術(shù)包括芯片制造技術(shù)與設(shè)計(jì)技術(shù)，主要體現(xiàn)在加工設(shè)備，加工工藝，封裝測(cè)試，批量生產(chǎn)及設(shè)計(jì)創(chuàng)新的能力上。 隨著PC機(jī)的到來(lái)，嵌入式片上系統(tǒng)(System On-Ch

3、ip, SoC)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步，在更小的芯片上可以集成更多、更快的以處理器為核心的復(fù)雜功能單元，這使得設(shè)計(jì)更高性能的嵌入式 SoC 逐步成為可能，因此，利用集成電路設(shè)計(jì)一個(gè)能達(dá)到實(shí)用要求的電路板，能夠使此技術(shù)成為可能。本發(fā)明首先是以機(jī)械裝置為基礎(chǔ)，該機(jī)械裝置也叫做數(shù)控沙盤(pán)。其次利用嵌入式和集成電路的知識(shí)設(shè)計(jì)能夠驅(qū)動(dòng)數(shù)控沙盤(pán)長(zhǎng)方形立柱可以自主運(yùn)動(dòng)的電路。（四）目的本發(fā)明機(jī)械裝置和驅(qū)動(dòng)電路板都屬于數(shù)控沙盤(pán)基礎(chǔ)組件，目的就是利用驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)程序來(lái)控制機(jī)械裝置，主要是驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置控制矩形方陣，該矩形方陣是由16*16的長(zhǎng)方立柱組成。每個(gè)16*16組成的矩形方塊為一個(gè)模塊，根據(jù)自己的需求通過(guò)設(shè)

4、計(jì)電路和程序控制每個(gè)長(zhǎng)方立柱的升降來(lái)達(dá)到要顯示的目的。在基于國(guó)家項(xiàng)目環(huán)境監(jiān)測(cè)與預(yù)警平臺(tái)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明是顯示和預(yù)警的另一種方式，能夠更直觀的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和預(yù)警。（五）技術(shù)方案本發(fā)明首先是以機(jī)械裝置為基礎(chǔ)，圖一、圖二、圖三分別是該裝置的主視圖、俯視圖、和左視圖。通過(guò)這三個(gè)圖我們可以看到，在圖一的最頂端也就是圖二的中間位置有一個(gè)16*16的方塊矩陣，也是由16個(gè)長(zhǎng)方立柱組成，每一個(gè)長(zhǎng)方立柱可以通過(guò)計(jì)算機(jī)程序編程來(lái)控制升降，并且這個(gè)升降的高度是可以設(shè)定的。在圖三當(dāng)中，可以看到每一個(gè)立方柱上面有三個(gè)指示燈，也可以稱(chēng)之為像素點(diǎn)，分別為紅綠黃。像素點(diǎn)也可以根據(jù)計(jì)算機(jī)編程來(lái)控制他的亮度和顯示內(nèi)容或者效果。在這個(gè)

5、16*16的下方是一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，在圖一可以看到有一個(gè)長(zhǎng)方柱，這個(gè)長(zhǎng)方柱就是用來(lái)托起和拉下這16個(gè)長(zhǎng)方立柱用的。這個(gè)長(zhǎng)方柱是用三個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)的，由機(jī)械裝置的三個(gè)圖可以看到，控制長(zhǎng)方柱運(yùn)行的方向有三個(gè)，我們稱(chēng)之為x方向y方向（水平方向）和z方向（上下方向），通過(guò)三個(gè)步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制長(zhǎng)方柱在三個(gè)方向上的運(yùn)行就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)16*16的矩形方塊的控制。為了達(dá)到驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置的目的，必須要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不盡的剪輯的驅(qū)動(dòng)和對(duì)各個(gè)像素點(diǎn)的顯示的控制。在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中選擇以51單片機(jī)為CPU來(lái)為步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖，用來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。矩形方陣上面一共有48個(gè)像素點(diǎn)，選擇用74HC595級(jí)聯(lián)的方式來(lái)給像素點(diǎn)發(fā)

6、脈沖控制顯示和亮度。首先，圖三是給電路板供電的供電模塊。一共兩路電壓值，一路是給芯片能正常工作的5V電壓，一路是給步進(jìn)電機(jī)工作供電，利用電容來(lái)去耦和濾波。由于CPU單獨(dú)發(fā)送的脈沖電壓不能夠直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，所以必須選擇一款步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，在電路的設(shè)計(jì)當(dāng)中選擇L298N作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。L298N一共有四個(gè)輸入端和四個(gè)輸出端，輸入端就是CPU發(fā)送的脈沖命令。由此可知，CPU需要驅(qū)動(dòng)三個(gè)步進(jìn)電機(jī)（三個(gè)方向），因此需要復(fù)用C51單片機(jī)的P1口的I/O輸入引腳，然后用74ls139譯碼器（圖五）來(lái)片選驅(qū)動(dòng)芯片，這樣就可以逐個(gè)控制步進(jìn)電機(jī)。在電路的設(shè)計(jì)當(dāng)中，涉及到了測(cè)試模塊，設(shè)計(jì)

7、了按鍵（矩陣鍵盤(pán)圖九）。通過(guò)按鍵的形式來(lái)測(cè)試驅(qū)動(dòng)電路的功能，在程序的編寫(xiě)當(dāng)中也可以加入加減速，起停和正反轉(zhuǎn)的操作。在驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（像素點(diǎn)）的模塊中，選擇的是74HC595級(jí)聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)（圖十）。對(duì)于驅(qū)動(dòng)電路的控制，也就是命令的發(fā)送是通過(guò)計(jì)算機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路板之間進(jìn)行串行通信來(lái)實(shí)現(xiàn)的（圖八）。需要托起和下拉某一個(gè)長(zhǎng)方立柱或者想點(diǎn)亮某一個(gè)發(fā)光二極管，要想讓16*16矩形方陣顯示什么樣的地形，都可以通過(guò)PC機(jī)對(duì)電路板發(fā)送命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。（六）有益效果本發(fā)明所設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)在保證高檢測(cè)率的條件下已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，并且同過(guò)手動(dòng)的方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某個(gè)長(zhǎng)方立柱的托起和下拉。通過(guò)脈沖頻率的變化可以改變不進(jìn)店的

8、的速度，能夠達(dá)到5mm/s。在這個(gè)速度下可以保證機(jī)械裝置能承受步進(jìn)電機(jī)的震動(dòng)強(qiáng)度和步進(jìn)電機(jī)所運(yùn)行的三個(gè)方向不會(huì)由于慣性問(wèn)題出線超程的危險(xiǎn)。（七）附圖說(shuō)明圖一示出了數(shù)控沙盤(pán)機(jī)械裝置的主視圖圖二示出了數(shù)控沙盤(pán)機(jī)械裝置的左視圖圖三示出了數(shù)控沙盤(pán)機(jī)械裝置的俯視圖圖四示出了驅(qū)動(dòng)電路板的電源模塊圖五示出了片選步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片圖六示出了電路板的CPU模塊圖七示出了所驅(qū)動(dòng)的三個(gè)步進(jìn)電機(jī)圖八示出了PC機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路板的串行通信模塊圖九示出了測(cè)試用的矩陣鍵盤(pán)模塊圖十示出了驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（像素點(diǎn)）模塊圖十一示出了能夠直觀看到給步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖變化的模塊圖十二示出了步進(jìn)電機(jī)超程和初始點(diǎn)的檢測(cè)（八）最佳實(shí)施方案本發(fā)明是

9、通過(guò)電源給開(kāi)發(fā)板提供電力，開(kāi)發(fā)板負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和發(fā)光二極管。PC端可以通過(guò)串行通信對(duì)單片機(jī)發(fā)送命令來(lái)達(dá)到自己所要顯示的目的。在電路板的設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要分為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，發(fā)光二極管兩大功能，以這兩個(gè)模塊為重點(diǎn)說(shuō)明電路板的工作和實(shí)現(xiàn)方式。在本發(fā)明中，開(kāi)發(fā)板系統(tǒng)主要包括CPU（單片機(jī)），步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，矩陣鍵盤(pán)測(cè)試模塊，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管模塊，與PC機(jī)串行通信模塊以及保護(hù)不讓步進(jìn)電機(jī)超程模塊。要想實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)地形的顯示，需要用PC機(jī)對(duì)開(kāi)發(fā)板系統(tǒng)進(jìn)行命令的編寫(xiě)，所發(fā)送的命令就是開(kāi)發(fā)板系統(tǒng)程序的參數(shù)，通過(guò)接受的參數(shù)，來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是CPU（單片機(jī)）通過(guò)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N發(fā)送脈沖命令

10、來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于三個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片的脈沖輸入端是復(fù)用的P1口，因此用譯碼器進(jìn)行片選，這樣可以獨(dú)立的操作某一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。在步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式上，選擇的都是直接發(fā)送01電平信號(hào)，通過(guò)電平信號(hào)的變化驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)一步一步的行駛。步進(jìn)電機(jī)的行駛速度是可以根據(jù)給予驅(qū)動(dòng)芯片的脈沖頻率來(lái)確定并且可以根據(jù)需求將最合的速度寫(xiě)進(jìn)eeprom用來(lái)記憶，方便下次使用。由于數(shù)控沙盤(pán)裝置和矩陣方塊受距離顯示，所以步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行距離就需要一定的保護(hù)（圖十二所示）。通過(guò)行程開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)，可以檢測(cè)到步進(jìn)電機(jī)有沒(méi)有超程和有沒(méi)有在初始點(diǎn)出發(fā)，所以在實(shí)施方案和編寫(xiě)程序當(dāng)中需要注意這個(gè)問(wèn)題。在驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管模塊中，就是通過(guò)程序的編寫(xiě)對(duì)74HC595發(fā)送脈沖命令用來(lái)點(diǎn)亮所需要的像素點(diǎn)。在控制16*16的長(zhǎng)方立柱的動(dòng)作當(dāng)中，需要托起和