显微镜Z轴电机传动与控制系统设计.docx

1、摘 要本文主要是对显微镜的Z轴调焦机构及其控制系统进行设计，本设计的机械执行部分主要是选用机械结构的原动件步进电机、连接件联轴器、传动件齿轮齿条及其支撑机构轴承，并且选用整个系统的润滑方式，保证系统的正常使用；而电路部分主要是进行步进电机的驱动电路（为系统提供驱动信号）设计和单片机的控制电路设计（为驱动电路提供控制信号和人际交互）。本设计主要目标是实现显微镜的自动对焦。本系统的步进电机自动控制系统是一个低速、高精度的运动控制系统。本文将从系统的总体设计方案开始进行描述，并说明系统机械执行机构的原理及其设计参数，之后将对步进电机细分控制的设计进行说明。本设计主要采用混合是步进电机作为驱动电机（由

2、于实际的步进电机价格过于昂贵，将选用小型步进电机替代，模拟实际情况），以51兼容的单片机为系统核心的控制系统，以齿轮齿条为传动机构。本文深入的研究了Z轴电机控制系统过程中所涉及到的机械传动部分、步进电机的细分驱动部分以及工作状态的显示和人际交互过程中必要的信息显示，从硬件和软件两个方面对系统进行了整体设计，是一个机电结合的控制系统。关键词：低速；步进电机；单片机；齿轮齿条传动；精密运动控制AbstractThis article is mainly talked about the Z axis focusing mechanism of the microscope and its cont

3、rol system design, the design of this systems main structure consist : the orginal mechanical moving partsstepper motors, fittings - couplings, transmission parts - - rack and pinion and its supporting institutions - Bearings and lubrication selection of the entire system, to ensure the normal use;

4、while the circuit section is primarily for stepper motor drive circuit (the system provides drive signals) the design and control of the microcontroller circuit design (to provide control signals to the drive circuit and interpersonal interaction). The design of the main objectives is to achieve the

5、 microscope autofocus.The automatic control system of the stepper motor system is a low-speed, high-precision motion control system. This article from the overall design of the system begins to describe and explain the principles of the system and its mechanical actuator design parameters, and then

6、will be stepping motor subdivision control design will be described. This design is a hybrid stepping motor as the drive motor (stepping motor because the actual price is too high, the alternative use of small stepper motors to simulate actual conditions) to 51-compatible microcontroller core of the

7、 control system for the system, with a gear rack for the drive mechanism.This in-depth study of the Z-axis motor control system are involved in the process of mechanical transmission parts breakdown of stepper motor drive section and the working status display and interpersonal interaction during th

8、e necessary information display, both from the hardware and software the overall design of the system, is combined with an electromechanical control system.Key words: low speed; stepper motor; microcontroller; rack and pinion; precision motion control目 录引言11 绪论21.1 论文选题的背景和意义21.2 论文的内容和目标22 显微镜Z轴电机传

9、动与控制系统的总体设计42.1 系统的总体功能简介42.2 系统设计的初步分析42.3 系统整体设计方块图52.4 系统总体功能的实现方案及选择53 系统机械部分的设计计算93.1 步进电机的选择与计算93.2 联轴器的选择与计算103.3 齿轮齿条的设计与计算113.4 齿轮轴以及轴承的选用及设计143.5 系统其他零件的选用144 系统的电路控制部分的设计164.1 单片机控制电路164.2 人机交互电路的设计174.3 电源电路设计194.4 步进电机驱动电路195 软件部分的设计295.1 系统程序的整体设计思路以及流程图295.2 程序的主要模块功能介绍306 结论31谢辞32参考文

10、献33附录34引言随着国家经济的发展和科学技术的提高，无论工业上或是生物科学中，对于各种精密仪器设备的使用时不可或缺的，而显微镜正是其中之一。而随着技术的发展，越来越多的仪器设计从人为操作向着自动化的发展，变得更加智能化，不仅相对于传动的手工操作更加方便，控制精度也变得越来越高。显微镜，可以说是人类最伟大的发明之一，在它之前，人类关于世界的观念仅仅局限于肉眼所能看到的事物，而显微镜带给了人类一个崭新的世界，成为了人类观察、了解微观世界不可或缺的工具。普通的显微镜已经发展了几百年的历史了，而自动显微镜的出现也就是最近几十年而已。在显微镜发展的早期阶段，人们通过在普通显微镜的基础上安装用于XY方向

11、移动的载物台和Z轴方向用于调焦的三向控制平台，这便是最初的自动控制显微镜的原型。随着自动控制的发展，显微镜的自动化也得到了发展，通过摄像头对观测物体拍摄的图像进行处理，得出显微镜需要调焦的参数，并发送指令给控制系统，控制系统在接收到指令以后则发出指令控制电机做出相应的动作实现自动调焦，由于过程中几乎不需要人为的手动操作，速度非常快，大大提高了工作的效率。本文所提出的显微镜Z轴调焦自动控制系统则是以以上的结构为基础进行的设计，本设计融合了机械设计和控制系统的设计两大部分，使得工程技术人员能够以更加高效的方法操作使用显微镜，而且还能够设计相应的接口电路连接计算机，通过计算机对图像进行处理从而给出控

12、制信号，大大提高了工程技术人员、医学工作者、生物学专业人士的工作效率。1 绪论显微镜Z轴电机自动调焦控制系统属于自动控制系统的范畴，用于用于控制被控对象连续地，精确地复现输入信号的变化规律。自动控制伺服系统通常分为闭环控制系统，半闭环控制系统和开环控制系统几类。本次设计由于成本以及系统本身的要求并不高，因此采用其中最为简单的无需反馈的开环控制系统即可满足要求：实时精确的控制步进电机的转动角度，经齿轮齿条的传动转化为Z轴方向上的精确移动，从而实现Z轴方向的自动调焦。1.1 论文选题的背景和意义随着国家经济的发展和科学技术的提高，无论工业上或是生物科学中，对于各种精密仪器设备的使用时不可或缺的，而

13、显微镜正是其中之一。而随着技术的发展，越来越多的仪器设计从人为操作向着自动化的发展，变得更加智能化，不仅相对于传动的手工操作更加方便，控制精度也变得越来越高。显微镜，可以说是人类最伟大的发明之一，在它之前，人类关于世界的观念仅仅局限于肉眼所能看到的事物，而显微镜带给了人类一个崭新的世界，成为了人类观察、了解微观世界不可或缺的工具。普通的显微镜已经发展了几百年的历史了，而自动显微镜的出现也就是最近几十年而已。在显微镜发展的早期阶段，人们通过在普通显微镜的基础上安装用于XY方向移动的载物台和Z轴方向用于调焦的三向控制平台，这便是最初的自动控制显微镜的原型。随着自动控制的发展，显微镜的自动化也得到了

14、发展，通过摄像头对观测物体拍摄的图像进行处理，得出显微镜需要调焦的参数，并发送指令给控制系统，控制系统在接收到指令以后则发出指令控制电机做出相应的动作实现自动调焦，由于过程中几乎不需要人为的手动操作，速度非常快，大大提高了工作的效率。1.2 论文的内容和目标1.2.1自动对焦系统的好处与优势本次设计属于目前已经在工业上广泛运用的伺服系统，在自动控制领域，伺服系统就是将指令信号精确、快速的转换为相应的物理实现。自动控制系统相对于普通的手工操作来说主要有以下优势：1. 稳定性。由手工操作来实现显微镜的调焦不仅速度慢，而且人手的力度不能精确控制，导致在对焦过程中经常要反复操作才能得到需要的视场，而有

15、时候不小心用力过大又要重新操作，而自动对焦则没有这方面的问题。2. 快速性。自动对焦在保证系统稳定性的技术上，能够快速相应计算机发送的指令信号，从而快速执行相应的动作，步进电机电机的转速比较高，能够很快的调焦。3. 准确性。由于人眼的极限，对于显微镜的对焦只能调节到合适的范围内，而自动对焦由于摄像头和相应的软件能够更加精确的判断出需要对焦的距离，比人眼更加精确。1.2.2论文研究的主要内容本次设计的主要内容是实现对显微镜Z轴的步进电机自动调焦功能，即由MCU接收和发送控制指令，通过步进电机驱动电路对步进电机输出驱动脉冲，从而实现系统的自动对焦功能。因此，本文将主要对步进电机驱动的原理及其电路设计进行描述说明，并详细的硬件和软件方面分别描述整个系统的设计实现过程。1.2.3完成显微镜Z轴电机调焦自动控制系统概述本文的设计主要分为两个大的部分：机械执行机构部分和步进电机控制和驱动部分。在步进电机控制和驱动设计中，主要采用了8051兼容的单片机作为系统的主要MCU，而人际交互部分则采用1602液晶显示器显示相关的系统工作状态和普通的按键用于对系统发出相应的控制操作指令；而最主要的步进电机的驱动则采用了东芝公司的专用步进电机驱动芯片TB6560AHQ，在设计相应的外围电路后，步进电机驱