数控模块基础组件专利要点.docx

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数控模块基础组件专利要点

技术交底书

（一）发明或者实用新型的名称

数控沙盘基础组件的发明

（二）所属技术领域

本发明是做出一个电路板，电路板主要是以单片机为CPU，主要是对步进电机的驱动，通过对步进电机的驱动来控制数控沙盘模块，以达到所要求的功能。

数控沙盘模块是一个机械装置，因此本发明属于机电一体化。

（三）背景技术

机电一体化技术是将机械技术、电工电子技术、微电子技术、信息技术、传感器技术、接口技术、信号变换技术等多种技术进行有机结合，并综合应用到实际中去的综合技术。

现在机电一体化技术，是机械和微电子紧密集合的一门技术，他的发展使冷冰冰的机器有了人性化，智能化。

而微电子技术是建立在以集成电路为核心的各种半导体器件基础上的高新电子技术，特点是体积小、重量轻、可靠性高、工作速度快。

集成电路（integratedcircuit）是一种微型电子器件或部件，是20世纪50年代后期一60年代发展起来的一种新型半导体器件。

它是经过氧化、光刻、扩散、外延、蒸铝等半导体制造工艺，把构成具有一定功能的电路所需的半导体、电阻、电容等元件及它们之间的连接导线全部集成在一小块硅片上，然后焊接封装在一个管壳内的电子器件。

其封装外壳有圆壳式、扁平式或双列直插式等多种形式。

集成电路技术包括芯片制造技术与设计技术，主要体现在加工设备，加工工艺，封装测试，批量生产及设计创新的能力上。

随着PC机的到来，嵌入式片上系统（SystemOn-Chip,SoC）取得了长足的发展和进步，在更小的芯片上可以集成更多、更快的以处理器为核心的复杂功能单元，这使得设计更高性能的嵌入式SoC逐步成为可能，因此，利用集成电路设计一个能达到实用要求的电路板，能够使此技术成为可能。

本发明首先是以机械装置为基础，该机械装置也叫做数控沙盘。

其次利用嵌入式和集成电路的知识设计能够驱动数控沙盘长方形立柱可以自主运动的电路。

（四）目的

本发明机械装置和驱动电路板都属于数控沙盘基础组件，目的就是利用驱动电路和驱动程序来控制机械装置，主要是驱动机械装置控制矩形方阵，该矩形方阵是由16*16的长方立柱组成。

每个16*16组成的矩形方块为一个模块，根据自己的需求通过设计电路和程序控制每个长方立柱的升降来达到要显示的目的。

在基于国家项目环境监测与预警平台的基础上，本发明是显示和预警的另一种方式，能够更直观的发现问题和预警。

（五）技术方案

本发明首先是以机械装置为基础，图一、图二、图三分别是该装置的主视图、俯视图、和左视图。

通过这三个图我们可以看到，在图一的最顶端也就是图二的中间位置有一个16*16的方块矩阵，也是由16个长方立柱组成，每一个长方立柱可以通过计算机程序编程来控制升降，并且这个升降的高度是可以设定的。

在图三当中，可以看到每一个立方柱上面有三个指示灯，也可以称之为像素点，分别为红绿黄。

像素点也可以根据计算机编程来控制他的亮度和显示内容或者效果。

在这个16*16的下方是一个驱动装置，在图一可以看到有一个长方柱，这个长方柱就是用来托起和拉下这16个长方立柱用的。

这个长方柱是用三个步进电机来驱动的，由机械装置的三个图可以看到，控制长方柱运行的方向有三个，我们称之为x方向y方向（水平方向）和z方向（上下方向），通过三个步进电机来控制长方柱在三个方向上的运行就可以实现对16*16的矩形方块的控制。

为了达到驱动机械装置的目的，必须要设计驱动电路，用来实现对不尽的剪辑的驱动和对各个像素点的显示的控制。

在驱动电路设计中选择以51单片机为CPU来为步进电机发送脉冲，用来驱动步进电机。

矩形方阵上面一共有48个像素点，选择用74HC595级联的方式来给像素点发脉冲控制显示和亮度。

首先，图三是给电路板供电的供电模块。

一共两路电压值，一路是给芯片能正常工作的5V电压，一路是给步进电机工作供电，利用电容来去耦和滤波。

由于CPU单独发送的脉冲电压不能够直接驱动步进电机，所以必须选择一款步进电机的驱动芯片来驱动步进电机，在电路的设计当中选择L298N作为步进电机的驱动芯片。

L298N一共有四个输入端和四个输出端，输入端就是CPU发送的脉冲命令。

由此可知，CPU需要驱动三个步进电机（三个方向），因此需要复用C51单片机的P1口的I/O输入引脚，然后用74ls139译码器（图五）来片选驱动芯片，这样就可以逐个控制步进电机。

在电路的设计当中，涉及到了测试模块，设计了按键（矩阵键盘图九）。

通过按键的形式来测试驱动电路的功能，在程序的编写当中也可以加入加减速，起停和正反转的操作。

在驱动发光二极管（像素点）的模块中，选择的是74HC595级联方式驱动（图十）。

对于驱动电路的控制，也就是命令的发送是通过计算机和驱动电路板之间进行串行通信来实现的（图八）。

需要托起和下拉某一个长方立柱或者想点亮某一个发光二极管，要想让16*16矩形方阵显示什么样的地形，都可以通过PC机对电路板发送命令来实现。

（六）有益效果

本发明所设计的硬件结构在保证高检测率的条件下已经实现了对步进电机的驱动，并且同过手动的方式可以实现对某个长方立柱的托起和下拉。

通过脉冲频率的变化可以改变不进店的的速度，能够达到5mm/s。

在这个速度下可以保证机械装置能承受步进电机的震动强度和步进电机所运行的三个方向不会由于惯性问题出线超程的危险。

（七）附图说明

图一示出了数控沙盘机械装置的主视图

图二示出了数控沙盘机械装置的左视图

图三示出了数控沙盘机械装置的俯视图

图四示出了驱动电路板的电源模块

图五示出了片选步进电机的驱动芯片

图六示出了电路板的CPU模块

图七示出了所驱动的三个步进电机

图八示出了PC机与驱动电路板的串行通信模块

图九示出了测试用的矩阵键盘模块

图十示出了驱动发光二极管（像素点）模块

图十一示出了能够直观看到给步进电机发送脉冲变化的模块

图十二示出了步进电机超程和初始点的检测

（八）最佳实施方案

本发明是通过电源给开发板提供电力，开发板负责驱动步进电机和发光二极管。

PC端可以通过串行通信对单片机发送命令来达到自己所要显示的目的。

在电路板的设计当中，主要分为驱动步进电机，发光二极管两大功能，以这两个模块为重点说明电路板的工作和实现方式。

在本发明中，开发板系统主要包括CPU（单片机），步进电机驱动模块，矩阵键盘测试模块，驱动发光二极管模块，与PC机串行通信模块以及保护不让步进电机超程模块。

要想实现对一个地形的显示，需要用PC机对开发板系统进行命令的编写，所发送的命令就是开发板系统程序的参数，通过接受的参数，来驱动步进电机。

步进电机的驱动是CPU（单片机）通过给步进电机驱动芯片L298N发送脉冲命令来实现的，由于三个驱动芯片的脉冲输入端是复用的P1口，因此用译码器进行片选，这样可以独立的操作某一个步进电机。

在步进电机的驱动方式上，选择的都是直接发送01电平信号，通过电平信号的变化驱动步进电机一步一步的行驶。

步进电机的行驶速度是可以根据给予驱动芯片的脉冲频率来确定并且可以根据需求将最合的速度写进eeprom用来记忆，方便下次使用。

由于数控沙盘装置和矩阵方块受距离显示，所以步进电机的运行距离就需要一定的保护（图十二所示）。

通过行程开关的设计，可以检测到步进电机有没有超程和有没有在初始点出发，所以在实施方案和编写程序当中需要注意这个问题。

在驱动发光二极管模块中，就是通过程序的编写对74HC595发送脉冲命令用来点亮所需要的像素点。

在控制16*16的长方立柱的动作当中，需要托起和拉下的动作，在托起的动作当中，根据执行托起动作的长方柱的设计，来进行程序的编写，而拉下的动作就是和托起动作正好相反。

在矩阵键盘测试模块当中，只是简单的对数控沙盘装置基本需求功能的测试，设计了步进电机的起停和加减速的功能。

（图一）

（图二）

（图三）

（图四）

（图五）

（图六）

（图七）

（图八）

（图九）

（图十）

（图十一）

（图十二）