【導(dǎo)讀】隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療機(jī)構(gòu)需要處理的臨床實(shí)驗(yàn)樣本量的增加，使得實(shí)驗(yàn)人員的工作量也隨之增加。傳統(tǒng)的手工和半自動實(shí)驗(yàn)方法不僅。滿足醫(yī)療機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)需求，實(shí)現(xiàn)臨床樣本的自動化檢測越來越受到重視。度抽放樣功能的三維加樣臂具有十分重要的意義。安裝于卸載機(jī)構(gòu)，應(yīng)用Pro/建立了加樣系統(tǒng)的三維實(shí)體模型。達(dá)到了理想的效果。④根據(jù)自動加樣系統(tǒng)機(jī)械運(yùn)動部分相似定位控制需。L298的直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)。⑤為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的控。設(shè)計(jì)合理，能夠達(dá)到要求。

　　

【正文】 pro/e 導(dǎo)入進(jìn)去的，所對于兩個零件位置固定不變的的約束，我們直接選擇“鎖定”這個選項(xiàng)，而對于有相對運(yùn)動的兩個零件的運(yùn)動副還需要重新裝配。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 25 圖 214 加樣臂的動力學(xué)模型 2. 6. 3 仿真結(jié)果 圖 215 X軸方向上速度曲線 圖 216 Y軸方向上速度曲線 圖 217 Z軸方向上速度曲線 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 26 3. 三維加樣系統(tǒng)運(yùn)動控制設(shè)計(jì) 3. 1 系統(tǒng)整體控制方案 自動加樣系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如下圖所示。主要由 X 軸載動系統(tǒng)、 Y 軸載動系統(tǒng)、 Z 軸升降系統(tǒng)、吸排系統(tǒng)、人機(jī)界面和托盤 6 部分組成。 圖 31 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 加樣系統(tǒng)的托盤上以矩陣方式放置若干試管。 X 軸載動系統(tǒng)、 Y 軸載動系統(tǒng)和 Z 軸升降系統(tǒng)在系統(tǒng)控制單元的控制下進(jìn)行三軸聯(lián)動，精確定位到指定加樣試管的上方，然后吸排系統(tǒng)開啟，系統(tǒng)按照設(shè)定的容量給試管加樣。 通過以上章節(jié)所述，經(jīng)過仔細(xì)地分析我們可以發(fā)現(xiàn)自動加樣系統(tǒng)的機(jī)械運(yùn)動部分包括加樣機(jī)械臂 X、 Y、 Z 三軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)、抽放樣機(jī)構(gòu)有著非常相近的運(yùn)動控制設(shè)計(jì)要求，本章我們對其運(yùn)動控制系統(tǒng)做 詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。 3. 2 運(yùn)動控制策略選擇 全自動加樣系統(tǒng)對安全性要求較高，不僅需要保障操作人員的安全，還需要保障樣本以及儀器的安全，避免儀器損壞和污染。而且在危、 急癥檢驗(yàn)時，樣本的安全顯得更為重要。經(jīng)調(diào)研我們發(fā)現(xiàn)，醫(yī)療機(jī)構(gòu)正在使用的血型分析儀器經(jīng)常會出現(xiàn)加樣機(jī)械臂定位不準(zhǔn)確和初始化失敗的故障，究其原因主要是其運(yùn)動控制部分采用步進(jìn)開環(huán)控制，從而影響了加樣系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。雖然加樣系統(tǒng)負(fù)載不大，但是其對機(jī)械結(jié)哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 27 構(gòu)運(yùn)動控制的精度要求比較高。鑒于其對安全性和運(yùn)動控制精度的特殊要求，我們對運(yùn)動控制部分均采用基于位置反饋的半閉環(huán)控制，控制策略原理框圖如圖 31所示 圖 32 運(yùn)動控制原理圖 3. 3 電機(jī)的驅(qū)動控制設(shè)計(jì) 3. 3. 1 直流電機(jī)調(diào)速原理及方案的選擇 根據(jù)勵磁方式不同，直流電機(jī)分為自勵和他勵兩種類型。不同勵磁方式的直流電機(jī)機(jī)械特性曲線有所不同。對于直流電機(jī)來說，人為機(jī)械特性方程式為： 式中 UN ,Φ N 分別為額定電樞電壓、額定磁通量； Ke ,Kt 為電機(jī)有關(guān)的常數(shù)； Rad ,Ra 分別為電樞外加電阻、電樞內(nèi)電阻； 分析上式可得．當(dāng)分別改變 UN、 Φ N 和 Ra 時，可以得到不同的轉(zhuǎn)速 n，從而實(shí)現(xiàn)對速度的調(diào)節(jié)。當(dāng)改變勵磁電流 If 時，可以改變磁通量φ 的大小，從而達(dá)到變磁通調(diào)速的目的。但由于勵磁線圈發(fā)熱和電動機(jī)磁飽和的限制，電動機(jī)的勵磁電流 If,和磁通量 φ 只能在低于其額定值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，故只能弱磁調(diào)速。而對于調(diào)節(jié)電樞外加電阻 Rad 時，會使機(jī)械特性變軟，導(dǎo)致電機(jī)帶負(fù)載能力減弱。 對于他勵直流電機(jī)來說，當(dāng)改變電樞電壓時 UN，分析人為機(jī)械特性方程式，得到人為特性曲線。如圖 32所示。理想空載轉(zhuǎn)速 n 隨電樞電壓升降而發(fā)生相應(yīng)的升降變化。不同電樞電壓的機(jī)械特性曲線相互平行，說明硬度不隨電樞電壓的變化而改變，電機(jī)帶負(fù)載能力恒定。當(dāng)我們平哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 28 滑調(diào)節(jié)他勵直流電機(jī)電樞兩端電壓時 ，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級調(diào)速?；谝陨咸匦?，改變電樞電壓，實(shí)現(xiàn)對直流電機(jī)速度調(diào)節(jié)的方法被廣泛采用。改變電樞電壓可通過多種途徑實(shí)現(xiàn)，如晶閘管供電速度控制系統(tǒng)、大功率晶體管速度控制系統(tǒng)、直流發(fā)電機(jī)供電速度控制系統(tǒng)及晶體管直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)等。 圖 33 直流電動機(jī)機(jī)械特性曲線 圖 34 電樞電壓“占空比”與平均電壓關(guān)系 PWM 是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。 PWM 可以應(yīng)用在許多方面，如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。在 PWM 驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此， PWM 又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時，速度增加；哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 29 電機(jī)斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。設(shè)電機(jī)始終接通電源時，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax ,設(shè)占空比為 D=t1/T，則電機(jī)的平均速度為 : Vd =Vmax D 式中 Vd 為電機(jī)的平均速度 。 Vmax 為電機(jī)全通電時的速度 (最大 )。 由上式可見，當(dāng)我們改變占空比時 D=t1/T，就可以得到不同的電機(jī)平均速度 ，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格地講，平均速度 Vd 與占空比D=t1/T 并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，在一般的應(yīng)用中，可以將其近似地看成線性關(guān)系。 3. 3. 2 PWM 實(shí)現(xiàn)方法 PWM 信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：一種是軟件的方法；另一種是硬件的方法。硬件方法的實(shí)現(xiàn)已有很多文章介紹，這里不做贅述。本文主要介紹利用單片機(jī)對 PWM 信號的軟件實(shí)現(xiàn)方法。 MCS51 系列典型產(chǎn)品AT89C51 具有兩個定時器 T0和 T1。通過控制定時器初值 T0 和 T1，從而可以實(shí)現(xiàn)從 C51 的任意輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。由于 PWM 信號軟件實(shí)現(xiàn)的核心是單片機(jī)內(nèi)部的定時器，而不同單片機(jī)的定時器具有不同的特點(diǎn)，即使是同一臺單片機(jī)由于選用的晶振不同，選擇的定時器工作方式不同，其定時器的定時初值與定時時間的關(guān)系也不同。因此，首先必須明確定時器的定時初值與定時時間的關(guān)系。如果單片機(jī)的晶振頻率為 f,則定時器初值 X與定時時間 t 的關(guān)系為： t=(2^NX) 12/f 式中 N 為定時器工作方式：方式 0 時 N=13，方式 1 時 N=16，方式 2 時N=8。 通過改變定時器初值從而改變占空比 D=t1/T，進(jìn)而達(dá)到控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 30 3. 4 電機(jī)運(yùn)動控制的硬件設(shè)計(jì) 3. 4. 1 硬件介紹 硬件介紹隨著集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展 , 微控制器在伺服控制系統(tǒng)普遍應(yīng)用 , 這種數(shù)字伺服系統(tǒng)的性能可以大大超過模擬伺服系統(tǒng)。數(shù)字伺服系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高精度的位置控制、速度跟蹤 , 可以隨意地改變控制方式。單片機(jī)和 DSP 在伺服電機(jī)控制中得到了廣泛地應(yīng)用 , 用單片機(jī)作為控制器的數(shù)字伺服控制系統(tǒng) , 有體積小、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好等明顯優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)（ Single chip microputer）是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU、隨機(jī)存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時器 /計(jì)數(shù)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì) 80年代，由當(dāng)時的 4位、 8位單片機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在的 300M 的高速單片機(jī)。由于單片機(jī)在工 業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，單片機(jī)由僅有 CPU 的專用處理器芯片發(fā)展而來。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和 CPU集成在一個芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。本文采用 89c51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對直流伺服電機(jī)的控制。 L298N 為 SGSTHOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電 機(jī)專用驅(qū)動芯片 ( Dual FullBridge Driver ) ，內(nèi)部包含 4信道邏輯驅(qū) 動電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動器，可同時驅(qū)動 2個二 相或 1個四相步 進(jìn)電機(jī)內(nèi)含二個 HBridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū) 動器，接收標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯準(zhǔn)位信號，可驅(qū)動 46V、 2A 以下的步進(jìn)電機(jī)。其 功能引腳如表 31。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 31 表 31 L298引腳功能 引腳 Name Function 功能說明 1。15 SenseA， B 電流監(jiān)測端， SEN1， 2不用時可以直接接地 2。3 Out 1， 2 1Y 1Y2輸出端 4 VS 功率電源電壓 ,此 引腳 與地必須連接 100nF電容器 5。7 Input 1， 2 1A 1A2輸入端， TTL電平兼容 6。11 Enable A， B TTL電平兼容輸入 1EN、 2EN使能端，低電平禁止輸出 8 GND GND地 9 VSS 邏輯電源電壓。 此 引腳 與地必須連接 100nF電容器 10； 12 Input 3。 Input 4 2A 2A2 輸入端， TTL電平兼容 13。 14 Out 3。 Out 4 2Y 2Y2 輸出端 監(jiān)測 引腳 15 表 34 L298真值表 INT1 INT2 INT3 INT4 左電機(jī)轉(zhuǎn)向 右電機(jī)轉(zhuǎn)向 1 0 1 0 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 1 0 0 1 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 1 0 1 1 正轉(zhuǎn) 停 0 1 1 0 反轉(zhuǎn) 停 1 1 1 0 停 正轉(zhuǎn) 0 1 0 1 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 3. 4. 2 系統(tǒng)整體硬件連接圖 根據(jù)各硬件引腳功能正確連線。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 32 圖 35 系統(tǒng)硬件連接圖 3. 4. 3 復(fù)位電路及時鐘電路 復(fù)位電路和時鐘電路是維持單片機(jī)最小系統(tǒng)運(yùn)行的基本模塊。復(fù)位電路通常分為兩種：上電復(fù)位和手動復(fù)位，如圖 36， 37。 圖 36上電復(fù)位 圖 37手動復(fù)位 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 33 有時系統(tǒng)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)程序跑飛的情況，在程序開發(fā)過程中，經(jīng)常需要手動復(fù)位。所以本次設(shè)計(jì)選用手動復(fù)位。高頻率的時鐘有利于程序更快的運(yùn)行，也有可以實(shí)現(xiàn)更高的信號采樣率，從而實(shí)現(xiàn)更多的功能。但是告訴對系統(tǒng)要求較高，而且功耗大，運(yùn)行環(huán)境苛刻?？紤]到單片機(jī)本身用在控制，并非高速信號采樣處理，所以選取合適的頻率即可。合適頻率的晶振對于選頻信號強(qiáng)度準(zhǔn)確度都有好處，本次設(shè)計(jì)選取 無源晶振接入 XTAL1 和 XTAL2 引腳。并聯(lián) 2個 30pF 陶瓷電容幫助起振。 ， 圖 38 最小系統(tǒng)實(shí)際連線圖 3. 4. 4 直流伺服電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)采用的 L298與電機(jī)連接的原理圖如下： 圖 39 驅(qū)動電路 驅(qū)動芯片 L298的功能一是為電機(jī)提供所需電壓，二是實(shí)現(xiàn)對電機(jī)正哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 34 反轉(zhuǎn)的控制以及啟停的控制。 L298是意大利 SGS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)專用控制器，它能產(chǎn)生 4相控制信號，可用于計(jì)算機(jī)控制的兩相雙極和四相單相步進(jìn)電機(jī)，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進(jìn)電機(jī)。芯片內(nèi)的 PWM斬波器電路可開關(guān)模式下調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)繞組中的電機(jī)繞組中的電流。該集成電路采用了 SGS公司的模擬 /數(shù)字兼容的 I2L技術(shù)，使用 5V的電源電壓，全部信號的連接都與 TFL/CMOS或集電極開路的晶體管兼容。 L298的芯片引腳特別緊湊，采用雙列直插 20腳塑封封裝。變換器是一個重要組成部分。變換器由一個三倍計(jì)算器加某些組合邏輯電路組成，產(chǎn)生一個基本的八格雷碼，由變換器產(chǎn)生 4個輸出信號送給后面的輸出邏輯部分，輸出邏輯提供禁止和斬波器功能所需的相序。為了獲得電動機(jī)良好的速度和轉(zhuǎn)矩特性，相序信號是通過 2個 PWM斬波器控制電動波器包含有一個比較器、一個觸發(fā)器和一個外部檢測電阻晶片內(nèi)部的通用振蕩器提供斬波頻率脈沖。每個斬波器的觸發(fā)器由振蕩器的脈沖調(diào)節(jié)，當(dāng)負(fù)載電流提高時檢測電阻上的電壓相對提高，當(dāng)電壓達(dá)到 Uref時 (Uref是根據(jù)峰值負(fù)載電流而定的 )，將觸發(fā)器重置，切斷輸出，直至第二個振蕩脈沖到來、此線路的輸出 (即觸發(fā)器 Q輸出 )是一恒定速率的 PWM信號。 3. 5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 圖 310 加樣臂動作流程圖 圖 311 系統(tǒng)程序流程圖 3. 5. 1 PWM 脈沖程序 void timer0() interrupt 1 using 1 { TH0=0x1c。 /*定時器初值重裝載 */ 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 35 3. 5. 2 調(diào)試與仿真 用 keil 軟件寫程序，再用 keil 與 proteus 聯(lián)合仿真，其結(jié)果如圖。 圖 312 仿真結(jié)果圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 36 結(jié) 論 隨著醫(yī)療技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)療機(jī)構(gòu)需要處理的臨床實(shí)