直線運動工作臺

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1、 學(xué)號：24113501538 南湖學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計） 題目 ：直線運動工作臺精確定位控制 作 者： 龍羅坤 屆 別：2011 級 系 別：南湖學(xué)院機電系 專 業(yè)：機械與電子工程 指導(dǎo)老師： 余曉峰 職 稱： 副 教 授 完成時間： 2015 年 5 月 4 日 摘 要 本設(shè)計是基于單片機控制的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計直線運動工作臺精確定位設(shè)計。 本控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式，以 AT89C51 單片機為控制器，并以顯示、復(fù)位、 時鐘、限位等電路作為基礎(chǔ)，通過鍵盤電路的給單片機輸入指令，并以脈沖形式的 控制信號來驅(qū)動步進電機，并且通過旋轉(zhuǎn)編碼器對運動進行實時檢測，并及時反饋 給執(zhí)行機構(gòu)是否進行，從而通過

2、傳動機構(gòu)來實現(xiàn)直線運動工作臺精確定位。 程序編寫完成后，在 Keil 軟件進行編譯和調(diào)試，并在 Proteus 環(huán)境中實現(xiàn)程序 及電路的仿真。 關(guān)鍵字：數(shù)控工作臺；直線運動；定位控制；步進電機；旋轉(zhuǎn)編碼器 II ABSTRACT This design is the numerical control system design based on single-chip microcomputercontrol, linear motion table precise positioning design. This control system adopts the closed loop

3、control mode, AT89C51 single-chip microcomputer as the controller, and to display and reset, clock, limit, such as circuit as the foundation, through the keyboard circuit to MCU input instruction, and in the form of pulse control signal to drive the stepper motor, and real-time detection of movement

4、 through rotary encoder, and timely feedback to the actuator whether, and through the drive mechanism to achieve linear motion table precise positioning. After the completion of the program written, in the Keil software compiling and debugging, and implementation procedures and the simulation of the

5、 circuit in the Proteus environment. Keywords: CNC table; linear motion; positioning control; stepper motor; rotary encoder 目 錄 第一章 緒論 .1 1.1 課題設(shè)計研究背景 .1 1.2 研究的內(nèi)容 .1 1.3 畢業(yè)設(shè)計的目的、意義 .2 第二章 數(shù)控系統(tǒng)的總體方案 .3 2.1 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計總體方案圖 .3 2.2 數(shù)控系統(tǒng)的控制方式. .3 2.3 伺服系統(tǒng)及電機的選擇 .3 2.4 微機控制系統(tǒng)的選擇 .3 2.5 直線運動工作臺的傳動方式 .5 2.6 控

6、制系統(tǒng)的執(zhí)行.6 第三章 MCS-51 單片機工作原理 .9 3.1 單片機內(nèi)部組成及引腳功能 .9 3.1.1 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu) .9 3.1.2 AT89C51 單片機的主要特性： .9 3.1.3 AT89C51 單片機的引腳功能 .10 3.2 單片機的時鐘電路 .12 3.3 單片機的工作方式 .14 第四章 單片機系統(tǒng)的設(shè)計 .16 4.1 硬件配置與接口分配 .16 4.1.1 存貯器空間分配 .16 4.1.2 I/O 口地址分配 .16 4.2 硬件電路的設(shè)計 .17 4.2.1 主控制器 CPU 的選擇 .17 4.2.2 步進電機驅(qū)動電路的設(shè)計 .18 4.3 其他輔助電

7、路設(shè)計 .32 4.3.1 AT89C51 的時鐘電路單片機的時鐘的產(chǎn)生方式 .32 4.3.2 AT89C51 復(fù)位電路 .32 4.3.3 超程報警電路 .32 4.3.4 掉電保護電路 .33 4.3.5 光電隔離電路 .34 第五章 基于 PROTEUS 的直線運動平臺運動仿真設(shè)計 .36 5.1 PROTEUS簡介及仿真界面 .36 5.2 KEIL簡介 .37 5.3 KEIL中的程序調(diào)試 .38 5.4 PROTEUS仿真系統(tǒng)硬件原理圖 .39 5.5 運行調(diào)試 .39 設(shè)計總結(jié) .42 致 謝 .43 參考文獻 .44 附 錄 .45 附錄 A 步進電機驅(qū)動數(shù)控 XY 軸仿真原

8、理圖 .45 附錄 B C 語言程序設(shè)計 .46 1 第一章 緒論 1.1 課題設(shè)計研究背景 隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的進步，制造業(yè)得到了快速發(fā)展，促使機械加工技術(shù)發(fā) 生深刻的變化，企業(yè)不僅追求高效率的生產(chǎn)模式，更追求高標(biāo)準的質(zhì)量要求， 因此要求機械設(shè)備的功能越來越強大，其結(jié)構(gòu)及功能隨之也變得更復(fù)雜。所以， 能夠設(shè)計出功能全面、效率高、耐壓性強、加工精度高的機械加工設(shè)備是制造 業(yè)中最重要的課題之一。我們此次研究的課題直線運動數(shù)控工作臺屬于高精 密加工的核心部件，它的傳動部件的定位精度直接影響系統(tǒng)的加工精度。 直線運動數(shù)控工作臺是許多機電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱 橫向進刀機構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控

9、鉆床的直線運動工作臺、激光加工設(shè)備的工 作臺等。數(shù)控工作臺的運動控制精度與加工零件的精度直接相關(guān)，傳統(tǒng)的人工 控制已無法滿足要求，因而采用微機控制系統(tǒng)來實現(xiàn)精確的運動控制。 本設(shè)計采用單片機來實現(xiàn)程序化的運動控制，此為驗證性設(shè)計，通過對控 制系統(tǒng)的設(shè)計，掌握一些典型硬件電路的設(shè)計方法和人機接口軟件的設(shè)計思路， 并通過 Proteus 軟件進行仿真實驗。 1.2 研究的內(nèi)容 直線運動數(shù)控工作臺是許多機電一體化設(shè)備的基本部件，通常由導(dǎo)軌座、 滑動模塊、工作平臺、滾珠絲杠螺母副，以及步進電機等部件構(gòu)成。控制系統(tǒng) 可選用標(biāo)準的工業(yè)控制計算機，也可設(shè)計專用的微機控制系統(tǒng)。本設(shè)計用 AT89C51 組成專

10、用單片機控制系統(tǒng)，來控制步進電機的正反轉(zhuǎn)，進而控制直線 運動數(shù)控工作臺運動。 設(shè)計要求完成整個控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和完成整個控制系統(tǒng)的人機接口軟 件設(shè)計，通過 Keil 編譯和調(diào)試程序，并最終在 Proteus 軟件中仿真。 2 1.3 畢業(yè)設(shè)計的目的、意義 畢業(yè)設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計能力的重要實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一，是綜合運用所 學(xué)過的機械、電子、自動控制、計算機等知識進行的基本設(shè)計訓(xùn)練。其目的是： 能夠正確運用大學(xué)期間所學(xué)課程的基本理論和相關(guān)知識，掌握機電一體化 系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能構(gòu)成、特點和設(shè)計思想、設(shè)計方法，了解設(shè)計方案的擬定、 比較、分析和計算，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生具有機電

11、一 體化系統(tǒng)設(shè)計的初步能力； 通過機械部分設(shè)計，掌握機電一體化系統(tǒng)典型機械零部件和執(zhí)行元件的計 算、選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和步驟； 通過測試及控制系統(tǒng)方案設(shè)計，掌握機電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成、 工作原理，和軟件編程思想； 通過畢業(yè)設(shè)計提高學(xué)生應(yīng)用手冊、標(biāo)準及編寫技術(shù)說明書的能力，促進學(xué) 生在科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方而綜合素質(zhì)的提高。 3 第二章 數(shù)控系統(tǒng)的總體方案 本次設(shè)計中，數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計內(nèi)容包括：數(shù)控系統(tǒng)總體方案圖、數(shù)控系 統(tǒng)控制方式的確定，伺服系統(tǒng)的選擇，微機控制系統(tǒng)的選擇。 2.1 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計總體方案圖 AT89C51 旋轉(zhuǎn)編碼器 （檢測電路） 鍵盤 復(fù)位 時鐘電路 限位

12、開關(guān) 緊急停止 顯示 驅(qū)動電路 告警 步進電動機 機床工作臺 狀態(tài) 執(zhí)行機構(gòu) （滾珠絲杠 螺母副） 圖 2-1 系統(tǒng)總體方案圖 2.2 數(shù)控系統(tǒng)的控制方式 本數(shù)控系統(tǒng)要求直線運動工作臺沿坐標(biāo)軸方向同時具有連續(xù)的精確的運動， 兩坐標(biāo)直線插補的基本功能，能夠完成平面輪廓的加工，因而采用連續(xù)控制的 方式。該方式可對兩個或兩個以上的坐標(biāo)軸同時進行嚴格連續(xù)控制系統(tǒng)。它不 僅能控制移動部件從某一點準確地移動到另一點，而且還能控制整個加工過程 中的每一點的速度和位移量，進而將零件加工成一定的輪廓形狀。 2.3 伺服系統(tǒng)及電機的選擇 1伺服系統(tǒng)的選擇 4 本次設(shè)計選用開環(huán)伺服系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，無反饋部件

13、，不存在由 輸出端到輸入端的反饋通路，無法反饋信息，故而不能及時糾正系統(tǒng)傳動誤差。 但是，同閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，開環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要簡單得多，調(diào)整維修方便， 同時也比較經(jīng)濟。在速度和精度要求都不太高，而又要求降低成本的場合得到 廣泛應(yīng)用。 2步進電機的選擇 考慮到經(jīng)濟性，也不需太高的運動精度，為簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步 進電機作為開環(huán)伺服系統(tǒng)的驅(qū)動裝置。 步進電機是由電脈沖控制的特種電動機。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、 停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，對應(yīng) 于每一個電脈沖，電動機將產(chǎn)生一個恒定量的步進運動，即產(chǎn)生一個恒定量的 角位移或線位移。步進電機運動步數(shù)由

14、脈沖數(shù)來決定，運動方向由脈沖相序來 決定，在一定時間內(nèi)轉(zhuǎn)過的角度或平移的距離由脈沖數(shù)決定，借助步進電機可 以實現(xiàn)數(shù)字信號的變換。步進電機控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 2-1 所示。 電 源 脈沖發(fā)生器 脈沖分配 功率電路 步進電動機 工作機構(gòu) 圖 2-2 步進電動機系統(tǒng)簡圖 根據(jù)控制需要，本次設(shè)計選擇兩個90BF001 型4相8 拍的反應(yīng)式步進電機。 步進電機有關(guān)參數(shù)如表2-1： 表2-1 90BF001型反應(yīng)式步進電機的參數(shù) 主要技術(shù)參數(shù) 型號 相數(shù) 步距角 /( ) 電壓 /V 最大靜轉(zhuǎn)矩 /(Nm) 空載啟動 頻率/(步 /s) 空載運行 頻率/( 步/s) 分配 方式 90BF001 4 0

15、.9 80 3.92 2000 8000 4相八拍 電感/(mH) 外形尺寸（軸徑） /mm 質(zhì)量/kg 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 /(10-5 kgm2) 5 17.4 914504.5 17.64 步進電機原理圖如圖 2-2 所示： 圖 2-3 步進電動機原理圖 2.4 微機控制系統(tǒng)的選擇 （1）對于步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)，選用 8 位單片機 AT89C51 作為控 制系統(tǒng)的控制器。該單片機具有集成度高，可靠性好，功能強大，處理速度快， 可擴展性強，性價比較高等優(yōu)點，能夠很好的滿足任務(wù)書給定的相關(guān)控制要求。 （2）要設(shè)計一個完整的控制系統(tǒng)，在選擇 CPU 之后，還要設(shè)計步進電機 機的驅(qū)動電路，通過運

16、行程序，單片機與驅(qū)動電路一起工作，進而驅(qū)動 X 軸步 進電機的正反轉(zhuǎn)。 （3）合理設(shè)計電源及開關(guān)電路，與步進電動機配套使用。 2.5 直線運動工作臺的傳動方式 為了保證直線運動工作臺具有一定的傳動精度和平穩(wěn)性，并考慮總體結(jié)構(gòu) 的緊湊性要求，采用滾珠絲杠螺母作為傳動副。由于工作臺的運動部件重量和 工作載荷不大，故選用滾動直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺的摩擦系數(shù)，提高其 運動的可靠性和平穩(wěn)性。 由于步進電機的步距角和滾珠絲杠的導(dǎo)程是按標(biāo)準選取的，為達到傳動要 求，并綜合考慮步進電機負載匹配，決定采用齒輪減速傳動。數(shù)控系統(tǒng)總體框 圖如圖2-3 所示： 6 圖2-4 數(shù)控系統(tǒng)總體框圖 2.6 控制系統(tǒng)的執(zhí)

17、行 2.6.1 I/O 分配表 表 4-2 輸入輸出地址分配表 代號 地址 說明 SQ1 X1 左限位 SQ2 X2 原點 SQ3 X5 右限位 輸入（I） SB1 X10 暫停 SB2 X11 停止 SB3 X12 啟動 輸出（O） Y0 脈沖輸出地址 7 SB1 Y2 脈沖輸出方向 2 .6.2 控制流程圖 Y N 開始 上電回原點 設(shè)定循環(huán)次數(shù) n 裝料延時 3S，向工位 1 運料 到達工位 1，卸料延時 5S 返回原點 裝料延時 5S，向工位 2 運料 到達工位 2，卸料延時 5S 停止 循環(huán)次數(shù) n=n-1 返回原點 n=0 圖 4-3-2 控制流程圖 8 第三章 AT89C51 單

18、片機工作原理 3.1 單片機內(nèi)部組成及引腳功能 3.1.1 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu) AT89C51單片機的組成： CPU(進行運算、控制)、RAM(數(shù)據(jù)存儲器)、 ROM(程序存儲器）、I/O口(串口、并口）、內(nèi)部總線 和中斷系統(tǒng)等。組成框 圖如下： 圖3-1 MSC-51單片機結(jié)構(gòu)框圖 3.1.2 AT89C51 單片機的主要特性： 與MCS-51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz 壽命：1000次擦/寫循環(huán) 數(shù)據(jù)的保留時間可達10年 1288位內(nèi)部RAM 9 32可編程I/O線 三級程序存儲器鎖定 可編程的串行通道 兩個16位計數(shù)器/定時器 閑置和掉電模式低功耗 5個

19、中斷源 3.1.3 AT89C51 單片機的引腳功能 本次選用的AT89C51單片機采用40引腳雙列直插式封裝（DIP）形式。引腳 排列及邏輯符號如圖3-2所示，其中Vcc和Vss 引腳由于分別默認接電源和地而 被隱藏。下面分別說明這些引腳的意義和功能。 圖3-2 AT89C51單片機引腳圖 1電源線 VCC：接 +5V電源。 VSS：接電源地。 2端口線 10 P0P3口：48=32條。 （1） P0口（ P0.0P0.7 ） P0口是一個8位雙向I/O口，它的每跟管腳都可吸收8TTL的門電流。當(dāng)P1口 首次寫1的時候，P0口將被定義為高阻態(tài)輸入。P0可用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器， 此時它作為數(shù)

20、據(jù)/地址的第八位。當(dāng)FIASH進行編程時，P0 口將作為原碼輸入 口；FIASH校驗時，P0口作為原碼輸出口，此時P0口必須拉高的外部。 （2）P1口（P1.0P1.7） P1口是一個由單片機內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接 收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口 被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編 程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 （3）P2口（P2.0P2.7） P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個 TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電

21、阻拉高，且作為輸入。 并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉 的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外 部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口 在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 （4）P3口（ P3.0P3.7 ） P3口的管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。 當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由 于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（IL

22、L）這是由于上拉的緣故。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口使用，各位的作用如下表3-1所示 所示： 表3-1 P3各口線的第二功能表 端口 第二功能 信號名稱 P3.0 RXD 串行數(shù)據(jù)接收口 P3.1 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送口 11 P3.2 INT0外部中斷0請求輸入 P3.3 1外部中斷1請求輸入 P3.4 T0 定時器/計數(shù)器0的外部輸入口 P3.5 T1 定時器/計數(shù)器1的外部輸入口 P3.6 WR外部RAM寫選通信號 P3.7 D外部RAM讀選通信號 3控制信號引腳 RST：復(fù)位輸入引腳。當(dāng)器件被振蕩器復(fù)位時，必須保持RST引腳有兩個機 器周期時間的高電平。 ALE/PR

23、OG：當(dāng)單片機訪問外部存儲器時，地址鎖存所允許的輸出電平將用 來鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 進行編程時，編程脈沖由此引腳輸入。一般 情況下，ALE 引腳端以恒定的頻率周期來輸出正向脈沖信號，此時的振蕩頻率 是振蕩器振蕩頻率的 1/6。因此，它可作為向外部輸出脈沖或用來定時的引腳。 然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁 止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX，MOVC 指 令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 ：外部程序存儲器的選通信號。

24、在由外部程序存儲器取指期間，每PSEN 個機器周期兩次/PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN 信號將不出現(xiàn)。 ：當(dāng) 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-A/V FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時， 將內(nèi)部鎖定為EA RESET；當(dāng) 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此E 引腳也用于施加 12V 編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出 12 3.2 單片機的時鐘電路 AT89C51 單片機芯片內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于

25、構(gòu)成時鐘振蕩電 路，XTAL1 為該放大器的輸入端、XTAL2 為該放大器的輸出端，由該放大器構(gòu) 成的振蕩電路與和時鐘電路一起構(gòu)成了單片機的時鐘方式。根據(jù)硬件電路的不 同，單片機的時鐘連接方式又可分為內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。內(nèi)部時鐘 方式如圖 3-3 所示，外部時鐘方式如圖 3-4 所示。 圖3-3 內(nèi)部時鐘方式 圖3-4 外部時鐘方式 13 3.3 單片機的工作方式 MCS-51系列單片機的工作方式可分為：復(fù)位方式、程序執(zhí)行方式、單片 執(zhí)行方式、掉電保護方式、節(jié)電工作方式和EPROM編程/校驗方式。 復(fù)位方式：系統(tǒng)開始運行和重新啟動靠復(fù)位電路來實現(xiàn)，這種工作方式為 復(fù)位方式。復(fù)位電路有兩

26、種：上電自動復(fù)位如圖3-5所示，上電/ 按鍵手動復(fù)位 如圖3-6 所示。 圖 3-5 上電自動復(fù)位 圖 3-6 上電/手動按鍵復(fù)位 14 程序執(zhí)行方式：單片機基本工作方式，可分為連續(xù)執(zhí)行工作方式和單步執(zhí) 行工作方式。 連續(xù)執(zhí)行工作方式：所有單片機都需要的工作方式。單片機復(fù)位后，PC 值為0000H，因此單片機復(fù)位后立即轉(zhuǎn)到0000H處執(zhí)行程序。單片機按照程序 事先編排的任務(wù)，自動連續(xù)地執(zhí)行下去。 單步執(zhí)行工作方式：用戶調(diào)試程序的一種工作方式，在單片機開發(fā)系統(tǒng) 上有一專用的單步按鍵（或軟件調(diào)試環(huán)境）。按一次，單片機就執(zhí)行一條指令 （僅僅執(zhí)行一條），這樣就可以逐條檢查程序，發(fā)現(xiàn)問題進行修改。單步執(zhí)

27、行 方式是利用單片機外部中斷功能實現(xiàn)的。 節(jié)電方式：一種低功耗的工作方式，分為空閑（等待）方式和掉電（停機） 方式。是針對CHMOS類芯片而設(shè)計的，HMOS 型單片機不能工作在節(jié)電方式， 但它有一種掉電保護功能。 HMOS單片機的掉電保護：當(dāng)VCC 突然掉電時，單片機通過中斷將必須 保護的數(shù)據(jù)送入內(nèi)部RAM，備用電源VPD可以維持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。 CHMOS單片機的節(jié)電方式：CHMOS 型單片機是一種低功耗器件，正常 工作時電流為1122mA，空閑狀態(tài)時為1.75mA，掉電方式為550A 。它 適用于低功耗應(yīng)用場合，它的空閑方式和掉電方式都是由電源控制寄存器 PCON中相應(yīng)的位來控制

28、。 編程和校驗方式：用于內(nèi)部含有EPROM的單片機芯片，一般的單片機開 發(fā)系統(tǒng)都提供實現(xiàn)這種方式的設(shè)備和功能。 15 第四章 單片機系統(tǒng)的設(shè)計 4.1 硬件配置與接口分配 4.1.1 存貯器空間分配 單板機可尋址范圍是 64K 字節(jié)，板上提供的插座占 16K，已插入的芯片占 10K，其余以備擴展使用。其存貯空間分配如下。 0000H07FFH 2KB EPROM 存儲監(jiān)控程序 0800H0FFFH 2KB EPROM 存儲零件加工程序 1000H17FFH 2KB RAM 調(diào)試程序 2000H27FFH 2KB RAM 測試程序等 4.1.2 I/O 口地址分配 單板機設(shè)置 I/O 口地址為

29、809FH 共 32 個口地址，分配如下。 80H83H MCS51 8031 84H87H 字形鎖存 88H8BH 字位鎖存 8CH8FH 讀鍵值 90H9FH 用戶使用 4.2 硬件電路的設(shè)計 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路由以下幾部分組成： 1、主控制器。即中央處理單元（CPU） 2、總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。 3、存儲器。包括只讀可編程序存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器。本次選用 的AT89C51芯片內(nèi)部自帶有4K字節(jié)可編程的閃爍存儲器，故不需再擴展存儲器。 16 4、接口。即I/O輸入輸出接口。 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如圖4-1所示： 中央處理器 單元 CPU 存儲器 RAM ROM 輸入/輸

30、出 I/O 接口 信號變換 控制對象 外部設(shè)備(鍵盤、顯示器、 打印機、通信接口等) 圖4-1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖 4.2.1 主控制器 CPU 的選擇 AT89C51系列單片機是集中CPU,它有如下特點： 1可靠性高。 AT89C51能很好的適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，與PC機相比，它具有更強的抗外界 干擾能力。并且，它的系統(tǒng)軟件（如：程序指令，常數(shù)，表格等）均固化于 ROM中，不易受到病毒的破壞。信號通道基本上都位于同一個芯片里，運行時， 系統(tǒng)可靠且穩(wěn)定。 2便于擴展。 此系列單片機片內(nèi)有微機正常運行必需具備的部件，其片外還有許多供用 戶擴展用的（總線，串行和并行輸入/輸出）管腳，很容易就能組成一定

31、規(guī)模且 適應(yīng)要求的微機系統(tǒng)。 17 3控制功能較強。 AT89C51單片機具有豐富控制指令，如：I/O 口邏輯操作指令，位處理指 令，條件分支轉(zhuǎn)移指令等。 4實用性好。 體積小，功耗低，價格便宜，易于產(chǎn)品化。 綜上所述，由于它具有以上優(yōu)點，所以本設(shè)計選用AT89C51單片機作為主 控制芯片。其引腳圖如圖3-2所示。 4.2.2 步進電機驅(qū)動電路的設(shè)計 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制步進電機元件。 在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖 數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)一個步距角。 脈沖數(shù)越多，電機轉(zhuǎn)動的角度越大。 脈

32、沖的頻率越高，電機轉(zhuǎn)速越快，但不能超過最高頻率，否則電機的力矩 迅速減小，電機不轉(zhuǎn)。 所以 PLC 在控制步進電機中起到的作用就是發(fā)出可控脈沖，通過調(diào)節(jié)脈沖 頻率控制步進電機速度，通過調(diào)節(jié)脈沖數(shù)量控制步進電機轉(zhuǎn)動的角度。 步進電機在構(gòu)造上主要分為三種類型：反應(yīng)式、永磁式和混合式。 圖 3-3-2 兩相步進電機的工作原理示意圖 如上圖 3-3-2 所示，該兩相電機有兩個繞組。當(dāng)一個繞組通電后，其定子 磁極產(chǎn)生磁場，將轉(zhuǎn)子吸合到此磁極處。若繞組在控制脈沖的作用下，通電方 向順序按 AError!BError!Error!AError!BAError!四個狀態(tài)周而復(fù)始 18 進行變化，電機順時轉(zhuǎn)動；

33、通電時序為 AError!Error!BError!A BError!AError!時，電機逆時針轉(zhuǎn)動?？刂泼}沖每作用一次，通電方向就變 化一次，使電機轉(zhuǎn)動一步，此圖所示只要 4 個脈沖，電機就轉(zhuǎn)動一圈。脈沖頻 率越高，電機轉(zhuǎn)動越快。 通常電機的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過定子繞組時，定子繞組產(chǎn)生一矢量 磁場。該磁場會帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對磁場方向與定子的磁場 方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場旋轉(zhuǎn)一個角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場轉(zhuǎn)一個角度。 每輸入一個電脈沖，電動機轉(zhuǎn)動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的 脈沖數(shù)成正比、轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉(zhuǎn)。 所以可用控制脈沖

34、數(shù)量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的 轉(zhuǎn)動。 1、步進電機的驅(qū)動電路如圖 4-3 所示。 圖 4-3 步進電機驅(qū)動電路 4.2.3 鍵盤 鍵盤是單片機應(yīng)用系統(tǒng)中不可缺少的輸入設(shè)備。通過鍵盤可向單片機應(yīng)用 系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)和控制命令，鍵盤是操作人員控制干預(yù)單片機應(yīng)用系統(tǒng)的主要手 段。根據(jù)鍵盤組成形式可分為獨立式鍵盤、矩陣式鍵盤及撥碼式鍵盤幾種。鍵 盤可工作于循環(huán)掃描方式、定時掃描方式或中斷方式。 鍵盤一般是由一組機械按鍵按照一定的規(guī)律組合而成，通過按鍵的通、斷 19 作用輸入開關(guān)電壓信號。按鍵由斷開到閉合及由閉合到斷開時，由于機械觸點 的彈性作用，按鍵的動作不是立刻完成的，在閉合及打

35、開的瞬間有機械抖動的 發(fā)生，抖動時間一般為 510ms，表現(xiàn)在輸入電壓信號上為輸入信號是抖動的 不穩(wěn)定的電平信號，其信號波形見圖 4-8。 鍵 被 按 下 閉合穩(wěn)態(tài) 按下抖動 釋放抖動 圖 4-8 按鍵抖動波形 按鍵閉合穩(wěn)態(tài)時間由操作人員的按鍵時間決定，一般為零點幾秒到幾秒之 間。 為了躲開鍵抖動的影響，保證在按鍵閉合穩(wěn)定狀態(tài)下讀取鍵值，需要對鍵 盤進行削抖處理。常用的削抖措施有硬件削抖和軟件削抖兩種。 硬件削抖是采用硬件電路的方法對鍵盤的按下抖動及釋放抖動進行削抖， 經(jīng)過削抖電路后使按鍵的電平信號只有兩種穩(wěn)定的狀態(tài)。常用的削抖電路有觸 發(fā)器削抖電路、濾波削抖電路兩種。硬件削抖電路見圖 4-9

36、。 圖 4-9 硬件削抖電路 20 硬件削抖電路解決了鍵抖動問題，但當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)所需按鍵比較多時，硬件 削抖電路將變得復(fù)雜，成本也比較高，因此硬件削抖一般只適用于按鍵比較少 的應(yīng)用系統(tǒng)中。當(dāng)系統(tǒng)中需要鍵盤數(shù)量比較多時可采用軟件削抖方法對鍵盤抖 動進行消除。 軟件削抖的基本原理是當(dāng)?shù)谝淮螜z測到有鍵按下時，根據(jù)鍵抖動時間的統(tǒng) 計規(guī)律先采用軟件延時的方法延時一段時間（一般可取 10ms） ，然后再確認鍵 是否仍保持閉合狀態(tài)，如仍保持閉合狀態(tài)則鍵真正被按下，此時可讀取鍵值， 否則可視為干擾，對其不予理睬。采用軟件削抖方法可省去硬件削抖電路，但 鍵盤的工作速度將被降低。 1 獨立式鍵盤 圖 4-10 是通

37、過 AT89C51 單片機 P1 口組成的具有 8 個按鍵的獨立式鍵盤。 從圖中可看出，獨立式鍵盤的各個按鍵之間彼此是相互獨立的，每一個按鍵連 接一根 I/O 口線。獨立式鍵盤電路簡單，軟件設(shè)計也比較方便，但由于每一個 按鍵均需要一根 I/O 口線，當(dāng)鍵盤按鍵數(shù)量比較多時，需要的 I/O 口線也較多， 因此獨立式鍵盤只適合于按鍵較少的應(yīng)用場合。 獨立式鍵盤可工作在查詢方式下，通過 P1 口讀入鍵狀態(tài)，當(dāng)有鍵被按下時 相應(yīng)的 I/O 口線變?yōu)榈碗娖?，而未被按下的鍵對應(yīng)的 I/O 口線保持為高電平， 這樣通過讀 I/O 口狀態(tài)可判斷是否有鍵按下和哪一個鍵被按下。 2 矩陣式鍵盤 21 矩陣式鍵盤由

38、行線、列線及位于行列線交叉點上的按鍵等部分組成。當(dāng)應(yīng) 用系統(tǒng)需要的按鍵數(shù)量比較多時可采用矩陣式鍵盤。 (1) 工作原理 圖 4-11 為一 4x4 矩陣式鍵盤的基本結(jié)構(gòu)。 圖 4-11 矩陣式鍵盤工作原理 該鍵盤需要 4 根行線和 4 根列線共 8 根 I/O 口線，由于采用矩陣式結(jié)構(gòu)， 與獨立式按鍵不同，一根 I/O 口線已經(jīng)不能確定哪一個鍵被按下，需要通過聯(lián) 接到鍵上的兩根 I/O 口線的狀態(tài)確定鍵的狀態(tài)，同時鍵的兩端均接到 I/O 口線 上不能一端接 I/O 口線一端接地，因此必需采用行線與列線信號狀態(tài)分別處理 綜合考慮才能判斷鍵閉合的位置。常用的鍵位置判別方法有掃描法和線反轉(zhuǎn)法 兩種。

39、 (2) 鍵識別方法 鍵識別方法是指當(dāng)鍵被按下時如何確定是哪一個鍵被按下。常用的鍵識別 方法有掃描法和線反轉(zhuǎn)法，下面我們以圖 4-11 為例加以說明。 掃描法 設(shè)圖 4-11 的行線 H1H4 連接到 51 單片機 P1 口的 P1.0P1.3，列線 L1L4 連接到 P1 口的 P1.4P1.7 上，可通過如下程序判斷哪一個鍵被按下。 22 KEY: MOV P1,#0FH ；列輸出低電平，行輸出高電平 MOV A,P1 ；讀 P1 口狀態(tài) ANL A,#0FH ；保留行狀態(tài) CJNE A,#0FH,KEY0 ；有鍵按下轉(zhuǎn) KEY0 SJMP KEY ；無鍵按下等待，轉(zhuǎn)鍵檢測 KEY0: L

40、CALL DELAY10 ；調(diào) 10mS 延時取抖 MOV A,P1 ANL A,#0FH CJNE A,#0FH,KEY1 ；不是抖動轉(zhuǎn)鍵值判斷 SJMP KEY ；是抖動到鍵檢測 KEY1: MOV P1,#11101111B ；第一列鍵被按下判斷 MOV A,P1 ANL A,#0FH CJNE A,#0FH,KEY11 ；第一列鍵被按下轉(zhuǎn) KEY11 處理 MOV P1,#11011111B ；第二列鍵被按下判斷 MOV A,P1 ANL A,#0FH CJNE A,#0FH,KEY11 ；第二列鍵被按下轉(zhuǎn) KEY11 處理 MOV P1,#01111111B ；第四列鍵被按下判斷 M

41、OV A,P1 ANL A,#0FH CJNE A,#0FH,KEY11 ；第四列鍵被按下轉(zhuǎn) KEY11 處理 LJMP KEY ；均不是轉(zhuǎn)到鍵檢測 KEY11：MOV A,P1 ；讀鍵值 鍵值處理 從程序中我們可看出，鍵掃描法實際上是先使列（行）線全輸出低電平， 23 然后判斷行（列）線狀態(tài)，若行線全為高電平，表示無鍵被按下；若行線不全 為高電平表示有鍵被按下，然后依次使列線為低電平，再判斷行線狀態(tài)，當(dāng)行 線全為高電平時，表示被按下的鍵不在本列；當(dāng)行線不全為高電平時，表示被 按下的鍵在本列，把此時的行線狀態(tài)與列線狀態(tài)和在一起即為被按下的鍵的位 置。 線反轉(zhuǎn)法 掃描法對鍵的識別采用逐行（列）掃

42、描的方法獲得鍵的位置，當(dāng)被按下的 鍵在最后一行時需要掃描 N 次（N 為行數(shù)） ，當(dāng) N 比較大時鍵盤工作速度較慢， 而線反轉(zhuǎn)法則不論鍵盤有多少行和多少列只需經(jīng)過兩步即可獲得鍵的位置。我 們?nèi)砸詧D 4-11 為例，線反轉(zhuǎn)法的第一步與掃描法相同均是把列線置低電平， 行置高電平然后讀行狀態(tài)；第二步與第一步相反把行線置低電平，列線置高電 平然后讀列線狀態(tài)，若有鍵按下則兩次所讀狀態(tài)的結(jié)果即為鍵所在的位置。這 樣通過兩次輸出和兩次讀入可完成鍵的識別，比掃描法要簡單。 KEY: MOV P1,#0FH ；列輸出低電平，行輸出高電平 MOV A,P1 ；讀 P1 口狀態(tài) ANL A,#0FH ；保留行狀態(tài)

43、CJNE A,#0FH,KEY0 ；有鍵按下轉(zhuǎn) KEY0 SJMP KEY ；無鍵按下等待，轉(zhuǎn)鍵檢測 KEY0: LCALL DELAY10 ；調(diào) 10mS 延時取抖 MOV A,P1 ANL A,#0FH MOV B,A CJNE A,#0FH,KEY1 ；不是抖動轉(zhuǎn)鍵值判斷 SJMP KEY ；是抖動到鍵檢測 KEY1: MOV P1,#0F0H ；行輸出低電平，列輸出高電平 MOV A,P1 ANL A,#0F0H ORL A,B 24 鍵值處理 (3) 鍵盤工作方式 在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤只是系統(tǒng)的一部分，鍵的識別也只是 CPU 工作內(nèi) 容的一部分。系統(tǒng)在工作中采取何種方式對鍵盤進行識

44、別，讀取鍵狀態(tài)這就是 鍵盤工作方式。鍵盤工作方式主要有掃描方式和中斷方式兩種。 掃描方式 鍵盤的掃描方式又可分為編程掃描和定時掃描。編程掃描是指在特定的程 序位置段上安排鍵盤掃描程序讀取鍵盤狀態(tài)，此時用戶可輸入數(shù)據(jù)和控制命令。 定時掃描是指利用單片機內(nèi)部或擴展的定時器產(chǎn)生定時中斷，在中斷中進行鍵 盤掃描的工作方式。不論哪一種掃描方式，鍵盤程序都應(yīng)當(dāng)完成：鍵是否被按 下判斷，按鍵削抖處理；求鍵位置等。 中斷方式 中斷方式是指，當(dāng)無鍵按下時，CPU 處理其他工作而不必進行鍵的掃描； 當(dāng)有鍵被按下時，通過硬件電路向 CPU 申請鍵盤中斷，在鍵盤中斷服務(wù)程序中 完成鍵盤處理。該種方法可提高 CPU 的

45、工作效率。 4.2.4 顯示器 1 七段 LED 顯示器 LED 顯示器是由發(fā)光二極管按照一定的排列規(guī)律組成的顯示器件，這種顯 示器有共陽極和共陰極兩種組成形式，常用的七段 LED 顯示器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外 引腳排列見圖 4-1。 在共陰極七段 LED 結(jié)構(gòu)中，所有發(fā)光二極管的陰極接在一起形成公共極 COM，使用時 COM 接低電平，當(dāng)某段發(fā)光二極管的陽極接高電平時，則該段二 極管發(fā)光顯示字符。共陽極七段 LED 是把所有的發(fā)光二極管的陽極接在一起形 成公共端 COM，使用時 COM 端接高電平，當(dāng)某段發(fā)光二極管的陰極接低電平時， 25 則該段二極管發(fā)光進行顯示。 表 4-1 給出了七段 LED

46、的顯示字型碼。表中的字型碼未包擴小數(shù)點位 Dp， 段線的排列格式按 g,f,e,d,c,b,a 即 g 段為顯示段碼的最高位，a 段為顯示段 碼的最低位，當(dāng)然段線也可按照其他方式進行排列。從表中可看出共陰極結(jié)構(gòu) 與共陽極結(jié)構(gòu)的顯示段碼互為反碼。 a）共陰極結(jié)構(gòu) b）共陽極結(jié)構(gòu) c）外引腳圖 圖 4-1 LED 結(jié)構(gòu)及引腳排列圖 表 4-1 七段 LED 字型碼 顯示字 符 共陰極字型 碼 共陽極字型 碼 顯示字 符 共陰極字型 碼 共陽極字型 碼 0 3FH C0H A 77H 88H 1 06H F9H b 7CH 83H 2 5BH A4H C 39H C6H 3 4FH B0H d 5E

47、H A1H 4 66H 99H E 79H 86H 5 6DH 92H F 71H 8EH 6 7DH 82H P 73H 8CH 26 7 07H F8H 40H BFH 8 7FH 80H 全滅 00H FFH 9 6FH 90H 問題：單片機控制電路中，應(yīng)如何選擇 LED 顯示器的結(jié)構(gòu)？ 2LED 顯示器的顯示方式 在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，N 片七段 LED 構(gòu)成 N 位七段碼顯示器。LED 的公共端 COM 叫做顯示器的位選線，ag 稱為段選線，這樣 N 位 LED 顯示器有 N 根位選 線，N8 根段選線（包括小數(shù)點位） 。位選線控制 LED 的每一位是否顯示，段選 線控制每一位的顯示字符

48、。根據(jù)位選線與段選線的接法，LED 有兩種顯示方式： 靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式。 （1）靜態(tài)顯示方式 在靜態(tài)顯示方式，所有的位選線 COM 連接到一起接低電平（共陰極）或接 高電平（共陽極） ，每一位 LED 的段選線連接到一個 8 位顯示輸出口上，這樣 N 位顯示器共需要 8N 根顯示輸出線，顯示時位與位之間是相互獨立的，彼此 不產(chǎn)生影響。圖 4-2 為靜態(tài) N 位 LED 顯示器原理圖。 圖 4-2 N 位 LED 靜態(tài)顯示原理圖 由于位選線接在一起，因此控制每一顯示位的段選碼即可控制每一位的顯 示字符，保持段選碼不變，則顯示的字符也不變，當(dāng)需要改變顯示內(nèi)容時只需 改變顯示位的段碼。這種

49、顯示方式具有顯示亮度高，顯示穩(wěn)定，控制方便等優(yōu) 27 點，但當(dāng)顯示的位數(shù)較多時，占用的 I/O 口線較多。 （2）動態(tài)顯示方式 圖 4-3 為 N 位動態(tài)顯示硬件連接圖。 圖 4-3 N 位動態(tài) LED 顯示原理圖 與靜態(tài)顯示方式不同，動態(tài)顯示方式是把段選線的對應(yīng)位連接到一起，接 到一個 8 位輸出 I/O 口線上，每一位的位選線接到一根獨立的 I/O 口線上，這 樣 N 位顯示器共需要 8+N 根 I/O 口線（8 根段選線，N 根位選線） 。顯示時段選 碼由同一 8 位 I/O 口輸出，具體哪一位顯示由位選碼決定。由于段選碼并聯(lián)接 在一起，因此同一時刻只能有一位 LED 顯示字符，其他位不

50、顯示，即只能有一 位位選線有效。為了能顯示 N 位字符，必需 N 位 LED 數(shù)碼管等間隔時間輪流發(fā) 光顯示，只要顯示間隔時間比較短，利用人眼視覺暫留的特點可造成 N 位同時 顯示的效果。 動態(tài)顯示與靜態(tài)顯示相比有需要 I/O 口線少、功耗小等優(yōu)點，但控制程序 較復(fù)雜，顯示亮度低。 3LED 顯示器與單片機接口 LED 顯示電路與單片機的接口分靜態(tài)顯示接口電路和動態(tài)顯示接口電路兩 類，每一類中又可分為軟件譯碼和硬件譯碼兩種控制方式。由于靜態(tài)顯示電路 和靜態(tài)顯示控制程序比較簡單，因此靜態(tài)顯示電路在此不作介紹。軟件譯碼方 法是指將要顯示的字符通過程序的方法譯成七段 LED 顯示字型碼，通過 I/O

51、 口 28 直接輸出 LED 的段選碼；硬件譯碼是指將要顯示的字符直接輸出給硬件譯碼電 路，通過硬件譯碼電路再把 BCD 碼或十六進制碼轉(zhuǎn)換成七段 LED 顯示字型碼。 （1）軟件譯碼顯示接口 圖 4-4 為通過 8255A 并行可編程擴展接口構(gòu)成的 8 位 LED 顯示電路。其中 8255A 的 PA 口用于段選碼的輸出，PB 口用于位選碼的輸出，采用軟件譯碼動 態(tài)顯示方式。 圖 4-4 軟件譯碼動態(tài)顯示電路 在該硬件電路中，反相器為位驅(qū)動器，LED 的段限流電阻未畫出。 按圖所示電路進行連接時所用 8255A 的各端口地址為： PA 口地址：7FFCH PB 口地址：7FFDH 控制口地址

52、：7FFFH PA、PB 口均設(shè)定為輸出工作方式，其控制字為 10000000B。控制程序如下： DISP: MOV DPTR,#7FFFH ；選擇 8255A 的控制口 MOV A,#80H ；PA、PB 口控制字為 80H MOVX DPTR,A ；8255A 初始化 29 MOV R0,#TAB1 ；指向顯示字符表 MOV R7,#08H ；顯示位數(shù)送 R7 MOV B,#01H ；顯示初始位位選線 COM1 有效 LOOP： MOV DPTR,#7FFDH ；指向 B 口 MOV A,B MOVX DPTR,A ；輸出位選線 RL A MOV B,A MOV A,R0 ；取顯示字符 I

53、NC R0 ；指向下一個顯示字符 MOV DPTR,#TAB2 ；指向七段 LED 顯示字型表 MOVC A,A+DPTR ；取顯示七段字型碼 MOV DPTR,#7FFCH ；指向 A 口 MOVX DPTR,A ；輸出段顯碼 LCALL DELAY ；調(diào)延時子程序 DJNZ R7,LOOP ；8 位未顯示完繼續(xù) 上述程序為一次顯示 8 位字符程序，若要不斷顯示可重復(fù)上述程序。 （2）硬件譯碼電路 硬件譯碼是采用硬件譯碼電路的方法完成顯示字符到顯示七段碼的轉(zhuǎn)換。 硬件集成譯碼電路類型較多，有 BCD-7 段譯碼器、BCD-7 段譯碼驅(qū)動器、BCD-7 段鎖存譯碼驅(qū)動器、十六進制-7 段鎖存譯

54、碼驅(qū)動器等。表 4-2 給出了常用的硬 件譯碼集成電路及其性能。 表 4-2 常用的硬件譯碼集成電路 元件名 稱 功能 驅(qū)動能力 備注 30 74LS46 、47 BCD-七段譯碼/輸出驅(qū) 動器 段驅(qū)動 8mA 輸出開路 74LS48 BCD-七段譯碼/輸出驅(qū) 動器 段驅(qū)動 8mA 輸出需上拉電阻 74LS49 BCD-七段譯碼/輸出驅(qū) 動器 段驅(qū)動 8mA OC 輸出 4511 BCD-七段譯碼/輸出驅(qū) 動器 段驅(qū)動 8mA CMOS 器件，輸出鎖存 MC14558 BCD-七段譯碼 無驅(qū)動能力 MC14547 BCD-七段譯碼/輸出驅(qū) 動器 段驅(qū)動 8mA MC14513 BCD-七段譯碼

55、/輸出驅(qū) 動器 段驅(qū)動 12mA 輸出鎖存 ICM7212 BCD-七段譯碼/輸出驅(qū) 動器 段驅(qū)動 8mA 可靜態(tài)驅(qū)動四位共陽極 LED ICM7218 8 位動態(tài) BCD-七段譯碼 器 段驅(qū)動 20mA 位驅(qū) 動 170mA 可動態(tài)驅(qū)動 8 位共陽極 LED 動態(tài)掃描頻率 250HZ 硬件譯碼驅(qū)動器與單片機及顯示器的接口見圖 4-5。 在該圖中硬件譯碼驅(qū)動電路采用 BCD-七段碼/輸出鎖存/驅(qū)動集成芯片 MC14513，位選驅(qū)動采用同向驅(qū)動器 7407。BCD 碼與位選信號輸出均通過 P1 口。 31 圖 4-5 硬件譯碼驅(qū)動器與單片機及顯示器的接口 4.3 其他輔助電路設(shè)計 4.3.1 A

56、T89C51 的時鐘電路單片機的時鐘的產(chǎn)生方式 AT89C51 的時鐘電路可以由兩種方式產(chǎn)生：外部方式和內(nèi)部方式。由于內(nèi) 部時鐘電路結(jié)構(gòu)簡單，無需外部施與時鐘信號，故本次設(shè)計采用內(nèi)部方式。內(nèi) 部時鐘方式是利用的芯片內(nèi)部的振蕩電路，具體則是在 XTAL1 和 XTAL2 引腳 上外接一個定時元件，如圖 3-3 所示。晶體的振蕩頻率可在 1.212MHz 間任 選，耦合電容在 530PF 之間，這種方式對時鐘具有微調(diào)作用。 4.3.2 AT89C51 復(fù)位電路 單片機的復(fù)位是靠外部電路來實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要 RST 引腳 上有 10ms 以上的高電平出現(xiàn)，單片機就可以實現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，然后單

57、片機便從 0000H 單元開始執(zhí)行程序。單片機通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種復(fù)位 方式。為了盡可能簡化電路，本次設(shè)計采用上電自動復(fù)位方式，如圖 3-5 所示。 4.3.3 超程報警電路 為了防止工作臺超程，可分別在極限位置安裝限位開關(guān)。對于兩坐標(biāo)聯(lián)動 32 的數(shù)控系統(tǒng)，4 個方向都可能超程，即+X、X、+Y、Y。當(dāng)某一方向超程 時，應(yīng)立即使工作臺停止移動。圖 4-4 為報警指示燈電路。為達到報警的效果， 要用到中斷方式，這里采用 AT89C51 的外部中斷方式，任何一個行程開關(guān)閉合 （即工作臺在某一方向超程） ，均會產(chǎn)生中斷信號。在電路中設(shè)置紅綠燈作為 警示指示信號。正常工作時，綠燈亮；超

58、程報警時，紅燈亮。兩燈均由一個 I/O 口輸出。 圖 4-4 報警指示燈電路 4.3.4 掉電保護電路 半導(dǎo)體存儲器 RAM 最怕掉電，一但掉電，則里面存儲的信息就會全部丟 失。工業(yè)作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，掉電是很有可能發(fā)生的。數(shù)控系統(tǒng)中的一些重要 的現(xiàn)場參數(shù)，如幾何尺寸，工藝參數(shù)等都是存儲在 RAM 中的，掉電后，數(shù)據(jù) 將會丟失。為了使掉電情況下， RAM 中的信息能得以保持，就必須設(shè)置掉電 保護電路。這樣，恢復(fù)供電后，系統(tǒng)又能馬上運行。圖 4-5 所示的是一種簡單 掉電保護電路的工作原理，圖中 為電源電壓， 為備用電池電壓，并且+VB ， 為存儲器 RAM 的電源端，正常通電時，二極管 導(dǎo)通，

59、截止，+BVc 1D2 RAM 的工作電壓由 提供，同時， 還通過電阻 R 對電池充電。斷電后，+ 截止， 導(dǎo)通，此時 RAM 的工作電壓由電池電壓由電池 經(jīng)二極管 和1D2 BV2 電阻 R 供給， 值一般取 3V 時，存儲器就能可靠的保持信息。B 33 圖 4-5 掉電保護電路 4.3.5 光電隔離電路 在步進電機驅(qū)動電路中，脈沖信號經(jīng)功率放大器后控制步進電機勵磁繞組。 由于步進電機需要的驅(qū)動電壓較高，電流較大，如果功率放大器直接接輸出信 號，將導(dǎo)致強電干擾。輕則影響程序的正常工作，重則導(dǎo)致單片機和接口電路 的損壞。所以一般在功率放大器與接口電路之間都要接上隔離電路。 光電隔離是有光耦合器

60、來完成的。光耦合器是以光為媒介傳輸信號的器件， 其輸入端配置發(fā)出光源，輸出端配置接受光源，因而輸入和輸出在電氣上是完 全隔離的。本設(shè)計將會使用開關(guān)量電路，因此設(shè)計時選擇在電路中接入光耦合 器，從而使其輸入側(cè)與輸出側(cè)的信號得到了電氣隔離，互補影響。 1光耦合器的選用 本案選用的是普通的信號隔離用光耦合器(TLP521-1)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式見 圖 4-6。 TLP521-1 光耦合器以發(fā)光二極管為輸入端，光敏晶體管為輸出端，能 夠隔離頻率在 100kHz 以下的信號，滿足我此次設(shè)計的要求。 圖 4-6 TLP521-1 光耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式圖 2TLP521-1 光耦合器的主要參數(shù)及工作參數(shù) T

61、LP521-1 光耦合器是 TOSHIBA 公司生產(chǎn)的 TLP521 系列光耦合器的一種 結(jié)構(gòu)形式，表 4-1 則給出了 TLP521 系列光耦合器推薦的工作參數(shù)，表 4-2 將 給出 TLP521 系列光耦合器的主要參數(shù)。 表 4-1 TLP521 光耦合器推薦工作參數(shù) 參數(shù)特性 符號 最小值 典型值 最大值 單位 供電電壓 CV 5 24 V 正向電流 FI 10 25 mA 34 集電極電流 cI 1 10 mA 工作溫度 opt-25 85 表 4-2 TLP521 光耦合器的主要參數(shù) 參數(shù)名稱 符號 單位 TLP521 正向?qū)娏?FImA 50 集電極電流 cmA 50 最小電流

62、傳輸比 minCRT% 100 最大電流傳輸比 ax% 600 集電極 -發(fā)射機反向擊穿電壓 BEOV（ ） V 55 發(fā)射極 -集電極反向擊穿電壓 RC（ ） V 7 集電極 -發(fā)射極飽和壓降 (sat） V 0.4 響應(yīng)時間 ONFTxS 2/3 隔離電壓 ISkV 2.5 35 第五章 基于 PROTEUS 的直線運動平臺運動仿真設(shè)計 5.1 Proteus 簡介及仿真界面 1Proteus 軟件簡介 Proteus 是英國 Labcenter 公司開發(fā)的切入式系統(tǒng)仿真軟件，組合了高級原 理圖設(shè)計工具 ISIS、混合模式 SPICE 仿真、PCB 設(shè)計以及自動布線而形成了 一個完成的電子

63、設(shè)計系統(tǒng)。它運行與 Windows 操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析各 種模擬和數(shù)字電路，并且對 PC 機的硬件配置要求不高。該軟件具有以下主要 特別： 實現(xiàn)了單片機仿真和 SPICE 電路仿真相結(jié)合，具有模擬電路仿真、數(shù) 字電路仿真、單片機及其外圍電路仿真、RS232 動態(tài)仿真、 SPI 調(diào)式器、鍵盤 和 LCD 系統(tǒng)仿真的功能。 提供了大量的元器件，涉及電阻、電容、二極管、三極管、MOS 管、 變壓器、繼電器、各種放大器、各種激勵源、各種控制器、各種門電路和各種 終端等；同時，也提供了許多虛擬測試儀器，如電流表、電壓表、示波器、邏 輯分析儀、信號發(fā)生器、定時/計數(shù)器等。 支持主流單片機系統(tǒng)的仿真

64、。目前支持的單片機類型有：68000 系列、 8051 系列、AVR 系列、PIC12 系列、PIC16 系列、 Z80 系列、HC11 系列以及 各種外圍芯片。 提供軟硬件調(diào)試功能。同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如 Keil C51 Vision2 等軟件。 具有強大的原理圖編輯及原理圖后處理功能。 Proteus VSM 虛擬系統(tǒng)模型組合了混合模式的 SPICE 電路仿真、動態(tài)器 件和微控制器模型，實現(xiàn)了完整的基于微控制器設(shè)計的協(xié)同仿真，真正使在物 理原型出來之前對這類設(shè)計的開發(fā)和測試成為可能。 2Proteus 仿真界面 如圖 5-1 所示： 36 圖 5-1 Proteus IS

65、IS 仿真界面 5.2 Keil 簡介 Keil 是美國 Keil Software 公司開發(fā)的，是目前世界上最好的 51 單片機的 匯編和 C 語言的開發(fā)工具。它支持匯編語言、C 語言以及混合編程，同時，它 還具有強大的模擬仿真功能。在進行模擬仿真時，不需要任何真實的硬件即可 實現(xiàn)用戶程序的仿真和調(diào)試。仿真時，我們會將 Keil 與 Proteus 一起使用，充 分利用它們各自的模擬仿真功能，使得單片機軟硬件調(diào)試達到很好的效果。 37 5-2 Keil 軟件界面 5.3 Keil 中的程序調(diào)試 5-3 數(shù)控直線運動平臺控制程序調(diào)試 38 程序調(diào)試成功后，生成.HEX 文件，并保存。 5.4

66、Proteus 仿真系統(tǒng)硬件原理圖 在進行仿真前，應(yīng)先在 Proteus ISIS 中繪制出總體的電氣控制原理圖， 并仔細檢查線路是否連通。 本次設(shè)計中的數(shù)控直線運動平臺運動控制即是要用單片機控制給 X、Y 軸 傳遞運動的兩個步進電機的轉(zhuǎn)動，包括兩個步進電機各自的正反轉(zhuǎn)，以及兩軸 聯(lián)動。具體仿真系統(tǒng)硬件原理圖如圖 5-4 所示。 圖 5-4 Proteus 仿真系統(tǒng)硬件原理圖 5.5 運行調(diào)試 在 Proteus ISIS 中繪制完仿真原理圖后，將之前生成的.HEX 文件導(dǎo)入到 AT89C51 單片機中，點擊“調(diào)試” ，并“執(zhí)行”程序。仿真結(jié)果如下圖 5-5 至 5-7 所示： 39 圖 5-5 運行調(diào)試圖 1兩軸電機同時運轉(zhuǎn) 圖 5-6 運行調(diào)試圖 2X 軸電機運轉(zhuǎn) 40 圖 5-7 運行調(diào)試圖 3Y 軸電機運轉(zhuǎn) 41 設(shè)計總結(jié) 基于單片機的數(shù)控直線運動平臺運動控制設(shè)計與虛擬仿真測試到這里已接 近尾聲了，整個設(shè)計過程完成的任務(wù)主要有： 1）完成了數(shù)控系統(tǒng)整體方案的選擇。 2）完成步進電動機的選擇。選擇型號為 90BF001 的反應(yīng)式步進電機。 3）完成整個控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。該控制系