直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)

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1、 學(xué)號(hào)：24113501538 南湖學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題目 ：直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)精確定位控制 作 者： 龍羅坤 屆 別：2011 級(jí) 系 別：南湖學(xué)院機(jī)電系 專 業(yè)：機(jī)械與電子工程 指導(dǎo)老師： 余曉峰 職 稱： 副 教 授 完成時(shí)間： 2015 年 5 月 4 日 摘 要 本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)控制的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)精確定位設(shè)計(jì)。 本控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式，以 AT89C51 單片機(jī)為控制器，并以顯示、復(fù)位、 時(shí)鐘、限位等電路作為基礎(chǔ)，通過(guò)鍵盤電路的給單片機(jī)輸入指令，并以脈沖形式的 控制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，并且通過(guò)旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并及時(shí)反饋 給執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否進(jìn)行，從而通過(guò)

2、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)精確定位。 程序編寫完成后，在 Keil 軟件進(jìn)行編譯和調(diào)試，并在 Proteus 環(huán)境中實(shí)現(xiàn)程序 及電路的仿真。 關(guān)鍵字：數(shù)控工作臺(tái)；直線運(yùn)動(dòng)；定位控制；步進(jìn)電機(jī)；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(jì)研究背景 .1 1.2 研究的內(nèi)容 .1 1.3 畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)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(jī)的選擇 .3 2.4 微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇 .3 2.5 直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的傳動(dòng)方式 .5 2.6 控

6、制系統(tǒng)的執(zhí)行.6 第三章 MCS-51 單片機(jī)工作原理 .9 3.1 單片機(jī)內(nèi)部組成及引腳功能 .9 3.1.1 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) .9 3.1.2 AT89C51 單片機(jī)的主要特性： .9 3.1.3 AT89C51 單片機(jī)的引腳功能 .10 3.2 單片機(jī)的時(shí)鐘電路 .12 3.3 單片機(jī)的工作方式 .14 第四章 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .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(jì) .17 4.2.1 主控制器 CPU 的選擇 .17 4.2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) .18 4.3 其他輔助電

7、路設(shè)計(jì) .32 4.3.1 AT89C51 的時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘的產(chǎn)生方式 .32 4.3.2 AT89C51 復(fù)位電路 .32 4.3.3 超程報(bào)警電路 .32 4.3.4 掉電保護(hù)電路 .33 4.3.5 光電隔離電路 .34 第五章 基于 PROTEUS 的直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì) .36 5.1 PROTEUS簡(jiǎn)介及仿真界面 .36 5.2 KEIL簡(jiǎn)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(yùn)行調(diào)試 .39 設(shè)計(jì)總結(jié) .42 致 謝 .43 參考文獻(xiàn) .44 附 錄 .45 附錄 A 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)控 XY 軸仿真原

8、理圖 .45 附錄 B C 語(yǔ)言程序設(shè)計(jì) .46 1 第一章 緒論 1.1 課題設(shè)計(jì)研究背景 隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的進(jìn)步，制造業(yè)得到了快速發(fā)展，促使機(jī)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(zhǔn)的質(zhì)量要求， 因此要求機(jī)械設(shè)備的功能越來(lái)越強(qiáng)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(jì)出功能全面、效率高、耐壓性強(qiáng)、加工精度高的機(jī)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(yùn)動(dòng)數(shù)控工作臺(tái)屬于高精 密加工的核心部件，它的傳動(dòng)部件的定位精度直接影響系統(tǒng)的加工精度。 直線運(yùn)動(dòng)數(shù)控工作臺(tái)是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱 橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控

9、鉆床的直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)、激光加工設(shè)備的工 作臺(tái)等。數(shù)控工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)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(wú)法滿足要求，因而采用微機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的運(yùn)動(dòng)控制。 本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)程序化的運(yùn)動(dòng)控制，此為驗(yàn)證性設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)控 制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握一些典型硬件電路的設(shè)計(jì)方法和人機(jī)接口軟件的設(shè)計(jì)思路， 并通過(guò) Proteus 軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。 1.2 研究的內(nèi)容 直線運(yùn)動(dòng)數(shù)控工作臺(tái)是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，通常由導(dǎo)軌座、 滑動(dòng)模塊、工作平臺(tái)、滾珠絲杠螺母副，以及步進(jìn)電機(jī)等部件構(gòu)成。控制系統(tǒng) 可選用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，也可設(shè)計(jì)專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)用 AT89C51 組成專

10、用單片機(jī)控制系統(tǒng)，來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制直線 運(yùn)動(dòng)數(shù)控工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。 設(shè)計(jì)要求完成整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和完成整個(gè)控制系統(tǒng)的人機(jī)接口軟 件設(shè)計(jì)，通過(guò) 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(jì)的目的、意義 畢業(yè)設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力的重要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一，是綜合運(yùn)用所 學(xué)過(guò)的機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等知識(shí)進(jìn)行的基本設(shè)計(jì)訓(xùn)練。其目的是： 能夠正確運(yùn)用大學(xué)期間所學(xué)課程的基本理論和相關(guān)知識(shí)，掌握機(jī)電一體化 系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能構(gòu)成、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法，了解設(shè)計(jì)方案的擬定、 比較、分析和計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，使學(xué)生具有機(jī)電

11、一 體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步能力； 通過(guò)機(jī)械部分設(shè)計(jì)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)械零部件和執(zhí)行元件的計(jì) 算、選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和步驟； 通過(guò)測(cè)試及控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，掌握機(jī)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(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)及編寫技術(shù)說(shuō)明書的能力，促進(jìn)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(jì)中，數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)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(jī)控制系統(tǒng)的選擇。 2.1 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案圖 AT89C51 旋轉(zhuǎn)編碼器 （檢測(cè)電路） 鍵盤 復(fù)位 時(shí)鐘電路 限位

12、開(kāi)關(guān) 緊急停止 顯示 驅(qū)動(dòng)電路 告警 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 機(jī)床工作臺(tái) 狀態(tài) 執(zhí)行機(jī)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(yùn)動(dòng)工作臺(tái)沿坐標(biāo)軸方向同時(shí)具有連續(xù)的精確的運(yùn)動(dòng)， 兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)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(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上的坐標(biāo)軸同時(shí)進(jìn)行嚴(yán)格連續(xù)控制系統(tǒng)。它不 僅能控制移動(dòng)部件從某一點(diǎn)準(zhǔn)確地移動(dòng)到另一點(diǎn)，而且還能控制整個(gè)加工過(guò)程 中的每一點(diǎn)的速度和位移量，進(jìn)而將零件加工成一定的輪廓形狀。 2.3 伺服系統(tǒng)及電機(jī)的選擇 1伺服系統(tǒng)的選擇 4 本次設(shè)計(jì)選用開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)。在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中，無(wú)反饋部件

13、，不存在由 輸出端到輸入端的反饋通路，無(wú)法反饋信息，故而不能及時(shí)糾正系統(tǒng)傳動(dòng)誤差。 但是，同閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單得多，調(diào)整維修方便， 同時(shí)也比較經(jīng)濟(jì)。在速度和精度要求都不太高，而又要求降低成本的場(chǎng)合得到 廣泛應(yīng)用。 2步進(jìn)電機(jī)的選擇 考慮到經(jīng)濟(jì)性，也不需太高的運(yùn)動(dòng)精度，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步 進(jìn)電機(jī)作為開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置。 步進(jìn)電機(jī)是由電脈沖控制的特種電動(dòng)機(jī)。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、 停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，對(duì)應(yīng) 于每一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生一個(gè)恒定量的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，即產(chǎn)生一個(gè)恒定量的 角位移或線位移。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)步數(shù)由

14、脈沖數(shù)來(lái)決定，運(yùn)動(dòng)方向由脈沖相序來(lái) 決定，在一定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度或平移的距離由脈沖數(shù)決定，借助步進(jìn)電機(jī)可 以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的變換。步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī) 工作機(jī)構(gòu) 圖 2-2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 根據(jù)控制需要，本次設(shè)計(jì)選擇兩個(gè)90BF001 型4相8 拍的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)有關(guān)參數(shù)如表2-1： 表2-1 90BF001型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的參數(shù) 主要技術(shù)參數(shù) 型號(hào) 相數(shù) 步距角 /( ) 電壓 /V 最大靜轉(zhuǎn)矩 /(Nm) 空載啟動(dòng) 頻率/(步 /s) 空載運(yùn)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(dòng)慣量 /(10-5 kgm2) 5 17.4 914504.5 17.64 步進(jìn)電機(jī)原理圖如圖 2-2 所示： 圖 2-3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理圖 2.4 微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇 （1）對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，選用 8 位單片機(jī) AT89C51 作為控 制系統(tǒng)的控制器。該單片機(jī)具有集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)大，處理速度快， 可擴(kuò)展性強(qiáng)，性價(jià)比較高等優(yōu)點(diǎn)，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(jì)一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，在選擇 CPU 之后，還要設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī) 機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)運(yùn)

16、行程序，單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路一起工作，進(jìn)而驅(qū)動(dòng) X 軸步 進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 （3）合理設(shè)計(jì)電源及開(kāi)關(guān)電路，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用。 2.5 直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)的傳動(dòng)方式 為了保證直線運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)具有一定的傳動(dòng)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(dòng)副。由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和 工作載荷不大，故選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高其 運(yùn)動(dòng)的可靠性和平穩(wěn)性。 由于步進(jìn)電機(jī)的步距角和滾珠絲杠的導(dǎo)程是按標(biāo)準(zhǔn)選取的，為達(dá)到傳動(dòng)要 求，并綜合考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，決定采用齒輪減速傳動(dòng)。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(hào) 地址 說(shuō)明 SQ1 X1 左限位 SQ2 X2 原點(diǎn) SQ3 X5 右限位 輸入（I） SB1 X10 暫停 SB2 X11 停止 SB3 X12 啟動(dòng) 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(kāi)始 上電回原點(diǎn) 設(shè)定循環(huán)次數(shù) n 裝料延時(shí) 3S，向工位 1 運(yùn)料 到達(dá)工位 1，卸料延時(shí) 5S 返回原點(diǎn) 裝料延時(shí) 5S，向工位 2 運(yùn)料 到達(dá)工位 2，卸料延時(shí) 5S 停止 循環(huán)次數(shù) n=n-1 返回原點(diǎn) n=0 圖 4-3-2 控制流程圖 8 第三章 AT89C51 單

18、片機(jī)工作原理 3.1 單片機(jī)內(nèi)部組成及引腳功能 3.1.1 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) AT89C51單片機(jī)的組成： CPU(進(jìn)行運(yùn)算、控制)、RAM(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器)、 ROM(程序存儲(chǔ)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(jī)結(jié)構(gòu)框圖 3.1.2 AT89C51 單片機(jī)的主要特性： 與MCS-51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)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(shí)間可達(dá)10年 1288位內(nèi)部RAM 9 32可編程I/O線 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 可編程的串行通道 兩個(gè)16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器 閑置和掉電模式低功耗 5個(gè)

19、中斷源 3.1.3 AT89C51 單片機(jī)的引腳功能 本次選用的AT89C51單片機(jī)采用40引腳雙列直插式封裝（DIP）形式。引腳 排列及邏輯符號(hào)如圖3-2所示，其中Vcc和Vss 引腳由于分別默認(rèn)接電源和地而 被隱藏。下面分別說(shuō)明這些引腳的意義和功能。 圖3-2 AT89C51單片機(jī)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(gè)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(shí)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(chǔ)器， 此時(shí)它作為數(shù)

20、據(jù)/地址的第八位。當(dāng)FIASH進(jìn)行編程時(shí)，P0 口將作為原碼輸入 口；FIASH校驗(yàn)時(shí)，P0口作為原碼輸出口，此時(shí)P0口必須拉高的外部。 （2）P1口（P1.0P1.7） P1口是一個(gè)由單片機(jī)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(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編 程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 （3）P2口（P2.0P2.7） P2口為一個(gè)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(gè) TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，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(shí)，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(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外 部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，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(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 （4）P3口（ P3.0P3.7 ） P3口的管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)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(hào)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(qǐng)求輸入 P3.3 1外部中斷1請(qǐng)求輸入 P3.4 T0 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0的外部輸入口 P3.5 T1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的外部輸入口 P3.6 WR外部RAM寫選通信號(hào) P3.7 D外部RAM讀選通信號(hào) 3控制信號(hào)引腳 RST：復(fù)位輸入引腳。當(dāng)器件被振蕩器復(fù)位時(shí)，必須保持RST引腳有兩個(gè)機(jī) 器周期時(shí)間的高電平。 ALE/PR

23、OG：當(dāng)單片機(jī)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存所允許的輸出電平將用 來(lái)鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 進(jìn)行編程時(shí)，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(lái)輸出正向脈沖信號(hào)，此時(shí)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(lái)定時(shí)的引腳。 然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。如想禁 止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)， 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(wú)效。 ：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。

24、在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每PSEN 個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN 有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 ：當(dāng) 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-A/V FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1 時(shí)， 將內(nèi)部鎖定為EA RESET；當(dāng) 端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)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(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出 12 3.2 單片機(jī)的時(shí)鐘電路 AT89C51 單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，用于

25、構(gòu)成時(shí)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(shí)鐘電路一起構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘方式。根據(jù)硬件電路的不 同，單片機(jī)的時(shí)鐘連接方式又可分為內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。內(nèi)部時(shí)鐘 方式如圖 3-3 所示，外部時(shí)鐘方式如圖 3-4 所示。 圖3-3 內(nèi)部時(shí)鐘方式 圖3-4 外部時(shí)鐘方式 13 3.3 單片機(jī)的工作方式 MCS-51系列單片機(jī)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(hù)方式、節(jié)電工作方式和EPROM編程/校驗(yàn)方式。 復(fù)位方式：系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行和重新啟動(dòng)靠復(fù)位電路來(lái)實(shí)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(dòng)復(fù)位如圖3-5所示，上電/ 按鍵手動(dòng)復(fù)位 如圖3-6 所示。 圖 3-5 上電自動(dòng)復(fù)位 圖 3-6 上電/手動(dòng)按鍵復(fù)位 14 程序執(zhí)行方式：?jiǎn)纹瑱C(jī)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(jī)都需要的工作方式。單片機(jī)復(fù)位后，PC 值為0000H，因此單片機(jī)復(fù)位后立即轉(zhuǎn)到0000H處執(zhí)行程序。單片機(jī)按照程序 事先編排的任務(wù)，自動(dòng)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(jī)開(kāi)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(jī)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(wèn)題進(jìn)行修改。單步執(zhí)

27、行 方式是利用單片機(jī)外部中斷功能實(shí)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(jī)） 方式。是針對(duì)CHMOS類芯片而設(shè)計(jì)的，HMOS 型單片機(jī)不能工作在節(jié)電方式， 但它有一種掉電保護(hù)功能。 HMOS單片機(jī)的掉電保護(hù)：當(dāng)VCC 突然掉電時(shí)，單片機(jī)通過(guò)中斷將必須 保護(hù)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(jī)的節(jié)電方式：CHMOS 型單片機(jī)是一種低功耗器件，正常 工作時(shí)電流為1122mA，空閑狀態(tài)時(shí)為1.75mA，掉電方式為550A 。它 適用于低功耗應(yīng)用場(chǎng)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(lái)控制

28、。 編程和校驗(yàn)方式：用于內(nèi)部含有EPROM的單片機(jī)芯片，一般的單片機(jī)開(kāi) 發(fā)系統(tǒng)都提供實(shí)現(xiàn)這種方式的設(shè)備和功能。 15 第四章 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.1 硬件配置與接口分配 4.1.1 存貯器空間分配 單板機(jī)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(kuò)展使用。其存貯空間分配如下。 0000H07FFH 2KB EPROM 存儲(chǔ)監(jiān)控程序 0800H0FFFH 2KB EPROM 存儲(chǔ)零件加工程序 1000H17FFH 2KB RAM 調(diào)試程序 2000H27FFH 2KB RAM 測(cè)試程序等 4.1.2 I/O 口地址分配 單板機(jī)設(shè)置 I/O 口地址為

29、809FH 共 32 個(gè)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(jì) 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(chǔ)器。包括只讀可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)器，故不需再擴(kuò)展存儲(chǔ)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(chǔ)器 RAM ROM 輸入/輸

30、出 I/O 接口 信號(hào)變換 控制對(duì)象 外部設(shè)備(鍵盤、顯示器、 打印機(jī)、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(jī)是集中CPU,它有如下特點(diǎn)： 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(jī)相比，它具有更強(qiáng)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(hào)通道基本上都位于同一個(gè)芯片里，運(yùn)行時(shí)， 系統(tǒng)可靠且穩(wěn)定。 2便于擴(kuò)展。 此系列單片機(jī)片內(nèi)有微機(jī)正常運(yùn)行必需具備的部件，其片外還有許多供用 戶擴(kuò)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(jī)系統(tǒng)。 17 3控制功能較強(qiáng)。 AT89C51單片機(jī)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(shí)用性好。 體積小，功耗低，價(jià)格便宜，易于產(chǎn)品化。 綜上所述，由于它具有以上優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)選用AT89C51單片機(jī)作為主 控制芯片。其引腳圖如圖3-2所示。 4.2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制步進(jìn)電機(jī)元件。 在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖 數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)一個(gè)步距角。 脈沖數(shù)越多，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度越大。 脈

32、沖的頻率越高，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，但不能超過(guò)最高頻率，否則電機(jī)的力矩 迅速減小，電機(jī)不轉(zhuǎn)。 所以 PLC 在控制步進(jìn)電機(jī)中起到的作用就是發(fā)出可控脈沖，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖 頻率控制步進(jìn)電機(jī)速度，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖數(shù)量控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。 步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的工作原理示意圖 如上圖 3-3-2 所示，該兩相電機(jī)有兩個(gè)繞組。當(dāng)一個(gè)繞組通電后，其定子 磁極產(chǎn)生磁場(chǎng)，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(gè)狀態(tài)周而復(fù)始 18 進(jìn)行變化，電機(jī)順時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)；

33、通電時(shí)序?yàn)?AError!Error!BError!A BError!AError!時(shí)，電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂泼}沖每作用一次，通電方向就變 化一次，使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一步，此圖所示只要 4 個(gè)脈沖，電機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。脈沖頻 率越高，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)越快。 通常電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁體，當(dāng)電流流過(guò)定子繞組時(shí)，定子繞組產(chǎn)生一矢量 磁場(chǎng)。該磁場(chǎng)會(huì)帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一角度，使得轉(zhuǎn)子的一對(duì)磁場(chǎng)方向與定子的磁場(chǎng) 方向一致。當(dāng)定子的矢量磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。轉(zhuǎn)子也隨著該磁場(chǎng)轉(zhuǎn)一個(gè)角度。 每輸入一個(gè)電脈沖，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度前進(jìn)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(jī)就會(huì)反轉(zhuǎn)。 所以可用控制脈沖

34、數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)各相繞組的通電順序來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的 轉(zhuǎn)動(dòng)。 1、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如圖 4-3 所示。 圖 4-3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 4.2.3 鍵盤 鍵盤是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中不可缺少的輸入設(shè)備。通過(guò)鍵盤可向單片機(jī)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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的主要手 段。根據(jù)鍵盤組成形式可分為獨(dú)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(shí)掃描方式或中斷方式。 鍵盤一般是由一組機(jī)械按鍵按照一定的規(guī)律組合而成，通過(guò)按鍵的通、斷 19 作用輸入開(kāi)關(guān)電壓信號(hào)。按鍵由斷開(kāi)到閉合及由閉合到斷開(kāi)時(shí)，由于機(jī)械觸點(diǎn) 的彈性作用，按鍵的動(dòng)作不是立刻完成的，在閉合及打

35、開(kāi)的瞬間有機(jī)械抖動(dòng)的 發(fā)生，抖動(dòng)時(shí)間一般為 510ms，表現(xiàn)在輸入電壓信號(hào)上為輸入信號(hào)是抖動(dòng)的 不穩(wěn)定的電平信號(hào)，其信號(hào)波形見(jiàn)圖 4-8。 鍵 被 按 下 閉合穩(wěn)態(tài) 按下抖動(dòng) 釋放抖動(dòng) 圖 4-8 按鍵抖動(dòng)波形 按鍵閉合穩(wěn)態(tài)時(shí)間由操作人員的按鍵時(shí)間決定，一般為零點(diǎn)幾秒到幾秒之 間。 為了躲開(kāi)鍵抖動(dòng)的影響，保證在按鍵閉合穩(wěn)定狀態(tài)下讀取鍵值，需要對(duì)鍵 盤進(jìn)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(duì)鍵盤的按下抖動(dòng)及釋放抖動(dòng)進(jìn)行削抖， 經(jīng)過(guò)削抖電路后使按鍵的電平信號(hào)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(jiàn)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(dòng)問(wèn)題，但當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)所需按鍵比較多時(shí)，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(shí)可采用軟件削抖方法對(duì)鍵盤抖 動(dòng)進(jìn)行消除。 軟件削抖的基本原理是當(dāng)?shù)谝淮螜z測(cè)到有鍵按下時(shí)，根據(jù)鍵抖動(dòng)時(shí)間的統(tǒng) 計(jì)規(guī)律先采用軟件延時(shí)的方法延時(shí)一段時(shí)間（一般可取 10ms） ，然后再確認(rèn)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(shí)可讀取鍵值， 否則可視為干擾，對(duì)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(dú)立式鍵盤 圖 4-10 是通

37、過(guò) AT89C51 單片機(jī) P1 口組成的具有 8 個(gè)按鍵的獨(dú)立式鍵盤。 從圖中可看出，獨(dú)立式鍵盤的各個(gè)按鍵之間彼此是相互獨(dú)立的，每一個(gè)按鍵連 接一根 I/O 口線。獨(dú)立式鍵盤電路簡(jiǎn)單，軟件設(shè)計(jì)也比較方便，但由于每一個(gè) 按鍵均需要一根 I/O 口線，當(dāng)鍵盤按鍵數(shù)量比較多時(shí)，需要的 I/O 口線也較多， 因此獨(dú)立式鍵盤只適合于按鍵較少的應(yīng)用場(chǎng)合。 獨(dú)立式鍵盤可工作在查詢方式下，通過(guò) P1 口讀入鍵狀態(tài)，當(dāng)有鍵被按下時(shí) 相應(yīng)的 I/O 口線變?yōu)榈碗娖?，而未被按下的鍵對(duì)應(yīng)的 I/O 口線保持為高電平， 這樣通過(guò)讀 I/O 口狀態(tài)可判斷是否有鍵按下和哪一個(gè)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(diǎn)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(shí)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(dú)立式按鍵不同，一根 I/O 口線已經(jīng)不能確定哪一個(gè)鍵被按下，需要通過(guò)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(shí)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(hào)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(shí)別方法 鍵識(shí)別方法是指當(dāng)鍵被按下時(shí)如何確定是哪一個(gè)鍵被按下。常用的鍵識(shí)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(shuō)明。 掃描法 設(shè)圖 4-11 的行線 H1H4 連接到 51 單片機(jī) P1 口的 P1.0P1.3，列線 L1L4 連接到 P1 口的 P1.4P1.7 上，可通過(guò)如下程序判斷哪一個(gè)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(wú)鍵按下等待，轉(zhuǎn)鍵檢測(cè) KEY0: L

40、CALL DELAY10 ；調(diào) 10mS 延時(shí)取抖 MOV A,P1 ANL A,#0FH CJNE A,#0FH,KEY1 ；不是抖動(dòng)轉(zhuǎn)鍵值判斷 SJMP KEY ；是抖動(dòng)到鍵檢測(cè) 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(cè) 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(shí)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(wú)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(shí)，表示被按下的鍵不在本列；當(dāng)行線不全為高電平時(shí)，表示被 按下的鍵在本列，把此時(shí)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(duì)鍵的識(shí)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(shí)需要掃描 N 次（N 為行數(shù)） ，當(dāng) N 比較大時(shí)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(guò)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(guò)兩次輸出和兩次讀入可完成鍵的識(shí)別，比掃描法要簡(jiǎn)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(wú)鍵按下等待，轉(zhuǎn)鍵檢測(cè) KEY0: LCALL DELAY10 ；調(diào) 10mS 延時(shí)取抖 MOV A,P1 ANL A,#0FH MOV B,A CJNE A,#0FH,KEY1 ；不是抖動(dòng)轉(zhuǎn)鍵值判斷 SJMP KEY ；是抖動(dòng)到鍵檢測(cè) 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(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤只是系統(tǒng)的一部分，鍵的識(shí)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(duì)鍵盤進(jìn)行識(shí)

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(shí)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(shí)用戶可輸入數(shù)據(jù)和控制命令。 定時(shí)掃描是指利用單片機(jī)內(nèi)部或擴(kuò)展的定時(shí)器產(chǎn)生定時(shí)中斷，在中斷中進(jìn)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(wú)鍵按下時(shí)，CPU 處理其他工作而不必進(jìn)行鍵的掃描； 當(dāng)有鍵被按下時(shí)，通過(guò)硬件電路向 CPU 申請(qǐng)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(yáng)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(jiàn)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(shí) COM 接低電平，當(dāng)某段發(fā)光二極管的陽(yáng)極接高電平時(shí)，則該段二 極管發(fā)光顯示字符。共陽(yáng)極七段 LED 是把所有的發(fā)光二極管的陽(yáng)極接在一起形 成公共端 COM，使用時(shí) COM 端接高電平，當(dāng)某段發(fā)光二極管的陰極接低電平時(shí)， 25 則該段二極管發(fā)光進(jìn)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(kuò)小數(shù)點(diǎn)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(jìn)行排列。從表中可看出共陰極結(jié)構(gòu) 與共陽(yáng)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(yáng)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(yáng)極字型 碼 顯示字 符 共陰極字型 碼 共陽(yáng)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(wèn)題：?jiǎn)纹瑱C(jī)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(shí)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(diǎn)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(dòng)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(yáng)極） ，每一位 LED 的段選線連接到一個(gè) 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(shí)位與位之間是相互獨(dú)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(shí)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(diǎn)，但當(dāng)顯示的位數(shù)較多時(shí)，占用的 I/O 口線較多。 （2）動(dòng)態(tài)顯示方式 圖 4-3 為 N 位動(dòng)態(tài)顯示硬件連接圖。 圖 4-3 N 位動(dòng)態(tài) LED 顯示原理圖 與靜態(tài)顯示方式不同，動(dòng)態(tài)顯示方式是把段選線的對(duì)應(yīng)位連接到一起，接 到一個(gè) 8 位輸出 I/O 口線上，每一位的位選線接到一根獨(dú)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(shí)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(shí)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(shí)間輪流發(fā) 光顯示，只要顯示間隔時(shí)間比較短，利用人眼視覺(jué)暫留的特點(diǎn)可造成 N 位同時(shí) 顯示的效果。 動(dòng)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(diǎn)，但控制程序 較復(fù)雜，顯示亮度低。 3LED 顯示器與單片機(jī)接口 LED 顯示電路與單片機(jī)的接口分靜態(tài)顯示接口電路和動(dòng)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(jiǎn)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(guò)程序的方法譯成七段 LED 顯示字型碼，通過(guò) 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(guò)硬件譯碼電路再把 BCD 碼或十六進(jìn)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(guò) 8255A 并行可編程擴(kuò)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(dòng) 態(tài)顯示方式。 圖 4-4 軟件譯碼動(dòng)態(tài)顯示電路 在該硬件電路中，反相器為位驅(qū)動(dòng)器，LED 的段限流電阻未畫出。 按圖所示電路進(jìn)行連接時(shí)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?？刂瞥绦蛉缦拢?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(gè)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(shí)子程序 DJNZ R7,LOOP ；8 位未顯示完繼續(xù) 上述程序?yàn)橐淮物@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(dòng)器、BCD-7 段鎖存譯碼驅(qū)動(dòng)器、十六進(jìn)制-7 段鎖存譯

54、碼驅(qū)動(dòng)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(dòng)能力 備注 30 74LS46 、47 BCD-七段譯碼/輸出驅(qū) 動(dòng)器 段驅(qū)動(dòng) 8mA 輸出開(kāi)路 74LS48 BCD-七段譯碼/輸出驅(qū) 動(dòng)器 段驅(qū)動(dòng) 8mA 輸出需上拉電阻 74LS49 BCD-七段譯碼/輸出驅(qū) 動(dòng)器 段驅(qū)動(dòng) 8mA OC 輸出 4511 BCD-七段譯碼/輸出驅(qū) 動(dòng)器 段驅(qū)動(dòng) 8mA CMOS 器件，輸出鎖存 MC14558 BCD-七段譯碼 無(wú)驅(qū)動(dòng)能力 MC14547 BCD-七段譯碼/輸出驅(qū) 動(dòng)器 段驅(qū)動(dòng) 8mA MC14513 BCD-七段譯碼

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

56、T89C51 的時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘的產(chǎn)生方式 AT89C51 的時(shí)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(shí)鐘電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需外部施與時(shí)鐘信號(hào)，故本次設(shè)計(jì)采用內(nèi)部方式。內(nèi) 部時(shí)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(gè)定時(shí)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(duì)時(shí)鐘具有微調(diào)作用。 4.3.2 AT89C51 復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位是靠外部電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在時(shí)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(jī)就可以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，然后單

57、片機(jī)便從 0000H 單元開(kāi)始執(zhí)行程序。單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種復(fù)位 方式。為了盡可能簡(jiǎn)化電路，本次設(shè)計(jì)采用上電自動(dòng)復(fù)位方式，如圖 3-5 所示。 4.3.3 超程報(bào)警電路 為了防止工作臺(tái)超程，可分別在極限位置安裝限位開(kāi)關(guān)。對(duì)于兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng) 32 的數(shù)控系統(tǒng)，4 個(gè)方向都可能超程，即+X、X、+Y、Y。當(dāng)某一方向超程 時(shí)，應(yīng)立即使工作臺(tái)停止移動(dòng)。圖 4-4 為報(bào)警指示燈電路。為達(dá)到報(bào)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(gè)行程開(kāi)關(guān)閉合 （即工作臺(tái)在某一方向超程） ，均會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)。在電路中設(shè)置紅綠燈作為 警示指示信號(hào)。正常工作時(shí)，綠燈亮；超

58、程報(bào)警時(shí)，紅燈亮。兩燈均由一個(gè) I/O 口輸出。 圖 4-4 報(bào)警指示燈電路 4.3.4 掉電保護(hù)電路 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 RAM 最怕掉電，一但掉電，則里面存儲(chǔ)的信息就會(huì)全部丟 失。工業(yè)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)參數(shù)，如幾何尺寸，工藝參數(shù)等都是存儲(chǔ)在 RAM 中的，掉電后，數(shù)據(jù) 將會(huì)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(hù)電路。這樣，恢復(fù)供電后，系統(tǒng)又能馬上運(yùn)行。圖 4-5 所示的是一種簡(jiǎn)單 掉電保護(hù)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(chǔ)器 RAM 的電源端，正常通電時(shí)，二極管 導(dǎo)通，

59、截止，+BVc 1D2 RAM 的工作電壓由 提供，同時(shí)， 還通過(guò)電阻 R 對(duì)電池充電。斷電后，+ 截止， 導(dǎo)通，此時(shí) 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(shí)，存儲(chǔ)器就能可靠的保持信息。B 33 圖 4-5 掉電保護(hù)電路 4.3.5 光電隔離電路 在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖信號(hào)經(jīng)功率放大器后控制步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組。 由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流較大，如果功率放大器直接接輸出信 號(hào)，將導(dǎo)致強(qiáng)電干擾。輕則影響程序的正常工作，重則導(dǎo)致單片機(jī)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(lái)完成的。光耦合器是以光為媒介傳輸信號(hào)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(jì)將會(huì)使用開(kāi)關(guān)量電路，因此設(shè)計(jì)時(shí)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(hào)得到了電氣隔離，互補(bǔ)影響。 1光耦合器的選用 本案選用的是普通的信號(hào)隔離用光耦合器(TLP521-1)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式見(jiàn) 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(hào)，滿足我此次設(shè)計(jì)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(hào) 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(hào) 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(jī)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(shí)間 ONFTxS 2/3 隔離電壓 ISkV 2.5 35 第五章 基于 PROTEUS 的直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)仿真設(shè)計(jì) 5.1 Proteus 簡(jiǎn)介及仿真界面 1Proteus 軟件簡(jiǎn)介 Proteus 是英國(guó) Labcenter 公司開(kāi)發(fā)的切入式系統(tǒng)仿真軟件，組合了高級(jí)原 理圖設(shè)計(jì)工具 ISIS、混合模式 SPICE 仿真、PCB 設(shè)計(jì)以及自動(dòng)布線而形成了 一個(gè)完成的電子

63、設(shè)計(jì)系統(tǒng)。它運(yùn)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(duì) PC 機(jī)的硬件配置要求不高。該軟件具有以下主要 特別： 實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)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(jī)及其外圍電路仿真、RS232 動(dòng)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(lì)源、各種控制器、各種門電路和各種 終端等；同時(shí)，也提供了許多虛擬測(cè)試儀器，如電流表、電壓表、示波器、邏 輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器等。 支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真

64、。目前支持的單片機(jī)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(shí)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(qiáng)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(dòng)態(tài)器 件和微控制器模型，實(shí)現(xiàn)了完整的基于微控制器設(shè)計(jì)的協(xié)同仿真，真正使在物 理原型出來(lái)之前對(duì)這類設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)和測(cè)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(jiǎn)介 Keil 是美國(guó) Keil Software 公司開(kāi)發(fā)的，是目前世界上最好的 51 單片機(jī)的 匯編和 C 語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)工具。它支持匯編語(yǔ)言、C 語(yǔ)言以及混合編程，同時(shí)，它 還具有強(qiáng)大的模擬仿真功能。在進(jìn)行模擬仿真時(shí)，不需要任何真實(shí)的硬件即可 實(shí)現(xiàn)用戶程序的仿真和調(diào)試。仿真時(shí)，我們會(huì)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(jī)軟硬件調(diào)試達(dá)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(jìn)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(xì)檢查線路是否連通。 本次設(shè)計(jì)中的數(shù)控直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制即是要用單片機(jī)控制給 X、Y 軸 傳遞運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，包括兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)各自的正反轉(zhuǎn)，以及兩軸 聯(lián)動(dòng)。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(yùn)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(jī)中，點(diǎn)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(yùn)行調(diào)試圖 1兩軸電機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn) 圖 5-6 運(yùn)行調(diào)試圖 2X 軸電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) 40 圖 5-7 運(yùn)行調(diào)試圖 3Y 軸電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn) 41 設(shè)計(jì)總結(jié) 基于單片機(jī)的數(shù)控直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制設(shè)計(jì)與虛擬仿真測(cè)試到這里已接 近尾聲了，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)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(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇。選擇型號(hào)為 90BF001 的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。 3）完成整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。該控制系