基于单片机控制的XY绘图仪系统标准设计.doc
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1、摘 要本设计是基于单片机控制XY绘图仪系统设计和虚拟仿真。在系统控制电路设计上,CPU采取是AT89C51单片机。采取90BF001型4相8拍反应式步进电机作为驱动XY绘图仪伺服电机,用ULNA来驱动,并确定了XY绘图仪传动方法。单片机复位方法为上电自动复位,时钟电路为内部时钟方法。在CPU及外围电路芯片选择上,以尽可能节省I/O口、性价比较高、技术成熟和市场上通用芯片为基准,所以控制系统电路结构简单,性能更优越。程序编写完成后,在Keil软件进行编译和调试,并在Proteus环境中实现程序及电路仿真。关键字:XY平面绘图仪 单片机 微控制器 Proteus 仿真ABSTRACTThis is
2、 a design of microcomputer-based CNC XY platform motion control system and its virtual simulation.In the control circuit design, used an AT89C51 microcontroller for CPU. Using the four phase eight reactive stepping motor 90BF001 as servo motor drives the XY platform, and they were driven by ULNA, an
3、d we also determined the transmission ways the XY platform. Chip power-on reset mode is automatically reset, clock circuit for the internal clock mode. On the choose of CPU and the peripheral circuit chip, following next principles : save the I/O mouth as possible , high performance with low cost, m
4、ature technology and general chip on the market. So the structure of the control system circuit is simple, and its performance is superior.After the completion of the program written, programs were compiled and debugged in Keil, and to achieve the simulation of program and circuit in Proteus environ
5、ment.Key words: XY platform Chip-Single Microcomputer Microcontroller Proteus simulation目 录第一章 绪论11.1 课题设计研究背景11.2 研究内容11.3 毕业设计目标、意义2第二章 平面绘图仪控制系统总体方案32.1 平面绘图仪控制系统控制方法32.2 伺服系统及电机选择32.3 微机控制系统选择42.4 X-Y平面绘图仪传动方法5第三章 MCS-51单片机工作原理63.1 单片机内部组成及引脚功效63.1.1 单片机内部结构63.1.2 AT89C51单片机关键特征:63.1.3 AT89C51单片
6、机引脚功效73.2 单片机时钟电路93.3 单片机工作方法11第四章 单片机系统设计134.1 硬件配置和接口分配134.1.1存贮器空间分配134.1.2 I/O口地址分配134.2 硬件电路设计134.2.1 主控制器CPU选择144.2.1 步进电机驱动电路设计154.3 其它辅助电路设计164.3.1 AT89C51时钟电路单片机时钟产生方法164.3.2 AT89C51复位电路164.3.3 超程报警电路164.3.4 掉电保护电路174.3.5 光电隔离电路18第五章 基于PROTEUSXY平面绘图仪运动仿真设计205.1 Proteus介绍及仿真界面205.2 Keil介绍215
7、.3 Keil中程序调试225.4 Proteus仿真系统硬件原理图235.5 运行调试23设计总结26致 谢27参考文件28附 录29附录A 步进电机驱动平面绘图仪控制XY轴仿真原理图29附录B C语言程序设计30第一章 绪论1.1 课题设计研究背景中国技术现实状况:进入二十一世纪以来,伴随计算机技术飞速发展,推进绘图仪控制技术愈加快更新换代。世界上很多绘图仪系统厂家利用PC机丰富软硬件资源开发开放式体系结构新一代控制系统。开放式体系结构使绘图仪控制系统有愈加好通用性、柔性、适应性、扩展性,并向智能化、网络化方向大大发展。开放式体系结构能够大量采取通用微机优异技术,如多媒体技术,实现声控自动
8、编程等。绘图仪控制系统继续向高集成度方向发展,每个芯片上能够集成更多个晶体管,使系统体积更小化,愈加小型化、微型化。可靠性大大提升。利用多CPU优势,实现故障自动排除;增强通信功效,提升进线、联网能力。现在较为优异、金典之作为XY机械套件Makeblock平面绘图仪体系,它是一款能够实现平面坐标系正确定位机器人套装,绘图定位精度能够达成0.1mm。精细而坚固机械结构,高性能电子模块,为她稳定性和正确度墓定了基础。XY基础包将会发展成为高精度智能化桌面绘图仪,能够经过它绘制出出色图片,设计等。绘图仪经过PC端上位机Gremote控制,PC+运动控制板:把运动控制板插入PC机标准插槽中作实时控制用
9、,而PC机关键作非实时控制中国发展趋势:一、XY绘图仪发展趋势1、智能化2、网络化3、集成化4、微机电控制系统5、数字化二、中国XY绘图仪产业发展思索1、重视系统配套2、重视产品可靠性3、提倡创新,加强服务国际技术现实状况:XY绘图仪从国际来看,德国、美国、日本等多个国家基础掌握了高级XY绘图仪平面绘图仪控制系统。国外关键XY绘图仪平面绘图仪控制制造商有西门子、发那克、三菱电机、海德汉、博世力士乐、日本大薇等。1、纳米插补和数制技术已走向实用阶段2、机器人广泛应用3、智能化绘图不停扩展4、CAD/CAM技术应用国际发展趋势:1、新一代绘图仪向PC化和开放式体系结构方向发展2、驱动装置向交流、数
10、字化方向发展3、增强通信功效,向网络化发展4、绘图仪平面绘图仪控制系统在控制性能上向智能化发展1.2 研究内容 一、 总体设计:首先根据老师对课设要求及所设计单片机控制绘图仪工作原理、应用场所、控制对象等确定合理设计方案,仔细划分软件部分和硬件部分各自应完成功效,从而确定设计思绪。二、 硬件设计:因为现在市场上多种芯片种类繁多,而且不停在推陈出新,所以必需根据系统要求,依据“性价比最高”标准,选择既适合于本系统,又运行可靠芯片和元器件,从而设计出最合理硬件电路。所需硬件:X/Y坐标尺、X/Y带传动链(X/Y传动丝杠)、步进电动机My/Mx、绘图笔、继电器、控制传动线路、计算机(单片机),微型计
11、算机接口等。(一) 步进电动机选择(二) 驱动器接线方法(三) X/Y传动方法选择(四) 控制器芯片选择(五) 硬件电路设计(六) 单片机确实定(AT89C51)三、 软件设计:利用汇编语言编程,和经过指令来确定步进电动机运动规律、次序。采取逐点比较法来“一步一步运算”进行直线插补、圆弧插补。四、 系统调试及运行:在单片机开发装置上,用调试软件对程序进行调试,查错和修改,然后把调好次序联成一个完整系统程序,再进行联机调试,在线仿真,最终组装样机,脱机运行,经过试运行对系统进行检测,以验证系统功效。 设计要求完成整个控制系统硬件设计和完成整个控制系统人机接口软件设计,经过Keil编译和调试程序,
12、并最终在Proteus软件中仿真。1.3 毕业设计目标、意义毕业设计是培养学生设计能力关键实践性教学步骤之一,是综合利用所学过机械、电子、自动控制、计算机等知识进行基础设计训练。其目标是: 能够正确利用大学期间所学课程基础理论和相关知识,掌握机电一体化系统(产品)功效组成、特点和设计思想、设计方法,了解设计方案确实定、比较、分析和计算,培养学生分析问题和处理问题能力,使学生含有机电一体化系统设计初步能力; 经过机械部分设计,掌握机电一体化系统经典机械零部件和实施元件计算、选型和结构设计方法和步骤; 经过测试及控制系统方案设计,掌握机电一体化系统控制系统硬件组成、工作原理,和软件编程思想;经过毕
13、业设计提升学生应用手册、标准及编写技术说明书能力,促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方而综合素质提升。第二章 平面绘图仪控制系统总体方案 此次设计中,平面绘图仪控制系统总体设计内容包含:平面绘图仪控制系统控制方法确实定,伺服系统选择,微机控制系统选择。2.1 平面绘图仪控制系统控制方法本平面绘图仪控制系统要求X-Y平面绘图仪沿两个坐标轴(X,Y)方向同时含有连续正确运动,两坐标直线插补和圆弧插补基础功效,能够完成平面轮廓加工,所以采取连续控制方法。该方法可对两个或两个以上坐标轴同时进行严格连续控制系统。它不仅能控制移动部件从某一点正确地移动到另一点,而且还能控制整个加工过程中每一点速度和
14、位移量,进而将零件加工成一定轮廓形状。2.2 伺服系统及电机选择1伺服系统选择此次设计选择开环伺服系统。在开环控制系统中,无反馈部件,不存在由输出端到输入端反馈通路,无法反馈信息,故而不能立即纠正系统传动误差。不过,同闭环控制系统相比,开环控制系统结构要简单得多,调整维修方便,同时也比较经济。在速度和精度要求全部不太高,而又要求降低成本场所得到广泛应用。2步进电机选择考虑到经济性,也不需太高运动精度,为简化结构,降低成本,采取步进电机作为开环伺服系统驱动装置。步进电机是由脉冲控制特种电动机。在非超载情况下,电机转速、停止位置只取决于脉冲信号频率和脉冲数,而不受负载改变影响,对应于每一个脉冲,电
15、动机将产生一个恒定量步进运动,即产生一个恒定量角位移或线位移。步进电机运动步数由脉冲数来决定,运动方向由脉冲相序来决定,在一定时间内转过角度或平移距离由脉冲数决定,借助步进电机能够实现数字信号变换。步进电机控制系统原理框图图2-1所表示。电 源脉冲发生器脉冲分配功率电路步进电动机工作机构图2-1 步进电动机系统简图依据控制需要,此次设计选择两个90BF001型4相8拍反应式步进电机。步进电机相关参数如表2-1:表2-1 90BF001型反应式步进电机参数型号关键技术参数相数步距角/( )电压/V最大静转矩/(Nm)空载开启频率/(步/s)空载运行频率/(步/s)分配方法90BF00140.98
16、03.9280004相八拍电感/(mH)外形尺寸(轴径)/mm质量/kg转子转动惯量/(10-5 kgm2)17.44.517.64步进电机原理图图2-2所表示:图2-2 步进电动机原理图2.3 微机控制系统选择(1)对于步进电动机开环控制系统,选择8位单片机AT89C51作为控制系统控制器。该单片机含有集成度高,可靠性好,功效强大,处理速度快,可扩展性强,性价比较高等优点,能够很好满足任务书给定相关控制要求。(2)要设计一个完整控制系统,在选择CPU以后,还要设计步进电机机驱动电路,经过运行程序,单片机和驱动电路一起工作,进而分别驱动XY轴步进电机正反转。(3)合理设计电源及开关电路,和步进
17、电动机配套使用。2.4 X-Y平面绘图仪传动方法 为了确保X-Y平面绘图仪含有一定传动精度和平稳性,并考虑总体结构紧凑性要求,采取滚珠丝杠螺母作为传动副。因为平面绘图仪运动部件重量和工作载荷不大,故选择滚动直线导轨副,从而减小平面绘图仪摩擦系数,提升其运动可靠性和平稳性。 因为步进电机步距角和滚珠丝杠导程是按标准选择,为达成传动要求,并综合考虑步进电机负载匹配,决定采取齿轮减速传动。平面绘图仪控制系统总体框图图2-3所表示:图2-3 平面绘图仪控制系统总体框图第三章 MCS-51单片机工作原理3.1 单片机内部组成及引脚功效3.1.1 单片机内部结构MCS-51单片机组成: CPU(进行运算、
18、控制)、RAM(数据存放器)、ROM(程序存放器)、I/O口(串口、并口)、内部总线 和中止系统等。组成框图以下:图3-1 MSC-51单片机结构框图3.1.2 AT89C51单片机关键特征:和MCS-51 兼容4K字节可编程闪烁存放器全静态工作:0Hz-24Hz寿命:1000次擦/写循环数据保留时间可达1288位内部RAM32可编程I/O线三级程序存放器锁定可编程串行通道两个16位计数器/定时器闲置和掉电模式低功耗5个中止源3.1.3 AT89C51单片机引脚功效此次选择AT89C51单片机采取40引脚双列直插式封装(DIP)形式。引脚排列及逻辑符号图3-2所表示,其中Vcc和Vss引脚因为
19、分别默认接电源和地而被隐藏。下面分别说明这些引脚意义和功效。图3-2 AT89C51单片机引脚图1电源线VCC:接+5V电源。VSS:接电源地。2端口线 P0P3口:48=32条。(1) P0口( P0.0P0.7 )P0口是一个8位双向I/O口,它每跟管脚全部可吸收8TTL门电流。当P1口首次写1时候,P0口将被定义为高阻态输入。P0可用于外部程序数据存放器,此时它作为数据/地址第八位。当FIASH进行编程时,P0 口将作为原码输入口;FIASH校验时,P0口作为原码输出口,此时P0口必需拉高外部。(2)P1口(P1.0P1.7)P1口是一个由单片机内部提供上拉电阻8位双向I/O口,P1口缓
20、冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是因为内部上拉缘故。在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。(3)P2口(P2.0P2.7)P2口为一个内部上拉电阻8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。并所以作为输入时,P2口管脚被外部拉低,将输出电流。这是因为内部上拉缘故。P2口当用于外部程序存放器或16位地址外部数据存放器进行存取时,P2口输出地址高八位。在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存放器进行读
21、写时,P2口输出其特殊功效寄存器内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 (4)P3口( P3.0P3.7 )P3口管脚是8个带内部上拉电阻双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。作为输入,因为外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是因为上拉缘故。P3口也可作为AT89C51部分特殊功效口使用,各位作用以下表3-1所表示所表示:表3-1 P3各口线第二功效表端口第二功效信号名称P3.0RXD串行数据接收口P3.1TXD串行数据发送口P3.2外部中止0请求输入P3.3外部中止1请求输入P3.4T0定时器
22、/计数器0外部输入口P3.5T1定时器/计数器1外部输入口P3.6外部RAM写选通信号P3.7外部RAM读选通信号3控制信号引脚RST:复位输入引脚。当器件被振荡器复位时,必需保持RST引脚有两个机器周期时间高电平。ALE/PROG:当单片机访问外部存放器时,地址锁存所许可输出电平将用来锁存地址地位字节。在FLASH进行编程时,编程脉冲由此引脚输入。通常情况下,ALE引脚端以恒定频率周期来输出正向脉冲信号,此时振荡频率是振荡器振荡频率1/6。所以,它可作为向外部输出脉冲或用来定时引脚。然而要注意是:每当用作外部数据存放器时,将跳过一个ALE脉冲。如想严禁ALE输出可在SFR8EH地址上置0。此
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