1、毕业设计任务书学生姓名: 崔永远 专业班级: 机电011设计题目: 两轴步进电机X、Y工作台的单片机控制系统设计 设计内容和要求:一.主要设计内容 开发基于MCS-51内核的单片机系统，通过选用AT89S52芯片、MAX7219显示驱动芯片、步进电机的功率驱动芯片ULN2803以及其他的执行元件，完成两轴步进电机的单片机控制系统的软硬件设计，最终完成单片机控制的简易数控X、Y工作台设计。熟悉并掌握51系列单片机的硬件结构、指令系统、定时器/计数器、串行口、中断系统等，并学会51单片机存储器扩展、I/0扩展、键盘显示器接口设计、C语言程序编制、系统调试和测试等环节的较为完整的电子产品开发过程。
2、本设计中主要是通过单片机系统合适的软硬件结合，控制步进电机的运行状态，实现对步进电机的速度及位置的精确控制，通过软件实现数控系统的直线插补及圆弧插补功能。 二.设计基本要求1. 掌握Protel软件的使用方法。2. 掌握KeilC51编程方法。3. 完成学校相关文件要求的毕业设计任务(论文、图纸等)。进度计划: 1. 熟悉题目，初步完成总体设计，元器件选择，原理图绘制。（46周） 2. PCB图绘制、制版、元器件焊接和硬件调试。（78周） 3 软件设计（911周） 4. 调试，修改，整理文档，编写说明书。（1214周） 指导教师：张书涛 教研室(研究所)主任：彭晓南两轴步进电机X、Y工作台的单
3、片机控制系统设计摘 要鉴于单片机具有优异的性能价格比、较高的集成度和较小的体积以及很强的控制功能和低电压、低功耗等优点，用它作为控制核心的产品越来越多，广泛应用于机电控制、智能仪器仪表以及人类生活中。本文将介绍基于单片机的两轴步进电机控制系统的硬件结构、方案设计以及性能分析等方面的内容。两轴步进电机的单片机控制系统主要应用于数控工作台的控制、机器人以及其它的遥控装置中。由单片机控制驱动步进电机带动执行元件工作。通过单片机发出实时控制脉冲，从而实现一些要求的功能。本文将介绍系统如何实现数控系统中的直线插补、圆弧插补、按键控制、参数显示等功能。在本设计中使用了具有大容量存储器的AT89S52单片机
4、，另外它的内部还含有FLASH存储器和紫外光擦写只读存储器EPROM，因此在系统的工作过程中，能有效地保护部分重要数据，不受外界因素影响而遭到破坏（如电源故障等），还具有多次可擦写存储器内容的功能；其次，还使用了MAX7219显示驱动芯片、UIL2803功率驱动芯片、采用33矩阵式键盘、7段双八字数码显示管以及四相步进电机等元器件，它们构成了整个控制系统。 关键词 单片机，机电控制，直线插补,圆弧插补,控制系统目 录 前言1第一章 单片机控制系统总体设计 31 单片机的最小系统31.1 存储结构31.2 中断系统41.3 定时/计数器工作方式61.4 I/O口的结构及功能 72 控制系统总体设
5、计方案 82.1 控制系统的功能设计 92.2 控制系统的器件选择92.3 控制系统的电路原理图12第二章 单片机控制系统的软硬件设计 141 键盘接口设计 141.1 按键结构选择141.2 按键工作方式151.3 键盘消抖动处理 152 运行参数显示172.1 LED驱动接口电路设计172.2 LED结构与显示原理193 步进电机控制系统设计213.1 步进电机控制原理 213.2 步进电机的功率驱动 223.3 步进电机的升降速控制 234 数控插补原理 244.1 插补方法 244.2 直线插补原理及程序流程图 254.3 圆弧插补原理及程序流程图 265 分析系统各功能能否实现286
6、 控制系统主程序流程图307 ISP下载线原理与制作31结论33参考文献33致谢34附录35前 言随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多种I/O接口集成在一块芯片上，形成了芯片级的计算机，而单片机就是这种微型计算机。它的早期含义称为单片微型计算机（Single Chip Microcontroller）,直译为单片机。目前有人根据单片机的结构和微电子设计特点将单片机称为嵌入式微处理器（Enbedded Microprocessor）或嵌入式微控制器（Enbedded Microcontroller）.现在称为单片机（Microcontroller
7、）.其实，一块单片机就是一台计算机，它可以用一个表达式来表示：单片机=CPU+ROM+I/O+功能部件 由于单片机的这种特殊的结构形式，在有些应用领域中，承担了大中型计算机和通用的微型计算机所无法完成的一些工作，使其具有很多显著的优点和特点。它具有优异的性能价格比，单片机的这种高性能，低价格是它最显著的一个特点。单片机尽可能把应用所需要的存储器，各种功能的I/O口都集成在一块芯片内，有的单片机为了提高速度和执行效率，开始采用了RISC流水线和DSP的设计技术，使单片机的性能明显优于同类型微型处理器，有的单片机内部ROM可达64KB，片内RAM可达2KB，单片机的寻址已突破64KB的限制，8位和
8、16位单片机寻址可达1MB和16MB；其次是它的集成度高、体积小、可靠性高。单片机是将各种功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，从而减少了各芯片的之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力；另外还有它的控制功能强，具有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能；还有它的低电压、低功耗，许多单片机可在2.2V电压下运行，功耗至微安级，一粒纽扣电池就可以长期使用。随着电子技术及控制技术的不断发展，单片机的的各种性能也逐渐得到提高，从单片机的结构功能上看，单片机的发展趋势将向着大容量高性能化、小容量低价格化和外围电路内装化等几个方面发展。它的片内存储器容量将进一步扩大。以往单片机
9、的ROM为1KB-4KB，RAM为64KB-128KB，这在某些复杂的控制场合，存储器的容量不够，不得不进行外部容量扩充。目前单片机内部的ROM可达4KB-8KB，RAM可达256KB，有的片内ROM可达12KB，RAM可达1MB，寻址可达16MB。今后，在处理性能上，CPU的性能将会得到进一步改善，指令运算速度会大大加快，系统控制的可靠性也会大大提高；随着集成度的不断提高，将会把众多的各种外围功能器件集成在片内；为减少外围驱动芯片，进一步增加单片机并行口的驱动能力，未来的单片机将可以直接输出大电流和高电压，以便直接驱动显示器。为进一步加快I/O口的传输速度，开始出现了高速I/O口，它能够以最
10、快的速度捕捉外部数据的变化，同时以最快的速度向片外输出数据，以适合数据改变的场合。随着集成工艺的不断发展，单片机一方面向集成度更高、体积更小、功能更强、功耗更低的方向发展；另一方面向32位以上及双CPU方向发展。由于单片机具有很多的优点，因此其应用领域无其不至。它在智能仪器仪表、机电控制、实时控制以及人们的日常生活中，都有着广泛的应用。在单片机的机电一体化应用中,机电的结合出现了机电一体化产品.机电一体化是机械工业发展的重要方向,机电一体化产品是指集机械技术,微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品。微机控制的数控机床是典型的机电产品，在这一系统中，单片机与电动机结合
11、，尤其是与步进电机结合起来，进行精确的速度及位置控制。步进电机可以直接接受数字信号，而无需模/数转换，这样可以大大简化控制系统的复杂程度。对X、Y工作台的控制使用步进电机的单片机控制系统，使用开环控制，在保证加工精度的同时，它大大降低了系统的成本，在经济型数控系统中有着巨大的应用前景。步进电机作为执行元件，是机电一体化控制中的关键设备之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。它是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的
12、旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。总之，随着我国制造业水平的不断提高和电子计算机技术的不断发展，在经济飞速发展的需求下，单片机的应用领域不断扩展，应用水平逐步提高。相信在不远的将来，必将打破国外垄断，实现其核心技术国产化。第一章 单片机控制系统总体设计1.单片机的最小系统 单片机由CPU、存储器（包括RAM和ROM）、I/O接口、定时器/计数器、中断控制等元
13、器件集成在一块芯片上，片内各功能部件通过内部总线相互连接起来，如图1.1所示为单片机的典型结构框图。 ROMRAM定时/计数器并行接口串行接口中断系统CPUSFR特殊功能寄存器 图1-1 AT89系列单片机基本结构1.1 存储结构AT89系列存储器结构与AT89C系列相同,程序存储器和数据存储器分开,各自有专用的地址空间、选通信号。片内配置8KB的系统内可编程（ISP）Flash,256B的RAM，还可外部扩展，程序存储器可扩展至64KB，数据存储器可单独扩展64KB（包括外部扩展的功能部件地址在内）。AT89S52的存储器结构分成独立的两部分。程序存储器部分，当/EA引脚接高电平（/EA=1
14、）时，存储器地址从片内程序存储器0000H开始，当外部扩展有程序存储器时，程序在执行过程中自动平滑转向外部继续执行；当/EA接低电平（/EA=0）时，程序存储器全部在外部，由/PSEN进行读选通。AT89S52内部设置8KB的FLASH，如不够用还可外部扩展。AT89S52片内RAM共256B，高128B（80H-FFH）既是128B的RAM，又是特殊功能寄存器（SFR区），两者地址重叠，但物理层分开。通过规定的寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR区）。外部还可单独扩展64KB的地址空间，包括外部扩展的需寻址的功能部件。用/RD/WR进行读写选通，用16位DPTR数据指针指示访问地址。 1.2中
15、断系统 AT89S52的中断系统共有8个中断源，6个中断矢量，两级中断优先级，可由软件设定，可实现两级嵌套，可通过软件来屏蔽或响应各对应的中断请求。 对于AT89S52的中断源，图1-2展示了其功能。图的左边为8个中断源，右边为转向对应的6个中断矢量。其中外部中断（/INT0、/INT1）有两种触发中断的方式，即低电平触发或者跳变触发。串行通信有接收中断和发送中断源，经过一个或门，公用同一个中断矢量。定时/计数2有计数回0溢出和捕获两种中断触发，经或门公用一个中断矢量。 中断处理过程可分为三个阶段，即：中断响应、中断处理和中断返回。中断响应是在满足CPU的中断响应条件之后，CPU对中断源中断请
16、求的回答。在这个阶段，CPU要完成中断服务程序以前的所有准备工作，这些准备工作是：保护断点和把程序转向IE0IE1=1=1图1-2中断源示意图中断服务程序的入口地址。如果中断响应条件满足,且不存在中断阻断的情况下,则CPU响应中断。此时，中断系统通过硬件生成长调用指令（LCALL），此指令将自动把地址压入堆栈保护起来，然后将对应的中断入口装入程序计数器PC，使程序转向该中断入口地址，执行中断服务程序。中断服务程序从入口地址开始执行，直到遇到指令“RETI”为止，这个过程称为中断处理，此过程包括两部分内容，一是保护现场，二是处理中断源的请求。因为一般主程序和中断服务程序都可能会用到累加器、PSW
17、寄存器及其他一些寄存器。CPU在进入中断服务程序后，用到上述寄存器时，就会破坏它原来存在寄存器中的内容，一旦中断返回，将会造成主程序混乱，因而在进入中断服务程序后，一般要先保护现场，然后再执行中断服务程序，在返回主程序以前，再恢复现场。中断返回是指中断处理完成后，计算机返回到原来断开的位置（即断点），继续执行原来的程序。中断返回由专门的中断返回指令RETI来实现，该指令功能是把断点地址取出，送回到程序计数器PC中。另外它还通知中断系统已完成中断处理，将清除优先级状态触发器。综上所述，可以把中断处理过程用以下框图进行概括。中断入口地址送入PC转向中断服务程序断服务关中断恢复现场开中断中断返回断点
18、地址由堆栈弹入PC开中断保护现场关中断中断源发中断申请中断响应条件件满足？中断受阻？把PC断点地址压入堆栈图1-3 中断处理过程流程图 1.3 定时/计数器工作方式 AT89S52片内集成了3个16位的定时/计数器，和CPU组成了一个整体。定时/计数器0和1，定时/计数器2集定时、计数和捕获三种功能于一体，功能更强。 组成定时/计数器的核心是一个16位的加1计数器。这个16位计数器是由两个8位的计数器（THx、THy）组成。提供给计数器实现加1计数的信号有两个来源：一个是由外部提供的计数脉冲通过引脚Tx端口送加1计数器；另一个则由单片机内部的时钟脉冲经12分频后送加1计数器。因此既可用于定时方
19、式，有可用于对外部事件计数方式，对于定时/计数器2还具有“捕获”方式。工作方式是通过软件对特殊功能寄存器TMOD和T2CON的设置位进行选择。 当定时器/计数器设定为定时方式时，其计数脉冲来源于时钟震荡器的12分频。每个机器周期使定时计数器加1，所以定时器实际上是计算机机器周期的计数器，由于每个机器周期是振荡器振荡周期的12分频，所以是定时计数的1/12。一旦振荡频率选定，则机器周期亦确定。所谓定时，即设定计数时间，计满设定时间立即停止计数，并立即向主机发出设定时间到信号，请求主机处理。实现了定时功能。其结构框图如下图所示：图1-4 定时器/计数器结构框图在实际使用时，使用定时器/计数器时，应
20、按下列步骤进行编程： 设定定时器/计数器的工作方式（TMOD）； 给计数器设定所需的初值（TH0、TL0、TH1、TL1、TH2、TL2）； 启动计数器开始计数（TCON）；开放定时器/计数器中断（如果需要的话）；1.4 I/O口的结构及功能 AT89S52单片机有4个I/O端口，共32根I/O线，4个端口都是双向口。每个口都包含一个锁存器，即专用寄存器P0P3，一个输出驱动器和输入缓冲器。在访问片外扩展器时，低8位地址和数据有P0口分时传送，高8位地址由P2口传送。在无片外扩展的系统中，这4个口的每一位均可作为双向的I/O端口使用。P0口为三态双向口，P0口即可作为输入输出口，也可作为扩展系
21、统的地址/数据的复用总路线，数据输入时，控制信号和锁存器的/Q端的信号均为低电平，一对场效应管都截止，数据信号则直接从引线通过三态缓冲器进入内部总线。由于P0口的输出是漏极开路的开漏电路，因此在使用此口时，需外接上拉电阻才会有高电平输出；P1口也是一个准双向口，当P1口输出高电平时，能向外部提供电流负载，因此不必再接上拉电阻。在AT89S52中，P1.0和P1.1是多功能位,除了作为一般双向口外, P1.0还可以作为定时器/计数器2的外部输入端,用T2表示, P1.1还可作为定时器/计数器2的外部控制输入,用T2EX表示. P2口比P1口多了一个输出转换多路控制部分。当多路开关MUX倒向锁存器
22、输出Q端时，构成了一个准双向I/O口，此时P2作通用I/O口用，当系统扩展大于256K64K的外部存储器时，在CPU的控制下，转换开关MUX倒向内部地址线一端，此时P2口可用于输出高8位地址。P3口比P1口多了一个第二功能的控制部分的逻辑电路，P3口是一个多功能的端口。当第二功能保持高电平时，打开与非门，锁存器输出可以通过与非门送FET管输出到引脚端；输入时引脚数据通过三态缓冲器在读引脚选通控制下进入内部总路线。综上所述，P0口的输出级与P1P3口输出级在结构上是不相同的，因此它们的负载能力和接口要求也各不相同。P0口的每一位输出级可驱动8个LSTTL负载，既可作通用I/O口使用，又可作地址/
23、数据线使用。P1P3口的输出级均接有内部上拉电阻，它们的每一位输出可以驱动3个LSTTL负载，它们都是准双向口，作输入时，必须先向相应端口的锁存器写入“1”，使驱动管FET截止。P0口输入时呈高阻态，而P1P3口内部有上拉电阻，当系统复位时，P1P3端口锁存器全为“1”。2 控制系统总体设计方案本设计中的单片机硬件控制系统是两轴数控工作台的硬件体现，它真实的反映了简易数控系统的基本装置，该装置结构简单实用、成本低廉。2.1 控制系统实现的功能两轴步进电机的单片机控制系统的硬件部分由单片机的最小系统、功率驱动器、执行装置步进电机、显示驱动器、数码显示管、键盘等功能模块组成，其基本框架如图1-5所
24、示。该系统主要实现的功能有以下部分： 通过单片机的最小系统实现适时的中断服务、定时延时功能，控制脉冲的输入/输出； 通过软件对键盘进行处理及扫描，定义按键各功能，实现对步进电机速度、位置等运行状态的有效控制； 使用数码管驱动器、数码显示管实现步进电机速度、坐标等运行参数的显示； 使用两个功率驱动器对从I/O口输出的功率进行放大，结合软件实现对X、Y两个坐标方向的直线插补、圆弧插补的控制。AT89S52ULNULN2803X步进电 机Y步进电 机矩阵式 33键 盘MAX7219 七段数码显示管图1-5硬件基本结构框图2.2 控制系统的方案选择 该控制系统主要用到单片机芯片一个、步进电机的功率驱动
25、芯片两个、显示驱动芯片一个、八位数码管四个、功能按键九个，电源稳定器一个，其它还包括一些电阻电容及二极管若干。 该系统所选用的CPU芯片为AT89S52，AT89S系列是新推出的高档型系列，而AT89S52是本系列的增强型，该型的存储器容量扩大了一倍，RAM达到256KB，增加了2个中断源，16位定时/计数器，增加了一个功能极强的定时/计数器2。它是一种低功耗、高性能且系统内带有8KB可编程Flash存储器的8位CMOS微处理器，是一种高灵活性、花费有限资源就可产生许多嵌入式控制应用系统的高性能微处理器。AT89S52单片机的核心部件是一个字长为8位的高性能中央处理器（CPU），它是计算机中的
26、运算器和控制器组合在一起的总称，是AT89S52单片机的指挥中心。它的作用是读取和分析指令，并根据指令的功能要求指挥和控制单片机的有关部件具体地、有步骤地执行指定的操作，完成指令所要求的处理功能。ULN2803显示驱动芯片为高电压大电流八达林顿晶体管，具有集电极开路输出和具有瞬变抑制的续流箱位二极管，与标准TTL系列兼容。其最大额定值见表1-1，电路原理图见图1-6表1-1 ULN2803最大额定值图1-6 ULN2803电路原理图本设计中，显示驱动芯片选用了MAX7219，串行显示驱动器MAX7219是美国MAXIM公司生产的串行口8位LED数码驱动器，每片MAX7219最多可同时驱动8个L
27、ED数码管、条形图显示器或64只发光管。主要有以下特点： 采用三线串行传送数据，仅用3个引脚与微处理器相应端相连即可，串行数据传送速率高达10MHZ，还可以级连使用； 内部具有8字节显示静态RAM（数字寄存器）和6个控制寄存器，可单独寻址和更新内容； 有译码和不译吗两种显示模式； 上电时，所有LED熄灭，正常工作时通过外接电阻或编程方式调节LED亮度； 最大功耗为0.87W，具有150微安电流的低功耗关闭模式； 和LED数码管直接连接时不用外加驱动器和限流电阻，不用译码器、锁存器和其他硬件电路。MAX7219还可以级连使用，驱动更多的LED数码管，且不必外占用单片机口线。 MAX7219与AT
28、89S52的连接采用三线串行数据，其工作时序1-7，DIN是串行数据输入端，在CLK时钟作用下，串行数据依次从DIN端输入到内部16位移位寄存器。CLK的每个上升沿均有一位数据由DIN移入到内部移位寄存器。LOAD用来锁存数据，在LOAD的上升沿，移位寄存器中的16位数据被锁存到MAX7219内部的控制或数据寄存器中。LOAD的上升沿必须在第16个CLK时钟上升沿同时或之后，且在下一个CLK时钟上升沿之前产生。否则，数据将会丢失。LOAD引脚由低电平变为高电平时，串行数据在LOAD上升沿作用下方可锁存到MAX7219的寄存器。传送数据每16位一组，从高位地址字节的最高位D15开始发送，直到低位
29、字节最后一位D0为止。 与AT89S52的连接如图1-8所示。而为了节省I/O端口资源，且本设计中按键较多，因此选用33矩阵式键盘，接法如图2-1所示图1-7 MAX7219的三线串行数据 图1-8 MAX7219与AT89S52的连接电路2.3 控制系统的电路原理图两轴步进电机的单片机控制系统的电路原理图如图1-9所示 图1-9 单片机控制系统电路原理图第二章 单片机控制系统软硬件设计 步进电机的单片机控制系统是硬件和软件两个子系统结合起来的完整的系统，每一个功能模块进行协调控制。同时，根据需要实现的功能，选择了合适的功能元件及控制方式。1 键盘接口设计 1.1 键盘结构选择 键盘按结构分为
30、独立式和矩阵式，独立式键盘由I/O口线组成的单键电路，每个独立式按键单独占有一跟I/O口线，每跟I/O口线上的按键工作状态不会影响其它I/O口线的工作状态，这种按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口线的浪费较大，因此适用于只需要少量按键的场合；矩阵式键盘适用于按键较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行列的交叉点上，行线、列线分别连接到按键开关的两端。根据本系统的要求，选择33矩阵式键盘，共使用了AT89S52的P3.0P3.5六根I/O口线，P3.0P3.2作为行输入线, P3.3P3.5作为列输入线，通过软件实现对按键的扫描及对按键的
31、处理。图2-1为矩阵式33键盘接口电路图图2-1 矩阵式33键盘接口电路图1.2 按键的工作方式上图中矩阵式键盘的行线为P3.0P3.2，列线为P3.3P3.5，用列线作为扫描输出线，行线为检测按键输入线，即首先让列线全输出0，若读得P3.0P3.2 有0电平，则必有键按下。接下来使P3.3为0,其它列线全输出1,读入P3.0P3.2,若有0电平,则本列必有按键,判断0电平引脚就可判断出按键的行,这样就找到了按键的行、列位置。若此列无按键按下，再另P3.4=0，其它列线为1，扫描第二列，依此类推。然后。根据按键的行列号来计算键值，并按设定好的功能进行键值处理。键盘的工作方式一般有编程扫描方式和
32、中断扫描方式两种。编程扫描方式是利用CPU在完成其它工作的空余，调用键盘扫描子程序来响应键输入要求，在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求；采用编程扫描工作方式，能及时响应键入的命令和数据，但是这种方式不管键盘上有无键按下，CPU总要定时扫描键盘，而应用系统在工作时，并不经常需要键输入，因此CPU经常处于空扫描状态。为了进一步的提高CPU的工作效率，可采用中断扫描工作方式。即当键盘上有键闭合时产生中断请求，CPU响应中断请求后，转去执行中断服务程序，在中断服务程序中，判别键盘上闭合键的键号，并作相应的处理。该系统中采用编程扫描方式，这样可以简化硬件电路，降低成本，增强实用性。其程序流程图
33、如图2-2所示1.3 键盘的消抖动处理通常的按键开关为机械弹性开关，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时并不会马上稳定地闭合，在断开时也不会马上断开，因而机械开关在闭合及断开瞬间均伴随有一连串的抖动，如图2-3所示。抖动的时间长短由按键开关的机械特性及按键的人为因素决定，一般为520ms。如果对按键抖动处理不当，会引起一次按键被误处理多次。为了确保CPU对键的一次闭合仅作一次处理，则必须消除键抖动，在键闭合稳定时取键状态，一般是判别到键释放稳定后再作处理。消除键抖动可用硬件和软件两种方法。硬件方法常用RS触发器、施密特门电路等；软件方法是当检测出键闭合后执行一个延时程序（产生520ms
34、的延时），待前沿抖动消失后再次检验键的状态，如果键仍保持闭合状态则可确认为有键按下。当检测到按键释放并执行延时程序，待后延抖动消失后才转入该按键的处理程序。开始有键闭合吗？消抖扫描找到闭合？键？了吗？计算键位闭合键释放了？吗？执行键操作返回调用显示子程序图2-2 矩阵式键盘扫描流程图图2-3 按键时的抖动1.4 按键功能定义该系统中采用了33矩阵式键盘，共9个按键，如图2-1所示，S1定义为“+”和“-”功能键，在两个符号之间反复转换；S2定义为“09”数字键，每按一次，数字加1；S3定义为“确认”键；S4定义为圆弧圆心的X坐标功能键，显示为“P1”；S5定义为圆弧圆心的Y坐标功能键，显示为“
35、H1”；S6定义为数位转换键，每按一次，位数从低位转向高位；S7定义为插补的终点X坐标，显示为“L”；S8定义为插补的Y坐标，显示为“H”；S9定义为插补类型及开始键，显示“P1”表示直线插补类型，显示“P2”表示顺圆圆弧插补，显示“P3”表示逆圆圆弧插补，显示“P4”表示程序开始运行。2 运行参数显示 2.1 LED驱动接口电路设计 MAX 7219内部共有14个寄存器，其中8个为数字寄存器，六个为控制寄存器。数字寄存器（digit）共8个（DIGODIG7G7）由片内8*8静态RAM组成，用于存储CED数码管显示的数据。控制寄存器存放MAX7219的工作模式。MAX7219通过输入16位数
36、据包中的高8位选择寄存器，低8位为工作模式命令式显示数据。控制寄存器有译码模式、亮度调节、扫描限制、关闭模式、显示测试以及空操作寄存器。 MAX7219与单片机数据传送主要分为两部分。初始化子程序和送显子程序。这两部分都是数据传送，可以采用数据传送子程序。初始化程序：上电时，MAX7219控制寄存器均被复位，显示器熄灭，进入关断方式。这时，只扫描一个数位，不对数字寄存器中的数据进行译码，亮度寄存器置成最小值。初始化主要是对每片MAX7219的显示方式、显示亮度、显示位数进行设置； 将所有芯片显示关闭，即关闭模式寄存器，对XCH单元送00H； 对MAX7219芯片选择相应的显示方式，即译码非译码
37、方式，即给译码模式、寄存器X9H选择相应数值； 对MAX7219所驱动的LED亮度进行初始化，选择相应的显示电流占空比，即给亮度调节寄存器XAH单元送相应的值； 对每片MAX7219所驱动的LED数量进行设置，即给扫描限制寄存器单元送相应的数值； 将MAX7219的显示测试寄存器设置为正常的操作模式，即XFH单元送00H。这样就完成了初始化过程。送显程序：送显程序是将要显示的数据送到每片MAX7219的数字寄存器，（X1HX8H）单元，使其在LED 数码管显示出来。在MAX7219的硬件设计中，18脚和19脚的电阻Rset是必须的，为了使峰值电流引起的波纹减到最小，必须在+5V和GND之间尽可
38、能靠近芯片的地方外接10uF的钽电容和0.1uF的涤纶电容。MAX7219芯片应放在紧靠LED显示器的地方，且连线尽可能短些，以使引线电感和电磁干扰影响到最小。当MAX7219芯片和单片机距离远时，为防止高频干扰，传输数据的速率最好低一些，并在CLK时钟输入引脚和LOAD锁定输入引脚同GND之间个接上一个1000PF的瓷片电容。LED驱动接口电路原理图如图2-4所示图2-4 LED驱动接口电路2.2 LED结构与显示原理 LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件，也可称为数码管。在本设计系统中使用7段LED，显示块有共阴极和共阳极两种，通常的7段LED显示块有8个发光二极管，也称8段显示器
39、。7段发光二极管加上一个小数点，共计8段，因此提供给LED显示器的自形数据正好一个字节，其对应关系如图2-5所示。LED显示器有静态显示和动态显示两种显示方式。静态显示方式就是当显示器显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截止，并且显示器的各位可同时显示。静态显示时，较小的驱动电流就能得到较高的显示亮度。LED动态显示方式就是一位一位的轮流点亮显示器的各个位（扫描），对于显示器的每一位而言，每隔一段时间就点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。N位静态显示器要求有N8根I/O口线，占用I/O口线资源较多，故在位数较多时往往不采用静态显示，为了简化电路，
40、降低成本，通常将所有位的段选线并联在一起形成段选线的多路复用，实现各位的分时选通。通过以上分析对比可知，本设计中的显示方式采用静态显示方式，如图2-5a及2-5b所示。图2-5a 七段LED管脚及位对应关系图2-5b 七段LED管脚及位对应关系3步进电机控制系统设计本设计中的执行装置选择步进电机，是因为步进电机运转精度高，旋转单位是“步”，一步的最小转角可以小到0.36度（最大转角达到90度）。步进电机若前进一定的步数，然后再后退相同的步数， 则可精确的回到原来的位置；步进电机启、停速度快 能够在“一刹那”间使步进电机启动或停止，在快速启停时不会失掉一步。一般转速为200-1000步/秒； 步
41、进电机的定位不需要位移传感器测定位置。 3.1 步进电机控制原理典型的步进电机控制系统原理如图2-6 图2-6 典型的步进电机控制系统步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称VR）、永磁式步进电机（简称PM）和混合式步进电机（简称HB）。步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作，控制信号由单片机产生。其基本原理作用如下： 控制换相顺序：通电换相这一过
42、程称为脉冲分配。例如：四相步进电机的四拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-D,通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别 控制A、B、C、D相的通断； 步进电机的转向控制：如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换向，则电机就反转；步进电机的速度控制：如果给步进电机发一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短，步进电机就转得越快。调整单片机发出的脉冲频率，就可以对步进电机进行调速。对步进电机的控制，步数控制的目的是精确地到达指定的位置；速度的控制是通过单位时间的步数实现的,主要是计算相邻两个脉冲之间的时间。图2-7 步进电机的四相四拍控制3.2 步
43、进电机的功率驱动本设计的重点在于对步进电机的控制和驱动，设计中受控电机为两个四相六线制的步进电机（内阻33欧，步进1.8度，额定电压5V）。方案一：使用多个功率放大器件驱动电机通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大要求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是四相步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。方案二：使用ULN2803芯片驱动电机ULN2803芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的I/O
44、口提供信号而且电路简单，使用比较方便。综上分析知，应选择方案二，即驱动两个四相步进电机的芯片选择两片ULN2803。 3.3 步进电机的升降速控制 变速的必要性步进电机在启动和停止过程时的速度应该比正常运转时的速度低，特别是刚启动和最后停下来时，速度应该更低，否则由于惯性步进电机会出现“失步”（多走了步或少走了步），失去其精确性。为确保步进电机运行的精确性和快速性，必须变速运行。 变速原理在启动过程脉冲周期由长（频率低）变短，使步进电机转速缓慢上升到正常运转时的速度；在停止过程脉冲周期由短变长，使步进电机转速从正常转速缓慢下降至0 。变化时间约0.1-1s。正常运转时脉冲周期要短（频率高） ，
45、速度要高。 变速方法一-改变控制方式 如在三相步进电机中，启动或停止时，用三相六拍控制，大约经过0.1s后改为三相三拍控制。 变速方法二-改变脉冲时间间隔控制刚启动时脉冲间隔长，启动过程脉冲间隔均匀变短，直到速度达正常值；停止时，在停止过程脉冲间隔均匀变短，直到停止。 变速方法三-用定时器改变脉冲时间间隔控制 启动定时器时，初值不断减小，使脉冲频率不断增加；停止时，初值不断增大，使脉冲频率不断降低。图2-8 变速运行控制脉冲频率变化曲线4 数控插补原理 4.1 插补方法插补：是坐标运动协调的方法，使几个独立的坐标运动，组合成一条曲线运动。这种组合方法，一是由坐标的简单运动组合，一是由分段协调成
46、的简单曲线如直线和圆弧来近似组合成复杂曲线。 它是一种是让刀具沿规定轨迹的运动。数控技术中按插补算法可归纳为两类：一类称“一次插补法”，基本特点是每插补运算一次，最多给每一轴进给一个脉冲，常用的有逐点比较法和数字积分法。这类算法，进给速度受到限制，过去的硬件数控系统常采用。另一类称“二次插补法”，它把插补功能分为粗插补和精插补两部分完成。常用的有时间分割法和扩展数字积分器法，这类算法在每个插补运算周期里输出的不是单个脉冲，而是线段。因而能显著提高进给速度，在CNC系统中得广泛采用. 由于条件限制和具体要求，本设计中选用逐点比较法对直线和圆弧分别进行插补。逐点比较法又称代数运算法、醉步法。这种方法的基本原理是：计算机在控制加工过程中，能逐点地计算和判别加工误差，与规定的运动轨迹进行比较，由比较结果决定下一步的移动方向。逐点比较法即可以作直线插补，又可以作圆弧插补。这种算法的特点是，运算直观，插补误差小于一个脉冲当量，输出脉冲均匀，而且输出脉冲的速度变
个人主页
