两轴步进电机X、Y工作台的单片机控制系统设计.doc
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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
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