基于单片机控制的XY绘图仪系统设计方案Word格式文档下载.docx
《基于单片机控制的XY绘图仪系统设计方案Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机控制的XY绘图仪系统设计方案Word格式文档下载.docx（38页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
2、网络化
3、集成化
4、微机电控制系统
5、数字化
二、我国XY画图仪家产发展的思虑
1、着重系统配套
2、着重产品的靠谱性
3、倡导创新，增强服务
国际技术现状：
XY画图仪从国际来看，德国、美国、日本等几个国家基本掌握了高档XY画图仪平面画图仪控制系统。
外国的主要XY画图仪平面画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、纳米插补与数制技术已走向适用阶段
2、机器人宽泛应用
3、智能化画图不停扩展
4、CAD/CAM技术的应用
国际发展趋向：
1、新一代画图仪向PC化和开放式系统构造方向发展
2、驱动装置向沟通、数字化方向发展
3、增强通讯功能，向网络化发展
4、画图仪平面画图仪控制系统在控制性能上向智能化发展
1.2研究的内容
一、整体设计：
第一依据老师对课设的要求及所设计单片机控制画图仪的工作原理、应用处合、控制对象等确立合理的设计方案，认真区分软件部分和硬件部分各自应达成的功能，从而确立设计思路。
二、硬件设计：
因为此刻市场上各样芯片种类众多，并且不停在革故鼎新，所以一定依据系统要求，依据“性价比最高”原则，选择既合适于本系统，又运行靠谱的芯片和元器件，从而设计出最合理的硬件电路。
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、画图笔、继电器、控制传动线路、计算机（单片机），微型计算机接口等。
（一）步进电动机的选择
（二）驱动器的接线方式
（三）X/Y传动方式的选择
（四）控制器的芯片的选择
（五）硬件电路的设计
（六）单片机的确定（AT89C51）
三、软件设计：
利用汇编语言的编程，以及经过指令来确立步进电动机的运动规律、次序。
采纳逐点比较法来“一步一步的运算”进行直线插补、圆弧插补。
四、系统的调试及运行：
在单片机开发装置上，用调试软件对程序进行调试，查错和改正，而后把调好的次序联成一个完好的系统程序，再进行联机调试，在线仿真，最后组装样机，脱机运行，经过试运行对系统进行检测，以考证系统的功能。
设计要求达成整个控制系统的硬件设计和达成整个控制系统的人机接口软件设计，经过Keil编译和调试程序，并最后在Proteus软件中仿真。
1.3毕业设计的目的、意义
毕业设计是培育学生设计能力的重要实践性教课环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。
其目的是：
能够正确运用大学时期所学课程的基本理论和有关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特色和设计思想、设计方法，认识设计方案的制定、比较、剖析和计算，培育学生剖析问题和解决问题的能力，使学生拥有机电一体化系统设计的初步能力；
经过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零零件和履行元件的计
算、选型和构造设计方法和步骤；
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的硬件构成、
工作原理，和软件编程思想；
经过毕业设计提升学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促使学生在科学态度、创新精神、专业技术等方而综合素质的提升。
第二章平面画图仪控制系统的整体方案
本次设计中，平面画图仪控制系统整体设计内容包含：
平面画图仪控制系统控制方式的确定，伺服系统的选择，微机控制系统的选择。
2.1平面画图仪控制系统的控制方式
本平面画图仪控制系统要求X-Y平面画图仪沿两个坐标轴（±
X，±
Y）方向同时拥有连续的精准的运动，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，能够达成平面轮廓的加工，因此采纳连续控制的方式。
该方式可对两个或两个以上的坐标轴同时进行严格连续控制系统。
它不单能控制挪动零件从某一点正确地挪动到另一点，并且还可以控制整个加工过程中的每一点的速度和位移量，从而将零件加工成必定的轮廓形状。
2.2伺服系统及电机的选择
1．伺服系统的选择
本次设计采纳开环伺服系统。
在开环控制系统中，无反应零件，不存在由输出端到输入端的反应通路，没法反应信息，故而不可以及时纠正系统传动偏差。
可是，同闭环控制系统对比，开环控制系统的构造要简单得多，调整维修方便，同时也比较经济。
在速度和精度要求都不太高，而又要求降低成本的场合获得宽泛应用。
2．步进电机的选择
考虑到经济性，也不需太高的运动精度，为简化构造，降低成本，采纳步进电机作为开环伺服系统的驱动装置。
步进电机是由脉冲控制的特种电动机。
在非超载的状况下，电机的转速、停止的地点只取决于脉冲信号的频次和脉冲数，而不受负载变化的影响，对应于每一个脉冲，电动机将产生一个恒定量的步进运动，即产生一个恒定量的角位移或线位移。
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，在一准时间内转过的角度或平移的距离由脉冲数决定，借助步进电机能够实现数字信号的变换。
步进电机控制系统的原理框图如图2-1所示。
图2-1步进电动机系统简图
依据控制需要，本次设计选择两个90BF001型4相8拍的反响式步进电机。
步进电机有关参数如表2-1：
表2-190BF001型反响式步进电机的参数
型号
主要技术参数
相数
步距角
/（º
）
电压
/V
最大静转矩
/（N·
m）
空载启动
频次/（步/s）
空载运行
分派
方式
90BF001
4
80
2000
8000
4相八拍
电感/（mH）
外形尺寸（轴径）
/mm
质量/kg
转子转动惯量
/（10-5kg·
m2）
步进电机原理图如图2-2所示：
图2-2步进电动机原理图
2.3微机控制系统的选择
（1）关于步进电动机的开环控制系统，采纳8位单片机AT89C51作为控制系统的控制器。
该单片机拥有集成度高，靠谱性好，功能强盛，办理速度快，可扩展性强，性价比较高等长处，能够很好的知足任务书给定的有关控制要求。
（2）要设计一个完好的控制系统，在选择CPU以后，还要设计步进电机机的驱动电路，经过运行程序，单片机与驱动电路一同工作，从而分别驱动XY轴步进电机的正反转。
（3）合理设计电源及开关电路，与步进电动机配套使用。
2.4X-Y平面画图仪的传动方式
为了保证X-Y平面画图仪拥有必定的传动精度和安稳性，并考虑整体构造的紧凑性要求，采纳滚珠丝杠螺母作为传动副。
因为平面画图仪的运动零件重量和工作载荷不大，应采纳转动直线导轨副，从而减小平面画图仪的摩擦系数，提升其运动的靠谱性和安稳性。
因为步进电机的步距角和滚珠丝杠的导程是按标准选用的，为达到传动要求，并综合考虑步进电机负载般配，决定采纳齿轮减速传动。
平面画图仪控制系统整体框图如图2-3所示：
图2-3平面画图仪控制系统整体框图
第三章MCS-51单片机工作原理
3.1单片机内部构成及引脚功能
3.1.1单片机的内部构造
MCS-51单片机的构成：
CPU（进行运算、控制）、RAM（数据储存器）、ROM（程序储存器）、I/O口（串口、并口）、内部总线和中止系统等。
构成框图以下：
图3-1MSC-51单片机构造框图
3.1.2AT89C51单片机的主要特征：
·
与MCS-51兼容
4K字节可编程闪耀储存器
全静态工作：
0Hz-24Hz
寿命：
1000次擦/写循环
数据的保存时间可达10年
128×
8位内部RAM
32可编程I/O线
三级程序储存器锁定
可编程的串行通道
两个16位计数器/准时器
闲置和掉电模式低功耗
5此中止源
3.1.3AT89C51单片机的引脚功能
本次采纳的AT89C51单片机采纳40引脚双列直插式封装（DIP）形式。
引脚摆列及逻辑符号如图3-2所示，此中Vcc和Vss引脚因为分别默认接电源和地而被隐蔽。
下边分别说明这些引脚的意义和功能。
图3-2AT89C51单片机引脚图
1．电源线
VCC：
接+5V电源。
VSS：
接电源地。
2．端口线
P0～P3口：
4×
8=32条。
（1）P0口（P0.0～P0.7）
P0口是一个8位双向I/O口，它的每跟管脚都可汲取8TTL的门电流。
当P1口初次写1的时候，P0口将被定义为高阻态输入。
P0可用于外面程序数据储存器，此时它作为数据/地点的第八位。
当FIASH进行编程时，P0口将作为原码输进口；
FIASH校验时，P0口作为原码输出口，此时P0口一定拉高的外面。
（2）P1口（P1.0～P1.7）
P1口是一个由单片机内部供应上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出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口被外面下拉为低电平常，将输出电流，这是因为内部上拉的缘由。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地点接收。
（3）P2口（P2.0～P2.7）
P2口为一个内部上拉电阻的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口的管脚被外面拉低，将输出电流。
这是因为内部上拉的缘由。
P2口当用于外面程序储存器或16位地点外面数据储存器进行存取时，P2口输出地点的高八位。
在给出地点“1”时，它利用内部上拉优势，当对外面八位地点数据储存器进行读写时，P2口输出其特别功能存放器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地点信号和控制信号。
（4）P3口（P3.0～P3.7）
P3口的管脚是8个带内部上拉电阻的双向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，因为外面下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是因为上拉的缘由。
P3口也可作为AT89C51的一些特别功能口使用，各位的作用以下表3-1所示所示：
表3-1P3各口线的第二功能表
端口
第二功能
信号名称
RXD
串行数据接收口
TXD
串行数据发送口
外面中止0恳求输入
外面中止1恳求输入
T0
准时器/计数器0的外面输进口
T1
准时器/计数器1的外面输进口
外面RAM写选通讯号
外面RAM读选通讯号
3．控制信号引脚
RST：
复位输入引脚。
当器件被振荡器复位时，一定保持RST引脚有两个机器周期时间的高电平。
ALE/PROG：
当单片机接见外面储存器时，地点锁存所同意的输出电平将用来锁存地点的地位字节。
在FLASH进行编程时，编程脉冲由此引脚输入。
一般状况下，ALE引脚端以恒定的频次周期来输出正向脉冲信号，此时的振荡频次是振荡器振荡频次的1/6。
所以，它可作为向外面输出脉冲或用来准时的引脚。
但是要注意的是：
每当用作外面数据储存器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想严禁ALE的输出可在SFR8EH地点上置0。
此时，ALE只有在履行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
此外，该引脚被稍微拉高。
假如微办理器在外面履行状态ALE严禁，置位无效。
：
外面程序储存器的选通讯号。
在由外面程序储存器取指时期，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在接见外面数据储存器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
当
保持低电平常，则在此时期外面程序储存器（0000H-FFFFH），不论能否有内部程序储存器。
注意加密方式1时，
将内部锁定为RESET；
端保持高电平常，此间内部程序储存器。
在FLASH编程时期，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出
3.2单片机的时钟电路
AT89C51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成时钟振荡电路，XTAL1为该放大器的输入端、XTAL2为该放大器的输出端，由该放大器构成的振荡电路与和时钟电路一同构成了单片机的时钟方式。
依据硬件电路的不一样，单片机的时钟连结方式又可分为内部时钟方式和外面时钟方式。
内部时钟方式如图3-3所示，外面时钟方式如图3-4所示。
图3-3内部时钟方式
图3-4外面时钟方式
3.3单片机的工作方式
MCS-51系列单片机的工作方式可分为：
复位方式、程序履行方式、单片履行方式、掉电保护方式、节电工作方式和EPROM编程/校验方式。
复位方式：
系统开始运行和从头启动靠复位电路来实现，这种工作方式为复位方式。
复位电路有两种：
上电自动复位如图3-5所示，上电/按键手动复位如图3-6所示。
图3-5上电自动复位
图3-6上电/手动按键复位
程序履行方式：
单片机基本工作方式，可分为连续履行工作方式和单步履行工作方式。
连续履行工作方式：
所有单片机都需要的工作方式。
单片机复位后，PC值为0000H，所以单片机复位后立刻转到0000H处履行程序。
单片机依据程序预先编排的任务，自动连续地履行下去。
单步履行工作方式：
用户调试程序的一种工作方式，在单片机开发系统上有一专用的单步按键（或软件调试环境）。
按一次，单片机就履行一条指令（只是履行一条），这样就能够逐条检查程序，发现问题进行改正。
单步履行方式是利用单片机外面中止功能实现的。
节电方式：
一种低功耗的工作方式，分为安闲（等候）方式和掉电（停机）方式。
是针对CHMOS类芯片而设计的，HMOS型单片机不可以工作在节电方式，但它有一种掉电保护功能。
HMOS单片机的掉电保护：
当VCC忽然掉电时，单片机经过中止将一定保护的数据送入内部RAM，备用电源VPD能够保持内部RAM中的数据不丢掉。
CHMOS单片机的节电方式：
CHMOS型单片机是一种低功耗器件，正常工作时电流为11～22mA，安闲状态时为～5mA，掉电方式为5～50μA。
它合用于低功耗应用处合，它的安闲方式和掉电方式都是由电源控制存放器PCON中相应的位来控制。
编程和校验方式：
用于内部含有EPROM的单片机芯片，一般的单片机开发系统都供应实现这种方式的设施和功能。
第四章单片机系统的设计
4.1硬件配置与接口分派
4.1.1存贮器空间分派
单板机可寻址范围是64K字节，板上供应的插座占16K，已插入的芯片占10K，其余以备扩展使用。
其存贮空间分派以下。
0000H~07FFH2KBEPROM储存监控程序
0800H~0FFFH2KBEPROM储存零件加工程序
1000H~17FFH2KBRAM调试程序
2000H~27FFH2KBRAM测试程序等
4.1.2I/O口地点分派
单板机设置I/O口地点为80～9FH共32个口地点，分派以下。
80H～83HMCS—518031
84H～87H字形锁存
88H～8BH字位锁存
8CH～8FH读键值
90H～9FH用户使用
4.2硬件电路的设计
平面画图仪控制系统硬件电路由以下几部分构成：
1、主控制器。
即中央办理单元（CPU）
2、总线。
包含数据总线，地点总线，控制总线。
3、储存器。
包含只读可编程序储存器和随机读写数据储存器。
本次采纳的AT89C51芯片内部自带有4K字节可编程的闪耀储存器，故不需再扩展储存器。
4、接口。
即I/O输入输出接口。
平面画图仪控制系统的硬件框图如图4-1所示：
图4-1平面画图仪控制系统的硬件框图
4.2.1主控制器CPU的选择
AT89C51系列单片机是集中CPU,它有以下特色：
1．靠谱性高。
AT89C51能很好的适应工业生产环境，与PC机对比，它拥有更强的抗外界扰乱能力。
并且，它的系统软件（如：
程序指令，常数，表格等）均固化于ROM中，不易遇到病毒的破坏。
信号通道基本上都位于同一个芯片里，运行时，系统靠谱且稳固。
2．便于扩展。
此系列单片机片内有微机正常运行必要具备的零件，其片外还有很多供用户扩展用的（总线，串行和并行输入/输出）管脚，很简单就能构成必定规模且适应要求的微机系统。
3．控制功能较强。
AT89C51单片机拥有丰富控制指令，如：
I/O口逻辑操作指令，位办理指令，条件分支转移指令等。
4．适用性好。
体积小，功耗低，价钱廉价，易于产品化。
综上所述，因为它拥有以上长处，所以本设计采纳AT89C51单片机作为主控制芯片。
其引脚图如图3-2所示。
4.2.1步进电机驱动电路的设计
1．采纳ULN2003A芯片构成步进电机的驱动电路。
ULN2003A的构造：
ULN2003A是一款大电流、高耐压的达林顿阵列，由七个硅NPN达林顿管构成。
ULN2003A拥有以下特色：
ULN2003A中的每一对达林顿都串连着一个10.5K的基极电阻，它在5V的工作电压下，可与CMOS和TTL电路直接连结，能直接办理一些原来需要由标准逻辑缓冲器办理的数据；
ULN2003A的工作电流大，工作电压高，其灌电流能够达到500mA，且在关态时能蒙受50V的电压，输出还可以够在高负载电流的状况下并行运行；
ULN2003A采纳DIP—16或SOP—16塑料封装；
ULN2003A的引脚如图4-2所示。
图4-2ULN2003A引脚图
2．步进电机的驱动电路如图4-3所示。
图4-3步进电机驱动电路
4.3其余协助电路设计
4.3.1AT89C51的时钟电路单片机的时钟的产生方式
AT89C51的时钟电路能够由两种方式产生：
外面方式和内部方式。
因为内部时钟电路构造简单，无需外面施与时钟信号，故本次设计采纳内部方式。
内部时钟方式是利用的芯片内部的振荡电路，详细则是在XTAL1和XTAL2引脚上外接一个准时元件，如图3-3所示。
晶体的振荡频次可在1.2～12MHz间任选，耦合电容在5～30PF之间，这种方式对时钟拥有微调作用。
4.3.2AT89C51复位电路
单片机的复位是靠外面电路来实现的，在时钟电路工作后，只需RST引脚上有10ms以上的高电平出现，单片机就能够实现状态复位，而后单片机便从0000H单元开始履行程序。
单片机往常采纳上电自动复位和按钮复位两种复位方式。
为了尽可能简化电路，本次设计采纳上电自动复位方式，如图3-5所示。
4.3.3超程报警电路
为了防备平面画图仪超程，可分别在极限地点安装限位开关。
关于两坐标联动的平面画图仪控制系统，4个方向都可能超程，即+X、－X、+Y、－Y。
当某一方向超程时，应立刻使平面画图仪停止挪动。
图4-4为报警指示灯电路。
为达到报警的成效，要用到中止方式，这里采纳AT89C51的外面中止方式，任何一个行程开封闭合（即平面画图仪在某一方向超程），均会产生中止信号。
在电路中设置红绿灯作为警告指示信号。
正常工作时，绿灯亮；
超程报警时，红灯亮。
两灯均由一个I/O口输出。
图4-4报警指示灯电路
4.3.4掉电保护电路
半导体储存器RAM最怕掉电，一但掉电，则里面储存的信息就会所有丢掉。
工业作业现场环境恶劣，掉电是很有可能发生的。
平面画图仪控制系统中的一些重要的现场参数，如几何尺寸，工艺参数等都是储存在RAM中的，掉电后，数据将会丢掉。
为了使掉电状况下，RAM中的信息能
升级会员 