基于单片机控制的XY绘图仪系统标准设计.docx
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基于单片机控制的XY绘图仪系统标准设计
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
ABSTRACT
Thisisadesignofmicrocomputer-basedCNCXYplatformmotioncontrolsystemanditsvirtualsimulation.
Inthecontrolcircuitdesign,usedanAT89C51microcontrollerforCPU.Usingthefourphaseeightreactivesteppingmotor90BF001asservomotordrivestheXYplatform,andtheyweredrivenbyULNA,andwealsodeterminedthetransmissionwaystheXYplatform.Chippower-onresetmodeisautomaticallyreset,clockcircuitfortheinternalclockmode.OnthechooseofCPUandtheperipheralcircuitchip,followingnextprinciples:
savetheI/Omouthaspossible,highperformancewithlowcost,maturetechnologyandgeneralchiponthemarket.Sothestructureofthecontrolsystemcircuitissimple,anditsperformanceissuperior.
Afterthecompletionoftheprogramwritten,programswerecompiledanddebuggedinKeil,andtoachievethesimulationofprogramandcircuitinProteusenvironment.
Keywords:
XYplatformChip-SingleMicrocomputerMicrocontroller
Proteussimulation
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，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，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。
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2-190BF001型反应式步进电机参数
型号
关键技术参数
相数
步距角
/（º）
电压
/V
最大静转矩
/（N·m）
空载开启
频率/（步/s）
空载运行
频率/（步/s）
分配
方法
90BF001
4
0.9
80
3.92
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）
17.4
4.5
17.64
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，和步进电动机配套使用。
2.4X-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、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3-1MSC-51单片机结构框图
3.1.2AT89C51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
·128×8位内部RAM
·32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
3.1.3AT89C51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3-2AT89C51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（P1.0～P1.7）
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（P2.0～P2.7）
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（P3.0～P3.7）
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3-1P3各口线第二功效表
端口
第二功效
信号名称
P3.0
RXD
串行数据接收口
P3.1
TXD
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
P3.4
T0
定时器/计数器0外部输入口
P3.5
T1
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。
此时，ALE只有在实施MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
假如微处理器在外部实施状态ALE严禁，置位无效。
：
外部程序存放器选通信号。
在由外部程序存放器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存放器时，这两次有效/PSEN信号将不出现。
：
当
保持低电平时，则在此期间外部程序存放器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存放器。
注意加密方法1时，
将内部锁定为RESET；当
端保持高电平时，此间内部程序存放器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器输入及内部时钟工作电路输入。
XTAL2：
来自反向振荡器输出
3.2单片机时钟电路
AT89C51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于组成时钟振荡电路，XTAL1为该放大器输入端、XTAL2为该放大器输出端，由该放大器组成振荡电路和和时钟电路一起组成了单片机时钟方法。
依据硬件电路不一样，单片机时钟连接方法又可分为内部时钟方法和外部时钟方法。
内部时钟方法图3-3所表示，外部时钟方法图3-4所表示。
图3-3内部时钟方法
图3-4外部时钟方法
3.3单片机工作方法
MCS-51系列单片机工作方法可分为：
复位方法、程序实施方法、单片实施方法、掉电保护方法、节电工作方法和EPROM编程/校验方法。
复位方法：
系统开始运行和重新开启靠复位电路来实现，这种工作方法为复位方法。
复位电路有两种：
上电自动复位图3-5所表示，上电/按键手动复位图3-6所表示。
图3-5上电自动复位
图3-6上电/手动按键复位
程序实施方法：
单片机基础工作方法，可分为连续实施工作方法和单步实施工作方法。
连续实施工作方法：
全部单片机全部需要工作方法。
单片机复位后，PC值为0000H，所以单片机复位后立即转到0000H处实施程序。
单片机根据程序事先编排任务，自动连续地实施下去。
单步实施工作方法：
用户调试程序一个工作方法，在单片机开发系统上有一专用单步按键（或软件调试环境）。
按一次，单片机就实施一条指令（仅仅实施一条），这么就能够逐条检验程序，发觉问题进行修改。
单步实施方法是利用单片机外部中止功效实现。
节电方法：
一个低功耗工作方法，分为空闲（等候）方法和掉电（停机）方法。
是针对CHMOS类芯片而设计，HMOS型单片机不能工作在节电方法，但它有一个掉电保护功效。
HMOS单片机掉电保护：
当VCC忽然掉电时，单片机经过中止将必需保护数据送入内部RAM，备用电源VPD能够维持内部RAM中数据不丢失。
CHMOS单片机节电方法：
CHMOS型单片机是一个低功耗器件，正常工作时电流为11～22mA，空闲状态时为1.7～5mA，掉电方法为5～50μA。
它适适用于低功耗应用场所，它空闲方法和掉电方法全部是由电源控制寄存器PCON中对应位来控制。
编程和校验方法：
用于内部含有EPROM单片机芯片，通常单片机开发系统全部提供实现这种方法设备和功效。
第四章单片机系统设计
4.1硬件配置和接口分配
4.1.1存贮器空间分配
单板机可寻址范围是64K字节，板上提供插座占16K，已插入芯片占10K，其它以备扩展使用。
其存贮空间分配以下。
0000H~07FFH2KBEPROM存放监控程序
0800H~0FFFH2KBEPROM存放零件加工程序
1000H~17FFH2KBRAM调试程序
H~27FFH2KBRAM测试程序等
4.1.2I/O口地址分配
单板机设置I/O口地址为80～9FH共32个口地址，分配以下。
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硬件电路设计
平面绘图仪控制系统硬件电路由以下几部分组成：
1、主控制器。
即中央处理单元（CPU）
2、总线。
包含数据总线，地址总线，控制总线。
3、存放器。
包含只读可编程序存放器和随机读写数据存放器。
此次选择AT89C51芯片内部自带有4K字节可编程闪烁存放器，故不需再扩展存放器。
4、接口。
即I/O输入输出接口。
平面绘图仪控制系统硬件框图图4-1所表示：
图4-1平面绘图仪控制系统硬件框图
4.2.1主控制器CPU选择
AT89C51系列单片机是集中CPU,它有以下特点：
1．可靠性高。
AT89C51能很好适应工业生产环境，和PC机相比，它含有更强抗外界干扰能力。
而且，它系统软件（如：
程序指令，常数，表格等）均固化于ROM中，不易受到病毒破坏。
信号通道基础上全部在同一个芯片里，运行时，系统可靠且稳定。
2．便于扩展。
此系列单片机片内有微机正常运行必需含有部件，其片外还有很多供用户扩展用（总线，串行和并行输入/输出）管脚，很轻易就能组成一定规模且适应要求微机系统。
3．控制功效较强。
AT89C51单片机含有丰富控制指令，如：
I/O口逻辑操作指令，位处理指令，条件分支转移指令等。
4．实用性好。
体积小，功耗低，价格廉价，易于产品化。
总而言之，因为它含有以上优点，所以本设计选择AT89C51单片机作为主控制芯片。
其引脚图图3-2所表示。
4.2.1步进电机驱动电路设计
1．选择ULNA芯片组成步进电机驱动电路。
ULNA结构：
ULNA是一款大电流、高耐压达林顿阵列，由七个硅NPN达林顿管组成。
ULNA含有以下特点：
·ULNA中每一对达林顿全部串联着一个10.5K基极电阻，它在5V工作电压下，可和CMOS和TTL电路直接连接，能直接处理部分原先需要由标准逻辑缓冲器处理数据；
·ULNA工作电流大，工作电压高，其灌电流能够达成500mA，且在关态时能承受50V电压，输出还能够在高负载电流情况下并行运行；
·ULNA采取DIP—16或SOP—16塑料封装；
ULNA引脚图4-2所表示。
图4-2ULNA引脚图
2．步进电机驱动电路图4-3所表示。
图4-3步进电机驱动电路
4.3其它辅助电路设计
4.3.1AT89C51时钟电路单片机时钟产生方法
AT89C51时钟电路能够由两种方法产生：
外部方法和内部方法。
因为内部时钟电路结构简单，无需外部施和时钟信号，故此次设计采取内部方法。
内部时钟方法是利用芯片内部振荡电路，具体则是在XTAL1和XTAL2引脚上外接一个定时元件，图3-3所表示。
晶体振荡频率可在1.2～12MHz间任选，耦合电容在5～30PF之间，这种方法对时钟含有微调作用。
4.3.2AT89C51复位电路
单片机复位是靠外部电路来实现，在时钟电路工作后，只要RST引脚上有10ms以上高电平出现，单片机就能够实现实状况态复位，然后单片机便从0000H单元开始实施程序。
单片机通常采取上电自动复位和按钮复位两种复位方法。
为了尽可能简化电路，此次设计采取上电自动复位方法，图3-5所表示。
4.3.3超程报警电路
为了预防平面绘图仪超程，可分别在极限位置安装限位开关。
对于两坐标联动平面绘图仪控制系统，4个方向全部可能超程，即+X、－X、+Y、－Y。
当某一方向超程时，应立即使平面绘图仪停止移动。
图4-4为报警指示灯电路。
为达成报警效果，要用到中止方法，这里采取AT89C51外部中止方法，任何一个行程开关闭合（即平面绘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示指示信号。
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
半导体存放器RAM最怕掉电，一但掉电，则里面存放信息就会全部丢失。
工业作业现场环境恶劣，掉电是很有可能发生。
平面绘图仪控制系统中部分关键现场参数，如几何尺寸，工艺参数等全部是存放在RAM中，掉电后，数据将会丢失。
为了使掉电情况下，RAM中信息能得以保持，就必需设置掉电保护电路。
这么，恢复供电后，系统又能立即运行。
图4-5所表示是一个简单掉电保护电路工作原理，图中
为电源电压，
为备用电池电压，而且
，
为存放器RAM电源端，正常通电时，二极管
导通，
截止，RAM工作电压由
提供，同时，
还经过电阻R对电池充电。
断电后，
截止，
导通，此时RAM工作电压由电池电压由电池
经二极管
和电阻R供给，
值通常取>3V时，存放器就能可靠保持信息
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