基于单片机控制的XY绘图仪系统设计Word文档下载推荐.docx
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3、集成化
4、微机电控制系统
5、数字化
二、我国XY绘图仪产业发展的思考
1、注重系统配套
2、注重产品的可靠性
3、提倡创新，加强服务
国际技术现状：
XY绘图仪从国际来看，德国、美国、日本等几个国家基本掌握了高档XY绘图仪平面绘图仪控制系统。
国外的主要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、纳米插补与数制技术已走向实用阶段
2、机器人广泛应用
3、智能化绘图不断扩展
4、CAD/CAM技术的应用
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、增强通信功能，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研究的容
一、总体设计：
首先按照老师对课设的要求及所设计单片机控制绘图仪的工作原理、应用场合、控制对象等确定合理的设计方案，仔细划分软件部分和硬件部分各自应完成的功能，从而确定设计思路。
二、硬件设计：
由于现在市场上各种芯片种类繁多，而且不断在推出新，因此必须按照系统要求，根据“性价比最高”原则，选择既适合于本系统，又运行可靠的芯片和元器件，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、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，以及通过指令来确定步进电动机的运动规律、顺序。
采用逐点比较法来“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，查错和修改，然后把调好的顺序联成一个完整的系统程序，再进行联机调试，在线仿真，最后组装样机，脱机运行，通过试运行对系统进行检测，以验证系统的功能。
设计要求完成整个控制系统的硬件设计和完成整个控制系统的人机接口软件设计，通过Keil编译和调试程序，并最终在Proteus软件中仿真。
1.3毕业设计的目的、意义
毕业设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，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：
能够正确运用大学期间所学课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力；
通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计
算、选型和结构设计方法和步骤；
通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组成、
工作原理，和软件编程思想；
通过毕业设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方而综合素质的提高。
第二章平面绘图仪控制系统的总体方案
本次设计中，平面绘图仪控制系统总体设计容包括：
平面绘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平面绘图仪控制系统的控制方式
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）方向同时具有连续的精确的运动，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，能够完成平面轮廓的加工，因而采用连续控制的方式。
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。
它不仅能控制移动部件从某一点准确地移动到另一点，而且还能控制整个加工过程中的每一点的速度和位移量，进而将零件加工成一定的轮廓形状。
2.2伺服系统及电机的选择
1．伺服系统的选择
本次设计选用开环伺服系统。
在开环控制系统中，无反馈部件，不存在由输出端到输入端的反馈通路，无法反馈信息，故而不能及时纠正系统传动误差。
但是，同闭环控制系统相比，开环控制系统的结构要简单得多，调整维修方便，同时也比较经济。
在速度和精度要求都不太高，而又要求降低成本的场合得到广泛应用。
2．步进电机的选择
考虑到经济性，也不需太高的运动精度，为简化结构，降低成本，采用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。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，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，在一定时间转过的角度或平移的距离由脉冲数决定，借助步进电机可以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
根据控制需要，本次设计选择两个90BF001型4相8拍的反应式步进电机。
步进电机有关参数如表2-1：
表2-190BF001型反应式步进电机的参数
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
频率/（步/s）
空载运行
分配
方式
90BF001
4
0.9
80
3.92
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）
17.4
4.5
17.64
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）对于步进电动机的开环控制系统，选用8位单片机AT89C51作为控制系统的控制器。
该单片机具有集成度高，可靠性好，功能强大，处理速度快，可扩展性强，性价比较高等优点，能够很好的满足任务书给定的相关控制要求。
（2）要设计一个完整的控制系统，在选择CPU之后，还要设计步进电机机的驱动电路，通过运行程序，单片机与驱动电路一起工作，进而分别驱动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平面绘图仪的传动方式
为了保证X-Y平面绘图仪具有一定的传动精度和平稳性，并考虑总体结构的紧凑性要求，采用滚珠丝杠螺母作为传动副。
由于平面绘图仪的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小平面绘图仪的摩擦系数，提高其运动的可靠性和平稳性。
由于步进电机的步距角和滚珠丝杠的导程是按标准选取的，为达到传动要求，并综合考虑步进电机负载匹配，决定采用齿轮减速传动。
平面绘图仪控制系统总体框图如图2-3所示：
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单片机部组成及引脚功能
3.1.1单片机的部结构
MCS-51单片机的组成：
CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储器）、ROM（程序存储器）、I/O口（串口、并口）、部总线和中断系统等。
组成框图如下：
图3-1MSC-51单片机结构框图
3.1.2AT89C51单片机的主要特性：
·
与MCS-51兼容
4K字节可编程闪烁存储器
全静态工作：
0Hz-24Hz
寿命：
1000次擦/写循环
数据的保留时间可达10年
128×
8位部RAM
32可编程I/O线
三级程序存储器锁定
可编程的串行通道
两个16位计数器/定时器
闲置和掉电模式低功耗
5个中断源
3.1.3AT89C51单片机的引脚功能
本次选用的AT89C51单片机采用40引脚双列直插式封装（DIP）形式。
引脚排列及逻辑符号如图3-2所示，其中Vcc和Vss引脚由于分别默认接电源和地而被隐藏。
下面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，它的每跟管脚都可吸收8TTL的门电流。
当P1口首次写1的时候，P0口将被定义为高阻态输入。
P0可用于外部程序数据存储器，此时它作为数据/地址的第八位。
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口必须拉高的外部。
（2）P1口（P1.0～P1.7）
P1口是一个由单片机部提供上拉电阻的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，这是由于部上拉的缘故。
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，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的容。
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口的管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口使用，各位的作用如下表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
P3.0
RXD
串行数据接收口
P3.1
TXD
串行数据发送口
P3.2
外部中断0请求输入
P3.3
外部中断1请求输入
P3.4
T0
定时器/计数器0的外部输入口
P3.5
T1
定时器/计数器1的外部输入口
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，必须保持RST引脚有两个机器周期时间的高电平。
ALE/PROG：
当单片机访问外部存储器时，地址锁存所允许的输出电平将用来锁存地址的地位字节。
在FLASH进行编程时，编程脉冲由此引脚输入。
一般情况下，ALE引脚端以恒定的频率周期来输出正向脉冲信号，此时的振荡频率是振荡器振荡频率的1/6。
因此，它可作为向外部输出脉冲或用来定时的引脚。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
当
保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存储器。
注意加密方式1时，
将部锁定为RESET；
端保持高电平时，此间部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及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起构成了单片机的时钟方式。
根据硬件电路的不同，单片机的时钟连接方式又可分为部时钟方式和外部时钟方式。
部时钟方式如图3-3所示，外部时钟方式如图3-4所示。
图3-3部时钟方式
图3-4外部时钟方式
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、程序执行方式、单片执行方式、掉电保护方式、节电工作方式和EPROM编程/校验方式。
复位方式：
系统开始运行和重新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
程序执行方式：
单片机基本工作方式，可分为连续执行工作方式和单步执行工作方式。
连续执行工作方式：
所有单片机都需要的工作方式。
单片机复位后，PC值为0000H，因此单片机复位后立即转到0000H处执行程序。
单片机按照程序事先编排的任务，自动连续地执行下去。
单步执行工作方式：
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，单片机就执行一条指令（仅仅执行一条），这样就可以逐条检查程序，发现问题进行修改。
单步执行方式是利用单片机外部中断功能实现的。
节电方式：
一种低功耗的工作方式，分为空闲（等待）方式和掉电（停机）方式。
是针对CHMOS类芯片而设计的，HMOS型单片机不能工作在节电方式，但它有一种掉电保护功能。
HMOS单片机的掉电保护：
当VCC突然掉电时，单片机通过中断将必须保护的数据送入部RAM，备用电源VPD可以维持部RAM中的数据不丢失。
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，空闲状态时为1.7～5mA，掉电方式为5～50μA。
它适用于低功耗应用场合，它的空闲方式和掉电方式都是由电源控制寄存器PCON中相应的位来控制。
编程和校验方式：
用于部含有EPROM的单片机芯片，一般的单片机开发系统都提供实现这种方式的设备和功能。
第四章单片机系统的设计
4.1硬件配置与接口分配
4.1.1存贮器空间分配
单板机可寻址围是64K字节，板上提供的插座占16K，已插入的芯片占10K，其余以备扩展使用。
其存贮空间分配如下。
0000H~07FFH2KBEPROM存储监控程序
0800H~0FFFH2KBEPROM存储零件加工程序
1000H~17FFH2KBRAM调试程序
2000H~27FFH2KBRAM测试程序等
4.1.2I/O口地址分配
单板机设置I/O口地址为80～9FH共32个口地址，分配如下。
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。
包括数据总线，地址总线，控制总线。
3、存储器。
包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。
本次选用的AT89C51芯片部自带有4K字节可编程的闪烁存储器，故不需再扩展存储器。
4、接口。
即I/O输入输出接口。
平面绘图仪控制系统的硬件框图如图4-1所示：
图4-1平面绘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,它有如下特点：
1．可靠性高。
AT89C51能很好的适应工业生产环境，与PC机相比，它具有更强的抗外界干扰能力。
并且，它的系统软件（如：
程序指令，常数，表格等）均固化于ROM中，不易受到病毒的破坏。
信号通道基本上都位于同一个芯片里，运行时，系统可靠且稳定。
2．便于扩展。
此系列单片机片有微机正常运行必需具备的部件，其片外还有许多供用户扩展用的（总线，串行和并行输入/输出）管脚，很容易就能组成一定规模且适应要求的微机系统。
3．控制功能较强。
AT89C51单片机具有丰富控制指令，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，价格便宜，易于产品化。
综上所述，由于它具有以上优点，所以本设计选用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．选用ULN2003A芯片构成步进电机的驱动电路。
ULN2003A的结构：
ULN2003A是一款大电流、高耐压的达林顿阵列，由七个硅NPN达林顿管组成。
ULN2003A具有如下特点：
ULN2003A中的每一对达林顿都串联着一个10.5K的基极电阻，它在5V的工作电压下，可与CMOS和TTL电路直接连接，能直接处理一些原先需要由标准逻辑缓冲器处理的数据；
ULN2003A的工作电流大，工作电压高，其灌电流可以达到500mA，且在关态时能承受50V的电压，输出还可以在高负载电流的情况下并行运行；
ULN2003A采用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其他辅助电路设计
4.3.1AT89C51的时钟电路单片机的时钟的产生方式
AT89C51的时钟电路可以由两种方式产生：
外部方式和部方式。
由于部时钟电路结构简单，无需外部施与时钟信号，故本次设计采用部方式。
部时钟方式是利用的芯片部的振荡电路，具体则是在XTAL1和XTAL2引脚上外接一个定时元件，如图3-3所示。
晶体的振荡频率可在1.2～12MHz间任选，耦合电容在5～30PF之间，这种方式对时钟具有微调作用。
4.3.2AT89C51复位电路
单片机的复位是靠外部电路来实现的，在时钟电路工作后，只要RST引脚上有10ms以上的高电平出现，单片机就可以实现状态复位，然后单片机便从0000H单元开始执行程序。
单片机通常采用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，本次设计采用上电自动复位方式，如图3-5所示。
4.3.3超程报警电路
为了防止平面绘图仪超程，可分别在极限位置安装限位开关。
对于两坐标联动的平面绘图仪控制系统，4个方向都可能超程，即+X、－X、+Y、－Y。
当某一方向超程时，应立即使平面绘图仪停止移动。
图4-4为报警指示灯电路。
为达到报警的效果，要用到中断方式，这里采用AT89C51的外部中断方式，任何一个行程开关闭合（即平面绘图仪在某一方向超程），均会产生中断信号。
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
半导体存储器RAM最怕掉电，一但掉电，则里面存储的信息就会全部丢失。
工业作业现场环境恶劣，掉电是很有可能发生的。
平面绘图仪控制系统中的一些重要的现场参数，如几何尺寸，工艺参数等都是存储在RAM中的，掉电后，数据将会丢失。
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