课程设计2XY工作台计算机控制系统设计贺长安.docx
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课程设计2XY工作台计算机控制系统设计贺长安
课程设计论文
X-Y工作台硬件系统设计
学生姓名：
贺长安学号：
20091620160004
电大分校：
四○四厂电大分校
工作站（教学点）：
四○四厂电大分校
学生所在单位：
中核四0四总公司
论文指导教师：
李飞
摘要：
计算机技术的发展以及与机械技术的结合，产生了机电一体化技术，利用计算机来控制机械的动作完成相应的成为现代机电一体化技术的主要特征，
本设计8031芯片为基本元件，对工作台的硬件系统，对其相应的扩展口，外部电路进行设计，和相应的软件也进行了设计。
关键词：
芯片、硬件、端口、设计
前言
X-Y工作台是许多机电一体化设备的基本部件，现代科学技术的发展，推动了不同科学的交叉，导致了工程技术领域的改造。
在机械工程领域，微电子技术与计算机控制的相结合形机电一体化，使机械工业发生了巨大变化，使工业生产由机械电气化进入了机电一体化的时代，设备的硬件控制由计算机实现，本文对此进行设计。
1．8031芯片概述
MCS-51系列单片机是集CPU、I/O端口及部分RAM于一体的功能很强的控制器，是目前广泛应用的单片机，它包含三个产品8031、8051和8751，而用得较多多的是8031，所以改造时的硬件系统主控器的主控芯片采用8031。
1）基本特性
8031具有8位中央处理器（CPU），芯片内有时钟发生电路，具有128字节RAM，21个特殊功能寄存器，4个I/O端口，32根I/O线，可寻址64K外部数据存储器和64K字节外部程序存储器，具有两个16位定时/计数器，可有5个中断源，配备2个优先级，具有一个全22功能串行接口，具有位寻址能力，适于逻辑运算
2）总线结构
8031的总线结构分为数据总线（P0），地址总线（P0,P2）和控制总线（ALE、RST、
、
、
）等几部分。
3）存储器结构
8031的存储器配置与其它常用的微型计算机不同。
它把程序存储器和数据存储器分开，各有自己的寻址系统、控制信号和功能。
程序存储器用来存放程序和表格常数；数据存储器通常用来存放程序运行所需要的给定参数和运行结果。
8031共有4种存储空间，它们是片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器（含特殊功能寄存器）和片外数据存储器。
①程序存储器
②内部数据存储器
③外部数据存储器
④特殊功能寄存器SFR
4）时序
8031指令的基本执行时间为一个机器周期。
一个机器周期由6个状态（12个振荡周期）组成。
每个状态又被分成两拍P1和P2。
所以一个机器周期可以依次表示为S1P1、S1P2、……、S6P1、S6P2。
若采用12MHz的晶体振荡器，则一个机器周期为1μs。
5）中断功能
8031中断系统的功能主要解决的问题包括电路连接和应用程序设计两部分。
对于外部中断，要合理设计外设发生的中断请求信号与引脚
之间的连接电路，使其电平高低和持续时间符合要求。
程序设计中中断的作用一般如下：
1主程序部分
●给堆栈指针SP赋值，设置一个深度适宜的堆栈。
●如为外部中断，定义中断优先级。
●根据需要给IP赋值，定义中断优先级。
●给IE赋值，开放中断，即置位EA和其它需要的中断允许位。
●安排好等待中断过程中主程序应做的操作。
2中断服务程序部分
●在相应的中断入口地址单元设置一条跳转指令，使程序转移到中断服务程序的实际入口处。
●根据需要保护现场。
●若为电平触发的外部中断，应有中断信号撤除操作。
●安排中断服务所做的操作。
●恢复现场。
●中断返回。
6）扩展芯片
以8031微处理器为核心的单片机系统其特点是已经可以和一些外围设备相连，构成一个检测控制系统或具有其它功能的控制系统。
但通过扩展芯片可以利用好8031已提供好的接口及功能，其次是当8031硬件功能不能满足要求时，采用外加的扩展芯片可以扩展其功能。
●简单I/O接口
74LS273、74LS377、74LS244、74LS373
74LS240、74LS241、74LS244、74LS245
●8212通用I/O接口
●8255A可编程并行输入/输出接口
●8155可编程多功能接口
1.1.存储系统扩展设计
1.1.1.芯片选择
1）EPROM选择
在单片机应用系统中，使用最多的EPROM是典型芯片2716、2732、2764、27128及27256，各种型号的EPROM有不同的应用参数，主要有最大读数速度、工作温度及容量。
在容量确定时，选择EPROM的型号，主要考虑因素读取速度，这是决定系统能否正确工作的前提，根据CPU和EPROM时序匹配要求，应满足这样一个关系，即8031所能提供的读取时间大于EPROM所要求的读取时间。
8031访问EPROM时，其所能提供的读取时间t与所选用的晶体时钟有关，约为3T，其中T为时钟周期，本系统选用晶体频率6MHZ，则工作速度小于480ns的芯片在时序上均满足要求。
考虑到尽量使系统电路简单，在满足容量要求时尽可能选大容量芯片，以减小芯片组全数量，所以选用一片2764芯片做EPROM芯片，2764管脚图见图二。
图二EPROM2764管脚图
2）RAM选择
RAM分静态RAM和动态RAM，静态RAM无需考虑保持数据而设置刷新电路，扩展电路简单，单片机的扩展RAM多选用静态RAM
RAM选择主要考虑因素是RAM的读与速度与CPU所提供的读写时序的匹配要求，即8031所能提供的读写时间＞所要求的读写时间。
常用的RAM主要有6116（ZKX8）和6264（8KX8），典型读写时间为2000ns左右。
8031所能提供的对RAM的读写时间与所选时钟频率有关，其大致关系为：
tR=4T，tW=5T。
tR、tW、T分别为读时间，写时间及时钟周期。
当选时钟频中为12MHZ时，tR≈330ns，tW≈400ns，因此常用的RAM都能满足单征机的时序要求，与EPROM选择原则相似，选用大容量的RAM6264一片，6264管脚图见图三。
图三SRAM6264管脚图
1.1.2.地址分配及译码
8031单片机所支持的存储系统，其程序存储器与数据存储器独立编址，因此EPROM和RAM地址分配比较自由，不必考虑是否发生冲突。
由于8031复位后从0000H单元开始执行程序，故程序存储器地址应从0000H开始。
扩展RAM的地址与I/O口及外围设备实行统一编址，任何扩展的I/O口及外围设备均占用数据存储器的地址空间。
各芯片的地址范围见表一
表一
芯片
地址范围
容量
2764
6264
0000H～1FFFH
0000H～1FFFH
8K
8K
1.2.接口电路及辅助电路具体设计
本系统接口电路包括键盘、数码显示及步进电机接口电路、辅助电路包括复位电路、时钟电路及报警指示电路。
8031单片机的P1口可以用作I/O接口，为管理上述接口电路还需扩展接口，作如下分配，用8031单片机的P1口管理步进电机用扩展接口管理键盘和显示电路。
1.2.1步进电机接口电路
步进电机脉冲采用硬件实现，采用三相六拍环形分配器，本设计选用YBO13或CH250环形分配器，其管脚及接如图四。
图四YB013管脚及接线图
表二
引脚
功能
引脚
功能
连通输出控制端
＋△
正转控制电位
连通输入控制端
A
A相控制
B
B相控制
A0
励磁方式控制端
A1
C
C相控制
CP
时钟脉冲控制端
反转控制电位
-△
CH250管脚接线图见图纸2。
所需的方向及输出控制信号由单片机的P1口控制，所需的时钟脉冲由定时器（8155芯片定时输出）提供。
X、Y向步时电机各自用一个环形分配器控制。
步进电机接口电路见图纸2。
1.2.2光电隔离电路设计
在环形分配器和功率驱动电路之间采用光电隔离器是为了隔离步进电机大功率，高电平的脉冲信号对微型计算机的干扰，同时进行两者不同电平的转换。
光电隔离器电路如图五所示：
图五光电隔离电路
环形分配器送出的脉冲信号经过驱动电路T407驱动光电隔离器G0101，然后送到功率驱动电路，设计计算如下。
①确定输入电阻
式中IF：
驱动电流，选IF=10mA
UCC1：
驱动电路的电源电压为5V
UF：
光敏二极管的正向电压，取UF=1.2V
UOL：
驱动电路输出低电平电压,UOL=0.5V
Ri=330（Ω）
②确定输出回路电阻RC和RA
式中：
UCC2=27VUBE=0.7VUCES=0.4V
1.2.3功率放大电路设计
功率放大电路是将环形分配器送来的弱电信号变为强电信号，由于晶体管单电压驱动电路具有控制方便，调试容易和线路简单等优点。
所以功率放大电路选用晶体管单电压驱动电路。
电路如图所示
图六晶体管单电压驱动电路
由PIO经分配器送出的脉冲序列，经光电隔离电路送到驱动电路。
脉冲高电平时，T1、T2开关导通，电机绕组供电，低电平时，T1、T2开关截止。
2CP23为续流二极管，通过二极管电机绕组产生反电势将维持电流继续沿原方向流动。
另外通过二极管释放磁场能，以负高的反电势击穿T1、T2。
①确定电流IA、IC、IG、ID、IB、IE、IP。
步进电机每一相绕组电流IP=3A，IB=IP/hFE
hFE为放大系数，查得3DD15的hFE为80～120，取hFE=100
则IB=3000/100=30（mA）
查得3DK4的hFE=50～110，取hFE=80，
IE=UBE/1（kΩ）=0.7/1=0.7（mA）
IG=（30+0.7）/80=0.384（mA）
IG=（IB+IE）=30+0.7=30.7（mA）
IG=IG+IA
IA光敏三极管的输出电流，IA=IF.CTR20，CTR20为环境温度20℃时的电流传输比，查表知G0101型的CTR为20%，20℃时电流传输比的相对值CTR20/CTR=100%，∴CTR20=20%，则
IA=10×20%=2（mA）
IA=0.384+2=2.384（mA）
②确定电阻RC、RA、RD
由此可画出整个驱动器的驱动电路，如图纸2所示
1.2.4键盘、显示接口
①键盘
确定健盘的键数及结构，应根据XY工作台的要求。
为简单，设置几个功能键“↑”、“↓”、“←”、“→”、复位键、暂停键，其对应功能见表三
表三功能键及作用表
功能键
作用
功能键
作用
→
↑
RESET
工作台向+X向运动
工作台向+Y向运动
复位
←
↓
STOP
工作台向-X向运动
工作台向-Y向运动
暂停
键盘的结构多为矩阵结构，这里由于键数少，故采用简单结构。
每一个键相当于一个开关，如图七所示，复位键见复位电路。
图七复位键电路图
1）数码显示
根据工作台的精度及工作范围，采用5位数码显示。
其中整数部分（包括小数点）3位、小数部分2位，坐标原点设定在工作台的左下角。
扩展接口
在单片机应用系统中，同时需要使用键盘和显示时，常常把键盘和显示电路做在一起，以节省I/O线，这里选可编程接口芯片8155管理键盘和显示。
根据键盘的结构和显示器的输入要于，8155的I/O分配
表四8155I/O口功能分配表
功能键
作用
功能
A
B
C
输出
输出
输入
键盘及显示管理
显示管理
键盘管理
具体连接见图纸2
1.3.8155与8031的联接
8155与8031的联接为三总线联接。
8155具有地址锁存信号控制线，故可直接将8031的P0口线对应地联至8155的AD0～AD7，同时将8031的地址锁存ALE与8155的ALE相连，其它的读子控制线也相应连接。
8155的地址为2000～2FFF，所以将P2.5经一反相器直接联至8155的片选脚
.8155各端口地址如表五所示:
表五8155各端口地址
端口
地址
功能键
作用
命令/状态
定时低8位
定时高8位
2000H
2004H
2005H
PA
PB
PC
2001H
2002H
2003H
具体连线见图纸2
辅助电路的设计；
1）复位电路
单片机的复位都是靠外部电路实现。
在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上高电平，单片机便实现状态复位，以后单片机便从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。
本系统采用上电与按钮复位组合，如图八所示.
图八复位电路图
复位电路中的电钮电容参数与CPU所采用的时钟频率有关。
2）时钟电路
单片机的时钟可以由两种方式产生：
内部方式和外部时钟方式。
内部方式：
利用芯片内部振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，如图所示，晶体在1.2～12MHz之间任选，电容在5～30PF之间，对时钟有微调作用。
外部时钟方式：
XTAL1接地，XTAL2接外部时钟源。
本系统选用内部方式，时钟频率6MHzz
图九时钟电路图
3）越界报警指示电路
为了防止X、Y工作台越出边界，可以设置限位开关。
在+X、-X、+Y、-Y向安置4个限位开关，一旦越界，应立即停止工作台移动。
这里采用中断方式，利用8031的外部中断INTO，如图所示，只要有一个开关闭合，即工作台越界，便产生中断信号
，为了报警设置两个发光二极管灯，一个红灯用于越界时报警，另一个绿灯，工作正常时亮，两灯均由8031的P1.6控制，线路如图十所示
图十越界报警指示电路图
完整的单片机控制系统线路图见图纸2
2.软件设计
2.1.模块组成
采用模块化设计方法，本设计主要由以下模块组成：
主模块：
用于系统初始化和监控子程序模块越界报警，急停处理模块，实时修改显示缓冲区数据模块键盘，显示定时扫描管理模块。
其中除主模块和子程序模块外，其余均为中断执行方式模块。
2.2.缓冲区设置
设置两个缓冲区：
键盘缓冲区和显示缓冲区
2.2.1.键盘缓冲区
主要用于存放由键盘输入的命令，长度为4字节、地址为8031内部RAM区20H～23H，第一字可用缓冲区空，（20H）=01H～03H，缓冲区内来处理完的命令个数。
（20H）=03H即为满，其余3个字节内存放具体的命令码，为防正误操作，规定命令码00H，为正效命令，对键盘缓冲区来说很少出现两个或两个以上来处理的命令码，一般情况只要出现一个命令码，马上会得到处理。
2.2.2.显示缓冲区
主要用于存放欲显示的具体数据，每一个字节对应—显示位，共5个字节，地址为8031内部RAM25H～20H，分别对应百位、十位、个位（包括小数点），10-1位和10-2位。
1）中断优先级
所处理事件最为紧急的其中断级应为最高，以本设计中断模块的优先级为：
表六
模块名
级别
↓
高
低
越界报警、急停处理模块
0
实时修改显示缓冲区数据模块
1
键盘、显示定时扫措管理模块
2
2.3.各模块说明及流程图
2.3.1.主模块
主模块功能为：
初始化监控，其中初始化包括8155初始化、缓冲区清零、定时/计数、常数的设置、开中断等处理、监控主要判断是否有命令按下，并根据命令调用相应的子程序模块。
主模块程序流程简图见图纸3。
2.3.2.“←”“→”“↑”“↓”“Stop”子程序模块
子程序模块包括“←”命令处理模块
“→”命令处理模块
“↑”命令处理模块
“↓”命令处理模块
“Stop”命令处理模块
这里设定一标志，其作用是反映XY工作台的当前运动方向，标志位为内部RAM区的IBH其定义如下：
表七
ZBH单元值
当前运动方向
（ZB）=01H
→+X
（ZB）=02H
←-X
（ZB）=03H
↑+Y
（ZB）=04H
↓-Y
（ZB）=00H
初始时为00H
→（ZB）=02H其它不变为“←”功能子程序模块流程图其它类推
其命令子程序模块流程图为：
图十一“→”功能子程序模块流程图
暂停键“Stop”功能是暂时使XY工作台停止移动，因此只需停止步进脉冲信号即可，其流程图为
图十二“Stop”功能子程序模块流程图
2.3.3.中断模块
1）报警急停处理中断模块
本模块的主要功能是当X、Y工作台移动越出边界时进行应急处理，停止一切正常工作，由复位键复位重新使系统处于正常工作状态，报警用红灯亮指示，其模块流程图十三。
图十三报警急停处理中断模块流程图
2）键盘、显示定时扫描管理模块
根据键盘的接口电路，我们选择定时扫描方式，用定时中断模块同时完成键盘和显示的扫描。
对于键盘扫描，应该解决抖动问题，一般调用延时10ms左右来实现，而对于显示扫描，为保证多位同时显示而无闪烁，实时扫描频率高于50Hz。
键盘采用每隔3×3=9ms扫描一次，其目的是消除键盘抖动，设置—标志位，其地址为内部RAM30H单元，用于计数中断次数，当其等于3时，正好隔9ms，马上查询键盘，另外还设一标志位，用以标志连续两次查询到按键值是否一样，其地址为31H，定义（31H）=1，表示上次查询时有键按下，（31H）=0，则为无键按下，只有当上次有键按下，且隔9ms后再次查询有同一键按下时，才能确认有键按下，否则均视为误动作，不予理睬，根据这些，画出本定时中断模块的框图见图3。
3）实时修改显示缓冲区数据模块
采用中断方式，其作用是通过对8155定时/计数的输出信号，也即对步进脉冲进行计数，来修改显示缓冲区中工作台当前工作位置，根据步进电机的实际脉冲当量，一个步进脉冲相当于工作台位移增量为0.01mm，可以设定中断计数常数为10每中断一次，工作台运动0.1m这里用内部RAM单元ZAH作为中断次数计数器。
3.小结
课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。
通过这次课程设计使我明白了自己原来知识太理论化了，面对单独的课题的是感觉很茫然。
自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。
通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。
综上所述，通过对工作台的设计，对在设计在要考虑到的各种设计有了进一步了解，步进电机选择有认识，为以后的工作中进行相应的设计打下了基础。
参考文献：
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电子科技大学出版社.2003
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重庆大学出版社.1996
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机械工业出版社.2005
[4]李建勇.机电一体化系统设计基础.北京:
中央广播电视大学。
200
[5]顾乐观.自动控制原理.重庆：
重庆大学出生社.2000
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