51单片机的三维平台控制方案.docx
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51单片机的三维平台控制方案
基于52单片机的三维平台控制
技术方案
1．系统总体设计思路
本系统采用STC89C52单片机对三维平台上三个步进电机进行控制，初步实
现的功能有：
系统启动与停止控制，三轴联动，三轴的加、减速控制，三轴正、反转控制，X轴的启动与停止控制、X轴与Y轴的限位控制、三轴的转速检测与显示，最高1/128电流细分等功能，其系统框图如图1.1所示：
图1.1三维平台步进电机控制系统框图
2．系统硬件部分具体实现
2.1主控制模块的设计与实现
本设计选用STC89C52单片机作为主控制模块。
STC89C52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K可编程Flash存储器，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时器/计数器，全双工串行口。
STC89C52单片机作为主控芯片，在本设计中主要实现以下几个工作：
（1）接收矩阵键盘输入的控制信号；
（2）输出PWM脉冲控制三轴步进电机工作，包括输出PWM脉冲信号和方向信号；
（3）处理给定转速信号和测速反馈转速信号；
（4）在八个八段数码管上显示电机的给定转速和实时转速；
（5）接收限位反馈并做逻辑判断；
主控制器的引脚分配表如表1.1所示：
I/0口
引脚号
对应元件
功能
输入/输出
P0.0～P0.7
39～32
SB1～SB12
矩阵键盘输入
输入（上拉电阻）
P1.0～P1.2
1～3
74HC138
3-8译码器控制信号
输出
P1.3
4
THB7128
X轴方向信号
输出
P1.4
5
THB7128
Y轴方向信号
输出
P1.5
6
THB7128
Z轴方向信号
输出
P1.6
7
限位开关X_1
限位信号
输入
P1.7
8
限位开关X_2
限位信号
输入
P3.0
10
限位开关Y_1
限位信号
输入
P3.1
11
限位开关Y_2
限位信号
输入
P3.5
15
THB7128
X轴脉冲输出
输出
P3.6
16
THB7128
Y轴脉冲输出
输出
P3.7
17
THB7128
Z轴脉冲输出
输出
P2.0～P2.7
21～28
八个八段数码管
数码管段选信号
输出
XTAL1～XTAL2
19～18
晶振电路
时钟信号
输入
RST
9
复位电路
复位信号
输入
P3.2（INT0）
12
X轴光电编码器
转速信号
输入
P3.3（INT1）
13
Y轴光电编码器
转速信号
输入
P3.4
14
Z轴光电编码器
转速信号
输入
主控制器原理图，如图2.1.1所示：
图2.1.1主控制器原理图
2.2驱动电路的设计与实现
驱动电路采用THB712步进电机驱动芯片对三位平台上的三个步进电机进行驱动。
THB7128是一款专业的两相步进电机驱动芯片，它内部集成了细分、电流调节、CMOS功率放大等电路，配合外围电路可实现高性能、多细分、大电流的驱动电路。
其主要参数和性能指标如下：
•单芯片两相细分步进电机驱动；
•直接采用单脉冲和方向信号译码控制模式；
•双全桥MOSFET驱动，低导通电阻
；
•可实现正反转控制；
•通过3位选择8档细分控制（1,1/2,1/4,1/8,1/16,1/32,1/64,1/128）；
•最高耐压40VDC；
•高输出电流
；
•HZIP19封装；
•有复位和使能管脚；
•芯片内部有过热保（TSD）和过流检测电路。
驱动电路原理图如图2.2.1所示：
图2.2.1驱动电路原理图
驱动器细分设定（M1、M2、M3）如表2.2.1所示。
表2.2.1驱动器细分设定
M1
M2
M3
细分数
L
L
L
1
H
L
L
1/2
L
H
L
1/4
H
H
L
1/8
L
L
H
1/16
H
L
H
1/32
L
H
H
1/64
H
H
H
1/128
2.3显示电路的设计与实现
本设计采用八个八段数码管实现转速显示功能，其中高4位数码管为给定转速显示，通过编程实现X、Y、Z三轴转速循环显示，低4位数码管为测速反馈的转速显示，显示方式同高4位。
STC89C52单片机内部采用查表法对转速信号进行数值处理，通过P2.0～P2.7口输出段选信号，通过P1.0～P1.2输出3路位选信号到74HC138中，通过3-8译码器对八个八段数码管进行选择。
具体显示模块的硬件电路如图2.3.1所示：
图2.3.1显示模块的硬件电路
2.4键盘电路的设计与实现
本设计中的键盘电路采用“4*4”矩阵键盘，采用键盘扫描的方式对按键信号进行捕获，并输入到STC89C52单片机的P0口中。
具体键盘功能如表2.4.1所示。
表2.4.1矩阵键盘功能
L1
L2
L3
L4
H4
系统启动
系统停止
X轴启动
X轴停止
H3
X轴加速
X轴减速
X轴减速
X轴减速
H2
Y轴加速
Y轴减速
Y轴减速
Y轴减速
H1
Z轴加速
Z轴减速
Z轴减速
Z轴减速
2.5测速模块的设计与实现
本设计采用E6B2-CWZ6C光电编码器对三轴步进电机的转速进行实时检测，并反馈到单片机中用作转速的实时显示。
E6B2-CWZ6C光电编码器有以下特点：
•对应电源电压DC5～24V；
•外径
40具备2000P/R的分辨率；
•具备使Z相对简单化的原点位置显示功能；
•实现轴负重、径向30N、推力相20N；
•附有逆接、负荷短路保护回路，改善了可靠性。
E6B2-CWZ6C的输出方式为NPN集电极开路输出方式，共有红、白、橙三路转速信号输出，本设计中只采用其一路测速信号输入到单片机的外部中断口或T1计数器外部脉冲输入端进行转速检测。
E6B2-CWZ6C内部结构如图2.5.1所示：
图2.5.1E6B2-CWZ6C内部结构
2.6限位反馈电路的设计与实现
限位开关工作原理是，当三维平台没有接近限位开关时，限位开关输出为高电平；当三维平台接近限位开关时，限位开关输出为低电平；利用单片机I/O口去捕获限位开关输出电平，当限位开关输出为低电平时，控制电机方向信号，使电机反转。
本设计中限位开关是采用LJ8A3-1-Z型，实物如图2.6.1所示。
图2.6.1限位开关实物图
3.系统软件部分具体实现
STC89C52单片机内部共有三个定时器/计数器资源分别是T0、T1、T2，两个外部中断输入口INT0和INT1，本设计中单片机的内部资源分配如表3.1所示。
表3.1单片机内部资源分配：
内部资源
工作模式
功能
T0
16位计数器
接收X轴脉冲输入
T1
16位定时器
记50ms时间作为转速计算的参考
T2
16位定时器
输出可调PWM脉冲信号
INTO
外部中断
接收Y轴脉冲输入
INT1
外部中断
接收Z轴脉冲输入
系统工作程序流程图如图3.1所示：
图3.1系统工作程序流程图
转速检测模块程序流程图如图3.2所示：
图3.2转速检测模块程序流程图
限位检测模块程序流程图如图3.3所示:
图3.3限位检测模块程序流程图
附录
附录1：
源代码
#include
#include
/*I/O口分配*/
sbitcp_x=P3^5;//驱动脉冲信号输出x
sbitcp_y=P3^6;//驱动脉冲信号输出y
sbitcp_z=P3^7;//驱动脉冲信号输出z
sbitfx_x=P1^3;//x轴方向信号
sbitfx_y=P1^4;//y轴方向信号
sbitfx_z=P1^5;//z轴方向信号
sbitx_xianwei1=P1^6;//x轴限位
sbitx_xianwei2=P1^7;//x轴限位
sbity_xianwei1=P3^0;//y轴限位
sbity_xianwei2=P3^1;//y轴限位
sbitLHJ_A=P1^0;//74HC138（3-8）译码器输入控制信号线
sbitLHJ_B=P1^1;
sbitLHJ_C=P1^2;
sfrT2MOD=0xC9;//T2定时器工作模式
unsignedcharx_speed=8,y_speed=8,z_speed=8;//给定x,y,z三轴初始化转速
unsignedcharcount_x=0,count_y=0,count_z=0;//记录三轴给定脉冲数变量
unsignedintcollect_x=0,collect_y=0,collect_z=0;//三轴测速脉冲数存储变量
unsignedchart1_flag=0,t2_flag=0,t3_flag=0,t4_flag=0;//定时器T110ms标志位
unsignedintx_tmpdate[8]={0,0,0,0,0,0,0,0};//定义数组变量
unsignedinty_tmpdate[8]={0,0,0,0,0,0,0,0};
unsignedintz_tmpdate[8]={0,0,0,0,0,0,0,0};
codeunsignedchartable[]=
{0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,
0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71};
//共阴数码管0-9a-f表
/**********************数码管位选****************************/
#defineSMG_1LHJ_C=0;LHJ_B=0;LHJ_A=0//译码器的输入脚，全0选择第一位数码管。
#defineSMG_2LHJ_C=0;LHJ_B=0;LHJ_A=1//译码器的输入脚，001选择第二位数码管。
#defineSMG_3LHJ_C=0;LHJ_B=1;LHJ_A=0
#defineSMG_4LHJ_C=0;LHJ_B=1;LHJ_A=1
#defineSMG_5LHJ_C=1;LHJ_B=0;LHJ_A=0
#defineSMG_6LHJ_C=1;LHJ_B=0;LHJ_A=1
#defineSMG_7LHJ_C=1;LHJ_B=1;LHJ_A=0
#defineSMG_8LHJ_C=1;LHJ_B=1;LHJ_A=1
voidkeyscan（void）;//扫描键盘
voiddelay（void）//延时子函数，5个空指令
{
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
_nop_（）;
}
voidinit（）
{
fx_x=1;
fx_y=1;
fx_z=1;
TL1=（65536-50000）%256;
TH1=（65536-50000）/256;
TL0=（65536-1）%256;
TH0=（65536-1）/256;
TMOD=0x15;
T2MOD=0x00;
T2CON=0x00;
IP=0x20;//外部中断0和外部中断1设置优先级
IT0=1;//外部中断0为下降沿触发
IT1=1;//外部中断1为下降沿触发
EX0=1;//开外部中断0
EX1=1;//开外部中断1
TR0=1;//开计数器1,准备测速
ET0=1;
TR1=1;//开定时器1，记50ms
ET1=1;
TL2=（65536-1000）%256;
TH2=（65536-1000）/256;
x_tmpdate[0]=0xf6;
y_tmpdate[0]=0xe6;
z_tmpdate[0]=0xdb;
//x_tmpdate[4]=0xf6;//第五个数码管显示
//y_tmpdate[4]=0xe6;
//z_tmpdate[4]=0xdb;
}
voiddisplay（unsignedint*lp）//显示
{
P2=0;//端口2为输出
SMG_1;//第一位数码管
P2=lp[0];//查表法得到要显示数字的数码段
delay（）;//延时5个空指令
P2=0;//清0端口，准备显示下位
P2=0;//端口2为输出
SMG_2;//第二位数码管
P2=table[lp[1]];//查表法得到要显示数字的数码段
delay（）;//延时5个空指令
P2=0;//清0端口，准备显示下位
SMG_3;//第三位数码管
P2=table[lp[2]];//查表法得到要显示数字的数码段
delay（）;//延时5个空指令
P2=0;//清0端口，准备显示下位出，否则进位影响到第四位数据
SMG_4;//第四位数码管
P2=table[lp[3]];//查表法得到要显示数字的数码段
delay（）;//延时5个空指令
P2=0;
//清0端口，准备显示下位
//P2=0;//端口2为输出
//SMG_5;//第五位数码管
//P2=lp[4];//查表法得到要显示数字的数码段
//delay（）;//延时5个空指令
//P2=0;//清0端口，准备显示下位
P2=0;//端口2为输出
SMG_6;//第六位数码管
P2=table[lp[5]];//查表法得到要显示数字的数码段
delay（）;//延时5个空指令
P2=0;//清0端口，准备显示下位
SMG_7;//第七位数码管
P2=table[lp[6]];//查表法得到要显示数字的数码段
delay（）;//延时5个空指令
P2=0;//清0端口，准备显示下位出
SMG_8;//第八位数码管
P2=table[lp[7]];//查表法得到要显示数字的数码段
delay（）;//延时5个空指令
P2=0;//清0端口
}
voidmain（）
{
init（）;
while
（1）
{
if（x_xianwei1==0）//限位开关控制
{
fx_x=~fx_x;
while（x_xianwei1==0）;
}
if（x_xianwei2==0）
{
fx_x=~fx_x;
while（x_xianwei2==0）;
}
if（y_xianwei1==0）
{
fx_y=~fx_y;
while（y_xianwei1==0）;
}
if（y_xianwei2==0）
{
fx_y=~fx_y;
while（y_xianwei2==0）;
}
//if（y_xianwei==0）
//fx_y=~fx_y;
//if（z_xianwei==0）
//fx_z=~fx_z;
/*给定转速数据*/
x_tmpdate[1]=15/10/x_speed;//百位x_tmpdate[0]=60000000/1000（T2初值）/200/x_speed/2/100
x_tmpdate[2]=15/1/x_speed/1%10;//十位x_tmpdate[1]=60000000/1000/200/x_speed/2/10%10
x_tmpdate[3]=150/1/x_speed%10;//个位x_tmpdate[2]=60000000/1000/200/x_speed/2%10
y_tmpdate[1]=15/10/y_speed/1;//百位
y_tmpdate[2]=15/1/y_speed/1%10;//十位
y_tmpdate[3]=150/1/y_speed%10;//个位
z_tmpdate[1]=15/10/z_speed/1;//百位
z_tmpdate[2]=15/1/z_speed/1%10;//十位
z_tmpdate[3]=150/1/z_speed%10;//个位
keyscan（）;//扫描键盘
if（t2_flag==1）//当1s时间到达时
{
t2_flag=0;//标志位置0
/*分辨率360时测定转速数据*/
x_tmpdate[5]=1*collect_x/6/100;//百位60*collect_x/360/100;
x_tmpdate[6]=1*collect_x/6/10%10;//十位
x_tmpdate[7]=1*collect_x/6%10;//个位
y_tmpdate[5]=1*collect_y/6/100;//百位
y_tmpdate[6]=1*collect_y/6/10%10;//十位
y_tmpdate[7]=1*collect_y/6%10;//个位
z_tmpdate[5]=1*collect_z/6/100;//百位
z_tmpdate[6]=1*collect_z/6/10%10;//十位
z_tmpdate[7]=1*collect_z/6%10;//个位
/*if（x_speed>4）
{
x_tmpdate[5]=x_tmpdate[5]/2;
x_tmpdate[6]=x_tmpdate[6]/2;
x_tmpdate[7]=x_tmpdate[7]/2;
}
*/
/*计数变量置位*/
collect_x=0;
collect_y=0;
collect_z=0;
}
if（t4_flag==1）
{
display（x_tmpdate）;
}
if（t4_flag==2）
{
display（y_tmpdate）;
}
if（t4_flag==3）
{
display（z_tmpdate）;
}
}
}
voidkeyscan（）//读键盘值
{
unsignedchark,k_temp;
k=0xfe;
do
{
P0=k;
k_temp=P0;
if（k!
=k_temp）
{
switch（k_temp）
{
case0x7e:
{EA=1;TR2=1;ET2=1;x_speed=8,y_speed=8,z_speed=8;fx_x=1;fx_y=1;fx_z=1;}break;//启动
case0x7d:
{EA=0;TR2=0;ET2=0;x_speed=200;y_speed=200,z_speed=200;}break;//停止
case0x7b:
{x_speed=200;}break;//x停止
case0x77:
{x_speed=8;}break;//x启动
case0xbe:
//x轴加速
{
while（P0==0xbe）;
if（x_speed>1）
x_speed=x_speed/2;break;
}
break;
case0xbd:
{
while（P0==0xbd）;
if（x_speed<64）
x_speed=x_speed*2;break;
}
break;//x轴减速
case0xbb:
{fx_x=1;break;}//x轴正向
case0xb7:
{fx_x=0;break;}//x轴反向
case0xde:
//y轴加速
{
while（P0==0xde）;
if（y_speed>1）
y_speed=y_speed/2;break;
}
break;
case0xdd:
{
while（P0==0xdd）;
if（y_speed<64）
y_speed=y_speed*2;break;
}
break;//y轴减速
case0xdb:
{fx_y=1;break;}//y轴正向
case0xd7:
{fx_y=0;break;}//y轴反向
case0xee:
//z轴加速
{
while（P0==0xee）;
if（z_speed>1）
z_speed=z_speed/2;break;
}
break;
case0xed:
{while（P0==0xed）;
if（z_speed<64）
z_speed=z_speed*2;break;
}
break;//z轴减速
case0xeb:
{fx_z=1;break;}//z轴正向
case0xe7:
{fx_z=0;break;}//z轴反向
default:
break;
}
}
k=_crol_（k,1）;
}while（k!
=0xef）;
}
voidT2ISR（void）interrupt5//T2定时器，输出驱动脉冲
{
TF2=0;
TL2=（65536-1000）%256;
TH2=（65536-1000）/256;
count_x++;
count_y++;
count_z++;
if
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