兩軸步進電機協(xié)同順弧運動控制

1、目錄0.前言11.兩軸步進電機協(xié)同順弧基本理論31.1 單片機系統(tǒng) 89C52 板及相關(guān)、電路的工作原理31.1.1 單片機系統(tǒng) 89C52 原理31.1.2 ULN2803 功率驅(qū)動原理61.2 四相步進電機的基本原理71.3 圓弧插補的基本原理92.方案設(shè)計113.硬件電路的工作原理123.1 鍵盤輸入信號模塊123.2 按鍵復(fù)位電路133.3 脈沖晶振電路143.4 步進電機驅(qū)動電路154.編程164.1 鍵盤子程序的設(shè)計164.2 圓弧插補程序的設(shè)計174.3 驅(qū)動程序的設(shè)計185.系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析195.1 脈沖信號的測試195.2 按鍵復(fù)位電路195.3 運行軌跡205.4 兩軸

2、步進電機協(xié)同順弧性能測試206.結(jié)論及進一步設(shè)想216.1 結(jié)論216.2 設(shè)想與建議21參考文獻21附錄 1. 23附錄 2電路圖24附錄 3 C 程序25課設(shè)體會30沈陽航空航天大學課程設(shè)計兩軸步進電機協(xié)同順弧兩軸步進電機協(xié)同順弧沈陽航空航天大學自動化學院摘要：在文設(shè)計了一個兩軸步進電機協(xié)同順弧，它的主要功能是實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)中的按鍵、驅(qū)動、協(xié)同順弧等功能。設(shè)計中使用了具有大容量器的AT89C52 單片機、ULN2803 功率驅(qū)動、采用式鍵盤以及四相步進電機等元器件，了整個系統(tǒng)。使用圓弧插補算法，運用 C 語言編程和 Proteus它們進行，中，實現(xiàn)了X 軸和 Y 軸步進電機協(xié)同順弧。以應(yīng)用于

3、數(shù)控工作臺的由單片機兩軸四相步進電機帶動執(zhí)行工作，并且通過單片機發(fā)出實時脈沖，從而實現(xiàn)一些要求的功能。：圓弧插補；四相步進電機；單片機；協(xié)同順弧。0.前言隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計算機的CPU、RAM、ROM、定時器/計數(shù)器和多種 I/O 接口集成在一塊的計算機，而單片機就是這種微型計算機。它的早期含義稱為單片微型計算機（Single Chip Microcontroller）,直譯為單片機。目前有人根據(jù)單片機的結(jié)構(gòu)和微設(shè)計特點將單片機稱為微處理器（EnbeddedMicroprocessor ） 或器（ Enbedded Microcontroller ）， 現(xiàn)在稱為單片機微（M

4、icrocontroller）。其實，一塊單片機就是一臺計算機，它可以用一個表達式來表示：單片機=CPU+ROM+I/O+功能部件由于單片機的這種特殊的結(jié)構(gòu)形式，在有些應(yīng)用領(lǐng)域中，承擔了大中型計算機和通用 的微型計算機所無法完成的一些工作，使其具有很多顯著的優(yōu)點和特點。它具有優(yōu)異的性價比，單片機的這種高性能，低價格是它最顯著的一個特點。單片機盡可能把應(yīng)用所需要的器，各種功能的 I/O 口都集成在一塊內(nèi)，有的單片機為了提高速度和執(zhí)行效率，開始采用了 RISC 流水線和DSP 的設(shè)計技術(shù)，使單片機的性能明顯優(yōu)于同類型微型處理器，有的單片機內(nèi)部 ROM 可達 64KB，片內(nèi) RAM 可達 2KB，單

5、片機的尋址已64KB的限制，8 位和 16 位單片機尋址可達 1MB 和 16MB；其次是它的集成度高、體積小、可靠性高。單片機是將各種功能部件集成在一塊的之間的連線，大大提高了單片機的可靠性與上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，從而減少了各能力；另外還有它的功能強，具有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O 口的邏輯操作以及位處理功能；還有它的低電壓、低功耗，許多單片機可在 2.2V 電壓下運行，功耗至微安級，一粒紐扣電池就可以長期使用。第 1頁沈陽航空航天大學課程設(shè)計兩軸步進電機協(xié)同順弧隨著技術(shù)及技術(shù)的不斷發(fā)展，單片機的的各種性能也逐漸得到提高，從單片機的結(jié)構(gòu)功能上看，單片機的發(fā)展趨勢將向著大容量高性能化、小容量低價

6、格化和電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展，它的片內(nèi)器容量將進一步擴大。以往單片機的ROM 為1KB4KB，RAM 為 64KB128KB，這在某些復(fù)雜的場合，器的容量不夠，不得不進行外部容量擴充。目前單片機內(nèi)部的 ROM 可達 4KB8KB，RAM 可達 256KB，有的片內(nèi) ROM 可達 12KB，RAM 可達 1MB，尋址可達 16MB。今后，在處理性能上，CPU 的性能將會得到進一步，指令運算速度會大大加快，系統(tǒng)的可靠性也會大大提高；隨著集成度的不斷提高，將會把眾多的各種功能器件集成在片內(nèi)；為減少外圍驅(qū)動，進一步增加單片機并行口的驅(qū)動能力，未來的單片機將可以直接輸出大電流和高電壓，以便直接驅(qū)動顯示

7、器。為進一步加快 I/O 口的傳輸速度，開始出現(xiàn)了高速 I/O 口，它能夠以最快的速度捕捉外部數(shù)據(jù)的變化，同時以最快的速度向片外輸出數(shù)據(jù)，以適 合數(shù)據(jù)改變的場合。隨著集成工藝的不斷發(fā)展，單片機一方面向集成度更高、體積更小、 功能更強、功耗更低的方向發(fā)展；另一方面向 32 位以上及雙 CPU 方向發(fā)展。由于單片機具有很多的優(yōu)點，因此其應(yīng)用領(lǐng)域無其不至。它在智能儀器儀表、機電控制、實時以及人們的日常生活中，都有著廣泛的應(yīng)用。在單片機的機電應(yīng)用中,機電的結(jié)合出現(xiàn)了機電是指集機械技術(shù)、微。機電是機械工業(yè)發(fā)展的重要方向,機電算機技術(shù)于一體，具有智能化特征的，在這一系統(tǒng)中，單片機與電動機結(jié)合，技術(shù)機電。微

8、機的數(shù)控機床是典型的機電尤其是與步進電機結(jié)合起來，進行精確的速度及位置。步進電機可以直接接受數(shù)字信號，而無需模/數(shù)轉(zhuǎn)換，這樣可以大大簡化系統(tǒng)的復(fù)雜程度。對 X、Y 工作臺的使用步進電機的單片機系統(tǒng)，使用開環(huán)，在保證精度的同時，它大大降低了系統(tǒng)的成本，在型數(shù)控系統(tǒng)中有著巨大的應(yīng)用前景。步進電機作為執(zhí)行系統(tǒng)中。隨著微，是機電中的關(guān)鍵之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化民和計算機技術(shù)的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國領(lǐng)域都有應(yīng)用。它是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的

9、?？梢酝ㄟ^脈沖個數(shù)來角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過脈沖頻率來電機轉(zhuǎn)動的速度和度，從而達到調(diào)速的目的。步進電機可以作為一種用的特種電機，利用其沒有積累誤差(精度為 100%)的特點，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)?？傊?，隨著我國業(yè)水平的不斷提高和計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，在飛速發(fā)展的需求下，單片機的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴展，應(yīng)用水平逐步提高。相信在不遠的將來，必將打破國外本，實現(xiàn)其技術(shù)。主要研究的是以單片機為，采用逐點比較法中的圓弧插補實現(xiàn)第第 2頁沈陽航空航天大學課程設(shè)計兩軸步進電機協(xié)同順弧象限兩軸四相步進電機協(xié)同順弧。利用 C 語言編程，通過 AT98C52 單片機實現(xiàn)對步進電機的協(xié)同順弧，系統(tǒng)具有

10、能力強、可靠性較高等特點。1. 兩軸步進電機協(xié)同順弧基本理論兩軸步進電機協(xié)同順弧主要原理是以 AT89C52 單片機為，采用逐。其各點比較法中的圓弧插補部分的工作原理如下。實現(xiàn)第一、二象限兩部四相步進電機協(xié)同順弧1.1 單片機系統(tǒng) 89C52 板及相關(guān)、電路的工作原理1.1.1 單片機系統(tǒng) 89C52 原理單片機由CPU、等元器件集成在一塊器（RAM 和ROM）、I/O 接口、定時器/計數(shù)器、中斷上，片內(nèi)各功能部件通過內(nèi)部總線相互連接起來，如圖 1 所示為單片機的典型結(jié)構(gòu)框架圖。89C52 是 INTEL 公司 MCS-52 系列單片機中基本的，它采用 INTEL 公司可靠的CHMOS 工藝技

11、術(shù)的高性能 8 位單片機，屬于標準的 MCS-52 的 HCMOS。它結(jié)合了 HMOS 的高速和高密度技術(shù)特征，它基于標準的 MCS-51 單片機體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，屬于 80C51 增強型單片機版本，集成了時鐘輸出和向上或向下計數(shù)器等的功能，適合于類似馬達等應(yīng)用場合。89C52 內(nèi)置 8 位處理單元、256 字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)器RAM、8K 片內(nèi)程序器（ROM）、32 個雙向輸入/輸出(I/O)口、3 個 16 位定時/計數(shù)器和 5 個兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)時鐘振蕩電路。此外，89C52 還可工作于低功耗模式，可通過兩種選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié)CPU 而RAM 定時器

12、、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存RAM 數(shù)據(jù)，時鐘振蕩停止，同時停止兩種封裝形式。內(nèi)其它功能。89C52 有PDIP(40pin)和 PLCC(44pin)第 3頁沈陽航空航天大學課程設(shè)計兩軸步進電機協(xié)同順弧圖 1AT89 系列單片機基本結(jié)構(gòu)圖 2 為 AT89C52 的引腳圖其圖 2AT89C52 單片機引腳圖VCC：供電電壓。第 4頁AT89C5219XTAL1P0.0/AD0P0.1/AD1 P0.2/AD2XTAL2P0.3/AD3P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6RSTP0.7/AD7P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10PSENP2.3/A

13、11ALEP2.4/A12EAP2.5/A13P2.6/A14 P2.7/A15P1.0/T2P3.0/RXDP1.1/T2EXP3.1/TXDP1.2P3.2/INT0P1.3P3.3/INT1P1.4P3.4/T0P1.5P3.5/T1P1.6P3.6/WRP1.7P3.7/RD39183837369353433322921222324302531261272810211312413514615716817中斷系統(tǒng)串行接口并行接口SFR特殊功能寄存器定時/計數(shù)器RAMROMCPU沈陽航空航天大學課程設(shè)計兩軸步進電機協(xié)同順弧GND：接地。P0口：P0 口是一個 8 位漏極開路的雙向 I/O

14、口。作為輸出口，每位能驅(qū)動 8 個 TTL邏輯電平。對 P0 端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當外部程序和數(shù)據(jù)器時，P0 口也被作為低 8 位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0 具有內(nèi)部上拉電阻。在 flash 編程時，P0 口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4個TTL門電流。P1口管腳寫入“1”后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故，在flash在編程和校驗時，P1口作為第八位 地址接收。P2 口：P2 口為一個

15、內(nèi)部不提供上拉電阻的 8 雙向 I/O 口，P2 緩沖器可接收，輸出 4個 TTL 門電流，當 P2 口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2 口管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上啦的緣故。P2 口當用于外部程序或 16 位地址外部數(shù)據(jù)器進行存取時，P2 口輸出地址的。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當外部八位地址數(shù)據(jù) 輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2 口在 flash 編程和校驗時接收號。器進行讀寫時，P2 口地址信號和信P3 口：P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接受輸出 4 個 TTL 門電流。當 P3 口寫入“1”

16、后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流。P3 口作為 AT89C52 的特殊功能口，其功能如表 1。表 1P3 口引腳的特殊功能表REST:復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持 REST 腳兩個機器周期的高電間。ALE/PROG:當外部器時，地址鎖存的輸出電平喲公寓鎖存地址的低位字節(jié)。在 flash 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在，ALE 斷以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為震蕩頻率的 1/6。因此他可以用作外部輸出的脈沖或用于定時要注意的是：沒到那個用作外部數(shù)據(jù)器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如果目的。第 5頁管腳備選功能P3.

17、0RXD(串行輸)P3.1TXD(串行輸出口)P3.2/INT0(外部中斷 0)P3.3/INT1(外部中斷 1)P3.4T0(計時器 0 外部輸入)P3.5T1(計時器 1 外部輸入)P3.6/WR(外部數(shù)據(jù)器寫通道)P3.7/RD(外部數(shù)據(jù)器讀通道)沈陽航空航天大學課程設(shè)計兩軸步進電機協(xié)同順弧想禁制 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時，ALE 只有執(zhí)行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微置位無效。，如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE，/PSEN：外部程序兩次/PSEN 有效，但在器的選通信號。在由外部程序器取指期間，每個機器周期外部數(shù)據(jù)器時，

18、這兩次有效的/PSEN 信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP；當/EA 保持低電，單片機只外部程序器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序器。其中加密方式 1 時，/EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當/EA 保持高電，單片機內(nèi)部程序器。在 flash 編程區(qū)間，此引腳也用于施加 12V 變成電源（VCC）。XTAL1：反向震蕩放大器的輸入及內(nèi)部始終工作電路輸入。XTAL2：來自反向振蕩器。1.1.2 ULN2803 功率驅(qū)動原理ULN2803 顯示驅(qū)動為高電壓、大電流的晶體管，具有集電極開路輸出和具有瞬變抑制的續(xù)流箱位二極管，與標準 TTL 系列兼容。如果個二極管在感性負載兩端，以防止擊穿 U

19、LN2803。感性負載，最好并一圖 3ULN2803 引腳圖其各引腳功能如下：18 腳低電平9 腳接地。10 腳接 VCC 電源正極。輸出。1118 腳接的負載一端，負載另一端接 VCC 電源正極。ULN2803 最大額定值見表 2：第 6頁1011B1C1822B2C1733B3C1644B4C1555B5C1466B6C1377B7C1288B8C11ULN2803沈陽航空航天大學課程設(shè)計兩軸步進電機協(xié)同順弧表 2ULN2803 最大額定值電路原理圖見圖 4：圖 4ULN2803 電路原理圖1.2 四相步進電機的基本原理該步進電機為四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相

20、繞組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉(zhuǎn)動。圖 5 是該四相反應(yīng)式步進電機工作原理示意圖。第 7頁額定值符號值輸出電壓V050V輸入電壓（除ULN2801）V130V集電極電流連續(xù)IC500mA基極電流-連續(xù)IB25mA工作環(huán)境溫度范圍TA0+7 C保存溫度范圍Tstg-55+150 C結(jié)溫TJ125 C沈陽航空航天大學課程設(shè)計兩軸步進電機協(xié)同順弧圖 5四相步進電機步進示意圖開始時，開關(guān)SB 接通電源，SA、SC、SD 斷開，B 相磁極和轉(zhuǎn)子 0、3 號齒對齊， 同時，轉(zhuǎn)子的 1、4 號齒就和 C、D 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒，2、5 號齒就和 D、A 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。當開關(guān)SC 接通電源，S

21、B、S于C 相繞組的磁力線和 1、4 號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，1、4 號齒和C 相繞組的磁極對齊。而 0、3 號齒和 A、B相繞組產(chǎn)生錯齒，2、5 號齒就和A、D 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推，A、B、C、D 四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D 方向轉(zhuǎn)動。四相步進電機按照通電順序的不同，可分為拍、拍、八拍三種工作方式。單四拍與拍的步距角相等，但拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是拍與拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高精度。拍、拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖 6 所示：圖 6步進電機工作時序波形圖第 8頁沈陽航空航天大學課程設(shè)計兩軸

22、步進電機協(xié)同順弧1.3 圓弧插補的基本原理為了使兩軸步進電機能夠協(xié)同工作，本次設(shè)計采用圓弧插補原理作為算法。插補是坐標協(xié)調(diào)的，使幾個的坐標，組一條曲線。數(shù)控技術(shù)中按插補算法可歸納為兩類：一類稱“一次插補法”，基本特點是每插補運算 一次，最多給每一軸進給一個脈沖，常用的有逐點比較法和數(shù)字積分法。這類算法，進給 速度受到限制，過去的硬件數(shù)控系統(tǒng)常采用。另一類稱“二次插補法”，它把插補功能分為 粗插補和精插補兩部分完成。常用的有時間分割法和擴展數(shù)字積分器法，這類算法在每個插補運算周期里輸出的不是單個脈沖，而是線段。因而能顯著提高進給速度，在高精度自動化數(shù)控機得廣泛采用。由于條件限制和具體要求，本設(shè)計

23、中選用逐點比較法對圓弧分別進行插補。逐點比較法又稱代數(shù)運算法、醉步法。這種的基本原理是：計算機在過，能逐點地計算和判別誤差，與規(guī)定的軌跡進行比較，由比較結(jié)果決定下一步的移動方向。逐點比較法即可以作直線插補，又可以作圓弧插補。這種算法的特點是，運算直觀，插補誤差小于一個脈沖當量，輸出脈沖均勻，而且輸出脈沖的速度變化小，調(diào)節(jié)方便，因此，在兩坐標聯(lián)動的數(shù)控機床中應(yīng)用較。地，逐點比較法插補過程有四個處理節(jié)拍，如圖 7 所示：開始終點Y圖 7 逐點比較法流程圖第 9頁結(jié)束偏差計算坐標進給偏差判別N沈陽航空航天大學課程設(shè)計兩軸步進電機協(xié)同順弧刀尖點位置不外乎三種情況：輪廓線上方（點 A），輪廓線上（B 點

24、），輪廓線下方（點C）。以第一象限為例，如圖 8，顯然，在點A 處為使刀尖點向輪廓直線靠攏，應(yīng)-Y 向走一步；C 點處，應(yīng)+X 向走一步；至于B 點，看來兩個方向均可以，但考慮編程時的方便，現(xiàn)規(guī)定往-Y 向走一步。圓弧插補刀具偏差與進給方向示意圖如圖 8 所示。圖 8圓方向示意圖AB C（X，Y）點有：XYR即XYR0即 XYR=0即 XYR0(X,(X,Y) 點有；XY=RY)點有； XYRF=X+Y-R為原始的偏差計算公式（X，Y）為當前插補點動態(tài)坐標。顯然，F(xiàn)=0 時，需-Y 向走一步。為方便編程和提高計算速度，現(xiàn)對偏差 F 的計算公式加以簡化：插補點位于 A，B 點時，走完（-Y）；動

25、態(tài)坐標變?yōu)椋╔=X，Y=Y-1），新偏差變?yōu)?F=（X）+（Y-1）-RF-2Y+1。插補點位于 C點時，走完（+X）；動態(tài)坐標變?yōu)椋╔=X+1 ，Y=Y），新偏差變?yōu)?F=（X+1）+（Y）-RF+2X+1。因此，走完Y 后：偏差計算公式為 F=F-2Y+1；走完+X 后：偏差計算公式為 FF+2X+1。通過第一象限的行走路徑，可以得到逐點比較法的基本思想：每次只在一個坐標方向 進給一小步，然后計算進給每一個坐標到下一個位置后與理想位置的誤差，并比較這個誤 差，選擇一個誤差小的方向進給。根據(jù)這個基本思想，我們可以推導(dǎo)出逐點比較法圓弧插補算法公式表，具體算法如表 3 所示。第 10頁沈陽航空航

26、天大學課程設(shè)計兩軸步進電機協(xié)同順弧表 3圓弧插補公式表逐點比較法是整個算法的，是整個系統(tǒng)中最重要的一個環(huán)節(jié)，通過它，我們才能實現(xiàn)對步進電機的有效。對照表，我們可以編寫不同象限的順圓弧，實現(xiàn)步進電機在不同象限的協(xié)同，最終達到本次試驗的目的。2. 方案設(shè)計本設(shè)計中的單片機硬件系統(tǒng)是兩軸數(shù)控工作臺的硬件體現(xiàn)，它真實的反映了簡易數(shù)控系統(tǒng)的基本裝置，該裝置結(jié)構(gòu)簡單實用、成本低廉。兩軸步進電機的單片機系統(tǒng)的硬件部分由單片機的最小系統(tǒng)、功率驅(qū)動器、執(zhí)行裝置步進電機、鍵盤等功能模塊組成，其基本框架如圖 9 所示。該系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能有以下部分：第 11頁象限和順圓偏差符號判別進給方向偏差公式計算坐標位置修改第

27、一象限順圓F=0-YF=F-2Y+1Y=Y-1第三象限順圓+Y第二象限順圓F=0+XF=F-2X+1X=X-1第四象限順圓-X第一象限順圓F0+XF=F+2X+1X=X+1第三象限順圓-X沈陽航空航天大學課程設(shè)計兩軸步進電機協(xié)同順弧通過單片機的最小系統(tǒng)實現(xiàn)適時的定時延時功能，脈沖的輸入/輸出；通過；對鍵盤進行處理及掃描，定義按鍵各功能，實現(xiàn)對步進電機運行狀態(tài)的有效使用兩個功率驅(qū)動器對從 I/O 口輸出的功率進行放大，結(jié)合實現(xiàn)對 X、Y 兩個坐標方向的圓弧插補的。圖 9硬件基本結(jié)構(gòu)框圖3. 硬件電路的工作原理3.1 鍵盤輸入信號模塊鍵盤按結(jié)構(gòu)分為式和矩陣式，式鍵盤由 I/O 口線組成的單鍵電路，

28、每個式按鍵單獨占有一跟 I/O 口線，每跟 I/O 口線上的按鍵工作狀態(tài)影響其它 I/O 口線的工作狀態(tài)，這種按鍵電路配置靈活，結(jié)構(gòu)簡單；矩陣式鍵盤適用于按鍵較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵位于行列的交叉點上，行線、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。根據(jù)的要求，選擇式鍵盤，共使用了 AT89C52 的 P3.0P3.3 四根 I/O 口線，P3.0 作為電機啟動鍵, P3.1 作為電機關(guān)閉鍵，P3.2 作為第一象限輸入，P3.3 作為第二象限輸入，通過實現(xiàn)對按鍵的掃描及對按鍵的處理。圖 10 為鍵盤接口電路圖。第 12頁Y 軸步進電機ULN280 3獨立式鍵盤X 軸步進電機ULN280 3A

29、T 89C 52沈陽航空航天大學課程設(shè)計兩軸步進電機協(xié)同順弧圖 10鍵盤接口電路圖鍵盤的工作方式有編程掃描中斷掃描方式兩種。編程掃描方式是利用CPU 在完成其它工作的空余，調(diào)用鍵盤掃描子程序來響應(yīng)鍵輸入要求，在執(zhí)行鍵功能程序時，CPU 不再響應(yīng)鍵輸入要求；采用編程掃描工作方式，響應(yīng)鍵入令和數(shù)據(jù)，但是這種方式不管鍵盤上有無鍵按下，CPU 總要定時掃描鍵盤，而應(yīng)用系統(tǒng)在工作時，并不經(jīng)常需要鍵輸入，因此 CPU 經(jīng)常處于空掃描狀態(tài)。為了進一步的提高 CPU 的工作效率，可采用中斷掃描工作方式。即當鍵盤上有鍵閉合時產(chǎn)生中斷請求，CPU 響應(yīng)中斷請求后，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷服務(wù)程序相應(yīng)的處理。中，判別鍵盤上閉合

30、鍵的鍵號，并作該系統(tǒng)中采用編程掃描方式，這樣可以簡化硬件電路，降低成本，增強實用性。3.2 按鍵復(fù)位電路單片機在啟動運行時都需要復(fù)位，復(fù)位使 CPU 和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的工作狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。在系統(tǒng)中，有時也會出現(xiàn)顯示不正常，也為了調(diào)試 方便，需要設(shè)計一個復(fù)位電路，復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)在運行時用戶的 按鍵復(fù)位功能。復(fù)位電路通常采用上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方式。上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。按鍵手動復(fù)位有電平脈沖方式兩種。其中電平方式復(fù)位是通過 RST 端經(jīng)電阻與電源 Vcc 接通而實現(xiàn)的，按鍵脈沖復(fù)位則是利用 RC 微分電路產(chǎn)生的正脈沖

31、來實現(xiàn)的。在此系統(tǒng)中單片機的復(fù)位靠外部電路實現(xiàn)的，AT89C52 單片機有一個復(fù)位引腳 RST，高電平有效。只要 RST 保持高電平，單片機便保持復(fù)位狀態(tài)。此時，ALE/PSEN、P0、P1、P2、P3 口都輸出高電平。RST 變成低電平后，需要注意的是，復(fù)位操作不影響片內(nèi) RAM 的內(nèi)容。復(fù)位狀態(tài)，CPU 開始正常工作。復(fù)位電路的基本功能是系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源后，撤銷復(fù)位信號。根據(jù)的要求，選擇按鍵電平方式復(fù)位，復(fù)位電路圖見圖 11，RST 接 AT89C52第 13頁S4D4R4U2:DU1 121317 P3.7/RDP1.7 816 P3.6/WRP1.6 715 P3.

32、5 T1P1.5 614 P3.4 T0P1.4 513 P3.3 INT1P1.3 4S3D3U2:C12 P3.2 INT0P1.2 3R311 P3.1 TXDP1.1/T2EX26510 P3.0/RXDP1 0/T21560LED-GREEN740428 P2.7/A1527 P2.6/A142631S2D2U2:B25 P2.5/A13EA30P2.4/A12ALER224 P2.3/A11PSEN294323 P2.2/A1022 P2.1/A921 P2.0/A832 P0.7/AD7RST9S1D1U2:A33 P0.6/AD6R134 P0.5/AD52135 P0.4/A

33、D456036 P0.3/AD3XTAL218LED-BLUE740437 P0.2/AD238 P0.1/AD139 P0.0/AD0XTAL119AT89C52560LED-YELLOW7404560LED-RED7404沈陽航空航天大學課程設(shè)計兩軸步進電機協(xié)同順弧的 RST 引腳，當按鍵按下時接通高電平，松開時，接低電平。S5 為手動復(fù)位開關(guān)。按鍵復(fù)位時設(shè)t 在0 t 之間時S5合上， t0波形圖如圖12所示。 t 時，S5斷開，則 u 和t 有以下函數(shù)0R，- tt 1 )R6V(1- e0 t =0YF=F-2*X+1 X=X+1F=F-2*Y+1Y=Y-1N到終點Y結(jié)束圖 17第一

34、象限順弧插補程序流程4.3 驅(qū)動程序的設(shè)計驅(qū)動程序主要完成對步進電機的驅(qū)動，程序流程圖如圖 18。第 18頁-Y 走一步+X 走步延時沈陽航空航天大學課程設(shè)計兩軸步進電機協(xié)同順弧開始結(jié)束圖 18驅(qū)動程序流程圖5. 系統(tǒng)調(diào)試和結(jié)果分析5.1 脈沖信號的測試圖 19 為示波器測試脈沖晶振電路產(chǎn)生的脈沖信號。圖 19示波器測試脈沖信號5.2 按鍵復(fù)位電路下表為復(fù)位電路測試數(shù)據(jù)。表 4 測試數(shù)據(jù)表第 19頁R 值(K)C 值(F)頻率（KHz）周期(us)100550024調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速取插補數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)動一圈沈陽航空航天大學課程設(shè)計兩軸步進電機協(xié)同順弧5.3 運行軌跡下圖為第一象限運行軌跡。圖 20實際運行軌跡

35、5.4 兩軸步進電機協(xié)同順弧性能測試如圖 21 所示，將各部分連接好之后就可以對電路進試。圖 21兩軸步進電機協(xié)同順弧電路圖首先測試第一象限圓弧，當按鍵 S3 按下，D3（LED 燈）亮，X 軸步進電機先轉(zhuǎn)一周，接著 Y 軸步進電機轉(zhuǎn)動一周，即兩軸步進電機各走一步，如此循環(huán) X 軸和 Y 軸電機各走5 步，到達終點，實現(xiàn)了在第一象限順弧止。當按下 S5 鍵，系統(tǒng)將重新開始。在此期間當按下 S2 鍵兩軸電機都停其次測試第二象限圓弧，當按鍵 S4 按下，D4（LED 燈）亮，Y 軸步進電機先轉(zhuǎn)一周，接著 X 軸步進電機轉(zhuǎn)動一周，即兩軸步進電機各走一步，如此循環(huán) Y 軸和 X 軸電機各走第 20頁S

36、4D4U2:DU2VCCR4U1COM 10 121317 P3 7/RDP1.7 81 1B1C 18 56016 P3.6/W RP1.6 72 2B2C 17LED-RED740415 P3.5/T1P1.5 63 3B3C 16 14 P3.4/T0P1.4 54 4B4C 1513 P3 3/INT1P1.3 45 5B5C 14 S3D3U2:C1236 6B6C 13R3 65 560LED-GREEN740428 P2.7/A15ULN280327 P2.6/A1426 P2.5/A13EA 31S2D2U2:B25 P2.4/A12ALE 30R224 P2.3/A11PSE

37、N 29VCC 4323 P2.2/A10U322 P2.1/A921 P2.0/A8COM 10 1 1B1C 1832 P0.7/AD7RST 92 2B2C 17S1D1U2:A33 P0.6/AD63 3B3C 16R134 P0.5/AD54 4B4C 15 2135 P0.4/AD45 5B5C 14 36 P0.3/AD3XTAL2 186 6B6C 13+88 837 P0.2/AD27 7B7C 12 38 P0.1/AD18 8B8C 1139 P0.0/AD0XTAL1 19ULN2803VCCAT89C52C3X15fS5CRYSTALR6C2C11kR5200pF20

38、0pF100k560LED-BLUE7404560LED-YELLOW7404沈陽航空航天大學課程設(shè)計兩軸步進電機協(xié)同順弧5 步，到達終點，實現(xiàn)了在第二象限順弧止。當按下 S5 鍵，系統(tǒng)將重新開始。在此期間當按下 S2 鍵兩軸電機都停6. 結(jié)論及進一步設(shè)想6.1 結(jié)論本設(shè)計是兩軸步進電機協(xié)同順弧象限兩部四相步進電機協(xié)同順弧,采用逐點比較法中的圓弧插補實現(xiàn)第。通過 AT89C52 單片機的最小系統(tǒng)實現(xiàn)適時的定時延時功能，脈沖的輸入/輸出；通過對鍵盤進行處理及掃描，定義按鍵各功能，實現(xiàn)對步進電機運行狀態(tài)的有效；使用兩個功率驅(qū)動器對從 I/O 口輸出的功率進行放大，結(jié)合實現(xiàn)對 X、Y 兩個坐標方向的

39、圓弧插補的?？傮w來說，電路及程序基本符合此次課程設(shè)計的要求。6.2 設(shè)想與建議算法的改進可以將逐點比較法改進為數(shù)字積分法，因數(shù)字積分法易于實現(xiàn)多坐標聯(lián)動。只需輸入廓曲線。圓弧插補時，x 軸動點坐標不多的幾個數(shù)據(jù)，就能圓弧等值累加的溢出脈沖作為 y 軸的進給脈沖，y 軸動點坐標值累加溢出脈沖作為 x 軸的進給脈沖。對課設(shè)的建議希望以后學校能提供這樣的學習機會，鍛煉和提高學生的綜合能力。參考文獻123456789劉復(fù)華. 單片機及其應(yīng)用系統(tǒng).，1992，2002.1,2003.1：.8051 單片機C 語言徹底應(yīng)用.科學.單片機接術(shù)及應(yīng)用.：機械工業(yè).電動機的單片機.：航空航天大學,2002.5.

40、單片機高級語言C51Windows 環(huán)境編程與應(yīng)用.：，2001于海生.微型計算機技術(shù).：,1999.3、.單片機原理及應(yīng)用. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2004.6成、楊加國.單片機原理與應(yīng)用及C51 程序設(shè)計.：,2009.7.新概念 51 單片機C 語言.：工業(yè),2009.1第 21頁沈陽航空航天大學課程設(shè)計兩軸步進電機協(xié)同順弧1011傳.計算機圖形學.：人民郵電,2002.7：冶金工業(yè)衛(wèi)平等.單片機系統(tǒng)開發(fā)實例經(jīng)典.,2006.3第 22頁沈陽航空航天大學課程設(shè)計兩軸步進電機協(xié)同順弧附錄 1第 23頁名稱型號數(shù)量單片機AT89C521驅(qū)動ULN28032四相步進電機12V 100mH2電

41、阻560 W 1K100K6電容200pf2極性電解電容5f1晶振12MHz1LED 燈2.2V 10mA4非門74044BUTTON5電源Vcc4沈陽航空航天大學課程設(shè)計兩軸步進電機協(xié)同順弧附錄 2電路圖第 24頁沈陽航空航天大學課程設(shè)計兩軸步進電機協(xié)同順弧附錄 3C 程序#include#define uchar unsigned char/頭文件sbit key1=P30;/啟動sbit key2=P31;/關(guān)閉sbit key3=P32;/第一象限sbit key4=P33;/第二象限sbit A=P10;sbit Q=P11;sbit C=P12;sbit D=P13;sbit E=P14;sbit F=P15;sbit G=P16;sbit H=P17;unsigned char code FFX8=0x6f,0x7f,0x3f,0xbf,0x9f,0xdf,0x