xy平面繪圖儀 課程設(shè)計(jì)

1、XY平面繪圖儀【摘要】： 本課程設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)XY平面繪圖儀，由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，單片機(jī)通過(guò)接收PC機(jī)軟件的繪圖信息，控制步進(jìn)電機(jī)完成圖形的繪制。單片機(jī)采用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)算法完成直線和圓弧的繪制，通過(guò)直線和圓弧的組合完成圖形的繪制，最終實(shí)現(xiàn)了移點(diǎn)、畫線、畫弧、畫圓、畫矩形和組合圖形的繪制?！娟P(guān)鍵詞】：XY平面繪圖 CNC 逐點(diǎn)比較法 直線圓弧插補(bǔ) 下位機(jī) 上位機(jī)Abstract：The course design is design the XY plane plotter, the System consists of host computer and the next crew co

2、mposition. By receiving graphics information from PC by software, the SingleChip control stepper motor to complete the graph drawing. Point by point comparison with the completion of a straight line and arc interpolation algorithm for drawing, through a combination of lines and arcs to complete grap

3、hics rendering, and ultimately the shift points, draw lines, draw arc, draw a circle, draw a rectangle and the combination of graphics rendering .Keywords： XY-dimensional drawings CNC Point by point comparison method目錄一、引言3二、設(shè)計(jì)任務(wù)32.1 設(shè)計(jì)題目32.2 設(shè)計(jì)要求3三、設(shè)計(jì)原理33.1 系統(tǒng)工作原理33.2 直線插補(bǔ)原理43.3 圓弧插補(bǔ)原理5四、硬件設(shè)計(jì)84.1 單

4、片機(jī)最小系統(tǒng)板84.2 串口通信電路設(shè)計(jì)8五、軟件設(shè)計(jì)95.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)95.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)10六、系統(tǒng)調(diào)試及運(yùn)行結(jié)果10七、心得體會(huì)11八、參考文獻(xiàn)11九、附錄11一、引言近年來(lái)，數(shù)控技術(shù)發(fā)展迅速。計(jì)算機(jī)數(shù)控就是利用一個(gè)專用的可存儲(chǔ)程序的計(jì)算機(jī)執(zhí)行一些或全部的基本數(shù)字控制功能的NC系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)硬件性能價(jià)格比的迅速降低和圖形顯示器的推廣應(yīng)用，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)已不需要穿孔紙帶，而由計(jì)算機(jī)直接控制，簡(jiǎn)稱CNC。XY平面繪圖儀就是一臺(tái)數(shù)控系統(tǒng)，采用計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)進(jìn)行平面圖形的繪制。本課程設(shè)計(jì)完成平面繪圖儀的設(shè)計(jì)，包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)移點(diǎn)、畫線、畫弧、畫圓、畫矩形和組成圖形的繪制

5、。二、設(shè)計(jì)任務(wù)2.1 設(shè)計(jì)題目XY平面數(shù)控繪圖2.2 設(shè)計(jì)要求1、 輸入?yún)?shù)由鍵盤錄入（數(shù)碼管顯示），繪制給定直線和圓??；2、 由程序控制繪制組合圖形；3、 根據(jù)系統(tǒng)的功能要求設(shè)計(jì)四象限直線插補(bǔ)和園弧插補(bǔ)軟件；4、 根據(jù)系統(tǒng)的功能要求設(shè)計(jì)單片機(jī)及接口電路；5、 掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試，實(shí)現(xiàn)要求功能。三、設(shè)計(jì)原理3.1 系統(tǒng)工作原理X-Y繪圖儀的機(jī)械特性主要包括平臺(tái)、XY坐標(biāo)尺h(yuǎn) 和Ly、XY傳動(dòng)絲杠驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)尺的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)MxMy、繪圖筆、控制器和微型計(jì)算機(jī)接口等，如圖3.1所示： 圖3.1 XY繪圖儀機(jī)械原理圖平臺(tái)是用于固定繪圖紙的臺(tái)面。兩個(gè)坐標(biāo)尺可在繪圖區(qū)域內(nèi)雙向運(yùn)動(dòng)，繪圖筆位于

6、兩坐標(biāo)尺的交點(diǎn)(PEN)處，XY坐標(biāo)尺的位置確定了繪圖筆的位置，可用(X，Y)坐標(biāo)對(duì)來(lái)表示其位置。繪圖筆的抬起和落下用繼電器控制。傳動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)到坐標(biāo)尺之間的傳動(dòng)，將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)尺的直線運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是每當(dāng)給定一個(gè)脈沖，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定角度，或者說(shuō)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度與勵(lì)磁電脈沖數(shù)成比例。本系統(tǒng)采用了三相六拍雙向步進(jìn)電機(jī)。微型計(jì)算機(jī)的作圖命令通過(guò)通信接口發(fā)送給控制器(單片機(jī)最小系統(tǒng))，控制器將命令進(jìn)行分析，并調(diào)用相應(yīng)的繪圖子程序。該程序的功能是驅(qū)動(dòng)x和Y方向上的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，使兩個(gè)坐標(biāo)尺按規(guī)律地移動(dòng)，將畫筆移至要求的位置。同時(shí)控制器通過(guò)筆頭繼電器控

7、制繪圖筆的起落，從而完成各種繪圖命令所給定的操作。3.2 直線插補(bǔ)原理下面以第一象限為例，介紹直線插補(bǔ)的過(guò)程及計(jì)算。（1） 偏差函數(shù)構(gòu)造 對(duì)于第一象限直線OA上任一點(diǎn)(X,Y):X/Y = Xe/Ye 若繪制點(diǎn)為Pi（Xi，Yi），則該點(diǎn)的偏差函數(shù)Fi可表示為 若Fi= 0，表示加工點(diǎn)位于直線上； 若Fi 0，表示加工點(diǎn)位于直線上方；若Fi=0，規(guī)定向 +X 方向走一步Xi+1 = Xi +1 Fi+1 = XeYi Ye(Xi +1)=Fi Ye若Fi=0Fi0，表示繪制點(diǎn)位于圓外；若Fi0，表示繪制點(diǎn)位于圓內(nèi) （2）偏差函數(shù)的遞推計(jì)算 1） 逆圓插補(bǔ) 若F0，規(guī)定向-X方向走一步若Fi0，

8、規(guī)定向+Y方向走一步 2） 順圓插補(bǔ) 若Fi0，規(guī)定向-Y方向走一步 若Fi=0Fi0進(jìn)給方向偏差公式計(jì)算進(jìn)給方向偏差公式計(jì)算逆弧1-XFi=Fi -2xi+1xi = xi-1+YFi=Fi +2y i +1y i= y i +1逆弧2-YFi=Fi -2y i +1y i= y i -1-XFi=Fi -2xi+1xi = xi-1逆弧3+XFi=Fi +2xi+1xi = xi+1-YFi=Fi -2y i +1y i= y i -1逆弧4+YFi=Fi +2y i +1y i= y i +1+XFi=Fi +2xi+1xi = xi+1順弧1-YFi=Fi -2y i +1y i= y

9、 i -1+XFi=Fi +2xi+1xi = xi+1順弧2+XFi=Fi +2xi+1xi = xi+1+YFi=Fi +2y i +1y i= y i +1順弧3+YFi=Fi +2y i +1y i= y i +1-XFi=Fi -2xi+1xi = xi-1順弧4-XFi=Fi -2xi+1xi = xi-1-YFi=Fi -2y i +1y i= y i -1表2四、硬件設(shè)計(jì)4.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)板采用STC8051RC單片機(jī)做為控制核心，電路包含時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源及指示燈和I/O電路,如圖4.1所示：圖4.14.2 串口通信電路設(shè)計(jì)由于單片機(jī)是TTL電平，而PC機(jī)是RS-2

10、32電平，故需要進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換電路如圖4.2所示：圖4.2五、軟件設(shè)計(jì)5.1 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)單片機(jī)通過(guò)跟PC機(jī)進(jìn)行通信，接收命令，控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行畫線、畫弧和組合的繪制。根據(jù)所繪制圖形的要求，采用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)算法進(jìn)行圖形的插補(bǔ)繪制。逐點(diǎn)比較法就是筆尖每移動(dòng)一步，就進(jìn)行一次偏差計(jì)算和偏差判別，判斷筆尖的實(shí)際位置與所要求的位置是否相符，從而決定出下一步的前進(jìn)方向。由于這種方法每走一步就需比較一次，所以稱之為“逐點(diǎn)比較法”，亦即“走一步看一步”。 第一象限直線的插補(bǔ)程序流程圖如圖所示：包括偏差判別、坐標(biāo)給進(jìn)、新偏差計(jì)算和終點(diǎn)判斷四個(gè)節(jié)拍，其它象限的插補(bǔ)流程可以參照表1進(jìn)行方向的給進(jìn)和偏差的計(jì)

11、算。2進(jìn)行方向的給進(jìn)和偏差的計(jì)算。（1） 直線插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)圖逐點(diǎn)比較法第一象限直線插補(bǔ)軟件框圖（2）圓弧插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)圖逐點(diǎn)比較法第一象限逆圓插補(bǔ)軟件框圖5.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)為了方便圖形的繪制，采用VC+編寫一個(gè)PC繪圖軟件繪制所需圖形，操作方便同時(shí)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本軟件可以實(shí)現(xiàn)移點(diǎn)、畫線、畫逆弧、畫順弧、畫矩形、畫圓等繪圖操作，通過(guò)打開文件，可以完成組成圖形的繪制，同時(shí)還能顯示圖形的坐標(biāo)和距離的計(jì)算，如圖5.2所示：圖5.2六、系統(tǒng)調(diào)試及運(yùn)行結(jié)果1、 移點(diǎn) 完成了筆頭在繪圖平面上任意坐標(biāo)的移動(dòng)。2、 畫線 完成了四象限直線的任意繪制。3、 畫圓弧 完成了四象限圓弧的任意繪制。4、 畫圓 完成了任意圓的繪制。5、 畫矩形 完成了矩形的繪制。6、 組合圖形繪制通過(guò)直線和圓弧的組成，最終完成組成圖形的繪制，如圖6所示：圖6七、心得體會(huì)通過(guò)課程設(shè)計(jì)，使我了解CNC控制的基本工作原理和儀器結(jié)構(gòu), 學(xué)習(xí)了直線插補(bǔ)和園弧插補(bǔ)有關(guān)算法原理,掌握了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試方法。同時(shí)也提高了自己的編程水平，包括軟件項(xiàng)目的管理、代碼編寫的規(guī)范，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法的優(yōu)化，比如文件的劃分，目錄的管理，代碼的對(duì)齊，注釋的準(zhǔn)確性，變量的命名等。八、參考文獻(xiàn)