xy绘图仪课程设计.doc

课程名称：微机原理与接口综合设计 课程代码： 实训周数： 1 学 分： 1 实训单位： 实训地点： 实训时间： 2010-6-28至2010-7-2 设计说明书目录一、引言 1二、设计任务 11、设计题目 12、设计要求 1三、设计原理 11、系统工作原理 12、直线插补原理 23、圆弧插补原理 44、步进电机驱动原理6四、硬件设计 71、硬件电路连接图7五、系统软件流程图 8六.实验程序及运行调试 81、逐点比较法直线插程序 82、步进电机控制程序93、程序调试结果 12七、芯片资料 121、CPU8086内部结构122、8255A可编程并行接口芯片 153、74LS1414八、总结 17九、参考资料18X-Y坐标仪的计算机控制系统一、引言计算机数控就是利用一个专用的可存储程序的计算机执行一些或全部的基本数字控制功能的NC系统。随着计算机硬件性能价格比的迅速降低和图形显示器的推广应用，现代数控系统已不需要穿孔纸带，而由计算机直接控制，简称CNC 。X-Y坐标仪的计算机控制系统,可以用作绘图仪，线切割机床及响应的金属切削加工设备的自动控制绘图或机械加工。本课程设计完成平面绘图仪的设计，包括硬件设计和软件设计，由Intel8086实现自动控制。二、设计任务1、设计题目X-Y坐标仪的计算机控制系统2、设计要求1、 用按钮进行停止和进步机正反转控制（坐标仪正向或者反向移动）；2、 有指示灯表示X-Y电机的运动状态（运动与否，正向还是反向运动）；3、 设计脉冲分配电路，设计功放电路；4、设计分配电路、设计功放电路；5、设计软件流程图；6、设计逐点比较法直线插补程序；7、根据系统的功能要求设计单片机及接口电路；8、掌握计算机控制系统的软件设计与调试，实现要求功能。三、设计原理1、系统工作原理运动控制技术是一项将机械、电子等及有机结合综合运用的机电一体化新兴技术。X-Y坐标仪的计算机控制系统是绘图仪、线切割机床等的重要控制部分，控制系统通过控制两个步进电机机的正转和反转状态，可以是X-Y坐标在工作区域内作双向运动，进而确定工作位置的坐标。步进电机通过传动丝杠实现步进电动机到坐标尺之间的传动，将步进电动机的旋转角度转换为坐标尺的直线运动，确定工作位置。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。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，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。微型计算机的坐标控制命令通过通信接口发送给控制器，控制器将命令进行分析，并调用相应的程序。该程序的功能是驱动X和Y方向上的步进电动机，使两个坐标尺按规律地移动，将工作点移至要求的位置，完成相对应的运动控制。控制系统及机械原理图2、直线插补原理下面以第一象限为例，介绍直线插补的过程及计算。（1） 偏差函数构造 对于第一象限直线OA上任一点(X,Y):X/Y = Xe/Ye 若绘制点为Pi（Xi，Yi），则该点的偏差函数Fi可表示为 若Fi= 0，表示加工点位于直线上； 若Fi 0，表示加工点位于直线上方；若Fi 0，表示加工点位于直线下方。（2）偏差函数字的递推计算采用偏差函数的递推式（迭代式）既由前一点计算后一点Fi =Yi Xe -XiYe若Fi=0，规定向 +X 方向走一步Xi+1 = Xi +1 Fi+1 = XeYi Ye(Xi +1)=Fi Ye若Fi0，规定 +Y 方向走一步，则有Yi+1 = Yi +1Fi+1 = Xe(Yi +1)-YeXi =Fi +Xe（3）终点判别直线插补的终点判别可采用三种方法。1）判断插补或进给的总步数；2）分别判断各坐标轴的进给步数；3）仅判断进给步数较多的坐标轴的进给步数。 （4）逐点比较法直线插补举例对于第一象限直线OA，终点坐标Xe=6 ,Ye=4，插补从直线起点O开始，故F0=0 。终点判别是判断进给总步数N=6+4=10，将其存入终点判别计数器中，每进给一步减1，若N=0，则停止插补。 （5）偏差计算直线四象限的偏差计算公式如表1所示:象限Fi=0Fi0进给方向偏差公式计算进给方向偏差公式计算+xFi=Fi - ye+yFi=Fi + xe-xFi=Fi + ye+yFi=Fi + xe-xFi=Fi + ye-yFi=Fi - xe+xFi=Fi - ye-yFi=Fi - xe表13、圆弧插补原理下面以第一象限为例，介绍圆弧插补的过程及计算。（1）偏差函数 若绘制点为点Pi（Xi，Yi），偏差函数Fi可表示为iXi 2Yi 2R若Fi=0，表示绘制点位于圆上；若Fi0，表示绘制点位于圆外；若Fi0，表示绘制点位于圆内 （2）偏差函数的递推计算 1） 逆圆插补 若F0，规定向-X方向走一步若Fi0，规定向+Y方向走一步 2） 顺圆插补 若Fi0，规定向-Y方向走一步 若Fi0，规定向+y方向走一步（3）终点判1）判断插补或进给的总步数：2）分别判断各坐标轴的进给步数；（4）逐点比较法圆弧插补举例对于第一象限圆弧AB，起点A（4，0），终点B（0，4） （5）偏差计算圆弧四象限的偏差计算公式如表2所示:园弧类型Fi=0Fi0进给方向偏差公式计算进给方向偏差公式计算逆弧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顺弧1-YFi=Fi -2y i +1y i= y i -1+XFi=Fi +2xi+1xi = xi+1顺弧2+XFi=Fi +2xi+1xi = xi+1+YFi=Fi +2y i +1y i= y i +1顺弧3+YFi=Fi +2y i +1y i= y i +1-XFi=Fi -2xi+1xi = xi-1顺弧4-XFi=Fi -2xi+1xi = xi-1-YFi=Fi -2y i +1y i= y i -1表24、步进电机驱动原理步进电机驱动原理是通过对每相线圈中的电流的顺序切换来使电机作步进式旋转。切换是通过单片机输出脉冲信号来实现的。所以调节脉冲信号的频率便可以改变步进电机的转速，改变各相脉冲的先后顺序，可以改变电机的旋转方向。步进电机的转速应由慢到快逐步加速。 20四、硬件设计1、硬件电路连接图 采用Intel8086CPU作为控制核心，电路包含时钟电路、复位电路、电源及指示灯和I/O电路,如图所示：驱动器根据拨码开关的不同组合实现对步进电机的运动控制，正转和反转。五、系统软件流程图 六.实验程序及运行调试1、逐点比较法直线插程序：ORG 0000HMAIN: MOV TMOD, #01HMOV 30H,#30 MOV 31H,#40MOV 40H,#0MOV P1, #0 MOV A,30HADD A,40HMOV 50H,AMOV 50H,AMOV A,31HCPL A ADD A,#1MOV 31H,ALOOP: MOV TH0,#0FDHMOV TL0, #12HSETB TROMOV A ,40HJB ACC,7,STEP_YACALL PXMOV A , 40HADD A,31HMOV 40H,AJNB TF0,$CLR TF0DJNZ 50H,LOOPAJMP PENDSTEP_Y:ACALL PYMOV A , 40HADD A,30HMOV 40H , AJNB TF0,$CLR TF0DJNZ 50H,LOOPPEND:AJMP $2、步进电机控制程序：MY_DATA SEGMENTA8255DW0C400HB8255DW0C401HC8255DW0C402HD8255DW0C403H SHUNDB03H,06H,09H,0CH;顺时针旋转SGTB DB0F9H,0A4H,0B0H,099H,92H,82HDCODEDB?MY_DATA ENDsMY_CODE SEGMENT MY_PROCPROCFARASSUME CS:MY_CODE,DS:MY_DATASTART:MOVAX,MY_DATAMOVDS,AX MOVDX,D8255MOVAL,90HOUTDX,ALMOVBL,33HNEW:MOV DX,A8255IN AL,DXTESTAL,80H;开关的启停JNZNEXTMOVDX,C8255MOVAL,00HOUTDX,ALJMPNEWNEXT:NOPMOVDX,C8255AGAIN1:MOVAL,BLOUTDX,ALCALLDELAYMOV DX,A8255IN AL,DXTESTAL,40H;测试正反开关JNZFANROLBL,1JMPNEWFAN: ROR BL,1 JMP NEWEXIT:MOVAX,4C00HINT21HMY_PROCENDPDELAY PROC NEAR;延时程序PUSHCXPUSH SIMOV DX,A8255IN AL,DXTESTAL,01HJNZ S2TESTAL,02HJNZ S3TESTAL,04HJNZ S4TESTAL,08HJNZ S5TESTAL,10HJNZ S6TESTAL,20HJNZ S7S1:MOV SI,200H MOV DX,B8255 OUTDX,AL JMP D1S2:MOV DX,B8255MOVAL,0F9HOUTDX,ALMOV SI,300H JMP D1S3:MOV DX,B8255MOVAL,0A4HOUTDX,ALMOV SI,500H JMP D1S4:MOV DX,B8255MOVAL,0B0HOUTDX,ALMOV SI,700H JMP D1S5:MOV DX,B8255MOVAL,099HOUTDX,ALMOV SI,900H JMP D1S6:MOV DX,B8255MOVAL,92HOUTDX,ALMOV SI,1100H JMP D1S7:MOV DX,B8255MOVAL,82HOUTDX,ALMOV SI,1300HD1: MOV CX,-1D2: LOOPD2 DECSI JNZD1 POP SI POPCX RETDELAY ENDpMY_CODE ENDS END START3、程序调试结果以上是程序的调试结果，程序正常，能够达到要求。七、芯片资料CPU8086内部结构1、总线接口单元 (BIU)总线接口部件由下列各部分组成： （1）4个段地址寄存器； CS16位的代码段寄存器； DS16位的数据段寄存器； ES16位的扩展段寄存器； SS16位的堆栈段寄存器； （2）16位的指令指针寄存器IP； （3）20位的地址加法器； （4）6字节的指令队列缓冲器。2执行单元EU 执行部件由下列几个部分组成： （1）4个通用寄存器，即AX、BX、CX、DX； （2）4个专用寄存器：BP, SP, SI, DI （3）标志寄存器FR； （4）算术逻辑单元ALU。 2、BIU和EU的管理(1) BIU和EU可以并行工作，提高CPU效率。BIU监视着指令队列。当指令队列中有2个空字节时，就自动把指令取到队列中。 (2) EU执行指令时，从指令队列头部取指令，然后执行。如需访问存储器，则EU向BIU发出请求，由BIU访问存储器。 (3) 在执行转移、调用、返回指令时，需改变队列中的指令，要等新指令装入队列中后，EU才继续执行指令。3、引脚及功能CPU工作于最小模式时使用的引脚信号当引脚接高电平时，CPU工作于最小模式。此时，引脚信号2431的含义及其功能如下： （1）（memory I/O select）：存储器、I/O端口选择控制信号。 信号指明当前CPU是选择访问存储器还是访问I/O端口。为高电平时，访问存储器，表示当前要进行CPU与存储器之间的数据传送。为低电平时，访问I/O端口，表示当前要进行CPU与I/O端口之间的数据传送。 （2）（write）：写信号，输出，低电平有效。 信号有效时，表明CPU正在执行写总线周期，同时由信号决定是对存储器还是对I/O端口执行写操作。 （3）（interrupt acknowledge）：可屏蔽中断响应信号，输出，低电平有效。 CPU通过信号对外设提出的可屏蔽中断请求做出响应。为低电平时，表示CPU已经响应外设的中断请求，即将执行中断服务程序。 （4）ALE（address lock enable）：地址锁存允许信号，输出，高电平有效。 CPU利用ALE信号可以把AD15 AD0地址/数据、A19/S6A16/S3地址/状态线上的地址信息锁存在地址锁存器中。 （5）DT/（data transmit or receive）：数据发送/接收信号，输出，三态。 DT/信号用来控制数据传送的方向。DT/为高电平时，CPU发送数据到存储器或I/O端口；DT/为低电平时，CPU接收来自存储器或I/O端口的数据。 （6）（data enable）：数据允许控制信号，输出，三态，低电平有效。 信号用作总线收发器的选通控制信号。当为低电平时，表明CPU进行数据的读/写操作。 （7）HOLD（bus hold request）：总线保持请求信号，输入，高电平有效。 在DMA数据传送方式中，由总线控制器8237A发出一个高电平有效的总线请求信号，通过HOLD引脚输入到CPU，请求CPU让出总线控制权。 （8）HLDA（hold acknowledge）：总线保持响应信号，输出，高电平有效。 HLDA是与HOLD配合使用的联络信号。在HLDA有效期间，HLDA引脚输出一个高电平有效的响应信号，同时总线将处于浮空状态，CPU让出对总线的控制权，将其交付给申请使用总线的8237A控制器使用，总线使用完后，会使HOLD信号变为低电平，CPU又重新获得对总线的控制权。8255A可编程并行接口芯片8255A是一种可编程的芯片，它采用双列直插封装，用+5V电源供电。内部有3个8位的I/O端口：A口、B口和C口。这三个端口也可以分为各有12位的两组：A组和B组。A组包含A口8位和C口的高四位，B组包含B口8位和C口的低四位；A组控制和B组控制用于实现方式选择操作；读写控制逻辑用于控制芯片内部寄存器的数据和控制字经数据总线缓冲器送入各组接口寄存器中。由于8255A数据总线缓冲器是双向三态8位驱动器，因此可以直接和8088系统数据总线相连。8255A的内部逻辑结构见下图： 1、8255的引脚RESET:复位输入线，当该输入端处于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。 CS:芯片选择信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/CS=0时,表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯;/CS=1时,8255无法与CPU做数据传输. RD:读信号线，当这个输入引脚为低电平时,即/RD=0且/CS=0时,允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。 WR:写入信号，当这个输入引脚为低电平时,即/WR=0且/CS=0时,允许CPU将数据或控制字写入8255。 D0D7:三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU 执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。 PA0PA7:端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入锁存器。 PB0PB7:端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器， 一个8位的输入输出缓冲器。 PC0PC7:端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器， 一个8位的数据输入缓冲器。端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口， 每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。 A0,A1:地址选择线,用来选择8255的PA口,PB口,PC口和控制寄存器. 当A0=0,A1=0时,PA口被选择; 当A0=0,A1=1时,PB口被选择; 当A0=1,A1=0时,PC口被选择; 当A0=1.A1=1时,控制寄存器被选择2、8255A的工作方式8255A有三种工作方式：方式0、方式1和方式2。它通过对控制寄存器写入不同的方式选择控制字来决定其三种不同的工作方式。方式0是基本输入输出方式。该方式下的A口8位和B口8位可以由输入的控制字决定为输入或输出，C口分为高4位（PC4PC7）和低4位（PC0PC3）两组，也有控制字决定其输入或输出。需要注意的是，该方式下，只能将C口其中一组的四位全部置为输入或输出。方式1选通输入输出方式，又叫单向输入输出方式。它分为A、B两组，A组由数据口A和控制口C的高4位组成，B组由数据口B和控制口C的低4位组成。数据口的输入输出都是锁存的，与方式0不同，由控制字来决定它是作为输入还是输出。C口的相应位用于寄存数据传送中所需的状态信号和控制信息。方式2为双向输入输出方式。本方式只有A组可以使用。此时A口为输入输出双向口，C口中的5位（PC3PC7）作为A口的控制位。在本系统中，8255A的三个端口均工作于方式0，全部为输出口。74LS14芯片74LS14 是一个6反向器， 引脚定义如下图：A端为输入端，Y端为输出端，一片芯片一共6路，即1，3，5，9，11，13 为输入端， 2，4，6，8，10，12 为输出端，输出结果与输入结果反向。即如果输入端为高电平， 那么输出为低电平。 如果输入低电平，输出为高电平。八、总结课程设计是培养学生综合运用所学知识去发现、分析和解决实际问题的能力,同时也是锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程，并且可以验证课堂所学的知识与实际的统一性。微机原理的课上起来是比较抽象的，但是通过课程设计，把抽象的东西具体化了，让我更加的喜欢对违纪课程的学习和研究。通过对X-Y坐标仪的计算机控制系统的设计，让