毕业设计（论文）-三维雕刻机的刀头控制系统设计.docx

学号：本科毕业论文（设计）(2015届)三维雕刻机的刀头控制系统设计院 系 电子信息工程学院 专 业 电气工程及其自动化 姓 名 指导教师 助教 2015年5月2015届本科毕业论文（设计）摘 要三维雕刻机的刀头控制系统是三维雕刻机控制的主要核心，它控制系统的性能直接关系着三维雕刻机的加工质量和加工效率，对雕刻机的性价比有着重要的影响。本论文在对三维雕刻机的刀头系统的结构原理和功能实现进行分析的基础上，提出一个以STC89C52单片机为处理器的控制系统解决方案，充分利用STC89C52单片机处理器的高速运算能力，大大减少了系统的外围接口器件，有效的降低系统成本。同时对整个系统的硬件开发作了详细说明。电源的选型及设计、1602LCD液晶显示模块及键盘的应用设计、电机的驱动电路设计等。软件部分包括应用程序的设计，应用程序的设计包括设备驱动程序、液晶显示、键盘操作、电机控制等。同时利用仿真软件对系统设计进行仿真和调试。关键词：运动控制系统；STC89C52；驱动电路IAbstract3D carving machine control system of the cutting tools of 3D engraving machine as control core, the performance of the control system of 3D carving machine has a close relationship with the machining quality and efficiency, and has an important influence for engraving machine price. In this paper the three-dimensional carving machine system structure principle and function of the realization of the cutting tools, on the basis of analysis, put forward a STC89C52 single-chip microcomputer as the processor control system solutions, make full use of the high-speed computing power of STC89C52 singlechip processor, greatly reduces the systems peripheral interface devices, effectively reduce the system cost.Also illustrates in detail the hardware development of the whole system: the power of selection and design, the application of 1602 LCD liquid crystal display module and keyboard design, motor drive circuit design, etc. Software part includes the design of the application, the design of the application including device drivers, liquid crystal display, keyboard operation, motor control, etc. At the same time by using the simulation software for simulation system design and debugging.Keywords:Motion control system; STC89C52; Driver circuitII目 录摘要IABSTRACTII目录III1绪论11.1 研究背景11.2 国内外研究现状11.3 研究目的与意义21.4本章小结22系统总体设计22.1 设计要求22.2系统设计方案32.3本章小结33系统硬件设计43.1最小系统设计43.2显示电路设计63.3 控制及驱动电路设计93.4 本章小结114系统软件设计114.1主程序114.2按键子程序124.3液晶LCD1602显示子程序134.4步进电机驱动子程序144.5本章小结165联调与测试165.1硬件调试165.2软件调试175.3本章小结19致谢20III参考文献21附录A：系统仿真模拟图22IV附录B：系统源程序231 绪论1.1研究背景随着科技的发展和人们对物质基础的无限追求，雕刻机在近些年不断发展。其中，从一开始的直线雕刻，到后来的二维坐标雕刻，那么现在我们将雕刻做到三维立体坐标，那么它将实现那些功能。主要用于压克力，大理石，PVC制卡，木材，玉石等材料的大力切割，3D字、文字、图案、浮雕，外观造型、镶嵌、广告工艺美术品、胸牌、非金属或铜、铝都可进行精细雕刻制作，是店面广告装饰行业不可缺少的好帮手。现在各种楼模进行逼真原样打造，外形逼真，线条流畅，工艺含量高，而且时尚，典雅，适合用于各种商业.庆典活动的纪念品。那么本次设计的课题是利用stc89c52单片机为主控系统，来控制由场效应管搭建而成的步进电机驱动电路，进而来控制步进电机的运作。利用步进的电机转动为角度转动，更好的控制雕刻运动过程中的精度要求。同时，三维雕刻机刀头控制运动系统在后续会有较大的延展性。1.2国内外研究现状1.2.1国际发展研究方向1938年世界第一台手动雕刻机在法国“嘉宝”问世，1950年“嘉宝”生产出世界第一台真正意义的电动、可缩放比例的手动雕刻机。随后美国、日本等国也开始 研制2。20世纪90年代，随着微电子技术的突飞猛进，直接推动微型计算机的急剧发展。微电子技术和微型计算机技术带动整个高科技群体飞速发展，从而使雕刻机产生了质的飞跃。雕刻机完成了从2D- 2.5D-3D加工的变革，功能完善、性能稳定、造型美观和价格合理成为雕刻机研制的基本要求。1.2.2国内发展研究方向雕刻可以追溯到我国远古时期，母系氏族时期的半坡氏族文化的“人面网纹盆”便是雕刻的雏形。在我们国家北宋时期就发明了活字印刷，这里刻的字应属于雕刻的范畴 。随着时代的发展，我国的雕刻艺术日益精湛，红木雕、篆刻、玉雕、象牙雕、泥人雕等手工雕刻技术都可以堪称一绝。传统雕刻加工业是一门技术性要求很高的手工技艺， 雕刻品的质量完全取决于雕刻师的技艺水平， 所以生产的效率低、成本高， 制品的随意性强、一致性差， 严重制约了雕刻行业的发展3。这使得雕刻机的产生成为必然。而就是从上世纪90年代开始，机械雕刻在我过开始发展并获得了前所未有的发展。从最初的刻字机、刻章机再到三维雕刻机，制作工艺也日渐成熟，应用范围也日渐广泛4。大到楼房建筑的装饰，小到商店门前的招牌，乃至很多产品的标识铭牌，可谓雕刻的使用无处不在。1.3 研究目的与意义随着时代的进步，科技的发展，雕刻机成为我们现代人与时俱进的先进工具,它省时省力又环保，应用也越来越广泛1。近几年来中国的雕刻机迅速地发展着，从以前的手工雕刻转变为现在的机器雕刻。雕刻机给人们带来了巨大的方便，不仅节省了雕刻时间，还提高了雕刻的工艺，雕刻机的出现也带动了许多行业的发展，像艺术玻璃雕刻机、木工雕刻机、石材雕 刻机、数控雕刻机等等。三维雕刻机刀头控制系统其实就是雕刻机执行部件的控制系统，主要是研究如何通过手动设置三维坐标并且利用X轴、Y轴、Z轴三个步进电机达到设定坐标位置。其中，可以预期达到的目的是，设定一个坐标，就可以到达一个坐标。1.4本章小结本章主要是对雕刻机的初步的介绍，通过雕刻机的发展史，对三维雕刻机有全面的认识，从中国古代的雕刻技术到国外的第一台手动雕刻机的诞生，可以看出三维雕刻机正在向一个全新的方向发展，随着现代科学技术的发展，三维雕刻机技术也不断的进步，越来越多地在我们的生活中起到极其重要的作用。2 系统总体设计2.1 设计要求本设计有五个模块，分别是输入模块，显示模块，控制模块，驱动模块，执行模块。2.1.1输入模块的要求本模块总共有九个按键，其中六个按键为X、Y、Z轴的数字输入键，对此的要求为对应按键按下对应数字显示加“一”或减“一”，另外三个分别是，开始、暂停/继续、原点。对应的要求是，按下“开始”按键控制模块执行电机运动；按下“暂停/继续”按键控制模块暂停电机运动，再按一次“暂停/继续”按键则电机继续运动；按下“原点”按键（在电机运动结束才按此键）则对应要求为，电机运动达到目标点后回到原点。2.1.2显示模块的要求本模块为LCD1602液晶显示屏，系统开始时，在两行显示里分别显示HF Normal Univ.和Zhang Shouxiang，显示结束后停顿一下继续分别显示“X： ，Y： ，Z： ”和“O：（ 0，0，0）”，输入模块输入可在上面显示即可。2.1.3控制模块的要求本模块为stc89c52单片机，主要功能就是接受输入模块输入的数据，再进行输出给显示模块显示、给驱动模块使执行模块运动。其中还配有复位和中断功能。2.1.4驱动模块的要求本模块为场效应管组成的步进电机驱动电路，主要实现的功能为将单片机输出的高低电平转化为方波脉冲信号进而来控制步进电机的运动。其中，场效应管的供电与电机供电相同，接地需用0欧姆电阻与数字地相连。2.1.5执行模块要求本模块为三个步进电机组成，其主要功能为接收驱动电路输出的方波脉冲进行电机运动，同时三个电机分别控制X、Y、Z三轴，其中，X和Y轴是直接控制上下和左右，而Z轴而是通过控制工作平面台来控制前后的实现。2.2 系统设计方案图2-1为系统电路的整体框图，包括stc89c52的单片机最小系统，LCD1602液晶显示模块，按键键盘输入模块，驱动电路模块和执行电机模块。图2-1系统整体电路框图2.3 本章小结通过本章的介绍，可以了解到系统总体的情况，且知道系统总共可分为五个模块，五个模块都有各自的功能和性能特点，其中驱动模块是利用场效应管集合组成，利用其将高低电平变成连续方波脉冲来驱动步进电机的运转。同时，系统的整体电路框图也是十分的清晰和实用的。3系统硬件设计3.1最小系统设计3.1.1 STC89C52单片机主要特性1、对于单片机，它是8 位的微性处理器。2、对于单片机内部的数据存储器，是可以用来存放可读的数据或可写的数据，比如运算的中间结果和最终结果以及我们想要显示的数据等等，SST89 系列单片机是可以为我们额外提供1K 的RAM。3、对于单片机内部的程序存储器，是可以为我们所用来存放程序和其中的部分原始数据和必要的表格。在单片机中可能也有一些它们的内部不带ROM/EPROM，比如8031，8032，80C31等等。在我看来对于单片机的RAM 和ROM 都集成起来应用是目前单片机发展的趋势，这样不仅方便了广大用户进行电路设计并且提高了单片机系统的抗骚扰性。对于SST 公司当前开发出的89 系列，其中包括16K、32K、64K Flash的存储器，这么多的种类可以提供给广大的消费者根据自己的需求进行挑选使用。4、对于单片机它是有四个8位的输入和输出的接口P0P3，既可输入，也可输出。5、对于单片机它是有两个定时器或者是两个计数器，每个定时器和每个计数器都可来计数，也可用来定时，并且根据计数和定时的结果来实现应用计算机的控制。在设计串行通信中，我们会在52系列单片机中提供3个16位定时器和计数器。6、此次的单片机它是有5个中断源组成的中断控制系统。但现在新出的单片机都大于5个中断源，例如SST89E58RD它就是9个中断源。7、对于单片机它是一个全双工UART的串行输入和输出接口，它的功能主要你是为了实现单片机和微机的串行通信。8、对于单片机内部的振荡器，振荡频率最大为12MHz。SST89V58RD 的振荡频率最大为40MHz，这样可以很好的加快指令执行的速度。图3-1STC89C52单片机引脚图STC89C52单片机部分引脚的说明：1、时钟电路XTAL1引脚和XTAL2引脚：XTAL2：此引脚是18脚，它是连接外部晶体和微调电容的其中一端；振荡电路在单片机内部它是反相放大器的输出端，其中单片机的振荡电路频率和晶体固有频率是一致的。如果此引脚在外部输入时钟脉冲的话则可以使用外部时钟电路。如果用示波器检查XTAL2 端是有脉冲信号输出，那么此次振荡电路是正常在工作。XTAL1：此引脚是19脚，它是连接外部晶体和微调电容的其中另一端；在单片机内部振荡电路的反相放大器输入端是此引脚。当单片机使用外部时钟，此引脚要接地。2、单片机控制信号的引脚RST：RST：此引脚为9脚，如果需要复位信号则它是输入端，有效的电平为高电平。如果输入端使用备用电源时，主电源Vcc也同时发生故障，低电平降低到一定值时，5V 电源自动生成两个机器周期的高电平，复位的操作过程基本结束。RST 引脚的第二个功能就是接入RST端，是RAM的备用电源，主要功能是保护RAM 中的信息完整，为了单片机在复位后可以正常运行操作。3、本统设计将单片机的所有可用32个引脚全部用完，其中每个模块的引脚分别是：按键模块共需要9个引脚，分别为P1.3P1.7和P3.0P3.3；显示模块共需要11个引脚，分别为P0.0P0.7和P1.0P1.2；驱动模块共需要12个引脚，分别为P2.0P2.7和P3.4P3.7。3.1.2STC89C52单片机的中断系统STC89C52系列单片机内部中断系统有5个中断源，它还有2个优先级，可用来二级中断的嵌套。单片机内部特殊的功能寄存器，寄存器中断可以使寄存器IE控制CPU来控制可不可以响应中断；各个中断源的优先和滞后是有可以用中断优先级寄存器IP安排的；如果属于同样的优先级同时提出中断请求时，我们可以通过单片机内部的逻辑进行查询，从而来判断谁先谁后。在STC89C52系列单片机的实际应用中，常常需要控制一定的时间，比如规定一段时间输出、规定一段时间开始检测、规定一段时间来进行扫描等等；对外部发生的事件也要经常计算数据。STC89C52单片机内部会有两个可编程的定时和计数器可供使用：T0和T1，它们的主要功能就是可以定时工作而且还可以在外部工作，同时可以处于计数模式。与此同时，波特率发生器是由T1用作串行口的。3.1.3单片机最小系统设计图3-2 单片机最小系统电路图图3-3为STC89C52单片机最小系统的电路图，单片机的最小系统有单片机、时钟电路、复位电路组成，时钟电路挑选的是12MHZ的晶振来提供时钟，主要功能是给单片机提供一个时间的参考标准。其中，机器周期的时间就是执行一条基本的指令所需要是时间。STC89C52单片机的复位电路，它的功能就是按下复位按键单片机可以恢复到初始的工作状态。图中10K排阻为P0口的上拉电阻，因为漏极开路结构的P0口跟其它IO结构不同，如果要让它正常使用则必须加上上拉电阻。3.2显示电路设计3.2.1液晶模块简介液晶LCD1602模块使用的控制器是HD44780，HD44780控制器的指令集不仅简单而且功能强大，可以进行字符的移动和字符闪烁，LM016L与MCU通讯是用8位并行传输或4位并行传输两种方式，两个8位的寄存器组成了HD44780控制器，一个是数据寄存器，另一个是指令寄存器。指令寄存器仅仅用于寄存的指令码，只能写入数据不能读出数据。寄存数据的是DR，DDRAM与CGRAM中的数据都是由内部操作自动写入的，或者临时存储是从DDRAM和CGRAM读出的数据，当BF显示的值为1的时候，是位于内部模式，接受的数据和外部的操作不会响应。用来存储显示的字符是放在DDTAM中，它可以存储80个字符码，CGROM是由8位字符码生成的5*7点阵字符160种和5*10点阵字符32种。8位的字符，其中编码和字符都是一一对应的， CGRAM是可以编写特殊字符的，容量为64个字节，它可分为8个5乘7点阵的字符或者4个5乘10点阵的字符，AC存储的位置是DDRAM和CGRAM的地址中，如果将地址码和指令一起写入IR中,那么地址码会被IR自动的撞在AC中，当然，放在DDRAM和CGRAM中也是可以的，液晶LCD1602模块的引脚图如图3-4所示。图3-3 LCD1602引脚图液晶寄存器选择控制如表3-1。表3-1寄存器选择控制RSR/W操作说明00写入指令寄存器（清除屏等）01读busy flag（DB7），以及读取位址计数器（DB0DB6）值10写入数据寄存器（显示各字型等）11从数据寄存器读取数据3.2.2液晶显示部分和STC89C52的接口数据线是用STC89C52的P0口，LCD的EN为P1.2、R/W为P1.1、RS为P1.0。EN是下降沿触发的片选信号，读写数据的信号是R/W来完成的，寄存器的选择信号是由RS来完成的，此模块的设计重点是下面这些：显示模块如何进行初始化，刚刚开始的清理屏幕，接着把数据为8位的接口设置好，并且以单行数显示出来，字型是5乘7的基础点阵，再然吧整体显示设置好，不让光标和字体闪烁,最后把正向增量方式设置好并且不移动它的位置。可以把字符送向LCD的显示缓冲区当中，2个字符的数组可用于程序当中，第一行显示学校名称，另一个显示作者名字，要显示的字符和数据被送到相应的数组中，完成后可以统一显示.。首先取一个要显示的字符和数据送到LCD的显示缓冲区，程序需延时2.5ms,判断是否能够显示的个数，不够则地址加一取下一个要显示的字符或数据。如图3-4所示。图3-4LCD1602与STC89C52的接口3.3 控制及驱动电路设计3.3.1按键控制电路按键电路主要采用基本按键，高电平和低电平来控制所需输入的数据。其中X11,X00，Y11，Y00，Z11，Z00为输入控制数字键，KS,ZT,YD为运行功能键。其中各个按键的功能如下：X11按键的功能为电机驱动X轴的数值“加”；X00按键的功能为电机驱动X轴的数值“减”；Y11按键的功能为电机驱动Y轴的数值“加”；Y00按键的功能为电机驱动Y轴的数值“减”；Z11按键的功能为电机驱动Z轴的数值“加”；Z00按键的功能为电机驱动Z轴的数值“减”；KS按键的功能为开始驱动电机运动；ZT按键的功能为暂停电机运动；YD按键的功能为电机回归原处。图3-5 按键控制布局3.3.2步进电机驱动电路对于驱动电路是利用场效应管的特性来实现的。由于一个电机有四根输入端，则利用四个场效应管的导通和断开来实现步进电机工作。则本设计利用的场效应管则是MOS场效应管（增强型MOS场效应管），下面就让我们来介绍一下这个场效应管。驱动电路是一个增强型N沟道MOS场效应管的使用。当输入端为高电平时，N沟道MOS场效应管导通，输出端与电源地接通。在该电路中，电机的某一路线圈就会导通，通过这种工作方式我们可以获得较大的电流输出。同时由于漏电流的影响，使得栅压在还没有到0V，通常在栅极电压小于1到2V时，MOS场效应管既被关断。这样一来我们就可以利用单片机生成的高低电平来产生脉冲方波。这样一来我们就可以使得步进电机根据场效应管产生的脉冲方波来进行工作运转。其中下图为驱动电路仿真图和驱动电路模拟仿真图：图3-6 驱动电路仿真图3-6 驱动电路模拟仿真3.4 本章小结本章主要是对设计中的最小系统单片机STC89C52，显示模块的液晶显示LCD1602，驱动模块的场效应管，以及输入模块按键组合的介绍，并且对它们的连接做了介绍，对输入模块电路和显示模块电路做了概述和分析。同时说明了单片机的最小的工作系统。通过硬件方面的设计，可以对本次设计的整体的概况做了详细地说明。4系统软件设计4.1主程序主程序的功能主要是负责接收按键键盘输入的数值，将其显示在显示模块当中，最后通过数值来进行生成方波信号来控制电机运动。主程序流程图如图4-1所示。图4-1 主程序流程图4.2按键子程序按键子程序主要的功能是：输入X、Y、Z的数值，以“加”或“减”的方式来达到设定目标值，其中，还有功能键“开始”、“暂停”、“原点”按键。按键子程序流程图如图4-2所示。图4-2 按键子程序流程图4.3液晶LCD1602显示子程序液晶LCD1602显示子程序主要功能是：显示初始字幕，实时显示输入设定的数值，显示电机运行。液晶LCD1602显示子程序流程图如图4-3所示。图4-3 液晶LCD1602显示子程序流程图4.4 步进电机驱动子程序步进电机驱动子程序主要功能是：利用驱动电路产生的方波脉冲进行电机运转，其中，电机根据输入值进行“正转”还是“反转“，然后从X轴电机开始到Y轴电机再到Z轴电机这样一次转动，最终达到设定目标点。步进电机子程序流程图如图4-3所示。图4-4 步进电机驱动子程序流程图4.5本章小结本章主要是对本次设计的软件设计做了进一步的介绍，包括主程序设计流程图，按键子程序流程图，液晶显示LCD1602子程序流程图，驱动电路子程序流程图进行介绍和展示。其中按键子程序主要是进行数值的输入和一些功能键。程序流程图的设计提出了程序编写的具体的方法和方向。不仅对三维雕刻机输入模块进和显示模块的程序编写起作用，而且对驱动电路的程序也做出了相应的编写。5联调与测试5.1硬件调试本设计是有五个模块，其中输入模块、显示模块和控制模块集合在一个平板上。布局分布为LCD1602显示模块在左上方位置，按键模块部分在左下方位置，控制模块位于中部。其中，还有一个三节电池盒在右边中部。如5-1图所示。图5-1 输入、显示、控制模块硬件图（正反面）驱动模块是有12个场效应管组合而成，其中四个为一组，共三组，分别为三个步进电机进行驱动。驱动电路在工作时，主要