毕业设计（论文）-单片机在的简易数控平台研发中的应用.doc

摘要 鉴于单片机具有优异的性能价格比、较高的集成度和较小的体积以及很强的控制功能和低电压、低功耗等优点，用它作为控制核心的产品越来越多，广泛应用于机电控制、智能仪器仪表以及人类生活中。本次设计采用单片机作为核心元件，设计了XY轴控制系统的简易数控平台的硬件系统，以及针对数控平台的插补系统的设计。该系统按功能可分成四大模块，即输入模块，控制模块，被控模块以及显示模块。输入模块采用键盘输入方式，利用键盘分别控制想对应的状态，达到不同象限的不同运行模式；被控模块包括驱动器和步进电机，利用步进电机精确度高，用软件编程来实现直线插补和圆弧插补，使步进电机实现单坐标定位，两坐标直线插补和圆弧插补的基本功能，并在此功能的基础上通过建立象限判别程序，使X-Y工作台达到四象限的工作要求，并编写了代码处理指令，使CPU能够根据读入的指令信息（G代码与X轴和Y轴坐标），分别向X轴和Y轴步进电机输出执行指令所需的控制信号，从而完成指定的工序。本次设计由于采用了大量成熟的元器件，因此所设计的系统具有价格低廉，易于实现，可大量生产的优点。关键词：单片机；机电控制；插补算法；控制系统；数控平台IAbstractIn view of the fact that the Microcontroller has the cheap price and good controlling function、the high integration rate and the small volume as well as low voltage、low power loss. It is to be the controlling core of the product more and more. Applying widely in the mechanical and electrical controlling、 the intelligent instrument measuring appliance and the humanity lives. The design uses a microcontroller as a core component, the design of two-axis stepper motor control hardware together. The system according to the functions can be divided into four modules; the input module, control module, was charged with the module and real-time monitoring of the display module. Among them, the control module of the control scheme used a circular interpolation control two-axis stepper motor control algorithm to work; input module uses keyboard input methods, like using the keyboard, respectively, corresponding to the state control, to different quadrants of the different operating modes; charged module uses two four-phase stepper motors, stepper motors using high precision, there is no accumulation of errors required to achieve the benefits of running track; Since this test does not really do the two-dimensional work platform, thereby increasing a real-time monitoring module to monitor the operational status of the stepper motor, a more intuitive observation to the stepper motor trajectory, to determine compliance with design requirements. Use the software to realize the linear interpolation and circular interpolation, the stepper motor to achieve a single coordinate positioning.and write the code processing instruction, so that CPU can be read according to the instruction information(G code and the X axis and Y axis).The control signals are respectively into the motor output to X axis and Y axis step executes instructions required to complete the specified process.Keyword:Microcontroller;Machinery and electrical controlling;The circular runnin;Control system;CNC platformII目录中文摘要I英文摘要II1 绪论11.1简介11.2 课题研究的内容及要求21.3 本文的主要内容42 单片机控制两轴步进电机协同控制硬件设计52.1 单片机控制系统总体设计方案52.2 单片机的最小系统52.3 键盘输入模块122.4 步进电机的控制与驱动122.5 显示模块203 系统软件设计213.1 系统主程序213.2 显示子程序223.3 键盘按键控制步进电机控制子程序224 X-Y数控工作台直线插补软件设计254.1 逐点比较法的直线插补的数学原理254.2 直线插补程序分析275 X-Y数控工作台圆弧插补软件设计305.1逐点比较法的圆弧插补的数学原理305.2顺圆插补程序分析345.3逆圆插补程序分析366 总结38参考文献39致 谢40邵阳学院毕业设计（论文）1 绪论1.1简介 随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多种I/O接口集成在一块芯片上，形成了芯片级的计算机，而单片机就是这种微型计算机。它的早期含义称为单片微型计算机（Single Chip Microcontroller），直译为单片机。目前有人根据单片机的结构和微电子设计特点将单片机称为嵌入式微处理器（Enbedded Microprocessor）或嵌入式微控制器（Enbedded Microcontroller）。现在称为单片机（Microcontroller）。其实，一块单片机就是一台计算机，它可以用一个表达式来表示：单片机=CPU+ROM+I/O+功能部件1。由于单片机的这种特殊的结构形式，在有些应用领域中，承担了大中型计算机和通用的微型计算机所无法完成的一些工作，使其具有很多显著的优点和特点。它具有优异的性能价格比，单片机的这种高性能，低价格是它最显著的一个特点。单片机尽可能把应用所需要的存储器，各种功能的I/O口都集成在一块芯片内，有的单片机为了提高速度和执行效率，开始采用了RISC流水线和DSP的设计技术，使单片机的性能明显优于同类型微型处理器，有的单片机内部ROM可达64KB，片内RAM可达2KB，单片机的寻址已突破64KB的限制，8位和16位单片机寻址可达1MB和16MB；其次是它的集成度高、体积小、可靠性高。单片机是将各种功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，从而减少了各芯片的之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力；另外还有它的控制功能强，具有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能；还有它的低电压、低功耗，许多单片机可在2.2V电压下运行，功耗至微安级，一粒纽扣电池就可以长期使用。随着电子技术及控制技术的不断发展，单片机的的各种性能也逐渐得到提高，从单片机的结构功能上看，单片机的发展趋势将向着大容量高性能化、小容量低价格化和外围电路内装化等几个方面发展。它的片内存储器容量将进一步扩大。以往单片机的ROM为1KB-4KB，RAM为64KB-128KB，这在某些复杂的控制场合，存储器的容量不够，不得不进行外部容量扩充。目前单片机内部的ROM可达4KB-8KB，RAM可达256KB，有的片内ROM可达12KB，RAM可达1MB，寻址可达16MB。今后，在处理性能上，CPU的性能将会得到进一步改善，指令运算速度会大大加快，系统控制的可靠性也会大大提高；随着集成度的不断提高，将会把众多的各种外围功能器件集成在片内；为减少外围驱动芯片，进一步增加单片机并行口的驱动能力，未来的单片机将可以直接输出大电流和高电压，以便直接驱动显示器。为进一步加快I/O口的传输速度，开始出现了高速I/O口，它能够以最快的速度捕捉外部数据的变化，同时以最快的速度向片外输出数据，以适合数据改变的场合。随着集成工艺的不断发展，单片机一方面向集成度更高、体积更小、功能更强、功耗更低的方向发展；另一方面向32位以上及双CPU方向发展。由于单片机具有很多的优点，因此其应用领域无其不至。它在智能仪器仪表、机电控制、实时控制以及人们的日常生活中，都有着广泛的应用。在单片机的机电一体化应用中,机电的结合出现了机电一体化产品.机电一体化是机械工业发展的重要方向,机电一体化产品是指集机械技术,微电子技术、自动化技术和计算机技术于一体，具有智能化特征的机电产品。微机控制的数控机床是典型的机电产品，在这一系统中，单片机与电动机结合，尤其是与步进电机结合起来，进行精确的速度及位置控制。步进电机可以直接接受数字信号，而无需模/数转换，这样可以大大简化控制系统的复杂程度。对X、Y工作台的控制使用步进电机的单片机控制系统，使用开环控制，在保证加工精度的同时，它大大降低了系统的成本，在经济型数控系统中有着巨大的应用前景。步进电机作为执行元件，是机电一体化控制中的关键设备之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。它是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为步距角)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。总之，随着我国制造业水平的不断提高和电子计算机技术的不断发展，在经济飞速发展的需求下，单片机的应用领域不断扩展，应用水平逐步提高。相信在不远的将来，必将打破国外垄断，实现其核心技术国产化。1.2 课题研究的内容及要求本次的毕业设计的题目是基于单片机的简易数控平台的研发。它是多种技术知识的结合，不仅涉及到软件的设计，而且还将应用电子技术与单片机的应用技术有机结合，使其具有精度高、稳定性好，易于观察等特点。单片机和步进电机的巧妙结合，使其具备了可控性强、体积做工精细等特点，能为它在其它领域的广泛应用打下良好的基础。因为经过我们调查发现许多应用场合原来就有两轴步进电机，只是随着对生产质量与生产需要的要求在不断地提高，以往的那些步进电机的控制逐渐不能满足现在的要求。其中，有部分应用场合对精度提高的幅度要求也不是特别高。因此，为了提高性价比，我所设计的系统提出在原有系统的基础上进行一些简单的改良，以此为出发点，主要阐述的是单片机控制XY轴控制系统的一种实现方法。1.2.1课题的主要研究内容 本文研究题目是基于单片机的简易数控平台的研发，主要是应用单片机、步进电机驱动芯片、多管显示器和独立键盘，构建了集步进电机控制器和驱动器为一体的步进电机控制系统。二维工作台作为被控对象通过步进电机驱动滚珠丝杆在X/Y轴方向联动。由于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，因此在非超载的情况下，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，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，使步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。而单片机作为控制系统，能够准备的输出脉冲信号。将单片机和步进电机有效的结合在一起，能够使步进电机精确的运行到某一指定位置。本文中就是利用逐点比较法来驱动两轴步进电机的协同运行，最终使两个步进电机的运行轨迹能够构成一条圆弧轨迹。此外还对基于逐点比较法的圆弧和直线插补进行了研究。1.2.2 本系统的功能本系统实现其具体控制功能如下： （1）能够通过显示器实时地观察步进电机正反装工作状态 （2）能够设定步进电机运行轨迹半径的大小。 （3）用单片机AT89C55控制，通过按键来控制步进电机的正反转，使其能够运行顺圆或者逆圆。 （4）随时复位，同时做到能够在任意象限开始运行。1.3 本文的主要内容本文中具体做了如下几方面工作： （1）基于单片机的两轴步进电机协同控制的硬件的设计单片机控制两轴步进电机硬件设计主要包括AT89C55单片机、四相步进电机控制模块、显示模块、按键模块的介绍。 （2）单片机控制步进电机系统软件的设计。 （3） 对直线插补和圆弧插补进行了研究。2 单片机控制两轴步进电机协同控制硬件设计本章重点介绍了单片机控制两轴步进电机协同运行的硬件设计。整个硬件部分主要包括四大模块，分别是输入模块，控制模块，被控模块和实时显示模块。另外还特别介绍了步进电机的正反装控制硬件电路图和相关控制程序。2.1 单片机控制系统总体设计方案单片机控制两轴步进电机协同运行的总体方案设计是由单片机作为核心元件，外给输入信号加载到单片机里面，经过单片机里面预先设定的程序来控制步进电机的运行，由于本设计并没有做真正的两轴工作平台，因此采用液晶屏来实时显示两轴步进电机的运行状态，使人能够直观观察到整个控制过程。整个系统的硬件部分主要是有单片机、被控模块（驱动器和步进电机）、显示模块、键盘输入模块四大功能模块组成，其基本框架如图2.1所示。图2.1 硬件基本结构框图2.2 单片机的最小系统最小系统以单片机为核心，包括单片机、复位电路、晶振电路2。2.2.1单片机单片机作为本次设计的核心元件，是由CPU、存储器（包括RAM和ROM）、I/O接口、定时器/计数器、中断控制等元器件组成的，片内各功能部件通过内部总线相互连接起来，如图2.2所示为单片机的典型结构框图3。ROMRAM定时/计数器并行接口串行接口中断系统CPUSFR特殊功能寄存器图2.2 AT89系列单片机基本结构图 （1）存储结构：AT89系列程序存储器和数据存储器分开,各自有专用的地址空间、选通信号。片内配置8KB的系统内可编程（ISP）Flash,256B的RAM，还可外部扩展，程序存储器可扩展至64KB，数据存储器可单独扩展64KB（包括外部扩展的功能部件地址在内）。AT89C55的存储器结构分成独立的两部分。程序存储器部分，当/EA引脚接高电平（/EA=1）时，存储器地址从片内程序存储器0000H开始，当外部扩展有程序存储器时，程序在执行过程中自动平滑转向外部继续执行；当/EA接低电平（/EA=0）时，程序存储器全部在外部，由/PSEN进行读选通。AT89C55内部设置8KB的FLASH，如不够用还可外部扩展。AT89C55片内RAM共256B，高128B（80H-FFH）既是128B的RAM，又是特殊功能寄存器（SFR区），两者地址重叠，但物理层分开。通过规定的寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR区）。外部还可单独扩展64KB的地址空间，包括外部扩展的需寻址的功能部件。用/RD/WR进行读写选通，用16位DPTR数据指针指示访问地址。 （2）中断系统：AT89C55的中断系统共有8个中断源，6个中断矢量，两级中断优先级，可由软件设定，可实现两级嵌套，可通过软件来屏蔽或响应各对应的中断请求4。对于AT89C55的中断源，一边为8个中断源，一边为转向对应的6个中断矢量。 其中外部中断（/INT0、/INT1）有两种触发中断的方式，即低电平触发或者跳变触发。串行通信有接收中断和发送中断源，经过一个或门，公用同一个中断矢量。定时/计数2有计数回0溢出和捕获两种中断触发，经或门公用一个中断矢量。中断处理过程可分为三个阶段，即：中断响应、中断处理和中断返回。中断响应是在满足CPU的中断响应条件之后，CPU对中断源中断请求的回答。在这个阶段，CPU要完成中断服务程序以前的所有准备工作，这些准备工作是：保护断点和把程序转向中断服务程序的入口地址。如果中断响应条件满足,且不存在中断阻断的情况下,则CPU响应中断5。此时，中断系统通过硬件生成长调用指令（LCALL），此指令将自动把地址压入堆栈保护起来，然后将对应的中断入口装入程序计数器PC，使程序转向该中断入口地址，执行中断服务程序。中断服务程序从入口地址开始执行，直到遇到指令“RETI”为止，这个过程称为中断处理，此过程包括两部分内容，一是保护现场，二是处理中断源的请求。因为一般主程序和中断服务程序都可能会用到累加器、PSW寄存器及其他一些寄存器。CPU在进入中断服务程序后，用到上述寄存器时，就会破坏它原来存在寄存器中的内容，一旦中断返回，将会造成主程序混乱，因而在进入中断服务程序后，一般要先保护现场，然后再执行中断服务程序，在返回主程序以前，再恢复现场。中断返回是指中断处理完成后，计算机返回到原来断开的位置（即断点），继续执行原来的程序。中断返回由专门的中断返回指令RETI来实现，该指令功能是把断点地址取出，送回到程序计数器PC中。另外它还通知中断系统已完成中断处理，将清除优先级状态触发器。综上所述，可以把中断处理过程用以下框图进行概括。如图2.3所示。 （3）定时/计数器工作方式：AT89C55片内集成了3个16位的定时/计数器，和CPU组成了一个整体6。定时/计数器0和1，定时/计数器2集定时、计数和捕获三种功能于一体，功能更强。组成定时/计数器的核心是一个16位的加1计数器。这个16位计数器是由两个8位的计数器（THx、THy）组成。提供给计数器实现加1计数的信号有两个来源：一个是由外部提供的计数脉冲通过引脚Tx端口送加1计数器；另一个则由单片机内部的时钟脉冲经12分频后送加1计数器。因此既可用于定时方式，有可用于对外部事件计数方式，对于定时/计数器2还具有“捕获”方式。工作方式是通过软件对特殊功能寄存器TMOD和T2CON的设置位进行选择。当定时器/计数器设定为定时方式时，其计数脉冲来源于时钟震荡器的12分频。图2.3 中断处理过程流程图每个机器周期使定时计数器加1，所以定时器实际上是计算机机器周期的计数器，由于每个机器周期是振荡器振荡周期的12分频，所以是定时计数的1/12。一旦振荡频率选定，则机器周期亦确定。所谓定时，即设定计数时间，计满设定时间立即停止计数，并立即向主机发出设定时间到信号，请求主机处理。实现了定时功能。在实际使用时，使用定时器/计数器时，应按下列步骤进行编程：设定定时器/计数器的工作方式（TMOD）；给计数器设定所需的初值（TH0、TL0、TH1、TL1、TH2、TL2）；启动计数器开始计数（TCON）；开放定时器/计数器中断（如果需要的话）； (4) I/O口的结构及功能 :AT89C55单片机有4个I/O端口，共32根I/O线，4个端口都是双向口。每个口都包含一个锁存器，即专用寄存器P0P3，一个输出驱动器和输入缓冲器。在访问片外扩展器时，低8位地址和数据有P0口分时传送，高8位地址由P2口传送。在无片外扩展的系统中，这4个口的每一位均可作为双向的I/O端口使用7。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故8。P3口也可作为一些特殊功能口，如表2.1所示：表2.1 P3口第2功能表引脚第2功能P3.0RXD（串行口输入端）P3.1TXD（串行口输出端）P3.2INT0（外部中断0请求输入端，低电平有效）P3.3INT1（外部中断1请求输入端，低电平有效）P3.4T0（定时器/记时器0计数脉冲输入端）P3.5T1（定时器/记时器1计数脉冲输入端）P3.6WR（外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效）P3.7RD（外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效）(5) 其它主要管脚介绍:RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低8位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用9。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。图 2.4复位及晶振电路图2.2.2 复位及晶振电路复位是单片机的初始化操作。单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。当AT89S52单片机的复位引脚RST出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。在引脚X1和X2外接晶体振荡器（简称晶振）或陶瓷谐振器，就构成内部震荡方式。由于单片机内部有一个高增益反向放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生震荡时钟脉冲。内部震荡方式的外部电路如图2.4所示。本系统选C2和C3值为10pF。2.3 键盘输入模块2.3.1键盘介绍作为设计的输入模块，键盘按结构分为独立式和矩阵式，矩阵式键盘适用于按键较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行列的交叉点上，行线、列线分别连接到按键开关的两端。独立式键盘由I/O口线组成的单键电路，每个独立式按键单独占有一跟I/O口线，每跟I/O口线上的按键工作状态不会影响其它I/O口线的工作状态，这种按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此适用于只需要少量按键的场合；根据本系统的要求，选择24独立式键盘，共使用了AT89C55的P1.0P1.7八根I/O口线。8个独立按钮分别对应相应的控制过程10。2.3.2 键盘设计方案独立键盘的工作方式一般又分为中断工作方式和扫描工作方式两种。扫描工作方式是利用CPU在完成其它工作的空余，调用键盘扫描子程序来响应键输入要求，在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求，直到CPU重新扫描键盘为止。采用扫描工作方式，能及时响应键入的命令和数据。中断扫描工作方式是当键盘上有键闭合时产生中断请求，CPU响应中断请求后，转去执行中断服务程序，在中断服务程序中，判别键盘上闭合键的键号，并作相应的处理。本次设计方案采用中为了更加简单明确的控制工作步进电机工作状态，采用的键盘工作方式是扫描工作方式。2.4 步进电机的控制与驱动本次设计方案中的被控模块主要是由ULN2803驱动芯片和两个步进电机构成的。通过单片机的脉冲信号，经过驱动芯片的放大增强，驱动对应的步进电机运行。2.4.1步进电机（1）步进电机原理步进电机采用四相步进电机，采用单极性直流电源供电。只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动11。图2.5是该四相反应式步进电机工作原理示意图。图2.5四相步进电机步进工作原理图开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动12。四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。（2）步进电机的分类步进电机分三种：永磁式（PM） ，反应式（VR）和混合式(HB)，步进电机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动，反转和制动的执行 元件，其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移，由于开环下就能实现精确定位的特点，使其在工业控制领域获得了广泛应用。步进电机的运转是由电 脉冲信号控制的，其角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每个一个脉冲，步进 电机就转动一个角度（步距角）或前进、倒退一步。步进电机旋转的角度由输入 的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电机为数字/角度转换器。2.4.2 步进电机的控制步进电机的控制与驱动流程如图所示。主要包括脉冲信号发生器、环形脉冲分配器和功率驱动电路三大部分。步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到突跳频率范围之内再换向，以免产生较大的冲击而损坏电机。换向信号一定要在前一个方向的最后一个脉冲结束后以及下一个方向的第一个脉冲前发出。对于脉冲的设计主要要求其有一定的脉冲宽度、脉冲序列的均匀度及高低电平方式。在某一高速下的正、反向切换实质包含了降速换向加速3个过程。如图2.6是步进电机控制流程图图2.6步进电机的控制驱动流程下面逐一介绍各个组成元素：（1）脉冲信号发生器 这是一个平率从几赫兹到几万赫兹连续可调的变频信号源，可用微机来产生，也可用专门的硬件电路产生。脉冲信号发生器能够精确输出脉冲的数量和频率，因而能够准确的控制步进电机的转角和转速。（2）环形脉冲分配器 步进电动机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。这种使电动机绕组的通电顺序按一定规律变化的部分成为脉冲分配器（又称环形脉冲分配器）。（3）功率驱动电路 经环形脉冲分配器输出的信号，驱动功率很小，因而步进电机绕组的励磁需要相当大的电流，所以还需要进行功率放大才能驱动步进电机。另外，为了防止干扰，分配器送出的脉冲还需要进行观点隔离。 本文所设计的系统采用单片机产生脉冲信号，因而可以从一定程度上降低硬件成本，同时也可以降低能耗。 环形分配器是步进电机驱动系统中的一个重要组成部分，通常分为硬件环肥和软件环分、硬件环分。步进电机正反转通电顺序如图2.7所示。图2.7正、反转时绕组通电顺序a）正转 b）反转综合上述内容控制步进电机转动的方向相对简单，具体而言只需要改变步进电机各相的通电顺序就可以改变步进电机的转动方向。各类步进电机的控制方法都基本相同，我们只需要掌握它的基本原理就可以由浅入深掌握整个步进电机家族的控制。整个控制部分的硬件电路图如图2.8所示图2.8总体电路图主程序需具备的功能，要不断扫描P3口并判断K1和K2是否闭合，并能根据其电平高低，输出不同的控制脉冲，并调用显示子程序显示转速及方向。K1与K2的电路图如图2.8所示主程序初始化程序逆序输出脉冲K2闭合？K1闭合？正序输出脉冲调用显示子程序1调用显示子程序2NYNY图2.9正反转程序设计流程图2.4.3 步进电机驱动设计提到驱动必须考虑环形分配器，环形分配器是步进电机驱动系统中的一个重要组成部分，通常分为硬件环分和软件环分。硬件环分由数字逻辑电路构成，一般放在驱动器的内部，其优点是分配脉冲速度快，不占用CPU，缺点是不易实现变拍驱动，增加的硬件电路降低了驱动器的可靠性。软件环分有控制系统用软件编程来实现，易于实现变拍驱动，节省了硬件电路，提高了系统的可靠性。作为单片机脉冲信号的放大驱动器件，我们选择ULN2803作为步进电机的驱动芯片。ULN2803为高电压大电流八达林顿晶体管，具有集电极开路输出和具有瞬变抑制的续流箱位二极管，与标准TTL系列兼容。在运行中能够有效的保护步进电机，其最大额定值见表2.2，电路原理图如2.10所示： ULN2803最大额定值表2.2最大额定值额定值符号值单位输出电压Vo50V输入电压VI30V集电极电流连续IC500mA基极电流连续IB25工作环境温度范围TA0 to +70保存温度范围Tstg55 to +150结温TJ125图2.10驱动电路图正反转控制程序如下：主程序：ORG 00H START: MOV R0,#03H MOV R4,#00H MOV P1,#03HWAIT: MOV P1,R0 ；初始角度,0度 MOV P3,#0FFH JNB P3.0,POS ；判断键盘状态 JNB P3.1,NEG SJMP WAITJUST: JB P3.1,NEG ;首次按键处理POS: MOV A,R4 ；正转9度 MOV DPTR,#TAB1 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ACALL DIR INC R4 AJMP KEYNEG: MOV R4,#6 MOV DPTR,#TAB1 ；反转9度 MOV A,R4 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ACALL DIRF AJMP KEYKEY: MOV P3,#03H ；读键盘情况 MOV A,P1 JB P3.0,FZ1 CJNE R4,#08H,LOOPZ ；是结束标志 MOV R4,#00HLOOPZ: MOV A,R4 MOV DPTR,#TAB1 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ；输出控制脉冲 ACALL DIR ；程序延时 INC R4 ；;地址加1 AJMP KEYFZ1: JB P3.1,KEY CJNE R4,#255,LOOPF ；是结束标志 MOV R4,#07HLOOPF: DEC R4 MOV A,R4 MOV DPTR,#TAB1 MOVC A,A+DPTR MOV P1,A ；输出控制脉冲 ACALL DIRF ；程序延时 AJMP KEYTAB1: DB 02H,06H,04H,0CH DB 08H,09H,01H,03H ；正转模型资料显示子程序：DIR:MOV DPTR,#TABL1 ；正转显示 AJMP DIR1DIRF:MOV DPTR,#TABL2 ；反转显示DIR1:MOV R1,#00H MOV R2,#04HMOV R3,#0F7H DIR2:MOV A,R1 MOVC A,A+DPTRMOV P0,A MOV A,R3MOV P2,ARR AMOV R3,AINC R1ACALL DELYDJNZ R2,DIR2RETDELY:MOV R6,#20H ；延时 D1:MOV R7,#56H LOOP:DJNZ R7,LOOPDJNZ R6,D1RET TABL1:DB 06H,06H,06H,00H ；正转 TABL2:DB 06H,06H,06H,40H ；反转END2.5 显示模块显示电路中采用四位LED数码管显示，最左边一位作为转动方向位，正转时不显示，反转时显示“-”，后边三位显示转速，左边为低位，右边为高位，转速的单位为转分。为了提高数码管的显示效果，在数码管的输入端接上拉电阻。在本设计中采用型号为7SEG-MPX4的四位LED数码管，显示控制字由P0口输出，P0.0P0.7分别与数码管的Adp连接，位控制口由P2口的P2.0P2.3输出，分别与数码管的1、2、3、4连接13。显示电路图如图2.11所示图2.11显示电路图3 系统软件设计3.1 系统主程序软件设计的主要思想就是两轴步进电机的协同控制，控制单片机来驱动步进电机的运行，并且步进电机运行状态在显示器上显示出来。还可通过键盘控制来确定步进电机在哪一象限运行。主程序主要包括系统初始化、步进电机驱动、扫描键盘以及实时显示模块等。由于本设计设有键盘和显示子程序，实验结果一目了然。主程序的流程图如图3.1所示： 系统初始化显示子程序键盘扫描驱动步进电机显示运行状态调用相应的子程序开始复位键复位清屏图3.1主程序流程图3.2 显示子程序 显示速度输出位控制字返回主程序调用延时子程序正转显示输出断码控制字反转显示置初始值置初始值 图3.2显示流程图3.3 键盘按键控制步进电机控制子程序键盘按键控制步进电机运行，是通过按键的高低电平加载到单片机芯片，产生一个脉冲，脉冲信号经过ULN2803处理放大，每产生一个脉冲信号，对应的步进电机就会行走一步。通过控制算法，达到两轴步进电机能够协同传递给步进电机控制的目的。本次按键系统设计就采用扫描工作方式，这样可以简化硬件电路，降低成本，增强实用性。其程序流程图如图3.3所示。开始K1=0K2=0K8=0YYYNNN消抖执行对应的控制算法两轴步进电机运行是否达到终点结束YN图3.3 独立式键盘扫流程图通常的按键开关为机械弹性开关，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时并不会马上稳定地闭合，在断开时也不会马上断开，因而机械开关在闭合及断开瞬间均伴随有一连串的抖动，如图3.4所示。抖动的时间长短由按键开关的机械特性及按键的人为因素决定。如果对按键抖动处理不当，会引起一次按键被误处理多次。为了确保CPU对按键的一次闭合仅作一次处理，则必须消除键抖动，在键闭合稳定时取按键状态，一般是判别到键释放稳定后再作处理。消除键抖动可用硬件和软件两种方法。硬件方法常用RS触发器、施密特门电路等；软件方法是当检测出按键闭合后执行一个延时程序，待前沿抖动消失后再次检验键的状态，如果键仍保持闭合状态则可确认为有按键按下。当检测到按键释放并执行延时程序，待后延抖动消失后才转入该按键的处理程序。前沿抖动键按下闭合稳定键释放释放稳定图3.4 按键时的消抖示意图4 X-Y数控工作台直线插补软件设计4.1 逐点比较法的直线插补的数学原理4.1.1逐点比较法的直线插补的偏差判别机制根据逐点比较法插补原理，必须把每一插值点（动点）的实际位置与给定轨迹的 理想位置间的误差，即“偏差”算出来，根据偏差的正、负决定下一步的走向，来近给定轨迹。因此偏差计算是逐点比较法关键的一步。图4.1 第一象限直线以第一象限为例，在第一象限加工出直线段）OA，取直线段的起点为坐标原点，指点段终点坐标（）是已知的，如图4-1所示。点m（）为加工点（动点），若点m在直线段OA上，则有 （4-1） （4-2）现定义直线插补的偏差判别式为 = （4-3）若=0，表明点m在OA直线段上；若0表明点m在OA直线段的上方，即处；若0，表明点m在OA直线段的下方，即处。由此可得第一象限直线逐点比较法插补的原理是：从直线的起点（即坐标原点）出发，当0时，沿+X轴方向走一步；当0时，沿+Y方向走一步；当两方向所走的不属于终点坐标（，）相等时，发出终点