基于单片机控制的XY绘图仪系统设计.doc

摘 要 本设计是基于单片机控制的 XY 绘图仪系统设计与虚拟仿真 在系统控制电路设计上 CPU 采用的是 AT89C51 单片机 采用 90BF001 型 4 相 8 拍的反应式步进电机作为驱动 XY 绘图仪的伺服电机 用 ULN2003A 来驱动 并确定了 XY 绘图仪的传动方式 单片机的复位方式为上电自动复位 时钟电路为内部时钟方式 在 CPU 及外围电路芯片的选择上 以尽量节省 I O 口 性价比较高 技术成熟以及市场上通用芯片为基准 因而控制系统电路的 结构简单 性能更优越 程序编写完成后 在 Keil 软件进行编译和调试 并在 Proteus 环境中实现 程序及电路的仿真 关键字 XY 平面绘图仪 单片机 微控制器 Proteus 仿真 ABSTRACT This is a design of microcomputer based CNC XY platform motion control system and its virtual simulation In the control circuit design used an AT89C51 microcontroller for CPU Using the four phase eight reactive stepping motor 90BF001 as servo motor drives the XY platform and they were driven by ULN2003A and we also determined the transmission ways the XY platform Chip power on reset mode is automatically reset clock circuit for the internal clock mode On the choose of CPU and the peripheral circuit chip following next principles save the I O mouth as possible high performance with low cost mature technology and general chip on the market So the structure of the control system circuit is simple and its performance is superior After the completion of the program written programs were compiled and debugged in Keil and to achieve the simulation of program and circuit in Proteus environment Key words XY platform Chip Single Microcomputer Microcontroller Proteus simulation 目目 录录 第一章 绪论 1 1 1 课题设计研究背景 1 1 2 研究的内容 1 1 3 毕业设计的目的 意义 2 第二章 平面绘图仪控制系统的总体方案 3 2 1 平面绘图仪控制系统的控制方式 3 2 2 伺服系统及电机的选择 3 2 3 微机控制系统的选择 4 2 4 X Y 平面绘图仪的传动方式 5 第三章 MCS 51 单片机工作原理 6 3 1 单片机内部组成及引脚功能 6 3 1 1 单片机的内部结构 6 3 1 2 AT89C51 单片机的主要特性 6 3 1 3 AT89C51 单片机的引脚功能 7 3 2 单片机的时钟电路 9 3 3 单片机的工作方式 11 第四章 单片机系统的设计 13 4 1 硬件配置与接口分配 13 4 1 1 存贮器空间分配 13 4 1 2 I O 口地址分配 13 4 2 硬件电路的设计 13 4 2 1 主控制器 CPU 的选择 14 4 2 1 步进电机驱动电路的设计 15 4 3 其他辅助电路设计 16 4 3 1 AT89C51 的时钟电路单片机的时钟的产生方式 16 4 3 2 AT89C51 复位电路 16 4 3 3 超程报警电路 16 4 3 4 掉电保护电路 17 4 3 5 光电隔离电路 18 第五章 基于 PROTEUS 的 XY 平面绘图仪运动仿真设计 20 5 1 PROTEUS简介及仿真界面 20 5 2 KEIL简介 21 5 3 KEIL中的程序调试 22 5 4 PROTEUS仿真系统硬件原理图 23 5 5 运行调试 23 设计总结 26 致 谢 27 参考文献 28 附 录 29 附录 A 步进电机驱动平面绘图仪控制 XY 轴仿真原理图 29 附录 B C 语言程序设计 30 第一章 绪论 1 1 课题设计研究背景 国内技术现状国内技术现状 进入 21 世纪以来 随着计算机技术的飞速发展 推动绘图仪 控制技术更快的更新换代 世界上许多绘图仪系统厂家利用 PC 机丰富的软硬 件资源开发开放式体系结构的新一代控制系统 开放式体系结构使绘图仪控制 系统有更好的通用性 柔性 适应性 扩展性 并向智能化 网络化方向大大 发展 开放式体系结构可以大量采用通用微机的先进技术 如多媒体技术 实 现声控自动编程等 绘图仪控制系统继续向高集成度方向发展 每个芯片上可 以集成更多个晶体管 使系统体积更小化 更加小型化 微型化 可靠性大大 提高 利用多 CPU 的优势 实现故障自动排除 增强通信功能 提高进线 联 网能力 如今较为先进 金典之作为 XY 机械套件 Makeblock 平面绘图仪体系 它是一款可以实现平面坐标系精确定位的机器人套装 绘图定位精度可以达到 0 1mm 精细而坚固的机械结构 高性能的电子模块 为他的稳定性和精确度 墓定了基础 XY 基础包将会发展成为高精度智能化的桌面绘图仪 可以通过它 绘制出精彩的图片 设计等 绘图仪通过 PC 端上位机 Gremote 控制 PC 运动 控制板 把运动控制板插入 PC 机的标准插槽中作实时控制用 而 PC 机主要作 非实时控制 国内发展趋势 国内发展趋势 一 XY 绘图仪的发展趋势 1 智能化 2 网络化 3 集成化 4 微机电控制系统 5 数字化 二 我国 XY 绘图仪产业发展的思考 1 注重系统配套 2 注重产品的可靠性 3 提倡创新 加强服务 国际技术现状 国际技术现状 XY 绘图仪从国际来看 德国 美国 日本等几个国家基本掌握 了高档 XY 绘图仪平面绘图仪控制系统 国外的主要 XY 绘图仪平面绘图仪控制 制造商有西门子 发那克 三菱电机 海德汉 博世力士乐 日本大薇等 1 纳米插补与数制技术已走向实用阶段 2 机器人广泛应用 3 智能化绘图不断扩展 4 CAD CAM 技术的应用 国际发展趋势 国际发展趋势 1 新一代绘图仪向 PC 化和开放式体系结构方向发展 2 驱动装置向交流 数字化方向发展 3 增强通信功能 向网络化发展 4 绘图仪平面绘图仪控制系统在控制性能上向智能化发展 1 2 研究的内容 1 总体设计 首先按照老师对课设的要求及所设计单片机控制绘图仪的工作 原理 应用场合 控制对象等确定合理的设计方案 仔细划分软件部分和硬件 部分各自应完成的功能 从而确定设计思路 2 硬件设计 由于现在市场上各种芯片种类繁多 而且不断在推陈出新 因 此必须按照系统要求 根据 性价比最高 原则 选择既适合于本系统 又运 行可靠的芯片和元器件 从而设计出最合理的硬件电路 所需硬件 X Y 坐标尺 X Y 带传动链 X Y 传动丝杠 步进电动机 My Mx 绘图笔 继电器 控制传动线路 计算机 单片机 微型计算机接口等 1 步进电动机的选择 2 驱动器的接线方式 3 X Y 传动方式的选择 4 控制器的芯片的选择 5 硬件电路的设计 6 单片机的确定 AT89C51 3 软件设计 利用汇编语言的编程 以及通过指令来确定步进电动机的运动 规律 顺序 采用逐点比较法来 一步一步的运算 进行直线插补 圆弧插补 4 系统的调试及运行 在单片机开发装置上 用调试软件对程序进行调试 查错和修改 然后把调好的顺序联成一个完整的系统程序 再进行联机调试 在线仿真 最后组装样机 脱机运行 通过试运行对系统进行检测 以验证系 统的功能 设计要求完成整个控制系统的硬件设计和完成整个控制系统的人机接口软 件设计 通过 Keil 编译和调试程序 并最终在 Proteus 软件中仿真 1 3 毕业设计的目的 意义 毕业设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一 是综合运用所 学过的机械 电子 自动控制 计算机等知识进行的基本设计训练 其目的是 能够正确运用大学期间所学课程的基本理论和相关知识 掌握机电一体化 系统 产品 的功能构成 特点和设计思想 设计方法 了解设计方案的拟定 比较 分析和计算 培养学生分析问题和解决问题的能力 使学生具有机电一 体化系统设计的初步能力 通过机械部分设计 掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计 算 选型和结构设计方法和步骤 通过测试及控制系统方案设计 掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成 工作原理 和软件编程思想 通过毕业设计提高学生应用手册 标准及编写技术说明书的能力 促进学 生在科学态度 创新精神 专业技能等方而综合素质的提高 第二章 平面绘图仪控制系统的总体方案 本次设计中 平面绘图仪控制系统总体设计内容包括 平面绘图仪控制系 统控制方式的确定 伺服系统的选择 微机控制系统的选择 2 1 平面绘图仪控制系统的控制方式 本平面绘图仪控制系统要求 X Y 平面绘图仪沿两个坐标轴 X Y 方向同时具有连续的精确的运动 两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能 能 够完成平面轮廓的加工 因而采用连续控制的方式 该方式可对两个或两个以 上的坐标轴同时进行严格连续控制系统 它不仅能控制移动部件从某一点准确 地移动到另一点 而且还能控制整个加工过程中的每一点的速度和位移量 进 而将零件加工成一定的轮廓形状 2 2 伺服系统及电机的选择 1 伺服系统的选择 本次设计选用开环伺服系统 在开环控制系统中 无反馈部件 不存在由 输出端到输入端的反馈通路 无法反馈信息 故而不能及时纠正系统传动误差 但是 同闭环控制系统相比 开环控制系统的结构要简单得多 调整维修方便 同时也比较经济 在速度和精度要求都不太高 而又要求降低成本的场合得到 广泛应用 2 步进电机的选择 考虑到经济性 也不需太高的运动精度 为简化结构 降低成本 采用步 进电机作为开环伺服系统的驱动装置 步进电机是由脉冲控制的特种电动机 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 对应 于每一个脉冲 电动机将产生一个恒定量的步进运动 即产生一个恒定量的角 位移或线位移 步进电机运动步数由脉冲数来决定 运动方向由脉冲相序来决 定 在一定时间内转过的角度或平移的距离由脉冲数决定 借助步进电机可以 实现数字信号的变换 步进电机控制系统的原理框图如图 2 1 所示 电 源 脉冲发生器脉冲分配功率电路步进电动机工作机构 图 2 1 步进电动机系统简图 根据控制需要 本次设计选择两个90BF001型4相8拍的反应式步进电机 步进电机有关参数如表2 1 表2 1 90BF001型反应式步进电机的参数 主要技术参数 型号 相数 步距角 电压 V 最大静转矩 N m 空载启动 频率 步 s 空载运行 频率 步 s 分配 方式 90BF00140 9803 92200080004相八拍 电感 mH 外形尺寸 轴径 mm 质量 kg 转子转动惯量 10 5 kg m2 17 4914590 4 517 64 步进电机原理图如图 2 2 所示 图 2 2 步进电动机原理图 2 3 微机控制系统的选择 1 对于步进电动机的开环控制系统 选用 8 位单片机 AT89C51 作为控 制系统的控制器 该单片机具有集成度高 可靠性好 功能强大 处理速度快 可扩展性强 性价比较高等优点 能够很好的满足任务书给定的相关控制要求 2 要设计一个完整的控制系统 在选择 CPU 之后 还要设计步进电机 机的驱动电路 通过运行程序 单片机与驱动电路一起工作 进而分别驱动 XY 轴步进电机的正反转 3 合理设计电源及开关电路 与步进电动机配套使用 2 4 X Y 平面绘图仪的传动方式 为了保证X Y平面绘图仪具有一定的传动精度和平稳性 并考虑总体结构 的紧凑性要求 采用滚珠丝杠螺母作为传动副 由于平面绘图仪的运动部件重 量和工作载荷不大 故选用滚动直线导轨副 从而减小平面绘图仪的摩擦系数 提高其运动的可靠性和平稳性 由于步进电机的步距角和滚珠丝杠的导程是按标准选取的 为达到传动要 求 并综合考虑步进电机负载匹配 决定采用齿轮减速传动 平面绘图仪控制 系统总体框图如图2 3所示 图2 3 平面绘图仪控制系统总体框图 第三章 MCS 51 单片机工作原理 3 1 单片机内部组成及引脚功能 3 1 13 1 1 单片机的内部结构单片机的内部结构 MCS 51单片机的组成 CPU 进行运算 控制 RAM 数据存储器 ROM 程序存储器 I O口 串口 并口 内部总线 和中断系统等 组成框 图如下 图3 1 MSC 51单片机结构框图 3 3 1 1 2 2 AT89C51AT89C51 单片机的主要特性 单片机的主要特性 与MCS 51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 全静态工作 0Hz 24Hz 寿命 1000次擦 写循环 数据的保留时间可达10年 128 8位内部RAM 32可编程I O线 三级程序存储器锁定 可编程的串行通道 两个16位计数器 定时器 闲置和掉电模式低功耗 5个中断源 3 1 33 1 3 AT89C51AT89C51 单片机的单片机的引脚功能引脚功能 本次选用的AT89C51单片机采用40引脚双列直插式封装 DIP 形式 引脚 排列及逻辑符号如图3 2所示 其中Vcc和Vss引脚由于分别默认接电源和地而 被隐藏 下面分别说明这些引脚的意义和功能 图3 2 AT89C51单片机引脚图 1 电源线 VCC 接 5V电源 VSS 接电源地 2 端口线 P0 P3口 4 8 32条 1 P0口 P0 0 P0 7 P0口是一个8位双向I O口 它的每跟管脚都可吸收8TTL的门电流 当P1口 首次写1的时候 P0口将被定义为高阻态输入 P0可用于外部程序数据存储器 此时它作为数据 地址的第八位 当FIASH进行编程时 P0 口将作为原码输入 口 FIASH校验时 P0口作为原码输出口 此时P0口必须拉高的外部 2 P1口 P1 0 P1 7 P1口是一个由单片机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 3 P2口 P2 0 P2 7 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 4 P3口 P3 0 P3 7 P3口的管脚是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 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口使用 各位的作用如下表3 1所示 所示 表3 1 P3各口线的第二功能表 端口第二功能信号名称 P3 0RXD串行数据接收口 P3 1TXD串行数据发送口 P3 2INT0外部中断0请求输入 P3 3INT1外部中断1请求输入 P3 4T0定时器 计数器0的外部输入口 P3 5T1定时器 计数器1的外部输入口 P3 6WR外部RAM写选通信号 P3 7RD外部RAM读选通信号 3 控制信号引脚 RST 复位输入引脚 当器件被振荡器复位时 必须保持RST引脚有两个机 器周期时间的高电平 ALE PROG 当单片机访问外部存储器时 地址锁存所允许的输出电平将用 来锁存地址的地位字节 在 FLASH 进行编程时 编程脉冲由此引脚输入 一般 情况下 ALE 引脚端以恒定的频率周期来输出正向脉冲信号 此时的振荡频率 是振荡器振荡频率的 1 6 因此 它可作为向外部输出脉冲或用来定时的引脚 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 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 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PSEN 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 当保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H EA VPPEA FFFFH 不管是否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 将内部锁定为EA RESET 当端保持高电平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此EA 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 3 2 单片机的时钟电路 AT89C51 单片机芯片内部有一个高增益反相放大器 用于构成时钟振荡电 路 XTAL1 为该放大器的输入端 XTAL2 为该放大器的输出端 由该放大器构 成的振荡电路与和时钟电路一起构成了单片机的时钟方式 根据硬件电路的不 同 单片机的时钟连接方式又可分为内部时钟方式和外部时钟方式 内部时钟 方式如图 3 3 所示 外部时钟方式如图 3 4 所示 图3 3 内部时钟方式 图3 4 外部时钟方式 3 3 单片机的工作方式 MCS 51系列单片机的工作方式可分为 复位方式 程序执行方式 单片 执行方式 掉电保护方式 节电工作方式和EPROM编程 校验方式 复位方式 系统开始运行和重新启动靠复位电路来实现 这种工作方式为 复位方式 复位电路有两种 上电自动复位如图3 5所示 上电 按键手动复位 如图3 6所示 图 3 5 上电自动复位 图 3 6 上电 手动按键复位 程序执行方式 单片机基本工作方式 可分为连续执行工作方式和单步执 行工作方式 连续执行工作方式 所有单片机都需要的工作方式 单片机复位后 PC 值为0000H 因此单片机复位后立即转到0000H处执行程序 单片机按照程序 事先编排的任务 自动连续地执行下去 单步执行工作方式 用户调试程序的一种工作方式 在单片机开发系统 上有一专用的单步按键 或软件调试环境 按一次 单片机就执行一条指令 仅仅执行一条 这样就可以逐条检查程序 发现问题进行修改 单步执行 方式是利用单片机外部中断功能实现的 节电方式 一种低功耗的工作方式 分为空闲 等待 方式和掉电 停机 方式 是针对CHMOS类芯片而设计的 HMOS型单片机不能工作在节电方式 但它有一种掉电保护功能 HMOS单片机的掉电保护 当VCC突然掉电时 单片机通过中断将必须 保护的数据送入内部RAM 备用电源VPD可以维持内部RAM中的数据不丢失 CHMOS单片机的节电方式 CHMOS型单片机是一种低功耗器件 正常 工作时电流为11 22mA 空闲状态时为1 7 5mA 掉电方式为5 50 A 它 适用于低功耗应用场合 它的空闲方式和掉电方式都是由电源控制寄存器 PCON中相应的位来控制 编程和校验方式 用于内部含有EPROM的单片机芯片 一般的单片机开 发系统都提供实现这种方式的设备和功能 第四章 单片机系统的设计 4 1 硬件配置与接口分配 4 1 14 1 1 存贮器空间分配存贮器空间分配 单板机可寻址范围是 64K 字节 板上提供的插座占 16K 已插入的芯片占 10K 其余以备扩展使用 其存贮空间分配如下 0000H 07FFH 2KB EPROM 存储监控程序 0800H 0FFFH 2KB EPROM 存储零件加工程序 1000H 17FFH 2KB RAM 调试程序 2000H 27FFH 2KB RAM 测试程序等 4 1 24 1 2 I OI O 口地址分配口地址分配 单板机设置 I O 口地址为 80 9FH 共 32 个口地址 分配如下 80H 83H MCS 51 8031 84H 87H 字形锁存 88H 8BH 字位锁存 8CH 8FH 读键值 90H 9FH 用户使用 4 2 硬件电路的设计 平面绘图仪控制系统硬件电路由以下几部分组成 1 主控制器 即中央处理单元 CPU 2 总线 包括数据总线 地址总线 控制总线 3 存储器 包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器 本次选用 的AT89C51芯片内部自带有4K字节可编程的闪烁存储器 故不需再扩展存储器 4 接口 即I O输入输出接口 平面绘图仪控制系统的硬件框图如图4 1所示 中央处理器 单元 CPU 存储器 RAM ROM 输入 输出 I O 接口 信号变换 控制对象 外部设备 键盘 显示器 打印机 通信接口等 图4 1 平面绘图仪控制系统的硬件框图 4 2 14 2 1 主控制器主控制器 CPUCPU 的选择的选择 AT89C51系列单片机是集中CPU 它有如下特点 1 可靠性高 AT89C51能很好的适应工业生产环境 与PC机相比 它具有更强的抗外界 干扰能力 并且 它的系统软件 如 程序指令 常数 表格等 均固化于 ROM中 不易受到病毒的破坏 信号通道基本上都位于同一个芯片里 运行时 系统可靠且稳定 2 便于扩展 此系列单片机片内有微机正常运行必需具备的部件 其片外还有许多供用 户扩展用的 总线 串行和并行输入 输出 管脚 很容易就能组成一定规模且 适应要求的微机系统 3 控制功能较强 AT89C51单片机具有丰富控制指令 如 I O 口逻辑操作指令 位处理指 令 条件分支转移指令等 4 实用性好 体积小 功耗低 价格便宜 易于产品化 综上所述 由于它具有以上优点 所以本设计选用AT89C51单片机作为主 控制芯片 其引脚图如图3 2所示 4 2 14 2 1 步进电机驱动电路的设计步进电机驱动电路的设计 1 选用 ULN2003A 芯片构成步进电机的驱动电路 ULN2003A 的结构 ULN2003A 是一款大电流 高耐压的达林顿阵列 由 七个硅 NPN 达林顿管组成 ULN2003A 具有如下特点 ULN2003A 中的每一对达林顿都串联着一个 10 5K 的基极电阻 它在 5V 的工作电压下 可与 CMOS 和 TTL 电路直接连接 能直接处理一些原先 需要由标准逻辑缓冲器处理的数据 ULN2003A 的工作电流大 工作电压高 其灌电流可以达到 500mA 且在关态时能承受 50V 的电压 输出还可以在高负载电流的情况下并行运行 ULN2003A 采用 DIP 16 或 SOP 16 塑料封装 ULN2003A 的引脚如图 4 2 所示 图 4 2 ULN2003A 引脚图 2 步进电机的驱动电路如图 4 3 所示 图 4 3 步进电机驱动电路 4 3 其他辅助电路设计 4 3 14 3 1 AT89C51AT89C51 的时钟电路单片机的时钟的产生方式的时钟电路单片机的时钟的产生方式 AT89C51 的时钟电路可以由两种方式产生 外部方式和内部方式 由于内 部时钟电路结构简单 无需外部施与时钟信号 故本次设计采用内部方式 内 部时钟方式是利用的芯片内部的振荡电路 具体则是在 XTAL1 和 XTAL2 引脚 上外接一个定时元件 如图 3 3 所示 晶体的振荡频率可在 1 2 12MHz 间任 选 耦合电容在 5 30PF 之间 这种方式对时钟具有微调作用 4 3 24 3 2 AT89C51AT89C51 复位电路复位电路 单片机的复位是靠外部电路来实现的 在时钟电路工作后 只要 RST 引脚 上有 10ms 以上的高电平出现 单片机就可以实现状态复位 然后单片机便从 0000H 单元开始执行程序 单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种复位 方式 为了尽可能简化电路 本次设计采用上电自动复位方式 如图 3 5 所示 4 3 34 3 3 超程报警电路超程报警电路 为了防止平面绘图仪超程 可分别在极限位置安装限位开关 对于两坐标 联动的平面绘图仪控制系统 4 个方向都可能超程 即 X X Y Y 当某一方向超程时 应立即使平面绘图仪停止移动 图 4 4 为报警指示灯电路 为达到报警的效果 要用到中断方式 这里采用 AT89C51 的外部中断方式 任 何一个行程开关闭合 即平面绘图仪在某一方向超程 均会产生中断信号 在电路中设置红绿灯作为警示指示信号 正常工作时 绿灯亮 超程报警时 红灯亮 两灯均由一个 I O 口输出 图 4 4 报警指示灯电路 4 3 44 3 4 掉电保护电路掉电保护电路 半导体存储器 RAM 最怕掉电 一但掉电 则里面存储的信息就会全部丢 失 工业作业现场环境恶劣 掉电是很有可能发生的 平面绘图仪控制系统中 的一些重要的现场参数 如几何尺寸 工艺参数等都是存储在 RAM 中的 掉 电后 数据将会丢失 为了使掉电情况下 RAM 中的信息能得以保持 就必 须设置掉电保护电路 这样 恢复供电后 系统又能马上运行 图 4 5 所示的 是一种简单掉电保护电路的工作原理 图中为电源电压 为备用电池电 V B V 压 并且 为存储器 RAM 的电源端 正常通电时 二极管导通 B V V cc V 1 D 截止 RAM 的工作电压由提供 同时 还通过电阻 R 对电池充电 2 D V V 断电后 截止 导通 此时 RAM 的工作电压由电池电压由电池经二 1 D 2 D B V 极管和电阻 R 供给 值一般取 3V 时 存储器就能可靠的保持信息 2 D B V 图 4 5 掉电保护电路 4 3 54 3 5 光电隔离电路光电隔离电路 在步进电机驱动电路中 脉冲信号经功率放大器后控制步进电机励磁绕组 由于步进电机需要的驱动电压较高 电流较大 如果功率放大器直接接输出信 号 将导致强电干扰 轻则影响程序的正常工作 重则导致单片机和接口电路 的损坏 所以一般在功率放大器与接口电路之间都要接上隔离电路 光电隔离是有光耦合器来完成的 光耦合器是以光为媒介传输信号的器件 其输入端配置发出光源 输出端配置接受光源 因而输入和输出在电气上是完 全隔离的 本设计将会使用开关量电路 因此设计时选择在电路中接入光耦合 器 从而使其输入侧与输出侧的信号得到了电气隔离 互补影响 1 光耦合器的选用 本案选用的是普通的信号隔离用光耦合器 TLP521 1 其内部结构形式见 图 4 6 TLP521 1 光耦合器以发光二极管为输入端 光敏晶体管为输出端 能 够隔离频率在 100kHz 以下的信号 满足我此次设计的要求 图 4 6 TLP521 1 光耦合器的内部结构形式图 2 TLP521 1 光耦合器的主要参数及工作参数 TLP521 1 光耦合器是 TOSHIBA 公司生产的 TLP521 系列光耦合器的一种 结构形式 表 4 1 则给出了 TLP521 系列光耦合器推荐的工作参数 表 4 2 将 给出 TLP521 系列光耦合器的主要参数 表 4 1 TLP521 光耦合器推荐工作参数 参数特性符号最小值典型值最大值单位 供电电压 CC V 524V 正向电流 F I 1025mA 集电极电流 c I 110mA 工作温度opt I 25 85 表 4 2 TLP521 光耦合器的主要参数 参数名称符号单位TLP521 正向导通电流 F I mA50 集电极电流 c I mA50 最小电流传输比 min CRT 100 最大电流传输比 max CRT 600 集电极 发射机反向击穿电压 BRCEO V V55 发射极 集电极反向击穿电压 BRECO V V7 集电极 发射极饱和压降CE sat V V0 4 响应时间 ON OFF Ttmax S2 3 隔离电压 ISO V kV2 5 第五章 基于 PROTEUS 的 XY 平面绘图仪运动仿真设计 5 1 Proteus 简介及仿真界面 1 Proteus 软件简介 Proteus 是英国 Labcenter 公司开发的切入式系统仿真软件 组合了高级原 理图设计工具 ISIS 混合模式 SPICE 仿真 PCB 设计以及自动布线而形成了 一个完成的电子设计系统 它运行与 Windows 操作系统上 可以仿真 分析各 种模拟和数字电路 并且对 PC 机的硬件配置要求不高 该软件具有以下主要 特别 实现了单片机仿真和 SPICE 电路仿真相结合 具有模拟电路仿真 数 字电路仿真 单片机及其外围电路仿真 RS232 动态仿真 SPI 调式器 键盘 和 LCD 系统仿真的功能 提供了大量的元器件 涉及电阻 电容 二极管 三极管 MOS 管 变压器 继电器 各种放大器 各种激励源 各种控制器 各种门电路和各种 终端等 同时 也提供了许多虚拟测试仪器 如电流表 电压表 示波器 逻 辑分析仪 信号发生器 定时 计数器等 支持主流单片机系统的仿真 目前支持的单片机类型有 68000 系列 8051 系列 AVR 系列 PIC12 系列 PIC16 系列 Z80 系列 HC11 系列以及 各种外围芯片 提供软硬件调试功能 同时支持第三方的软件编译和调试环境 如 Keil C51 Vision2 等软件 具有强大的原理图编辑及原理图后处理功能 Proteus VSM 虚拟系统模型组合了混合模式的 SPICE 电路仿真 动态器 件和微控制器模型 实现了完整的基于微控制器设计的协同仿真 真正使在物 理原型出来之前对这类设计的开发和测试成为可能 2 Proteus 仿真界面 如图 5 1 所示 图 5 1 Proteus ISIS 仿真界面 5 2 Keil 简介 Keil 是美国 Keil Software 公司开发的 是目前世界上最好的 51 单片机的 汇编和 C 语言的开发工具 它支持汇编语言 C 语言以及混合编程 同时 它 还具有强大的模拟仿真功能 在进行模拟仿真时 不需要任何真实的硬件即可 实现用户程序的仿真和调试 仿真时 我们会将 Keil 与 Proteus 一起使用 充 分利用它们各自的模拟仿真功能 使得单片机软硬件调试达到很好的效果 5 2 Keil 软件界面 5 3 Keil 中的程序调试 5 3 平面绘图仪控制 XY 平面绘图仪控制程序调试 程序调试成功后 生成 HEX 文件 并保存 5 4 Proteus 仿真系统硬件原理图 在进行仿真前 应先在 Proteus ISIS 中绘制出总体的电气控制原理图 并仔细检查线路是否连通 本次设计中的平面绘图仪控制 XY 平面绘图仪运动控制即是要用单片机控 制给 X Y 轴传递运动的两个步进电机的转动 包括两个步进电机各自的正反 转 以及两轴联动 具体仿真系统硬件原理图如图 5 4 所示 图 5 4 Proteus 仿真系统硬件原理图 5 5 运行调试 在 Proteus ISIS 中绘制完仿真原理图后 将之前生成的 HEX 文件导入到 AT89C51 单片机中 点击 调试 并 执行 程序 仿真结果如下图 5 5 至 5 7 所示 图 5 5 运行调试图 1 两轴电机同时运转 图 5 6 运行调试图 2 X 轴电机运转 图 5 7 运行调试图 3 Y 轴电机运转 设计总结 基于单片机的平面绘图仪控制 XY 平面绘图仪运动控制设计与虚拟仿真测 试到这里已接近尾声了 整个设计过程完成的任务主要有 1 完成了平面绘图仪控制系统整体方案的选择 2 完成步进电动机的选择 选择型号为 90BF001 的反应式步进电机 3 完成整个控制系统的硬件设计 该控制系统式基于 MSC 51 单片机控 制的 属于微型计算机 系统的硬件设计选用的芯片均为市场较为普遍的 性 价比较高的芯片 大大降低的系统的设计成本 符合设计任务书的规定要求 4 完成了 C 语言程序的编写 并成功调试运行 5 完成系统的仿真 本系统能够通过 Proteus 和 Keil 软件进行仿真 通过 该仿真电路图在仿真软件 Proteus 上实现对步进电动机的控制 步进电机的相 应动作 综上所述 本次设计出的控制系统在实现基本功能要求的基础上 较已有 的设计方案来说 控制系统更简单 I O 口的分配上更加的合理 本次设计选 用的 AT89C51 单片机其自配的存储器结构给编程上赋予了丰富的编程空间 减少了系统存储器的扩展 从而提高的本设计的优越性 然而系统不足之处在 于 此控制系统实现的是开环控制 若能为旋转编码器设计硬件电路图 并编 写调试程序控制电路的运行 即能使系统实现半闭环控制 从而使系统的稳定 性和精确性得以提高 除此之外 此系统并未制作成实物 若能通过制作实物 从中必能检测出更多的不足 也能通过实物制作检测系统的实用性 最终使系 统可靠性大大提高 致 谢 通过此次设计 让我对于理论知识尤其是专业知识有了更深的了解和认识 并能将其进行一次比较全而系统的总结和应用 在设计的过程中 我学会了如 何查阅现有的技术资料 如何举一反三 如何通过改进并加入自己的想法与观 点 使之成为自己的东西 进一步加强了我综合分析解决实际问题和独立思考 的能力 在这次设计中 同学之间讨论问题 查阅资料 相互帮助 从实际应用出 发将设计完成的比较合理且具有实际的意义 同时 我们也发现了一些问题 比如对知识的运用的熟练程度还不够 知识范围比较的狭溢 导致在设计中的 一些问题无法及时发现和解决 在此 我向我的指导老师沈华东老师表示由衷的感谢 感谢他的谆谆指导 与监督 其次 我还要感谢那些曾经给予我帮助的同学们 最后 我还要感谢大学里我所有的任课老师 感谢他们为我传道解惑 祝 他们在以后的工作生活中幸福美满 参考文献 1 求是科技 8051 系列单片机 C 程序设计完全手册 M 北京 人民邮电出 版社 2006 2 朱清慧 张凤蕊 翟天嵩 等 Proteus 教程 电子线路设计 制版与仿 真 M 北京 清华大学出版社 2008 3 固高科技 GXY 运动控制平面绘图仪使用手册 深圳 固高科技股份有限 公司 2005 4 孙立香 Proteus 和 Keil 软件在单片机中的应用 J 科技资讯 2009 36 5 汪传建 刘恩博 Proteus 软件在单片机教学过程中的应用 J 福建电脑 2010 01 6 林雄伟 胡大斌 电磁热水器温度控制系统仿真设计 J 微型机与应用 2010 09 7 楼俊君 基于 Proteus 和 Keil 的单片机演奏乐曲的实现 J 科技信息 2010 23 8 吴永 涂用军 基于移动数据的 LED 显示屏设计与仿真 J 电子技术应 用 2009 9 郑贤标 姜伟 周见行 裘信国 基于 Proteus 的单片机数据采集系统仿真 J 机电工程 2010 01 10 章彩涛 黄振沛 吴陈燕 基于 PROTEUS 的时温控制系统仿真设计 J 机床电器 2010 02 11 冯旭 王刚 基于 Proteus 与汇编语言的汉字点阵动态显示 J 电子技术 2010 08 12 张晓峰 Proteus 软件在单片机系统开发中的应用 J 信息与电脑 理论 版 2009 12 13 黄灿胜 黄梅春 基于 Proteus 的 MCS 51 单片机虚拟仿真 J 南宁师范 高等专科学校学报 2008 03 9 Karl J Astrom The Application of Keil and Proteus in MCU Game Desisn J the IEEE 2001 80 5 23 27 14 Hyden L MPU MCU development equipment to support prototyping and debugging efforts Mini Micro Southwest 84 2003 Computer Conference and Exhibition 2003 44 46 精选范本 附 录 附录 A 步进电机驱动平面绘图仪控制 XY 轴仿真原理图 精选范本 附录 B C 语言程序设计 本程序为 AT89C51 单片机控制的 XY 平面绘图仪步进电机正反转 include sbit S1 P1 4 将 S1 位定义为 P1 4 引脚 sbit S2 P1 5 将 S2 位定义为 P1 5 引脚 sbit S3 P1 6 将 S3 位定义为 P1 6 引脚 sbit S4 P1 0 将 S4 位定义为 P1 0 引脚 sbit S5 P1 1 将 S5 位定义为 P1 1 引脚 sbit S6 P1 2 将 S6 位定义为 P1 2 引脚 sbit S7 P1 3 将 S7 位定义为 P1 3 引脚 unsigned char keyval 储存按键值 unsigned char ID 储存功能标号 void delay void unsigned char i j for i 0 i 150 i for j 0 j 100 j void motor delay void unsigned int i for i 0 i 5000 i void forward 精选范本 P2 0 xfc P2 口低四位脉冲 1100 P0 0 xfc P0 口低四位脉冲 1100 motor delay P2 0 xf6 P2 口低四位脉冲 0110 P0 0 xf6 P0 口低四位脉冲 0110 motor delay P2 0 xf3 P2 口低四位脉冲 0011 P0 0 xf3 P0 口低四位脉冲 0011 motor delay P2 0 xf9 P2 口低四位脉冲 1001 P0 0 x