两轴步进电机X、Y工作台的单片机控制系统设计.doc

1、河南科技大学 2005 届本科毕业设计 毕业设计 任务书 学生姓名 : 崔永远 专业班级 : 机电 011 设计题目 : 两轴步进电机 X、 Y 工作台 的单片机控制系统设计 设计内容和要求 : 一 .主要设计内容 开发基于 MCS-51 内核的单片机系统，通过选用 AT89S52 芯片、 MAX7219显示驱动芯片、步进电机的功率驱动芯片 ULN2803 以及其他的执行元件，完成两轴步进电机 的单片机控制系统的软硬件设计，最终完成单片机控制的简易数控 X、 Y 工作台 设计 。熟悉并掌握 51 系列单片机的硬件结构、指令系统、定时器 /计数器 、串行口、中断系统等，并学会 51 单片机存储器

2、扩展、 I/0 扩展、键盘显示器接口设计、 C 语言程序编制、系统调试和测试等环节的较为完整的电子产品开发过程。 本设计中主要是通过单片机系统合适的软硬件结合，控制步进电机的运行状态，实现对步进电机的 速度及位置的 精确控制，通过软件实现数控系统的直线插补及圆弧插补 功能。 二 .设计基本要求 1. 掌握 Protel软件的使用方法 。 2. 掌握 KeilC51 编程方法 。 3. 完成学校相关文件要求的毕业设计任务 (论文、图纸等 )。 进度计划 : 1. 熟悉题目， 初步完成总体设计，元器件选择，原理图绘制。（ 46 周） 2. PCB 图绘制、制版、元器件焊接和硬件调试。（ 78 周）

3、 3 软件设计（ 911 周） 4. 调试，修改，整理文档，编写说明书。（ 1214 周） 指导教师 ： 张书涛 教研室 (研究所 )主任 ： 彭晓南 河南科技大学 2005 届本科毕业设计 两轴步进电机 X、 Y 工作台 的单片机控制系统设计 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。本文 将介绍基于单片机的两轴步进电机控制系统的硬件结构、方案设计以及性能分析等方面的内容。 两轴步进电机的单片机 控制系统主要应用于数控工作台的控制

4、、机器人以及其它的遥控装置中 。由单片机控制 驱动步进电机带动执行元件工作。通过单片机发出实时控制脉冲， 从而 实现一些要求的功能 。 本文 将介绍系统如何实现数控系统中的直线插补、圆弧插补、按键控制、参数显示等功能。在本设计中使用了具有大容量存储 器 的 AT89S52 单片机 ，另外它的内部 还 含有FLASH 存储器 和紫外光擦写只读存储器 EPROM，因此在系统的工作过程中，能有效地保护部分重要数据，不受外界因素影响而遭到破坏（如电源故障等） ，还具有多次可擦写存储器内容的功能 ；其次，还使用了 MAX7219 显示驱动芯片、 UIL2803 功率驱动芯片、 采用 3 3 矩阵式键盘

5、、 7 段双八字数码显示管以及四相步进电机等元器件，它们 构成了整个控制系统。 关键词 单片机，机电控制，直线插补 ,圆弧插补 ,控制系统 河南科技大学 2005 届本科毕业设计 目 录 前言 . 1 第 一 章 单片机控制系统 总体 设计 .3 1 单片机的最小系统 . 3 1.1 存储结构 .3 1.2 中断系统 .4 1.3 定时 /计数器工作方式 .6 1.4 I/O 口的 结构及功能 .7 2 控制系统 总体 设计方案 . 8 2.1 控制系统的功能设计 .9 2.2 控制系统的 器件选择 .9 2.3 控制系统的电路 原理 图 .12 第 二 章 单片机控制系统的 软 硬件设计 .

6、 14 1 键盘 接口设计 . 14 1.1 按键结构选择 .14 1.2 按键 工作方式 .15 1.3 键盘消抖动处理 .15 2 运行 参数 显示 . 17 2.1 LED 驱动接口电路设计 .17 2.2 LED 结构与 显示 原理 .19 3 步进电机控制 系统设计 . 21 3.1 步进电机控制原理 . 21 3.2 步进电机 的功率 驱动 . 22 3.3 步进电机的升降速控制 . 23 4 数控 插补原理 . 24 4.1 插补方法 . 24 4.2 直线插补 原理及 程序 流程图 . 25 4.3 圆弧插补 原理及 程序 流程图 . 26 河南科技大学 2005 届本科毕业设

7、计 5 分析 系统各功能 能否 实现 . 28 6 控制系统主程序流程图 . 30 7 ISP 下载线原理 与制作 . 31 结论 . 33 参考文献 . 33 致谢 . 34 附录 . 35 河南科技大学 2005 届本科毕业设计 两轴步进电机 X、 Y 工作台 的单片机控制系统设计 -1- 共 66 页 前 言 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

8、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 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

9、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

10、；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，

11、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；随着集河南科技大学 2005 届本科毕业设计 两轴步进电机 X、 Y 工作台 的单片机控制系统设计 -2- 共 66 页 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

12、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

13、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

14、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。 河南科技大学 2005 届本科毕业设计 两轴步进电机 X、 Y 工作台 的单片机控制系统设计 -3- 共 66 页

15、 第一章 单片机 控制 系统 总体设计 1.单片机的最小系统 单片机由 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 集成在一块芯片上，片内各功能部件通过内部总线相互连接起来，如图 1.1 所示为单片机的典型结构框图。 图 1-1 AT89 系列单片机基本结构 1.1 存储结构 AT89 系列存储器结构与 AT89C 系列相同 ,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ROM RAM 定

16、时 /计数器 并行接口 串行接口 中断系统 CPU SFR 特殊功能寄存器 河南科技大学 2005 届本科毕业设计 两轴步进电机 X、 Y 工作台 的单片机控制系统设计 -4- 共 66 页 可单独扩展 64KB（包括外部扩展 的 功能部件地址在内 ） 。 AT89S52 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。 AT89S52 内部设置

17、8KB的 FLASH，如不够用还可外部扩展。 AT89S52 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。 1.2 中断系统 AT89S52 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。 对于 AT

18、89S52 的中断源， 图 1-2 展示了其功能。图的左边为 8 个中断源，右边为转向对应的 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 河南科

19、技大学 2005 届本科毕业设计 两轴步进电机 X、 Y 工作台 的单片机控制系统设计 -5- 共 66 页 图 1-2 中断源示意图 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。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

20、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IE0 IE1 =1 =1 河南科技大学 2005 届本科毕业设计 两轴步进电机 X、 Y 工作台 的单片机控制系统设计 -6-

21、 共 66 页 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。 图 1-3 中断处理过程流程图 1.3 定时 /计数器工作方式 AT89S52 片内集成了 3 个 16位的定时 /计数器，和 CPU 组成了一个整体。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；中断 入口地址送入 PC 转向中断服务程序 断服务 关中断 恢复现场 开中断 中断返回 断点地址由堆 栈 弹 入PC 开中断 保护现场 关中断 中断源发中断申请 中断响应 条件件满足？ 中断受阻？ 把 PC 断点地址压 入堆栈