1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 三维运动平台控制系统的软件设计 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 在现代工业中，大量存在着对运动机构进行运动轨迹、速度等精确控制的需求。三维运动平台在机械加工、工程测试、医疗等各种生 产行业中都有极广泛的应用，本文设计了一种以单片机 PIC16F877A 为控制中心的三维运动平台控制系统，首先介绍了目前国内外运动控制的研究现状，接着对本控制系统的核心器件 PIC16F877A 单片机进行了较详细的介绍，在介绍系统的硬件结构设计基础上，介绍了组成芯片的结构、功能及特点。本文中对控制软件进行了需求
2、分析，重点完成了系统的软件设计，设计并完成了各个模块的功能。本系统利用PIC16F877A 单片机芯片的优良特性，通过按键选择平台的运动方向和位移及控制步进电机的运转，通过 LCD 显示运动方向，数码管显示位 移。达到了软件运行成功并在实物上实现的目标。 关键词： 三维运动平台、软件设计、 PIC16F877A 单片机 II Three-dimensional motion platform control systemsoftware design Abstract In modern industry,there are a lot of precise controls requirem
3、ents for movement mechanism and its speed. Three-dimensional motion platform has a very wide range of applications in many areas,such as in machining, engineering test, medical and other manufacturing industries. This paper introduces a design of three-dimensional motion platform which makes PIC16F8
4、77A MCU as its control center， firstly introduces the current research status of motion control at home and abroad, and then gives a detail introduction to the core of this control system PIC16F877A single-chip microcomputer. On the basis of the introduction of the hardware structure of the system,
5、the paper introduce the chips structure, functions and characteristics. The paper analyzes the requirements of the control software, and focuses on the software design of the system, describes the design idea of each modules function. This system uses PIC chips excellent features, we can choose move
6、ment direction and its forward/backward through pressing the key, display movement direction through LCD and display location through LED digital tube. And at last this design achieve its goal practically. Keywords: Three-dimensional motion platform, control, PIC16F877A single-chip microcomputer III
7、 目录 摘 要 . I Abstract . II 1 绪论 . 1 1.1 课题的来源 . 1 1.2 课题的意义 . 1 1.3 运动控制国内外发展现状 . 2 1.3.1 运动控制的国外研究现状 . 2 1.3.2 运动控制的国内研究现状 . 2 1.4 课题内容和研究方案的确定 . 3 1.4.1 研究内容 . 3 1.4.2 研究方案 . 3 1.5 本章小结 . 3 2 PIC 单片机主机原理概述 . 4 2.1 单片机芯片选择 . 4 2.2 PIC 系列单片机的结 构和性能特点 . 7 2.2.1 PIC 系列单片机的结构和性能 . 7 2.2.2 PIC16F877A 单片机
8、的特点 . 9 2.2 本章小结 . 9 3 各模块硬件电路设计 . 10 3.1 PIC 单片机在系统应用中的优势 . 10 3.2 键盘电路设计 . 10 3.2 LCD 液晶显示电路设计 . 11 3.3 LED 数码管电路设计 . 13 3.4 步进电机驱动电路设计 . 13 3.5 本章小结 . 14 4 系统软件设计 . 15 4.1 开发环境及编程语言的选择 . 15 4.2 需求分析 . 15 4.3 总体设计 . 16 4.3.1 系统设计原理 . 16 4.4 编程实现 . 17 4.4.1 初始化子程序 . 17 4.4.2 键盘按键程序设计 . 18 4.4.3 LCD
9、 液晶显示程序设计 . 21 IV 4.4.4 步进电机驱动程序设计 . 22 4.5 本章小结 . 23 5 系统软硬件调试 . 24 6 结论 . 27 参考文献 . 28 致谢 . 错误 !未定义书签。 三维运动平台控制系统的软件设计 1 1 绪论 1.1 课题的来源 在现代工业自动化、办公自动化、家庭自动化和国防自动化中，大量存在着对运动机构进行运动轨迹、速度等精确控制的需求。例如，工业应用方面，各种数控机床、加工中心、工业机器人、轧机传动等控制；计算机软硬盘驱动器、 CD-ROM、打印机的控制；家用电器中的录像机、 VCD 控制；国防和航空领域中的火炮瞄准、导航、卫星姿态等的控制，动
10、控制成为控制科学的重要分支1。近几年，计算机技术和现代电子技术的迅速发展与广泛应用，为运动控制系统的发展注入了强大的技术动力。我国传统运动控制系统已经不能适应现代制造业的发展，深入研究基于新体系架构、低成本、新技术、高性能的运动控制系统，既有市场需求，又有良好的技术背景环境 1。 1.2 课题的意义 三维运动平台在医疗、机械加工、工程测试等各种生产行业中都有着广泛的应用 ,是现代运动控制技术的基础设备 2。这类平台比较常见的控制方式就是采用“计 算机 +专用运动控制卡 +驱动器”的方法，通过计算机软件控制专用运动控制卡从而控制驱动器以达到控制平台运动的目的 ,但是其造价一般比较昂贵，不能够大面
11、积推广应用 2。 单片微型计算机作为微型计算机中的一个发展分支，它有较强的控制功能、低廉的成本 ,介于工业控制计算机和可编程控制器之间。在选择电动机的控制器时，通常是在满足功能需要的前提下，优先选择成本低的控制器 28。因此，通常优先选择单片机。从最近的统计数据也可以看出，世界上每年要有 25 亿片各种单片机投入使用。单片机是目前世界上使用量最大的微处理器。 为了 研究单片机在电机运动控制系统中的应用，应先了解单片机电机运动控制系统和内部资源的运行特性，进一步发掘单片机在电机运动控制领域中的潜力，以提高系统的性能和降低系统的成本。这样无论对于推广单片机在电机运动控制领域中的应用还是对于提高电机
12、运动控制系统的性能都有很大的研究价值和现实意义 3。 三维运动平台控制系统的软件设计 2 1.3 运动控制国内外发展现状 1.3.1 运动控制的国外研究现状 运动控制作为自动化技术的一个重要分支，在 20 世纪 90 年代，国际上发达国家，例如美国已经进入快速发展的阶段。近年来，随着运动控制技术的不断进步和完善，运动控制 器作为一个独立的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的产业领域接受，并且它已经达到一个引人瞩目的市场规模。目前，运动控制器从结构上主要分为如下三大类 3： (1)基于计算机标准总线的运动控制器，它是把具有开放体系结构，独立于计算机的运动控制器与计算机相结合构成，目前这种运动控
13、制器是市场上的主流产品 3。 (2)Soft 型开放式运动控制器，它提供给用户最大的灵活性，它的运动控制软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部 I/O 之间的标准化通用接口 3。 (3)嵌入式结构的运动 控制器，这种运动控制器是把计算机嵌入到运动控制器中的一种产品，它能够独立运行。嵌入式的运动控制器也可配置软盘和硬盘驱动器，甚至可以通过 Internet 进行远程诊断。例如美国 ADEPT 公司的 SmartController，固高科技公司的 GU 嵌入式运动控制平台系列产品等 3。 1.3.2 运动控制的国内研究现状 目前国外产品已经开始大量进入中国，固高科技公司也相继
14、开发出 GO 、 GT、 GH 和 GU 系列基于 DSP 的开放式运动控制器产品，有近 150 个品种可供用户选择，固高科技公司把通用运动控制器 产品分为高、中、低三个档次，他们分别是 GH、 GT 和 GO 系列产品 4。从目前国内市场的反馈情况来看，按照行业进行市场开发，具有一定的优势。这三类运动控制器的特点和应用领域如下： (1)点位运动控制器，主要应用在那些仅对终点位置有要求，与运动轨迹无关的系统 4。 (2)连续轨迹运动控制器，主要应用在传统的数控系统、切割系统的轮廓控制 4。 (3)同步运动控制器，主要应用在需要有电子齿轮箱和电子凸轮功能的系统控制中 4。 三维运动平台控制系统的
15、软件设计 3 1.4 课题内容和研究方案的确定 1.4.1 研究内容 本课题要对以下内容做 深入的研究： 1.实现三维运动控制，在坐标上实现 X 轴 Y 轴 Z 轴的运动。 2.实现实时显示三维运动平台的运动方向及位移。 2.按键控制电机的转动。 3.按键控制运动平台回到坐标原点。 1.4.2 研究方案 鉴于上述要实现的功能，该系统主要由液晶显示模块、数码管显示模块、PIC 主机（数据处理 ） 、键盘按键选择模块、步进电机模块五大部分组成，整个系统如图 1-1 所示，其中各部分的具体实现方案将在以下各章中阐述。 图 1-1 系统框图 1.5 本章小结 本章介绍了运动控 制的国内外现状和技术的发
16、展趋势，并阐述了该课题研究的目的及意义，最后确定了该课题的内容和研究方案。PIC 主机 LCD 显示 数码管显示 按键选择模块 步进电机模块 三维运动平台控制系统的软件设计 4 2 PIC 单片机主机原理概述 2.1 单片机芯片选择 现今世界上涌现出品种多样的单片机，目前应用较广的主要有美国 Intel公司的 MCS-51 和 MCS-96 系列、美国 Motorola 公司的 MC68 系列、台湾 ICSI 公司的 8051 系列、美国 Microchip 公司的 PIC 系列等，其中各个系列的单片机都有其各自的优点 5。美国 Microchip 公司近几年推出的 PIC 系列单片机，与其它
17、系列相比，它的最大优点表现在功能强 、引脚少、可直接带 LED 负载；具有低耗能工作方式，实现掉电保护；外围配置简单、明晰，提高了整机的可靠性；且具有较强的抗干扰能力，大大提高了抵御外界的电磁干扰本机控制电路的能力 5。所以本设计选用 PIC16F877A 单片机，其管脚图如图 2-1 所示： 图 2-1 PIC16F877A 管脚图 PIC16F877A 单片机引脚说明 6： 1.电源和接地引脚（均配置两组） DDV ：正电源端。 三维运动平台控制系统的软件设计 5 SSV ：接地端。 2.时钟、复位引脚 OSC1/CLKIN：时钟振荡器晶体连接端 1/外部时钟源输入端。 OSC2/CLKO
18、UT：时钟振荡器晶体连接端 2/时钟信号输出端。 3.主复位引脚 MCLR / PPV ：人工复位输入端（低电平）有效 /编程电压输入端。 4. 端口 A 引脚 端口 A 是一个双向输入 /输出可编程端口。端口 A 的引脚还有第 2、第 3 功能。 RA0/AN0： RA0/第 0 路模拟信号输入端。 RA1/AN1： RA1/第 1 路模拟信号输入端。 RA2/AN2/ REFV ： RA2/第 2 路模拟信号输入端 /负参考电压端。 RA3/AN3/ REFV ： RA3/第 3 路模拟信号输入端 /正参考电压端。 RA4/T0CKI： RA4/定时器 0 时钟输入端。 RA4/AN4/SS ： RA5/第 4 路模拟信号输入端 /串行口从动选择。 5.端口 B 引脚 端口 B 是一个双向输入 /输出可编程端口。用作输入时，内部有可编程的弱上拉电路。此外，端口 B 的引脚还有第 2、第 3 功能。 RB0/INT： RB0/外部中 断输入端。 RB1： RB1。 RB2： RB2。 RB3/PGM： RB3/低电平电压编程输入端。 RB4： RB4（具有电压变化中断功能）。 RB5： RB5（具有电压变化中断功能）。 RB6/PGC： RB6（具有电压变化中断功能） /在线调试输入端和串行编程时钟输入端。
