計(jì)算機(jī)控制課程設(shè)計(jì)逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)原理的實(shí)現(xiàn)

1、.課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生姓名： 專業(yè)班級(jí)： 指導(dǎo)教師： 工作單位： 題 目: 逐點(diǎn)比較插補(bǔ)原理的實(shí)現(xiàn)初始條件：設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用pc機(jī)的并口輸出控制信號(hào)，其信號(hào)驅(qū)動(dòng)后控制x、y兩個(gè)方向的三相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，利用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)繪制出如下曲線。要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說(shuō)明書(shū)撰寫(xiě)等具體要求）1設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)，畫(huà)出電路原理框圖；2定義步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制字；3推導(dǎo)出用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)繪制出下面曲線的算法；4編寫(xiě)算法控制程序，參數(shù)由鍵盤輸入，顯示器同時(shí)顯示曲線；5. 撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)應(yīng)包括：設(shè)計(jì)任務(wù)及要求；方案比較及認(rèn)證；系統(tǒng)濾波原理、硬件原

2、理，電路圖，采用器件的功能說(shuō)明；軟件思想，流程，源程序；調(diào)試記錄及結(jié)果分析；參考資料；附錄：芯片資料，程序清單；總結(jié)。時(shí)間安排：6月22日6月23日查閱和準(zhǔn)備相關(guān)技術(shù)資料，完成整體方案設(shè)計(jì)6月24日6月25日完成硬件設(shè)計(jì)6月26日6月27日編寫(xiě)調(diào)試程序6月28日6月29日撰寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)6月30日提交課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)、圖紙、電子文檔指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日精品.摘要本文主要討論利用逐點(diǎn)比較法實(shí)現(xiàn)第一象限的直線插補(bǔ)。所謂逐點(diǎn)比較插補(bǔ)，就是刀具或繪圖筆每走一步都要和給點(diǎn)軌跡上的坐標(biāo)值進(jìn)行比較，看這點(diǎn)在給點(diǎn)軌跡的上方還是下方，從而決定下一步的進(jìn)給方向。對(duì)于本設(shè)

3、計(jì)所要求的直線軌跡，如果該點(diǎn)在直線的上方，則控制步進(jìn)電機(jī)向+x方向進(jìn)給一步，如果該點(diǎn)在直線的下方，那么控制步進(jìn)電機(jī)向+y軸方向進(jìn)給一步。如此，走一步、看一看，比較一次，決定下一步的走向，以便逼近給定軌跡，即形成逐點(diǎn)比較插補(bǔ)。插補(bǔ)計(jì)算時(shí)，每走一步，都要進(jìn)行以下四個(gè)步驟的計(jì)算過(guò)程，即偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差計(jì)算、終點(diǎn)判斷。設(shè)計(jì)具體算法時(shí)，首先根據(jù)直線軌跡參數(shù)，計(jì)算出偏差計(jì)算公式及遞推公式。由程序判斷出偏差的正負(fù)號(hào)，從而決定坐標(biāo)的進(jìn)給方向，再根據(jù)遞推公式計(jì)算出坐標(biāo)進(jìn)給后的偏差，若未到達(dá)終點(diǎn)，則返回偏差判別，如此循環(huán)。可以根據(jù)起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)位置，計(jì)算出總的進(jìn)給步數(shù)nxy，x或y的坐標(biāo)每進(jìn)給一步，這個(gè)

4、值就減一，若nxy=0，就到達(dá)了終點(diǎn)，這就是終點(diǎn)判別的方法。關(guān)鍵詞：逐點(diǎn)比較法、直線插補(bǔ)、步進(jìn)電機(jī)、坐標(biāo)進(jìn)給、源程序。精品.目錄1 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求12 設(shè)計(jì)步驟12.1 硬件設(shè)計(jì)12.1.1 接口示意圖12.1.2 方案論證22.1.3 單片機(jī)與8255的接口32.1.4 硬件接線原理圖32.1.5 元件清單42.2 軟件設(shè)計(jì)52.2.1 軟件設(shè)計(jì)原理52.2.2 8255的初始化編程62.2.3 步進(jìn)電機(jī)走步控制程序72.2.4 主程序82.3 運(yùn)行調(diào)試92.3.1 系統(tǒng)安裝調(diào)試92.3.2 結(jié)果驗(yàn)證93 課程設(shè)計(jì)體會(huì)10參考文獻(xiàn)10附錄一 芯片資料11附錄二 源程序12精品.逐點(diǎn)比較插補(bǔ)原

5、理的實(shí)現(xiàn)1 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求設(shè)計(jì)一個(gè)微型計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用微型機(jī)的并口輸出控制信號(hào)，其信號(hào)驅(qū)動(dòng)后控制x、y兩個(gè)方向的三相步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，利用逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)原理繪制出如下圖所示的目標(biāo)曲線。圖1 目標(biāo)曲線2 設(shè)計(jì)步驟 本設(shè)計(jì)大致可分為三個(gè)步驟：硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)試。2.1 硬件設(shè)計(jì)2.1.1 接口示意圖 兩臺(tái)三相步進(jìn)電機(jī)控制接口如圖2所示。圖2 系統(tǒng)接口示意圖精品.2.1.2 方案論證單片機(jī)的接口電路可以是鎖存器，也可以是專門的接口芯片，本設(shè)計(jì)采用可編程接口芯片8255。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電流比較大，所以單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的連接還要有驅(qū)動(dòng)電路，如何設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路成了問(wèn)題的

6、關(guān)鍵。設(shè)計(jì)方案一如圖3所示，當(dāng)某相上驅(qū)動(dòng)信號(hào)變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，達(dá)林頓管導(dǎo)通，從而使得該相通電。圖3 驅(qū)動(dòng)電路方案一設(shè)計(jì)方案二如圖4所示，在單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間增加一級(jí)光電隔離，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通，從而使達(dá)林頓管截止，該相不通電；當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，則步進(jìn)電機(jī)的該相通電。圖4 驅(qū)動(dòng)電路方案二 綜合比較兩種設(shè)計(jì)方案可知，方案二有抗干擾能力，且可避免一旦驅(qū)動(dòng)電路發(fā)生故障，造成高電平信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)而燒毀器件。所以，本設(shè)計(jì)選擇方案二。精品.2.1.3 單片機(jī)與8255的接口 mcs-51單片機(jī)可以和8255直接連接而不需要任何外加邏輯器件，接口示意圖如圖5所示。因?yàn)?255

7、的b口和c口具有驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓管的能力，所以將采用b口和c口輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖5 單片機(jī)與8255的接口2.1.4 硬件接線原理圖圖6 系統(tǒng)硬件接線原理圖精品.單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的硬件接線如圖6所示。因?yàn)?255的片選信號(hào)接單片機(jī)的地址線p2.7，a1、a0通過(guò)地址鎖存器接到了8051單片機(jī)的地址線p0.1和p0.0，由硬件接線圖可以清楚地知道，8255的各口地址為：a口地址：7ffchb口地址：7ffdhc口地址：7ffeh控制口地址：7fffh同時(shí)，b口和c口都作為輸出口，8255工作在方式0。下面以8255的b口輸出端pb0為例說(shuō)明控制的工作原理。若pb0輸出0，經(jīng)反相器74ls04后變?yōu)楦唠?/p>

8、平，發(fā)光二極管正向?qū)òl(fā)光。在光線的驅(qū)動(dòng)下，光敏三極管導(dǎo)通，+5v 的電壓經(jīng)三極管引入地線而不驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓管。因而，達(dá)林頓管截止，x軸上步進(jìn)電機(jī)的c相不通電。若pb0輸出1，反相后變?yōu)榈碗娖?，發(fā)光二極管不導(dǎo)通。從而光敏三極管截止，+5v 電壓直接驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓管導(dǎo)通，x軸上步進(jìn)電機(jī)的c相有從電源流向地線的電流回路，即c相得電。2.1.5 元件清單表1 元件清單表名稱位號(hào)型號(hào)數(shù)量單片機(jī)80511地址鎖存器74ls3731并行接口芯片8255a1反相器74ls046電阻r1r241k24光電三極管u1u34n253達(dá)林頓管q1q6npn dar6二極管d1d6in40016精品.2.2 軟件設(shè)計(jì)2.2.

9、1 軟件設(shè)計(jì)原理 直線插補(bǔ)原理逐點(diǎn)比較法的基本原理是，在刀具按要求軌跡運(yùn)動(dòng)加工零件輪廓的過(guò)程中，不斷比較刀具與被加工零件輪廓之間的相對(duì)位置，并根據(jù)比較結(jié)果決定下一步的進(jìn)給方向，使刀具向減小偏差的方向進(jìn)給。圖7 第一象限直線如圖7所示，設(shè)直線的起點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，終點(diǎn)坐標(biāo)為a（,），點(diǎn)m (,)為加工點(diǎn)（動(dòng)點(diǎn)）。定義偏差公式為 。若=0，表明點(diǎn)m在oa直線段上；若0，表明點(diǎn)m在oa直線段上方，即點(diǎn)m 處；若0, 表明點(diǎn)m在oa直線段下方，即點(diǎn)m處。由此可得第一象限直線逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)的原理是：從直線的起點(diǎn)出發(fā)，當(dāng)0時(shí)，沿+x軸方向走一步；當(dāng)0時(shí)，沿+y軸方向走一步；當(dāng)兩方向所走的步數(shù)與終

10、點(diǎn)坐標(biāo)（,）相等時(shí)，發(fā)出終點(diǎn)到信號(hào)，停止插補(bǔ)。可以將上面所定義的偏差公式進(jìn)一步簡(jiǎn)化，推導(dǎo)出偏差的遞推公式。 當(dāng)0時(shí)，沿+x軸方向進(jìn)給一步， （1）當(dāng)0時(shí)，沿+y軸方向進(jìn)給一步， （2） 式（1）和式（2）是簡(jiǎn)化后偏差的計(jì)算公式，在公式中只有一次加法或減法運(yùn)算，新加工點(diǎn)的偏差都可由前一點(diǎn)偏差和終點(diǎn)坐標(biāo)相加或相減得到。精品. 步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)有三相、四相、五相、六相等多種，本設(shè)計(jì)采用三相步進(jìn)電機(jī)的三相六拍工作方式，其通電順序?yàn)楦飨嗤姷碾妷翰ㄐ稳鐖D8所示。圖8 三相六拍工作的電壓波形當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和控制方式確定之后，pb0pb2和pc0pc2輸出數(shù)據(jù)變化的規(guī)律就確定了，這種

11、輸出數(shù)據(jù)變化規(guī)律可用輸出字來(lái)描述。為了便于尋找，輸出字以表的形式存放在計(jì)算機(jī)指定的存儲(chǔ)區(qū)域。表2給出了三相六拍控制方式的輸出字表。表2 三相六拍控制方式輸出字表步序控制位工作狀態(tài)控制字表c相b相a相1001a01h2011ab03h3010b02h4110bc06h5100c04h6101ca05h2.2.2 8255的初始化編程由前面的分析知道，8255工作在方式0，控制口地址為 7fffh，控制字為90h。所以，8255的初始化編程如下。mov dptr, #7fffh ；控制口地址送dptrmov a, #90h ；控制字送寄存器amovx dptr, a ；將控制字寫(xiě)入控制口精品.2.

12、2.3 步進(jìn)電機(jī)走步控制程序 程序流程圖圖9 步進(jìn)電機(jī)走步控制程序流程圖 匯編程序代碼以下為x軸上電機(jī)的步進(jìn)控制算法，y軸上步進(jìn)電機(jī)算法類似。xcotrol: mov dptr, #adx ；將控制字表地址賦給dpth mov a, r2 ；表首偏移量送a movc a, a+dptr ；讀取當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)的控制字 mov dptr, #7ffdh ；pb口地址送dptr movx dptr, a ；將步進(jìn)電機(jī)的控制字傳送到pb口 cjne a, #05h, loop3 ；若到表尾，轉(zhuǎn)loop3 inc r2 ；未到表尾，表首偏移量加1 sjmp delay1 精品.

13、loop3: mov r2, #00h ；表首偏移量清零 sjmp delay1delay1: mov r0, #ffh ；延時(shí) djnz delay1ret ；返回2.2.4 主程序 主程序流程圖圖10 主程序流程圖 源程序代碼 首先分配各變量的地址為,nxy: 4fh, 50h; xe: 4dh, 4eh; ye: 4bh, 4ch; fm: 49h,4ah，高位存高地址，地位存進(jìn)低地址。源程序代碼見(jiàn)附錄二。精品.2.3 運(yùn)行調(diào)試2.3.1 系統(tǒng)安裝調(diào)試 按照硬件接線圖將系統(tǒng)安裝好后，裝入程序，執(zhí)行后查看步進(jìn)電機(jī)的走步軌跡。2.3.2 結(jié)果驗(yàn)證若終點(diǎn)坐標(biāo)（,）為

14、（4，3），插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程如表3所示。表3 直線插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程步數(shù)偏差判別坐標(biāo)進(jìn)給偏差計(jì)算終點(diǎn)判別起點(diǎn)=0=71+x=0-3=-3=62+y=-3+4=1=53+x=1-3=-2=44+y=-2+4=2=35+x=2-3=-1=26+y=-1+4=3=17+x=3-3=0=0 根據(jù)上表，可作出步進(jìn)電機(jī)的走步軌跡如圖11所示。若輸入的參數(shù)為xe=4，ye=3，系統(tǒng)走步軌跡與下圖比較，可判斷出設(shè)計(jì)的正確性。圖11 步進(jìn)電機(jī)走步軌跡精品.3 課程設(shè)計(jì)體會(huì)通過(guò)一個(gè)多星期的課程設(shè)計(jì)，我對(duì)這門課有了進(jìn)一步的了解。學(xué)習(xí)過(guò)程中在老師的耐心指導(dǎo)下，有意識(shí)的培養(yǎng)和建立了我的思維能力，使我真正建立數(shù)據(jù)及信息流的概念，以

15、便在控制應(yīng)用中，能夠使軟件和硬件有機(jī)地結(jié)合。通過(guò)單片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，讓我真正的掌握了微型計(jì)算機(jī)軟件和硬件相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。工業(yè)控制是計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)控制正是為了適應(yīng)這一領(lǐng)域的需要而發(fā)展起來(lái)的一門專門技術(shù)，它主要研究如何將計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制理論應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程，并設(shè)計(jì)出所需要的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。而當(dāng)代，隨著微型計(jì)算機(jī)的高度發(fā)展。它的應(yīng)用在人們的工作和日常生活中越來(lái)越普遍了。工業(yè)過(guò)程控制是計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域?，F(xiàn)在可以好不夸張的說(shuō)，沒(méi)有微型計(jì)算機(jī)的儀器不能乘為先進(jìn)的儀器，沒(méi)有微型計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)不能稱其為現(xiàn)代控制系統(tǒng)的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。微型計(jì)算控制技術(shù)正為了適應(yīng)這一領(lǐng)

16、域的需要而發(fā)展起來(lái)的一門技術(shù)。絕大多數(shù)自動(dòng)控制都是使用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的；微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，使得以微型計(jì)算機(jī)為控制器核心的微機(jī)測(cè)控裝置與系統(tǒng)，滲透到了國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)，已經(jīng)無(wú)時(shí)無(wú)處不在影響每個(gè)現(xiàn)代人的生活。只有態(tài)度認(rèn)真的對(duì)待這門學(xué)科才能真正掌握其中的精髓，在將來(lái)的工作中或許起著至關(guān)重要的作用。參考文獻(xiàn)1賀亞茹.匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì).北京:科學(xué)出版社,20052卜艷萍、周偉.匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)教程.北京:清華大學(xué)出版社,20043溫玉杰.intel匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)（第四版）.北京:電子工業(yè)出版社,20044鄭學(xué)堅(jiān)、周斌.微型計(jì)算機(jī)原理與應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社,20005于海生.微型計(jì)算機(jī)控制

17、技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社,19986沈美明、溫冬嬋.ibm-pc匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì).北京:清華大學(xué)出版社,2002 7何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003精品.附錄一 芯片資料圖11 8051單片機(jī)引腳圖 精品.圖12 可編程芯片8255a引腳圖附錄二 源程序 org 0100hmov dptr, #7fffh ；控制口地址送dptrmov a, #90h ；控制字送寄存器amovx dptr, a ；將控制字寫(xiě)入控制口，初始化8255mov 4eh, ? ；xe的低8位存入4ehmov 4dh, ? ；xe的高8位存入4dhmov 4ch, ? ；ye的低8位存

18、入4chmov 4bh, ? ；ye的高8位存入4bhmov a, 4ehadd a, 4ch ；xe與ye低8位相加mov 50h, a ；低位之和存入nxy低8位mov a, 4dhaddc a, 4bh ；xe與ye的高8位帶進(jìn)位相加mov 4fh, a ；和存入nxy高8位mov 4ah, #00h ；將fm置零mov 49h, #00h clr r2 ；表adx偏移量清零clr r3 ；表ady偏移量清零loop1: mov a, 49h ；取偏差的高8位 jb acc.7, ycontrol ；若fm0，轉(zhuǎn)到y(tǒng)control acall xcontrol ；否則，調(diào)xcontrol

19、 clr c ；進(jìn)位寄存器清零mov a, 4ahsubb a, 4ch ；fm與ye的低8位相減精品.mov 4ah, a ；結(jié)果存入fm低8位mov a, 49hsubb a, 4bh ；fm與ye的高8位相減mov 49h, a ；結(jié)果存入fm高8位loop2: clr c mov a, 50h subb a, #01h ；nxy低位值減1 mov 50h, a ；結(jié)果存入nxy的低位 mov a, 4fh subb a, #00h ；考慮低位字節(jié)借位 mov 4fh, a ；減去借位后存入nxy的高位 orl a, 50h ；判斷nxy是否為零 jnz loop1 ；不為零則轉(zhuǎn)到loo

20、p1 ljmp 8000hxcotrol: mov dptr, #adx ；將控制字表地址賦給dpth mov a, r2 ；表首偏移量送a movc a, a+dptr ；讀取當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)的控制字 mov dptr, #7ffdh ；pb口地址送dptr movx dptr, a ；將步進(jìn)電機(jī)的控制字傳送到pb口 cjne a, #05h, loop3 ；若到表尾，轉(zhuǎn)loop3 inc r2 ；未到表尾，表首偏移量加1 sjmp delay1 loop3: mov r2, #00h ；表首偏移量清零 sjmp delay1delay1: mov r0, #ffh ；延時(shí)精品. djnz delay1ret ；返回ycotrol: mov dptr, #ady ；將控制字表地址賦給dpth mov a, r3 ；ady表首偏移量送a movc a, a+dptr ；讀取當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)的控制字 mov dptr, #7ffeh ；pc口地址送dptr movx dptr, a ；將步進(jìn)電機(jī)的控制字傳送到pc口