計算機控制課程設(shè)計報告——逐點比較法直線插補原理的實現(xiàn)

1、.課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生XX： 專業(yè)班級：指導(dǎo)教師： 工作單位：題 目: 逐點比擬插補原理的實現(xiàn)初始條件：設(shè)計一個計算機控制步進電機系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用PC機的并口輸出控制信號，其信號驅(qū)動后控制X、Y兩個方向的三相步進電機轉(zhuǎn)動，利用逐點比擬法插補繪制出如下曲線。要求完成的主要任務(wù): 包括課程設(shè)計工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求1設(shè)計硬件系統(tǒng)，畫出電路原理框圖；2定義步進電機轉(zhuǎn)動的控制字；3推導(dǎo)出用逐點比擬法插補繪制出下面曲線的算法；4編寫算法控制程序，參數(shù)由鍵盤輸入，顯示器同時顯示曲線；5. 撰寫設(shè)計說明書。課程設(shè)計說明書應(yīng)包括：設(shè)計任務(wù)及要求；方案比擬及認(rèn)證；系統(tǒng)濾波原理、硬件原理，電路

2、圖，采用器件的功能說明；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6月24日6月25日完成硬件設(shè)計6月26日6月27日編寫調(diào)試程序6月28日6月29日撰寫課程設(shè)計說明書6月30日提交課程設(shè)計說明書、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 日摘要本文主要討論利用逐點比擬法實現(xiàn)第一象限的直線插補。所謂逐點比擬插補，就是刀具或繪圖筆每走一步都要和給點軌跡上的坐標(biāo)值進展比擬，看這點在給點軌跡的上方還是下方，從而決定下一步的進給方向。對于本設(shè)計所要求的直線軌跡

3、，如果該點在直線的上方，那么控制步進電機向+X方向進給一步，如果該點在直線的下方，那么控制步進電機向+Y軸方向進給一步。如此，走一步、看一看，比擬一次，決定下一步的走向，以便逼近給定軌跡，即形成逐點比擬插補。插補計算時，每走一步，都要進展以下四個步驟的計算過程，即偏差判別、坐標(biāo)進給、偏差計算、終點判斷。設(shè)計具體算法時，首先根據(jù)直線軌跡參數(shù)，計算出偏差計算公式及遞推公式。由程序判斷出偏差的正負(fù)號，從而決定坐標(biāo)的進給方向，再根據(jù)遞推公式計算出坐標(biāo)進給后的偏差，假設(shè)未到達(dá)終點，那么返回偏差判別，如此循環(huán)?？梢愿鶕?jù)起點和終點的坐標(biāo)位置，計算出總的進給步數(shù)Nxy，X或Y的坐標(biāo)每進給一步，這個值就減一，假

4、設(shè)Nxy=0，就到達(dá)了終點，這就是終點判別的方法。關(guān)鍵詞：逐點比擬法、直線插補、步進電機、坐標(biāo)進給、源程序。. v.目錄1 設(shè)計任務(wù)和要求12 設(shè)計步驟12.1 硬件設(shè)計12.1.1 接口示意圖12.1.2 方案論證22.1.3 單片機與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52.2.1 軟件設(shè)計原理52.2.2 8255的初始化編程62.2.3 步進電機走步控制程序72.2.4 主程序82.3 運行調(diào)試92.3.1 系統(tǒng)安裝調(diào)試92.3.2 結(jié)果驗證93 課程設(shè)計體會10參考文獻(xiàn)10附錄一芯片資料11附錄二源程序12逐點比擬插補原理的實現(xiàn)1 設(shè)計任

5、務(wù)和要求設(shè)計一個微型計算機控制步進電機系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用微型機的并口輸出控制信號，其信號驅(qū)動后控制X、Y兩個方向的三相步進電機轉(zhuǎn)動，利用逐點比擬法插補原理繪制出如下列圖所示的目標(biāo)曲線。圖1 目標(biāo)曲線2 設(shè)計步驟本設(shè)計大致可分為三個步驟：硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和系統(tǒng)的運行調(diào)試。2.1 硬件設(shè)計2.1.1接口示意圖 兩臺三相步進電機控制接口如圖2所示。圖2 系統(tǒng)接口示意圖2.1.2 方案論證單片機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)計采用可編程接口芯片8255。由于步進電機需要的驅(qū)動電流比擬大，所以單片機和步進電機的連接還要有驅(qū)動電路，如何設(shè)計驅(qū)動電路成了問題的關(guān)鍵。設(shè)計方案一如圖3所示

6、，當(dāng)某相上驅(qū)動信號變?yōu)楦唠娖綍r，達(dá)林頓管導(dǎo)通，從而使得該相通電。圖3 驅(qū)動電路方案一設(shè)計方案二如圖4所示，在單片機與驅(qū)動器之間增加一級光電隔離，當(dāng)驅(qū)動信號為高電平時，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)動信號為低電平時，那么步進電機的該相通電。圖4 驅(qū)動電路方案二 綜合比擬兩種設(shè)計方案可知，方案二有抗干擾能力，且可防止一旦驅(qū)動電路發(fā)生故障，造成高電平信號進入單片機而燒毀器件。所以，本設(shè)計選擇方案二。2.1.3 單片機與8255的接口 MCS-51單片機可以和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。因為8255的B口和C口具有驅(qū)動達(dá)林頓管的

7、能力，所以將采用B口和C口輸出驅(qū)動信號。圖5 單片機與8255的接口2.1.4 硬件接線原理圖圖6 系統(tǒng)硬件接線原理圖單片機控制步進電機的硬件接線如圖6所示。因為8255的片選信號接單片機的地址線P2.7，A1、A0通過地址鎖存器接到了8051單片機的地址線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，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為例說明控制的工作原理。假設(shè)PB0輸出0，經(jīng)反相器74LS04后變?yōu)楦唠娖剑l(fā)光二極管正向?qū)òl(fā)光。在光線

8、的驅(qū)動下，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)動達(dá)林頓管。因而，達(dá)林頓管截止，X軸上步進電機的C相不通電。假設(shè)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)動達(dá)林頓管導(dǎo)通，X軸上步進電機的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型號數(shù)量單片機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D1D6IN400162.2 軟件設(shè)計2.2.1 軟件設(shè)計原理 直線插

9、補原理逐點比擬法的根本原理是，在刀具按要求軌跡運動加工零件輪廓的過程中，不斷比擬刀具與被加工零件輪廓之間的相對位置，并根據(jù)比擬結(jié)果斷定下一步的進給方向，使刀具向減小偏差的方向進給。圖7 第一象限直線如圖7所示，設(shè)直線的起點為坐標(biāo)原點，終點坐標(biāo)為A,，點m (,)為加工點動點。定義偏差公式為。假設(shè)=0，說明點m在OA直線段上；假設(shè)>0，說明點m在OA直線段上方，即點m 處；假設(shè)<0, 說明點m在OA直線段下方，即點m處。由此可得第一象限直線逐點比擬法插補的原理是：從直線的起點出發(fā)，當(dāng)0時，沿+x軸方向走一步；當(dāng)<0時，沿+y軸方向走一步；當(dāng)兩方向所走的步數(shù)與終點坐標(biāo),相等時，發(fā)

10、出終點到信號，停頓插補?？梢詫⑸厦嫠x的偏差公式進一步簡化，推導(dǎo)出偏差的遞推公式。 當(dāng)0時，沿+x軸方向進給一步， 1當(dāng)<0時，沿+y軸方向進給一步， 2 式1和式2是簡化后偏差的計算公式，在公式中只有一次加法或減法運算，新加工點的偏差都可由前一點偏差和終點坐標(biāo)相加或相減得到。 步進電機工作原理步進電機有三相、四相、五相、六相等多種，本設(shè)計采用三相步進電機的三相六拍工作方式，其通電順序為各相通電的電壓波形如圖8所示。圖8 三相六拍工作的電壓波形當(dāng)步進電機的相數(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，這種輸出數(shù)據(jù)變化規(guī)律可用輸出字來描述。為

11、了便于尋找，輸出字以表的形式存放在計算機指定的存儲區(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 ；控制字送存放器AMOVX DPTR, A ；將控制字寫入控制口2.2.3 步進電機走步控制程序

12、 程序流程圖圖9 步進電機走步控制程序流程圖 匯編程序代碼以下為X軸上電機的步進控制算法，Y軸上步進電機算法類似。XCOTROL: MOV DPTR, *ADX ；將控制字表地址賦給DPTHMOV A, R2 ；表首偏移量送A MOVC A, A+DPTR ；讀取當(dāng)前步進電機的控制字 MOV DPTR, *7FFDH ；PB口地址送DPTR MOVX DPTR, A ；將步進電機的控制字傳送到PB口 CJNE A, *05H, LOOP3 ；假設(shè)到表尾，轉(zhuǎn)LOOP3 INC R2 ；未到表尾，表首偏移量加1 SJMP DELAY1LOOP3: MOV R2, *00H ；表首偏移

13、量清零 SJMP DELAY1DELAY1: MOV R0, *FFH ；延時 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，地位存進低地址。源程序代碼見附錄二。2.3 運行調(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)行后查看步進電機的走步軌跡。2.3.2 結(jié)果驗證假設(shè)終點坐標(biāo),為4，3，插補計算過程如表3所示。表3 直線插補計算過程步數(shù)偏

14、差判別坐標(biāo)進給偏差計算終點判別起點=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，可作出步進電機的走步軌跡如圖11所示。假設(shè)輸入的參數(shù)為XE=4，YE=3，系統(tǒng)走步軌跡與下列圖比擬，可判斷出設(shè)計的正確性。圖11 步進電機走步軌跡3 課程設(shè)計體會通過一個多星期的課程設(shè)計，我對這門課有了進一步的了解。學(xué)習(xí)過程中在教師的耐心指導(dǎo)下，有意識的培養(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，以便在控制應(yīng)用中，能夠使軟件和硬件有機地結(jié)合。通過單片機對步進電機的

15、控制系統(tǒng)設(shè)計，讓我真正的掌握了微型計算機軟件和硬件相結(jié)合的設(shè)計方法。工業(yè)控制是計算機的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域，計算機控制正是為了適應(yīng)這一領(lǐng)域的需要而開展起來的一門專門技術(shù)，它主要研究如何將計算機技術(shù)和自動控制理論應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程，并設(shè)計出所需要的計算機控制系統(tǒng)。而當(dāng)代，隨著微型計算機的高度開展。它的應(yīng)用在人們的工作和日常生活中越來越普遍了。工業(yè)過程控制是計算機的一個重要應(yīng)用領(lǐng)域?，F(xiàn)在可以好不夸X的說，沒有微型計算機的儀器不能乘為先進的儀器，沒有微型計算機的控制系統(tǒng)不能稱其為現(xiàn)代控制系統(tǒng)的時代已經(jīng)到來。微型計算控制技術(shù)正為了適應(yīng)這一領(lǐng)域的需要而開展起來的一門技術(shù)。絕大多數(shù)自動控制都是使用計算機來實現(xiàn)

16、的；微型計算機控制技術(shù)的開展，使得以微型計算機為控制器核心的微機測控裝置與系統(tǒng)，滲透到了國民經(jīng)濟的各行各業(yè)，已經(jīng)無時無處不在影響每個現(xiàn)代人的生活。只有態(tài)度認(rèn)真的對待這門學(xué)科才能真正掌握其中的精華，在將來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.匯編語言程序設(shè)計.:科學(xué),20052卜艷萍、周偉.匯編語言程序設(shè)計教程.:清華大學(xué),20043溫玉杰.Intel匯編語言程序設(shè)計第四版.:電子工業(yè),20044X學(xué)堅、周斌.微型計算機原理與應(yīng)用.:清華大學(xué),20005于海生.微型計算機控制技術(shù).:清華大學(xué),19986沈美明、溫冬嬋.IBM-PC匯編語言程序設(shè)計.:清華大學(xué),20027何立民.單片機

17、應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計.:航空航天大學(xué),2003附錄一 芯片資料圖11 8051單片機引腳圖圖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 ；控制字送存放器AMOVX DPTR, A ；將控制字寫入控制口，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位存入4CHMOV 4BH, " ；YE的高8位存入4BHMOV A, 4EHADD A, 4CH ；XE與YE低8位相加M

18、OV 50H, A ；低位之和存入NXY低8位MOV A, 4DHADDC A, 4BH ；XE與YE的高8位帶進位相加MOV 4FH, A ；和存入NXY高8位MOV 4AH, *00H ；將FM置零MOV 49H, *00HCLR 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 ACC.7, YCONTROL ；假設(shè)FM<0，轉(zhuǎn)到Y(jié)CONTROL ACALL XCONTROL ；否那么，調(diào)XCONTROLCLR C ；進位存放器清零MOV A, 4AHSUBB A, 4CH ；FM與YE的低8位相減MOV 4AH, A

19、 ；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 ；不為零那么轉(zhuǎn)到LOOP1 LJMP 8000HXCOTROL: MOV DPTR, *ADX ；將控制字表地址賦給DPTH MOV A, R2

20、 ；表首偏移量送A MOVC A, A+DPTR ；讀取當(dāng)前步進電機的控制字 MOV DPTR, *7FFDH ；PB口地址送DPTR MOVX DPTR, A ；將步進電機的控制字傳送到PB口 CJNE A, *05H, LOOP3 ；假設(shè)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 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)前步進電機的控制字 MOV DPTR, *7FFEH ；PC口地址