基于單片機控制的數(shù)控X-Y工作臺系統(tǒng)設(shè)計--插補部分-

1、基于單片機控制的數(shù)控X-Y工作臺系統(tǒng)設(shè)計插補部分摘要本設(shè)計研究的課題主要是基于單片機控制的數(shù)控X-Y工作臺系統(tǒng)設(shè)計插補部分設(shè)計。在系統(tǒng)程序設(shè)計上運用逐點比較法使步進電機實現(xiàn)單坐標(biāo)定位、兩坐標(biāo)直線插補和圓弧插補的基本功能;在此功能基礎(chǔ)上通過建立象限判別程序,使X-Y工作臺達(dá)到四象限的工作要求;并編寫了代碼處理指令,使CPU能夠根據(jù)讀入的指令信息(G代碼與X軸和Y 軸坐標(biāo),分別向X軸和Y軸步進電機輸出執(zhí)行指令所需的控制信號,從而完成指定的工序。該設(shè)計選用KeilVision2軟件進行程序的編譯和調(diào)試,在Proteus環(huán)境下實現(xiàn)進一步的調(diào)試并仿真得出程序的運行結(jié)果。此次設(shè)計的程序均能在Proteus

2、中的控制系統(tǒng)仿真電路圖中仿真通過,仿真時,只需從鍵盤輸入G代碼后,步進電機就能通過直線插補和圓弧插補,完成平面輪廓加工。關(guān)鍵字:插補數(shù)控X-Y工作臺步進電機單片機Design of X-Y NC Worktable Based on MicrocontrollerInterpolation partABSTRACTThe subject of this design study is mainly based on MCU control system design for CNC XY table - interpolation part of the design.Procedures u

3、sed in the system design by point by point comparison then single-coordinate positioning, linear interpolation of the two coordinates, circular Interpolation of the two coordinates by use the stepper motor; on the basis of this, establish quadrant identification procedures so that XY table can work

4、in four quadrants; and write the code handler,so CPU according to the information which have been read(G code and the X-axis and Y-axis coordinates, output signals to two stepper motor separately for control the table how to move on X-axis and Y-axis to finish the specified process.The d esign of th

5、e software programs used KeilVision2 compile and debug, debugging at the Proteus and get the results of simulation. the results of the design of the program in the simulation by Proteus is wonderful, when simulation the program, just need input G code by the keyboard, stepper motor can control the t

6、able through linear interpolation and circular interpolation to finish plane contour machining.Key words: Interpolation X-Y NC Worktable Stepping Motor Microcontroller目錄摘要. I ABSTRACT. II 前言. (11X-Y數(shù)控工作臺設(shè)計簡介 (21.1X-Y數(shù)控工作臺總體方案分析 (21.2仿真開發(fā)環(huán)境Proteus簡介 (21.3程序開發(fā)環(huán)境KeilVision2簡介 (22X-Y數(shù)控工作臺機械部件功能分析 (42.1步

7、進電動機的工作原理 (42.2步進電動機的工作方式 (43X-Y數(shù)控工作臺硬件電路分析 (63.1控制系統(tǒng)微控制器AT89C52 (63.1.1AT89C52單片機的主要工作特性 (63.1.2AT89C52單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu) (63.1.3AT89C52單片機的各引腳功能 (153.2可編程并行接口芯片8255A (163.2.18255A的內(nèi)部結(jié)構(gòu) (163.2.28255A的引腳功能 (173.2.38255A的工作方式 (183.2.48255A控制字 (194基于PROTEUS仿真電路分析 (214.1X-Y數(shù)控工作臺控制系統(tǒng)仿真電路圖 (214.2X-Y數(shù)控工作臺控制系統(tǒng)硬件資源及其

8、分配 (214.3電路模塊圖分析 (224.3.1X-Y向步進電機控制電路分析 (224.3.2四行四列矩陣式鍵盤控制電路分析 (234.3.3X-Y數(shù)控工作臺顯示電路分析 (244.4程序在仿真電路圖中實現(xiàn)的功能 (255X-Y數(shù)控工作臺總程序軟件設(shè)計 (265.1程序總流程分析 (265.2Main 函數(shù)功能解釋 (265.3逐點比較法的插補原理 (275.4逐點比較法插補的優(yōu)點 (275.5插補總流程分析 (276X-Y數(shù)控工作臺快速進給軟件設(shè)計 (286.1快速進給程序分析 (287X-Y數(shù)控工作臺直線插補軟件設(shè)計 (307.1逐點比較法的直線插補的數(shù)學(xué)原理 (307.1.1逐點比較法

9、的直線查補的偏差判別機制 (307.1.2直線插補中的終點判別機制 (317.1.3直線插補計算過程 (317.1.4直線插補中的進給判別機制 (317.2直線插補程序分析 (328X-Y數(shù)控工作臺圓弧插補軟件設(shè)計 (348.1逐點比較法的圓弧插補的數(shù)學(xué)原理 (348.1.1逐點比較法的圓弧查補的偏差判別機制 (348.1.2圓弧插補中的終點判別機制 (358.1.3圓弧插補計算過程 (358.1.44個象限的圓弧插補 (358.2順圓插補程序分析 (378.3逆圓插補程序分析 (399X-Y數(shù)控工作臺代碼處理軟件設(shè)計 (419.1代碼處理程序分析 (4110X-Y數(shù)控工作臺象限判別軟件設(shè)計

10、(4310.1象限判斷總程序分析 (4310.2G0與G1情況象限判斷程序分析 (4310.3G2情況象限判斷程序分析 (4510.4G3情況象限判斷程序分析 (4511中斷程序設(shè)計方法 (4711.1定時器中斷程序解釋 (4711.2外部中斷程序解釋 (47結(jié)論與展望 (48參考文獻 (49附錄A 總程序: (50附錄B 文獻翻譯原文 (75附錄C 文獻翻譯譯文 (83謝辭 (90前言本次畢業(yè)設(shè)計的選題為基于單片機控制的數(shù)控X-Y工作臺系統(tǒng)設(shè)計插補部分。X-Y數(shù)控工作臺是許多機電一體化設(shè)備的基本部件,通常由導(dǎo)軌座、滑動模塊、工作平臺、滾珠絲杠螺母副,以及步進電機的部件構(gòu)成。控制系統(tǒng)可選用標(biāo)準(zhǔn)

11、的工業(yè)控制計算機,也可設(shè)計專用的微機控制系統(tǒng)。本設(shè)計用AT89C52組成專用單片機控制系統(tǒng),從鍵盤輸入G代碼后,能通過直線插補和圓弧插補,完成平面輪廓加工。通過正確的運用大學(xué)四年學(xué)到的知識完成本次畢業(yè)設(shè)計,可以更好的掌握有關(guān)機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計過程和單片機的編程思想。通過該設(shè)計使自身具有一定的系統(tǒng)化編程思想和能力,能夠獨立完成項目的設(shè)計。研究技術(shù)路線:1.單片機輸入/輸出端口;2.單片機的中斷系統(tǒng);3.單片機的定時/計數(shù)器;4.C語言順序與選擇結(jié)構(gòu)程序設(shè)計;5.C語言循環(huán)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計;6.C語言數(shù)據(jù)類型運算符、數(shù)組、函數(shù)、指針的運用與設(shè)計;7.C語言程序設(shè)計編譯預(yù)處理;8.在PROTEUS中進

12、行系統(tǒng)的調(diào)試與仿真。1X-Y數(shù)控工作臺設(shè)計簡介總體方案圖如圖1-1所示: 圖1-1 X-Y數(shù)控工作臺總體方案圖X-Y數(shù)控工作臺是實現(xiàn)平面X、Y坐標(biāo)運動的典型關(guān)鍵部件,能夠分別沿X向和Y向移動。本次設(shè)計的X-Y數(shù)控工作臺選用的是微機控制系統(tǒng)(AT89C52單片機,在基于AT89C52單片機的原理上設(shè)計了一個小型的微機控制系統(tǒng),運用C51編程將控制信號送到執(zhí)行器件(X和Y向步進電動機,通過機械傳動機構(gòu)(齒輪減速和絲桿傳動,帶動機械執(zhí)行機構(gòu)(工作臺做X向和Y向的運動;實現(xiàn)四象限單坐標(biāo)快速定位,雙坐標(biāo)直線、圓弧插補等功能;最終選擇通過Proteus與Keil聯(lián)機對設(shè)計的電路以及程序進行仿真、Prote

13、us ISIS是美國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件。它運行于Windows 操作系統(tǒng)上,可以仿真、分析(SPICE各種模擬器件和集成電路,該軟件的特點是:實現(xiàn)了單片機仿真和SPICE電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動態(tài)仿真、SPI調(diào)試器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能;有各種虛擬儀器,如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有:68000系列、8051系列、A VR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片。提供軟件調(diào)試功能

14、。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點等調(diào)試功能,同時可以觀察各個變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài),因此在該軟件仿真系統(tǒng)中,也必須具有這些功能;同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境,如KeilVision2等軟件。具有強大的原理圖繪制功能1。Vision2是一個標(biāo)準(zhǔn)的Windows應(yīng)用程序,支持長文件名操作,其界面類似于MS Visual C+,可以再Windows95/98/2000/XP平臺上運行,功能十分強大。它支持所有的1李泉溪.單片機原理與應(yīng)用實例仿真.北京:北京航空航天大學(xué)出版社M,2009,第90頁.KEIL8051工具,包括C編譯器、宏匯編器、連接/定位器、目標(biāo)代碼到HEX的轉(zhuǎn)換器。

15、采用Keil C51開發(fā)8051單片機應(yīng)用程序一般需要以下步驟:在Vision2集成開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建一個新項目文件(Project,并為該項目選定合適的單片機CPU器件。利用Vision2的文件編輯器編寫C語言(或匯編語言源程序文件,并將文件添加到項目中去。一個項目可以包含多個文件,除源程序文件外還可以有庫文件或文本說明文件。通過Vision2的各種選項,配置51編譯器、A51宏編譯器、BL51連接定位器以及Debug調(diào)試器的功能。利用Vision2的構(gòu)造(Build工功能對項目中的源程序文件進行編譯連接,生成絕對目標(biāo)代碼和可選的HEX文件。如果出現(xiàn)編譯連接錯誤則返回第2步,修改源程序中的錯誤后

16、重新構(gòu)造整個項目。將沒有錯誤的絕對目標(biāo)代碼裝入Vision2調(diào)試器進行仿真調(diào)試,調(diào)試成功后將HEX文件寫入到單片機應(yīng)用系統(tǒng)的EPROM中2。2周潤景,張麗娜,劉映群.PROTEUS入門使用教程M.北京:機械工業(yè)出版社,2007,第82頁.2X-Y數(shù)控工作臺機械部件功能分析步進電動機又叫脈沖電動機,它是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換為角位移的機電式數(shù)模(D/A轉(zhuǎn)換器。在開環(huán)數(shù)字程序控制系統(tǒng)中,輸出控制部分常采用步進電動機作為驅(qū)動元件。步進電動機控制線路接受微機發(fā)來的指令脈沖,控制步進電動機作相應(yīng)地轉(zhuǎn)動,從而是步進電動機驅(qū)動數(shù)控系統(tǒng)的工作臺。很明顯,指令脈沖的總數(shù)就決定了數(shù)控系統(tǒng)的工作臺的總移動量,指令脈沖

17、的頻率就決定了移動的速度3。步進電動機的工作就是步進轉(zhuǎn)動。在一般的步進電動機工作中,其電源都是采用單極性的直流電源。要使步進電動機轉(zhuǎn)動,就必須對步進電動機定子的各項繞組以適當(dāng)?shù)臅r序進行通電。 圖2-1 四相步進電機步進示意圖圖2-1為四相步進電動機步進示意圖。開始時,開關(guān)SB接通電源,SA、SC、SD斷開,B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號齒對齊,同時,轉(zhuǎn)子的1、4號齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒,2、5號齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。當(dāng)開關(guān)SC接通電源,SB、SA、SD斷開時,由于C相繞組的磁力線和1、4號齒之間磁力線的作用,使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動,1、4號齒和C相繞組的磁極對齊。而0、3號齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯

18、齒,2、5號齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。依次類推,A、B、C、D四相繞組輪流供電,則轉(zhuǎn)子會沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動。步進電動機可工作于單相通電方式,也可工作于雙相通電方式和單相、雙相交叉通電3尹志強.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書M.北京:機械工業(yè)出版社,2007,第58頁.方式。選用不同的工作方式,可使步進電動機具有不同的工作性能,如減小步距、提高定位精度和工作穩(wěn)定性等。本系統(tǒng)選用的步進電動機是四相八拍工作方式,四相步進電機按照通電順序的不同,可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。單四拍與雙四拍的步距角相等,但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小。八拍工作方式的步距角是單四拍與雙四拍的一半,因此,八

19、拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。圖2-2給出了三種工作方式下四相步進電動機的波形圖,從圖中我們可以清晰的看到四相八拍步進電動機的通電相序為:AABB BCCCDDDAAABB。 圖2-2 四相步進電動機三種工作方式下的工作波形圖3X-Y數(shù)控工作臺硬件電路分析8031CPU(8051的內(nèi)核;8KB的快速擦寫Flash存儲器,用于程序存儲器,可擦寫次數(shù)為1000次;256字節(jié)的RAM,其中高128字節(jié)地址被特殊功能寄存器SFR占用;32跟可編程I/O端口:P0、P1、P2、P3;2個可編程16位定時器:P3口的第二功能;具有6個中斷源、5個中斷矢量、二級優(yōu)先權(quán)的中斷系統(tǒng);1個

20、數(shù)據(jù)指針DPTR;1個可編程的全雙工串行通信:P3口的第二功能;具有“空閑”和“掉電”兩種低功耗工作方式;可編程的3級程序鎖定位;工作電源的電壓為(5±0.2V;振蕩器最高頻率為24 MHz;編程頻率324 MHz,編程電流1 mA,編程電壓Vpp為5 V或12 V。P1.0口的T2為定時器/計數(shù)器,P1.1口的T2EX為具有捕捉/重裝操作的定時器/計數(shù)器4。AT89C52單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示?？煞譃樗拇蟛糠?內(nèi)核CPU部分、存儲器部分、I/O接口部分和特殊功能部分(如定時器/計數(shù)器、外中斷控制模塊等。(1AT89C52單片機的CPUAT89C52單片機的CPU是8位字長,

21、主要包括運算器和控制器兩部分。運算器的功能是進行算術(shù)邏輯運算、位處理操作和數(shù)據(jù)的傳送,主要包括:算術(shù)/邏輯運算單元(ALU運算器的核心部件,用來完成基本的算術(shù)運算、邏輯運算和位處理操作。AT89C52具有極強的“位”處理功能,可以進行加、減、乘、除、與、或、非、異或、左移、右移、半字節(jié)交換、BCD碼運算、位處理、位檢測等運算和操作;暫存器TMP1和TMP2作為ALU的兩個輸入,暫時存放參加運算的數(shù)據(jù);累加器ACC是一個8位寄存器;寄存器B,執(zhí)行乘法或除法指令前,寄存器B用來存放乘數(shù)或除數(shù),ALU的另外一個輸入來自于ACC,乘法或除法指令執(zhí)行完成后,寄存器B用來存放乘積的高8位或除法的余數(shù);執(zhí)行

22、非乘法或除法指令時,寄存器B可以作為一般用途的寄存器使用;4丁明亮,唐前輝.51單片機應(yīng)用設(shè)計與仿真:基于Keil C與ProteusM.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009,第2頁.程序狀態(tài)字寄存器PSW是一個8位的標(biāo)志寄存器,用來存放當(dāng)前指令執(zhí)行后的有關(guān)狀態(tài),為以后指令的執(zhí)行提供狀態(tài)依據(jù),因此一些指令的執(zhí)行結(jié)果會影響PSW的相關(guān)狀態(tài)標(biāo)志;PSW中各位的狀態(tài)通常在指令執(zhí)行過程中自動生成,同時AT89C52單片機的PSW 是可編程的,通常程序可以改變PSW中各位的狀態(tài)標(biāo)志。程序狀態(tài)字PSW各位的狀態(tài)標(biāo)志定義如圖3-2和表3-1所示; 圖3-1 A T89C52單片機原理結(jié)構(gòu)圖 圖3-2 PS

23、W各位的狀態(tài)標(biāo)志表3-1 PSW 各位的定義 CPU 中控制器是控制讀取指令,識別指令并根據(jù)指令的性質(zhì)協(xié)調(diào)、控制單片機個組成部件有序工作的重要部件,是CPU 乃至整個單片機的中樞神經(jīng)?？刂破饔沙绦蛴嫈?shù)器PC 、指令寄存器IR 、指令譯碼器ID 、堆棧指針SP 、數(shù)據(jù)指針DPTR 、定時及控制邏輯電路等組成?？刂破鞯闹饕δ苁强刂浦噶畹淖x入、譯碼和執(zhí)行,并對指令的執(zhí)行過程進行定時和邏輯控制。根據(jù)不同的指令協(xié)調(diào)單片機各個單元有序工作。 圖3-3 存儲器空間分布圖(2AT89C52單片機的存儲器AT89C52單片機芯片內(nèi)配置有8KB(0000H1FFFH的Flash程序存儲器ROM和256字節(jié)(00

24、HFFH的數(shù)據(jù)存儲器RAM,根據(jù)需要可外擴到最大64KB的程序存儲器和64KB 的數(shù)據(jù)存儲器,因此AT89C52的存儲器結(jié)構(gòu)可分為4部分:片內(nèi)程序存儲器、片外程序存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器(見圖3-3。本次設(shè)計選用最小系統(tǒng)設(shè)計單片機,即不擴展,AT89C52的存儲器結(jié)構(gòu)較為簡單:只有單片機自身提供的8KB Flash程序存儲器ROM和256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器RAM。使用時,引腳EA要提高電平(5V,這時,復(fù)位后CPU從片內(nèi)ROM區(qū)的0000H單元開始讀取指令代碼,一直運行到1FFFH單元。如圖1.6所示,虛線框內(nèi)左側(cè)為片內(nèi)自帶的數(shù)據(jù)存儲器RAM,此256字節(jié)單元(00HFFH的低128

25、字節(jié)(00H7FH單元為用戶使用去,高128字節(jié)(80HFFH單元為特殊功能寄存器SFR區(qū)。片內(nèi)寄存器的00H7FH區(qū)又劃分成3塊:00H1FH塊是工作寄存器所用;20H2FH 塊石有位尋址功能的單元區(qū);30H7FH是普通RAM區(qū)。工作寄存器又分為4組,在當(dāng)前的運行程序中只有某一組是被激活的,誰被激活由程序狀態(tài)寄存器PSW的RS1、RS0兩位決定,如表3-2所列。如表3-3所列出了特殊功能寄存器SFR的名稱、符號和地址。在程序設(shè)計中,可直接用寄存器名作為寄存器的符號地址使用。 圖3-4 片內(nèi)數(shù)據(jù)寄存器的結(jié)構(gòu)表3-2 工作寄存器激活地址表 表3-3 特殊功能寄存器SFR (3AT89C52單片機

26、的I/O接口AT89C52單片機內(nèi)部集成了4個可編程的并行I/O接口(P0P3,每個接口電路都有鎖存器和驅(qū)動器,輸入接口電路具有三態(tài)門控制。P0P3口同RAM統(tǒng)一編址,可以當(dāng)作特殊功能寄存器SFR來尋址。AT89C52單片機可以利用其I/O接口直接與外圍電路相連,使用時,P0P3口在開機或復(fù)位時均呈高電平。AT89C52單片機的并行I/O接口有以下應(yīng)用特性:P0、P1、P2、P3作為通用I/O口使用時,輸入操作是讀引腳狀態(tài);輸出操作是對口的鎖存器的寫入操作,鎖存器的狀態(tài)立即反映到引腳上。P1、P2、P3口作為輸出口時,由于電路內(nèi)部帶上拉電阻,因此無需外接上拉電阻,而P0口由于內(nèi)部無上啦電阻,因

27、此使用它時,必須外接上拉電阻。P0、P1、P2、P3作為通用的輸入口時,必須使電路中的鎖存器寫入高電平“1”,使場效應(yīng)管(FETVF1截止,以避免鎖存器輸出為“0”時場效應(yīng)管VF1導(dǎo)通使引腳狀態(tài)始終被鉗位在“0”狀態(tài)。I/O口功能的自動識別。無論是P0、P2口的總線復(fù)用功能,還是P3口的第二功能復(fù)用,單片機會自動選擇,不需要指令選擇。兩種讀端口的方式。包括端口鎖存器的“讀改寫”操作和讀引腳的操作。在單片機中,有些指令是讀端口鎖存器的,如一些邏輯運算指令、置位/復(fù)位指令、條件轉(zhuǎn)移指令以及將I/O口作為目的地址的操作指令;有些指令是讀引腳的,如以I/O口作為源操作數(shù)的指令。I/O口的驅(qū)動特性。P0

28、口每一個I/O口可驅(qū)動8個LSTTL輸入,而P1、P2、P3口每一個I/O口可驅(qū)動4個LSTTL輸入。(4AT89C52單片機的特殊功能部分AT89C52單片機內(nèi)部集成有定時器/計數(shù)器、串行通信控制器、外部中斷控制器等特殊功能部件,從而使AT89C52單片機具有定時/計數(shù)功能、全雙工串行通信功能、實現(xiàn)對外部事件實時響應(yīng)的中斷處理功能。以下將重點介紹定時器/計數(shù)器以及外部中斷控制器等特殊功能部件,因為本設(shè)計中,會重復(fù)多次使用到這些特殊功能部件。AT89C52單片機內(nèi)部設(shè)有兩個16位的可編程定時器/計數(shù)器,即定時器/計數(shù)器0和定時器/計數(shù)器1,以及一個可編程定時器/計數(shù)器2;控制寄存器TCON見表

29、3-4,方式控制寄存器TMOD表3-5,其相應(yīng)標(biāo)志位的功能及編程時的使用方法見表3-6、3-7。表3-4 控制寄存器TCON 表3-5 方式控制寄存器TMOD 表3-6 特殊功能寄存器標(biāo)志位的功能 表3.7 操作模式 AT89C52有6個固定的可屏蔽中斷源,它們分別是兩個外部中斷INT0(P3.2和INT1 (P3.3,三個片內(nèi)定時器/計數(shù)器溢出中斷TF0、TF1和TF2,一個片內(nèi)串行口中斷TI或RI。6個中斷源有兩個中斷優(yōu)先級,可形成中斷嵌套,并在程序存儲器中各有固定的中斷入口地址。6個中斷源的符號、名稱及產(chǎn)生的條件如下:INT0:外部中斷0,由P3.2端口線引入,低電平或下降沿引起。INT

30、1:外部中斷1,由P3.3端口線引入,低電平或下降沿引起。T0:定時器/計數(shù)器0中斷,由T0計滿回零引起。T1:定時器/計數(shù)器1中斷,由T1計滿回零引起。TI/RI:串行I/O中斷,串行端口完成一幀字符發(fā)送/接受后引起中斷。T2:定時器/計數(shù)器2中斷,由T2計滿回零引起。下面將對本次設(shè)計中使用到的中斷控制其專用寄存器進行分析,由于上述已對定時器/計數(shù)器0、1控制寄存器TCON做了分析,在此不做重復(fù)介紹;中斷允許控制寄存器IE 見表3-8,中斷優(yōu)先級控制寄存器IP見表3-9,其相應(yīng)標(biāo)志位的功能及編程時的使用方法見表3-10;表3-11為中斷服務(wù)程序的入口地址。表3-8 中斷允許控制寄存器IE 表

31、3-9 中斷優(yōu)先級控制寄存器IP 表3-10 中斷控制專用寄存器標(biāo)志位的功能 表3-11 中斷服務(wù)程序的入口地址 AT89C52單片機的引腳圖如圖3-5所示,由于上述分析中以對I/O進行的系統(tǒng)性的介紹,下面只對其第二功能做具體的補充,詳細(xì)見表3-12。圖3-5 PDIP封裝形式的AT89C52單片機引腳排列VCC:電源電壓GND:接地RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時,RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。ALE/ :當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時,ALE(地址鎖存允許輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。一般情況下,ALE 仍以時鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號,因此它可

32、對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是:每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE 脈沖。對Flash 存儲器編程期間,該引腳還用于輸入編程脈沖PROG。PSEN:程序儲存允許PSEN輸出是外部程序存儲器的讀選通信號,當(dāng)AT89C52 由外部程序存儲器取指令(或數(shù)據(jù)時,每個機器周期兩次PSEN有效,即輸出兩個脈沖。在此期間,當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器,將跳過兩次PSEN信號。EA/VPP:外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器(地址為0000HFFFFH,端必須保持低電平(接地。需注意的是:如果加密位LB1 被編程,復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平(接Vcc端,CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程

33、序存儲器中的指令。Flash 存儲器編程時,該引腳加上+12V 的編程允許電源Vpp,當(dāng)然這必須是該器件是使用12V 編程電壓Vpp。本次設(shè)計因為EA接高電平。XTAL1:振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。表3-12 A T89C52單片機P0口和P3口引腳的第二功能 8255A有24條I/O線,分為A、B、C共3個端口來使用;8條數(shù)據(jù)線,用于數(shù)據(jù)和控制命令傳送;兩條地址線,讀/寫時用于選擇片內(nèi)的控制寄存器或A、B、C口對應(yīng)的3個端口寄存器PA、PB、PC;讀/寫信號控制線各一根;還有復(fù)位信號,片選信號、電源等引腳。8255A的24條I/O線可編

34、程分為兩組,有3種工作方式,其中,方式0是最為簡單和常用的一種,該方式下端口A、B、C僅作簡單的出入/輸出使用。8255A的工作方式有其片內(nèi)的控制寄存器選擇。8255A內(nèi)部由PA、PB、PC這3個8位可編程雙向I/O口,A組控制器和B組控制器,數(shù)據(jù)緩沖器及讀/寫控制邏輯4部分電路組成,其結(jié)構(gòu)如圖3-65所示。PA、PB、PC口:PA、PB、PC口均為8位I/O數(shù)據(jù)口,但結(jié)構(gòu)上略有差別。A口由一個8位數(shù)據(jù)輸出緩沖/鎖存器和一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖/鎖存器組成,B口和C口各由一個8位數(shù)據(jù)輸出緩沖/鎖存器和一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器(無輸入數(shù)據(jù)緩沖器,故B口不能在模式2下工作組成。A組控制器和B組控制器:A

35、、B組控制器對應(yīng)的控制字寄存器接受CPU送來的控制字,用于決定8255A的工作方式。A組控制器控制A口和C口上半部(PC4PC7,B組控制器控制B口和C口下半部(PC0PC3。數(shù)據(jù)總線緩沖器:這是一個8位雙向三態(tài)驅(qū)動器,用于8255A和單片機的數(shù)據(jù)總線相連,以實現(xiàn)8255A與單片機的數(shù)據(jù)發(fā)送。讀/寫控制邏輯:接收CPU送來的讀/寫信號和選口地址,用于控制對8255A的讀/寫。5梁景凱,蓋玉先.機電一體化技術(shù)與系統(tǒng)M.北京:機械工業(yè)出版社,2006,第108頁. 圖3-6 8255A邏輯結(jié)構(gòu)圖8255A有40條引腳,采用雙列直插式封裝,見圖3.7。 圖3-7 8255A引腳圖數(shù)據(jù)總線(8條:D0

36、D7,用于傳送CPU和8255A間的數(shù)據(jù)、命令和狀態(tài)字?？刂瓶偩€(6條:·RESRT:復(fù)位線,高電平有效。·CS:片選線,低電平有效。若CS為高電平,則8255A不被選中;若CS為低電平,則8255A選中。·RD為讀命令線,WR為寫命令線,皆為低電平有效。若RD為低電平(WR必為高電平,則所選8255A處于讀狀態(tài);若WR為低電平(必為高電平,則所選8255A處于寫狀態(tài)。·A0、A1:地址輸入線,用于選中PA、PB、PC口和控制寄存器中哪一個工作。上述控制線的功能如表3-12所列。表3-12 8255A控制線功能 并行I/O總線(24條:這些總線用于和外設(shè)

37、相連,共分3組。·PA7PA0:雙向I/O總線。PA7為最高位,用于傳送I/O數(shù)據(jù),可以設(shè)定為輸入或輸出方式,也可設(shè)定為輸入/輸出雙向方式。·PB7PB0:雙向I/O總線。PB7為最高位,用于傳送I/O數(shù)據(jù),可以設(shè)定為輸入或輸出方式。·PC7PC0:雙向數(shù)據(jù)/控制總線。PC7為最高位,用于傳送I/O數(shù)據(jù)或控制/狀態(tài)信息,可以設(shè)定為輸入或輸出方式,也可設(shè)定為控制/狀態(tài)方式。電源線(2條:Vcc為+5V電源線,GND為地線。8255A有3種工作方式:方式0、方式1、方式2。方式0:基本輸入/輸出方式。這種方式中3個端口被設(shè)置成輸入或輸出口,但不能既作輸入又作輸出。PC

38、口分成兩部分:上半口(PC4PC7、下半口(PC0PC3,兩部分可分別設(shè)置傳動方向。各端口均可用于無條件數(shù)據(jù)傳送,也可通過人為指定PC口的某些位作為PA口、PB口的狀態(tài)信號,進行查詢方式傳送。方式1:選通輸入/輸出方式。這種方式下PA口、PB口通過編程設(shè)定為輸入口或輸出口,而PC口則分成兩部分,分別用作PA口和PB口的控制和同步信號,以便于8255A和CPU之間傳送信息和中斷請求。這種聯(lián)絡(luò)信號時由8155A內(nèi)部規(guī)定的,不是由使用者指定的。PC口的高4位服務(wù)于A口,稱A組。PC口的低4位服務(wù)于B口,稱B組。方式2:雙向總線方式。只有PA口可工作于此方式,這時PA口既可輸入又可輸出, PC口的PC

39、3PC7用作輸入/輸出的同步控制信號。此時,PB口可以工作于方式0,但不能工作于方式1。8255A方式控制字如圖3-8,分為兩種類型控制字:方式控制字如圖3.3和C口置位/復(fù)位控制字如圖3-8。方式控制字 圖3-8 方式選擇控制字格式C口置位/復(fù)位控制字 圖3-9C口控制字格式4基于PROTEUS仿真電路分析 圖4-1 X-Y數(shù)控工作臺控制系統(tǒng)仿真電路圖X-Y數(shù)控工作臺控制系統(tǒng)硬件資源主要包括有:AT89C52單片機、鎖存器74LS373、可編程控制器8255A、8位8段共陰數(shù)碼管、四行四列矩陣鍵盤、限位/急停按鈕、晶振電路、復(fù)位電路、以及六線制的四相八拍工作制的X和Y向步進電動機各一個?？刂?/p>

40、系統(tǒng)硬件資源的分配如表4-1所列。表4-1 X-Y數(shù)控工作臺控制系統(tǒng)硬件資源分配 4.3 電路模塊圖分析4.3.1 X-Y 向步進電機控制電路分析 圖4-2 X/Y 向步進電機控制電路模擬圖圖4-2為X/Y 向步進電機控制電路模擬圖,從圖從我們可以看到仿真選用的是6線制的四相八拍步進電機,通過8255A 的PC0PC3口分別向X 向步進電機輸入脈沖信號,PC4PC7則分別向Y 向步進電機輸入脈沖信號。四相八拍步進電機的正轉(zhuǎn)相序是A AB B BC C CD D DA ,反轉(zhuǎn)相序是DA D CD C BC B BA A ;表4-2將給出X 向步進電動機正轉(zhuǎn)時PC 口各引腳輸出電平與X 向電機相位

41、關(guān)系;表4-4將給出Y 向步進電動機正轉(zhuǎn)時PC 口各引腳輸出電平與Y向電機相位關(guān)系;而反轉(zhuǎn)時,控制的方式只需把從上往下循環(huán)改為從下往上循環(huán)即可。表4-2 X向步進電動機正轉(zhuǎn)時PC口各引腳輸出電平與Y向電機相位關(guān)系 表4-3 Y向步進電動機正轉(zhuǎn)時PC口各引腳輸出電平與Y向電機相位關(guān)系 圖4-3為四行四列矩陣式鍵盤控制電路原理圖,原理圖的設(shè)計上,在鍵盤的行掃描線上設(shè)置了上拉電阻,P1.001.3為鍵盤控制電路的行掃描口,P1.41.7為鍵盤控制電路的列掃描口。鍵盤上設(shè)有了09共10個數(shù)字鍵、X坐標(biāo)鍵、Y左邊鍵、G代碼按鍵、數(shù)字符號負(fù)號鍵、ENTER(確認(rèn)鍵以及START(開始按鍵。通過這些按鍵能我

42、們能直接向AT89C52單片機輸入指令、X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)。 圖4-3 鍵盤硬件電路接線圖 圖4-4 X-Y數(shù)控工作臺仿真顯示電路數(shù)控X-Y工作臺顯示電路使用的是8位8段共陰極數(shù)碼管如圖4-4所示,引腳A、B、C、D、E、F、G和DP是數(shù)碼管的段驅(qū)動信號輸入端口,從圖上看出,設(shè)計時連接的是8255A的PA口;引腳1、2、3、4、5、6、7和8分別是數(shù)碼管的位選擇信號輸入端口,設(shè)計時連接的是8255A的PB口。改顯示電路能及時的顯示鍵盤電路輸入的指令,如G代碼、X坐標(biāo)和Y坐標(biāo)。本次的設(shè)計任務(wù)是要實現(xiàn)具有單坐標(biāo)定位、兩坐標(biāo)直線插補和圓弧插補的基本功能。通過下面章節(jié)的設(shè)計分析,您將能看到我在程序上是如何

43、完成代碼處理、直線插補和圓弧插補等軟件功能。本設(shè)計將涵蓋數(shù)控X-Y工作臺的所有功能程序,在同組成員完成的基本人機界面上,對輸入的指令進行代碼處理,根據(jù)相應(yīng)的(G00、G01、G02和G03指令以及輸入的X 與Y坐標(biāo)量,步進電機實行相應(yīng)的工作方式,與之相對應(yīng)的實現(xiàn)了不同的插補功能,從而完成平面輪廓加工。最終我們可以通過步進電機的走刀路線就能檢驗出程序是否能實現(xiàn)相應(yīng)的功能。5X-Y數(shù)控工作臺總程序軟件設(shè)計 圖5-1 總程序流程圖總程序流程圖見圖5-1。在MAIN( 函數(shù)中對程序進行初始化處理,通過first( 函數(shù)對八位七段LED數(shù)碼管進行數(shù)始化處理,完成初始化后,程序在stop函數(shù)中循環(huán)等待中斷

44、,定時器1可以將程序帶入顯示循環(huán)程序(即函數(shù)led( ,顯示循環(huán)程序運行一次后即開始運行鍵盤程序(即函數(shù)keyboard( ,當(dāng)檢測到按下為start鍵時,開始進行輸入指令分析程序(即函數(shù)panduan( ,通過分析程序按情況進入相應(yīng)的查補程序。5.2Main 函數(shù)功能解釋Main函數(shù)完成了對程序的初始化,包括打開CPU總中斷、打開定時/計數(shù)器T0中斷、打開定時/計數(shù)器T1中斷、打開外部INT1中斷、定時/計數(shù)器工作方式選擇為定時器方式一、將定時器T0/T1的計時初值分別寫入各自的計時初值寄存器、外部INTI中斷觸發(fā)方式設(shè)定為電平觸發(fā)、令電機轉(zhuǎn)向初始狀態(tài)、設(shè)定8255工作方式、在顯示內(nèi)容寄存器

45、中存入相應(yīng)的初始數(shù)據(jù)。數(shù)控機床在加工曲線時,用折線逼近所要加工的曲線。而確定道具或繪圖筆的過程就稱為插補。常用的脈沖增量查補方法是逐點比較法。所謂逐點比較法插補,就是道具或繪圖筆每走一步都要和給定軌跡上的坐標(biāo)值進行比較,看這點在給定軌跡的上方或下方,或是給定軌跡的里面或外面,從而決定下一步的進給方向。如果原來在給定軌跡的下方,下一步就向給定軌跡的上方走,如果原來在給定軌跡的里面,下一步就向給定軌跡的外面走,如此,走一步,看一看,比較一次,決定下一步走向,以便逼近給定軌跡,即形成逐點比較插補。逐點比較法是以階梯折線來逼近直線或圓弧等曲線的,它與規(guī)定的加工直線或曲線之間的最大誤差為一個脈沖當(dāng)量,因

46、此只要把脈沖當(dāng)量(每走一步的距離即步長取得足夠小,就可達(dá)到加工精度的要求。逐點比較法運算直觀,插補誤差小于一個脈沖當(dāng)量,輸出脈沖均勻,而且輸出脈沖的速度變化小,調(diào)節(jié)方便,因此在兩坐標(biāo)數(shù)控機床中應(yīng)用較為普遍6。 圖5-2 插補總流程圖插補總理路程圖見圖5-2。當(dāng)按下start鍵時首先進入象限判斷函數(shù)xiangxian( ,然后插補計時所用計時器0開始計時,每次計時器0溢出時便會進入插補方式選擇函數(shù)panduan( ,在此函數(shù)中判斷輸入代碼標(biāo)志位flag_g=?,根據(jù)判斷的結(jié)果分別進入相應(yīng)的插補程序。6于海生.計算機控制技術(shù)M.北京:機械工業(yè)出版社,2007,第81頁.6X-Y數(shù)控工作臺快速進給軟

47、件設(shè)計 圖6.1 快速進給程序流程圖初始坐標(biāo)X=0、Y=0,將通過象限判斷函數(shù)調(diào)整為正數(shù)的x_finish_value與y_finish_value相加,得到終點判斷標(biāo)志位flag_finish。判斷終點坐標(biāo)是否在1、4象限,若成立,運行X 軸正向進給程序,若不成立,運行X軸反向進給程序。X軸進給之后X加一,而終點判斷標(biāo)志位flag_finish減一,判斷flag_finish是否為零,若為零則結(jié)束程序,若不為零判斷X 是否等于x_finish_value。當(dāng)X不等于x_finish_value時說明X還未走到預(yù)定的X位置,則返回象限判斷,繼續(xù)X軸進給程序。當(dāng)X等于x_finish_value

48、時說明X已經(jīng)走到預(yù)定的X 位置,開始判斷終點坐標(biāo)是否在1、2象限,若成立,運行Y軸正向進給程序,若不成立,運行Y軸反向進給程序。Y軸進給之后終點判斷標(biāo)志位flag_finish減一,判斷flag_finish 是否為零,若為零則結(jié)束程序,若不為零返回象限判斷。7X-Y數(shù)控工作臺直線插補軟件設(shè)計根據(jù)逐點比較法插補原理,必須把每一插值點(動點的實際位置與給定軌跡的理想位置間的誤差,即“偏差”算出來,根據(jù)偏差的正、負(fù)決定下一步的走向,來逼近給定軌跡。因此偏差計算是逐點比較法關(guān)鍵的一步。 圖7-1 第一象限直線以第一象限為例,在第一象限加工出直線段OA,取直線段的起點為坐標(biāo)原點,指點段終點坐標(biāo)(Xe,

49、Ye是已知的,如圖7-1所示。點m(Xm,Ym為加工點(動點,若點m在直線段OA上,則有Xm/Ym=Xe/Ye (7-1即Xm/Ym- Xe/Ye=0 (7-2現(xiàn)定義直線插補的偏差判別式為Fm= Ym*Xe Xe*Ye (7-3若Fm=0,表明點m在OA直線段上;若Fm>0表明點m在OA直線段的上方,即m處;若Fm<0,表明點m在OA直線段的下方,即m處。由此可得第一象限直線逐點比較法插補的原理是:從直線的起點(即坐標(biāo)原點出發(fā),當(dāng)Fm0時,沿+X軸方向走一步;當(dāng)Fm<0時,沿+Y方向走一步;當(dāng)兩方向所走的不屬于終點坐標(biāo)(Xe,Ye相等時,發(fā)出終點到信號,停止插補。按著(7-3

50、計算偏差,要做兩次乘法,一次減法,比較麻煩,因此需要進一步簡化。下面推導(dǎo)簡單的偏差計算公式。a. 設(shè)計工點正處于m點,當(dāng)Fm0時,表明m點在OA上或OA上方,應(yīng)沿+X方向進給一步至(m+1點,該點的坐標(biāo)值為Xm+1=Xm+1 (7-4Ym+1=Ym (7-5該點的偏差為F m+1=Y m+1 Xe - Xm+1 Ye =Ym Xe - ( Xm +1 Ye= F m - Ye (7-6b. 設(shè)計工點正處于m點,當(dāng)Fm<0時,表明m點在OA下方,應(yīng)沿+Y方向進給一步至(m+1點,該點的坐標(biāo)值為Xm+1=Xm (7-7Ym+1=Ym+1 (7-8該點的偏差為F m+1=Y m+1 Xe -

51、Xm+1 Ye =( Ym+1 Xe - Xm Ye= F m + Xe (7-9式(7-6和(7-9是簡化后偏差計算公式,在公式中只有一次加法或減法運算,新的加工偏差F m+1都可以由淺一點偏差F m和終點坐標(biāo)相加或鄉(xiāng)間得到。特別要注意,加工的起點是坐標(biāo)原點,起點的偏差是已知的,即F0=0。逐點比較法的終點判斷有多種方法,例如以下兩種:(1設(shè)置Nx和Ny兩個減法計數(shù)器,在加工開始前,在Nx和Ny計數(shù)器中分別存入終點坐標(biāo)值Xe和Ye,在X坐標(biāo)(或Y坐標(biāo)進給一步時,就在Nx計數(shù)器(或Ny計數(shù)器中減去1,知道這兩個計數(shù)器中的數(shù)都減到零時,到達(dá)終點。(2用一個終點計數(shù)器,寄存X和Y兩個坐標(biāo)進給的總部

52、數(shù)Nxy,X或Y坐標(biāo)進給一步,Nxy就減1,若Nxy=0,則就到達(dá)終點。考慮到程序的簡潔性,本次設(shè)計中選擇方法二。(1偏差判別。判別刀具當(dāng)前位置相對于給定輪廓的偏差狀況;(2坐標(biāo)進給。根據(jù)偏差狀況,控制相應(yīng)坐標(biāo)軸進給一步,使加工點向被加工輪廓靠攏;(3重新計算偏差。刀具進給一步后,坐標(biāo)點位置發(fā)生了變化,應(yīng)按偏差計算公式計算新位置的偏差值;(4終點判別。若已經(jīng)插補到終點,則返回監(jiān)控,否則重復(fù)以上過程。不同象限直線查補的偏差符號及進給方向如圖7-2所示。由圖7-2可以推導(dǎo)得出,4個象限直線查補的偏差計算公式和坐標(biāo)進給方向,詳見表7-1。該表中4個象限的終點坐標(biāo)值絕對值代入計算式中的Xe和Ye。 圖

53、7-2 偏差符號與進給方向的關(guān)系表7-1 直線插補的進給方向及偏差計算公式 直線插補流程圖見圖7-3將通過象限判斷函數(shù)調(diào)整為正數(shù)的x_finish_value與y_finish_value相加,得到終點判斷標(biāo)志位flag_finish,當(dāng)判別式值flag_3大于等于零的時候,通過判斷象限標(biāo)志位flag_xiangxian是否為1或4,即判斷終點終點位置時候在一、四象限,成立運行X軸正向進給程序,不成立運行X軸反向進給程序。當(dāng)判別式值flag_3小于零的時候通過判斷象限標(biāo)志位flag_xiangxian是否為1或2,即判斷終點終點位置時候在一、二象限,成立運行Y 軸正向進給程序,不成立運行Y軸反

54、向進給程序。在運行完進給程序后,計算判別式, flag_finish減一,并判斷flag_finish時候等于零,若等于零停止查補。 圖7-3 直線插補流程圖8 X-Y 數(shù)控工作臺圓弧插補軟件設(shè)計8.1 逐點比較法的圓弧插補的數(shù)學(xué)原理8.1.1 逐點比較法的圓弧查補的偏差判別機制設(shè)要加工逆圓弧AB ,如圖8-1所示,圓弧的圓心在坐標(biāo)原點,并已知圓弧的起點為A (X0,Y0,終點B (Xe ,Ye ,圓弧半徑為R 。令瞬間加工點為m (Xm ,Ym ,它與圓心的距離為Rm ,顯然,可以比較Rm 和R 來反映加工誤差。比較Rm 和R 實際上是實比較它們的平方值。有第一象限逆圓弧AB 可知 2222

55、2000,m m m R X Y R X Y =+=+ (8-1因此,可定義偏差判別式為22222m m m m F R R X Y R =-=+- (8-2 若Fm=0,表明加工點m 在圓弧上;若Fm>0,表明加工點在圓弧外;Fm<0,表明加工點在圓弧內(nèi)。 圖8-1 第一象限逆圓弧因此可得第一象限逆圓弧逐點比較插補的原理是:沖圓弧的起點出發(fā),當(dāng)Fm 0時,為了逼近圓弧,下一步向-X 方向進給一步,并計算新的偏差;若Fm<0,為了逼近圓弧,下一步向+Y 方向給進一步,并計算新的偏差。如此一步步計算和一步步進給,并在到達(dá)終點后停止計算,就可插補出圖8-1所示的第一象限逆圓弧。為

56、了簡化偏差判別式(8-2的計算,下面推導(dǎo)出簡化的偏差計算的遞推公式。 設(shè)加工點正處于m (Xm ,Ym 點,當(dāng)Fm 0時,應(yīng)沿-X 方向進給一步至(m+1點,其坐標(biāo)值為Xm+1=Xm-1,Ym+1=Ym (8-3新的加工點的偏差為222222111(121m m m m m m m F X Y R X Y R F X +=+-=-+-=-+ (8-4設(shè)加工點正處于m (Xm ,Ym 點,當(dāng)Fm<0時,應(yīng)沿+Y 方向進給一步至(m+1點,其坐標(biāo)值為Xm+1=Xm ,Ym+1=Ym+1 (8-5 新的加工點的偏差為222222111(121m m m m m m m F X Y R X Y R F Y +=+-=+-=+ (8-6由式(8-4和式(8-6可知,只要知道錢一點的偏差和坐標(biāo)值,就可求出新的一點的偏差。因為加工點是從圓弧的起點開始,故起點的偏差F0=0。8.1.2 圓弧插補中的終點判別機制圓弧插補的終點判別方法和直線插補相同?？蓪 方向的走步步數(shù)Nx=Xe-X0和y 方向的走步步數(shù)Ny=Ye-Y0的總和Nxy