逐點比較法直線插補原理的實現(xiàn)

武漢理工大學華夏學院課程設計報告書題目：系名：專業(yè)班級：姓名：學號：指導教師：2011年6月摘要本文主要討論利用逐點比較法實現(xiàn)第一象限的直線插補。所謂逐點比較插補，就是刀具或繪圖筆每走一步都要和給點軌跡上的坐標值進行比較，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。對于本設計所要求的直線軌跡，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，比較一次，決定下一步的走向，以便逼近給定軌跡，即形成逐點比較插補。插補計算時，每走一步，都要進行以下四個步驟的計算過程，即偏差判別、坐標進給、偏差計算、終點判斷。設計具體算法時，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號，從而決定坐標的進給方向，再根據(jù)遞推公式計算出坐標進給后的偏差，假設未到達終點，那么返回偏差判別，如此循環(huán)?？梢愿鶕?jù)起點和終點的坐標位置，計算出總的進給步數(shù)Nxy，X或Y的坐標每進給一步，這個值就減一，假設Nxy=0，就到達了終點，這就是終點判別的方法。設計任務及要求設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，利用逐點比較法插補繪制出各種曲線。1〕設計硬件系統(tǒng)，畫出電路原理框圖；2〕定義步進電機轉(zhuǎn)動的控制字；3〕推導出用逐點比較法插補繪制出下面曲線的算法；4〕編寫算法控制程序線；5〕撰寫設計說明書。每人選一個曲線，曲線均為第一象限，屏幕左下角為坐標原點，箭頭表示曲線繪制的方向，直線參數(shù)為：起點、終點坐標。圓弧參數(shù)為：起點、終點坐標和半徑。直線一：直線二：直線三直線四圓弧一圓弧二目錄1設計任務和要求 12設計步驟 12.1硬件設計 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軟件設計 52.2.1軟件設計原理 52.2.28255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課程設計體會 10參考文獻 10附錄一芯片資料 11附錄二源程序 12逐點比較插補原理的實現(xiàn)1設計任務和要求設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，利用逐點比較法插補原理繪制出如以下圖所示的目標曲線。圖1目標曲線2設計步驟本設計大致可分為三個步驟：硬件設計、軟件設計和系統(tǒng)的運行調(diào)試。2.1硬件設計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)動電流比較大，所以單片機和步進電機的連接還要有驅(qū)動電路，如何設計驅(qū)動電路成了問題的關(guān)鍵。設計方案一如圖3所示，當某相上驅(qū)動信號變?yōu)楦唠娖綍r，達林頓管導通，從而使得該相通電。圖3驅(qū)動電路方案一設計方案二如圖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，光敏三極管導通，從而使達林頓管截止，該相不通電；當驅(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較兩種設計方案可知，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，本設計選擇方案二。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)動達林頓管的能力，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PB0輸出0，經(jīng)反相器74LS04后變?yōu)楦唠娖?，發(fā)光二極管正向?qū)òl(fā)光。在光線的驅(qū)動下，光敏三極管導通，+5V的電壓經(jīng)三極管引入地線而不驅(qū)動達林頓管。因而，達林頓管截止，X軸上步進電機的C相不通電。假設PB0輸出1，反相后變?yōu)榈碗娖?，發(fā)光二極管不導通。從而光敏三極管截止，+5V電壓直接驅(qū)動達林頓管導通，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。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R1—R241K24光電三極管U1—U34N253達林頓管Q1—Q6NPNDAR6二極管D1—D6IN400162.2軟件設計軟件設計原理.1直線插補原理逐點比較法的根本原理是，在刀具按要求軌跡運動加工零件輪廓的過程中，不斷比較刀具與被加工零件輪廓之間的相對位置，并根據(jù)比較結(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，設直線的起點為坐標原點，終點坐標為A〔,〕，點m(,)為加工點〔動點〕。定義偏差公式為。假設=0，說明點m在OA直線段上；假設>0，說明點m在OA直線段上方，即點m’處；假設<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較法插補的原理是：從直線的起點出發(fā)，當0時，沿+x軸方向走一步；當<0時，沿+y軸方向走一步；當兩方向所走的步數(shù)與終點坐標〔,〕相等時，發(fā)出終點到信號，停止插補?？梢詫⑸厦嫠x的偏差公式進一步簡化，推導出偏差的遞推公式。當0時，沿+x軸方向進給一步，〔1〕②當<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相加或相減得到。.2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步進電機的相數(shù)和控制方式確定之后，PB0—PB2和PC0—PC2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1001A01H2011AB03H3010B02H4110BC06H5100C04H6101CA05H2.2.28255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。MOVDPTR,#7FFFH；控制口地址送DPTRMOVA,#90H；控制字送存放器AMOVX@DPTR,A；將控制字寫入控制口步進電機走步控制程序.1程序流程圖圖9步進電機走步控制程序流程圖.2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:MOVDPTR,#ADX；將控制字表地址賦給DPTHMOVA,R2；表首偏移量送AMOVCA,@A+DPTR；讀取當前步進電機的控制字MOVDPTR,#7FFDH；PB口地址送DPTRMOVX@DPTR,A；將步進電機的控制字傳送到PB口CJNEA,#05H,LOOP3；假設到表尾，轉(zhuǎn)LOOP3INCR2；未到表尾，表首偏移量加1SJMPDELAY1LOOP3:MOVR2,#00H；表首偏移量清零SJMPDELAY1DELAY1:MOVR0,#FFH；延時DJNZDELAY1RET；返回主程序.1主程序流程圖圖10主程序流程圖.2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。結(jié)果驗證假設終點坐標〔,〕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)偏差判別坐標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。假設輸入的參數(shù)為XE=4，YE=3，系統(tǒng)走步軌跡與以下圖比較，可判斷出設計的正確性。圖11步進電機走步軌跡3課程設計體會通過一個多星期的課程設計，我對這門課有了進一步的了解。學習過程中在老師的耐心指導下，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控制系統(tǒng)設計，讓我真正的掌握了微型計算機軟件和硬件相結(jié)合的設計方法。工業(yè)控制是計算機的一個重要應用領(lǐng)域，計算機控制正是為了適應這一領(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)和自動控制理論應用于工業(yè)生產(chǎn)過程，并設計出所需要的計算機控制系統(tǒng)。而當代，隨著微型計算機的高度開展。它的應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用領(lǐng)域。現(xiàn)在可以好不夸張的說，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)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)度認真的對待這門學科才能真正掌握其中的精髓，在將來的工作中或許起著至關(guān)重要的作用。參考文獻[1]賀亞茹.匯編語言程序設計.北京:科學出版社,2005[2]卜艷萍、周偉.匯編語言程序設計教程.北京:清華大學出版社,2004[3]溫玉杰.Intel匯編語言程序設計〔第四版〕.北京:電子工業(yè)出版社,2004[4]鄭學堅、周斌.微型計算機原理與應用.北京:清華大學出版社,2000[5]于海生.微型計算機控制技術(shù).北京:清華大學出版社,1998[6]沈美明、溫冬嬋.IBM-PC匯編語言程序設計.北京:清華大學出版社,2002[7]何立民.單片機應用系統(tǒng)設計.北京:北京航空航天大學出版社,2003附錄一芯片資料圖118051單片機引腳圖圖12可編程芯片8255A引腳圖附錄二源程序ORG0100HMOVDPTR,#7FFFH；控制口地址送DPTRMOVA,#90H；控制字送存放器AMOVX@DPTR,A；將控制字寫入控制口，初始化8255MOV4EH,?；XE的低8位存入4EHMOV4DH,?；XE的高8位存入4DHMOV4CH,?；YE的低8位存入4CHMOV4BH,?；YE的高8位存入4BHMOVA,4EHADDA,4CH；XE與YE低8位相加MOV50H,A；低位之和存入NXY低8位MOVA,4DHADDCA,4BH；XE與YE的高8位帶進位相加MOV4FH,A；和存入NXY高8位MOV4AH,#00H；將FM置零MOV49H,#00HCLRR2；表ADX偏移量清零CLRR3；表ADY偏移量清零LOOP1:MOVA,49H；取偏差的高8位JBACC.7,YCONTROL；假設FM<0，轉(zhuǎn)到Y(jié)CONTROLACALLXCONTROL；否那么，調(diào)XCONTROLCLRC；進位存放器清零MOVA,4AHSUBBA,4CH；FM與YE的低8位相減MOV4AH,A；結(jié)果存入FM低8位MOVA,49HSUBBA,4BH；FM與YE的高8位相減MOV49H,A；結(jié)果存入FM高8位LOOP2:CLRCMOVA,50HSUBBA,#01H；NXY低位值減1MOV50H,A；結(jié)果存入NXY的低位MOVA,4FHSUBBA,#00H；考慮低位字節(jié)借位MOV4FH,A；減去借位后存入NXY的高位ORLA,50H；判斷NXY是否為零JNZLOOP1；不為零那么轉(zhuǎn)到LOOP1LJMP8000HXCOTROL:MOVDPTR,#ADX；將控制字表地址賦給DPTHMOVA,R2；表首偏移量送AMOVCA,@A+DPTR；讀取當前步進電機的控制字MOVDPTR,#7FFDH；PB口地址送DPTRMOVX@DPTR,A；將步進電機的控制字傳送到PB口CJNEA,#05H,LOOP3；假設到表尾，轉(zhuǎn)LOOP3INCR2；未到表尾，表首偏移量加1SJMPDELAY1LOOP3:MOVR2,#00H；表首偏移量清零SJMPDELAY1DELAY1:MOVR0,#FFH；延時DJNZDELAY1RET；返回YCOTROL:MOVDPTR,#ADY；將控制字表地址賦給DPTHMOVA,R3；ADY表首偏移量送AMOVCA,@A+DPTR；讀取當前步進電機的控制字MOVDPTR,#7FFEH；PC口地址送DPTRMOVX@DPTR,A；將步進電機的控制字傳送到PC口CJNEA,#05H,LOOP4；假設到表尾，轉(zhuǎn)LOOP4INCR3；未到表尾，表首偏移量加1SJMPDELAY2LOOP4:MOVR3,#00H