【正文】 基于單片機(jī)控制的數(shù)控XY工作臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì) ——插補(bǔ)部分摘 要本設(shè)計(jì)研究的課題主要是基于單片機(jī)控制的數(shù)控XY工作臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)—插補(bǔ)部分設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)上運(yùn)用逐點(diǎn)比較法使步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)單坐標(biāo)定位、兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)的基本功能；在此功能基礎(chǔ)上通過建立象限判別程序，使XY工作臺(tái)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(jìn)電機(jī)輸出執(zhí)行指令所需的控制信號(hào)，從而完成指定的工序。該設(shè)計(jì)選用KeilμVision2軟件進(jìn)行程序的編譯和調(diào)試，在Proteus環(huán)境下實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的調(diào)試并仿真得出程序的運(yùn)行結(jié)果。此次設(shè)計(jì)的程序均能在Proteus中的控制系統(tǒng)仿真電路圖中仿真通過，仿真時(shí)，只需從鍵盤輸入G代碼后，步進(jìn)電機(jī)就能通過直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)，完成平面輪廓加工。關(guān)鍵字：插補(bǔ) 數(shù)控XY工作臺(tái) 步進(jìn)電機(jī) 單片機(jī)Design of XY NC Worktable Based on Microcontroller ——Interpolation partABSTRACTThe subject of this design study is mainly based on MCU control system design for CNC XY table interpolation part of the design. Procedures used in the system design by point by point parison then singlecoordinate 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 in four quadrants。 and write the code handler，so CPU according to the information which have been read(G code and the Xaxis and Yaxis coordinates), output signals to two stepper motor separately for control the table how to move on Xaxis and Yaxis to finish the specified process. The design of the software programs used KeilμVision2 pile 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 table through linear interpolation and circular interpolation to finish plane contour machining.Key words: Interpolation XY NC Worktable Stepping Motor Microcontroller目 錄摘 要 IABSTRACT II前言 11 XY數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)簡介 2 XY數(shù)控工作臺(tái)總體方案分析 2 仿真開發(fā)環(huán)境Proteus簡介 2 程序開發(fā)環(huán)境KeilμVision2簡介 22 XY數(shù)控工作臺(tái)機(jī)械部件功能分析 4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理 4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作方式 43 XY數(shù)控工作臺(tái)硬件電路分析 6 控制系統(tǒng)微控制器AT89C52 6 AT89C52單片機(jī)的主要工作特性 6 AT89C52單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 6 AT89C52單片機(jī)的各引腳功能 15 可編程并行接口芯片8255A 16 8255A的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 16 8255A的引腳功能 17 8255A的工作方式 18 8255A控制字 194 基于PROTEUS仿真電路分析 21 XY數(shù)控工作臺(tái)控制系統(tǒng)仿真電路圖 21 XY數(shù)控工作臺(tái)控制系統(tǒng)硬件資源及其分配 21 電路模塊圖分析 22 XY向步進(jìn)電機(jī)控制電路分析 22 四行四列矩陣式鍵盤控制電路分析 23 XY數(shù)控工作臺(tái)顯示電路分析 24 程序在仿真電路圖中實(shí)現(xiàn)的功能 255 XY數(shù)控工作臺(tái)總程序軟件設(shè)計(jì) 26 程序總流程分析 26 Main 函數(shù)功能解釋 26 逐點(diǎn)比較法的插補(bǔ)原理 27 逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)的優(yōu)點(diǎn) 27 插補(bǔ)總流程分析 276 XY數(shù)控工作臺(tái)快速進(jìn)給軟件設(shè)計(jì) 28 快速進(jìn)給程序分析 287 XY數(shù)控工作臺(tái)直線插補(bǔ)軟件設(shè)計(jì) 30 逐點(diǎn)比較法的直線插補(bǔ)的數(shù)學(xué)原理 30 逐點(diǎn)比較法的直線查補(bǔ)的偏差判別機(jī)制 30 直線插補(bǔ)中的終點(diǎn)判別機(jī)制 31 直線插補(bǔ)計(jì)算過程 31 直線插補(bǔ)中的進(jìn)給判別機(jī)制 31 直線插補(bǔ)程序分析 328 XY數(shù)控工作臺(tái)圓弧插補(bǔ)軟件設(shè)計(jì) 34 逐點(diǎn)比較法的圓弧插補(bǔ)的數(shù)學(xué)原理 34 逐點(diǎn)比較法的圓弧查補(bǔ)的偏差判別機(jī)制 34 圓弧插補(bǔ)中的終點(diǎn)判別機(jī)制 35 圓弧插補(bǔ)計(jì)算過程 35 4個(gè)象限的圓弧插補(bǔ) 35 順圓插補(bǔ)程序分析 37 逆圓插補(bǔ)程序分析 399 XY數(shù)控工作臺(tái)代碼處理軟件設(shè)計(jì) 41 代碼處理程序分析 4110 XY數(shù)控工作臺(tái)象限判別軟件設(shè)計(jì) 43 象限判斷總程序分析 43 G0與G1情況象限判斷程序分析 43 G2情況象限判斷程序分析 45 G3情況象限判斷程序分析 4511 中斷程序設(shè)計(jì)方法 47 定時(shí)器中斷程序解釋 47 外部中斷程序解釋 47結(jié)論與展望 48參考文獻(xiàn) 49附錄A 總程序: 50附錄B 文獻(xiàn)翻譯原文 75附錄C 文獻(xiàn)翻譯譯文 83謝 辭 90前言本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題為基于單片機(jī)控制的數(shù)控XY工作臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)——插補(bǔ)部分。XY數(shù)控工作臺(tái)是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，通常由導(dǎo)軌座、滑動(dòng)模塊、工作平臺(tái)、滾珠絲杠螺母副，以及步進(jìn)電機(jī)的部件構(gòu)成?？刂葡到y(tǒng)可選用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，也可設(shè)計(jì)專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)用AT89C52組成專用單片機(jī)控制系統(tǒng)，從鍵盤輸入G代碼后，能通過直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)，完成平面輪廓加工。通過正確的運(yùn)用大學(xué)四年學(xué)到的知識(shí)完成本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，可以更好的掌握有關(guān)機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程和單片機(jī)的編程思想。通過該設(shè)計(jì)使自身具有一定的系統(tǒng)化編程思想和能力，能夠獨(dú)立完成項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。研究技術(shù)路線：；；；；；、數(shù)組、函數(shù)、指針的運(yùn)用與設(shè)計(jì)；；。1 XY數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)簡介 XY數(shù)控工作臺(tái)總體方案分析總體方案圖如圖11所示：微控制器(MCU)I/O接口電路放大電路執(zhí)行器件機(jī)械傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)機(jī)械執(zhí)行機(jī) 構(gòu)圖11 XY數(shù)控工作臺(tái)總體方案圖XY數(shù)控工作臺(tái)是實(shí)現(xiàn)平面X、Y坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)的典型關(guān)鍵部件，能夠分別沿X向和Y向移動(dòng)。本次設(shè)計(jì)的XY數(shù)控工作臺(tái)選用的是微機(jī)控制系統(tǒng)（AT89C52單片機(jī)），在基于AT89C52單片機(jī)的原理上設(shè)計(jì)了一個(gè)小型的微機(jī)控制系統(tǒng)，運(yùn)用C51編程將控制信號(hào)送到執(zhí)行器件（X和Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)），通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（齒輪減速和絲桿傳動(dòng)），帶動(dòng)機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)（工作臺(tái)）做X向和Y向的運(yùn)動(dòng)；實(shí)現(xiàn)四象限單坐標(biāo)快速定位，雙坐標(biāo)直線、圓弧插補(bǔ)等功能；最終選擇通過Proteus與Keil聯(lián)機(jī)對(duì)設(shè)計(jì)的電路以及程序進(jìn)行仿真、 仿真開發(fā)環(huán)境Proteus簡介Proteus ISIS是美國Labcenter公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。它運(yùn)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(diǎn)是：① 實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)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(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232動(dòng)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(hào)發(fā)生器等。② 支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：68000系列、8051系列、AVR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。③ 提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)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(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如KeilμVision2等軟件。④ 具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能[1] :北京航空航天大學(xué)出版社[M],2009,第90頁.。 程序開發(fā)環(huán)境KeilμVision2簡介μVision2是一個(gè)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(tái)上運(yùn)行，功能十分強(qiáng)大。它支持所有的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。采用Keil C51開發(fā)8051單片機(jī)應(yīng)用程序一般需要以下步驟：① 在μVision2集成開發(fā)環(huán)境中創(chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目文件（Project），并為該項(xiàng)目選定合適的單片機(jī)CPU器件。② 利用μVision2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(xiàng)目中去。一個(gè)項(xiàng)目可以包含多個(gè)文件，除源程序文件外還可以有庫文件或文本說明文件。③ 通過μVision2的各種選項(xiàng)，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。④ 利用μVision2的構(gòu)造（Build）工功能對(duì)項(xiàng)目中的源程序文件進(jìn)行編譯連接，生成絕對(duì)目標(biāo)代碼和可選的HEX文件。如果出現(xiàn)編譯連接錯(cuò)誤則返回第2步，修改源程序中的錯(cuò)誤后重新構(gòu)造整個(gè)項(xiàng)目。⑤ 將沒有錯(cuò)誤的絕對(duì)目標(biāo)代碼裝入μVision2調(diào)試器進(jìn)行仿真調(diào)試，調(diào)試成功后將HEX文件寫入到單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的EPROM中[2] 周潤景,張麗娜,[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007,第82頁.。2 XY數(shù)控工作臺(tái)機(jī)械部件功能分析 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又叫脈沖電動(dòng)機(jī)，它是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為角位移的機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制線路接受微機(jī)發(fā)來的指令脈沖，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作相應(yīng)地轉(zhuǎn)動(dòng)，從而是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)的工作臺(tái)。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(tái)的總移動(dòng)量，指令脈沖的頻率就決定了移動(dòng)的速度[3] [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007,第58頁.。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作就是步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)。在一般的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作中，其電源都是采用單極性的直流電源。要使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，就必須對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子的各項(xiàng)繞組以適當(dāng)?shù)臅r(shí)序進(jìn)行通電。圖21 四相步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)示意圖圖21為四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步進(jìn)示意圖。開始時(shí)，開關(guān)SB接通電源，SA、SC、SD斷開，B相磁極和轉(zhuǎn)子0、3號(hào)齒對(duì)齊，同時(shí)，轉(zhuǎn)子的4號(hào)齒就和C、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒，5號(hào)齒就和D、A相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。當(dāng)開關(guān)SC接通電源，SB、SA、SD斷開時(shí)，由于C相繞組的磁力線和4號(hào)齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，4號(hào)齒和C相繞組的磁極對(duì)齊。而0、3號(hào)齒和A、B相繞組產(chǎn)生錯(cuò)齒，5號(hào)齒就和A、D相繞組磁極產(chǎn)生錯(cuò)齒。依次類推，A、B、C、D四相繞組輪流供電，則轉(zhuǎn)子會(huì)沿著A、B、C、D方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作方式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可工作于單相通電方式，也可工作于雙相通電方式和單相、雙相交叉通電方式。選用不同的工作方式，可使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)是四相八拍工作方式，四相步進(jìn)電機(jī)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(dòng)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，八拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩又可以提高控制精度。圖22給出了三種工作方式下四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的波形圖，從圖中我們可以清晰的看到四相八拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電相序?yàn)椋篈→AB→B→BC→C→CD→D→DA→A→AB→B→…。圖22 四相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)三種工作方式下的工作波形圖3 XY數(shù)控工作臺(tái)硬件電路分析 控制系統(tǒng)微控制器AT89C52 AT89C52單片機(jī)的主要工作特性? 8031CPU（8051的內(nèi)核）；? 8KB的快速擦寫Flash存儲(chǔ)器，用于程序存儲(chǔ)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、PPP3；? 2個(gè)可編程16位定時(shí)器：P3口的第二功能；? 具有6個(gè)中斷源、5個(gè)中斷矢量、二級(jí)優(yōu)先權(quán)的中斷系統(tǒng)；? 1個(gè)數(shù)據(jù)指針DPTR；? 1個(gè)可編程的全雙工串行通信：P3口的第二功能；? 具有“空