【導(dǎo)讀】本設(shè)計是基于單片機(jī)控制的數(shù)控X-Y工作臺系統(tǒng)設(shè)計—總體設(shè)計，首先根據(jù)設(shè)計任務(wù)對機(jī)械傳動部件進(jìn)行計算與選型，其次是步進(jìn)電動機(jī)的計算選型；由于系統(tǒng)采用的是半閉環(huán)控制，因此機(jī)械系統(tǒng)裝配有增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。在系統(tǒng)控制電路設(shè)計上，CPU采用的是AT89C52單片機(jī)，通過設(shè)有輸出穩(wěn)定直流電的驅(qū)動電源、光電隔離電路、開光量輸入電路等，大大提高了微機(jī)的抗干擾能力，防止微機(jī)受干擾而誤動。在外圍電路的設(shè)計上，使用了可編程控制器8255A、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片ULN2003、三態(tài)緩沖器74LS240/74LS244、鎖存器74LS373、8位8段共陰極數(shù)碼管等芯片，在外圍電路芯片的選擇上以盡量節(jié)省I/O口、性價比較高、技術(shù)成熟以及市場上通用芯片為基準(zhǔn)，故控制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，性能更優(yōu)越。系統(tǒng)的人機(jī)接口設(shè)計了一個四行四列的矩陣式鍵盤作為指令的輸入，和一個8位8段共陰數(shù)碼管的動態(tài)顯示電路；程序在Keil軟件進(jìn)行編譯和調(diào)試，并在Proteus環(huán)境中實現(xiàn)程序及電路的仿真。

　　

【正文】 使用的是小功率使用+5V直流電源的四相六線制步進(jìn)電機(jī)（其內(nèi)阻33歐，額定電壓12V，圖422為其原理圖），通過8255A的PC口輸出具有時序的方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號，信號經(jīng)過特定芯片驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。選用ULN2003構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路。ULN2003的結(jié)構(gòu)：ULN2003 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由七個硅NPN 達(dá)林頓管組成[5] 丁明亮，唐前輝．51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計與仿真：基于Keil C與Proteus [M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009，第138頁．。ULN2003具有如下特點： ULN2003 的基極電阻,在5V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。 ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運行。 ULN2003 采用DIP—16 或SOP—16 塑料封裝。 ULN2003方框圖如圖423所示。圖423 ULN2003內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖424 步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)電路圖 步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)電路圖圖424即為我所設(shè)計的步進(jìn)電動機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路圖，從圖中我們能清晰的獲取到控制系統(tǒng)硬件電路圖的接線方式。 鍵盤與LED顯示電路設(shè)計 鍵盤電路設(shè)計圖425是矩陣式鍵盤原理圖，圖中鍵盤為四行四列共16個鍵，~；~。第一行按鍵從左到右對應(yīng)數(shù)字7~9和代碼G，第二行按鍵從左到右依次對應(yīng)數(shù)字4~6和ENTER（確認(rèn)），第三行按鍵從左到右對應(yīng)數(shù)字1~3和START（開始），第四行按鍵從左到右依次為X（表示X坐標(biāo)）、數(shù)字0、Y（表示Y坐標(biāo)）和—（負(fù)號）。圖425 四行四列矩陣式鍵盤原理圖 顯示電路設(shè)計圖426 8位動態(tài)掃描8端共陰數(shù)碼管原理圖（1）數(shù)碼管選用選用8位動態(tài)掃描8段共陰數(shù)碼管如圖426所示，它們的段引腳A~G、DP是并在一起的；引腳1~8是各位數(shù)碼管的COM端，相互獨立。使用是只需設(shè)置一個8位I/O口控制段引腳，向其送段碼；設(shè)置令一個8位I/O口控制8位COM端的數(shù)據(jù)輸入即可；這樣的設(shè)計簡化了電路，也降低了成本。（2）硬件電路的設(shè)計LED的硬件原理圖如圖427所示，8255A端口A經(jīng)74LS244的同相輸出Y0~Y7作為LED的段驅(qū)動信號，當(dāng)某位LED各段全部點亮?xí)r，端電流會達(dá)到120~150mA。所以選用驅(qū)動能力較強(qiáng)的ULN2003A反相作為驅(qū)動器件。8255A端口B的PB0~PB7經(jīng)ULN2003A反相后的輸出信號，作為LED的位選信號，排阻RESPACK8作為ULN2003A的上拉電阻，由于ULN2003A是反相驅(qū)動器，要點亮某位LED，8255A端口B發(fā)出的位選信號應(yīng)為高電平。圖427 顯示硬件原理圖ULN2003A是高耐壓、大電流達(dá)林頓陣列，由7個硅NPN型，集電極開路的達(dá)林頓管組成，可承受500mA灌電流。達(dá)林頓管由兩只三極管復(fù)合而成，使用時可將其看作一只三極管，其放大倍數(shù)為兩只三極管放大倍數(shù)的乘積，所以在使用時可將ULN2003A視為一個可承受大灌電流的NPN三極管，其輸入端可看作是此NPN三極管的基極，輸出端是此NPN的集電極[5] 丁明亮，唐前輝．51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計與仿真：基于Keil C與Proteus [M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009，第138頁．。由于是集電極開路的NPN型達(dá)林頓管，故其輸出端與電源間應(yīng)外接電阻。當(dāng)輸入端輸入高電平時管子導(dǎo)通，在外接下拉電阻的作用下，其輸出端為低電平，ULN2003承受灌電流。若輸入時低電平，則管子截止，此時輸出端通過外接電阻與電源相連，為高電平，但此時管子已截止[5]。 本章小結(jié)本章節(jié)完成了XY工作臺的控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計，包括為AT89C52設(shè)置的復(fù)位電路和振蕩電路、控制系統(tǒng)的電源、開關(guān)量輸入電路、I/O接口芯片（74LS3774LS2474LS240及8255A）的擴(kuò)展，步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電路以及鍵盤和LED顯示電路。系統(tǒng)無需擴(kuò)展外部程序存儲器，只需利用AT89C52自身內(nèi)部8KB的Flash存儲器和256字節(jié)的RAM，節(jié)省了大量的I/O口，電路設(shè)計簡約。選用驅(qū)動能力較強(qiáng)ULN2003A驅(qū)動芯片，驅(qū)動8位8段數(shù)碼管和兩坐標(biāo)步進(jìn)電動機(jī)，ULN2003A驅(qū)動芯片已經(jīng)是技術(shù)較為成熟的芯片，能夠保證數(shù)碼管和步進(jìn)電動機(jī)的正常運行；除此外其芯片價格較為合理，配套的外圍電路的設(shè)計也比較簡單?？紤]到位置開關(guān)在實際應(yīng)用中，其向系統(tǒng)輸入的控制信號具有干擾性，因此為了減少控制系統(tǒng)電路受到干擾，故設(shè)計了對輸入信號具有隔離效果的開關(guān)量輸入電路；電路中使用光耦合器TLP5211有效的對輸入信號進(jìn)行隔離，避免了系統(tǒng)受到干擾。5 仿真控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 Proteus簡介Proteus是英國Labcenter公司開發(fā)的切入式系統(tǒng)仿真軟件，組合了高級原理圖設(shè)計工具ISIS、混合模式SPICE仿真、PCB設(shè)計以及自動布線而形成了一個完成的電子設(shè)計系統(tǒng)。它運行與Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析各種模擬和數(shù)字電路，并且對PC機(jī)的硬件配置要求不高[9]。該軟件具有以下主要特別：① 實現(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)及其外圍電路仿真、RS232動態(tài)仿真、SPI調(diào)式器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能[9] 周潤景，張麗娜，劉映群．PROTEUS入門實用教程[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007，第50頁．。② 提供了大量的元器件，涉及電阻、電容、二極管、三極管、MOS管、變壓器、繼電器、各種放大器、各種激勵源、各種控制器、各種門電路和各種終端等；同時，也提供了許多虛擬測試儀器，如電流表、電壓表、示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、定時/計數(shù)器等[9]。③ 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、Z80系列、HC11系列以及各種外圍芯片[9]。④ 提供軟硬件調(diào)試功能。同時支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如KeilC51μVision2等軟件[9]。⑤ 具有強(qiáng)大的原理圖編輯及原理圖后處理功能[9]。⑥ Proteus VSM虛擬系統(tǒng)模型組合了混合模式的SPICE電路仿真、動態(tài)器件和微控制器模型，實現(xiàn)了完整的基于微控制器設(shè)計的協(xié)同仿真，真正使在物理原型出來之前對這類設(shè)計的開發(fā)和測試成為可能[9]。 Keil簡介Keil是美國Keil Software公司開發(fā)的，是目前世界上最好的51單片機(jī)的匯編和C語言的開發(fā)工具[5] 丁明亮，唐前輝．51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計與仿真：基于Keil C與Proteus [M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009，第98頁．。它支持匯編、C語言以及混合編程，同時具備功能強(qiáng)大的軟件仿真，在軟件模擬仿真方式下不需要任何單片機(jī)硬件即可完成用戶程序仿真調(diào)試；仿真時，我們會將Proteus ISIS與Keil整合起來使用，充分利用各自的仿真功能，單片機(jī)軟硬件的調(diào)試將變得十分有效[5]。 仿真控制系統(tǒng)硬件原理圖XY工作臺控制系統(tǒng)仿真控制系統(tǒng)簡圖如圖51所示，系統(tǒng)選用了AT89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制芯片、選用可編程控制芯片8255A作為I/O口的擴(kuò)展、選用74LS373鎖存器作為8255A地址線A0和A1的控制與鎖存、選用四行四列矩陣鍵盤和8位8段共陰極數(shù)碼管分別作為系統(tǒng)人機(jī)接口的輸入和顯示、設(shè)置了限位/急停按鈕利用外部中斷0對工作臺的行程進(jìn)行控制、以及通過8255A的8位PC口對選用的2個四相六線步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。本仿真圖能夠?qū)崿F(xiàn)從鍵盤輸入G代碼后，通過直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)，完成平面輪廓加工，基本達(dá)到設(shè)計任務(wù)書上的要求。圖51 XY工作臺控制系統(tǒng)仿真控制系統(tǒng)簡圖 本章小結(jié)本章主要就是為系統(tǒng)的仿真設(shè)計一個控制電路圖，此控制電路圖是在第四章設(shè)計的控制系統(tǒng)電路圖的基礎(chǔ)上設(shè)計出來。主要區(qū)別在于：（1）仿真電路圖保存了原有硬件電路圖中的所有功能芯片及硬件，其實現(xiàn)的功能與第四章的硬件電路圖是一致的；（2）為了編程方便和減少程序調(diào)試過程中驅(qū)動芯片給仿真帶來的誤判和錯誤運行，仿真電路圖設(shè)計上更加簡約，更加合理。由于本仿真電路圖采用的硬件均與第四章控制系統(tǒng)硬件電路圖的硬件一致，因此在此不做重復(fù)介紹；其電路的接線方式也是一致的。6 控制系統(tǒng)人機(jī)接口軟件設(shè)計 鍵盤與顯示總程序 鍵盤與顯示總程序流程圖YN開始顯示循環(huán)程序key=0x0fkey=0x0f?鍵盤掃描程序顯示板上所有數(shù)字左移一位剛按下鍵的鍵值在顯示板最右邊一位顯示圖61 鍵盤與顯示程序總流程圖 鍵盤與顯示總程序原理在定時器一溢出時，程序會進(jìn)入LED顯示循環(huán)函數(shù)，運行完顯示程序后，判斷是否有鍵按下，若無鍵按下，程序結(jié)束，若有鍵按下，進(jìn)入鍵盤掃描程序。運行完鍵盤掃描程序后，將顯示內(nèi)容存儲寄存器中第一到第七位的數(shù)值移動到顯示內(nèi)容存儲寄存器中的第二到第八位，在將通過鍵盤掃描程序得到的鍵值存入顯示內(nèi)容存儲寄存器的首位。完成動作后，程序結(jié)束。 顯示程序 顯示程序流程圖顯示程序流程圖如圖62所示。 顯示程序流程圖解釋顯示循環(huán)程序由定時器中斷1服務(wù)程序進(jìn)入，每當(dāng)定時器中斷1溢出時就運行一次顯示循環(huán)程序，即將八位七段LED數(shù)碼管選擇標(biāo)志位賦予數(shù)碼管選擇口，并將相應(yīng)顯示內(nèi)容存儲器中的值通過查表得到的字形碼賦給數(shù)碼管顯示口，八位七段LED數(shù)碼管選擇標(biāo)志位向左移一位，顯示內(nèi)容存儲器地址指針加一。若八位七段LED數(shù)碼管選擇標(biāo)志位溢出，則八位七段LED數(shù)碼管選擇標(biāo)志位指向最右一位，將0x70賦予顯示內(nèi)容存儲器地址指針。YN開始顯示選擇位賦值于顯示選擇I/O口顯示內(nèi)容賦值于顯示口顯示選擇位向左移一位顯示內(nèi)容存儲器地址指針加一顯示內(nèi)容選擇位是否移出屏幕范圍?END顯示選擇位賦值為第一位顯示內(nèi)容存儲器地址指針賦值為0x70圖62 顯示程序流程圖 LED顯示原理LED數(shù)碼管顯示器內(nèi)部由七個條形發(fā)光二極管和一個小圓點發(fā)光二極管組成，每個發(fā)光二極管成為一字段。因而它的控制原理和發(fā)光二極管的控制原理是相同的。根據(jù)各關(guān)的界限形式，可分成共陰極型和共陽極型。發(fā)光二激光管的陽極連在一起，成為一個公共端，這種顯示器成為共陽極顯示器。發(fā)光二激光管的陰極連在一起，成為一個公共端，這種顯示器成為共陰極顯示器。給LED數(shù)碼管的七個發(fā)光二極端加不同的點平，二極管顯示不同亮暗的組合就可以形成不同的字形，這種組合稱之為字形碼。LED顯示常用的顯示方式由靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。靜態(tài)顯示是當(dāng)顯示器顯示某個字符時，相應(yīng)的字段（發(fā)光二極管）恒定得導(dǎo)通或截至。這種顯示方式的每個數(shù)碼管相互獨立，共端恒定接地（共陰極）或接電源（共陽極）。LED數(shù)碼管的每個字段分別與一個I/O口或硬件譯碼電路相連，這是只要在字段上輸入所需電平，相應(yīng)字符就會顯示出來，并保持不變，直到需要顯示下一個字符為止。例如，給數(shù)碼管輸入01111001信號，共陰極LED顯示字符“E”，在改變字符前，顯示器a、d、e、f、g段恒定導(dǎo)通，其他碼段恒定截至。采用靜態(tài)顯示方式占用CPU是減少，編程簡單，但占口線較多，不適合顯示多位字符。動態(tài)顯示是指逐次電量每個數(shù)碼管。方法是先選中第一個數(shù)碼管，把要顯示字符的字形碼送給它，過一段時間選中第二個數(shù)碼管，把顯示字符的字形碼送給它顯示，這樣逐次點亮每個數(shù)碼管。每次只能點亮一個數(shù)碼管。只要點亮相鄰兩個數(shù)碼管的時間間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于人眼視覺停留時間，動態(tài)顯示的效果在人眼看來是同時點亮的。采用動態(tài)顯示可以節(jié)省I/O口，但其亮度不如靜態(tài)顯示時的亮度。由于動態(tài)顯示要循環(huán)掃描每個數(shù)碼管，編程復(fù)雜，占用CPU時間多，所以要注意優(yōu)化編程。為了充分利用單片機(jī)有限的I/O資源，在實際應(yīng)用中，數(shù)碼管動態(tài)顯示方式應(yīng)用較多。 鍵盤掃描程序 鍵盤掃描程序流程圖鍵盤掃描程序流程圖如圖63所示。 鍵盤掃描程序解釋首先將所有行線置一、所有列線清零，即將鍵盤口前四位清零，后四位置一(key=0x0f)。有鍵按下時對應(yīng)的列線輸入為一，無鍵按下時所有列線輸入為零。如果有鍵閉合，通過檢測哪條列線為一，判斷出按下的鍵在哪條列線上，再依次分別將每條行線置一，判斷之前確定的列線是否為1，若為1則確定按下的鍵在這條行線上，并將相應(yīng)鍵值賦予key_value，若為0則按下的鍵不在這條行線上。例如數(shù)字鍵3被按下，由于數(shù)字鍵3被按下，第三列線與第三行線被連通，第三列線口(key^5)被置一，四條行線(key^0~3)保持高電平不變，key口變?yōu)?x4f，通過對key口的分析，確定按下鍵在第三列線，進(jìn)入行線判斷程序。首先將第一條行線口(key^0)置一，key端口上的其它口都被清零，因為按下鍵的列線與行線是連通的，這是只要判斷之前確定的第三列線口(key^5)是否為1，即可判斷按下鍵是否在這條行線上。當(dāng)?shù)谝?、二條行線口(key^0、1)被置一時，第三列線口(key^5)不為一，繼續(xù)將下條行線口置一，直到將第三條行線口(key^2)置一，即令key=0x04時，檢測到第三列線口(key^5)也為一，確定按下鍵在第三列線上。這時，按下鍵所在行線與列線都已得到，這兩條線只有一個相交點，即數(shù)字鍵3，便將數(shù)字鍵3對應(yīng)的鍵值3賦予鍵值標(biāo)志位key_value。 本章小結(jié)本章完成了鍵盤及顯示程序的編寫與調(diào)試，程序在Keil軟件中編寫并調(diào)試，使用的是C51程序編程語言，并最終將使用Keil生成hex類型文件；通過論文上述第五章在Proteus軟件中設(shè)計好的仿真電路圖中，導(dǎo)入以編譯好的程序，實現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)接口的功能。此章節(jié)過后，系統(tǒng)的人機(jī)接口軟件設(shè)計已能實現(xiàn)，已初步達(dá)到設(shè)計的要求。此程序編寫，鍵盤部分包含有(0~9)共10個數(shù)字鍵，X、Y和G共3個字母鍵，符號鍵（負(fù)號“—”），輸入鍵(ENTER)以及開始按鍵(START)共同組成的16個按鍵功能。顯示部分則能及時的在8位8段數(shù)碼管上顯示相對應(yīng)的按鍵指令，并能自右向左逐一顯示。NNNNNNN