基于单片机控制的XY绘图仪系统设计方案

摘 要

本设计是鉴于单片机控制的XY画图仪系统设计与虚构仿真。

在系统控制电路设计上，CPU采纳的是ATC51单片机。采纳90BF001型4相8拍的反响式步进电机作为驱动XY画图仪的伺服电机，用ULN2003A来驱动，并确立了XY画图仪的传动方式。单片机的复位方式为上电自动复位，时钟电路为内部时钟方式。在CPU及外头电路芯片的选择上，以尽量节俭I/O口、性价比较高、技术成熟以及市场上通用芯片为基准，因此控制系统电路的构造简单，性能更优胜。

程序编写达成后，在Keil软件进行编译和调试，并在Proteus环境中实现程序及电路的仿真。

重点字：XY平面画图仪 单片机 微控制器 Proteus 仿真

基于单片机控制的XY绘图仪系统设计方案

ABSTRACT

This is a design of microcomputer-based CNC XY platform motion control system and its virtual simulation.

In the control circuit design, used an ATC51 microcontroller for CPU. Using the four phase eight reactive stepping motor 90BF001 as servo motor drives the XY platform, and they were driven by ULN2003A, and we also determined the transmission ways the XY platform. Chip power-on reset mode is automatically reset, clock circuit for the internal clock mode. On the choose of CPU and the peripheral circuit chip, following next principles : save the I/O mouth as possible , high performance with low cost, mature technology and general chip on the market. So the structure of the control system circuit is simple, and its performance is superior.

After the completion of the program written, programs were compiled and debugged in Keil, and to achieve the simulation of program and circuit in Proteus environment.

Key words: XY platform Chip-Single Microcomputer Microcontroller Proteus simulation

基于单片机控制的XY绘图仪系统设计方案

目 录

第一章 绪论 ....................................................... 0 1.1 课题设计研究背景 ............................................. 0 1.2 研究的内容 ................................................... 0 1.3 毕业设计的目的、意义 ......................................... 1 第二章 平面画图仪控制系统的整体方案 ............................... 3 2.1 平面画图仪控制系统的控制方式 ................................. 3 2.2 伺服系统及电机的选择 ......................................... 3 2.3 微机控制系统的选择 ........................................... 4 2.4 X-Y平面画图仪的传动方式 ...................................... 5 第三章 MCS-51单片机工作原理 ....................................... 6 3.1 单片机内部构成及引脚功能 ..................................... 6 3.1.1 单片机的内部构造 ......................................... 6 3.1.2 ATC51单片机的主要特征： ................................ 6 3.1.3 ATC51单片机的引脚功能 .................................. 7 3.2 单片机的时钟电路 ............................................. 9 3.3 单片机的工作方式 ............................................ 11 第四章 单片机系统的设计 .......................................... 13 4.1 硬件配置与接口分派 .......................................... 13 存贮器空间分派 ................................................ 13 4.1.2 I/O口地点分派 ........................................... 13 4.2 硬件电路的设计 .............................................. 13 4.2.1 主控制器CPU的选择 ....................................... 14 4.2.1 步进电机驱动电路的设计 .................................. 15 4.3 其余协助电路设计 ............................................ 16

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4.3.1 ATC51的时钟电路单片机的时钟的产生方式 ................. 16 4.3.2 ATC51复位电路 ......................................... 16 4.3.3 超程报警电路 ............................................ 16 4.3.4 掉电保护电路 ............................................ 17 4.3.5 光电隔绝电路 ............................................ 18 第五章 鉴于PROTEUS的XY平面画图仪运动仿真设计 ..................... 20 5.1 PROTEUS简介及仿真界面 ......................................... 20 5.2 KEIL简介 ..................................................... 21 5.3 KEIL中的程序调试 ............................................. 22 5.4 PROTEUS仿真系统硬件原理图 ..................................... 23 5.5 运行调试 .................................................... 23 设计总结 .......................................................... 26 致 谢 ............................................................ 27 参照文件 .......................................................... 28 附 录 ............................................................ 29 附录A 步进电机驱动平面画图仪控制XY轴仿真原理图 .................. 29 附录B C语言程序设计 ............................................. 30

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第一章 绪论

1.1 课题设计研究背景

国内技术现状：进入21世纪以来，跟着计算机技术的飞快发展，推进画图仪控制技术更快的更新换代。世界上很多画图仪系统厂家利用PC机丰富的软硬件资源开发开放式系统构造的新一代控制系统。开放式系统构造使画图仪控制系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向大大发展。开放式系统构造能够大批采纳通用微机的先进技术，如多媒体技术，实现声控自动编程等。画图仪控制系统持续向高集成度方向发展，每个芯片上能够集成更多个晶体管，使系统体积更小化，更为小型化、微型化。靠谱性大大提升。利用多CPU的优势，实现故障自动清除；增强通讯功能，提升进线、联网能力。此刻较为先进、金典之作为XY机械套件Makeblock平面画图仪系统，它是一款能够实现平面坐标系精准定位的机器人套装，画图定位精度能够达到0.1mm。精美而牢固的机械构造，高性能的电子模块，为他的稳固性和精准度墓定了基础。XY基础包将会发展成为高精度智能化的桌面画图仪，能够经过它绘制出出色的图片，设计等。画图仪经过PC端上位机Gremote控制，PC+运动控制板：把运动控制板插入PC机的标准插槽中作及时控制用，而PC机主要作非及时控制 国内发展趋向：

一、XY画图仪的发展趋向 1、智能化 2、网络化 3、集成化

4、微机电控制系统 5、数字化

二、我国XY画图仪家产发展的思虑 1、着重系统配套 2、着重产品的靠谱性 3、倡导创新，增强服务

国际技术现状：XY画图仪从国际来看，德国、美国、日本等几个国家基本掌握了高档XY画图仪平面画图仪控制系统。外国的主要XY画图仪平面画图仪控制制造商有西门子、发那克、三菱电机、海德汉、博世力士乐、日本大薇等。 1、纳米插补与数制技术已走向适用阶段 2、机器人宽泛应用 3、智能化画图不停扩展 4、CAD/CAM技术的应用 国际发展趋向：

1、新一代画图仪向PC化和开放式系统构造方向发展

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2、驱动装置向沟通、数字化方向发展 3、增强通讯功能，向网络化发展

4、画图仪平面画图仪控制系统在控制性能上向智能化发展

1.2 研究的内容

一、整体设计：第一依据老师对课设的要求及所设计单片机控制画图仪的工作原理、应用处合、控制对象等确立合理的设计方案，认真区分软件部分和硬件部分各自应达成的功能，从而确立设计思路。

二、硬件设计：因为此刻市场上各样芯片种类众多，并且不停在革故鼎新，所以一定依据系统要求，依据“性价比最高”原则，选择既合适于本系统，又运行靠谱的芯片和元器件，从而设计出最合理的硬件电路。 所需硬件：X/Y坐标尺、X/Y带传动链（X/Y传动丝杠）、步进电动机My/Mx、画图笔、继电器、控制传动线路、计算机（单片机），微型计算机接口等。 （一）步进电动机的选择 （二）驱动器的接线方式 （三）X/Y传动方式的选择 （四）控制器的芯片的选择 （五）硬件电路的设计

（六）单片机的确定（ATC51)

三、软件设计：利用汇编语言的编程，以及经过指令来确立步进电动机的运动规律、次序。采纳逐点比较法来“一步一步的运算”进行直线插补、圆弧插补。 四、系统的调试及运行：在单片机开发装置上，用调试软件对程序进行调试，查错和改正，而后把调好的次序联成一个完好的系统程序，再进行联机调试，在线仿真，最后组装样机，脱机运行，经过试运行对系统进行检测，以考证系统的功能。

设计要求达成整个控制系统的硬件设计和达成整个控制系统的人机接口软件设计，经过Keil编译和调试程序，并最后在Proteus软件中仿真。

1.3 毕业设计的目的、意义

毕业设计是培育学生设计能力的重要实践性教课环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。其目的是： 能够正确运用大学时期所学课程的基本理论和有关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特色和设计思想、设计方法，认识设计方案的制定、比较、剖析和计算，培育学生剖析问题和解决问题的能力，使学生拥有机电一体化系统设计的初步能力；

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经过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零零件和履行元件的计 算、选型和构造设计方法和步骤；

经过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件构成、 工作原理，和软件编程思想；

经过毕业设计提升学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促使学生在科学态度、创新精神、专业技术等方而综合素质的提升。

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第二章 平面画图仪控制系统的整体方案

本次设计中，平面画图仪控制系统整体设计内容包含：平面画图仪控制系统控制方式的确定，伺服系统的选择，微机控制系统的选择。

2.1 平面画图仪控制系统的控制方式

本平面画图仪控制系统要求X-Y平面画图仪沿两个坐标轴（±X，±Y）方向同时拥有连续的精准的运动，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，能够达成平面轮廓的加工，因此采纳连续控制的方式。该方式可对两个或两个以上的坐标轴同时进行严格连续控制系统。它不单能控制挪动零件从某一点正确地挪动到另一点，并且还可以控制整个加工过程中的每一点的速度和位移量，从而将零件加工成必定的轮廓形状。

2.2 伺服系统及电机的选择

1．伺服系统的选择

本次设计采纳开环伺服系统。在开环控制系统中，无反应零件，不存在由输出端到输入端的反应通路，没法反应信息，故而不可以及时纠正系统传动偏差。可是，同闭环控制系统对比，开环控制系统的构造要简单得多，调整维修方便，同时也比较经济。在速度和精度要求都不太高，而又要求降低成本的场合获得宽泛应用。

2．步进电机的选择

考虑到经济性，也不需太高的运动精度，为简化构造，降低成本，采纳步进电机作为开环伺服系统的驱动装置。

步进电机是由脉冲控制的特种电动机。在非超载的状况下，电机的转速、停止的地点只取决于脉冲信号的频次和脉冲数，而不受负载变化的影响，对应于每一个脉冲，电动机将产生一个恒定量的步进运动，即产生一个恒定量的角位移或线位移。步进电机运动步数由脉冲数来决定，运动方向由脉冲相序来决定，在一准时间内转过的角度或平移的距离由脉冲数决定，借助步进电机能够实现数字信号的变换。步进电机控制系统的原理框图如图2-1所示。

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电 源 脉冲发生器 脉冲分派 功率电路 步进电动机 工作机构 图2-1 步进电动机系统简图

依据控制需要，本次设计选择两个90BF001型4相8拍的反响式步进电机。步进电机有关参数如表2-1：

表2-1 90BF001型反响式步进电机的参数

主要技术参数 型号 相数 /( º ) 90BF001 4 /V 80 /(N·m) 频次/(步/s) 2000 质量/kg /mm 频次/(步/s) 8000 方式 4相八拍 步距角 电压 最大静转矩 空载启动 空载运行 分派 外形尺寸（轴径） 电感/(mH) 转子转动惯量 /(10-5 kg·m2) 901459 步进电机原理图如图2-2所示：

图2-2 步进电动机原理图

2.3 微机控制系统的选择

（1）关于步进电动机的开环控制系统，采纳8位单片机ATC51作为控制系统的控制器。该单片机拥有集成度高，靠谱性好，功能强盛，办理速度快，可扩展性强，性价比较高等长处，能够很好的知足任务书给定的有关控制要求。

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（2）要设计一个完好的控制系统，在选择CPU以后，还要设计步进电机机的驱动电路，经过运行程序，单片机与驱动电路一同工作，从而分别驱动XY轴步进电机的正反转。

（3）合理设计电源及开关电路，与步进电动机配套使用。

2.4 X-Y平面画图仪的传动方式

为了保证X-Y平面画图仪拥有必定的传动精度和安稳性，并考虑整体构造的紧凑性要求，采纳滚珠丝杠螺母作为传动副。因为平面画图仪的运动零件重量和工作载荷不大，应采纳转动直线导轨副，从而减小平面画图仪的摩擦系数，提升其运动的靠谱性和安稳性。

因为步进电机的步距角和滚珠丝杠的导程是按标准选用的，为达到传动要求，并综合考虑步进电机负载般配，决定采纳齿轮减速传动。平面画图仪控制系统整体框图如图2-3所示：

图2-3 平面画图仪控制系统整体框图

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第三章 MCS-51单片机工作原理

3.1 单片机内部构成及引脚功能

3.1.1 单片机的内部构造

MCS-51单片机的构成： CPU(进行运算、控制)、RAM(数据储存器)、ROM(程序储存器）、I/O口(串口、并口）、内部总线 和中止系统等。构成框图以下：

图3-1 MSC-51单片机构造框图

3.1.2 ATC51单片机的主要特征：

·与MCS-51 兼容 ·4K字节可编程闪耀储存器 ·全静态工作：0Hz-24Hz ·寿命：1000次擦/写循环 ·数据的保存时间可达10年 ·128×8位内部RAM ·32可编程I/O线

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·三级程序储存器锁定 ·可编程的串行通道 ·两个16位计数器/准时器 ·闲置和掉电模式低功耗 ·5此中止源

3.1.3 ATC51单片机的引脚功能

本次采纳的ATC51单片机采纳40引脚双列直插式封装（DIP）形式。引脚摆列及逻辑符号如图3-2所示，此中Vcc和Vss引脚因为分别默认接电源和地而被隐蔽。下边分别说明这些引脚的意义和功能。

图3-2 ATC51单片机引脚图

1．电源线 VCC：接+5V电源。 VSS：接电源地。 2．端口线

P0～P3口：4×8=32条。

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（1） P0口（ P0.0～P0.7 ）

P0口是一个8位双向I/O口，它的每跟管脚都可汲取8TTL的门电流。当P1口初次写1的时候，P0口将被定义为高阻态输入。P0可用于外面程序数据储存器，此时它作为数据/地点的第八位。当FIASH进行编程时，P0 口将作为原码输进口；FIASH校验时，P0口作为原码输出口，此时P0口一定拉高的外面。

（2）P1口（P1.0～P1.7）

P1口是一个由单片机内部供应上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外面下拉为低电平常，将输出电流，这是因为内部上拉的缘由。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地点接收。

（3）P2口（P2.0～P2.7）

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并所以作为输入时，P2口的管脚被外面拉低，将输出电流。这是因为内部上拉的缘由。P2口当用于外面程序储存器或16位地点外面数据储存器进行存取时，P2口输出地点的高八位。在给出地点“1”时，它利用内部上拉优势，当对外面八位地点数据储存器进行读写时，P2口输出其特别功能存放器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地点信号和控制信号。

（4）P3口（ P3.0～P3.7 ）

P3口的管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，因为外面下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是因为上拉的缘由。

P3口也可作为ATC51的一些特别功能口使用，各位的作用以下表3-1所示所示：

表3-1 P3各口线的第二功能表

端口

第二功能 RXD TXD 信号名称 串行数据接收口 串行数据发送口 外面中止0恳求输入 8

INT0 基于单片机控制的XY绘图仪系统设计方案

INT1 T0 T1 外面中止1恳求输入 准时器/计数器0的外面输进口 准时器/计数器1的外面输进口 外面RAM写选通讯号 外面RAM读选通讯号 WR RD 3．控制信号引脚

RST：复位输入引脚。当器件被振荡器复位时，一定保持RST引脚有两个机器周期时间的高电平。

ALE/PROG：当单片机接见外面储存器时，地点锁存所同意的输出电平将用来锁存地点的地位字节。在FLASH进行编程时，编程脉冲由此引脚输入。一般状况下，ALE引脚端以恒定的频次周期来输出正向脉冲信号，此时的振荡频次是振荡器振荡频次的1/6。所以，它可作为向外面输出脉冲或用来准时的引脚。但是要注意的是：每当用作外面数据储存器时，将跳过一个ALE脉冲。如想严禁ALE的输出可在SFR8EH地点上置0。此时， ALE只有在履行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。此外，该引脚被稍微拉高。假如微办理器在外面履行状态ALE严禁，置位无效。

PSEN：外面程序储存器的选通讯号。在由外面程序储存器取指时期，每个

机器周期两次/PSEN有效。但在接见外面数据储存器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：当EA保持低电平常，则在此时期外面程序储存器（0000H-FFFFH），不论能否有内部程序储存器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当

EA端保持高电平常，此间内部程序储存器。在FLASH编程时期，此引脚也用于

施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出

3.2 单片机的时钟电路

ATC51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成时钟振荡电

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路，XTAL1为该放大器的输入端、XTAL2为该放大器的输出端，由该放大器构成的振荡电路与和时钟电路一同构成了单片机的时钟方式。依据硬件电路的不一样，单片机的时钟连结方式又可分为内部时钟方式和外面时钟方式。内部时钟方式如图3-3所示，外面时钟方式如图3-4所示。

图3-3 内部时钟方式

图3-4 外面时钟方式

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3.3 单片机的工作方式

MCS-51系列单片机的工作方式可分为：复位方式、程序履行方式、单片履行方式、掉电保护方式、节电工作方式和EPROM编程/校验方式。

复位方式：系统开始运行和从头启动靠复位电路来实现，这种工作方式为复位方式。复位电路有两种：上电自动复位如图3-5所示，上电/按键手动复位如图3-6所示。

图3-5 上电自动复位

图3-6 上电/手动按键复位

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程序履行方式：单片机基本工作方式，可分为连续履行工作方式和单步履行工作方式。

①连续履行工作方式：所有单片机都需要的工作方式。单片机复位后，PC值为0000H，所以单片机复位后立刻转到0000H处履行程序。单片机依据程序预先编排的任务，自动连续地履行下去。

②单步履行工作方式：用户调试程序的一种工作方式，在单片机开发系统上有一专用的单步按键（或软件调试环境）。按一次，单片机就履行一条指令（只是履行一条），这样就能够逐条检查程序，发现问题进行改正。单步履行方式是利用单片机外面中止功能实现的。

节电方式：一种低功耗的工作方式，分为安闲（等候）方式和掉电（停机）方式。是针对CHMOS类芯片而设计的，HMOS型单片机不可以工作在节电方式，但它有一种掉电保护功能。

①HMOS单片机的掉电保护：当VCC忽然掉电时，单片机经过中止将一定保护的数据送入内部RAM，备用电源VPD能够保持内部RAM中的数据不丢掉。

②CHMOS单片机的节电方式：CHMOS型单片机是一种低功耗器件，正常工作时电流为11～22mA，安闲状态时为～5mA，掉电方式为5～50A。它合用于低功耗应用处合，它的安闲方式和掉电方式都是由电源控制存放器PCON中相应的位来控制。

编程和校验方式：用于内部含有EPROM的单片机芯片，一般的单片机开发系统都供应实现这种方式的设施和功能。

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第四章 单片机系统的设计

4.1 硬件配置与接口分派

4.1.1存贮器空间分派

单板机可寻址范围是K字节，板上供应的插座占16K，已插入的芯片占10K，其余以备扩展使用。其存贮空间分派以下。

0000H~07FFH 2KB EPROM 储存监控程序 0800H~0FFFH 2KB EPROM 储存零件加工程序 1000H~17FFH 2KB RAM 调试程序 2000H~27FFH 2KB RAM 测试程序等 4.1.2 I/O口地点分派

单板机设置I/O口地点为80～9FH共32个口地点，分派以下。 80H～83H MCS—51 8031 84H～87H 字形锁存 88H～8BH 字位锁存 8CH～8FH 读键值 90H～9FH 用户使用

4.2 硬件电路的设计

平面画图仪控制系统硬件电路由以下几部分构成： 1、主控制器。即办理单元（CPU）

2、总线。包含数据总线，地点总线，控制总线。

3、储存器。包含只读可编程序储存器和随机读写数据储存器。本次采纳的ATC51芯片内部自带有4K字节可编程的闪耀储存器，故不需再扩展储存器。

4、接口。即I/O输入输出接口。

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平面画图仪控制系统的硬件框图如图4-1所示：

控制对象 图4-1 平面画图仪控制系统的硬件框图

信号变换 输入/输出 I/O接口 外面设施(键盘、显示器、打印机、通讯接口等) 储存器RAM ROM 办理器单元CPU 4.2.1 主控制器CPU的选择

ATC51系列单片机是集中CPU,它有以下特色： 1．靠谱性高。

ATC51能很好的适应工业生产环境，与PC机对比，它拥有更强的抗外界扰乱能力。并且，它的系统软件（如：程序指令，常数，表格等）均固化于ROM中，不易遇到病毒的破坏。信号通道基本上都位于同一个芯片里，运行时，系统靠谱且稳固。

2．便于扩展。

此系列单片机片内有微机正常运行必要具备的零件，其片外还有很多供用户扩展用的（总线，串行和并行输入/输出）管脚，很简单就能构成必定规模且适应要求的微机系统。

3．控制功能较强。

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ATC51单片机拥有丰富控制指令，如：I/O 口逻辑操作指令，位办理指令，条件分支转移指令等。

4．适用性好。

体积小，功耗低，价钱廉价，易于产品化。

综上所述，因为它拥有以上长处，所以本设计采纳ATC51单片机作为主控制芯片。其引脚图如图3-2所示。 4.2.1 步进电机驱动电路的设计

1．采纳ULN2003A芯片构成步进电机的驱动电路。

ULN2003A的构造：ULN2003A是一款大电流、高耐压的达林顿阵列，由七个硅NPN 达林顿管构成。

ULN2003A拥有以下特色：

· ULN2003A 中的每一对达林顿都串连着一个10.5K 的基极电阻，它在5V 的工作电压下，可与CMOS和TTL电路直接连结，能直接办理一些原来需要由标准逻辑缓冲器办理的数据；

· ULN2003A 的工作电流大，工作电压高，其灌电流能够达到500mA，且在关态时能蒙受50V 的电压，输出还可以够在高负载电流的状况下并行运行；

· ULN2003A 采纳DIP—16 或SOP—16 塑料封装； ULN2003A的引脚如图4-2所示。

图4-2 ULN2003A引脚图

2．步进电机的驱动电路如图4-3所示。

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图4-3 步进电机驱动电路

4.3 其余协助电路设计

4.3.1 ATC51的时钟电路单片机的时钟的产生方式

ATC51的时钟电路能够由两种方式产生：外面方式和内部方式。因为内部时钟电路构造简单，无需外面施与时钟信号，故本次设计采纳内部方式。内部时钟方式是利用的芯片内部的振荡电路，详细则是在XTAL1和XTAL2引脚上外接一个准时元件，如图3-3所示。晶体的振荡频次可在1.2～12MHz间任选，耦合电容在5～30PF之间，这种方式对时钟拥有微调作用。 4.3.2 ATC51复位电路

单片机的复位是靠外面电路来实现的，在时钟电路工作后，只需RST引脚上有10ms以上的高电平出现，单片机就能够实现状态复位，而后单片机便从0000H单元开始履行程序。单片机往常采纳上电自动复位和按钮复位两种复位方式。为了尽可能简化电路，本次设计采纳上电自动复位方式，如图3-5所示。 4.3.3 超程报警电路

为了防备平面画图仪超程，可分别在极限地点安装限位开关。关于两坐标联动的平面画图仪控制系统，4个方向都可能超程，即+X、－X、+Y、－Y。当

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某一方向超程时，应立刻使平面画图仪停止挪动。图4-4为报警指示灯电路。为达到报警的成效，要用到中止方式，这里采纳ATC51的外面中止方式，任何一个行程开封闭合（即平面画图仪在某一方向超程），均会产生中止信号。在电路中设置红绿灯作为警告指示信号。正常工作时，绿灯亮；超程报警时，红灯亮。两灯均由一个I/O口输出。

图4-4 报警指示灯电路

4.3.4 掉电保护电路

半导体储存器RAM最怕掉电，一但掉电，则里面储存的信息就会所有丢掉。工业作业现场环境恶劣，掉电是很有可能发生的。平面画图仪控制系统中的一些重要的现场参数，如几何尺寸，工艺参数等都是储存在RAM中的，掉电后，数据将会丢掉。为了使掉电状况下， RAM中的信息能得以保持，就一定设置掉电保护电路。这样，恢复供电后，系统又能立刻运行。图4-5所示的是一种简单掉电保护电路的工作原理，图中V+为电源电压，VB为备用电池电压，并且正常通电时，二极管D1导通，D2截止，V+>VB，Vcc为储存器RAM的电源端，

RAM的工作电压由V+供应，同时，V+还经过电阻R对电池充电。断电后，D1截止，D2导通，此时RAM的工作电压由电池电压由电池VB经二极管D2和电阻R供应，VB值一般取>3V时，储存器就能靠谱的保持信息。

图4-5 掉电保护电路

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4.3.5 光电隔绝电路

在步进电机驱动电路中，脉冲信号经功率放大器后控制步进电机励磁绕组。因为步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，假如功率放大器直接接输出信号，将致使强电扰乱。轻则影响程序的正常工作，重则致使单片机和接口电路的破坏。所以一般在功率放大器与接口电路之间都要接上隔绝电路。

光电隔绝是有光耦合器来达成的。光耦合器是以光为媒介传输信号的器件，其输入端配置发出光源，输出端配置接受光源，因此输入和输出在电气上是完好隔绝的。本设计将会使用开关量电路，所以设计时选择在电路中接入光耦合器，从而使其输入侧与输出侧的信号获得了电气隔绝，互补影响。

1．光耦合器的采纳

本案采纳的是一般的信号隔绝用光耦合器(TLP521-1)，其内部构造形式见图4-6。TLP521-1光耦合器以发光二极管为输入端，光敏晶体管为输出端，能够隔绝频次在100kHz以下的信号，知足我此次设计的要求。

图4-6 TLP521-1光耦合器的内部构造形式图

2．TLP521-1光耦合器的主要参数及工作参数

TLP521-1光耦合器是TOSHIBA企业生产的TLP521系列光耦合器的一种构造形式，表4-1则给出了TLP521系列光耦合器介绍的工作参数，表4-2将给出TLP521系列光耦合器的主要参数。

表4-1 TLP521光耦合器介绍工作参数

参数特征 供电电压 正向电流 集电极电流 工作温度

符号 VCC IF Ic Iopt 最小值 — — — -25 典型值 5 10 1 — 最大值 24 25 10 85 单位 V mA mA ℃ 18

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表4-2 TLP521光耦合器的主要参数

参数名称 正导游通电流 集电极电流 最小电流传输比 最大电流传输比 集电极-发射机反向击穿电压 发射极-集电极反向击穿电压 集电极-发射极饱和压降 响应时间 隔绝电压 符号 IF Ic 单位 mA mA % % V V V μS kV TLP521 50 50 100 600 55 7 2/3 CRTmin CRTmax V（BR）CEO V（BR）ECOVCE(sat） TONtOFFmax VISO 19

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第五章 鉴于PROTEUS的XY平面画图仪运动仿真设计

Proteus简介及仿真界面

1．Proteus软件简介

Proteus是英国Labcenter企业开发的切入式系统仿真软件，组合了高级原理图设计工具ISIS、混淆模式SPICE仿真、PCB设计以及自动布线而形成了一个达成的电子设计系统。它运行与Windows操作系统上，能够仿真、剖析各样模拟和数字电路，并且对PC机的硬件配置要求不高。该软件拥有以下主要特别：

① 实现了单片机仿真和SPICE电路仿实情联合，拥有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外头电路仿真、RS232动向仿真、SPI调式器、键盘和LCD系统仿真的功能。

② 供应了大批的元器件，波及电阻、电容、二极管、三极管、MOS管、变压器、继电器、各样放大器、各样激励源、各样控制器、各样门电路和各样终端等；同时，也供应了很多虚构测试仪器，如电流表、电压表、示波器、逻辑剖析仪、信号发生器、准时/计数器等。

③ 支持主流单片机系统的仿真。当前支持的单片机种类有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、Z80系列、HC11系列以及各样外头芯片。

④ 供应软硬件调试功能。同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 Vision2等软件。

⑤ 拥有强盛的原理图编写及原理图后办理功能。

⑥ Proteus VSM虚构系统模型组合了混淆模式的SPICE电路仿真、动向器件和微控制器模型，实现了完好的鉴于微控制器设计的共同仿真，真切使在物理原型出来以前对这种设计的开发和测试成为可能。

2．Proteus仿真界面 如图5-1所示：

20

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图5-1 Proteus ISIS仿真界面

5.2 Keil简介

Keil是美国Keil Software企业开发的，是当前生界上最好的51单片机的汇编和C语言的开发工具。它支持汇编语言、C语言以及混淆编程，同时，它还拥有强盛的模拟仿真功能。在进行模拟仿真时，不需要任何真切的硬件即可实现用户程序的仿真和调试。仿真时，我们会将Keil与Proteus一同使用，充足利用它们各自的模拟仿真功能，使得单片机软硬件调试达到很好的成效。

5-2 Keil软件界面

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5.3 Keil中的程序调试

5-3 平面画图仪控制XY平面画图仪控制程序调试

程序调试成功后，生成.HEX文件，并保存。

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5.4 Proteus仿真系统硬件原理图

在进行仿真前，应先在Proteus ISIS中绘制出整体的电气控制原理图，并认真检查线路能否连通。

本次设计中的平面画图仪控制XY平面画图仪运动控制即是要用单片机控制给X、Y轴传达运动的两个步进电机的转动，包含两个步进电机各自的正反转，以及两轴联动。详细仿真系统硬件原理图如图5-4所示。

图5-4 Proteus仿真系统硬件原理图

5.5 运行调试

在Proteus ISIS中绘制完仿真原理图后，将以前生成的.HEX文件导入到ATC51单片机中，点击“调试”，并“履行”程序。仿真结果以下列图5-5至5-7所示：

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图5-5 运行调试图1—两轴电机同时运行

图5-6 运行调试图2—X轴电机运行

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图5-7 运行调试图3—Y轴电机运行

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设计总结

鉴于单片机的平面画图仪控制XY平面画图仪运动控制设计与虚构仿真测试到这里已靠近结尾了，整个设计过程达成的任务主要有：

1）达成了平面画图仪控制系统整体方案的选择。

2）达成步进电动机的选择。选择型号为90BF001的反响式步进电机。 3）达成整个控制系统的硬件设计。该控制系统式鉴于MSC-51单片机控制的，属于微型计算机。系统的硬件设计采纳的芯片均为市场较为广泛的、性价比较高的芯片，大大降低的系统的设计成本，切合设计任务书的规定要求。

4）达成了C语言程序的编写，并成功调试运行。

5）达成系统的仿真。本系统能够经过Proteus和Keil软件进行仿真，经过该仿真电路图在仿真软件Proteus上实现对步进电动机的控制，步进电机的相应动作。

综上所述，本次设计出的控制系统在实现基本功能要求的基础上，较已有的设计方案来说，控制系统更简单、I/O口的分派上更为的合理，本次设计采纳的ATC51单片机其自配的储存器构造给编程上给予了丰富的编程空间，减少了系统储存器的扩展，从而提升的本设计的优胜性。但是系统不足之处在于，此控制系统实现的是开环控制。若能为旋转编码器设计硬件电路图，并编写调试程序控制电路的运行，即能使系统实现半闭环控制，从而使系统的稳固性和精准性得以提升。除此以外，此系统并未制作成实物，若能经过制作实物，从中必能检测出更多的不足，也能经过实物制作检测系统的适用性，最后使系统靠谱性大大提升。

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致 谢

经过此次设计，让我关于理论知识特别是专业知识有了更深的认识和认识，并能将其进行一次比较全而系统的总结和应用。在设计的过程中，我学会了怎样查阅现有的技术资料、怎样贯通融会、怎样经过改良并加入自己的想法与看法，使之成为自己的东西。进一步增强了我综合剖析解决实质问题和思虑的能力。

在此次设计中，同学之间议论问题，查阅资料，互相帮助，从实质应用出发将设计达成的比较合理且拥有实质的意义。同时，我们也发现了一些问题。比方对知识的运用的娴熟程度还不够，知识范围比较的狭溢，致使在设计中的一些问题没法及时发现和解决。

在此，我向我的指导老师沈华东老师表示衷心的感谢，感谢他的谆谆指导与监察。其次，我还要感谢那些以前赐予我帮助的同学们。

最后，我还要感谢大学里我所有的任课老师，感谢他们为我传道解惑，祝他们在此后的工作生活中幸福美满。

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参照文件

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真[M]．北京：清华大学第一版社．2008

[3] 固高科技．GXY运动控制平面画图仪使用手册，深圳:固高科技股份有限企

业．2005

[4] 孙立香. Proteus和Keil软件在单片机中的应用[J]. 科技资讯, 2009, (36) [5] 汪传建, 刘恩博. Proteus软件在单片机教课过程中的应用[J]. 福建电脑,

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[6] 林宏伟, 胡大斌. 电磁热水器温度控制系统仿真设计[J]. 微型机与应用,

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[7] 楼俊君. 鉴于Proteus和Keil的单片机演奏乐曲的实现[J]. 科技信息, 2010,

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[12] 张晓峰. Proteus软件在单片机系统开发中的应用[J]. 信息与电脑(理论版),

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debugging efforts，Mini／Micro Southwest-84．2003 Computer Conference and Exhibition，2003．44-46

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附 录

附录A 步进电机驱动平面画图仪控制XY轴仿真原理图

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附录B C语言程序设计

//本程序为ATC51单片机控制的XY平面画图仪步进电机正反转 #include

unsigned char keyval; //储藏按键值 unsigned char ID; //储藏功能标号

void delay(void) {

unsigned char i,j; for(i=0;i<150;i++) for(j=0;j<100;j++) ; }

void motor_delay(void) {

unsigned int i; for(i=0;i<5000;i++) ; }

void forward( ) {

30

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P2=0xfc; //P2口低四位脉冲1100 P0=0xfc; //P0口低四位脉冲1100 motor_delay();

P2=0xf6; //P2口低四位脉冲0110 P0=0xf6; //P0口低四位脉冲0110 motor_delay();

P2=0xf3; P0=0xf3; motor_delay();

P2=0xf9; P0=0xf9; motor_delay(); }

void backward() {

P2=0xfc; P0=0xfc; motor_delay();

P2=0xf9; P0=0xf9; motor_delay();

P2=0xf3; P0=0xf3; motor_delay();

P2=0xf6; P0=0xf6; motor_delay(); }

void stop(void)

//P2口低四位脉冲0011 //P0口低四位脉冲0011 //P2口低四位脉冲1001 //P0口低四位脉冲1001 //P2口低四位脉冲1100 //P2口低四位脉冲1001 //P2口低四位脉冲0011 //P2口低四位脉冲0110 31

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{

P2=0xff ; //停止输出脉冲 P0=0xff ; }

void forward1( ) {

P0=0xfc; P2=0xff; motor_delay();

P0=0xf6; P2=0xff; motor_delay();

P0=0xf3; P2=0xff; motor_delay();

P0=0xf9; P2=0xff; motor_delay(); }

void backward1() {

P0=0xfc; P2=0xff; motor_delay();

P0=0xf9; P2=0xff; motor_delay();

//P0口低四位脉冲1100 //P0口低四位脉冲0110 //P0口低四位脉冲0011 //P0口低四位脉冲1001 //P0口低四位脉冲1100 //P0口低四位脉冲1001 32

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P0=0xf3; //P0口低四位脉冲0011 P2=0xff; motor_delay();

P0=0xf6; //P0口低四位脉冲0110 P2=0xff; motor_delay(); }

void forward2( ) {

P2=0xfc; P0=0xff; motor_delay();

P2=0xf6; P0=0xff; motor_delay();

P2=0xf3; P0=0xff; motor_delay();

P2=0xf9; P0=0xff; motor_delay(); }

void backward2() {

P2=0xfc; P0=0xff; motor_delay();

P2=0xf9; //P2口低四位脉冲1100 //P2口低四位脉冲0110 //P2口低四位脉冲0011 //P2口低四位脉冲1001 //P2口低四位脉冲1100 //P2口低四位脉冲1001

33

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P0=0xff; motor_delay();

P2=0xf3; //P2口低四位脉冲0011 P0=0xff; motor_delay();

P2=0xf6; //P2口低四位脉冲0110 P0=0xff; motor_delay(); }

void main(void) {

TMOD=0x01; EA=1; ET0=1; TR0=1; TH0=(65536-500)/256; 发送一次中止恳求

TL0=(65536-500)%6; keyval=0; ID=0; while(1) {

switch(keyval) {

case 1:forward(); break;

case 2:backward(); break;

case 3:stop(); //使用准时器T0的模式1 //开总中止

//准时器T0中止同意 //启动准时器T0

//准时器T0赋初值，每计数200次（217微秒）//准时器T0赋初值

//按键值初始化为0，什么也不做 //依据按键值keyval选择待履行的功能 34

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break;

case 4:forward1(); break;

case 5:backward1(); break;

case 6:forward2(); break;

case 7:backward2(); break; } } }

void Time0_serve(void) interrupt 1 using 1 {

TR0=0; //封闭准时器T0 if((P1&0xff)!=0xff) //第一次检测到有键按下 {

delay(); //延时一段时间再去检测 if((P1&0xff)!=0xff) //的确有键按下 {

if(S1==0) //按键S1被按下 keyval=1;

if(S2==0) //按键S2被按下 keyval=2;

if(S3==0) //按键S3被按下 keyval=3;

if(S4==0) //按键S4被按下 keyval=4;

if(S5==0) //按键S5被按下 keyval=5;

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if(S6==0) //按键S6被按下 keyval=6;

if(S7==0) //按键S7被按下 keyval=7; } }

TH0=(65536-200)/256; TL0=(65536-200)%6; TR0=1; }

//准时器T0的高8位赋初值 //准时器T0的低8位赋初值 //启动准时器T0 36