基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计

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1、北京理工大学珠海学院2010届毕业设计基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计 插补部分摘 要本设计研究的课题主要是基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计插补部分设计。在系统程序设计上运用逐点比较法使步进电机实现单坐标定位、两坐标直线插补和圆弧插补的基本功能；在此功能基础上通过建立象限判别程序，使X-Y工作台达到四象限的工作要求；并编写了代码处理指令，使CPU能够根据读入的指令信息（G代码与X轴和Y轴坐标），分别向X轴和Y轴步进电机输出执行指令所需的控制信号，从而完成指定的工序。该设计选用KeilVision2软件进行程序的编译和调试，在Proteus环境下实现进一步的调试并仿真得出程序的运

2、行结果。此次设计的程序均能在Proteus中的控制系统仿真电路图中仿真通过，仿真时，只需从键盘输入G代码后，步进电机就能通过直线插补和圆弧插补，完成平面轮廓加工。关键字：插补 数控X-Y工作台 步进电机 单片机Design of X-Y 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 o

3、f the design. Procedures used 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

4、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 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 specifie

5、d process. The design of the 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, step

6、per motor can control the table through linear interpolation and circular interpolation to finish plane contour machining.Key words: Interpolation X-Y NC Worktable Stepping Motor MicrocontrollerII目 录摘 要IABSTRACTII前言11X-Y数控工作台设计简介21.1X-Y数控工作台总体方案分析21.2仿真开发环境Proteus简介21.3程序开发环境KeilVision2简介22X-Y数控工作台机

7、械部件功能分析42.1步进电动机的工作原理42.2步进电动机的工作方式43X-Y数控工作台硬件电路分析63.1控制系统微控制器AT89C5263.1.1AT89C52单片机的主要工作特性63.1.2AT89C52单片机的内部结构63.1.3AT89C52单片机的各引脚功能153.2可编程并行接口芯片8255A163.2.18255A的内部结构163.2.28255A的引脚功能173.2.38255A的工作方式183.2.48255A控制字194基于PROTEUS仿真电路分析214.1X-Y数控工作台控制系统仿真电路图214.2X-Y数控工作台控制系统硬件资源及其分配214.3电路模块图分析22

8、4.3.1X-Y向步进电机控制电路分析224.3.2四行四列矩阵式键盘控制电路分析234.3.3X-Y数控工作台显示电路分析244.4程序在仿真电路图中实现的功能255X-Y数控工作台总程序软件设计265.1程序总流程分析265.2Main 函数功能解释265.3逐点比较法的插补原理275.4逐点比较法插补的优点275.5插补总流程分析276X-Y数控工作台快速进给软件设计286.1快速进给程序分析287X-Y数控工作台直线插补软件设计307.1逐点比较法的直线插补的数学原理307.1.1逐点比较法的直线查补的偏差判别机制307.1.2直线插补中的终点判别机制317.1.3直线插补计算过程31

9、7.1.4直线插补中的进给判别机制317.2直线插补程序分析328X-Y数控工作台圆弧插补软件设计348.1逐点比较法的圆弧插补的数学原理348.1.1逐点比较法的圆弧查补的偏差判别机制348.1.2圆弧插补中的终点判别机制358.1.3圆弧插补计算过程358.1.44个象限的圆弧插补358.2顺圆插补程序分析378.3逆圆插补程序分析399X-Y数控工作台代码处理软件设计419.1代码处理程序分析4110X-Y数控工作台象限判别软件设计4310.1象限判断总程序分析4310.2G0与G1情况象限判断程序分析4310.3G2情况象限判断程序分析4510.4G3情况象限判断程序分析4511中断程

10、序设计方法4711.1定时器中断程序解释4711.2外部中断程序解释47结论与展望48参考文献49附录A 总程序:50附录B 文献翻译原文75附录C 文献翻译译文83谢 辞90前言本次毕业设计的选题为基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计插补部分。X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，通常由导轨座、滑动模块、工作平台、滚珠丝杠螺母副，以及步进电机的部件构成。控制系统可选用标准的工业控制计算机，也可设计专用的微机控制系统。本设计用AT89C52组成专用单片机控制系统，从键盘输入G代码后，能通过直线插补和圆弧插补，完成平面轮廓加工。通过正确的运用大学四年学到的知识完成本次毕业设计，可以

11、更好的掌握有关机电一体化系统的设计过程和单片机的编程思想。通过该设计使自身具有一定的系统化编程思想和能力，能够独立完成项目的设计。研究技术路线：1.单片机输入/输出端口；2.单片机的中断系统；3.单片机的定时/计数器；4.C语言顺序与选择结构程序设计；5.C语言循环结构程序设计；6.C语言数据类型运算符、数组、函数、指针的运用与设计；7.C语言程序设计编译预处理；8.在PROTEUS中进行系统的调试与仿真。1 X-Y数控工作台设计简介1.1 X-Y数控工作台总体方案分析总体方案图如图1-1所示：微控制器(MCU)I/O接口电路放大电路执行器件机械传动机 构机械执行机 构图1-1 X-Y数控工作

12、台总体方案图X-Y数控工作台是实现平面X、Y坐标运动的典型关键部件，能够分别沿X向和Y向移动。本次设计的X-Y数控工作台选用的是微机控制系统（AT89C52单片机），在基于AT89C52单片机的原理上设计了一个小型的微机控制系统，运用C51编程将控制信号送到执行器件（X和Y向步进电动机），通过机械传动机构（齿轮减速和丝杆传动），带动机械执行机构（工作台）做X向和Y向的运动；实现四象限单坐标快速定位，双坐标直线、圆弧插补等功能；最终选择通过Proteus与Keil联机对设计的电路以及程序进行仿真、1.2 仿真开发环境Proteus简介Proteus ISIS是美国Labcenter公司开发的电路

13、分析与实物仿真软件。它运行于Windows操作系统上，可以仿真、分析（SPICE）各种模拟器件和集成电路，该软件的特点是： 实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS232动态仿真、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。 支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。 提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试

14、功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如KeilVision2等软件。 具有强大的原理图绘制功能1 李泉溪.单片机原理与应用实例仿真.北京:北京航空航天大学出版社M,2009,第90页.。1.3 程序开发环境KeilVision2简介Vision2是一个标准的Windows应用程序，支持长文件名操作，其界面类似于MS Visual C+，可以再Windows95/98/2000/XP平台上运行，功能十分强大。它支持所有的KEIL8051工具，包括C编译器、宏汇编器、连接/定位器、目标代码到HEX的转换器。

15、采用Keil C51开发8051单片机应用程序一般需要以下步骤： 在Vision2集成开发环境中创建一个新项目文件（Project），并为该项目选定合适的单片机CPU器件。 利用Vision2的文件编辑器编写C语言（或汇编语言）源程序文件，并将文件添加到项目中去。一个项目可以包含多个文件，除源程序文件外还可以有库文件或文本说明文件。 通过Vision2的各种选项，配置51编译器、A51宏编译器、BL51连接定位器以及Debug调试器的功能。 利用Vision2的构造（Build）工功能对项目中的源程序文件进行编译连接，生成绝对目标代码和可选的HEX文件。如果出现编译连接错误则返回第2步，修改源程序中的错误后重新构造整个项目。