1、微型計算機控制技術課程設計報告課題名稱：逐點比較插補原理的實現姓 名： 章洪高 班 級： 自動化2班 學 號： 201320150211 指導老師： 徐猛華 東華理工大學機械與電子工程學院2016年6月目 錄1設計任務及要求12方案設計及認證13硬件設計原理33.1硬件結構33.2硬件電路圖53.3硬件原理54軟件系統84.1軟件思想84.2流程圖94.3源程序115調試記錄及結果分析115.1仿真界面設置115.2調試記錄125.3結果分析146心得體會157 參考資料16附錄：161設計任務及要求設計一個計算機控制步進電機系統，該系統利用單片機的I/O口輸出控制信號，其信號驅動控制X、Y兩

2、個方向的三相步進電機轉動，利用逐點比較法插補繪制出如下曲線。圖1-1 第一象限逆圓弧課程設計的主要任務: 1）在顯示器上顯示任意四位十進制數；a、定義鍵盤按鍵：10個為數字鍵09；6個功能鍵：設置SET、清零CLR、確認、開始START、暫停、停止；b、顯示器上第一位顯示次數，后三位顯示每次行走的角度；c、通過鍵盤的按鍵，設置X、Y軸插補的起始值；按START鍵啟動步進電機開始轉動，按SET鍵進行數據設置、按CLR鍵清零。2）設計硬件系統，畫出電路原理框圖（要求規范）；3）定義步進電機轉動的控制字；（不設計步進電機驅動電路與驅動程序）。4）推導出用逐點比較法插補繪制出下面曲線的算法；5）編寫算

3、法控制程序線；6）撰寫設計說明書。2方案設計及認證本次課程設計內容為設計一個單片機控制步進電機系統，該系統利用單片機的I/O口輸出控制信號，其信號驅動后控制X、Y兩個方向的三相步進電機轉動，利用逐點比較法插補繪制出第一象限逆圓弧。第一象限逆弧如圖2-1所示。圖2-1 第一象限逆圓弧針對以上設計要求，采用單片機控制步進電機進行逐步逼近插補。硬件方面，在顯示器上顯示任意四位數，可采用LCD1602顯示，第一位顯示次數，即在插補過程中每走一步步數加1在第一位顯示出來10個數字鍵采用矩陣鍵盤，用矩陣鍵盤掃描的方式判斷哪個鍵按下，以此來設定X,Y的初始坐標。用獨立鍵盤做其功能鍵，K1用作設置初始坐標，K

4、2坐標清零，K3插補啟動，K4插補暫停，K5停止。主控制器采用STC90單片機做控制，硬件簡單，控制方便。插補算法-逐點比較法是以階梯折線來逼近直線或圓弧等曲線，它與規定的加工直線或圓弧之間的最大誤差為一個脈沖當量，因此只要把脈沖當量（每走一步的距離即步長）取得足夠小，就可以達到精度的要求。以下為課程設計要求插補的第一象限逆圓弧。圖2-1為第一象限逆圓弧。單片機程序軟件的設計主要有矩陣鍵盤和獨立鍵盤掃描程序的設計，人機交互界面采用1602液晶做菜單顯示器，設計到顯示菜單程序的編寫。調試及其結果分析，其中包括界面設置，調試記錄以及結果分析三個方面，對軟件程序進行調試和完善，實現步進電機插補原理。

5、3硬件設計原理3.1硬件結構步進電機通過51單片機進行控制，進而進行數模轉換，由伺服電機驅動電路驅動伺服電機，帶動工作臺進行逐步比較插補，逐步逼近給定軌跡。流程如圖3.1所示。圖3-1 開環數字程序控制單片機步進電機工作臺步進電機驅動電路隨著集成電路技術的發展，開環數字程序控制得到了廣泛的應用，如各類數控機床、線切割機低速小型數字繪圖儀等，它們都是利用開環數字程序控制原理實現控制的設備。其結構亦如圖3-1所示。這種結構沒有反饋檢測元件，工作臺由步進電機驅動。步進電機接收驅動電路發來的指令作相應的運動，把刀具移動到與指令脈沖相當的位置，至于刀具是否到達了指令脈沖規定的位置，它不作任何檢查，因此這

6、種控制的可靠性和精度基本上由步進電機和傳動裝置來決定。圖3-2為兩臺三相步進電機控制接口示意圖，選定由單片機的P2.0、P2.1、P2.2通過驅動電路來控制x軸步進電機，由P2.3、P2.4、P2.5通過驅動電路來控制y軸步進電機，并假定數據輸出為“1”時，相應的繞組通電；數據輸出為“0”時，相應繞組斷電。51單片機P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5驅 動電 路驅 動電 路X軸步進電機Y軸步進電機圖3-2 兩臺三相步進電機控制接口示意圖步進電機是機電控制中一種常用的執行機構，它的用途是將電脈沖轉化為角位移，通俗地說：當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動

7、一個固定的角度（及步進角）。通過控制脈沖個數即可以控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。以下為步進電機三相六拍工作方式，其輸出字表如表3-1。 表3-1 步進電機三相六拍工作方式輸出字表x軸步進電機輸出字表Y軸步進電機輸出字表存儲地址標號P3口輸出字存儲地址標號P3口輸出字ADX10000000101HADY10000100008HADX20000001103HADY20001100018HADX30000001002HADY3000100010HADX40000011006HADY40011000030HADX500000

8、10004HADY5001000020HADX60000010105HADY60010100028H3.2硬件電路圖圖3-3硬件電路原理圖3.3硬件原理本次課程設計內容為設計一個51單片機控制步進電機系統，該系統利用單片機機的I/O口輸出控制信號，其信號驅動后控制X、Y兩個方向的三相步進電機轉動，利用逐點比較法插補繪制出第一象限逆圓弧。、逐點比較法是以階梯折線來逼近直線或圓弧等曲線，它與規定的加工直線或圓弧之間的最大誤差為一個脈沖當量，因此只要把脈沖當量（每走一步的距離即步長）取得足夠小，就可以達到精度的要求。以下為課程設計要求插補的第一象限逆圓弧。圖3-4為第一象限逆圓弧。M(Xm,Ym)A

9、(Xo,Yo)B(Xe,Ye)圖3-4 第一象限逆圓弧以下就以第一象限為例進行分析。（1） 偏差計算公式設要加工逆圓弧AB，圓心在原點，起點坐標A(x0,Y0),終點坐標(xe,Ye),半徑R。瞬時加工點M(xm,Ym)，它距圓心Rm，則可用R與Rm來反映偏差。由圖3-2可知:由此定義偏差公式為：若Fm0，M點在圓弧上；若Fm0，M點在圓弧外；若Fm0，M點在圓弧內。第一象限逆圓弧的插補原理是：從圓弧起點出發，若Fm>0，沿-X方向走一步，并計算新偏差；當Fm<0時，沿+Y方向走一步,并計算新偏差。如此一步一步計算與進給，并在到達終點時停止計算。但以上Fm計算式比較復雜，可以考慮用

10、遞推公式：(Xm和Ym均取絕對值運算) 當Fm0時，Xm+1Xm-1 Ym+1Ym Fm+1Fm-2Xm+1當Fm0時，Xm+1Xm Ym+1Ym+1 Fm+1Fm+2Ym+1（2）終點判斷方法 設置Nx,NY兩個計數器，初值設為|Xe-Xo|,|Ye-Yo|在不同的坐標軸進給時對應的計數器減一，兩個計數器均減到零時，到達終點。 用一個計數器NxY ，初值設為Nx+NY,無論在哪個坐標軸進給，Nxy 計數器減一，計數器減到零時，到達終點。(3) 插補計算過程圓弧插補計算比直線插補計算過程要多一個環節，即要計算加工瞬時坐標。故圓弧插補計算為五個步驟即偏差判斷、坐標進給、偏差計算、坐標計算、終點判

11、斷。通過以上的分析計算，可以得出以下四個象限的順圓弧（SR）和逆圓弧（NR）的圓弧插補計算公式和進給方向。其插補進算公式及其進給方向如表3-2所示。表3-2 圓弧插補計算公式和進給方向偏 差圓弧種類進給方向偏差計算坐標計算Fm0SR1、NR2-YFm+1Fm-2Ym+1Xm+1XmYm+1Ym-1SR3、NR4+YNR1、SR4-xFm+1Fm-2Xm+1Xm+1Xm-1Ym+1YmNR3、SR2+xFm<0SR1、NR4+xFm+1Fm+2Xm+1Xm+1Xm+1Ym+1YmSR3、NR2-xNR1、SR2+YFm+1Fm+2Ym+1Xm+1XmYm+1Ym+1NR3、SR4-Y由于本

12、次課程設計的設計要求為第一象限逆圓弧，以逆圓弧為例分析，通過以上計算結果分析，通過繪圖，的出相應四個象限圓弧插補的對稱關系。以下為四個象限圓弧插補的對稱關系，當Fm大于等于零或者小于零時，分別對應的偏差判別，偏差計算，進給方向，坐標計算等等。以下為根據表3-2得出的相應四個象限的插補對應關系，從圖中可以推出其對應的具體進給方向，如圖3-4所示。Fm0Fm0Fm0Fm0Fm<0Fm<0Fm<0Fm<0YX圖3-5 四個象限逆圓弧插補的對稱關系4軟件系統4.1軟件思想本次課程設計圓弧插補控制系統實時調試采用51單片機做主控制器，使用矩陣鍵盤、獨立鍵盤和1602液晶達到人機交

13、互、坐標輸入和插補信息實時顯示的目的，軟件的設計制作包括如下幾方面：1. 矩陣鍵盤掃描和鍵值顯示函數2. 獨立鍵盤掃描和坐標設置及插補信息顯示菜單函數3. 插補計算函數。4. 步進電機驅動運行函數。4.2流程圖主程序的流程圖如下：初始化 1602菜單顯示 檢測是否有按鍵按下 N調用相應功能子程序Y· 按鍵子程序如下： 有功能按鍵按下 K1按下 K3鍵按下坐標清零 K2按下設置插補的起止坐標 Y Y調用程序啟動插補(并啟動坐標轉換算法) Y 插補是否完成 退出 Y退出YN N第四象限第一象限 偏差 FM<0 偏差 FM>=0 N NYY x軸進給x(m+1)=xm+1Y軸進

14、給y(m+1)=ym+1x軸進給x(m+1)=xm-1Y軸進給y(m+1)=ym-1 Y K4按下 N 插補暫停 K5按下Y插補停止圖3-6下位機調試軟件設計流程圖4.3源程序如附錄所示5調試記錄及結果分析5.1硬件調試界面設置1602液晶顯示界面設置KEY1按鍵設置起始點坐標，KEY2清零起始點坐標和鍵值。圖5-1 坐標輸入界面設置5.2調試記錄插補過程信息顯示調試實驗說明: KEY1按鍵設置起始點坐標，KEY2清零起始點坐標和鍵值，KEY3插補開始按鍵，KEY4插補暫停,KEY5插補停止。圖5-3 通過設置鍵設置起點和終點坐標并實時顯示在1602液晶屏上圖5-2 插補信息和進給方向實時顯示

15、在液晶屏上5.3結果分析通過以上界面設置，通過相應參數輸入，首先進行起點坐標輸入，包括起點x軸坐標輸入及其y軸坐標輸入，進而進行終點坐標輸入，其中包括終點x軸坐標輸入及其y軸坐標輸入。進而進行圓弧插補計算并顯示進給方向。以上圖5-2所示步進電機插補過程調試，在插補中實現起點坐標為（2 ，1），終點坐標為（2 ，5）的圓弧插補。最終經1602液晶屏顯示插補信息得，進給方向依次為+Y,+X,+X,+Y,+Y,-X,+Y,-X。下面再理論分析進給方向是否正確：根據步進電機插補原理，偏差判別是為：該圓弧為第一象限圓弧，第一象限圓弧插補Fm判別式，有如下關系：1.當Fm0時，Xm+1Xm-1 Ym+1Y

16、m Fm+1Fm-2Xm+12.當Fm0時，Xm+1Xm Ym+1Ym+1 Fm+1Fm+2Ym+1由起點及其終點，可得終點判斷Nxy=8，另外令圓心（2 ，3）為新建坐標系原點，可得一下圓弧插補過程，如表5-1所示。表5-1 圓弧插補計算過程步數偏差判別坐標進給象限判斷坐標計算偏差計算終點判斷起點 X00,Y0|-2|F00Nxy81Fo0+Y四Y1Y0-11,X10F1F0-2Y0+1-3Nxy72F1-10+X四X2X1+1=1,Y21F2F1+2X1+1-2Nxy63F2-20+X四X3X2+1=2,Y31F3F2+2X2+11Nxy54F31>0+Y四X42,Y4Y3-10F4

17、F3-2Y3+10Nxy45F40+Y一X52,Y5Y4+1=1F5F4-2Y4+11Nxy36F51>0-X一X6X5-1=1,Y61F6F5-2X5+1-2Nxy27F6-2<0+Y一X71,Y7Y6+1=2F7F6+2Y6+11Nxy18F71>0-X一X8X7-1=0,Y82F8F7-2X7+10Nxy0根據以上圓弧插補過程和進給方向，可知單片機實現的圓弧插補控制系統實現了完整并且正確的圓弧插補過程。6心得體會微機控制原理技術是一門綜合性的課程，任何一個計算機系統都是一個復雜的整體，學習微機控制原理是要涉及到整體的每一部分。通過討論其控制原理時又要涉及到各部件之間控制

18、的工作原理，不僅較深入理解計算機控制的工作原理。所以，在循序漸進的課堂教學過程中，我有時候會處于“學會了一些新知識，弄清了一些原來保留的問題，又出現了一些新問題”的循環中，直到課程結束時，才把保留的問題基本搞清楚。學習該門課程知識時，其思維方法也和其它課程不同，該課程偏重于工程思維，具體地說，在了解了微機基本原理的同時，必須學會各種控制技術的應用，其創造性勞動在于如何用計算機的有關技術實現計算機的控制，設計實用的電路和系統，再配上相應的應用程序，完成各種控制應用項目。這次課程設計并不是很難，主要的困難來自對單片機按鍵程序的處理和1602菜單顯示界面的設計。功夫不負有心人，經過團隊中2個人的合作

19、和努力，最后對實驗的原理有了更清晰的認識。雖然設計中并的功能并不是十分完善，但是就系統功能來說，基本完成了課程設計要求。但是通過平時課程的學習，又通過本次課程設計對它的再一次認真努力學習和操作，鞏固了該門課程的知識和應用，對我們以后的學習也會有幫助的。本次還遇到一個困難，便是對于上位機開發VB使用的不熟悉。對于VB的應用，僅僅限于大學一年級的簡單學習，這次課程設計中對于步進電機的軟件仿真，VB中的很多不懂的地方，通過看書學習和向同學請教，實現了圓弧插補的上位機仿真軟件設計。本次課程設計的過程中，對于VB的再一次重溫和理解，相信對于今后的學習也有很大的幫助。至于下位機(單片機)調試的過程中花了很

20、多時間，由于本課程涉及到很多按鍵，又有很多顯示內容，所以在硬件的選型上就花費了一些時間，后期的按鍵和1602顯示程序的調試也花費了不少功夫才把顯示菜單和按鍵功能的程序調試出來。總之，這次課程設計對于我們有很大的幫助，通過課程設計，我更加深入地理解了，微機控制原理課程上講到的各種控制技術， 本次設計尤其深入了對步進電機插補原理的理解，熟悉了VB程序的編寫過程和51單片機人機界面程序的編寫、運行過程，最后還提高了自己的動手能力。7 參考資料1鄭學堅，周斌 微型計算機原理與應用 清華大學出版社2于海生 微型計算機控制技術 清華大學出版社3沈美明，溫冬嬋 IBM-PC匯編語言程序設計 清華大學出版社

21、4何立民 單片機應用系統設計 北京航空航天大學出版社附錄：附件一下位機調試(單片機)主程序清單/* * 東華理工大學-* 實 驗 名 : 逐點比較插補控制1602顯示* 實驗說明 : KEY1按鍵設置起始點坐標，KEY2清零起始點坐標和鍵值，KEY3插補開始按鍵，KEY4插補暫停* 連接方式 : 見連接圖* 注 意 : */* * 東華理工大學-* 實 驗 名 : 逐點比較插補控制1602顯示* 實驗說明 : KEY1按鍵設置起始點坐標，KEY2清零起始點坐標和鍵值，KEY3插補開始按鍵，KEY4插補暫停* 連接方式 : 見連接圖* 注 意 : */#include<reg51.h>

22、;#include"lcd.h"#include"math.h"/-定義使用的IO口-/#define GPIO_KEY P1sbit K1=P20;/設置起始點坐標按鍵sbit K2=P21;/坐標清零按鍵sbit K3=P22;/插補開始按鍵sbit K4=P23;/插補暫停按鍵sbit K5=P24;/插補停止按鍵/-定義全局變量-/unsigned char R;/圓弧半徑設置為變量unsigned char PuZh13="key value is:"unsigned char PuZi16="S: X0Y0 E:

23、 X0Y0"unsigned char PuZj16="Times : "unsigned char KeyValue,STx,STy,EDx,EDy;/鍵值變量,起始坐標和終點坐標變量設置unsigned char flag=0,flag_Chabu;/用來存放讀取到的鍵值unsigned char k1num=0;/存放按鍵K1按下的次數,初始化為0/-聲明全局函數-/void NumberKeyScan(void);/(數字)矩陣按鍵掃描函數void MenuKeyScan(void);/(菜單)獨立按鍵掃描函數void Delay10ms(unsigned

24、 int c); /10毫秒延時函數,誤差 0usvoid MotorStart(void);/插補顯示控制函數void BanyuanChabu_Count(unsigned char STx,unsigned char STy,unsigned char EDx,unsigned char EDy);/插補計算函數/* 函 數 名 : main* 函數功能 : 主函數* 輸 入 : 無* 輸 出 : 無*/void main(void)unsigned char i;LcdInit();LcdWriteCom(0x80);for(i=0; i<12; i+)LcdWriteData(

25、PuZhi);LcdWriteCom(0x80+0x40);for(i=0;i<15;i+)LcdWriteData(PuZii);while(1)NumberKeyScan();/按鍵鍵值掃描計算函數MenuKeyScan();/菜單按鍵掃描函數/* 函 數 名 : NumberKeyScan* 函數功能 : 檢測有按鍵按下并讀取鍵值* 輸 入 : 無* 輸 出 : 無*/void NumberKeyScan(void)unsigned char i=0;char a = 0;GPIO_KEY=0x0f;if(GPIO_KEY!=0x0f)/讀取按鍵是否按下Delay10ms(1);/

26、延時10ms進行消抖if(GPIO_KEY!=0x0f)/再次檢測鍵盤是否按下/測試列GPIO_KEY=0X0F;switch(GPIO_KEY)case(0X07):KeyValue=0;break;case(0X0b):KeyValue=4;break;case(0X0d): KeyValue=8;break;case(0X0e):KeyValue=12;break;/測試行GPIO_KEY=0XF0;switch(GPIO_KEY)case(0X70):KeyValue=KeyValue+3;break;case(0Xb0):KeyValue=KeyValue+2;break;case(

27、0Xd0): KeyValue=KeyValue+1;break;case(0Xe0):KeyValue=KeyValue;break;while(a<50) && (GPIO_KEY!=0xf0) /檢測按鍵松手檢測Delay10ms(1);a+;if(flag=0)LcdWriteCom(0x80+13);/設置鍵值顯示坐標if(KeyValue < 10) LcdWriteData('0' + KeyValue);elseLcdWriteData('7' + KeyValue); /A的ASCII碼的前10位是7，所以用7做基數

28、void MenuKeyScan(void)unsigned char i=0;if(K3=0)Delay10ms(1);if(K3=0)/確認插補開始鍵按下while(!K3);/按鍵釋放flag_Chabu=0;/插補停止標志位清零LcdWriteCom(0x01);flag=1;MotorStart();if(K2=0)Delay10ms(1);if(K2=0)/確認清零鍵按下while(!K2);/按鍵釋放KeyValue=0;LcdWriteCom(0x80+0x40+4);/LcdWriteCom(0x0f);STx=KeyValue;/起點坐標X值清零LcdWriteData(&

29、#39;0' + STx);LcdWriteCom(0x80+0x40+6);STy=KeyValue;/起點坐標Y值清零LcdWriteData('0' + STy);LcdWriteCom(0x80+0x40+12);EDx=KeyValue;/終點坐標X值清零LcdWriteData('0' + EDx);LcdWriteCom(0x80+0x40+14);EDy=KeyValue;/終點坐標Y值清零LcdWriteData('0' + EDy); if(K1=0)Delay10ms(1);if(K1=0)/LcdWriteCom(

30、0x01);k1num+;/設置鍵按下次數記錄while(!K1);/釋放確認if(flag=1)LcdWriteCom(0x01);LcdWriteCom(0x80);for(i=0; i<12; i+)LcdWriteData(PuZhi);LcdWriteCom(0x80+0x40);for(i=0;i<15;i+)LcdWriteData(PuZii);flag=0;/插補計算標志位清0if(k1num=1)/起始點X坐標設置LcdWriteCom(0x80+0x40+4);/LcdWriteCom(0x0f);STx=KeyValue;LcdWriteData('

31、0' + STx);if(k1num=2)/起始點y坐標設置LcdWriteCom(0x80+0x40+6);STy=KeyValue;LcdWriteData('0' + STy);/LcdWriteCom(0x0f);if(k1num=3)/終點x坐標設置LcdWriteCom(0x80+0x40+12);EDx=KeyValue;LcdWriteData('0' + EDx);/LcdWriteCom(0x0f);if(k1num=4)/終點y坐標設置LcdWriteCom(0x80+0x40+14);EDy=KeyValue;LcdWriteDa

32、ta('0' + EDy);/LcdWriteCom(0x0f);if(k1num=5)k1num=0;/設置按鍵按下次數清零LcdWriteCom(0x0c);/取消光標閃爍/* 函 數 名 : Delay10ms* 函數功能 : 延時函數，延時10ms* 輸 入 : 無* 輸 出 : 無*/void Delay10ms(unsigned int c) /誤差 0us unsigned char a, b;/-c已經在傳遞過來的時候已經賦值了，所以在for語句第一句就不用賦值了-/ for (;c>0;c-)for (b=38;b>0;b-)for (a=130;

33、a>0;a-); /* 函 數 名 : MotorStart* 函數功能 : 電機開始運行函數，顯示每次進給方向* 輸 入 : 無* 輸 出 : 無*/void MotorStart(void)unsigned int i=0;/unsigned char i_shi,i_ge,angle_bai,angle_shi,angle_ge;LcdWriteCom(0x80);/設置插補菜單顯示起始坐標for(i=0; i<11; i+)LcdWriteData(PuZji);BanyuanChabu_Count(STx,STy,EDx,EDy);Delay10ms(100);/* 函

34、數 名 : Chabu_Count* 函數功能 : 原(工件)坐標第一象限半逆圓弧插補算法函數* 輸 入 : STx,STy,EDx,EDy* 輸 出 : 無*/void BanyuanChabu_Count(unsigned char STx,unsigned char STy,unsigned char EDx,unsigned char EDy)/原(工件)坐標第一象限半逆圓弧插補算法char Xm,Ym,N,i=0;char flag_Chabu=0;char Fm;char New_STy,New_EDy,New_STx=0,New_EDx=0;/設置坐標變換后的起始和終點Y坐標值和

35、X坐標值R=(EDy-STy)/2;New_STy=-R;/計算起點坐標變換后的Y坐標值New_EDy=R;/計算終點坐標變換后的Y坐標值Xm=0,Ym=New_STy;N=4*R;while(Xm!=New_EDx|Ym!=New_EDy)for(i=0;i<N;i+)if(flag_Chabu=1)break;if(K4=0)Delay10ms(1);if(K4=0)/確定插補暫停鍵按下while(!K4);while(1)if(K3=0)break;if(K5=0)Delay10ms(1);if(K5=0)/確定插補停止鍵按下/while(!K5); flag_Chabu=1;while(1)i=0;Xm=New_STx;Y