基于單片機控制的數控XY工作臺系統(tǒng)設計摘要在系統(tǒng)控制電路設計上，CPU采用的是AT89C51單片機。采用90BF001型4相8拍的反響式步進電機作為驅動XY平臺的伺服電機，用ULN2004A來驅動，并確定了XY工作臺的傳動方式。單片機的復位方式為上電自動復位，時鐘電路為內部時鐘方式。在CPU及外圍電路芯片的選擇上，以盡量節(jié)省I/O口、性價比擬高、技術成熟以及市場上通用芯片為基準，因而控制系統(tǒng)電路的結構簡單，性能更優(yōu)越。程序編寫完成后，在Keil軟件進行編譯和調試，并在Proteus環(huán)境中實現程序及電路的仿真。關鍵字：XY工作臺單片機微控制器Proteus仿真IABSTRACTThisisadesignofmicrocomputer-basedCNCXYplatformmotioncontrolsystemanditsvirtualsimulation.Inthecontrolcircuitdesign,usedanAT89C51microcontrollerforCPU.Usingthefourphaseeightreactivesteppingmotor90BF001asservomotordrivestheXYplatform,andtheyweredrivenbyULN2004A,andwealsodeterminedthetransmissionwaystheXYplatform.Chippower-onresetmodeisautomaticallyreset,clockcircuitfortheinternalclockmode.OnthechooseofCPUandtheperipheralcircuitchip,followingnextprinciples:savetheI/Omouthaspossible,highperformancewithlowcost,maturetechnologyandgeneralchiponthemarket.Sothestructureofthecontrolsystemcircuitissimple,anditsperformanceissuperior.Afterthecompletionoftheprogramwritten,programswerecompiledanddebuggedinKeil,andtoachievethesimulationofprogramandcircuitinProteusenvironment.Keywords:XYplatformChip-SingleMicrocomputerMicrocontrollerProteussimulationII目錄第一章緒論.......................................................11.1課題設計研究背景.............................................11.2研究的內容...................................................11.3畢業(yè)設計的目的、意義.........................................2第二章數控系統(tǒng)的總體方案.........................................32.1數控系統(tǒng)的控制方式...........................................32.2伺服系統(tǒng)及電機的選擇.........................................32.3微機控制系統(tǒng)的選擇...........................................42.4X-Y工作臺的傳動方式..........................................5第三章MCS-51單片機工作原理......................................63.1單片機內部組成及引腳功能.....................................63.1.1單片機的內部結構.........................................63.1.2AT89C51單片機的主要特性：................................63.1.3AT89C51單片機的引腳功能..................................73.2單片機的時鐘電路.............................................93.3單片機的工作方式............................................11第四章單片機系統(tǒng)的設計..........................................134.1硬件配置與接口分配..........................................134.1.1存貯器空間分配...........................................134.1.2I/O口地址分配...........................................134.2硬件電路的設計..............................................134.2.1主控制器CPU的選擇......................................144.2.1步進電機驅動電路的設計..................................154.3其他輔助電路設計............................................164.3.1AT89C51的時鐘電路單片機的時鐘的產生方式.................164.3.2AT89C51復位電路.........................................164.3.3超程報警電路............................................164.3.4掉電保護電路............................................174.3.5光電隔離電路............................................18第五章基于PROTEUS的XY平臺運動仿真設計.........................205.1PROTEUS簡介及仿真界面........................................205.2KEIL簡介.....................................................215.3KEIL中的程序調試.............................................225.4PROTEUS仿真系統(tǒng)硬件原理圖....................................235.5運行調試....................................................23設計總結..........................................................26致謝............................................................27參考文獻..........................................................28附錄............................................................29附錄A步進電機驅動數控XY軸仿真原理圖..........................29附錄BC語言程序設計............................................30第一章緒論1.1課題設計研究背景隨著現代信息技術的進步，制造業(yè)得到了快速開展，促使機械加工技術發(fā)生深刻的變化，企業(yè)不僅追求高效率的生產模式，更追求高標準的質量要求，因此要求機械設備的功能越來越強大，其結構及功能隨之也變得更復雜。所以，能夠設計出功能全面、效率高、耐壓性強、加工精度高的機械加工設備是制造業(yè)中最重要的課題之一。我們此次研究的課題—XY數控工作臺屬于高精密加工的核心部件，它的傳動部件的定位精度直接影響系統(tǒng)的加工精度。XY數控工作臺是許多機電一體化設備的根本部件，如數控車床的縱—橫向進刀機構、數控銑床和數控鉆床的XY工作臺、激光加工設備的工作臺等。數控工作臺的運動控制精度與加工零件的精度直接相關，傳統(tǒng)的人工控制已無法滿足要求，因而采用微機控制系統(tǒng)來實現精確的運動控制。本設計采用單片機來實現程序化的運動控制，此為驗證性設計，通過對控制系統(tǒng)的設計，掌握一些典型硬件電路的設計方法和人機接口軟件的設計思路，并通過Proteus軟件進行仿真實驗。1.2研究的內容X-Y數控工作臺是許多機電一體化設備的根本部件，通常由導軌座、滑動模塊、工作平臺、滾珠絲杠螺母副，以及步進電機等部件構成。控制系統(tǒng)可選用標準的工業(yè)控制計算機，也可設計專用的微機控制系統(tǒng)。本設計用AT89C51組成專用單片機控制系統(tǒng)，來控制步進電機的正反轉，進而控制X-Y數控工作臺沿X軸、Y軸運動。設計要求完成整個控制系統(tǒng)的硬件設計和完成整個控制系統(tǒng)的人機接口軟件設計，通過Keil編譯和調試程序，并最終在Proteus軟件中仿真。11.3畢業(yè)設計的目的、意義畢業(yè)設計是培養(yǎng)學生設計能力的重要實踐性教學環(huán)節(jié)之一，是綜合運用所學過的機械、電子、自動控制、計算機等知識進行的根本設計訓練。其目的是：能夠正確運用大學期間所學課程的根本理論和相關知識，掌握機電一體化系統(tǒng)〔產品〕的功能構成、特點和設計思想、設計方法，了解設計方案的擬定、比擬、分析和計算，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，使學生具有機電一體化系統(tǒng)設計的初步能力；通過機械局部設計，掌握機電一體化系統(tǒng)典型機械零部件和執(zhí)行元件的計算、選型和結構設計方法和步驟；通過測試及控制系統(tǒng)方案設計，掌握機電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成、工作原理，和軟件編程思想；通過畢業(yè)設計提高學生應用手冊、標準及編寫技術說明書的能力，促進學生在科學態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方而綜合素質的提高。2第二章數控系統(tǒng)的總體方案本次設計中，數控系統(tǒng)總體設計內容包括：數控系統(tǒng)控制方式確實定，伺服系統(tǒng)的選擇，微機控制系統(tǒng)的選擇。2.1數控系統(tǒng)的控制方式本數控系統(tǒng)要求X-Y工作臺沿兩個坐標軸〔±X，±Y〕方向同時具有連續(xù)的精確的運動，兩坐標直線插補與圓弧插補的根本功能，能夠完成平面輪廓的加工，因而采用連續(xù)控制的方式。該方式可對兩個或兩個以上的坐標軸同時進行嚴格連續(xù)控制系統(tǒng)。它不僅能控制移動部件從某一點準確地移動到另一點，而且還能控制整個加工過程中的每一點的速度和位移量，進而將零件加工成一定的輪廓形狀。2.2伺服系統(tǒng)及電機的選擇1．伺服系統(tǒng)的選擇本次設計選用開環(huán)伺服系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，無反響部件，不存在由輸出端到輸入端的反響通路，無法反響信息，故而不能及時糾正系統(tǒng)傳動誤差。但是，同閉環(huán)控制系統(tǒng)相比，開環(huán)控制系統(tǒng)的結構要簡單得多，調整維修方便，同時也比擬經濟。在速度和精度要求都不太高，而又要求降低本錢的場合得到廣泛應用。2．步進電機的選擇考慮到經濟性，也不需太高的運動精度，為簡化結構，降低本錢，采用步進電機作為開環(huán)伺服系統(tǒng)的驅動裝置。步進電機是由電脈沖控制的特種電動機。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，對應于每一個電脈沖，電動機將產生一個恒定量的步進運動，即產生一個恒定量的角位移或線位移。步進電機運動步數由脈沖數來決定，運動方向由脈沖相序來決定，在一定時間內轉過的角度或平移的距離由脈沖數決定，借助步進電機可以實現數字信號的變換。步進電機控制系統(tǒng)的原理框圖如圖2-1所示。3圖2-1步進電動機系統(tǒng)簡圖根據控制需要，本次設計選擇兩個90BF001型4相8拍的反響式步進電機。步進電機有關參數如表2-1：表2-190BF001型反響式步進電機的參數步進電機原理圖如圖2-2所示：圖2-2步進電動機原理圖2.3微機控制系統(tǒng)的選擇〔1〕對于步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)，選用8位單片機AT89C51作為控制系統(tǒng)的控制器。該單片機具有集成度高，可靠性好，功能強大，處理速度快，可擴展性強，性價比擬高等優(yōu)點，能夠很好的滿足任務書給定的相關控制要求。4〔2〕要設計一個完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要設計步進電機機的驅動電路，通過運行程序，單片機與驅動電路一起工作，進而分別驅動XY軸步進電機的正反轉?！?〕合理設計電源及開關電路，與步進電動機配套使用。2.4X-Y工作臺的傳動方式為了保證X-Y工作臺具有一定的傳動精度和平穩(wěn)性，并考慮總體結構的緊湊性要求，采用滾珠絲杠螺母作為傳動副。由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，應選用滾動直線導軌副，從而減小工作臺的摩擦系數，提高其運動的可靠性和平穩(wěn)性。由于步進電機的步距角和滾珠絲杠的導程是按標準選取的，為到達傳動要求，并綜合考慮步進電機負載匹配，決定采用齒輪減速傳動。數控系統(tǒng)總體框圖如圖2-3所示：圖2-3數控系統(tǒng)總體框圖5第三章MCS-51單片機工作原理3.1單片機內部組成及引腳功能3.1.1單片機的內部結構MCS-51單片機的組成：CPU(進行運算、控制)、RAM(數據存儲器)、ROM(程序存儲器〕、I/O口(串口、并口〕、內部總線和中斷系統(tǒng)等。組成框圖如下：圖3-1MSC-51單片機結構框圖3.1.2AT89C51單片機的主要特性：·與MCS-51兼容·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·壽命：1000次擦/寫循環(huán)·數據的保存時間可達10年·128×8位內部RAM·32可編程I/O線6·三級程序存儲器鎖定·可編程的串行通道·兩個16位計數器/定時器·閑置和掉電模式低功耗·5個中斷源3.1.3AT89C51單片機的引腳功能本次選用的AT89C51單片機采用40引腳雙列直插式封裝〔DIP〕形式。引腳排列及邏輯符號如圖3-2所示，其中Vcc和Vss引腳由于分別默認接電源和地而被隱藏。下面分別說明這些引腳的意義和功能。圖3-2AT89C51單片機引腳圖1．電源線VCC：接+5V電源。VSS：接電源地。2．端口線P0～P3口：4×8=32條。7〔1〕P0口〔P0.0～P0.7〕P0口是一個8位雙向I/O口，它的每跟管腳都可吸收8TTL的門電流。當P1口首次寫1的時候，P0口將被定義為高阻態(tài)輸入。P0可用于外部程序數據存儲器，此時它作為數據/地址的第八位。當FIASH進行編程時，P0口將作為原碼輸入口；FIASH校驗時，P0口作為原碼輸出口，此時P0口必須拉高的外部?！?〕P1口〔P1.0～P1.7〕P1口是一個由單片機內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收?！?〕P2口〔P2.0～P2.7〕P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1〞時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1〞時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能存放器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號?！?〕P3口〔P3.0～P3.7〕P3口的管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1〞后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流〔ILL〕這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口使用，各位的作用如下表3-1所示所示：表3-1P3各口線的第二功能表83．控制信號引腳RST：復位輸入引腳。當器件被振蕩器復位時，必須保持RST引腳有兩個機器周期時間的高電平。ALE/PROG：當單片機訪問外部存儲器時，地址鎖存所允許的輸出電平將用來鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH進行編程時，編程脈沖由此引腳輸入。一般情況下，ALE引腳端以恒定的頻率周期來輸出正向脈沖信號，此時的振蕩頻率是振蕩器振蕩頻率的1/6。因此，它可作為向外部輸出脈沖或用來定時的引腳。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。EA/VPP：當EA保持低電平時，那么在此期間外部程序存儲器〔0000H-FFFFH〕，不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，EA將內部鎖定為RESET；當EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源〔VPP〕。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出3.2單片機的時鐘電路AT89C51單片機芯片內部有一個高增益反相放大器，用于構成時鐘振蕩電9路，XTAL1為該放大器的輸入端、XTAL2為該放大器的輸出端，由該放大器構成的振蕩電路與和時鐘電路一起構成了單片機的時鐘方式。根據硬件電路的不同，單片機的時鐘連接方式又可分為內部時鐘方式和外部時鐘方式。內部時鐘方式如圖3-3所示，外部時鐘方式如圖3-4所示。圖3-3內部時鐘方式圖3-4外部時鐘方式103.3單片機的工作方式MCS-51系列單片機的工作方式可分為：復位方式、程序執(zhí)行方式、單片執(zhí)行方式、掉電保護方式、節(jié)電工作方式和EPROM編程/校驗方式。復位方式：系統(tǒng)開始運行和重新啟動靠復位電路來實現，這種工作方式為復位方式。復位電路有兩種：上電自動復位如圖3-5所示，上電/按鍵手動復位如圖3-6所示。圖3-5上電自動復位圖3-6上電/手動按鍵復位11程序執(zhí)行方式：單片機根本工作方式，可分為連續(xù)執(zhí)行工作方式和單步執(zhí)行工作方式。①連續(xù)執(zhí)行工作方式：所有單片機都需要的工作方式。單片機復位后，PC值為0000H，因此單片機復位后立即轉到0000H處執(zhí)行程序。單片機按照程序事先編排的任務，自動連續(xù)地執(zhí)行下去。②單步執(zhí)行工作方式：用戶調試程序的一種工作方式，在單片機開發(fā)系統(tǒng)上有一專用的單步按鍵〔或軟件調試環(huán)境〕。按一次，單片機就執(zhí)行一條指令〔僅僅執(zhí)行一條〕，這樣就可以逐條檢查程序，發(fā)現問題進行修改。單步執(zhí)行方式是利用單片機外部中斷功能實現的。節(jié)電方式：一種低功耗的工作方式，分為空閑〔等待〕方式和掉電〔停機〕方式。是針對CHMOS類芯片而設計的，HMOS型單片機不能工作在節(jié)電方式，但它有一種掉電保護功能。①HMOS單片機的掉電保護：當VCC突然掉電時，單片機通過中斷將必須保護的數據送入內部RAM，備用電源VPD可以維持內部RAM中的數據不喪失。②CHMOS單片機的節(jié)電方式：CHMOS型單片機是一種低功耗器件，正常工作時電流為11～22mA，空閑狀態(tài)時為1.7～5mA，掉電方式為5～50?A。它適用于低功耗應用場合，它的空閑方式和掉電方式都是由電源控制存放器PCON中相應的位來控制。編程和校驗方式：用于內部含有EPROM的單片機芯片，一般的單片機開發(fā)系統(tǒng)都提供實現這種方式的設備和功能。12第四章單片機系統(tǒng)的設計4.1硬件配置與接口分配單板機可尋址范圍是64K字節(jié)，板上提供的插座占16K，已插入的芯片占10K，其余以備擴展使用。其存貯空間分配如下。0000H~07FFH2KBEPROM存儲監(jiān)控程序0800H~0FFFH2KBEPROM存儲零件加工程序1000H~17FFH2KBRAM調試程序2000H~27FFH2KBRAM測試程序等4.1.2I/O口地址分配單板機設置I/O口地址為80～9FH共32個口地址，分配如下。80H～83HMCS—51803184H～87H字形鎖存88H～8BH字位鎖存8CH～8FH讀鍵值90H～9FH用戶使用4.2硬件電路的設計數控系統(tǒng)硬件電路由以下幾局部組成：1、主控制器。即中央處理單元〔CPU〕2、總線。包括數據總線，地址總線，控制總線。3、存儲器。包括只讀可編程序存儲器和隨機讀寫數據存儲器。本次選用的AT89C51芯片內部自帶有4K字節(jié)可編程的閃爍存儲器，故不需再擴展存儲器。4、接口。即I/O輸入輸出接口。13數控系統(tǒng)的硬件框圖如圖4-1所示：圖4-1數控系統(tǒng)的硬件框圖4.2.1主控制器CPU的選擇AT89C51系列單片機是集中CPU,它有如下特點：1．可靠性高。AT89C51能很好的適應工業(yè)生產環(huán)境，與PC機相比，它具有更強的抗外界干擾能力。并且，它的系統(tǒng)軟件〔如：程序指令，常數，表格等〕均固化于ROM中，不易受到病毒的破壞。信號通道根本上都位于同一個芯片里，運行時，系統(tǒng)可靠且穩(wěn)定。2．便于擴展。此系列單片機片內有微機正常運行必需具備的部件，其片外還有許多供用戶擴展用的〔總線，串行和并行輸入/輸出〕管腳，很容易就能組成一定規(guī)模且適應要求的微機系統(tǒng)。3．控制功能較強。14AT89C51單片機具有豐富控制指令，如：I/O口邏輯操作指令，位處理指令，條件分支轉移指令等。4．實用性好。體積小，功耗低，價格廉價，易于產品化。綜上所述，由于它具有以上優(yōu)點，所以本設計選用AT89C51單片機作為主控制芯片。其引腳圖如圖3-2所示。4.2.1步進電機驅動電路的設計1．選用ULN2004A芯片構成步進電機的驅動電路。ULN2004A的結構：ULN2004A是一款大電流、高耐壓的達林頓陣列，由七個硅NPN達林頓管組成。ULN2004A具有如下特點：·ULN2004A中的每一對達林頓都串聯著一個10.5K的基極電阻，它在5V的工作電壓下，可與CMOS和TTL電路直接連接，能直接處理一些原先需要由標準邏輯緩沖器處理的數據；·ULN2004A的工作電流大，工作電壓高，其灌電流可以到達500mA，且在關態(tài)時能承受50V的電壓，輸出還可以在高負載電流的情況下并行運行；·ULN2004A采用DIP—16或SOP—16塑料封裝；ULN2004A的引腳如圖4-2所示。圖4-2ULN2004A引腳圖2．步進電機的驅動電路如圖4-3所示。15圖4-3步進電機驅動電路4.3其他輔助電路設計4.3.1AT89C51的時鐘電路單片機的時鐘的產生方式AT89C51的時鐘電路可以由兩種方式產生：外部方式和內部方式。由于內部時鐘電路結構簡單，無需外部施與時鐘信號，故本次設計采用內部方式。內部時鐘方式是利用的芯片內部的振蕩電路，具體那么是在XTAL1和XTAL2引腳上外接一個定時元件，如圖3-3所示。晶體的振蕩頻率可在1.2～12MHz間任選，耦合電容在5～30PF之間，這種方式對時鐘具有微調作用。4.3.2AT89C51復位電路單片機的復位是靠外部電路來實現的，在時鐘電路工作后，只要RST引腳上有10ms以上的高電平出現，單片機就可以實現狀態(tài)復位，然后單片機便從0000H單元開始執(zhí)行程序。單片機通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種復位方式。為了盡可能簡化電路，本次設計采用上電自動復位方式，如圖3-5所示。4.3.3超程報警電路為了防止工作臺超程，可分別在極限位置安裝限位開關。對于兩坐標聯動的數控系統(tǒng)，4個方向都可能超程，即+X、－X、+Y、－Y。當某一方向超程時，16應立即使工作臺停止移動。圖4-4為報警指示燈電路。為到達報警的效果，要用到中斷方式，這里采用AT89C51的外部中斷方式，任何一個行程開關閉合〔即工作臺在某一方向超程〕，均會產生中斷信號。在電路中設置紅綠燈作為警示指示信號。正常工作時，綠燈亮；超程報警時，紅燈亮。兩燈均由一個I/O口輸出。圖4-4報警指示燈電路4.3.4掉電保護電路半導體存儲器RAM最怕掉電，一但掉電，那么里面存儲的信息就會全部喪失。工業(yè)作業(yè)現場環(huán)境惡劣，掉電是很有可能發(fā)生的。數控系統(tǒng)中的一些重要的現場參數，如幾何尺寸，工藝參數等都是存儲在RAM中的，掉電后，數據將會喪失。為了使掉電情況下，RAM中的信息能得以保持，就必須設置掉電保護電路。這樣，恢復供電后，系統(tǒng)又能馬上運行。圖4-5所示的是一種簡單掉電保護電路的工作原理，圖中V+為電源電壓，VB為備用電池電壓，并且V+>VB，Vcc為存儲器RAM的電源端，正常通電時，二極管D1導通，D2截止，RAM的工作電壓由V+提供，同時，V+還通過電阻R對電池充電。斷電后，D1截止，D2導通，此時RAM的工作電壓由電池電壓由電池VB經二極管D2和電阻R供應，VB值一般取>3V時，存儲器就能可靠的保持信息。圖4-5掉電保護電路17湖北理工學院畢業(yè)設計〔論文〕4.3.5光電隔離電路在步進電機驅動電路中，脈沖信號經功率放大器后控制步進電機勵磁繞組。由于步進電機需要的驅動電壓較高，電流較大，如果功率放大器直接接輸出信號，將導致強電干擾。輕那么影響程序的正常工作，重那么導致單片機和接口電路的損壞。所以一般在功率放大器與接口電路之間都要接上隔離電路。光電隔離是有光耦合器來完成的。光耦合器是以光為媒介傳輸信號的器件，其輸入端配置發(fā)出光源，輸出端配置接受光源，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。本設計將會使用開關量電路，因此設計時選擇在電路中接入光耦合器，從而使其輸入側與輸出側的信號得到了電氣隔離，互補影響。1．光耦合器的選用本案選用的是普通的信號隔離用光耦合器(TLP521-1)，其內部結構形式見圖4-6。TLP521-1光耦合器以發(fā)光二極管為輸入端，光敏晶體管為輸出端，能夠隔離頻率在100kHz以下的信號，滿足我此次設計的要求。圖4-6TLP521-1光耦合器的內部結構形式圖2．TLP521-1光耦合器的主要參數及工作參數TLP521-1光耦合器是TOSHIBA公司生產的TLP521系列光耦合器的一種結構形式，表4-1那么給出了TLP521系列光耦合器推薦的工作參數，表4-2將給出TLP521系列光耦合器的主要參數。表4-1TLP521光耦合器推薦工作參數18表4-2TLP521光耦合器的主要參數19第五章基于PROTEUS的XY平臺運動仿真設計5.1Proteus簡介及仿真界面1．Proteus軟件簡介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計工具ISIS、混合模式SPICE仿真、PCB設計以及自動布線而形成了一個完成的電子設計系統(tǒng)。它運行與Windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析各種模擬和數字電路，并且對PC機的硬件配置要求不高。該軟件具有以下主要特別：①實現了單片機仿真和SPICE電路仿真相結合，具有模擬電路仿真、數字電路仿真、單片機及其外圍電路仿真、RS232動態(tài)仿真、SPI調式器、鍵盤和LCD系統(tǒng)仿真的功能。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、各種鼓勵源、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/計數器等。③支持主流單片機系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機類型有：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。④提供軟硬件調試功能。同時支持第三方的軟件編譯和調試環(huán)境，如KeilC51Vision2等軟件。⑤具有強大的原理圖編輯及原理圖后處理功能。⑥ProteusVSM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，實現了完整的基于微控制器設計的協(xié)同仿真，真正使在物理原型出來之前對這類設計的開發(fā)和測試成為可能。2．Proteus仿真界面如圖5-1所示：20圖5-1ProteusISIS仿真界面5.2Keil簡介Keil是美國KeilSoftware公司開發(fā)的，是目前世界上最好的51單片機的匯編和C語言的開發(fā)工具。它支持匯編語言、C語言以及混合編程，同時，它還具有強大的模擬仿真功能。在進行模擬仿真時，不需要任何真實的硬件即可實現用戶程序的仿真和調試。仿真時，我們會將Keil與Proteus一起使用，充分利用它們各自的模擬仿真功能，使得單片機軟硬件調試到達很好的效果。5-2Keil軟件界面215.3Keil中的程序調試5-3數控XY平臺控制程序調試程序調試成功后，生成.HEX文件，并保存。225.4Proteus仿真系統(tǒng)硬件原理圖在進行仿真前，應先在ProteusISIS中繪制出總體的電氣控制原理圖，并仔細檢查線路是否連通。本次設計中的數控XY平臺運動控制即是要用單片機控制給X、Y軸傳遞運動的兩個步進電機的轉動，包括兩個步進電機各自的正反轉，以及兩軸聯動。具體仿真系統(tǒng)硬件原理圖如圖5-4所示。圖5-4Proteus仿真系統(tǒng)硬件原理圖5.5運行調試在ProteusISIS中繪制完仿真原理圖后，將之前生成的.HEX文件導入到AT89C51單片機中，點擊“調試〞，并“執(zhí)行〞程序。仿真結果如下列圖5-5至5-7所示：23圖5-5運行調試圖1—兩軸電機同時運轉圖5-6運行調試圖2—X軸電機運轉24圖5-7運行調試圖3—Y軸電機運轉25設計總結基于單片機的數控XY平臺運動控制設計與虛擬仿真測試到這里已接近尾聲了，整個設計過程完成的任務主要有：1〕完成了數控系統(tǒng)整體方案的選擇。2〕完成步進電動機的選擇。選擇型號為90BF001的反響式步進電機。3〕完成整個控制系統(tǒng)的硬件設計。該控制系統(tǒng)式基于MSC-51單片機控制的，屬于微型計算機。系統(tǒng)的硬件設計選用的芯片均為市場較為普遍的、性價比擬高的芯片，大大降低的系統(tǒng)的設計本錢，符合設計任務書的規(guī)定要求。4〕完成了C語言程序的編寫，并成功調試運行。5〕完成系統(tǒng)的仿真。本系統(tǒng)能夠通過Proteus和Keil軟件進行仿真，通過該仿真電路圖在仿真軟件Proteus上實現對步進電動機的控制，步進電機的相應動作。綜上所述，本次設計出的控制系統(tǒng)在實現根本功能要求的根底上，較已有的設計方案來說，控制系統(tǒng)更簡單、I/O口的分配上更加的合理，本次設計選用的AT89C51單片機其自配的存儲器結構給編程上賦予了豐富的編程空間，減少了系統(tǒng)存儲器的擴展，從而提高的本設計的優(yōu)越性。然而系統(tǒng)缺乏之處在于，此控制系統(tǒng)實現的是開環(huán)控制。假設能為旋轉編碼器設計硬件電路圖，并編寫調試程序控制電路的運行，即能使系統(tǒng)實現半閉環(huán)控制，從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性得以提高。除此之外，此系統(tǒng)并未制作成實物，假設能通過制作實物，從中必能檢測出更多的缺乏，也能通過實物制作檢測系統(tǒng)的實用性，最終使系統(tǒng)可靠性大大提高。26致謝通過此次設計，讓我對于理論知識尤其是專業(yè)知識有了更深的了解和認識，并能將其進行一次比擬全而系統(tǒng)的總結和應用。在設計的過程中，我學會了如何查閱現有的技術資料、如何舉一反三、如何通過改良并參加自己的想法與觀點，使之成為自己的東西。進一步加強了我綜合分析解決實際問題和獨立思考的能力。在這次設計中，同學之間討論問題，查閱資料，相互幫助，從實際應用出發(fā)將設計完成的比擬合理且具有實際的意義。同時，我們也發(fā)現了一些問題。比方對知識的運用的熟練程度還不夠，知識范圍比擬的狹溢，導致在設計中的一些問題無法及時發(fā)現和解決。在此，我向我的指導老師沈華東老師表示由衷的感謝，感謝他的諄諄指導與監(jiān)督。其次，我還要感謝那些曾經給予我?guī)椭耐瑢W們。最后，我還要感謝大學里我所有的任課老師，感謝他們?yōu)槲覀鞯澜饣?，祝他們在以后的工作生活中幸福美滿。27參考文獻[1]求是科技．8051系列單片機C程序設計完全手冊[M]．北京：人民郵電出版社．2006[2]朱清慧，張鳳蕊，翟天嵩，等．Proteus教程——電子線路設計、制版與仿真[M]．北京：清華大學出版社．2021[3]固高科技．GXY運動控制平臺使用手冊，深圳:固高科技股份．2005[4]孫立香.Proteus和Keil軟件在單片機中的應用[J].科技資訊,2021,(36)[5]汪傳建,劉恩博.Proteus軟件在單片機教學過程中的應用[J].福建電腦,2021,(01)[6]林雄偉,胡大斌.電磁熱水器溫度控制系統(tǒng)仿真設計[J].微型機與應用,2021,(09)[7]樓俊君.基于Proteus和Keil的單片機演奏樂曲的實現[J].科技信息,2021,(23)[8]吳永,涂用軍.基于移動數據的LED顯示屏設計與仿真[J].電子技術應用,2021[9]鄭賢標,姜偉,周見行,裘信國.基于Proteus的單片機數據采集系統(tǒng)仿真[J].機電工程,2021,(01)[10]章彩濤,黃振沛,吳陳燕.基于PROTEUS的時溫控制系統(tǒng)仿真設計[J].機床電器,20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