三維運動平臺控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計【畢業(yè)設(shè)計】

1、<p><b>　?。?0_ _屆）</b></p><p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計</b></p><p>　　三維運動平臺控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電氣工程及其自動

2、化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p&g

3、t;<p>　　三維運動平臺控制系統(tǒng)是一套對空間X軸、Y軸、Z軸集中式智能化操作的控制系統(tǒng)。本課題對運動平臺控制系統(tǒng)進行了一定的研究。介紹了運動控制系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r及前景。 </p><p>　　本設(shè)計是三維運動平臺控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。系統(tǒng)硬件設(shè)計可以分為控制模塊、顯示模塊、電源模塊、串行口模塊、鍵盤模塊、報警電路以及步進電機驅(qū)動電路。并對各功能模塊進行了設(shè)計和說明。整個硬件電路運行的過程是：

4、首先通過串行口在PC機中下載程序到單片機PIC61F877A，電路通電，鍵盤輸入命令，單片機PIC16F877A程序執(zhí)行，輸出控制信號到步進電機驅(qū)動電路，在液晶面板上顯示步進電機執(zhí)行動作的數(shù)據(jù)。</p><p>　　此次設(shè)計基本實現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，可以使單個步進電機動作。</p><p>　　關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)，單片機，PIC16F877A，MAX232</p><p>　

5、　The hardware design of Three-dimensional motion platform control system </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Three-dimensional motion platform control system is a space X axis, Y axis

6、, Z axis of the centralized control system for intelligent operation. This subject have some research for motion control system platform. Introduced development and prospects of the motion control system in domestic and

7、overseas.</p><p>　　This design is the hardware design of three-dimensional motion platform control system. System hardware design can be divided into control module, display module, power module, serial port

8、 module, the keyboard module, the alarm circuit and the stepper motor drive circuit. And made the design and directions for each function module. run the whole running process of Hardware circuits is: First through the s

9、erial port on PC, download the program to the microcontroller PIC61F877A, circuit power, key</p><p>　　This design achieve the desired objectives Basically and can make a single stepper motor action.</p>

10、;<p>　　Keywords: Control systems, Single Chip ,PIC16F877A, MAX232</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p>&

11、lt;b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1課題的背景及意義1</p><p>　　1.2運動控制技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展2</p><p>　　1.2.1 運動控制技術(shù)的發(fā)展歷程2</p><p>　　1.2.2 運動控制器的研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2.3 運動控制技術(shù)

12、的發(fā)展趨勢4</p><p>　　1.3課題研究的主要內(nèi)容和要求5</p><p><b>　　1.4本章小結(jié)5</b></p><p>　　2三維運動平臺控制系統(tǒng)硬件整體框架設(shè)計6</p><p>　　2.1運動控制系統(tǒng)的基本組成6</p><p>　　2.2設(shè)計方案研究6</

13、p><p>　　2.3系統(tǒng)硬件整體框架設(shè)計7</p><p><b>　　2.4本章小結(jié)7</b></p><p>　　3系統(tǒng)硬件具體說明8</p><p>　　3.1系統(tǒng)整體原理圖8</p><p>　　3.2整體系統(tǒng)各個組成部分9</p><p>　　3.2.1

14、單片機最小系統(tǒng)9</p><p>　　3.2.2 顯示模塊10</p><p>　　3.2.3 串口模塊13</p><p>　　3.2.4 報警電路15</p><p>　　3.2.5 鍵盤電路設(shè)計15</p><p>　　3.2.6 步進電機驅(qū)動電路17</p><p>　　3.

15、3相關(guān)芯片介紹17</p><p>　　3.3.1 單片機PIC16F877A介紹17</p><p>　　3.3.2 MAX232芯片21</p><p>　　3.3.3 ULN2003A芯片21</p><p>　　3.4本章小結(jié)22</p><p><b>　　4結(jié)論23</b>

16、</p><p>　　4.1取得成果23</p><p><b>　　4.2總結(jié)24</b></p><p><b>　　參考文獻25</b></p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　1緒論</b></p&g

17、t;<p>　　1.1課題的背景及意義</p><p>　　運動控制(Motion Control)是由電力拖動發(fā)展而來的，電力拖動或電氣傳動是對以電動機為對象的控制系統(tǒng)的通稱。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，原有的電氣傳動控制的概念已經(jīng)不能充分地概括現(xiàn)代自動化系統(tǒng)中承擔(dān)第一線任務(wù)的全部控制設(shè)備。因此，二十世紀(jì)八十年代后期，國際上開始出現(xiàn)運動控制系統(tǒng)(Motion Control Syste

18、m)這一術(shù)語。</p><p>　　運動控制系統(tǒng)是以機械運動的驅(qū)動設(shè)備-電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子、功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，在自動控制理論指導(dǎo)下組成的電氣傳動控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，實現(xiàn)運動機械的運動要求。運動控制系統(tǒng)的發(fā)展得力于微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、永磁材料技術(shù)、自動控制技術(shù)、微機應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成果。正是這些技術(shù)的進步使運動控制技

19、術(shù)在近20年內(nèi)發(fā)生了很大的變化。</p><p>　　運動控制系統(tǒng)主要是電動機的控制。在電氣時代，電動機一直在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中起著十分重要的作用。無論在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、國防、航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù)和辦公室中，還是在家用電器和消費電子產(chǎn)品中，都大量使用著各種各樣的電動機。據(jù)資料統(tǒng)計，在所有的動力源中，90％以上來自電動機；同樣的，我國生產(chǎn)的電能中有60％以上是用于電動機[1]。</p>&

20、lt;p>　　隨著計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，各發(fā)達國家的機電一體化產(chǎn)品層出不窮，運動控制在改善人民生活、提高工作效率、節(jié)約能源、降低材料消耗、增強企業(yè)競爭力等方面起著巨大的作用。在機電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時，運動控制技術(shù)作為其關(guān)鍵組成部分，也得到前所未有的大發(fā)展。在強勁的市場需求的推動下，國內(nèi)外各個廠家相繼推出運動控制的新技術(shù)、新產(chǎn)品。</p><p>　　三維運動平臺控制系統(tǒng)是一套對空

21、間X軸、Y軸、Z軸集中式智能化操作的控制系統(tǒng)。三維運動平臺是現(xiàn)代運動控制技術(shù)的基礎(chǔ)實驗設(shè)備，它在機械加工、工程測試、醫(yī)療等各種生產(chǎn)行業(yè)中都有極廣泛的應(yīng)用。目前市場的運動平臺控制系統(tǒng)在性能指標(biāo)和價格定位方面基本是面向中、高端用戶，無法滿足低端用戶的需用。因此研發(fā)一種面向于簡單控制、低成本的三維驅(qū)動數(shù)控系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景[2]。</p><p>　　1.2運動控制技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展</p><

22、p>　　1.2.1 運動控制技術(shù)的發(fā)展歷程</p><p>　　運動控制系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從直流到交流，從開環(huán)到閉環(huán)，從模擬到數(shù)字，直到基于PC的伺服控制網(wǎng)絡(luò)(PC—Based sscNET)系統(tǒng)和基于網(wǎng)絡(luò)的運動控制的發(fā)展過程。具體來說大概經(jīng)歷了以下幾個階段[3]：</p><p>　　1）模擬控制系統(tǒng)：早期的運動控制系統(tǒng)一般采用運算放大器等分立元件以硬件連線方式構(gòu)成，這種系統(tǒng)由于采用

23、硬件接線方式可實現(xiàn)無限的采樣頻率，因此，控制器的精度較高且具有較大的寬帶。然而，與數(shù)字系統(tǒng)相比存在很多缺陷，如文件老化、環(huán)境溫度的變化等。</p><p>　　2）以微控制器為核心的運動控制系統(tǒng)：這里的微處理器指的是8位或16位的單片機，系統(tǒng)電路比較簡單。微處理器一般采用馮一諾依曼總線結(jié)構(gòu)，處理的速度有限，處理能力也有限；另外，單片機系統(tǒng)比較復(fù)雜，軟件編程的難度較大。同時，一般單片機的集成度較低，片上不具備運動控

24、制系統(tǒng)所需要的專用外設(shè)，如PWM產(chǎn)生電路等。系統(tǒng)仍然需要較多的元器件，這不僅增加了系統(tǒng)電路板的復(fù)雜性，還降低了系統(tǒng)的可靠性，也難以滿足運算量較大的實時信號處理的需要，難以實現(xiàn)先進控制算法，如預(yù)測控制等。</p><p>　　3）在通用計算機上用軟件實現(xiàn)的運動控制系統(tǒng)：在通用計算機上，利用高級語言編制相關(guān)的控制軟件，配合驅(qū)動控制板、與計算機進行信號交換的接口板，就可以構(gòu)成一個運動控制系統(tǒng)。這種實現(xiàn)方法利用計算機的高

25、速度、強大運算能力和方便的編程環(huán)境，可實現(xiàn)高性能、高精度、復(fù)雜的控制算法；同時，控制軟件的修改也很方便。然而，這種實現(xiàn)方式的一個缺點在于系統(tǒng)體積過大，難以應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場；而且，由于通用計算機本身的限制，難以實現(xiàn)實時性要求較高的信號處理算法。</p><p>　　4）利用專用芯片實現(xiàn)的運動控制系統(tǒng)：為了簡化電動機模擬控制系統(tǒng)的電路，同時保持系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，一些公司推出了專用電動機控制芯片，如Ti公司的ucc36

26、26，NOVA公司的MCx314等。利用專用電機控制芯片構(gòu)成的運動控制系統(tǒng)保持了模擬控制系統(tǒng)和以微處理器為核心的運動控制系統(tǒng)兩種實現(xiàn)方式的長處，具有響應(yīng)速度快、系統(tǒng)集成度高、使用元器件少、可靠性好等優(yōu)點，是目前應(yīng)用最廣的一種運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)方法。然而，受專用控制芯片本身的限制，這種系統(tǒng)的缺點也是很明顯的，主要包括：(1)由于已經(jīng)將軟件算法固化在芯片內(nèi)部，雖然可保證較高的系統(tǒng)響應(yīng)速度，但是降低了系統(tǒng)的靈活性，不具有擴展能力。(2)受芯片制

27、造工藝的限制，在現(xiàn)有的電動機專用控制芯片中所實現(xiàn)的算法一般都是比較簡單的。(3)由于用戶不能對專用芯片進行編程，因此，很難實現(xiàn)系統(tǒng)的升級。</p><p>　　5）以可編程邏輯器件為核心構(gòu)成的運動控制系統(tǒng)：這種控制系統(tǒng)是將運動控制算法下載到相應(yīng)的可編程邏輯器件中，以硬件的方式實現(xiàn)最終的運動控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要功能都可以在單片F(xiàn)PGA／CPLD器件中實現(xiàn)，減少了所需的元器件個數(shù)，縮小了系統(tǒng)體積。由于系統(tǒng)以硬件實現(xiàn)，

28、響應(yīng)速度快，可實現(xiàn)并行處理。而且開發(fā)工具齊全，容易掌握，通用性強。盡管可編程邏輯器件可實現(xiàn)任意復(fù)雜的控制算法，但算法越復(fù)雜，可編程邏輯器件內(nèi)部需要的晶體管門數(shù)就越多。按照目前的芯片制造工藝，可編程邏輯器件的門數(shù)越多，價格就越昂貴。因此，考慮到目標(biāo)系統(tǒng)的成本，一般使用可編程邏輯器件實現(xiàn)較簡單的控制算法，構(gòu)成較簡單的運動控制系統(tǒng)。</p><p>　　6）以DSP控制器為核心構(gòu)成的運動控制系統(tǒng)：DSP(Digtal

29、sigal Ppocessing，數(shù)字信號處理)芯片既集成了極強的數(shù)字信號處理能力又集成了電機控制系統(tǒng)所必須的輸入、輸出、A／D變換、事件捕捉等外圍設(shè)備的能力，時鐘頻率達到20MHz以上，一個指令周期才50ns，而且一個周期可以同時執(zhí)行幾條指令。指令大多設(shè)計為單周期多功能，如MAc一個周期就完成乘加運算。DSP強大的運算功能使其在控制中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，例如實時控制系統(tǒng)的實現(xiàn)主要基于采用DSP的專用硬件設(shè)計。許多公司研制了以DSP

30、為微處理器的伺服控制卡，這些卡一般以IBMPc或兼容機為硬件平臺，以DOS或Windows為軟件平臺，采用開放式手段，使用很方便。</p><p>　　DSP就是目前大部分人致力于研究，使PC機發(fā)揮更大的作用。以PC機作為信息處理平臺，運動控制器以插卡形式嵌入PC機，即PC+運動控制器的模式。這樣將PC機的信息處理能力和開放式的特點與運動控制器的運動軌跡控制能力有機地結(jié)合在一起，具有信息處理能力強、開放程度高、運

31、動軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好的特點。這類運動控制器通常都能提供多軸協(xié)調(diào)運動控制與復(fù)雜的運動軌跡規(guī)劃、實時的插補運算、誤差補償、伺服濾波算法，能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制。由于采用CPLD／FPGA技術(shù)來進行硬件設(shè)計，方便運動控制器供應(yīng)商根據(jù)客戶的特殊工藝要求和技術(shù)要求進行個性化的定制，形成獨特的產(chǎn)品。能同時控制多軸，有的還包含了運動軌跡插補算法及包含有前饋補償功能的PID算法，這為多軸的伺服電機的控制帶來極大的方便。</p><p&

32、gt;　　1.2.2 運動控制器的研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前，運動控制器生產(chǎn)廠商提供的運動控制器主要有以下下三類[4]：</p><p>　　1）基于通用微處理器型。以8031、8088等通用微處理器作為核心器件，外加存儲器、編碼器信號處理電路及D／A轉(zhuǎn)換電路等組成控制系統(tǒng)。其位置、速度等控制由事先編好固化在存儲器中的程序?qū)崿F(xiàn)。此方案成本相對較低，但速度較慢，精度不高，采用的元器件

33、較多，可靠性低，體積比較大，而且控制參數(shù)不易更改，軟硬件設(shè)計工作量大，在一些只需要低速點位運動控制和對軌跡要求不高的輪廓運動控制場合應(yīng)用。</p><p>　　2）以專用芯片(ASIC)作為核心處理器的運動控制器。常用的專用電機控制芯片有LM628、MAX314、HCPLIi00等，用一個芯片即完成速度曲線規(guī)劃、PID伺服控制算法、編碼器信號的處理等多種功能。一些需要用戶經(jīng)常更改的參數(shù)如電機位置、速度、加速度、P

34、ID參數(shù)等均在芯片內(nèi)部的RAM區(qū)內(nèi)，可由PC機用指令很方便的修改。但由于數(shù)據(jù)傳輸速度、運算速度的限制，復(fù)雜的控制算法和功能很難實現(xiàn)。這類控制器對單軸的點位控制場合是基本滿足要求，但對于要求多軸協(xié)調(diào)運動和高速軌跡插補控制的設(shè)備，這類運動控制器不能滿足要求。另外，由于硬件資源的限制，這類控制器的圓弧插補算法通常都采用逐點比較法，插補的精度也不高，特別是對于如模具雕刻這樣的需要大量的小線段連續(xù)運動的場合，不能使用這類控制器。</p>

35、;<p>　　3）基于PC總線的以DSP和CPLD／FPGA作為核心處理器的開放式運動控制器。以PC機作為信息處理平臺，運動控制器以插卡形式嵌入PC機，即PC+運動控制器的模式。這樣將PC機的信息處理能力和開放式的特點與運動控制器的運動軌跡控制能力有機地結(jié)合在一起，具有信息處理能力強、開放程度高、運動軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好的特點。這類運動控制器通常都能提供多軸協(xié)調(diào)運動控制與復(fù)雜的運動軌跡規(guī)劃、實時的插補運算、誤差補償、伺服

36、濾波算法，能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制。由于采用CPLD／FPGA技術(shù)來進行硬件設(shè)計，方便運動控制器供應(yīng)商根據(jù)客戶的特殊工藝要求和技術(shù)要求進行個性化的定制，形成獨特的產(chǎn)品。能同時控制多軸，有的還包含了運動軌跡插補算法及包含有前饋補償功能的PID算法，這為多軸的伺服電機的控制帶來極大的方便。</p><p>　　然而開放式運動控制器已經(jīng)有好多種商品化的產(chǎn)品，比較著名的有美國的PMAC、Galil等運動控制器，國內(nèi)最成熟的是深圳

37、固高公司的系列控制器。這些運動控制器的特點有：</p><p>　　1）均以PC機為基礎(chǔ)，具有ISA總線、PCI局部總線通訊功能；</p><p>　　2）控制器均可在Windows平臺下工作，可使用VB、％++、Delphi等高級語言進行編程控制；</p><p>　　3）通過采用特殊的中斷方式，一般都具有很好的實時性，并具有Windows系統(tǒng)的多任務(wù)性；<

38、/p><p>　　4）均為多軸聯(lián)動系統(tǒng)，具有直線和圓弧插補功能；</p><p>　　5）均可進行位置及速度控制，在啟動和停止階段具有加速度控制，使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)響應(yīng)特征；</p><p>　　6）可對交、直流伺服電機及液壓伺服馬達進行控制。</p><p>　　1.2.3 運動控制技術(shù)的發(fā)展趨勢</p><p>　　

39、從自動化技術(shù)的發(fā)展歷程，可以看到，運動控制技術(shù)總的發(fā)展方向是高精度、高速度。細分一下可以分為以下三個方面[5]：</p><p>　　1）數(shù)字化：從運動控制系統(tǒng)的發(fā)展過程可以得到以下結(jié)論：基于以DSP控制器構(gòu)成運動控制系統(tǒng)可滿足任意場合的需要，是運動控制技術(shù)一個重要的發(fā)展方向。運動控制器從最初的單片機或微處理器作為核心的運動控制器和以專用芯片(ASIc)作為核心處理器的運動控制器發(fā)展到今天的基于PC總線的以DSP

40、和FP—GA作為核心處理器的開放式運動控制器，運動控制技術(shù)也由面向傳統(tǒng)的數(shù)控加工行業(yè)專用控制技術(shù)而發(fā)展為具有開放結(jié)構(gòu)、能結(jié)合具體應(yīng)用要求而快速重組的先進運動控制技術(shù)。</p><p>　　2）網(wǎng)絡(luò)化：微處理器的發(fā)展，使數(shù)字控制器簡單而又靈活，同時為聯(lián)網(wǎng)提供了可能。隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大和系統(tǒng)復(fù)雜性的提高，單機的控制系統(tǒng)越來越少，取而代之的是大規(guī)模的多機協(xié)同工作的高度自動化的復(fù)雜系統(tǒng)，這就需要計算機網(wǎng)絡(luò)的支持，傳動設(shè)備

41、及控制器作為一個節(jié)點聯(lián)到現(xiàn)場總線或工業(yè)控制網(wǎng)上，實現(xiàn)集中的或分散的生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控。</p><p>　　3）智能化：借助數(shù)字和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，智能控制已經(jīng)深入到運動控制系統(tǒng)的各個方面，例如：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、解耦控制等，各種觀測器和辨識技術(shù)應(yīng)用于運動控制系統(tǒng)中，大大地改善了控制系統(tǒng)的性能，為控制系統(tǒng)走向復(fù)雜的多層的網(wǎng)絡(luò)控制提供了可能。</p><p>　　1.3課題研究的主要內(nèi)容和要求

42、</p><p>　　本三維運動平臺控制器系統(tǒng)采用單片機為控制核心，能夠?qū)崿F(xiàn)勾勒三維直線和兩維圓軌跡等簡單的空間運動功能，具有操作簡單的人機界面。具體要求如下： </p><p>　　1、系統(tǒng)硬件的整體框架設(shè)計。 </p><p>　　2、主控部分與電機驅(qū)動模塊的硬件接口設(shè)計。 </p><p>　　3、單片機最小系統(tǒng)的搭建。 </p&

43、gt;<p>　　4、LCD，鍵盤，報警等驅(qū)動電路的設(shè)計。 </p><p><b>　　1.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對運動控制系統(tǒng)的概念作了簡要的概述，對運動控制技術(shù)的發(fā)展作了簡單介紹，并對其發(fā)展趨勢作了說明。</p><p>　　2三維運動平臺控制系統(tǒng)硬件整體框架設(shè)計</p><p>

44、;　　運動控制系統(tǒng)作為一個系統(tǒng)，其內(nèi)部分為多個模塊，每個模塊都有各自的功能。要設(shè)計其硬件組成，首先要搞清楚有幾個功能模塊組成，分清思路逐步進行。</p><p>　　2.1運動控制系統(tǒng)的基本組成</p><p>　　一個運動控制系統(tǒng)的基本組成包括：一個運動控制器用做控制信號輸出和閉合位置的反饋環(huán)。一個驅(qū)動或放大器用做將來自運動控制器的控制信號轉(zhuǎn)換為更高功率的電流或電壓信號。一個執(zhí)行器如液壓

45、泵、線性執(zhí)行機或電機用做輸出運動。一個反饋傳感器如光電編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器或霍爾效應(yīng)設(shè)備等用做反饋執(zhí)行器的位置到位置控制器，以實現(xiàn)和位置控制環(huán)的閉合。機械部件用做將執(zhí)行器的運動形式轉(zhuǎn)換為控制信號要求的運動形式，它包括齒輪箱、軸、滾珠絲杠、齒形帶、聯(lián)軸器以及線性和旋轉(zhuǎn)軸承。通常，一個運動控制系統(tǒng)的功能包括：速度控制、點位控制。如圖2-1所示，就是一個最普通的運動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖2-1 運動

46、控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　運動控制系統(tǒng)中處于控制中心的是控制器，其功能在于提供整個伺服系統(tǒng)的閉路控制，如位置控制、速度控制和轉(zhuǎn)矩控制等。運動控制器是以中央邏輯控制單元(單片機)為核心、以傳感器為信號敏感元件、以電機或動力裝置和執(zhí)行單元為控制對象的一種控制裝置。</p><p><b>　　2.2設(shè)計方案研究</b></p><p>

47、;　　本課題設(shè)計的是三維運動平臺控制系統(tǒng)。所謂三維即X軸、Y軸、Z軸三個方向，每個方向都應(yīng)有一個步進電機去是運動平臺動作，每個步進電機都需要一個驅(qū)動電路去放大控制信號，那么控制器就要有三個輸出接口。關(guān)于器件型號的選擇會在后面進行討論。另外，控制中心是根據(jù)鍵盤按鍵情況接受外界輸入信號，再經(jīng)過邏輯運算輸出電信號，再通過步進電機的驅(qū)動電路放大電信號使步進電機動作。</p><p>　　2.3系統(tǒng)硬件整體框架設(shè)計<

48、/p><p>　　運動控制系統(tǒng)最主要的部分就是控制中心這一塊，在加上一些外圍設(shè)備如：鍵盤、電源模塊、人機界面、與電腦連接的串口、輸出模塊。具體如圖2-2所示。設(shè)定X軸方向為步進電機1、Y軸方向為步進電機2、Z軸方向為步進電機3。</p><p>　　圖2-2硬件整體設(shè)計方案</p><p>　　首先是通過串行口與PC機通訊，把編好的程序下載到單片機的儲存器中。接著通過外

49、接電源是整個系統(tǒng)在工作狀態(tài)下，通過鍵盤錄入執(zhí)行數(shù)據(jù)。單片機經(jīng)過運算輸出控制信號，再經(jīng)過驅(qū)動電路放大電信號是步進電機運轉(zhuǎn)。顯示界面的主要作用是可以客觀的看到步進電機的動作數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　2.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了整個設(shè)計組成的模塊，并對各個模塊的組成和模塊的功能做了簡單的陳述。</p><p>&l

50、t;b>　　3系統(tǒng)硬件具體說明</b></p><p>　　控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計是三維運動平臺控制系統(tǒng)設(shè)計過程中最為重要的環(huán)節(jié)，是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，才能根據(jù)硬件原理圖完成相應(yīng)指令的設(shè)計。本章將著重介紹整個系統(tǒng)的控制部分組成及其原理。</p><p>　　3.1系統(tǒng)整體原理圖</p><p>　　根據(jù)第二章中的系統(tǒng)整體硬件設(shè)計方案畫出各功能模塊的實際框圖

51、。如圖3-1所示為實際硬件框圖。</p><p><b>　　圖3-1 硬件框圖</b></p><p>　　圖3-2 系統(tǒng)整體原理圖</p><p>　　圖3-2中沒有把各功能模塊與單片機用線連接，而是在每個功能模塊中在引腳的外端都用紅色的文字進行了標(biāo)注。</p><p>　　3.2整體系統(tǒng)各個組成部分</p&g

52、t;<p>　　系統(tǒng)按各部分功能的不同可以分為：單片機最小系統(tǒng)、顯示模塊、串口模塊、報警電路、鍵盤模塊、步進電機驅(qū)動。</p><p>　　3.2.1 單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　本設(shè)計中用的是PIC單片機，型號為PIC16F877A。由單片機PIC16F877A、晶振電路和復(fù)位電路三部分組成。單片機PIC16F877A作為核心控制器控制著整個系統(tǒng)的工作，而時鐘電路負

53、責(zé)產(chǎn)生單片機工作所必需的時鐘信號，復(fù)位電路使得單片機能夠正常、有序、穩(wěn)定地工作。</p><p>　　在實際開發(fā)板上，所有的引腳都預(yù)留出來，各個引腳完全獨立出來，均通過短接帽來連接各個外圍電路，從而也實現(xiàn)了“萬能”，可以根據(jù)實際需要使用引腳，省去了焊接元件的部分，即實用有省力。</p><p>　　圖3-3中，其左側(cè)分別為復(fù)位電路和振蕩電路。而在PIC單片機兩遍的相當(dāng)于是重新把單片機接口排

54、列的接口。圖中紅色字所表示的是其引腳新的定義。</p><p>　　晶振電路連接在PIC單片機的引腳13（OSC1）、14（OSC2）上。而振蕩電路有以下四種形式： </p><p>　　LP：使用低功率振蕩晶體(Low Power Crystal) </p><p>　　XT：使用振蕩器∕諧振器(Crystal/Resonator) </p><

55、;p>　　HS：使用高速振蕩器(High Speed Crystal/Resonator) </p><p>　　RC：使用電阻∕電容(Resister/Capacitor)</p><p>　　圖3-3 單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　而圖3-3中所用的是晶振，振蕩頻率最高可到20MHz，還可以根據(jù)實際需求更換不同頻率的晶體。</p>&l

56、t;p>　　復(fù)位電路連接的是單片機的1（VPP）引腳，按下Reset鍵即可使單片機復(fù)位，內(nèi)部指令重頭開始執(zhí)行，系統(tǒng)重新運作。</p><p>　　另外，單片機PIC16F877A的工作電壓為5V，則外接電源連接單片機的引腳11（VDD）和3引腳2（VDD），其引腳12（VSS）和引腳31（VSS）為地線接地。</p><p>　　而單片機PIC16F877A除了上述基本電路所占用的7

57、個引腳外，其余的33個引腳都可當(dāng)成輸出、輸入引腳，輸入輸出端口是單片機基本界面，可以與周邊電路進行電路控制和信號傳輸與檢測。PIC單片機是8位單片機，以引腳特性分組，每組盡量湊滿8個引腳，并將I/O命名為PORTA(RA0~RA5)、PORTB(RB0~RB7)、PORTC(RC0~RC7)、PORTD(RD0~RD7)和PORTE(RE0~RE2)等，各分組接口特性說明如下： </p><p>　　PORTA：

58、PIC16F877A的PORTA總共有6個位(RA0~RA5)，PORTA的引腳可作為數(shù)字輸出輸入端口，而系統(tǒng)重置后，PORTA自動成為模擬輸入狀態(tài)，可讀取模擬輸入信號。 </p><p>　　PORTB：PIC16F877A的PORTB總共有8個位(RB0~RB7)，可以撰寫程序規(guī)劃輸入輸出方向、狀態(tài)，其中，要進行燒錄時，使用到三歌引腳，分別是引腳36(RB3/PGM)、引腳39(RB6/PGC)與引腳40(R

59、B7/PGD)。 </p><p>　　PORTC：PIC16F877A的PORTC總共有8個位(RC0~RC7)，除了可作為數(shù)位I/O外，還和一些特殊功能的周邊電路共享引腳，例如CCP（直流馬達控制）、I2C、SPI（同步串行通訊電路）、UART（異步串行傳輸電路）等等。 </p><p>　　PORTD：PIC16F877A的PORTD總共有8個位(RD0~RD7)，可作一般數(shù)字I/O

60、，并與PSP(Parallel Slave Port)并列傳輸接口共享。當(dāng)整體系統(tǒng)需要多單片機時，彼此可以經(jīng)由并列傳輸接口來快速傳輸資料。 </p><p>　　PORTE：PORTE總共有3個位(RE0~RE2)，PORTE的引腳8、9、10有三種功能，除了基本I/O功能，也有模擬輸入功能，而上述PORTD的并列傳輸接口設(shè)定所需的控制引腳，如/RD、/WR、/CS等，也是屬于PORTE引腳。</p>

61、<p>　　3.2.2 顯示模塊</p><p>　　顯示模塊分為兩部分：數(shù)碼管部分和LCD部分。四位數(shù)碼管為共陽極連接，其內(nèi)部連接如圖3-4所示，把所有顯示器的8個筆劃段A-H 同名端連在一起，而每一個顯示器的公共極COM 是各自獨立地受單片機I/O口控制。需要使哪一位顯示就直接通過單片機輸出控制輸出端口。數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)表示的是步進電機走的步數(shù)。</p><p>　　圖3

62、-4 4位數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖3-5中為四位數(shù)碼管在整個系統(tǒng)中的原理圖連接。用三極管來決定數(shù)碼管的顯示與否，4個三極管共發(fā)射極連接VCC電源，通過單片機控制4個三極管基極電流是三極管導(dǎo)通還是關(guān)斷。圖中電阻的作用主要是限制電流過大而導(dǎo)致元件損毀。</p><p>　　圖3-5 四位數(shù)碼管的接口位置</p><p>　　此次設(shè)計所用LCD液晶面板為深

63、圳漢昇實業(yè)有限公司的LCD12864，與單片機接口如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6中，左側(cè)為LCD12864C的工作方式選擇接口。LCD12864C 有2 種工作方式，可以選擇并口，也可以選擇串口方式，通過短接帽來選擇：并口方式短接1和2，串口方式短接2和3。LCD12864C自帶中文字庫，輸入要顯示字的代即可直接寫字符，漢字，并方便的顯示出來，也可以通過畫圖的方式，畫曲線，顯示圖片等等。</

64、p><p>　　圖3-6 LCD12864與單片機接口</p><p>　　各個引腳的功能說明：</p><p>　　1 腳：VSS 為接地。</p><p>　　2 腳：VCC 接5V 正電源。</p><p>　　3 腳：VO為液晶顯示器對比度調(diào)整端,接正電源時對比度最弱,接地電源時對比度最高,對比度過高時會產(chǎn)生重影,

65、使用時可以通過一個10K 的電位器調(diào)整對比度。</p><p>　　4 腳：D/I 為寄存器選擇,高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。</p><p>　　5 腳：WR 讀寫信號線,高電平時進行讀操作,低電平時進行寫操作。當(dāng)D/I和WR共同為低電平時可以寫入指令或 顯示地址,當(dāng)D/I為低電平WR高電平時可以讀忙信號,當(dāng)D/I為高電平WR低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。</p>

66、<p>　　6 腳：E 端為使能端,當(dāng)E 端由高電平跳變成低電平時,液晶模塊執(zhí)行命令。</p><p>　　7～14 腳：D0～D7 8 位雙向數(shù)據(jù)線。</p><p>　　15 腳：LCD12864C的工作方式選擇輸入。</p><p>　　17腳：恢復(fù)初始狀態(tài)。</p><p>　　19~20腳：背光燈電源。</p&g

67、t;<p>　　3.2.3 串口模塊</p><p>　　由于此次設(shè)計用的是PIC單片機，它與51單片機還是有區(qū)別的，51系列的STC單片機支持串口的ISP下載程序，PIC單片機是支持ICSP下載，需專門的編程器或者仿真器來燒寫程序。我們所用的在調(diào)試器為PICkit2在線調(diào)試器。與PICkit2連接的端口如圖3-7所示。</p><p>　　圖3-7 ISCP接口</p

68、><p>　　與上位機通訊的RS-232轉(zhuǎn)換電路，常見的轉(zhuǎn)換方法是用專用的芯片MAX232、SP3232E等。MAX232工作在+5V電源環(huán)境下，SP3232E工作在+3V的環(huán)境下，由于系統(tǒng)所用電源為+5V，所以用MAX232芯片，其接口電路如圖3-8所示。</p><p><b>　　圖3-8 串行接口</b></p><p>　　由于單片機輸入

69、、輸出電平為TTL電平，而IBM-PC機配置的是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串行接口，二者的電氣規(guī)范不一致，因此，要完成PC機與單片機的數(shù)據(jù)通信，必須進行電平轉(zhuǎn)換。</p><p>　　從MAX232芯片中兩路發(fā)送接收中任選一路作為接口。如果使T1 IN引腳接單片機的發(fā)送端TXD，則PC機的RS-232的接收端RXD一定要對應(yīng)接T1 OUT引腳。同時，R1 OUT接單片機的RXD引腳，PC機的RS-232的發(fā)送端TXD對應(yīng)

70、接R1 IN引腳。圖3-8中所示為另外一路，即與單片機發(fā)送端TXD相連的是MAX232芯片上的T2 IN引腳，與PC機的RS-232接收端RXD接的是T2 OUT引腳。相反，R2 OUT引腳接單片機的RXD引腳，R2 IN引腳接RS-232的發(fā)送端TXD。</p><p>　　圖3-9 MAX232典型工作電路</p><p>　　圖3-9所示為MAX232典型工作電路。電路中5個電容的電

71、容值均為1.0uF。它包含4個部分：雙路電荷泵DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器、RS-232驅(qū)動器、RS-232接收器，以及接收器與發(fā)送器使能控制輸入。雙路電荷泵電壓轉(zhuǎn)換器為RS-232驅(qū)動器提供工作電壓。第一個轉(zhuǎn)換器利用電容C1將+5V輸入加倍，得到V+輸出端C3上的+10V；第二個轉(zhuǎn)換器利用電容C2將+10V轉(zhuǎn)換為V-輸出端C4上的-10V。</p><p>　　RS-232驅(qū)動器輸出電壓典型的擺幅值為±8V。

72、輸入門限兼容于TTL和CMOS邏輯。未使用的驅(qū)動器輸入端可以不連接，有內(nèi)置的、與VCC相連的400kΩ上拉電阻將未使用驅(qū)動器的輸出端強制為低電平，因為所有驅(qū)動器都是反相的。</p><p>　　3.2.4 報警電路</p><p>　　報警系統(tǒng)在此次設(shè)計中的用處就是系統(tǒng)控制步進電機不超出限定范圍。報警電路如圖3-10所示。</p><p>　　圖3-10 報警電路&

73、lt;/p><p>　　圖3-10中右側(cè)為電路工作模式的選擇接口，使用蜂鳴器當(dāng)做報警器，就要短路帽短接1和2。單片機接受到超標(biāo)的信號后，再輸出到此電路，通過蜂鳴器發(fā)聲告知。電路中電阻主要保護元件避免電流過大而損毀。三極管就相當(dāng)于一個電壓放大器，是單片機的輸出信號放大為蜂鳴器的動作電壓。</p><p>　　3.2.5 鍵盤電路設(shè)計</p><p>　　圖3-11 鍵盤電

74、路</p><p>　　鍵盤在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機輸人數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機的主要手段。用的是3*3矩陣式鍵盤接口，其電路連接如圖3-11所示。為了減少鍵盤與單片機接口時所占用I/O線的數(shù)目，在鍵數(shù)較多時，通常都將鍵盤列成行列矩陣形式。VCC端3個電阻的作用為避免線路中電流過大。</p><p>　　每一水平線（行線）與垂直線（列線）的交叉處不相通，而是通過一個按

75、鍵來連通。利用這種行列矩陣結(jié)構(gòu)只需N條行線和M條列線，即可組成具有N×M個按鍵的鍵盤。</p><p>　　在這種行列矩陣式非編碼鍵盤的單片機系統(tǒng)中，鍵盤處理程序首先執(zhí)行有無鍵按下的程序段，當(dāng)確認有按鍵按下后，下一步就要識別哪一個按鍵被按下。對于鍵的識別常用逐行掃描查詢法。工作原理如下：</p><p>　　首先判別鍵盤中有無鍵按下，由單片機I/O口向鍵盤輸出全掃描字，然后讀入列

76、狀態(tài)來判斷。方法是：向行線輸出全掃描字00H，把全部行置為低電平，然后將列的電平狀態(tài)讀入累加器A中。如果有按鍵按下，總會有一條列電平被拉至低電平，從而使列輸入不全為1。</p><p>　　判斷鍵盤中哪一個鍵被按下是通過將行進行逐行置低電平后，檢查列輸入狀態(tài)實現(xiàn)的。方法是：依次把各行置低電平，然后撿查所有列狀態(tài)，稱行掃描。如果全為1，則所按下的鍵不在此行；如果不全為1，則所按下的鍵必在此行，而且是在與低電平列線相

77、交點上的那個鍵。</p><p>　　行掃描法識別鍵號的工作原理如下：</p><p>　　1）將第0行變?yōu)榈碗娖?，其余行為高電平，輸出編碼為011。然后讀取列的電平，判別第0行是否有鍵按下。在第0行上若有某一鍵按下，則相應(yīng)的列被拉到低電平，則表示第0行和此列相交的位置上有按鍵按下。若沒有任一條列線為低電平，則說明0行上無鍵按下。</p><p>　　2）將第1行變

78、為低電平，其余行為高電平時，輸出編碼為101。然后通過輸入口讀取各列的電平。檢測其中是否有變?yōu)榈碗娖降牧芯€。若有鍵按下，則進而判別哪一列有鍵按下，確定按鍵位置。</p><p>　　3）將第2行變?yōu)榈碗娖?，其余行為高電平時，輸出編碼為110。判別是否有哪一列鍵按下的方法同上。</p><p>　　在掃描過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某行有鍵按下，也就是輸入的列線中有一位為0時，便可判別閉合按鍵所在列的位置

79、，根據(jù)行線位置和列線位置就能判斷按鍵在矩陣中的位置，知道是哪一個鍵按下。</p><p>　　在此指出，按鍵的位置碼并不等于按鍵的實際定義鍵值（或鍵號），因此還須進行轉(zhuǎn)換。這可以借助查表或其他方法完成。這一過程稱為鍵值譯碼，得到的是按鍵的順序編號，然后再根據(jù)按鍵的編號（即0號鍵、1號鍵、2號鍵……9號鍵）來執(zhí)行相應(yīng)的功能子程序，完成按鍵鍵帽上所定義的實際按鍵功能。</p><p>　　3.

80、2.6 步進電機驅(qū)動電路</p><p>　　如圖3-12所示的為步進電機的驅(qū)動電路，采用的是ULN2003A芯片。引腳分別連接步進電機的4個繞組。通過ULN2003A芯片放大驅(qū)動信號，可以是步進電機工作在單相八拍和雙相四拍模式。</p><p>　　圖3-12 步進電機驅(qū)動電路</p><p><b>　　3.3相關(guān)芯片介紹</b></

81、p><p>　　3.3.1 單片機PIC16F877A介紹</p><p>　　PIC（Peripheral Interface Controller）是一種用來開發(fā)控制外圍設(shè)備的集成電路（IC），一種具有分散作用（多任務(wù)）功能的CPU。與人類相比，大腦就是CPU，PIC 共享的部分相當(dāng)于人的神經(jīng)系統(tǒng)。它們的最高操作頻率大約都在20MHz左右，存儲器容量用做寫程序的大約1K—4K字節(jié)。單片機P

82、IC16F877A是由Microchip公司所生產(chǎn)開發(fā)的新產(chǎn)品，屬于PICmicro系列單片微機，具有Flash program程序內(nèi)存功能，可以重復(fù)燒錄程序，適合教學(xué)、開發(fā)新產(chǎn)品等用途；而其內(nèi)建ICD(In Circuit Debug)功能，可以讓使用者直接在單片機電路或產(chǎn)品上，進行如暫停微處理器執(zhí)行、觀看緩存器內(nèi)容等，讓使用者能快速地進行程序除錯與開發(fā)。</p><p>　　如圖3-13為PIC16F877A

83、的40根引腳圖，PDIP是指一般最常見的DIP(Dual In Line Package)包裝，而PIC單片機也有PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier)與QFP(Quad Flat Package)兩種形式的包裝，依照不同的需求，尋找不同的包裝形式。如圖所示，每根接腳都有其特定功能，例如引腳11（VDD）與引腳32（VDD）為正電源接腳，引腳12與引腳31(VSS)為地線接腳；而有些接腳有兩種甚至三種以上功能

84、，例如引腳2(RA0/AN0)代表PORTA的第一個接腳，在系統(tǒng)重置(Reset)后，可自動成為模擬輸入接腳，接收模擬訊號，也可經(jīng)由程序規(guī)劃為數(shù)字輸出輸入接腳。</p><p>　　圖3-13 PIC16F877A的PDIP40引腳說明</p><p>　　PIC16F877屬于內(nèi)嵌功能較多的單片機，除了CPU、POM、RAM、I/O等基本構(gòu)造外，還包括以下各種功能，簡介如下： </

85、p><p>　　A/D converter：模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，最多可以讀取8組模擬輸入訊號。 </p><p>　　CCP：Capture、Compare、PWM，用于控制直流馬達。 </p><p>　　Timer：內(nèi)部定時器，有Timer0、Timer1、Timer2等。 </p><p>　　USART：Universal Sync

86、hronous Asynchronous Receiver Transmitter，同步/異步串行傳輸，如RS232、RS485等。 </p><p>　　MSSP：Master Synchronous Serial Port，兩線式(I2C)與三線式(SPI)標(biāo)準(zhǔn)同步串行傳輸協(xié)定，常用于EEPROM內(nèi)存資料的燒錄與讀取，或是與其它集成電路溝通與聯(lián)系，形成多芯片網(wǎng)絡(luò)。</p><p>　　

87、PIC系單片機與MCS-51系列單片機有一定區(qū)別，應(yīng)該說有三個主要特點[15]： </p><p>　　1)總線結(jié)構(gòu)：MCS-51的總線結(jié)構(gòu)是馮-諾依曼型，計算機在同一個存儲空間取指令和數(shù)據(jù)，兩者不能同時進行；而PIC的總線結(jié)構(gòu)是哈佛結(jié)構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)空間是完全分開的，一個用于指令，一個用于數(shù)據(jù)，由于可以對程序和數(shù)據(jù)同時進行訪問，所以提高了數(shù)據(jù)吞吐率。正因為在PIC系列單片機中采用了哈佛雙總線結(jié)構(gòu)，所以與常見的微控

88、制器不同的一點是：程序和數(shù)據(jù)總線可以采用不同的寬度。數(shù)據(jù)總線都是8位的，但指令總線位數(shù)分別位12、14、16位。 </p><p>　　2)流水線結(jié)構(gòu)：MCS-51的取指和執(zhí)行采用單指令流水線結(jié)構(gòu)，即取一條指令，執(zhí)行完后再取下一條指令；而PIC的取指和執(zhí)行采用雙指令流水線結(jié)構(gòu)，當(dāng)一條指令被執(zhí)行時，允許下一條指令同時被取出，這樣就實現(xiàn)了單周期指令。</p><p>　　3)寄存器組： PIC

89、的所有寄存器，包括I/O口，定時器和程序計數(shù)器等都采用RAM結(jié)構(gòu)形式，而且都只需要一個指令周期就可以完成訪問和操作；而MCS-51需要兩個或兩個以上的周期才能改變寄存器的內(nèi)容。 </p><p>　　當(dāng)今單片機廠商琳瑯滿目，產(chǎn)品性能各異。針對具體情況，我們應(yīng)選何種型號呢？首先，我們來弄清兩個概念：集中指令集（CISC）和精簡指令集（RISC）。采用CISC結(jié)構(gòu)的單片機數(shù)據(jù)線和指令線分時復(fù)用，即所謂馮.諾伊曼結(jié)構(gòu)。

90、它的指令豐富，功能較強，但取指令和取數(shù)據(jù)不能同時進行，速度受限，價格亦高。采用RISC結(jié)構(gòu)的單片機數(shù)據(jù)線和指令線分離，即所謂哈佛結(jié)構(gòu)。這使得取指令和取數(shù)據(jù)可同時進行，且由于一般指令線寬于數(shù)據(jù)線，使其指令較同類CISC單片機指令包含更多的處理信息，執(zhí)行效率更高，速度亦更快。同時，這種單片機指令多為單字節(jié)，程序存儲器的空間利用率大大提高，有利于實現(xiàn)超小型化。</p><p>　　PIC系列單片機有什么優(yōu)勢[17]?&

91、lt;/p><p>　　1)PIC最大的特點是不搞單純的功能堆積，而是從實際出發(fā)，重視產(chǎn)品的性能與價格比，靠發(fā)展多種型號來滿足不同層次的應(yīng)用要求。就實際而言，不同的應(yīng)用采用不同的信號，有些采用I/O較少、RAM及程序存儲空間不大、可靠性較高的小型單片機，若采用40腳且功能強大的單片機，投資大不說，使用起來也不方便。PIC系列從低到高有幾十個型號，可以滿足各種需要。其中，PIC12C508單片機僅有8個引腳，是世界上最

92、小的單片機。該型號有512字節(jié)ROM、25字節(jié)RAM、一個8位定時器、一根輸入線、5根I/O線，市面售價在3－6元人人民幣。這樣一款單片機在象摩托車點火器這樣的應(yīng)用無疑是非常適合。PIC的高檔型號，如PIC16C74（尚不是最高檔型號）有40個引腳，其內(nèi)部資源為ROM共4K、192字節(jié)RAM、8路A/D、3個8位定時器、2個CCP模塊、三個串行口、1個并行口、11個中斷源、33個I/O腳。這樣一個型號可以和其它品牌的高檔型號媲美。<

93、;/p><p>　　2)精簡指令使其執(zhí)行效率大為提高。PIC系列8位CMOS單片機具有獨特的RISC結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)總線和指令總線分離的哈佛總線（Harvard）結(jié)構(gòu)，使指令具有單字長的特性，且允許指令碼的位數(shù)可多于8位的數(shù)據(jù)位數(shù)，這與傳統(tǒng)的采用CISC結(jié)構(gòu)的8位單片機相比，可以達到2：1的代碼壓縮，速度提高4倍。</p><p>　　3)產(chǎn)品上市零等待（Zero time to market）。采

94、用PIC的低價OTP型芯片，可使單片機在其應(yīng)用程序開發(fā)完成后立刻使該產(chǎn)品上市。</p><p>　　4)PIC有優(yōu)越開發(fā)環(huán)境。OTP單片機開發(fā)系統(tǒng)的實時性是一個重要的指標(biāo)，像普通51單片機的開發(fā)系統(tǒng)大都采用高檔型號仿真低檔型號，其實時性不盡理想。PIC在推出一款新型號的同時推出相應(yīng)的仿真芯片，所有的開發(fā)系統(tǒng)由專用的仿真芯片支持，實時性非常好。</p><p>　　5)其引腳具有防瞬態(tài)能力，

95、通過限流電阻可以接至220V交流電源，可直接與繼電器控制電路相連，無須光電耦合器隔離，給應(yīng)用帶來極大方便。</p><p>　　6)徹底的保密性。PIC以保密熔絲來保護代碼，用戶在燒入代碼后熔斷熔絲，別人再也無法讀出，除非恢復(fù)熔絲。目前，PIC采用熔絲深埋工藝，恢復(fù)熔絲的可能性極小。</p><p>　　7)自帶看門狗定時器，可以用來提高程序運行的可靠性。</p><p

96、>　　8)睡眠和低功耗模式。雖然PIC在這方面已不能與新型的TI－MSP430相比，但在大多數(shù)應(yīng)用場合還是能滿足需要的。</p><p>　　目前在世界一些著名的單片機產(chǎn)品系列中，PIC16F877單片機是芯片內(nèi)部包含有外圍設(shè)備模塊數(shù)量最多的單片機品種之一， 芯片內(nèi)部集成12個外圍設(shè)備模塊。</p><p>　　PIC16F877A單片機的一些重要特征[21]：</p>

97、<p>　　1)與中斷功能有關(guān)的特殊功能寄存器共有5個：中斷控制寄存器INTCON、第1外圍設(shè)備中斷標(biāo)志寄存器PIR1、第1外圍設(shè)備中斷屏蔽寄存器（又稱中斷使能寄存器）PIE1、第2外圍設(shè)備中斷標(biāo)志寄存器PIR2和第2外圍設(shè)備中斷屏蔽寄存器PIE2。這5個寄存器都具有在RAM數(shù)據(jù)存儲器中統(tǒng)一編碼的地址。也就是說，PIC單片機可以把這5個特殊寄存器當(dāng)作普通寄存器單元來訪問（即讀出或?qū)懭氩僮鳎?lt;/p><p

98、>　　2)單片機復(fù)位后，由硬件自動對全局中斷屏蔽位進行設(shè)置GIE=0，將屏蔽所有的中斷源。中斷返回指令“RETFIE”執(zhí)行后，也由硬件自動對總屏蔽位進行設(shè)置GIE=1，重新開放所有的中斷源。不論各種中斷屏蔽位和全局中斷屏蔽位GIE處于何種狀態(tài)（是開放還是禁止），當(dāng)某一中斷源的中斷條件滿足時，都會發(fā)出中斷請求，相應(yīng)的中斷標(biāo)志位都會被置位（=1）。但是，是否能夠得到CPU的響應(yīng)，則要根據(jù)該中斷源所涉及到的中斷屏蔽位的狀態(tài)而定。CPU響

99、應(yīng)中斷后，由硬件自動對全局中斷屏蔽位進行清零（GIE=0），屏蔽所有的中斷源，以免發(fā)生重復(fù)中斷響應(yīng)，然后，由硬件自動把當(dāng)前的程序計數(shù)器PC值（即程序斷點地址）壓入堆棧（實際為硬件堆棧），并且把PC寄存器置以中斷向量地址（0004H），從而轉(zhuǎn)向并開始執(zhí)行中斷服務(wù)程序。進入中斷服務(wù)程序后，程序中必須安排指令，檢查發(fā)出請求的中斷源（如果同時開放多個中斷源的話）。這可以通過檢查各個中斷源的標(biāo)志位來實現(xiàn)。一旦確定出發(fā)出申請的中斷源，就用軟件把該中

100、斷源的標(biāo)志位人為地清零，否則，執(zhí)行中斷返回指令“RETFIE”。重開中斷后，由于中斷標(biāo)志位仍為“1”而引起CPU重復(fù)響應(yīng)同一個中斷請</p><p>　　3)另外，PIC單片機中采用的是硬件堆棧結(jié)構(gòu)。其好處是既不占用程序存儲器空間，也不占用數(shù)據(jù)存儲器空間，同時也不需用戶去操作堆棧指針；但此時也帶來1個不可回避的弱點，即不具備像其他單片機指令系統(tǒng)中的壓棧（PUSH）和出棧（POP）指令那樣，實現(xiàn)中斷現(xiàn)場的保護會麻煩

101、一些，并且占用的處理時間也相應(yīng)多一點。</p><p>　　3.3.2 MAX232芯片</p><p>　　MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的接口電路,使用+5V單電源供電。內(nèi)部結(jié)構(gòu)基本可分三個部分：第一部分是電荷泵電路，由引腳1、2、3、4、5、6和4個電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+10V和-10V兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要。第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通

102、道，由引腳7、8、9、10、11、12、13、14構(gòu)成兩個數(shù)據(jù)通道。其中引腳13（R1IN）、12（R1OUT）、11（T1IN）、14（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。引腳8（R2IN）、9（R2OUT）、10（T2IN）、7（T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)

103、據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。第三部分是供電。15腳GND、16腳VCC（+5V）。</p><p>　　3.3.3 ULN2003A芯片</p><p>　　圖3-14 ULN2003A邏輯圖</p><p>　　ULN2003A為高電壓，大電流的達林頓晶體管陣列。由七個NPN達林頓管其功能為高電壓輸出同共陰極鉗位二極管一起開關(guān)電感性負載。一個單一的達林頓管的

104、集電極電流額定值為500mA。達林頓管能并行更高的電流能力。應(yīng)用區(qū)域包括繼電器驅(qū)動器，錘驅(qū)動器，燈驅(qū)動器，顯示驅(qū)動器（LED和氣體放電），線路驅(qū)動器和邏輯緩沖器。</p><p>　　同時，ULN2003A也是一個7路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時ULN2003A輸出端為低電平，當(dāng)輸入端為低電平時ULN2003A輸出端為高電平，繼電器得電吸合。如圖3-14所示為ULN2003A邏輯圖。</p>&

105、lt;p><b>　　3.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章是對運動控制器硬件設(shè)計的進一步介紹。其硬件部分由多個模塊組成，各模塊在硬件設(shè)計中充當(dāng)什么角色，并有什么樣的功能，以及各模塊中重要的組成元件都在本章中作了介紹。</p><p><b>　　4結(jié)論</b></p><p><b>　　4.1

106、取得成果</b></p><p>　　經(jīng)過努力，實現(xiàn)了單個步進電機的運轉(zhuǎn)。如圖4-1、4-2、4-3，這3個圖分別顯示了X軸、Y軸、Z軸方向步進電機所走的步數(shù)，液晶屏上顯示的哪個方向的步進電機，數(shù)碼管表示的是前進的步數(shù)。</p><p><b>　　圖4-1 X軸方向</b></p><p><b>　　圖4-2 Y軸方向

107、</b></p><p><b>　　圖4-3 Z軸方向</b></p><p><b>　　4.2總結(jié) </b></p><p>　　本設(shè)計是三維運動平臺控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。完成了單片機最小系統(tǒng)的搭建、鍵盤電路的設(shè)計、系統(tǒng)電源的電路設(shè)計、串行口的設(shè)計以及步進電機驅(qū)動電路接口設(shè)計。最后經(jīng)過同組成員一起調(diào)試，基本