三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)【畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p><b>　　（20_ _屆）</b></p><p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 電氣工程及其自動(dòng)

2、化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </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(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)是一套對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)進(jìn)行了一定的研究。介紹了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r及前景。 </p><p>　　本設(shè)計(jì)是三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(bào)警電路以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。并對(duì)各功能模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)和說明。整個(gè)硬件電路運(yùn)行的過程是：

4、首先通過串行口在PC機(jī)中下載程序到單片機(jī)PIC61F877A，電路通電，鍵盤輸入命令，單片機(jī)PIC16F877A程序執(zhí)行，輸出控制信號(hào)到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，在液晶面板上顯示步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行動(dòng)作的數(shù)據(jù)。</p><p>　　此次設(shè)計(jì)基本實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，可以使單個(gè)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作。</p><p>　　關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)，單片機(jī)，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(yùn)動(dòng)控制技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展2</p><p>　　1.2.1 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展歷程2</p><p>　　1.2.2 運(yùn)動(dòng)控制器的研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2.3 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

12、的發(fā)展趨勢(shì)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)硬件整體框架設(shè)計(jì)6</p><p>　　2.1運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成6</p><p>　　2.2設(shè)計(jì)方案研究6</

13、p><p>　　2.3系統(tǒng)硬件整體框架設(shè)計(jì)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(gè)組成部分9</p><p>　　3.2.1

14、單片機(jī)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(bào)警電路15</p><p>　　3.2.5 鍵盤電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.2.6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路17</p><p>　　3.

15、3相關(guān)芯片介紹17</p><p>　　3.3.1 單片機(jī)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(xiàn)25</b></p><p>　　致謝錯(cuò)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(yùn)動(dòng)控制(Motion Control)是由電力拖動(dòng)發(fā)展而來的，電力拖動(dòng)或電氣傳動(dòng)是對(duì)以電動(dòng)機(jī)為對(duì)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(dòng)控制的概念已經(jīng)不能充分地概括現(xiàn)代自動(dòng)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(guó)際上開始出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(Motion Control Syste

18、m)這一術(shù)語。</p><p>　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備-電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以控制器為核心，以電力電子、功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求。運(yùn)動(dòng)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(dòng)控制技術(shù)、微機(jī)應(yīng)用技術(shù)的最新發(fā)展成果。正是這些技術(shù)的進(jìn)步使運(yùn)動(dòng)控制技

19、術(shù)在近20年內(nèi)發(fā)生了很大的變化。</p><p>　　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要是電動(dòng)機(jī)的控制。在電氣時(shí)代，電動(dòng)機(jī)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(yùn)輸、國(guó)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(fèi)電子產(chǎn)品中，都大量使用著各種各樣的電動(dòng)機(jī)。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，在所有的動(dòng)力源中，90％以上來自電動(dòng)機(jī)；同樣的，我國(guó)生產(chǎn)的電能中有60％以上是用于電動(dòng)機(jī)[1]。</p>&

20、lt;p>　　隨著計(jì)算機(jī)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(dá)國(guó)家的機(jī)電一體化產(chǎn)品層出不窮，運(yùn)動(dòng)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(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力等方面起著巨大的作用。在機(jī)電一體化技術(shù)迅速發(fā)展的同時(shí)，運(yùn)動(dòng)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(qiáng)勁的市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)外各個(gè)廠家相繼推出運(yùn)動(dòng)控制的新技術(shù)、新產(chǎn)品。</p><p>　　三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)是一套對(duì)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)是現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，它在機(jī)械加工、工程測(cè)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(chǎng)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)在性能指標(biāo)和價(jià)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(jiǎn)單控制、低成本的三維驅(qū)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用前景[2]。</p><p>　　1.2運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展</p><

22、p>　　1.2.1 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展歷程</p><p>　　運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展過程。具體來說大概經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段[3]：</p><p>　　1）模擬控制系統(tǒng)：早期的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)一般采用運(yùn)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(shí)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：這里的微處理器指的是8位或16位的單片機(jī)，系統(tǒng)電路比較簡(jiǎn)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(jī)系統(tǒng)比較復(fù)雜，軟件編程的難度較大。同時(shí)，一般單片機(jī)的集成度較低，片上不具備運(yùn)動(dòng)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(yùn)算量較大的實(shí)時(shí)信號(hào)處理的需要，難以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制算法，如預(yù)測(cè)控制等。</p><p>　　3）在通用計(jì)算機(jī)上用軟件實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：在通用計(jì)算機(jī)上，利用高級(jí)語言編制相關(guān)的控制軟件，配合驅(qū)動(dòng)控制板、與計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)交換的接口板，就可以構(gòu)成一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。這種實(shí)現(xiàn)方法利用計(jì)算機(jī)的高

25、速度、強(qiáng)大運(yùn)算能力和方便的編程環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)高性能、高精度、復(fù)雜的控制算法；同時(shí)，控制軟件的修改也很方便。然而，這種實(shí)現(xiàn)方式的一個(gè)缺點(diǎn)在于系統(tǒng)體積過大，難以應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)；而且，由于通用計(jì)算機(jī)本身的限制，難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性要求較高的信號(hào)處理算法。</p><p>　　4）利用專用芯片實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：為了簡(jiǎn)化電動(dòng)機(jī)模擬控制系統(tǒng)的電路，同時(shí)保持系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，一些公司推出了專用電動(dòng)機(jī)控制芯片，如Ti公司的ucc36

26、26，NOVA公司的MCx314等。利用專用電機(jī)控制芯片構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)兩種實(shí)現(xiàn)方式的長(zhǎng)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(diǎn)，是目前應(yīng)用最廣的一種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)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(diǎn)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(kuò)展能力。(2)受芯片制

27、造工藝的限制，在現(xiàn)有的電動(dòng)機(jī)專用控制芯片中所實(shí)現(xiàn)的算法一般都是比較簡(jiǎn)單的。(3)由于用戶不能對(duì)專用芯片進(jìn)行編程，因此，很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的升級(jí)。</p><p>　　5）以可編程邏輯器件為核心構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：這種控制系統(tǒng)是將運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)最終的運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)，減少了所需的元器件個(gè)數(shù)，縮小了系統(tǒng)體積。由于系統(tǒng)以硬件實(shí)現(xiàn)，

28、響應(yīng)速度快，可實(shí)現(xiàn)并行處理。而且開發(fā)工具齊全，容易掌握，通用性強(qiáng)。盡管可編程邏輯器件可實(shí)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(jià)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(shí)現(xiàn)較簡(jiǎn)單的控制算法，構(gòu)成較簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。</p><p>　　6）以DSP控制器為核心構(gòu)成的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)：DSP(Digtal

29、sigal Ppocessing，數(shù)字信號(hào)處理)芯片既集成了極強(qiáng)的數(shù)字信號(hào)處理能力又集成了電機(jī)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(shí)鐘頻率達(dá)到20MHz以上，一個(gè)指令周期才50ns，而且一個(gè)周期可以同時(shí)執(zhí)行幾條指令。指令大多設(shè)計(jì)為單周期多功能，如MAc一個(gè)周期就完成乘加運(yùn)算。DSP強(qiáng)大的運(yùn)算功能使其在控制中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，例如實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要基于采用DSP的專用硬件設(shè)計(jì)。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(jī)為硬件平臺(tái)，以DOS或Windows為軟件平臺(tái)，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(jī)發(fā)揮更大的作用。以PC機(jī)作為信息處理平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)控制器以插卡形式嵌入PC機(jī)，即PC+運(yùn)動(dòng)控制器的模式。這樣將PC機(jī)的信息處理能力和開放式的特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力有機(jī)地結(jié)合在一起，具有信息處理能力強(qiáng)、開放程度高、運(yùn)

31、動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好的特點(diǎn)。這類運(yùn)動(dòng)控制器通常都能提供多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制與復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、實(shí)時(shí)的插補(bǔ)運(yùn)算、誤差補(bǔ)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(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，方便運(yùn)動(dòng)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(jìn)行個(gè)性化的定制，形成獨(dú)特的產(chǎn)品。能同時(shí)控制多軸，有的還包含了運(yùn)動(dòng)軌跡插補(bǔ)算法及包含有前饋補(bǔ)償功能的PID算法，這為多軸的伺服電機(jī)的控制帶來極大的方便。</p><p&

32、gt;　　1.2.2 運(yùn)動(dòng)控制器的研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前，運(yùn)動(dòng)控制器生產(chǎn)廠商提供的運(yùn)動(dòng)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(chǔ)器、編碼器信號(hào)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(chǔ)器中的程序?qū)崿F(xiàn)。此方案成本相對(duì)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(jì)工作量大，在一些只需要低速點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制和對(duì)軌跡要求不高的輪廓運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合應(yīng)用。</p><p>　　2）以專用芯片(ASIC)作為核心處理器的運(yùn)動(dòng)控制器。常用的專用電機(jī)控制芯片有LM628、MAX314、HCPLIi00等，用一個(gè)芯片即完成速度曲線規(guī)劃、PID伺服控制算法、編碼器信號(hào)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(jī)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(jī)用指令很方便的修改。但由于數(shù)據(jù)傳輸速度、運(yùn)算速度的限制，復(fù)雜的控制算法和功能很難實(shí)現(xiàn)。這類控制器對(duì)單軸的點(diǎn)位控制場(chǎng)合是基本滿足要求，但對(duì)于要求多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)和高速軌跡插補(bǔ)控制的設(shè)備，這類運(yùn)動(dòng)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(bǔ)算法通常都采用逐點(diǎn)比較法，插補(bǔ)的精度也不高，特別是對(duì)于如模具雕刻這樣的需要大量的小線段連續(xù)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)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(yùn)動(dòng)控制器。以PC機(jī)作為信息處理平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)控制器以插卡形式嵌入PC機(jī)，即PC+運(yùn)動(dòng)控制器的模式。這樣將PC機(jī)的信息處理能力和開放式的特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力有機(jī)地結(jié)合在一起，具有信息處理能力強(qiáng)、開放程度高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好的特點(diǎn)。這類運(yùn)動(dòng)控制器通常都能提供多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制與復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、實(shí)時(shí)的插補(bǔ)運(yùn)算、誤差補(bǔ)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(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，方便運(yùn)動(dòng)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(jìn)行個(gè)性化的定制，形成獨(dú)特的產(chǎn)品。能同時(shí)控制多軸，有的還包含了運(yùn)動(dòng)軌跡插補(bǔ)算法及包含有前饋補(bǔ)償功能的PID算法，這為多軸的伺服電機(jī)的控制帶來極大的方便。</p><p>　　然而開放式運(yùn)動(dòng)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(guó)的PMAC、Galil等運(yùn)動(dòng)控制器，國(guó)內(nèi)最成熟的是深圳

37、固高公司的系列控制器。這些運(yùn)動(dòng)控制器的特點(diǎn)有：</p><p>　　1）均以PC機(jī)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(tái)下工作，可使用VB、％++、Delphi等高級(jí)語言進(jìn)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(shí)時(shí)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(dòng)系統(tǒng)，具有直線和圓弧插補(bǔ)功能；</p><p>　　5）均可進(jìn)行位置及速度控制，在啟動(dòng)和停止階段具有加速度控制，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征；</p><p>　　6）可對(duì)交、直流伺服電機(jī)及液壓伺服馬達(dá)進(jìn)行控制。</p><p>　　1.2.3 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　

39、從自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展歷程，可以看到，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)總的發(fā)展方向是高精度、高速度。細(xì)分一下可以分為以下三個(gè)方面[5]：</p><p>　　1）數(shù)字化：從運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可滿足任意場(chǎng)合的需要，是運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)一個(gè)重要的發(fā)展方向。運(yùn)動(dòng)控制器從最初的單片機(jī)或微處理器作為核心的運(yùn)動(dòng)控制器和以專用芯片(ASIc)作為核心處理器的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)控制器，運(yùn)動(dòng)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(jìn)運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)單而又靈活，同時(shí)為聯(lián)網(wǎng)提供了可能。隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和系統(tǒng)復(fù)雜性的提高，單機(jī)的控制系統(tǒng)越來越少，取而代之的是大規(guī)模的多機(jī)協(xié)同工作的高度自動(dòng)化的復(fù)雜系統(tǒng)，這就需要計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的支持，傳動(dòng)設(shè)備

41、及控制器作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)聯(lián)到現(xiàn)場(chǎng)總線或工業(yè)控制網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)集中的或分散的生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)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(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的各個(gè)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(cè)器和辨識(shí)技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制器系統(tǒng)采用單片機(jī)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(jiǎn)單的空間運(yùn)動(dòng)功能，具有操作簡(jiǎn)單的人機(jī)界面。具體要求如下： </p><p>　　1、系統(tǒng)硬件的整體框架設(shè)計(jì)。 </p><p>　　2、主控部分與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的硬件接口設(shè)計(jì)。 </p><p>　　3、單片機(jī)最小系統(tǒng)的搭建。 </p&

43、gt;<p>　　4、LCD，鍵盤，報(bào)警等驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。 </p><p><b>　　1.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的概念作了簡(jiǎn)要的概述，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展作了簡(jiǎn)單介紹，并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)作了說明。</p><p>　　2三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)硬件整體框架設(shè)計(jì)</p><p>

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

45、泵、線性執(zhí)行機(jī)或電機(jī)用做輸出運(yùn)動(dòng)。一個(gè)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(shí)現(xiàn)和位置控制環(huán)的閉合。機(jī)械部件用做將執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換為控制信號(hào)要求的運(yùn)動(dòng)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(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的功能包括：速度控制、點(diǎn)位控制。如圖2-1所示，就是一個(gè)最普通的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖2-1 運(yùn)動(dòng)

46、控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　運(yùn)動(dòng)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(gè)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(yùn)動(dòng)控制器是以中央邏輯控制單元(單片機(jī))為核心、以傳感器為信號(hào)敏感元件、以電機(jī)或動(dòng)力裝置和執(zhí)行單元為控制對(duì)象的一種控制裝置。</p><p><b>　　2.2設(shè)計(jì)方案研究</b></p><p>

47、;　　本課題設(shè)計(jì)的是三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)。所謂三維即X軸、Y軸、Z軸三個(gè)方向，每個(gè)方向都應(yīng)有一個(gè)步進(jìn)電機(jī)去是運(yùn)動(dòng)平臺(tái)動(dòng)作，每個(gè)步進(jìn)電機(jī)都需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路去放大控制信號(hào)，那么控制器就要有三個(gè)輸出接口。關(guān)于器件型號(hào)的選擇會(huì)在后面進(jìn)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(hào)，再經(jīng)過邏輯運(yùn)算輸出電信號(hào)，再通過步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路放大電信號(hào)使步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作。</p><p>　　2.3系統(tǒng)硬件整體框架設(shè)計(jì)<

48、/p><p>　　運(yùn)動(dòng)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(jī)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?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)1、Y軸方向?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)2、Z軸方向?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)3。</p><p>　　圖2-2硬件整體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　首先是通過串行口與PC機(jī)通訊，把編好的程序下載到單片機(jī)的儲(chǔ)存器中。接著通過外

49、接電源是整個(gè)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(jī)經(jīng)過運(yùn)算輸出控制信號(hào)，再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路放大電信號(hào)是步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。顯示界面的主要作用是可以客觀的看到步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)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(gè)設(shè)計(jì)組成的模塊，并對(duì)各個(gè)模塊的組成和模塊的功能做了簡(jiǎn)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(jì)是三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中最為重要的環(huán)節(jié)，是整個(gè)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(jì)。本章將著重介紹整個(gè)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(jì)方案畫出各功能模塊的實(shí)際框圖

51、。如圖3-1所示為實(shí)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(jī)用線連接，而是在每個(gè)功能模塊中在引腳的外端都用紅色的文字進(jìn)行了標(biāo)注。</p><p>　　3.2整體系統(tǒng)各個(gè)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：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、顯示模塊、串口模塊、報(bào)警電路、鍵盤模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　3.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p>　　本設(shè)計(jì)中用的是PIC單片機(jī)，型號(hào)為PIC16F877A。由單片機(jī)PIC16F877A、晶振電路和復(fù)位電路三部分組成。單片機(jī)PIC16F877A作為核心控制器控制著整個(gè)系統(tǒng)的工作，而時(shí)鐘電路負(fù)

53、責(zé)產(chǎn)生單片機(jī)工作所必需的時(shí)鐘信號(hào)，復(fù)位電路使得單片機(jī)能夠正常、有序、穩(wěn)定地工作。</p><p>　　在實(shí)際開發(fā)板上，所有的引腳都預(yù)留出來，各個(gè)引腳完全獨(dú)立出來，均通過短接帽來連接各個(gè)外圍電路，從而也實(shí)現(xiàn)了“萬能”，可以根據(jù)實(shí)際需要使用引腳，省去了焊接元件的部分，即實(shí)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(jī)兩遍的相當(dāng)于是重新把單片機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)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(jī)的1（VPP）引腳，按下Reset鍵即可使單片機(jī)復(fù)位，內(nèi)部指令重頭開始執(zhí)行，系統(tǒng)重新運(yùn)作。</p><p>　　另外，單片機(jī)PIC16F877A的工作電壓為5V，則外接電源連接單片機(jī)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(jī)PIC16F877A除了上述基本電路所占用的7

57、個(gè)引腳外，其余的33個(gè)引腳都可當(dāng)成輸出、輸入引腳，輸入輸出端口是單片機(jī)基本界面，可以與周邊電路進(jìn)行電路控制和信號(hào)傳輸與檢測(cè)。PIC單片機(jī)是8位單片機(jī)，以引腳特性分組，每組盡量湊滿8個(gè)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(gè)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(dòng)成為模擬輸入狀態(tài)，可讀取模擬輸入信號(hào)。 </p><p>　　PORTB：PIC16F877A的PORTB總共有8個(gè)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(jìn)行燒錄時(shí)，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(gè)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(dá)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(gè)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(jī)時(shí)，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(gè)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(gè)筆劃段A-H 同名端連在一起，而每一個(gè)顯示器的公共極COM 是各自獨(dú)立地受單片機(jī)I/O口控制。需要使哪一位顯示就直接通過單片機(jī)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(jìn)電機(jī)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(gè)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(gè)三極管共發(fā)射極連接VCC電源，通過單片機(jī)控制4個(gè)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(jì)所用LCD液晶面板為深

63、圳漢昇實(shí)業(yè)有限公司的LCD12864，與單片機(jī)接口如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-6中，左側(cè)為L(zhǎng)CD12864C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(jī)接口</p><p>　　各個(gè)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(duì)比度調(diào)整端,接正電源時(shí)對(duì)比度最弱,接地電源時(shí)對(duì)比度最高,對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生重影,

65、使用時(shí)可以通過一個(gè)10K 的電位器調(diào)整對(duì)比度。</p><p>　　4 腳：D/I 為寄存器選擇,高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。</p><p>　　5 腳：WR 讀寫信號(hào)線,高電平時(shí)進(jìn)行讀操作,低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)D/I和WR共同為低電平時(shí)可以寫入指令或 顯示地址,當(dāng)D/I為低電平WR高電平時(shí)可以讀忙信號(hào),當(dāng)D/I為高電平WR低電平時(shí)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(shí),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(jì)用的是PIC單片機(jī)，它與51單片機(jī)還是有區(qū)別的，51系列的STC單片機(jī)支持串口的ISP下載程序，PIC單片機(jī)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(jī)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(jī)輸入

69、、輸出電平為TTL電平，而IBM-PC機(jī)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(jī)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信，必須進(jìn)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(jī)的發(fā)送端TXD，則PC機(jī)的RS-232的接收端RXD一定要對(duì)應(yīng)接T1 OUT引腳。同時(shí)，R1 OUT接單片機(jī)的RXD引腳，PC機(jī)的RS-232的發(fā)送端TXD對(duì)應(yīng)

70、接R1 IN引腳。圖3-8中所示為另外一路，即與單片機(jī)發(fā)送端TXD相連的是MAX232芯片上的T2 IN引腳，與PC機(jī)的RS-232接收端RXD接的是T2 OUT引腳。相反，R2 OUT引腳接單片機(jī)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(gè)電容的電

71、容值均為1.0uF。它包含4個(gè)部分：雙路電荷泵DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器、RS-232驅(qū)動(dòng)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(dòng)器提供工作電壓。第一個(gè)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(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)器的輸出端強(qiáng)制為低電平，因?yàn)樗序?qū)動(dòng)器都是反相的。</p><p>　　3.2.4 報(bào)警電路</p><p>　　報(bào)警系統(tǒng)在此次設(shè)計(jì)中的用處就是系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)不超出限定范圍。報(bào)警電路如圖3-10所示。</p><p>　　圖3-10 報(bào)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(bào)警器，就要短路帽短接1和2。單片機(jī)接受到超標(biāo)的信號(hào)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(hù)元件避免電流過大而損毀。三極管就相當(dāng)于一個(gè)電壓放大器，是單片機(jī)的輸出信號(hào)放大為蜂鳴器的動(dòng)作電壓。</p><p>　　3.2.5 鍵盤電路設(shè)計(jì)</p><p>　　圖3-11 鍵盤電

74、路</p><p>　　鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸人數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)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(jī)接口時(shí)所占用I/O線的數(shù)目，在鍵數(shù)較多時(shí)，通常都將鍵盤列成行列矩陣形式。VCC端3個(gè)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(gè)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(gè)按鍵的鍵盤。</p><p>　　在這種行列矩陣式非編碼鍵盤的單片機(jī)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(rèn)有按鍵按下后，下一步就要識(shí)別哪一個(gè)按鍵被按下。對(duì)于鍵的識(shí)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(jī)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(huì)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(gè)鍵被按下是通過將行進(jìn)行逐行置低電平后，檢查列輸入狀態(tài)實(shí)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(diǎn)上的那個(gè)鍵。</p><p>　　行掃描法識(shí)別鍵號(hào)的工作原理如下：</p><p>　　1）將第0行變?yōu)榈碗娖剑溆嘈袨楦唠娖?，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(shí)，輸出編碼為101。然后通過輸入口讀取各列的電平。檢測(cè)其中是否有變?yōu)榈碗娖降牧芯€。若有鍵按下，則進(jìn)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(shí)，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(shí)，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(gè)鍵按下。</p><p>　　在此指出，按鍵的位置碼并不等于按鍵的實(shí)際定義鍵值（或鍵號(hào)），因此還須進(jìn)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(hào)，然后再根據(jù)按鍵的編號(hào)（即0號(hào)鍵、1號(hào)鍵、2號(hào)鍵……9號(hào)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(shí)際按鍵功能。</p><p>　　3.

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

81、p><p>　　3.3.1 單片機(jī)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(chǔ)器容量用做寫程序的大約1K—4K字節(jié)。單片機(jī)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(jī)，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(jī)電路或產(chǎn)品上，進(jìn)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(jìn)行程序除錯(cuò)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(jī)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(gè)接腳，在系統(tǒng)重置(Reset)后，可自動(dòng)成為模擬輸入接腳，接收模擬訊號(hào)，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(jī)，除了CPU、POM、RAM、I/O等基本構(gòu)造外，還包括以下各種功能，簡(jiǎn)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(hào)。 </p><p>　　CCP：Capture、Compare、PWM，用于控制直流馬達(dá)。 </p><p>　　Timer：內(nèi)部定時(shí)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(jī)與MCS-51系列單片機(jī)有一定區(qū)別，應(yīng)該說有三個(gè)主要特點(diǎn)[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(jì)算機(jī)在同一個(gè)存儲(chǔ)空間取指令和數(shù)據(jù)，兩者不能同時(shí)進(jìn)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(gè)用于指令，一個(gè)用于數(shù)據(jù)，由于可以對(duì)程序和數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)行訪問，所以提高了數(shù)據(jù)吞吐率。正因?yàn)樵赑IC系列單片機(jī)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(diǎn)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(shí)，允許下一條指令同時(shí)被取出，這樣就實(shí)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(shí)器和程序計(jì)數(shù)器等都采用RAM結(jié)構(gòu)形式，而且都只需要一個(gè)指令周期就可以完成訪問和操作；而MCS-51需要兩個(gè)或兩個(gè)以上的周期才能改變寄存器的內(nèi)容。 </p><p>　　當(dāng)今單片機(jī)廠商琳瑯滿目，產(chǎn)品性能各異。針對(duì)具體情況，我們應(yīng)選何種型號(hào)呢？首先，我們來弄清兩個(gè)概念：集中指令集（CISC）和精簡(jiǎn)指令集（RISC）。采用CISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)數(shù)據(jù)線和指令線分時(shí)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(qiáng)，但取指令和取數(shù)據(jù)不能同時(shí)進(jìn)行，速度受限，價(jià)格亦高。采用RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)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(shí)進(jìn)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(jī)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(shí)，這種單片機(jī)指令多為單字節(jié)，程序存儲(chǔ)器的空間利用率大大提高，有利于實(shí)現(xiàn)超小型化。</p><p>　　PIC系列單片機(jī)有什么優(yōu)勢(shì)[17]?&

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

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

93、;/p><p>　　2)精簡(jiǎn)指令使其執(zhí)行效率大為提高。PIC系列8位CMOS單片機(jī)具有獨(dú)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(zhǎng)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(jī)相比，可以達(dá)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(jià)OTP型芯片，可使單片機(jī)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(jī)開發(fā)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是一個(gè)重要的指標(biāo)，像普通51單片機(jī)的開發(fā)系統(tǒng)大都采用高檔型號(hào)仿真低檔型號(hào)，其實(shí)時(shí)性不盡理想。PIC在推出一款新型號(hào)的同時(shí)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(shí)時(shí)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(hù)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(shí)器，可以用來提高程序運(yùn)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(chǎng)合還是能滿足需要的。</p><p>　　目前在世界一些著名的單片機(jī)產(chǎn)品系列中，PIC16F877單片機(jī)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(jī)品種之一， 芯片內(nèi)部集成12個(gè)外圍設(shè)備模塊。</p><p>　　PIC16F877A單片機(jī)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(gè)：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(gè)寄存器都具有在RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中統(tǒng)一編碼的地址。也就是說，PIC單片機(jī)可以把這5個(gè)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(jī)復(fù)位后，由硬件自動(dòng)對(duì)全局中斷屏蔽位進(jìn)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(dòng)對(duì)總屏蔽位進(jìn)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(shí)，都會(huì)發(fā)出中斷請(qǐng)求，相應(yīng)的中斷標(biāo)志位都會(huì)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(dòng)對(duì)全局中斷屏蔽位進(jìn)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(dòng)把當(dāng)前的程序計(jì)數(shù)器PC值（即程序斷點(diǎn)地址）壓入堆棧（實(shí)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(jìn)入中斷服務(wù)程序后，程序中必須安排指令，檢查發(fā)出請(qǐng)求的中斷源（如果同時(shí)開放多個(gè)中斷源的話）。這可以通過檢查各個(gè)中斷源的標(biāo)志位來實(shí)現(xiàn)。一旦確定出發(fā)出申請(qǐng)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(gè)中斷請(qǐng)</p><p>　　3)另外，PIC單片機(jī)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(chǔ)器空間，也不占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，同時(shí)也不需用戶去操作堆棧指針；但此時(shí)也帶來1個(gè)不可回避的弱點(diǎn)，即不具備像其他單片機(jī)指令系統(tǒng)中的壓棧（PUSH）和出棧（POP）指令那樣，實(shí)現(xiàn)中斷現(xiàn)場(chǎng)的保護(hù)會(huì)麻煩

101、一些，并且占用的處理時(shí)間也相應(yīng)多一點(diǎn)。</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(jì)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(gè)部分：第一部分是電荷泵電路，由引腳1、2、3、4、5、6和4個(gè)電容構(gòu)成。功能是產(chǎn)生+10V和-10V兩個(gè)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(gè)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(dá)林頓晶體管陣列。由七個(gè)NPN達(dá)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(fù)載。一個(gè)單一的達(dá)林頓管的

104、集電極電流額定值為500mA。達(dá)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(dòng)器，錘驅(qū)動(dòng)器，燈驅(qū)動(dòng)器，顯示驅(qū)動(dòng)器（LED和氣體放電），線路驅(qū)動(dòng)器和邏輯緩沖器。</p><p>　　同時(shí)，ULN2003A也是一個(gè)7路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時(shí)ULN2003A輸出端為低電平，當(dāng)輸入端為低電平時(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)控制器硬件設(shè)計(jì)的進(jìn)一步介紹。其硬件部分由多個(gè)模塊組成，各模塊在硬件設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了單個(gè)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。如圖4-1、4-2、4-3，這3個(gè)圖分別顯示了X軸、Y軸、Z軸方向步進(jìn)電機(jī)所走的步數(shù)，液晶屏上顯示的哪個(gè)方向的步進(jìn)電機(jī)，數(shù)碼管表示的是前進(jìn)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(jì)是三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。完成了單片機(jī)最小系統(tǒng)的搭建、鍵盤電路的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)電源的電路設(shè)計(jì)、串行口的設(shè)計(jì)以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路接口設(shè)計(jì)。最后經(jīng)過同組成員一起調(diào)試，基本