三維運動平臺控制系統(tǒng)的軟件設(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)的軟件設(shè)計</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 測控技術(shù)與儀

2、器 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p

3、><p>　　在現(xiàn)代工業(yè)中，大量存在著對運動機構(gòu)進行運動軌跡、速度等精確控制的需求。三維運動平臺在機械加工、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，本文設(shè)計了一種以單片機PIC16F877A為控制中心的三維運動平臺控制系統(tǒng)，首先介紹了目前國內(nèi)外運動控制的研究現(xiàn)狀，接著對本控制系統(tǒng)的核心器件——PIC16F877A單片機進行了較詳細的介紹，在介紹系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)上，介紹了組成芯片的結(jié)構(gòu)、功能及特點。本文中

4、對控制軟件進行了需求分析，重點完成了系統(tǒng)的軟件設(shè)計，設(shè)計并完成了各個模塊的功能。本系統(tǒng)利用PIC16F877A單片機芯片的優(yōu)良特性，通過按鍵選擇平臺的運動方向和位移及控制步進電機的運轉(zhuǎn)，通過LCD顯示運動方向，數(shù)碼管顯示位移。達到了軟件運行成功并在實物上實現(xiàn)的目標。</p><p>　　關(guān)鍵詞：三維運動平臺、軟件設(shè)計、PIC16F877A單片機</p><p>　　Three-dimens

5、ional motion platform control system’software design</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In modern industry,there are a lot of precise control’s requirements for movement mechanism and

6、 its speed. Three-dimensional motion platform has a very wide range of applications in many areas,such as in machining, engineering test, medical and other manufacturing industries. This paper introduces a design of thre

7、e-dimensional motion platform which makes PIC16F877A MCU as its control center，firstly introduces the current research status of motion control at home and abroad, and then gives a deta</p><p>　　Keywords: Th

8、ree-dimensional motion platform, control, PIC16F877A single-chip microcomputer </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><

9、;p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1課題的來源1</p><p>　　1.2課題的意義1</p><p>　　1.3 運動控制國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3.1 運動控制的國外研究現(xiàn)狀2</p><p>　　1.3.2 運動控制的國內(nèi)研究現(xiàn)

10、狀2</p><p>　　1.4課題內(nèi)容和研究方案的確定3</p><p>　　1.4.1 研究內(nèi)容3</p><p>　　1.4.2研究方案3</p><p>　　1.5 本章小結(jié)3</p><p>　　2 PIC單片機主機原理概述4</p><p>　　2.1單片機芯片選擇4&

11、lt;/p><p>　　2.2 PIC系列單片機的結(jié)構(gòu)和性能特點7</p><p>　　2.2.1 PIC系列單片機的結(jié)構(gòu)和性能7</p><p>　　2.2.2 PIC16F877A單片機的特點9</p><p><b>　　2.2本章小結(jié)9</b></p><p>　　3各模塊硬件電路設(shè)計

12、10</p><p>　　3.1 PIC單片機在系統(tǒng)應(yīng)用中的優(yōu)勢10</p><p>　　3.2 鍵盤電路設(shè)計10</p><p>　　3.2 LCD液晶顯示電路設(shè)計11</p><p>　　3.3 LED數(shù)碼管電路設(shè)計13</p><p>　　3.4步進電機驅(qū)動電路設(shè)計13</p><

13、p>　　3.5 本章小結(jié)14</p><p>　　4系統(tǒng)軟件設(shè)計15</p><p>　　4.1開發(fā)環(huán)境及編程語言的選擇15</p><p>　　4.2需求分析15</p><p>　　4.3總體設(shè)計16</p><p>　　4.3.1系統(tǒng)設(shè)計原理16</p><p>　　4.

14、4編程實現(xiàn)17</p><p>　　4.4.1 初始化子程序17</p><p>　　4.4.2鍵盤按鍵程序設(shè)計18</p><p>　　4.4.3 LCD液晶顯示程序設(shè)計21</p><p>　　4.4.4步進電機驅(qū)動程序設(shè)計22</p><p>　　4.5 本章小結(jié)23</p><p

15、>　　5系統(tǒng)軟硬件調(diào)試24</p><p><b>　　6 結(jié)論27</b></p><p><b>　　參考文獻28</b></p><p>　　致謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p><

16、;b>　　1.1課題的來源</b></p><p>　　在現(xiàn)代工業(yè)自動化、辦公自動化、家庭自動化和國防自動化中，大量存在著對運動機構(gòu)進行運動軌跡、速度等精確控制的需求。例如，工業(yè)應(yīng)用方面，各種數(shù)控機床、加工中心、工業(yè)機器人、軋機傳動等控制；計算機軟硬盤驅(qū)動器、CD-ROM、打印機的控制；家用電器中的錄像機、VCD控制；國防和航空領(lǐng)域中的火炮瞄準、導航、衛(wèi)星姿態(tài)等的控制，動控制成為控制科學的重要分

17、支[1]。近幾年，計算機技術(shù)和現(xiàn)代電子技術(shù)的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，為運動控制系統(tǒng)的發(fā)展注入了強大的技術(shù)動力。我國傳統(tǒng)運動控制系統(tǒng)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，深入研究基于新體系架構(gòu)、低成本、新技術(shù)、高性能的運動控制系統(tǒng)，既有市場需求，又有良好的技術(shù)背景環(huán)境[1]。</p><p><b>　　1.2課題的意義</b></p><p>　　三維運動平臺在醫(yī)療、機械加工、工

18、程測試等各種生產(chǎn)行業(yè)中都有著廣泛的應(yīng)用,是現(xiàn)代運動控制技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)備[2]。這類平臺比較常見的控制方式就是采用“計算機+專用運動控制卡+驅(qū)動器”的方法，通過計算機軟件控制專用運動控制卡從而控制驅(qū)動器以達到控制平臺運動的目的,但是其造價一般比較昂貴，不能夠大面積推廣應(yīng)用[2]。</p><p>　　單片微型計算機作為微型計算機中的一個發(fā)展分支，它有較強的控制功能、低廉的成本,介于工業(yè)控制計算機和可編程控制器之間。在

19、選擇電動機的控制器時，通常是在滿足功能需要的前提下，優(yōu)先選擇成本低的控制器[28]。因此，通常優(yōu)先選擇單片機。從最近的統(tǒng)計數(shù)據(jù)也可以看出，世界上每年要有25億片各種單片機投入使用。單片機是目前世界上使用量最大的微處理器。</p><p>　　為了研究單片機在電機運動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，應(yīng)先了解單片機電機運動控制系統(tǒng)和內(nèi)部資源的運行特性，進一步發(fā)掘單片機在電機運動控制領(lǐng)域中的潛力，以提高系統(tǒng)的性能和降低系統(tǒng)的成本。這

20、樣無論對于推廣單片機在電機運動控制領(lǐng)域中的應(yīng)用還是對于提高電機運動控制系統(tǒng)的性能都有很大的研究價值和現(xiàn)實意義[3]。</p><p>　　1.3 運動控制國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　1.3.1 運動控制的國外研究現(xiàn)狀</p><p>　　運動控制作為自動化技術(shù)的一個重要分支，在20世紀90年代，國際上發(fā)達國家，例如美國已經(jīng)進入快速發(fā)展的階段。近年來，隨著運動

21、控制技術(shù)的不斷進步和完善，運動控制器作為一個獨立的工業(yè)自動化控制類產(chǎn)品，已經(jīng)被越來越多的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域接受，并且它已經(jīng)達到一個引人矚目的市場規(guī)模。目前，運動控制器從結(jié)構(gòu)上主要分為如下三大類[3]： </p><p>　　(1)基于計算機標準總線的運動控制器，它是把具有開放體系結(jié)構(gòu)，獨立于計算機的運動控制器與計算機相結(jié)合構(gòu)成，目前這種運動控制器是市場上的主流產(chǎn)品[3]。</p><p>　　(2

22、)Soft 型開放式運動控制器，它提供給用戶最大的靈活性，它的運動控制軟件全部裝在計算機中，而硬件部分僅是計算機與伺服驅(qū)動和外部 I/O 之間的標準化通用接口[3]。 </p><p>　　(3)嵌入式結(jié)構(gòu)的運動控制器，這種運動控制器是把計算機嵌入到運動控制器中的一種產(chǎn)品，它能夠獨立運行。嵌入式的運動控制器也可配置軟盤和硬盤驅(qū)動器，甚至可以通過Internet進行遠程診斷。例如美國 ADEPT 公司的 Smar

23、tController，固高科技公司的 GU嵌入式運動控制平臺系列產(chǎn)品等[3]。</p><p>　　1.3.2 運動控制的國內(nèi)研究現(xiàn)狀</p><p>　　目前國外產(chǎn)品已經(jīng)開始大量進入中國，固高科技公司也相繼開發(fā)出 GO 、GT、 GH和 GU系列基于 DSP 的開放式運動控制器產(chǎn)品，有近 150 個品種可供用戶選擇，固高科技公司把通用運動控制器產(chǎn)品分為高、中、低三個檔次，他們分別是 G

24、H、GT和 GO 系列產(chǎn)品[4]。從目前國內(nèi)市場的反饋情況來看，按照行業(yè)進行市場開發(fā)，具有一定的優(yōu)勢。這三類運動控制器的特點和應(yīng)用領(lǐng)域如下：</p><p>　　(1)點位運動控制器，主要應(yīng)用在那些僅對終點位置有要求，與運動軌跡無關(guān)的系統(tǒng)[4]。</p><p>　　(2)連續(xù)軌跡運動控制器，主要應(yīng)用在傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)、切割系統(tǒng)的輪廓控制[4]。</p><p>　　

25、(3)同步運動控制器，主要應(yīng)用在需要有電子齒輪箱和電子凸輪功能的系統(tǒng)控制中[4]。</p><p>　　1.4課題內(nèi)容和研究方案的確定</p><p>　　1.4.1 研究內(nèi)容</p><p>　　本課題要對以下內(nèi)容做深入的研究：</p><p>　　1.實現(xiàn)三維運動控制，在坐標上實現(xiàn)X軸Y軸Z軸的運動。</p><p&g

26、t;　　2.實現(xiàn)實時顯示三維運動平臺的運動方向及位移。</p><p>　　2.按鍵控制電機的轉(zhuǎn)動。</p><p>　　3.按鍵控制運動平臺回到坐標原點。</p><p><b>　　1.4.2研究方案</b></p><p>　　鑒于上述要實現(xiàn)的功能，該系統(tǒng)主要由液晶顯示模塊、數(shù)碼管顯示模塊、PIC主機（數(shù)據(jù)處理）、

27、鍵盤按鍵選擇模塊、步進電機模塊五大部分組成，整個系統(tǒng)如圖1-1所示，其中各部分的具體實現(xiàn)方案將在以下各章中闡述。</p><p><b>　　圖1-1 系統(tǒng)框圖</b></p><p><b>　　1.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了運動控制的國內(nèi)外現(xiàn)狀和技術(shù)的發(fā)展趨勢，并闡述了該課題研究的目的及意義，

28、最后確定了該課題的內(nèi)容和研究方案。</p><p>　　2 PIC單片機主機原理概述</p><p>　　2.1單片機芯片選擇</p><p>　　現(xiàn)今世界上涌現(xiàn)出品種多樣的單片機，目前應(yīng)用較廣的主要有美國Intel公司的MCS-51和MCS-96系列、美國Motorola公司的MC68系列、臺灣ICSI公司的8051系列、美國Microchip公司的PIC系列等，

29、其中各個系列的單片機都有其各自的優(yōu)點[5]。美國Microchip公司近幾年推出的PIC系列單片機，與其它系列相比，它的最大優(yōu)點表現(xiàn)在功能強、引腳少、可直接帶LED負載；具有低耗能工作方式，實現(xiàn)掉電保護；外圍配置簡單、明晰，提高了整機的可靠性；且具有較強的抗干擾能力，大大提高了抵御外界的電磁干擾本機控制電路的能力[5]。所以本設(shè)計選用PIC16F877A單片機，其管腳圖如圖2-1所示：</p><p>　　圖2-

30、1 PIC16F877A管腳圖</p><p>　　PIC16F877A單片機引腳說明[6]：</p><p>　　1.電源和接地引腳（均配置兩組）</p><p><b>　　：正電源端。</b></p><p><b>　　：接地端。</b></p><p><b

31、>　　2.時鐘、復(fù)位引腳</b></p><p>　　OSC1/CLKIN：時鐘振蕩器晶體連接端1/外部時鐘源輸入端。</p><p>　　OSC2/CLKOUT：時鐘振蕩器晶體連接端2/時鐘信號輸出端。</p><p><b>　　3.主復(fù)位引腳</b></p><p>　　/：人工復(fù)位輸入端（低電平

32、）有效/編程電壓輸入端。</p><p><b>　　4. 端口A引腳</b></p><p>　　端口A是一個雙向輸入/輸出可編程端口。端口A的引腳還有第2、第3功能。</p><p>　　RA0/AN0：RA0/第0路模擬信號輸入端。</p><p>　　RA1/AN1：RA1/第1路模擬信號輸入端。</p&g

33、t;<p>　　RA2/AN2/：RA2/第2路模擬信號輸入端/負參考電壓端。</p><p>　　RA3/AN3/：RA3/第3路模擬信號輸入端/正參考電壓端。</p><p>　　RA4/T0CKI：RA4/定時器0 時鐘輸入端。</p><p>　　RA4/AN4/：RA5/第4路模擬信號輸入端/串行口從動選擇。</p><p

34、><b>　　5.端口B引腳</b></p><p>　　端口B是一個雙向輸入/輸出可編程端口。用作輸入時，內(nèi)部有可編程的弱上拉電路。此外，端口B的引腳還有第2、第3功能。</p><p>　　RB0/INT：RB0/外部中斷輸入端。</p><p><b>　　RB1：RB1。</b></p><

35、;p><b>　　RB2：RB2。</b></p><p>　　RB3/PGM：RB3/低電平電壓編程輸入端。</p><p>　　RB4：RB4（具有電壓變化中斷功能）。</p><p>　　RB5：RB5（具有電壓變化中斷功能）。</p><p>　　RB6/PGC：RB6（具有電壓變化中斷功能）/在線調(diào)試輸入

36、端和串行編程時鐘輸入端。</p><p>　　RB7/PGD：RB7（具有電壓變化中斷功能）/在線調(diào)試輸入端和串行編程數(shù)據(jù)輸入端。</p><p><b>　　6．端口C引腳</b></p><p>　　端口C是一個雙向輸入/輸出可編程端口。段口C的引腳還有第2、第3功能，與其他端口相比功能最為豐富，主要有兩大功能：CCP和串行通信。</

37、p><p>　　RC0/T1OSO/T1CKI：RC0/定時器1的振蕩器輸出端/定時器1時鐘輸入端。</p><p>　　RC1/T1OSI/CCP2：RC1/定時器1的振蕩器輸入端/捕捉器2輸入端或比較器2輸出端或脈寬調(diào)制器PWM2的輸出端。</p><p>　　RC2/ CCP1：RC2/捕捉器1輸入端或比較器1輸出端或脈寬調(diào)制器PWM1的輸出端。</p>

38、;<p>　　RC3/SCK/SCL：RC3/SPI和串行口的同步時鐘輸入或輸出端。</p><p>　　RC3/SDI/SDA：RC4/SPI串行口的數(shù)據(jù)輸入端和串行口的數(shù)據(jù)輸入或輸出端。</p><p>　　RC5/SDO：RC5/SPI串行口的數(shù)據(jù)輸出端。</p><p>　　RC6/TX/CK：RC6/USART全雙工異步發(fā)送端/USART半雙

39、工同步傳送時鐘端。</p><p>　　RC7/RX/DT：RC7/USART全雙工異步接收端/USART半雙工同步傳送數(shù)據(jù)端。</p><p><b>　　7．端口D引腳</b></p><p>　　端口D是一個雙向輸入/輸出可編程端口。端口D的全部引腳都有第2功能。RD0~ RD7/PSP0~PSP7：RD0~ RD7/作從動并行口與其他微

40、處理器總線連接。</p><p><b>　　8．端口E引腳</b></p><p>　　端口E是一個雙向輸入/輸出可編程端口。端口E的引腳還有第2、第3功能。</p><p>　　RE0//AN5：RE0/并行口讀出控制端/第5路模擬信號輸入端。</p><p>　　RE1//AN6：RE1/并行口寫入控制端/第6路模

41、擬信號輸入端。</p><p>　　RE2//AN7：RE2/并行口片選控制端/第7路模擬信號輸入端。</p><p>　　2.2 PIC系列單片機的結(jié)構(gòu)和性能特點</p><p>　　2.2.1 PIC系列單片機的結(jié)構(gòu)和性能</p><p><b>　　1.哈佛雙總線結(jié)構(gòu)</b></p><p>

42、;　　PIC單片機的存儲結(jié)構(gòu)是基于哈佛雙總線概念，程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器在物理空間上完全獨立，如圖2-2所示，讀取指令的總線和存取數(shù)據(jù)的總線完全分開，這樣的結(jié)構(gòu)可以使指令總線和數(shù)據(jù)總線的寬度不一樣。由于總線獨立，使得讀取指令和存取操作數(shù)同時進行成為可能，即引入指令流水線機制，以提高單片機內(nèi)的數(shù)據(jù)流量，提高代碼運行效率[7]。</p><p>　　傳統(tǒng)的“馮.諾依曼”結(jié)構(gòu)（又稱普林斯頓結(jié)構(gòu)）的計算機，其程序存儲器和

43、數(shù)據(jù)存儲器在物分配上屬于同一空間，如圖2-3所示，讀取指令和存取數(shù)據(jù)只能共用同一總線，數(shù)據(jù)流量受到一定限制[7]。</p><p>　　圖2-2 哈佛結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　圖2-3 “馮.諾依曼”結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　2. 兩級指令流水線結(jié)構(gòu)</p><p>　　由于PIC單片機采用了完整的哈佛結(jié)構(gòu)，用了兩種不同位數(shù)的總

44、線，因此讀取指令和執(zhí)行指令有可能同時交疊進行，這就是PIC單片機的指令執(zhí)行流水線概念，如圖2-4所示。在指令周期0，指令1被讀取，在下一個指令周期1被執(zhí)行，所以每條指令從讀取到執(zhí)行完畢需要兩個指令周期。但是在指令周期1指令1 被執(zhí)行的同時，指令2已經(jīng)讀取完畢，所以到指令周期2時可立即執(zhí)行指令2，同時讀取指令3。從指令1執(zhí)行到指令2執(zhí)行，只花了一個指令周期的間隔，所以說PIC的指令執(zhí)行是單指令周期[7]。</p><p

45、>　　只有涉及到改變程序計數(shù)器PC值的程序分支和跳轉(zhuǎn)指令，指令流水線必須重新刷新，才需要兩個周期。指令流水線結(jié)構(gòu)最大限度地提高了每一個內(nèi)部時鐘周期的效率[7]。</p><p>　　圖2-4 指令流水線結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　3. 一次性編程OTP技術(shù)</p><p>　　PIC16F877A兼有RICS處理器的高性能和一次性編程技術(shù)的低價格優(yōu)點。低價

46、格OTP芯片具有適于小批量試制和生產(chǎn)靈活性特點，這是掩膜ROM所不具有的。</p><p>　　4. CPU的性能特點</p><p>　　它有16位指令，8位寬數(shù)據(jù)通道，高達2MB的程序存儲器，4kB的數(shù)據(jù)存儲器，高達10MIPS的執(zhí)行速度。DC-40MHz時鐘輸入，4-10MHz帶PLL鎖相環(huán)有源晶振/時鐘輸入；帶優(yōu)先級的中斷和8x8單周期硬件乘法器。</p><p

47、><b>　　5. 驅(qū)動能力強</b></p><p>　　I/0端口驅(qū)動負載的能力較強，每個I/O引腳吸人和輸出電流的最大值可分別達到2mA和20mA，能夠直接驅(qū)動發(fā)光二極管LED、光電禍合器或者微型繼電器等。</p><p>　　6. C語言開發(fā)環(huán)境</p><p>　　對于PIC16F877A單片機，Microchip公司提供了C語

48、言編譯程序，用C語言這種高級語言來進行程序設(shè)計，可以大幅度地提高工作效率。</p><p>　　7. 高速的指令執(zhí)行時間</p><p>　　在20MHZ時鐘情況下達到200ns，在25MHZ時可快達160ns。在單周期內(nèi)可以對I/O口的任意一位直接進行位操作。</p><p>　　9. 工作電壓范圍寬，一般可從2.5V~6.25V。</p><

49、p>　　10. I/O具有全CMOS輸出驅(qū)動能力，減少用戶使用外部驅(qū)動芯片，可直接驅(qū)動LED顯示[5]。</p><p>　　2.2.2 PIC16F877A單片機的特點</p><p>　　PIC16F877A具有特點如下[8]：</p><p>　　具有高性能的RICS CPU</p><p>　　單片機的匯編指令僅33條單字節(jié)指令

50、</p><p>　　除程序分支指令為兩個周期外，其余均為單周期指令</p><p>　　工作速度：0——200ns指令周期</p><p>　　368*8個數(shù)據(jù)存儲器（RAM）字節(jié)</p><p>　　8K*14個FLASH程序存儲器</p><p>　　中斷能力，有14個中斷</p><p>

51、;　　引腳輸出和PIC16C73B/74B/76/77兼容</p><p><b>　　上電復(fù)位</b></p><p><b>　　8級深度的硬件堆棧</b></p><p>　　上電定時器（PWRT）和振蕩啟動定時器（OST）</p><p>　　監(jiān)視定時器（WDT），帶有片內(nèi)可靠運行的RC振蕩

52、器</p><p><b>　　低功耗睡眠方式</b></p><p><b>　　可編程的代碼保護</b></p><p>　　直接間接和相對尋址方式</p><p><b>　　可選擇振蕩器</b></p><p>　　在線串行編程（ICSP）<

53、;/p><p><b>　　2.2本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了單片機芯片的選擇。通過敘述PIC系列單片機有點，本系統(tǒng)選擇PIC16F877A單片機，并闡述了PIC系列單片機的結(jié)構(gòu)性能和PIC16F877A的特點。</p><p>　　3各模塊硬件電路設(shè)計</p><p>　　3.1 PIC單片機在系統(tǒng)

54、應(yīng)用中的優(yōu)勢</p><p>　　使用一般的微處理器或微控制器擴展LED數(shù)碼管和鍵盤，幾乎都需要通過擴展接口芯片來擴展，另外要驅(qū)動LED，還需要增加驅(qū)動電路才能工作，這就顯示出PIC單片機的優(yōu)勢，因為該類型單片機的每一個I/O引腳都有直接驅(qū)動LED管的能力，這樣在不少場合就可以省去電流驅(qū)動器，從而降低了系統(tǒng)成本和電路的復(fù)雜性，但是由于芯片端口溫升散熱問題和不同端口的結(jié)構(gòu)差異，不同端口可提供的總電流并不相同，B口的

55、總灌電流和拉電流可達150mA和100mA，而其他口則分別為80mA和50mA，所以在使用中需要根據(jù)情況選擇不同端口區(qū)分應(yīng)用[9]。</p><p>　　PIC單片機主機引腳功能圖如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 PIC單片機主機引腳功能圖</p><p>　　3.2 鍵盤電路設(shè)計</p><p>　　開關(guān)量輸入是單片機應(yīng)用項目

56、中經(jīng)常用到的一種輸入方式。本設(shè)計利用一個端口RB8的6個引腳連接一個3×3矩陣鍵盤。行列式鍵盤的接法比獨立式鍵盤的接法要復(fù)雜一些，且在編程實現(xiàn)上也會復(fù)雜一些，但是在占用相同的I/O端口的情況下，行列式鍵盤接法會比獨立式鍵盤接法允許的按鍵數(shù)量多得多。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計需求，需啟/停、加/減1、清零、設(shè)置等按鍵。3×3鍵盤電路的設(shè)計將單片機的RB5~RB0與鍵盤電路的KEY1~KEY6

57、相連，其中KEY1 ~KEY3選擇列線，KEY4~KEY6選擇行線。低電平時表示鍵盤按下。采用獨立鍵盤掃描模式以單片機端口電平的高低變化來判斷鍵是否被按下。其中RB3~RB5用來進行列掃描，RB0~RB2用來進行行掃描。RB0~RB2各自通過一個電阻接到電源上，并和RB3~RB5通過一個按鍵連接起來。當一個按鍵按下時，對應(yīng)的行輸入口的電平為通過按鍵連接的列輸出端口的電平。普通狀態(tài)下，各個列端口的輸出是高電平，在掃描到任一行端口的電壓變低

58、后，再掃描4條列端口的電平，檢測列線是否為低電平，如果是，則可以確定是哪一個按鍵按下。</p><p>　　鍵盤電路如圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2 鍵盤電路 </p><p>　　3.2 LCD液晶顯示電路設(shè)計</p><p>　　LCD——Liquid Crystal Display，即液晶顯示器，它是一種數(shù)字顯示技術(shù)，可

59、以通過液晶和彩色過濾器過濾光源，在平面面板上產(chǎn)生圖像。由于液晶顯示器具有功耗極低、體積小、重量輕等優(yōu)點，所以被廣泛應(yīng)用于便攜式和用電池供電的應(yīng)用系統(tǒng)中[6]。液晶顯示器也有其不足之處，如價格昂貴。</p><p>　　液晶顯示器是沉積在兩塊玻璃之間的“液晶材料”薄層；電極是附在液晶玻璃的兩邊，一邊作為公共極或背板，另一邊是字符段。LCD模型可以把其看成是一個電容器，一個電極連接著公共極板，另一個電極連接著字符段[

60、10],如圖3-3所示。</p><p><b>　　圖3-3</b></p><p>　　若用直流驅(qū)動LCD將會引起顯示單元永久性的損壞，為了防止不可逆轉(zhuǎn)的電化學反應(yīng)導致LCD顯示器損壞，施加在所有字符段單元上的電壓都必須周期性地翻轉(zhuǎn)極性，以使加在器件上的平均電壓為0。這個方法被稱作交流電壓驅(qū)動。驅(qū)動LCD的方法有兩種：一種為靜態(tài)驅(qū)動方法，一種為多路復(fù)用驅(qū)動方法。&

61、lt;/p><p>　　多路復(fù)用的驅(qū)動方法是在所給定的安排下以兩倍公共極數(shù)目的時分數(shù)進行時分復(fù)用（TDM——Time Division Mutiplex）。用多路復(fù)用驅(qū)動方法除了可以保持液晶顯示一般特性外，還具有在高亮度環(huán)境下高對比度、低功耗的特性，還可以減少點陣和字母數(shù)字顯示的外部連接點數(shù)。由此可以減少驅(qū)動電路的數(shù)目，如果是使用軟件方法控制，就可以減少對微控制器的I/O引腳數(shù)的要求。為了防止對LCD顯示器造成永久性

62、損壞，對所有字符段單元所施加的電壓進行周期性翻轉(zhuǎn)極性，以使其兩端的電壓平均值為零。這就是時分兩倍的原因，每個公共極必須用相反極性的電壓脈沖交替驅(qū)動。驅(qū)動頻率必須大于人眼視覺暫留現(xiàn)象不會感到閃爍的最低頻率25Hz。</p><p>　　如前所述，加在LCD上的直流電壓越小，LCD的壽命就越長。在理想情況下，所有I/O線的切換應(yīng)該同時進行，但是用軟件實現(xiàn)的LCD控制器必然會產(chǎn)生延遲，其延遲時間與微控制器的直流周期成正

63、比。所以必須設(shè)法減少切換時間，使其最小[10]。</p><p>　　在本設(shè)計中，LCD顯示的主要是平臺運動的坐標方向。一般來說，液晶顯示器是作為外圍器件來使用的，本設(shè)計中選用16*2的LCD1602顯示屏。顯示電路的設(shè)計采用單片機RD0~RD7口作為并行口與LCD1602的D0~D7相連接，將RE0~RE2口分別與D/I、WR、EN相連。</p><p>　　LCD1602的顯示特性：&

64、lt;/p><p><b>　　高可靠性。</b></p><p><b>　　內(nèi)置192種字符。</b></p><p>　　具有64個字節(jié)的自定義字符RAM。</p><p>　　驅(qū)動方式：1/160UTR,1/5BIAS</p><p><b>　　視角方向：6點

65、</b></p><p>　　背光方向：底部LED</p><p>　　通訊方式：4位或8位并口可選</p><p>　　3.3 LED數(shù)碼管電路設(shè)計</p><p>　　LED(Light-Emitting Diode,發(fā)光二極管顯示器)是由發(fā)光二極管顯示數(shù)字的外圍顯示器件，常用的是7段LED，還有的加了一個發(fā)光二極管作為小數(shù)點

66、。本設(shè)計中是8段LED，其中包括小數(shù)點。LED顯示器分為共陰極LED和共陽極LED兩種，本設(shè)計采用的是共陽極LED。8只發(fā)光二極管的陽極共同接到電源上，所以叫共陽極LED，在每個發(fā)光二極管的陽極接的電阻將起到保護作用。在輸入管腳接低電平時，對應(yīng)的發(fā)光二極管將會發(fā)光。適當編碼后，8只發(fā)光二極管組合起來就可以表達數(shù)據(jù)了。</p><p>　　只要有2個8位及以上I/O端口的PIC系列芯片，都可以直接用I/O引腳驅(qū)動4

67、只LED數(shù)碼管。如圖3-4所示，小數(shù)點dp對應(yīng)著最高位，按照dp-g-f-e-d-c-b-a的次序?qū)?yīng)著各個輸入管腳。如果要顯示的數(shù)字或內(nèi)容比較多，還可以由多個7段譯碼器組合起來進行顯示。位選端可以為7段譯碼器的公共電源端或者公共接地端。對于共陽極的7段譯碼器，將公共端設(shè)為高電平時，數(shù)據(jù)輸出有效，將公共端設(shè)為設(shè)為低電平時，則沒有數(shù)據(jù)輸出[11]。</p><p>　　在本設(shè)計中，顯示的主要是坐標值。顯示電路的設(shè)計

68、將單片機的RD0~RD7口作為并行口與數(shù)碼管的D0~D7相連接，將單片機的RA1 ~RA4與數(shù)碼管的LED1~ LED4相連。</p><p>　　3.4步進電機驅(qū)動電路設(shè)計</p><p>　　隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進步，在自動化控制、精密機械加工、航空航天技術(shù)以及所有要求高精度定位、自動記錄、自動瞄準等高新技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，步進電機得到了廣泛的應(yīng)用。步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品，

69、廣泛應(yīng)用于各種自動化控制系統(tǒng)中。</p><p>　　步進電動機又稱為脈沖電動機或階躍電動機，它是將數(shù)字電脈沖直接轉(zhuǎn)換為位移角度的機電設(shè)備。步進電機是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動依個固定的角度（稱為“步距角”）它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。一般情況下，步進電動機轉(zhuǎn)動的總角度與輸入的脈沖個數(shù)成正比?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從

70、而達到準確定位的目的[11]。</p><p>　　與一般的電動機相比，步進電機具有以下特點：</p><p>　　1)電動機輸入的信號為數(shù)字量，采用微處理器作為控制器能很好兼容。</p><p>　　2)在開環(huán)或半閉環(huán)的控制狀態(tài)下，仍具有良好的定位精度。</p><p>　　3)位移與輸入脈沖個數(shù)相對應(yīng)，步距誤差不會長時間積累。</p

71、><p>　　4)無電刷、可靠性高。</p><p>　　5)易于啟動、停止、正反轉(zhuǎn)變化和變速響應(yīng)好。</p><p>　　6)停止時具有自鎖功能。</p><p>　　7)步進電動機帶慣性負載能力較差。</p><p>　　8)步進電動機能采用普通的交直流驅(qū)動，需要專用的驅(qū)動器驅(qū)動。</p><p&g

72、t;　　單片機是性能極佳的控制處理器，它與步進電動機傳統(tǒng)控制部件相比，無論從功能、靈活性、可靠性等方面來說都要好。根據(jù)設(shè)計要求和實際應(yīng)用參數(shù)，選擇ULN2003A芯片作為驅(qū)動器件。將單片機的RA1 ~RA4與步進電機驅(qū)動器的LED1~ LED4相連。</p><p><b>　　3.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要闡述了構(gòu)成系統(tǒng)的各個部件的電路結(jié)構(gòu)及

73、其連接，具體介紹了個部件的硬件功能和實現(xiàn)要求。</p><p>　　鍵盤電路完成3×3矩陣電路與單片機的連接，實現(xiàn)按鍵和查詢鍵值功能。</p><p>　　LCD顯示電路實現(xiàn)根據(jù)鍵值顯示相應(yīng)坐標軸的功能。LED數(shù)碼管顯示電路實現(xiàn)根據(jù)鍵值顯示運動平臺相應(yīng)位移的功能。步進電機驅(qū)動電路實現(xiàn)根據(jù)單片機控制信息驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動的功能。</p><p><b&g

74、t;　　4系統(tǒng)軟件設(shè)計</b></p><p>　　4.1開發(fā)環(huán)境及編程語言的選擇</p><p>　　本設(shè)計選用的PIC單片機的開發(fā)環(huán)境是MPLAB—IDE，此開發(fā)環(huán)境整合了源程序的編寫、機器碼的編譯連接、各種開發(fā)調(diào)試工具的支持和燒寫編程器的掛接。由于此開發(fā)環(huán)境支持多種不同的第三方程序語言編譯連接工具，所以給用戶帶來很大方便[10]。本系統(tǒng)采用的是在MPLAB--IDE集成開

75、發(fā)環(huán)境下掛接PICC編譯器。</p><p>　　用C語言開發(fā)PIC單片機相比于匯編語言有如下優(yōu)點[10]：</p><p>　　1. 可以加快開發(fā)速度，對于是一些需要復(fù)雜計算的單片機系統(tǒng)，用C語言開發(fā)就越發(fā)地顯示出優(yōu)勢[10]。</p><p>　　2. 不需精通單片機的指令集和具體的硬件結(jié)構(gòu)，只要有一定的了解就能夠編寫出水平較好的程序[10]。</p>

76、;<p>　　3. 可以實現(xiàn)軟件的結(jié)構(gòu)化編程，便于分工合作和集體開發(fā)[10]。</p><p>　　4. 用C語言編寫的源程序具有邏輯結(jié)構(gòu)清晰、條理性強、可讀性和可維護性好等特點[10]。</p><p>　　5. 用C語言編寫的源程序可移植性好。</p><p><b>　　4.2需求分析</b></p><

77、p>　　需求分析是軟件生存周期中非常重要的一個階段。</p><p>　　該單片機控制系統(tǒng)實現(xiàn)的需求功能包括：</p><p>　　1)鍵盤掃描子程序。當按下4鍵時，系統(tǒng)開始工作。但有時是由于人的主觀愿望以外的原因致使按鈕動作，如不小心觸動按鈕或其他原因致使按鈕動作，這種動作是我們不需要的。鍵盤掃描程序的作用，就是防止這些誤動作使系統(tǒng)工作。</p><p>　

78、　2)LCD顯示子程序。顯示運動平臺的移動方向，可分別顯示X、Y、Z。</p><p>　　3)數(shù)碼管顯示子程序。顯示運動平臺的位移，當按鍵錯誤時，顯示亂碼。以示提醒。</p><p>　　4)步進電機驅(qū)動子程序。接收單片機的控制信息，驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，從而使運動平臺移動。</p><p><b>　　4.3總體設(shè)計</b></p>

79、<p>　　4.3.1系統(tǒng)設(shè)計原理</p><p>　　PIC單片機控制三維運動平臺在X軸、Y軸、Z軸方向上運動，并驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，以步進電機的轉(zhuǎn)動來表示平臺的移動。在本設(shè)計中，只用一個步進電機來模擬在一個方向上的運動，若要實現(xiàn)三維運動，只需在每個方向上個設(shè)置一個步進電機來模擬平臺的運動。本系統(tǒng)采用PIC16F877A作為主控芯片, 系統(tǒng)應(yīng)具有以下基本功能：</p><p>

80、;　　1. 根據(jù)按鍵來選擇所需功能，當按1鍵時，選擇X坐標；此時按4鍵，LED數(shù)碼管清零；按5鍵，加1，表示在X軸方向前進一個單位；按6鍵，減1，表示在X軸上倒退一個單位。運動平臺運動的位置都是在X軸的正方向的，若運動到X軸的小于0的位置，則LED數(shù)碼管顯示亂碼。</p><p>　　2. 若想切換運動方向，則必須按復(fù)位鍵，否則LED數(shù)碼管的個位將全部顯示。例如，當在X軸坐標方向的情況下不按復(fù)位鍵而直接切換到Y(jié)軸

81、坐標方向，此時數(shù)碼管不再顯示位置數(shù)值，而是在個位全部顯示（包括小數(shù)點），而在此時按4鍵的話，會再原來數(shù)值上加1，顯示的是X軸加上Y軸的位移量之和，這樣會造成錯誤。所以切換坐標軸方向時，必須先按復(fù)位鍵。</p><p>　　3. 具有良好的控制功能，保證運動平臺按設(shè)定的路線移動。</p><p>　　4. 能有效防止外界誤動作而引發(fā)的系統(tǒng)動作。</p><p>　　系

82、統(tǒng)的總流程框圖如圖4-1所示。</p><p>　　圖4-1 軟件總體結(jié)構(gòu)流程框圖</p><p><b>　　4.4編程實現(xiàn)</b></p><p>　　在明確了軟件的設(shè)計任務(wù)以后，采用模塊化思想的設(shè)計方法，進行詳細設(shè)計。采用模塊化思想的設(shè)計方法，便于軟件的維護和二次開發(fā)。</p><p>　　4.4.1 初始化子程序

83、</p><p>　　初始化子程序為單片機軟件的運行設(shè)置初始環(huán)境。該子程序主要完成以下工作：</p><p>　　1)清片內(nèi)RAM。每次單片機加電時，都將引起單片機的上電復(fù)位操作。復(fù)位操作完成以后，單片機的寄存器會被置以一些未知的值，會產(chǎn)生無法讓人掌握的后果。因此，在單片機加電運行后，首先要清除RAM，使之置零。</p><p><b>　　2)初始參數(shù)設(shè)

84、定。</b></p><p>　　3)A／D設(shè)定。用以設(shè)定A／D端口。</p><p><b>　　4)中斷設(shè)定。</b></p><p>　　5)定時器設(shè)定。因為PICl6F877A單片機有3個定時器。這3個定時器結(jié)構(gòu)不同，功能也不同。因此，需為程序選用合適的定時器，并根據(jù)系統(tǒng)的要求，為定時器設(shè)置適當?shù)膮?shù)。</p>

85、<p><b>　　6)看門狗設(shè)定。</b></p><p>　　初始化子程序流程框圖如圖4-2所示：</p><p>　　圖4-2 初始化子程序結(jié)構(gòu)流程圖</p><p>　　4.4.2鍵盤按鍵程序設(shè)計</p><p>　　程序設(shè)計的任務(wù)主要分為兩個部分：一個部分不停地監(jiān)測是否有鍵按下，</p>

86、;<p>　　另一個部分查看哪一個鍵按下。</p><p>　　在PIC16F877A系統(tǒng)中，設(shè)計應(yīng)用端口B連接矩陣3×3矩陣鍵盤，RB3~RB5為列線，通過上拉電阻連接到VCC電源上，當沒有鍵按下時，各列線均為高電平。RB0~RB2為行線，通過上拉電阻連接到VCC電源上，當沒有鍵按下時，各行線均為高電平。鍵盤掃描時要解決鍵盤抖動問題，可通過軟件的適當延時來實現(xiàn)，就是在掃描到有鍵按下后，適

87、當延時一段時間，然后再次掃描看是否是誤觸鍵。如果確定有鍵按下，則調(diào)用按鍵查詢子程序，檢測是哪個鍵按下并查詢鍵值。因此該程序設(shè)計主要分為兩部分：一部分不停地掃描檢測是否有按鍵按下，另一部分則是查看哪一個按鍵按下。</p><p>　　(1)在初始狀態(tài)下，4個列輸出端口輸出低電平，即RB3～RB5輸出低電平，然后持續(xù)檢測4個行輸出端口RB0～RB2的狀態(tài)是不是高電平。如果沒有按鍵按下，則RB0～RB2的狀態(tài)是高電平；

88、如果有鍵按下，則被按下的鍵對應(yīng)的行輸入端口的電平就會被拉低，RB0-RB2中會出現(xiàn)低電平。</p><p>　　鍵盤掃描子程序流程如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 鍵盤掃描子程序流程圖</p><p>　　鍵盤掃描子程序?qū)崿F(xiàn)的功能是：</p><p>　　以定時中斷掃描方式來掃描鍵是否按下。判斷鍵是否按下的過程是當檢測到有鍵按下

89、時，statekey置1，此時判斷是否已消抖。若已消抖，則查鍵并算鍵值，消抖標值Key_flag清零，否則消抖標值Key_flag置1。當沒有檢測到鍵按下時，statekey置0，state置1。</p><p>　　(2)當有按鍵按下時，就轉(zhuǎn)到按鍵查詢子程序中，在列輸出端口RB3~RB5輸出掃描字，判斷是哪一個按鍵按下。</p><p>　　按鍵查詢結(jié)束后，獲得按下鍵的鍵碼值。查詢到結(jié)果

90、后，進入下一級的輸出程序。</p><p>　　按鍵查詢并算鍵值子程序的流程圖如圖4-4所示：</p><p>　　圖4-4 按鍵查詢并算鍵值子程序</p><p>　　(3)當查詢到鍵值后，程序便進入根據(jù)鍵值顯示相應(yīng)部分的子程序。根據(jù)鍵值顯示相應(yīng)部分的子程序?qū)崿F(xiàn)的功能是：</p><p>　　當按下鍵時，調(diào)用按鍵掃描子程序來判斷按鍵是否釋

91、放，若釋放，則調(diào)用查鍵并算鍵值子程序，算出鍵值。當鍵值等于1時，LCD顯示X,表示選擇X軸為運動的坐標方向；當鍵值等于2時，LCD顯示Y , 表示選擇Y軸為運動的坐標方向；當鍵值等于3時，LCD顯示Z , 表示選擇Z軸為運動的坐標方向。當鍵值等于4時，LCD顯示的內(nèi)容不變，數(shù)碼管顯示0，表示清零；當鍵值等于5時，表示運動平臺在所選定的方向上向正方向前進一個單位；當鍵值等于6時。表示運動平臺在所選定的方向上向負方向后退一個單位。</

92、p><p>　　根據(jù)鍵值顯示相應(yīng)部分的子程序如圖4-4所示。</p><p>　　圖4-4 根據(jù)鍵值顯示相應(yīng)部分的子程序</p><p>　　(4)根據(jù)以上各部分所述功能，鍵盤程序總流程如圖4-5所示：</p><p>　　圖4-5 鍵盤程序總流程框圖</p><p>　　4.4.3 LCD液晶顯示程序設(shè)計</p&

93、gt;<p>　　LCD主流程主要實現(xiàn)的功能是：</p><p>　　當按1鍵時，第一行顯示X，第二行不顯示；當按2鍵時，第一行顯示Y，第二行不顯示；當按1鍵時，第一行顯示Z，第二行不顯示。</p><p>　　LCD主流程如圖4-6所示：</p><p>　　圖4-6 LCD主流程框圖</p><p>　　4.4.4步進電機

94、驅(qū)動程序設(shè)計</p><p>　　步進電機驅(qū)動主程序流程圖如圖4-7所示：</p><p>　　圖4-7 步進電機驅(qū)動主程序流程圖</p><p><b>　　4.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了系統(tǒng)的各個模塊的軟件設(shè)計及其實現(xiàn)的功能和整個系統(tǒng)的總體軟件設(shè)計。</p><p&g

95、t;　　鍵盤掃描子程序?qū)崿F(xiàn)判斷鍵是否按下的功能。按鍵查詢并算鍵值子程序?qū)崿F(xiàn)根據(jù)鍵值顯示相應(yīng)數(shù)值及驅(qū)動步進電機的功能。LCD顯示子程序?qū)崿F(xiàn)LCD的初始化及顯示功能。步進電機驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)初始化及根據(jù)鍵值判斷是否轉(zhuǎn)動的功能。</p><p><b>　　5系統(tǒng)軟硬件調(diào)試</b></p><p>　　本設(shè)計的軟件編譯成功后，在硬件實物上運行。實物圖如下。</p>

96、<p>　　實物整體圖如圖5-1所示：</p><p><b>　　圖5-1</b></p><p>　　當運動平臺位于坐標原點時且選定X軸坐標方向時，此時運動平臺位于坐標原點，已選定的運動方向是X軸方向。如圖5-2所示：</p><p><b>　　圖5-2</b></p><p>　

97、　當運動平臺的運動方向是Y且位移為10個單位軸時實物圖如圖5-3所示：</p><p><b>　　圖5-3</b></p><p>　　當運動平臺的運動方向是Z軸且位移為5個單位時的顯示實物圖如圖5-4所示：</p><p><b>　　圖5-4 </b></p><p>　　當切換坐標軸方向時沒

98、有先按復(fù)位鍵，則數(shù)碼管全顯示，亂碼，如圖5-5所示：</p><p><b>　　6 結(jié)論</b></p><p>　　本文設(shè)計了基于PIC單片機控制的三維運動平臺控制系統(tǒng)。詳細闡述了單片機的選型、系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計，重點闡述了系統(tǒng)的軟件設(shè)計，采用模塊化思想，分別詳細敘述了各個模塊的軟件設(shè)計和實現(xiàn)的功能。</p><p>　　本論文具體完成如下

99、工作：</p><p>　　完成了基本的硬件電路的設(shè)計與調(diào)試，包括PIC控制電路的設(shè)計、鍵盤輸入及顯示控制、步進電路驅(qū)動控制設(shè)計等。</p><p>　　介紹了PIC單片機的結(jié)構(gòu)性能特點，闡述了選擇PIC16F877A的原因。</p><p>　　重點介紹了系統(tǒng)的軟件設(shè)及其實現(xiàn)的功能。</p><p>　　4. 在實物上進行系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試

100、，能實現(xiàn)本文中所闡述的各項功能。</p><p>　　受水平的限制，該系統(tǒng)還有很多不足之出，如不能做到在按加鍵和減鍵的同時設(shè)置步進電機的停轉(zhuǎn)，只能另外設(shè)置7鍵來設(shè)置步進電機的轉(zhuǎn)動。敬請多多批評指教。 </p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　?。?］余張國．嵌入式多軸運動控制器的開發(fā)與應(yīng)用[J]．西南科技大學，2005．

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