基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计毕业设计.doc

基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计毕业设计 摘 要 I ABSTRACT II 前言 1 1 X-Y数控工作台设计简介 2 1.1 X-Y数控工作台总体方案分析 2 1.2 仿真开发环境Proteus简介 2 1.3 程序开发环境KeilμVision2简介 2 2 X-Y数控工作台机械部件功能分析 4 2.1 步进电动机的工作原理 4 2.2 步进电动机的工作方式 4 3 X-Y数控工作台硬件电路分析 6 3.1 控制系统微控制器AT89C52 6 3.1.1 AT89C52单片机的主要工作特性 6 3.1.2 AT89C52单片机的部结构 6 3.1.3 AT89C52单片机的各引脚功能 15 3.2 可编程并行接口芯片8255A 16 3.2.1 8255A的部结构 16 3.2.2 8255A的引脚功能 17 3.2.3 8255A的工作方式 18 3.2.4 8255A控制字 19 4 基于PROTEUS仿真电路分析 21 4.1 X-Y数控工作台控制系统仿真电路图 21 4.2 X-Y数控工作台控制系统硬件资源及其分配 21 4.3 电路模块图分析 22 4.3.1 X-Y向步进电机控制电路分析 22 4.3.2 四行四列矩阵式键盘控制电路分析 23 4.3.3 X-Y数控工作台显示电路分析 24 4.4 程序在仿真电路图中实现的功能 25 5 X-Y数控工作台总程序软件设计 26 5.1 程序总流程分析 26 5.2 Main 函数功能解释 26 5.3 逐点比较法的插补原理 27 5.4 逐点比较法插补的优点 27 5.5 插补总流程分析 27 6 X-Y数控工作台快速进给软件设计 28 6.1 快速进给程序分析 28 7 X-Y数控工作台直线插补软件设计 30 7.1 逐点比较法的直线插补的数学原理 30 7.1.1 逐点比较法的直线查补的偏差判别机制 30 7.1.2 直线插补中的终点判别机制 31 7.1.3 直线插补计算过程 31 7.1.4 直线插补中的进给判别机制 31 7.2 直线插补程序分析 32 8 X-Y数控工作台圆弧插补软件设计 34 8.1 逐点比较法的圆弧插补的数学原理 34 8.1.1 逐点比较法的圆弧查补的偏差判别机制 34 8.1.2 圆弧插补中的终点判别机制 35 8.1.3 圆弧插补计算过程 35 8.1.4 4个象限的圆弧插补 35 8.2 顺圆插补程序分析 37 8.3 逆圆插补程序分析 39 9 X-Y数控工作台代码处理软件设计 41 9.1 代码处理程序分析 41 10 X-Y数控工作台象限判别软件设计 43 10.1 象限判断总程序分析 43 10.2 G0与G1情况象限判断程序分析 43 10.3 G2情况象限判断程序分析 45 10.4 G3情况象限判断程序分析 45 11 中断程序设计方法 47 11.1 定时器中断程序解释 47 11.2 外部中断程序解释 47 结论与展望 48 参考文献 49 附录A 总程序: 50 附录B 文献翻译原文 75 附录C 文献翻译译文 83 谢 辞 90 前言 本次毕业设计的选题为基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计——插补部分。 X- Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，通常由导轨座、滑动模块、工作平台、 滚珠丝杠螺母副，以及步进电机的部件构成。控制系统可选用标准的工业控制计算机， 也可设计专用的微机控制系统。本设计用AT89C52组成专用单片机控制系统，从键盘输入 G代码后，能通过直线插补和圆弧插补，完成平面轮廓加工。 通过正确的运用大学四年学到的知识完成本次毕业设计，可以更好的掌握有关机电一 体化系统的设计过程和单片机的编程思想。通过该设计使自身具有一定的系统化编程思 想和能力，能够独立完成项目的设计。 研究技术路线： 1.单片机输入/输出端口；2.单片机的中断系统；3.单片机的定时/计数器；4.C语言 顺序与选择结构程序设计；5.C语言循环结构程序设计；6.C语言数据类型运算符、数组 、函数、指针的运用与设计；7.C语言程序设计编译预处理；8.在PROTEUS中进行系统的 调试与仿真。 X-Y数控工作台设计简介 1 X-Y数控工作台总体方案分析 总体方案图如图1-1所示： 图1-1 X-Y数控工作台总体方案图 X- Y数控工作台是实现平面X、Y坐标运动的典型关键部件，能够分别沿X向和Y向移动。本次 设计的X- Y数控工作台选用的是微机控制系统（AT89C52单片机），在基于AT89C52单片机的原理上 设计了一个小型的微机控制系统，运用C51编程将控制信号送到执行器件（X和Y向步进电 动机），通过机械传动机构（齿轮减速和丝杆传动），带动机械执行机构（工作台）做 X向和Y向的运动；实现四象限单坐标快速 随着计算机技术与自动化控制的发展，数控（Numerical Control，NC）技术已经成为现代制造业中不可或缺的一环。在这一背景下，单片机控制的数控X-Y工作台系统设计的研究及应用显得尤为重要。X-Y数控工作台作为机械加工中的关键装置，主要任务是根据预设的程序指令，控制刀具在平面内的X轴和Y轴方向上的精确移动，以实现各种复杂平面图形的加工。 本文以AT89C52单片机为控制核心，详细探讨了数控X-Y工作台系统的总体设计方案。我们分析了X-Y数控工作台的组成与结构，这包括了对导轨座、滑动模块、工作平台以及步进电机等主要部件的介绍。其中，AT89C52单片机的应用是本系统设计的亮点之一，它为系统的控制提供了稳定、可靠的计算与执行能力。 在硬件设计方面，我们探讨了AT89C52单片机的关键特性以及其在数控工作台系统中的核心作用。同时，8255A可编程并行接口芯片的引入进一步扩展了单片机的I/O端口功能，增强了系统的输入输出能力。此外，步进电机作为驱动部件，其工作原理和工作方式对于理解整个工作台的运动控制至关重要。 在软件设计方面，本文详细阐述了基于逐点比较法的插补算法，该算法通过程序计算和控制每个插补点的坐标，以实现对工作台运动的精确控制。在具体实现上，直线插补和圆弧插补算法被用于处理不同几何形状的加工任务。其中，直线插补算法较为简单，通过计算直线两端点间的坐标差来决定步进电机的步进距离与方向；而圆弧插补算法则相对复杂，需要根据圆弧所在象限进行不同的计算与判别。 此外，本文还详细介绍了X-Y数控工作台系统在Proteus软件中的仿真过程，通过仿真可以验证硬件电路设计和软件算法的正确性。Proteus仿真平台能够提供一个接近实际硬件的环境，帮助设计者在不进行实物制作的情况下，对系统进行测试和调试。 系统设计的最终目的是实现对工作台的有效控制，而这一目标的实现依赖于准确的代码处理与象限判断。本设计中，G代码作为数控机床的通用编程语言，被用来指导工作台的运动。通过编写相应的软件程序，能够解析G代码，并将这些代码转换成控制指令，以驱动步进电机进行准确的运动。 在中断程序设计方面，定时器中断和外部中断的应用确保了系统能够响应各种外部事件，提高了数控系统的实时性和响应速度。定时器中断用于周期性的任务处理，如插补算法的周期性计算；外部中断则用于处理紧急或特殊事件，如系统故障或用户输入等。 基于单片机控制的数控X-Y工作台系统设计不仅是一项技术含量高的工程，它还是一次理论与实践相结合的教学实验。通过对系统设计的深入学习与实践，学生不仅能够掌握机电一体化系统的设计流程，更能够体会到单片机编程与实际应用之间的紧密联系。这样的经验对于未来从事相关工作无疑是一笔宝贵的财富。 本文的详细分析与探讨，不仅为X-Y数控工作台系统的设计提供了理论基础，也为该领域的深入研究和进一步的技术创新奠定了基础。随着技术的不断进步，我们相信，数控X-Y工作台系统将更加智能化、高效化，更好地服务于现代制造业。