基于單片機(jī)控制的簡(jiǎn)易繪圖儀

崔勇 張振華/內(nèi)蒙古烏海熱電廠

基于單片機(jī)控制的簡(jiǎn)易繪圖儀

崔勇 張振華/內(nèi)蒙古烏海熱電廠

本文設(shè)計(jì)的是由MCS-51系列單片機(jī)控制兩臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)聯(lián)動(dòng)進(jìn)行繪圖的控制系統(tǒng)。可以用于解決一些工控輔助設(shè)備中位置變化的控制工作。用單片機(jī)系統(tǒng)控制X-Y平面繪制圖形主要解決三個(gè)問(wèn)題：數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理（包括直線和圓弧差補(bǔ)）、脈沖分配。數(shù)據(jù)輸入部分主要師BCD碼撥盤(pán)和按鍵輸入；數(shù)據(jù)處理由單片機(jī)中央處理器完成。脈沖分配主要用兩臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)做X-Y軸聯(lián)動(dòng)表現(xiàn)出來(lái)。

AT89C51；步進(jìn)電機(jī)；X-Y平面繪圖

該設(shè)計(jì)是數(shù)控技術(shù)的一種基本方法的簡(jiǎn)單應(yīng)用，采用了MCS-51系列單片機(jī)最小系統(tǒng)，由于控制部分所用接口較多，加裝了一片8155可編程并行I/O芯片進(jìn)行擴(kuò)展。輸入控制部分采用了鍵盤(pán)及其BCD碼撥盤(pán)輸入，來(lái)控制繪圖儀的工作。作為輸入控制的鍵盤(pán)一共用了四個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)，用8155的PA口和PB口完成鍵盤(pán)的輸入。每當(dāng)檢測(cè)到有鍵盤(pán)輸入就產(chǎn)生一個(gè)中斷，中斷送入CPU的INT0端口，鍵盤(pán)的去抖動(dòng)通過(guò)CPU用軟件實(shí)現(xiàn)。CPU的輸出電壓控制字先送到8155，作為控制端。

采用了步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器件，無(wú)須位置和速度檢測(cè)器件，也沒(méi)有反饋電路，控制電路簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉。步進(jìn)電機(jī)和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合，可以發(fā)揮其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高和成本低的優(yōu)點(diǎn)。

機(jī)械原理框圖如圖所示：

系統(tǒng)采用單片機(jī)控制整個(gè)過(guò)程的運(yùn)行。數(shù)據(jù)輸入由BCD碼撥盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有方便快捷等優(yōu)點(diǎn)。控制部分由按鍵組成。由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在平面內(nèi)做X-Y軸聯(lián)動(dòng)，繪出所要的圖形。

一、電路組成

1.單片機(jī)時(shí)鐘和復(fù)位電路。單片機(jī)時(shí)鐘引腳外接晶體和片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成了一個(gè)振蕩器，它提供單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號(hào)。電容的大小直接影響振蕩器頻率的高低和穩(wěn)定性，本機(jī)采用了NPO高頻電容，典型值為30P，晶體陶瓷振蕩器數(shù)值為6MHz。

復(fù)位電路為單片機(jī)提供了初始化手段，由了它便可以使程序從指定處開(kāi)始執(zhí)行，即從程序存儲(chǔ)器鐘的0000H地址開(kāi)始執(zhí)行程序。在時(shí)鐘電路工作后，只要在RST引腳上出現(xiàn)兩個(gè)周期以上的高電平時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部則初始化復(fù)位。只要RST保持高電平，則單片機(jī)循環(huán)復(fù)位。

只有當(dāng)RST低電平時(shí)，MCS-51才執(zhí)行程序。

圖中復(fù)位引腳RST通過(guò)施密特觸發(fā)器抑制噪聲，它輸出每個(gè)機(jī)器周期的S5P2，由復(fù)位采樣一次。共采用了上電和手動(dòng)復(fù)位兩種方式。

2.系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入。本設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)輸入采用了十進(jìn)制BCD碼撥盤(pán)，提供個(gè)、十、百、千位的數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)單有效，容易操作。4片碼撥盤(pán)的輸出端接入同一個(gè)4與非門(mén)。輸出8、4、2、1端分別接入P1.3、P1.2、P1.1、P1.0。其余的P1.6、P1.5、P1.4分別與千百十個(gè)位BCD碼撥盤(pán)的控制端相連。當(dāng)選中某位時(shí)，該位的控制端置0，其它三個(gè)控制端置1。因此撥盤(pán)所配置之?dāng)?shù)字輸出位BCD反碼，通過(guò)與非門(mén)輸出該位的BCD碼值。

當(dāng)將多個(gè)碼撥盤(pán)數(shù)據(jù)線連接在一個(gè)數(shù)據(jù)總線上時(shí)，如果不能進(jìn)行有效的電氣隔離，數(shù)據(jù)之間會(huì)相互影響，導(dǎo)致讀入錯(cuò)誤和邏輯電平?jīng)_突，使得整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。利用非門(mén)電路和二極管很好地解決了這個(gè)問(wèn)題

3.驅(qū)動(dòng)部分電路設(shè)計(jì)。接口電路采用了同向驅(qū)動(dòng)器4N25輸入端作為驅(qū)動(dòng)口，光電耦合器輸入端電流一般位10～15毫安，發(fā)光二極管的壓降位1.2～1.5伏。使用、控制步進(jìn)電機(jī)必須由環(huán)形脈沖，功率放大器等組成的控制系統(tǒng)，占空比決定電機(jī)轉(zhuǎn)速。

二、軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，鑒于前面的硬件設(shè)計(jì)，根據(jù)系統(tǒng)的具體要求和性能指標(biāo)。系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程鐘，8155的PA口、PB口讀出繪圖所需數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)由BCD碼撥盤(pán)輸入得到，數(shù)據(jù)包括了圖形的有關(guān)數(shù)據(jù)。通過(guò)程序來(lái)繪制圖形，具體包括下列子程序：BCD碼盤(pán)程序、鍵盤(pán)掃描程序、8155讀數(shù)程序、直線圓弧插補(bǔ)程序及步進(jìn)電機(jī)控制程序。

列舉如下：

1.主程序。

2.BCD碼盤(pán)子程序。

3.鍵盤(pán)掃描子程序。

4.插補(bǔ)算法處理子程序。

以下為部分程序流程圖，具體程序清單限于篇幅，沒(méi)有寫(xiě)出。

[1]易繼鍇：《智能控制技術(shù)》，北京工業(yè)大學(xué)出版社.

[2]王新賢：《通用集成電路速查手冊(cè)》，山東科學(xué)技術(shù)出版社.

[3]唐澤圣：《計(jì)算機(jī)圖形學(xué)基礎(chǔ)學(xué)基礎(chǔ)》，清華大學(xué)出版社.

[4]陳粵初：《單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐》，北京航空航天大學(xué)出版社.

崔勇（1977），男，吉林省人，畢業(yè)于長(zhǎng)春工程學(xué)院，工程師，現(xiàn)從事電廠檢修工作。