基于单片机控制的XY绘图仪系统设计.doc

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1、摘 要本设计是基于单片机控制的XY绘图仪系统设计与虚拟仿真。在系统控制电路设计上，CPU采用的是AT89C51单片机。采用90BF001型4相8拍的反响式步进电机作为驱动XY绘图仪的伺服电机，用ULN2003A来驱动，并确定了XY绘图仪的传动方式。单片机的复位方式为上电自动复位，时钟电路为内部时钟方式。在CPU及外围电路芯片的选择上，以尽量节省I/O口、性价比拟高、技术成熟以及市场上通用芯片为基准，因而控制系统电路的结构简单，性能更优越。程序编写完成后，在Keil软件进行编译和调试，并在Proteus环境中实现程序及电路的仿真。关键字：XY平面绘图仪 单片机 微控制器 Proteus 仿真仅供

2、学习参考ABSTRACTThis is a design of microcomputer-based CNC XY platform motion control system and its virtual simulation.In the control circuit design, used an AT89C51 microcontroller for CPU. Using the four phase eight reactive stepping motor 90BF001 as servo motor drives the XY platform, and they were

3、 driven by ULN2003A, and we also determined the transmission ways the XY platform. Chip power-on reset mode is automatically reset, clock circuit for the internal clock mode. On the choose of CPU and the peripheral circuit chip, following next principles : save the I/O mouth as possible , high perfo

4、rmance with low cost, mature technology and general chip on the market. So the structure of the control system circuit is simple, and its performance is superior.After the completion of the program written, programs were compiled and debugged in Keil, and to achieve the simulation of program and cir

5、cuit in Proteus environment.Key words: XY platform Chip-Single Microcomputer Microcontroller Proteus simulation目 录第一章 绪论11.1 课题设计研究背景11.2 研究的内容11.3 毕业设计的目的、意义2第二章 平面绘图仪控制系统的总体方案32.1 平面绘图仪控制系统的控制方式32.2 伺服系统及电机的选择32.3 微机控制系统的选择42.4 X-Y平面绘图仪的传动方式5第三章 MCS-51单片机工作原理63.1 单片机内部组成及引脚功能63.1.1 单片机的内部结构63.1.2

6、AT89C51单片机的主要特性：63.1.3 AT89C51单片机的引脚功能73.2 单片机的时钟电路93.3 单片机的工作方式11第四章 单片机系统的设计134.1 硬件配置与接口分配134.1.1存贮器空间分配134.1.2 I/O口地址分配134.2 硬件电路的设计134.2.1 主控制器CPU的选择144.2.1 步进电机驱动电路的设计154.3 其他辅助电路设计164.3.1 AT89C51的时钟电路单片机的时钟的产生方式164.3.2 AT89C51复位电路164.3.3 超程报警电路164.3.4 掉电保护电路174.3.5 光电隔离电路18第五章 基于PROTEUS的XY平面绘

7、图仪运动仿真设计205.1 Proteus简介及仿真界面205.2 Keil简介215.3 Keil中的程序调试225.4 Proteus仿真系统硬件原理图235.5 运行调试23设计总结26致 谢27参考文献28附 录29附录A 步进电机驱动平面绘图仪控制XY轴仿真原理图29附录B C语言程序设计30第一章 绪论1.1 课题设计研究背景国内技术现状：进入21世纪以来，随着计算机技术的飞速开展，推动绘图仪控制技术更快的更新换代。世界上许多绘图仪系统厂家利用PC机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代控制系统。开放式体系结构使绘图仪控制系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网

8、络化方向大大开展。开放式体系结构可以大量采用通用微机的先进技术，如多媒体技术，实现声控自动编程等。绘图仪控制系统继续向高集成度方向开展，每个芯片上可以集成更多个晶体管，使系统体积更小化，更加小型化、微型化。可靠性大大提高。利用多CPU的优势，实现故障自动排除；增强通信功能，提高进线、联网能力。如今较为先进、金典之作为XY机械套件Makeblock平面绘图仪体系，它是一款可以实现平面坐标系精确定位的机器人套装，绘图定位精度可以到达0.1mm。精细而巩固的机械结构，高性能的电子模块，为他的稳定性和精确度墓定了根底。XY根底包将会开展成为高精度智能化的桌面绘图仪，可以通过它绘制出精彩的图片，设计等。

9、绘图仪通过PC端上位机Gremote控制，PC+运动控制板：把运动控制板插入PC机的标准插槽中作实时控制用，而PC机主要作非实时控制国内开展趋势：一、XY绘图仪的开展趋势1、智能化2、网络化3、集成化4、微机电控制系统5、数字化二、我国XY绘图仪产业开展的思考1、注重系统配套2、注重产品的可靠性3、提倡创新，加强效劳国际技术现状：XY绘图仪从国际来看，德国、美国、日本等几个国家根本掌握了高档XY绘图仪平面绘图仪控制系统。国外的主要XY绘图仪平面绘图仪控制制造商有西门子、发那克、三菱电机、海德汉、博世力士乐、日本大薇等。1、纳米插补与数制技术已走向实用阶段2、机器人广泛应用3、智能化绘图不断扩展

10、4、CAD/CAM技术的应用国际开展趋势：1、新一代绘图仪向PC化和开放式体系结构方向开展2、驱动装置向交流、数字化方向开展3、增强通信功能，向网络化开展4、绘图仪平面绘图仪控制系统在控制性能上向智能化开展1.2 研究的内容 一、 总体设计：首先按照老师对课设的要求及所设计单片机控制绘图仪的工作原理、应用场合、控制对象等确定合理的设计方案，仔细划分软件局部和硬件局部各自应完成的功能，从而确定设计思路。二、 硬件设计：由于现在市场上各种芯片种类繁多，而且不断在推陈出新，因此必须按照系统要求，根据“性价比最高原那么，选择既适合于本系统，又运行可靠的芯片和元器件，从而设计出最合理的硬件电路。所需硬件

11、：X/Y坐标尺、X/Y带传动链X/Y传动丝杠、步进电动机My/Mx、绘图笔、继电器、控制传动线路、计算机单片机，微型计算机接口等。（一） 步进电动机的选择（二） 驱动器的接线方式（三） X/Y传动方式的选择（四） 控制器的芯片的选择（五） 硬件电路的设计（六） 单片机确实定AT89C51)三、 软件设计：利用汇编语言的编程，以及通过指令来确定步进电动机的运动规律、顺序。采用逐点比拟法来“一步一步的运算进行直线插补、圆弧插补。四、 系统的调试及运行：在单片机开发装置上，用调试软件对程序进行调试，查错和修改，然后把调好的顺序联成一个完整的系统程序，再进行联机调试，在线仿真，最后组装样机，脱机运行，

12、通过试运行对系统进行检测，以验证系统的功能。 设计要求完成整个控制系统的硬件设计和完成整个控制系统的人机接口软件设计，通过Keil编译和调试程序，并最终在Proteus软件中仿真。1.3 毕业设计的目的、意义毕业设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的根本设计训练。其目的是： 能够正确运用大学期间所学课程的根本理论和相关知识，掌握机电一体化系统产品的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比拟、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力； 通过机械局部设计，掌握机电一体化

13、系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤； 通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；通过毕业设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方而综合素质的提高。36第二章 平面绘图仪控制系统的总体方案 本次设计中，平面绘图仪控制系统总体设计内容包括：平面绘图仪控制系统控制方式确实定，伺服系统的选择，微机控制系统的选择。2.1 平面绘图仪控制系统的控制方式本平面绘图仪控制系统要求X-Y平面绘图仪沿两个坐标轴X，Y方向同时具有连续的精确的运动，两坐标直线插补与圆弧插补的根本功能，能够完

14、成平面轮廓的加工，因而采用连续控制的方式。该方式可对两个或两个以上的坐标轴同时进行严格连续控制系统。它不仅能控制移动部件从某一点准确地移动到另一点，而且还能控制整个加工过程中的每一点的速度和位移量，进而将零件加工成一定的轮廓形状。2.2 伺服系统及电机的选择1伺服系统的选择本次设计选用开环伺服系统。在开环控制系统中，无反响部件，不存在由输出端到输入端的反响通路，无法反响信息，故而不能及时纠正系统传动误差。但是，同闭环控制系统相比，开环控制系统的结构要简单得多，调整维修方便，同时也比拟经济。在速度和精度要求都不太高，而又要求降低本钱的场合得到广泛应用。2步进电机的选择考虑到经济性，也不需太高的运

15、动精度，为简化结构，降低本钱，采用步进电机作为开环伺服系统的驱动装置。步进电机是由脉冲控制的特种电动机。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，对应于每一个脉冲，电动机将产生一个恒定量的步进运动，即产生一个恒定量的角位移或线位移。步进电机运动步数由脉冲数来决定，运动方向由脉冲相序来决定，在一定时间内转过的角度或平移的距离由脉冲数决定，借助步进电机可以实现数字信号的变换。步进电机控制系统的原理框图如图2-1所示。电 源脉冲发生器脉冲分配功率电路步进电动机工作机构图2-1 步进电动机系统简图根据控制需要，本次设计选择两个90BF001型4相8拍

16、的反响式步进电机。步进电机有关参数如表2-1：表2-1 90BF001型反响式步进电机的参数型号主要技术参数相数步距角/( )电压/V最大静转矩/(Nm)空载启动频率/(步/s)空载运行频率/(步/s)分配方式90BF00140.9803.92200080004相八拍电感/(mH)外形尺寸轴径/mm质量/kg转子转动惯量/(10-5 kgm2)17.44.517.64步进电机原理图如图2-2所示：图2-2 步进电动机原理图2.3 微机控制系统的选择1对于步进电动机的开环控制系统，选用8位单片机AT89C51作为控制系统的控制器。该单片机具有集成度高，可靠性好，功能强大，处理速度快，可扩展性强，

17、性价比拟高等优点，能够很好的满足任务书给定的相关控制要求。2要设计一个完整的控制系统，在选择CPU之后，还要设计步进电机机的驱动电路，通过运行程序，单片机与驱动电路一起工作，进而分别驱动XY轴步进电机的正反转。3合理设计电源及开关电路，与步进电动机配套使用。2.4 X-Y平面绘图仪的传动方式 为了保证X-Y平面绘图仪具有一定的传动精度和平稳性，并考虑总体结构的紧凑性要求，采用滚珠丝杠螺母作为传动副。由于平面绘图仪的运动部件重量和工作载荷不大，应选用滚动直线导轨副，从而减小平面绘图仪的摩擦系数，提高其运动的可靠性和平稳性。 由于步进电机的步距角和滚珠丝杠的导程是按标准选取的，为到达传动要求，并综

18、合考虑步进电机负载匹配，决定采用齿轮减速传动。平面绘图仪控制系统总体框图如图2-3所示：图2-3 平面绘图仪控制系统总体框图第三章 MCS-51单片机工作原理3.1 单片机内部组成及引脚功能3.1.1 单片机的内部结构MCS-51单片机的组成： CPU(进行运算、控制)、RAM(数据存储器)、ROM(程序存储器、I/O口(串口、并口、内部总线 和中断系统等。组成框图如下：图3-1 MSC-51单片机结构框图3.1.2 AT89C51单片机的主要特性：与MCS-51 兼容4K字节可编程闪烁存储器全静态工作：0Hz-24Hz寿命：1000次擦/写循环数据的保存时间可达10年1288位内部RAM32

19、可编程I/O线三级程序存储器锁定可编程的串行通道两个16位计数器/定时器闲置和掉电模式低功耗5个中断源3.1.3 AT89C51单片机的引脚功能本次选用的AT89C51单片机采用40引脚双列直插式封装DIP形式。引脚排列及逻辑符号如图3-2所示，其中Vcc和Vss引脚由于分别默认接电源和地而被隐藏。下面分别说明这些引脚的意义和功能。图3-2 AT89C51单片机引脚图1电源线VCC：接+5V电源。VSS：接电源地。2端口线 P0P3口：48=32条。（1） P0口 P0.0P0.7 P0口是一个8位双向I/O口，它的每跟管脚都可吸收8TTL的门电流。当P1口首次写1的时候，P0口将被定义为高阻

20、态输入。P0可用于外部程序数据存储器，此时它作为数据/地址的第八位。当FIASH进行编程时，P0 口将作为原码输入口；FIASH校验时，P0口作为原码输出口，此时P0口必须拉高的外部。2P1口P1.0P1.7P1口是一个由单片机内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。3P2口P2.0P2.7P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1时，其管

21、脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能存放器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 4P3口 P3.0P3.7 P3口的管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流ILL这是由于上拉的

22、缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口使用，各位的作用如下表3-1所示所示：表3-1 P3各口线的第二功能表端口第二功能信号名称P3.0RXD串行数据接收口P3.1TXD串行数据发送口P3.2外部中断0请求输入P3.3外部中断1请求输入P3.4T0定时器/计数器0的外部输入口P3.5T1定时器/计数器1的外部输入口P3.6外部RAM写选通信号P3.7外部RAM读选通信号3控制信号引脚RST：复位输入引脚。当器件被振荡器复位时，必须保持RST引脚有两个机器周期时间的高电平。ALE/PROG：当单片机访问外部存储器时，地址锁存所允许的输出电平将用来锁存地址的地位字节。在FLASH进行编

23、程时，编程脉冲由此引脚输入。一般情况下，ALE引脚端以恒定的频率周期来输出正向脉冲信号，此时的振荡频率是振荡器振荡频率的1/6。因此，它可作为向外部输出脉冲或用来定时的引脚。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。：当保持低电平时，那么在此期

24、间外部程序存储器0000H-FFFFH，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部锁定为RESET；当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源VPP。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出3.2 单片机的时钟电路AT89C51单片机芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成时钟振荡电路，XTAL1为该放大器的输入端、XTAL2为该放大器的输出端，由该放大器构成的振荡电路与和时钟电路一起构成了单片机的时钟方式。根据硬件电路的不同，单片机的时钟连接方式又可分为内部时钟方式和外部时钟方式。内部时

25、钟方式如图3-3所示，外部时钟方式如图3-4所示。图3-3 内部时钟方式图3-4 外部时钟方式3.3 单片机的工作方式MCS-51系列单片机的工作方式可分为：复位方式、程序执行方式、单片执行方式、掉电保护方式、节电工作方式和EPROM编程/校验方式。复位方式：系统开始运行和重新启动靠复位电路来实现，这种工作方式为复位方式。复位电路有两种：上电自动复位如图3-5所示，上电/按键手动复位如图3-6所示。 图3-5 上电自动复位 图3-6 上电/手动按键复位程序执行方式：单片机根本工作方式，可分为连续执行工作方式和单步执行工作方式。连续执行工作方式：所有单片机都需要的工作方式。单片机复位后，PC值为

26、0000H，因此单片机复位后立即转到0000H处执行程序。单片机按照程序事先编排的任务，自动连续地执行下去。单步执行工作方式：用户调试程序的一种工作方式，在单片机开发系统上有一专用的单步按键或软件调试环境。按一次，单片机就执行一条指令仅仅执行一条，这样就可以逐条检查程序，发现问题进行修改。单步执行方式是利用单片机外部中断功能实现的。节电方式：一种低功耗的工作方式，分为空闲等待方式和掉电停机方式。是针对CHMOS类芯片而设计的，HMOS型单片机不能工作在节电方式，但它有一种掉电保护功能。HMOS单片机的掉电保护：当VCC突然掉电时，单片机通过中断将必须保护的数据送入内部RAM，备用电源VPD可以

27、维持内部RAM中的数据不丧失。CHMOS单片机的节电方式：CHMOS型单片机是一种低功耗器件，正常工作时电流为1122mA，空闲状态时为1.75mA，掉电方式为550mA。它适用于低功耗应用场合，它的空闲方式和掉电方式都是由电源控制存放器PCON中相应的位来控制。 编程和校验方式：用于内部含有EPROM的单片机芯片，一般的单片机开发系统都提供实现这种方式的设备和功能。第四章 单片机系统的设计4.1 硬件配置与接口分配4.1.1存贮器空间分配单板机可寻址范围是64K字节，板上提供的插座占16K，已插入的芯片占10K，其余以备扩展使用。其存贮空间分配如下。0000H07FFH 2KB EPROM

28、存储监控程序0800H0FFFH 2KB EPROM 存储零件加工程序1000H17FFH 2KB RAM 调试程序2000H27FFH 2KB RAM 测试程序等4.1.2 I/O口地址分配单板机设置I/O口地址为809FH共32个口地址，分配如下。80H83H MCS51 803184H87H 字形锁存88H8BH 字位锁存8CH8FH 读键值90H9FH 用户使用4.2 硬件电路的设计平面绘图仪控制系统硬件电路由以下几局部组成：1、主控制器。即中央处理单元CPU2、总线。包括数据总线，地址总线，控制总线。3、存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。本次选用的AT89C51芯片

29、内部自带有4K字节可编程的闪烁存储器，故不需再扩展存储器。4、接口。即I/O输入输出接口。平面绘图仪控制系统的硬件框图如图4-1所示：中央处理器单元CPU存储器RAMROM输入/输出I/O接口信号变换控制对象外部设备(键盘、显示器、打印机、通信接口等)图4-1 平面绘图仪控制系统的硬件框图4.2.1 主控制器CPU的选择AT89C51系列单片机是集中CPU,它有如下特点：1可靠性高。AT89C51能很好的适应工业生产环境，与PC机相比，它具有更强的抗外界干扰能力。并且，它的系统软件如：程序指令，常数，表格等均固化于ROM中，不易受到病毒的破坏。信号通道根本上都位于同一个芯片里，运行时，系统可靠

30、且稳定。2便于扩展。此系列单片机片内有微机正常运行必需具备的部件，其片外还有许多供用户扩展用的总线，串行和并行输入/输出管脚，很容易就能组成一定规模且适应要求的微机系统。3控制功能较强。AT89C51单片机具有丰富控制指令，如：I/O 口逻辑操作指令，位处理指令，条件分支转移指令等。4实用性好。体积小，功耗低，价格廉价，易于产品化。综上所述，由于它具有以上优点，所以本设计选用AT89C51单片机作为主控制芯片。其引脚图如图3-2所示。4.2.1 步进电机驱动电路的设计1选用ULN2003A芯片构成步进电机的驱动电路。ULN2003A的结构：ULN2003A是一款大电流、高耐压的达林顿阵列，由七

31、个硅NPN 达林顿管组成。ULN2003A具有如下特点： ULN2003A 中的每一对达林顿都串联着一个10.5K 的基极电阻，它在5V 的工作电压下，可与CMOS和TTL电路直接连接，能直接处理一些原先需要由标准逻辑缓冲器处理的数据； ULN2003A 的工作电流大，工作电压高，其灌电流可以到达500mA，且在关态时能承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流的情况下并行运行； ULN2003A 采用DIP16 或SOP16 塑料封装；ULN2003A的引脚如图4-2所示。图4-2 ULN2003A引脚图2步进电机的驱动电路如图4-3所示。图4-3 步进电机驱动电路4.3 其他辅助电路设计4

32、.3.1 AT89C51的时钟电路单片机的时钟的产生方式AT89C51的时钟电路可以由两种方式产生：外部方式和内部方式。由于内部时钟电路结构简单，无需外部施与时钟信号，故本次设计采用内部方式。内部时钟方式是利用的芯片内部的振荡电路，具体那么是在XTAL1和XTAL2引脚上外接一个定时元件，如图3-3所示。晶体的振荡频率可在1.212MHz间任选，耦合电容在530PF之间，这种方式对时钟具有微调作用。4.3.2 AT89C51复位电路单片机的复位是靠外部电路来实现的，在时钟电路工作后，只要RST引脚上有10ms以上的高电平出现，单片机就可以实现状态复位，然后单片机便从0000H单元开始执行程序。

33、单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种复位方式。为了尽可能简化电路，本次设计采用上电自动复位方式，如图3-5所示。 4.3.3 超程报警电路为了防止平面绘图仪超程，可分别在极限位置安装限位开关。对于两坐标联动的平面绘图仪控制系统，4个方向都可能超程，即+X、X、+Y、Y。当某一方向超程时，应立即使平面绘图仪停止移动。图4-4为报警指示灯电路。为到达报警的效果，要用到中断方式，这里采用AT89C51的外部中断方式，任何一个行程开关闭合即平面绘图仪在某一方向超程，均会产生中断信号。在电路中设置红绿灯作为警示指示信号。正常工作时，绿灯亮；超程报警时，红灯亮。两灯均由一个I/O口输出。图4-4 报警

34、指示灯电路4.3.4 掉电保护电路半导体存储器RAM最怕掉电，一但掉电，那么里面存储的信息就会全部丧失。工业作业现场环境恶劣，掉电是很有可能发生的。平面绘图仪控制系统中的一些重要的现场参数，如几何尺寸，工艺参数等都是存储在RAM中的，掉电后，数据将会丧失。为了使掉电情况下， RAM中的信息能得以保持，就必须设置掉电保护电路。这样，恢复供电后，系统又能马上运行。图4-5所示的是一种简单掉电保护电路的工作原理，图中为电源电压，为备用电池电压，并且，为存储器RAM的电源端，正常通电时，二极管导通，截止，RAM的工作电压由提供，同时，还通过电阻R对电池充电。断电后，截止，导通，此时RAM的工作电压由电

35、池电压由电池经二极管和电阻R供应，值一般取3V时，存储器就能可靠的保持信息。图4-5 掉电保护电路4.3.5 光电隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲信号经功率放大器后控制步进电机励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流较大，如果功率放大器直接接输出信号，将导致强电干扰。轻那么影响程序的正常工作，重那么导致单片机和接口电路的损坏。所以一般在功率放大器与接口电路之间都要接上隔离电路。光电隔离是有光耦合器来完成的。光耦合器是以光为媒介传输信号的器件，其输入端配置发出光源，输出端配置接受光源，因而输入和输出在电气上是完全隔离的。本设计将会使用开关量电路，因此设计时选择在电路中接入光耦合器，从而使

36、其输入侧与输出侧的信号得到了电气隔离，互补影响。1光耦合器的选用本案选用的是普通的信号隔离用光耦合器(TLP521-1)，其内部结构形式见图4-6。TLP521-1光耦合器以发光二极管为输入端，光敏晶体管为输出端，能够隔离频率在100kHz以下的信号，满足我此次设计的要求。图4-6 TLP521-1光耦合器的内部结构形式图2TLP521-1光耦合器的主要参数及工作参数TLP521-1光耦合器是TOSHIBA公司生产的TLP521系列光耦合器的一种结构形式，表4-1那么给出了TLP521系列光耦合器推荐的工作参数，表4-2将给出TLP521系列光耦合器的主要参数。表4-1 TLP521光耦合器推

37、荐工作参数参数特性符号最小值典型值最大值单位供电电压524V正向电流1025mA集电极电流110mA工作温度-2585表4-2 TLP521光耦合器的主要参数参数名称符号单位TLP521正向导通电流mA50集电极电流mA50最小电流传输比%100最大电流传输比%600集电极-发射机反向击穿电压V55发射极-集电极反向击穿电压V7集电极-发射极饱和压降V0.4响应时间S2/3隔离电压kV2.5第五章 基于PROTEUS的XY平面绘图仪运动仿真设计5.1 Proteus简介及仿真界面 1Proteus软件简介Proteus是英国Labcenter公司开发的切入式系统仿真软件，组合了高级原理图设计工

38、具ISIS、混合模式SPICE仿真、PCB设计以及自动布线而形成了一个完成的电子设计系统。它运行与Windows操作系统上，可以仿真、分析各种模拟和数字电路，并且对PC机的硬件配置要求不高。该软件具有以下主要特别： 实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合，具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路仿真、RS232动态仿真、SPI调式器、键盘和LCD系统仿真的功能。 提供了大量的元器件，涉及电阻、电容、二极管、三极管、MOS管、变压器、继电器、各种放大器、各种鼓励源、各种控制器、各种门电路和各种终端等；同时，也提供了许多虚拟测试仪器，如电流表、电压表、示波器、逻辑分析仪、信号发生器、

39、定时/计数器等。 支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有：68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。 提供软硬件调试功能。同时支持第三方的软件编译和调试环境，如Keil C51 Vision2等软件。 具有强大的原理图编辑及原理图后处理功能。 Proteus VSM虚拟系统模型组合了混合模式的SPICE电路仿真、动态器件和微控制器模型，实现了完整的基于微控制器设计的协同仿真，真正使在物理原型出来之前对这类设计的开发和测试成为可能。2Proteus仿真界面如图5-1所示：图5-1 Proteus ISIS仿真界面

40、5.2 Keil简介Keil是美国Keil Software公司开发的，是目前世界上最好的51单片机的汇编和C语言的开发工具。它支持汇编语言、C语言以及混合编程，同时，它还具有强大的模拟仿真功能。在进行模拟仿真时，不需要任何真实的硬件即可实现用户程序的仿真和调试。仿真时，我们会将Keil与Proteus一起使用，充分利用它们各自的模拟仿真功能，使得单片机软硬件调试到达很好的效果。5-2 Keil软件界面5.3 Keil中的程序调试5-3 平面绘图仪控制XY平面绘图仪控制程序调试程序调试成功后，生成.HEX文件，并保存。5.4 Proteus仿真系统硬件原理图在进行仿真前，应先在Proteus

41、ISIS中绘制出总体的电气控制原理图，并仔细检查线路是否连通。本次设计中的平面绘图仪控制XY平面绘图仪运动控制即是要用单片机控制给X、Y轴传递运动的两个步进电机的转动，包括两个步进电机各自的正反转，以及两轴联动。具体仿真系统硬件原理图如图5-4所示。图5-4 Proteus仿真系统硬件原理图5.5 运行调试 在Proteus ISIS中绘制完仿真原理图后，将之前生成的.HEX文件导入到AT89C51单片机中，点击“调试，并“执行程序。仿真结果如下列图5-5至5-7所示：图5-5 运行调试图1两轴电机同时运转图5-6 运行调试图2X轴电机运转图5-7 运行调试图3Y轴电机运转设计总结基于单片机的

42、平面绘图仪控制XY平面绘图仪运动控制设计与虚拟仿真测试到这里已接近尾声了，整个设计过程完成的任务主要有：1完成了平面绘图仪控制系统整体方案的选择。2完成步进电动机的选择。选择型号为90BF001的反响式步进电机。3完成整个控制系统的硬件设计。该控制系统式基于MSC-51单片机控制的，属于微型计算机。系统的硬件设计选用的芯片均为市场较为普遍的、性价比拟高的芯片，大大降低的系统的设计本钱，符合设计任务书的规定要求。4完成了C语言程序的编写，并成功调试运行。5完成系统的仿真。本系统能够通过Proteus和Keil软件进行仿真，通过该仿真电路图在仿真软件Proteus上实现对步进电动机的控制，步进电机

43、的相应动作。综上所述，本次设计出的控制系统在实现根本功能要求的根底上，较已有的设计方案来说，控制系统更简单、I/O口的分配上更加的合理，本次设计选用的AT89C51单片机其自配的存储器结构给编程上赋予了丰富的编程空间，减少了系统存储器的扩展，从而提高的本设计的优越性。然而系统缺乏之处在于，此控制系统实现的是开环控制。假设能为旋转编码器设计硬件电路图，并编写调试程序控制电路的运行，即能使系统实现半闭环控制，从而使系统的稳定性和精确性得以提高。除此之外，此系统并未制作成实物，假设能通过制作实物，从中必能检测出更多的缺乏，也能通过实物制作检测系统的实用性，最终使系统可靠性大大提高。致 谢通过此次设计

44、，让我对于理论知识尤其是专业知识有了更深的了解和认识，并能将其进行一次比拟全而系统的总结和应用。在设计的过程中，我学会了如何查阅现有的技术资料、如何举一反三、如何通过改良并参加自己的想法与观点，使之成为自己的东西。进一步加强了我综合分析解决实际问题和独立思考的能力。在这次设计中，同学之间讨论问题，查阅资料，相互帮助，从实际应用出发将设计完成的比拟合理且具有实际的意义。同时，我们也发现了一些问题。比方对知识的运用的熟练程度还不够，知识范围比拟的狭溢，导致在设计中的一些问题无法及时发现和解决。在此，我向我的指导老师沈华东老师表示由衷的感谢，感谢他的谆谆指导与监督。其次，我还要感谢那些曾经给予我帮助的同学们。最后，我还要感谢大学里我所有的任课老师，感谢他们为我传道解惑，祝他们在以后的工作生活中幸福美满。参考文献1 求是科技8051系列单片机C程序设计完全手册M北京：人民邮电出版社20062 朱清慧，张凤蕊，翟天嵩，等Proteus教程电子线路设计、制版与仿真M北京：清华大学出版社20213 固高科技GXY运动控制平面绘图仪使用手册，深圳:固高科技股份20054 孙立香. Proteus和Keil软件在单片机中的应用J. 科技资讯, 2021, (36)5 汪传建, 刘恩博. Proteus软件在单片机教学过程中的应用J. 福建电脑, 2021, (01)