直线运动工作台

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1、Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more.-author-date直线运动工作台直线运动工作台 学号：24113501538 南湖学院 毕业论文（设计）题目 ：直线运动工作台精确定位控制 作 者： 龙罗坤 届 别：2011级 系 别：南湖学院机电系 专 业：机械与电子工程 指导老师： 余晓峰 职 称： 副 教 授 完成时间： 2015年5月4日 摘 要本设计是基于单片机控制的数控系统设计直线运动工作台精确定位设计。本控制系统采用闭环

2、控制方式，以AT89C51单片机为控制器，并以显示、复位、时钟、限位等电路作为基础，通过键盘电路的给单片机输入指令，并以脉冲形式的控制信号来驱动步进电机，并且通过旋转编码器对运动进行实时检测，并及时反馈给执行机构是否进行，从而通过传动机构来实现直线运动工作台精确定位。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：数控工作台；直线运动；定位控制；步进电机；旋转编码器-ABSTRACTThis design is the numerical control system design based on single-chip microcomp

3、utercontrol, linear motion table precise positioning design. This control system adopts the closed loop control mode, AT89C51 single-chip microcomputer as the controller, and to display and reset, clock, limit, such as circuit as the foundation, through the keyboard circuit to MCU input instruction,

4、 and in the form of pulse control signal to drive the stepper motor, and real-time detection of movement through rotary encoder, and timely feedback to the actuator whether, and through the drive mechanism to achieve linear motion table precise positioning. After the completion of the program writte

5、n, in the Keil software compiling and debugging, and implementation procedures and the simulation of the circuit in the Proteus environment. Keywords: CNC table; linear motion; positioning control; stepper motor; rotary encoder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 数控系统的总体方案32.1 数控系统的设计

6、总体方案图3 2.2 数控系统的控制方式. .32.3 伺服系统及电机的选择32.4 微机控制系统的选择32.5 直线运动工作台的传动方式5 2.6 控制系统的执行.6第三章 MCS-51单片机工作原理93.1 单片机内部组成及引脚功能93.1.1 单片机的内部结构93.1.2 AT89C51单片机的主要特性：93.1.3 AT89C51单片机的引脚功能103.2 单片机的时钟电路123.3 单片机的工作方式14第四章 单片机系统的设计164.1 硬件配置与接口分配164.1.1存贮器空间分配164.1.2 I/O口地址分配164.2 硬件电路的设计174.2.1 主控制器CPU的选择174.

7、2.2 步进电机驱动电路的设计184.3 其他辅助电路设计324.3.1 AT89C51的时钟电路单片机的时钟的产生方式324.3.2 AT89C51复位电路324.3.3 超程报警电路324.3.4 掉电保护电路334.3.5 光电隔离电路34第五章 基于PROTEUS的直线运动平台运动仿真设计365.1 Proteus简介及仿真界面365.2 Keil简介375.3 Keil中的程序调试385.4 Proteus仿真系统硬件原理图395.5 运行调试39设计总结42致 谢43参考文献44附 录45附录A 步进电机驱动数控XY轴仿真原理图45附录B C语言程序设计46第一章 绪论1.1 课题

8、设计研究背景随着现代信息技术的进步，制造业得到了快速发展，促使机械加工技术发生深刻的变化，企业不仅追求高效率的生产模式，更追求高标准的质量要求，因此要求机械设备的功能越来越强大，其结构及功能随之也变得更复杂。所以，能够设计出功能全面、效率高、耐压性强、加工精度高的机械加工设备是制造业中最重要的课题之一。我们此次研究的课题直线运动数控工作台属于高精密加工的核心部件，它的传动部件的定位精度直接影响系统的加工精度。直线运动数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的直线运动工作台、激光加工设备的工作台等。数控工作台的运动控制精度与加工零件的精度直接相关，

9、传统的人工控制已无法满足要求，因而采用微机控制系统来实现精确的运动控制。本设计采用单片机来实现程序化的运动控制，此为验证性设计，通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件电路的设计方法和人机接口软件的设计思路，并通过Proteus软件进行仿真实验。1.2 研究的内容 直线运动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，以及步进电机等部件构成。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AT89C51组成专用单片机控制系统，来控制步进电机的正反转，进而控制直线运动数控工作台运动。设计要求完成整个控制系统的硬件设计和完成整个控

10、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基本设计训练。其目的是： 能够正确运用大学期间所学课程的基本理论和相关知识，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、比较、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； 通过机械部分设计，掌握机电一体化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

11、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。第二章 数控系统的总体方案本次设计中，数控系统总体设计内容包括：数控系统总体方案图、数控系统控制方式的确定，伺服系统的选择，微机控制系统的选择。2.1 数控系统设计总体方案图AT89C51旋转编码器（检测电路）键盘复位时钟电路限位开关紧急停止显示驱动电路告警步进电动机机床工作台状态执行机构（滚珠丝杠螺母副）图2-1 系统总体方案图2.2 数控系统的控制方式本数控系统要求直线运动工作台沿坐标轴方向同时具有连续的精

12、确的运动，两坐标直线插补的基本功能，能够完成平面轮廓的加工，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。2.3 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，无反馈部件，不存在由输出端到输入端的反馈通路，无法反馈信息，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，同时也比较经济。在速度和精度要求都不太高，而又要求降低成本的场合得到广泛应用。2

13、步进电机的选择考虑到经济性，也不需太高的运动精度，为简化结构，降低成本，采用步进电机作为开环伺服系统的驱动装置。步进电机是由电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，对应于每一个电脉冲，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2-2 步进电动机系统简图根据控制

14、需要，本次设计选择两个90BF001型4相8拍的反应式步进电机。步进电机有关参数如表2-1：表2-1 90BF001型反应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2-3 步进电动机原理图2.4 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

15、集成度高，可靠性好，功能强大，处理速度快，可扩展性强，性价比较高等优点，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，进而驱动X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。2.5 直线运动工作台的传动方式 为了保证直线运动工作台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。由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，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

16、杠的导程是按标准选取的，为达到传动要求，并综合考虑步进电机负载匹配，决定采用齿轮减速传动。数控系统总体框图如图2-3所示：图2-4 数控系统总体框图2.6控制系统的执行 2.6.1 I/O分配表表4-2 输入输出地址分配表代号地址说明输入（I）SQ1X1左限位SQ2X2原点SQ3X5右限位SB1X10暂停SB2X11停止SB3X12启动输出（O）Y0脉冲输出地址Y2脉冲输出方向SB12 .6.2控制流程图YN开始上电回原点设定循环次数n装料延时3S，向工位1运料到达工位1，卸料延时5S返回原点装料延时5S，向工位2运料到达工位2，卸料延时5S停止循环次数n=n-1返回原点n=0图4-3-2 控

17、制流程图第三章 AT89C51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AT89C51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/写循环数据的保留时间可达10年1288位内部RAM32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

18、.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

19、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。（2）P1口（P1.0P1.7）P1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。（3）P2口（P2.0P2.7）P2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

20、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口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 （4）P3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）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口使用，各位的作用

21、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

22、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，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器

23、。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。内部时钟方式如图3-3所示，外部时钟方式如图3-4所示。图3-3

24、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：单片机基本工作方式，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0000H，因此单片机复位后立即转到0000H处执行程序。单

25、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可以维持内部RAM中的数据不丢失。CHMOS单片

26、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寄存器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 存储监控程序0800H0FFFH 2KB E

27、PROM 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 硬件电路的设计数控系统硬件电路由以下几部分组成：1、主控制器。即中央处理单元（CPU）2、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芯片内部自带有4K字节可编程的闪烁存储器，故不需再扩展

28、存储器。4、接口。即I/O输入输出接口。数控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 数控系统的硬件框图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。信号通道基本上都位于同一个芯片里，运行时，系统可靠且稳定。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，

29、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，价格便宜，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。4.2.2 步进电机驱动电路的设计步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制步进电机元件。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，即给电机加一个脉冲信号，电机则

30、转一个步距角。脉冲数越多，电机转动的角度越大。脉冲的频率越高，电机转速越快，但不能超过最高频率，否则电机的力矩迅速减小，电机不转。所以PLC在控制步进电机中起到的作用就是发出可控脉冲，通过调节脉冲频率控制步进电机速度，通过调节脉冲数量控制步进电机转动的角度。步进电机在构造上主要分为三种类型：反应式、永磁式和混合式。图3-3-2 两相步进电机的工作原理示意图如上图3-3-2 所示，该两相电机有两个绕组。当一个绕组通电后，其定子磁极产生磁场，将转子吸合到此磁极处。若绕组在控制脉冲的作用下，通电方向顺序按AA(_)BB(_)A(_)AB(_)BAA(_)四个状态周而复始进行变化，电机顺时转动；通电时

31、序为AA(_)B(_)BA(_)ABB(_)AA(_)时，电机逆时针转动。控制脉冲每作用一次，通电方向就变化一次，使电机转动一步，此图所示只要4个脉冲，电机就转动一圈。脉冲频率越高，电机转动越快。通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机

32、的转动。1、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4.2.3键盘键盘是单片机应用系统中不可缺少的输入设备。通过键盘可向单片机应用系统输入数据和控制命令，键盘是操作人员控制干预单片机应用系统的主要手段。根据键盘组成形式可分为独立式键盘、矩阵式键盘及拨码式键盘几种。键盘可工作于循环扫描方式、定时扫描方式或中断方式。 键盘一般是由一组机械按键按照一定的规律组合而成，通过按键的通、断作用输入开关电压信号。按键由断开到闭合及由闭合到断开时，由于机械触点的弹性作用，按键的动作不是立刻完成的，在闭合及打开的瞬间有机械抖动的发生，抖动时间一般为510ms，表现在输入电压信号上为输入信号是

33、抖动的不稳定的电平信号，其信号波形见图4-8。 键 被 按 下 闭合稳态 按下抖动 释放抖动 图4-8 按键抖动波形 按键闭合稳态时间由操作人员的按键时间决定，一般为零点几秒到几秒之间。为了躲开键抖动的影响，保证在按键闭合稳定状态下读取键值，需要对键盘进行削抖处理。常用的削抖措施有硬件削抖和软件削抖两种。 硬件削抖是采用硬件电路的方法对键盘的按下抖动及释放抖动进行削抖，经过削抖电路后使按键的电平信号只有两种稳定的状态。常用的削抖电路有触发器削抖电路、滤波削抖电路两种。硬件削抖电路见图4-9。图4-9 硬件削抖电路硬件削抖电路解决了键抖动问题，但当应用系统所需按键比较多时，硬件削抖电路将变得复杂

34、，成本也比较高，因此硬件削抖一般只适用于按键比较少的应用系统中。当系统中需要键盘数量比较多时可采用软件削抖方法对键盘抖动进行消除。软件削抖的基本原理是当第一次检测到有键按下时，根据键抖动时间的统计规律先采用软件延时的方法延时一段时间（一般可取10ms），然后再确认键是否仍保持闭合状态，如仍保持闭合状态则键真正被按下，此时可读取键值，否则可视为干扰，对其不予理睬。采用软件削抖方法可省去硬件削抖电路，但键盘的工作速度将被降低。1独立式键盘图4-10是通过AT89C51单片机P1口组成的具有8个按键的独立式键盘。从图中可看出，独立式键盘的各个按键之间彼此是相互独立的，每一个按键连接一根I/O口线。独

35、立式键盘电路简单，软件设计也比较方便，但由于每一个按键均需要一根I/O口线，当键盘按键数量比较多时，需要的I/O口线也较多，因此独立式键盘只适合于按键较少的应用场合。 独立式键盘可工作在查询方式下，通过P1口读入键状态，当有键被按下时相应的I/O口线变为低电平，而未被按下的键对应的I/O口线保持为高电平，这样通过读I/O口状态可判断是否有键按下和哪一个键被按下。2矩阵式键盘 矩阵式键盘由行线、列线及位于行列线交叉点上的按键等部分组成。当应用系统需要的按键数量比较多时可采用矩阵式键盘。(1) 工作原理图4-11为一4x4矩阵式键盘的基本结构。图4-11 矩阵式键盘工作原理该键盘需要4根行线和4根

36、列线共8根I/O口线，由于采用矩阵式结构，与独立式按键不同，一根I/O口线已经不能确定哪一个键被按下，需要通过联接到键上的两根I/O口线的状态确定键的状态，同时键的两端均接到I/O口线上不能一端接I/O口线一端接地，因此必需采用行线与列线信号状态分别处理综合考虑才能判断键闭合的位置。常用的键位置判别方法有扫描法和线反转法两种。(2) 键识别方法 键识别方法是指当键被按下时如何确定是哪一个键被按下。常用的键识别方法有扫描法和线反转法，下面我们以图4-11为例加以说明。 扫描法 设图4-11的行线H1H4连接到51单片机P1口的P1.0P1.3，列线L1L4连接到P1口的P1.4P1.7上，可通过

37、如下程序判断哪一个键被按下。KEY: MOV P1,#0FH；列输出低电平，行输出高电平 MOV A,P1；读P1口状态 ANL A,#0FH；保留行状态 CJNE A,#0FH,KEY0；有键按下转KEY0 SJMP KEY；无键按下等待，转键检测KEY0: LCALL DELAY10；调10mS延时取抖 MOV A,P1 ANL A,#0FH CJNE A,#0FH,KEY1；不是抖动转键值判断 SJMP KEY ；是抖动到键检测KEY1: MOV P1,#11101111B；第一列键被按下判断 MOV A,P1 ANL A,#0FH CJNE A,#0FH,KEY11；第一列键被按下转K

38、EY11处理 MOV P1,#11011111B；第二列键被按下判断 MOV A,P1 ANL A,#0FH CJNE A,#0FH,KEY11；第二列键被按下转KEY11处理 MOV P1,#01111111B；第四列键被按下判断 MOV A,P1 ANL A,#0FH CJNE A,#0FH,KEY11；第四列键被按下转KEY11处理 LJMP KEY ；均不是转到键检测KEY11：MOV A,P1；读键值 键值处理 从程序中我们可看出，键扫描法实际上是先使列（行）线全输出低电平，然后判断行（列）线状态，若行线全为高电平，表示无键被按下；若行线不全为高电平表示有键被按下，然后依次使列线为低

39、电平，再判断行线状态，当行线全为高电平时，表示被按下的键不在本列；当行线不全为高电平时，表示被按下的键在本列，把此时的行线状态与列线状态和在一起即为被按下的键的位置。 线反转法 扫描法对键的识别采用逐行（列）扫描的方法获得键的位置，当被按下的键在最后一行时需要扫描N次（N为行数），当N比较大时键盘工作速度较慢，而线反转法则不论键盘有多少行和多少列只需经过两步即可获得键的位置。我们仍以图4-11为例，线反转法的第一步与扫描法相同均是把列线置低电平，行置高电平然后读行状态；第二步与第一步相反把行线置低电平，列线置高电平然后读列线状态，若有键按下则两次所读状态的结果即为键所在的位置。这样通过两次输出

40、和两次读入可完成键的识别，比扫描法要简单。KEY: MOV P1,#0FH；列输出低电平，行输出高电平 MOV A,P1；读P1口状态 ANL A,#0FH；保留行状态 CJNE A,#0FH,KEY0；有键按下转KEY0 SJMP KEY；无键按下等待，转键检测KEY0: LCALL DELAY10；调10mS延时取抖 MOV A,P1 ANL A,#0FH MOV B,A CJNE A,#0FH,KEY1；不是抖动转键值判断 SJMP KEY ；是抖动到键检测KEY1: MOV P1,#0F0H；行输出低电平，列输出高电平 MOV A,P1 ANL A,#0F0H ORL A,B 键值处理

41、 (3) 键盘工作方式 在实际应用系统中，键盘只是系统的一部分，键的识别也只是CPU工作内容的一部分。系统在工作中采取何种方式对键盘进行识别，读取键状态这就是键盘工作方式。键盘工作方式主要有扫描方式和中断方式两种。 扫描方式键盘的扫描方式又可分为编程扫描和定时扫描。编程扫描是指在特定的程序位置段上安排键盘扫描程序读取键盘状态，此时用户可输入数据和控制命令。定时扫描是指利用单片机内部或扩展的定时器产生定时中断，在中断中进行键盘扫描的工作方式。不论哪一种扫描方式，键盘程序都应当完成：键是否被按下判断，按键削抖处理；求键位置等。 中断方式 中断方式是指，当无键按下时，CPU处理其他工作而不必进行键的

42、扫描；当有键被按下时，通过硬件电路向CPU申请键盘中断，在键盘中断服务程序中完成键盘处理。该种方法可提高CPU的工作效率。4.2.4显示器1七段LED显示器LED显示器是由发光二极管按照一定的排列规律组成的显示器件，这种显示器有共阳极和共阴极两种组成形式，常用的七段LED显示器的内部结构和外引脚排列见图4-1。在共阴极七段LED结构中，所有发光二极管的阴极接在一起形成公共极COM，使用时COM接低电平，当某段发光二极管的阳极接高电平时，则该段二极管发光显示字符。共阳极七段LED是把所有的发光二极管的阳极接在一起形成公共端COM，使用时COM端接高电平，当某段发光二极管的阴极接低电平时，则该段二

43、极管发光进行显示。表4-1给出了七段LED的显示字型码。表中的字型码未包扩小数点位Dp，段线的排列格式按g,f,e,d,c,b,a即g段为显示段码的最高位，a段为显示段码的最低位，当然段线也可按照其他方式进行排列。从表中可看出共阴极结构与共阳极结构的显示段码互为反码。 a）共阴极结构 b）共阳极结构 c）外引脚图 图4-1 LED结构及引脚排列图表4-1七段LED字型码显示字符共阴极字型码共阳极字型码显示字符共阴极字型码共阳极字型码03FHC0HA77H88H106HF9Hb7CH83H25BHA4HC39HC6H34FHB0Hd5EHA1H466H99HE79H86H56DH92HF71H8

44、EH67DH82HP73H8CH707HF8H40HBFH87FH80H全灭00HFFH96FH90H问题：单片机控制电路中，应如何选择LED显示器的结构？2LED显示器的显示方式在实际应用系统中，N片七段LED构成N位七段码显示器。LED的公共端COM叫做显示器的位选线，ag称为段选线，这样N位LED显示器有N根位选线，N*8根段选线（包括小数点位）。位选线控制LED的每一位是否显示，段选线控制每一位的显示字符。根据位选线与段选线的接法，LED有两种显示方式：静态显示方式和动态显示方式。 （1）静态显示方式 在静态显示方式，所有的位选线COM连接到一起接低电平（共阴极）或接高电平（共阳极），

45、每一位LED的段选线连接到一个8位显示输出口上，这样N位显示器共需要8*N根显示输出线，显示时位与位之间是相互独立的，彼此不产生影响。图4-2为静态N位LED显示器原理图。图4-2 N位LED静态显示原理图 由于位选线接在一起，因此控制每一显示位的段选码即可控制每一位的显示字符，保持段选码不变，则显示的字符也不变，当需要改变显示内容时只需改变显示位的段码。这种显示方式具有显示亮度高，显示稳定，控制方便等优点，但当显示的位数较多时，占用的I/O口线较多。 （2）动态显示方式图4-3为N位动态显示硬件连接图。图4-3 N位动态LED显示原理图与静态显示方式不同，动态显示方式是把段选线的对应位连接到

46、一起，接到一个8位输出I/O口线上，每一位的位选线接到一根独立的I/O口线上，这样N位显示器共需要8+N根I/O口线（8根段选线，N根位选线）。显示时段选码由同一8位I/O口输出，具体哪一位显示由位选码决定。由于段选码并联接在一起，因此同一时刻只能有一位LED显示字符，其他位不显示，即只能有一位位选线有效。为了能显示N位字符，必需N位LED数码管等间隔时间轮流发光显示，只要显示间隔时间比较短，利用人眼视觉暂留的特点可造成N位同时显示的效果。动态显示与静态显示相比有需要I/O口线少、功耗小等优点，但控制程序较复杂，显示亮度低。3LED显示器与单片机接口LED显示电路与单片机的接口分静态显示接口电

47、路和动态显示接口电路两类，每一类中又可分为软件译码和硬件译码两种控制方式。由于静态显示电路和静态显示控制程序比较简单，因此静态显示电路在此不作介绍。软件译码方法是指将要显示的字符通过程序的方法译成七段LED显示字型码，通过I/O口直接输出LED的段选码；硬件译码是指将要显示的字符直接输出给硬件译码电路，通过硬件译码电路再把BCD码或十六进制码转换成七段LED显示字型码。 （1）软件译码显示接口图4-4为通过8255A并行可编程扩展接口构成的8位LED显示电路。其中8255A的PA口用于段选码的输出，PB口用于位选码的输出，采用软件译码动态显示方式。图4-4 软件译码动态显示电路在该硬件电路中，

48、反相器为位驱动器，LED的段限流电阻未画出。 按图所示电路进行连接时所用8255A的各端口地址为： PA口地址：7FFCH PB口地址：7FFDH 控制口地址：7FFFH PA、PB口均设定为输出工作方式，其控制字为10000000B。控制程序如下： DISP: MOV DPTR,#7FFFH ；选择8255A的控制口 MOV A,#80H；PA、PB口控制字为80H MOVX DPTR,A；8255A初始化 MOV R0,#TAB1；指向显示字符表 MOV R7,#08H；显示位数送R7 MOV B,#01H；显示初始位位选线COM1有效 LOOP： MOV DPTR,#7FFDH；指向B口

49、 MOV A,B MOVX DPTR,A；输出位选线 RL A MOV B,A MOV A,R0；取显示字符 INC R0；指向下一个显示字符 MOV DPTR,#TAB2；指向七段LED显示字型表 MOVC A,A+DPTR ；取显示七段字型码 MOV DPTR,#7FFCH；指向A口 MOVX DPTR,A；输出段显码 LCALL DELAY；调延时子程序 DJNZ R7,LOOP；8位未显示完继续 上述程序为一次显示8位字符程序，若要不断显示可重复上述程序。（2）硬件译码电路 硬件译码是采用硬件译码电路的方法完成显示字符到显示七段码的转换。硬件集成译码电路类型较多，有BCD-7段译码器、

50、BCD-7段译码驱动器、BCD-7段锁存译码驱动器、十六进制-7段锁存译码驱动器等。表4-2给出了常用的硬件译码集成电路及其性能。表4-2 常用的硬件译码集成电路元件名称功能驱动能力备注74LS46、47BCD-七段译码/输出驱动器段驱动8mA输出开路74LS48BCD-七段译码/输出驱动器段驱动8mA输出需上拉电阻74LS49BCD-七段译码/输出驱动器段驱动8mAOC输出4511BCD-七段译码/输出驱动器段驱动8mACMOS器件，输出锁存MC14558BCD-七段译码无驱动能力MC14547BCD-七段译码/输出驱动器段驱动8mAMC14513BCD-七段译码/输出驱动器段驱动12mA输

51、出锁存ICM7212BCD-七段译码/输出驱动器段驱动8mA可静态驱动四位共阳极LEDICM72188位动态BCD-七段译码器段驱动20mA位驱动170mA可动态驱动8位共阳极LED动态扫描频率250HZ硬件译码驱动器与单片机及显示器的接口见图4-5。在该图中硬件译码驱动电路采用BCD-七段码/输出锁存/驱动集成芯片MC14513，位选驱动采用同向驱动器7407。BCD码与位选信号输出均通过P1口。 图4-5硬件译码驱动器与单片机及显示器的接口4.3 其他辅助电路设计4.3.1 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

52、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，具体则是在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。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

53、 超程报警电路为了防止工作台超程，可分别在极限位置安装限位开关。对于两坐标联动的数控系统，4个方向都可能超程，即+X、X、+Y、Y。当某一方向超程时，应立即使工作台停止移动。图4-4为报警指示灯电路。为达到报警的效果，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（即工作台在某一方向超程），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，则里面存储的信息就会全部丢失。工业作业现场环境恶劣，掉电是很有可能发生的。

54、数控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，数据将会丢失。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的工作电压由电池电压由电池经二极管和电阻R供给，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

55、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。轻则影响程序的正常工作，重则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则给出了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524