基于单片机控制的简易绘图仪

2014-03-13崔勇张振华内蒙古乌海热电厂

经济技术协作信息 2014年35期

崔勇张振华/内蒙古乌海热电厂

基于单片机控制的简易绘图仪

崔勇张振华/内蒙古乌海热电厂

本文设计的是由MCS-51系列单片机控制两台步进电动机联动进行绘图的控制系统。可以用于解决一些工控辅助设备中位置变化的控制工作。用单片机系统控制X-Y平面绘制图形主要解决三个问题：数据输入、数据处理（包括直线和圆弧差补）、脉冲分配。数据输入部分主要师BCD码拨盘和按键输入；数据处理由单片机中央处理器完成。脉冲分配主要用两台步进电动机做X-Y轴联动表现出来。

AT89C51；步进电机；X-Y平面绘图

该设计是数控技术的一种基本方法的简单应用，采用了MCS-51系列单片机最小系统，由于控制部分所用接口较多，加装了一片8155可编程并行I/O芯片进行扩展。输入控制部分采用了键盘及其BCD码拨盘输入，来控制绘图仪的工作。作为输入控制的键盘一共用了四个按钮开关，用8155的PA口和PB口完成键盘的输入。每当检测到有键盘输入就产生一个中断，中断送入CPU的INT0端口，键盘的去抖动通过CPU用软件实现。CPU的输出电压控制字先送到8155，作为控制端。

采用了步进电机作为驱动器件，无须位置和速度检测器件，也没有反馈电路，控制电路简单，价格低廉。步进电机和现代数字控制技术相结合，可以发挥其结构简单，可靠性高和成本低的优点。

机械原理框图如图所示：

系统采用单片机控制整个过程的运行。数据输入由BCD码拨盘来实现，具有方便快捷等优点。控制部分由按键组成。由驱动电路驱动两台步进电动机在平面内做X-Y轴联动，绘出所要的图形。

一、电路组成

1.单片机时钟和复位电路。单片机时钟引脚外接晶体和片内的反相放大器构成了一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。电容的大小直接影响振荡器频率的高低和稳定性，本机采用了NPO高频电容，典型值为30P，晶体陶瓷振荡器数值为6MHz。

复位电路为单片机提供了初始化手段，由了它便可以使程序从指定处开始执行，即从程序存储器钟的0000H地址开始执行程序。在时钟电路工作后，只要在RST引脚上出现两个周期以上的高电平时，单片机内部则初始化复位。只要RST保持高电平，则单片机循环复位。

只有当RST低电平时，MCS-51才执行程序。

图中复位引脚RST通过施密特触发器抑制噪声，它输出每个机器周期的S5P2，由复位采样一次。共采用了上电和手动复位两种方式。

2.系统的数据输入。本设计的数据输入采用了十进制BCD码拨盘，提供个、十、百、千位的数据，简单有效，容易操作。4片码拨盘的输出端接入同一个4与非门。输出8、4、2、1端分别接入P1.3、P1.2、P1.1、P1.0。其余的P1.6、P1.5、P1.4分别与千百十个位BCD码拨盘的控制端相连。当选中某位时，该位的控制端置0，其它三个控制端置1。因此拨盘所配置之数字输出位BCD反码，通过与非门输出该位的BCD码值。

当将多个码拨盘数据线连接在一个数据总线上时，如果不能进行有效的电气隔离，数据之间会相互影响，导致读入错误和逻辑电平冲突，使得整个系统瘫痪。利用非门电路和二极管很好地解决了这个问题

3.驱动部分电路设计。接口电路采用了同向驱动器4N25输入端作为驱动口，光电耦合器输入端电流一般位10～15毫安，发光二极管的压降位1.2～1.5伏。使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大器等组成的控制系统，占空比决定电机转速。

二、软件设计

单片机作为系统的控制核心，鉴于前面的硬件设计，根据系统的具体要求和性能指标。系统运行过程钟，8155的PA口、PB口读出绘图所需数据，该数据由BCD码拨盘输入得到，数据包括了图形的有关数据。通过程序来绘制图形，具体包括下列子程序：BCD码盘程序、键盘扫描程序、8155读数程序、直线圆弧插补程序及步进电机控制程序。

列举如下：

1.主程序。

2.BCD码盘子程序。

3.键盘扫描子程序。

4.插补算法处理子程序。

以下为部分程序流程图，具体程序清单限于篇幅，没有写出。