機械手順序控制器設計.doc

課程名稱 單片機原理與應用 課題名稱 機械手順序控制器設計 任 務 書設計內(nèi)容與設計要求設計內(nèi)容：用單片機設計一個機械手順序控制器，用來對某一機械手作業(yè)的8個工序按時間節(jié)拍進行順序控制，并有合適鍵盤操作和的工序指示功能。設計要求：1）確定系統(tǒng)設計方案； 2）進行系統(tǒng)的硬件設計；3）完成必要的參數(shù)計算與元器件選擇；4）完成應用程序設計；*5）進行部分單元電路及應用程序的調(diào)試；主 要 設 計 條 件機械手控制系統(tǒng)的工作時間節(jié)拍為5秒，設作業(yè)工序流程如下： 1、22、33、44、55、66、77、88、1說 明 書 格 式1. 課程設計任務書2. 目錄3. 系統(tǒng)總體方案選擇與說明4. 系統(tǒng)結構框圖與工作原理5. 各單元硬件設計說明及計算方法6. 軟件設計與說明（包括流程圖）7. 調(diào)試結果與必要的調(diào)試說明8. 使用說明9. 程序清單10、總結11、參考文獻附錄附錄a 系統(tǒng)原理圖附錄b 程序清單進 度 安 排設計時間為兩周第一周星期一、上午：布置課題任務，講課及課題介紹 下午：借閱有關資料，總體方案討論星期二、確定總體設計方案星期三、硬件模塊方案設計星期四、軟件模塊方案設計星期五、各硬件模塊設計第二周星期一、各硬件模塊設計星期二、各軟件模塊設計星期三、各軟件模塊設計星期四、寫說明書星期五、上午：寫說明書，整理資料下午：交設計資料，答辯參 考 文 獻參考文獻1、 教材單片微型計算機技術 劉國榮 編 機械工業(yè)出版社2、 單片微型計算機原理、應用及接口技術 張迎新 編 國防工業(yè)出版社3、 單片機實用系統(tǒng)設計技術 房小翠 編 國防工業(yè)出版社4、單片機應用系統(tǒng)設計 何立民 編 北航出版社5、單片機原理及接口技術 曹琳琳編 國防科技大學出版社 機械手順序控制器設計前 言計算機的出現(xiàn)使人類的生活發(fā)生了翻天覆地的變化。單片機也是伴隨著計算機的產(chǎn)生而產(chǎn)生和發(fā)展的。也可以毫不夸張地說，單片機技術的出現(xiàn)給現(xiàn)代工業(yè)測控領域帶來了一次新的技術革命。它使原來用分立元件進行的控制，轉(zhuǎn)變到用程序進行控制，使控制的可靠性增加了，功能增多了，成本降低了，控制更靈活了。最重要的是，使學習和掌握測控技術變得更加容易。許多非自動化控制專業(yè)的人員也能毫不費力地、甚至通過自學單片機技術而成為此專業(yè)的控制專家。因單片機技術的應用而產(chǎn)生了許多新興的專業(yè)，它開辟了更多的單片機應用領域，如工業(yè)控制、自動化設備、機床、數(shù)據(jù)采集和處理、智能化儀器儀表、辦公自動化、家電、汽車、醫(yī)療器械等。越來越多的人在關心、學習、從事單片機應用技術。單片微型計算機是把組成微型計算機的各功能部件，既中央處理器cpu、隨機存儲器ram、只讀存儲器rom，i/o接口電路、定時/計數(shù)器以及串行通訊接口等部件制作在一塊集成芯片中，簡稱單片機。它是隨微型計算機的發(fā)展而產(chǎn)生和發(fā)展的，在智能化儀表、檢測和控制系統(tǒng)領域中有著廣泛的應用。目 錄一 系統(tǒng)總體設計 . 31.1 設計內(nèi)容 . 31.2 設計要求. 31.3 設計思路.31.4 系統(tǒng)結構.3二 硬件電路設計與框圖 . 42.1 單片機的選擇 . 42.2 按鍵電路設計與器件選擇 . 52.3 led顯示電路設計 . 62.4 一位顯示器電路 . 72.5 時鐘與復位電路 . 8三 系統(tǒng)軟件設計 . . 93.1 主程序模塊 . . 93.2 數(shù)碼顯示模塊 . . 113.3 延時子程序 . . 123.4 數(shù)據(jù)表 . 12四 調(diào)試說明與調(diào)試結果. 13五 系統(tǒng)功能及操作說明. 135.1 系統(tǒng)功能 . . 135.2 操作說明 . 13六 總結與體會 . 14七 附錄 . 15附錄1 顯示模塊流程圖 . 15附錄2 主程序流程圖 . 16附錄3 硬件電路原理圖 . 17八 參考文獻. 18一、系統(tǒng)的總體設計1.1 設計內(nèi)容該課題是用mcs51單片機實現(xiàn)機械手的控制。要求機械手完成五種加工方法，用相應按鍵選擇；每種加工方法有八道工序，用高低電平信號表示，并用發(fā)光二極管模擬，同時用數(shù)碼管顯示工序步數(shù)。1.2 設計要求1）確定系統(tǒng)設計方案； 2）進行系統(tǒng)的硬件設計；3）完成必要的參數(shù)計算與元器件選擇；4）完成應用程序設計；*5）進行部分單元電路及應用程序的調(diào)試；1.3 設計思路根據(jù)設計要求，初步思路如下：1）將各種加工方法的八道工序?qū)母叩碗娖侥M信號用十六進制表示，存入五個數(shù)據(jù)表中。2）五種加工方法各有一按鍵控制，通過單片機的一端口輸入控制信號，同時在端口的一位設置一停止按鈕，作為一種加工方法的結束。3）用八個led模擬加工工序，接于單片機的一個端口，作為輸出口。4）將工序步數(shù)18對應的數(shù)碼顯示字形存入一數(shù)表，用查表方式在串行口輸出要數(shù)碼顯示的工序步數(shù)字形，然后并行輸入到七段顯示器。1.4 系統(tǒng)結構硬件：實驗室提供的mcs51單片機、七個開關按鈕、八個led燈、一片數(shù)碼管、一片74ls164。 單片機接口分配和接線：p1口作為數(shù)據(jù)輸出端，p1.0p1.7分別接led1led8作為工序信號模擬顯示；p2口作為控制輸入端，p2.0p2.4分別接按鈕k1k5作為加工方法選擇鍵；p2.5接按鈕stop作為停止按鍵；rxd作為串行數(shù)據(jù)輸出端接74ls164的data端,txd作為時鐘脈沖輸出端接clk。寄存器分配：r2作為工序控制寄存器，r0作為輸出顯示間接尋址寄存器，79h作為輸出顯示緩沖區(qū)。r4、r5、r6、r7在延時子程序中使用。二、硬件電路設計與框圖根據(jù)設計要求與設計思路，確定該系統(tǒng)的設計方案，圖1為該系統(tǒng)設計方案的硬件電路設計框圖。硬件電路有四部分組成，即單片機按鍵輸入電路、led顯示驅(qū)動電路、一位顯示器電路和時鐘與復位電路。系統(tǒng)總框圖見圖1。下面我們將分別對硬件電路的設計作詳細介紹。 圖1 系統(tǒng)總框圖2.1 單片機的選擇根據(jù)初步設計方案的分析，設計這樣一個簡單的應用系統(tǒng)可以選擇采用hm0s制造工藝制造的mcs51單片機，都采用40管腳雙列直插式封裝，因此可以選用8031或8051，應用程序直接存放在片內(nèi)，不用在內(nèi)部擴展程序存儲器，電路簡化，使整個硬件電路體積小，物美價廉，經(jīng)濟實用。下面對8051的主要特點作簡要說明。p0口（3239腳） 8路漏極開路型雙向并行i/o口。在訪問外部存儲器時，p0口作為低8位地址數(shù)據(jù)總線復用口，可分時操作，先傳送低8位地址，利用ale信號的下降沿將地址鎖存，然后作為8位雙向數(shù)據(jù)總線使用，用來傳送8位數(shù)據(jù)。外部不擴展而芯片應用時，作雙向i/o口使用，p0口能以吸收電流的方式驅(qū)動8個lsttl負載。 p1口（18腳） 具有內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向i/o口，在對片內(nèi)eprom編程及校驗時，它接收低8位地址，p1口能驅(qū)動4個lsttl負載。 p2口（2128腳） 8位具有內(nèi)部上拉電阻的準雙向i/o口，在外接存儲器時，p2口作為高8位地址總線，在對片內(nèi)eprom編程及校驗時，它接收高位地址。p2口能驅(qū)動4個lsttl負載。 p3口（1017腳） 8位帶有內(nèi)部上拉電阻的準雙向i/o口。每一位又具有如下特殊功能（或稱第二功能）： p3.0(rxd):串行輸入端。 p3.1(txd):串行輸出端。 p3.2(into):外部中斷0輸入端,低電平有效。 p3.3(int1): 外部中斷1輸入端,低電平有效。 p3.4(to)：定時/計數(shù)器0外部事件計數(shù)輸入端。 p3.5(t1): 定時/計數(shù)器1外部事件計數(shù)輸入端。 p3.6(wr):外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號，低電平有效。 p3.7(rd):外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號，低電平有效。2.2 按鍵電路設計與器件選擇（1） 鍵盤結構的選擇 鍵盤結構可以分為獨立式鍵盤和行列式鍵盤（矩陣式）兩類。本系統(tǒng)只需要六個按鍵，因此選擇獨立式鍵盤。電路有按鍵和六個電阻組成，按鍵可以采用輕觸開關，按鍵分別命名為k1、k2、k3、k4、k5和stop鍵，電阻阻值為61歐。 圖2 鍵盤電路（2） 鍵盤與單片機的接口電路設計 將鍵盤直接與單片機的p2口連接，作為i/o口使用，用p2.0p2.4分別通過電阻與k1k5連接，作為加工方法選擇按鍵；p2.5通過電阻與stop連接，作為工序循環(huán)停止按鍵。（3） 按鍵去抖動的處理 由于機械觸點的彈性作用，在閉合及斷開的瞬間均伴隨有一連串的抖動，而按鍵穩(wěn)定閉合時間的長短開始有鍵閉合嗎？有鍵閉合嗎？等待松鍵延時10ms子程序nnyy 圖3 去按鍵抖動程序流程圖則是由操作人員的按鍵動作決定的，一般為幾秒至數(shù)秒。鍵抖動會引起一次按鍵被誤讀為多次，為了確保cpu對鍵的一次閉合僅作一次處理，我們用軟件去抖動的方法，程序流程圖如圖2，程序見程序清單。2.3 led顯示電路設計 圖4 led顯示電路用單片機的p1口作為i/o口，輸出工序模擬信號，p1.0p1.7分別通過電阻與led1led8連接，電阻可用81歐。當數(shù)據(jù)在p1口輸出時，將驅(qū)動二極管發(fā)光。2.4 一位顯示器電路本系統(tǒng)只需顯示工序進行步數(shù)，故只需一位數(shù)碼管顯示器，我們用串行口方式0輸出18的顯示字形碼，但顯示器的驅(qū)動需八位并行數(shù)據(jù)，故采用一片74164作為一位數(shù)碼顯示器的靜態(tài)連接端口，74164的低電平輸出電流8ma，可直接驅(qū)動共陽極七段led。2.4.1 174ls164的介紹 我們使用74164作為串行輸入并行輸出的轉(zhuǎn)換。 功能表： 2.4.2 led數(shù)碼管 led數(shù)碼管是單片機控制系統(tǒng)中最常用的顯示器件之一，led數(shù)碼管在單片機系統(tǒng)中的地位類似于crt（陰極射線管）顯示器在臺式微機系統(tǒng)中的地位（crt顯示器是臺史微機系統(tǒng)的標準輸出設備）。led數(shù)碼管用ag段顯示數(shù)字和字符的筆畫，dp顯示小數(shù)點，一英寸以下的led數(shù)碼管內(nèi)，每一筆段含有一只led發(fā)光二極管，導通壓降為1.22.5v。根據(jù)led數(shù)碼管內(nèi)各筆段led發(fā)光二極管的連接方式，可以將led數(shù)碼管分為共陰極和共陽極兩大累。本實驗中所用的是共陽極接法。根據(jù)led的結構，不同筆段的組合就可以構成不同的字符，7段可以顯示128種不同的字符，起字符表如下。led顯示器十六進制數(shù)的字形代碼字形 段g f e d c b a共陽極代碼 0暗 亮 亮 亮 亮 亮 亮 03h 1暗 暗 暗 暗 亮 亮 暗 9fh 2亮 暗 亮 亮 暗 亮 亮 25h 3亮 暗 暗 亮 亮 亮 亮 0dh 4亮 亮 暗 暗 亮 亮 暗 99h 5亮 亮 暗 亮 亮 暗 亮 49h 6亮 亮 亮 亮 亮 暗 亮 41h 7暗 暗 暗 暗 亮 亮 亮 1fh 8亮 亮 亮 亮 亮 亮 亮 01h采用軟件查表向74164輸出字形代碼，有單片機的rxd端輸出數(shù)據(jù)到74164的data端，同時txd端輸出移位脈沖接74164的clk作為時鐘。由于顯示器工作是靜態(tài)的，主程序可不必掃描顯示器，從而節(jié)省了主程序的時間。 圖5 數(shù)碼顯示電路2.5 時鐘與復位電路 單片機工作的時間基準是由時鐘電路提供的。在單片機的xtal1和xtal2兩個管腳，接一只晶振和兩只電容就構成了單片機的時鐘電路。電路中電容器c1、c2對振蕩電路起微調(diào)作用，通常的取值范圍為（2040）pf。石英晶體選擇12mhz。單片機的rst管腳為為主機提供一個外部復位信號輸入端口，復位信號是高電平有效，高電平有效的持續(xù)時間應為2個機器周期以上。在此，我們選擇手動復位組合電路，復位以后，單片機各內(nèi)部件恢復到初始狀態(tài)。rst按鍵可以選擇專門的復位按鍵也可以選擇輕觸開關。 圖6 時鐘與復位電路系統(tǒng)硬件原理圖見附錄表。 三、 系統(tǒng)軟件設計3.1 主程序模塊程序開始首先將工序控制寄存器r2清零，將工序模擬顯示燈清零即將p1口清零。然后在程序段sta檢測p2口的輸入情況，如果某一位假設p2.2為高電平，就轉(zhuǎn)到該位對應的按鍵所控制的下一段程序next2處執(zhí)行，先調(diào)用一延時10ms子程序，然后重新判斷該位是否還為高電平，否，就返回sta重新檢測，是，就繼續(xù)執(zhí)行下一步，判斷該為是否變?yōu)榈碗娖剑?，就在此等待松鍵，是，就將該加工方法的工序模擬信號所在的表格標號tab2送查表基址dptr，然后轉(zhuǎn)到主程序端loop執(zhí)行。將工序控制寄存器r2的值給累加器a，然后查表，將查出的值送a到中，再在p1口輸出，即驅(qū)動了led燈顯示，將r2加一準備執(zhí)行下一道工序，然后將r2的值存入顯示緩沖區(qū)79h，將dptr入棧保護，調(diào)用數(shù)碼顯示子程序，將工序步數(shù)在數(shù)碼管同步顯示，然后將dptr出?；謴同F(xiàn)場，調(diào)用延時5s子程序作為工序間隔。再判斷八道工序是否全部執(zhí)行完，若否就轉(zhuǎn)回loop執(zhí)行下一步工序，若已完就判斷停止按鈕是否按下，按下就返回主程序開始處重新開始，沒按下就將r2清零進行下一個工序循環(huán)。其程序流程圖見附錄。主程序清單如下： org 0000h ljmp main org 0030h main:mov r2,#00h ；將工序控制寄存器零 mov p1,#00h ；將p1口清零 mov r0,#00h ；將寄存器r0清零 sta: jb p2.0,next1 ；判斷哪個按鍵被按下就 jb p2.1,next2 轉(zhuǎn)到應程序段處執(zhí)行 jb p2.2,next3 jb p2.3,next4 jb p2.4,next5 ljmp sta next1:lcall dls10ms ；調(diào)用延時10ms子程序 jnb p2.0, sta ；p2.0=0就返回重新判斷 jb p2.0, $ ；p2.0=1等待松鍵 mov dptr, #tab1 ；將表首址給查表基址dptr ljmp loop ；轉(zhuǎn)到loop程序段 next2:lcall dls10ms jnb p2.1, sta jb p2.1, $ mov dptr, #tab2 ljmp loop next3:lcall dls10ms jnb p2.2, sta jb p2.2, $ mov dptr, #tab3 ljmp loop next4:lcall dls10ms jnb p2.3,sta jb p2.3,$ mov dptr,#tab4 ljmp loop next5:lcall dls10ms jnb p2.4,sta jb p2.4,$ mov dptr,#tab5 ljmp loop loop:mov a,r2 ；將r2的值給a movc a,a+dptr ；查表將查出的值送到a中 mov p1,a ；將a中的數(shù)送p1口輸出 inc r2 ；r2自加一 mov 79h,r2 ；將r2的值送輸出緩沖79h push dph ；保護現(xiàn)場 push dpl lcall disp ；調(diào)用數(shù)碼顯示子程序 lcall dls5s ；調(diào)用延時5s子程序 pop dpl ；恢復現(xiàn)場 pop dph cjne r2,#08h,loop ；八步未完成就返回loop jb p2.5,main ；停止按鈕按下就返回main mov r2,#00h ；將r2清零 ljmp loop ；轉(zhuǎn)到loop3.2 數(shù)碼顯示模塊程序開始設置串行口輸出控制字scon為方式0發(fā)送，然后將顯示緩沖區(qū)79h送r0，將08字形代碼表的標志segpt送查表基址dptr，用寄存器間接尋址把要顯示的數(shù)送到a中，查表將查出的字形代碼送到a中，然后將其寫入發(fā)送緩沖器sbuf，八位數(shù)據(jù)開始從rxd端串行發(fā)送到74164中，當八位數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時，數(shù)據(jù)和移位脈沖停止發(fā)送，并自動將發(fā)送中斷標志位ti置1，因此設置一檢測指令，判斷ti是否已為1，為1就是已發(fā)送完畢，用軟件將其清零，然后返回主程序。其程序流程圖見附錄。顯示子程序清單如下：disp:mov scon,#00h ；置串行方式0 mov r0,#79h ；將顯示緩沖區(qū)中值送r0 mov dptr,#segpt ；字形表首址送dptr mov a,r0 ；取出要顯示的數(shù)送a movc a,a+dptr ；查出字形 mov sbuf,a ；字形送串行口wait:jnb ti,wait ；輸出完否 clr ti ；完，清中斷標志 ret ；返回3.3 延時子程序我們采用軟件延時，根據(jù)指令占用的機器周期，用寄存器控制次數(shù)的多重循環(huán)來實現(xiàn)。程序清單如下：延時10ms：dls10ms:mov r7,#10 ；1t dl1:mov r6,#249 ；1t dl2:nop ；1t nop ；1t djnz r6,dl2 ；2t r6-10轉(zhuǎn)到dl2 djnz r7,dl1 ；2t r7-10轉(zhuǎn)到dl1 ret ；2t延時5s：dls5s:mov r6,#20 ；1t dl3:mov r5,#251 ；1t dl4:mov r4,#248 ；1t dl5:nop ；1t nop ；1t djnz r4,dl5 ；2t r4-10轉(zhuǎn)到dl5 djnz r5,dl4 ；2t r5-10轉(zhuǎn)到dl4 djnz r6,dl3 ；2t r6-10轉(zhuǎn)到dl3 ret ；2t3.4 數(shù)據(jù)表tab1:db 03h,04h,05h,06h,07h,08h,09h,0ah tab2:db 18h,27h,53h,30h,45h,06h,07h,08h tab3:db 10h,12h,13h,14h,15h,16h,17h,18h tab4:db 78h,34h,5ah,16h,04h,25h,8eh,23h tab5:db 12h,45h,67h,09h,6ch,6bh,98h,26hsegpt:db 03h,9fh,25h,0dh,99h db 49h,41h,1fh,01h ；字形“08” end ；結束四、調(diào)試說明與調(diào)試結果用軟件u51編輯好程序后，匯編、下載然后運行，選擇一種加工方法的按鈕按下程序停止在等待松鍵處，松鍵后程序繼續(xù)運行，工序模擬燈間隔5秒依次點亮工作相應的燈，同時數(shù)碼管顯示工序步數(shù)。按下停止按鈕，在工序完成第八道工序后自動停止，若不按下，則工序繼續(xù)循環(huán)進行。五、系統(tǒng)功能及操作說明5.1 系統(tǒng)功能本設計能夠控制機械手完成五種加工方法。它有五個按鍵，每個按鍵代表一種加工方法，每一種加工方法都包括八道加工工序，執(zhí)行工序時，led燈能夠模擬其工作情況，燈亮表示該項工作進行，燈滅表示該項工作停止，同時顯示器同步顯示工序進行的步數(shù)，每道工序間隔5秒鐘。當一種加工方法的八道工序進行完后，若停止按鈕已按下，則機械手的工作停止，未按下則該加工方法繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行。5.2 操作說明（1）選擇要進行的加工方法按鈕按下。（2）機械手就開始依次執(zhí)行該加工方法的八道工序，通過led燈的顯示可觀察機械手的工作情況，同時通過顯示器可看到工序的進度。（3）按下停止按鈕可控制該加工方法在八道工序完成后自動停止。若未按下將繼續(xù)循環(huán)執(zhí)行八道工序。六、總結與體會緊張與忙碌使兩周的時間不知不覺地從身邊走過，回想兩周以來的設計過程，期間值得回味的有很多。從接到課題的那一刻起，就