xy平面繪圖儀 課程設計

1、XY平面繪圖儀【摘要】： 本課程設計是設計XY平面繪圖儀，由上位機和下位機兩部分組成，單片機通過接收PC機軟件的繪圖信息，控制步進電機完成圖形的繪制。單片機采用逐點比較法插補算法完成直線和圓弧的繪制，通過直線和圓弧的組合完成圖形的繪制，最終實現(xiàn)了移點、畫線、畫弧、畫圓、畫矩形和組合圖形的繪制?！娟P鍵詞】：XY平面繪圖 CNC 逐點比較法 直線圓弧插補 下位機 上位機Abstract：The course design is design the XY plane plotter, the System consists of host computer and the next crew co

2、mposition. By receiving graphics information from PC by software, the SingleChip control stepper motor to complete the graph drawing. Point by point comparison with the completion of a straight line and arc interpolation algorithm for drawing, through a combination of lines and arcs to complete grap

3、hics rendering, and ultimately the shift points, draw lines, draw arc, draw a circle, draw a rectangle and the combination of graphics rendering .Keywords： XY-dimensional drawings CNC Point by point comparison method目錄一、引言3二、設計任務32.1 設計題目32.2 設計要求3三、設計原理33.1 系統(tǒng)工作原理33.2 直線插補原理43.3 圓弧插補原理5四、硬件設計84.1 單

4、片機最小系統(tǒng)板84.2 串口通信電路設計8五、軟件設計95.1 下位機程序設計95.2 上位機軟件設計10六、系統(tǒng)調試及運行結果10七、心得體會11八、參考文獻11九、附錄11一、引言近年來，數(shù)控技術發(fā)展迅速。計算機數(shù)控就是利用一個專用的可存儲程序的計算機執(zhí)行一些或全部的基本數(shù)字控制功能的NC系統(tǒng)。隨著計算機硬件性能價格比的迅速降低和圖形顯示器的推廣應用，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)已不需要穿孔紙帶，而由計算機直接控制，簡稱CNC。XY平面繪圖儀就是一臺數(shù)控系統(tǒng)，采用計算機數(shù)控技術進行平面圖形的繪制。本課程設計完成平面繪圖儀的設計，包括硬件設計和軟件設計，最終實現(xiàn)移點、畫線、畫弧、畫圓、畫矩形和組成圖形的繪制

5、。二、設計任務2.1 設計題目XY平面數(shù)控繪圖2.2 設計要求1、 輸入參數(shù)由鍵盤錄入（數(shù)碼管顯示），繪制給定直線和圓??；2、 由程序控制繪制組合圖形；3、 根據系統(tǒng)的功能要求設計四象限直線插補和園弧插補軟件；4、 根據系統(tǒng)的功能要求設計單片機及接口電路；5、 掌握計算機控制系統(tǒng)的軟件設計與調試，實現(xiàn)要求功能。三、設計原理3.1 系統(tǒng)工作原理X-Y繪圖儀的機械特性主要包括平臺、XY坐標尺h 和Ly、XY傳動絲杠驅動坐標尺的步進電動機MxMy、繪圖筆、控制器和微型計算機接口等，如圖3.1所示： 圖3.1 XY繪圖儀機械原理圖平臺是用于固定繪圖紙的臺面。兩個坐標尺可在繪圖區(qū)域內雙向運動，繪圖筆位于

6、兩坐標尺的交點(PEN)處，XY坐標尺的位置確定了繪圖筆的位置，可用(X，Y)坐標對來表示其位置。繪圖筆的抬起和落下用繼電器控制。傳動絲杠實現(xiàn)步進電動機到坐標尺之間的傳動，將步進電動機的旋轉角度轉換為坐標尺的直線運動。步進電動機的特點是每當給定一個脈沖，電動機的轉子將轉動一個固定角度，或者說步進電動機轉子的旋轉角度與勵磁電脈沖數(shù)成比例。本系統(tǒng)采用了三相六拍雙向步進電機。微型計算機的作圖命令通過通信接口發(fā)送給控制器(單片機最小系統(tǒng))，控制器將命令進行分析，并調用相應的繪圖子程序。該程序的功能是驅動x和Y方向上的步進電動機，使兩個坐標尺按規(guī)律地移動，將畫筆移至要求的位置。同時控制器通過筆頭繼電器控

7、制繪圖筆的起落，從而完成各種繪圖命令所給定的操作。3.2 直線插補原理下面以第一象限為例，介紹直線插補的過程及計算。（1） 偏差函數(shù)構造 對于第一象限直線OA上任一點(X,Y):X/Y = Xe/Ye 若繪制點為Pi（Xi，Yi），則該點的偏差函數(shù)Fi可表示為 若Fi= 0，表示加工點位于直線上； 若Fi 0，表示加工點位于直線上方；若Fi=0，規(guī)定向 +X 方向走一步Xi+1 = Xi +1 Fi+1 = XeYi Ye(Xi +1)=Fi Ye若Fi=0Fi0，表示繪制點位于圓外；若Fi0，表示繪制點位于圓內 （2）偏差函數(shù)的遞推計算 1） 逆圓插補 若F0，規(guī)定向-X方向走一步若Fi0，

8、規(guī)定向+Y方向走一步 2） 順圓插補 若Fi0，規(guī)定向-Y方向走一步 若Fi=0Fi0進給方向偏差公式計算進給方向偏差公式計算逆弧1-XFi=Fi -2xi+1xi = xi-1+YFi=Fi +2y i +1y i= y i +1逆弧2-YFi=Fi -2y i +1y i= y i -1-XFi=Fi -2xi+1xi = xi-1逆弧3+XFi=Fi +2xi+1xi = xi+1-YFi=Fi -2y i +1y i= y i -1逆弧4+YFi=Fi +2y i +1y i= y i +1+XFi=Fi +2xi+1xi = xi+1順弧1-YFi=Fi -2y i +1y i= y

9、 i -1+XFi=Fi +2xi+1xi = xi+1順弧2+XFi=Fi +2xi+1xi = xi+1+YFi=Fi +2y i +1y i= y i +1順弧3+YFi=Fi +2y i +1y i= y i +1-XFi=Fi -2xi+1xi = xi-1順弧4-XFi=Fi -2xi+1xi = xi-1-YFi=Fi -2y i +1y i= y i -1表2四、硬件設計4.1 單片機最小系統(tǒng)板采用STC8051RC單片機做為控制核心，電路包含時鐘電路、復位電路、電源及指示燈和I/O電路,如圖4.1所示：圖4.14.2 串口通信電路設計由于單片機是TTL電平，而PC機是RS-2

10、32電平，故需要進行電平的轉換，轉換電路如圖4.2所示：圖4.2五、軟件設計5.1 下位機程序設計單片機通過跟PC機進行通信，接收命令，控制步進電機進行畫線、畫弧和組合的繪制。根據所繪制圖形的要求，采用逐點比較法插補算法進行圖形的插補繪制。逐點比較法就是筆尖每移動一步，就進行一次偏差計算和偏差判別，判斷筆尖的實際位置與所要求的位置是否相符，從而決定出下一步的前進方向。由于這種方法每走一步就需比較一次，所以稱之為“逐點比較法”，亦即“走一步看一步”。 第一象限直線的插補程序流程圖如圖所示：包括偏差判別、坐標給進、新偏差計算和終點判斷四個節(jié)拍，其它象限的插補流程可以參照表1進行方向的給進和偏差的計

11、算。2進行方向的給進和偏差的計算。（1） 直線插補程序設計圖逐點比較法第一象限直線插補軟件框圖（2）圓弧插補程序設計圖逐點比較法第一象限逆圓插補軟件框圖5.2 上位機軟件設計為了方便圖形的繪制，采用VC+編寫一個PC繪圖軟件繪制所需圖形，操作方便同時簡化了系統(tǒng)設計。本軟件可以實現(xiàn)移點、畫線、畫逆弧、畫順弧、畫矩形、畫圓等繪圖操作，通過打開文件，可以完成組成圖形的繪制，同時還能顯示圖形的坐標和距離的計算，如圖5.2所示：圖5.2六、系統(tǒng)調試及運行結果1、 移點 完成了筆頭在繪圖平面上任意坐標的移動。2、 畫線 完成了四象限直線的任意繪制。3、 畫圓弧 完成了四象限圓弧的任意繪制。4、 畫圓 完成了任意圓的繪制。5、 畫矩形 完成了矩形的繪制。6、 組合圖形繪制通過直線和圓弧的組成，最終完成組成圖形的繪制，如圖6所示：圖6七、心得體會通過課程設計，使我了解CNC控制的基本工作原理和儀器結構, 學習了直線插補和園弧插補有關算法原理,掌握了計算機控制系統(tǒng)的軟硬件設計與調試方法。同時也提高了自己的編程水平，包括軟件項目的管理、代碼編寫的規(guī)范，數(shù)據結構和算法的優(yōu)化，比如文件的劃分，目錄的管理，代碼的對齊，注釋的準確性，變量的命名等。八、參考文獻