基于单片机的X—Y绘图仪控制系统设计

单片机开发与应用

文章编号：１００８—０５７０（２００７）０６—２—０１０８－０２

中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００７年第２３卷第６—２期

基于单片机的Ｘ—Ｙ绘图仪控制系统设计

Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇｏｆ８０５１ＳＣＣｏｍｐｕｔｅｒ－ｂａｓｅｄｘ—ＹＰｌｏｔｔｅｒＣｏｎｔｒｏｌ

ＳｙｓｔｅｍＳｏｎｇｆｅｎｇｊｕａｎ

（唐山学院）宋凤娟王春生刘树明

ＳＯＮＧＦＥＮＧＪＵＡＮＷＡＮＧＣＨＵＮＳＨＥＮＧＬＩＵＳＨＵＭＩＮＧ

摘要：Ｘ—Ｙ绘图仪是指能分别沿着Ｘ向和Ｙ向移动的坐标尺，Ｘ～Ｙ绘图仪接收计算机的命令，在图纸上绘出各种字符和图形。平面绘图仪的绘图系统、数控机床的加Ｘ－系统等，尽管结构和功能各不相同，但基本原理相同。ｘ—Ｙ绘图仪系统是将机械系统与微电子控制系统相结合而形成的一个有机整体。本文通过对Ｘ—Ｙ绘图仪的机械系统、控制系统及接口电路的硬件设计及软件设计等，阐述了用８０５１单片机控制步进电机的驱动，经传动机构带动Ｘ向和Ｙ向的坐标尺进行平面绘图。该系统具有操作方便，速度快、精度高等特点。关键词：Ｘ—Ｙ绘图仪；单片机：步进电机：接口电路

中图分类号：ＴＰ２７３

文献标识码：Ｂ

ａｌｏｎｇｔｈｅＸａｎｄＹｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ，Ｘ—Ｙｐｌｏｔｔｅｒｒｅｃｅｉｖｅｓｃｏｍｐｕｔｅｒｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓａｎｄｄｒａｗｓｖａｒｉ—

ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ

ＯＵＳ

ａ

ｒｕｌｅｒｍｏｖｉｎｇ

ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ

ｋｉｎｄｓｏｆｃｈａｒａｃｔｅｒｓａｎｄｆｉｇｕｒｅｓ．Ｄｅｓｐｉｔｅｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓｉｎ

ａ

ａｎｄｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｄｒａｗｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆ

ａ

ｐｌａｎｅｐｌｏｔｔｅｒａｎｄｔｈｅ

ｆｏｒ

ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍ

ｎｕｍｅｒｉｃａｌｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｆｏｌｌｏｗｔｈｅｓａｍｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．Ｘ－Ｙｐｌｏｔｔｅｒｉｓｉｎｎａｔｕｒｅａｎｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ

ｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｔｈｅｍｉｃｒｏ－ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｒｏｕｇｈｂｏｔｈｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｉｎｇｏｆｔｈｅｐｌｏｔｔｅｒ’ｓｍｅ—ｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ，ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｇｉｖｅｓａｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｏｗｔｈｅａｃｔｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｅｐｍｏｔｏｒｉｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙ

ａ

８０５１

ＳＣｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｔｈｕｓｄｒｉｖｉｎｇｖｉａｔｈｅｄｒｉｖｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｔｈｅｐｌｏｔｔｅｒｃｏｍｐｕｔｅｒ，ｓｔｅｐｍｏｔｏｒ，ｉｎｔｅｒｆａｃｅｃｉｒｃｕｉｔ

ｔｏｄｒａｗ

ｐｌａｎｅｆｉｇｕｒｅｓ．Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ

ｂｙｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｏｐｅｒａｔｉｏｎ，ｈｉｇｈｓｐｅｅｄａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．Ｋｅｙ

　Ｗｏｒｄ：Ｘ－Ｙｐｌｏｔｔｅｒ，ＳＣ

１

一

Ｘ—Ｙ绘图仪的基本工作原理

电脉冲数成比例。本系统选用了双向步迸电动机，角度的顺时针和逆时针旋转可分别控制。

微型计算机的作图命令通过通信接口发送给控制器（单片

ｘ—Ｙ绘图仪的机械特性主要包括平台、Ｘ／Ｙ坐标尺ｋ和Ｌｙ、Ｘ／Ｙ传动丝杠驱动坐标尺的步进电动机Ｍｘ／Ｍｙ、绘图笔、控制器和微型计算机接口等。（图１）

机系统），控制器将命令进行分析，并调用相应的绘图子程序。该

程序的功能是驱动ｘ和Ｙ方向上的步进电动机，使两个坐标尺按规律地移动，将画笔移至要求的位置。同时控制器通过笔头继电器控制绘图笔的起落，从而完成各种绘图命令所给定的操作。

绘图的分辨率即ｘ向和Ｙ向上单位长度上所能区分出的最多点数，由步进电动机单拍角度（脉冲当量）和丝杠的导程决定。

２

Ｘ—Ｙ绘图仪系统的硬件设计

硬件电路设计主要包括：８０５１单片机系统，步进电动机驱动电路，绘图笔的起落控制电路。图２是ｘ—Ｙ绘图仪硬件电路

原理图。

图ｌｘ—Ｙ绘图仪机械原理图

平台是用于固定绘图纸的台面。两个坐标尺可在绘图区域

内双向运动，绘图笔位于两坐标尺的交点（ＰＥＮ）处，ｘ—Ｙ坐标尺

的位置确定了绘图笔的位置，可用（ｘ，Ｙ）坐标对来表示其位置。绘图笔的抬起和落下用继电器控制。传动丝杠实现步进电动机到坐标尺之间的传动，将步进电动机的旋转角度转换为坐标尺的直线运动。

步进电动机的特点是每当给定一个脉冲，电动机的转子将转动一个固定角度，或者说步迸电动机转子的旋转角度与励磁宋凤娟：副教授

一１０８—３６０元，牟邮局订阅号：８２－９４６

图２Ｘ—Ｙ绘图仪原理图

万方数据　

单片机开发与应用

２．１

８０５１单片机系统参考文献

［１１郭禾，刘涛，孟令健．计算机模拟系统的建模与实现［ｊ】微计算机信息，２００１，９：５０—５２

【２】胡汉才．单片机原理及其接口技术［Ｍ】．北京，清华大学出版社，２００１年．２４０—２４７．

［３】余永权，汪明慧，黄英．单片机在控制系统中的应用，电子工业出版社，２００３

【４】王福瑞．单片机微机测控系统大全，北京航天航空大学出版社，

２００１

由于单片机体积小、重量轻、价格便宜，所以本系统中采用８０５１单片机，其原理图如图２所示。８０５１内部有４ＫＢ的ＲＯＭ，１２８字节的ＲＡＭ，所以一般都要根据系统所需存储容量的大小

来扩展ＲＯＭ和ＲＡＭ。７４ＬＳ３７３作为地址锁存器，锁存ＥＰＲＯＭ

２７６４的低８位地址。ＥＰＲＯＭ２７６４芯片是本系统的程序存储器，容量为８ＫＢ，它的片选接低电平，始终有效。ＥＰＲＯＭ２７６４的地

址范围为００００Ｈ－－１ＦＦＦＨ。

２．２步进电机驱动和绘图笔控制电路

步进电动机的控制信号由８０５１的Ｐ１口提供，其中Ｐ１．０～

【５】林其骏．微机控制机械系统设计，上海科学技术出版社【６１４

一Ｃｈａｎｎｅｌ，ＳｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓＳａｍｐｌｉｎｇ，ＨｉｇｈＳｐｅｅｄ，１２

一ＢｉｔＡＤ—

Ｐ１．２分别控制步进电动舭Ｍｘ的顺时针和逆时针旋转，Ｐ１．３～

Ｐ１．５分别控制步进电动机Ｍｙ的顺时针和逆时针旋转。Ｐ１．６输

ＣＡＤ７８６４．ＡｎａｌｏｇＤｅｖｉｃｅｓＩｎｃ．２００４【７］Ｈｕａｙｉｅｈｕａｎｇ，ＣｈａｎｇＨｕａｎｌｉｕ．Ｃｒｏｓｓ

Ｃｏｕｐｌｅｄ

Ａｄａｐｔｉｖｅ

Ｆｅｅｄｒａｔｅ

出驱动继电器控制绘图笔的起落。输出高脉冲时绘图笔落下，

否则抬起。

２．３串行接口

ＣｏｎｔｒｏｌｆｏｒＭｕｌｔｉａｘｉａｓＭａｃｈｉｎｅ—Ｔｏｏｌｓ．ｊｏｕｍａｌｏｆＤｙｎａｍｉｃＳｙｓｔｅｍｓＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，１９９１，１１３．

ＰＣ机与８０５１的串行通信采用ＲＳ一２３２标准。３

作者简介：宋凤娟（１９６１一），女（汉族），河北邢台人，唐山学院副教授，多年从事自动控制专业、机电一体化专业的理论和实践的

教学与科学研究，发表论文多篇。

Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：Ｓｏｎｇ

Ｘ—Ｙ绘图仪系统的软件设计

Ｆｅｎｇｊｕａｎ（１９６１一），Ｇｅｎｄｅｒ（ｏｆ

ｐｒｏｆｅｓｓｏｒｏｆ

ａｎｄ

ｔｈｅｈａｎ

ｎａｔｉｏｎａｌｉｔｙ），

Ｃｏｌｌｅｇｅ，ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ

软件设计包括主程序、串行中断服务程序和多种绘图子程序的设计。主程序和串行中断服务程序流程图如图３所示。

ｘ—Ｙ绘图仪程序流程图说明：一条绘图指令占１６字节，第一字节为所绘制图形代码（０～９）。２０Ｈ单元存放绘图忙标志，

Ｘｉｎｇｔａｉ，Ｈｅｂｅｉ

ｉｎ

Ｐｒｏｖｉｎｃｅ，ａｓｓｏｃｉａｔｅ

Ｔａｎｇｓｈａｎｏｆ

ｔｈｅ

ｅｎｇａｇｅｄｔｅａｃｈｉｎｇａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌａｓｐｅｃｔｏｆ

ｓｅｉｅｍｔｉｆｉｃｒｅｓｅａｒｃｈ

ａｕｔｏｍａｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｅｌｅｅｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｅａｌ

ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｐｕｂｌｉｓｈｅｄｌｏｔｓｏｆａｃａｄｅｍｉｃｔｈｅｓｐｓ．

（２０Ｈ）＝００Ｈ表示无绘图命令，（２０Ｈ）＝０１Ｈ表示正在绘图。’２ＦＨ单元存放图形代码（０～９）。３０Ｈ～３ＥＨ单元为绘图命令缓

冲区。

（０６３０２０河北唐山唐山学院）宋风娟王春生刘树明

（ＴａｎｇｓｈａｎＣｏｌｌｅｇｅ，Ｔａｎｇｓｈａｎ，Ｈｅｂｅｉ０６３０２０）ＳｏｎｇＦｅｎｇｊｕａｎ

Ｗａｎｇ

ｃｈｕｎｓｈｅｎｇ

Ｌｉｕｓｈｕｎｔｉｎｇ

通讯地址：（０６３０２０河北河北省唐山市路北区河北路１７号）宋凤娟

（收稿日期：２００７．４．２３）（修稿日期：２００７．５．２５）

《变频器与软启动器应用２００例》

凡有电机的地方，均需要软启动器与变频器，一

是安全、二是节能、三是环保。冶金、石化、化工企业的大设备运行，港口、码头、矿山的装载机械、掘

进机械、水泥厂的窑炉动力机械、破碎机械，机床厂的各种设备与产品，电力（发电与运行）机械，铁路行业的电力机车、内燃机车与货场的行车，轻工动力机械、造纸机械、印刷机械、大厦中的电梯、中央空调装置、恒压供水装置，各种窑炉的控制设备、大

型闸门起吊设备，各种伺服阀门、大型雷达动力驱

图３Ｘ—Ｙ绘图仪程序流程图

４结论

传统的机械式ｘ—Ｙ绘图仪虽然价格较低，但由于采用手动，

除精度和效率较低外，其潜在的功能未能得到充分利用。为了适

应现代化生产的需要，本文利用Ｐｃ计算机的软件和硬件资源，对ｘ—Ｙ绘图仪系统进行了机电一体化设计，将机械系统与微阐述了本系统的设计步骤和

要点。本系统用单片机８０５１构成ｘ—Ｙ绘图仪控制系统，具有精度高、速度快、性能稳定和电路简单且工作可靠等特点，具有很好的使用价值。

机控制系统有机地结合在一起．

动系统，有轨、无轨城市电车……。电机无处不在，变频器与软启动器的用场无所不在。高压变频、中低变频、直流调速、交流变频、交交变频、伺服驱动、各种启动、励磁、电源解决均在本书之中．既符合设计使用人员查阅．又适合采购主管人员查询。好书大家拥有．２００个实用案例与大量的广告总会有适

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本文创新点：本系统用８０５１单片机对ｘ—Ｙ绘图仪的机械

系统、控制系统及接口电路的硬件和软件进行了设计，该系统具有使用广泛、操作方便，速度快、精度高等特点。

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基于单片机的X-Y绘图仪控制系统设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

宋凤娟， 王春生， 刘树明， SONG FENGJUAN， WANG CHUNSHENG， LIU SHUMING063020,河北唐山,唐山学院微计算机信息

CONTROL & AUTOMATION2007,23(17)1次

参考文献(7条)

1.Huayichuang;ChangHuanliu Cross Coupled Adaptive Feedrate Control for Multiaxias Machine-Tools 19912.4 -Channel,SimultaneousSampling,HighSpeed,12 -BitADCAD7864 20043.林其骏 微机控制机械系统设计4.王福瑞 单片机微机测控系统大全 2001

5.余永权;汪明慧;黄英 单片机在控制系统中的应用 20036.胡汉才 单片机原理及其接口技术 2001

7.郭禾;刘涛;孟令健 计算机模拟系统的建模与实现[期刊论文]-微计算机信息 2001(09)

引证文献(1条)

1.荆立夏.赵瑞.赵成 基于ARM嵌入式系统的服装绘图仪的设计[期刊论文]-电脑知识与技术 2009(8)

本文链接：/Periodical_wjsjxx200717044.aspx

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ivae.html