數(shù)控機(jī)床單片機(jī)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)書

1、簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)號(hào)：0601302009 專業(yè)：機(jī)械電子工程姓名：浦漢軍 2007, 9, 10 南寧任務(wù)：設(shè)計(jì)以單片機(jī)為控制核心的簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床的數(shù)字程序控制器。要求1、能用鍵盤控制工作臺(tái)沿+X、-X、+Y、-Y向運(yùn)動(dòng)，以校正工作臺(tái)位置。2、可用于加工直線和圓弧。3、在運(yùn)行過程中可人工干預(yù)而緊急停車。4、能實(shí)現(xiàn)越界報(bào)警。5、可與PC機(jī)通訊?？傮w方案設(shè)計(jì)一、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)選用MCS-51系列的8031CPU乍為數(shù)控系統(tǒng)的中央處理機(jī)。外接一片EPRO用于存放控制程序、固定批量生產(chǎn)的工件加工程序和數(shù)據(jù)，再選用一片8kb的6264RAM作為存 放試制工件或小批量生產(chǎn)的工件加工程序和數(shù)據(jù)

2、。由于系統(tǒng)擴(kuò)展，為使編程地址統(tǒng)一， 采用74LS138譯碼器完成譯碼法對(duì)擴(kuò)展芯片進(jìn)行尋址的功能。還要考慮機(jī)床與單片機(jī)之 間的光電隔離、功率放大電路。其設(shè)計(jì)框圖如下圖所示：圖1.1總體設(shè)計(jì)框圖工作原理：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的核心，通過鍵盤輸入命令，數(shù)控裝置送來的一系列連 續(xù)脈沖通過環(huán)形分配器、光電耦合器和功率放大器，按一定的順序分配給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組，使 各相繞組按照預(yù)先規(guī)定的控制方式通電或斷電，這樣控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)按照指令運(yùn)動(dòng)。1.各單元電路設(shè)計(jì)1.1存儲(chǔ)器的擴(kuò)展選擇晶體振蕩器的工作頻率f為12MHz主控器CPU選用8031，根據(jù)容量估算，選 用一片2764作為程序存儲(chǔ)器，一片6

3、264作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。同時(shí)，還采用一片74LS373作為地址鎖存器。1. 2程序存儲(chǔ)器2764EPROM!用紫外線可擦除的半導(dǎo)體只讀存儲(chǔ)器，2764芯片引腳的介紹如下P0P7數(shù)據(jù)線，輸出。編程時(shí)代碼輸入。A0A7地址線，輸入。CE :片選信號(hào)，低電平有效，輸入 一：讀信號(hào)，低電平有效，輸入 PGM :編程脈沖輸入端，輸入Vpp：編程電壓(典型值為12.5V)Vcc：電源(+5V)GND 接地(0V)4 O02222 2123567891 .1 .1 .1 .1 .1 .1 .1201234567DDDDDDDD46CEVCvp譯碼輸岀緩沖256256存儲(chǔ)矩陣Do輸岀允 許編程 邏輯圖1.227

4、64 引腳圖1. 3數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62641) 6264為24腳雙列直插式器件，其引腳圖和邏輯符號(hào)圖如圖 1.3所示 A0A12:地址輸入線。DOD7:雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線。:片選信號(hào)輸入線，低電平有效。CE2片選信號(hào)輸入線，高電平有效，可用于掉電保護(hù)。一：讀選通信號(hào)輸入線，低電平有效。":寫允許信號(hào)輸入線，低電平有效:工作電源電壓（+5V）GND電源地。引腳圖和邏輯符號(hào)圖A12Vcc'WE'CE2A0OED0CE1D7GND<=>2）6264芯片操作方式選擇如表1.1所示如表1.1CEWEOE方式功能001寫D0D7上內(nèi)容寫入A0A10對(duì)應(yīng)單元010讀A0A10對(duì)

5、應(yīng)單元內(nèi)容輸出到 D0D70XX非選D0D7呈高阻1 . 4鍵盤顯示電路根據(jù)系統(tǒng)要求，通過鍵盤輸入命令來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床工作臺(tái)的運(yùn)行控制。一共需要五個(gè) 鍵，四個(gè)分別控制工作臺(tái)向+X、-X、+Y、-Y方向運(yùn)行，另一個(gè)作啟動(dòng)鍵；通過 LED數(shù)碼 管顯示工作臺(tái)的運(yùn)行位置，行程范圍為 10米，精確到0.01米，所以用了 4個(gè)LED數(shù)碼 管采用動(dòng)態(tài)顯示。采用鍵盤顯示器接口 8279來實(shí)現(xiàn)鍵盤顯示功能。它主要由以下幾部分組成。1）1/0控制和數(shù)據(jù)緩沖器；2）控制和定時(shí)寄存器及定時(shí)控制部分；3）掃描計(jì)數(shù)器；5）FIF0（先進(jìn)先出）寄存器和狀態(tài)電路;6）顯示器地址寄存器及顯示RAMVccCPUIRQ數(shù)據(jù)總線SHIF

6、TRDCNTLSTB充SLA0OUTA斶RESETOUT晦CLKBDVss8刃9的結(jié)構(gòu)原理囲鍵數(shù)據(jù)昱示數(shù)據(jù)asF面對(duì)引腳名稱作簡(jiǎn)要說明。DBA DB7雙向數(shù)據(jù)總線，用來傳送8279與CPU之間的數(shù)據(jù)和命令。CLK :時(shí)鐘輸入線，用以產(chǎn)生內(nèi)部定時(shí)的時(shí)鐘脈沖。RESET復(fù)位輸入線，8279復(fù)位后被置為字符顯示左端輸入，二鍵閉鎖的觸點(diǎn)回彈型式，程序時(shí)鐘前置分頻器被置為 31,RESET信號(hào)為高電平有效。CS :片選輸入線，低電平有效，單片機(jī)在 CS為低時(shí)可以對(duì)8279進(jìn)行讀/寫操作。,VccP2.5P2.6,VssP2.7.EAALE,P1.2P0.0P0.1.P1.3P0.2P0.3I1NTU-P

7、0.4P0.5P0.6XTAL2P0.7INT1TXD ResetP1.7P1.6RXD P1.5P1.4IRQXTALPSENP2.0P1.1P2.1P2.2P1.0 P2.3P2.4T0WRRDT1A0-A3CLKB0-B3 CSA0 CNTLSHIFTDB7 VSSDB6DB5DB4DB3DB2 SL0DB1DB0 SL1VccSL2SL3WR"RD RL0RL1RESETRL2RL3RL4RL5RL6RL7GND器動(dòng)驅(qū)LEDLEDLEDLED+5VWR:寫信號(hào)輸入線，低電平有效，將緩沖器讀出 的緩沖器。SL0SL3掃描線2RL0RL7 回送線17，將數(shù)據(jù)從外部數(shù)據(jù)總線寫入ze

8、 8279NumberA4Date:1 0-Ju n-200 7File:李煊論文5.2論38 031A0：緩沖器低位地址，當(dāng)A0為高電平時(shí)，表示數(shù)據(jù)總線上為命令或狀態(tài)，當(dāng)為低圖1.6 鍵盤、LED數(shù)碼管顯示器電路電平時(shí)，表示數(shù)據(jù)總線上為命令或狀態(tài)，當(dāng)為低電平時(shí)，表示數(shù)據(jù)總線上為數(shù)據(jù)。TitleRD:讀信號(hào)輸入線，低電平有效，將緩沖器讀出，數(shù)據(jù)送往外部總線工作過程：每當(dāng)按下一個(gè)鍵，8279會(huì)自動(dòng)識(shí)別鍵號(hào)，產(chǎn)生相應(yīng)的鍵編碼自動(dòng)送入先 進(jìn)先出寄存器FIFO中，同時(shí)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求信號(hào)IRQ，向CPU請(qǐng)求中斷。當(dāng)CPU響應(yīng) 中斷，執(zhí)行中斷服務(wù)程序，并從 FIFO中讀取編碼數(shù)據(jù)之后，則IRQ信號(hào)自動(dòng)撤消。

9、如果上一個(gè)鍵的編碼數(shù)據(jù)尚未取走，下一個(gè)鍵盤又被按下，則新的鍵碼進(jìn)入FIFO8個(gè)鍵碼。只CPU是用片外取數(shù)指令中。由于FOIO中由8個(gè)存儲(chǔ)單元組成，故最多可依次暫存 有在讀完所有數(shù)據(jù)時(shí)，IRQ信號(hào)才會(huì)撤消。在中斷程序中， （MOVX指令）從FIFO中讀取數(shù)據(jù)。1. 5反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇根據(jù)所獲得的信息和實(shí)際要求，選用步進(jìn)電機(jī)為75BF001型三相六拍反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī),其工作電壓為+24V，相電流為3A,步距角為1.5度。325.1環(huán)行脈沖分配器由于本設(shè)計(jì)選擇三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 75FB001,相對(duì)應(yīng)選擇可以控制三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的 5G8713集成電路芯片。8051系列5V表1.2 8713 引腳功能

10、引腳功能說明1正轉(zhuǎn)脈沖輸入端1、2腳為雙時(shí)鐘輸入端2反轉(zhuǎn)脈沖輸入端3脈沖輸入端3、4腳為單時(shí)鐘輸入端4轉(zhuǎn)向控制端。0為反轉(zhuǎn)；1為正轉(zhuǎn)5工作方式選擇：00為雙三拍；601、10為單三（四）拍；11為六（八）拍7三/四相選擇。0為三相；1為四相8地9復(fù)位端，低電平有效10輸出端。四相用13、12、11、10腳，11分別代表A、B CD;12三相用13、12、11角，13分別代表A、B、C14工作方式監(jiān)視。0為單三（四）拍；1為雙三（四）拍；脈沖為六（八）拍15輸入脈沖狀態(tài)監(jiān)控，與時(shí)鐘同步16電源P1.03P1.141.7脈沖分配器與單片機(jī)接口1. 6保護(hù)電路米用光電耦合器接口把控制計(jì)算機(jī)和外部驅(qū)動(dòng)

11、電路完全隔離開來。具體的光電耦合VCC器如圖1.8。驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)采用的驅(qū)動(dòng)電源是功率開關(guān)iGG7131. uTP-521A集成電路TWH8715/2這是一個(gè)集放大、比較、選通、整形和功率開關(guān)于光電耦合隔離電路一體的高速功率開關(guān)集成電路。其真值表分別見圖1.9及表3.7。1)TWH8715/2引腳功能181控制端（高電平有效，TTL電平，下同）2輸入端（選通端低電平有效）VCC3V-（單電源使用時(shí)，接地）4輸出端5 V+(工作電壓：+12V- +24V)由TWH8715/2組成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路（只畫出了 A相，B、C相同）原理見圖1.10。其工作原理為：無信號(hào)時(shí)，光敏三極管截止,2角電位等于

12、1角電位，為高電平；輸出端4角也為高電平，即電樞繞組無電流通過;有信號(hào)時(shí)，光敏三極管受光照而導(dǎo)通，將工沖的電呈感2角電位拉低至零電平，輸出端4角也將下降至輸出管飽和電平（約1.6V），這時(shí)電樞繞組中有勵(lì)磁電流流過。其中 V1起續(xù)流作 用；隨LPin 4(out)Pin t2( in)Pi nt1(st)作脈 頻率 升高， 路中 現(xiàn)的 抗也隨之增大，外接限流電阻 R3就可以起到降低阻耗的作用。表1.3 TWH8715/2輸入輸出狀態(tài)真值X（任意狀態(tài)）H（高電平大于1.6V）OFF輸出極截止L（低電平小于1.2V）L（低電平小于1.2V）OFF輸出極截止H（高電平大于1.6V）L（低電平小于1.2

13、V）ON輸出極接通二、數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)2. 1加工指令 1）加工指令每一條加工指令應(yīng)包括那些內(nèi)容與采用那種插補(bǔ)計(jì)算方法有關(guān)。我們采用逐點(diǎn)比較 法，則每一條加工指令應(yīng)包括下列內(nèi)容:（1）線型：直線或圓弧及它所在的象限、走向。（2）X軸坐標(biāo)：加工直線時(shí)，它為直線的X軸終點(diǎn)坐標(biāo)（Xe），坐標(biāo)原點(diǎn)取在直線起點(diǎn)。 加工圓弧時(shí)，它為圓弧的X軸起點(diǎn)坐標(biāo)值（Xe），坐標(biāo)原點(diǎn)取圓弧的圓心。（3）Y軸坐標(biāo)值：加工直線時(shí)，它為直線的丫軸終點(diǎn)坐標(biāo)（Ye），坐標(biāo)原點(diǎn)取在直線起點(diǎn)。加工圓弧時(shí)，它為圓弧的 丫軸起點(diǎn)，坐標(biāo)原點(diǎn)取圓弧的圓心（4）總步數(shù)J： X、丫軸走步數(shù)之和。本系統(tǒng)使用的加工指令由連續(xù)的 4個(gè)字節(jié)組成（不包括

14、加工速度等參數(shù)），各個(gè)字節(jié)VNR1的內(nèi)容定義如下（規(guī)定FF為加工結(jié)束指令，只占一字節(jié)）： 2.1扇形工件(a) 第1個(gè)字節(jié)為線型；(b) 第2字節(jié)為X坐標(biāo)值;(c) 第3字節(jié)為丫坐標(biāo)值;(d) 第4為字節(jié)為總步數(shù)。L12.2編程示例若加工如圖所示的扇形工件，其加工程序由下列 4條指令組成: (1)L1:Xe=5 Ye=2 j=7 NR1:Xe=5 Ye=2 j=6(3)L2: Xe=5 Ye=2 j=7加工結(jié)束指令OFFH 機(jī)器編碼程序如下：04H 05H 02H 07H0CH 05H 02H 06H06H 02H 05H 07H0FFH2.3控制程序根據(jù)總電路圖的硬件結(jié)構(gòu)和 加工指令格式，以

15、直線圓弧插補(bǔ) 計(jì)算方法來設(shè)計(jì)控制程序。整個(gè) 控制程序由主程序、T0中斷程序 和外部/INTO中斷程序組成。主程序主程序+X?VNYX?啟動(dòng)?Y工作單元初始化加工初始化調(diào)用讀輸入子程序ROM加工程序 首地址旨針調(diào)用+%走 歩子程序調(diào)用+Y走 步子程序調(diào)用-X走 歩子程序調(diào)用出走步 子程序主程序首先執(zhí)行系統(tǒng)初始化 工作，然后循環(huán)掃描鍵盤，如果 鍵盤上有鍵入命令則做相應(yīng)的命 令處理，如果鍵入啟動(dòng)命令，則2.3.3 INT0中斷程序做好運(yùn)行前準(zhǔn)備工作以及有關(guān)指針和標(biāo)志初始化。對(duì)中斷系統(tǒng)初始化，TO向CPU青求中 斷，使CPU執(zhí)行部件加工程序，允許外部INTO中斷，在人工干預(yù)按下急停鍵時(shí)停止加 工部件。

16、接著循環(huán)查詢加工結(jié)束標(biāo)志，加工結(jié)束后又等待鍵命令或主機(jī)命令。232 TO中斷服務(wù)程序TO中斷服務(wù)程序的功能是執(zhí)行加工程序，一條指令執(zhí)行完再取新的加工指令，直到遇到停機(jī)時(shí)關(guān)中斷，置位結(jié)束標(biāo)志。在加工指令執(zhí)行過程中，根據(jù)線型做直線圓弧的插 補(bǔ)計(jì)算。TO中斷程序框圖如下:INTO中斷程序 的功能是實(shí)現(xiàn)急停、 行程開關(guān)的功能。由 于只有2個(gè)外部中斷 請(qǐng)求中斷接口，而本 設(shè)計(jì)需要多對(duì)個(gè)外 部中斷源，所以采用 “OC門丁經(jīng)“線或” 后，引入芯片本身的 外部中斷請(qǐng)求輸入 端，就可以很方便地 擴(kuò)展多個(gè)外部中斷 源。幾個(gè)擴(kuò)展外部中 斷源中有一個(gè)或幾 個(gè)出現(xiàn)高電平，反相器輸出為O,引用INTO低電平觸發(fā)中斷，所以

17、這些中斷源都是電平觸發(fā)方式。 本設(shè)計(jì)中 當(dāng)工作臺(tái)越界時(shí)，行程開關(guān)閉合即滿足外部中斷源請(qǐng)求條件，貝UCPJ向應(yīng)中斷，轉(zhuǎn)入OOO3 H單元開始執(zhí)行中斷源服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中，由軟件設(shè)定的順序查詢外中 斷哪一位是高電平，然后進(jìn)入該中斷處理程序。查詢的順序就是外部擴(kuò)展中斷源的中斷1O優(yōu)先級(jí)順序。本設(shè)計(jì)的INTO中斷源查詢程序的流程圖如下。234步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置控制需要兩個(gè)參數(shù)第一個(gè)參數(shù)是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前的位置參數(shù)，叫絕對(duì)位置。它是有極 限的，其極限是執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行位置的距離，超越了這個(gè)極限就報(bào)警第二個(gè)參數(shù)是從當(dāng)前位置移動(dòng)到目標(biāo)位置的距離,我么可以用折算的方式將這個(gè)距

18、開始5中斷流程框圖離折算成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步 數(shù)。這個(gè)參數(shù)是外界通過鍵 盤輸入的。對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)位置控制 的一般作法是：步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 每走一步，步數(shù)減1，如果沒 有失步存在，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)到 達(dá)目標(biāo)位置時(shí)，步數(shù)正好減 到0。因此，用步數(shù)等于 0 來判斷否移動(dòng)到目標(biāo)位，作它與步進(jìn)電動(dòng)1 ；當(dāng)步進(jìn)電為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行的信號(hào)絕對(duì)位置參數(shù)可作為人機(jī)對(duì)話的顯示參數(shù)。 機(jī)的轉(zhuǎn)向有關(guān)，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)煤走一步，絕對(duì)位置加 動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，絕對(duì)位置隨每次步進(jìn)減 1。TYPE EQU 30HMM EQU 31HXX EQU 32HYY EQU 33HJJ EQU 34HSTATX EQU 35HSTATY EQ

19、U 36HFEND EQU 0FNEW EQU 1FRAM EQU 2ORG 0003HAJMP DO_INT0ORG 0000HSTRT： LJMP MAINLJMP PEX0ORG 0BHPTF0： JNB FNEW ， LITPCLR FNEWJNB FRAM，EPROMMOVX A ， DPTRMOV TYPE ， AINC DPTR三、程序；線型緩沖單元；偏差緩沖單元；x 坐標(biāo)緩沖單元；y 坐標(biāo)緩沖單元 ；步數(shù)緩沖單元 ；步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)坐標(biāo)緩沖器；結(jié)束標(biāo)志 ；取新指令標(biāo)志;執(zhí)行RAM加工指令標(biāo)志；轉(zhuǎn) INTO 中斷;轉(zhuǎn)主程序;定時(shí)器 T0 中斷程序;FRAM=,轉(zhuǎn)從RPRO中取指令MO

20、VX A， DPTRMOVX XX，AINC DPTR MOVX A， DPTR MOVX YY，A INC DPTR MOVX A， DPTRMOVX JJ， AINC DPTR?dptr旨向下條加工指令SJMP COMPEPRO：M CLR AMOVCA，A+DPTR;從EPRO中取加工指令MOVTYPE，AINCDPTRCLRAMOVCA，A+DPTRMOVXX，AINCDPTRCLRAMOVCA，A+DPTRMOVYY，AINCDPTRCLRAMOVCA，A+DPTRMOVJJ，AINCDPTRCLRACOM：P MOV A，TYPECJNE A， #0FFH， PNEWSETB FE

21、NDCLR EARET1PNEW： MOV MM ，#0LITP： MOV A ，TYPEJB ACC.3,MM1LCALL LLMASJMP MM2MM：1 LCALL RRMAMM：2 DJNZ JJ ，PTRORSETB FENEW；非停機(jī)指令轉(zhuǎn)新指令處理；停機(jī)、關(guān)中斷；新指令令 MM=0;ACC.3轉(zhuǎn)圓弧插補(bǔ)；調(diào)用直線插補(bǔ)子程序；調(diào)用圓弧插補(bǔ)子程序；步長(zhǎng)減為 0 ，置取新指令標(biāo)志PTRO：R TET1MAIN： MOV P1 ， #0C9HMOV STATX ， #0MOV STSTY， #0MOV SP， #0EEH；步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)初始化；步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)緩沖器清零； SP、T0 初始化M

22、LO：P LCALL AKSILCALL KEYI；調(diào)用判是否有鍵閉合子程序；調(diào)用讀鍵子程序MOVTMOD，#21HMOVTH0，#3CHMOVTL0，#0B0HMOVSCON，50HMOVTCON，#50HMOV20H，#0HJNZ MLP1LCALL STEP1SJMP MLOPMLP1 CJNE A , #1, MLP2LCALL STEP3SJMP MLOPMLP2 CJNE A , #2, MLP2LCALL STEP2SJMP MLOPMLP3 CJNE A , #3, MLP2LCALL STEP4SJMP MLOPMLP4 CJNE A , #4, MLP5SJMP BRUNMLP5 CJNE A , #5, MLOPSETB FRAMSJMP MLOPLCLL PSSDATRSJMP MLOP