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

1、簡易數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)號：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沿+X、-X、+Y、-Y向運(yùn)動，以校正工作臺位置。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)信號驅(qū)動脈沖驅(qū)動信號單片機(jī)8031光電偶合器功率放大器X相步進(jìn)電動機(jī)Y相步進(jìn)電動機(jī)鍵盤輸入LED顯示選用MCS-51系列的8031CPU作為數(shù)控系統(tǒng)的中央處理機(jī)。外接一片EPROM用于存放控制程序、固定批

2、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)。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：單片機(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)電動機(jī)帶動工作臺按照指令運(yùn)動。1各單元電路設(shè)計(jì)11存儲器的擴(kuò)展選擇晶體振蕩器的工作

3、頻率f為12MHz。主控器CPU選用8031，根據(jù)容量估算，選用一片2764作為程序存儲器，一片6264作為數(shù)據(jù)存儲器。同時(shí)，還采用一片74LS373作為地址鎖存器。12程序存儲器2764EPROM是用紫外線可擦除的半導(dǎo)體只讀存儲器， 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。：片選信號，低電平有效，輸入：讀信號，低電平有效，輸入：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)輸出允許編程邏輯譯碼輸出緩沖256256存儲矩陣A12A11A0D0 D7圖1.2 2764引腳圖13數(shù)據(jù)存儲器62

4、641)6264為24腳雙列直插式器件，其引腳圖和邏輯符號圖如圖1.3所示。A0A12：地址輸入線。D0D7：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線。：片選信號輸入線，低電平有效。CE2：片選信號輸入線，高電平有效，可用于掉電保護(hù)。：讀選通信號輸入線，低電平有效。：寫允許信號輸入線，低電平有效。：工作電源電壓(+5V)。GND：電源地。A12 Vcc CE2A0 D0 GNDD7 圖1.3 6264引腳圖和邏輯符號圖2)6264芯片操作方式選擇如表1.1所示。如表1.1方式功能001寫D0D7上內(nèi)容寫入A0A10對應(yīng)單元010讀A0A10對應(yīng)單元內(nèi)容輸出到D0D70XX非選D0D7呈高阻14鍵盤顯示電路根據(jù)系統(tǒng)要求，

5、通過鍵盤輸入命令來實(shí)現(xiàn)對機(jī)床工作臺的運(yùn)行控制。一共需要五個(gè)鍵，四個(gè)分別控制工作臺向+X、-X、+Y、-Y方向運(yùn)行，另一個(gè)作啟動鍵；通過LED數(shù)碼管顯示工作臺的運(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)I/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；4)回送緩沖器與鍵盤去抖控制電路；5)FIFO(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RAM。下面對引腳名稱作簡要說明。DB0DB7: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。

6、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信號為高電平有效。：片選輸入線，低電平有效，單片機(jī)在為低時(shí)可以對8279進(jìn)行讀/寫操作。A0: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)。:讀信號輸入線，低電平有效，將緩沖器讀出，數(shù)據(jù)送往外部總線。:寫信號輸入線，低電平有效，將緩沖器讀出,將數(shù)據(jù)從外部數(shù)據(jù)總線寫入8279的緩沖器

7、。SL0SL3：掃描線RL0RL7：回送線17工作過程：每當(dāng)按下一個(gè)鍵，8279會自動識別鍵號，產(chǎn)生相應(yīng)的鍵編碼自動送入先進(jìn)先出寄存器FIFO中，同時(shí)產(chǎn)生中斷請求信號IRQ，向CPU請求中斷。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信號自動撤消。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FIFO中。由于FOIO中由8個(gè)存儲單元組成，故最多可依次暫存8個(gè)鍵碼。只有在讀完所有數(shù)據(jù)時(shí)，IRQ信號才會撤消。在中斷程序中，CPU是用片外取數(shù)指令(MOVX指令)從FIFO中讀取數(shù)據(jù)。15反應(yīng)式步進(jìn)電動機(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

8、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。.1環(huán)行脈沖分配器由于本設(shè)計(jì)選擇三相步進(jìn)電動機(jī)75FB001，相對應(yīng)選擇可以控制三相步進(jìn)電動機(jī)的5G8713集成電路芯片。表1.2 8713引腳功能引腳功能說明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)56工作方式選擇：00為雙三拍；01、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10111213輸出端。四相用13、12、11、10腳，分別代表A、B、C、D；三相用13

9、、12、11角，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 P1.0 313 A相驅(qū)動 P1.1 45V12 B相驅(qū)動8051系列 8713511 C相驅(qū)動單片機(jī)671.7脈沖分配器與單片機(jī)接口16保護(hù)電路采用光電耦合器接口把控制計(jì)算機(jī)和外部驅(qū)動電路完全隔離開來。具體的光電耦合器如圖1.8。驅(qū)動電路本設(shè)計(jì)采用的驅(qū)動電源是功率開關(guān)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

10、有效，TTL電平，下同）2輸入端（選通端低電平有效）3V-（單電源使用時(shí)，接地）4輸出端 5V+(工作電壓：+12V+24V) 由TWH8715/2組成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路(只畫出了A相，B、C相同)原理見圖1.10。其工作原理為：無信號時(shí)，光敏三極管截止，2角電位等于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；有信號時(shí)，光敏三極管受光照而導(dǎo)通，將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；隨工作脈沖頻率的升高，電路中呈現(xiàn)的感抗也隨之增大，外接限流電阻R3就可以起到降低阻耗的作用。 表1.3 TWH

11、8715/2輸入輸出狀態(tài)真值Pint1(st)Pint2(in)Pin4(out)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1.2V)ON輸出極接通二、數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)21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

12、弧的圓心。(3)Y軸坐標(biāo)值：加工直線時(shí)，它為直線的Y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Y軸起點(diǎn)，坐標(biāo)原點(diǎn)取圓弧的圓心。(4)總步數(shù)J： X、Y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(不包括加工速度等參數(shù))，各個(gè)字節(jié)的內(nèi)容定義如下(規(guī)定FF為加工結(jié)束指令，只占一個(gè)字節(jié))：(a)第1個(gè)字節(jié)為線型；L1(b)第2字節(jié)為X坐標(biāo)值；(c)第3字節(jié)為Y坐標(biāo)值；(d)第4為字節(jié)為總步數(shù)。2.2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(2)NR1:Xe=5 Ye=2 j=6(3)L2: Xe=5 Ye

13、=2 j=7加工結(jié)束指令0FFH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，如果鍵入啟動命令，則做好運(yùn)行前準(zhǔn)備工作以及有關(guān)指針和標(biāo)志初始化。對中斷系統(tǒng)初始化，T0向CPU請求中斷，使CPU執(zhí)行部件加工程序，允許外部中斷，在人工干預(yù)按下急停鍵時(shí)停止加工部件。接著循環(huán)查詢加工結(jié)束標(biāo)志

14、，加工結(jié)束后又等待鍵命令或主機(jī)命令。2.3.2 T0中斷服務(wù)程序T0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。T0中斷程序框圖如下：2.3.3 中斷程序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)外部中斷請求中斷接口，而本設(shè)計(jì)需要多對個(gè)外部中斷源，所以采用“OC門”經(jīng)“線或”后，引入芯片本身的外部中斷請求輸入端，就可以很方便地?cái)U(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0，引用低電平觸發(fā)中斷，所以這些中斷源都是電平觸發(fā)方式。本設(shè)計(jì)中當(dāng)工作臺越

15、界時(shí)，行程開關(guān)閉合即滿足外部中斷源請求條件，則CPU響應(yīng)中斷，轉(zhuǎn)入0003H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)展中斷源的中斷優(yōu)先級順序。本設(shè)計(jì)的中斷源查詢程序的流程圖如下。2.3.4 步進(jìn)電動機(jī)的位置控制步進(jìn)電動機(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)電動機(jī)控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)前的位置參數(shù)，叫絕對位置。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)前位置移動到目標(biāo)位置的距離，我么可以用折算的方式將這個(gè)距離折算成步進(jìn)電動機(jī)的步數(shù)。這個(gè)參數(shù)是外界通過鍵盤輸入的。對步

16、進(jìn)電動機(jī)位置控制的一般作法是：步進(jìn)電動機(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來判斷否移動到目標(biāo)位，作為步進(jìn)電動機(jī)停止運(yùn)行的信號絕對位置參數(shù)可作為人機(jī)對話的顯示參數(shù)。它與步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)向有關(guān)，當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，步進(jìn)電動機(jī)煤走一步，絕對位置加1；當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，絕對位置隨每次步進(jìn)減1。三、程序TYPE EQU 30H ；線型緩沖單元MM EQU 31H ；偏差緩沖單元XX EQU 32H ；x坐標(biāo)緩沖單元YY EQU 33H ；y坐標(biāo)緩沖單元JJ EQU 34H ；步數(shù)緩沖單元STATX EQU 35H ；步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)坐標(biāo)緩沖器S

17、TATY EQU 36H FEND EQU 0 ；結(jié)束標(biāo)志 FNEW EQU 1 ；取新指令標(biāo)志 FRAM EQU 2 ；執(zhí)行RAM加工指令標(biāo)志 ORG 0003H AJMP DO_INT0 ；轉(zhuǎn)INTO中斷 ORG 0000HSTRT： LJMP MAIN ；轉(zhuǎn)主程序 LJMP PEX0 ORG 0BH PTF0： JNB FNEW，LITP ；定時(shí)器T0中斷程序 CLR FNEWJNB FRAM，EPROM ；FRAM=0，轉(zhuǎn)從RPROM中取指令 MOVX A，DPTR MOV TYPE，A INC DPTRMOVX A，DPTRMOVX XX，AINC DPTRMOVX A，DPTRMO

18、VX YY，AINC DPTRMOVX A，DPTRMOVX JJ， AINC DPTR ；DPTR指向下條加工指令SJMP COMPEPROM： CLR A MOVC A，A+DPTR ；從EPROM中取加工指令 MOV TYPE，A INC DPTR CLR A MOVC A，A+DPTR MOV XX，A INC DPTR CLR A MOVC A，A+DPTR MOV YY，A INC DPTR CLR A MOVC A，A+DPTR MOV JJ，A INC DPTR CLR ACOMP： MOV A，TYPE CJNE A，#0FFH，PNEW ；非停機(jī)指令轉(zhuǎn)新指令處理 SETB

19、FEND ；停機(jī)、關(guān)中斷 CLR EA RET1PNEW： MOV MM，#0 ；新指令令MM=0 LITP： MOV A，TYPE JB ACC.3,MM1 ；ACC.3轉(zhuǎn)圓弧插補(bǔ) LCALL LLMA ；調(diào)用直線插補(bǔ)子程序 SJMP MM2 ；調(diào)用圓弧插補(bǔ)子程序 MM1： LCALL RRMA MM2： DJNZ JJ，PTROR SETB FENEW ；步長減為0，置取新指令標(biāo)志 PTROR： TET1MAIN： MOV P1，#0C9H ；步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)初始化 MOV STATX，#0 ；步進(jìn)電機(jī)狀態(tài)緩沖器清零 MOV STSTY，#0 MOV SP，#0EEH ；SP、T0初始化 MOV TMOD，#21H MOV TH0，#3CH MOV TL0，#0B0H MOV SCON，50H MOV TCON，#50H MOV 20H，#0HMLOP： LCALL AKSI ；調(diào)用判是否有鍵閉合子程序 LCALL KEYI ；調(diào)用讀鍵子程序 JNZ MLP1 LCALL STEP1 ；調(diào)用+X走步子程序 SJMP MLOPMLP1： CJNE A，#1，MLP2 LCALL STEP3 ；調(diào)用+Y走步子程序 SJMP MLOP MLP2： CJNE A，#2，MLP2 LCALL STEP2 ；調(diào)用-X走步子程序 SJMP MLOP MLP3：