控制硬件部分

1、第四章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1確定硬件電路的總體方案X-Y數(shù)控工作臺(tái)控制系統(tǒng)硬件框圖如下：中央處理單元(CPU)存儲(chǔ)器RAM/ROM輸入/輸出I/O接口信號(hào)變換控制對(duì)象外設(shè)（鍵盤、顯示器、打印機(jī)、 磁盤機(jī)等） 4.1.1主控制器CPU的選擇隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計(jì)算機(jī)有了飛躍的發(fā)展。單片機(jī)的型號(hào)很多，而目前市場(chǎng)上應(yīng)用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，MCS-51系列單片機(jī)是集中CPU，I/O端口及部分RAM等為一體的功能性很強(qiáng)的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，編程靈活，硬件資料豐富。如目前應(yīng)用最廣的8位單

2、片機(jī)8031，價(jià)格低廉，而性能優(yōu)良，功能強(qiáng)大。從本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來(lái)看，選用8031單片可以獲得較高的性價(jià)比。4.1.2.存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片大多采用EPROM芯片。其型號(hào)有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為2K,4K,8K,16K,32K。在選擇芯片時(shí)要考慮CPU與EPROM時(shí)序的匹配。8031所能讀取的時(shí)間必須大于EPROM所要求的讀取時(shí)間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲(chǔ)器容量等因素。在滿足容量要求時(shí)，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡(jiǎn)化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇2764芯片作為本次設(shè)計(jì)的程序

3、存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。單片機(jī)規(guī)定P0口提供8為位地址線，同時(shí)又作為數(shù)據(jù)線使用，所以為分時(shí)用作低位地址和數(shù)據(jù)的通道口，為了把地址信息分離出來(lái)保存，以便為外接存儲(chǔ)器提高低位的地址信息，一般采用74LS373芯片作為地址鎖存器，并由CPU發(fā)出允許鎖存信號(hào)ALE的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。由以上分析，采用2732EPROM芯片的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路框圖如下所示： A12 A8 2732A7A0 D7 D0 P1.7 P1.0 P2.4 P2.0 ALE P0.7 P0.0 譯碼電路G74LS372擴(kuò)展2732電路框圖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展由于8031內(nèi)部RAM只有128字節(jié)，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求。需要

4、擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路一般采用6116,6262靜態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本次設(shè)計(jì)選用6264芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。其擴(kuò)展電路如下所示：擴(kuò)展6264電路框圖譯碼電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過(guò)總線與單片機(jī)相連。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時(shí)的與各個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。故要進(jìn)行片選控制。由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用統(tǒng)一編址，因此單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與外圍芯片的地址譯碼較為復(fù)雜。可采用線選法和全地址譯碼法。線選法是把單獨(dú)的地址線接到外圍芯片的片選端上，只要該地址線為低電平，就選中該芯片。線選法的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它所用片選線都是高位地址線，它們的權(quán)值較大

5、，地址空間沒(méi)有充分利用，芯片之間的地址不連續(xù)。對(duì)于RAM和I/O容量較大的應(yīng)用系統(tǒng)，當(dāng)芯片所需的片選信號(hào)多于可利用的地址線的時(shí)候，多采用全地址譯碼法。它將低位地址作為片內(nèi)地址，而用譯碼器對(duì)高位地址線進(jìn)行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)8031單片機(jī)所支持的存儲(chǔ)系統(tǒng)起程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為獨(dú)立編址。該設(shè)計(jì)選用程序存儲(chǔ)器2764和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264組成8031單片機(jī)的外存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路，單片機(jī)外存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路如下：I/O擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)(a).通用可編程接口芯片81558031單片機(jī)共有4個(gè)8位并行I/O接口，但供用戶使用的只有P1口及部分P3口線。因此要進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。

6、8155與微機(jī)接口較簡(jiǎn)單，是微機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。8155與8031的連接方式如下圖所示(b).鍵盤，顯示器接口電路鍵盤，顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)交互的外部設(shè)備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計(jì)算機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤，即用I/O口線組成行，列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED和LCD。下圖所示為采用8155接口管理的鍵盤，顯示器電路。它有4X8鍵和6位LED顯示器組成。為了簡(jiǎn)化秒電路，鍵盤的列線及顯示器的字位控制共用一個(gè)口，即共用8155的PA口進(jìn)行控制，鍵盤的行線由8155C口擔(dān)任，顯示器的字形控制由8155的PB口擔(dān)任。鍵盤顯示器

7、接口電路如下所示：4.1.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)脈沖分配器步進(jìn)電機(jī)的控制方式由脈沖分配器實(shí)現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來(lái)的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設(shè)計(jì)采用集成脈沖分配器YB015。采用YB015硬件環(huán)行分配器的步進(jìn)電機(jī)接口線路圖如下：光電隔離電路在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。如果將輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起電氣干擾。因此在接口電路與功率放大器間加上隔離電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用光電耦合器。光電耦合器接線圖如下：功率放大器脈沖分配器的輸出功

8、率很小，遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的需要，必須將其輸出信號(hào)放大產(chǎn)生足夠大的功率，才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此必須選用功率放大器，需根據(jù)步進(jìn)電機(jī)容量選擇功率放大器。本設(shè)計(jì)選用功率放大器。4.1.4其它輔助電路設(shè)計(jì)8031的時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片的內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1,XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，如下圖所示。晶體可以在1.212之間任意選擇，耦合電容在530pF之間，對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用。采用外部時(shí)鐘方式時(shí)，可將XTAL1直接接地，XTAL2接外部時(shí)鐘源。時(shí)鐘電路復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)。在時(shí)鐘工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10

9、ms以上的高電平，單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后CPU便從0000H單元開始執(zhí)行程序。在實(shí)際運(yùn)用中，若系統(tǒng)中有芯片需要其復(fù)位電平與8031復(fù)位要求一致時(shí)，可以直接相連。當(dāng)晶振頻率選用6MHz時(shí)，復(fù)位電路中C取10F,R取10K。實(shí)用復(fù)位電路圖如下所示：越界報(bào)警電路為了防止工作臺(tái)越界，可分別在極限位置安裝限位開關(guān)。利用光電耦合電路，將行程開關(guān)接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接至8031的I/O口1.0。當(dāng)任何一個(gè)行程開關(guān)被壓下的時(shí)候，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，由低電平變成高電平。8031可利用軟件設(shè)計(jì)成查詢的方法隨時(shí)檢查有無(wú)越界信號(hào)。也可接成從光敏三極管的集電極輸出接至8031的外部

10、中斷引腳（INT0或INT1），采用中斷方式檢查越界信號(hào)。越界報(bào)警電路如下圖所示4.2機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)該系統(tǒng)選用MCS-51系列的8031作為主控制器。擴(kuò)展存儲(chǔ)電路為一片2732EPROM和一片6264RAM。程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展為4K，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展為8K。2732的片選控制端 直接接地，該電路始終處于選中狀態(tài)。系統(tǒng)復(fù)位以后，CPU從0000H開始執(zhí)行監(jiān)控程序。6264的片選端 由譯碼器（74LS138）的Y2輸出提供。所以6264的空間地址為40005FFFH。系統(tǒng)的擴(kuò)展I/O接口電路選用通用可編程并行輸入/輸出接口芯片8155。8155的片選端 接至譯碼器（74LS138）的Y4的輸出

11、端，故8155控制命令寄存器及PA，PB，PC口的地址號(hào)分別為8000H及8001H，8002H，8003H。8155RAM區(qū)的地址為8000H80FFH。8155的A口為控制工作抬X，Y向電機(jī)的接口。為防止功率放大器高電壓的干擾，不步進(jìn)電機(jī)接口與功率放大器之間采用光電隔離。鍵盤與顯示器設(shè)計(jì)在一起，8155的PC口擔(dān)任鍵盤的列線及顯示器的掃描控制；PB口的PB0PB3為鍵盤的行線。8031的P1口為顯示器的字形輸出口。該系統(tǒng)采用4X6共24個(gè)行列式鍵盤和6位8段共陰極LED顯示器。為了增加數(shù)碼管顯示亮度，分別在字形口和字位口加74LS07進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。PB口剩余的I/O線PB4PB7分別作為工作臺(tái)

12、+X，+Y，-X，-Y四個(gè)方向的行程限位控制信號(hào)。在軟件設(shè)計(jì)上8155的PA口，PC口設(shè)置為輸出，PB口設(shè)置為輸入。計(jì)算機(jī)隨時(shí)巡回檢測(cè)PB4PB7的電平，當(dāng)某I/O線為0時(shí)，應(yīng)立即停止X，Y向電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。另外，光電隔離器的輸出端必須采用隔離電源。隔離電源選用7805三端集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)。數(shù)控系統(tǒng)總的電氣原理圖見 圖紙（二）。第五章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1系統(tǒng)控制功能分析本設(shè)計(jì)中，數(shù)控XY工作臺(tái)鉆床和銑床上，經(jīng)過(guò)改裝的鉆床和銑床配以數(shù)控系統(tǒng)，成為數(shù)控鉆床和數(shù)控銑床。數(shù)控X-Y工作臺(tái)的控制功能包括：系統(tǒng)初始化。如對(duì)I/O接口8155，8255A進(jìn)行必要的初始化工作，預(yù)置接口工作方式控

13、制字。工作臺(tái)復(fù)位。開機(jī)后工作臺(tái)應(yīng)該自動(dòng)復(fù)位，亦可手動(dòng)復(fù)位。輸入和顯示加工程序。監(jiān)視按鍵，鍵盤及開關(guān)。如監(jiān)視緊急停機(jī)鍵及行程開關(guān)，鍵盤掃描等功能。工作臺(tái)超程顯示與處理。工作臺(tái)位移超過(guò)規(guī)定值時(shí)應(yīng)該立即停止工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，并顯示相應(yīng)的指示字符。、工作臺(tái)的自動(dòng)控制。、工作臺(tái)的手動(dòng)控制。、工作臺(tái)的聯(lián)動(dòng)控制。5.2系統(tǒng)管理程序控制管理稱許是系統(tǒng)的主程序，開機(jī)后即進(jìn)入管理程序。其主要功能是接受和執(zhí)行操作者的命令。在設(shè)計(jì)管理程序時(shí)，應(yīng)確定接收命令的形式，系統(tǒng)的各種操作功能等。數(shù)控X-Y工作臺(tái)的基本操作功能有：輸入加工程序，自動(dòng)加工，刀位控制，工作臺(tái)位置控制，手動(dòng)操作，緊急停機(jī)等。根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)管理程序流程圖

14、如下所示：管理程序流程5.3自動(dòng)加工程序設(shè)計(jì)機(jī)床在自動(dòng)加工時(shí)的動(dòng)作順序：工作臺(tái)移動(dòng)到位刀具快速進(jìn)給加工退刀工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到下一位置；計(jì)算機(jī)在加工過(guò)程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機(jī)床完成加工；由以上分析，設(shè)計(jì)自動(dòng)加工程序框圖如下所示：自動(dòng)加工程序框圖5.4步進(jìn)電機(jī)控制子程序設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的控制包括速度，轉(zhuǎn)角及方向的控制。步進(jìn)電機(jī)在突然啟動(dòng)或停止時(shí)，由于負(fù)載和慣性，會(huì)使電機(jī)失步，所以電機(jī)運(yùn)行時(shí)有一個(gè)加，減速過(guò)程。通過(guò)確定進(jìn)給脈沖數(shù)和脈沖時(shí)間間隔，即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與速度的控制。時(shí)間常數(shù)的確定在步進(jìn)電機(jī)控制程序中，利用單片機(jī)的定時(shí)器中斷，延時(shí)產(chǎn)生進(jìn)給脈沖的時(shí)間間隔。此間隔由送入定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)決定。時(shí)間

15、常數(shù)由下式計(jì)算：式中：T為脈沖時(shí)間間隔（ms）；為單片機(jī)機(jī)器周期（s），在時(shí)鐘為6MHz時(shí)，=2s。步進(jìn)電機(jī)加，減速進(jìn)給脈沖及脈沖時(shí)間間隔的確定設(shè)步進(jìn)電機(jī)加，減速方式為直線加，減速。要使步進(jìn)電機(jī)不失步，應(yīng)滿足：式中： 為步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩； 為負(fù)載力矩； 為慣性力矩。由步進(jìn)電機(jī) =49N.cm，取步進(jìn)電機(jī)的加速啟動(dòng)力矩則使步進(jìn)電機(jī)不失不的慣性力矩步進(jìn)電機(jī)角加速度又式中： 為上升到步進(jìn)電機(jī)最高頻率 所需時(shí)間，所以有：加速脈沖個(gè)數(shù)： 確定加減脈沖個(gè)數(shù)都為173個(gè)又因?yàn)椋?所以脈沖時(shí)刻結(jié)合 可以算出對(duì)應(yīng)各脈沖時(shí)刻的計(jì)數(shù)器時(shí)間常數(shù)。 EPROM存儲(chǔ)器中，時(shí)間常數(shù)依次安排在首地址為1000H的存儲(chǔ)單元中，

16、每個(gè)時(shí)間常數(shù)占據(jù)兩個(gè)字節(jié)，低位地址存放時(shí)間常數(shù)低8位，高位地址存放時(shí)間常數(shù)高8位。在程序中，設(shè)置加速，恒速，減速脈沖計(jì)數(shù)器N0，N1，N2。以計(jì)數(shù)器的值是否為0作為相應(yīng)過(guò)程是否結(jié)束的標(biāo)志。步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖如下所示：步進(jìn)電機(jī)控制子程序步進(jìn)電機(jī)控制中斷服務(wù)程序5.5編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)內(nèi)存地址分配 加速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N0地址設(shè)為20H；恒速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N1低8位字節(jié)地址為21H，高8位字節(jié)地址位22H；減速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N2地址位23H。加速，減速，恒速脈沖總數(shù)寄存器N低位字節(jié)地址位24H，高位字節(jié)地址位25H；步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給控制子程序FEED首地址位0E80H。每調(diào)用一次該程序，步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定方向進(jìn)給一

17、步。程序清單N0 EQU 20H ；加速N1L EQU 21H ；恒速N1H EQU 22H N2 EQU 23H ；減速NL EQU 24H ；脈沖總數(shù)寄存器NH EQU 25HDS EQU 26H ；地址指針偏移量FEED EQU 0E80HORG 0E00H0E00 758160 START：MOV P，#60H0E03 758901 MOV TMOD，#01H； 設(shè)計(jì)數(shù)器工作方式為1，16位定時(shí)器0E06 75201B MOV N0，#01A4H ；設(shè)N0為3200E09 75231B MOV N2，#1A4H0E0C E520 MOV A ，N0 ；計(jì)算2XN00E0E 23 RL

18、A0E0F F8 MOV R0， A0E10 C3 CLR C ；計(jì)算N1=N-2N00E11 E524 MOV A， NL0E13 98 SUBB A， R00E14 F521 MOV N1L， A0E16 E525 MOV A， NH0E18 9400 SUBB A，#00H0E1A F522 MOV N1H，A0E1C 901000 MOV DPTR，#1000H ；設(shè)時(shí)間常數(shù)指針初值1000H0E1F 752600 MOV DS，#00H ；設(shè)地址偏移量初值為00H0E22 93 MOVC A, A+DPTR ；從EPROM中讀時(shí)間常數(shù)0E23 F58A MOV TL0，A ；送時(shí)間常

19、數(shù)至定時(shí)器0中0E25 0526 INC DS0E27 E526 MOV A，DS0E2 93 MOVC A，A+DPTR 0E2A F58C MOV TH0，A0E2C 0526 INC DS0E2E D2AF SETB EA ；開中斷允許0E30 D2A9 SETB ET0 ；允許定時(shí)器0中斷0E32 D28C SETB TR0 ；啟動(dòng)定時(shí)器0開始計(jì)算0E34 20AFFD WAIT：JB EA，WAIT ；中斷允許返回0E37 22 RET中斷服務(wù)程序 ：ORG 000BH000B 02F00 LJMP 0F00H ORG 0F00H0F00 E526 INT：MOV A，DS ；送時(shí)間

20、參數(shù)到定時(shí)器0中0F02 93 MOVC A，A+DPTR0F03 F58A MOV TL0， A0F05 0526 INC DS0F07 E526 MOV A，DS0F09 93 MOVC A，A+DPTR0F0A F58C MOV TH0， A0F0C 0526 INC DS ；修改地址偏移量指針0F0E D180 ACALL FEED ；調(diào)FEED子程序，使電機(jī)進(jìn)給1步0F10 E520 MOV A，N0 ；判斷N0是否為0，為0則轉(zhuǎn)入恒速0F12 B400 CJNE A，#00H，LOOP10F15 E52 MOV A，N1H ；判斷N1是否為0 ，為0則轉(zhuǎn)入減速0F17 B40010

21、 CJNE A，#00H， LOOP20F1A E522 MOV A，N1H0F1C B4000B CJNE A，#00H，LOOP20F1F E523 MOV A，N2 ；判斷N2是否為0 0F21 B40014 CJNE A，#00H，LOOP30F24 C2AF CLR EA ；N2為0 ，減速結(jié)束，關(guān)中斷0F26 32 RETI ；中斷返回0F27 1520 LOOP1：DEC N0 ；N0不為0，則N0N0-10F29 32 RETI0F2A E521 LOOP2：MOV A，N1L ；N1不為0，則N1N1-10F2C C3 CLR C0F2D 9401 SUBB A， #01H0

22、F2F F521 MOV N1L，A0F31 E522 MOV A，N1H0F33 9400 SUBB A，#00H0F35 F522 MOV N1H，A0F37 32 RETI0F38 1523 LOOP3：DEC N2 ；N2不為0，則N2N2-10F3A 32 RETI5.6直線插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行直線插補(bǔ)計(jì)算.設(shè)計(jì)程序時(shí)，在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點(diǎn)坐標(biāo)值Xe,Ye,動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)值X,Y,偏差Fm.所有的數(shù)據(jù)必須進(jìn)行初始化，如置初始值，X,Y向步進(jìn)電機(jī)初態(tài)(控制字)。插補(bǔ)程序所用的內(nèi)存單元如下:28H29H2AH2BH2CH70HXeYeXYFmD0D7任一位D1 D0為X向電機(jī)控制

23、位.D0=1運(yùn)行，,D0=0停止;D1=1正轉(zhuǎn)，,D1=0反轉(zhuǎn).D3 D2為Y向電機(jī)控制位.D2=1運(yùn)行，,D2=0停止;D3=1正轉(zhuǎn)，,D1=3反轉(zhuǎn).第一象限直線插補(bǔ)程序框圖如下:第一象限直線插補(bǔ)程序如下: ORG 2000HMAIN： MOV SP，#60HLP4： MOV 28H，#OC8H；Xe MOV 29H，#0C9H；Ye MOV 2AH，00H；X MOV 2BH，#00H；Y MOV 2EH，#00H；F MOV 0H，#0AHLP3： MOV A，2EH JB ACC.7,LP1 MOV A，70H SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV 70H，A；置控制字0B，+X方向進(jìn)給 LCALL MOTR；調(diào)用步進(jìn)電機(jī)的控制子程序，+X方向進(jìn)給一步 LCALL DELAY MOV A，2EH SUBB A，29H； F-Xe INC 2AH；X+1 AJMP LP2LP I：MO