數(shù)控銑床工作臺仿真-實驗系統(tǒng)的開發(fā)【含CAD圖紙】

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First, the CNC system model and characteristics based on microcomputer and status of CNC in China are presented. The development trends about open architecture, intelligence, suppression, high speed and network of CNC are analyzed and explain the function of single chip microprocessor and their calling into play in the CNC, and controlling principle of single chip microprocessor for MCS51. This article introduces the methods and steps of the digital control system design. Emphasis is given to I/O circuit, stepping motor drive and authorized assembler and carry out the system designing request. The system offer a set of equipment for teaching, and is designed for teaching as a set of experiment or has a great affect to the digital control reform of the machine tool.KEY WORDS: Single Chip Microprocessor; Worktable of Milling Machine; Stepping Motor, Interface Circuit, Assembler第1章 緒論1.1引言隨著計算機的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性的變革，各個發(fā)達國家投入巨資，對現(xiàn)代制造技術(shù)進行研究開發(fā)，從而提出了全新的制造模式。目前數(shù)控系統(tǒng)正由專用開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎上，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型、超小型；在智能化基礎上，綜合運用了計算機、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡等多學科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過程可以自動修正、調(diào)節(jié)與補償各種參數(shù)，能實現(xiàn)在線診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡化基礎上，CAD/CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，實現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。專家預測：二十一世紀機械制造業(yè)的競爭就是數(shù)控技術(shù)的競爭。本次畢業(yè)設計的課題是設計開發(fā)一套數(shù)控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)，來模擬數(shù)控銑床X、Y的兩軸運動。從工程的角度來說，仿真就是通過對系統(tǒng)模型的實驗去研究一個已有的或設計中的系統(tǒng)。分析復雜的動態(tài)對象，仿真是一種有效的方法，可以減少風險，縮短設計和制造周期，并節(jié)約資本。通過設計開發(fā)這樣一套仿真實驗系統(tǒng)也為數(shù)控機床控制系統(tǒng)的研究和普通機床的數(shù)控化改造提供了必要的參考依據(jù)，同時這套系統(tǒng)也可以作為一套實驗室設備，對數(shù)控技術(shù)的教學和研究有一定的現(xiàn)實意義。1.2國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)發(fā)展及概述當今世界工業(yè)國數(shù)控機床的擁有量反映了這個國家的經(jīng)濟能力和國防能力。近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率在逐年上升，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機床中，除少量機床以FMS模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后狀態(tài)。數(shù)控系統(tǒng)按功能可分為經(jīng)濟型和普及型。經(jīng)濟型屬于抵擋數(shù)控，不同國家和不同時期的含義是不同的，在我國是指在滿足基本功能的條件下，結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活方便，價格低廉的數(shù)控系統(tǒng)。通常它都是由單片機作為系統(tǒng)的控制器，由步進電機進行驅(qū)動。我國經(jīng)濟型數(shù)控這些年有了進一步發(fā)展，產(chǎn)品性能和可靠性有了較大的提高，它們逐漸被用戶認可，在市場上站住了腳。如上海開通數(shù)控有限公司的KT系列數(shù)控系統(tǒng)和步進驅(qū)動系統(tǒng)、北京凱恩帝數(shù)控技術(shù)有限公司的KND系列數(shù)控系統(tǒng)、廣州數(shù)控設備廠的GSK系列數(shù)控系統(tǒng)等，這些產(chǎn)品的共同特點是數(shù)控功能較齊全、價格低、可靠性好。專家預測：數(shù)控機床推廣應用逐步由經(jīng)濟型向普及型轉(zhuǎn)變。2005年我國數(shù)控機床的數(shù)控化率為9.5%10.36%，到2010年將達到16.5%19.27%，經(jīng)濟型所占比重將減少，普及型所占比重將增加，高級型的需求將有所增長。數(shù)控機床的應用由單機向單元（系統(tǒng)）方向發(fā)展。目前，歐、美、日等國應用DNC已很普遍，柔性制造單元占數(shù)控機床銷售量的30%以上，而我國FMC、FMS、FML的擁有量還很少，相當于日本80年代水平，占數(shù)控機床消費額不到5%。一個國家數(shù)控機床的擁有量是衡量其工業(yè)水平的重要標志。就企業(yè)來說，面對日益激烈的國際競爭，在市場中占有一席之地，就必須采用先進的數(shù)控化設備，以提高技術(shù)水平。對于一個企業(yè)而言，提高數(shù)控化率有兩個途徑：投入巨資購買新的數(shù)控機床；對現(xiàn)有的普通化機床進行數(shù)控化改造。對擁有300多萬臺普通機床的我國來說，普通機床的數(shù)控化改造無疑是一條簡單可行的途徑。因此，對普通機床的數(shù)控化改造也成了人們近年來研究的課題。1.3單片機技術(shù)及發(fā)展趨勢單片機作為微型計算機的一個很重要的分支，以其高的性能價格比，發(fā)展相當迅速，它是自動控制、儀表儀器、通訊、家用電器等領域中應用最廣、性能價格比最高的核心部件之一。由于PC機使用的是高級語言，必須有編譯程序才能與計算機通信，而單片機使用的是匯編語言，它能直接與計算機通信，可以減少內(nèi)存。因此，單片機在PC機日益發(fā)展的今天仍得到廣泛應用。隨著半導體集成電路制造工藝的不斷發(fā)展和電子技術(shù)應用領域的不斷拓寬，新型單片機采取的寬系列、多品種，片內(nèi)集成OTP型ROM或Flash存儲器甚至EPROM、精簡指令集、高速、低功耗的發(fā)展新思路，正是迎合現(xiàn)代眾多產(chǎn)品的要求。目前新型通用單片機主要有PIC系列單片機、EM78系列單片機、ATMEL公司的FLSH單片機89系列和90系列。單片機在目前的發(fā)展形勢下，表現(xiàn)出幾大趨勢：可靠性及應用水平越來越高；所集成的部件越來越多；功耗越來越低；與模擬電路結(jié)合越來越多。第2章 數(shù)控銑床工作臺總體方案設計2.1總體方案設計的內(nèi)容一個完整的數(shù)控系統(tǒng)其總體方案的設計內(nèi)容包括：系統(tǒng)運動方式確定，伺服系統(tǒng)選擇，執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定，控制計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。與此同時根據(jù)設計任務和設計要求提出系統(tǒng)的總體方案，對設計方案進行分析、比較和論證，最終確定總體方案。為了確定數(shù)控銑床工作臺的總體方案，必須明確本次設計的設計任務和設計參數(shù)。本次設計的內(nèi)容是開發(fā)一套數(shù)控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)。其中系統(tǒng)的分辨率為0.02mm，工作臺工作范圍X=175mm，Y=175mm，最大移動速度為0.5m/min，工作臺結(jié)構(gòu)材料可選用鋁材。通過開發(fā)這套仿真實驗系統(tǒng)，其主要目的是在我們強化機械結(jié)構(gòu)設計的同時，進一步掌握數(shù)控機床控制系統(tǒng)的設計思路，并且掌握數(shù)控系統(tǒng)硬件和軟件的設計思想和設計方法，培養(yǎng)我們分析問題和解決問題的能力，對數(shù)控機床控制系統(tǒng)的研究和普通機床數(shù)控化改造提供了必要的參考依據(jù)，有一定的現(xiàn)實意義。2.2控制系統(tǒng)的選擇控制系統(tǒng)是由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路等組成，系統(tǒng)的加工程序和控制程序通過鍵盤操作實現(xiàn)；顯示器采用數(shù)碼管來顯示系統(tǒng)的各種狀態(tài)，方便用戶操作。本次設計將采用MCS51系列單片機中的8031單片機作為主控制器。MCS51單片機的性能為： 集成度高、功能強、速度快，有很好的性能價格比； 支持的芯片種類多； 性能好，適合于各種不同的場合。2.3系統(tǒng)運動方式的選擇數(shù)控系統(tǒng)的運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對于刀具移動過程中不進行切削，可選用點位控制方式。如數(shù)控銑床在工作臺移動過程中銑刀并不進行銑削加工，因此數(shù)控裝置可采用點位控制方式。對點位系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。如果工作臺或刀具沿各坐標軸的運動有精確的運動關(guān)系，應選用連續(xù)控制方式，連續(xù)控制系統(tǒng)應具有一個插補器進行各坐標軸進給脈沖的分配。這種控制系統(tǒng)要求伺服元件有很強的跟隨能力。本課題開發(fā)的仿真實驗系統(tǒng)，要求能模擬數(shù)控銑床工作臺X、Y的兩軸運動，采用8031單片機控制步進電機，各坐標軸有精確的運動關(guān)系。因此，本次設計將采用連續(xù)控制系統(tǒng)。2.4伺服系統(tǒng)的選擇數(shù)控機床控制系統(tǒng)有開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)三種工作方式。開環(huán)控制系統(tǒng)沒有檢測反饋元件，不能糾正系統(tǒng)的傳動誤差，精度低；但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不高的場合中得到廣泛應用。開環(huán)伺服系統(tǒng)在負荷不太大時多采用步進電機作為伺服電機。如下圖2.1所示為數(shù)控系統(tǒng)開環(huán)控制系統(tǒng)框圖：驅(qū)動器步進電動機銑床工作臺圖2.1開環(huán)控制系統(tǒng)框圖閉環(huán)控制系統(tǒng)在機床移動部件上裝有檢測反饋元件來檢測工作臺的實際位移量，能補償系統(tǒng)的傳動誤差，因而伺服控制精度高；但該系統(tǒng)造價高，結(jié)構(gòu)和調(diào)試復雜，多采用精度要求高的場合。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機或交流伺服電機作為驅(qū)動元件。如圖2.2為閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖：圖2.2閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖本次設計中考慮到實驗仿真系統(tǒng)精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，故采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)來直接驅(qū)動XY工作臺的運動。2.5傳動及導向元件的選擇為了確保數(shù)控控制系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設計機械傳動時，通常提出了低摩擦、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。在設計中應考慮以下幾點： 盡量采用低摩擦的傳動和導向元件； 盡量消除傳動間隙； 縮短傳動鏈，縮短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減少傳動誤差。在本次設計中，選用傳動元件為普通絲杠螺母，導向元件采用燕尾形導軌，系統(tǒng)的總體框圖如圖2.3所示：圖2.3 系統(tǒng)總體框圖第3章 工作臺機械結(jié)構(gòu)設計3.1工作臺結(jié)構(gòu)設計的內(nèi)容工作臺結(jié)構(gòu)設計的內(nèi)容包括：設計任務、確定系統(tǒng)的脈沖當量、確定伺服電機、傳動及導向元件、計算機繪制工作臺結(jié)構(gòu)裝配圖等。本次畢業(yè)設計的題目是“數(shù)控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)的開發(fā)”，如圖3.1為工作臺機械結(jié)構(gòu)示意圖：工作臺范圍為X=175mm、Y=175mm，最大圖3.1工作臺機械結(jié)構(gòu)示意圖移動速度為0.5m/min，系統(tǒng)分辨率為0.02mm，傳動方式采用普通絲杠螺母傳動，結(jié)構(gòu)材料選用鋁合金材料為ZAlCu4.3.2確定系統(tǒng)的脈沖當量脈沖當量是系統(tǒng)移動部件相對于每一個進給脈沖的位移量，其大小視系統(tǒng)的加工精度而定，脈沖當量越小系統(tǒng)的加工精度越高。為了提高精度，希望脈沖當量越小，但脈沖當量越小，系統(tǒng)的運行速度越低。因此，應兼顧精度與速度的要求來合理選擇脈沖當量。在步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的脈沖當量（mm）與步進電機步距角、絲杠螺距t（mm）及系統(tǒng)的傳動比i之間的關(guān)系為： （31）脈沖當量一般為0.010.0005mm。本次設計的仿真系統(tǒng)精度要求不是太高，綜合考慮系統(tǒng)的精度要求，取脈沖當量為0.01mm。3.3伺服電機的確定及選擇數(shù)控系統(tǒng)對伺服電機的基本要求是： 調(diào)速范圍寬，伺服電機需滿足調(diào)速要求； 負載特性強，在調(diào)速范圍內(nèi)電機有足夠的驅(qū)動力矩； 動態(tài)響應快?？紤]到在本次設計中驅(qū)動電機的功率小，系統(tǒng)要求的精度不高，是在空載狀態(tài)下，模擬數(shù)控銑床工作臺X、Y的兩軸運動。因此選用步進電機作為驅(qū)動電機。合理地選用步進電機是相當重要的。通常希望步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩大，啟動頻率和運行頻率高、步距誤差小、性能價格比高。但增大轉(zhuǎn)矩與快速運行存在一定矛盾，高性能與低成本存在一定矛盾。因此，實際選用時，必須權(quán)衡利弊，全面考慮。首先，應考慮系統(tǒng)的精度和速度要求。為了提高精度，希望脈沖當量越小越好，但是脈沖當量越小，系統(tǒng)的運行速度越低。在確定脈沖當量以后，就可以次為依據(jù)來選擇步進電機的步距角和傳動機構(gòu)的傳動比。 步進電機步距角選擇步進電機的步距角應小于或等于系統(tǒng)對步進電機最小轉(zhuǎn)角的要求。 （32）式中：為系統(tǒng)的脈沖當量；i，t為系統(tǒng)的傳動比和絲杠螺距。步進電機的步距角從理論上來說是固定的，但實際上還存在誤差。另外，負載轉(zhuǎn)矩也將引起步進電機的定位誤差。因此，必須把步進電機的步距誤差、負載引起的定位誤差和傳動機構(gòu)的誤差全面考慮在內(nèi)，使總的誤差小于數(shù)控系統(tǒng)允許的定位誤差。啟動轉(zhuǎn)矩的選擇步進電機的啟動轉(zhuǎn)矩應滿足下列關(guān)系： （33） 其中，T為負載轉(zhuǎn)矩步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）兩種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍為好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來（幾何尺寸）。步進電機有兩條重要的特性曲線，即反映啟動矩頻與負載轉(zhuǎn)矩之間關(guān)系的啟動矩頻特性曲線和反映轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運行頻率之間的關(guān)系的工作矩頻特性曲線，這兩條曲線是選用步進電機的重要依據(jù)。已知負載轉(zhuǎn)矩，可以在啟動矩頻特性曲線中查出啟動頻率，這是啟動頻率的極限值，實際使用時只要啟動頻率不高于這一極限值，步進電機就可以直接帶動負載啟動。若已知步進電機的連續(xù)運行頻率，就可以從工作矩頻特性曲線中查出轉(zhuǎn)矩M，這也是轉(zhuǎn)矩的極限值，有時稱其為失步轉(zhuǎn)矩。即步進電機以頻率f運行，它所驅(qū)動的負載必須小于M，否則將導致失步。電流的選擇靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅(qū)動電源、及驅(qū)動電壓）綜上所述步進電機的選擇應遵循以下步驟，如圖3.2所示： 圖3.2 步進電機選擇步驟根據(jù)設計要求和以上論述，在本次設計中電機是在空載條件下運行，所需驅(qū)動功率小，又考慮到在本次設計中本著結(jié)構(gòu)簡單、成本低、價格便宜的原則，選用45BF005II型反應式步進電機，其參數(shù)如下：步進電機的步距角為3， 三相六拍工作方式，工作電壓為27V， 電流為2.5A，尺寸規(guī)格為：58mm45mm，軸徑為4mm。3.4傳動及導向元件的設計、計算及選用數(shù)控系統(tǒng)對傳動及導向元件的要求是：摩擦阻力小，高傳動精度及高剛度，能消除傳動間隙，具有小運動慣量、高諧振及適宜的阻尼比。3.4.1傳動元件設計根據(jù)本次設計要求，傳動元件既要有一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，同時又從設計原則出發(fā)，本著結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、成本低的原則，選用普通絲杠螺母副傳動方式。絲杠螺母的傳動特點是：a) 用較小的扭矩轉(zhuǎn)動絲杠，可使螺母獲得較大的軸向牽引力；b) 能達到較高的傳動精度；c) 傳動平穩(wěn)、噪聲較小；d) 在一定條件下能自鎖，即絲杠螺母不能進行逆?zhèn)鲃?。綜合以上要求，確定傳動元件采用30梯形牙絲杠，參數(shù)如下：絲杠中徑為d=10mm,絲杠螺距為t=1mm。3.4.2導向元件設計機床系統(tǒng)的導向元件一般都采用導軌。導軌的作用是使運動部件沿一定軌跡運動（導向），并承受運動部件及工作臺的重量和切削力（承載）。選擇一個合適的導軌應滿足下列要求：精度高；壽命長；剛度及承載能力大；摩擦阻力小，運動平穩(wěn)；結(jié)構(gòu)簡單。便于加工、裝配、調(diào)整、維修；成本低。根據(jù)以上論述以及設計任務的要求，系統(tǒng)的導向元件選用燕尾形導軌。燕尾形導軌的特點如下： 尺寸緊湊，適合于高度小層次多的部件； 用一根鑲條可以同時調(diào)整各面間隙，調(diào)整及夾緊方便； 剛度不及矩形導軌，不適合承受大的顛覆力矩和向上的力； 摩擦阻力大； 加工、測量麻煩。其結(jié)構(gòu)如圖3.3所示：圖3.3 燕尾形導軌結(jié)構(gòu)示意圖燕尾形導軌常用于固定部件高度尺寸受限制的場合，如銑床工作臺。鑲條將采用平鑲條，其制造簡單，用于行程短或受力不大或不太重要的場合。為了減小上下導軌的磨損，采用貼塑導軌。鑲塑材料有很多，可以選用酚醛塑料、聚酰胺等。但酚醛塑料耐磨性非常好，常用于重型機床，在本次設計中導軌的貼塑材料選用聚酰胺（通稱尼龍）。尼龍1010具有良好的沖擊性能、耐疲勞、強度高，在一般場合中得到廣泛應用。3.5計算機繪制工作臺結(jié)構(gòu)裝配圖本著結(jié)構(gòu)簡單、加工制造方便、裝配維修容易的原則，確定工作臺機械結(jié)構(gòu)部分的設計方案，查各種手冊、資料，繪制草圖，在草圖基礎上，經(jīng)指導老師檢查不斷修正，最終得到一個比較合理的設計方案，最后用計算機繪制工作臺結(jié)構(gòu)裝配圖，在設計選用的零件時要做到零件的標準化、裝配合理化、使用操作方便化。第4章 控制系統(tǒng)硬件電路設計4.1控制系統(tǒng)設計的內(nèi)容控制系統(tǒng)的設計內(nèi)容包括以下幾個方面：確定硬件電路整體方案及主電路設計，如主CPU的選擇；存儲器擴展電路設計，如數(shù)據(jù)存儲器的擴展和程序存儲器的擴展；步進電機驅(qū)動電路設計，如隔離電路，功率放大電路以及步進驅(qū)動電路；其他輔助電路設計，如時鐘電路、復位電路。4.2確定硬件電路整體方案任何一個數(shù)控系統(tǒng)都是有硬件與軟件兩部分組成的，其中硬件是組成控制系統(tǒng)的基礎。有了硬件，軟件才能有效地執(zhí)行。因此，硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)的性能指標。數(shù)控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下幾部分組成： 主控制器 即中央處理單元CPU； 總線 包括數(shù)據(jù)總線DB、地址總線AB、控制總線CB； 存儲器 包括只讀可編程存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器； 接口 即I/O輸入輸出接口。其中CPU是控制系統(tǒng)的核心，其作用是發(fā)布命令以協(xié)調(diào)各部分電路的正常工作；存儲器用于存放系統(tǒng)軟件（即程序）以及運行過程中的各類數(shù)據(jù)；I/O接口是系統(tǒng)與外界進行信息交換的橋梁；三線則是CPU與存儲器、接口以及其它各種轉(zhuǎn)換電路聯(lián)系的紐帶，是CPU與各部分電路進行信息交換和通訊的必由之路。除此之外，還要根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的要求裝配一些外圍設備和一些信號變換電路。如圖4.1為控制系統(tǒng)硬件電路總體框圖：CPURAMROMI/O接口信息變換控制對象外設鍵盤、顯示器等圖 4.1控制系統(tǒng)硬件總體框圖其中，CPU、存儲器及I/O接口是任何一個數(shù)控系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)，其余部分并非所有數(shù)控系統(tǒng)都具備。某一類數(shù)控系統(tǒng)可能只包含其中的一部分或幾部分。通常，CPU通過I/O接口可連接的人機交換外設有鍵盤、打印機、磁帶記錄儀、顯示器等通訊接口；信號變換電路是A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、光電隔離、功率放大等，它們是實現(xiàn)微機與控制對象之間的信號匹配與轉(zhuǎn)換的中間電路，這兩部分可根據(jù)空話子對象的要求選取。根據(jù)數(shù)控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)的設計任務和設計要求，控制系統(tǒng)硬件主電路由CPU、存儲器、I/O接口、外設、信號變換電路組成。同時根據(jù)需要外設由鍵盤、顯示器組成；信號變換電路由光電隔離電路、功率放大電路組成。在設計過程中要求主電路結(jié)構(gòu)簡單、設計選用的元件合理，性能價格比高，從而達到控制系統(tǒng)的設計要求。通過對數(shù)控銑床工作臺仿真實驗系統(tǒng)控制電路的設計，了解掌握數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能、原理和硬件電路的設計方法，從而對普通機床數(shù)控化改造和數(shù)控系統(tǒng)的研究有深刻意義。4.3主CPU的選擇在微機應用系統(tǒng)中，CPU的選擇應考慮以下因素：時鐘頻率和字長（控制數(shù)據(jù)處理的速度）；可擴展存儲器的容量（ROM/RAM）；指令系統(tǒng)的功能是否強（即編程的靈活性）；I/O口的擴展能力（即對外設的控制能力）；開發(fā)手段（包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路）。除此之外，還應根據(jù)系統(tǒng)的應用場合、控制對象及各種參數(shù)要求選擇CPU。目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片有8086、8088、80286、80386以及8096、8098等16位機，也有8080、Z80和8051、8031、8751等8位機的CPU。其中，MCS51系列單片機集成度高、可靠性好、功能強、速度快，具有很高的性能價格比，它的通用寄存器結(jié)構(gòu)和指令功能遠遠超過高檔8位Z80，與MCS96系列單片機相比，51系列單片機片外有兩個64KB的存儲空間，一個是提供給擴充片外程序存儲器ROM空間，一個是提供片外擴充數(shù)據(jù)存儲器ROM空間。充足的片外存儲空間，為系統(tǒng)設計時擴充接口芯片、設置大容量存儲器以及存儲眾多數(shù)據(jù)提供了方便。MCS51系列單片機主要有三種型號的產(chǎn)品：8031、8051和8751。該系列產(chǎn)品是集CPU、I/O端口及部分RAM等為一體的功能性很強的控制器，只需要增加少量的外圍設備就可以構(gòu)成一個完整的微機控制系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)具有開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強，編程靈活性大，硬件資料豐富。三種型號引腳完全相同僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少許的差異。目前在工業(yè)控制中應用最多的是8031單片機，它具有價格低、功能全、體積小、支持的芯片多等優(yōu)點。因此，從本次設計的要求出發(fā)，選用8031單片機作為主控制器。8031單片機有以下基本特征： 具有8位中央處理單元（CPU）； 片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路（6MHz或12MHz），每執(zhí)行一條指令時間為2m或1m； 具有128字節(jié)RAM； 具有21個特殊功能寄存器； 可尋址64KB字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64KB字節(jié)的外部程序存儲器； 具有4個I/O端口，32根I/O線，分別為P0口、P1口、P2口、P3口； 具有兩個16位定時器/計數(shù)器； 具有5個中斷源，配備兩個優(yōu)先級； 具有一個雙全串行接口； 具有位尋址能力，適用于邏輯運算。4.4 8031單片機的引腳及功能8031單片機芯片為40個引腳的雙列直插式器件，如圖4.2所示為MCS51系列單片機的引腳及功能圖： 圖4.2 MCS51系列單片機引腳及功能圖按8031單片機引腳功能的不同分為以下幾個部分：主電源引腳Vcc和Vss Vcc：接+5V電源正端； Vss：接+5V電源地端。外接晶體引腳XTAL1和XTAL2XTAL1：接外部石英晶體的一端。在單片機內(nèi)部，它是一個反向放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)震蕩器。當采用外部時鐘時，對于HMOS單片機，該引腳接地；對于CHMOS單片機，該引腳作為外部震蕩信號的輸入端。XTAL2：接外部晶體的另一端，在單片機內(nèi)部接片內(nèi)震蕩器的反向放大器的輸出端。當采用外部時鐘時，對于HMOS單片機，該引腳作為外部震蕩信號的輸入端；對于CHMOS芯片，該引腳懸空不接?？刂菩盘柵c其他電源復用引腳ALE/PROG：訪問外部存儲器時用于鎖存地址低八位的地址鎖存允許輸出；PSEN：程序存儲器允許輸出，是外部程序存儲器讀選通信號，低電平有效；EA/Vpp：EA為高電平時，CPU執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器指令，EA為低電平時，CPU執(zhí)行外部程序存儲器的指令；RST/Vpd：RST即為RESET，Vpd為備用電源，所以該引腳為單片機的上電復位或掉電保護端。當單片機震蕩器工作時，該引腳上出現(xiàn)持續(xù)兩個機器周期的高電平，就可實現(xiàn)復位操作，使單片機回到初始狀態(tài)。輸入輸出I/O引腳 P0口：P0口是一個三態(tài)雙向口，可作為地址/數(shù)據(jù)分時復用口，也可作為通信I/O接口，具有雙向通信功能。其中P0口1位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖4.3所示：圖4.3 P0口內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖P0是由8個這樣的電路組成，鎖存器起輸出鎖存作用，8個鎖存器構(gòu)成了特殊功能寄存器P0，場效應管（FET）V1、V2組成輸出驅(qū)動器，以增大帶負載能力，三態(tài)門1是引腳輸入緩沖器；三態(tài)門2用于讀鎖存器端口；與門3、反向器4以及模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)組成了輸出控制電路。P0口是一個8位雙向I/O口，它訪問外部程序的低8位地址和數(shù)據(jù)總線，在程序檢驗時它也輸出指令字節(jié)，P0口的輸出級具有驅(qū)動8個LSTTL負載的能力，即輸出電流不小于800A。 P1口：P1口具有提升電阻的8位雙向I/O口，專供用戶使用，P1口能吸入或放出3個LSTTL輸入。 P2口：P2口具有提升電阻的8位雙向I/O口。供系統(tǒng)擴展時作高8位地址線用，在沒有外部存儲器擴展時，它可以作為用戶I/O線使用。在程序檢驗時，它也接受高位地址和控制信號，P2口能吸入或放出3個LSTTL。 P3口：P3口也具有提升電阻的8位雙向I/O口，該口的每一位都可獨立定義為第一I/O口功能或第二I/O口功能。作為第一功能使用時，口的結(jié)構(gòu)和功能操作與P1口完全相同。第二功能如下所示：引腳 第二功能P3.0 RxD（串行輸入口）P3.1 TxD（串行輸出口）P3.2 INT0（外部中斷）P3.3 INT1（外部中斷）P3.4 T0（定時器0外部輸入）P3.5 T1（定時器1外部輸入）P3.6 WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口能吸入/放出3個LSTTL。此外，8031內(nèi)部還有很多特殊功能寄存器，用于對片內(nèi)功能模塊進行管理、控制、監(jiān)視，是一個特殊功能的RAM區(qū)，位于片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器之上，其地址為80HFFH，其功能及名稱如下：Acc：累加器，其指令助記符用A表示；B ：寄存器主要用于進行乘法和除法操作，對其它指令也可進行暫存；SP ：堆棧指針寄存器，位于片內(nèi)RAM128字節(jié)任何單元；DPTR：數(shù)據(jù)指針寄存器，其功能是存放16位地址，分別由高位字節(jié)和低位字節(jié)組成5. 8031的存儲器：MCS51系列單片機存儲器結(jié)構(gòu)的主要特點是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的尋址空間是分開的，對于8031單片機而言，有4個物理上相互獨立的存儲空間，即內(nèi)、外程序存儲器和內(nèi)、外數(shù)據(jù)存儲器。如圖4.4所示：圖4.4 8031單片機存儲器結(jié)構(gòu)及功能其中，8031片內(nèi)無程序存儲器，片外程序存儲器的容量，用戶可根據(jù)需要選擇，最大容量不超過64KB，地址從0000HFFFFH。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的地址從00HFFH，共256字節(jié)，其中內(nèi)部RAM地址為00H7FH（0127），專用寄存器地址為80HFFH（128255）。外部數(shù)據(jù)存儲器最大可擴展到64K，地址從0000HFFFFH，用于存儲數(shù)據(jù)信息。此外，8031單片機還有中斷，定時/計數(shù)以及8031單片機的時序特點等其它內(nèi)容，在本次設計中不再詳細介紹。4.5存儲器擴展電路設計4.5.1程序存儲器擴展單片機應用系統(tǒng)中的程序存儲器芯片大多采用EPROM，其類型分別為2716、2763、2764、27128、27256等，其容量分別為2K、4K、8K、16K、32K。在選擇芯片時要考慮CPU與EPROM時序的匹配，即8031所能讀取的時間必須大于EPROM要求的讀取時間。此外，還需要考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器容量，在滿足要求時盡量選擇大容量的芯片，以減少芯片數(shù)量，使系統(tǒng)簡化。本次設計中程序儲器的選擇就是從以上幾點考慮，選擇2764芯片，其管腳功能如圖4.5所示： 圖4.5 2764管腳分布圖2764芯片是一種高速，其容量為8K的EPROM，讀出時間為250nm，而8031用晶振頻率為6MHz則讀取時間為480nm故滿足要求。2764芯片共有13根地址線A0A13，8根數(shù)據(jù)線D0D7，其余為控制線CE為片選信號端，低電平有效，OE取指允許，PGM為編程控制端，Vpp編程電源端以及Vcc、Vss等。4.5.2地址鎖存器74LS373由于MCS51系列單片機的P0口具有分時復用低8位地址和8位數(shù)據(jù)的功能，必須要通過外接芯片將低8位地址信息和8位數(shù)據(jù)信息分離，對于一個具體的應用系統(tǒng)中必須使用地址鎖存器。常用的地址鎖存器芯片有74LS373、74LS273、74HC573、Intel8282。由于74LS273是一個帶清零的8D鎖存器，用在MCS51系列單片機應用系統(tǒng)中需要增加反向器和電阻，而Intel8282價格偏貴，市場少見，故74LS273、Intel8282很少當作地址鎖存器使用。因此，在本次設計中選用74LS373為地址鎖存器。其引腳及功能如圖4.6所示：圖4.6 74LS373引腳及功能74LS373是一個帶三態(tài)緩沖器的8D鎖存器，當三態(tài)門輸出使能信號端OE=0時，三態(tài)門處于導通狀態(tài)；當OE=1時，三態(tài)門處于斷開狀態(tài)。G為數(shù)據(jù)輸入的門控制信號。當G=1時鎖存輸出端1Q8Q的狀態(tài)與輸入端1D8D狀態(tài)相同；當G端由高電平返回到低電平時，輸入端1D8D的數(shù)據(jù)鎖存到1Q8Q的8位鎖存器中。8031與2764通過74LS373擴展的電路中，2764中低8位地址線通過地址鎖存器與8031的P0口相連。當?shù)刂锋i存器允許信號ALE為高電平，則P0口輸出地址有效，8位數(shù)據(jù)線直接與8031的P0口相連，高5位地址線分別與P2.0P2.4相連，OE引腳直接同PSEN相連。4.5.3數(shù)據(jù)存儲器的擴展由于8031內(nèi)部RAM只有128字節(jié)，遠遠不能滿足系統(tǒng)的要求，需要擴展片外數(shù)據(jù)存儲器。單片機應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器的擴展電路一般采用6116和6264數(shù)據(jù)存儲器，其選用的原則與EPROM的要求相同。根據(jù)本次設計要求，選用6264芯片。它是一個8K的RAM存儲器電路，集成度很高其引腳及功能如圖4.7所示：圖4.7 數(shù)據(jù)存儲器6264的引腳及功能其中，A0A12為13位地址線，輸出地址與內(nèi)部8KB的單元相對應，D0D7為8位數(shù)據(jù)線，該芯片的讀取時間為200nm，滿足要求。4.5.4譯碼電路譯碼電路是對系統(tǒng)的片外地址進行譯碼，其譯碼輸出作為存儲器芯片的片選信號。譯碼電路除采用一般的門電路譯碼器外，更多的采用譯碼器芯片。常用的譯碼器芯片有：74LS139（雙24譯碼器）、74LS138（38譯碼器）及74LS154（416譯碼器）等。通常以74LS138譯碼器用的最多，其管腳如圖4.8所示：其中G1、G2A、G2B為三個控制端，只有當G1為“1”時且G2A、G2B均為“0”時，譯碼器才能進行譯碼輸出，否則譯碼器的8個輸出端全為高阻狀態(tài)。 圖4.8 74LS138譯碼器管腳及功能4.6 I/O口擴展電路設計4.6.1 8155擴展芯片Intel 8155具有一片多功能特點，片內(nèi)提供的功能有：兩個可編程8位并行口A、B和6位并行口C；256字節(jié)的靜態(tài)RAM；一個14位減法定時器/計數(shù)器。一片8155在外擴三個I/O口的同時，還為用戶提供了256字節(jié)的外部RAM和一個定時器，不需要一般芯片擴展所需要的地址鎖存器，可直接與單片機接口。8155芯片結(jié)構(gòu)如圖4.9所示： 圖4.9 8155芯片結(jié)構(gòu)及功能其引腳功能如下：AD7AD0：地址/數(shù)據(jù)分時復用線；IO/M：8155片內(nèi)I/O和RAM選擇線；CE：片選端，低電平有效；ALE：鎖存有效輸入信號線，用來鎖存AD7AD0低8位地址及IO/M、CE狀態(tài)；RESET：復位線，高電平有效，復位后8155I/O口設定為輸入方式；RD、WR：讀、寫輸入線。8155的兩個寄存器共用一個地址，CPU用指令寫入的是工作方式字，而輸出的是狀態(tài)字，另外8155內(nèi)部有一個10位鎖存器，用來鎖存地址及控制信號，因此從8031送至8155的地址就不要再加地址鎖存器了。此外，8155的工作方式，狀態(tài)控制字以及其定時功能也是學習和了解的重點，但在本次設計中不做詳細說明。4.6.2鍵盤及其接口電路鍵盤是一種常用的輸入設備，是由若干按鍵組成的開關(guān)矩陣，用戶可根據(jù)鍵盤輸入數(shù)據(jù)或命令，實現(xiàn)簡單的人機通信。鍵盤接口的任務是將按鍵的機械動作轉(zhuǎn)換為計算機識別的信號供CPU讀取。其常用的類型有： 線性鍵盤及其接口線性鍵盤是由若干獨立的按鍵組成，每個按鍵將其一端與微機系統(tǒng)中的某位輸入端口的一位數(shù)據(jù)線相連，另一端接地，其接口程序簡單，只要查詢該輸入端口各位的狀態(tài)，便可以判斷是否有按鍵按下，以及按下的具體是哪一個鍵，但線性鍵盤有多少個按鍵，就有多少條連線與微機輸入端口相連。因此，線性鍵盤只適用于按鍵少的場合，常用于某些微機化儀器或?qū)Ｓ没C系統(tǒng)中，在本次設計中不再討論。 矩陣鍵盤及其接口矩陣鍵盤的按鍵排成n行m列，每個按鍵占據(jù)行列的一個交叉點，需要的輸入輸出線為m+n，最大按鍵數(shù)是mn。顯然，在按鍵較多的應用場合中，矩陣鍵盤可以減少與微機系統(tǒng)接口的連線，是一般微機常用的鍵盤結(jié)構(gòu)。在本次設計中采用矩陣鍵盤。矩陣鍵盤的工作原理為：檢測是否有鍵按下：將鍵盤所有行線置0，讀入列線的值，若所有列線的值全為“1”，說明無按鍵按下；若不全為“1”，則有按鍵按下，因為按下的鍵已經(jīng)將所連接的行線和列線接通，使相應列線的值變?yōu)椤?”。確定所按下鍵所在的行和所在的列的位置：采用逐行掃描法。先將鍵盤的行線置“0”，讀入列線的值，判斷是否有按鍵按下，若有鍵按下，找出列線中為“0”的列線，即為按下鍵所在的列，由相應的行、列線值可得到閉合鍵值。如果第一行無鍵按下，則依次掃描下一行，直到判斷出按下鍵的位置。下圖4.11為一個34矩陣鍵盤及其接口電路：圖4.10 34矩陣鍵盤及其接口電路4.6.3顯示器及其接口電路單片機測控系統(tǒng)中最常用的顯示器是LED（發(fā)光二極管顯示器）和LCD（液晶顯示器），這兩中顯示器可顯示數(shù)字、字符及各種狀態(tài)信息，他們的驅(qū)動電路簡單，易于實現(xiàn)，且價格低廉，因此得到廣泛應用。其中，本次設計用到的顯示器是由8個發(fā)光二極管組成的數(shù)碼管顯示器，通過不同的組合來顯示數(shù)字09，字符AF、L、H、P、R、U、Y等字符及小數(shù)點“.”。LED可分為共陽極和共陰極結(jié)構(gòu)，共陽極數(shù)碼管中8個發(fā)光二極管陽極連在一起，接高電平，其他管腳接驅(qū)動電路輸出端，當某段驅(qū)動電路的輸入端為低電平時，該端驅(qū)動電路字段導通。相反，共陰極數(shù)碼管中的8個發(fā)光二極管的陰極連接在一起，共陰極端接低電平，其它管腳接驅(qū)動電路端，當驅(qū)動電路端接高電平時，該字段的字符導通并點亮。如圖4.11為共陰極數(shù)碼管顯示器結(jié)構(gòu)：圖4.11 共陰極結(jié)構(gòu)數(shù)碼管顯示器 圖4.12 6位動態(tài)顯示器接口電路圖4.12為共陰極接法的6位動態(tài)顯示接口，由8155的PB口經(jīng)75452反相器送出8段碼，只有LED公共端為低電平時顯示器才能顯示字符。4.7步進電機驅(qū)動電路步進電機驅(qū)動控制電路由隔離電路和功率放大器組成。本次設計采用8031單片機P0口直接控制步進電機驅(qū)動。4.7.1功率放大電路脈沖分配器的輸出功率很小，遠不能滿足步進電機的需要，必須將信號放大產(chǎn)生足夠的功率，才能驅(qū)動步進電機的正常運轉(zhuǎn)。功率放大器的作用就是將環(huán)形分配器產(chǎn)生的控制信號經(jīng)過功率放大，控制步進電機各相繞組電流按一定順序切換，使步進電機運轉(zhuǎn)。步進電機功率不同，其繞組電流也不同，從幾安到幾十安不等，每相繞組分別對應一套功率放大器。本次設計采用基本的單電源功率放大電路，如圖4.15所示：圖4.15 功率放大電路這種電路設計為單電壓供電，僅在步進電機繞組回路中串聯(lián)一個不小于10的電阻，以增大功率放大器的負載電阻，使步進電機繞組中電流上升的時間常數(shù)減少，提高上升沿的陡度。這種功率放大器線路簡單，但效率不高，只適用于小功率的步進電機。4.7.2隔離電路在步進電機驅(qū)動電路中，脈沖分配器的輸出的信號經(jīng)放大后控制步進電機的正反轉(zhuǎn)。由于步進電機需要的驅(qū)動電壓較高（幾十伏），電流也較大（幾安到幾十安），如果將輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起強電干擾，所以在接口電路與功率放大電路之間要加隔離電路。實現(xiàn)電器隔離，通常使用的是光電偶合器。光電偶合器由發(fā)光器件和受光器件組成，連接發(fā)光源的引線作為輸入端，連接受光元件的引線作為輸出端。通常發(fā)光器件為發(fā)光二極管，受光器件為光敏三極管。在本次設計中，隔離電路如圖4.14所示：當輸入信號Vi加到輸入端時發(fā)光二極管導通，激發(fā)出紅外光，光敏三極管受光照后產(chǎn)生發(fā)光電流，通過輸出端輸出，從而實現(xiàn)以光為媒介的電信號的傳輸，輸入端與輸出端在電氣上是完全隔離的。 圖4.14 光電隔離電路 4.7.3步進電機驅(qū)動電路步進電機驅(qū)動電路除了隔離電路、功率放大電路外，還需要環(huán)形分配器。環(huán)形分配器的作用是把來自控制系統(tǒng)的輸出進給指令脈沖，按一定規(guī)律通過功率放大器作用于步進電機各相繞組，從而控制步進電機的正向運轉(zhuǎn)或反向運轉(zhuǎn)。環(huán)形分配器分軟件環(huán)形分配器和硬件環(huán)形分配器。由于由軟件環(huán)形分配器設計的電路簡單、成本低，可以靈活的改變步進電機的控制方案。因此，在本次設計中采用軟件環(huán)形分配器，如圖4.13為8031單片機直接控制步進電機的某一相的接口方式，8031單片機的P0口的低三位為輸出，分別控制步進電機的U、V、W三相繞組的通斷。 圖4.13 單片機控制步進電機接口電路4.8其它輔助電路設計4.8.1 8031時鐘電路設計振蕩器和單片機時鐘一起構(gòu)成了單片機的時鐘方式，根據(jù)連接方式的不同，又分為內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。內(nèi)部時鐘方式：內(nèi)部時鐘方式是利用芯片內(nèi)部的振蕩器，在引腳XTAL1和XTAL2引腳上外接定時元件，因此內(nèi)部電路產(chǎn)生了自激振蕩，具體的方法如圖4.16a所示，它采用了晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路，晶體可在1.212MHz之間選擇，電容CX1和CX2可在20100PF之間選擇。當CX1和CX2取6070PF時，震蕩器有較高的頻率穩(wěn)定度。外部時鐘方式：外部時鐘方式是通過XTAL1和XTAL2接入外部時鐘的，其連接方式如圖4.16b所示： 圖4.16 8031單片機的時鐘方式本次設計的時鐘電路采用內(nèi)部時鐘方式，晶振電路采用晶振為6MHz。4.8.2復位電路通過某種方式，使單片機內(nèi)各寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)的操作稱為復位。單片機復位是靠外部電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上的高電平，單片機便實現(xiàn)狀態(tài)復位，之后CPU便從0000H單元開始執(zhí)行程序。MCS51系列單片機通常采用上電自動復位和開關(guān)手動復位兩種方式。一般數(shù)控系統(tǒng)中都采用上電自動復位和開關(guān)手動復位組合的方式，如圖4.17所示，上電瞬間，RC回路允電，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RESET端保持10ms以上的高電平，就能使單片機有效復位，在實際應用系統(tǒng)中有些復位的芯片復位電平與8031復位要求一致時則可以直接相連。 圖4.17 8031單片機的復位電路以上內(nèi)容介紹了8031單片機的引腳及功能，2764、6264存儲器功能及選用的一般原則，8155及I/O擴展芯片，重點分析了步進電機驅(qū)動電路的組成及接口方式，以及本次設計的控制系統(tǒng)中用到的時鐘電路和復位電路等等。通過對以上芯片及各種接口電路的了解、分析和論述，從而得出本次設計數(shù)控銑床工作臺仿真系統(tǒng)的硬件控制電路的設計思想和設計方案。在控制系統(tǒng)中，主要采用8031單片機作為主控制器，用2764、6264擴展片外存儲器，用8155芯片擴展8031I/O口，用于連接鍵盤及LED顯示器，同時采用8031單片機P0口直接控制步進電機運轉(zhuǎn)。通過以上芯片連接、設計的硬件控制電路，結(jié)構(gòu)簡單，開發(fā)費用低廉，能基本滿足系統(tǒng)的要求。第5章 系統(tǒng)控制程序設計5.1程序設計的內(nèi)容及方法在微機控制系統(tǒng)中，除硬件設備外還必須配備一定的軟件。軟件包括系統(tǒng)軟件和應用軟件兩部分，軟件是微機系統(tǒng)的中樞，系統(tǒng)的各個部分都是在軟件指揮下進行協(xié)調(diào)工作的。系統(tǒng)的軟件是由制造廠商提供的，是計算機進行工作的基本組成部分。它包括：各種匯編程序 即解釋