数控机床单片机控制系统设计

1、 简易数控机床控制系统设计 学号：0601302009 专业：机械电子工程姓名：浦汉军 2007, 9, 10 南宁 任务： 设计以单片机为控制核心的简易数控机床的数字程序控制器。要求 1、能用键盘控制工作台沿+X、-X、+Y、-Y向运动，以校正工作台位置。 2、可用于加工直线和圆弧。 3、在运行过程中可人工干预而紧急停车。 4、能实现越界报警。 5、可与PC机通讯。 总体方案设计 一、数控系统硬件电路设计 选用MCS-51系列的8031CPU乍为数控系统的中央处理机。外接一片EPRO用于存 放控制程序、固定批量生产的工件加工程序和数据，再选用一片8kb的6264RAM作为存 放试制工件或小批

2、量生产的工件加工程序和数据。由于系统扩展，为使编程地址统一， 采用74LS138译码器完成译码法对扩展芯片进行寻址的功能。还要考虑机床与单片机之 间的光电隔离、功率放大电路。其设计框图如下图所示： 图1.1总体设计框图 工作原理：单片机系统是机床数控系统的核心，通过键盘输入命令，数控装置送来的一系列连 续脉冲通过环形分配器、光电耦合器和功率放大器，按一定的顺序分配给步进电动机各相绕组，使 各相绕组按照预先规定的控制方式通电或断电，这样控制步进电动机带动工作台按照指令运动。 1.各单元电路设计 1.1存储器的扩展 选择晶体振荡器的工作频率f为12MHz主控器CPU选用8031，根据容量估算，选

3、用一片2764作为程序存储器，一片6264作为数据存储器。同时，还采用一片 74LS373 作为地址锁存器。 1. 2程序存储器2764 EPRO是用紫外线可擦除的半导体只读存储器，2764芯片引脚的介绍如下。 P0P7数据线，输出。编程时代码输入。 A0A7地址线，输入。 CE :片选信号，低电平有效，输入 ：读信号，低电平有效，输入 PGM :编程脉冲输入端，输入 Vpp：编程电压(典型值为12.5V) Vcc :电源(+5V) GND 接地(0V) O 4 76 S52 PG M V c c V p p 120 5.6_/ 8 9 - 2728匚 2 1 图 Do OE PGM CE 输

4、岀允 许编程 逻辑 输岀缓冲 256256 存储矩阵 1. 3数据存储器6264 1) 6264为24脚双列直插式器件，其引脚图和逻辑符号图如图1.3所示 A0A12:地址输入线。 DOD7:双向三态数据线。 |?-1片选信号输入线，低电平有效。 CE2片选信号输入线，高电平有效，可用于掉电保护。 厂：读选通信号输入线，低电平有效。 :写允许信号输入线，低电平有效 稠：工作电源电压(+5V) GND电源地。 1 0 22 27 A 0D 0 A 1D 1 A 2D 2 A 3D 3 A 4D 4 A 5D 5 A 6D 6 A 7D 7 A 8N C A 96264 A 1 0 A 1 1CE

5、2 A 1 2Vcc C E1 OE WEGND 2 6 28 1 4 1 11 21 31 5化厂 口 A12 Vcc 、 WE CE2 A0 OE D0 CE! D7 GND A 图1.3 6264引脚图和逻辑符号图 2) 6264芯片操作方式选择如表1.1所示 如表1.1 CE WE OE 方式 功能 0 0 1 写 D0D7上内容写入A0A10对应单元 0 1 0 读 A0A10对应单元内容输出到 D0D7 0 X X 非选 D0D7呈高阻 1 . 4键盘显示电路 根据系统要求，通过键盘输入命令来实现对机床工作台的运行控制。一共需要五个 键，四个分别控制工作台向+X、-X、+Y、-Y方

6、向运行，另一个作启动键；通过 LED数码 管显示工作台的运行位置，行程范围为 10米，精确到0.01米，所以用了 4个LED数码 管采用动态显示。 采用键盘显示器接口 8279来实现键盘显示功能。它主要由以下几部分组成。 1) 1/0控制和数据缓冲器； 2) 控制和定时寄存器及定时控制部分； 3) 扫描计数器； 4) 回送缓冲器与键盘去抖控制电路； 5）FIF0（先进先出）寄存器和状态电路; 6）显示器地址寄存器及显示RAMI CPU IRQ 齡 SHIFT CNTL 亦 STB A0 OUT也 止ET OU叫 CLK BD l 1 Vcc Vqs 11.5 舵79的结构原理罔 腱数据 扫描

7、显示数据 图1.6 键盘、LED数码管显示器电路 F面对引脚名称作简要说明。 DBA DB7双向数据总线，用来传送8279与CPU之间的数据和命令。 CLK :时钟输入线，用以产生内部定时的时钟脉冲。 RESET复位输入线，8279复位后被置为字符显示左端输入，二键闭锁的触点回弹 型式，程序时钟前置分频器被置为 31,RESET信号为高电平有效。 CS :片选输入线，低电平有效，单片机在 CS为低时可以对8279进行读/写操作。 当为低 A0:缓冲器低位地址，当A0为高电平时，表示数据总线上为命令或状态, 一 Vcc Vss EA P2.5 P2.6 P2.7 P1.2 ALE PO.O P0

8、.1 P0.2 P0.3 INT0 P0.4 P0.5 P0.6 P1.3 XTAL2P0.7 XTALPSEN P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P1.1 P1.0 TO WR- RD INT1 TXD Reset P1.7 P1.6 RXD P1.5 P1.4 IRQ 反相器 8 27 9 DB7 DB6 DB5 WR- RD DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 Vcc A0 CNTL SHIFT VSS SL0 SL1 SL2 SL3 RL0 RL1 RESETRL2 RL3 RL4 RL5 RL6 RL7 A0-A3 CLKB0-B3 CS GND 动 T T T

9、T 仃 仃 dT dT -n- ejc LED _r LED LED LED_r +5V 8 031 电平时，表示数据总线上为命令或状态，当为低电平时，表示数据总线上为数据。 RD:读信号输入线，低电平有效，将缓冲器读出，数据送往外部总线 WR:写信号输入线，低电平有效，将缓冲器读出,将数据从外部数据总线写入 8279 Title SizeNumber A4 Date:1 0-Ju n-2 007 产生相应的键编码自动送入先李煊论文5.2论 的缓冲器 SL0SL3扫描线 RL0RL7 回送线17 工作过程：每当按下一个键，8279会自动识别键号, 进先出寄存器FIFO中，同时产生中断请求信号I

10、RQ，向CPU请求中断。当CPU响应 中断，执行中断服务程序，并从 FIFO中读取编码数据之后，则IRQ信号自动撤消。 如果上一个键的编码数据尚未取走，下一个键盘又被按下，则新的键码进入FIFO 中。由于FOIO中由8个存储单元组成，故最多可依次暂存 8个键码。只 有在读完所有数据时，IRQ信号才会撤消。在中断程序中，CPU是用片外取数指令 （MOVX指令）从FIFO中读取数据。 1. 5反应式步进电动机的选择 根据所获得的信息和实际要求，选用步进电机为75BF001型三相六拍反应式步进电机， 其工作电压为+24V，相电流为3A,步距角为1.5度。 325.1环行脉冲分配器 由于本设计选择三相

11、步进电动机 75FB001,相对应选择可以控制三相步进电动机的 5G8713集成电路芯片。 表1.2 8713 引脚功能 引脚 功能 说明 1 正转脉冲输入端 1、2脚为双时钟输入端 2 反转脉冲输入端 3 脉冲输入端 3、4脚为单时钟输入端 4 转向控制端。0为反转；1为正转 5 工作方式选择：00为双三拍； 6 01、10为单三（四）拍；11为六（八）拍 7 三/四相选择。0为三相；1为四相 8 地 9 复位端，低电平有效 10 输出端。四相用13、12、11、10脚， 11 分别代表A、B CD; 12 三相用13、12、11角， 13 分别代表A、B、C 14 工作方式监视。0为单三（

12、四）拍； 1为双三（四）拍；脉冲为六（八）拍 15 输入脉冲状态监控，与时钟同步 16 电源 1.7脉冲分配器与单片机接口 1. 6保护电路 VCC 5S8 71L 1.8光电辎合隔离电路 VCC 采用光电耦合器接口把控制计算机和 驱动电路 本设计采用的驱动电源是功率开关集成电路 TWH8715/2这是一个集放大、比较、 选通、整形和功率开关于一体的高速功率开关集成电路。其真值表分别见图1.9及 表 3.7。 1）TWH8715/2引脚功能18 1控制端（高电平有效，TTL电平，下同） 2 输入端（选通端低电平有效） 3 V-（单电源使用时，接地） 4 输出端 5 V+（工作电压：+12V-

13、+24V） 由TWH8715/2组成的步进电机驱动电路（只画出了 A相，B、C相同）原理见图1.10。 其工作原理为：无信号时，光敏三极管截止，2角电位等于1角电位，为高电平；输出 端4角也为高电平，即电枢绕组无电流通过；有信号时，光敏三极管受光照而导通，将 2角电位拉低至零电平，输出端4角也将下降 至输出管饱和电平（约1.6V），这时电枢绕组中有励磁电流流过。其中 V1起续流作 用；随工作脉冲频率的升高，电路中呈现的感抗也随之增大，外接限流电阻R3就可以 起到降低阻耗的作用。 表1.3 TWH8715/2输入输出状态真值 Pin t1(st) Pi nt2(i n) Pi n4(out) X

14、（任意状态） H（高电平大于1.6V） OFF输出极截止 L（低电平小于1.2V） L（低电平小于1.2V） OFF输出极截止 H（高电平大于1.6V） L（低电平小于1.2V） ON!出极接通 2. 1加工指令 1)加工指令 每一条加工指令应包括那些内容与采用那种插补计算方法有关。我们采用逐点比较 法，则每一条加工指令应包括下列内容： (1) 线型：直线或圆弧及它所在的象限、走向。 (2) X轴坐标：加工直线时，它为直线的X轴终点坐标(Xe)，坐标原点取在直线起点。 加工圆弧时，它为圆弧的X轴起点坐标值(Xe)，坐标原点取圆弧的圆心。 (3) Y轴坐标值：加工直线时，它为直线的丫轴终点坐标(

15、Ye)，坐标原点取在直线起 点。加工圆弧时，它为圆弧的 丫轴起点，坐标原点取圆弧的圆心。 (4) 总步数J： X、丫轴走步数之和。 本系统使用的加工指令由连续的 4个字节组成(不包括加工速度等参数)，各个字节 的内容定义如下(规定FF为加工结束指令，只占一个字节): (a) 第1个字节为线型； (b) 第2字节为X坐标值; (c) 第3字节为丫坐标值; (d) 第4为字节为总步数。 2.2编程示例 若加工如图 所示的扇形工件，其加工程序由下列 4条指令组成: (1)L1:Xe=5 Ye=2 j=7 NR1:Xe=5 Ye=2 j=6 (3)L2: Xe=5 Ye=2 j=7 加工结束指令OFF

16、H 机器编码程序如下： 04H 05H 02H 07H OCH 05H 02H 06H 06H 02H 05H 07H 0FFH 2.3控制程序 根据总电路图的硬件结构和 加工指令格式，以直线圆弧插补 计算方法来设计控制程序。整个 控制程序由主程序、T0中断程序 和外部/INTO中断程序组成。 4.3.1主程序 主程序首先执行系统初始化 工作，然后循环扫描键盘，如果 键盘上有键入命令则做相应的命 令处理，如果键入启动命令，则 做好运行前准备工作以及有关指 针和标志初始化。对中断系统初 始化，T0向CPU青求中断，使CPU执行部件加工程序，允许外部INTO中断，在人工干 预按下急停键时停止加工部

17、件。接着循环查询加工结束标志，加工结束后又等待键命令 或主机命令。 2.3.2 T0中断服务程序 T0中断服务程序的功能是执行加工程序，一条指令执行完再取新的加工指令，直到 遇到停机时关中断，置位结束标志。在加工指令执行过程中，根据线型做直线圆弧的插 补计算。TO中断程序框图如下: 233INTO中断程 序 INT 0中断程序 的功能是实现急停、 行程开关的功能。由 于只有2个外部中断 请求中断接口，而本 设计需要多对个外 部中断源，所以采用 “OC丁经“线或” 后，引入芯片本身的 外部中断请求输入 端，就可以很方便地 扩展多个外部中断 源。几个扩展外部中 断源中有一个或几 个出现高电平，反相

18、 器输出为0,引用INTO低电平触发中断，所以这些中断源都是电平触发方式。本设计中 当工作台越界时，行程开关闭合即满足外部中断源请求条件，贝UCPJ向应中断，转入 0003H单元开始执行中断源服务程序。在中断服务程序中，由软件设定的顺序查询外中 断哪一位是高电平，然后进入该中断处理程序。查询的顺序就是外部扩展中断源的中断 优先级顺序。本设计的INTO中断源查询程序的流程图如下。 2.3.4步进电动机的位置控制 步进电动机的位置控制需要两个参数。 第一个参数是步进电动机控制的执行机构当前的位置参数，叫绝对位置。它是有极 限的，其极限是执行机构运行位置的距离，超越了这个极限就报警。 第二个参数是从

19、当前位置移动到目标位置的距离，我么可以用折算的方式将这个距离折算成步进电动机的步 数。这个参数是外界通过键 盘输入的。 对步进电动机位置控制 的一般作法是：步进电动机 每走一步，步数减1，如果没 有失步存在，当执行机构到 达目标位置时，步数正好减 到0。因此，用步数等于 0 来判断否移动到目标位，作 为步进电动机停止运行的信 号绝对位置参数可作为人机 对话的显示参数。它与步进电动机的转向有关，当步进电动机正转时，步进电动机煤走 一步，绝对位置加1;当步进电动机反转时，绝对位置随每次步进减 1。 、程序 TYPE EQU 30H MM EQU 31H XX EQU 32H YY EQU 33H

20、JJ EQU 34H STATX EQU 35H STATY EQU 36H FEND EQU 0 FNEW EQU 1 FRAM EQU 2 ORG 0003H AJMP DO_INT0 ORG 0000H STRT： LJMP MAIN LJMP PEX0 ORG 0BH PTF0： JNB FNEW ， LITP CLR FNEW JNB FRAM，EPROM MOVX A ， DPTR MOV TYPE ， A INC DPTR MOVX A， DPTR MOVX XX，A INC DPTR MOVX A， DPTR ；线型缓冲单元 ；偏差缓冲单元 ；x 坐标缓冲单元 ；y 坐标缓冲单

21、元 ；步数缓冲单元 ；步进电机状态坐标缓冲器 ；结束标志 ；取新指令标志 ;执行RAM加工指令标志 ；转 INTO 中断 ;转主程序 ;定时器 T0 中断程序 ;FRAM=,转从RPRO中取指令 MOVX YY，A INC DPTR MOVX A， DPTR MOVX JJ， A INC DPTR ? dptr旨向下条加工指令 SJMP COMP EPRO：M CLR A MOVC A ，A+DPTR ;从EPRO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 MO

22、V YY ，A INC DPTR CLR A MOVC A ，A+DPTR MOV JJ ，A INC DPTR CLR A COM：P MOV A ，TYPE CJNE A ，#0FFH，PNEW ；非停机指令转新指令处理 SETB FEND ;停机、关中断 CLR EA MOV TMOD ，#21H MOV TH0 ，#3CH MOV TL0 ，#0B0H MOV SCON ，50H MOV TCON ，#50H MOV 20H ，#0H RET1 PNEW： MOV MM ，#0 LITP： MOV A ，TYPE JB ACC.3,MM1 LCALL LLMA SJMP MM2 MM：

23、1 LCALL RRMA MM：2 DJNZ JJ ，PTROR SETB FENEW PTRO：R TET1 MAIN： MOV P1 ， #0C9H MOV STATX ， #0 MOV STSTY， #0 MOV SP， #0EEH ；新指令令 MM=0 ;ACC.3转圆弧插补 ；调用直线插补子程序 ；调用圆弧插补子程序 ；步长减为 0 ，置取新指令标志 ；步进电机状态初始化 ；步进电机状态缓冲器清零 ； SP、T0 初始化 MLO：P LCALL AKSI LCALL KEYI JNZ MLP1 LCALL STEP1 SJMP MLOP ；调用判是否有键闭合子程序 ；调用读键子程序

24、；调用 +X 走步子程序 MLP1 CJNE A , #1, MLP2 LCALL STEP3 SJMP MLOP MLP2 CJNE A , #2, MLP2 LCALL STEP2 ;调用+Y走步子程序 ;调用-X走步子程序 SJMP MLOP MLP3 CJNE A , #3, MLP2 LCALL STEP4 SJMP MLOP MLP4 CJNE A , #4, MLP5 SJMP BRUN MLP5 CJNE A , #5, MLOP SETB FRAM ;调用-y走步子程序 ；转启动运行 SJMP MLOP LCLL PSSDATR SJMP MLOP CLR TI SJMP MLOP BRUN JB FRAM ,BRUN1 MOV DPTR ,#100