单片机CNC装置的设计 数控技术课程设计

1、数控技术课程设计 单片机CNC装置的设计 一、CNC装置1.1 CNC装置的概念计算机数控（CNC）装置是数控系统中的核心。它是借助于微机结合必要的硬件构成的装置。现在我们统称为CNC，即Computer Numerically Controlled system. CNC系统的核心是CNC装置。CNC装置实质上是一种专用计算机，它除了具有一般计算机的结构外，还有和数控机床功能有关的功能模块结构和接口单元。CNC装置由硬件和软件两大部分组成。硬件是基础，软件必须在硬件的支持下运行；软件是灵魂，离开软件，硬件便无法工作；两者相辅相成，缺一不可。硬件的集成度、位数、运算速度、指令系统和内存容量等在

2、很大程度上决定了数控装置的性能，然而高水平的软件又可以弥补硬件性能的某些不足。CNC装置在采用微处理机和微型计算机以后，它的性能和可靠性大大提高，而成本却不断下降，其优越的性能价格比，促进了数控机床迅速发展。1.2 CNC系统的组成CNC装置的工作过程是在硬件的支持下，执行系统软件的过程，数控装置的控制功能在很大程度上取决于硬件结构。CNC装置的硬件结构按照控制功能的复杂程度可分为单微处理机硬件结构和多微处理机硬件结构。图所示为单微处理机硬件结构框图，由图可见，单微处理机硬件结构包括了微型计算机系统的基本结构：微处理器和总线、存储器和接口等。接口包括I/O接口、串行接口、MDI/CRT接口，还

3、包括数控技术中的控制单元部件接口电路以及其他选件接口等。CNC装置有以下部分组成：1）微处理器CPU，它是CNC装置的核心，在CNC装置中常用的有8位、16位、32位的微处理器。对于中、低档的数控系统一般采用8位或16位微处理器（如M6800，Z80，MCS-51等芯片）；对于高档的数控系统一般采用32位微处理器，如Intel80386等微处理器。2）存储器，存储器分为固化存储器（ROM）和随机存储器（RAM）。ROM主要用来存储数控系统的控制软件，RAM用来存储用户的零件加工程序和数据。3）输入/输出设备接口，这部分主要指与键盘、显示器等人机对话设备的接口电路，以及数据通信接口电路。4）开关

4、量输入/输出接口。位置控制装置，实现对驱动装置进行控制的电路。二、设计任务要求及题目分析2.1设计任务要求任务：设计一个单片机CNC装置，要求能实现CNC的基本的功能控制、位置控制、及信号处理功能，为实现要求，分析系统应扩展一定容量的RAM、EPROM、实现三轴的进给运动，一定数量的辅助动作、能输入8个开关量信号和输出8个开关量控制信号、一定量的按键及8位LED动态显示显示。单片机采用INTEL8031CPU, 及必要的其它外围芯片。设计题目：ROM：16K（1）RAM：8K（4）电机及控制方式：伺服脉冲全闭环按键数：242.1题目分析根据该设计任务要求，CPU选用经典且经济实用的MCS-51

5、系列单片机，本设计选用8031，扩展16KRAM，选用1片62128RAM存储器芯片，选用4片2716芯片扩展8KEPROM，8位LED动态显示需要两个8位I/O端口，24个按键的键盘采用行列式键盘需要两个8位I/O端口，用一片INTEL8255实现键盘和显示，8个开关输出量采用8位I/O口进行驱动，本设计采用74LS373芯片，开关量信号输入采用74LS244实现，三个伺服电机选择三相异步电机的三相六拍方式，需要9个I/O口，选用两片74LS73实现。系统译码采用全地址译码法和线选法实现，用一片74LS138实现。由于是闭环控制，还需要用到ADC0809，将位置检测的模拟信号转换为数字信号。

6、三、原理图绘制3.1选择芯片及其它元器件根据题目及设计要求和设计分析，选择如下芯片：1片8031CPU1片271284片61161片8255A4片74LS3731片74LS1381片74LS244一片ADC0809其它器件如电阻RES1-RES4、电容CAP、晶体振荡器CRYSTAL、RESPACK4、8位7段显示器DPY_7-SEG_DP、键盘SW-PB。3.2分析列出各个芯片的地址译码表对于RAM和I/O容量较大的系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，常采用全地址译码方法。它将低地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的地址选线用作片选线。本设计采用了16KR

7、AM的62128芯片，其片内地址线是14根，地址总线AB上只剩下2根，74LS138译码器的输入端点用3根最高位地址线，剩余的14根低位地址线可作为片内地址选线，译码器的8根输出分别对应8个8K字节地址空间。但还需要扩展其他芯片， 8根片选线显然不够，还要将其中的一根用74LS138继续扩展，系统的全地址译码表如下表所示：器件地址选择线片内地址单元数地址编码A15A14 *A3A2A1A02712800XX XXXX XXXX XXXX16K0000H3FFFH6116（1）0000 0XXX XXXX XXXX2K0000H07FFH6116（2）0000 1XXX XXXX XXXX2K0

8、800H0FFFH6216（3）0001 0XXX XXXX XXXX2K1000H17FFH6116（4）0001 1XXX XXXX XXXX2K1800H1FFFH8255A0011 1111 1111 11XX49FFCH9FFFH74LS373(开关量输出)1101 1111 1111 11111DFFFH74LS244(开关量输入)1110 0111 1111 11111E7FFH74LS373(XY轴驱动)1110 1111 1111 11111EFFFH74LS373(Z轴驱动)1111 0111 1111 11111F7FFHADC08091111 1111 1111 1XX

9、X8FFF8HFFFFH3.3原理图绘制过程1.设置电路图纸参数及相关信息:用户根据电路图的复杂程度设置所用图纸的格式、尺寸、方向等参数以及与设计有关的信息，为以后的设计工作建立一个合适的工作平面。2、装入所需要的元件库:将包含有用户所需元件库装入设计系统中，以便用户从中查找和选定所需的元器件。3、放置元件:将用户选定的元件放置到已建立好的工作平面上，并对元件平面上的位置进行调整，对元件的序号、封装形式、显示状态等进行定义和设置。以便为下一步的布线工作打好基础。4、电路图布线: 该过程实际上是利用Protel 99所提供的各种工具、命令进行画图工作，将事先放置好的元器件用具有电气意义的导线、网

10、络标号等连接起来，使各元件之间具有用户所设计的电气连接关系。布线结束后，一张完整的电路原理图才算是基本完成。5、调整、检查和修改: 在该过程中，用户利用Protel 99所提供的各种工具对前面所绘制的原理图做进一步的调整和修改，以保证原理图的正确和美观。6、补充完善: 该过程主要是对原理图做一些相应的说明、标注修饰，以增加可读性可视性。7、生成网络表：网络表是原理图与印制电路板之间的一座桥梁，是印刷电路板自动布线的灵魂。它可以在原理图编辑期中直接由原理图文件生成。利用原理图生成网络表，一方面可以用来进行印制电路板的自动布线及模拟电路，另一方面也可以用来与最后布好线的印制电路板中导出的网络表进行

11、比较、校对。生成网络表后对网络表进行重新排版以便打印。8、保存和打印输出: 这部分工作主要是对设计完成的原理图进行保存、包括存盘、打印输出等，以供在以后的工作中使用。3.4关键部分绘制3.4.1存储器的扩展选用1片27128芯片扩展16KEPROM；扩展8KRAM，选用4片6116RAM存储器芯片。接线图如下：3.4.2 LED显示器及按键部分绘制将LED显示编辑器一个阴极管脚，每个LED显示器分别与每列开关共阴极，接到8255芯片的8个端口。而所有的LED显示器的8个片选线并联在一起接到PB口，开关的另一端并联接到pc口。具体接线方式如下图所示。3.4.3 X、Y、Z三轴电机接线方式采用两片74LS373，由于每个电机需要3个脉冲，总共需要9个I/O端口，在74LS373与电机之间还需要率放大器，才