机电控制及可编程序控制器技术课程设计1

西安广播电视学开放育机械设计造及其自动专业《机电控制与编程控制器》课程计说明题：基单机制简数装专层：级学姓

别号名分（作指教：年

月

日

开放教育专业程设计务书编号：设计题学生姓课程设内容：

试点专业：

办学单位：1．

课程设技术要求和要内容2．

课程设进度安排

安排毕业设计任务，了解电大设计要求和规定初步确定总体方案以及总体思路，检查第一稿进一步完善总体方案，对相关内容进行初步计算

具体细节规划设计与计算，检查第二稿

在第三稿的基础上继续进行设计与计算，检查第三稿检查所有论文资料，检查最终稿指导教签字试点分、教学班意：教学班责人签字、点分校章____________年

月

日

中文摘要摘要：随着科学技术的发展，由于普通机床效率差、性能落后，世界各工业发达国家通过发展数控技术、建立数控机床产业，促使机械加工业跨入一个新的“现代化”的历史发展阶段，从而给国民经济的结构带来了巨大的变化。目前的单片机数控装置，大多采用MCS-51列单片机。本系统是一个典型的经济型数控装置。系统采用8031单片机、高低压驱动大功率电力电子器,光电传感器构成半闭环数控系统，实现数控机床的位置控制。使用变频调速系统控制主轴电机的运行。本系统具有巡检速度快、精确、方便、可靠性能高、抗干扰能力强等诸多优点，在工商业领域应用地越来越多。关键词单片机；数控机床；变频器；步进电机；键盘显示

目

录第1绪论-1.1设计背景-1.2工作要求-1.3设计的目的及意义1第2系统总体方案的确定-2.1主要技术要求22.2系统方案-任务分析2系统总体框图-第3系统硬件电路的设计-3.1CPU（单机）与总线部分的选择...................................................-4CPU（单片机）的概述.........................................................-4总线-3.2单片机存储器的扩展电路-单片机外部存储器的扩展芯片...............................................-8-单片机外部存储器的扩展.....................................................-11-3.3主轴电机的驱动电路13换电路的选择...........................................................-13-主轴电机变频调速系统的设计.............................................--主轴电机控制电路213.4半闭环进给系统的设计-位置控制单元的设计23-3.5键盘显示电路的设计288155接口芯片简介-8155与8031接口。29键盘/显示接口电路的设计293.6电源模块的设计31+12V、-12V、+5V电源的设.........................................--+80V电源的设计32-3.7系统的改进33第4系统软件的设计34

4.1主程序流程图344.2键盘子程序流程图354.3显示子程序流程图-4.4中断子程序流程图364.5制算法子程374.6转速检测子程序流程图-小结-致

谢41

第绪论1.1设计背景数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。我国是一个机床大国，数控技术和产业经过40年的发展，从无到有，从引进消化到拥有自己独立的自主版权，取得了相当大的进步。有四百多万台普通机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。经济型数控车床的特点是价格低廉编程简单操作方便具有数控机床的基本功能。经济型数控系统主要用于旧机床的改造和机械设备升级换代。1.2工作要求采用8031单片机、高低压驱动大功率电力电子器件等设计简易数控装置，以驱动步进电动机构成半闭环数控系统，实现数控机床的位置控制。（1）步进电机停/、加/减速控制；（2）硬件电路设计；（3）驱动电源设计；（4）软件流程设计；1.3设计的目的及意义数控技术综合运用了微电子、计算机、自动控制、精密检测、机械设计与制造等技术的最新成果，具有动作顺序的程序自动控制，位移和相对位置坐标的自动控制，速度、转速及各种辅助功能的自动控制等功能。由单片机控制、步进电动机驱动的经济型半闭环数控装置，具有结构简单、控制容易、成本低、维修方便，能迅速加减速和全数字化等优点，因此，可广泛用于速度与精度要求不高的经济型数控机床和旧设备的改造中。

第系统总体方案的确定2.1主要技术要求（1）步进电动机：相数：

部距角：°/°相电流：3A工工作方式：3单3拍

空载转矩：

运行频率：1500HZ（2）分辨率<10um（3）进给速度<10m/min2.2系统方案任务分析系统要求是由单片机控制步进电动机驱动的经济型开环数控装置为了使系统得到更高的精度，我们给系统加了一个位置检测装置，其主要作用是为了检测位移量，并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号相比较，若有偏差，经放大后控制执行部件，使其向着消除偏差的方向运动，直至偏差等于零为止。只要提高检测元件和检测系统的精度，数控装置的加工精度将会大大提高。该系统是基于单片机的应用系统，而单片机应用系统是以单片机为核心，配以一定的外围电路和软件，能实现某种或几种功能的应用系统。它一般由硬件和软件组成。硬件是系统的基础，软件则是在硬件的基础上对其合理的调配和使用，从而完成应用系统所要完成的任务。系统总体框图由上述分析可知，系统需要由（单片机储器扩展电路、主轴电机的驱动电路，半闭环进给系统的控制、键盘显示电路，以及电路的供电的电源等六部分组成。其总体框图如图所示。

图统体图由上图可以看出，系统是通过键盘输入给定的X轴Y轴的坐标，通过单片机内部处理，使单片机输出的脉冲经过光电隔离开关送入步进电机的驱动电路，到达步进电机的绕组，然后再通过速度检测元件，将步进电机的速度转变为脉冲量的变化，再通过整形放大送给单片机进行记数。通过单片机内部比较，进行调整，形成一个闭环控制电路。而对于主轴电机，在这里我们将D/A转换器输出的电压信号进行调理以后作为变频器的控制信号，当转换器的输出改变时，其对应的变频器的电压控制信号也跟着改变，从而使变频器的输出频率改变，达到变频调速的目的,系统实现设计的要求。速度检测器件采用光电码盘，因其输出为脉冲信号，可以通过计数器直接进入单片机，这样就省去了不少中间环节，大大降低了成本。输出的数字信号送入单片机的记数口进行记数，然后通过软件编程实现对步进电机位置的显示与控制。

第系统硬件电路的设计对于系统单元电路的设计系统主要采用模块化的设计思想因为模块化的设计思想有利于系统的维修控制对于本次所设计的系统可将其分成六部分CPU（单片机）与总线、存储器扩展电路、主轴电机的驱动电路、半闭环进给系统的控制电路、键盘显示电路，以及电路供电电源等六部分组成。3.1CPU单片机）与总线部分的选择CPU（单片机）的概述CPU是CNC置的核心有执行计算和控制能力要由控制单元、算术逻辑单元和一些暂寄存器组成。在装置工作时控制单元从存储器中依取去处组成程序的指令，进行译码后，NC装置的各部分按顺序发出执行操作的控制信号，同时接受执行部件发出的反馈信号，与程序中的指令信号比较后，决定下一步的应执行的操作。在运算过程中，算术逻辑单元不断从存储器中提取数据，并将运算结果送回存储器中保存。通过对运算结果的分析判断，设置状态寄存器的相应状态CPU与存储器，输/输出接口等通过总线有机结合在一起构成CNC置。在系统设计中我们选用的是Intel公生产的系列高档8位的单片机。它具有很高的性能，许多功能都超过了和Z80CPU，成为当代工业测控类应用系统的优选单片机。下面对做以叙述。（1）部资源简介一个完整的计算机应该是由运算器、控制器、存储器I/O口组成。一般由微处理器只包含云酸器可控制器两部分。和一般微处理器相比较，增加了四个8位I/O口串行口128BRAM工作寄存器及特殊功能寄存SFR各部分组成。其中，2个位定时记数器，个中断源的中断控制系统、一个全双工的串行口、以及片内时钟振荡器，以上各部分均通过片内数据总线连接。（2）芯片的引脚8031片的引脚如图3.1所示

图3.18031片引（3）片机的引脚功能①四个并行I/OP0.0：口共有条引脚，其中为最高位，为最低位。口既可作地址/数据总线使用，又可作为通用的I/O端口使用。问片外存储器时，口分时先作低8位地址总线，后作双向数据总线。当P0口被地址数据总线占用时，就不能再作使用了。P1.0：作通用I/O使用,用于传送用户的输入/输出数据。P2.0是一个8准双向口它既可作为通用I/O口使用，也可与配和，作为外存储器的高8位地址总线，输出高8地址，使P1口一起组成一个16片外存储器单元地址。P3.0：组引脚除作为一般准双向口外，每个引脚还具有第二功能。具体分配如表3-1所示。表P3口各的二能P3

TXD

断0

T0T1WR

断1器0器1部RAM()部RAM()②控制引脚：地址所存允许信号/编脉冲输入端；/VPP：允许访问片外存储器编程电源输入端；

：片外程序存储器允许输出信号端；RST/VPD：复位信号输入端备用电源输入端；③时钟引脚（2条）外部晶体的一个引脚单片机内部它是反相放大器的输入端，而这个放大器构成片内振荡器。当采用外部时钟时，该引脚必须接地。：接外部晶体的另一个引脚。在单片机内部，接上述振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时，该引脚输入外部时钟脉冲。④电源引脚（2条）VCC为+电源线，VSS为接地线。（4）最小应用系统单片机8031将CPURAM和I/O接口都集成在一块大规模集成电路芯片上的微型计算机。就其组成而言，一块单片机芯片包括了计算机的全部基本部件，但它还不能构成最小应用系统。单片机的最小应用系统应包括：单片机、上电复位部分和晶振时钟源，如图所示。单片机8031允许的振荡晶体可在1.2MHz～MHz之间选择，一般取11.0592MHz。电、C2的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响C1可在20pF～间选择，一般当单片机外接晶体时的典型取值为30pF，为了高温度稳定性，应采用电容。

图

单机最应系单片机8031通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。在该系统中采用按钮复位，如图3.3所示。各器件的典型取值为：C3=1μ；ΩΩ。复位时，只需将按钮按下，使引脚保持高电平为两个机器周期以上，就能使单片机复位。总线总线是计算机系统内部各独立模块之间传递各种信号的渠道。计算机系统中，各种功能模块通过总线有机的连接起来，通过总线实现相互间的信息传送和通信。总线通常分为片总线、内总线和外总线。片总线为元件级总线是组成一个小系统或件各芯片间的连接总线。片总线包括地址总线、数据总线和控制总线，即所谓的三总线结构。如图所示，为8031三总线分配图

图片三线配内总线又称系统总线，为板极总线，用于装置中各插件板之间的连接和通信。如S-100总线、PC总线、总线、、标准总线等。外总线又称通信总线用于系统与系统之间的通信类总线有RS-232CIEEE-488等。实际应用和理论分析证明STD总线是一种比较好的工业总线在国际上获得广泛应用，也是国内优选重点发展的工业标准总线。STD总线的CPU摸板几乎可以包容8位的单片机8031，并且可以与各种通用的存储器和模块匹配。3.2单片机存储器的扩展电路存储器在简易数控装置中是用来存放程序、数据和参数。在CNC装置中一般有三种用途的内存储器和一些外存储器（视需要配置存储器即为：系统软件存储器、工作参数寄存器、工件加工程序存储器。内存储器位于主机内部，可与CPU直接联系，存取速度高，但存储容量有限。而外部存储器大多放在主机外面，一般只与内存储器进行交换信息，存取速率低，但存取容量大。由于系统设计所用8031单片机内部存储器只128B的随机储器RAM，且片内无只读存储器EPROM所以，设计中必须要对外部存储器进行扩展。单片机外部存储器的扩展芯片（1）序存储器的扩展（EPROM芯片由于在经济型数控装置中其程序的存储不是很多，所以在设计中，对于EPROM芯片的选择统选用Intel公司的典型系列芯片（8K×8KB的2764片做简要说明。①2764片的引脚2764片的引脚排列如图3.4所示。

图2764片引排②2764片的引脚简介◆A0～A12地址线◆D0～：数据输出线：OE：PGM◆VPP：◆Vcc：

地址线数据输出选通线编程脉冲输入编程电源电源引脚2764片的五种工作方式的选择见表3-2表3-22764作式选（1）据存储器的扩展（SPRAM芯片

一般CNC装置都选取静态随机存储器SRAM用做单片机外部数据存储器的扩展。设计中系统选取常用的位数据线的做为扩展芯片。下面对的6264片做简要说明。①6264片的引脚62664片的引脚排列如图所示。图3.562664片引排②6264片的引脚简介◆A0～A12：地址输入线◆D0～：双向三态数据线，用于传芯片的写数据和芯片输出给CPU的读数据：片选信号输入线，低电平有效。该芯片的脚（）为高电平，CE为低电平时才选中该片：读选通信号输入线，低电平有效◆WE写允许信号输入线，低电平有效③6264四种工作方式如图表所示。表3-36264作式选

另外8031单片机中的16地址高8～A8～A0由口输出，低位由P0输出，如图4-38031芯片的引脚分配所示而同时又是数据输入/出口故在传送时采用分时方式先输出低8地址，然后再传送数据。但是，在对外部存储器进行/写操作时，位地址必须保持不变，这就需要选用适当的寄存器存放位地址，以保线作数据总线使用时所选外部存储器单元的位地址不丢失，这个外部的寄存器就称为外部地址锁存器。该系统采用带三态缓冲器的8-D存器为外部地址锁存器。单片机外部存储器的扩展单片机与外部的连接均采用前面所提到的三总线连接如图示

图3.6单机外部储器扩展电图（1）总线连接对与单片8031总线分配，前面图3.3中已经作了说明。①数据线的连接：存储器芯片的数据线一般连接到的端口。P0

口为8031片机的地址总线和数据总线的复用端口。②地址线的连接：外部存储器的地址信号来自单片机的口和P2口。存储器的低位地址由分时送出。P0口首先输出的低位地址由ALE选通地址锁存器锁存起来，这样。能再次送出数据信号。存储器所需要连接的地址线数目由存储器芯片容量决定。当存储器没有用足根地址线时，余下的口线可作为片选控制线使用3.86264和2764接地址P0.0～P0.7P2.0用P2.5作为片选控制线等。③控制信号线的连接：存储器的控制信号线基本上分为两类：芯片选通控制和读写控制接到8031相应的控制信号输出线上。的读写读写控制信号）应分别与的P3.6和（）相连，EPROM的读写控OE应与的读选通PSEN相连；对于实现片选的方式有线选和译码选通两种方式，系统采用线选的方式。（2）数据存储器和程序存储器地址的确定①数据存储器（SRAM）地址的确定由图3.8可知统是将的作为片选接口6264片选CS接8031的P2.5，当P2.5输出为时，选通6264所以有数据存储器的地址范围为：2000H—②程序存储器（EPROM）地址的确定由图3.8可知2764片选同样接8031P2.5P2.5输出为时才能选2764以，它的地址为—DFFFH3.3主轴电机的驱动电路这一部分主要是为主轴电机的正反转以及实现其速度的可调而设计的。在本系统中，为了使电机的控制更加灵活和方便，我们采用了具有多种功能和优越性的TD2000系列变频器现对电机的各种运行状态进行控制，同时在本系统中，我们打破了以往用手动控制来调节电机速度的常规，加入12位的D/A转换器DAC1208用它的输出对变频器进行控制以达到调速的目的使整个系统的操作更加方便和智能化。实现了数字控制的目的。下面就具体实现过程以介绍。D/A转换电对于转换的设计，为了提高分辨率，系统选用了位的转换

器DAC1208。（1）DAC1208的引脚排列DAC1208引脚排列如图3.7所示。图3.7DAC1208的引排（2）DAC1208的引脚功能DI0～：数据输入线，其中DI11为最高位。：基准电源输入端（－10V～＋10V：内部反馈电阻引出端。IOUT1、：电流输出端。BYTE1/BYTE2：字节顺序控制信号。该信号为高电平时，开8和4两个锁存器，将12位数据全打入锁存器；当该信号为低电平时，则开启4输入锁存器。片选信号，高电平有效。1：输入写选通信号，低电平有效。WR1为低电平时，将输入数据传送到输入锁存器；当W为高电平时，输入锁存器中的数据被锁存CS=1，且W1时为低电平时，才能将待转换的数据传送到输入寄存器。DAC寄存器写选通信号，低电平有效2共同构成DAC寄存器的控制信号在XFER=0WR2的低电平将输入寄存器中的数据写入寄存器，以进行D/A换。XFER传送控制信号，低电平有效。WR2合使用，构成第二级锁存控制。（3）DAC1208与8031片机接口如图所示。

图

8031单片机接由图可知8数据总线D7～D0可接的P0口，A0是P0口输出的低位地址经锁存后的地址最低位。假定译码器对A15～译码，则对应三个地址：S2有效和时，写数据位。在S2效和A0=0时写数据低4数据在S1有效时12数据同时送到位DAC寄存器并锁存DAC1208数据线的低4位DI3～接DI11～上设计中没有采用译码器～A3进行译码，而是直接通过剩余的口对S2和行控制。主轴电机变频调速系统的设计为了实现主轴电机的正反转以及速度的可调统对主轴电机的驱动电路也做了精心的设计。为了使电机的控制更加灵活和方便，系统采用了具有多种功能和优越性的TD2000系列变频器，来实现对电机的各种运行状态进行控制，（1）变频器的概述变频器主要由整流（交流变直流波、再次整流（直流变交流动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成的。工作时，变频器把工频电源(50Hz或60Hz)变换成各种频率的交流电源以实现电机的变速运行的设备其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电变换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电，来实现对电机的控制。（2）TD2000-4T0055G/0075P型变频器基本配线图

在本系统中，因为主轴电机的功率一般在5KW～10KW之间，所以在设计时选用了型变频器作为对主轴电机的控制，具体引脚如图3.11所示。在图3.9中，可以看出变频器的各种引脚的配线图，包括一些多功能引脚、控制引脚和一些保护输出引脚等。另外，在变频器的配线过程中，我们还应该注意以下几点：①可以用电压（0（2）10V）或电流（（））作为频率设定信号输入。但必须采用屏蔽电缆；②控制端子CCI可输入电压信号又可输入电流信号必须根据输入信号的类型，在主控板上I/V选择插座CN10做相应的跳线选择；若采用电输入方式，则CN10应选择I，若采用电压输入方式，则应选择V；

图3.9变器本线③用控制端子运行时，一般要求通过FWD或REVCOM来控制。特别是在频率起停的应用场合。如果采用变频器输入前端的接触器进行变频器的频繁起停或正反转控制，将会影响变频器的寿命。④

内含制动组件，如制动容量不够，可在，P之间外配电阻或在P、N

间外接制动组件；⑤⑥

辅助电源引自正负母线P和N。应用范围：风机、水泵、传送设备、提升设备和其他设备配套。（3）D2000-4T0055G/0075P型变频器的主要性能容许电网波动范围：额定电压±20%输出频率范围：频率精度：0.01%×最高频率显示方式：四位显示，LCD(中/英)+LED可选核心硬件：IPM+DSP+MCUPWM控制方式：电压矢量控制防护等级：IP20安装方式：5.5KW-90KW壁挂、110KW-220KW装机装柜走线方式：5.5-90KW下进下出、110-220KW上进下出（5）D2000-4T0055G/0075P型变频器的主要功能和特点◆内置PID调节器，自带24V电源；◆载波频率1~10K连续可调；◆简易PLC；◆直接速度PG反馈接口；◆模拟和数字频率表输出；◆运转频率的输出端口；◆采用最新的智能功率模块IPM）和集成功率模块PIM大提高整机可靠性；◆优化的空间电压矢量控制技术，输出谐波少，电压输出能力强；◆最先进的硬件组合：DSP+CPLD+MCU高效完成电机实时控制算法；◆死区补偿技术采用实时死区补偿技术消除由于上下掺臂开关死区引起的转源泳动；◆标准的RS232/485接口以规范的通信协议现多台变频器网络控制；◆无源功率因数校正PFC的技术，满足输入功率因数92%的要求，并能抑制变频器对电网的干扰；◆宽电压工作范围，能在304V~456V围正常工作；（6）D2000-4T005G/0075P型变频器主回路输入输出端子各功能见表3-4所示。表3-4回输输端功描RS、

380V

PNUV、G

（7）变图3.10

变器本线◆开路集电极输出说明：见表3-5所示。表开集极出内

对功

内

对功变频器运行中信号0（RUN）

6

频率上限限制（FHL）1

频率到达信号

7

频率下限限制（FLL）频率水平检测信号2（FAR）过载早期预报警信

89

变频器零速运行中简易PLC阶段3

号（OL）欠压

运行完成指标封锁停止中4（LU）外部故障停机5（EXT）

1011

设定计数值到达指定计数值到达

◆端子功能说明：如表3-6所示。表3-6多能入择能端子记X1-COMX2-COMX3-COMX4-COMX5-COMX6-COMX7-COMX8-COM

端子功说明多功能输入选择1多功能输入选择2多功能输入选择3多功能输入选择4多功能输入选择5多功能输入选择6多功能输入选择7或测速输入SM1多功能输入选择8或测速输入SM2运行控制（正转

规格X1至X8为多功能输择，依能码119～126选择所需功能，各功能码的内容对应的能够见多功能输入选择功能表FWD-COM/停止）运行控制（反转REV-COM/停止）开路集电极输Y1-COM

出1

Y1对应的功能码为，129，功能见开路集开路集电极输

电极输出功能表Y2-COM

出2P24-COM

24V电源

最大输出电流100mA

VRF-GNDVCI-GND

外接频率设定用电源+10VDC模拟电压频率设定输入模拟电压频率

输入范围0～+10V输入范围0（2）～设定输入

+10V模拟电流频率

输入范围0（2）～CCI-GND

设定输入

+10VFM-GNDAM-GND

输出频率显示输出电流显示变频器正常：TA-TB闭合，TA-TC断开变频器故障：

0～+10V0～+10V接点额定值TA，TB，TCTA-TC闭合，TA-TB断开250Vac-2A,30Vdc-1A主轴电机控制电路主轴电机控制电路如图3.11所示。

路电制控机电轴主11.3图由上图可以看出，我们在TA，和两端加了显示报警装置。来检测变频器的正常工作状态。TA与TB闭合时TA与TC断开，发光二极管发光，变频器

正常工作；TA与闭合时TA与TB断开，发光二极管不发光，蜂鸣器开始发声报警，变频器发生故障。所以我们得知报警电路的设计可以检测变频器的正常运行使得整个系统更加可靠安全。3.4半闭环进给系统的设计前面已经提到为了提高系统的精度系统采用了半闭环的设计思想这里半闭环进给系统的实现，系统是通过位置控制单元和位置检测单元两部分来实现的。位置控制单元的设计对于数控装置的位置控制系统是通过控制步进电机来实现的通过键盘输入给定的X轴Y的坐标，通过单片机内部处理，使单片机输出的脉冲经过光电隔离开关送入步进电机的驱动电路，到达步进电机的绕组，对步进电机实施控制。所以系统设计了步进电机的驱动电路。（1）步进电机驱动电路的设计步进电机的驱动电路有多种这里系统采用了一种具有检测反馈控制环节的步进电机高低压驱动电路。下面将做具体介绍。①步进电动机驱动电路的比较高低压驱动电路又称双电压驱动电路以分为定时控制驱动与脉冲变压器式驱动.冲变压器式驱动电路结构简单是因为使用脉冲变压器使制造工艺复杂，成本高且不易模块化，目前用的很少；因此设计了具有检测反馈控制环节的高低压驱动电路，利用反馈控制高压管的导通时间，适应不同的运转频率，提高驱动能力。②步进电动机驱动电路原理与参数计算㈠步进电动机驱动电路原理具有反馈控制的高低压驱动电路原理如图所示。

图3.12

具反控的低驱电由电路可以看出该电路是在通常的高低压驱动电路中加设了电流检测电阻Rd和反馈控制环节以及驱动逻辑电路.电路的工作过程控制脉冲前沿来到时异或门和或门的输出都为“1高压控制管T1与低压控制管T2时导通，主回路电流i按负指数规律上升：Uir

e

)I

e

)

式3-1式中Uh—高电压；Rc，Rd，r—分别为限流电阻，电流检测电阻和绕组直流电阻；I0—主回路初始电流；I0=Uh/（Rc+Rd+r）τ—主回路电气时间常数（mSτ=L/（Rc+Rd+r）L—步进电机一相绕组的电感量（mH）.当电流上升到电机额定电流的120%时，电流检测电阻上的电压大于参考电压Uref检测环节输出一个正脉冲使高压控制管关断此时由低压电源UL经D2向绕组供电，使维持电流为电机额定电流90~100%.因低压电源提供的维持电流小于高压电源提供的上升电流；Rd上的电压Uc小于参考电压Uref，检测环节不再输出正脉冲，即在一个控制脉冲周期内T1只导通截止一次，大大的减小了T1在切换过程中的功耗，使温度下降.而T2整个控制脉冲的周期内一直处于深度饱和，本身的压降很小（一般小于伏）故发热量很小.控制脉冲及检测脉冲与电流波形的关系见图3.13。

UIUIτ图

控脉及测冲电波㈡步进电动机驱动电路参数的计算◆Uh的确定.由式（1）可得：当控制脉冲前沿来到，即t=0时，电流上升率为：图1有反馈控制的高低压驱动电路didK（式）dtdtL即高，电流上升率大，步进电机高频运行时动态性能好.但相应的管子耐压也增大成本会有所增加特别对于定时控制驱动电路则应严格控制Uh避免出现电流过载.般取Uh=120~200V，运行频率大于6000~10000HZ时取◆UL选取应使UL满足

I(

（式）Lcd式中I1—步进电机绕组的额定电流一般UL电压低限流电阻小，发热量小.◆检测采样电阻一般取0.3~0.5Ω值大化敏感但发热量大.限流电阻满足时间常数τ=L/（Rc+Rd+r）的要求及式（）的关系例如：某110mm反应式步进电机组电阻r=0.37电感L=8mH;额定电流I1=6A.取低压UL=12V;限流电阻=1.5检测电阻Rd=0.3Ω,电气时间常数τ=3.6mS.高压Uh=120V时流上升到7A需0.45mS;Uh=300V电流上升到7A需86μS.由此可见采用定时控制高低压驱动电路将高压管的控制脉冲宽度按有关资料推荐调整到τ则步进电机的绕组电流将接近40A，这是不容忽视的！③高低压反馈控制驱动电路的优点综上所述我们可以得出

◆高低压反馈控制驱动电路克服了高低压定时控制驱动电路的低频过载、高频出力不足使步进电机产生失步的现象，可以实现步进电机理想的矩频特性，并且可以根据不同的最高运行频率调整电源电压Uh；◆高低压反馈控制驱动电路消除了恒流斩波电路因斩波过程产生的高频电磁噪音和斩波管过热现象；每个控制脉冲产生的上升电流大，加速性能好；◆因电路中高压控制管截止时步进电机绕组产生的反电势使电流波形上部产生下陷，平均电流下降，下降幅度达20%使步进电机的保持力矩有所下降位置检测单元的设计系统采用光电码盘作为位置检测装,直接发出位移记数脉可以省像旋转变压器位置检测装置所需的模拟量到数字量的的变换电而且还可以省去作为速度反馈的测速发电机,这样即简化了电路又降低了成本.光电转换整形电路的设计在检测电机转速时，可采用如下图所示光电转换整形电路，将开有小孔的转盘安装在电机的主轴上孔的位置对准红外发光管和红外接受接收管。当电机转动时转孔经光电管之间在接收管T的集电极产生如图P1示波形经施密特触发器整形后转换成脉冲方波P2冲在一时间内进行记数，即可实现测速。62

3图3.14光转整电P1—:如3.15

图3.15555组成的施密特触发器的工作原理（2）转速检测电路为了在高速和低速时都能得到较高的精度我们采用法测速电路，上述光电码盘输出的信号处理后用3#8253的T2对其进行记数得到M1同时用的对频率为的高频脉冲进行记数，得到记数测速电路如图所示图3.16

转检电综上所述，半闭环进给系统的设计，是通过键盘输入给定的X轴Y轴的坐标，通过单片机内部处理，使单片机输出的脉冲经过光电隔离开关送入步进电机的驱动电路，对步进电机实施控制。再通过速度检测元件光电码盘，将步进电机的速度转变为脉冲量的变化，再通过整形放大送给单片机进行记数。通过单片机内部比较，进行调整，再输出脉冲控制步进电机，形成一个闭环控制电路。

3.5键盘显示电路的设计键盘和显示器接口电路常使用接口芯片以下面先介绍接口芯片，然后再介绍接口电路。8155接口芯片815540脚双列直插式封装芯片，其引脚见图所示。

1V

CC

40

2

RESET

39

3

PB7TIMEROUT

38

PB6

4

PB5

37

PB4RD

5

PB3WR

36

PB2AD0

6

PB1PB0口片脚8155片内含个字节的静态RAM，两个8位并行口PA一个6位并行口，工作方式可由程序设置另外还有一个14位的计数器，可以对输入脉冲进行减法记数。引脚TIMIN位定时计数器时钟输入端，由外部输入时钟脉冲；TIMOUT为定时器输出端。定时器启动时后，能对输入端的脉冲进行记数，当减法计数器减至零时，在输出一个脉冲信号是片选信号线（输入CE为低电平时，表示此芯片被选中，允许它与通信IO/M是口及存储器选择线（输入），当为低电平且IO/M为低电平时，选择片内为低电平且IO/M为高电平时，选择I/O口；ALE是地址锁存信号线（输入）当ALE信号有效时把CPU输出至8155地址信号、片选信及IO/M信号都锁存到内部锁存器。D0～是地址、数据线，因为芯片内含有地址锁存器，因此，既能传递地

址信息，又能传送数据信息。8155与8155单片机的接口如图所示图3.188155与8031的口由上图可以看出，由8155部有地址锁存器并且有ALE引脚，因此它和系列单片机的接口简单要将的输入控制端与单片机各同名端相连将AD7～AD0与的P0.0接，CEIO/M可分别与相连，如图所示，此时地址可分配如下：内部256节ROM的地址：7E00H～命令/状态口地址:；PA口地址:；口地址；口地址:；定时低8寄存器地址7F04H；定时器高6及2位定时输出方式寄存器地址:7F05H。键盘为了使操作人员能够随时掌握XY轴位置变换情况，系统设计了6LED显示器。采用阴极数码管。如下图所示。

//计设的路电口接示显盘键91.3图图中，DS0～DS2为X轴的位置显示，最大显示999的数值；DS3～DS5为Y轴的位置显示最大显示总共有两种显示方式：分别为静态显示和动态显

示。根据系统的要求，这里我们采用动态显示方式8155PA0～作为段选线，为六条位选线。由图可知我们设计了一个键盘因为系统X轴Y轴的给定值的输入只能通过键盘来完成。设计中考虑到所用的键比较多，所以系统采用了非编码键盘的形式。键盘排成8行列矩阵，共个键。～PB7是根行线，～是根列线，在列线与行线的交叉点上安装按键。由图可以看出的口既充当了键盘扫描的8列线，又充当了显示电路的六条位选线。口的8根列线按一定时间间隔轮流输出低电平扫描到某一列线上时，若无键按下，则行线都是高电平；若有一键按下时，交叉点上对应的行线变为低电平。这个低电平信号被计算机捕获后，根据此键对应的行线和列线的位置，计算机可以判断出键值，完成一次键输入扫描工作。显示相应的X、Y的坐标值。电源模块的设计在电子设计与制作中，直流电源的设计是很重要的内容。在本系统中，所需的电源主要有给集成芯片供电的+5V电压和给集成运放供电的±电压，以及驱动步进电机的80V高压电源，+12V、-12V、+5V电源的设计电源在进行电源设计时功率交流输入端加一级电源滤波器降低工频频率的干扰，本方案的直流稳压电源采用通用的桥式全波整流大电容滤波和三端固定输出的集成稳压器输出电路由+压供给从而大大降低了电压调整率和负载调整率等指标，为了保证电路的有效性和可靠性。所有的集成稳压器根据功耗均安装有充足余量的散热片中正电源输出的稳压选用W7800系列的三端稳压器，负电压输出的稳压选用W7900系列的三端稳压器，其电路图如图所示。

图3.20

电电+80V电源的设计为步进电机的高压驱动能正常的工系统设计了一个+80V的直流稳压电源，提供高压电源供电，设计中，我们选用各方性能都比较好的串联式直流稳压电源的设计思想来实现。电源电路如图所示。所示。3.21

串式流压源由图可知，它主要由四部分组成，即：调整部分、放大部分、基准电压部分和采样部分四部分组成。利用电压串联负反馈，稳定输出电压。

要使得U0=80V，则，U0=80V，U0以我们必须得确定和这两个参数才能确定U0的值。（1）的确定：是稳压管两端