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1、专业好文档甘 肃 广 播 电 视 大 学课 程 设 计2006级春季机械设计制造及其自动化专业 本 科课程设计题目:基于单片机控制的简易数控装置学 生 姓 名: 任立 王旭同 徐钢 学 号: 061190114、061190112、061190115 电 大 分 校: 甘 肃 电 大 亚 盛 分 校 工 作 站: 玉 门 工 作 站 学生所在单位: 中核四零四总公司第三分公司中核华原钛白股份有限公司中核四零四总公司第三分公司指 导 教 师: 石 敬 东 甘肃电大开放教育_2006_级（春、秋） 机械制造专业（本科）课程设计成绩评定表分校：亚盛集团分校 工作站：酒泉工作站 班级代号：061190
2、052 姓名专业课程名称设计时间王旭同机械制造机电控制与可编程序控制器技术2007年10月设计题目基于单片机控制的简易数控装置指导教师评语及评分签 字（盖章） 年 月 日设计小组评价意见及评分签 字（盖章） 年 月 日分校集中实践环节指导小组意见 签 字（盖章） 年 月 日省电大集中实践环节指导委员会审核意见 签 字（盖章） 年 月 日说明：1.答辩小组应填写评价意见，小组成员均应签名（盖章）。答辩小组不应少于3人。2.此表附于封面之后。3.此表由分校、工作站自行复制。目 录第1章 绪 论11.1 设计背景11.2 工作要求11.3 设计的目的及意义1第2章 系统总体方案的确定22.1 主要技
3、术要求22.2 系统方案22.2.1 任务分析22.2.2 系统总体框图2第3章 系统硬件电路的设计43.1 CPU（单片机）与总线部分的选择43.1.1 CPU（单片机）的概述43.1.2 总线73.2 单片机存储器的扩展电路83.2.1 单片机外部存储器的扩展芯片93.2.2 单片机外部存储器的扩展113.3 主轴电机的驱动电路133.3.1 D/A转换电路的选择143.3.2 主轴电机变频调速系统的设计163.3.3 主轴电机控制电路203.4 半闭环进给系统的设计223.4.1 位置控制单元的设计223.4.2 位置检测单元的设计253.5 键盘显示电路的设计273.5.1 8155接
4、口芯片简介273.5.2 8155与8031的接口。283.5.3 键盘/显示接口电路的设计293.6 电源模块的设计313.6.1 +12V、-12V、+5V 电源的设计313.6.2 +80V电源的设计323.7 系统的改进33第4章 系统软件的设计344.1 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354.4 中断子程序流程图374.5 PID控制算法子程序384.6 转速检测子程序流程图39小结40致 谢41参考文献42 内容提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
5、“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系列单片机。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件,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/显示第1章 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。这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
6、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多年的发展，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/起、加/减速控制；（2）硬件电路设计；（3）
7、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。1第一章 绪论1第2章 系统总体方案的确定2.1 主要技术要求（1）步进电动机：75BF001 相数：3 部距角：1.5/ 3 相电流：3A 空载转矩：1750HZ
8、 运行频率：1500HZ 工作方式：3相单3拍（2）分辨率10 um（3）进给速度10m/min2.2 系统方案2.2.1 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
9、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。2.2.2 系统总体框图由上述分析可知，系统需要由CPU（单片机）、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、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2.1所示。图2.1 系统总体框图由上图可以看出，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
10、，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D/A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,使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。55第3章 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
11、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。3.1 CPU（单片机）与总线部分的选择 3.1.1 CPU（单片机）的概述CPU是CNC装置的核心，具有执行计算和控制能力。CPU主要由控制单元、算术逻辑单元和一些暂寄存器组成。CPU在CNC装置工作时，其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，向CNC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
12、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，输入/输出接口等通过总线有机的结合在一起构成CNC装置。在系统设计中我们选用的是Intel公司生产的MCS-51系列高档8位的8031单片机。它具有很高的性能，许多功能都超过了8080CPU和Z80CPU，成为当代工业测控类应用系统的优选单片机。下面对8031做以叙述。 （1）8031内部资源简介一个完整的计算机应该是由运算器、控制器、存储器和I/O接口组成。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，8031增加了四个8位I/O口、一个串行口、128B 的RAM、很
13、多工作寄存器及特殊功能寄存器（SFR）。各部分组成。其中，2个16位定时记数器，5个中断源的中断控制系统、一个全双工的串行I/O接口、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）8031芯片的引脚 8031芯片的引脚如图3.1所示 1 40 2 39 3 38 4 37 5 36 6 35 7 34 8 33 9 32 10 31 11 30 12 29 13 28 14 27 15 26 16 25 17 24 18 23 19 22 20 218031P1.0P1.1P1.2P1,3P1.4P1.5P1.6P1.7RST/ VPDRXD P3.0TXD P3.1INT0 P3.2INT1 P3.3T0 P3.4T1 P3.5WR P3.6RD P3.7XTAL2XTAL1VSSVCCP0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7/VPPALE/P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0VSS VCC
