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1、哈尔滨工程大学本科生毕业论文第1章 绪论1.1 本文研究的目的意义激光技术是本世纪60年代初诞生，而且发展极为迅速的一门高新技术。它的发展与渗透，带动了其他学科和技术的发展，激光技术已成为本世纪高新技术产业的主要支柱之一。激光加工技术是激光技术在工业中的主要应用，激光加工技术加速了对传统加工工业的改造，提供了现代工业加工技术的新手段，影响很大。激光加工是指用高功率激光束对工业用零部件进行切割、热处理、焊接、打孔等等，与传统加工方法相比，激光束能量高度集中，加工区域小，因而热变形小，加工质量高、精度高，加工件不受尺寸、形状限制，不需冷却介质，而且无污染，噪声小，劳动强度低，效率高。由于激光热处理
2、有相当明显的优点，解决了传统金属热处理不能解决或不容易解决的技术难题，在工业领域具有实际应用意义。1.2 激光热处理的发展及特点激光表面处理技术是近二十年来发展起来的一种新兴材料表面处理技术，尤其是进入八十年代已来，大功率工业激光器和辅助设备的制造技术日益提高，各种激光表面处理技术日益成熟，使得激光表面处理技术的工业应用和深入研究异常活跃，在欧美和日本，大功率激光器商业化程度很高，发展非常迅速，是工业发达国家非常瞩目的一项新技术。激光热处理是利用高功率密度的激光束对金属进行表面处理的方法，它可以对金属实现相变硬化（或称作表面淬火、表面非晶化、表面重熔淬火）、表面合金化等表面改性处理，产生用其大
3、表面淬火达不到的表面成分、组织、性能的改变。经激光处理后，铸铁表面硬度可以达到HRC60度以上，中碳及高碳的碳钢，表面硬度可达HRC70度以上，从而提高起抗磨性，抗疲劳，耐腐蚀，抗氧化等性能，延长其使用寿命。激光热处理技术与其它热处理如高频淬火，渗碳，渗氮等传统工艺相比，具有以下特点：1、无需使用外加材料，仅改变被处理材料表面的组织结构.处理后的改性层具有足够的厚度，可根据需要调整深浅一般可达0.10.8mm。2、处理层和基体结合强度高。激光表面处理的改性层和基体材料之间是致密的冶金结合，而且处理层表面是致密的冶金组织，具有较高的硬度和耐磨性。3、被处理件形变极小，由于激光功率密度高，与零件的
4、作用时间很短，故零件的热变形区和整体变化都很小。故适合于高精度零件处理，作为材料和零件的最后处理工序。 4、加工柔性好，适用面广。利用灵活的导光系统可随意将激光导向处理部分，从而可方便地处理深孔、内孔、盲孔和凹槽等，可进行选择性的局部处理。1.3 本文研究的内容本文在参考了大量已发表的有关文献的基础上，对单片机、相关的接口及步进电机控制进行了深入研究。主要工作内容有以下几个方面：1、查找与课题相关的资料确定系统的设计方案；2、深入学习单片机、步进电机及其控制的相关知识；3、以单片机作为控制核心，以三相步进电机为执行机构对系统的硬件进行设计；4、根据设计要求编制相应软件并对应用系统调试，实现设计
5、要求的功能。在以下各个章节中，将对上述内容作进一步详细讨论。第2章 系统总体设计方案步进电机是一种作为控制用的特种电机，它的旋转是以固定的角度（步距角）运行的，其特点是在不丢步，不超步情况下没有积累误差，所以广泛应用于各种开环控制系统。步进电机通过步进电机驱动器来驱动，它把控制系统发出的脉冲信号转化为步进电机的角位移。步进电机的转速与脉冲信号的频率成正比。控制系统对步进电机的控制通过步进电机驱动器来完成。本设计中，步进电机用于激光热处理热控制系统，对步进电机和整个系统的控制由8051单片机系统来完成。2.1系统总体设计要求系统总体分为三部分：8051单片机控制核心；步进电机与单片机接口电路；8
6、279键盘、显示器部分。具体的设计要求如下：1、显示步进电机的转速转速的显示形式是直接显示整数转速；2、显示步进电机转向在电机转动时，有正转与反转，这两种状态对应着不一样的激光热处理装置的动作。3、结构简单，成本低廉，安装方便大多数的指示需要电机实时的转向及转速，所以我们要设计的这一种类的显示装置应这样的满足要求。结构简单，便于使用和修理；成本低廉，是要面向各种类型的金属工件；安装方便，由于激光头在运行过程中要不断的根据金属体的结构进行热加工，不需要专业人员，专业技术。8051单片机控制核心主要承担的任务：1、以并行方式控制步进电机：其中P1.0P1.2直接控制三相步进电机各相驱动电路，步进电
7、机驱动脉冲环形分配器的功能由单片机系统实现完成；2、响应8279键盘输入，执行相应的键处理程序；3、将系统信息及时送8279显示。键盘和显示采用INTEL公司设计的8279可编程键盘/显示接口芯片。8279功能强大，电路简单，操作容易，数据线8位，读写时序与51系列单片机兼容，很适合于51系列单片机构成的嵌入式系统。本设计中8279的主要任务是：用来构成键盘和显示部分；通过键盘输入相应控制信号（启动、停机、行程等）；通过8位LED显示转速、当前位置、转向信息等等。总体的运行过程为：单片机检测到有键盘动作时读8279接口，得到键值，然后根据键值运行相应程序，向8279写入要显示的字符。2.2系统
8、总体设计方案本设计以并行方式控制步进电机，用8051中的P1口，P1.0P1.2直接控制三相步进电机各相驱动电路，步进电机驱动脉冲环形分配器的功能由单片机系统实现完成。通过锁存器, 8279并行口扩展芯片，构成功能键盘和数码管显示，完成启动、停止、显示速度等功能。系统整体结构图如图2.1所示。图2.1 系统整体结构系统设计的主要任务是通过单片机控制步进电机的启动、停机、按顺序发出控制命令、判断步进电机是否到达极限位置（位置控制）、控制步进电机的转向、运行速度的变化等。下面是各种控制方式的方案。1、电机脉冲分配及转向控制用单片机系统接口的数条数据线直接去控制步进电动机各相驱动线路的方法称为并行控
9、制。很显然，在电动机驱动器内部不包含环形分配器，而环形分配器的功能必须由单片机系统来完成。由系统实现脉冲分配器的功能有两种方法，一种是纯软件方法，即全部用软件来实现相序的分配，直接输出各相导通或截止的信号。但是这种方法占用大量CPU内存。第二种是软件硬件结合的方法，这里是专门设计的一种编程接口，计算机向接口输出简单形式的代码数据，而接口输出的是步进电动机各相导通或截止的信号。2、速度控制步进电机的速度控制通过控制单片机发出的步进脉冲频率来实现。本设计采用定时器中断方法实现。调速指令由8279的键盘程序输入，在中断服务子程序中进行脉冲输出操作，调整定时器的定时常数就可以实现调速。这种方法占用CP
10、U时间较少，在8051单片机中较易实现，是一种比较实用的调速方法。定时器法利用定时器进行工作。为了产生步进脉冲，要根据给定的脉冲频率和单片机的机器周期来计算定时常数。这个定时常数决定了定时时间。当定时时间到而使定时器产生溢出时发生中断，在中断子程序中进行改变P1.0电平状态的操作，这样就可以得到一个给定频率的方波输出。改变了时间常数，就可以改变方波的频率，从而实现调速。3、位置控制步进电机的位置控制就是控制步进电机带动激光头从一个位置精确地运行到另外一个位置。由于步进电机不用借助位置传感器而只需简单的开环控制就能达到足够的精度，因此这也是步进电机的一大优点。实现步进电机的位置控制需要两个参数。
11、第一个参数是步进电机控制的激光头当前的位置参数，即绝对位置。它是有界限的，超过了这个界限就要报警。因此绝对位置参数可在LED中显示，作为越界报警参数。它与步进电机的转向有关。当电机正转时，步进电机每走一步，绝对位置加1；反之，绝对位置减1。第二个参数是从当前位置移动到目标位置的距离，通过折算把距离化为步进电机的步数。这些参数是由键盘输入的，所以折算工作也在键盘程序中完成。位置控制的具体做法是；用步数等于0来判断是否运行到目标位置，作为步进电机停止运动的信号。步进电机每走一步，步数减1，当执行机构（激光头）运行到目标位置，步数正好减到0。另外当电机行程较长时，还涉及变速（加速、恒速、减速）控制，
12、但由于本设计所需执行机构（激光头）的行程较短，不涉及变速控制。4、8279键盘、显示器接口设计本设计中采用2行*8列=16个键盘。数字键为09，命令键采用A，B，C，D，E，F。双键互锁。显示器采用8位8段LED，编码扫描（8中取1）。8279的B0B3依次连接显示器段选端a，b，c，d段;A0A3依次连接显示器e，f，g，dp段。这样可以保证显示器所需要的段选码和程序中所列的段选码表相一致。电路如图3.14所示。在附录A中，SL3SL0经3-8译码器输出，再经BIC8087驱动器输出作为LED显示器的位选码，同时译码器Y0,Y1作为键盘扫描输出线。键盘与CPU采用中断方式交换信息。CNTL、
13、SHIFT接地，这时进入FIFO RAM的键值高2位（D7D6）为0。8279的A0连接8051的P0.0；CS连接P2.7。因此，CPU分配给8279的命令字、状态字口地址为7FFFH;数据输入/输出口地址为7FFEH。8051采用12MHz时钟，ALE=2MHz,连接8279的CLK端，经20分频后，得100KHz时钟作为8279片内时钟。2.3本章小结本章初步确定了设计的各项要求和设计中各种控制方式的实施方案，将系统设计分为三大块：单片机部分；8279键盘、显示器部分；步进电机部分（步进电机的驱动）不作为设计重点。下面几章将分别围绕系统的硬件电路设计，系统软件设计展开。第3章 激光热处理
14、控制系统的硬件设计3.1 单片机的发展及应用单片机也称为单片微型计算机，是把微型计算机的各部件中央处理器、内存、输入输出电路、定时器/计数器等制作在一块集成电路芯片上，构成了一个完整的微型计算机。随着超大规模集成电路的出现以及微电子工艺水平的提高，近10余年来点片机有了长足的发展。全球各个知名的集成电路芯片制造商陆续推出各自的产品，各种类型和型号的单片机犹如雨后春笋般相继问世。1976年Intel公司首先推出的MCS-48系列单片机时一种功能较简单、寻址范围很有限的低性能8位单片机，除了一些传统的应用领域（如键盘控制器）外，这类单片机在很大程度上已经被1980年Intel公司推出的MCS-51
15、系列高档单片机所取代。在MCS-51系列单片机的内核8051/80C51的基础上，Intel公司、Philips、Siemens等公司纷纷推出了各种派生芯片。此类派生来的单片机功能丰富、使用灵活，性价比远高于MCS-51系列单片机，是目前世界上使用得最广的一类单片机。由于我们应用的主要是MCS-51系列的单片机，下面我就来介绍一下MCS-51系列单片机的特性。MCS-51系列单片机是美国INTEL公司在MCS-48系列单片机基础上推出的产品，从应用的角度看，MCS-51单片机具有如下一些特性：1、集成度高。MCS-51单片机的代表作品为8051，单片机8051内部包含了4K字节的ROM、128
16、个字节的RAM、4个8位并行口，一个全双工串行口，两个十六位的定时器计数器，以及一个处理功能很强的中央处理器；2、系统结构简单。MCS-51芯片内部采用模块式结构，增加或更换一个模块，就能得到指令系统和引脚兼容的新产品，如已有的MCS-52单片机，其结构是增加了128个字节的RAM和一个十六位定时器，另一方面，MCS-51具有64K字节的外部程序内存寻址能力和64K字节的外部RAM和I/O口寻址能力，INTEL公司标准的I/O接口电路和内存电路都可以直接连到MCS-51单片机上以扩展系统功能，结构简单，应用灵活。3、可靠性高。微机产品如其它产品一样，出厂指针有军用品、工业品和商用品之分，其中军用品要求绝对的可靠，在任何
