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1、机电控制及可编程序控制器技术课程设计设 计专 班 姓 指 导机械工程学院课程设计说明书题 目： 基于单片机控制的简易数控装置 业： 机械设计制造及 其自动化 级： 10 机制 2 班 名： 高光明 号 *-*4044 教 师： 钱 芳 2021 年 12 月 28 日目录第1章 绪 论 41.1 设 计 背 景 4 1.2 工 作 要求 4 1.3 设 计 的 目 的 及 意义 4第 2 章 系统总体方案的确定 22.1 主 要 技 术 要 求 2 2.2 系 统 方案 2 2.2.1 任务分析 2 2.2.2 系统总体框图 3第 3 章 系统硬件电路的设计 43.1 CPU（单片机）与总线部
2、分的选择4 3.1.1 CPU（ 单 片 机 ） 的 概 述 43.1.2 总3.2 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 123.3 主轴电机的驱动电路 143.3.1 D/A转换电路的选择153.3.2 主轴电机变频调速系统的设计 173.3.3 主轴电机控制电路 223.4 半闭环进给系统的设计 243.4.1 位置控制单元的设计 24 3.4.2 位置检测单元的设计 273.5 键盘显示电路的设计 293.5.1 8155 接口芯片简介 29 3.5.2 8155 与8031 的接口 30 3.5.3 键盘 /显示接口电
3、路的设计 303.6 电源模块的设计 323.6.1 +12V、-12V、+5V 电源的设计 32 3.6.2 +80V电源的设计 333.7 系统的改进 34 第 4 章 系统软件的设计 344.1 主程序流程图 34 4.2 键盘子程序流程 图 35 4.3 显 示 子 程 序 流 程图 35 4.4 中 断 子 程 序 流 程图 36 4.5 PID 控 制 算 法 子 程序 37 39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 的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措
4、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）驱动电源设计； （
5、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 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 运行频率：
6、1500HZ工作方式： 3相单3拍（2）分辨率 10 um （3）进给速度 10m/min 2.2 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
7、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。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
8、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。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
9、，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。3.1 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
10、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
11、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所示图 3.1 8031 芯片的引脚（3）单片机8031的引脚功能 四个并行 I/O 口P0.7P0.0： P0 口共有8条引脚，其中P0.7为最高位，P0.0为 最低位。 P0 口既可作地址/数据总线使用，又可作为通用的 I/O 端口
12、 使用。当 CPU 访问片外存储器时， P0 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I/O 口使用了。P1.7P1.0： P1 口作通用I/O 口使用，用于传送用户的输入/输出 数据。P2.7P2.0： P2 口是一个8位准双向I/O端口，它既可作为 通用I/O 口使用，也可与P1 口配和，作为外存储器的高8位地址总 线，输出高8位地址，使P2和P1 口一起组成一个16位片外存储器 单元地址。P3.7P3.0：这组引脚除作为一般准双向I/O 口外，每个引脚还 具有第二功能。具体分配如表3-1所示。表 3-1 P3 口各位的第二功能 控制引脚
13、ALE/PROG：地址所存允许信号/编程脉冲输入端；EA/VPP:允许访问片外存储器/编程电源输入端；PSEN：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； 时钟引脚（2条）XTAL1：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，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。XTAL2 :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。 电源引脚（2条）VCC为+5V电源线，VSS为接地线。（4） 8031 最小应用系统单片机8031是将CPU、RAM和
14、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 3.2 所示。单片机8031允许的振荡晶体可在1.2MHz24 MHz之间选择， 一般取11.0592MHz。电容C1、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、C2可在20pF100pF之 间选择，一般当单片机外接晶体时的典型取值为30pF，为了提高温 度稳定性，应采用 NPO 电容。图 3.2 单片机的最小应用系统单片机 8031 通常采用上电自
15、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=1yF； R1=1kQ； R2=51kQ。复位时，只需将按钮按下，使RET引脚保持高 电平为两个机器周期以上，就能使单片机复位。 3.1.2 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 CPU 插件各芯片间 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 3.3 所示，为 8031 的三总线分配图图 3.3 8031 芯片的三总线分配内总线又称系统总线，为板极总线，用于CNC装置中各插件板 之间的连接和通信。如S-100总线、PC总线、Multi总线、STD、IBM- AT 标准总线等。外总线又称通信总线，它用于系统与系统之间的通信。这类总线 有 RS-232C、 RS-422、 IEEE-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。
