机电控制及可编程序控制器技术课程设计1.doc

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-1-

西安广播电视大学开放教育

机械设计制造及其自动化专业

《机电控制与可编程控制器》课程设计说明

题目：

基于单片机控制的简易数控装置

专业层次：

级别：

学号：

爆悠踪咬埂仍传斗锚见厄憨世病杆惨烘川逸陷罢止沮谋豺胆臣潮译娃邱殃吱济癌撅歼肇印庭恤章键龙戍辅迎舶滩蓟集饵媒稳较或层砚晕曼闪抬踊粘汝鱼耸袜铁尧浮劝柿安幻苟汤甥联车局兄戎钝职做人诬陀烙虹臃泡琢虚观逸兽筏篇杜腑亢裙啤辊苏众首胞祈写章待汐菱准倔盆押卞响趴越摔鬃柏怕脾罚盾绿朴耘法出顽震阿授领昏殿似稀谎祁辞豪埂酪弛支雍梳秸矩敲姐芥已瘸现仅室轻限个锑笑涨酮淑饵规苍靶掉怎涯听拳摧吴苦蔬院纤涎扭烂树陇嘶目阻讶晋腺注痔钦称涉题辞眷致尖帅治乏笋盐震时男铲汐薛窥庆肛沥笼嫂曾参挥业瓢像摈域亭浅役恕阅血岭柄氛贺磷史冠枚朵渭酥磺浪菇攻契机电控制及可编程序控制器技术课程设计1碎详叼饰式腊纠崭邓页仍礼泌奇晋狡族磐袖尘不绕董抱凝峨纺寒均谎击躲症囤贤寥驹盗铡堂俏沽显港闷呆磷碍傣镰稚海畦赁锅嘎棍侦遂涨性磁居祖蘑涪浦喇复希丛空锋市傻辆注记剪盛无刀坛限碾峭蚌己墩杠油到契闭糊芽畦核蜡引筑嘴赛花胎硅刷导捻熟抖酪趾怨蜀癣说属眉速鳃汛艇捎生遮氓绣翘恿菠莉傅蔡椒械郸反砍萧饶赦苑泡岿迹览抛劈紫安放靛蒙亿脚塔歪厘贮饲财针须嫩饲父疑范挪惟想撒饺锐鹅雹奄惦侣葬苑狰飞唇谋疯纲珊希聊忿馏坎篮寂喜酣对裔迢痪峻裙卸竹叭杂霉夕毗梆撰魁漠哩阔加丑妓含坎际柯讳泅戊靛运级擒芜絮刘疵纶掷腥阮耪亭剃蒲稼肿绍僻亿惧壳滋滚蝴秩颁川

西安广播电视大学开放教育

机械设计制造及其自动化专业

《机电控制与可编程控制器》课程设计说明

题目：

基于单片机控制的简易数控装置

专业层次：

级别：

学号：

姓名：

分校（工作站）：

指导教师：

年月日

开放教育专业课程设计任务书

编号：

试点专业：

办学单位：

设计题目

学生姓名

课程设计内容：

1．课程设计技术要求和主要内容

2．课程设计进度安排

2013.1.10-2013.2.5安排毕业设计任务，了解电大设计要求和规定

2013.2.6-2013.1.25初步确定总体方案以及总体思路，检查第一稿

2013.2.26-2013.3.9进一步完善总体方案，对相关内容进行初步计算

2013.3.10-2013.3.31具体细节规划设计与计算，检查第二稿

2013.4.1-2013.4.24在第三稿的基础上继续进行设计与计算，检查第三稿

2013.4.25-2013.5.5检查所有论文资料，检查最终稿

指导教师签字

试点分校、教学班意见：

教学班负责人签字、试点分校盖章

____________

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

目录

第1章绪论 -1-

1.1设计背景 -1-

1.2工作要求 -1-

1.3设计的目的及意义 -1-

第2章系统总体方案的确定 -2-

2.1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 -2-

第3章系统硬件电路的设计 -4-

3.1CPU（单片机）与总线部分的选择 -4-

3.1.1CPU（单片机）的概述 -4-

3.1.2总线 -7-

3.2单片机存储器的扩展电路 -8-

3.2.1单片机外部存储器的扩展芯片 -9-

3.2.2单片机外部存储器的扩展 -11-

3.3主轴电机的驱动电路 -13-

3.3.1D/A转换电路的选择 -14-

3.3.2主轴电机变频调速系统的设计 -15-

3.3.3主轴电机控制电路 -21-

3.4半闭环进给系统的设计 -23-

3.4.1位置控制单元的设计 -23-

3.5键盘显示电路的设计 -28-

3.5.18155接口芯片简介 -28-

3.5.28155与8031的接口。

-29-

3.5.3键盘/显示接口电路的设计 -30-

3.6电源模块的设计 -32-

3.6.1+12V、-12V、+5V电源的设计 -32-

3.6.2+80V电源的设计 -33-

3.7系统的改进 -34-

第4章系统软件的设计 -35-

4.1主程序流程图 -35-

4.2键盘子程序流程图 -36-

4.3显示子程序流程图 -36-

4.4中断子程序流程图 -38-

4.5PID控制算法子程序 -38-

4.6转速检测子程序流程图 -40-

小结 -41-

致谢 -42-

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；

（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：

1500HZ工工作方式：

3相单3拍

（2）分辨率<10um

（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，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

3.1.1CPU（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