数控机床单片机控制系统设计.doc
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简易数控机床控制系统设计
学号：
0601302009专业：
机械电子工程姓名：
浦汉军2007，9，10南宁
任务：
设计以单片机为控制核心的简易数控机床的数字程序控制器。
要求
1、能用键盘控制工作台沿+X、-X、+Y、-Y向运动，以校正工作台位置。
2、可用于加工直线和圆弧。
3、在运行过程中可人工干预而紧急停车。
4、能实现越界报警。
5、可与PC机通讯。
总体方案设计
一、数控系统硬件电路设计
信号
驱动脉冲
驱动
信号
单片机8031
光电偶合器
功率放大器
X相步进电动机
Y相步进电动机
键盘输入
LED显示
选用MCS-51系列的8031CPU作为数控系统的中央处理机。
外接一片EPROM用于存放控制程序、固定批量生产的工件加工程序和数据，再选用一片8kb的6264RAM作为存放试制工件或小批量生产的工件加工程序和数据。
由于系统扩展，为使编程地址统一，采用74LS138译码器完成译码法对扩展芯片进行寻址的功能。
还要考虑机床与单片机之间的光电隔离、功率放大电路。
其设计框图如下图所示：
图1.1总体设计框图
工作原理：
单片机系统是机床数控系统的核心，通过键盘输入命令，数控装置送来的一系列连续脉冲通过环形分配器、光电耦合器和功率放大器，按一定的顺序分配给步进电动机各相绕组，使各相绕组按照预先规定的控制方式通电或断电，这样控制步进电动机带动工作台按照指令运动。
1．各单元电路设计
1．1存储器的扩展
选择晶体振荡器的工作频率f为12MHz。
主控器CPU选用8031，根据容量估算，选用一片2764作为程序存储器，一片6264作为数据存储器。
同时，还采用一片74LS373作为地址锁存器。
1．2程序存储器2764
EPROM是用紫外线可擦除的半导体只读存储器，2764芯片引脚的介绍如下。
P0~P7：
数据线，输出。
编程时代码输入。
A0~A7：
地址线，输入。
：
片选信号，低电平有效，输入
：
读信号，低电平有效，输入
：
编程脉冲输入端，输入
Vpp：
编程电压（典型值为12.5V）
Vcc：
电源（+5V）
GND：
接地（0V）
输出允
许编程
逻辑
译
码
输出缓冲
256256存储矩阵
A12
A11
```
A0
D0```D7
图1.22764引脚图
1．3数据存储器6264
1）6264为24脚双列直插式器件，其引脚图和逻辑符号图如图1.3所示。
A0～A12：
地址输入线。
D0～D7：
双向三态数据线。
：
片选信号输入线，低电平有效。
CE2：
片选信号输入线，高电平有效，可用于掉电保护。
：
读选通信号输入线，低电平有效。
：
写允许信号输入线，低电平有效。
：
工作电源电压（+5V）。
GND：
电源地。
A12Vcc
`
`CE2
A0
D0
`
`
`GND
D7
图1.36264引脚图和逻辑符号图
2）6264芯片操作方式选择如表1.1所示。
如表1.1
方式
功能
0
0
1
写
D0~D7上内容写入A0~A10对应单元
0
1
0
读
A0~A10对应单元内容输出到D0~D7
0
X
X
非选
D0~D7呈高阻
1．4键盘显示电路
根据系统要求，通过键盘输入命令来实现对机床工作台的运行控制。
一共需要五个键，四个分别控制工作台向+X、-X、+Y、-Y方向运行，另一个作启动键；通过LED数码管显示工作台的运行位置，行程范围为10米，精确到0.01米，所以用了4个LED数码管采用动态显示。
采用键盘显示器接口8279来实现键盘显示功能。
它主要由以下几部分组成。
1）I/0控制和数据缓冲器；
2）控制和定时寄存器及定时控制部分；
3）扫描计数器；
4）回送缓冲器与键盘去抖控制电路；
5）FIFO（先进先出）寄存器和状态电路；
6）显示器地址寄存器及显示RAM。
下面对引脚名称作简要说明。
DB0～DB7:
双向数据总线，用来传送8279与CPU之间的数据和命令。
CLK:
时钟输入线，用以产生内部定时的时钟脉冲。
RESET:
复位输入线，8279复位后被置为字符显示左端输入，二键闭锁的触点回弹型式，程序时钟前置分频器被置为31,RESET信号为高电平有效。
：
片选输入线，低电平有效，单片机在为低时可以对8279进行读/写操作。
A0:
缓冲器低位地址，当A0为高电平时，表示数据总线上为命令或状态， 当为低
图1.6键盘、LED数码管显示器电路
电平时，表示数据总线上为命令或状态，当为低电平时，表示数据总线上为数据。
:
读信号输入线，低电平有效，将缓冲器读出，数据送往外部总线。
:
写信号输入线，低电平有效，将缓冲器读出,将数据从外部数据总线写入8279的缓冲器。
SL0~SL3：
扫描线
RL0~RL7：
回送线[17]
工作过程：
每当按下一个键，8279会自动识别键号，产生相应的键编码自动送入先进先出寄存器FIFO中，同时产生中断请求信号IRQ，向CPU请求中断。
当CPU响应中断，执行中断服务程序，并从FIFO中读取编码数据之后，则IRQ信号自动撤消。
如果上一个键的编码数据尚未取走，下一个键盘又被按下，则新的键码进入FIFO中。
由于FOIO中由8个存储单元组成，故最多可依次暂存8个键码。
只
有在读完所有数据时，IRQ信号才会撤消。
在中断程序中，CPU是用片外取数指令（MOVX指令）从FIFO中读取数据。
1．5反应式步进电动机的选择
根据所获得的信息和实际要求，选用步进电机为75BF001型三相六拍反应式步进电机，其工作电压为+24V，相电流为3A，步距角为1.5度。
3.2.5.1环行脉冲分配器
由于本设计选择三相步进电动机75FB001，相对应选择可以控制三相步进电动机的5G8713集成电路芯片。
表1.28713引脚功能
引脚
功能
说明
1
正转脉冲输入端
1、2脚为双时钟输入端
2
反转脉冲输入端
3
脉冲输入端
3、4脚为单时钟输入端
4
转向控制端。
0为反转；1为正转
5
6
工作方式选择：
00为双三拍；
01、10为单三（四）拍；11为六（八）拍
7
三/四相选择。
0为三相；1为四相
8
地
9
复位端，低电平有效
10
11
12
13
输出端。
四相用13、12、11、10脚，
分别代表A、B、C、D；
三相用13、12、11角，
分别代表A、B、C
14
工作方式监视。
0为单三（四）拍；
1为双三（四）拍；脉冲为六（八）拍
15
输入脉冲状态监控，与时钟同步
16
电源
P1.03 13A相驱动
P1.14
5V 12B相驱动
8051系列 8713
5 11C相驱动
单片机 6
7
1.7脉冲分配器与单片机接口
1．6保护电路
采用光电耦合器接口把控制计算机和外部驱动电路完全隔离开来。
具体的光电耦合器如图1.8。
驱动电路
本设计采用的驱动电源是功率开关集成电路TWH8715/2。
这是一个集放大、比较、选通、整形和功率开关于一体的高速功率开关集成电路。
其真值表分别见图1.9及表3.7。
1）TWH8715/2引脚功能[18]
1——控制端（高电平有效，TTL电平，下同）
2——输入端（选通端低电平有效）
3——V-（单电源使用时，接地）
4——输出端
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