机电控制及可编程序控制器技术课程设计.docx

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机电控制及可编程序控制器技术课程设计

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:

*********、*********、*********

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

**********

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：

061190052

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。

[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“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，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3.18031芯片的引脚

（3）单片机8031的引脚功能

①四个并行I/O口

P0.7～P0.0：

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。

P1.7～P1.0：

P1口作通用I/O口使用,用于传送用户的输入/输出数据。

P2.7～P2.0：

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。

P3.7～P3.0：

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3-1P3口各位的第二功能

P3口的位

第二功能

注释

P3.0

P3.1

P3.2

P3.3

P3.4

P3.5

P3.6

P3.7

RXD

TXD

T0

T1

串行数据接收口

串行数据发送口

外中断0输入

外中断1输入

计数器0计数输入

计数器1计数输入

外部RAM写选通信号（输出）

外部RAM读选通信号（输出）

②控制引脚

ALE/

：

地址所存允许信号/编程脉冲输入端；

/VPP：

允许访问片外存储器/编程电源输入端；

：

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；

③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。

④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1.2MHz～24MHz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20pF～100pF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=1μF；R1=1kΩ；R2=51kΩ。

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3.38031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