单片机CNC装置设计数控课程设计说明书.docx
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单片机CNC装置设计数控课程设计说明书
数控课程设计说明书
题目：
单片机CNC装置设计
专业班级：
机械设计制造及其自动化班
学号：
姓名：
指导老师：
日期：
2012年6月28号
[abstract]:
Asthedevelopmentoftechnologicalprogrmachinetoolindustry,CNCmachinetoolsasamainstreamproductoftheessandthemachinetoolindustry,hasbecomethekeyequipmentforthemodernizationoftheequipmentmanufacturingindustry.This
Paperismainlyaboutdesigningasingle-chipdesignCNCequipment.CNCisabletoachievethebasicfunctionsofpositioncontrol,andsignalprocessingfunctionsfortherealizationoftherequirementsanalysissystemshouldbeextendedacertaincapacityofRAM,EPROM,toachievethree-axisfeedmotion,aspindlecontrol,anumberofsecondaryaction,acertainamountofinformationinput、output
andbuttons.
[Keyword]:
CNCRAMROM
【摘要】：
随着科技进步和机床工业的发展，数控机床作为机床工业的主流产品，已成为实现装备制造业现代化的关键装备。
本文主要为设计一个单片机CNC装置。
能实现CNC的基本功能、位置控制、及信号处理功能，为实现要求，分析系统应扩展一定容量的RAM、EPROM、实现三轴的进给运动、一个主轴控制，一定数量的辅助动作、一定数量的信息输入、一定量的按键及显示器。
【关键字】：
CNC程序存储器数据存储器
绪论
一、CNC装置：
（1）CNC装置的概念：
计算机数控装置是数控机床的核心。
它是借助于微机结合必要的硬件构成的装置。
这种数控装置替代了早期的纯硬件式数控装置。
以前，我们称数控装置为MNC，现在我们统称为CNC，即ComputerNumericallyControlledsystem.
（2）CNC系统的组成：
1）微处理器CPU，它是CNC装置的核心，在CNC装置中常用的有8位、16位、32位的微处理器。
对于中、低档的数控系统一般采用8位或16位微处理器（如M6800，Z80，MCS-51等芯片）；对于高档的数控系统一般采用32位微处理器，如Intel80386等微处理器。
2）存储器，存储器分为固化存储器（ROM）和随机存储器（RAM）。
ROM主要用来存储数控系统的控制软件，RAM用来存储用户的零件加工程序和数据。
输入/输出设备接口，这部分主要指与键盘、显示器等人机对话设备的接口电路，以及数据通信接口电路。
3）开关量输入/输出接口。
4）位置控制装置，实现对驱动装置进行控制的电路。
二、设计任务要求及题目分析：
（1）设计任务要求：
设计一个单片机CNC装置，要求扩展8KRAM，32KEPROM，8位LED动态显示，30个按键的键盘，能输入8个开关量信号和输出8个开关量控制信号，X，Y，Z三轴进给系统用伺服脉冲全闭环驱动，主轴采用直流伺服电机。
单片机采用INTEL8031CPU,及必要的其它外围芯片如（74LS138,8255…）
（2）题目分析：
1）扩展8KRAM，32KEPROM：
分析题目，要扩展8KRAM，32KEPROM，则需要内存为8K的程序存储器2764共4片，需要内存为2K的数据存储器6264共4片，共需要4个片选端。
2）8个LED动态显示以及30个按键键盘：
要有8个LED动态显示以及16个按键键盘，可将LED显示与键盘按键接在同一芯片8255上，8255共PA口8个、PB口8个、PC口8个，端口数量足够。
3）输入8个开关量信号和输出8个开关量控制信号：
输入8个开关量信号功能可由74LS244芯片实现，而输出8个开关量控制信号可由74LS245实现。
4）X,Y,Z三轴进给系统：
由伺服脉冲全闭环驱动的三轴进给系统需要9个I/O端口，所以用一片8255即可实现。
5）选择地址锁存器：
选择74LS373作为地址锁存器。
6）选择译码器：
分析题目可知需要进行片选的芯片一共8片，一片74LS138有8个片选端足够使用。
三、原理图绘制：
（1）选择芯片及其他元器件：
1、选择芯片：
根据如上分析可选择芯片如下：
1片8031CPU
1片地址锁存器74LS373
1片译码器74LS138
4片程序存储器2764
4片数据存储器6216
2片8255
1片74LS245
1片74LS244
2、选择其他元器件：
其它器件有电阻RES2、电容CAP、晶体振荡器CRYSTAL、逻辑门芯片（与非74LS00、或非74LS02、非门74LS04），8位7段显示器DPY_7-SEG_DP，键盘SW-PB等等。
（2）全地址译码：
对于RAM和I/O容量较大的系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，常采用全地址译码方法。
它将低地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的地址选线用作片选线。
74LS138译码器的输入端点用3根最高位地址线，剩余的13根低位地址线可作为片内地址选线。
因此，译码器的8根输出，Y0~Y7即可选中8片芯片，但是由于题目要求超过8片芯片，必须对74LS138进行扩展，如上分析可知再用一片74LS138扩展成共15个片选端口的译码，该种方式的逻辑功能表如表1所示
表174LS138
（1）逻辑功能
CBA
100
000
11111110
100
001
11111101
100
010
11111011
100
011
11110111
100
100
11101111
100
101
11011111
100
110
10111111
100
111
01111111
其他状态
XXX
11111111
其中当Y7为低电平时，第二片74LS138即74LS138
（2）接通，然后由A0、A1、A2使74LS138
（2）的Y0、Y1进行控制，从而对开关量输入输出芯片74LS244以及74LS245进行选通。
表2全地址译码
片选端
元器件
地址选择线
片内地址单元
地址编码
Y0
2764
（1）
000XXXXXXXXXXXXX
8K
0000H-1FFFH
Y0
6216
（1）
00011XXXXXXXXXXX
2K
1800H-1FFFH
Y1
2764
（2）
001XXXXXXXXXXXXX
8K
2000H-3FFFH
Y1
6216
（2）
00111XXXXXXXXXXX
2K
3800H-3FFFH
Y2
2764
（1）
010XXXXXXXXXXXXX
8K
4000H-5FFFH
Y2
6216（3）
01011XXXXXXXXXXX
2K
5800H-5FFFH
Y3
2764（4）
011XXXXXXXXXXXXX
8K
6000H-7FFFH
Y3
6216（4）
01111XXXXXXXXXXX
2K
7800H-7FFFH
Y4
8255
（1）
10011111111111XX
4
9FFCH-9FFFH
Y5
0809
1011111111111XXX
8
BFF8H-BFFFH
Y6
8255
（2）
11011111111111XX
4
DFF8H-DFFFH
138
（2）Y0
74LS245
1111111111111000
1
FFF8H
138
（2）Y1
74LS244
1111111111111001
1
FFF9H
（3）原理图绘制步骤：
绘制步骤如下所示
1、设置电路图纸参数及相关信息：
用户根据电路图的复杂程度设置所用图纸的格式、尺寸、方向等参数以及与设计有关的信息，为以后的设计工作建立一个合适的工作平面，经试验，选用A2图纸较为合适。
2、装入所需要的元件库：
将包含有用户所需元件库装入设计系统中，以便用户从中查找和选定所需的元器件。
要添加的元件库是
MiscellaneousDevices.ddb
DallasMicroprocessor.DDB
IntelDatabook.ddb
ProtelDOSSchematicLibraries.ddb
3、放置元件：
将用户选定的元件放置到已建立好的工作平面上，并对元件平面上的位置进行调整，对元件的序号、封装形式、显示状态等进行定义和设置。
以便为下一步的布线工作打好基础。
在此次CNC系统设计中，主要包含元件已在上述中列出，初步布局为
CPU出来是数据锁存器和译码器，其中数据锁存器74LS373位于上方，译码器74LS138位于数据锁存器下方。
而从74LS373出来横向排列数据存储器6216与2764一共8片，它们间隔配对。
然后再上述元件上方放置8个开关量输入、8个开关量控制输出、ADC0809以及控制电机的8255
（2）。
最上方是最为复杂的LED显示器以及键盘按键，它们由8255
（1）实现。
最后是扩展出来的74LS138
（2），它可以放置于74LS138
（1）的下方。
在放置元件时，要注意
1）要将所有元件放置于图纸内
2）结构紧凑
3）要给布线工作留工作位置
4、电路图布线：
该过程实际上是利用Protel99所提供的各种工具、命令进行画图工作，将事先放置好的元器件用具有电气意义的导线、网络标号等连接起来，使各元件之间具有用户所设计的电气连接关系。
布线结束后，一张完整的电路原理图才算是基本完成。
在此次工作中，分布进行线的布置：
1）首先是将地址总线AB数据总线DB连接好，然后将元件与总线用电气导线连接。
2）一些距离较远的线，控制线，可用网络标号连接，例如片选端Y0-Y7，RD、WR、PSEN、ALE以及8255的地址线A0、A1、A2等等。
3）在布线完成后，要对各个元件进行命名，以便后续生成网络表。
注意命名不能重复。
要注意的是以下几点：
1）每个与总线相连的电气导线都需要用打上网络标号，以保证连接。
2）注意晶振电路、复位电路、门电路的连接，其中若CPU连接了复位电路，则8255上可不连复位电路。
5、调整、检查和修改：
在该过程中，利用Protel99所提供的各种工具对前面所绘制的原理图做进一步的调整和修改，以保证原理图的正确和美观。
6、补充完善：
该过程主要是对原理图做一些相应的说明、标注和修饰，以增加可读性和可视性。
7、生成网络表：
网络表是原理图与印制电路板之间的一座桥梁，是印制电路板自动布线的灵魂。
它可以在原理图编辑器中直接由原理图文件生成。
利用原理图生成网络表，一方面可以用来进行印制电路板的自动布线及电路模拟，令一方面也可以用来与最后布好线的印制电路板中导出的网络标进行比较、校对。
生成网络表后要对网络表进行重新排版以便打印。
8.保存和打印输出：
这部分工作主要是对设计完成的原理图进行保存、包括存盘、打印输出等，以供在以后的工作中使用。
（4）关键部分的绘制：
1、LED显示器及按键部分绘制：
将LED显示器编辑一个阴极管脚，每个LED显示器分别与每列开关共阴极，接到8255芯片的8个PA端口。
而所有的LED显示器的8个片选线并联在一起接到PB口，开关的另一端并联接到PC口。
具体接线方式如下图所示。
2、X、Y、Z三轴电机接线方式：
采用一片8255
（2），由于每个电机需要3个脉冲，及共需要9个端口所以使用8255
（2）的6个PA口以及3个PB口，在8255
（2）与电机之间还需要功率放大电路，由于是三项有反馈步进电机，因此还需要加入脉冲编码器。
具体接线如下图所示。
3、8个开关量输入、8个开关量输出：
在此次CNC系统设计中，8个开关量输入用74LS244实现，8个开关量输出用74LS245实现。
（5）总体原理图：
在明确了元件布局，布线，各个关键部分原理图绘制后，按照上述原理图绘制步骤画出总体原理图，如下图所示。
（6）生成网络表:
[][A1CAP]
[A2CAP][A3RES2]
[A4RES2][A574LS245]
[A674LS244][A88255]
[A10][A11]
[A12]
[A13][A14]
[A15][A16]
[A17][C1CRYSTAL]
[DS1][DS2]
[DS3][DS4]
[DS5][DS6]
[DS7DPY_7-SEG_DP][DS8DPY_7-SEG_DP]
[M1RES2][M2RES2]
[M3RES2][M4RES2]
[S0SWSPST][S1SW-PB]
[S2SW-PB][S3SW-PB]
[S4SW-PB][S5SW-PB]
[S6SW-PB][S7SW-PB]
[S8SW-PB][S9SW-PB]
[S10SW-PB][S11SW-PB]
[S12SW-PB][S13SW-PB]
[S14SW-PB][S15SW-PB]
[S16SW-PB][S17SW-PB]
[S18SW-PB][S19SW-PB]
[S20SW-PB][S21SW-PB]
[S22SW-PB][S23SW-PB]
[S24SW-PB][S25SW-PB]
[S26SW-PB][S27SW-PB]
[S28SW-PB][S29SW-PB]
[S30SW-PB][U08031]
U1DIP-2074LS373][U2DIP-1674LS138]
[U3DIP-1674LS138][U4DIP-282764]
[U5DIP-246116][U6DIP-282764]
[U7DIP-246116][U8DIP-282764]
[U9DIP-246116][U10DIP-282764]
[U11DIP-246116][U12DIP-408255A]
[U13NOT][U14DIP-28NOT]
[U15DIP-28NOT][U16DIP-28NOR]
[U17DIP-28NOR]
（+5VA7-12A10-1A11-1A12-1A13-1A14-1A15-1A16-1A17-1M1-2M2-2U2-6U4-1U6-1U8-1U10-1）
（A0A8-9U1-2U4-10U5-8U6-10U7-8U8-10U9-8U10-10U11-8U12-9）
（A1A8-8U1-5U4-9U5-7U6-9U7-7U8-9U9-7U10-9U11-7U12-8）
（A2U1-6U4-8U5-6U6-8U7-6U8-8U9-6U10-8U11-6）
（A3U1-9U4-7U5-5U6-7U7-5U8-7U9-5U10-7U11-5）
（A4U1-12U4-6U5-4U6-6U7-4U8-6U9-4U10-6U11-4）
（A5U1-15U4-5U5-3U6-5U7-3U8-5U9-3U10-5U11-3）
（A6U1-16U4-4U5-2U6-4U7-2U8-4U9-2U10-4U11-2）
（A7U1-19U4-3U5-1U6-3U7-1U8-3U9-1U10-3U11-1）
（A8U0-21U4-25U6-25U7-23U8-25U9-23U10-25U11-23）
（A9U0-22U4-24U6-24U7-22U8-24U9-22U10-24U11-22）
（A10U0-23U4-21U6-21U7-19U8-21U9-19U10-21U11-19）
（A11U0-24U4-23U6-23U8-23U10-23）
（A12U0-25U4-2U6-2U8-2U10-2）
（A13U0-26U2-1）（A14U0-27U2-2）
（A15U0-28U2-3）（ALEU0-30U1-11）
（D0A5-18A6-18A7-21A8-34U0-39U1-3U4-11U5-9U6-11U7-9U8-11U9-9U10-11U11-9U12-34）
（D1A5-17A6-16A7-20A8-33U0-38U1-4U4-12U5-10U6-12U7-10U8-12U9-10U10-12U11-10U12-33）
（D2A5-16A6-14A7-19A8-32U0-37U1-7U4-13U5-11U6-13U7-11U8-13U9-11U10-13U11-11U12-32）
（D3A5-15A6-12A7-18A8-31U0-36U1-8U4-15U5-13U6-15U7-13U8-15U9-13U10-15U11-13U12-31）
（D4A5-14A6-9A7-8A8-30U0-35U1-13U4-16U5-14U6-16U7-14U8-16U9-14U10-16U11-14U12-30）
（D7A5-11A5-12A6-3A6-5A6-7A7-14A7-15A7-17A8-27A8-28A8-29U0-32U0-33U0-34U1-14U1-17U1-18U4-17U4-18U4-19U5-15U5-16U5-17U6-17U6-18U6-19U7-15U7-16U7-17U8-17U8-18U8-19U9-15U9-16U9-17U10-17U10-18U10-19U11-15U11-16U11-17U12-27U12-28U12-29）
（E\A\U0-31）
（GNDA5-10A6-10A7-13A8-7U0-20U1-10U2-8U3-4U3-8U4-14U4-27U5-12U6-14U7-12U8-14U9-12U10-14U11-12U12-7）
（I\N\T\0\U0-12）（NetA1_1A1-1C1-2U0-19）
（NetA2_1A2-1C1-1U0-18）（NetA5_2A5-2A5-3A5-4
A5-5A5-6A5-7A5-8A5-9）
（NetA6_2A6-2A6-2A6-4A6-6A6-8A6-11A6-13A6-15A6-17）
（NetA7_6A7-6U15-2）（NetA7_9A7-9U14-2）
（NetA7_22A7-22U15-1U17-3）（NetA21_3A5-19A21-3）
（NetS0_1-1S0-1）（NetS0_2A3-1S0-2）（NetU2_4U2-4U2-5）
（NetU12_1A13-2DS1-4DS2-4DS3-4DS4-4DS5-4DS6-4DS7-4DS8-4S4-1S12-1U12-1U12-21）
（NetU12_2DS3-9S3-1S11-1U12-2）
（NetU12_3S2-1S10-1U12-3）（NetU12_4S1-1S9-1U12-4）
（NetU12_14M1-1S1-2S2-2S3-2S4-2S5-2S6-2S7-2S8-2U12-14）
（NetU12_15M2-1S9-2S10-2S11-2S12-2S13-2S14-2S15-2S16-2U12-15）
（NetU12_16M3-1S17-2S18-2S19-2S20-2S21-2S22-2S23-2U12-16）
（NetU12_18A10-2DS1-1DS2-1DS3-1DS4-1DS5-1DS6-1DS7-1DS8-1U12-18）
（NetU12_19A11-2DS1-2DS2-2DS3-2DS4-2DS5-2DS6-2DS7-2DS8-2U12-19）
（NetU12_20A12-2DS1-3DS2-3DS3-3DS4-3DS5-3DS6-3DS7-3DS8-3U12-20）
（NetU12_22A14-2DS1-5DS2-5DS3-5DS4-5DS5-5DS6-5DS7-5DS8-5U12-22）
（NetU12_23A15-2
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