【正文】 甘 肅 廣 播 電 視 大 學 課 程 設(shè) 計 2020級 春 季 機械設(shè)計制造及其自動化 專業(yè) 本 科 課程設(shè)計題目 :基于單片機控制的簡易數(shù)控裝置 甘肅電大開放教育 _2020_級（春、秋） 機械制造 專業(yè)（本科） 課程設(shè)計成績評定表 姓名 專業(yè) 課程名稱 設(shè)計時間 王旭同 機械制造 機電控制與可編程序控 制器技術(shù) 2020 年 10 月 設(shè)計題目 基于單片機控制的簡易數(shù)控裝置 指導教師評語及 評分 簽 字（蓋章） 年 月 日 設(shè)計小組 評價意見 及評分 簽 字（蓋章） 年 月 日 分校集中實踐環(huán)節(jié)指導小組意見 簽 字（蓋章） 年 月 日 省電大集中實踐環(huán)節(jié)指導委員會審核意見 簽 字（蓋章） 年 月 日 說明： ，小組成員均應(yīng)簽名（蓋章）。答辯小組不應(yīng)少于 3 人。 后。 、工作站自行復制。 1 目 錄 第 1 章 緒 論 ...............................................4 設(shè)計背景 .............................................4 工作要求 .............................................5 設(shè)計的目的及意義 .....................................5 第 2 章 系統(tǒng)總體方案的確定 ....................................2 主要技術(shù)要求 .........................................2 系統(tǒng)方案 .............................................2 任務(wù)分析 .......................................2 系統(tǒng)總體框圖 ....................................3 第 3 章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 ....................................5 CPU（單片機）與總線部分的選擇 .........................5 CPU（ 單片機）的概述 .............................5 總線 ...........................................9 單片機存儲器的擴展電路 ...............................11 單片機外部存儲器的擴展芯片 ......................11 單片機外部存儲器的擴展 .........................15 主軸電機的驅(qū)動電路 ...................................18 1 D/A 轉(zhuǎn)換電路的選擇 .............................18 主軸 電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 ......................21 主軸電機控制電路 ...............................28 半閉環(huán)進給系統(tǒng)的設(shè)計 .................................30 位置控制單 元的設(shè)計 .............................30 位置檢測單元的設(shè)計 .............................35 鍵盤顯示電路的設(shè)計 ...................................37 8155 接口芯片簡介 ..............................37 8155 與 8031 的接口。 ............................39 鍵盤 /顯示接口電路的設(shè)計 ........................40 電源模塊的設(shè)計 ......................................42 +12V、 12V、 +5V 電源的設(shè)計 ......................43 +80V 電源的設(shè)計 ................................44 系統(tǒng)的改進 ..........................................45 第 4 章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 ......................................46 主程序流程圖 ........................................46 鍵盤子程序流程圖 ....................................47 顯示子程序流程圖 ....................................47 1 中斷子程序流程圖 ....................................50 PID 控制算法子程序 ...................................51 轉(zhuǎn)速檢測子程序流程圖 .................................52 小結(jié) ......................................................53 致 謝 ....................................................54 參考 文獻 ..................................................55 1 [內(nèi)容提要 ]隨著科學技術(shù)的發(fā)展，由于 普通機床效率差、性能落后， 世界各工業(yè)發(fā)達國家通過發(fā)展數(shù)控技術(shù)、建立數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)，促使機械加工業(yè)跨入一個新的“現(xiàn)代化”的歷史發(fā)展階段，從而給國民經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)帶來了巨大的變化。 目前的單片機數(shù)控裝置，大多采用 MCS51 系列單片機。本系統(tǒng)是一個典型的經(jīng)濟型數(shù)控裝置。系統(tǒng) 采用 8031 單片機、高低壓驅(qū)動大功率電力電子器件 ,光電傳感器構(gòu)成半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)， 實現(xiàn)數(shù)控機床的位置控制。使用變頻調(diào)速系統(tǒng)控制主軸電機的運行。 本系統(tǒng)具有巡檢速度快、精確、方便、可靠性能高、抗干擾能力強等諸多優(yōu)點，在工商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用地越來越多。 [關(guān)鍵詞 ] 單片機 ，數(shù)控機床，變頻器， 步進電機 ，鍵盤 /顯示 第 1 章 緒 論 設(shè)計背景 數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。這個基礎(chǔ)是否牢固直接影響到一個國家的經(jīng)濟發(fā)展和綜合國力，關(guān)系到一個國家的戰(zhàn)略地位。因此，世界上各工業(yè)發(fā)達國家均采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)。 我國是一個機床大國， 數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)過 40 多年的發(fā)展 ，從無到有，從引進消化到擁有自己獨立的自主版權(quán)，取得了相當大的進步。 有四百多萬臺普通機床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)。 經(jīng)濟型數(shù)控車床的特點是價格低廉、編程簡單、操作方便，具有數(shù)控機床的基本功能。經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)主要用于舊機床的改造和機械設(shè)備升級換代。 1 工作要求 采用 8031 單片機、高低壓驅(qū)動大功率電力電子器件等設(shè)計簡易數(shù)控裝置，以驅(qū)動步進電動機構(gòu)成半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)控機床的位置控制。 （ 1）步進電機停 /起、加 /減速控制； （ 2）硬件電路設(shè)計； （ 3）驅(qū)動電源設(shè)計； （ 4）軟件流程 設(shè)計； 設(shè)計的目的及意義 數(shù)控技術(shù)綜合運用了微電子、計算機、自動控制、精密檢測、機械設(shè)計與制造等技術(shù)的最新成果，具有動作順序的程序自動控制，位移和相對位置坐標的自動控制，速度、轉(zhuǎn)速及各種輔助功能的自動控制等功能。 由單片機控制、步進電動機驅(qū)動的經(jīng)濟型半閉環(huán)數(shù)控裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、成本低、維修方便，能迅速加減速和全數(shù)字化等優(yōu)點，因此，可廣泛用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟型數(shù)控機床和舊設(shè)備的改造中。 2 第 2 章 系統(tǒng)總體方案的確定 主要技術(shù)要求 （ 1）步進電動機： 75BF001 相數(shù)： 3 部距角： 176。 / 3176。 相電流： 3A 空 載 轉(zhuǎn) 矩 ： 1750HZ 運行頻率： 1500HZ 工作方式： 3 相單 3 拍 （ 2）分辨率 10 um （ 3）進給速度 10m/min 系統(tǒng)方案 任務(wù)分析 系統(tǒng)要求是由單片機控制、步進電動機驅(qū)動的經(jīng)濟型開環(huán)數(shù)控裝置，為了使系統(tǒng)得到更高的精度，我們給系統(tǒng)加了一個位置檢測裝置，其主要作用是為了檢測位移量，并發(fā)出反饋信號與數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號相比較，若有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件，使其向著消除偏差的方向運 動，直至偏差等于零為止。只要提高檢測元件和檢測系統(tǒng)的精度，數(shù)控裝置的加工精度將會大大提高。 該系統(tǒng)是基于單片機的 應(yīng)用系統(tǒng) ，而 單片機應(yīng)用系統(tǒng)是以單片機為核心，配以一定的外圍電路和軟件，能實現(xiàn)某種或幾種功能的應(yīng)用系統(tǒng)。 3 它一般由硬件和軟件組成。硬件是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件則是在硬件的基礎(chǔ)上對其合理的調(diào)配和使用，從而完成應(yīng)用系統(tǒng)所要完成的任務(wù)。 系統(tǒng)總體框圖 由上述分析可知，系統(tǒng)需要由 CPU（單片機）、存儲器擴展電路、主軸電機的驅(qū)動電路，半閉環(huán)進給系統(tǒng)的控制、鍵盤顯示電路，以及電路的供電的電源等六部分 組成。其總體框圖如圖 所示。 圖 系統(tǒng)總體框圖 由上圖可以看出，系統(tǒng)是通過鍵盤輸入給定的 X 軸 Y 軸的坐標，通過單片機內(nèi)部處理，使單片機輸出的脈沖經(jīng)過光電隔離開關(guān)送入步進電機的驅(qū)動電路，到達步進電機的繞組，然后再通過速度檢測元件，將步進電機的速度轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖量的變化，再通過整形放大送給單片機進行記 4 數(shù)。通過單片機內(nèi)部比較，進行調(diào)整，形成一個閉環(huán)控制電路。而對于主軸電機，在這里我們將 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號進行調(diào)理以后作為變頻器的控制信號，當 D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出 改變時，其對應(yīng)的變頻器的電壓控制信號也跟著改變，從而使變頻器的輸出頻率改變，達到變頻調(diào)速的目的 ,使系統(tǒng)實現(xiàn)設(shè)計的要求。速度檢測器件采用光電碼盤，因其輸出為脈沖信號，可以通過計數(shù)器直接進入單片機，這樣就省去了不少中間環(huán)節(jié)，大大降低了成本。輸出的數(shù)字信號送入單片機的記數(shù)口進行記數(shù)，然后通過軟件編程實現(xiàn)對步進電機位置的顯示與控制。 5 第 3 章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 對于系統(tǒng)單元電路的設(shè)計，系統(tǒng)主要采用模塊化的設(shè)計思想，因為模塊化的設(shè)計思想有利于系統(tǒng)的維修控制。對于本次所設(shè)計的系統(tǒng)，可將其分成六部分。 CPU（單片機）與 總線、存儲器擴展電路、主軸電機的驅(qū)動電路、 半閉環(huán)進給系統(tǒng)的控制電路 、鍵盤顯示電路，以及電路供電電源等六部分組成。 CPU（單片機）與總線部分的選擇 CPU（ 單片機）的概述 CPU 是 CNC 裝置的核心，具有執(zhí)行計算和控制能力。 CPU 主要由控制單元、算術(shù)邏輯單元和一些暫寄存器組成。 CPU 在 CNC 裝置工作時，其控制單元從存儲器中依取去處組成程序的指令，進行譯碼后，向 CNC 裝置的各部分按順序發(fā)出執(zhí)行操作的控制信號，同時接受執(zhí)行部件發(fā)出的反饋信號，與程序中的指令信號比較后，決定下一步的應(yīng)執(zhí)行的 操作。在運算過程中，算術(shù)邏輯單元不斷從存儲器中提取數(shù)據(jù)，并將運算結(jié)果送回存儲器中保存。通過對運算結(jié)果的分析判斷，設(shè)置狀態(tài)寄存器的相應(yīng)狀態(tài)。 CPU 與存儲器，輸入 /輸出接口等通過總線有機的結(jié)合在一起構(gòu)成 CNC裝置。 在系統(tǒng)設(shè)計中我們選用的是 Intel公司生產(chǎn)的 MCS51系列高檔 8位 6 的 8031 單片機。它具有很高的性能，許多功能都超過了 8080CPU 和Z80CPU，成為當代工業(yè)測控類應(yīng)用系統(tǒng)的優(yōu)選單片機。下面對 8031 做以敘述。 （ 1） 8031 內(nèi)部資源簡介 一個完整的計算機應(yīng)該是由運算器、控制器、存儲器和 I/O 接口組成。一般由微處理器只包含云酸器可控制器兩部分。和一般微處理器相比較， 8031 增加了四個 8位 I/O 口、一個串行口、 128B 的 RAM、很多工作寄存器及特殊功能寄存器（ SFR）。各部分組成。其中， 2個 16 位定時記數(shù)器， 5 個中斷源的中斷控制系統(tǒng)、一個全雙工的串行 I/O 接口、以及片內(nèi)時鐘振蕩器，以上各部分均通過片內(nèi)數(shù)據(jù)總線連接。 （ 2） 8031 芯片的引腳