【正文】 臺(tái)完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，鍵盤(pán)與顯示電路，I/O接口電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等。 伺服電動(dòng)機(jī)的選用，定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，空載最快移動(dòng)速度也只有因此3000mm/min，故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，因此可以選用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)[1]?？刂葡到y(tǒng)可選用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，也可設(shè)計(jì)專(zhuān)用的微機(jī)控制系統(tǒng)。關(guān)鍵字：步進(jìn)電機(jī) XY工作臺(tái) 單片機(jī) 微控制器Design of XY NC Worktable Based on Microcontroller ——Overall DesignABSTRACTThe NC XY table system design is based on the microputer, first, calculation and chooses the transmission parts according to the design task, second, the calculation of step motor selection。珠海`二○一O年五月畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠(chéng)信承諾書(shū)本人承諾呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）《 基于單片機(jī)控制的數(shù)控XY工作臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)—總體設(shè)計(jì)》是在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立開(kāi)展研究取得的成果，文中引用他人的觀(guān)點(diǎn)和材料，均在文后按順序列出其參考文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)（論文）使用的數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。所以能夠設(shè)計(jì)出功能全面、效率高、耐壓性強(qiáng)，加工精度高的機(jī)械加工設(shè)備是制造業(yè)中最重要的課題之一，我們此次研究的課題—XY數(shù)控工作臺(tái)屬于高精密加工的核心部件，它的傳動(dòng)部件的定位精度直接影響系統(tǒng)的加工精度。 研究的技術(shù)路線(xiàn)本設(shè)計(jì)研究的技術(shù)路線(xiàn)主要包括：；；；；；；；；；；；；。任務(wù)書(shū)所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)還是偏高，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速?？紤]到數(shù)控工作臺(tái)對(duì)要求控制系統(tǒng)要有較高的精度和較快的反應(yīng)速度，我選用了AT89C52單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。本例中的XY工作臺(tái)為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： (35) 最大動(dòng)載荷FQ的計(jì)算設(shè)工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度v＝400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程Fh＝5mm,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n＝v/Ph＝80r/min。查表得滾珠直徑Dw＝，絲杠底徑d2＝，絲杠截面積： (37)忽略式(325)[1] 尹志強(qiáng)．機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007，第41，35，42頁(yè)．中的第二項(xiàng)，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量： (38)2）根據(jù)公式Z＝(πd0/Dw)－3，求得單圈滾珠數(shù)Z＝20；該型號(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為31，代入公式Z∑＝Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量Z∑＝60。代入式(328)[1]，得臨界載荷Fk≈9343N，遠(yuǎn)大于工作載Fm≈9343N，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq已知：滾珠絲杠的公稱(chēng)直徑d0＝20mm，總長(zhǎng)l＝500mm，導(dǎo)程Ph＝5mm，材料密度ρ＝103kg/cm179。；大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jz2＝則有： (314)根據(jù)式(49)[1]，考慮傳動(dòng)鏈的總效率η，計(jì)算空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上最大加速轉(zhuǎn)矩： (315)式(315)中nm—對(duì)應(yīng)空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min；ta—步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需的時(shí)間，單位為s。則有： (322)再由式(410)[1]計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載 (Fz＝556N)情況下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： (323)最后由式(321)，求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： (324)最后求得在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： (325) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。m，滿(mǎn)足要求。cm178。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角α＝176。除此之后，機(jī)械傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)依然是此課題設(shè)計(jì)的其中一部分，通過(guò)學(xué)習(xí)這方面的知識(shí)，能夠了解更多機(jī)構(gòu)的機(jī)械原理，也使我對(duì)該課題有了更進(jìn)一步的理解。 具有6個(gè)中斷源、5個(gè)中斷矢量、二級(jí)優(yōu)先權(quán)的中斷系統(tǒng)； 編程頻率3~24 MHz，編程電流1 mA，編程電壓Vpp為5 V或12 V。P0~P3口同RAM統(tǒng)一編制，可以當(dāng)作特殊功能寄存器SFR來(lái)尋址。 P1口：P1口為準(zhǔn)雙向口（用作輸入時(shí)，3個(gè)P口的引腳被拉成高電平，故稱(chēng)為準(zhǔn)雙向口），負(fù)載能力為4個(gè)LSTTL門(mén)電路；P1口可作為通用的I/O端口，它接有內(nèi)部的上拉電阻，在進(jìn)行硬件連線(xiàn)時(shí)，可以不外接上拉電阻；當(dāng)從端口讀入數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)先向端口寫(xiě)入1，再讀數(shù)據(jù)。當(dāng)工作于通用的I/O功能時(shí)，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)將第二功能輸出線(xiàn)置1。一般情況下，ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。欲使CPU 僅訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H—FFFFH），端必須保持低電平（接地）。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。整 流變 壓濾 波變 壓穩(wěn) 壓負(fù) 載交流電圖47 交流電變?yōu)橹绷麟姷倪^(guò)程示意圖 AT89C52及其擴(kuò)展芯片電源設(shè)計(jì)整流：采用如圖48[1]所示的使用橋式整流器KBPC108搭建的橋式整流電路，從其命名中我們就能知道其正向電流為1A，耐壓值（最高方向電壓）800V，通過(guò)橋式整流，將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)性直流電。濾波通常是利用電容或電感的能量存儲(chǔ)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)殡娙轂V波能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，所以我繼續(xù)采用電容濾波電路，既在整流電路的輸出端并聯(lián)一只大容量的電容如圖45所示。圖412 TLP5211光耦合器的結(jié)構(gòu)形式 TLP5211光耦合器的主要參數(shù)及工作參數(shù)TLP5211光耦合器是TOSHIBA公司生產(chǎn)的TLP521系列光耦合器的一種結(jié)構(gòu)形式，表45[1]則給出了TLP521系列光耦合器推薦的工作參數(shù)，表46[1]將給出TLP521系列光耦合器的主要參數(shù)。圖中的當(dāng)不存在限位信號(hào)時(shí)，TLP5211光耦合器的發(fā)光二極管無(wú)正向?qū)娏鳎话l(fā)光，輸出端的光敏晶體管截止，輸出信號(hào)（~）為高電平；當(dāng)位置開(kāi)關(guān)輸入限位信號(hào)時(shí)，輸入端構(gòu)成回路，發(fā)光二級(jí)管有正向?qū)娏?，開(kāi)始發(fā)光，光敏晶體管的基級(jí)獲得電流，集電極和發(fā)射極導(dǎo)通，輸出信號(hào)被拉低，~，CPU讀取后判斷限位信號(hào)有效。74LS244為八組反相輸出的緩沖器和總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器A0~A8為輸入端、Y0~Y8為輸出端、OE1和OE2為三態(tài)允許端（低電平有效）。 RESET：復(fù)位信號(hào)線(xiàn)，高電平有效。 A0,A1：端口地址線(xiàn)。 Vcc：+5V電源。 A組和B組控制：根據(jù)CPU寫(xiě)入的“控制字”來(lái)控制8255A的工作方式。8255A與AT89C52單片機(jī)的硬件電路連接如圖420所示表48 8255A端口地址A1A0端口00端口A01端口B10端口C11控制字寄存器圖419 8255A控制字的格式 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的工作原理步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是由電脈沖控制的特種電動(dòng)機(jī)?？刂破髋c硬件環(huán)分電路的連接只需兩根信號(hào)線(xiàn)：一根方向線(xiàn)，一根脈沖線(xiàn)（或者一根正轉(zhuǎn)脈沖線(xiàn)，一根反轉(zhuǎn)脈沖線(xiàn)）[1] 尹志強(qiáng)．機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007，第73頁(yè)．。ULN2003具有如下特點(diǎn)：圖423 ULN2003內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖424 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)電路圖 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)電路圖圖424即為我所設(shè)計(jì)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的硬件電路圖，從圖中我們能清晰的獲取到控制系統(tǒng)硬件電路圖的接線(xiàn)方式。圖427 顯示硬件原理圖ULN2003A是高耐壓、大電流達(dá)林頓陣列，由7個(gè)硅NPN型，集電極開(kāi)路的達(dá)林頓管組成，可承受500mA灌電流。考慮到位置開(kāi)關(guān)在實(shí)際應(yīng)用中，其向系統(tǒng)輸入的控制信號(hào)具有干擾性，因此為了減少控制系統(tǒng)電路受到干擾，故設(shè)計(jì)了對(duì)輸入信號(hào)具有隔離效果的開(kāi)關(guān)量輸入電路；電路中使用光耦合器TLP5211有效的對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行隔離，避免了系統(tǒng)受到干擾。同時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如KeilC51μVision2等軟件[9]。主要區(qū)別在于：（1）仿真電路圖保存了原有硬件電路圖中的所有功能芯片及硬件，其實(shí)現(xiàn)的功能與第四章的硬件電路圖是一致的；（2）為了編程方便和減少程序調(diào)試過(guò)程中驅(qū)動(dòng)芯片給仿真帶來(lái)的誤判和錯(cuò)誤運(yùn)行，仿真電路圖設(shè)計(jì)上更加簡(jiǎn)約，更加合理。YN開(kāi)始顯示選擇位賦值于顯示選擇I/O口顯示內(nèi)容賦值于顯示口顯示選擇位向左移一位顯示內(nèi)容存儲(chǔ)器地址指針加一顯示內(nèi)容選擇位是否移出屏幕范圍?END顯示選擇位賦值為第一位顯示內(nèi)容存儲(chǔ)器地址指針賦值為0x70圖62 顯示程序流程圖 LED顯示原理LED數(shù)碼管顯示器內(nèi)部由七個(gè)條形發(fā)光二極管和一個(gè)小圓點(diǎn)發(fā)光二極管組成，每個(gè)發(fā)光二極管成為一字段。這種顯示方式的每個(gè)數(shù)碼管相互獨(dú)立，共端恒定接地（共陰極）或接電源（共陽(yáng)極）。采用動(dòng)態(tài)顯示可以節(jié)省I/O口，但其亮度不如靜態(tài)顯示時(shí)的亮度。首先將第一條行線(xiàn)口(key^0)置一，key端口上的其它口都被清零，因?yàn)榘聪骆I的列線(xiàn)與行線(xiàn)是連通的，這是只要判斷之前確定的第三列線(xiàn)口(key^5)是否為1，即可判斷按下鍵是否在這條行線(xiàn)上。 鍵盤(pán)掃描程序解釋首先將所有行線(xiàn)置一、所有列線(xiàn)清零，即將鍵盤(pán)口前四位清零，后四位置一(key=0x0f)。動(dòng)態(tài)顯示是指逐次電量每個(gè)數(shù)碼管。發(fā)光二激光管的陰極連在一起，成為一個(gè)公共端，這種顯示器成為共陰極顯示器。完成動(dòng)作后，程序結(jié)束。它支持匯編、C語(yǔ)言以及混合編程，同時(shí)具備功能強(qiáng)大的軟件仿真，在軟件模擬仿真方式下不需要任何單片機(jī)硬件即可完成用戶(hù)程序仿真調(diào)試；仿真時(shí)，我們會(huì)將Proteus ISIS與Keil整合起來(lái)使用，充分利用各自的仿真功能，單片機(jī)軟硬件的調(diào)試將變得十分有效[5]。② 提供了大量的元器件，涉及電阻、電容、二極管、三極管、MOS管、變壓器、繼電器、各種放大器、各種激勵(lì)源、各種控制器、各種門(mén)電路和各種終端等；同時(shí)，也提供了許多虛擬測(cè)試儀器，如電流表、電壓表、示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器等[9]。若輸入時(shí)低電平，則管子截止，此時(shí)輸出端通過(guò)外接電阻與電源相連，為高電平，但此時(shí)管子已截止[5]。使用是只需設(shè)置一個(gè)8位I/O口控制段引腳，向其送段碼；設(shè)置令一個(gè)8位I/O口控制8位COM端的數(shù)據(jù)輸入即可；這樣的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了電路，也降低了成本。對(duì)于在我們機(jī)械部件設(shè)計(jì)時(shí)選擇的常州寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn)的型號(hào)為90BYG2602的四相八拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源，我們可以根據(jù)其輸入電壓、相電流及分配方式，在常州寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源中選擇對(duì)應(yīng)類(lèi)型的產(chǎn)品即可。圖420 8255A與AT89C52單片機(jī)的硬件電路圖電 源脈沖發(fā)生器脈沖分配功率電路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)工作機(jī)構(gòu)圖421 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組可以使任意相數(shù)的，本系統(tǒng)機(jī)械部分選擇使用的永磁感應(yīng)式（混合式）步進(jìn)電機(jī)，由常州寶馬集團(tuán)公司生產(chǎn)的型號(hào)為90BYG2602的四相八拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，176。表47 8255A的控制信號(hào)和端口工作狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系A(chǔ)1A0功能00010A口→數(shù)據(jù)總線(xiàn)（讀）01010B口→數(shù)據(jù)總線(xiàn)（讀）10010C口→數(shù)據(jù)總線(xiàn)（讀）00100數(shù)據(jù)總線(xiàn)→A口（寫(xiě)）01100數(shù)據(jù)總線(xiàn)→B口（寫(xiě)）10100數(shù)據(jù)總線(xiàn)→C口（寫(xiě)）11100數(shù)據(jù)總線(xiàn)→控制寄存器（寫(xiě)）————1數(shù)據(jù)總線(xiàn)為三態(tài)11010非法條件——110數(shù)據(jù)總線(xiàn)為三態(tài)圖418 工作方式的定義和總線(xiàn)接口的連接圖8255A有兩條地址線(xiàn)A1和A0，當(dāng)對(duì)端口A、B、C和控制字寄存器進(jìn)行讀/寫(xiě)操作時(shí)，必須指定相應(yīng)的端口地址，這由A1和A0來(lái)區(qū)別，對(duì)應(yīng)如表48[2] 李泉溪．單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例仿真[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009，第229頁(yè)．所列。8255A內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括如下幾部分： PB7~PB0：端口B輸入/輸出線(xiàn)。 ：讀信號(hào)線(xiàn)，低電平有效。引腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)（1）8255A為DIP40封裝，引腳如圖416[5] 丁明亮，唐前輝．51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)與仿真：基于Keil C與Proteus [M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009，第233頁(yè)．所示。74LS373的D0~D7為輸入端、Q0~Q7為輸出端和OE為使能端，如圖所示OE端接地，表示三態(tài)門(mén)一直打開(kāi)，此時(shí)當(dāng)引腳ALE輸出高電平時(shí)，AT89C52的數(shù)據(jù)從P0口送到74LS373的數(shù)據(jù)輸出端，當(dāng)引腳ALE輸出低電平時(shí)，74LS373鎖存。因此設(shè)計(jì)時(shí)，我選擇在開(kāi)關(guān)量輸入電路中使用光電隔離技術(shù)，從而提高控制系統(tǒng)的運(yùn)行水平，使控制系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。光耦合器是以光為媒介傳輸信號(hào)的