【文章內(nèi)容簡介】 件，采用外部中斷的方式，中斷 N 次后主軸轉(zhuǎn)過一圈，在自動的工作方式下，每次磨刀小車電機(jī)停止時(shí)啟動進(jìn)行主軸圈數(shù)的檢測。磨刀小車電機(jī)是通過單片機(jī)控制繼電器，由繼電器的常開觸點(diǎn)控制變頻器的外部輸入端子，從而具有快進(jìn)、快退、慢進(jìn)、慢退四種速度。磨刀小車的位移采用編碼器進(jìn)行檢測，即單片機(jī)在固定的時(shí)間內(nèi)對脈沖數(shù)進(jìn)行讀取、累加并轉(zhuǎn)換成毫米單位后就可以得到磨刀小車的位移。石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)論文3磨刀電機(jī)只需控制電機(jī)的啟動和停止，單方向的旋轉(zhuǎn)。采用中間繼電器和接觸器實(shí)現(xiàn)對三相異步電動機(jī)的控制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動和停止。功能鍵和數(shù)字鍵的設(shè)定，采用智能按鍵，即設(shè)定三個按鍵，一個作為設(shè)定鍵，一個作為數(shù)值的設(shè)置鍵，一個作為設(shè)定數(shù)值的移位鍵。數(shù)值的移位鍵和數(shù)值的設(shè)定鍵采用外部中斷的方式。數(shù)據(jù)的顯示采用兩個四位一體的 LED 數(shù)碼管，前四位顯示磨刀進(jìn)給的實(shí)際行程，后四位顯示當(dāng)前的進(jìn)刀次數(shù)和每次的實(shí)際進(jìn)刀量。進(jìn)刀次數(shù)和進(jìn)刀量之間采用‘’作為間隔符。為了減少驅(qū)動電路，采用動態(tài)掃描的方法顯示。由于 89C51 的 I/O 口數(shù)量有限，所以外擴(kuò)一片 8155 芯片來擴(kuò)展 I/O 接口。利用外擴(kuò)的 8155 I/O 口驅(qū)動顯示電路。由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中按鍵比較多，因此采用行列矩陣式鍵盤，這樣就可以減少鍵盤與單片機(jī)接口時(shí)所占用的 I/O 口線的數(shù)目。利用這種行列矩陣式需要 N 個行線和 M 個列線，即可組成 MN 個按鍵的鍵盤。采用單片機(jī) C51 語言,在 Keil μVision 4 軟件環(huán)境下進(jìn)行程序的編寫和調(diào)試，采用 Proteus 軟件進(jìn)行磨床系統(tǒng)的仿真，并觀察仿真結(jié)果。石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)論文4第 3 章　系統(tǒng)設(shè)計(jì)　系統(tǒng)主要組成磨床控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)、并行口擴(kuò)展、磨刀電機(jī)、磨刀進(jìn)給電機(jī)、主軸電機(jī)、變頻器、鍵盤、顯示、霍爾元件、編碼器幾部分組成。系統(tǒng)框圖如圖 31 所示。圖 31　系統(tǒng)框圖　單片機(jī)芯片單片機(jī)作為磨床系統(tǒng)的控制中心，根據(jù)磨床系統(tǒng)的控制特點(diǎn)和仿真軟件的類型，選用 AT89C51 型號的單片機(jī)。AT89C51 是一個 8 位的 CPU，具有 4K ROM 程序存儲器， 128B RAM 數(shù)據(jù)存儲器，可尋址 64KB 外部數(shù)據(jù)存儲器和 64KB 外部程序存儲器的控制電路，兩個 16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個可編程全雙工串行接口，5 個中斷源、2 個優(yōu)先級嵌套中斷石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)論文5結(jié)構(gòu)，4 個 8 位的并行雙向口，32 條可編程的 I/O 線，各個雙向口的每一位均由鎖存器、輸出驅(qū)動器和輸入緩沖組成 [3]。AT89C51 芯片引腳如圖 32 所示。圖 32　AT89C51 引腳圖　P0～P3 輸入/輸出引腳 P0 口具有雙重功能：（ 1）可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設(shè)備。由于P0 為開漏輸出，在作為通用 I/O 使用時(shí)，需要在外部接上拉電阻；（ 2）在有外接存儲器和 I/O 接口時(shí)常作為低八位地址/數(shù)據(jù)總線，即低八位地址與數(shù)據(jù)分時(shí)使用P0 口。此時(shí)低八位地址由 ALE 信號的下跳沿使它鎖存到外部地址鎖存器中，傳送數(shù)據(jù)信息 [4]。P1 口具有單一的接口功能，P1 口的每一位都可以作為可編程的輸入或輸出口線。P2 口具有雙重功能：（ 1）作為輸入口或輸出口使用，外接輸入/輸出設(shè)備；（2）在有外接存儲器和 I/O 接口時(shí)，作為系統(tǒng)地址總線，輸出高八位地址，與 P0口的低八位地址一起組成 16 位地址總線。P3 口為雙重功能口：（ 1）可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設(shè)備；（2）作為第二功能使用時(shí)，每一位的定義如表 33 所示。表 33　P3 口的第二功能P3 口各位 第二功能 RXD（串行輸入） TXD（串行輸出） （外部中斷 0 輸入）INT （外部中斷 1 輸入）石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)論文6 T0（定時(shí)器 0 外部計(jì)數(shù)器脈沖輸入） T1（定時(shí)器 1 外部計(jì)數(shù)器脈沖輸入） （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號）RD （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號）W石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)論文7　控制信號引腳ALE：地址鎖存允許線，配合 P0 口引腳的第二功能使用。：片外存儲器訪問選擇線，可以控制使用片內(nèi) ROM 還是片外 ROM。等于EA1，則允許使用片外 ROM；等于 0，則只使用片外 ROM。：片外 ROM 選通線，在訪問片外 ROM 時(shí)，系統(tǒng)自動產(chǎn)生一個負(fù)脈沖，PSN作為片外 ROM 芯片的讀選通信號。RST：復(fù)位線，可以使 89C51 處于復(fù)位工作狀態(tài)。通常 89C51 有自動復(fù)位和人工按鍵復(fù)位兩種?！〔⑿锌跀U(kuò)展用 8155 芯片擴(kuò)展并行接口。8155 片內(nèi)具有 256 字節(jié)的靜態(tài) RAM，2 個 8 位、1 個 6 位的可編程并行 I/O 接口，1 個 14 位的減法計(jì)數(shù)器，以及一個地址鎖存器 [5]?！?155 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及地址分配圖 34　8155 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖8155 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 34 所示，AD0～AD7 為三態(tài)地址/數(shù)據(jù)線，可以與89C51 單片機(jī)總線直接相連。由于 8155 片內(nèi)有地址鎖存器，由總線送來的地址信號在地址鎖存允許信號 ALE 下降沿予以鎖存。256字 節(jié)靜 態(tài)RAM14位定 時(shí)計(jì) 數(shù) 器ABCAD0~7ALERESTTIMER INI OUTA口 PA0~P7PB0~P7PC0~P5VC(+5V)S(GND)B口C口IO/MCWRRD石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)論文88155 PA 和 PB 口為 8 位并行 I/O 口，PC 口為 6 位并行 I/O 口。PA、PB 口可以工作于基本的 I/O 方式和選通 I/O 方式，而 PC 口只能工作在基本的 I/O 方式。當(dāng)PA 或 PB 口工作在選通 I/O 方式時(shí)，PC 口部分或全部口用作 PA 或 PB 口的聯(lián)絡(luò)信號。TIMERIN 為片內(nèi)定時(shí) /計(jì)數(shù)器的輸入時(shí)鐘信號。TIMEROUT 為計(jì)數(shù)器計(jì)滿回零后的輸出信號。RESET 為復(fù)位信號，高電平有效，復(fù)位后各端口處于基本的輸入輸出狀態(tài)。 為端口/存儲器的選擇信號。8155 地址分配如表 35 所示。當(dāng)MIO為 1 時(shí)，片內(nèi)端口及定時(shí)/計(jì)數(shù)器的地址由 AD0～AD2 編碼確定。當(dāng) 為I/ MI/O0 時(shí)，選中片內(nèi) RAM 00H～FFH 256 個單元。 和 用來讀寫片內(nèi) RAM 和實(shí)RDW現(xiàn)數(shù)據(jù)由 I/O 端口輸入/輸出操作信號 [5]。表 35　8155 地址分配I/OAD0 AD1 AD20 0 0 命令/狀態(tài)口0 0 1 PA 口0 1 0 PB 口0 1 1 PC 口1 0 0 TIME 低八位1（I/O 口）1 0 1 TIME 高八位0(存儲器)AD0~AD700H~FFH 內(nèi)部 RAM　8155 的命令控制字8155 的命令控制字包含對定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、并行口和中斷控制，其命令控制字格式如表 36 所示。表 36　8155 命令控制字格式TM2 TM1 IEB IEA PⅡ PⅠ PB PATMER工作方式B 口中斷允/禁A 口中斷允/禁I/O 端口的工作方式B 口I/OA 口I/OPA、PB 分別用來選擇 A 口和 B 口是輸入還是輸出：置 1，選擇輸出方式；置0，選擇輸入方式。IEA 、 IEB 分別用來選擇 A 口和 B 口是允許中斷還是禁止中斷：置 1，選擇允許中斷；置 0，選擇禁止中斷。PⅡ、 PⅠ用來選擇并行口的工作方式，并行口的工作方式如表 37 所示。表 37　并行口工作方式PⅡ PⅠ 工作方式0 0 PA、PB 為基本的 I/O 方式，PC 為輸入方式1 1 PA、PB 為基本的 I/O 方式，PC 為輸出方式石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)論文90 1 PA、PB 為基本的 I/O 方式，PC 為選通 I/O 方式，PC2～PC0 為 A 口聯(lián)絡(luò)信號1 0 PA、PB 為選通 I/O 方式，PC 為聯(lián)絡(luò)信號石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)論文10　電機(jī)和變頻器磨床系統(tǒng)電氣部分主要包括一個主軸電機(jī)、一個磨刀電機(jī)、一個磨刀進(jìn)給電機(jī)。根據(jù)系統(tǒng)要求電機(jī)全部選用三相籠型異步電動機(jī)。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電，能實(shí)現(xiàn)對交流異步電機(jī)的軟起動、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因素、過流/過壓/過載保護(hù)等功能 [6]。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中選用兩個變頻器，一個變頻器采用外部控制的方式控制主軸電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)，用電位器調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度,從 0 到額定轉(zhuǎn)速之間可調(diào)；另一個變頻器采用外部控制的方式，控制磨刀進(jìn)給電機(jī)。變頻器選擇三菱 FRA540 型變頻器。變頻器外部接線端子如圖 38 所示 [7]。圖 38　變頻器外部接線端子　霍爾元件霍爾元件是一種磁敏元件，利用霍爾效應(yīng)制成的半導(dǎo)體，多用于電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量。使用霍爾元件檢測主軸轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，主軸每轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)，產(chǎn)生 N 個脈沖，當(dāng)單片機(jī)每檢測到 N 個脈沖，就可以認(rèn)為主軸轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)?；魻栐Y(jié)構(gòu)比較簡單，它由霍爾片、4 根引線和殼體組成?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片，在長度上焊有兩根控制電流端引線 a 和 b。它們在薄片上的焊點(diǎn)稱為激勵電極，在薄片的兩側(cè)端面的中央以點(diǎn)的形式對稱焊接 c 和 d 兩根引出線，RSTSTFSTRHRL正 轉(zhuǎn)反 轉(zhuǎn)高 速低 速 頻 率 設(shè) 定電 位 器MFRA540UVW三 相電 源CM石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)論文11它們在薄片上的焊點(diǎn)稱為霍爾電極。霍爾效應(yīng)是指當(dāng)載流導(dǎo)體處于與電流相垂直的磁場時(shí)，在其兩端產(chǎn)生電位差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動電荷受磁場中洛侖茲力的作用。使用霍爾傳感器獲得脈沖信號，在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上磁鋼，讓霍爾開關(guān)靠近磁鋼，就有信號輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會不斷地產(chǎn)生脈沖信號輸出。在圓周上粘上一粒磁鋼，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得一個脈沖輸出。因此根據(jù)脈沖數(shù)目，就可以檢測主軸轉(zhuǎn)過的圈數(shù)?！【幋a器編碼器是將機(jī)械轉(zhuǎn)動的位移轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號式的傳感器，在測量方面應(yīng)用廣泛，具有精度高，分辨率高，可靠性高的特點(diǎn)。使用編碼器進(jìn)行檢測磨刀進(jìn)給小車行程，磨刀進(jìn)給小車每前進(jìn)/后退 1mm 對應(yīng) M 個脈沖。程序處理上，單片機(jī)在固定時(shí)間對脈沖數(shù)進(jìn)行讀取、累加并轉(zhuǎn)換成毫米單位后就可以得到磨刀進(jìn)給小車的行程。在程序仿真時(shí)，設(shè)定脈沖當(dāng)量為 ，即一個脈沖對應(yīng) 。編碼器從結(jié)構(gòu)上分碼盤式和增量式，在測量中采用的是增量式編碼器。增量式光電編碼器是碼盤隨位置的變化輸出一系列的脈沖信號，然后根據(jù)位置變化的方向用計(jì)數(shù)器對脈沖進(jìn)行加/減計(jì)數(shù)，以此達(dá)到位置檢測的目的。它是由光源、透鏡、主光柵碼盤、鑒向盤、光敏元件和電子線路組成。增量式光電編碼器的工作原理是由旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動帶動在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤旋轉(zhuǎn)，在主光柵碼盤的上面有與其平行的鑒向盤，在鑒向盤上有兩條彼此錯開90176。相位的窄縫，并分別由光敏二極管接收主光柵碼盤透過來的信號。工作時(shí)，鑒向盤不動，主光柵碼盤隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼盤，通過主光柵碼盤和鑒向盤后由光敏二極管接收相位差 90176。的近似正弦信號，再由邏輯電路形成轉(zhuǎn)向信號和計(jì)數(shù)脈沖信號。為了獲得絕對位置角，在增量式光電編碼器有零位脈沖，即主光柵每旋轉(zhuǎn)一周，輸出一個零位脈沖，使位置角清零 [8]?！℃I盤鍵盤是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)最常用的輸入設(shè)備，操作人員可以通過鍵盤向單片機(jī)系統(tǒng)輸入指令、地址、數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)通訊。在磨床控制系統(tǒng)中，由于獨(dú)立按鍵比較多，為了避免占用太多的 I/O 口線，把按鍵做成鍵盤，鍵盤排列成行列矩陣式。每一個行線和列線的交叉處不相通，是通過一個按鍵連通的。行線由單片機(jī)的 ～ 控制，列線由單片機(jī)的 ～石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)論文12控制，組成 43 的 12 個按鍵的鍵盤。由于 AT89C51 單片機(jī)的 P1 口在內(nèi)部有上拉電阻，因此外部的上拉電阻可省略。　顯示系統(tǒng)的顯示模塊采用 LED 數(shù)碼管顯示。LED 數(shù)碼管選用共陽極數(shù)碼管，即陰極接低電平的發(fā)光二極管就可以導(dǎo)通點(diǎn)亮，接高電平的不亮。數(shù)碼管的顯示需要兩組信號控制，一組是字段輸出口的字形代碼，用來控制顯示的字形；另一組是位輸出口的控制信號，用來選擇第幾個數(shù)碼管顯示，稱為位選。數(shù)碼管的位選和段選由擴(kuò)展的并行接口 8155 芯片控制。數(shù)碼管的顯示采用動態(tài)掃描的方法。動態(tài)掃描是單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式。輪流選通數(shù)碼管的公共端，使各個數(shù)碼管輪流點(diǎn)亮。這種方式不但能提高數(shù)碼管的發(fā)光效率，而且由于各個數(shù)碼管的字段線是并聯(lián)使用的，從而可以簡化硬件電路圖。在輪流點(diǎn)亮的過程中，每個數(shù)碼管點(diǎn)亮的時(shí)間是極為短暫的（約1ms） ，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各個數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。當(dāng)顯示完一位后，開始顯示下一位時(shí)，需要將數(shù)碼管的位選關(guān)閉，不然同時(shí)選通幾個數(shù)碼管，就會出現(xiàn)亂碼顯示 [9]。石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)論文13第 4 章　電氣接線及原理圖　電氣接線電氣接線圖見附錄 B，變頻器的外部接線說明如表 41 所示。表 41　變頻器的外部接線繼電器常開觸點(diǎn) 變頻器的外部端子 功能KA1 STF（變頻器 1 正轉(zhuǎn)端子） 控制主軸電機(jī)的正轉(zhuǎn)KA2 STR（變頻器 1 反轉(zhuǎn)端子） 控制主軸電機(jī)的反轉(zhuǎn)KA3 STF（變頻器 2 正轉(zhuǎn)端子） 控制磨刀進(jìn)給電機(jī)的正轉(zhuǎn)KA4 STR（變頻器