【正文】 線可知，當輸出轉矩為 0 時，電動機的空載運行頻率為 30000Hz 左右，可見沒有超出上限。 步進電機的安裝 步進電機的安裝，按照安裝尺寸進行 ，需要設計一 個電機底座，將電機進行安裝在上下托板上，底座的尺寸在零件圖中給出。 圖 42 步進電機的安裝尺寸圖 步進電機的繞組采用五邊形接法，其 接線圖如下 ： 圖 43 步進電機接線圖 步進電機驅動器的選擇 圖 44 步進電機驅動器 根據(jù)所選步進電動機 86HE12728V1432 五 相混合式步進電機，有 MEA2230R五相數(shù)字式步進電機驅動器。信號電壓僅支持 +5VDC，信號電高于 +5VDC 時需另接西南科技大學本科生畢業(yè)論文 25 限流電阻。 MEA2230R 采用高速運動控制 CPU 芯片實現(xiàn)快速自適應控制算法和高頻載波雙極性恒流斬波正弦波 細分驅動控制，具備高精度、大力矩、低噪聲、寬調(diào)速等控制特性。支持全球通用的 AC85~256V 交流電網(wǎng)直接供電，可省去中間變壓器及電源，節(jié)省成本并提高可靠性；外置制動電阻驅動可應用于頻繁制動的場合；支持多種電流、細分、控制信號、控制電壓及掉電位置記憶。 步進電機驅動器信號電壓支持 +5VDC，所以當信號電壓是 +5VDC 時可直接與步進電機驅動器相連，如果信號電壓高于 +5VDC 時，需另接限流電阻。 步進電機的控制原理如 圖 45 所示： 圖 45 步進電機驅動原理圖 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 26 第 5 章 控制電路設計 控制部分總體方 案 繪制系統(tǒng)電氣控制的結構框圖 根據(jù) 工作臺的 總體方案 ，工作臺的 機械結構的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制系統(tǒng)硬件的電路圖 ，如圖 51 所示。 控制系統(tǒng)是 要 硬件 電路 和軟件組成的。硬件是組成系統(tǒng)的基礎，有了硬件，軟件才能有效地運行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標。 數(shù)控 工作臺電路由以下五部分組成。 （ 1） 主控制器，即中央處理單元 CPU。 （ 2） 總線，包括數(shù)據(jù)總線，地址總線和控制總線。 （ 3） 存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。 （ 4）接 口 電路 ，即 I/O 輸入 /輸出接口電路。 （ 5） 外圍 設備， 工作臺上有 鍵盤，顯示器 。 I/O 接口 步進電機 驅動器 CPU 步進電機 外 設 鍵盤，顯示器 RAM ROM 圖 51 控制系統(tǒng)原理圖 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 27 選擇中央處理單元 CPU 的類型 在微機應用系統(tǒng)中， CPU 的選型應考慮以下因素： （ 1） 時鐘頻率 以及 字長，這個指標將 影響 數(shù)據(jù)處理的速度。 （ 2） 可 以 擴展 的 存儲器（包括 RAM 和 ROM）的容量。 （ 3） I/O 擴展 性能 ，即對 鍵盤，顯示器的 控制能力。 （ 4） 開發(fā) 性能 ，包括支持 被 開發(fā)的硬件和 軟 件。 此外還要考慮到系統(tǒng)的應用場合、控制對象對各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟價格比等經(jīng)濟性的要求。 目前在經(jīng)濟型數(shù)控機床中，推薦使用 MCS51 系列單片微機作為主控 制器。 存儲器擴展電路設計 存儲器 的 擴展電路設計 分別有 程序存儲器 的擴展 和數(shù)據(jù)存儲器的擴展。 在選擇程序存儲器芯片時，還應考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器的容量等問題。 I/O 即輸入 /輸出接口電路設計 應包括接口芯片的選擇，步進電機控制電路，鍵盤顯示電路以及其他輔助電路的設計（例如復位電路，掉電保護電路等）。 此外，不同的數(shù)控系統(tǒng)還要求配備不同的外設，這些部分的電路設計也應包括在其中。 MCS51 系列單片機簡介 8031 單片機的簡介 MCS51 系列單片微機是美國 Intel 公司在 MCS48 系列單片微機基礎上推出的產(chǎn)品，于 1980 年問世，它的集成度很高，是集片內(nèi)存儲器、片內(nèi)輸入 /輸出部件和 CPU于一體的優(yōu)良的單片機系統(tǒng)，在我國已廣泛地應用于經(jīng)濟型數(shù)控機床。 MCS51 系列單片機主要有三種型號的產(chǎn)品： 803 8051 和 8751。三種型號的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結構上有少數(shù)差異。 8751 具有片內(nèi) EPROM,但價格是 8051的 10～ 15 倍，所以適合于開發(fā)樣機，小批量生產(chǎn)和需要在現(xiàn)場進一步完善的場合。8051的 EPROM程序是 Intel 公司制作芯片時為用戶置備的，因此在 國內(nèi)很難采用 8051型芯片。而 8031 片內(nèi)無 ROM，適用于需擴展 ROM，可在現(xiàn)場修改和更新程序存儲器的應用場合，其價格低，使用靈活，非常適合在我國使用。因此選用 8031 芯片 。 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 28 8031 單片機的基本特征 8031 單片機具有以下特點： （ 1） 具有功能很強的 8 位中央處理單元（ CPU）。 （ 2） 片內(nèi)有時鐘發(fā)生器（ 6 或 12MHz）、每執(zhí)行一條指令時間為 2 或 1 s? 。 （ 3） 片內(nèi)具有 128 字節(jié) RAM。 （ 4） 具有 21 個特殊寄存器。 （ 5） 可擴展 64K 字節(jié)的外部數(shù)據(jù) 存儲器和 64K 字節(jié)的外部程序存儲器。 （ 6） 具有 4 個 I/O 口， 32 根 I/O 線。 （ 7） 具有 2 個 16 位定時器 /計數(shù)器。 （ 8） 具有 5 個中斷源，配備 2 個中斷優(yōu)先級。 （ 9） 具有一個全雙工串行接口。 （ 10） 具有位尋址能力，適用邏輯運算。 這種芯片集成度高，功能強，只需增加少量外圍器件就可以構成一個完整的微機系統(tǒng)。 8031 芯片引腳及其功能 8031 芯片具有 40 根引腳，其引腳圖如圖 52 所示 40 根引腳按其功能可分為四類： （ 1） 電源線 2 根 Vcc：編程和正常操作時的電源電壓，接 +5V。 Vss：地 電平。 （ 2） 晶振： 2 根 XTAL1：振蕩器的反相放大器輸入。使用外部震蕩器是必須接地。 XTAL2：振蕩器的反相放大器輸出和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入。當使用外部振蕩器時用于輸入外部振蕩信號。 I/O 口共有 p0、 p p p3 四個 8 位口， 32 根 I/O 線，其功能如 表 51： 8031 的 P3 口均有 第二功能 ，且第二功能 如表 52 所示 ： 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 29 圖 52 8031引腳接口 表 51 8031的 I/O口功能 ～ （ AD0～ AD7） 是 I/O 端口 O 的引腳，端口 O 是一個 8 位 漏極開路的雙向 I/O 端口。在存取外部存儲器時，該端口分時地用作低 8位的地址線和 8 位雙向的數(shù)據(jù)端口。（在此時內(nèi)部上拉電阻有效） ～ 端口 1 的引腳，是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 通道，專供用戶使用。 ～ （ A8～ A15） 端口 2 的引腳。端口 2 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，在訪問外部存儲器時，它輸出高 8 位地址 A8～ A15 ～ 端口 3 的引腳。端口 3 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口，該口的每一位均可獨立地定義第一 I/O 口功能或第二 I/O 口功 能。作為第一功能使用時，口的結構與操作與 P1 口完全相同 表 52 8031的 P3口第二功能 引腳口 第二功能 RXD（ 串 行輸入口） TXD（串行輸 出口） 0INT（外部中斷） 1INT（ 外 部中斷） T0（定時器 0外部輸入） T1（定時器 1外部輸入） WR（外部 數(shù) 據(jù)存 儲 器寫選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 30 （ 4） 控制線 PSEN ：程序存儲器的使能引腳，是外部程序存儲器的讀選通信號，低電平有效。從外部程序存儲器取數(shù)時，在每個機器周期內(nèi)二次有效。 EA ： EA 為高電平時， CPU 執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。 EA 為低電平時， CPU僅執(zhí)行外部程序存儲器的指令。因 8031 芯片沒有內(nèi)部程序存儲器，故 EA 必須接地。Vpp 是在 EPROM 編程時 需要 +21V 的編程電源輸入端。 ALE ： ALE 是地址鎖存使能信號。作為地址鎖存允許時高電平有效。因為 p0 端口是分時傳送數(shù)據(jù)和 8 位地址。故訪問外部存儲器時， ALE 信號鎖存低 8 位地址。即使在不訪問外部存儲器時，也以 1/6 振蕩頻率的固定頻率產(chǎn)生 ALE，因此可以用它作為外部的時鐘信號。 ALE 主要是提供一個定時信號，在從外部程序存儲器取令時，把 p0 口的低位地址字節(jié)鎖存到外接的地址鎖存器中。 RST 是復位 /備用電源端。在振蕩器運行時，使 RST 行腳至少保持兩個機器周期位高電平，可實現(xiàn)復位操作，復位 后程序計數(shù)器清零，即程序從 0000H 單元開始執(zhí)行。在 VCC 關斷前加上 VPD（掉電保護） RAM 的內(nèi)容將不變。 程序 存儲器擴展電路的設計 2764 芯片介紹 MCS51 的程序存儲器空間為 64K 字節(jié)。對于片內(nèi)無 ROM 的單片機的 8031，或當單片機內(nèi)部程序存儲器容量不夠時，進行程序存儲器的擴展是必不可缺的。半導體存儲器 EPROM、 EEPROM、 ROM 等在原理上都可用作單片機的外部程序存儲器。由于 EPROM 價格低廉，性能可靠，所以單片機外部擴展的程序存儲器一般為 EPROM芯片，掉電后信息不會丟失。 在選擇外部程序存儲器電路時，應注意電路的讀取時間能否與 MCS51 的 PESN 信號匹配。 EPROM 的一個重要優(yōu)點是可以擦除重寫，而且允許擦除的次數(shù)超過上萬次。一片新的或擦除干凈 EPROM 芯片，其每一個存儲單元的內(nèi)容都是 FFH。要對一個使用過的 EPROM 進行編程，則首先應將其放到專門的擦除器上進行擦除操作。擦除器利用紫外線光照射 EPROM 的窗口，一般經(jīng)過 15— 20min 即可擦除干凈。擦除完畢后可讀一下 EPROM 的每個單元，若其內(nèi)容均為 FFH，就認為擦除干凈了。 由于本設計程序容量不大，因而選用 2764 作為外部 程序存儲器。 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 31 圖 53 2764引腳接口 2764 芯片和引腳 常用的半導體 ROM 芯片有 2764，芯片為 28 腳雙列直插式扁平封裝芯片。上圖為所用的芯片： A0~A12 是地址線； D0~D7 是數(shù)據(jù)線； PPV 是編程電壓端 ； PGM 是編程控制端 ； OE 是輸出使能端 ； CE 是片選端，它們均為低電平有效。 2764 的第 26 引腳空， （ NC）未用。 下表 53 是 EPROM 的工作方式的選擇，用 1 表示輸入高電平， 0 表示輸入低電平，芯片的數(shù)據(jù)引腳是三態(tài)的，當芯片未選中，它們處于高阻狀態(tài)，不會影響其他芯片輸出狀態(tài)。而當 CE 和 OE 均為低電平時，芯片被選中，其存儲內(nèi)容從數(shù)據(jù)端輸出，即處于 數(shù)據(jù)輸出 狀態(tài)。在編程時，從數(shù)據(jù)端輸入要存儲的信息，數(shù)據(jù)引腳處于數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸入狀態(tài)。 PGM 為編程脈沖輸入端，當對芯片編程時，由此端加入編程脈沖信號 ；讀取數(shù)據(jù)時 PGM 的值為 高電平 。 地址鎖存器 由于單片機 8031 芯片的 P0口是分時傳送低 8 位地址線和數(shù)據(jù)線，故 8031 擴展系統(tǒng)中一定要用到鎖存器。常用的地址鎖存器芯片 74LS373。 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 32 圖 54 74LS373 的引腳圖 D0～ D7 數(shù)據(jù)輸入端 ； Q0～ Q7 輸出端 OE 三態(tài)允許控制端（低電平有效） 當三態(tài)允許控制端 OE 為低電平時， Q0～ Q7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅動負載或總線。當 OE 為高電平時， Q0～ Q7 呈高阻態(tài)，即不驅動總線，也不為總線的負載， 但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。 表 53 74LS373 的工作方式 Dn LE OE Qn 1 1 0 1 0 1 0 0 X 0 0 Q0 X X 1 高阻 0——低電平 1——高電平 X—— 不穩(wěn)定 Q0 —— 建立穩(wěn)定前 Q 的電平 LE—— 輸入端，與 8031ALE 連高電平：關門鎖存 OE —— 允許控制端 ，接地 當 LE=“ 1”時， 74LS373 輸出端 1Q~8Q 與輸入端 1D~8D 相同 當 LE 為下降 沿 時，將輸入數(shù)據(jù)鎖存。 加上 74LS373 與 2764 芯片的程序存儲器的擴展接線圖如下： 8031 芯片的 PSEN （外部程序存儲器讀選通信號）與 EPROM 芯片的 OE 端相連； 西南科技大學本科生畢業(yè)論文 33 8031 芯片 EA 接地， CPU 執(zhí)行外部程序存儲器的指令； 8031 芯片 ALE（地址鎖存允許信號）接主地鎖存器 74LS373 的 LE 引腳。 接線圖如 圖 55 所示 圖 55 8031 程序存儲器擴展圖 數(shù)據(jù)存儲器的擴展 常用的數(shù)據(jù)存儲器