【正文】 時鐘產(chǎn)生方法有下圖兩種方式： REF1ST53N76GD4V8UL0A/u沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 圖 417 AT89S52 的兩種時鐘電路1．內(nèi)部時鐘方式 利用芯片內(nèi)部的振蕩器，然后在引腳 XTAL1 和引腳 XTAL2 兩端接晶體或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部的時鐘電路，如圖 3—2 外接晶振時，C1 和 C2 的值通常選擇約 30pF 左右；外接陶瓷諧振器時 C1 和 C2 的經(jīng)典值為 47pF。CC2 對頻率有微調(diào)作用，晶體或陶瓷諧振器的頻率范圍可在 之間選擇。為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定、可靠地工作，振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機芯片靠近。2．外部時鐘方式此時鐘方式是利用外部振蕩脈沖信號從 XTAL1 或 XTAL2 引腳接入。CHMOS(互補金屬氧化物 HMOS)是 CMOS 和 HMOS(高密度溝道 MOS 工藝)的結(jié)合，除了保持 HMOS 高速度和高密度之外，還有 CMOS 的功能是完全兼容的，區(qū)別在 CHMOS 器件具有低功耗的特點。它所消耗的電流比 HMOS 器件少很多，主要在于其采用了兩種降低功耗的方式:空閑方式和掉電方式。CHMOS 器件在掉電方式(CPU 停止工作,片內(nèi) RAM 的數(shù)據(jù)繼續(xù)保持)下時,消耗的電流可低于 CHMOS 的器件在編號中用一個 C 來加以區(qū)別：如 80C51,80C31 等。外部時鐘信號通過一個二分頻的觸發(fā)器而成為內(nèi)部的時鐘信號，要求高、低電平的持續(xù)時間都大于 20ns，一般為頻率低于 12Hz 的方波。這種方式適用于多塊芯片同時工作，便于同步。片內(nèi)時鐘發(fā)生器就是上述的二分頻觸發(fā)器，它向芯片提供了一個 2 節(jié)拍的時鐘信號。在本設(shè)計中綜合多方面因素的考慮，采用內(nèi)部時鐘的方式，在 XTAL1 和 XTAL2 之間接 6MHz 的晶體構(gòu)成時鐘電路 [5]。 串行下載接口電路AT89S52 單片機支持在線編程下載，為了視系統(tǒng)設(shè)計更具有擴展性和靈活性，本次設(shè)計采用了串行下載接口，其電路連接如下圖：沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 圖 418 串行下載接口電路 繼電器連接電路本次設(shè)計的系統(tǒng)是典型的由弱電控制強電，在控制部分，只要單片機發(fā)出指令型號，通過設(shè)計的繼電器電路就可以實現(xiàn)繼電器吸合控制沖頭動作的過程。二極管，三極管，電阻等器件組成的放大電路來配合繼電器使用，達到電流放大，控制繼電器吸合的作用?？刂平涌谠O(shè)為 ,詳細電路圖如下圖：圖 419 繼電器連接電路圖+vcthomgnsJ沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 傳感器接口電路本次設(shè)計為了協(xié)調(diào)沖頭與步進電機的互相動作，在單片機 接口預(yù)留了傳感器接口如圖 3－10。檢測頭在數(shù)控系統(tǒng)的控制中起著關(guān)鍵性的作用, 其原理圖如圖 3－11 所示。檢測頭的目的就是要檢測出沖模運動的上半周期和下半周期的分界點, 把這一信號送給單片機, 進而完成進給動作。檢測頭采用紅外敏感元件槽隙式光斷續(xù)器制作, 靈敏度高, 沒有延遲。活動桿是機床本身的部件, 它與沖床的上沖模作同步運動, 所以檢測模具的運動位置可以通過檢測活動桿的運動間接獲得。系統(tǒng)設(shè)計選用了窄帶擋光板, 擋光板的運動通過光斷續(xù)器的槽隙。所以,只要合理確定光斷續(xù)器的位置和擋光板的長度, 就可以檢測到?jīng)_模上半周期和下半周期的分界點, 在下半周期,擋光板擋住二極管發(fā)出的紅外光, 所以光斷續(xù)器輸出高電平。 在上半周期, 擋當光板離開光斷續(xù)器的槽隙, 因而光敏三極管輸出低電平。 圖 4－20 傳感器與單片機接口 圖 4－21 檢測頭原理圖 步進電機控制驅(qū)動電路1．步進電機及其驅(qū)動方案的選用本設(shè)計的重點在于對步進電機的控制和驅(qū)動，設(shè)計中受控電機為兩相反應(yīng)式步進電機 28513YGH450801（電阻 歐，電感 12MH，步進 度，重量，最大靜轉(zhuǎn)矩 ，電流 2A） 方案一：使用多個功率放大器件驅(qū)動電機 通過使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可以達到不同的放大的要求，P2/7VC0infraedtupch沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 放大后能夠得到較大的功率。但是由于使用的是四相的步進電機，就需要對四路信號分別進行放大，由于放大電路很難做到完全一致，當電機的功率較大時運行起來會不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復(fù)雜。 方案二：當對沖床控制精度要求比較高時，為了保證數(shù)控系統(tǒng)高速送料，采用雙 CPU 構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)硬件的主模塊，此雙 CPU 結(jié)構(gòu)屬于主從式結(jié)構(gòu)。主CPU 為 8031，從 CPU 為 8751。由于兩個方向的負載相差可達十倍左右，兩方向進給送料的頻率差別也在十倍以上，因此必然采用特性不同的兩個電機，為充分發(fā)揮其特性，其升、降頻規(guī)律也不同，當 X、Y 軸同時送料時，要實現(xiàn)這樣的頻率，須采用一個 CPU管理一臺電機的運行，同時要保證用戶程序的預(yù)處理不占用電機運行時間，可靠的方法也是用兩個 CPU 分別處理 X、Y 軸的數(shù)據(jù)。這樣才能保證數(shù)控系統(tǒng)的高速送料。不運行用戶程序的情況下，整個系統(tǒng)由主 CPU 來管理，主 CPU 負責鍵盤管理、用戶程序輸入、修改、增刪和顯示模塊的通訊。 在工作臺進給送料時或手動調(diào)整時，主 CPU 控制 X 軸運動，從 CPU 控制 Y軸運動。當主 CPU 搜索到 X、Y 軸的運行數(shù)據(jù)后，它將 Y 軸數(shù)據(jù)經(jīng) 8255 送給從CPU，主、從 CPU 分別使工作臺作兩個方向的進給送料運動。手動調(diào)整有單步、中速、高速調(diào)整。但是此種方法對電機工作要求較高，且設(shè)計起來難度較大。方案三：使用 L297,L298N 芯片驅(qū)動電機 L298N 芯片可以驅(qū)動兩個二相電機如圖 3－12，也可以驅(qū)動一個四相電機，輸出電壓最高可達 50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的 IO 口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 34 圖 4－22 L298 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖通過比較，使用 L298 芯片充分發(fā)揮了它的功能，能穩(wěn)定地驅(qū)動步進電機，且價格不高，故選用 L298 驅(qū)動電機。而使用 L298 時，可以用 L297 來提供時序信號，可以節(jié)省單片機 IO 口的使用；也可以直接用單片機模擬出時序信號，由于控制并不復(fù)雜，故選用后者。步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的精密執(zhí)行元件, 由于步進電機具有控制方便、體積小等特點, 所以在數(shù)控系統(tǒng)、自動生產(chǎn)線、自動化儀表、繪圖機和計算機外圍設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。微電子學(xué)的迅速發(fā)展和微型計算機的普及與應(yīng)用, 為步進電動機的應(yīng)用開辟了廣闊前景, 使得以往用硬件電路構(gòu)成的龐大復(fù)雜的控制器得以用軟件實現(xiàn), 既降低了硬件成本又提高了控制的靈活性, 可靠性及多功能性。市場上有很多現(xiàn)成的步進電機控制機構(gòu), 但價格都偏高。應(yīng)用 SGS 公司推出的 L297 和 L298 兩芯片可方便的組成步進電機驅(qū)動器, 并結(jié)合 AT89C52 單片機進行控制, 即可以實現(xiàn)用相對便宜的價格組成一個性能不錯的步進電機驅(qū)動電路。由于步進電機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件, 它不能直接接到交直流電源上, 而必須使用專用設(shè)備一步進電機控制驅(qū)動器。典型步進電機控制系統(tǒng): 控制器可以發(fā)出脈沖頻率從幾赫茲到幾十千赫茲可以連續(xù)變化的脈沖信號, 它為環(huán)形分配器提供脈沖序列。環(huán)形分配器的主要功能是把來自控制環(huán)節(jié)的脈沖序列按一定的規(guī)律分配后, 經(jīng)過功率放大器的放大加到步進電機驅(qū)動電源的各項輸人端, 以驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動。環(huán)形分配器主要有兩大類: 一類是用計算機軟件設(shè)計的方法實現(xiàn)環(huán)分器要求的功能, 通常稱軟環(huán)形分配器。另一類是用硬件構(gòu)成的環(huán)形分配器, 通常稱為硬環(huán)形分配器。功率放大器主要對環(huán)形分配器的較小輸出信號進行放大, 以達到驅(qū)動步進電機目的。文中所控制的步進電機是四相單極式 28513YGH450801 步進電動機。本文所設(shè)計的步進電機控制驅(qū)動器的框圖如圖 3－13 所示。它由光電耦和器、集成芯片 L297 和 L298 組成。L297 是步進電動機控制器(包括環(huán)形分配器),L298 是雙 H 橋式驅(qū)動器。它們所組成的微處理器至雙橋式步進電動機的接口如圖 3 沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 35 所示。這種方式結(jié)合的優(yōu)點是, , 可靠性高和占空間少。并且通過軟件開發(fā), 可以簡化和減輕微型計算機的負擔。另外, L297 和 L298 都是獨立的芯片, 所以應(yīng)用是十分靈活的。L297 芯片是一種硬件環(huán)分集成芯片, 它可產(chǎn)生四相驅(qū)動信號, 用于計算機控制的兩相雙極或四相單極步進電機。它的心臟部分是一組譯碼器它能產(chǎn)生各種所需的相序, 這一部分是由兩種輸入模式控制, 方向控制(CW/CCW) 和HALF/FULL 以及步進式時鐘 CLOCK, 它將譯碼器從一階梯推進至另一階梯。譯碼器有四個輸出點連接到輸出邏輯部分, 提供抑制和斬波功能所需的相序。因此 L297 能產(chǎn)生三種相序信號, 對應(yīng)于三種不同的工作方式: 即半步方式(HALF STEP)。基本步距(FULL STEP, 整步)一相激勵方式。 基本步距兩相激勵方式。脈沖分配器內(nèi)部是一個 3bit 可逆計數(shù)器, 加上一些組合邏輯, 產(chǎn)生每周期 8 步格雷碼時序信號, 這也就是半步工作方式的時序信號。此時 HALF/FULL 信號為高電。若 HALF/FULL 取低電平, 得到基本步距工作方式, 即雙四拍全階梯工作方式。 L297 另一個重要組成是由兩個 PWM 斬波器來控制相繞組電流, 實現(xiàn)恒流斬波控制以獲得良好的矩頻特性。每個斬波器由一個比較器、一個 RS 觸發(fā)器和外接采樣電阻組成, 并設(shè)有一個公用振蕩器, 向兩個斬波器提供觸發(fā)脈沖信號。圖 3 中, 頻率 f 是由外接 16 腳的 RC 網(wǎng)絡(luò)決定的, 當 R10kΩ 時, f=1/。當時鐘振蕩器脈沖使觸發(fā)器置 1, 電機繞組相電流上升 , 采樣電阻的 Rs 上電壓上升到基準電壓 Uref 時, 比較器翻轉(zhuǎn) , 使觸發(fā)器復(fù)位, 功率晶體管關(guān)斷, 電流下降, 等待下一個振蕩脈沖的到來。這樣, 觸發(fā)器輸出的是恒頻 PWM 信號, 調(diào)制 L297 的輸出信號, 繞組相電流峰值由 Uref 確定。L297 的 CONTROL 端的輸入決定斬波器對相位線 A、B、C、D 或抑制線 INH1 和 INH2起作用。CONTROL 為高電平時 , 對 A、B、C、D 有控制作用。 而為低電平時, 則對 INH1 和 INH2 起控制作用,從而可對電動機轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)矩進行控制。由單片機向 L297 發(fā)出時鐘信號、正反轉(zhuǎn)信號、復(fù)位信號及使能控制等信號。由于 L297 內(nèi)部帶有斬波恒流電路, 繞組相電流峰值由 Uref 確定。當采用兩片 L297 通過 L298 分別驅(qū)動步進電機的兩繞組 , 且通過兩個 D/A 轉(zhuǎn)換器改變每相繞組的 Uref 時, 即組成了步進電機細分驅(qū)動電路。另外, 為了有效地抑制電磁干擾, 提高系統(tǒng)的可靠性, 在單片機與步進電動機驅(qū)動回路中利用兩個 16 引腳光電耦合器件 TLP521—4 組成如圖 3－13 所示的隔離電路。其作沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 36 用是切斷了單片機與步進電動機驅(qū)動回路之間電的直接聯(lián)系, 實現(xiàn)了單片機與驅(qū)動回路系統(tǒng)地線的分別聯(lián)接, 防止處于大電流感性負載下工作的驅(qū)動電路產(chǎn)生的干擾信號以及電網(wǎng)負載突變產(chǎn)生的干擾信號通過線路串入單片機, 影響單片機的正常工作。TLP5214光電耦合2 L2972 L2982 兩相步進電機 圖 4－23 光電耦合與 L297,L298 組成的步進電機驅(qū)動電路 沖壓模具的選擇由于本次設(shè)計重點側(cè)重于步進電機的驅(qū)動和控制，所以沖壓成型過程就選用了當前普遍使用的一次性沖壓成型模式，而不另行設(shè)計二次沖壓瓶蓋成型過程。沖床模具主要以下幾種類型：多工位回轉(zhuǎn)頭 模具 ： 此模設(shè)計經(jīng)典，工藝考究，選料上等（Cr12MoV），結(jié)構(gòu)類同數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖32 工位模庫，沖頭快速轉(zhuǎn)換，精確鎖緊定位，能無限接受單頭孔形模入庫，（沖裁時每次落料范圍≤52mm），特別適合在同一板面上多孔形加工。此模技術(shù)含量較高，加工精密，每種孔形模不但要保正自身的同心度及定位角度，更要確保多工位同軸，模庫內(nèi)模具不論怎樣轉(zhuǎn)動，重復(fù)精度≤0。01mm。 我廠已開發(fā)了（6 工位、 8 工位、12 工位）回轉(zhuǎn)頭沖模供用戶選擇。多工位回轉(zhuǎn)頭沖模的研制出臺，高倍升級了普通沖床及數(shù)控沖床的功效，一二十萬元一臺的數(shù)控沖床，配用多工位回轉(zhuǎn)頭沖模后， 竟能與上百萬元一臺的‘數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床’相媲美，性價優(yōu)勢更顯凸出，市場購買力不斷遞增，為那些有識之士的老板老總們節(jié)省了巨大的設(shè)備投資。 單工位無限接受模具：此模采用多功能無限接受型模架，(Φ100 型、Φ140 型、Φ200 型、Φ240 型）能無限接受沖孔下料范圍內(nèi)的任何孔形，操作簡單，更換孔形模具時只需更換模芯即可，仿佛錄音機更換磁帶一樣簡單。沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 37 可調(diào)式 排孔模 ： 此模工藝考究，靈活簡單， 隨意更換沖頭規(guī)格，孔形、孔徑、孔距均可調(diào)節(jié)，特別適合大板面篩網(wǎng)孔加工，省時高效。本次設(shè)計采用第二種單工位無限接受模具，可實現(xiàn)一次沖壓瓶蓋成型過程。沈陽工業(yè)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 38 第 5 章 瓶蓋沖床數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計 瓶蓋沖床數(shù)控系統(tǒng)軟件框圖主程序開始系統(tǒng)初始化中斷T0 手動調(diào)整同？編輯？ 自動？進入定時中斷程序