【正文】 通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)、 標(biāo)準(zhǔn)及編寫(xiě)技術(shù)說(shuō)明書(shū)的能力，促進(jìn)學(xué)生 在科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方而綜合素質(zhì)的提高。 數(shù)控系統(tǒng)的控制方式 本數(shù)控 系統(tǒng) 要 求 XY 工作臺(tái)沿 兩個(gè) 坐標(biāo)軸 （177。 Y）方向同時(shí)具有連續(xù)的 精確的 運(yùn)動(dòng)， 兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能，能夠完成平面輪廓的加工， 因 而 采用連續(xù)控制 的 方式。 它 不僅能控制移動(dòng)部件從 某 一點(diǎn) 準(zhǔn)確地移動(dòng)到另一點(diǎn)，而且還能控制整個(gè)加工過(guò)程 中的 每一點(diǎn)的速度 和 位移量， 進(jìn)而 將零件加工成一定的輪廓形狀。在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)中， 無(wú)反饋部件 ，不存在由輸出端到輸入端的反饋通路 ，無(wú)法反饋信息，故而 不能 及時(shí) 糾正系統(tǒng)傳動(dòng)誤差。在速度和精度 要 求 都 不太高 ，而又要求降低成本 的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。 步進(jìn)電機(jī)是由電脈沖控制的特種電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)步數(shù)由脈沖數(shù)來(lái)決定，運(yùn)動(dòng)方向由脈沖相序來(lái)決定，在一定時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度或平移的距離由脈沖數(shù)決定，借助步進(jìn)電 機(jī)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的變換。 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 圖 21 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖 根據(jù)控制需要， 本次設(shè)計(jì) 選擇兩個(gè) 90BF001型 4相 8拍的 反應(yīng)式 步進(jìn)電機(jī)。 ) 電壓 /V 最大靜轉(zhuǎn)矩 /(Nm2) 914590 ?? ?? 步進(jìn)電機(jī)原理圖如圖 22 所示： 圖 22 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)原理圖 微機(jī)控制系統(tǒng)的選擇 （ 1）對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，選用 8 位單片機(jī) AT89C51 作為控制系統(tǒng)的控制器。 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) 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 （ 2）要設(shè)計(jì)一個(gè)完整的控制系統(tǒng)，在選擇 CPU 之后，還要設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)運(yùn)行程序，單片機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路一起工作，進(jìn)而 分別 驅(qū)動(dòng) XY軸 步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 XY 工作臺(tái)的傳動(dòng)方式 為 了 保證 XY工作臺(tái)具有 一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性 ，并考慮總體 結(jié)構(gòu)的緊湊性要求 ，采用滾珠 絲 杠螺母 作為 傳動(dòng)副。 由于步進(jìn) 電機(jī) 的 步距 角 和 滾珠絲 杠 的 導(dǎo)程 是 按標(biāo)準(zhǔn)選取 的 ，為達(dá)到 傳動(dòng)要求， 并綜合 考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配， 決定 采用齒輪減速傳動(dòng)。 組成框圖如下： 圖 31 MSC51單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 AT89C51 單片機(jī)的 主 要特性： 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命： 1000次 擦 /寫(xiě)循環(huán) 128 8位內(nèi)部 RAM 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 兩個(gè) 16位計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器 5 個(gè)中斷源 AT89C51 單片機(jī)的 引腳功能 本次選用的 AT89C51單片機(jī)采用 40引腳雙列直插式封裝（ DIP） 形式。下面分別說(shuō)明這些引腳的意義和功能。 VSS：接電源地。 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 （ 1） P0口（ ～ ） P0口 是 一個(gè) 8位 雙向 I/O口， 它的 每 跟管 腳 都 可 吸 收 8TTL的 門(mén)電流。 P0可 用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，此時(shí)它 作 為數(shù)據(jù) /地址的第八位。 （ 2） P1口（ ～ ） P1口是一個(gè) 由單片機(jī) 內(nèi)部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O口， P1口緩沖器能接收輸出 4TTL門(mén)電流。在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口作為第八位地址接收。并因此作為輸入時(shí)， P2口的 管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2口輸出地址的高八位。 P2口在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。當(dāng) P3口寫(xiě)入 “1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。 P3口也可作為 AT89C51的一些特殊功能口 使用，各位的作用如下表 31所示所示： 表 31 P3各口線的第二功能表 端口 第二功能 信號(hào)名稱 RXD 串行數(shù)據(jù)接收口 TXD 串行數(shù)據(jù)發(fā)送口 INT0 外部中斷 0請(qǐng)求輸入 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 INT1 外部中斷 1請(qǐng)求輸入 T0 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0的外部輸入口 T1 定時(shí)器 /計(jì) 數(shù)器 1的外部輸入口 WR 外部 RAM寫(xiě)選通信號(hào) RD 外部 RAM讀選通信號(hào) 3． 控制信號(hào)引腳 RST：復(fù)位輸入 引腳 。 ALE/PROG：當(dāng) 單片機(jī) 訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存 所 允許的輸出電平 將 用來(lái) 鎖存地址的地位字節(jié)。 一般情況下 ， ALE 引腳 端以 恒定 的頻率周期 來(lái) 輸出正 向 脈沖信號(hào)，此 時(shí)的 振蕩 頻率 是振蕩器 振蕩 頻率的 1/6。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是ALE 才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE禁止，置位無(wú)效。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。 EA/VPP ：當(dāng) EA 保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出 單片機(jī)的時(shí)鐘電路 AT89C51 單片機(jī)芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成時(shí)鐘振蕩電 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 路， XTAL1 為該放大器的輸入端、 XTAL2 為該放大器的輸出端，由該放大器構(gòu)成的振蕩電路與和時(shí)鐘電路一起構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘方式。內(nèi)部時(shí)鐘方式如圖 33所示，外部時(shí)鐘方式如圖 34所示。 復(fù)位方式： 系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行和重新啟動(dòng)靠復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種工作方式為復(fù)位方式。 圖 35 上電自動(dòng)復(fù)位 圖 36 上電 /手動(dòng)按鍵復(fù)位 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 程序執(zhí)行方式 ： 單片機(jī)基本工作方式，可分為連續(xù)執(zhí)行工作方式和單步執(zhí)行工作方式。單片機(jī)復(fù)位后， PC值為 0000H，因此單片機(jī)復(fù)位后立即轉(zhuǎn)到 0000H處執(zhí)行程序。 ② 單步執(zhí)行工作方式：用戶調(diào)試程序的一種工作方式，在單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)上有一專用的單步按鍵（或軟件調(diào)試環(huán)境）。單步執(zhí)行方式是利用單片機(jī)外部中斷功能實(shí)現(xiàn)的。是針對(duì) CHMOS類芯片而設(shè)計(jì)的， HMOS型單片機(jī)不能工作在節(jié)電方式，但它有一種掉電保護(hù)功能。 ② CHMOS單片機(jī)的節(jié)電方式： CHMOS型單片機(jī)是一種低功耗器件，正常工作時(shí)電流為 11～ 22mA，空閑狀態(tài)時(shí)為 ～ 5mA，掉電方式為 5～ 50?A。 編程 和校驗(yàn)方式 ： 用于內(nèi)部含有 EPROM的單片機(jī)芯片，一般的單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)都提供實(shí)現(xiàn)這種方式的設(shè)備和功能。其存貯空間分配如下。 80H～ 83H MCS— 51 8031 84H～ 87H 字形鎖存 88H～ 8BH 字位鎖存 8CH～ 8FH 讀鍵值 90H～ 9FH 用戶使用 硬件電路的設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路由以下幾部分組成： 主控制器。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。 包括只讀可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 接口。 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖 如圖 41所示： 圖 41 數(shù)控系統(tǒng)的 硬件框圖 主控制器 CPU的選擇 AT89C51系列單片機(jī)是集中 CPU,它有如下特點(diǎn)： 1． 可靠性高。 并且，它的 系統(tǒng)軟件 （ 如：程序指令，常數(shù)，表格 等） 均 固化 于 ROM中，不 易 受 到 病毒 的 破壞。 2． 便于擴(kuò)展 。 3．控制功能較強(qiáng)。 4． 實(shí)用性好 。 綜上所述，由于它具有以上優(yōu)點(diǎn) ， 所以本設(shè)計(jì) 選用 AT89C51單片機(jī) 作為主控 制 芯片。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 1． 選用 ULN2020A 芯片 構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路 。 ULN2020A 具有如下特點(diǎn)： ULN2020A 的工作電流大，工作電壓高，其灌電流可以達(dá)到 500mA，且在關(guān)態(tài)時(shí)能承受 50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流的情況下并行運(yùn)行； 圖 42 ULN2020A引腳圖 2． 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路 如圖 43 所示。由于內(nèi)部時(shí)鐘電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需外部施與時(shí)鐘信號(hào)，故本次設(shè)計(jì)采用內(nèi)部方式。晶體的振蕩頻率可在 ～ 12MHz 間任選，耦合電容在 5～ 30PF 之間，這種方式對(duì)時(shí)鐘具有微調(diào)作用。單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種復(fù)位方式。 超程報(bào)警電路 為了防止工作臺(tái)超程，可分別在極限位置安裝限位開(kāi)關(guān)。當(dāng)某一方向超程時(shí)， 湖北理工學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 應(yīng)立即使工作臺(tái)停止移動(dòng)。為達(dá)到報(bào) 警的效果，要用到中斷方式，這里采用 AT89C51 的外部中斷方式，任何一個(gè)行程開(kāi)關(guān)閉合（即工作臺(tái)在某一方向超程），均會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)。正常工作時(shí)，綠燈亮；超程報(bào)警時(shí)，紅燈亮。 圖 44 報(bào)警指示燈 電路 掉電保護(hù)電路 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 RAM 最怕掉電，一但掉電，則里面存儲(chǔ)的信息就會(huì)全部丟失。數(shù)控系統(tǒng)中的一些重要的現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)，如幾何尺寸，工藝參數(shù)等都是存儲(chǔ)在 RAM 中的，掉電后，數(shù)據(jù)將會(huì)丟失。這樣，恢復(fù)供電后，系統(tǒng)又能馬上運(yùn)行。斷電后， 1D 截止， 2D導(dǎo)通，此時(shí) RAM 的工作電壓由電池電壓由電池 BV 經(jīng)二極管 2D 和電阻 R 供給，BV 值一般取 3V時(shí)，存儲(chǔ)器就能可靠的保持信息。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流較大，如果功率放大器直接接輸出信號(hào)，將導(dǎo)致強(qiáng)電干擾。所以一般在功率放大器與接口電路之間都要接上隔離電路。光耦合 器是以光為媒介傳輸信號(hào)的器件，其輸入端配置發(fā)出光源，輸出端配置接受光源，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。 1． 光耦合器的選用 本案選用的是普通的信號(hào)隔離用光耦合器 (TLP5211)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖46。 圖 46 TLP5211 光耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式 圖 2． 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 41 則給出了 TLP521 系列光耦合器推薦的工作參數(shù)，表 42 將給出 TLP521 系列光耦合器的主要參數(shù)。它運(yùn)行與 Windows 操作系統(tǒng)上，可以仿真、