课程设计论文普通车床单片机控制系统设计

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1、 课程设计论文 普通车床单片机控制系统设计 学生姓名： 学号： 电大分校： 工作站（教学点）： 四○四厂电大分校 学生所在单位： 中核四0四总公司 论文指导教师： 摘要：本文论述了选择PHILPS公司的89C58微控制器，采用I/O接口向系统各部分发出各种命令，同时对车床的参数进行巡回监测、数据处理以及控制计算、逻辑判断，使机床的

2、X、Z轴的动作精度得到控制、刀架实现自动切换。并利用包括显示器、键盘等人机交互设备使得程序设计功能得以实现。 关键词：普通车床 单片机 控制系统 1、数控系统的硬件设计 计算机控制系统的硬件包括计算机、输入输出通道、人机交互接口、外部存储器等。计算机是计算机控制系统的核心，其关键部件是CPU。由通过接口向系统各部分发出各种命令，同时对工业对象的参数进行巡回监测、数据处理以及控制计算、逻辑判断等。输入输出通道是计算机与生产过程之间传递信息的通道，负责计算机与工业对象的信息传递与变换。人机交互设备包括显示器、键盘等。

3、 1.1 CPU系统的设计 8位单片机的控制功能较强，品种最为齐全。其片内资源丰富和功能强大，主要在工业控制、智能仪表、家用电器和办公自动化系统中应用。因此，我们选择的微控制器采用PHILPS公司的89C58。 ⑴ 89C58芯片简介 89C58芯片主要特性为： ①80C51CPU；与MCS-51兼容； ②低工作电压：2.7~5.5V，具有正常、空闲、掉电3种工作模式； ③工作频率：0~33MHz； ④存储器寻址能力：64KbROM和64KbRAM，内含32Kb的FLASH存储器； ⑤4个8位I/O口，兼容CMOS和TTL，3个16位定时器/计数器，6个中断源，4个中断优先级

4、； ⑥全双工增强形UART：帧错检测，自动地址识别。 ⑵ 用户加工程序存储器、串口电路的设计 ①考虑到数控系统的运行环境以及数控系统对加工程序数据掉电保护的要求，系统采用DALLAS公司生产的存储器芯片DS1243Y来存储用户加工程序。该芯片内含8KbNV RAM、内置式实时时钟、嵌入式锂电池和32768Hz晶振，它具有高可靠上电、掉电及强电磁冲击等数据保护功能，还具有读/写速度快、方式简单、次数无限的特点，并可为数控系统的运行提供实时时钟。该芯片引脚排列与一般的静态RAM6264完全兼容，可直接替代6264，因此，它与89C58的接口非常方便，具体接口电路如图纸（一）。 ②数控系统与

5、上机位（PC机）的串行通信由1片MAX232芯片完成。接口电路如图纸（一），其中89C58的TxD、RxD分别与MAX232的T2IN、R2OUT相连，而MAX232的T2OUT、R2IN接至PC机。 ③时钟、复位电路的设计。系统时钟由89C58内部振荡电路与外接晶振、电容共同产生，晶振频率12MHz。复位电路主要由IMP813L构成，其RST信号与步进电机限位保护输出信号进行或逻辑运算后接至89C58的RESET引脚，复位操作可由上电、按复位键、限位保护控制电路完成。 1.2 键盘/显示子系统的设计 在微型计算机系统中，键盘和显示器是必不可少的I/O设备。系统键盘接口电路由专用键盘/显

6、示控制芯片8279来控制。它与微控制器89C58的接口电路如图纸（一）。 系统采用图形点阵式液晶显示器MGLS-240128T，只要向它送入相应的命令和数据就可实现所需要的显示，由于液晶显示器具有显示容量大，使用起来灵活方便的特点，因此，系统键盘监控管理可方便地设计成菜单驱动方式，从而实现编辑模块的全屏编辑功能。接口电路如图纸（一）。 1.3 I/O接口的设计 I/O接口是微处理器与外界联系的通路，完成必要的数据格式和信号形式的转换。因此，I/O模块以可编程并行接口芯片Intel8255为主体，它有三个8位并行口，通过8255实现89C58与电动刀架控制、步进电机控制及光电编码

7、接口电路的连接，具体电路如图纸（一）。 13.1 步进电机控制接口 步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移的执行元件，它是通过控制各相绕组的通电顺序来控制步进电机的回转角度和旋转方向的。因此要使电动机正常的一步一步运行，控制脉冲必须按一定的顺序分别供给各相。该工作需通过环形脉冲分配器来完成。 ①环行脉冲分配器 环行脉冲分配器的主要功能是把来自数控系统的时钟脉冲串按一定的规律分配给各相功率放大器，使步进电动机相应的励磁绕组通电或断电,以实现步进电机按确定的运动方式工作。脉冲分配有两种方式：一种是硬件环形分配器，另一种是软件环形分配器。 硬件环形分配器可靠性高、尺寸小、使用方便，接线简单

8、，而软件环形分配器编程较复杂，因此本设计采用硬件环形分配器。 X、Z两轴采用两台110BF003型号直流步进电机驱动，为三相六拍工作方式，步进电机运动所需的步进脉冲信号由硬件环行脉冲分配器PMM8713产生，选用2片8713，用以实现X、Z方向的进给运动。因此，8713的5、6脚接高电平，7脚接低电平，3脚输入步进脉冲，4脚输入转向控制信号（3、4脚控制信号由8255的PA口提供），13、12、11引脚分别输出A、B、C相步进脉冲。8713与8255、89C58的接口如图纸（一）。 ②细分驱动 由于环形分配器的输出信号只有几十毫安,而步进电机的绕组电流通常需要数安培,因此,输出信号需要进

9、行功率放大.步进电动机的绕组是铁心电感线圈,在每一电压脉冲期间,步进电动机的工作都是处于过渡过程状态,由于电感的影响,电流不能瞬时地跟随电压波形变化.频率越高,滞后就越严重,这就使力矩受到影响,造成失步。为了消除步进电机的低频振荡，提高它的输出转矩和分辨率，步进电机的驱动采用恒频脉宽细分驱动控制方法。具体电路如图一。 工作原理：89C58通过定时器TO输出20KHz的方波，送D触发器，作为恒频信号。同时，输出的阶梯电压（Ua）的数字信号到D/A转换器，作为控制信号，Ua的每一次变化，都使转子走一细分步。细分驱动使步进电机的实际步距角变得更小，从而大大提高对执行机构的控制精度。 8255

10、 图1 步进电机、电动刀架及限位保护电路接口 1.3.2电动刀架控制接口 由于改造后的车床为经济型的数控车床，所以从经济、实用的角度出发，我们选择的刀架具有4个工位，在控制电路的作用下依靠其机械部分实现刀具旋转。电动刀架控制接口电路如图一。图中，89C58经过8255的PC口发出刀位控制信号，控制刀架电机正、反转，通过继电器KA1、KA2控制电动刀架的动作切换，到达指定的刀位。在刀架的旋转过程中，每个工件上的霍尔元件会依次切换为有效状态，系统根据刀号反馈信号T1、T2、T3、T4状态的变化，推断出目前的刀号，并判断是否为当前所选用刀具，一旦符合，

11、则刀架电机反向旋转，锁紧刀具。 1.3.3限位保护控制接口 步进电机的运动由四个行程限位开关实现保护。四个限位开关为常开状态，正常时输入信号X+、X-、Z+、Z-为低电平，它们通过逻辑或运算后输出XW为低电平信号，再经光电隔离后与IMP813的RST信号相或，送到89C58的RESET引脚。当四个限位开关中有一个被压下，则XW为高电平，从而产生有效的RESET信号，迫使系统热启动，步进电机停运，起到保护作用。限位保护控制接口电路如图一。 1.3.4螺纹加工控制接口 当加工螺纹时，与主轴相连的光电编码器发出螺纹信号，送入8255的PB口，通过设置不同的时间常数来加工不同螺距的螺纹。

12、 2.数控系统的软件设计 软件是指管理计算机的程序以及过程控制应用程序。由系统软件和应用软件组成。 2.1数控系统监控程序的设计 监控程序是实现计算机数控装置协调工作的主体软件。本数控系统的监控程序采用模块化设计，全程菜单驱动，具有容错性强、使用方便的特点。共由五大模块组成： ①手动模块。该模块主要实现工作台在x、z两轴上正、反两个方向的点动、联动操作，以及手动控制换刀等，用于方便对刀、工作原点设置等。 ②自动模块。 该模块主要实现加工程序的处理（包括程序语法检查、程序编译、数据处理等）、插补运算、步进电机的控制及自动换刀等。 ③参数设置模块。该模块主要用于实现刀具补偿参

13、数设置、间隙补偿参数设置等自动加工参数的设置。 ④编辑模块。该模块主要实现零件加工程序的键盘编辑、输入，具有类似于EDIT编辑器的全屏编辑功能，是整个系统软件的重要模块。 ⑤通信模块。该模块主要实现与上位机或其它智能设备的串行通信，可用于加工程序的传送等。 整个数控系统的监控程序流程框图如图二。 2.2步进电机的速度控制和升/降速控制 ① 步进电机的调速控制 当步进电机的齿数和拍数一定时，电动机的转速与输入脉冲频率成正比，因此步进电机的速度通过微控制器89C58发出的步进脉冲频率来实现。由于环形脉冲分配器采用8713，因此，步进电机的调速通过定时器中断的方法来实现。 ②步进电机的

14、升/降速控制 该程序可使进给指令脉冲平滑地进入环型分配器，避免失步。升/降速控制原理：步进电机启动或速度突变时，电机从突变速度Vo开始加速，当速度达到规定的最高速度Vmax时，开始匀速运动，当达到Smax点时，速度应突变为Vo，这样电机就能迅速而准确的达到预定目标。为了控制方便，通常加、减速均取直线规律，且斜率绝对值相同。在设定定时时间常数应注意，加速时定时常数增加，减速时定时常数减小。 软件实现方法：设ΔS为每个频段上所定的步数，S为已走步数，f为该段速度频率，fmax为步进电机的最高工作频率，则步进电机的升/降速控制程序流程图如图三。 图2数控系统的监控程序流程框图 .. 图

15、3 步进电机升/降系统控制流程图 3.结束语 综上所述，通过对普通车床单片机数控系统的设计，详细分析了制单片机数控系统的特点，学习了PHILPS公司的89C58微控制器，及相关I/O接口控制电路的特点及功能。拓展了有关数控系统的知识面，为进一步设计灵活、可靠的机床数控系统打下了基础。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识太理论化了，面对单独的课题的是感觉很茫然。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。综上所述，通过对工作台的设计，对在设计在要考虑到的各种设计有了进一步了解，步进电机选择有认识，为以后的工作中进行相应的设计打下了基础。 参考文献 ⑴微机控制与接口技术.王岚主编.中央广播电视大学出版社 ⑵机床计算机数控及其应用.刘跃南主编.机械工业出版社 ⑶单片机原理与应用.贾金玲主编.电子科技大学出版社 [4] 李建勇.机电一体化系统设计基础.北京:中央广播电视大学.200 [5] 顾乐观.自动控制原理. 重庆：重庆大学出生社. 2000