毕业设计雨辰经济型数控钻床控制系统硬件电路设计全套图纸.doc

雨辰教育 自动化学院 本科毕业设计（论文）题目： 经济型数控钻床控制系统硬件电路设计 专 业： 自动化（数控技术应用） 班 级： 学生姓名： 1334095854QQ 指导教师： 雨辰教育 起迄日期： 设计地点： _ Graduation Design (Thesis) Hardware Design of Economic NC Drilling MachineByHuang Li gangSupervised byAssociate Prof. Hua mao faDepartment of Automation EngineeringNanjing Institute of Technology摘 要本文介绍了经济型数控钻床控制系统硬件电路的设计方法。该控制系统以8031为主CPU，用它来控制整个数控钻床的工作,另外选用89C2051作从CPU ，实现对八位LED动态显示电路的控制。主CPU 8031扩展了外部程序存储器27256和数据存储器6264，外部程序存储器用于存放系统程序；数据存储器用于存放加工程序和数控系统处理的中间数据。本设计用8155来实现键盘接口电路的扩展。数控钻床的MDI方式包括手动、自动、空运行、回零、编辑等，它的扩展本设计选用了8255芯片的PA口。步进电机控制信号由8031发出，通过总线驱动，由74LS273D触发器向外发送。利用8155和8255的剩余口进行输入输出接口电路的扩展。各芯片间信息的相互传递，通过数据总线和控制总线来实现。加之以相应的软件，此系统就构成了完整的数控钻床控制系统。它不仅可以作为经济型数控钻床的控制系统，还可用作对普通钻床的数控改造。在国内的中小企业将有一定的应用市场。关键词：数控钻床；控制系统；电路设计；ABSTRACTKey words： Numerical control drilling machines; control system; design of circuit目 录 第一章 绪论11.1 引言11.2 选题背景与意义11.3 研究现状21.4 本文的结构3第二章 数控钻床控制系统电路设计42.1 设计总体思路及结构.52.2 数控钻床控制系统主CPU的选择52.3 控制系统复位电路的设计6 2.4 存储器扩展电路设计72.5 键盘扩展电路设计11 2.6 显示电路设计14 2.6.1 八段数码管动态显示电路.14 2.6.2 十六段数码管静态显示电路.212.7 输入/输出信号接口电路设计222.8 步进电机控制信号输出接口电路设计252.9 译码电路设计.25第三章 控制系统电路原理图以及PCB图的绘制27 3.1 电路原理的图绘制27 3.2 PCB图的绘制28第四章 结论304.1论文总结304.2 感想30致谢32参考文献33附录A：英文资料.34附录B：英文资料翻译.41附录 C： 硬件设计PCB图48附录 D：硬件设计原理图及光盘第一章 绪 论1.1 引言 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。 目前我国机床总拥有量约为400 万台，其中数控机床只有8 万多台，远远低于美国、日本、德国、韩国等制造业发达国家机床数控化率20 以上的水平。主要表现在设备老化陈旧、自动化水平低、技术水平落后、劳动生产率低，严重影响了生产力的发展。采用先进的工艺设备，逐步增加数控机床所占比重，已经成为我国制造技术发展的总趋势，也是企业走出困境、提升水平，实现跨越式发展的必由之路。提高机床数控化率有两个途径：（1）购买新的数控机床； （2） 把普通型的旧机床改造成数控机床。目前我国的普通钻床仍占很大比重，所以才会出现上述的大量求购意向，而且还有的小型企业不愿废弃原有的普通钻床，想要在已有的普通钻床基础上进行数控改造，这都需要开发适合普通机床改造的经济型数控系统。1.2 选题背景与意义2.3 控制系统复位电路设计 当振荡器运行时，在RST(9脚引脚)上出现两个机器周期的高电平，使单片机复位。复位电路可分为系统上电复位和手动复位，如图2.2所示，系统上电瞬间电容C1和C4充电，与非门的两个输入端为低电平，输出高电平使系统复位。按下“复位”按钮与“急停”按钮都可使系统复位。当按下复位按纽时，与非门“2”号引脚经电阻分压所得低电平，使单片机复位。当急停键没按下时，此端管脚处于高电平，即与非门的一个管脚“1”为高电平，此时若连接与非门的另一个管脚的复位按钮没按下，则“2”号引脚也为高电平，两个高电平与非所得低电平，8031不复位。若按下急停键，与之连接的二极管导通，“1”号引脚为低电平，此时无论复位按钮有没有按下，与非门的输出端为高电平，使8031复位，同时INTO的输入端口为低电平，向CPU申请中断。 2. 图2.2 控制系统复位电路图2.4 存储器扩展电路设计一分压电路，见下图2.4。两个电阻R1和R2的阻值分别为5.1K和10K，经计算CS端口分压所得电压约为3.3V。又因为6264是随机存储器，所以如果不外接电源，系统一但掉电，其中的数据将会丢失，为了保存其中有用的数据，本模块还设计了掉电保护电路。 如图2.5所示，当系统没有掉电时，上面的二极管导通，由于干电池的电压小于5V，所以下面的二极管截止，6264由系统供电。当系统掉电时，下面的二极管导通，6264由干电池供电。 CS2图2.16 74LS273地址选择图由上表2.9和图2.16可知，当A0A15为0010,0100,0000,0000B即2400H时（没有用到的地址线都为0），且写信号由低向高跳变时，“11”号引脚出现上升沿，触发数据由D端送入Q端。时序如图2.17所示。地址 数据 写信号图2.17时序波形图 由图2.16可以看出，74LS273的时钟信号接89C2051的中断请求信号口P3.2。如图2.17所示，当地址信号与写信号同时为低电平时（此时时钟信号处于上升沿之前）中断请求信号有效，89C2051进入中断程序，为接收数据作好准备。当时钟信号上升沿到来时，数据由74LS273引入，89C2051正确接收数据，并存贮。2.6.2 十六段数码管静态显示电路4 制作I/O端口由于本设计课题涉及多个模块，而每个模块中又有多个电路相连接。所以必须对I/O端口连接十分熟悉。通常一个电路与另一个电路连接在一起，有三种方法：1）通过导线连接。2）通过设置相同的网络标号连接。3）通过制作相同名称的输入/输出（I/O）端口连接。 在Protel99SE中，具有相同的I/O端口的电路被视为同一网络，即在电气关系上认为它们是连接在一起的。而我认为第二种方法比较适用于数控钻床的原理图绘制。因为使用此方法原理图看起来更加简洁。3.2 PCB图的绘制当原理图准确无误时可以生成网络表，然后导入网络表就可生成PCB图。简单的说，PCB是一个载体，是用于焊接实际电子元件、具有电气特性的板子。由于单层板不易布线，特别是在本设计电路中，如果用单层板来布线，它的弊端将更加明显。所以我选择用双层板来布线。在生成网络表时发现有几个元件没有封装形式，比如在原理图自己建库的LED数码管，所以必须通过手动的方式创建一个封装文件，以便在PCB编辑器中调用。其基本步骤如下：1）在14.ddb设计数据库中，选择“FileNew”命令，打开“NEW Document”对话框。在其中双击“PCB Library Document”文件类型图标，便新建一个PCB封装文件。在双击该库文件即打开PCB库编辑器。2）单击库编辑器左侧管理面板上的Rename按钮，在打开的对话框中为新建的元件封装输入一个封装名，如输入“数码管”3）单击OK按钮，则当前编辑元件封装名为“数码管”。4）在工作平面上单击“TopOverlay”工作层标签，使其成为当前工作层。然后单击 “PCBLibPlacementTools”工具栏上的按钮开始画直线。5）在需要转折的地方按Shift+Space键，将连线的方向变为任意方向。6）在转角处单击鼠标左键确认一段直线的绘制完成后，继续绘制其他直线。7）单击放置焊盘按钮执行放置焊盘操作，此时 十字光标上带有一个焊盘。第四章 论文总结4.1 论文总结 1、主要工作及结论 在这三个多月的毕业设计中，我完成了数控钻床硬件电路控制系统的设计。整个设计过程可分为五个阶段，他们分别是：（1）可行性分析（2）总体方案的确定（3）分模块地设计各功能电路（4）总电路图的绘制（5）印制电路板的生成。各阶段具体工作如下：在设计课题选择之前，我对经济型数控钻床控制系统设计的可行性及市场价值作了充分的市场调查，其中包括去大型的国营企业“南京浦镇车辆厂”参观、调研。发现该厂的绝大多数钻床都是普通钻床，而普钻的弊端也日益显露，如工人的劳动强度相对较高，效率较低，精度达不到要求等。这就为普通钻床的数控改造提供了一个很好的前提。经过各方面考虑，我选择了用8031单片机为核心芯片，开发数控钻床控制系统，从CPU我选择了89C2051。存储器扩展芯片我选择27256ROM和6264RAM，键盘扩展我选用了8155和8031的P1口，步进电机控制信号输出我选择74LS273。七个模块可实现的功能分别为：（1）主CPU模块 以8031作为主CPU，P1口用于手动键盘的输入端，分别控制，X轴、Y轴、Z轴以及起动、停止、超程报警。急停和复位分别接与非门的两个输入端，输出端接8031的RESET。（2）存储器扩展电路模块 选用27256 32KB程序存储器对8031进行程序存储器扩展。选用6264 8KB数据存储器，进行数据存储器扩展。 （3） 键盘扩展电路模块 它分为两部分，分别是8155矩阵键盘扩展电路和8031P1口手动键盘扩展电路。实现了人机对话。 （4）显示电路模块 分为动态显示电路和静态显示电路。四排动态显示是由89C2051来控制的，它用来显示数字字符。十六位静态显示是由8031主CPU控制的，它用来显示英文字符。 （5）输入输出接口电路扩展模块 它分为8255扩展电路和8155 I/O信号接口电路。8255的PA口作为MDI（自动运行、空运行、回零、编辑、手动）方式的输入端，PB口和PC口用于CPU与外部信号的收发。8155的PB口用于CPU与外部信号的联络。4.2 感想通过这次毕业设计,我从中学到了很多真正的工程知识,培养了工程意识。我感到它把我大学四年中学习到的零散的专业知识拼凑成了一个整体,融入到了本课题中。还使我深刻地体会到了，想要较好地完成一项工程设计，成为一名工程本毕业设计包含了论文文档和CAD图纸；毕业设计文档使用Word 2003撰写；图纸类型AutoCAD2010.dwg。 完整图纸和论文请联系雨辰教育。QQ:1334095854 TEL最重要的一点就是，对于一名刚开始进入设计领域的入门者而言，一定要有一位知识渊博，有责任心的导师给予设计者精心的指导。而我无疑是幸运的，我的导师华茂发教授，在我们完成毕业设计的三个月中，对我们一组的每个学生都给予尽心尽力的指导：逐个元件地分析原理，逐字逐句的修改论文。在这里我想衷心地对华老师道一句：“华老师，您辛苦了！” 致 谢本设计的指导工作是在我的导师华茂发教授的精心指导和悉心关怀下完成的，在我的学业和设计工作中无不倾注着导师辛勤的汗水和心血。导师的严谨治学态度、渊博的知识、无私的奉献精神使我深受的启迪。从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意。在我的毕业设计和论文撰写过程中，姚保华、鞠磊、王俊杰、单伟等提出了有建设性的意见和建议，在此，向他们表示深深的感谢。在多年的学习生活中，还得到了许多学院领导、系领导和老师的热情关心和帮助。我也要感谢我的父母和亲人，他们在我的学业中给了我莫大的鼓励、关爱和支持。最后，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的谢意！衷心地感谢在百忙之中评阅我的论文和参加答辩的各位老师！ 参 考 文 献1.王新贤.通用集成电路速查手册.山东：山东科学技术出版社.2002年.2.何立民.MCS51单片机应用系统设计.北京：北京航空航天大学出版社.1990年1月.3.窦振中.单片机外围器件实用手册输出通道器件分册.北京：北京航空航天大学出版社.2003年.4.王福瑞.单片微机测控系统设计大.北京：北京航空航天大学出版社.1999年.5.叶佩青.MCX314运动控制芯片与数控系统设计.北京：北京航空航天大学出版社.2003年.6.李