基于单片机的仪表车床简易数控系统的实现.doc

毕业设计(论文)基于单片机的仪表车床简易数控系统的实现系 别自动化工程系专 业测控技术与仪器班级学号5061015姓 名李城剑指导教师宋爱娟2010年 6 月 15 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第i页基于单片机的仪表车床简易数控系统的实现摘 要随着时代的发展，数控技术获得了广泛的应用，以单片机为控制核心，以步进电机为执行元件的数控系统，由于其结构简单，价格便宜，经济型数控机床，很适合我国小型企业使用。文中首先总结了国内外数控技术的发展现状和趋势，讨论了经济型数控系统的工作原理和功能，在此基础上，系统地分析了所研制数控系统的硬件设计和软件设计。系统硬件设计时，选用at89s52芯片为控制核心，设计一套硬件系统较简单、经济，但功能较为齐全，适应性强，操作方便，可靠性高的，能够有机地把电子技术、单片机技术、电机的控制技术结合起来数字控制系统。而且还分析了步进电机的工作原理，然后以单片机为主控制器提出了整个系统的硬件设计方案，在此基础上对各个模块的电路进行详细的设计。另外，本文就研制数控系统过程中的几个关键问题展开了深入的研究，即：插补原理与方法、液晶显示的实现、刀补原理与实现方法。关键词： 数控系统,插补,单片机,步进电机,显示 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 iv 页simple microcontroller-based instrument lathe cnc systemauthor: lichengjiantutor: songaijuanabstractwith development of technologies，nc technology has been used widely，displaying the nc by the numbers based on scm from the simplest nc to the advantest cnc to realize the nc plotting function.at first, this paper summarized the current status and development tendency of the domestic and foreign nc technology, discussed the work and function of the economical nc system principle, in the foundation, systematically analyzed the hardware and software functional design of the numerical control system is developed .when the system hardware is designed, chose the. at89s52 chip as the control core .the system software functional design mainly includes edition, automatic processing, simulation and parameter hypothesis.moreover, this paper discussed the solution of the four key problems in detail .namely: the principle and method of interpolation, the realization of liquid crystal display, tool compensation and its realization method, semi-closed control research .finally, the paper has forecast the tendency of reaching experimental nc.key words: numerical controller, interpolation, single chip microprocessor, step electric motor, liquid crystal display 目 录1 绪论11.1 数控技术发展简史11.2 数控技术在国民经济中的作用11.3 数控技术在国内的发展21.4 课题研究的背景及意义31.4.1 背景31.4.2 意义41.5 课题研究的主要内容52 系统总体方案设计62.1 总体方案62.1.1 设计参数62.1.2 系统组成72.2 系统的坐标系72.3 系统的功能分析83 系统硬件电路设计103.1 cpu及存储器的扩展设计103.1.1 cpu的选择103.1.2 程序存储器扩展123.1.3 数据存储扩展133.2 键盘电路和lcd显示电路设计143.2.1 键盘电路143.2.2 lcd电路设计163.3 i/o口扩展及其外围电路设计173.3.1 可编程外围并行接口设计183.4 步进电机控制设计193.4.1 步进电机的工作原理193.4.2 步进电机的选择213.5 步进电机驱动与隔离选择223.6 开关量输入、输出通道设计243.6.1 开关量输入通道243.6.2 有触点开关量243.7 系统抗干扰措施243.7.1 硬件抗干扰技术253.7.2 软件抗干扰技术254 系统软件设计274.1 系统软件的总体框架简介274.2 键盘的功能设置294.3 零件程序的编辑304.4 加工程序模块设计304.5 加工程序的译码324.6 对刀程序模块设计325 若干关键技术的研究335.1 斜线插补335.2 圆弧插补35总 结38致 谢39参考文献40附 录41附录a 英文附录文献41附录b 英文文献译文45附录c 系统硬件电路49 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第9页1 绪论1.1 数控技术发展简史1949年，美国帕森公司在美国空军合作研制一种用于满足日益复杂的飞机叶片自动加工的计算装置时率先提出了机床数控的概念。1952年，美国麻省理工学院(mit)与帕森公司进行合作，制造出世界第一台三坐标数控铣床。这台机床的研制成功标志着nc技术的开创和机械制造新时代(数控时代)的开始。随着微电子技术和计算机技术的快速进步和发展，在短短几十年的时间内，数控系统经历了五代发展历程。（1）第一代数控系统电子管数控系统。以麻省理工学院研制的基于电子管和继电器的机床数控装置为标志。（2）第二代数控系统晶体管数控系统。诞生于20世纪50年代末，主要由固定布线的晶体管元器件电路取代了昂贵的、易损坏及难以推广的电子管控制电路。（3）第三代数控系统中、小集成电路数控系统。1965年以后，集成电路开始广泛应用于数控系统中，大大缓解了分立式元器件数控系统布线复杂、可靠性差、维修困难等问题。（4）第四代数控系统小型计算机数控系统。以1970年在美国芝加哥国际机床展览会上首次展出的小型计算机数控系统为代表。（5）第五代数控系统微型计算机数控系统(mnc)。由于微型计算机性价比不断提高，使其迅速渗透到各行各业，很快取代了小型计算机系统，成为计算机数控系统的核心。目前，计算机数控系统(cnc)均指由一个或多个微型计算机作为数控系统核心组件的数控系统。现代数控系统也主要是基于微型计算机的数控系统。1.2 数控技术在国民经济中的作用 数控技术经过半个多世纪的发展己经成为现代制造技术的基础，它的发展和应用标志着生产和控制领域一个崭新时代的到来，使世界制造业的格局发生了巨大变化。数控技术的广泛应用使机械制造业的生产方式、产业结构和管理方式发生了深刻的变化，它的关联效益、辐射能力更是难以估计。数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础。现代cad/cam、fms、cims和fa（自动化工厂）等都是建立在数控技术之上的。数控技术是国际商业贸易的重要组成部分，发达国家都把数控设备视为具有高技术附加值、高利润的重要出口产品，贸易额逐年增加。数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平重要基础产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，是当今制造业的发展方向。专家们曾预言:机械制造业的竞争，其实质是数控技术的竞争。鉴于此，发达国家把提高数控技术水平作为提高制造业水平的重要基础，竞相发展本国的数控产业。当前，以数控技术为主要标志的现代制造业成了美国、日本、欧洲等工业国家竞争的焦点之一。1.3 数控技术在国内的发展我国从1958年开始研究数控技术，一直到60年代中期处于研制、开发阶段。1965年，国内开始研制晶体管数控系统。60年代末至70年代初研制成功x53k-1g数控铣床、cjk-18数控系统和数控非圆齿轮插齿机。从70年代开始，数控技术在车、铣、钻、键、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。但由于电子元器件的质量和制造工艺水平低，致使数控系统的可靠性、稳定性问题没有得到解决，因此未能广泛推广。70年代至80年代初，国内的数控技术的发展总体步入徘徊期。但在这一时期数控线切割机床是个例外，由于其结构简单、使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。80年代我国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和伺服系统技术，并于1981年在我国开始批量生产。在此期间，我国在引进、消化吸收的基础上，跟踪国外先进技术的发展，开发出了一些高档的数控系统，如多轴联动数控系统、分辨率为0.02林m的高精度数控系统、数字仿形系统、为柔性单元配套的数控系统等，结束了国内数控技术徘徊不前的局面。到1985年，中国的数控机床新品种累计达80多种，包括加工中心、数控车床、数控铣床、数控磨床等，使得数控技术的发展总体进入实用阶段。90年代以后，中国在数控技术发展上制定并贯彻了“集中优势，突破关键，以我为主，发展产业”的方针，逐步形成了航天数控集团、华中数控和蓝天数控等生产普及型数控系统，建成了批量生产各种数控机床的若干产业化基地。同时，国内数控系统在技术上也趋于成熟，在高速主轴、快速进给、快速换刀、柔性制造、快速成型等技术上都取得了突破，一些重大关键技术已达到国际先进水平。这个时期，国内的数控技术获得了飞速发展，奠定了中国数控机床产业和现代数控技术的坚实基础。1.4 课题研究的背景及意义 1.4.1 背景一个国家的制造业水平在很大程度上可以体现国家的实力，国家的发展也在很大程度上依赖于先进的制造业，所以大多数国家都非常重视大力发展制造业，二战后，计算机控制技术、微电子技术、信息和自动化技术有了迅速的发展，并在制造业中得到了愈来愈广泛的应用，先后出现了数控(nc)、计算机数控(cnc)、柔性制造单元(fmc)、柔性制造系统(fms)、计算机辅助设计与制造(cad/cam)、计算机集成制造系统(cims)等多项先进制造技术与制造模式，推动着世界制造业进入一个崭新的阶段川。而在这些技术环节中，具有很多优点的步进电机就是一个重要角色，比如在数控技术中。步进电动机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为stepping motor、pu1semotor或 stepper servo，其应用发展己有约80年的历史。可以说步进电动机天生就是一种离散运动的装置，是纯粹的数字控制电动机，步进电机驱动器通过外加控制脉冲，控制步进电动机各相绕组的导通或截止，从而使电动机产生步进运动。就是说给一个电脉冲信号，电动机就转过一个角度或者前进一步，其输出转角、转速与输入脉冲的个数、频率有着严格的比例关系。这些关系在负载能力范围内不随电源电压、负载大小、环境条件等的变化而变化。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高。步进电机可以在宽广的频率范围内通过改变脉冲频率来实现调速、快速起停、正反转控制等，这是步进电动机最突出的优点。正是由于步进电机具有突出的优点，所以成了机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。比如在数控系统中就得到广泛的应用。目前世界各国都在大力发展数控技术，我国的数控系统也取得了很大的发展，我国己经能够自行研制开发适合我国数控机床发展需要的各种档次的数控系统。其中华中数控系统解决了“五轴联动”，为“神州”系列飞船顺列升空立下了汗马功劳。虽然与发达国家相比，我们我国的数控技术方面整体发展水平还比较低，但已经在我国占有非常重要的地位，并起了很大的作用。除了在数控系统中得到广泛的应用，近年来由于微型计算机方面的快速发展，使步进电机的控制发生了革命性变革。优点明显的步进电机被广泛应用在电子计算机的许多外围设备中，例如打印机，纸带输送机构，卡片阅读机，主动轮驱动机构和存储器存取机构等，步进电机也在军用仪器，通信和雷达设备，摄影系统，光电组合装置，阀门控制，数控机床，电子钟，医疗设备及自动绘图仪，数字控制系统，工具机控制，程序控制系统以及许多航天工业的系统中得到应用。因而，对于步进电机控制的研究也就显得重要了。为了得到良好的控制性能，对步进电机的控制的研究就一直没有停止过，许多重大的技术得以实现。上世纪80年代以后，由于微型计算机以多功能的姿态出现，步进电动机的控制方式变得更加灵活多样。原来的步进电机控制系统采用分立元件的控制回路，或者集成电路，不仅调试安装复杂，要消耗大量元器件，而且一旦定型之后，要改变控制方案就一定要重新设计电路，不利于系统的改进升级。基于微型单片机的控制系统则通过软件来控制步进电机，能够更好地发挥步进电机的潜力。因此，用微型单片机控制步进电机己经成为了一种必然的趋势，也符合数字化的时代发展要求。还比如为了适应一些领域中高精度定位和运行平稳性的要求，出现的步进电机细分驱动技术，就包括振荡器、环行分配器控制的细分驱动、基于单片机斩波恒流驱动、基于单片机的直流电压驱动三种常见驱动方式，除上述三种步进电机的驱动方案之外，目前报道的驱动方案还有根据汇编语或c语一言进行软件开发，在windows平台下利用visua1 c+6.0提供的串行通信控件mscolnln来实现pc机与步进电机控制器之间的数据通讯，最终实现由pc机直接控制步电机的方法；在windows平台下和单片机配合控制步进电机plc控制的脉冲驱动方案等等。但是这些高级优秀设备价格比较昂贵，对于中小型企业来说根本无法承受，以单板机或单片机为数控核心，以步进电机为执行元件，由于其结构简单，价格便宜，只需一万元左右就可以装备一台经济型数控机床，很适合我国中小型企业使用。采用步进电机作为伺服执行元件，不仅可以应用于经济型数控伺服系统，而且也可以辅以先进的检测和反馈元件，组成高精度全闭环数控系列，从而达到很高的加工精度。1.4.2 意义在满足一般工作要求的情况下，尽量使控制系统做到：系统硬件结构简单，成本低；功能较为齐全；适应性强；电机各种运行状态指示一目了然，操作方便；系统抗干扰和可靠性高；本论文就是采用这个思路进行设计。一般步进电机控制器都用硬件实现，虽然电路可以做到了高集成度，可价格较贵，功能相对较单一，并且设计要求有所改变，就得改变整个硬件电路，比较麻烦。而采用单片机的软件和硬件结合进行控制，运用其强大的可编程和运算功能，充分利用单片机的各种资源，能灵活的对步进电机进行控制，实现其不同模式、步数、正反转、转速等控制，如果需改变控制要求，一般只需改变软件就能适应新的环境，并且在本设计中利用动态扫描技术，把显示电路和键盘电路有机的结合起来，节约了单片机的端口，能做到一定的人机交换，而且为了抗干扰，提高可靠性，加入看门狗，在软件设计上加入去抖动，因此具有一定的应用价值。 1.5 课题研究的主要内容 本课题主要设计出以at89552单片机为控制核心，以步进电机为执行器件的简易数控控制系统，用汇编语言编写一个小型操作系统，来管理数控系统的各个功能模块，如手动、自动、编辑和液晶显示等功能。在切实掌握硬件电路的工作原理基础上，也能很好的锻炼软件编写能力。课题需要完成的主要内容如下： （1）选择at89552单片机芯片的基础上，深入了解芯片的功能和特点以及其外围接口电路，合理规划内存资源，编写小型操作系统，用来管理系统的液晶显示、手动操作、自动操作、文件编辑和执行程序的模拟仿真等功能模块；（2）合理编译相应程序，使其转化成平台数控系统可执行的文件；（3）在平台的硬件基础上，实现基本圆弧插补功能和直线插补功能；（4）编写出简单数控编写程序g代码；本论文第一章为绪论，第二章为数控系统总体方案设计，第三章为系统中所涉及的硬件电路设计简介，第四章为数控系统软件系统设计，第五章为若干个关键问题的解决，最后是总结和展望及参考文献。2 系统总体方案设计经济型数控是相对标准型(全功能)数控而言，在不同时期其含义不尽相同。其主要特点是价格便宜，精度中等，功能针对性强。为了保持经济型数控系统的生命力，设计时常把中、高档数控系统中的一些先进技术用到经济型数控系统中。针对国内经济型数控机床生产的情况和实际条件，确定本数控系统的功能特性如下：（1）具有较高的性价比；（2）软件结构设计合理，突出模块化设计，易于修改、扩充；（3）硬件功能模块划分得当，便于判断故障和维修；（4）可靠性高，保护功能好；（5）编程代码和坐标系定义等符合通用的国际标准；（6）显示功能，使用者能实时方便观察电机运动情况；2.1 总体方案2.1.1 设计参数系统设计具体要求如下：脉冲当量 y方向（纵轴） 0.005mm/脉冲 x方向（横轴） 0.005mm/脉冲快进速度 纵向 4000mm/min 横向 4000mm/min机床定位精度 0.015mm插补方式 直线、圆弧半闭环控制 无显示功能 lcd显示 2.1.2 系统组成 图2.1 系统结构框图如图2.1所示，本系统主要由控制板、液晶显示、电机驱动模块和键盘输入等模块组成。（1）控制板模块:以at89552单片机为核心，扩展6264和27512为数据和程序存储器，扩展可编程外围并行接口8255及可编程定时/计数器8253；（2）键盘输入模块:选用8279芯片，扩展一定的辅助电路形成具有输入和显示功能控制面板；（3）驱动模块:以l298n为核心的双极性桥式电路，控制两相制步进电机；（4）液晶显示模块:选用1602液晶显示控制器，它在同类产品中是功能最强的:具有功能较强的1/0缓冲器；指令功能丰富；四位数据并行发送。2.2 系统的坐标系数控开机时，必须先确定机床参考点，亦就是确定刀具与机床零点的相对位置。参考点确定以后，刀具移动就有根据。否则，不仅编程无基准，还会发生碰撞等事故。 图2.2 系统坐标示意图数控系统机床坐标系符合iso国际标准，按右手定则，以主轴轴心为z轴，以增大工件与刀具之间的距离的运动方向为正方向；y轴垂直于立柱，以增大与立柱的距离的运动方向为正向。再根据右手定则，就可以确定x轴的方向，如图2.2所示，坐标系x0 y0 z0，为机床坐标系，o0是机床零点，它是机床出厂前由机床生产厂家设定的，通过回零就可以建立机床坐标系。在本系统中，x-y零点是通过两个方向上的行程开关确定的。编程坐标系是编制零件加工程序时用来指定刀尖位置所用的坐标系。它是固定在工件上的，由编程人员根据零件图纸和工艺要求选取，一般的选择原则是使编程原点与零件的设计基准或定位基准重合。当零件在机床上定位装夹好之后，编程坐标系在机床上的位置就被确定下来，加工零件时，刀具(实际是刀尖)就按加工程序的规定在编程坐标系中运动。如图2.2所示，坐标系x1y1z1为编程坐标系，o1为工件零点。在系统仿真和实时加工时液晶显示屏上显示的坐标值均是指在编程坐标中的值。编程坐标称为工件坐标系，当在机床上对完刀后，编程坐标系便和工件坐标系统一了。编程坐标系原点也称为工件零点。2.3 系统的功能分析系统的功能分析是指满足用户操作和机床控制要求的方法、手段。简易数控系统的功能包括基本功能和选择功能。基本功能是指数控系统必备的功能，如实现两轴联动，加工出各种合格的轮廓。选择功能是指用户根据实际要求选择的功能。主要功能：（1）控制功能 控制功能是指数控系统能控制的轴数和能联动的轴数。xy工作台一般需要两轴联动，用来加工圆弧和斜线轮廓。（2）准备功能 g代码准备功能代码也叫g代码，是用来指定数控装置在程序段内准备某种加工方式而设定的代码，为数控系统的插补运算做好准备。目前150标准的g代码己经定义了100个，从goo-g99，由字母g后跟2位数字组成。这些准备功能包括:插补方式、平面选择、刀具补偿或刀具偏置、坐标偏移、主轴进给、循环代码等。这些代码按照它们在程序段内有效的范围又分为模态指令代码和非模态指令代码。模态指令代码是指该代码功能不只在它出现的程序段中有效，只要后面程序中不出现相同性质的代码或者该功能被取消，该代码一直有效。而非模态指令代码只在本程序段内有效，下一程序段若要使该代码继续有效，那么就要重新在该程序段内写出该代码。本系统设计实现一些简单的g代码，g00、g01、g02、g03等。（3）插补功能 插补功能是指数控系统实现零件轮廓加工轨迹运算的功能。本数控系统只提供基本的直线和圆弧插补功能。（4）人机对话功能 本系统使用lcd液晶显示，采用键盘和按钮进行综合操作，从而使操作变得直观、方便。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第50页3 系统硬件电路设计系统硬件电路设计的主要内容包括cpu的选型、1/0口以及存储器的扩展电路、键盘-显示电路、开关量的输入/输出电路、步进电机驱动电路以及抗干扰电路等设计，本章就这些内容展开研究、讨论。图3.1为数控系统总体设计框图。图3.1 系统总体设计框图从图中可以看出，系统选用atmel公司生产的8位单片机at89s52作为控制核心。考虑到数控系统程序代码存储量比较大，扩展了一片eprom芯片27512用做程序存储器；at89s52芯片内只有256kb的数据存储器(ram)，而一般数控系统需要存储的数据较多，必须外接数据存储器芯片进行适当扩展，故扩展一片sram芯片6264数据存储器，用来存放用户程序:键盘输入电路采用一片8279芯片来管理；扩展一片8255可编程接口芯片作为并行i/o口，步进电机、切削液泵电机等控制信号都经8255输出，一些进/出的信号均做了隔离放大处理；系统采用lcd显示，lcd的控制器选用1602芯片。系统硬件结构确定之后，如何实现系统硬件具体结构，如何实现各种功能模块电路，成为硬件设计的核心内容。实现同样的功能，采用不同的电路和模式，其效果并不是完全相同。以下对本平台中的各个单元模块予以介绍。3.1 cpu及存储器的扩展设计3.1.1 cpu的选择 at89s52是一种低功耗、高性能cmos的8位微控制器，具有8k在系统可编程flash存储器。使用atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80c51产品指令和引脚完全兼容，这大大方便了熟悉mc51用户编程。片上flash允许程序存储器在系统可编程，亦适用于常规编程器。at89s52具有以下标准功能：8位字长的cpu；可在线isp编程的8kb片内flash存储器；256b的片内数据存储器；可编程的32根i/o口线（p0p3）； 4.0- 5.5v电压操作范围；3个可编程的16位定时/计数器；双数据指针dptr0和dptr1；具有8个中断源、6个中断矢量、2级先权的中的系统；可在空闲和掉电两种低功耗方式运行；3级程序所定位；全双工的uart串行通信口；一个看门狗定时器wdt；具有断电标志位pof；振荡器和时钟电路的全静态工作频率为030mhz； 图3.2 at89552的管脚功能图与mcs-51单片机产品完全兼容。图3.2为at89552的管脚功能图。各管脚功能如下：gnd、vcc:分别为地和电源引脚；po.o-p0.7:p0口是一个8位漏极开路的双向i/o口。作为输出口，每位能驱动8个ttl逻辑电平。对po端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，po口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，po具有内部上拉电阻。在flash编程时，po口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。p1.0-p1.7:p1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p1口输出缓冲器能驱动4个ttl逻辑电平。对pl端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流。此外，p1.0和p1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入(p1.0/t2)和定时器/计数器2的触发输入 (p1.1/t2ex)。在flash编程和校验时，p1口接收低8位地址字节。p2.0-p2.7:p2口是带内部上拉的双向i/o口，向p2口写入“1”时，p2口被内部上拉为高电平，可用作输入口。当作为输入脚时被外部拉低的p2口会因为内部上拉而输出电流。在访问外部存储器和数据存储器时分别作为地址高字节和16位地址，此时通过内部强上拉传送“1” 。当使用8位寻址方式访问外部数据存储器时，p2口发送p2特殊寄存器内容p3.o-p3.7:p3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p3输出缓冲器能驱动4个ttl逻辑电平。对p3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流 。在flash编程和校验时，p3口也接收一些控制信号。p3口亦作为at89s52特殊功能(第二功能)使用，如下所述：rxd、txd为串行输入数出口；/int0、/int1为外部中断0和外部中断1；t0、t1为定时器0和定时器1的外部输入；/wr、/rd为外部存储器的读、写信号；rst:复位，该管脚出现2个机器周期的高电平即可复位；ale:地址锁存使能；psen:程序存储使能，ea/vpp:外部寻址使能/编程电压，在访问整个外部程序存储器时ea必须外部置低 。若为高，将执行内部程序除非程序计数器包含大于片内flash的地址。xtal1、xtal2:前者位反相振荡放大器输入和内部时钟发生电路输入；后者位反相振荡放大器输出。3.1.2 程序存储器扩展在机电控制系统中，目前用来扩展程序存储器的主要是eprom芯片。它有两种，一种是采紫外线擦除的eprom，另一种是采用电擦除的eeprom，两种芯片的引脚相同。为了匹配现有固化工具及系统程序容量，这里选用win bond公司的eprom，27512芯片，其管脚功中，ai是地址线；oi是数据线；/ce是片选线，低电平有效；/oe是数据输出选通线，也是低电平有效；vpp是编程电源；vcc是工作电源。27512共有64kb，16条地址线，其中的a8-a15分别接到at89s52的p2.0-p2.7，而低8位的ao-a7不能直接连到at89s52的po口，必须经过地址锁存器74ls373，at89s52的地址锁存允许信号ale接至74ls373的le端，用以传递锁存命令。ale信号的下降沿把po口输出的低8位a7-a0锁入74ls373中。27512的输出允许信号/oe是接地的，始终有效，故锁存器与其输出qo-q7是直通的，没有缓存。at89552的psen接27512的输出允许端/oe，用以传递片外程序存储器的读选通信号。at89s52的内部己有8kb的程序存储空间，如果不需要这一空间，可将其/ea引脚接地；如果需要使用这部分空间，/ea引脚必须接高电平，且片外扩展的eprom地址应从2000h开始。at89s52单片机的p0口是分时复用的地址/数据总线，而且与i/o口线复用，为了将地址总线与数据总线分离出来，以便同片外的电路正确连接，需要在单片机外部增加地址锁存器，构成片外三总线结构，一般常用锁存器74ls373。74ls373有直通、高阻、锁存3个状态。通过锁存信号输入端g和输出允许控制信号输入端/oe组合，可实现上述3个状态。当三态门的/oe=0且g=1时，三态门处于直通状态，允许1q8q输出到q0-q7；当/oe为高电平时，输出三态门断开，输出线q0-q7处于高阻状态；当/oe=0且g端出现下降沿时，为锁存状态。74ls373作为地址锁存器时，首先应使三态门的使能信号/oe为低电平，这时，当g输入为高电平时，锁存器直通状态，此时输出端q0-q7状态和输入端d0-d7状态相同；当g端从高电平到低电平（下降沿）时，输入端1d8d的数据锁入1q8q的8位锁存器，为锁存状态。它的锁存控制端g直接与单片机的锁存控制信号ale相连，ale下降沿进行低8位地址锁存，直到下一次ale变高，地址才发生变化。74ls138是一个广泛应用的地址译码器，3位输入a、b、c对应8位反向输出yo-y7，8选1，即yo-y7有一个输出为低电平有效，作片选。3.1.3 数据存储扩展在机电一体化设备的专用控制系统中，数据存储器通常选用静态ram(sram)。因为在使用sram时，无需考虑刷新问题，且与cpu的接口较简单。常用的sram芯片主要有 6116(2k8位)、6264(8k8位)、62256(32k8位)、628128(128k8位)等。本次设计中选用6264芯片，其中，ai是地址线；i/oi是双向数据线；/ce或/cs是片选线；/oe是数据读出选通线，通常与cpu芯片的/rd引脚相连；/we是数据写入选通线，一般与cpu的/wr引脚连接；vcc是工作电源，通常要求4.5v-5v。数据存储器的扩展与程序存储器的扩展，在地址线的处理上是相同的，所不同的是，除读选通信号各异之外，尚需考虑写选通的控制问题。6264芯片有一个片选/cs1，今用“3-8”译码器输出引脚cs0来选通它；8根数据线i/o7-i/o0直接挂在cpu的p0口；13根地址线a12-a0分为高5位和低8位，其中高5位与cpu的p2.4-p2.o引脚相连，低8位与地址锁存器74ls373的输出端相连；数据读允许引脚/oe与cpu的/rd连接；数据写允许引脚/we与cpu的wr连接。可以算出6264的地址范围是:0000h-1fffh。在很多应用场合，要求sram芯片内部的数据在掉电后不丢失，这时就需要增加掉电保护电路。sram属cmos芯片，静态电流小，正常运行时由电源对其供电，而在掉电状态下，由小型蓄电池对其供电，连续掉电后，蓄电池可维持数据3-5个月不丢失。3.2 键盘电路和lcd显示电路设计 键盘-显示功能是数控系统中的一个很关键的部分，它能实现向系统输入数据、传达命令和显示工作状况等，是人工干预的主要依据和手段。3.2.1 键盘电路键盘主要有独立式和矩阵式。前者一个按键接一个输入线，输入口浪费很大，用于按键数量较少的场合；后者多用按键较多的场合，可以节省很多i/o口。矩阵式键盘又可分为两大类：无编码器键盘和带编码器键盘。带编码器键盘采用硬件方法，当按键按下时直接给出该键的键编码，而且还能够消除抖动和解决重复键问题。键盘编码器有静态编码器，扫描式编码器和反相编码器等。无编码器键盘采用软件扫描法，逐行逐列地检查键盘状态，当发现有键按下时，用计算的方法来得到该键的编码。目前使用较多的是带编码器键盘。intel8279是一种通用可编程键盘-显示器接口芯片。它能完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘部分提供一种扫描工作方式，可于64个按键的矩阵键盘连接，能对键盘不断扫描，自动消抖，自动识别出按下的键并给出编码，能对双键或n键同时按下实现保护。8279为40列引脚封装，图3.3 8279的引脚功能图引脚简介：1数据总线:d0-d7是双向三态总线。用于和系统数据总线相连，在cpu和8279之间传送命令或数据。2地址线:当/cs=o选中8279，当ao=l为命令字及状态字地址，ao=0为片内数据地址，故8279占用两个端口地址。3控制线:8279的控制线较多。这里介绍系统设计中几个用到的控制线。4irq:中断请求输出线，高电平有效。5slo-sl3(扫描线):输出线。这四条输出线用来扫描键盘和显示器。它们可以编程设定为编码输出(16中取l)或译码输出(4中取l)。6rlo-rl7(回复线):输入线。它们是键盘矩阵或传感器矩阵的列信号输入线。7shift(移位信号):输入线，高电平有效。该输入信号是8279键盘数据的次高位d6，通常用来补充键盘开关的功能，可以用作键盘上、下档功能键，在传感器方式和选通方式中，shift无效。8cntl/stb(控制/选通):输入线，高电平有效。在键盘方式时，该输入信号是键盘数据的最高位d7，通常用来扩充键开关的控制功能，做控制功能键用。图3.4 键盘电路8279的键盘管理有两种方式:slo-sl3采用译码扫描或编码扫描。由于译码扫描提供的行线最多只有4根，与8根列线相交，只能得到32个按键，键的个数不多，不能满足系统需要，所以键盘电路设计采用编码扫描。当设定8279的扫描线sl3-slo工作在编码扫描方式时，sl3-slo四个引脚的输出在0000- 1111之间不断循环。此时，不能用这四根输出线作为行扫描线，但是，可将这四根线送到外接的译码器，从译码器轮流输出的负脉冲就可以作为矩阵键盘的行扫描线了。详细电路如图3.4所示。图中将8279的slz-slo三根扫描线送给74ls138译码器，得到8根行扫描线，组成矩阵键盘时采用了5根；列回馈线不必扩展，直接使用8279的rl7-rlo中的6根，但要接上拉电阻。组成的键盘为56矩阵，共有30个按键。3.2.2 lcd电路设计液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在各类仪表和低功耗系统中得到广泛的应用。根据显示内容可以分为字符型液晶，图形液晶。根据显示容量又可以分为单行16字，2行16字，两行20字等等。2行16字的字符型液晶模块是一种通用模块，与数码管相比该模块有如下优点：1）位数多，共有两行显示。2）显示内容丰富，可显示所有数字和大、小写字母。3）程序简单，如果用数码管动态显示，会占用很多时间来刷新显示，而1602自动完成此功能。图3.4 1602模块的实物图1602采用标准的16脚接口，其中：（模块背面有标注）第1脚：vss为地电源第2脚：vdd接5v正电源第3脚：v0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10k的电位器调整对比度。第4脚：rs为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：rw为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。第6脚：e端为使能端，当e端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：d0d7为8位双向数据线。第1516脚：空脚（有的用来接背光）。1602液晶模块内部的字符发生存储器（cgrom）已经存储了不同的点阵字符图形，这些字符有，阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，其中数字与字母同ascii码兼容。其内部还有自定义字符（cgram），可用以存储自己定义的字符。3.3 i/o口扩展及其外围电路设计为了使系统按要求工作，就必须将必要的命令和数据输入到控制系统中，控制系统运算或处理的结果也要通过一定的方式输出，这就需要一定的输入设备与输出设备。在单片机的内部，虽然设置了若干并行i/o接口电路用来与外设连接，但当外围设备较多时，i/o接口可能就不够用，需要进行扩展。常用的i/o接口芯片分为两大类:简单的i/o 接口芯片和可编程型i/o接口芯片。本节着重介绍系统中可编程i/o接口芯片的电路设计。可编程1/0接口芯片种类很多，常用的有intel公司的外围器件，如可编程外围并行接口8255a、可编程ram/i0扩展接口8155、可编程键盘/显示接口8279、可编程定时/计数器8253、可编程串行通讯接口8251等。这些芯片都具有多种工作方式，可由cpu对其编程进行决定。下面对8255a、8253在本平台中的运用进行详细介绍。3.3.1 可编程外围并行接口设计 本系统中所要控制的外部设备主要有两个步进电机（根据自制的步进电机驱动器需要用8个输出口），加上上下左右的4个键盘输口，选用8255a可编程外围并行接口芯片。图3.5 8255a引脚可编程输入/输出接口芯片8255a的引脚如图3.5所示。di是双向数据线；/cs是片选线；/rd是数据读出选通线，通常与cpu芯片的/rd引脚相连；/wr是数据写入选通线，一般与cpu的/wr引脚连接；pa口是8位数据输出口，既有上拉又有下拉总线保持器；pb口是8位数据输入/输出口，只有上拉总线保持器；pc口是8位数据输入（无所存）/输出（带缓冲器）口，在方式控制下可分作两个4位端口用，每个4位口都有一个4位所存器，这两个4位端口可与a口及b口配合使用，输出控制信号，输入状态信息，pc口的保持结构与b口相同。向8255a控制口写入控制字可决定它的工作方式，并且只有先写入控制字，才能通过三个数据口实现正确的i/o操作。它的3个i/o并行口pa、pb、pc可选择三种工作方式:方式o为基本的输入输出；方式1为选通输入输出；方式2为双向传送。8255a还能对c端口的任一位进行置位/复位操作。3.4 步进电机控制设计 步进电机是一种通过电脉冲信号控制相绕组电流实现定角转动的机电元件，与其他类型电机相比具有易于开环精确控制、无积累误差等优点，在众多领域中获得了广泛的应用。为了得到性能优越的控制效果，出现了很多步进电机控制系统，其中采用单片机作为控制核心的控制系统得到了广泛的应用。3.4.1 步进电机的工作原理 图3.6 反应式步进电机结构图图3.6是反应式步进电机结构示意图，它的定子具有均匀分布的六个磁极，磁极上绕有绕组。两个相对的磁极组成一组，连法如图3.6所示。下面介绍反应式步进电动机单三拍、六拍及双三拍通电方式的基本原理。反应式步进电机的工作原理是利用了物理上的磁通总是力图使自己所通过的路径的磁阻最小所产生的磁阻转矩，使电机一步一步转动的。以三相反应式步进电机为例。1、单三拍通电方式的基本原理 设a相首先通电（b、c两相不通电），产生a-a轴线方向的磁通，并通过转子形成闭合回路。这时a、a极就成为电磁极铁的n、s极。在磁场的作用下，转子总是力图转到磁阻最小的位置，也就是要转到转子的齿对齐a、a极的位置（图3.7a）；接着b相通电（a、c两相不通电），转子便顺时针方向转过30，它的齿和c、c极对齐（图c）。不难理解，当脉冲信号一个一个发来时，如果按acba的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。这种通电方式称为单三拍方式。（a）a相通电 （b）b相通电 （c）c相通电图3.7 单三拍通电方式时转子的位置2、六拍通电方式的基本原理 设a相首先通电，转子齿与定子a、a对齐（图3.7a），然后在a相继续通电的情况下接通b相。这时定子b、b极对转子齿2、4产生磁拉力，使转子顺时针方向转动，但是a、a极继续拉住齿1、3，因此，转子转动两个磁拉力平衡为止。这时转子的位置如图3.7b所示，即转子从图3.7a位置顺时针转过了巧“。接着a相断电，b相继续通电。这时转子齿2、4和定子b、b极对齐(图3.7c)，转子从图3.8(b)的位置又转过了15“。其位置如图3.8d所示。这样，如果按aa、bbb、ccc、aa.二的顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步地转动，步距角15。电流换接六次，磁场旋转一周，转子前进了一个齿距角。如果按aa、ccc、bbb、aa.二的顺序通电，则电机转子逆时针方向转动。这种通电方式称为六拍方式（a） （b） （c） （d）a. a相通电 b. a、b相通电 c. b相通电 d. b、c相通电图3.8 原理示意图3、双三拍通电方式的基本原理如果每次都是两相通电，即按a、bb、cc、aa、b的顺序通电，则称为双三拍方式，从图4b，和