数控机床单片机控制系统设计

1 简易数控机床控制系统设计简易数控机床控制系统设计 学号 专业 机械电子工程 姓名 浦汉军 2007 9 10 南宁 任务 任务 设计以单片机为控制核心的简易数控机床的数字程序控制器 要求 1 能用键盘控制工作台沿 X X Y Y 向运动 以校正工作台位置 2 可用于加工直线和圆弧 3 在运行过程中可人工干预而紧急停车 4 能实现越界报警 5 可与 PC 机通讯 总体方案设计总体方案设计 一 数控系统硬件电路设计一 数控系统硬件电路设计 选用 MCS 51 系列的 8031CPU 作为数控系统的中央处理机 外接一片 EPROM 用于 存放控制程序 固定批量生产的工件加工程序和数据 再选用一片 8kb 的 6264RAM 作 为存放试制工件或小批量生产的工件加工程序和数据 由于系统扩展 为使编程地址 统一 采用 74LS138 译码器完成译码法对扩展芯片进行寻址的功能 还要考虑机床与 单片机之间的光电隔离 功率放大电路 其设计框图如下图所示 图 1 1 总体设计框图 工作原理 单片机系统是机床数控系统的核心 通过键盘输入命令 数控装置送来的一系列连 续脉冲通过环形分配器 光电耦合器和功率放大器 按一定的顺序分配给步进电动机各相绕组 使 各相绕组按照预先规定的控制方式通电或断电 这样控制步进电动机带动工作台按照指令运动 1 1 各单元电路设计 各单元电路设计 信号 驱 动 脉 冲 驱动 信号 单 片 机 80 31 光 电 偶 合 器 功 率 放 大 器 X 相步进 电动机 Y 相步进 电动机 键盘输入 LED 显示 2 1 1 存储器的扩展 选择晶体振荡器的工作频率 f 为 12MHz 主控器 CPU 选用 8031 根据容量估算 选用一片 2764 作为程序存储器 一片 6264 作为数据存储器 同时 还采用一片 74LS373 作为地址锁存器 1 2 程序存储器 2764 EPROM 是用紫外线可擦除的半导体只读存储器 2764 芯片引脚的介绍如下 P0 P7 数据线 输出 编程时代码输入 A0 A7 地址线 输入 片选信号 低电平有效 输入CE 读信号 低电平有效 输入 编程脉冲输入端 输入PGM Vpp 编程电压 典型值为 12 5V Vcc 电源 5V GND 接地 0V 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 7 Jun 2007 Sheet of File E 6 6 xin 8 6 6 DDBDrawn By D0 11 D1 12 D2 13 D3 15 D4 16 D5 17 D6 18 D7 19 A0 10 A1 9 A2 8 A3 7 A4 6 A5 5 A6 4 A7 3 A8 25 A9 24 A10 21 A11 23 A12 2 GND 14 CE 20 PGM 27 Vcc 28 Vpp 1 NC 26 OE 22 2764 图 1 2 2764 引脚图 1 3 数据存储器 6264 1 6264 为 24 脚双列直插式器件 其引脚图和逻辑符号图如图 1 3 所示 A0 A12 地址输入线 D0 D7 双向三态数据线 片选信号输入线 低电平有效 CE2 片选信号输入线 高电平有效 可用于掉电保护 读选通信号输入线 低电平有效 输出允 许编程 逻辑 译 码 输出缓冲 存储矩 阵 A12 A11 A0 OE PGM CE D0 D7 3 写允许信号输入线 低电平有效 工作电源电压 5V GND 电源地 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date 7 Jun 2007 Sheet of File E 6 6 xin 8 6 6 DDBDrawn By NC 1 A12 2 A7 3 A6 4 A5 5 A4 6 A3 7 A2 8 A1 9 A0 10 D0 11 D1 12 D2 13 GND 14 D3 15 D4 16 D5 17 D6 18 D7 19 CE1 20 A10 21 OE 22 A11 23 A9 24 A8 25 CE2 26 WE 27 Vcc 28 6264 图 1 3 6264 引脚图和逻辑符号图 2 6264 芯片操作方式选择如表 1 1 所示 如表 1 1 CEWEOE方式功能 001写D0 D7 上内容写入 A0 A10 对应单元 010读A0 A10 对应单元内容输出到 D0 D7 0XX非选D0 D7 呈高阻 1 4 键盘显示电路 根据系统要求 通过键盘输入命令来实现对机床工作台的运行控制 一共需要五 个键 四个分别控制工作台向 X X Y Y 方向运行 另一个作启动键 通过 LED 数码管显示工作台的运行位置 行程范围为 10 米 精确到 0 01 米 所以用了 4 个 LED 数码管采用动态显示 采用键盘显示器接口 8279 来实现键盘显示功能 它主要由以下几部分组成 1 I 0 控制和数据缓冲器 2 控制和定时寄存器及定时控制部分 3 扫描计数器 4 回送缓冲器与键盘去抖控制电路 A12 Vcc WE CE2 A0 OE D0 1CE GND D7 4 5 FIFO 先进先出 寄存器和状态电路 6 显示器地址寄存器及显示 RAM 下面对引脚名称作简要说明 DB0 DB7 双向数据总线 用来传送 8279 与 CPU 之间的数据和命令 CLK 时钟输入线 用以产生内部定时的时钟脉冲 RESET 复位输入线 8279 复位后被置为字符显示左端输入 二键闭锁的触点回弹 型式 程序时钟前置分频器被置为 31 RESET 信号为高电平有效 片选输入线 低电平有效 单片机在为低时可以对 8279 进行读 写操作 CSCS 5 A0 缓冲器低位地址 当 A0 为高电平时 表示数据总线上为命令或状态 当为低 图 1 6 键盘 LED 数码管显示器电路 电平时 表示数据总线上为命令或状态 当为低电平时 表示数据总线上为数据 读信号输入线 低电平有效 将缓冲器读出 数据送往外部总线 RD 写信号输入线 低电平有效 将缓冲器读出 将数据从外部数据总线写入WR 8279 的缓冲器 SL0 SL3 扫描线 RL0 RL7 回送线 17 工作过程 每当按下一个键 8279 会自动识别键号 产生相应的键编码自动送入 先进先出寄存器 FIFO 中 同时产生中断请求信号 IRQ 向 CPU 请求中断 当 CPU 响 应中断 执行中断服务程序 并从 FIFO 中读取编码数据之后 则 IRQ 信号自动撤消 如果上一个键的编码数据尚未取走 下一个键盘又被按下 则新的键码进入 FIFO 中 由于 FOIO 中由 8 个存储单元组成 故最多可依次暂存 8 个键码 只 有在读完所有数据时 IRQ 信号才会撤消 在中断程序中 CPU 是用片外取数指令 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date 10 Jun 2007Sheet of File F 动动动动5 26 动动6 10 xin 8动动动6动6 DD BDrawn By P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 Reset INT 0 INT 1 AL E PSEN P2 7 P2 6 P2 5 P2 4 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 WR RD Vcc Vss EA XT AL 1 T0 T1 XT AL 2 TX D RX D P1 7 P1 6 P1 5 P1 4 P1 3 P1 2 P1 1 P1 0 8031 动动动 动动动 GN Da bf c g d e LE D a bf c g d e LE D a bf c g d e LE D a bf c g d e LE D R R R R R CN TL SH IFT VSS SL 1 SL 0 SL 2 SL 3 RL 0 DB7 DB6 RL 6 RL 2 RL 3 RL 4 RL 7 Vcc CS A0 RL 5 DB5 DB4 RL 1 DB2 DB1 DB0 DB3 A0 A3 B0 B3 IRQ WR RD RE SE T CL K 8279 5V 6 MOVX 指令 从 FIFO 中读取数据 1 5 反应式步进电动机的选择 根据所获得的信息和实际要求 选用步进电机为 75BF001 型三相六拍反应式步进电机 其工作电压为 24V 相电流为 3A 步距角为 1 5 度 3 2 5 13 2 5 1 环行脉冲分配器环行脉冲分配器 由于本设计选择三相步进电动机 75FB001 相对应选择可以控制三相步进电动机的 5G8713 集成电路芯片 表 1 2 8713 引脚功能 引脚功能说明 1 正转脉冲输入端 2 反转脉冲输入端 1 2 脚为双时钟输入端 3 脉冲输入端 4 转向控制端 0 为反转 1 为正转 3 4 脚为单时钟输入端 5 6 工作方式选择 00 为双三拍 01 10 为单三 四 拍 11 为六 八 拍 7 三 四相选择 0 为三相 1 为四相 8 地 9 复位端 低电平有效 10 11 12 13 输出端 四相用 13 12 11 10 脚 分别代表 A B C D 三相用 13 12 11 角 分别代表 A B C 14 工作方式监视 0 为单三 四 拍 1 为双三 四 拍 脉冲为六 八 拍 15 输入脉冲状态监控 与时钟同步 16 电源 P1 0 313 A 相驱动 P1 1 4 5V12 B 相驱动 8051 系列 8713 7 511 C 相驱动 单片机6 7 1 7 脉冲分配器与单片机接口 1 6 保护电路 采用光电耦合器接口把控制计算机和外部驱动电路完全隔离开来 具体的光电耦 合器如图 1 8 驱动电路 本设计采用的驱动电源是功率开关 集成电路 TWH8715 2 这是一个集放 大 比较 选通 整形和功率开关 于一体的高速功率开关集成电路 其真值表分别见图 1 9 及表 3 7 1 TWH8715 2 引脚功能 18 1 控制端 高电平有效 TTL 电平 下同 2 输入端 选通端低电平有效 3 V 单电源使用时 接地 4 输出端 5 V 工作电压 12V 24V 由 TWH8715 2 组成的步进电机驱动电路 只画出了 A 相 B C 相同 原理见图 1 10 其工作原理为 无信号时 光敏三极管截止 2 角电位等于 1 角电位 为高电平 输出端 4 角也为高电平 即电枢绕组无电流通过 有信号时 光敏三极管受光照而导 通 将 2 角电位拉低至零电平 输出端 4 角也将下降 至输出管饱和电平 约 1 6V 这时电枢绕组中有励磁电流流过 其中 V1 起续流作 用 随工作脉冲频率的升高 电路中呈现的感抗也随之增大 外接限流电阻 R3 就可以 起到降低阻耗的作用 表 1 3 TWH8715 2 输入输出状态真值 8 二 数控系统软件设计二 数控系统软件设计 2 1 加工指令 1 加工指令 每一条加工指令应包括那些内容与采用那种插补计算方法有关 我们采用逐点比 较法 则每一条加工指令应包括下列内容 1 线型 直线或圆弧及它所在的象限 走向 2 X 轴坐标 加工直线时 它为直线的 X 轴终点坐标 Xe 坐标原点取在直线起 点 加工 圆弧时 它为圆弧 的 X 轴起点坐标值 Xe 坐标原点取圆弧的圆心 Pint1 st Pint2 in Pin4 out X 任意状态 H 高电平大于 1 6V OFF 输出极截止 L 低电平小于 1 2V L 低电平小于 1 2V OFF 输出极截止 H 高电平大于 1 6V L 低电平小于 1 2V ON 输出极接通 9 3 Y 轴坐标值 加工直线时 它为直线的 Y 轴终点坐标 Ye 坐标原点取在直线 起点 加工圆弧时 它为圆弧的 Y 轴起点 坐标原点取圆弧的圆心 4 总步数 J X Y 轴走步数之和 本系统使用的加工指令由连续的 4 个字节组成 不包括加工速度等参数 各个字 节的内容定义如下 规定 FF 为加工结束指令 只占一个字节 a 第 1 个字节为线型 b 第 2 字节为 X 坐标值 c 第 3 字节为 Y 坐标值 d 第 4 为字节为总步数 2 2 编程示例 若加工如图 所示的扇形工 件 其加工程序由下列 4 条指令 组成 1 L1 Xe 5 Ye 2 j 7 2 NR1 Xe 5 Ye 2 j 6 3 L2 Xe 5 Ye 2 j 7 加工结束指令 0FFH 机器编码程序如下 04H 05H 02H 07H 0CH 05H 02H 06H 06H 02H 05H 07H 0FFH 2 3 控制程序 根据总电路图的硬件结构和 加工指令格式 以直线圆弧插补 计算方法来设计控制程序 整个 控制程序由主程序 T0 中断程序 L1 10 和外部 INTO 中断程序组成 4 3 1 主程序 主程序首先执行系统初始化工作 然后循环扫描键盘 如果键盘上有键入命令则 做相应的命令处理 如果键入启动命令 则做好运行前准备工作以及有关指针和标志 初始化 对中断系统初始化 T0 向 CPU 请求中断 使 CPU 执行部件加工程序 允许外 部中断 在人工干预按下急停键时停止加工部件 接着循环查询加工结束标志 INTO 加工结束后又等待键命令或主机命令 2 3 2 T0 中断服务程序 T0 中断服务程序的功能是执行加工程序 一条指令执行完再取新的加工指令 直 到遇到停机时关中断 置位结束标志 在加工指令执行过程中 根据线型做直线圆弧 的插补计算 T0 中断程序框图如下 2 3 3 中断程 0INT 序 中断程序 0INT 的功能是实现急停 行程开关的功能 由于只有 2 个外部 中断请求中断接口 而本设计需要多对 个外部中断源 所 以采用 OC 门 经 线或 后 引入 芯片本身的外部中 断请求输入端 就 可以很方便地扩展 多个外部中断源 几个扩展外部中断 源中有一个或几个 出现高电平 反相 11 器输出为 0 引用低电平触发中断 所以这些中断源都是电平触发方式 本设计 0INT 中当工作台越界时 行程开关闭合即满足外部中断源请求条件 则 CPU 响应中断 转 入 0003H 单元开始执行中断源服务程序 在中断服务程序中 由软件设定的顺序查询 外中断哪一位是高电平 然后进入该中断处理程序 查询的顺序就是外部扩展中断源 的中断优先级顺序 本设计的中断源查询程序的流程图如下 0INT 2 3 4 步进电动机的位置控制 步进电动机的位置控制需要两个参数 第一个参数是步进电动机控制的执行机构当前的位置参数 叫绝对位置 它是有 极限的 其极限是执行机构运行位置的距离 超越了这个极限就报警 第二个参数是从当前位置移动到目标位置的距离 我么可以用折算的方式将这个 距离折算成步进电动机的步 数 这个参数是外界通过键 盘输入的 对步进电动机位置控制 的一般作法是 步进电动机 每走一步 步数减 1 如果 12 没有失步存在 当执行机构到达目标位置时 步数正好减到 0 因此 用步数等于 0 来 判断否移动到目标位 作为步进电动机停止运行的信号绝对位置参数可作为人机对话 的显示参数 它与步进电动机的转向有关 当步进电动机正转时 步进电动机煤走一 步 绝对位置加 1 当步进电动机反转时 绝对位置随每次步进减 1 三 程序三 程序 TYPE EQU 30H 线型缓冲单元 MM EQU 31H 偏差缓冲单元 XX EQU 32H x 坐标缓冲单元 YY EQU 33H y 坐标缓冲单元 JJ EQU 34H 步数缓冲单元 STATX EQU 35H 步进电机状态坐标缓冲器 STATY EQU 36H FEND EQU 0 结束标志 FNEW EQU 1 取新指令标志 FRAM EQU 2 执行 RAM 加工指令标志 ORG 0003H AJMP DO INT0 转 INTO 中断 ORG 0000H STRT LJMP MAIN 转主程序 LJMP PEX0 ORG 0BH PTF0 JNB FNEW LITP 定时器 T0 中断程序 CLR FNEW JNB FRAM EPROM FRAM 0 转从 RPROM 中取指令 MOVX A DPTR MOV TYPE A INC DPTR 13 MOVX A DPTR MOVX XX A INC DPTR MOVX A DPTR MOVX YY A INC DPTR MOVX A DPTR MOVX JJ A INC DPTR DPTR 指向下条加工指令 SJMP COMP EPROM CLR A MOVC A A DPTR 从 EPROM 中取加工指令 MOV TYPE A INC DPTR CLR A MOVC A A DPTR MOV XX A INC DPTR CLR A MOVC A A DPTR MOV YY A INC DPTR CLR A MOVC A A DPTR MOV JJ A INC DPTR CLR A 14 COMP MOV A TYPE CJNE A 0FFH PNEW 非停机指令转新指令处理 SETB FEND 停机 关中断 CLR EA RET1 PNEW MOV MM 0 新指令令 MM 0 LITP MOV A TYPE JB ACC 3 MM1 ACC 3 转圆弧插补 LCALL LLMA 调用直线插补子程序 SJMP MM2 调用圆弧插补子程序 MM1 LCALL RRMA MM2 DJNZ JJ PTROR SETB FENEW 步长减为 0 置取新指令标志 PTROR TET1 MAIN MOV P1 0C9H 步进电机状态初始化 MOV STATX 0 步进电机状态缓冲器清零 MOV STSTY 0 MOV SP 0EEH SP T0 初始化 MOV TMOD 21H MOV TH0 3CH MOV TL0 0B0H MOV SCON 50H MOV TCON 50H MOV 20H 0H MLOP LCALL AKSI 调用判是否有键