数控机床单片机控制系统设计

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2023,9,10南宁

任务：

设计以单片机为控制关键的简易数控机床的数字程序控制器。规定

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

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I中央处理机。外接一片EPROM用于寄

存控制程序、固定批量生产的工件加工程序和数据，再选用一片8kb日勺6264RAM作为寄

存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译码器完毕译码法对扩展芯片进行寻址日勺功能。还要考虑机床与单片机之

X相步进

Y相步进

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关键，通过键盘输入命令，数控装置送来的一系列持

续脉冲通过环形分派器、光电耦合器和功率放大器，按一定I向次序分派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.各单元电路设计

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。同步，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芯片引脚的简介如卜。

P0>7：数据线，输出。编程时代码输入。

A0~A7：地址线，输入。

CE：片选信号，低电平有效，输入

0E：读信号，低电平后效，输入

PGM:编程脉冲输入端，输入

Vpp：编程电压（经典值为12.5V）

Vcc：电源（+5V）

GND：接地（0V）

101

A0DO

92

A1D1

3

A2D2

75OE

A3D3

6

A4D4PGM

7

D5

48

AOr)(CE

39

A7D7

25

A8

2414

A9GND

2I20

A10ClA12

23

A11

2

A12

27

PGM

2228

OEVc<.All

26

NCVp1

图1.22764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。

DO〜D7：双向三态数据线。

CE1：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。

阮：读选通信号输入线，低电平有效。

WE：写容许信号输入线，低电平有效。

Vcc：工作电源电压(+5V)。

GND：电源地。

XI3.XD

VccIXD

z•，丽■

XI

nnixo

P2.7

P2.<

P2J

Pl.7

£D

wEPl.t

ALE

PlJ

P2.I

P2.3Pl.，

P2.2

i

F2.1

o

P2.0Pl3

1

POTH

2

Pl2

O|Mc一g68r*»9V»yEC«LO3

To<<<<<<<«<♦

u,yqP0.7

a5

POJ

NvQ9sbmzior9cymz—oc

POJ

o>ozaaaaaaaaaaaaaaaa7

P04

L2764P0.3Pll

74HC373P0.2

P0.1P10

+JV化箱化倘

PO.O_

EK

图1.48031存储器扩展电路8031VM

4）回送缓冲器与键盘去抖控制电路；

5）FIFO（先进先出）寄存器和状态电路;

6）显示屏地址寄存器及显示RAM。

Vcc

IRQRUT

数据

总线SHIFT

丽CNTL

CPU

接口《WkSTB

扫描

CSS/

AOOUTAo^

显示数据

RESETOUTBo^

CLKBD

Vss

图1.58279的结构原理图

卜.面对引脚名称作简要阐明。

DBO〜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，用以产生内部定期的时钟脉冲。

RESET:复位输入线，8279复位后被置为字符显示左端输入，二键闭锁日勺触点回弹

型式，程序时钟前置分频器被置为31,RESET信号为高电平有效。

CS：片选输入线，低电平有效，单片机在氐为低时可以对8279进行读/写操作。

A0:缓冲器低位地虻，当A0为高电平时，表达数据总线上为命令或状态，当为低

图1.6键盘、LED数码管显示扉电路

电平时，表达数据总线上为命令或状态，当为低电平时，表达数据总线上为数据。

而: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。

丽：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8279

的缓冲器。

SL0~SL3：扫描线

RL0"RL7：回送线1⑴

VccP2.5

P2.6

VssP2.7

EA

ALE斐

行

Pl.2PO.OA0-A3云

PO.ICLKB0B3

Pl.3P0.2CS

GND

一P0.3

而)-P0.4AOCNTL

P0.5SHIFT

_____P0.6DB7VSS

XTXIT0.7DB6

DB5

DIM

XTAIIISENDB3

P2.0DB2SU)

Pl.IP2.IDB1

P2.2DBOSLl

PI.0P2.3Vcc

P2.4SL2

IRQ

SL3

TOw7瓯

RDRDRLO

TlRLI

RESETBL2

RL3

Rbl

RI5

而「RL6

RL7

TXDReset

8279

Pl.7

Pl.6

RXDPl.5

PL4

8031

工作过程：每当按下一种键，8279会自动识别键号，产生对应的I键编码自动送入先

进先出寄存器FIFO中，同步产生中断祈求信号IRQ,向CPU祈求中断。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信号自动撤销。

假如上一种键时编码数据尚未取走，下一种键盘又被按下，则新口勺键码进入FIFO

中。由于FOIO中由8个存储单元构成，故最多可依次暂存8个键码。只

有在读完所有数据时，IRQ信号才会撤销。在中断程序中，CPU是用片外取数指令

（MOVX指令）从FIFO中读取数据。

1.5反应式步进电动机的选择

根据所获得口勺信息和实际规定，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。

.1环行脉冲分派器

由干本设计选择二相步进电动机75FB00H相对应选择可以捽制二相步进电动机日勺

5G8713集成电路芯片。

表1.28713引脚功能

引脚功能阐明

1正转脉冲输入端1、2脚为双时钟输入端

2反转脉冲输入端

3脉冲输入端3、4脚为单时钟输入端

4转向控制端。0为反转；1为正转

5工作方式选择：00为双三拍；

601、10为单三（四）拍；11为六（八）拍

7三/四相选择。。为三相；1为四相

8地

9复位端，低电平有效

10输出端。四相用13、12、11、10阴，

11分别代表A、B、C、D；

12三相用13、12、11角，

13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

511C相驱动

单片机6

7

1.7脉冲分派器与单片机接口

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。详细的光电耦合

VCC

器如图1.8。

驱动电路

本设计采用的驱动电源是功率开关VCC

图1.8光电耦合隔离电路

集成电路™18715/2。这是一种集放大、比较、选通、整

形和功率开有关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3.7o

DTWI18715/2引脚功能[18]

图1.9TVH8751引脚图

1一一控制端（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构成的步进电机驱动电路（只画出了A相，B、C相似）原理见图L10。

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VI起续流作

用；随工作脉冲频率的升高，电路中展现的感抗也随之增大，外接限流电阻R3就可以

起到减少阻耗的作用。

表1.3TWH8715/2输入输出状态真值

Pintl(st)Pint2(in)Pin4(out)

X（任意状态）H（高电平不小于1.6V）OFF输出极截止

L（低电平不不小于L（低电平不不小于1.2V）OFF输出极截止

1.2V）

H（高电平不小于L（低电平不不小于1.2V）ON输出极接通

1.6V）

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措施有关。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RJX轴终点坐标(Xc),坐标原点取在直线起点。

加工圆弧时，它为圆弧/、JX轴起点坐标值(Xc),坐标原点取圆弧口勺圆心。

(3)Y轴坐标值：加工直线时，它为直线mJY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/、JY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持续的4个字节构成(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，只占一种

字节):

图2.1扇形工件

(a)第1个字节为线型;

⑹第2字节为X坐标值;

⑹第3字节为Y坐标值;

(d)第4为字节为总步数。

2.2编程不例

若加工如图所示H勺扇形工件,其加工程序由下列4条指令构成:

(l)Ll:Xe=5Ye=2

(2)NRl:Xe=5Ye=2

(3)L2:Xe=5Ye=2

加工结束指令OFFH

机器编码程序如下:

04H05H02H0711

0C1I051102110611

0611021105110711

OFEH

2.3控制程序

根据总电路图的硬件构造和

加工指令格式，以直线圆弧插补

计算措施来设计控制程序。整个

加工结束?

图2.2主程序框图

控制程序由主程序、TO中断程序和外部/INTO中断程序构成。

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，假如键盘上有键入命令则做

对应的命令处理，假如键入启动命令，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，TO向CPU祈求中断，使CPU执行部件加工程序，容许外部而方

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，加工结束

后又等待键命令或主机命令。

2.3.2TO中断服务程序

TO中断服务程序日勺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

碰到停机时关中断，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。TO中断程序

框图如下：

2.3.3州丁。中断程

序

中断程序

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

祈求中断接口，而本

图2.3数字程序控制器TO中断程序框图返回

设计需要多对个外部中断源，因此采用“0C门”经“线或”后，引入芯片自身的外部中

断祈求输入端，就可以很以便地扩展多种外部中断源。几种扩展外部中断源中有一种或

几种出现高电平，反相器输出为0,引用标低电平触发中断，因此这些中断源都是电

平触发方式。本设计中当工作台越界时，行程开关闭合即满足外部中断源祈求条件，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

设定的次序查询外中断哪•位是高电平，然后进入该中断处理程序。查询的次序就是外

部扩展中断源的中断优先级次序。木设计的标中断源查询程序的流程图如下。

2.3.4步进电动机的位置控制

步进电动机日勺位置控制需要两个参数。

第一种参数是步进电动机控制的执行机构目前的位置参数，叫绝对位置c它是有极

限H勺，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。

第二个参数是从目前位置移动到目的位置的距离，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,假如没

有失步存在，当执行机构抵

达目的位置时，步数恰好减

到0。因此，用步数等于0

来判断否移动到目日勺位，作

为步进电动机停止运行日勺信

号绝对位置参数可作为人机对话日勺显示参数。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lo

三、程序

TYPEEQU30H；线型缓冲单元

MMEQU31H;偏差缓冲单元

XXEQU32H;x坐标缓冲单元

YYEQU33H；y坐标缓冲单元

JJEQU34H；步数缓冲单元

STATXEQU35H；步进电机状态坐标缓冲器

STATYEQU36H

1'ENDEQU0；结束标志

FNEWEQU1；取新指令标志

FRAMEQU2;执行RAM加工指令标志

ORG0003H

AJMPDO_INTO；转INTO中断

ORG0000H

STRT：LJMPMAIN;转主程序

LJMPPEXO

ORGOBH

PTFO：JNBFNEW,LITP；定期器TO中断程序

CLRFNEW

JNBFRAM,EPROM；FRAM=0,转从即ROM中取指令

MOVXA,@DPTR

MOVTYPE,A

INCDPTR

MOVXA,@DPTR

MOVXXX,A

INCDPTR

MOVXA,@DPTR

MOVXYY,A

INCDPTR

MOVXA,@DPTR

MOVXJJ，A

INCDPTR；DPTR指向下条加工指令

SJMPCOMP

EPROM：CLRA

MOVCA,©A+DPTR；从EPROM中取加工指令

MOVTYPE,A

INCDPTR

CLRA

MOVCA,@A+DPTR

MOVXX,A

INCDPTR

CLRA

MOVCA,©A+DPTR

MOVYY,A

INCDPTR

CLRA

MOVCA,@A+DPTR

MOVJJ,A

INCDPTR

CLRA

COMP：MOVA,TYPE

CJNEA,#OFFH,PNEW；非停机指令转新指令处理

SETBFEND；停机、关中断

CLREA

RET1

PNEW：MOVMM,#0;新指令令MM二0

LITP：MOVA,TYPE

JBACC.3,MM1;ACC.3转圆弧插补

LCALLLLMA；调用直线插补子程序

SJMPMM2;调用圆弧插补子程序

MM1：LCALLRRMA

MM2：DJNZJJ,PTROR

SETBRENEW；步长减为0,置取新指令标志

PTROR：TET1

MAIN：MOVPl,#0C9H;步进电机状态初始化

MOVSTATX,#0;步进电机状态缓冲器清零

MOVSTSTY,#0

MOVSP,#OEEH；SP、TO初始化

MOVTMOD,#21H

MOVTHO,#3CH

MOVTLO,#OBOII

MOVSCON,50H

MOVTCON,#50H

MOV2011,#011

MLOP：LCALLAKSI;调用判与否有键闭合子程序

LCALLKEYI;调用读键子程序

JNZMLP1

LCALLSTEP1;调用+X走步子程序

SJMPMLOP

MLP1：CJNEA,#1.MLP2

LCALLSTEP?:调用+Y走步子程序

SJMPMLOP

MLP2：CJNEA,#2,MLP2

LCALLSTEP2;调用-X走步子程序

SJMPMLOP

MLP3：CJNEA,#3,MLP2

LCALLSTEP4;调用-y走步子程序

SJMPMLOP

MLP4：CJNEA,#4,MLP5

SJMPBRUN;转启动运行

MLP5：CJNEA,#5,MLOP

SETBFRAM

SJMPMLOP

LCLLPSSDATR

SJMPMLOP

MLPS1：JNBTI,MLOP

CLRTI

SJMPMLOP

BRUN：JBFRAM,BRUNI

；EPROM加工程序首地址/DPTR

MOVDPTR,#1OOOH

BRUN2：SETBFNEW;置位取新指令标志

MOVMM,#0;偏差缓冲器初试清“0”

MOVIE,#83H；容许TO、/INTO中断

MOVIP,#1；容许/INTO为高级中断

JNBFEND,¥;循环等待加工结束

CLRFEND

IJMPMLOP

；外部RAM加工程序首地址*DPTR

BRUNI：MOVDPTR,#800H

SJMPBRUN2

PEXO：CLTEA

SETBFEND

RET1

DO^INTO：JBPl.4,LOOP1;转向中断服务程序1

JBPl.5,L00P2;转向中断服务程序2

JBPl.6,LOOP3；转向中断服务程序3

JBPl.7,LOOP4;转向中断服务程序4

INTEND：POPACC;恢复现场

POPPSW

RET1

LOOP1：+X越界报警子程序

LOOP2：+Y越界报警子程序

LOOP3：-X越界报警子程序

L00P4：-丫越界报警子程序

系统总电路图

I

GNDWE

OE

CET

VccAD-

CE2All

A10

NA9AO-A3

D[7CA8Vc(B0-B3；s

D6A7iUS

D5A6

D4A54

m

D3A4DB7

D2A31

-DB6q*

D1A2DB5~3~

DOAlDB4

AODB3

D

D

-D

C

f士士士之亡

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