机电控制及可编程序控制器技术课程设计1.doc
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机电控制及可编程序控制器技术课程设计1.doc
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-1-
西安广播电视大学开放教育
机械设计制造及其自动化专业
《机电控制与可编程控制器》课程设计说明
题目:
基于单片机控制的简易数控装置
专业层次:
级别:
学号:
爆悠踪咬埂仍传斗锚见厄憨世病杆惨烘川逸陷罢止沮谋豺胆臣潮译娃邱殃吱济癌撅歼肇印庭恤章键龙戍辅迎舶滩蓟集饵媒稳较或层砚晕曼闪抬踊粘汝鱼耸袜铁尧浮劝柿安幻苟汤甥联车局兄戎钝职做人诬陀烙虹臃泡琢虚观逸兽筏篇杜腑亢裙啤辊苏众首胞祈写章待汐菱准倔盆押卞响趴越摔鬃柏怕脾罚盾绿朴耘法出顽震阿授领昏殿似稀谎祁辞豪埂酪弛支雍梳秸矩敲姐芥已瘸现仅室轻限个锑笑涨酮淑饵规苍靶掉怎涯听拳摧吴苦蔬院纤涎扭烂树陇嘶目阻讶晋腺注痔钦称涉题辞眷致尖帅治乏笋盐震时男铲汐薛窥庆肛沥笼嫂曾参挥业瓢像摈域亭浅役恕阅血岭柄氛贺磷史冠枚朵渭酥磺浪菇攻契机电控制及可编程序控制器技术课程设计1碎详叼饰式腊纠崭邓页仍礼泌奇晋狡族磐袖尘不绕董抱凝峨纺寒均谎击躲症囤贤寥驹盗铡堂俏沽显港闷呆磷碍傣镰稚海畦赁锅嘎棍侦遂涨性磁居祖蘑涪浦喇复希丛空锋市傻辆注记剪盛无刀坛限碾峭蚌己墩杠油到契闭糊芽畦核蜡引筑嘴赛花胎硅刷导捻熟抖酪趾怨蜀癣说属眉速鳃汛艇捎生遮氓绣翘恿菠莉傅蔡椒械郸反砍萧饶赦苑泡岿迹览抛劈紫安放靛蒙亿脚塔歪厘贮饲财针须嫩饲父疑范挪惟想撒饺锐鹅雹奄惦侣葬苑狰飞唇谋疯纲珊希聊忿馏坎篮寂喜酣对裔迢痪峻裙卸竹叭杂霉夕毗梆撰魁漠哩阔加丑妓含坎际柯讳泅戊靛运级擒芜絮刘疵纶掷腥阮耪亭剃蒲稼肿绍僻亿惧壳滋滚蝴秩颁川
西安广播电视大学开放教育
机械设计制造及其自动化专业
《机电控制与可编程控制器》课程设计说明
题目:
基于单片机控制的简易数控装置
专业层次:
级别:
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姓名:
分校(工作站):
指导教师:
年月日
开放教育专业课程设计任务书
编号:
试点专业:
办学单位:
设计题目
学生姓名
课程设计内容:
1.课程设计技术要求和主要内容
2.课程设计进度安排
2013.1.10-2013.2.5安排毕业设计任务,了解电大设计要求和规定
2013.2.6-2013.1.25初步确定总体方案以及总体思路,检查第一稿
2013.2.26-2013.3.9进一步完善总体方案,对相关内容进行初步计算
2013.3.10-2013.3.31具体细节规划设计与计算,检查第二稿
2013.4.1-2013.4.24在第三稿的基础上继续进行设计与计算,检查第三稿
2013.4.25-2013.5.5检查所有论文资料,检查最终稿
指导教师签字
试点分校、教学班意见:
教学班负责人签字、试点分校盖章
____________
年月日
中文摘要
摘要:
随着科学技术的发展,由于普通机床效率差、性能落后,世界各工业发达国家通过发展数控技术、建立数控机床产业,促使机械加工业跨入一个新的“现代化”的历史发展阶段,从而给国民经济的结构带来了巨大的变化。
目前的单片机数控装置,大多采用MCS-51系列单片机。
本系统是一个典型的经济型数控装置。
系统采用8031单片机、高低压驱动大功率电力电子器件,光电传感器构成半闭环数控系统,实现数控机床的位置控制。
使用变频调速系统控制主轴电机的运行。
本系统具有巡检速度快、精确、方便、可靠性能高、抗干扰能力强等诸多优点,在工商业领域应用地越来越多。
关键词:
单片机;数控机床;变频器;步进电机;键盘/显示
目录
第1章绪论 -1-
1.1设计背景 -1-
1.2工作要求 -1-
1.3设计的目的及意义 -1-
第2章系统总体方案的确定 -2-
2.1主要技术要求 -2-
2.2系统方案 -2-
2.2.1任务分析 -2-
2.2.2系统总体框图 -2-
第3章系统硬件电路的设计 -4-
3.1CPU(单片机)与总线部分的选择 -4-
3.1.1CPU(单片机)的概述 -4-
3.1.2总线 -7-
3.2单片机存储器的扩展电路 -8-
3.2.1单片机外部存储器的扩展芯片 -9-
3.2.2单片机外部存储器的扩展 -11-
3.3主轴电机的驱动电路 -13-
3.3.1D/A转换电路的选择 -14-
3.3.2主轴电机变频调速系统的设计 -15-
3.3.3主轴电机控制电路 -21-
3.4半闭环进给系统的设计 -23-
3.4.1位置控制单元的设计 -23-
3.5键盘显示电路的设计 -28-
3.5.18155接口芯片简介 -28-
3.5.28155与8031的接口。
-29-
3.5.3键盘/显示接口电路的设计 -30-
3.6电源模块的设计 -32-
3.6.1+12V、-12V、+5V电源的设计 -32-
3.6.2+80V电源的设计 -33-
3.7系统的改进 -34-
第4章系统软件的设计 -35-
4.1主程序流程图 -35-
4.2键盘子程序流程图 -36-
4.3显示子程序流程图 -36-
4.4中断子程序流程图 -38-
4.5PID控制算法子程序 -38-
4.6转速检测子程序流程图 -40-
小结 -41-
致谢 -42-
第1章绪论
1.1设计背景
数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。
这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力,关系到一个国家的战略地位。
因此,世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。
我国是一个机床大国,数控技术和产业经过40多年的发展,从无到有,从引进消化到拥有自己独立的自主版权,取得了相当大的进步。
有四百多万台普通机床。
到目前为止,已有很多厂家生产经济型数控系统。
经济型数控车床的特点是价格低廉、编程简单、操作方便,具有数控机床的基本功能。
经济型数控系统主要用于旧机床的改造和机械设备升级换代。
1.2工作要求
采用8031单片机、高低压驱动大功率电力电子器件等设计简易数控装置,以驱动步进电动机构成半闭环数控系统,实现数控机床的位置控制。
(1)步进电机停/起、加/减速控制;
(2)硬件电路设计;
(3)驱动电源设计;
(4)软件流程设计;
1.3设计的目的及意义
数控技术综合运用了微电子、计算机、自动控制、精密检测、机械设计与制造等技术的最新成果,具有动作顺序的程序自动控制,位移和相对位置坐标的自动控制,速度、转速及各种辅助功能的自动控制等功能。
由单片机控制、步进电动机驱动的经济型半闭环数控装置,具有结构简单、控制容易、成本低、维修方便,能迅速加减速和全数字化等优点,因此,可广泛用于速度与精度要求不高的经济型数控机床和旧设备的改造中。
第2章系统总体方案的确定
2.1主要技术要求
(1)步进电动机:
75BF001相数:
3部距角:
1.5°/3°
相电流:
3A空载转矩:
1750HZ运行频率:
1500HZ工工作方式:
3相单3拍
(2)分辨率<10um
(3)进给速度<10m/min
2.2系统方案
2.2.1任务分析
系统要求是由单片机控制、步进电动机驱动的经济型开环数控装置,为了使系统得到更高的精度,我们给系统加了一个位置检测装置,其主要作用是为了检测位移量,并发出反馈信号与数控装置发出的指令信号相比较,若有偏差,经放大后控制执行部件,使其向着消除偏差的方向运动,直至偏差等于零为止。
只要提高检测元件和检测系统的精度,数控装置的加工精度将会大大提高。
该系统是基于单片机的应用系统,而单片机应用系统是以单片机为核心,配以一定的外围电路和软件,能实现某种或几种功能的应用系统。
它一般由硬件和软件组成。
硬件是系统的基础,软件则是在硬件的基础上对其合理的调配和使用,从而完成应用系统所要完成的任务。
2.2.2系统总体框图
由上述分析可知,系统需要由CPU(单片机)、存储器扩展电路、主轴电机的驱动电路,半闭环进给系统的控制、键盘显示电路,以及电路的供电的电源等六部分组成。
其总体框图如图2.1所示。
图2.1系统总体框图
由上图可以看出,系统是通过键盘输入给定的X轴Y轴的坐标,通过单片机内部处理,使单片机输出的脉冲经过光电隔离开关送入步进电机的驱动电路,到达步进电机的绕组,然后再通过速度检测元件,将步进电机的速度转变为脉冲量的变化,再通过整形放大送给单片机进行记数。
通过单片机内部比较,进行调整,形成一个闭环控制电路。
而对于主轴电机,在这里我们将D/A转换器输出的电压信号进行调理以后作为变频器的控制信号,当D/A转换器的输出改变时,其对应的变频器的电压控制信号也跟着改变,从而使变频器的输出频率改变,达到变频调速的目的,使系统实现设计的要求。
速度检测器件采用光电码盘,因其输出为脉冲信号,可以通过计数器直接进入单片机,这样就省去了不少中间环节,大大降低了成本。
输出的数字信号送入单片机的记数口进行记数,然后通过软件编程实现对步进电机位置的显示与控制。
第3章系统硬件电路的设计
对于系统单元电路的设计,系统主要采用模块化的设计思想,因为模块化的设计思想有利于系统的维修控制。
对于本次所设计的系统,可将其分成六部分。
CPU(单片机)与总线、存储器扩展电路、主轴电机的驱动电路、半闭环进给系统的控制电路、键盘显示电路,以及电路供电电源等六部分组成。
3.1CPU(单片机)与总线部分的选择
3.1.1CPU(单片机)的概述
CPU是CNC装置的核心,具有执行计算和控制能力。
CPU主要由控制单元、算术逻辑单元和一些暂寄存器组成。
CPU在 CNC装置工作时,其控制单元从存储器中依取去处组成程序的指令,进行译码后,向CNC装置的各部分按顺序发出执行操作的控制信号,同时接受执行部件发出的反馈信号,与程序中的指令信号比较后,决定下一步的应执行的操作。
在运算过程中,算术逻辑单元不断从存储器中提取数据,并将运算结果送回存储器中保存。
通过对运算结果的分析判断,设置状态寄存器的相应状态。
CPU与存储器,输入/输出接口等通过总线有机的结合在一起构成CNC装置。
在系统设计中我们选用的是Intel公司生产的MCS-51系列高档8位的8031单片机。
它具有很高的性能,许多功能都超过了8080CPU和Z80CPU,成为当代工业测控类应用系统的优选单片机。
下面对8031做以叙述。
(1)8031内部资源简介
一个完整的计算机应该是由运算器、控制器、存储器和I/O接口组成。
一般由微处理器只包含云酸器可控制器两部分。
和一般微处理器相比较,8031增加了四个8位I/O口、一个串行口、128B的RAM、很多工作寄存器及特殊功能寄存器(SFR)。
各部分组成。
其中,2个16位定时记数器,5个中断源的中断控制系统、一个全双工的串行I/O接口、以及片内时钟振荡器,以上各部分均通过片内数据总线连接。
(2)8031芯片的引脚
8031芯片的引脚如图3.1所示
图3.18031芯片的引脚
(3)单片机8031的引脚功能
①四个并行I/O口
P0.7~P0.0:
P0口共有8条引脚,其中P0.7为最高位,P0.0为最低位。
P0口既可作地址/数据总线使用,又可作为通用的I/O端口使用。
当CPU访问片外存储器时,P0口分时先作低8位地址总线,后作双向数据总线。
当P0口被地址/数据总线占用时,就不能再作I/O口使用了。
P1.7~P1.0:
P1口作通用I/O口使用,用于传送用户的输入/输出数据。
P2.7~P2.0:
P2口是一个8位准双向I/O端口,它既可作为通用I/O口使用,也可与P1口配和,作为外存储器的高8位地址总线,输出高8位地址,使P2和P1口一起组成一个16位片外存储器单元地址。
P3.7~P3.0:
这组引脚除作为一般准双向I/O口外,每个引脚还具有第二功能。
具体分配如表3-1所示。
表3-1P3口各位的第二功能
P3口的位
第二功能
注释
P3.0
P3.1
P3.2
P3.3
P3.4
P3.5
P3.6
P3.7
RXD
TXD
T0
T1
串行数据接收口
串行数据发送口
外中断0输入
外中断1输入
计数器0计数输入
计数器1计数输入
外部RAM写选通信号(输出)
外部RAM读选通信号(输出)
②控制引脚
ALE/:
地址所存允许信号/编程脉冲输入端;
/VPP:
允许访问片外存储器/编程电源输入端;
:
片外程序存储器允许输出信号端;
RST/VPD:
复位信号输入端/备用电源输入端;
③时钟引脚(2条)
XTAL1:
接外部晶体的一个引脚。
在单片机内部,它是反相放大器的输入端,而这个放大器构成片内振荡器。
当采用外部时钟时,该引脚必须接地。
XTAL2:
接外部晶体的另一个引脚。
在单片机内部,接上述振荡器的反相放大器的输出端。
当采用外部时钟时,该引脚输入外部时钟脉冲。
④电源引脚(2条)
VCC为+5V电源线,VSS为接地线。
(4)8031最小应用系统
单片机8031是将CPU、RAM和I/O接口都集成在一块大规模集成电路芯片上的微型计算机。
就其组成而言,一块单片机芯片包括了计算机的全部基本部件,但它还不能构成最小应用系统。
单片机的最小应用系统应包括:
单片机、上电复位部分和晶振时钟源,如图3.2所示。
单片机8031允许的振荡晶体可在1.2MHz~24MHz之间选择,一般取11.0592MHz。
电容C1、C2的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响。
C1、C2可在20pF~100pF之间选择,一般当单片机外接晶体时的典型取值为30pF,为了提高温度稳定性,应采用NPO电容。
图3.2单片机的最小应用系统
单片机8031通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
在该系统中采用按钮复位,如图3.3所示。
各器件的典型取值为:
C3=1μF;R1=1kΩ;R2=51kΩ。
复位时,只需将按钮按下,使RET引脚保持高电平为两个机器周期以上,就能使单片机复位。
3.1.2总线
总线是计算机系统内部各独立模块之间传递各种信号的渠道。
计算机系统中,各种功能模块通过总线有机的连接起来,通过总线实现相互间的信息传送和通信。
总线通常分为片总线、内总线和外总线。
片总线为元件级总线,是组成一个小系统或CPU插件各芯片间的连接总线。
片总线包括地址总线、数据总线和控制总线,即所谓的三总线结构。
如图3.3所示,为8031的三总线分配图
图3.38031芯片的三总线分配
内总线又称系统总线,为板极总线,用于CNC装置中各插件板之间的连接和通信。
如S-100总线、PC总线、Multi总线、STD、IBM-AT标准总线等。
外总线又称通信总线,它用于系统与系统之间的通信。
这类总线有RS-232C、RS-422、IEEE-488等。
实际应用和理论分析证明,STD总线是一种比较好的工业总线,在国际上获得广泛应用,也是国内优选重点发展的工业标准总线。
STD总线的CPU摸板几乎可以包容8位的单片机8031,并且可以与各种通用的存储器和I/O口模块匹配。
3.2单片机存储器的扩展电路
存储器在简易数控装置中是用来存放程序、数据和参数。
在CNC装置中一般有三种用途的内存储器和一些外存储器(视需要配置)。
内存储器即为:
系统软件存储器、工作参数寄存器、工件加工程序存储器。
内存储器位于主机内部,可与CPU直接联系,存取速度高,但存储容量有限。
而外部存储器大多放在主机外面,一般只与内存储器进行交换信息,存取速率低,但存取容量大。
由于系统设计所用的8031单片机内部存储器只有128B的随机存储器RAM,且片内无只读存储器EPROM。
所以,设计中必须要对外部存储器进行扩展。
3.2.1单片机外部存储器的扩展芯片
(1)程序存储器的扩展(EPROM)芯片
由于在经济型数控装置中其程序的存储不是很多,所以在设计中,对于EPROM芯片的选择,系统选用Intel公司的典型系列芯片2764(8K×8),下面对8KB的2764芯片做简要说明。
①2764芯片的引脚
2764芯片的引脚排列如图3.4所示。
图3.42764芯片的引脚排列
②2764芯片的引脚简介
◆A0~A12:
地址线
◆D0~D7:
数据输出线
◆:
地址线
◆:
数据输出选通线
◆:
编程脉冲输入
◆VPP:
编程电源
◆Vcc:
电源引脚
2764芯片的五种工作方式的选择见表3-2
表3-22764工作方式的选择
(1)数据存储器的扩展(SPRAM)芯片
一般CNC装置都选取静态、随机存储器SRAM用做单片机外部数据存储器的扩展。
设计中系统选取常用的8位数据线的6264做为扩展芯片。
下面对8KB的6264芯片做简要说明。
①6264芯片的引脚
62664芯片的引脚排列如图3.5所示。
图3.562664芯片的引脚排
②6264芯片的引脚简介
◆A0~A12:
地址输入线
◆D0~D7:
双向三态数据线,用于传送CPU对芯片的写数据和芯片输出给CPU的读数据
◆:
片选信号输入线,低电平有效。
该芯片的26脚(CS)为高电平,且为低电平时才选中该片
◆:
读选通信号输入线,低电平有效
◆:
写允许信号输入线,低电平有效
③6264的四种工作方式如图表3-3所示。
表3-36264工作方式的选择
另外,在8031单片机中的16位地址,分为高8位(A15~A8)和低8位(A7~A0)。
高8位由P2口输出,低8位由P0口输出,如图4-38031芯片的引脚分配所示。
而P0口同时又是数据输入/输出口,故在传送时采用分时方式,先输出低8位地址,然后再传送数据。
但是,在对外部存储器进行读/写操作时,16位地址必须保持不变,这就需要选用适当的寄存器存放低8位地址,以保证P0口线作数据总线使用时所选外部存储器单元的16位地址不丢失,这个外部的寄存器就称为外部地址锁存器。
该系统采用带三态缓冲器的8-D锁存器74LS373作为外部地址锁存器。
3.2.2单片机外部存储器的扩展
单片机与外部的连接均采用前面所提到的三总线连接如图3.6所示
图3.6单片机外部存储器扩展电路图
(1)三总线连接
对与单片8031的总线分配,前面图3.3中已经作了说明。
①数据线的连接:
存储器芯片的数据线一般连接到8031的P0端口。
P0口为8031单片机的地址总线和数据总线的复用端口。
②地址线的连接:
外部存储器的地址信号来自单片机的P0口和P2口。
存储器的低8位地址由P0口分时送出。
P0口首先输出的低8位地址由ALE选通地址锁存器锁存起来,这样。
使P0口能再次送出数据信号。
存储器所需要连接的地址线数目由存储器芯片容量决定。
当存储器没有用足16根地址线时,余下的P2口线可作为片选控制线使用。
在图3.8中,6264和2764接入13根地址线(P0.0~P0.7、P2.0~P2.4),使用P2.5作为片选控制线等。
③控制信号线的连接:
存储器的控制信号线基本上分为两类:
芯片选通控制和读写控制接到8031相应的控制信号输出线上。
SRAM的读写读写控制信号(、)应分别与8031的P3.6()和P3.7()相连,EPROM的读写控制应与8031的读选通相连;
对于实现片选的方式有线选和译码选通两种方式,系统采用线选的方式。
(2)数据存储器和程序存储器地址的确定
①数据存储器(SRAM)地址的确定
由图3.8可知,系统是将8031的P2.5口作为片选接口。
6264的片选端接8031的P2.5,当P2.5输出为1时,选通6264,所以有数据存储器的地址范围为:
2000H—FFFFH
②程序存储器(EPROM)地址的确定
由图3.8可知,2764的片选端同样接8031的P2.5,P2.5输出为0时,才能选2764所以,它的地址为0000H—DFFFH
3.3主轴电机的驱动电路
这一部分主要是为主轴电机的正反转以及实现其速度的可调而设计的。
在本系统中,为了使电机的控制更加灵活和方便,我们采用了具有多种功能和优越性的TD2000系列变频器TD2000-4T0055G/0075P,来实现对电机的各种运行状态进行控制,同时在本系统中,我们打破了以往用手动控制来调节电机速度的常规,加入了12位的D/A转换器DAC1208,用它的输出对变频器进行控制以达到调速的目的,使整个系统的操作更加方便和智能化。
实现了数字控制的目的。
下面就具体实现过程作以介绍。
3.3.1D/A转换电路的选择
对于D/A转换的设计,为了提高分辨率,系统选用了12位的D/A转换器DAC1208。
(1)DAC1208的引脚排列
DAC1208的引脚排列如图3.7所示。
图3.7DAC1208的引脚排列
(2)DAC1208的引脚功能
DI0~DI11:
数据输入线,其中DI11为最高位。
VREF:
基准电源输入端(-10V~+10V)。
Rfb:
内部反馈电阻引出端。
IOUT1、IOUT2:
电流输出端。
BYTE1/2:
字节顺序控制信号。
该信号为高电平时,开启8位和4位两个锁存器,将12位数据全打入锁存器;当该信号为低电平时,则开启4为输入锁存器。
CS:
片选信号,高电平有效。
:
输入写选通信号,低电平有效。
当为低电平时,将输入数据传送到输入锁存器;当为高电平时,输入锁存器中的数据被锁存;CS=1,且同时为低电平时,才能将待转换的数据传送
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- 机电 控制 程序 控制器 技术 课程设计