控制硬件部分

第四章控制系统硬件设计4.1确定硬件电路的总体方案X-Y数控工作台控制系统硬件框图如下：4.1.1主控制器CPU的选择随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，MCS-51系列单片机是集中CPU，I/O端口及部分RAM等为一体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。如目前应用最广的8位单片机8031，价格低廉，而性能优良，功能强大。从本设计的系统来看，选用8031单片可以获得较高的性价比。4.1.2.存储器扩展电路设计①程序存储器的扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用EPROM芯片。其型号有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为2K,4K,8K,16K,32K。在选择芯片时要考虑CPU与EPROM时序的匹配。8031所能读取的时间必须大于EPROM所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择2764芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。单片机规定P0口提供8为位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位地址和数据的通道口，为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提高低８位的地址信中央处理单元(CPU)存储器RAM/ROM输入/输出I/O接口信号变换控制对象外设（键盘、显示器、打印机、磁盘机等）息，一般采用74LS373芯片作为地址锁存器，并由CPU发出允许锁存信号ALE的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。由以上分析，采用2732EPROM芯片的程序存储器扩展电路框图如下所示：扩展2732电路框图②数据存储器的扩展由于8031内部RAM只有128字节，远不能满足系统的要求。需要扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116,6262静态RAM数据存储器。本次设计选用6264芯片作为数据存储器扩展用芯片。其扩展电路如下所示：P1.7↓P1.0P2.4↓P2.0ALEP0.7↓P0.0PSENEACEA12↓A82732A7↓A0OED7↓D0译码电路G74LS372扩展6264电路框图③译码电路在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。由于外围芯片与数据存储器采用统一编址，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法和全地址译码法。线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。线选法的硬件结构简单，但它所用片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。对于RAM和I/O容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候，多采用全地址译码法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。④存储器扩展电路设计8031单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器为独立编址。该设计选用程序存储器2764和数据存储器6264组成8031单片机的外存储器扩展电路，单片机外存储器扩展电路如下：⑤I/O扩展电路设计(a).通用可编程接口芯片81558031单片机共有4个8位并行I/O接口，但供用户使用的只有P1口及部分P3口线。因此要进行I/O口的扩展。8155与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。8155与8031的连接方式如下图所示(b).键盘，显示器接口电路键盘，显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，即用I/O口线组成行，列结构，按键设置在行列的交点上。数控系统中使用的显示器主要有LED和LCD。下图所示为采用8155接口管理的键盘，显示器电路。它有4X8键和6位LED显示器组成。为了简化秒电路，键盘的列线及ＬＥＤ显示器的字位控制共用一个口，即共用8155的PA口进行控制，键盘的行线由8155C口担任，显示器的字形控制由8155的PB口担任。键盘显示器接口电路如下所示：4.1.3步进电机驱动电路设计①脉冲分配器步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。本设计采用集成脉冲分配器YB015。采用YB015硬件环行分配器的步进电机接口线路图如下：②光电隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。因此在接口电路与功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。光电耦合器接线图如下：③功率放大器脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器，需根据步进电机容量选择功率放大器。本设计选用功率放大器。4.1.4其它辅助电路设计①8031的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片的内部振荡电路，在XTAL1,XTAL2引脚上外接定时元件，如下图所示。晶体可以在1.2~12之间任意选择，耦合电容在5~30pF之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式时，可将XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源。时钟电路②复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后CPU便从0000H单元开始执行程序。在实际运用中，若系统中有芯片需要其复位电平与8031复位要求一致时，可以直接相连。当晶振频率选用6MHz时，复位电路中C取10μF,R取10KΩ。实用复位电路图如下所示：③越界报警电路为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。利用光电耦合电路，将行程开关接至发光二极管的阴极，光敏三极管的输出接至8031的I/O口Ｐ1.0。当任何一个行程开关被压下的时候，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变成高电平。8031可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。也可接成从光敏三极管的集电极输出接至8031的外部中断引脚（INT0或INT1），采用中断方式检查越界信号。越界报警电路如下图所示4.2机床数控系统硬件电路设计该系统选用MCS-51系列的8031作为主控制器。扩展存储电路为一片2732EPROM和一片6264RAM。程序存储器扩展为4K，数据存储器扩展为8K。2732的片选控制端直接接地，该电路始终处于选中状态。系统复位以后，CPU从0000H开始执行监控程序。6264的片选端由译码器（74LS138）的Y2输出提供。所以6264的空间地址为4000～5FFFH。系统的扩展I/O接口电路选用通用可编程并行输入/输出接口芯片8155。8155的片选端接至译码器（74LS138）的Y4的输出端，故8155控制命令寄存器及PA，PB，PC口的地址号分别为8000H及8001H，8002H，8003H。8155RAM区的地址为8000H—80FFH。8155的A口为控制工作抬X，Y向电机的接口。为防止功率放大器高电压的干扰，不步进电机接口与功率放大器之间采用光电隔离。键盘与显示器设计在一起，8155的PC口担任键盘的列线及显示器的扫描控制；PB口CECECE的PB0—PB3为键盘的行线。8031的P1口为显示器的字形输出口。该系统采用4X6共24个行列式键盘和6位8段共阴极LED显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口和字位口加74LS07进行驱动。PB口剩余的I/O线PB4—PB7分别作为工作台+X，+Y，-X，-Y四个方向的行程限位控制信号。在软件设计上8155的PA口，PC口设置为输出，PB口设置为输入。计算机随时巡回检测PB4—PB7的电平，当某I/O线为0时，应立即停止X，Y向电机的驱动，并发出报警信号。另外，光电隔离器的输出端必须采用隔离电源。隔离电源选用7805三端集成稳压器设计。数控系统总的电气原理图见图纸（二）。第五章控制系统软件设计5.1系统控制功能分析本设计中，数控X—Y工作台钻床和铣床上，经过改装的钻床和铣床配以数控系统，成为数控钻床和数控铣床。数控X-Y工作台的控制功能包括：①系统初始化。如对I/O接口8155，8255A进行必要的初始化工作，预置接口工作方式控制字。②工作台复位。开机后工作台应该自动复位，亦可手动复位。③输入和显示加工程序。④监视按键，键盘及开关。如监视紧急停机键及行程开关，键盘扫描等功能。⑤工作台超程显示与处理。工作台位移超过规定值时应该立即停止工作台的运动，并显示相应的指示字符。⑥、工作台的自动控制。⑦、工作台的手动控制。⑧、工作台的联动控制。5.2系统管理程序控制管理称许是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和执行操作者的命令。在设计管理程序时，应确定接收命令的形式，系统的各种操作功能等。数控X-Y工作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位控制，工作台位置控制，手动操作，紧急停机等。根据以上分析，设计管理程序流程图如下所示：管理程序流程5.3自动加工程序设计①机床在自动加工时的动作顺序：工作台移动到位→刀具快速进给→加工→退刀→工作台运动到下一位置；②计算机在加工过程中的操作：读取刀具轨迹，控制机床完成加工；③由以上分析，设计自动加工程序框图如下所示：自动加工程序框图5.4步进电机控制子程序设计步进电机的控制包括速度，转角及方向的控制。步进电机在突然启动或停止时，由于负载和惯性，会使电机失步，所以电机运行时有一个加，减速过程。通过确定进给脉冲数和脉冲时间间隔，即可实现步进电机转角与速度的控制。①时间常数的确定在步进电机控制程序中，利用单片机的定时器中断，延时产生进给脉冲的时间间隔。此间隔由送入定时器的时间常数决定。时间常数由下式计算：式中：T为脉冲时间间隔（ms）；et为单片机机器周期（s），在时钟为6MHz时，et=2s。②步进电机加，减速进给脉冲及脉冲时间间隔的确定631010eetTT56363101102102001010eetTT设步进电机加，减速方式为直线加，减速。要使步进电机不失步，应满足：式中：为步进电机启动力矩；为负载力矩；为惯性力矩。由步进电机=49N.cm，取步进电机的加速启动力矩cmNMTjM7.123.0866.0max则使步进电机不失不的惯性力矩步进电机角加速度又mbtfbttfddddmax式中：为上升到步进电机最高频率所需时间，所以有：加速脉冲个数：17310216160021213maxmmtfn确定加减脉冲个数都为173个又因为：nnmntttfftn)(5.05.0max所以脉冲时刻max2fnttmn结合可以算出对应各脉冲时刻的计数器时间常数。EPROM存储器中，时间常数依次安排在首地址为1000H的存储单元中，每个时间常数占据两个字节，低位地址存放时间常数低8位，高位地址存放时间常数高8位。在程序中，设置加速，恒速，减速脉冲计数器N0，N1，N2。以计数器的值是否为0作为相应过程是否结束的标志。步进电机控制程序框图如下所示：TMTQMmaxjMTQMMTcmNMTTQM3.34.97.12）（总242/194107.1103.3sradJTmtmaxf)(216194360216005.1maxmsftbm631010eetTT步进电机控制子程序步进电机控制中断服务程序5.5编语言程序设计①内存地址分配加速脉冲数计