機電一體化課程設計說明書

1、-WORD格式-可編輯-機電一體化系統(tǒng)綜合課程設計課題名稱：數(shù)控工作臺設計說明書學院：機械工程學院專業(yè)：機械設計制造及其自動化設計成員：指導老師：季國順金成柱聶欣日期：2013年1月7日設計組號：7課題號： 14-1目錄1、總體方案設計 ,31.1設計任務 ,41.2總體方案確定 ,42、機械系統(tǒng)設計 ,52.1工作臺外形尺寸及重量估算,62.2導軌參數(shù)確定 ,72.3滾珠絲桿的設計計算 ,82.4步進電機的選型與計算,102.5機械系統(tǒng)結構設計 ,123、控制系統(tǒng)硬件設計,133.1控制系統(tǒng)硬件組成 ,133.2控制系統(tǒng)硬件選型 ,153.3控制系統(tǒng)硬件接口電路設計,173.4驅動系統(tǒng)設計

2、,184、控制系統(tǒng)軟件設計 ,194.1控制系統(tǒng)軟件總體方案設計,214.2主流程設計 ,224.3中斷服務流程設計 ,234.4軟件調試 ,255、總結 ,26參考文獻 ,2721、總體方案設計1.1設計任務題目：兩坐標 X-Y 數(shù)控工作臺設計任務：設計兩軸聯(lián)動的數(shù)控X-Y 運動平臺，完成機械系統(tǒng)設計、控制系統(tǒng)設計與相應軟件編程，根據(jù)試驗條件進行調試，完成整個開發(fā)系統(tǒng)；每組一題，分別由 34 位同學合作完成。其主要技術指標如下：1）工作臺型號為HXY-4030；2）行程要求 X=400mm，Y=300mm；3）工作臺面尺寸為C3 B3 H240mm3 254mm3 15mm；4）底座外形尺寸

3、為C13 B13 H1650mm3 550mm3 184mm；5）工作臺最大長度L=778mm；6）工作臺負載重量N=500N；7）工作臺最快移動速度vxmax=vymax=1m/min8）X,Y 方向的重復定位精度為0.02mm；9）X,Y 方向的定位精度為0.04mm；10）工作臺切削負載小、運動靈敏度高、低速無爬行；11）定位精度高；12）結構輕便，建議機座和滑臺采用鋁合金；13）標準組件，獨立產(chǎn)品；14）可直接應用于小型鉆、銑床。1.2總體方案確定1.2.1方案確定思想該工作臺設計主要分為機械系統(tǒng)部件和控制系統(tǒng)部件，其中機械系統(tǒng)部件主要包括導軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機和檢測

4、裝置等，控制系統(tǒng)部件則包括 CPU控制電路、電源設計電路、輸入信號電路、輸出信號電路、步進電機驅動控制電路等。因 X向和 Y 向機械結構基本相同，故只繪制X 向機械系統(tǒng)部分的結構簡圖，3如下：考慮在滿足設計要求的前提下，應盡可能采用簡潔輕便的結構設計和廉價實用的可選材料，符合綠色環(huán)保的現(xiàn)代機械設計理念，由此來確定最終方案。1.2.2方案對比分析與確定（1）方案對比1）方案一動力源：采用標準工業(yè)電源；執(zhí)行元件：選用混合式步進電機，其特點為輸出轉矩大、動態(tài)性能好、步距角小、驅動電源電流小、功耗低，但結構稍復雜，成本相對較高；導向支承部件：選用直線滾動導軌副，其特點是摩擦因數(shù)小，不易爬行，便于安裝和

5、預緊，結構緊湊；傳動部件：選用滾珠絲杠副，其特點是傳動效率高，運動平穩(wěn)，使用壽命長，運用廣泛；減速裝置：不使用減速箱，在滿足脈沖當量的需求時，可以有效簡化系統(tǒng)結構，縮小機械尺寸，節(jié)約生產(chǎn)成本；檢測裝置：增量式旋轉編碼器；系統(tǒng)微控制器：選用MCS-51系列的 8 位單片機 AT89C52；2）方案二動力源：采用標準工業(yè)電源；執(zhí)行元件：選用永磁式步進電機，其特點為不需要太大電流，繞組斷電時具有自鎖能力，優(yōu)點是動態(tài)性能好、輸出轉矩大、驅動電流小、電動機不易發(fā)熱，但制造成本高，步距角較大，配套的驅動電源要具有細分功能；導向支承部件：選用滾柱交叉導軌副，其特點是具有較高的承載能力和較高的剛性，可以獲得較

6、高靈敏度和高性能的平面直線運動，導向性好，自動定心，滾動摩擦阻力低；傳動部件：選用滾珠絲杠副；減速裝置：選用無間隙齒輪傳動減速箱；檢測裝置：增量式旋轉編碼器；系統(tǒng)微控制器：選用可編程程序控制器（PLC）；3）方案三動力源：采用標準工業(yè)電源；執(zhí)行元件：選用反應式步進電動機，其特點為步矩角可達115，甚至更小，精度容易保證，起動和運行頻率較高，但功耗較大，效率較低；導向支承部件：選用靜壓導軌副，其特點是需要將一定壓力的油或氣體介質4通入導軌的運動件和導向支撐部件之間，使運動件浮在壓力油或氣體薄膜上，摩擦阻力很??；傳動部件：選用滑動絲杠副，其特點是結構簡單，容易制造，減速傳動比大，摩擦力大，具有自鎖

7、性，但低速或微調時可能出現(xiàn)爬行現(xiàn)象；減速裝置：選用無間隙齒輪傳動減速箱；系統(tǒng)微控制器：選用AVR系列的 Atmega16；（2）選擇分析對比以上三個方案，其主要區(qū)別在于步進電動機、導軌副、絲杠螺母副、系統(tǒng)微控制器的選擇和是否有必要使用減速箱。綜合考慮設計任務和方案確定思想，因系統(tǒng)定位精度和最快移動速度相對并不是很高，故選用性能較好而性價比較高的混合式步進電動機已經(jīng)足夠；為了避免爬行現(xiàn)象，同時節(jié)約生產(chǎn)成本，且因該設計載荷較低，故選用直線滾動導軌副；滑動絲杠副在低速或微調時可能產(chǎn)生爬行顯現(xiàn)，且為了能夠滿足 0.02mm的重復定位精度和 0.04mm的定位精度，故選用滾珠絲杠副；控制系統(tǒng)選用 AT8

8、9C52單片機，足以滿足設計要求且較為廉價；由于本設計中要求系統(tǒng)結構緊湊，且依靠步進電動機和滾珠絲杠副已經(jīng)可以達到所需的脈沖當量，因此可以不使用減速箱。綜上所述，本設計選用方案一作為合理的總體方案。1.2.3總體方案系統(tǒng)組成（1）機械系統(tǒng)組成1）導軌副的選用該設計課題中所要求的X-Y 工作臺要求可直接應用于小型鉆、銑床，需要承受的載荷不大，但脈沖當量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動導軌副。它具有摩擦系數(shù)小、不易爬行、傳動效率高、結構緊湊、安裝預緊方便等優(yōu)點。2）絲杠螺母副的選用伺服電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，要滿足0.02mm的重復定位精度和0.04mm的定位精度，

9、滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達到。滾珠絲杠副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉平穩(wěn)、壽命長、效率高，預緊后可消除反向間隙。3）減速裝置的選用選擇了步進電動機和滾珠絲杠副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉矩，降低運動部件折算到電動機轉軸上的轉動慣量，可能需要減速裝置，且應有消間隙機構。但本設計中要求系統(tǒng)結構緊湊，且依靠步進電動機和滾珠絲杠副已經(jīng)可以達到所需的脈沖當量，因此不使用減速箱。54）伺服電動機的選用任務書規(guī)定的 X,Y 方向重復定位精度為 0.02mm，由此可以取脈沖當量為0.01mm，則其定位精度未達到微米級，最快移動速度也只要求為1000mm/min。因此，不必采用

10、高檔次的伺服電動機，只需要選用性能較好的步進電動機即可，故在本設計中選用混合式步進電動機，以降低成本，提高性價比。5）檢測裝置的選用選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制也可選閉環(huán)控制。任務書所給的精度對于步進電動機來說還是偏高的，為了確保電動機在運轉過程中不受切削負載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨率應與步進電動機的步距角相匹配。考慮到 X、Y 兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設計工作量， X、Y 兩個坐標的導軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機以及檢測裝置擬

11、采用相同的型號與規(guī)格。（2）控制系統(tǒng)組成1）設計的 X-Y 工作臺要求可直接應用于小型鉆、銑床，其控制系統(tǒng)應該具有單坐標定位、兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)應該設計成連續(xù)控制型。2）對于步進電動機的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的 8 位單片機 AT89C52作為控制系統(tǒng)的CPU，應該能夠滿足任務書給定的相關指標。3）鑒于此系統(tǒng)只考慮步進電機的控制，CPU的自身資源已經(jīng)足夠，不需要外部引入其它接口擴展電路?？紤]控制電路與輸出信號電平不一致以及減少干擾等因素，在輸入和輸出信號之間加入光電耦合器組成信號輸入輸出電路。4）選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用。（3）系統(tǒng)總體框

12、圖根據(jù)已確定的總體方案繪制系統(tǒng)總體框圖如下：62、機械系統(tǒng)設計2.1工作臺外形尺寸及重量估算按照下導軌之上移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導軌副、導軌座等，估計重量約為1200N。2.2導軌參數(shù)確定（1）滑塊承受工作載荷Fmax的計算及導軌型號的選取工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。本例中的 X-Y 工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂向載荷為：FmaxG（2-1）F =1200N/4+500N=800N4其中移動部件重量 G 1

13、200N，最大外加載荷，故得到單滑塊所F = Fz=500N受的最大垂向載荷Fmax=800N=0.8kN。查機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書（下略）表3-41 ，根據(jù)工作載荷 Fmax=0.7kN，初選直線滾動導軌副的型號為KL系列的 JSA-LG15型，其額定動載荷 Ca=7.94 kN，額定靜載荷 C 0a=9.5kN。任務書規(guī)定工作臺面尺寸C3 B 240mm3 254mm，行程要求 X=400mm，Y=300mm。查表 3-35 ，考慮滑塊在工作臺底部的安裝位置，在保證工作行程應留7有一定余量的前提下，按標準系列選取導軌的長度為640mm。（2）距離額定壽命L 的計算上述選取的 KL

14、 系列 JSA-LG15型導軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過 100，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為 4 級，工作速度較低，載荷不大。查表 3-36 表 3-40 ，分別取硬度系數(shù)fH =1.0 ，溫度系數(shù)fT =1.00 ，接觸系數(shù)fC=0.81，精度系數(shù) f R=0.9，載荷系數(shù) fw=1.5，代入得距離壽命：fH fT fC f RCa3505611km（ 2-2 ）LPCf W遠大于常見球導軌的距離期望壽命50km，故初選型號滿足設計要求。2.3滾珠絲桿的設計計算（1）最大工作載荷Fm的計算根據(jù)任務書要求不考慮工作臺受到的銑削力，即Fx = Fy=0，受到垂直載荷Fz=500

15、N。已知移動部件總重量G=800N，按矩形導軌進行計算，查表3-29 ，取顛覆力矩影響系數(shù) K=1.1，滾動導軌上的摩擦因數(shù)=0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷FmKFx（FzFyG）=1.1 3 0+0.0053 (500+1200)N=8.5N（2-3）（2）最大動載荷FQ的計算根據(jù)任務要求，工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v =1000mm/min，初選絲杠導程 Ph=4mm，則此時絲杠轉速 nv/Ph= 250 r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000 h，代入L0=60nT / 106，得絲杠壽命系數(shù)6L0=225（單位為：10 r）。，滾道硬度為時，取硬度系數(shù)，查

16、表 3-30 ，取載荷系數(shù)f w=1.2f H=1.060HRC代入得最大動載荷：FQ3f F42.5N2-4L0 f（）W Hm（3）初選型號根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，查表 3-32 ，選擇 CM系列 2004-5 型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為 20 mm，導程為 4 mm，循環(huán)滾珠為 23 2.5 ，精度等級取 4 級，額定動載荷為 9197 N，大于FQ，滿足要求。（ 4）傳動效率的計算將公稱直徑 d0=20mm，導程 Ph=4mm，代入arctan Ph / ( d0 ) ，得絲杠螺旋升角=4 33。將摩擦角=10，代入=t an/ tan ()

17、 ，得傳動效率=96.4%。（5）剛度的驗算81）X-Y 工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推- 單推”的方式。絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距離約為 a =500mm；鋼的彈性模量E 2.1 3 105Mpa；查表3-32，得滾珠直徑22。D w=3.175mm，絲杠底徑 d2=16.2mm，絲杠截面積 S= d2 /4=206.12mm當絲杠的拉伸或壓縮變形量1 在總變形量中所占的比重較大時，按1 =FamMa2進行計算，忽略式中第二項，算得絲杠在工作載荷 Fm作用下產(chǎn)ES2 IE生的拉 / 壓變形量1 Fm a / ( ES) =6.5 3 44

18、0/(2.1 3 1053 229.66)mm7.49 3 10-5mm2）根據(jù)公式z(d0 / D w ) ，求得單圈滾珠數(shù)Z =20；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù) 3列數(shù)為 33 1，代入公式：Z Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量33Z =60。絲杠預緊時，取軸向預緊力FYJFm /3 =2.17 N。則可求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2 6.165 3 10-5mm。因為絲杠加有預緊力，且為軸向負載的1/3 ，所以實際變形量可減小一半，取2 =3.08 3 10-5mm。3）將1和2代入總1 2，求得絲杠總變形量總 =10.57 3 10-5mm=0.1057m。查表 3-27 可知， 4

19、級精度滾珠絲杠在有效行程在315mm時，行程偏差為25 ep/m ，可見絲桿剛度足夠。（6）壓桿穩(wěn)定性校核滾珠絲杠屬于受軸向力的細長桿，失穩(wěn)時的臨界載荷Fk應滿足fk2 EIFkKa2 Fm 。查表 3-31 ，取支承系數(shù)fk =1；由絲杠底徑d2 =16.2mm，求得截面慣性矩44；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取 3（絲杠臥式水平安裝）；滾I =d2/6 4 3380.88mm動螺母至軸向固定處的距離a 取最大值500mm），得臨界載荷 Fk9343N，遠大于工作載荷 Fm=6.5N，故絲杠不會失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。2.4步進電機的選型與計算（1）計算加在步進電動機轉軸上的總轉

20、動慣量Jeq已知滾珠絲杠的公稱直徑 d0=20mm，總長 l =440mm，導程 Ph=4mm，材料密度-33=7.85 3 10kg/cm ；移動部件總重量 G=1200N。參照表 4-1 ，算得各個零部件的轉動慣量：滾珠絲杠的轉動慣量22Js=0.543kg 2 cm，拖板折算到絲杠上的轉動慣量 Jw=0.331kg 2 cm。因系統(tǒng)脈沖當量為0.01mm/脈沖，系統(tǒng)傳動比為1，滾珠絲杠導程為 4mm，故初選步進電動機型號為90BYG2502，二相四拍驅動時步距角為 0.9 o，從表 4-592查得該型號電動機轉子的轉動慣量 Jm=4kg2 cm。則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為：JJ

21、eq = m +Jz1+ （ JJz2 +w +Js） / i 222=4+ （0.331+0.543 ）/1kg 2 cm=4.874kg 2 cm（2）計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩Teq分快速空載起動和承受最大工作負載兩種情況進行計算。1）快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩Teq1包括三部分：一部分是快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩Tamax；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩 Tf；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩 T0。因為滾珠絲杠副傳動效率很高， T0相對于 Tamax和 Tf很小，可以忽略不計。則有：Teq 1

22、TamaxTf（2-5）考慮傳動鏈的總效率，計算快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩：2Jeqnm1Tamax60ta其中， nm為對應空載最快移動速度的步進電動機最高轉速，單位為r/min ：vmaxnm360已知空載最快移動速度vmax=1000mm/min，步進電動機步距角=0.9 o，脈沖當量=0.01mm/脈沖，代入以上各值得n =250r/min。m設步進電動機由靜止到加速至nm轉速所需時間 ta=0.4s，傳動鏈總效率=0.7 。則可求得：T=24.87410-4250 N2 m0.0456N2 mamax600.40 .7移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為

23、：Tf(FzGP) h（2-6 ）2i其中，已知滾動導軌的摩擦因數(shù)=0.005 ，空載時垂直方向的銑削力，F(xiàn)z=0得：Tf0.005(08 00)0.004 N2 m3.638 3 10-3 N2 m20.71故求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩：Teq1TamaxTf=0.0492N2 m2）最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩Teq2也包括三部分：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩 Tt；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩 Tf；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動10機轉軸上的附加摩擦轉矩T0。同樣的， T0相對于 Tt和 Tf很小，可以忽略不

24、計。則有： Teq2TtTf，因本設計不考慮工作臺受到的銑削力，因此折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩Tt=0。計算垂直方向承受最大工作負載情況下，移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩：Tf0.005( 5008 00) 0.004 5.911 3 10-3N2 m20.71求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩為Teq2=5.911 310-3 N2 m。經(jīng)過上述計算后，得到加在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩應為：Tmax TT , =0.0492N2 meqeq1eq2（3）步進電動機最大靜轉矩的選定考慮到步進電動機的驅動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸

25、出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據(jù)Teq來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數(shù)。取安全系數(shù) K=4，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足：Tjm ax4Teq=0.1968 N 2 m上述初選的步進電動機型號為90BYG2502，由表 4-5 查得該型號電動機的最大靜轉矩 Tjmax= 6 N 2 m，可滿足要求。（4）步進電動機的性能校核1 ）最快移動速度時電動機輸出轉矩校核任務書給定工作臺最快移動速度vmax=1000mm/min，脈沖當量=0.01mm/脈沖，則可求出電動機對應的運行頻率fmax=1000/(60 3 0.01)Hz1667Hz。90BYG2502電動機

26、的運行矩頻特性曲線圖如下：可見在此頻率下，電動機的輸出轉矩Tmax4.5N2 m，遠遠大于最大工作負載轉矩 Teq=0.0492N2 m，滿足要求。2）最快移動時電動機運行頻率校核與最快移動速度 vmax=1000mm/min對應的電動機運行頻率 fmax=1667Hz。查表4-5 可知 90BYG2502電動機的空載極限運行頻率為 20000Hz，可見沒有超出上限。113）起動頻率的計算2已知電動機轉軸上的總轉動慣量Jeq=4.874kg 2 cm，電動機轉子的轉動慣量2，查表 4-5 ，電動機轉軸不帶任何負載時的最高起動頻率f q=1800Hz.Jm=4kg2 cm則 , 可以求出步進電動

27、機克服慣性負載的起動頻率：fLfq=1208Hz（2-6 ）Jeq / Jm1上式說明，要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須 1208Hz，滿足要求。綜上所述，本例中工作臺的進給傳動選用 90BYG2502步進電動機，完全滿足設計要求。2.5機械系統(tǒng)結構設計以下參照三維造型圖和總裝配圖，來進行機械系統(tǒng)結構設計的說明。本設計考慮設計任務工作臺面尺寸要求為C3 B3 H 240mm3 254mm3 15mm，而底座外形尺寸為 C13 B13 H1650mm3 550mm3 184mm；為不超出底座外形尺寸要求，故選用了標準系列導軌副長度 640mm，同時為了保證行程要求 X=4

28、00mm，Y=300mm，因此不能將導軌滑塊裝置在工作臺兩邊緣，而是分別向內(nèi)縮進了 24mm。又因為工作臺最大長度 L=778mm，故總體結構相對而言較為緊湊，依靠步進電動機和滾珠絲杠副的選型來滿足脈沖當量的需求，而無需添加齒輪減速箱，且將增量式旋轉編碼器裝置在滾珠絲杠副末端，形成半閉環(huán)控制，既使空間結構緊湊有序，又保證了精度需求?？紤]到裝配需求，故設計了獨立的步進電動機與導軌底座的連接座，同時設計了相應的端蓋，通過螺釘與軸承端蓋連接，步進電機軸在端蓋內(nèi)通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠副連接，并給聯(lián)軸器預留了足夠了裝配空間。12同時在模擬實際使用情況時，在保證行程要求的前提下，工作臺不會觸碰到連接座，可以

29、安全使用。3、控制系統(tǒng)硬件設計3.1控制系統(tǒng)硬件組成考慮控制系統(tǒng)中需要不同的穩(wěn)壓電平，因此需要引入電源設計電路；CPU控制電路主要對電機信號進行控制，并接收外部限位開關、暫停和點動輸入信號，并根據(jù)響應信號對步進電機進行控制； CPU電路為 TTL 電平，與外部信號電平不一致，需要添加光電耦合器，同時減少外部干擾； CPU輸出的電壓信號不能直接驅動電機轉動，需要經(jīng)過驅動電路進行電壓和電流信號的放大以及對信號脈沖分頻處理。3.2控制系統(tǒng)硬件選型微控制器的選用：本次設計選用的的是微機控制系統(tǒng)， X-Y 數(shù)控工作臺要求控制系統(tǒng)計算精度較高、處理速度較快；加之在考慮盡量減少成本、選擇程序編制較為簡易以及

30、方便擴充 I/O 接口的前提下，我們選擇了使用 AT89C52作為我們的微處理器，選擇此微處理器能夠滿足任務書給定的相關指標的設計要求。AT89C52單片機主要性能參數(shù)及功能特性AT89C52的主要工作特性：28031CPU（ 8051 的內(nèi)核）；2 8KB 的快速擦寫 Flash 存儲器，用于程序存儲器，可擦寫次數(shù)為 1000 次；2 256 字節(jié)的 RAM，其中高 128 字節(jié)地址被特殊功能寄存器 SFR占用；232 跟可編程 I/O 端口： P0、P1、 P2、P3；2 2 個可編程 16 位定時器： P3口的第二功能；2 具有 6 個中斷源、 5 個中斷矢量、二級優(yōu)先權的中斷系統(tǒng)；13

31、2 1 個數(shù)據(jù)指針 DPTR；2 1 個可編程的全雙工串行通信： P3口的第二功能；2 具有“空閑”和“掉電”兩種低功耗工作方式；2 可編程的 3 級程序鎖定位；2 工作電源的電壓為 (5 0.2)V ；2 振蕩器最高頻率為 24 MHz；2編程頻率 324 MHz，編程電流 1 mA，編程電壓 Vpp為 5 V 或 12 V 。2 P1.0 口的 T2 為定時器 / 計數(shù)器，P1.1 口的 T2EX為具有捕捉 / 重裝操作的定時器 / 計數(shù)器。圖 4-1 為 AT89C52單片機原理結構圖，從圖中可了解到， AT89C52內(nèi)部結構可分為：內(nèi)核 CPU部分、存儲器部分、 I/O 接口部分和特殊

32、功能部分（如定時器/ 計數(shù)器、外中斷控制模塊等）。AT89C52單片機的 CPU是 8 位字長，主要包括運算器和控制器兩部分。 AT89C52單片機芯片內(nèi)配置有 8KB的 FLASH程序存儲器和 256 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器 RAM，設計時可外擴到最大 64KB的程序存儲器和 64KB的數(shù)據(jù)存儲器，其存儲器結構可分為 4 部分：片內(nèi)程序存儲器、片外程序存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器和片外數(shù)據(jù)存儲器。本次設計不作擴展，使用單片機自身提供的 8KBFLASH程序存儲器和 256 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器 RAM能夠滿足設計要求。AT89C52單片機內(nèi)部集成了4 個可編程的并行I/O 接口 (P0P3)，每個接口電路都具

33、有鎖存器和驅動器，輸入接口電路具有三態(tài)門控制。P0P3口同 RAM統(tǒng)一編制，可以當作特殊功能寄存器 SFR來尋址。 AT89C52單片機可以利用其 I/O接口直接與外圍電路相連，本設計將會使用可編程并行接口芯片8255A作為 CPU的 I/O 口的擴展， P0P3口在開機或復位時均呈高電平。隔離電源的選擇：隔離電源的獲得可有幾種途徑。一種途徑是采用不同的電源供電，另一種途徑是試用具有直流隔離功能的的 DC/DC變換器。此次設計，我選擇采用如圖 4-6 所示的具有無直接關聯(lián)的二次側輸出電壓，然后對其輸出 V1、V2 分別進行整流、濾波、穩(wěn)壓等處理，即可獲得不共地的直流穩(wěn)壓電源。此次設計我選用的是

34、微機控制系統(tǒng)，微機控制系統(tǒng)使用的是直流電源，AT89C52單片機芯片及其擴展芯片需要提供穩(wěn)定的 +5V 直流電源，控制系統(tǒng)由于在開關信號輸入電路中應用了 TLP521-1 光耦合器，因此也要給 TLP521-1 光耦合器的輸入端提供獨立的 +12V 供電電源；為此我通過參考已有書籍和文獻資料選用了兩套電源設計方案。我所選擇的控制系統(tǒng)的電源均采用的是串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，它使用的是連續(xù)線性控制方式，具有穩(wěn)定度高、可靠性好、成本較低的優(yōu)點，非常適合應用在像本交流電變壓整流濾波穩(wěn)壓負載14控制系統(tǒng)在內(nèi)的低電壓、小電流的場合，主要負責給控制系統(tǒng)的主機電路供電；其電路的主要結構如下圖所示。光電耦合隔離電路元件

35、的選擇：光電隔離是有光耦合器來完成的。光耦合器是以光為媒介傳輸信號的器件，其輸入端配置發(fā)光源，輸出端配置受光源，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。本設計將會使用開關量電路，因此設計時選擇在電路中接入光耦合器，從而使其輸入側與輸出側的信號得到了電氣隔離，互補影響。我們選用的是普通的信號隔離用光耦合器(TLP521-1) 。 TLP521-1 光耦合器以發(fā)光二極管為輸入端，光敏晶體管為輸出端，能夠隔離頻率在 100kHz 以下的信號，滿足我此次設計的要求。驅動器件的選擇：步進電動機的脈沖分配有多種形式，主要分為硬件環(huán)分和軟件環(huán)分。硬件環(huán)分通常由專用集成芯片或通過可編程邏輯器件組成，如 CH250

36、是三相反應式步進電動機環(huán)行分配器的專用芯片，L297 和 PMM8713是兩相步進電動機的專用芯片等。采用硬件環(huán)分時，步進電動機的通電節(jié)拍由硬件電路來決定，編程軟件時可以不考慮。控制器與硬件環(huán)分電路的連接只需兩根信號線：一根方向線，一根脈沖線（或者一根正轉脈沖線，一根反轉脈沖線）。本系統(tǒng)設計選擇的是硬件環(huán)分，通過 AT89C52單片機編程步進電機配套的驅動器 BD28Nb，輸入電機轉動方向信號和驅動脈沖，通過驅動器內(nèi)部電路的環(huán)分電路輸出步進脈沖控制步進電機轉動，實現(xiàn)數(shù)控工作臺的功能要求。BD28Nb的性能指標如下：電氣特性Ti=25項目指標電源電壓AC40V、 AC18V輸入輸出電流2.5A/

37、3A/3.5A/4A可選步進脈沖頻率BD28Fb：0200KHz； BD28Nb：010KHz邏輯信號電流510mA絕緣電阻500M使用環(huán)境及參數(shù)冷卻方式自然冷卻使用環(huán)境溫度 10 +50濕度40% 90%PH外形尺寸64x153x117.5mm重量約 Kg電流選擇（對 BD28Nb/Fb均有效）通過面板上的設定開關第1，2 位選擇電流。位15電流122.5A003A103.5A014A11方向控制：（1）通過面板上的設定開關第3 位可設定電機運轉方向。（2）外部輸入信號 Cw電平變化亦可改變電機運轉方向。注：電機的初始運行方向與電機的接線有關，互換任意兩相可以改變初始運行的方向。步進脈沖輸入

38、信號Cp:最大通過頻率為 200KHz（BD28Fb）或 10KHz（ BD28Nb）。脈沖的低電平時間應大于 500nS。使能信號 En：（1） En 端外加低電平時，電機響應 Cp端輸入脈沖運行， Cp 端沒有信號時，電機處于半流鎖定狀態(tài)；（2） En 端懸空時，驅動器切斷電機各相的電流使電機軸處于自由狀態(tài)，此時步進脈沖 Cp 將不被響應。輸出信號 A1、A2， B1、B2:接二相混合式步進電動機的出線。刀具的動作只有落刀和提刀兩個，可以通過電磁繼電器來控制。 AT89C51單片機對電磁繼電器的控制可以通過 ULN2003A來驅動3.3控制系統(tǒng)硬件接口電路設計CPU控制電路：16P0 口輸

39、出步進電機和刀具的驅動信號，控制步進電機轉動以及刀具的動作；P1 口作為控制面板的輸入信號接收端，檢測電動信號輸入以及演示輸入；P2 口是限位信號輸入接收端；限位以及暫停信號通過TTL 門電路輸出暫停中斷接入INT0 中斷輸入口。17電源設計電路外部進過變壓后的交流電源通過整流、濾波、穩(wěn)壓后輸出所需的直流電壓。整流：使用橋式整流器 KBPC108搭建的橋式整流電路，從其命名中我們就能知道其正向電流為 1A，耐壓值（最高方向電壓） 800V，通過橋式整流，將交流降壓電路輸出的電壓較低的交流電轉換成單向脈動性直流電。濾波：由于整流過后輸出的直流電壓脈動較大，而我所設計的微機控制系統(tǒng)需要穩(wěn)定的直流電

40、源；因此在整流電路后面還需加濾波電路將交流成分濾除，以得到比較平滑的輸出電壓。濾波通常是利用電容或電感的能量存儲功能來實現(xiàn)的，此次設計采用的是電容濾波電路，既在整流電路的輸出端并聯(lián)一只大容量的電容。穩(wěn)壓：電壓的穩(wěn)定在此采用了MC7805三端固定電壓穩(wěn)壓器，而為了能獲得+5V 的穩(wěn)定電壓需要擴展輸出電流，因此電源電路設計選擇了并聯(lián)兩片MC7805三端固定電壓穩(wěn)壓器。輸入信號接口電路：外部信號通過光電耦合器將信號輸入控制電路內(nèi)部，限位開關信號和暫停按鈕信號通過 TTL門電路輸出暫停信號到 CPU控制電路，同時限位開關信號將各自信號輸入 CPU的 P2口用于 CPU對暫停信號檢測。3.4驅動系統(tǒng)設計

41、18因為我們選用的是 90BYG2502步進電機，故選用配套的 BD28Nb驅動電源來驅動步進電機轉動，采用硬件環(huán)分法進行驅動。驅動電源的接線參考相關技術資料。4、控制系統(tǒng)軟件設計4.1控制系統(tǒng)軟件總體方案設計程序啟動后循環(huán)檢測輸入信號，允許點動輸入，當演示按鈕按下后不允許直接點動輸入，要點動輸入必須先按暫停按鈕。限位信號和暫停按鈕要立即響應，因此將這些信號歸一后引入外部中斷 0，外部中斷 0 的服務程序中要對中斷觸發(fā)信號進行檢測，如果是暫停信號，接下來要檢測是不是會有點動輸入，沒有輸入則程序原地循環(huán)，如果有點動信號則對信號檢測，調用電機驅動程序作出相對應的響應。暫停信號的原地循環(huán)允許被演示信

42、號打斷跳出。當按下演示按鈕后，程序將畫出圓心在原點，半徑為 r 的圓。194.2主流程設計INT0IS ： PUSHACCPUSHDPTLPUSHDPTHPUSHPSWMOVA，PAMOVDPTR ， AMOVXA ， DPTR；讀 PA 口內(nèi)容MOVR2， AMOVA ，PBMOVDPTR,AMOVDPTR,R2MOVA ，R2CPLA；A 取反ANLA ， #03H；屏蔽高6 位JZA ，TM2CSETBP1.0SETBP1.1SETBP1.2TM2C ： MOVA ，R2CPLAANLA ， #0CHJZA ，RETINSETBP1.3圖 6-2SETBP1.4SETBP1.5RETIN ：POPPSWPOPDPTHPOPACCPO