機(jī)電控制及可編程序控制器技術(shù)課程設(shè)計(jì)1

西安廣播電視學(xué)開放育機(jī)械設(shè)計(jì)造及其自動專業(yè)《機(jī)電控制與編程控制器》課程計(jì)說明題：基單機(jī)制簡數(shù)裝專層：級學(xué)姓

別號名分（作指教：年

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開放教育專業(yè)程設(shè)計(jì)務(wù)書編號：設(shè)計(jì)題學(xué)生姓課程設(shè)內(nèi)容：

試點(diǎn)專業(yè)：

辦學(xué)單位：1．

課程設(shè)技術(shù)要求和要內(nèi)容2．

課程設(shè)進(jìn)度安排

安排畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)，了解電大設(shè)計(jì)要求和規(guī)定初步確定總體方案以及總體思路，檢查第一稿進(jìn)一步完善總體方案，對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行初步計(jì)算

具體細(xì)節(jié)規(guī)劃設(shè)計(jì)與計(jì)算，檢查第二稿

在第三稿的基礎(chǔ)上繼續(xù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算，檢查第三稿檢查所有論文資料，檢查最終稿指導(dǎo)教簽字試點(diǎn)分、教學(xué)班意：教學(xué)班責(zé)人簽字、點(diǎn)分校章____________年

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中文摘要摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，由于普通機(jī)床效率差、性能落后，世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國家通過發(fā)展數(shù)控技術(shù)、建立數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)，促使機(jī)械加工業(yè)跨入一個新的“現(xiàn)代化”的歷史發(fā)展階段，從而給國民經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)帶來了巨大的變化。目前的單片機(jī)數(shù)控裝置，大多采用MCS-51列單片機(jī)。本系統(tǒng)是一個典型的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置。系統(tǒng)采用8031單片機(jī)、高低壓驅(qū)動大功率電力電子器,光電傳感器構(gòu)成半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的位置控制。使用變頻調(diào)速系統(tǒng)控制主軸電機(jī)的運(yùn)行。本系統(tǒng)具有巡檢速度快、精確、方便、可靠性能高、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工商業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用地越來越多。關(guān)鍵詞單片機(jī)；數(shù)控機(jī)床；變頻器；步進(jìn)電機(jī)；鍵盤顯示

目

錄第1緒論-1.1設(shè)計(jì)背景-1.2工作要求-1.3設(shè)計(jì)的目的及意義1第2系統(tǒng)總體方案的確定-2.1主要技術(shù)要求22.2系統(tǒng)方案-任務(wù)分析2系統(tǒng)總體框圖-第3系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)-3.1CPU（單機(jī)）與總線部分的選擇...................................................-4CPU（單片機(jī)）的概述.........................................................-4總線-3.2單片機(jī)存儲器的擴(kuò)展電路-單片機(jī)外部存儲器的擴(kuò)展芯片...............................................-8-單片機(jī)外部存儲器的擴(kuò)展.....................................................-11-3.3主軸電機(jī)的驅(qū)動電路13換電路的選擇...........................................................-13-主軸電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì).............................................--主軸電機(jī)控制電路213.4半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)-位置控制單元的設(shè)計(jì)23-3.5鍵盤顯示電路的設(shè)計(jì)288155接口芯片簡介-8155與8031接口。29鍵盤/顯示接口電路的設(shè)計(jì)293.6電源模塊的設(shè)計(jì)31+12V、-12V、+5V電源的設(shè).........................................--+80V電源的設(shè)計(jì)32-3.7系統(tǒng)的改進(jìn)33第4系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)34

4.1主程序流程圖344.2鍵盤子程序流程圖354.3顯示子程序流程圖-4.4中斷子程序流程圖364.5制算法子程374.6轉(zhuǎn)速檢測子程序流程圖-小結(jié)-致

謝41

第緒論1.1設(shè)計(jì)背景數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)個基礎(chǔ)是否牢固直接影響到一個國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國力，關(guān)系到一個國家的戰(zhàn)略地位。因此，世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家均采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)。我國是一個機(jī)床大國，數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)過40年的發(fā)展，從無到有，從引進(jìn)消化到擁有自己獨(dú)立的自主版權(quán)，取得了相當(dāng)大的進(jìn)步。有四百多萬臺普通機(jī)床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的特點(diǎn)是價(jià)格低廉編程簡單操作方便具有數(shù)控機(jī)床的基本功能。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)主要用于舊機(jī)床的改造和機(jī)械設(shè)備升級換代。1.2工作要求采用8031單片機(jī)、高低壓驅(qū)動大功率電力電子器件等設(shè)計(jì)簡易數(shù)控裝置，以驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)構(gòu)成半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的位置控制。（1）步進(jìn)電機(jī)停/、加/減速控制；（2）硬件電路設(shè)計(jì)；（3）驅(qū)動電源設(shè)計(jì)；（4）軟件流程設(shè)計(jì)；1.3設(shè)計(jì)的目的及意義數(shù)控技術(shù)綜合運(yùn)用了微電子、計(jì)算機(jī)、自動控制、精密檢測、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造等技術(shù)的最新成果，具有動作順序的程序自動控制，位移和相對位置坐標(biāo)的自動控制，速度、轉(zhuǎn)速及各種輔助功能的自動控制等功能。由單片機(jī)控制、步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動的經(jīng)濟(jì)型半閉環(huán)數(shù)控裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、成本低、維修方便，能迅速加減速和全數(shù)字化等優(yōu)點(diǎn)，因此，可廣泛用于速度與精度要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和舊設(shè)備的改造中。

第系統(tǒng)總體方案的確定2.1主要技術(shù)要求（1）步進(jìn)電動機(jī)：相數(shù)：

部距角：°/°相電流：3A工工作方式：3單3拍

空載轉(zhuǎn)矩：

運(yùn)行頻率：1500HZ（2）分辨率<10um（3）進(jìn)給速度<10m/min2.2系統(tǒng)方案任務(wù)分析系統(tǒng)要求是由單片機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動的經(jīng)濟(jì)型開環(huán)數(shù)控裝置為了使系統(tǒng)得到更高的精度，我們給系統(tǒng)加了一個位置檢測裝置，其主要作用是為了檢測位移量，并發(fā)出反饋信號與數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號相比較，若有偏差，經(jīng)放大后控制執(zhí)行部件，使其向著消除偏差的方向運(yùn)動，直至偏差等于零為止。只要提高檢測元件和檢測系統(tǒng)的精度，數(shù)控裝置的加工精度將會大大提高。該系統(tǒng)是基于單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)，而單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，配以一定的外圍電路和軟件，能實(shí)現(xiàn)某種或幾種功能的應(yīng)用系統(tǒng)。它一般由硬件和軟件組成。硬件是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，軟件則是在硬件的基礎(chǔ)上對其合理的調(diào)配和使用，從而完成應(yīng)用系統(tǒng)所要完成的任務(wù)。系統(tǒng)總體框圖由上述分析可知，系統(tǒng)需要由（單片機(jī)儲器擴(kuò)展電路、主軸電機(jī)的驅(qū)動電路，半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的控制、鍵盤顯示電路，以及電路的供電的電源等六部分組成。其總體框圖如圖所示。

圖統(tǒng)體圖由上圖可以看出，系統(tǒng)是通過鍵盤輸入給定的X軸Y軸的坐標(biāo)，通過單片機(jī)內(nèi)部處理，使單片機(jī)輸出的脈沖經(jīng)過光電隔離開關(guān)送入步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路，到達(dá)步進(jìn)電機(jī)的繞組，然后再通過速度檢測元件，將步進(jìn)電機(jī)的速度轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖量的變化，再通過整形放大送給單片機(jī)進(jìn)行記數(shù)。通過單片機(jī)內(nèi)部比較，進(jìn)行調(diào)整，形成一個閉環(huán)控制電路。而對于主軸電機(jī)，在這里我們將D/A轉(zhuǎn)換器輸出的電壓信號進(jìn)行調(diào)理以后作為變頻器的控制信號，當(dāng)轉(zhuǎn)換器的輸出改變時，其對應(yīng)的變頻器的電壓控制信號也跟著改變，從而使變頻器的輸出頻率改變，達(dá)到變頻調(diào)速的目的,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求。速度檢測器件采用光電碼盤，因其輸出為脈沖信號，可以通過計(jì)數(shù)器直接進(jìn)入單片機(jī)，這樣就省去了不少中間環(huán)節(jié)，大大降低了成本。輸出的數(shù)字信號送入單片機(jī)的記數(shù)口進(jìn)行記數(shù)，然后通過軟件編程實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)位置的顯示與控制。

第系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)對于系統(tǒng)單元電路的設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要采用模塊化的設(shè)計(jì)思想因?yàn)槟K化的設(shè)計(jì)思想有利于系統(tǒng)的維修控制對于本次所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可將其分成六部分CPU（單片機(jī)）與總線、存儲器擴(kuò)展電路、主軸電機(jī)的驅(qū)動電路、半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的控制電路、鍵盤顯示電路，以及電路供電電源等六部分組成。3.1CPU單片機(jī)）與總線部分的選擇CPU（單片機(jī)）的概述CPU是CNC置的核心有執(zhí)行計(jì)算和控制能力要由控制單元、算術(shù)邏輯單元和一些暫寄存器組成。在裝置工作時控制單元從存儲器中依取去處組成程序的指令，進(jìn)行譯碼后，NC裝置的各部分按順序發(fā)出執(zhí)行操作的控制信號，同時接受執(zhí)行部件發(fā)出的反饋信號，與程序中的指令信號比較后，決定下一步的應(yīng)執(zhí)行的操作。在運(yùn)算過程中，算術(shù)邏輯單元不斷從存儲器中提取數(shù)據(jù)，并將運(yùn)算結(jié)果送回存儲器中保存。通過對運(yùn)算結(jié)果的分析判斷，設(shè)置狀態(tài)寄存器的相應(yīng)狀態(tài)CPU與存儲器，輸/輸出接口等通過總線有機(jī)結(jié)合在一起構(gòu)成CNC置。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我們選用的是Intel公生產(chǎn)的系列高檔8位的單片機(jī)。它具有很高的性能，許多功能都超過了和Z80CPU，成為當(dāng)代工業(yè)測控類應(yīng)用系統(tǒng)的優(yōu)選單片機(jī)。下面對做以敘述。（1）部資源簡介一個完整的計(jì)算機(jī)應(yīng)該是由運(yùn)算器、控制器、存儲器I/O口組成。一般由微處理器只包含云酸器可控制器兩部分。和一般微處理器相比較，增加了四個8位I/O口串行口128BRAM工作寄存器及特殊功能寄存SFR各部分組成。其中，2個位定時記數(shù)器，個中斷源的中斷控制系統(tǒng)、一個全雙工的串行口、以及片內(nèi)時鐘振蕩器，以上各部分均通過片內(nèi)數(shù)據(jù)總線連接。（2）芯片的引腳8031片的引腳如圖3.1所示

圖3.18031片引（3）片機(jī)的引腳功能①四個并行I/OP0.0：口共有條引腳，其中為最高位，為最低位?？诩瓤勺鞯刂?數(shù)據(jù)總線使用，又可作為通用的I/O端口使用。問片外存儲器時，口分時先作低8位地址總線，后作雙向數(shù)據(jù)總線。當(dāng)P0口被地址數(shù)據(jù)總線占用時，就不能再作使用了。P1.0：作通用I/O使用,用于傳送用戶的輸入/輸出數(shù)據(jù)。P2.0是一個8準(zhǔn)雙向口它既可作為通用I/O口使用，也可與配和，作為外存儲器的高8位地址總線，輸出高8地址，使P1口一起組成一個16片外存儲器單元地址。P3.0：組引腳除作為一般準(zhǔn)雙向口外，每個引腳還具有第二功能。具體分配如表3-1所示。表P3口各的二能P3

TXD

斷0

T0T1WR

斷1器0器1部RAM()部RAM()②控制引腳：地址所存允許信號/編脈沖輸入端；/VPP：允許訪問片外存儲器編程電源輸入端；

：片外程序存儲器允許輸出信號端；RST/VPD：復(fù)位信號輸入端備用電源輸入端；③時鐘引腳（2條）外部晶體的一個引腳單片機(jī)內(nèi)部它是反相放大器的輸入端，而這個放大器構(gòu)成片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外部時鐘時，該引腳必須接地。：接外部晶體的另一個引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，接上述振蕩器的反相放大器的輸出端。當(dāng)采用外部時鐘時，該引腳輸入外部時鐘脈沖。④電源引腳（2條）VCC為+電源線，VSS為接地線。（4）最小應(yīng)用系統(tǒng)單片機(jī)8031將CPURAM和I/O接口都集成在一塊大規(guī)模集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。就其組成而言，一塊單片機(jī)芯片包括了計(jì)算機(jī)的全部基本部件，但它還不能構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)包括：單片機(jī)、上電復(fù)位部分和晶振時鐘源，如圖所示。單片機(jī)8031允許的振蕩晶體可在1.2MHz～MHz之間選擇，一般取11.0592MHz。電、C2的取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及振蕩電路起振速度有少許影響C1可在20pF～間選擇，一般當(dāng)單片機(jī)外接晶體時的典型取值為30pF，為了高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用電容。

圖

單機(jī)最應(yīng)系單片機(jī)8031通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。在該系統(tǒng)中采用按鈕復(fù)位，如圖3.3所示。各器件的典型取值為：C3=1μ；ΩΩ。復(fù)位時，只需將按鈕按下，使引腳保持高電平為兩個機(jī)器周期以上，就能使單片機(jī)復(fù)位?？偩€總線是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各獨(dú)立模塊之間傳遞各種信號的渠道。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，各種功能模塊通過總線有機(jī)的連接起來，通過總線實(shí)現(xiàn)相互間的信息傳送和通信?？偩€通常分為片總線、內(nèi)總線和外總線。片總線為元件級總線是組成一個小系統(tǒng)或件各芯片間的連接總線。片總線包括地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，即所謂的三總線結(jié)構(gòu)。如圖所示，為8031三總線分配圖

圖片三線配內(nèi)總線又稱系統(tǒng)總線，為板極總線，用于裝置中各插件板之間的連接和通信。如S-100總線、PC總線、總線、、標(biāo)準(zhǔn)總線等。外總線又稱通信總線用于系統(tǒng)與系統(tǒng)之間的通信類總線有RS-232CIEEE-488等。實(shí)際應(yīng)用和理論分析證明STD總線是一種比較好的工業(yè)總線在國際上獲得廣泛應(yīng)用，也是國內(nèi)優(yōu)選重點(diǎn)發(fā)展的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線。STD總線的CPU摸板幾乎可以包容8位的單片機(jī)8031，并且可以與各種通用的存儲器和模塊匹配。3.2單片機(jī)存儲器的擴(kuò)展電路存儲器在簡易數(shù)控裝置中是用來存放程序、數(shù)據(jù)和參數(shù)。在CNC裝置中一般有三種用途的內(nèi)存儲器和一些外存儲器（視需要配置存儲器即為：系統(tǒng)軟件存儲器、工作參數(shù)寄存器、工件加工程序存儲器。內(nèi)存儲器位于主機(jī)內(nèi)部，可與CPU直接聯(lián)系，存取速度高，但存儲容量有限。而外部存儲器大多放在主機(jī)外面，一般只與內(nèi)存儲器進(jìn)行交換信息，存取速率低，但存取容量大。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)所用8031單片機(jī)內(nèi)部存儲器只128B的隨機(jī)儲器RAM，且片內(nèi)無只讀存儲器EPROM所以，設(shè)計(jì)中必須要對外部存儲器進(jìn)行擴(kuò)展。單片機(jī)外部存儲器的擴(kuò)展芯片（1）序存儲器的擴(kuò)展（EPROM芯片由于在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置中其程序的存儲不是很多，所以在設(shè)計(jì)中，對于EPROM芯片的選擇統(tǒng)選用Intel公司的典型系列芯片（8K×8KB的2764片做簡要說明。①2764片的引腳2764片的引腳排列如圖3.4所示。

圖2764片引排②2764片的引腳簡介◆A0～A12地址線◆D0～：數(shù)據(jù)輸出線：OE：PGM◆VPP：◆Vcc：

地址線數(shù)據(jù)輸出選通線編程脈沖輸入編程電源電源引腳2764片的五種工作方式的選擇見表3-2表3-22764作式選（1）據(jù)存儲器的擴(kuò)展（SPRAM芯片

一般CNC裝置都選取靜態(tài)隨機(jī)存儲器SRAM用做單片機(jī)外部數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展。設(shè)計(jì)中系統(tǒng)選取常用的位數(shù)據(jù)線的做為擴(kuò)展芯片。下面對的6264片做簡要說明。①6264片的引腳62664片的引腳排列如圖所示。圖3.562664片引排②6264片的引腳簡介◆A0～A12：地址輸入線◆D0～：雙向三態(tài)數(shù)據(jù)線，用于傳芯片的寫數(shù)據(jù)和芯片輸出給CPU的讀數(shù)據(jù)：片選信號輸入線，低電平有效。該芯片的腳（）為高電平，CE為低電平時才選中該片：讀選通信號輸入線，低電平有效◆WE寫允許信號輸入線，低電平有效③6264四種工作方式如圖表所示。表3-36264作式選

另外8031單片機(jī)中的16地址高8～A8～A0由口輸出，低位由P0輸出，如圖4-38031芯片的引腳分配所示而同時又是數(shù)據(jù)輸入/出口故在傳送時采用分時方式先輸出低8地址，然后再傳送數(shù)據(jù)。但是，在對外部存儲器進(jìn)行/寫操作時，位地址必須保持不變，這就需要選用適當(dāng)?shù)募拇嫫鞔娣盼坏刂罚员＞€作數(shù)據(jù)總線使用時所選外部存儲器單元的位地址不丟失，這個外部的寄存器就稱為外部地址鎖存器。該系統(tǒng)采用帶三態(tài)緩沖器的8-D存器為外部地址鎖存器。單片機(jī)外部存儲器的擴(kuò)展單片機(jī)與外部的連接均采用前面所提到的三總線連接如圖示

圖3.6單機(jī)外部儲器擴(kuò)展電圖（1）總線連接對與單片8031總線分配，前面圖3.3中已經(jīng)作了說明。①數(shù)據(jù)線的連接：存儲器芯片的數(shù)據(jù)線一般連接到的端口。P0

口為8031片機(jī)的地址總線和數(shù)據(jù)總線的復(fù)用端口。②地址線的連接：外部存儲器的地址信號來自單片機(jī)的口和P2口。存儲器的低位地址由分時送出。P0口首先輸出的低位地址由ALE選通地址鎖存器鎖存起來，這樣。能再次送出數(shù)據(jù)信號。存儲器所需要連接的地址線數(shù)目由存儲器芯片容量決定。當(dāng)存儲器沒有用足根地址線時，余下的口線可作為片選控制線使用3.86264和2764接地址P0.0～P0.7P2.0用P2.5作為片選控制線等。③控制信號線的連接：存儲器的控制信號線基本上分為兩類：芯片選通控制和讀寫控制接到8031相應(yīng)的控制信號輸出線上。的讀寫讀寫控制信號）應(yīng)分別與的P3.6和（）相連，EPROM的讀寫控OE應(yīng)與的讀選通PSEN相連；對于實(shí)現(xiàn)片選的方式有線選和譯碼選通兩種方式，系統(tǒng)采用線選的方式。（2）數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器地址的確定①數(shù)據(jù)存儲器（SRAM）地址的確定由圖3.8可知統(tǒng)是將的作為片選接口6264片選CS接8031的P2.5，當(dāng)P2.5輸出為時，選通6264所以有數(shù)據(jù)存儲器的地址范圍為：2000H—②程序存儲器（EPROM）地址的確定由圖3.8可知2764片選同樣接8031P2.5P2.5輸出為時才能選2764以，它的地址為—DFFFH3.3主軸電機(jī)的驅(qū)動電路這一部分主要是為主軸電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及實(shí)現(xiàn)其速度的可調(diào)而設(shè)計(jì)的。在本系統(tǒng)中，為了使電機(jī)的控制更加靈活和方便，我們采用了具有多種功能和優(yōu)越性的TD2000系列變頻器現(xiàn)對電機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，同時在本系統(tǒng)中，我們打破了以往用手動控制來調(diào)節(jié)電機(jī)速度的常規(guī)，加入12位的D/A轉(zhuǎn)換器DAC1208用它的輸出對變頻器進(jìn)行控制以達(dá)到調(diào)速的目的使整個系統(tǒng)的操作更加方便和智能化。實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制的目的。下面就具體實(shí)現(xiàn)過程以介紹。D/A轉(zhuǎn)換電對于轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)，為了提高分辨率，系統(tǒng)選用了位的轉(zhuǎn)換

器DAC1208。（1）DAC1208的引腳排列DAC1208引腳排列如圖3.7所示。圖3.7DAC1208的引排（2）DAC1208的引腳功能DI0～：數(shù)據(jù)輸入線，其中DI11為最高位。：基準(zhǔn)電源輸入端（－10V～＋10V：內(nèi)部反饋電阻引出端。IOUT1、：電流輸出端。BYTE1/BYTE2：字節(jié)順序控制信號。該信號為高電平時，開8和4兩個鎖存器，將12位數(shù)據(jù)全打入鎖存器；當(dāng)該信號為低電平時，則開啟4輸入鎖存器。片選信號，高電平有效。1：輸入寫選通信號，低電平有效。WR1為低電平時，將輸入數(shù)據(jù)傳送到輸入鎖存器；當(dāng)W為高電平時，輸入鎖存器中的數(shù)據(jù)被鎖存CS=1，且W1時為低電平時，才能將待轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳送到輸入寄存器。DAC寄存器寫選通信號，低電平有效2共同構(gòu)成DAC寄存器的控制信號在XFER=0WR2的低電平將輸入寄存器中的數(shù)據(jù)寫入寄存器，以進(jìn)行D/A換。XFER傳送控制信號，低電平有效。WR2合使用，構(gòu)成第二級鎖存控制。（3）DAC1208與8031片機(jī)接口如圖所示。

圖

8031單片機(jī)接由圖可知8數(shù)據(jù)總線D7～D0可接的P0口，A0是P0口輸出的低位地址經(jīng)鎖存后的地址最低位。假定譯碼器對A15～譯碼，則對應(yīng)三個地址：S2有效和時，寫數(shù)據(jù)位。在S2效和A0=0時寫數(shù)據(jù)低4數(shù)據(jù)在S1有效時12數(shù)據(jù)同時送到位DAC寄存器并鎖存DAC1208數(shù)據(jù)線的低4位DI3～接DI11～上設(shè)計(jì)中沒有采用譯碼器～A3進(jìn)行譯碼，而是直接通過剩余的口對S2和行控制。主軸電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及速度的可調(diào)統(tǒng)對主軸電機(jī)的驅(qū)動電路也做了精心的設(shè)計(jì)。為了使電機(jī)的控制更加靈活和方便，系統(tǒng)采用了具有多種功能和優(yōu)越性的TD2000系列變頻器，來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的各種運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，（1）變頻器的概述變頻器主要由整流（交流變直流波、再次整流（直流變交流動單元、驅(qū)動單元、檢測單元微處理單元等組成的。工作時，變頻器把工頻電源(50Hz或60Hz)變換成各種頻率的交流電源以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的變速運(yùn)行的設(shè)備其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電變換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進(jìn)行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電，來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制。（2）TD2000-4T0055G/0075P型變頻器基本配線圖

在本系統(tǒng)中，因?yàn)橹鬏S電機(jī)的功率一般在5KW～10KW之間，所以在設(shè)計(jì)時選用了型變頻器作為對主軸電機(jī)的控制，具體引腳如圖3.11所示。在圖3.9中，可以看出變頻器的各種引腳的配線圖，包括一些多功能引腳、控制引腳和一些保護(hù)輸出引腳等。另外，在變頻器的配線過程中，我們還應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：①可以用電壓（0（2）10V）或電流（（））作為頻率設(shè)定信號輸入。但必須采用屏蔽電纜；②控制端子CCI可輸入電壓信號又可輸入電流信號必須根據(jù)輸入信號的類型，在主控板上I/V選擇插座CN10做相應(yīng)的跳線選擇；若采用電輸入方式，則CN10應(yīng)選擇I，若采用電壓輸入方式，則應(yīng)選擇V；

圖3.9變器本線③用控制端子運(yùn)行時，一般要求通過FWD或REVCOM來控制。特別是在頻率起停的應(yīng)用場合。如果采用變頻器輸入前端的接觸器進(jìn)行變頻器的頻繁起?；蛘崔D(zhuǎn)控制，將會影響變頻器的壽命。④

內(nèi)含制動組件，如制動容量不夠，可在，P之間外配電阻或在P、N

間外接制動組件；⑤⑥

輔助電源引自正負(fù)母線P和N。應(yīng)用范圍：風(fēng)機(jī)、水泵、傳送設(shè)備、提升設(shè)備和其他設(shè)備配套。（3）D2000-4T0055G/0075P型變頻器的主要性能容許電網(wǎng)波動范圍：額定電壓±20%輸出頻率范圍：頻率精度：0.01%×最高頻率顯示方式：四位顯示，LCD(中/英)+LED可選核心硬件：IPM+DSP+MCUPWM控制方式：電壓矢量控制防護(hù)等級：IP20安裝方式：5.5KW-90KW壁掛、110KW-220KW裝機(jī)裝柜走線方式：5.5-90KW下進(jìn)下出、110-220KW上進(jìn)下出（5）D2000-4T0055G/0075P型變頻器的主要功能和特點(diǎn)◆內(nèi)置PID調(diào)節(jié)器，自帶24V電源；◆載波頻率1~10K連續(xù)可調(diào)；◆簡易PLC；◆直接速度PG反饋接口；◆模擬和數(shù)字頻率表輸出；◆運(yùn)轉(zhuǎn)頻率的輸出端口；◆采用最新的智能功率模塊IPM）和集成功率模塊PIM大提高整機(jī)可靠性；◆優(yōu)化的空間電壓矢量控制技術(shù)，輸出諧波少，電壓輸出能力強(qiáng)；◆最先進(jìn)的硬件組合：DSP+CPLD+MCU高效完成電機(jī)實(shí)時控制算法；◆死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)采用實(shí)時死區(qū)補(bǔ)償技術(shù)消除由于上下?lián)奖坶_關(guān)死區(qū)引起的轉(zhuǎn)源泳動；◆標(biāo)準(zhǔn)的RS232/485接口以規(guī)范的通信協(xié)議現(xiàn)多臺變頻器網(wǎng)絡(luò)控制；◆無源功率因數(shù)校正PFC的技術(shù)，滿足輸入功率因數(shù)92%的要求，并能抑制變頻器對電網(wǎng)的干擾；◆寬電壓工作范圍，能在304V~456V圍正常工作；（6）D2000-4T005G/0075P型變頻器主回路輸入輸出端子各功能見表3-4所示。表3-4回輸輸端功描RS、

380V

PNUV、G

（7）變圖3.10

變器本線◆開路集電極輸出說明：見表3-5所示。表開集極出內(nèi)

對功

內(nèi)

對功變頻器運(yùn)行中信號0（RUN）

6

頻率上限限制（FHL）1

頻率到達(dá)信號

7

頻率下限限制（FLL）頻率水平檢測信號2（FAR）過載早期預(yù)報(bào)警信

89

變頻器零速運(yùn)行中簡易PLC階段3

號（OL）欠壓

運(yùn)行完成指標(biāo)封鎖停止中4（LU）外部故障停機(jī)5（EXT）

1011

設(shè)定計(jì)數(shù)值到達(dá)指定計(jì)數(shù)值到達(dá)

◆端子功能說明：如表3-6所示。表3-6多能入擇能端子記X1-COMX2-COMX3-COMX4-COMX5-COMX6-COMX7-COMX8-COM

端子功說明多功能輸入選擇1多功能輸入選擇2多功能輸入選擇3多功能輸入選擇4多功能輸入選擇5多功能輸入選擇6多功能輸入選擇7或測速輸入SM1多功能輸入選擇8或測速輸入SM2運(yùn)行控制（正轉(zhuǎn)

規(guī)格X1至X8為多功能輸擇，依能碼119～126選擇所需功能，各功能碼的內(nèi)容對應(yīng)的能夠見多功能輸入選擇功能表FWD-COM/停止）運(yùn)行控制（反轉(zhuǎn)REV-COM/停止）開路集電極輸Y1-COM

出1

Y1對應(yīng)的功能碼為，129，功能見開路集開路集電極輸

電極輸出功能表Y2-COM

出2P24-COM

24V電源

最大輸出電流100mA

VRF-GNDVCI-GND

外接頻率設(shè)定用電源+10VDC模擬電壓頻率設(shè)定輸入模擬電壓頻率

輸入范圍0～+10V輸入范圍0（2）～設(shè)定輸入

+10V模擬電流頻率

輸入范圍0（2）～CCI-GND

設(shè)定輸入

+10VFM-GNDAM-GND

輸出頻率顯示輸出電流顯示變頻器正常：TA-TB閉合，TA-TC斷開變頻器故障：

0～+10V0～+10V接點(diǎn)額定值TA，TB，TCTA-TC閉合，TA-TB斷開250Vac-2A,30Vdc-1A主軸電機(jī)控制電路主軸電機(jī)控制電路如圖3.11所示。

路電制控機(jī)電軸主11.3圖由上圖可以看出，我們在TA，和兩端加了顯示報(bào)警裝置。來檢測變頻器的正常工作狀態(tài)。TA與TB閉合時TA與TC斷開，發(fā)光二極管發(fā)光，變頻器

正常工作；TA與閉合時TA與TB斷開，發(fā)光二極管不發(fā)光，蜂鳴器開始發(fā)聲報(bào)警，變頻器發(fā)生故障。所以我們得知報(bào)警電路的設(shè)計(jì)可以檢測變頻器的正常運(yùn)行使得整個系統(tǒng)更加可靠安全。3.4半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)前面已經(jīng)提到為了提高系統(tǒng)的精度系統(tǒng)采用了半閉環(huán)的設(shè)計(jì)思想這里半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)是通過位置控制單元和位置檢測單元兩部分來實(shí)現(xiàn)的。位置控制單元的設(shè)計(jì)對于數(shù)控裝置的位置控制系統(tǒng)是通過控制步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)的通過鍵盤輸入給定的X軸Y的坐標(biāo)，通過單片機(jī)內(nèi)部處理，使單片機(jī)輸出的脈沖經(jīng)過光電隔離開關(guān)送入步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路，到達(dá)步進(jìn)電機(jī)的繞組，對步進(jìn)電機(jī)實(shí)施控制。所以系統(tǒng)設(shè)計(jì)了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路。（1）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路有多種這里系統(tǒng)采用了一種具有檢測反饋控制環(huán)節(jié)的步進(jìn)電機(jī)高低壓驅(qū)動電路。下面將做具體介紹。①步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電路的比較高低壓驅(qū)動電路又稱雙電壓驅(qū)動電路以分為定時控制驅(qū)動與脈沖變壓器式驅(qū)動.沖變壓器式驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單是因?yàn)槭褂妹}沖變壓器使制造工藝復(fù)雜，成本高且不易模塊化，目前用的很少；因此設(shè)計(jì)了具有檢測反饋控制環(huán)節(jié)的高低壓驅(qū)動電路，利用反饋控制高壓管的導(dǎo)通時間，適應(yīng)不同的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率，提高驅(qū)動能力。②步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電路原理與參數(shù)計(jì)算㈠步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電路原理具有反饋控制的高低壓驅(qū)動電路原理如圖所示。

圖3.12

具反控的低驅(qū)電由電路可以看出該電路是在通常的高低壓驅(qū)動電路中加設(shè)了電流檢測電阻Rd和反饋控制環(huán)節(jié)以及驅(qū)動邏輯電路.電路的工作過程控制脈沖前沿來到時異或門和或門的輸出都為“1高壓控制管T1與低壓控制管T2時導(dǎo)通，主回路電流i按負(fù)指數(shù)規(guī)律上升：Uir

e

)I

e

)

式3-1式中Uh—高電壓；Rc，Rd，r—分別為限流電阻，電流檢測電阻和繞組直流電阻；I0—主回路初始電流；I0=Uh/（Rc+Rd+r）τ—主回路電氣時間常數(shù)（mSτ=L/（Rc+Rd+r）L—步進(jìn)電機(jī)一相繞組的電感量（mH）.當(dāng)電流上升到電機(jī)額定電流的120%時，電流檢測電阻上的電壓大于參考電壓Uref檢測環(huán)節(jié)輸出一個正脈沖使高壓控制管關(guān)斷此時由低壓電源UL經(jīng)D2向繞組供電，使維持電流為電機(jī)額定電流90~100%.因低壓電源提供的維持電流小于高壓電源提供的上升電流；Rd上的電壓Uc小于參考電壓Uref，檢測環(huán)節(jié)不再輸出正脈沖，即在一個控制脈沖周期內(nèi)T1只導(dǎo)通截止一次，大大的減小了T1在切換過程中的功耗，使溫度下降.而T2整個控制脈沖的周期內(nèi)一直處于深度飽和，本身的壓降很?。ㄒ话阈∮诜┕拾l(fā)熱量很小.控制脈沖及檢測脈沖與電流波形的關(guān)系見圖3.13。

UIUIτ圖

控脈及測沖電波㈡步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電路參數(shù)的計(jì)算◆Uh的確定.由式（1）可得：當(dāng)控制脈沖前沿來到，即t=0時，電流上升率為：圖1有反饋控制的高低壓驅(qū)動電路didK（式）dtdtL即高，電流上升率大，步進(jìn)電機(jī)高頻運(yùn)行時動態(tài)性能好.但相應(yīng)的管子耐壓也增大成本會有所增加特別對于定時控制驅(qū)動電路則應(yīng)嚴(yán)格控制Uh避免出現(xiàn)電流過載.般取Uh=120~200V，運(yùn)行頻率大于6000~10000HZ時取◆UL選取應(yīng)使UL滿足

I(

（式）Lcd式中I1—步進(jìn)電機(jī)繞組的額定電流一般UL電壓低限流電阻小，發(fā)熱量小.◆檢測采樣電阻一般取0.3~0.5Ω值大化敏感但發(fā)熱量大.限流電阻滿足時間常數(shù)τ=L/（Rc+Rd+r）的要求及式（）的關(guān)系例如：某110mm反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)組電阻r=0.37電感L=8mH;額定電流I1=6A.取低壓UL=12V;限流電阻=1.5檢測電阻Rd=0.3Ω,電氣時間常數(shù)τ=3.6mS.高壓Uh=120V時流上升到7A需0.45mS;Uh=300V電流上升到7A需86μS.由此可見采用定時控制高低壓驅(qū)動電路將高壓管的控制脈沖寬度按有關(guān)資料推薦調(diào)整到τ則步進(jìn)電機(jī)的繞組電流將接近40A，這是不容忽視的?、鄹叩蛪悍答伩刂乞?qū)動電路的優(yōu)點(diǎn)綜上所述我們可以得出

◆高低壓反饋控制驅(qū)動電路克服了高低壓定時控制驅(qū)動電路的低頻過載、高頻出力不足使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生失步的現(xiàn)象，可以實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)理想的矩頻特性，并且可以根據(jù)不同的最高運(yùn)行頻率調(diào)整電源電壓Uh；◆高低壓反饋控制驅(qū)動電路消除了恒流斬波電路因斬波過程產(chǎn)生的高頻電磁噪音和斬波管過熱現(xiàn)象；每個控制脈沖產(chǎn)生的上升電流大，加速性能好；◆因電路中高壓控制管截止時步進(jìn)電機(jī)繞組產(chǎn)生的反電勢使電流波形上部產(chǎn)生下陷，平均電流下降，下降幅度達(dá)20%使步進(jìn)電機(jī)的保持力矩有所下降位置檢測單元的設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用光電碼盤作為位置檢測裝,直接發(fā)出位移記數(shù)脈可以省像旋轉(zhuǎn)變壓器位置檢測裝置所需的模擬量到數(shù)字量的的變換電而且還可以省去作為速度反饋的測速發(fā)電機(jī),這樣即簡化了電路又降低了成本.光電轉(zhuǎn)換整形電路的設(shè)計(jì)在檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速時，可采用如下圖所示光電轉(zhuǎn)換整形電路，將開有小孔的轉(zhuǎn)盤安裝在電機(jī)的主軸上孔的位置對準(zhǔn)紅外發(fā)光管和紅外接受接收管。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)孔經(jīng)光電管之間在接收管T的集電極產(chǎn)生如圖P1示波形經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后轉(zhuǎn)換成脈沖方波P2沖在一時間內(nèi)進(jìn)行記數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)測速。62

3圖3.14光轉(zhuǎn)整電P1—:如3.15

圖3.15555組成的施密特觸發(fā)器的工作原理（2）轉(zhuǎn)速檢測電路為了在高速和低速時都能得到較高的精度我們采用法測速電路，上述光電碼盤輸出的信號處理后用3#8253的T2對其進(jìn)行記數(shù)得到M1同時用的對頻率為的高頻脈沖進(jìn)行記數(shù)，得到記數(shù)測速電路如圖所示圖3.16

轉(zhuǎn)檢電綜上所述，半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是通過鍵盤輸入給定的X軸Y軸的坐標(biāo)，通過單片機(jī)內(nèi)部處理，使單片機(jī)輸出的脈沖經(jīng)過光電隔離開關(guān)送入步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路，對步進(jìn)電機(jī)實(shí)施控制。再通過速度檢測元件光電碼盤，將步進(jìn)電機(jī)的速度轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖量的變化，再通過整形放大送給單片機(jī)進(jìn)行記數(shù)。通過單片機(jī)內(nèi)部比較，進(jìn)行調(diào)整，再輸出脈沖控制步進(jìn)電機(jī)，形成一個閉環(huán)控制電路。

3.5鍵盤顯示電路的設(shè)計(jì)鍵盤和顯示器接口電路常使用接口芯片以下面先介紹接口芯片，然后再介紹接口電路。8155接口芯片815540腳雙列直插式封裝芯片，其引腳見圖所示。

1V

CC

40

2

RESET

39

3

PB7TIMEROUT

38

PB6

4

PB5

37

PB4RD

5

PB3WR

36

PB2AD0

6

PB1PB0口片腳8155片內(nèi)含個字節(jié)的靜態(tài)RAM，兩個8位并行口PA一個6位并行口，工作方式可由程序設(shè)置另外還有一個14位的計(jì)數(shù)器，可以對輸入脈沖進(jìn)行減法記數(shù)。引腳TIMIN位定時計(jì)數(shù)器時鐘輸入端，由外部輸入時鐘脈沖；TIMOUT為定時器輸出端。定時器啟動時后，能對輸入端的脈沖進(jìn)行記數(shù)，當(dāng)減法計(jì)數(shù)器減至零時，在輸出一個脈沖信號是片選信號線（輸入CE為低電平時，表示此芯片被選中，允許它與通信IO/M是口及存儲器選擇線（輸入），當(dāng)為低電平且IO/M為低電平時，選擇片內(nèi)為低電平且IO/M為高電平時，選擇I/O口；ALE是地址鎖存信號線（輸入）當(dāng)ALE信號有效時把CPU輸出至8155地址信號、片選信及IO/M信號都鎖存到內(nèi)部鎖存器。D0～是地址、數(shù)據(jù)線，因?yàn)樾酒瑑?nèi)含有地址鎖存器，因此，既能傳遞地

址信息，又能傳送數(shù)據(jù)信息。8155與8155單片機(jī)的接口如圖所示圖3.188155與8031的口由上圖可以看出，由8155部有地址鎖存器并且有ALE引腳，因此它和系列單片機(jī)的接口簡單要將的輸入控制端與單片機(jī)各同名端相連將AD7～AD0與的P0.0接，CEIO/M可分別與相連，如圖所示，此時地址可分配如下：內(nèi)部256節(jié)ROM的地址：7E00H～命令/狀態(tài)口地址:；PA口地址:；口地址；口地址:；定時低8寄存器地址7F04H；定時器高6及2位定時輸出方式寄存器地址:7F05H。鍵盤為了使操作人員能夠隨時掌握XY軸位置變換情況，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了6LED顯示器。采用陰極數(shù)碼管。如下圖所示。

//計(jì)設(shè)的路電口接示顯盤鍵91.3圖圖中，DS0～DS2為X軸的位置顯示，最大顯示999的數(shù)值；DS3～DS5為Y軸的位置顯示最大顯示總共有兩種顯示方式：分別為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯

示。根據(jù)系統(tǒng)的要求，這里我們采用動態(tài)顯示方式8155PA0～作為段選線，為六條位選線。由圖可知我們設(shè)計(jì)了一個鍵盤因?yàn)橄到y(tǒng)X軸Y軸的給定值的輸入只能通過鍵盤來完成。設(shè)計(jì)中考慮到所用的鍵比較多，所以系統(tǒng)采用了非編碼鍵盤的形式。鍵盤排成8行列矩陣，共個鍵。～PB7是根行線，～是根列線，在列線與行線的交叉點(diǎn)上安裝按鍵。由圖可以看出的口既充當(dāng)了鍵盤掃描的8列線，又充當(dāng)了顯示電路的六條位選線?？诘?根列線按一定時間間隔輪流輸出低電平掃描到某一列線上時，若無鍵按下，則行線都是高電平；若有一鍵按下時，交叉點(diǎn)上對應(yīng)的行線變?yōu)榈碗娖健＿@個低電平信號被計(jì)算機(jī)捕獲后，根據(jù)此鍵對應(yīng)的行線和列線的位置，計(jì)算機(jī)可以判斷出鍵值，完成一次鍵輸入掃描工作。顯示相應(yīng)的X、Y的坐標(biāo)值。電源模塊的設(shè)計(jì)在電子設(shè)計(jì)與制作中，直流電源的設(shè)計(jì)是很重要的內(nèi)容。在本系統(tǒng)中，所需的電源主要有給集成芯片供電的+5V電壓和給集成運(yùn)放供電的±電壓，以及驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的80V高壓電源，+12V、-12V、+5V電源的設(shè)計(jì)電源在進(jìn)行電源設(shè)計(jì)時功率交流輸入端加一級電源濾波器降低工頻頻率的干擾，本方案的直流穩(wěn)壓電源采用通用的橋式全波整流大電容濾波和三端固定輸出的集成穩(wěn)壓器輸出電路由+壓供給從而大大降低了電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率等指標(biāo)，為了保證電路的有效性和可靠性。所有的集成穩(wěn)壓器根據(jù)功耗均安裝有充足余量的散熱片中正電源輸出的穩(wěn)壓選用W7800系列的三端穩(wěn)壓器，負(fù)電壓輸出的穩(wěn)壓選用W7900系列的三端穩(wěn)壓器，其電路圖如圖所示。

圖3.20

電電+80V電源的設(shè)計(jì)為步進(jìn)電機(jī)的高壓驅(qū)動能正常的工系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個+80V的直流穩(wěn)壓電源，提供高壓電源供電，設(shè)計(jì)中，我們選用各方性能都比較好的串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)思想來實(shí)現(xiàn)。電源電路如圖所示。所示。3.21

串式流壓源由圖可知，它主要由四部分組成，即：調(diào)整部分、放大部分、基準(zhǔn)電壓部分和采樣部分四部分組成。利用電壓串聯(lián)負(fù)反饋，穩(wěn)定輸出電壓。

要使得U0=80V，則，U0=80V，U0以我們必須得確定和這兩個參數(shù)才能確定U0的值。（1）的確定：是穩(wěn)壓管兩端