哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文第1章緒論1.1本文研究的目的意義激光技術(shù)是本世紀(jì)60年代初誕生，而且發(fā)展極為迅速的一門高新技術(shù)。它的發(fā)展與滲透，帶動(dòng)了其他學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展，激光技術(shù)已成為本世紀(jì)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的主要支柱之一。激光加工技術(shù)是激光技術(shù)在工業(yè)中的主要應(yīng)用，激光加工技術(shù)加速了對(duì)傳統(tǒng)加工工業(yè)的改造，提供了現(xiàn)代工業(yè)加工技術(shù)的新手段，影響很大。激光加工是指用高功率激光束對(duì)工業(yè)用零部件進(jìn)行切割、熱處理、焊接、打孔等等，與傳統(tǒng)加工方法相比，激光束能量高度集中，加工區(qū)域小，因而熱變形小，加工質(zhì)量高、精度高，加工件不受尺寸、形狀限制，不需冷卻介質(zhì)，而且無(wú)污染，噪聲小，勞動(dòng)強(qiáng)度低，效率高。由于激光熱處理有相當(dāng)明顯的優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)金屬熱處理不能解決或不容易解決的技術(shù)難題，在工業(yè)領(lǐng)域具有實(shí)際應(yīng)用意義。1.2激光熱處理的發(fā)展及特點(diǎn)激光表面處理技術(shù)是近二十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新興材料表面處理技術(shù)，尤其是進(jìn)入八十年代已來(lái)，大功率工業(yè)激光器和輔助設(shè)備的制造技術(shù)日益提高，各種激光表面處理技術(shù)日益成熟，使得激光表面處理技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用和深入研究異?；钴S，在歐美和日本，大功率激光器商業(yè)化程度很高，發(fā)展非常迅速，是工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家非常矚目的一項(xiàng)新技術(shù)。激光熱處理是利用高功率密度的激光束對(duì)金屬進(jìn)行表面處理的方法，它可以對(duì)金屬實(shí)現(xiàn)相變硬化（或稱作表面淬火、表面非晶化、表面重熔淬火）、表面合金化等表面改性處理，產(chǎn)生用其大表面淬火達(dá)不到的表面成分、組織、性能的改變。經(jīng)激光處理后，鑄鐵表面硬度可以達(dá)到HRC60度以上，中碳及高碳的碳鋼，表面硬度可達(dá)HRC70度以上，從而提高起抗磨性，抗疲勞，耐腐蝕，抗氧化等性能，延長(zhǎng)其使用壽命。激光熱處理技術(shù)與其它熱處理如高哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文頻淬火，滲碳，滲氮等傳統(tǒng)工藝相比，具有以下特點(diǎn)：1、無(wú)需使用外加材料，僅改變被處理材料表面的組織結(jié)構(gòu).處理后的改性層具有足夠的厚度，可根據(jù)需要調(diào)整深淺一般可達(dá)0.10.8mm。2、處理層和基體結(jié)合強(qiáng)度高。激光表面處理的改性層和基體材料之間是致密的冶金結(jié)合，而且處理層表面是致密的冶金組織，具有較高的硬度和耐磨性。3、被處理件形變極小，由于激光功率密度高，與零件的作用時(shí)間很短，故零件的熱變形區(qū)和整體變化都很小。故適合于高精度零件處理，作為材料和零件的最后處理工序。4、加工柔性好，適用面廣。利用靈活的導(dǎo)光系統(tǒng)可隨意將激光導(dǎo)向處理部分，從而可方便地處理深孔、內(nèi)孔、盲孔和凹槽等，可進(jìn)行選擇性的局部處理。1.3本文研究的內(nèi)容本文在參考了大量已發(fā)表的有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)單片機(jī)、相關(guān)的接口及步進(jìn)電機(jī)控制進(jìn)行了深入研究。主要工作內(nèi)容有以下幾個(gè)方面：1、查找與課題相關(guān)的資料確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案；2、深入學(xué)習(xí)單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)及其控制的相關(guān)知識(shí)；3、以單片機(jī)作為控制核心，以三相步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)；4、根據(jù)設(shè)計(jì)要求編制相應(yīng)軟件并對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)調(diào)試，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的功能。在以下各個(gè)章節(jié)中，將對(duì)上述內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)討論。哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文第2章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案步進(jìn)電機(jī)是一種作為控制用的特種電機(jī)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度（步距角）運(yùn)行的，其特點(diǎn)是在不丟步，不超步情況下沒有積累誤差，所以廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制系統(tǒng)。步進(jìn)電機(jī)通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)，它把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)的角位移。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與脈沖信號(hào)的頻率成正比?？刂葡到y(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器來(lái)完成。本設(shè)計(jì)中，步進(jìn)電機(jī)用于激光熱處理熱控制系統(tǒng)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)和整個(gè)系統(tǒng)的控制由8051單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)完成。2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)總體分為三部分：8051單片機(jī)控制核心；步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)接口電路；8279鍵盤、顯示器部分。具體的設(shè)計(jì)要求如下：1、顯示步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速的顯示形式是直接顯示整數(shù)轉(zhuǎn)速；2、顯示步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，有正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，這兩種狀態(tài)對(duì)應(yīng)著不一樣的激光熱處理裝置的動(dòng)作。3、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，安裝方便大多數(shù)的指示需要電機(jī)實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速，所以我們要設(shè)計(jì)的這一種類的顯示裝置應(yīng)這樣的滿足要求。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于使用和修理；成本低廉，是要面向各種類型的金屬工件；安裝方便，由于激光頭在運(yùn)行過程中要不斷的根據(jù)金屬體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱加工，不需要專業(yè)人員，專業(yè)技術(shù)。8051單片機(jī)控制核心主要承擔(dān)的任務(wù)：1、以并行方式控制步進(jìn)電機(jī)：其中P1.0P1.2直接控制三相步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖環(huán)形分配器的功能由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完成；2、響應(yīng)8279鍵盤輸入，執(zhí)行相應(yīng)的鍵處理程序；3、將系統(tǒng)信息及時(shí)送8279顯示。哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文鍵盤和顯示采用INTEL公司設(shè)計(jì)的8279可編程鍵盤/顯示接口芯片。8279功能強(qiáng)大，電路簡(jiǎn)單，操作容易，數(shù)據(jù)線8位，讀寫時(shí)序與51系列單片機(jī)兼容，很適合于51系列單片機(jī)構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)中8279的主要任務(wù)是：用來(lái)構(gòu)成鍵盤和顯示部分；通過鍵盤輸入相應(yīng)控制信號(hào)（啟動(dòng)、停機(jī)、行程等）；通過8位LED顯示轉(zhuǎn)速、當(dāng)前位置、轉(zhuǎn)向信息等等?？傮w的運(yùn)行過程為：?jiǎn)纹瑱C(jī)檢測(cè)到有鍵盤動(dòng)作時(shí)讀8279接口，得到鍵值，然后根據(jù)鍵值運(yùn)行相應(yīng)程序，向8279寫入要顯示的字符。2.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)以并行方式控制步進(jìn)電機(jī)，用8051中的P1口，P1.0P1.2直接控制三相步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)電路，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)脈沖環(huán)形分配器的功能由單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完成。通過鎖存器,8279并行口擴(kuò)展芯片，構(gòu)成功能鍵盤和數(shù)碼管顯示，完成啟動(dòng)、停止、顯示速度等功能。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。8051數(shù)據(jù)鎖存器8279步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)鍵盤顯示圖2.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)、停機(jī)、按順序發(fā)出控制命令、判斷步進(jìn)電機(jī)是否到達(dá)極限位置（位置控制）、控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向、運(yùn)行速度的變化等。下面是各種控制方式的方案。哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文1、電機(jī)脈沖分配及轉(zhuǎn)向控制用單片機(jī)系統(tǒng)接口的數(shù)條數(shù)據(jù)線直接去控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相驅(qū)動(dòng)線路的方法稱為并行控制。很顯然，在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部不包含環(huán)形分配器，而環(huán)形分配器的功能必須由單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)完成。由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)脈沖分配器的功能有兩種方法，一種是純軟件方法，即全部用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)相序的分配，直接輸出各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)。但是這種方法占用大量CPU內(nèi)存。第二種是軟件硬件結(jié)合的方法，這里是專門設(shè)計(jì)的一種編程接口，計(jì)算機(jī)向接口輸出簡(jiǎn)單形式的代碼數(shù)據(jù)，而接口輸出的是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相導(dǎo)通或截止的信號(hào)。2、速度控制步進(jìn)電機(jī)的速度控制通過控制單片機(jī)發(fā)出的步進(jìn)脈沖頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用定時(shí)器中斷方法實(shí)現(xiàn)。調(diào)速指令由8279的鍵盤程序輸入，在中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行脈沖輸出操作，調(diào)整定時(shí)器的定時(shí)常數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法占用CPU時(shí)間較少，在8051單片機(jī)中較易實(shí)現(xiàn)，是一種比較實(shí)用的調(diào)速方法。定時(shí)器法利用定時(shí)器進(jìn)行工作。為了產(chǎn)生步進(jìn)脈沖，要根據(jù)給定的脈沖頻率和單片機(jī)的機(jī)器周期來(lái)計(jì)算定時(shí)常數(shù)。這個(gè)定時(shí)常數(shù)決定了定時(shí)時(shí)間。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到而使定時(shí)器產(chǎn)生溢出時(shí)發(fā)生中斷，在中斷子程序中進(jìn)行改變P1.0電平狀態(tài)的操作，這樣就可以得到一個(gè)給定頻率的方波輸出。改變了時(shí)間常數(shù)，就可以改變方波的頻率，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。3、位置控制步進(jìn)電機(jī)的位置控制就是控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)激光頭從一個(gè)位置精確地運(yùn)行到另外一個(gè)位置。由于步進(jìn)電機(jī)不用借助位置傳感器而只需簡(jiǎn)單的開環(huán)控制就能達(dá)到足夠的精度，因此這也是步進(jìn)電機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的位置控制需要兩個(gè)參數(shù)。第一個(gè)參數(shù)是步進(jìn)電機(jī)控制的激光頭當(dāng)前的位置參數(shù)，即絕對(duì)位置。它是有界限的，超過了這個(gè)界限就要報(bào)警。因此絕對(duì)位置參數(shù)可在LED中顯示，作為越界報(bào)警參數(shù)。它與步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向有關(guān)。當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)每哈爾濱工程大學(xué)本科生畢業(yè)論文走一步，絕對(duì)位置加1；反之，絕對(duì)位置減1。第二個(gè)參數(shù)是從當(dāng)前位置移動(dòng)到目標(biāo)位置的距離，通過折算把距離化為步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)。這些參數(shù)是由鍵盤輸入的，所以折算工作也在鍵盤程序中完成。位置控制的具體做法是；用步數(shù)等于0來(lái)判斷是否運(yùn)行到目標(biāo)位置，作為步進(jìn)電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)的信號(hào)。步進(jìn)電機(jī)每走一步，步數(shù)減1，當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（激光頭）運(yùn)行到目標(biāo)位置，步數(shù)正好減到0。另外當(dāng)電機(jī)行程較長(zhǎng)時(shí)，還涉及變速（加速、恒速、減速）控制，但由于本設(shè)計(jì)所需執(zhí)行機(jī)構(gòu)（激光頭）的行程較短，不涉及變速控制。4、8279鍵盤、顯示器接口設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中采用2行*8列=16個(gè)鍵盤。數(shù)字鍵為09，命令鍵采用A，B，C，D，E，F(xiàn)。雙鍵互鎖。顯示器采用8位8段LED，編碼掃描（8中取1）。8279的B0B3依次連接顯示器段選端a，b，c，d段；A0A3依次連接顯示器e，f，g，dp段。這樣可以保證顯示器所需要的段選碼和程序中所列的段選碼表相一致。電路如圖3.14所示。在附錄A中，SL3SL0經(jīng)3-8譯碼器輸出，再經(jīng)BIC8087驅(qū)動(dòng)器輸出作為L(zhǎng)ED顯示器的位選碼，同時(shí)譯碼器Y0,Y1作為鍵盤掃描輸出線。鍵盤與CPU采用中斷方式交換信息。CNTL、SHIFT接地，這時(shí)進(jìn)入FIFORAM的鍵值高2位（D7D6）為0。8279的A0連接8051的P0.0；CS連接P2.7。因此，CPU分配給8279的命令字、狀態(tài)字口地址為7FFFH；數(shù)據(jù)輸入/輸出口地址為7