石家莊鐵道大學(xué)四方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的磨床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)THEDESIGNOFGRINDERCONTROLSYSTEMBASEDONMCU2011屆電氣工程系專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)號(hào)20076275學(xué)生姓名安美霞指導(dǎo)老師馬麗完成日期2011年5月25日畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)單學(xué)生姓名安美霞學(xué)號(hào)20076275班級(jí)07104專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)題目基于單片機(jī)的磨床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師姓名馬麗指導(dǎo)教師職稱高級(jí)工程師評(píng)定成績(jī)指導(dǎo)教師得分評(píng)閱人得分答辯小組組長(zhǎng)得分成績(jī)?cè)洪L(zhǎng)主任簽字年月日畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書題目基于單片機(jī)的磨床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名安美霞學(xué)號(hào)20076275班級(jí)07104專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化承擔(dān)指導(dǎo)任務(wù)單位電氣工程系導(dǎo)師姓名馬麗導(dǎo)師職稱高級(jí)工程師一、主要內(nèi)容用單片機(jī)控制磨刀電機(jī)、磨刀進(jìn)給電機(jī)和主軸電機(jī)的速度和位置，實(shí)現(xiàn)管道磨削的自動(dòng)控制。二、基本要求1根據(jù)要求設(shè)計(jì)磨床控制系統(tǒng)。2要求系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式手動(dòng)工作方式下，要能根據(jù)工藝要求實(shí)現(xiàn)對(duì)磨削厚度的設(shè)定，可單獨(dú)控制每個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)、停止和調(diào)速；自動(dòng)方式下，自動(dòng)加工時(shí)能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)電機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速和停止，從而實(shí)現(xiàn)管道磨削的自動(dòng)控制。3要求顯示磨刀進(jìn)給的實(shí)際行程、每次的實(shí)際進(jìn)刀量和當(dāng)前進(jìn)刀次數(shù)。4編寫程序并調(diào)試仿真通過。三、主要技術(shù)指標(biāo)1主軸電機(jī)為三相籠型異步電動(dòng)機(jī)，由變頻器控制，電機(jī)速度和旋轉(zhuǎn)方向可以通過單片機(jī)或旋鈕對(duì)變頻器的控制來實(shí)現(xiàn)。2磨刀進(jìn)給電機(jī)為三相籠型異步電動(dòng)機(jī)，由變頻器控制，具有快進(jìn)、快退、慢進(jìn)、慢退四種速度，通過單片機(jī)可以根據(jù)工藝要求實(shí)現(xiàn)高、低速切換。3磨刀電機(jī)為三相籠型異步電動(dòng)機(jī)，不需要調(diào)速，通過單片機(jī)控制可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)和停止。4系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式。5需要設(shè)置功能鍵和數(shù)字鍵來設(shè)置參數(shù)。6無(wú)論哪種工作方式都能顯示磨刀進(jìn)給的實(shí)際行程（99999MM）、每次的實(shí)際進(jìn)刀量（0199MM）和當(dāng)前進(jìn)刀次數(shù)（19次）。四、應(yīng)收集的資料及參考文獻(xiàn)1單片微型計(jì)算機(jī)原理及接口技術(shù)高峰科學(xué)出版社2電機(jī)原理及拖動(dòng)彭鴻才機(jī)械工業(yè)出版社五、進(jìn)度計(jì)劃1第1周第2周調(diào)研、收集材料，完成開題報(bào)告2第3周第5周分析、確定方案3第6周第11周設(shè)計(jì)系統(tǒng)、編寫單片機(jī)程序4第12周第15周撰寫論文5第16周完善論文，答辯教研室主任簽字時(shí)間年月日畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告題目基于單片機(jī)的磨床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名安美霞學(xué)號(hào)20076275班級(jí)07104專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化一、本課題研究背景十八世紀(jì)30年代，為了適應(yīng)鐘表、自行車、縫紉機(jī)和機(jī)械等零件淬硬后的加工，英國(guó)、德國(guó)和美國(guó)分別研制出使用天然磨料砂輪的磨床。1876年在巴黎博覽會(huì)展出的美國(guó)布朗夏普公司制造的萬(wàn)能外圓磨床，是首次具有現(xiàn)代磨床基本特征的機(jī)械。磨床是利用磨具對(duì)工件表面進(jìn)行磨削加工的機(jī)床。大多數(shù)的磨床是使用高速旋轉(zhuǎn)的砂輪進(jìn)行磨削加工，主要類型有外圓磨床、內(nèi)圓磨床、坐標(biāo)磨床、無(wú)心磨床、平面磨床、砂帶磨床、導(dǎo)軌磨床、工具磨床、多用磨床、專用磨床等。二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1900年前后，人造磨料的發(fā)展和液壓傳動(dòng)的應(yīng)用，對(duì)磨床的發(fā)展有很大的推動(dòng)作用。到了1920年前后，無(wú)心磨床、雙端面磨床和超精加工機(jī)床等相繼制成使用；50年代又出現(xiàn)了可作鏡面磨削的高精度外圓磨床；60年代末又出現(xiàn)了砂輪線速度達(dá)6080M/S的高速磨床和大切深、緩進(jìn)給磨削平面磨床；70年代，采用微處理機(jī)的數(shù)字控制和適應(yīng)控制等技術(shù)在磨床上得到了廣泛的應(yīng)用。微處理機(jī)的數(shù)字控制使磨床的磨削速度具有一致的信號(hào)，可以按照指令信號(hào)進(jìn)刀，從程序上就可以控制整個(gè)操作流程，具有多功能，高性能，高速度，低功耗的優(yōu)點(diǎn)。三、研究方案1主軸電機(jī)通過單片機(jī)控制繼電器，由繼電器的常開觸點(diǎn)分別控制變頻器的正反轉(zhuǎn)的外部輸入端子，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制，主軸旋轉(zhuǎn)的速度由電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。主軸速度的檢測(cè)采用霍爾元件。磨刀進(jìn)給電機(jī)是由單片機(jī)控制繼電器，繼電器的常開觸點(diǎn)控制變頻器的外部輸入端子，從而具有快進(jìn)、快退、慢進(jìn)和慢退四種速度。磨刀小車的位移采用編碼器進(jìn)行檢測(cè)。磨刀電機(jī)采用中間繼電器和接觸器實(shí)現(xiàn)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的控制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)和停止。2數(shù)字鍵的設(shè)定，采用智能按鍵，即設(shè)定三個(gè)按鍵，一個(gè)作為設(shè)定鍵，一個(gè)作為數(shù)值的設(shè)置鍵，一個(gè)作為設(shè)定數(shù)值的移位鍵。數(shù)碼顯示采用兩個(gè)四位的七段數(shù)碼管，采用動(dòng)態(tài)掃描的方法顯示。外擴(kuò)一片8155芯片來擴(kuò)展I/O接口。在程序的設(shè)計(jì)中由于按鍵比較多，因此采用行列矩陣式鍵盤，利用這種行列矩陣式需要N個(gè)行線和M個(gè)列線，即可組成MN個(gè)按鍵的鍵盤。3使用KEILC軟件編寫、調(diào)試程序，調(diào)試完成后用PROTEUS進(jìn)行仿真。四、預(yù)期達(dá)到效果可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式的切換。手動(dòng)方式下可以根據(jù)工藝要求實(shí)現(xiàn)對(duì)磨削厚度的設(shè)定，單獨(dú)控制各個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)、停止和調(diào)速；自動(dòng)方式下可以實(shí)現(xiàn)管道磨削的自動(dòng)控制。通過設(shè)置的功能鍵和數(shù)字鍵來設(shè)置參數(shù)。數(shù)碼管可以顯示設(shè)定的參數(shù)并且顯示加工過程中磨刀進(jìn)給的實(shí)際行程、每次的實(shí)際進(jìn)刀量和當(dāng)前進(jìn)刀次數(shù)。指導(dǎo)教師簽字時(shí)間年月日摘要本課題是以單片機(jī)為控制芯片，設(shè)計(jì)了磨床控制系統(tǒng)。磨床是利用磨具對(duì)工件表面進(jìn)行磨削加工的機(jī)床。磨床控制系統(tǒng)分為手動(dòng)方式和自動(dòng)方式。在手動(dòng)方式下，可以根據(jù)工藝要求設(shè)定磨削厚度，單獨(dú)控制各個(gè)電機(jī)；在自動(dòng)方式下，可以實(shí)現(xiàn)管道的自動(dòng)磨削控制。在設(shè)置磨刀進(jìn)給的總行程、磨刀在低速時(shí)的進(jìn)刀次數(shù)和進(jìn)刀量的數(shù)值大小時(shí)，采用智能按鍵，即一個(gè)按鍵作為數(shù)值大小的設(shè)定，另一個(gè)按鍵作為數(shù)值的移位設(shè)定鍵，這樣就可以避免設(shè)置過多的數(shù)值鍵，從而簡(jiǎn)化了程序的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)是以單片機(jī)C51語(yǔ)言為基本工具，在KEILVISION4軟件環(huán)境下編寫和調(diào)試程序，利用PROTEUS軟件進(jìn)行磨床控制系統(tǒng)的仿真，模擬磨床的操作流程，可以完成手動(dòng)方式和自動(dòng)方式的操作，并且可以實(shí)現(xiàn)兩種操作方式的切換。關(guān)鍵詞單片機(jī)磨床智能按鍵C51PROTEUSABSTRACTTHESUBJECTDESIGNSGRINDERCONTROLSYSTEMBASEDONASINGLECHIPMICROCOMPUTER,WHICHISUSEDASTHEMAINCONTROLUSINGABRASIVETOOLS,GRINDERSGRINDTHESURFACEOFTHEWORKPIECEGRINDERCONTROLSYSTEMCONSISTSOFMANUALMODEANDAUTOMATICMODEINMANUALMODE,WECANSETTHETHICKNESSOFTHEWORKPIECEGRINDEDACCORDINGTOTHEDIFFERENTTECHNOLOGICALREQUIREMENTSANDCONTROLTHEMOTORSSEPARATELYINAUTOMATICMODE,ITCANACHIEVEGRINDINGTHEPIPELINEAUTOMATICALLYWHENSETTINGFEEDMOTORDISPLACEMENT,SHARPENINGMOTORFEEDINGTIMESANDFEEDINGVOLUMEATLOWSPEED,WEDESIGNTWOSMARTKEYSONEISUSEDFORCONTROLLINGTHESETTINGVALUESANOTHERISFORMOVINGTHENEXTSETTINGVALUESINTHISWAY,WECANSETUPASFEWVALUEKEYSASPOSSIBLE,WHICHSIMPLIFYTHEDESIGNOFTHEPROGRAMTHISSYSTEMISBASEDONMCUC51LANGUAGEKEILVISION4PLATFORMISUSEDTOPROGRAMANDDEBUGPROTEUSPLATFORMISUSEDTOSIMULATETHEOPERATIONOFTHEGRINDERTHEPROGRAMCANCOMPLETETHEMANUALANDAUTOMATICOPERATIONSANDSWITCHTHETWOOPERATIONSKEYWORDSMCUGRINDERSMARTKEYC51PROTEUS目錄第1章磨床的背景及發(fā)展111磨床的背景112磨床的發(fā)展1第2章磨床系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及方案221磨床系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求222設(shè)計(jì)方案2第3章系統(tǒng)設(shè)計(jì)431系統(tǒng)主要組成432單片機(jī)芯片4321P0P3輸入/輸出引腳5322控制信號(hào)引腳633并行口擴(kuò)展63318155內(nèi)部結(jié)構(gòu)及地址分配63328155的命令控制字734電機(jī)和變頻器835霍爾元件836編碼器937鍵盤938顯示10第4章電氣接線及原理圖1141電氣接線1142系統(tǒng)原理圖11第5章軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試1251軟件設(shè)計(jì)12511主程序模塊12512LED顯示模塊13513按鍵查詢模塊14514鍵值判斷模塊15515按鍵設(shè)定模塊16516磨刀進(jìn)給小車自動(dòng)停止模塊18517手動(dòng)程序模塊19518自動(dòng)程序模塊20519外部中斷模塊2152軟件調(diào)試22第6章系統(tǒng)仿真2361仿真軟件PROTEUS2362程序的調(diào)試與仿真23第7章結(jié)論與展望24參考文獻(xiàn)25致謝26附錄27附錄A外文資料27附錄B電氣接線圖38附錄C系統(tǒng)原理圖39附錄D程序40第1章磨床的背景及發(fā)展11磨床的背景十八世紀(jì)30年代，為了適應(yīng)鐘表、自行車、縫紉機(jī)和機(jī)械等零件淬硬后的加工，英國(guó)、德國(guó)和美國(guó)分別研制出使用天然磨料砂輪的磨床。這些磨床是在當(dāng)時(shí)現(xiàn)成的機(jī)床如車床、刨床等上面加裝磨頭改制而成的。它們結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛度低，磨削時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng)，要求操作工人要有很高的技藝才能磨出精密的工件。1876年在巴黎博覽會(huì)展出的美國(guó)布朗夏普公司制造的萬(wàn)能外圓磨床，是首次具有現(xiàn)代磨床基本特征的機(jī)械。磨床是利用磨具對(duì)工件表面進(jìn)行磨削加工的機(jī)床。磨床能作高精度和表面粗糙度很小的磨削，也能進(jìn)行高效率的磨削。大多數(shù)的磨床是使用高速旋轉(zhuǎn)的砂輪進(jìn)行磨削加工，主要類型有外圓磨床、內(nèi)圓磨床、坐標(biāo)磨床、無(wú)心磨床、平面磨床、砂帶磨床、導(dǎo)軌磨床、工具磨床、多用磨床、專用磨床等1。12磨床的發(fā)展作為現(xiàn)代制造技術(shù)之一，磨床在現(xiàn)代制造領(lǐng)域中占有重要地位。1900年前后，人造磨料的發(fā)展和液壓傳動(dòng)的應(yīng)用，對(duì)磨床的發(fā)展有很大的推動(dòng)作用。隨著近代工業(yè)特別是汽車工業(yè)的發(fā)展，各種不同類型的磨床相繼問世。自動(dòng)測(cè)量裝置于1908年開始應(yīng)用到磨床上。到了1920年前后，無(wú)心磨床、雙端面磨床、輥磨床、導(dǎo)軌磨床，研磨機(jī)和超精加工機(jī)床等相繼制成使用；50年代又出現(xiàn)了可作鏡面磨削的高精度外圓磨床；60年代末又出現(xiàn)了砂輪線速度達(dá)6080M/S的高速磨床和大切深、緩進(jìn)給磨削平面磨床；70年代，采用微處理機(jī)的數(shù)字控制和適應(yīng)控制等技術(shù)在磨床上得到了廣泛的應(yīng)用。微處理機(jī)的數(shù)字控制使磨床的磨削速度具有一致的信號(hào)，可以按照指令信號(hào)進(jìn)刀，方便快捷，從程序上就可以控制整個(gè)操作流程，具有多功能，高性能，高速度，低功耗的優(yōu)點(diǎn)2。數(shù)控磨床可以實(shí)現(xiàn)多品種的中、小批量生產(chǎn)自動(dòng)化，可以提高生產(chǎn)效率，減少成本，提高加工精度。自動(dòng)測(cè)量反饋和數(shù)字顯示裝置的應(yīng)用提高了機(jī)床自動(dòng)化程度，節(jié)省了輔助時(shí)間，減少勞動(dòng)強(qiáng)度。磨床是金屬切削行業(yè)的一個(gè)重要分支，隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)機(jī)械零件的加工精度及表面粗糙度的要求日益提高，磨削加工顯得更加重要。尤其在汽車、電力、船舶、冶金、軍工、航空航天等行業(yè)，數(shù)控磨床發(fā)揮著越來越大的作用。第2章磨床系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求及方案21磨床系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求（1）用單片機(jī)控制磨刀電機(jī)、磨床小車電機(jī)和主軸電機(jī)的速度和位置，實(shí)現(xiàn)管道磨削的自動(dòng)控制，要能根據(jù)工藝要求實(shí)現(xiàn)對(duì)磨削厚度的設(shè)定。電機(jī)采用三相籠型異步電動(dòng)機(jī)，其中主軸電機(jī)由變頻器控制正/反轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)速度，旋轉(zhuǎn)速度從0到額定轉(zhuǎn)速之間可調(diào)，用電位器調(diào)節(jié)；磨刀電機(jī)只控制電機(jī)的起動(dòng)和停止，只能單方向旋轉(zhuǎn)，不用調(diào)速；磨刀進(jìn)給電機(jī)由變頻器控制，具有快進(jìn)、快退、慢進(jìn)、慢退四種速度。（2）要求系統(tǒng)具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種工作方式手動(dòng)工作方式下，可單獨(dú)控制每個(gè)電機(jī)的啟動(dòng)、停止和調(diào)速；自動(dòng)方式下，自動(dòng)加工時(shí)能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)電機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速和停止。（3）需要設(shè)置功能鍵和數(shù)字鍵來設(shè)置參數(shù)。磨刀進(jìn)給總行程，單位MM；設(shè)定范圍99999MM。磨刀進(jìn)給低速時(shí)每次進(jìn)刀量，單位MM；設(shè)定范圍0199MM。磨刀進(jìn)給低速時(shí)總進(jìn)刀次數(shù)，單位次；設(shè)定范圍19次。用數(shù)碼管顯示設(shè)定的參數(shù)；用數(shù)碼管顯示加工過程中磨刀進(jìn)給的實(shí)際行程、每次的實(shí)際進(jìn)刀量、當(dāng)前進(jìn)刀次數(shù)；用LED指示燈指示各電機(jī)工作狀態(tài)運(yùn)行時(shí)綠燈亮，否則綠燈滅。（4）編寫程序并調(diào)試仿真通過。22設(shè)計(jì)方案主軸電機(jī)是通過單片機(jī)控制兩個(gè)繼電器，由繼電器的常開觸點(diǎn)分別控制變頻器的正反轉(zhuǎn)的外部輸入端子，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制。主軸旋轉(zhuǎn)的速度由電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。主軸速度的檢測(cè)采用霍爾元件，采用外部中斷的方式，中斷N次后主軸轉(zhuǎn)過一圈，在自動(dòng)的工作方式下，每次磨刀小車電機(jī)停止時(shí)啟動(dòng)進(jìn)行主軸圈數(shù)的檢測(cè)。磨刀小車電機(jī)是通過單片機(jī)控制繼電器，由繼電器的常開觸點(diǎn)控制變頻器的外部輸入端子，從而具有快進(jìn)、快退、慢進(jìn)、慢退四種速度。磨刀小車的位移采用編碼器進(jìn)行檢測(cè)，即單片機(jī)在固定的時(shí)間內(nèi)對(duì)脈沖數(shù)進(jìn)行讀取、累加并轉(zhuǎn)換成毫米單位后就可以得到磨刀小車的位移。磨刀電機(jī)只需控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止，單方向的旋轉(zhuǎn)。采用中間繼電器和接觸器實(shí)現(xiàn)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的控制，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的啟動(dòng)和停止。功能鍵和數(shù)字鍵的設(shè)定，采用智能按鍵，即設(shè)定三個(gè)按鍵，一個(gè)作為設(shè)定鍵，一個(gè)作為數(shù)值的設(shè)置鍵，一個(gè)作為設(shè)定數(shù)值的移位鍵。數(shù)值的移位鍵和數(shù)值的設(shè)定鍵采用外部中斷的方式。數(shù)據(jù)的顯示采用兩個(gè)四位一體的LED數(shù)碼管，前四位顯示磨刀進(jìn)給的實(shí)際行程，后四位顯示當(dāng)前的進(jìn)刀次數(shù)和每次的實(shí)際進(jìn)刀量。進(jìn)刀次數(shù)和進(jìn)刀量之間采用作為間隔符。為了減少驅(qū)動(dòng)電路，采用動(dòng)態(tài)掃描的方法顯示。由于89C51的I/O口數(shù)量有限，所以外擴(kuò)一片8155芯片來擴(kuò)展I/O接口。利用外擴(kuò)的8155I/O口驅(qū)動(dòng)顯示電路。由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中按鍵比較多，因此采用行列矩陣式鍵盤，這樣就可以減少鍵盤與單片機(jī)接口時(shí)所占用的I/O口線的數(shù)目。利用這種行列矩陣式需要N個(gè)行線和M個(gè)列線，即可組成MN個(gè)按鍵的鍵盤。采用單片機(jī)C51語(yǔ)言,在KEILVISION4軟件環(huán)境下進(jìn)行程序的編寫和調(diào)試，采用PROTEUS軟件進(jìn)行磨床系統(tǒng)的仿真，并觀察仿真結(jié)果。第3章系統(tǒng)設(shè)計(jì)31系統(tǒng)主要組成磨床控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)、并行口擴(kuò)展、磨刀電機(jī)、磨刀進(jìn)給電機(jī)、主軸電機(jī)、變頻器、鍵盤、顯示、霍爾元件、編碼器幾部分組成。系統(tǒng)框圖如圖31所示。圖31系統(tǒng)框圖32單片機(jī)芯片單片機(jī)作為磨床系統(tǒng)的控制中心，根據(jù)磨床系統(tǒng)的控制特點(diǎn)和仿真軟件的類型，選用AT89C51型號(hào)的單片機(jī)。AT89C51是一個(gè)8位的CPU，具有4KROM程序存儲(chǔ)器，128BRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，可尋址64KB外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64KB外部程序存儲(chǔ)器的控制電路，兩個(gè)16位的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)可編程全雙工串行接口，5個(gè)中斷源、2個(gè)優(yōu)先級(jí)嵌套中斷結(jié)構(gòu)，4個(gè)8位的并行雙向口，32條可編程的I/O線，各個(gè)雙向口的每一位均由鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖組成3。AT89C51芯片引腳如圖32所示。圖32AT89C51引腳圖321P0P3輸入/輸出引腳P0口具有雙重功能（1）可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設(shè)備。由于P0為開漏輸出，在作為通用I/O使用時(shí)，需要在外部接上拉電阻；（2）在有外接存儲(chǔ)器和I/O接口時(shí)常作為低八位地址/數(shù)據(jù)總線，即低八位地址與數(shù)據(jù)分時(shí)使用P0口。此時(shí)低八位地址由ALE信號(hào)的下跳沿使它鎖存到外部地址鎖存器中，傳送數(shù)據(jù)信息4。P1口具有單一的接口功能，P1口的每一位都可以作為可編程的輸入或輸出口線。P2口具有雙重功能（1）作為輸入口或輸出口使用，外接輸入/輸出設(shè)備；（2）在有外接存儲(chǔ)器和I/O接口時(shí)，作為系統(tǒng)地址總線，輸出高八位地址，與P0口的低八位地址一起組成16位地址總線。P3口為雙重功能口（1）可以作為輸入/輸出口，外接輸入/輸出設(shè)備；（2）作為第二功能使用時(shí)，每一位的定義如表33所示。表33P3口的第二功能P3口各位第二功能P30RXD（串行輸入）P31TXD（串行輸出）P32（外部中斷0輸入）INTP33（外部中斷1輸入）P34T0（定時(shí)器0外部計(jì)數(shù)器脈沖輸入）P35T1（定時(shí)器1外部計(jì)數(shù)器脈沖輸入）P36（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)）RDP37（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通信號(hào)）W322控制信號(hào)引腳ALE地址鎖存允許線，配合P0口引腳的第二功能使用。片外存儲(chǔ)器訪問選擇線，可以控制使用片內(nèi)ROM還是片外ROM。等于EA1，則允許使用片外ROM；等于0，則只使用片外ROM。片外ROM選通線，在訪問片外ROM時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖，PSN作為片外ROM芯片的讀選通信號(hào)。RST復(fù)位線，可以使89C51處于復(fù)位工作狀態(tài)。通常89C51有自動(dòng)復(fù)位和人工按鍵復(fù)位兩種。33并行口擴(kuò)展用8155芯片擴(kuò)展并行接口。8155片內(nèi)具有256字節(jié)的靜態(tài)RAM，2個(gè)8位、1個(gè)6位的可編程并行I/O接口，1個(gè)14位的減法計(jì)數(shù)器，以及一個(gè)地址鎖存器5。3318155內(nèi)部結(jié)構(gòu)及地址分配圖348155內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖8155內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖34所示，AD0AD7為三態(tài)地址/數(shù)據(jù)線，可以與89C51單片機(jī)總線直接相連。由于8155片內(nèi)有地址鎖存器，由總線送來的地址信號(hào)在地址鎖存允許信號(hào)ALE下降沿予以鎖存。256字節(jié)靜態(tài)RAM14位定時(shí)計(jì)數(shù)器ABCAD07ALERESTTIMERINIOUTA口PA0P7PB0P7PC0P5VC5VSGNDB口C口IO/MCWRRD8155PA和PB口為8位并行I/O口，PC口為6位并行I/O口。PA、PB口可以工作于基本的I/O方式和選通I/O方式，而PC口只能工作在基本的I/O方式。當(dāng)PA或PB口工作在選通I/O方式時(shí)，PC口部分或全部口用作PA或PB口的聯(lián)絡(luò)信號(hào)。TIMERIN為片內(nèi)定時(shí)/計(jì)數(shù)器的輸入時(shí)鐘信號(hào)。TIMEROUT為計(jì)數(shù)器計(jì)滿回零后的輸出信號(hào)。RESET為復(fù)位信號(hào)，高電平有效，復(fù)位后各端口處于基本的輸入輸出狀態(tài)。為端口/存儲(chǔ)器的選擇信號(hào)。8155地址分配如表35所示。當(dāng)MIO為1時(shí)，片內(nèi)端口及定時(shí)/計(jì)數(shù)器的地址由AD0AD2編碼確定。當(dāng)為I/MI/O0時(shí)，選中片內(nèi)RAM00HFFH256個(gè)單元。和用來讀寫片內(nèi)RAM和實(shí)RDW現(xiàn)數(shù)據(jù)由I/O端口輸入/輸出操作信號(hào)5。表358155地址分配I/OAD0AD1AD2000命令/狀態(tài)口001PA口010PB口011PC口100TIME低八位1（I/O口）101TIME高八位0存儲(chǔ)器AD0AD700HFFH內(nèi)部RAM3328155的命令控制字8155的命令控制字包含對(duì)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、并行口和中斷控制，其命令控制字格式如表36所示。表368155命令控制字格式TM2TM1IEBIEAPPPBPATMER工作方式B口中斷允/禁A口中斷允/禁I/O端口的工作方式B口I/OA口I/OPA、PB分別用來選擇A口和B口是輸入還是輸出置1，選擇輸出方式；置0，選擇輸入方式。IEA、IEB分別用來選擇A口和B口是允許中斷還是禁止中斷置1，選擇允許中斷；置0，選擇禁止中斷。P、P用來選擇并行口的工作方式，并行口的工作方式如表37所示。表37并行口工作方式PP工作方式00PA、PB為基本的I/O方式，PC為輸入方式11PA、PB為基本的I/O方式，PC為輸出方式01PA、PB為基本的I/O方式，PC為選通I/O方式，PC2PC0為A口聯(lián)絡(luò)信號(hào)10PA、PB為選通I/O方式，PC為聯(lián)絡(luò)信號(hào)34電機(jī)和變頻器磨床系統(tǒng)電氣部分主要包括一個(gè)主軸電機(jī)、一個(gè)磨刀電機(jī)、一個(gè)磨刀進(jìn)給電機(jī)。根據(jù)系統(tǒng)要求電機(jī)全部選用三相籠型異步電動(dòng)機(jī)。變頻器是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置，把電壓和頻率固定不變的交流電變換為電壓或頻率可變的交流電，能實(shí)現(xiàn)對(duì)交流異步電機(jī)的軟起動(dòng)、變頻調(diào)速、提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度、改變功率因素、過流/過壓/過載保護(hù)等功能6。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中選用兩個(gè)變頻器，一個(gè)變頻器采用外部控制的方式控制主軸電機(jī)的正/反轉(zhuǎn)，用電位器調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)速度,從0到額定轉(zhuǎn)速之間可調(diào)；另一個(gè)變頻器采用外部控制的方式，控制磨刀進(jìn)給電機(jī)。變頻器選擇三菱FRA540型變頻器。變頻器外部接線端子如圖38所示7。圖38變頻器外部接線端子35霍爾元件霍爾元件是一種磁敏元件，利用霍爾效應(yīng)制成的半導(dǎo)體，多用于電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。使用霍爾元件檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)過的圈數(shù)，主軸每轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)，產(chǎn)生N個(gè)脈沖，當(dāng)單片機(jī)每檢測(cè)到N個(gè)脈沖，就可以認(rèn)為主軸轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)?；魻栐Y(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，它由霍爾片、4根引線和殼體組成?；魻柶且粔K矩形半導(dǎo)體單晶薄片，在長(zhǎng)度上焊有兩根控制電流端引線A和B。它們?cè)诒∑系暮更c(diǎn)稱為激勵(lì)電極，在薄片的兩側(cè)端面的中央以點(diǎn)的形式對(duì)稱焊接C和D兩根引出線，RSTSTFSTRHRL正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)高速低速頻率設(shè)定電位器MFRA540UVW三相電源CM它們?cè)诒∑系暮更c(diǎn)稱為霍爾電極?；魻栃?yīng)是指當(dāng)載流導(dǎo)體處于與電流相垂直的磁場(chǎng)時(shí)，在其兩端產(chǎn)生電位差，這一現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)?；魻栃?yīng)的產(chǎn)生是由于運(yùn)動(dòng)電荷受磁場(chǎng)中洛侖茲力的作用。使用霍爾傳感器獲得脈沖信號(hào)，在轉(zhuǎn)軸的圓周上粘上磁鋼，讓霍爾開關(guān)靠近磁鋼，就有信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)不斷地產(chǎn)生脈沖信號(hào)輸出。在圓周上粘上一粒磁鋼，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周，獲得一個(gè)脈沖輸出。因此根據(jù)脈沖數(shù)目，就可以檢測(cè)主軸轉(zhuǎn)過的圈數(shù)。36編碼器編碼器是將機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的位移轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)式的傳感器，在測(cè)量方面應(yīng)用廣泛，具有精度高，分辨率高，可靠性高的特點(diǎn)。使用編碼器進(jìn)行檢測(cè)磨刀進(jìn)給小車行程，磨刀進(jìn)給小車每前進(jìn)/后退1MM對(duì)應(yīng)M個(gè)脈沖。程序處理上，單片機(jī)在固定時(shí)間對(duì)脈沖數(shù)進(jìn)行讀取、累加并轉(zhuǎn)換成毫米單位后就可以得到磨刀進(jìn)給小車的行程。在程序仿真時(shí)，設(shè)定脈沖當(dāng)量為02MM/MP，即一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)02MM。編碼器從結(jié)構(gòu)上分碼盤式和增量式，在測(cè)量中采用的是增量式編碼器。增量式光電編碼器是碼盤隨位置的變化輸出一系列的脈沖信號(hào)，然后根據(jù)位置變化的方向用計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖進(jìn)行加/減計(jì)數(shù)，以此達(dá)到位置檢測(cè)的目的。它是由光源、透鏡、主光柵碼盤、鑒向盤、光敏元件和電子線路組成。增量式光電編碼器的工作原理是由旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)在徑向有均勻窄縫的主光柵碼盤旋轉(zhuǎn)，在主光柵碼盤的上面有與其平行的鑒向盤，在鑒向盤上有兩條彼此錯(cuò)開90相位的窄縫，并分別由光敏二極管接收主光柵碼盤透過來的信號(hào)。工作時(shí)，鑒向盤不動(dòng)，主光柵碼盤隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，光源經(jīng)透鏡平行射向主光柵碼盤，通過主光柵碼盤和鑒向盤后由光敏二極管接收相位差90的近似正弦信號(hào)，再由邏輯電路形成轉(zhuǎn)向信號(hào)和計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)。為了獲得絕對(duì)位置角，在增量式光電編碼器有零位脈沖，即主光柵每旋轉(zhuǎn)一周，輸出一個(gè)零位脈沖，使位置角清零8。37鍵盤鍵盤是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)最常用的輸入設(shè)備，操作人員可以通過鍵盤向單片機(jī)系統(tǒng)輸入指令、地址、數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的人機(jī)通訊。在磨床控制系統(tǒng)中，由于獨(dú)立按鍵比較多，為了避免占用太多的I/O口線，把按鍵做成鍵盤，鍵盤排列成行列矩陣式。每一個(gè)行線和列線的交叉處不相通，是通過一個(gè)按鍵連通的。行線由單片機(jī)的P10P13控制，列線由單片機(jī)的P14P16控制，組成43的12個(gè)按鍵的鍵盤。由于AT89C51單片機(jī)的P1口在內(nèi)部有上拉電阻，因此外部的上拉電阻可省略。38顯示系統(tǒng)的顯示模塊采用LED數(shù)碼管顯示。LED數(shù)碼管選用共陽(yáng)極數(shù)碼管，即陰極接低電平的發(fā)光二極管就可以導(dǎo)通點(diǎn)亮，接高電平的不亮。數(shù)碼管的顯示需要兩組信號(hào)控制，一組是字段輸出口的字形代碼，用來控制顯示的字形；另一組是位輸出口的控制信號(hào)，用來選擇第幾個(gè)數(shù)碼管顯示，稱為位選。數(shù)碼管的位選和段選由擴(kuò)展的并行接口8155芯片控制。數(shù)碼管的顯示采用動(dòng)態(tài)掃描的方法。動(dòng)態(tài)掃描是單片機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式。輪流選通數(shù)碼管的公共端，使各個(gè)數(shù)碼管輪流點(diǎn)亮。這種方式不但能提高數(shù)碼管的發(fā)光效率，而且由于各個(gè)數(shù)碼管的字段線是并聯(lián)使用的，從而可以簡(jiǎn)化硬件電路圖。在輪流點(diǎn)亮的過程中，每個(gè)數(shù)碼管點(diǎn)亮的時(shí)間是極為短暫的（約1MS），但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各個(gè)數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。當(dāng)顯示完一位后，開始顯示下一位時(shí)，需要將數(shù)碼管的位選關(guān)閉，不然同時(shí)選通幾個(gè)數(shù)碼管，就會(huì)出現(xiàn)亂碼顯示9。第4章電氣接線及原理圖41電氣接線電氣接線圖見附錄B，變頻器的外部接線說明如表41所示。表41變頻器的外部接線繼電器常開觸點(diǎn)變頻器的外部端子功能KA1STF（變頻器1正轉(zhuǎn)端子）控制主軸電機(jī)的正轉(zhuǎn)KA2STR（變頻器1反轉(zhuǎn)端子）控制主軸電機(jī)的反轉(zhuǎn)KA3STF（變頻器2正轉(zhuǎn)端子）控制磨刀進(jìn)給電機(jī)的正轉(zhuǎn)KA4STR（變頻器2反轉(zhuǎn)端子）控制磨刀進(jìn)給電機(jī)的反轉(zhuǎn)KA5RH（變頻器2高速端子）控制磨刀進(jìn)給電機(jī)的加速KA6RL（變頻器2低速端子）控制磨刀進(jìn)給電機(jī)的減速42系統(tǒng)原理圖系統(tǒng)原理圖見附錄C，89C51和8155的I/O分配說明如表42所示。表4289C51和8155I/O分配89C51I/O口控制功能8155I/O口控制功能P10P13鍵盤的行線PA0PA7位選控制P14P16鍵盤的列線PB0PB7段選控制P00P07連接8155AD0AD7PC0控制繼電器KA1P30控制繼電器KA7PC1控制繼電器KA2P31手動(dòng)方式標(biāo)志PC2控制繼電器KA3P32/INT0外接中斷脈沖PC3控制繼電器KA4P33/1外接中斷脈沖PC4控制繼電器KA5P34/T0外接磨刀進(jìn)給電機(jī)的脈沖PC5控制繼電器KA6P35/T1外接主軸電機(jī)的脈沖第5章軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試51軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件主要包括主程序模塊、自動(dòng)程序模塊、手動(dòng)程序模塊、LED顯示模塊、外部中斷模塊、按鍵查詢模塊、鍵值判斷模塊、按鍵設(shè)定模塊、磨刀進(jìn)給電機(jī)的自動(dòng)停止模塊。程序見附錄D。511主程序模塊圖51主程序流程圖主程序流程圖如圖51所示。進(jìn)入主程序后調(diào)用顯示模塊和按鍵掃描模塊，然后進(jìn)行按鍵的判斷，如果是手動(dòng)按鍵，就調(diào)用手動(dòng)程序。如果不是手動(dòng)按鍵，判斷調(diào)用顯示模塊是自動(dòng)按鍵或自動(dòng)標(biāo)志為1嗎設(shè)定成功嗎調(diào)用自動(dòng)程序開始按鍵掃描是手動(dòng)按鍵嗎調(diào)用手動(dòng)程序YYYNNN是不是自動(dòng)按鍵或者自動(dòng)標(biāo)志是否為1，如果滿足條件，就調(diào)用自動(dòng)程序。如果不滿足條件，就返回繼續(xù)掃描按鍵。512LED顯示模塊圖52顯示程序流程圖磨刀進(jìn)給的總行程、磨刀進(jìn)給低速時(shí)每次進(jìn)刀量、磨刀進(jìn)給低速時(shí)進(jìn)刀次數(shù)通過LED數(shù)碼管顯示。顯示程序流程圖如圖52所示。開始閃爍標(biāo)志置1嗎初始化顯示參數(shù)取顯示數(shù)據(jù)輸出段碼是當(dāng)前顯示位閃爍嗎進(jìn)入閃爍的設(shè)定輸出位選通信號(hào)指向下一顯示數(shù)據(jù)延時(shí)關(guān)閉所有位顯示8位數(shù)據(jù)顯示完嗎YYYNNN返回在進(jìn)行磨刀進(jìn)給的總行程、磨刀進(jìn)給低速時(shí)每次進(jìn)刀量、磨刀進(jìn)給低速時(shí)進(jìn)刀次數(shù)的設(shè)定時(shí)，為了方便觀察數(shù)值的設(shè)定變化，采用閃爍的方式，即當(dāng)前設(shè)定的數(shù)值閃爍。設(shè)定閃爍變量SET1，如果變量SET1等于0則顯示的數(shù)據(jù)不閃爍，變量SET1等于1則當(dāng)前設(shè)定的數(shù)值閃爍。采用延時(shí)的方法，進(jìn)行數(shù)碼管的選通和關(guān)閉。這樣就可以實(shí)現(xiàn)當(dāng)前設(shè)定數(shù)值的閃爍。對(duì)于磨刀進(jìn)給的總行程、磨刀進(jìn)給低速時(shí)每次進(jìn)刀量的數(shù)據(jù)顯示帶小數(shù)位，只要讓查表所得的段碼值再與上0X7F，就可以點(diǎn)亮相應(yīng)的小數(shù)位。磨刀進(jìn)給低速時(shí)每次進(jìn)刀量、磨刀進(jìn)給低速時(shí)進(jìn)刀次數(shù)之間使用間隔符，共陽(yáng)極的段碼為0XBF。設(shè)定顯示的數(shù)據(jù)依次從左到右為磨刀進(jìn)給的總行程、磨刀進(jìn)給低速時(shí)進(jìn)刀次數(shù)、磨刀進(jìn)給低速時(shí)每次進(jìn)刀量。在其他方式下，顯示的數(shù)據(jù)表示當(dāng)前磨刀進(jìn)給的總行程，當(dāng)前的進(jìn)刀次數(shù)和當(dāng)前的進(jìn)刀量。513按鍵查詢模塊鍵盤掃描流程圖如圖53所示。程序中首先進(jìn)行行掃描，在P1口輸出0X0F，讀入P1口的狀態(tài)，進(jìn)行TEMPTEMP/手動(dòng)標(biāo)志SBITP3_0P30/定義位變量作為磨刀啟動(dòng)/停止的控制位/各個(gè)變量的定義/UNSIGNEDCHARKEY,AUT,CLEAR,JINDAO,QUANSHU,STAT,SUCCESUNSIGNEDCHARZUOYI,CNT,XIATIAO,SET,SET1,IUNSIGNEDCHARS1,S2,SS1,SS2UNSIGNEDINTS0,SS0,SS3,S3,S,N,SEND,S5,S90,MUNSIGNEDCHARZHU,ZHUF,KJIN,MJIN,KTUI,MTUI,MO,TE/TE作為PC8155輸出的中間變量；FLOATMP/脈沖當(dāng)量UNSIGNEDCHARLEDMAP0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90/數(shù)碼顯示表UNSIGNEDCHARLEDEND80,4,7,0,0,0,0,0/絕對(duì)位移UNSIGNEDCHARLED8/顯示緩沖/延時(shí)子程序/VOIDDELAYUNSIGNEDCHARMSUNSIGNEDCHARKWHILEMSFORK0K4|0XF0IFTEMP1/第一列，鍵值0KEYKEY0ELSEIFTEMP2/第二列，鍵值4KEYKEY4ELSEIFTEMP4/第三列，鍵值8KEYKEY8ELSEKEY16/無(wú)按鍵則KEY置初值16/按鍵掃描/VOIDKEY_DOWNP10XF0/列線口輸出高電平，行線口輸出低電平IFP10XF0/讀P1口，如果不等于0XF0說明有鍵按下KEYSCAN/調(diào)用按鍵掃描WHILEP10XF0/等待按鍵的釋放/數(shù)據(jù)處理程序/VOIDSHUJULED0S0/1000/取S0第一位整數(shù)，存到LED0中LED1S01000/100/取S0第二位整數(shù)，存到LED1中LED2S01000100/10/取S0第三位整數(shù)，存到LED2中LED3S0100010010/取S0第四位整數(shù)，存到LED3中LED4S1/取S1第一位整數(shù)，存到LED4中LED6S2/10/取S2第一位整數(shù)，存到LED6中LED7S210/取S2第一位整數(shù)，存到LED7中/外部中斷程序/VOIDZUOVOIDINTERRUPT0USING0/外部中斷0左移脈沖ZUOYIIFZUOYI8ZUOYI0VOIDXIAVOIDINTERRUPT2USING0/外部中斷1下調(diào)位移脈沖XIATIAOVOIDJINJIVOIDINTERRUPT1USING0/計(jì)數(shù)器T0中斷磨刀進(jìn)給脈沖CNTSINTCNTMP10VOIDQUANVOIDINTERRUPT3USING0/計(jì)數(shù)器T1中斷主軸圈數(shù)的檢測(cè)/QUANSHU/鍵值判斷程序/VOIDPANDUANWHILE1COM81550X0FIFKEY2/設(shè)定鍵鍵值/IFTE0X3F/判斷電機(jī)是否停止轉(zhuǎn)動(dòng)SUCCES0/重新進(jìn)入設(shè)定則設(shè)定成功標(biāo)志置0SET1KEY16BREAKIFKEY1/清零鍵鍵值/IFKJIN1|MJIN1|MTUI1|MTUI1/只有進(jìn)給正反轉(zhuǎn)停止，才可以清零KEY16BREAKELSECLE