1、 一.控制系統(tǒng)硬件設(shè)計X-Y數(shù)控工作臺控制系統(tǒng)硬件主要包括CPU、傳動驅(qū)動、傳感器、人機交互界面。硬件系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)注意幾點：電機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、響應(yīng)性能好、造價低、可維護(hù)性、人機交互界面可操作性比較好。1. CPU板1.1 CPU的選擇隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計算機有了飛躍的發(fā)展。單片機的型號很多，而目前市場上應(yīng)用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應(yīng)用最廣的8位單片機89C51，價格低廉，而性能優(yōu)良，功能強大。在一些復(fù)雜的系統(tǒng)中就不得不考慮使用16位單片機，MCS-96系列單片機廣泛應(yīng)用于伺服系統(tǒng)，變頻調(diào)速等各類要求實時處理的控制系統(tǒng)，它具有較強的運算和擴展能力。但是定

2、位合理的單片機可以節(jié)約資源，獲得較高的性價比。從要設(shè)計的系統(tǒng)來看，選用較老的8051單片機需要拓展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，無疑提高了設(shè)計價格，而選用高性能的16位MCS-96又顯得過于浪費。生產(chǎn)基于51為內(nèi)核的單片機的廠家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生產(chǎn)領(lǐng)域ATMEL公司的工藝和封裝技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位。ATMEL公司的AT89系列單片機內(nèi)含F(xiàn)lash存儲器，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進(jìn)行程序修改，同時掉電也不影響信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用靜態(tài)時鐘方式可以節(jié)省電能。因此硬件CPU選用AT89S51，AT表示ATMEL公司的產(chǎn)品，9表示內(nèi)含F(xiàn)l

3、ash存儲器，S表示含有串行下載Flash存儲器。AT89S51的性能參數(shù)為：Flash存儲器容量為4KB、16位定時器2個、中斷源6個（看門狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷0、外部中斷1、定時器0和定時器1中斷）、RAM為128B、14位的計數(shù)器WDT、I/O口共有32個。1.2 CPU接口設(shè)計CPU接口部分包括傳感器部分、傳動驅(qū)動部分、人機交互界面三部分。示意圖如下所示：（行程開關(guān)）（行程開關(guān)）前向通道傳動驅(qū)動（電磁鐵）（步進(jìn)電機）人機界面器AT89S51（鍵盤、LED）后向通道 圖3-1 CPU外部接口示意圖AT89S51要完成的任務(wù)：（1）將行程開關(guān)的狀態(tài)讀入CPU，通過中斷進(jìn)行處理，它

4、的優(yōu)先級別最高。（2）通過程序?qū)崟r控制電機和電磁鐵的運行。（3）接受鍵盤中斷指令，并響應(yīng)指令，將當(dāng)前行程開關(guān)狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)反應(yīng)到LED上，實現(xiàn)人機交互作用。由于AT89S51只有P1口和P3口是準(zhǔn)雙向口，但P3口主要以第二功能為主，并且在系統(tǒng)中要用到第二功能的中斷口，因此要進(jìn)行I/O擴展?？紤]到電路的簡便性和可實現(xiàn)性，實際中采用內(nèi)部自帶鎖存器的8155，所以AT89S51的I/O口線分配如下：（1）P1.0-P1.5控制X-Y兩個方向步進(jìn)電機的A、B、C線圈通電，形成A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍正轉(zhuǎn)模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反轉(zhuǎn)模式。（2）P1.6口輸出控制電磁鐵的吸

5、合。（3）P3.2和P3.3兩個中斷源中INT0優(yōu)先級最高，它讀入行程開關(guān)的狀態(tài)并觸發(fā)中斷；INT1讀入點動、復(fù)位、圓弧插補開關(guān)的狀態(tài)而觸發(fā)中斷。（4）P0.0-P0.7外部I/O擴展的數(shù)據(jù)讀取。（5）P2.7和P2.6決定8155的PA、PB、PC口的地址選擇。P1.0-P1.2P1.0-P1.2驅(qū)動1X步進(jìn)電機驅(qū)動2Y步進(jìn)電機P1.3-P1.5P1.6驅(qū)動3P3.2外部中斷1P3.3外部中斷2P0.0-P0.7AD0AD7P2.7CEP2.6IO/MPB 口PA口PC口AT89S51鍵盤電磁鐵8155 圖3-2 AT89S51控制系統(tǒng)圖PB口接LED反映當(dāng)前運行的8個狀態(tài)：X+禁止、X-禁

6、止、Y+禁止、Y-禁止、手動X+運行、手動X-運行、手動Y+運行、手動Y-運行。PA口低四位反映觸發(fā)中斷1的4個行程開關(guān)的狀態(tài)。PC口低6位反映了觸發(fā)中斷2的手動X+運行、手動X-運行、手動Y+運行、手動Y-運行、復(fù)位（RST）、圓弧插補6個開關(guān)的狀態(tài)。2 驅(qū)動系統(tǒng)傳動驅(qū)動部分包括步進(jìn)電機的驅(qū)動和電磁鐵的驅(qū)動，步進(jìn)電機須滿足快速急停、定位和退刀時能快速運行、工作時能帶動工作臺并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度運行。在定位和退刀時電磁鐵吸合使刀抬起，繪圖時能及時釋放使刀落下。2.1 步進(jìn)電機驅(qū)動電路和工作原理步進(jìn)電機的速度控制比較容易實現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計時的脈沖當(dāng)量為0.00

7、5mm，步進(jìn)電機每走一步，工作臺直線行進(jìn)0.005mm。步進(jìn)電機驅(qū)動電路中采用了光電偶合器，它具有較強的抗干擾性，而且具有保護(hù)CPU的作用，當(dāng)功放電路出現(xiàn)故障時，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。圖3-4 步進(jìn)電機驅(qū)動電路圖該電路中的功放電路是一個單電壓功率放大電路，當(dāng)A相得電時，電動機轉(zhuǎn)動一步。電路中與繞組并聯(lián)的二極管D起到續(xù)流作用，即在功放管截止是，使儲存在繞組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護(hù)功放管。與繞組W串聯(lián)的電阻為限流電阻，限制通過繞組的電流不至超過額定值，以免電動機發(fā)熱厲害被燒壞。由于步進(jìn)電機采用的是三相六拍的工作方式（三個線圈A、B、C），其正轉(zhuǎn)的通電順序為：A-A

8、B-B-BC-C-CA-A，其反轉(zhuǎn)的通電順序為：A-AC-C-CB-B-BA-A。步進(jìn)時鐘步進(jìn)時鐘A相波形B相波形C相波形圖3-5 三相六拍工作方式時相電壓波形（正轉(zhuǎn)）2.2 電磁鐵驅(qū)動電路 該驅(qū)動電路也采用了光電偶合器，但其功放電路相對簡單。其光電偶合部分采用的是達(dá)林頓管，因為驅(qū)動電磁鐵的電流比較大。圖3-6 電磁鐵驅(qū)動電路圖3-6 電磁鐵驅(qū)動電路2.3 電源設(shè)計兩電機同時工作再加上控制系統(tǒng)用電，所需電源容量比較大，需要選擇大容量電源。此系統(tǒng)中用到的電源電壓為27V、12V、5V，為了便于管理和電源容量需求，就采用了標(biāo)準(zhǔn)的27V電源作為基準(zhǔn)，通過芯片進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換得到所需的12V和5V電壓。圖

9、3-7 電源轉(zhuǎn)換電路圖電路中在轉(zhuǎn)換芯片的前后有兩個電容，前面電容起防止自激作用，后面電容起濾波作用。此外，在具體應(yīng)用的過程中，LM7805必須加上散熱片。3 傳感器和人機界面 由于步進(jìn)電機不需要反饋電路，但是要注意工作臺不能超過最大行程。因此，必須在X、Y軸的方向各加上兩個行程開關(guān)。這里行程開關(guān)作用有兩個：（1）防止工作臺超過最大行程，使電機損壞（2）可以用與定位。所以這4個行程開關(guān)就充當(dāng)了傳感器。人機界面設(shè)計的準(zhǔn)則就是要有良好的人機交互能力，一般要求操作簡便，界面簡潔明了。此系統(tǒng)中共有9個LED，LED1燈亮表示X軸負(fù)方向禁止通行，LED2燈亮表示X軸正方向禁止通行，LED3燈亮表示Y軸負(fù)方

10、向禁止通行，LED4燈亮表示Y軸正方向禁止通行，LED5燈亮表示手動使工作臺向X軸負(fù)方向通行，LED6燈亮表示手動使工作臺向X軸正方向通行，LED7燈亮表示手動使工作臺向Y軸負(fù)方向通行，LED8燈亮表示手動使工作臺向Y軸正方向通行，LED9亮表示系統(tǒng)通電運行。界面上的7個按扭意義為：按扭1是通斷電開關(guān)，按扭2是向X軸負(fù)方向運行的點動開關(guān)，按扭3是向X軸正方向運行的點動開關(guān)，按扭4是向Y軸負(fù)方向運行的點動開關(guān)，按扭5是向Y軸正方向運行的點動開關(guān)，按扭6是復(fù)位開關(guān)，按扭7是執(zhí)行繪制圓弧開關(guān)。圖3-8 人機界面圖二控制系統(tǒng)軟件設(shè)計1. 總體方案對于AT89S51的程序設(shè)計，由于所需實現(xiàn)的功能較簡單，采用匯編的形式。編譯器采用Keil 7.02b。該編譯器是51系列單片機程序設(shè)計的常用工具，既可用匯編，也支持C語言編譯。同時具有完善的調(diào)試功能。2