某數(shù)控鉆床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u13452某數(shù)控鉆床的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)案例 16681.1控制系統(tǒng)改造思路 1171881.1.1微機(jī)控制系統(tǒng)的改造措施 2309341.1.2軟件的改造措施 2193431.1.3開環(huán)控制系統(tǒng)的改造措施 2109801.2主控器的選用 3116681.2.1程序存儲(chǔ)器（EPROM）的選用 535571.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）擴(kuò)展的選用 752501.2.3譯碼器、鎖存器芯片的選用 8102241.2.4鍵盤、顯示器接口芯片的選用 91.1控制系統(tǒng)改造思路對(duì)Z4012型鉆床進(jìn)行數(shù)控改造。臺(tái)鉆的機(jī)械本體部分主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)不需要改造。所需要改造的部分是：1.設(shè)計(jì)一套X—Y移動(dòng)數(shù)控工作臺(tái)及Z軸移動(dòng)設(shè)備；2.設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)易的X—Y工作臺(tái)及Z軸移動(dòng)設(shè)備微機(jī)數(shù)控裝置。X—Y工作臺(tái)的位置控制采用步進(jìn)伺服電機(jī)電機(jī)；同時(shí)根據(jù)實(shí)際的改造情況，主控器選用MCS—51單片機(jī)，和3個(gè)步步進(jìn)伺服電機(jī)采用開環(huán)控制的驅(qū)動(dòng)方式。因?yàn)楣ぜ鄬?duì)刀圖8—1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)框圖ＣＰX步進(jìn)電機(jī)Y步進(jìn)電機(jī)ＣＰX步進(jìn)電機(jī)Y步進(jìn)電機(jī)Z步進(jìn)電機(jī)Y工作臺(tái)執(zhí)行元件Ｘ工作臺(tái)執(zhí)行元件復(fù)位電路超程報(bào)警電路極限位置控制電路器8279器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路器8031數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路Z軸上下移動(dòng)執(zhí)行元件1.1.1微機(jī)控制系統(tǒng)的改造措施考慮改造成本、改裝方便、效率等因素，因此選用PLC、MCS—單片機(jī)、計(jì)算機(jī)三種控制方案。而MCS—單片機(jī)單片機(jī)的性價(jià)比高、改裝方便，故選用該系列中的8031芯片作為數(shù)控系統(tǒng)的控制器。下圖8—1.1為微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。圖8—1.1 微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖1.1.2軟件的改造措施由于模塊化設(shè)計(jì)便于修改和擴(kuò)充，編制程序較為方便。故本單片機(jī)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主模塊、字程序模塊、和中斷處理模塊等。主模塊即系統(tǒng)管理程序，開機(jī)后即執(zhí)行該程序。主模塊的功能為：初始化和監(jiān)控。MCS—51系列單片機(jī)改造的普通機(jī)床其加工精度、生產(chǎn)率都有較大提高，而且價(jià)格低廉，系統(tǒng)性能穩(wěn)。因此選用MCS—51系列的單片機(jī)。1.1.3開環(huán)控制系統(tǒng)的改造措施步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用專用的CH250環(huán)行分配器實(shí)現(xiàn)脈沖分配。系統(tǒng)將單片機(jī)的脈沖信號(hào)經(jīng)環(huán)行分配器送出，同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)光電隔器避免各電路的相干擾。又因?yàn)閱纹瑱C(jī)的信號(hào)很機(jī)信號(hào)很弱，所以設(shè)計(jì)一個(gè)功率放大電路將信號(hào)放大。圖7—1.3為開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖。圖7—1.3開環(huán)控制系統(tǒng)框圖1.2主控器的選用設(shè)計(jì)選用MCS—51系列的8031芯片。它采用40引腳的雙列直插封裝（DIP）方式。其引腳圖如圖7—2.2。各引腳的功能如表7—2.1

引 腳功 能Vss與VccVss：接地；Vcc：正常操作時(shí)接+5V電源。這里MCS—51的時(shí)鐘采用內(nèi)部方式外接晶體或外接陶瓷諧振器與電容C1、C2構(gòu)成并聯(lián)諧振器REF_Ref26862\r\h[19]。RST/VPDALE/PROGPSENEA/VppRST/VPD：當(dāng)振蕩器正常運(yùn)行時(shí)，在此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平使單片機(jī)復(fù)位。Vcc掉電期間，此引腳可接備用電源，已保持內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)。當(dāng)Vcc下降掉到低于規(guī)定的水平，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用電源REF_Ref26862\r\h[19]。ALE/PROG：當(dāng)ALE（允許地址鎖存信號(hào)）為高電平時(shí)，P0口送出低8位地址，通過ALE信號(hào)鎖存；反之，則P0口傳送數(shù)據(jù)。對(duì)于8751型單片機(jī)，在EPROM編程期間，PROG引腳用于輸入編程脈沖REF_Ref26862\r\h[19]。PSEN：程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)，低電平有效。當(dāng)從外部程序存儲(chǔ)器取指令期間每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，P2和P0口送出的地址為持續(xù)存儲(chǔ)器地址；當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)這兩次有效的PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是靠RD及WR信號(hào)控制。PSEN同樣可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL輸入REF_Ref26862\r\h[19]。EA/Vpp：當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（4KB），但當(dāng)PC（程序計(jì)數(shù)器）值超過0FFFH時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序。當(dāng)EA保持低電平時(shí)，則只訪問外部程序存儲(chǔ)器（從0000H地址開始），不管單片機(jī)內(nèi)部是否有程序存儲(chǔ)器。對(duì)于EPROM型單片機(jī)，在EPROM編程期間，Vpp引腳用于施加21V的編程電源REF_Ref26862\r\h[19]。輸入輸出引腳P0.0~P0.7 P0口是一個(gè)漏極開路型準(zhǔn)雙向I/O口。在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，它是分時(shí)多路轉(zhuǎn)換的地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線，同時(shí)激活內(nèi)部上拉電阻。在EPROM編程時(shí)它接收指令字節(jié)，而在驗(yàn)證程序時(shí)則輸出指令字節(jié)且要求外接上拉電阻REF_Ref26862\r\h[19]。P1.0~P1.7：P1口是帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。在EPROM編程和程序驗(yàn)證時(shí)，它接收低8位地址REF_Ref26862\r\h[19]。P2.0~P2.7：P2口是帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，它送出高8位地址。在EPROM編程和程序驗(yàn)證期間，它接收高8位地址REF_Ref26862\r\h[19]。P3.0~P3.7：P3口是帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。在MCS—51中，這8個(gè)引腳還兼有專用功能REF_Ref26862\r\h[19]。如表7—2.3所示。圖7—2.18031引腳功能表圖7—2.28031引腳圖P3.0RXD串行輸入口P3.1TXD串行輸入口P3.2INT0外部中斷0P3.3INT1外部中斷1P3.4T0定時(shí)器0的外部輸入P3.5T1定時(shí)器1的外部輸入P3.6WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通P3.7RD外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通表7—2.3 P3各口線與專用功能1.2.1程序存儲(chǔ)器（EPROM）的選用由于8031單片機(jī)沒有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，所以必須外加一個(gè)程序存儲(chǔ)器。讀取速度是所要考慮的主要問題，根據(jù)CPU和EPROM時(shí)序匹配要求，要滿足8031提供的讀取時(shí)間大于EPROM所要求的讀取時(shí)間。圖7—2.427256引腳圖同時(shí)8031單片機(jī)訪問EPROM時(shí)其所能提供的讀取時(shí)間t，約為3T（時(shí)鐘周期）。選用晶體頻率為6MHz，則約為480ns。所以故選用一片27256。它的引腳圖如圖7—2.4；引腳功能圖表如表7—2.5；與8031的連接圖如圖7—2.6。圖7—2.68031與27256連接圖芯 片引 腳功 能27256/62256Vcc工作電壓27256/62256Vss接地27256/62256OE（-）數(shù)據(jù)輸出選通信號(hào)線27256/62256CE（-）片選信號(hào)線27256/62256O0—O7數(shù)據(jù)線27256/62256A0—A14地址線27256Vpp編程電壓62256WE（-）寫信號(hào)線注：“（-）”表示低電平有效表7—2.5 27256與62256的引腳功能表1.2.2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）擴(kuò)展的選用因?yàn)闄C(jī)床的加工數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量較大，所以僅片內(nèi)的RAM存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間是不夠的，須外擴(kuò)。在選用RAM時(shí)主要考慮因素同樣是RAM的讀寫速度與CPU鎖提供的讀寫時(shí)序的匹配的要求。它也應(yīng)滿足8031所能提供的讀寫時(shí)間應(yīng)大于RAM所要求的讀寫時(shí)間。RAM可分靜態(tài)與動(dòng)態(tài)，靜態(tài)不須考慮保持?jǐn)?shù)據(jù)而設(shè)置刷新電路，擴(kuò)展電路簡(jiǎn)單。綜上所述本系統(tǒng)選用62256（32K×8）一片。它的引腳圖如圖7—2.7；引腳功能如表7—2.4；62256與8031的連接圖如圖7—2.8。圖7—2.88031與62256連接圖圖7—2.762256引腳圖1.2.3譯碼器、鎖存器芯片的選用譯碼器選TTL芯片74LS138。鎖存器選用TTL芯片74LS273，與8282可兼容。由于系統(tǒng)的復(fù)雜性擴(kuò)展的芯片較多，考慮到8031的P0口最多可負(fù)載8個(gè)TTL電路，P2口可負(fù)載4個(gè)TTL電路，所以8031的總線負(fù)載過重，因而在P0口擴(kuò)展雙向數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)器74LS245。她們的引腳功能如表7—2.9REF_Ref27779\r\h[21]。芯 片引 腳功 能74LS373/74LS138Vcc工作電壓74LS373/74LS138GND接地74LS373OE（-）片選信號(hào)線Q1—Q8輸出端D1—D8輸入端G/STB鎖存控制信號(hào)線74LS138A、B、C譯碼選擇Y0—Y7輸出端E1、E2、E3譯碼選擇表7—2.9 74LS273與74LS138引腳功能表1.2.4鍵盤、顯示器接口芯片的選用9876Z上Z下輸入演示復(fù)位5432電機(jī)正轉(zhuǎn)電機(jī)反轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速輸入急停10小數(shù)點(diǎn)負(fù)號(hào)結(jié)束返回修改暫?；剀嚤?—2.10 鍵盤示意圖引 腳功 能引 腳功 能Vcc工作電壓IRQ（-）中斷請(qǐng)求輸出信號(hào)Vss接地RL0—RL7回復(fù)輸入端CS(-)片選信號(hào)線SHIFT移位信號(hào)輸入端RD/WR(-)讀寫控制信號(hào)CNTL/STB控制選通信號(hào)輸入端A0數(shù)據(jù)/命令選擇信號(hào)輸入端A組顯示信號(hào)輸出端D0—D7數(shù)據(jù)總線OUTB0—OUB3B組顯示信號(hào)輸出端CLK時(shí)鐘信號(hào)輸入端BD(-)顯示消隱信號(hào)輸出端RESET復(fù)位信號(hào)輸入端SL0—SL3掃描信號(hào)輸出端表—2.11 8279的引腳功能表31VCCOUTB0RL2OUTB1RL3OUTB2 CLKOUTB3 IRQOUTA0 RL4OUTA1RL5OUTA2RL6OUTA3 BD RDCS WRA0D0SL0D1SL1 D2SL2 D3SL3 D4SHIFTD5CNTL/STBRSTRL0 D6RL1GND D7401302928272623456257248231022112112321333143415351636173793818391920圖7—2.128279引腳圖圖—2.13 8031與8279連接圖8279是通用可編程鍵盤和顯示器接口電路芯片。它可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤和顯示器的自動(dòng)掃描，識(shí)別閉合鍵的鍵號(hào)，完成顯示器的動(dòng)態(tài)顯示。從而