毕业设计-基于单片机控制小型开放式数控平台设计

《毕业设计-基于单片机控制小型开放式数控平台设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计-基于单片机控制小型开放式数控平台设计（66页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、 毕 业 设 计 论 文题 目 基于单片机控制小型开放式数控平台设计 - 55 -前 言数控技术从发明到现在，已有近50年的历史。现代数控技术集传统的机械制造技术，计算机技术与现代控制技术，传感检测技术，住处处理技术，网络通讯技术，液压气动技术，光机电技术于一体，是现代制造技术的基础，它是的发展和运用，开创了制造来的新时代。数控技术是提高产品加工质量，提高劳动生产率必不可少的技术手段，它的广泛使用给机械制造业生产方式，产业结构，管理方式带来深刻的变化，是制造业实现自动化、柔软化、集成化生产的基础。机床的数控制化改造是一个方兴未的行业，从各种统计数字上看前途应该是十分光明的，例如：在美国，日本和

2、德国等发达国家，它们的机床改造人作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及数控技术的不断进步，机床改造是一个永恒的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业，所以不难看出：机床的数控化改造势在必行以及机床的数控改造市场潜力巨大。依据我国的现有情况来看，现在仍存在大量的老式手工机床，所以在原有机床上进行数控改革，是一种既经济又切实可行的方案。本次设计就是针对这种情况，利用MCS-51单片机，对机床数控系统的控制装置进行改造设计。本次设计的任务是以单片机为核心，构成一个数控系统控制装置，能完成标准数控系统指令的输入、编辑、修改、译码及运行等功能。其中着重研

3、究了键盘/显示器接口、I/O接口以及数据存储器、程序存储器等许多芯片的内部结构和工作原理以及如何扩展等；重点解决了人机对话和步进电机的自动进给等方面的问题。针对这些问题，在第三章的硬件设计和第四章的软件设计做了具体的研究。在硬件上，就怎样对一个51单片机进行扩展、用PWM控制步进电机、扩展米字型显示器、实现数控机床的各种功能、如何实现手动输入等进行设计，在软件上，就怎样实现译码、控制速度、如何输入、进行显示等进行了编程。目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1数控机床的产生11.2计算机数控的发展1第2章 总体方案的设计32.1 技术要求及功能3 2.1.1 对数控机床的总体要求3

4、 2.1.2 数控机床的功能要求及步进机的选择3 2.1.3数控机床操作的自动控制及实现32.2 总体方案4第3章 硬件设计7 3.1 单片机的选择73.2 数据存储器和程序存储器的扩展10 3.3 输入输出I/O的设计103.4 单片机与计算机（PC）机通讯的设计123.5 步进电机功率电路133.6 电源电路143.7 掉电保持系统状态电路153.8 各功能模块的组合153.9 设计的细节问题16第4章 软件设计204.1 监控与操作程序20 4.1.1 系统初始化21 4.1.2 命令处理循环22 4.1.3 数据输入处理23 4.1.4 指令分析与执行25 4.1.5 管理程序254.

5、2 步进电机输出控制程序264.3 闭环调节程序264.4 系统诊断程序274.5 步进电机控制软件28第5章 调试305.1 显示部分的调试305.2 译码程序的调试305.3 步进电动机的调试315.4 操作说明32 5.4.1 工作方式换挡开关32 5.4.2编辑键盘32 5.4.3手动控制键33 5.4.4其它键及按钮33 5.4.5 指示灯34 5.4.6 显示器34 5.4.7 电源开关35结束语36参考文献37致谢38附录A 系统原理图附录B 程序清单39摘要：数控机床作为精密、高效的加工设备在机械制造和加工业中的应用越来越普遍，特别是单片机数控系统控制装置的机床，由于它的经济性

6、和易操作性，具有很大的发展潜力和市场。这次设计以MCS-51单片机对数控机床的控制装置进行设计。在系统中，选用8031单片机作为数控系统控制装置的核心，并对其进行外部存储扩展，输入输出接口芯片主要采用了可编程I/O接口芯片8255来完成有关手动操作、开关命令、状态检测等动作。在显示方面，利用8279对其扩展，实现人机界面。软件设计方面，主要采用模块化设计，利用MCS51汇编语言，对各个模块分别进行编程来实现数控设计。本次设计是基于MCS-51单片机对数控系统控制装置进行设计，其自动化程度比较高，且经济性能又好。关键词：单片机； 数控系统； I/O接口； 控制装置； 人机界面 Abstract:

7、 Numerical control machine tool as the exactitude, highly effective machining instrument is using more and more frequently in the machinery manufacture and processing industry, especially the single-chip numerical control system instrument machine, because of its economic and easy accessibly, it has

8、 enormous development potential and market.This design uses MCS-51 single-chip to do the design as the numerical machine control instrument. In the system, we choose 8031 single-chip as the core control chip as the numerical system control instrument, and give it the outside expansion, input and out

9、put interface chip mainly adapt the programming I/O interface chip 8255 to achieve the related manual operation, switch command, status detection, etc. As to the display aspect, we mainly use the modular design, and utilize the MCS-51 assembly language programming to realize numerical design of ever

10、y modular.This design based on MCS-51 single chip to devise the numerical system control instrument, the automation degree is comparably high, and has good economic performance.Keywords: Single-chip； Numerical system； I/O interface； control instrument；numerical design of every modular第1章 绪论 随着社会的进步，

11、自动化的程度越来越高，对机械设备的要求也就越来越高，这就直接导致了机床的性能的增强，特别是计算机控制在机床上的应用，使机床本身产生革命性的变化。数控机床的产生，不仅提高了生产率，而且对零件加工的精度更是上升了几个阶层，能够完成一些人工无法完成的工作。数控机床作为精密、高效的加工设备，越来越成为机械制造业技术改造的首选设备，并对国民经济的发展起到了重要的作用。1. 1数控机床的产生机床数字控制技术又简称机床数控技术，是以数字化的信息处理实现机床自动控制的一门技术。采用数字化信息处理控制的机床称为数字控制机床，简称数控机床。而20世纪计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想

12、手段。当科技人员首次把计算机作为一种处理信息装置移直到古老机床中时,一种新的产品数控机床诞生了。 科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。但是，在机械制造工业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量，单件与小批量生产的零件约占机械加工总量的绝大部分以上。尤其是在造船、航天、航空、机床、重型机械以及国防部门，其生产特点是加工批量小，改型频繁，零件的形状复杂而且精度要求高，采用专用化程度很高的自动化机床加工这类零件就显得很不合适，因为生产过程中需要经常改装与调整设备，对于专用生产线来说，这种改装与调整甚至是不可能实现的。而这些问题,在数控机床上都能得到解决。数控机

13、床既是高新技术产业不可缺少的基础装备，又是传统产业更新换代的重要手段，对解决复杂零件的加工制造，提高产品加工效率和质量，增强企业竞争能力意义重大。数控机床是装备国防、航空、航天等工业的核心，被视为战略物资和战备性工业受到高度重视；而包括位置、速度、加速度、轨迹控制在内的运动控制又是数控技术的关键，直接决定了工件加工的精度、光洁度和效率。在这种背景下,数控机床很快得到发展和壮大,成为现在社会上不可缺少的加工设备,在机床领域里,逐步占领着主导地位,并不断的壮大和发展!1.2 计算机数控的发展装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖

14、端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制

15、造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。随着电子技术和计算机技术的不断发展，数控系统经历了采用电子管、晶体管、集成电路，直到将计算机引入数控系统的过程。数控系统中引入了微型计算机，使它在质的方面完成了一次飞跃。现代数控技术的发展日新月异，机床的新结构、新技术不断出现。本次毕业设计主要介绍的是经济型数控系统，其中重点介绍了数控系统的基本构成，工作原理，控制软件的功能和结构以及如何进行调试、操作等内容。限于自己的水平和学识，设计中难免存在许多错误和不妥之处，还恳请指正和修改。第2章 总体设计2.1 技术要求及功能2.1.1对数控机床的总体要求1在装置上能完成数控程

16、序的编辑与保存，系统初始状态与预置系统的手动控制与调整，数控程序的单步与连续运行。2具有与计算机（PC）双向通讯功能，能接收来自主机的数控程序及控制命令，能把数控程序及系统状态发送给主机，实现主机对系统的完全控制。3在关机（断电）状态下能保存系统状态和数控程序30天以上。4具有故障显示报警功能。5有较完备的系统状态显示与指示。2.1.2 数控机床的功能要求及步进机的选择1控制X、Y、Z三个坐标系进给，要求可实现直线三坐标轴联动。2进给伺服驱动采用步进电机，各坐标轴脉冲当量均为0.01mm。步进电动机的型号和规格如下：步进电机一：型号：75BF001，主要规格：3相，额定相电压24VDC，额定相

17、电流3A，每相电阻0.62，最高空载启动频率1750step/s；步进电机二：型号：M062LS515，主要规格；4相，额定相电压5.3VDC，额定相电流1.6A，每相电阻3.3，最高空载启动频率1000step/s。3数控编程采用ISO标准代码，能实现绝对值/增量方式混合编程。2.1.3 数控机床操作的自动控制及实现1准备功能：G00、G01、G02、G03、G04、G33、G34、G40、G41、G42、G43、G44、G90、G91、G94、G95等。2坐标功能：X、Y、Z、U、V、W、I、J、K等，最大坐标值9999.9mm，坐标分辨率0.01mm，自动控制刀具的空间坐标，使其操作在设

18、定误差内；3进给功能：直接指定法，最大进给速度2000mm/min，根据需要来控制进给速度；4主轴功能：直接指定法，主轴转速101000rpm，可逆并连续可调（分辨率5rpm）；5刀具功能：T00T99，自动反馈刀具的各项系数，实现对刀具的自动选择；6辅助功能：M00、M01、M02、M03、M04、M05、M06、M08、M09、M11、M19等；2.2总体方案数控系统（CNC）通常由微机基本系统、人机界面接口、通信接口、进给轴位置控制接口、主轴控制接口以及辅助功能控制接口等部分组成。数控装置的总体结构示意图如图2.1所示。主轴电动机主轴驱动装置计算机及外设存储器键盘/显示器键盘/显示器接口

19、主轴控制接口通信接口存储器接口 I/O插槽CPU 、数据线、地址线、控制线封锁接口工作方式接口指示灯接口进给轴位置控制接口按键及开关各种选择开关各指示灯进给轴位置驱动装置动装置步进电机图2.1总体结构示意图由于CPU是整个数控系统的核心，常见的中低档数控系统采用8位或16位CPU，为了节约成本故采用8031。下面介绍系统各接口的作用：1、键盘/显示器接口 键盘在数控系统中也称为数控面板，它由英文字母键，功能键，数字键等组成，大多仍采用扫描矩阵原理，主要完成各程序的编制、参数的输入和功能的选择以及各种状态的显示等。本设计采用两片8279来进行扩展。数控系统处于不同的操作功能时，显示器所显示的内容

20、是不同的。在编程时，其显示的是被编辑的加工程序，而加工时，则显示当前各坐标轴的坐标位置和机床的状态信息。2、存储器接口 主要用来对系统的存储容量进行扩展。由于8031片内无程序存储器，需扩展程序存储器和数据存储器，根据初步系统程序的大小，决定扩展一片27256作为程序存储器，数据存储器采用了一片6264，为了能够保存编辑的数控程序，还扩展了一片E2PROM2864A。3、通信接口：通常数控系统均具有标准的RS232串行通信接口，与外设以及上级计算机的连接很方便，主要用于通讯。高档数控系统还具有RS485、MAP以及其他各种网络接口，从而能实现柔性生产线FMA以及计算机集成制造系统CIMS。4、

21、主轴控制接口：主轴S功能可分为无级变速、有级变速和分段无级变速三大类。当数控机床配有主轴驱动装置时，可利用系统的主轴控制接口输出模拟量进行无级变速，采用一片8255即可。主轴的位置反馈主要用于螺纹切削功能、主轴准停功能以及主轴转速监控等。5、进给轴位置控制接口：实现进给轴的位置控制包括三方面的内容：一是进给速度的控制，二是插补运算，三是位置闭环控制。进给轴位置控制接口包括模拟量输出接口和位置反馈计数接口。模拟量输出接口采用数模转换器DAC（一般为十二位至十六位），输出模拟电压的范围为-10到+10V，用以控制速度伺服单元。模拟电压的正负和大小分别决定了电动机的转动方向和转速。位置反馈计数接口能

22、检测并记录位置反馈元件所发回的信号，从而得到进给轴的实际位置。此接口还具有失线检测功能，任意一根反馈信号线断了都会引起失线报警。在进行位置控制的同时，数控系统还进行自动升降速处理，即当机床启动、停止或在加工过程中改变进给速度时，数控系统自动进行线性规律或指数规律的速度升降处理。6、指示灯接口：采用一片74LS273，主要用于对各种工作状态进行显示以及报警显示，通过信号显示灯确定当前工作状态。7、工作方式接口：采用一片8255，主要通过用A口完成对手动、编辑、通讯等工作方式的转换。用B口、C口完成对手动程序的输入。8、封锁接口：采用74LS244完成对三个步进电机进行封锁。数控软件是一系列能完成

23、各种功能的程序的集合。系统软件具有以下功能：系统的管理功能（能完成系统各功能模块的管理与调度），加工程序的管理与编辑功能（可以对零件加工程序进行删除、更名、复制、编辑等操作），参数设置功能（可以对各种参数进行设置，大致有：刀具参数，G53-G59参数，丝杠的间隙与螺纹误差表，系统控制参数等），数控系统软件还提供对其开关I/O的检查功能。软件和硬件的结合，形成一个具有特定功能的计算机控制系统，使该系统能够完成零件程序的输入、编辑、译码、数据计算、插补和伺服控制等工作。数控系统软件主要包括监控和操作软件、插补计算软件、步进电机控制软件、误差补偿软件等。系统软件占用32K程序存储器，主流程图如图2.

24、2所示：图2.2 主流程图第3章 硬件设计任何一个微机控制系统都由硬件和软件组成，硬件是软件运行的基础，用8031单片机组成CNC系统，其数控装置硬件框图如图3.1所示，该系统按模块化设计，主要由主控制系统板、CRT控制板、键盘/显示操作板和存储控制板等组成。 图3.1硬件结构框图3.1 单片机的选择在单片机控制的数控机床中，CPU的选择是关键，它关系到系统各方面的性能。在本系统中，由于系统控制装置的操作都是数控系统中的一些基本操作，所以本系统的CPU主要从实用和经济的角度考虑。目前在我国，经济型CNC多数是以8位或16位单片机为主构成的系统，其中以Intel公司的MCS系列单片机最为著名，目

25、前已推出MCS-48、MCS-51、MCS-96三个系列。在国内的经济型数控系统中多数使用MCS-51系列单片机。MCS-51系列包含三个产品：8031、8051、8751。三者的引脚完全兼容，仅在结构上有些差异。即内部不含ROM的8031、内部含ROM的8051、和内部含EPROM的8751。MCS-51系列单片机的基本特性如下：CPU为8位；片内有时钟振荡器；具有4KBROM和128RAM；具有21个特殊功能寄存器；具有四个8位I/O端口，32根I/O线；具有16根地址线，可直接寻址64KB外部程序寄存器，64KB外部数据寄存器；具有两个16位定时/计数器；可有五个中断源，两级优先权的向量

26、中断结构；具有一个全双工中断源，两级优先权的向量中断结构；串行I/O口；具有位寻址能力，适于逻辑运算。从实用的角度考虑，8位的已经够用，出于经济的考虑，此系统的主控制板以8031为控制器。由它执行系统程序，对加工程序进行译码、预处理并完成插补运算，并将插补运算的结果以脉冲信号的形式输出，进而控制功率放大电路驱动伺服系统工作。同时，CPU还通过接口电路将诸如换刀、主轴变速辅助信号送往机床，并适时响应外设送来的中断信号。下面简单介绍一下其40个管脚功能及工作原理。1)主电源引脚VSS和VCCVSS(20脚)：接地VCC(40脚)：主电源+5V，正常操作和对EPROM编程及验证时均接+5V电源。2)

27、外接晶振引脚XTAL1和XTAL2XTAL1(19脚)和XTAL2（18脚）：为时钟电路的两个引脚。本机利用8031芯片内部的振荡电路，XTAL1和 XTAL2管脚接外部定时元件。3)控制信号引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN、EA/VPPRST/VPD(9引脚)：单片机复位/备用电源引脚，高电平有效。当时钟电路工作时，当该引脚上出现24个周期以上的高电平后，8031内部便处于复位状态。当该引脚由高电平变为低电平时，CPU便从0地址开始执行程序。ALE/PROG（30脚）：地址锁存/编程脉冲输入引脚，当访问片外存储器时，ALE的输出用于锁存低8位地址信号。即使不访问外部存储器，AL

28、E端仍以时钟频率的1/6周期性地输出正脉冲信号。因此，它可用于对外输出的时钟或用于定时目的。当访问片外数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动8个LSTTL（低功耗身高速TTL）输入。PSEN（29脚）：输出访问片外程序存储器的读选通信号。CPU在由片外程序存储器取指令期间，每个机器周期两次有效。每当访问片外数据存储器时，PSEN负脉冲作为选通信号，配合地址码，把相应存储单元的指令读到数据总线上。EA/VPP(31脚)：程序存储访问标志/编程电压输入，当EA输入高电平时，CPU可访问片内4KB的地址范围的程序存储器。若PC值超出4KB地址时，将自动转向访问片外程序存储器。当EA输入

29、低电平时，则只能访问片外程序存储器，不论片内是否有程序存储器。4)输入/输出引脚P0、P1、P2、P3P0.0-P0.7(39-32脚)：双向数据总线和低八位地址总线。P0口是一个8位漏极开路型双向I/O端口。在访问片外存储器时，它分时作低8位地址线和8位双向数据总线用。在EPROM编程时，由P0输入指令字节；而在验证程序时，则输出指令字节。验证程序时，要求外接上拉电阻。PO能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL负载。P1.0-P1.7(1-8脚)：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。在EPROM编程和验证程序时，由它输入低8位地址，P1能驱动4个LSTTL负载。以“X-”为例，当开关S

30、B5未闭合时光耦不导通，+5V电源经排阻给8031的P1.2提供高电位。当开关SB5闭合时，光耦的1和2脚导通，二极管发光，触发三极管c.e结饱和导通，16脚变为低电平，通过驱动器74LS244,将P1.2电位拉低。8031根据接收到的P1.1-P1.4信号，向X或Z轴发送正序或逆序的脉冲信号。P2.0-P2.7(21-28脚)：P2也是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口。在EPROM编程和验证程序时，；由它输入高8位地址。P2可以驱动4个LSTTL负载。CPU 访问程序存储器EPROM27256时，P0口分时复用地址/数据总线，即在ALE信号由高电平转为低电平时，使锁存器74LS273的选

31、通信号的输入端由高电平转变为低电平，因此，由P0口送出的低八位地址信号A0-A7被装入外部地址锁存器74LS273 ；P2口的P25-P27发出的地址信号经地址译码器74LS138译码，选中EPROM27256；再由P2口的P20-P24(A8-A12) 及P0口的P00-P07（A0-A7）送出的地址信号选中程序存储器中相应地址。当PSEN低电平有效时，EPROM的 OE为低电平，此时P0口作数据总线把所选中的程序存储器中的相应单元的内容送至数据总线上。P3.0-P3.7(10-17脚):P3口也是一个带内部上拉电阻的双向I/O口。P3能驱动4个LSTTL负载。系统中的RAM与EPROM及编

32、程I/O扩展芯片的数据线和低8位地址线在8031地址锁存信号输出端ALE及地址锁存器控制下，公用一组8031的8位总线（P0口），而高8位地址及片选信号，则由8031的另一组8位总线（P2口）结合译码器提供。因8031的外部ROM由PSEN信号选通，外部RAM和扩展I/O端口由W/R信号选通，所以RAM与EPROM的地址可以重复。8031的P1 口输出环形分配脉冲信号或输出控制指令经环形分配器输出的环形分配脉冲信号，经光电隔离和驱动放大电路驱动步进电机。8031的P3口在其第二功能情况下，可完成回转刀架、主轴脉冲发生器信号及外部中断控制等工作。3.2数据存储器和程序存储器的扩展8031需扩展程

33、序存储器和数据存储器，根据系统程序的大小，决定扩展一片27256作为程序存储器，27256是一种32K*8位的可改写只读存储器，28个引脚，片选信号由译码器74LS138产生，需要14根地址线，考虑到以后的扩展，在第15根地址线上接了一个三端的开关，开关的一端接信号地，一端接8031的第15根地址线，当三端开关的中间的公共端接地时，使用27256，当中间的公共端接第15根地址线时，使用27512，使系统有了很好的扩展性。数据存储器采用了一片6264，6264是一片8K*8位的高集成度的随机存取存储器，28个引脚。A0-A13为13根地址信号线，寻址范围8K，D0-D7为8位数据输入/输出线，与

34、单片机数据总线相连，CE为片选信号线，由地址译码产生，WE为写允许信号线，与单片机写命令信号WR相连，控制存储器的写入操作；OE为读允许信号线，与单片机读命令信号RD 相连，控制存储器的读出操作，与单片机联结时，主要解决地址分配，数据线和信号线的联结。为了能够保存编辑的数控程序，还扩展了一片E2PROM2864A，它是一片8K *8位的电可擦除可改写的只读存储器，能在应用系统中在线改写，断电后数据保存在时间要求比较严格的情况下，可用一片29F64 FLASH存储器直接替换，它们的管脚都是一样的。FLASH的写入时间和读出时间都比较短，在计算机主板上大量应用作BIOS芯片，市场上也比较容易买到。

35、3.3输入输出I/O的设计输入输出在本系统中占重要部分，因为数控系统用非常多的输入输出端口，给硬件设计带来了一定难度，根据毕业设计的要求和常用的简单CNC数控系统的一般要求 ，考虑了以下几类的I/O端口：输出的显示部分，显示包括了输入程序时必要的显示和在数控机床工作时各坐标值的显示、刀具号的显示、主轴速度的显示和进给速度的显示。输出状态显示，包括了各工作状态的显示，主轴给定速度的显示，手动时必要的显示等。步进电机的输出，步进电机的输出有一点特殊，因采用不同相的步进电机和不同工作方式的步进电机输出的端口的数量都不同，在设计时要考虑充分的裕量。手动操作时输入，手动操作时的操作比较多，有各坐标轴的增

36、加、减小、封锁，回零。主轴的启动、停止、反向，冷却液的开启和关闭，刀具号的增加和减小，工件的夹紧和松开，报警的复位/停，机床的启动，夹紧完成和传感器输入等。要对主轴速度测定，也要占一个端口。用霍尔传感器将主轴速度转换成一定频率的脉冲信号。通过对频率信号的计数就可得到当前的主轴速度。程序的输入要靠一个键盘来实现，一般要有30个键以上。一类比较特殊的输入端口是机床的限位开关，机床限位开关在工作状态发生变化时要求CPU进行判断，进行处理。由以上的分析，可得到初步的方案，常用的并行I/O口扩展好像是唯一的比较好的方案，而一些变化不大的输出端口，也可考虑采用多路D触发器，这样也能节省成本。数量如此多键盘

37、和显示用专用的键盘显示芯片8279是一个减轻CPU工作量的好方法。由具体数量的端口和裕量的考虑，决定扩展2片8255，其中一片8255专用于步进电机的输出。8255是具有24条输入/输出引脚、可编程的通用并行输入/输出接口电路，它是一片使用单一+5V电源的40脚双列直插式大规模集成电路，通用性强，使用灵活，通过它CPU可直接与外设相连接，它具有三个相互独立的输入/输出通道，三通道可以联合使用，构成单线、双线或三线联络信号的并行接口。扩展一片8155，主要是考虑到8155中的RAM可以利用作为一些输出数据的暂存。一片8D触发器74LS273作为各坐标轴的符号的显示和运行/联机状态的显示。扩展一片

38、74LS244作为驱动。键盘和显示在参考一些资料后发觉只有2片8279才能完成任务，一片用于键盘和米字型LED的显示，一片工作在传感器状态，用于输入机床的限位开关和各坐标值的日字型LED的显示。2片8279使用不同的中断。8279芯片是一种具有40条引脚的双列直插式芯片，40条引线中与CPU一侧相关的共15条，与键盘、显示接口相关的共23条，电源、地线各一条。各引线功能如下：D0-D7:双向数据线，用于CPU和8279芯片之间传输数据、命令和状态信息。CLK：系统时钟，为8279芯片提供内部定时。RESET：复位线，高电平时复位8279到：16个字符显示（左进方式）；编码扫描键盘（双键锁定）；

39、时钟设置为31。/CS：片选线，由I/O端口地址译码器产生低电平时8279芯片被选中。/RD：读信号，低电平有效。/WR：写信号，低电平有效。A0：地址线，进行片内端口选择。为0时，选中数据寄存器；为1时选中命令/状态寄存器。IRQ：中断请求线，高电平有效，向CPU申请中断。SL0-SL3：扫描线，用来扫描键盘或显示器，可编程设定为编码输出或译码输出。RL0-RL7：返回线，用作键盘矩阵列线的返回信号输入。SHIFT:移位信号，高电平有效，是键盘数据的D6位，用于扩充键的功能，如作为上下档功能键。CNTL：控制线，高电平有效。键盘工作方式时，是数据键盘的D7位，用于扩充键的控制功能控制功能键。

40、OUTA0-OUTA3，OUTB0-OUTB3：A组、B组显示信号输出线，与扫描线SL0-SL3同步，实现分时数据显示，即刷新各位显示字符。两组可独立使用，也可合并使用。/BD：显示消隐线，低电平有效，用来在显示数据切换时或收到消隐命令时，将显示消隐。8279芯片作输入接口时，可编程工作于扫描键盘方式、扫描传感矩阵方式或选择输入方式。在扫描键盘输入方式中，键盘可设置64（8*8）个键，经扩充可达128（8*8*2）个键，读入键值时具有去抖动功能。8279作显示输出接口时，设有16*8位显示RAM存储字形编码，经编程可接16个8段数码显示器或8个8段数码显示器。不使用8段数码显示器也可与指示灯连

41、接。3.4 单片机与计算机（PC）机通讯的设计8031有一个全双工的异步串行口，计算机有以RS232C为标准的串行口，在前几代的计算机中，计算机的串行口由一片8250或8251控制，现在的串行口控制芯片已经集成在主板上了，8251可以工作在同步或异步方式下，两种方式下的字符位数5-8个，同步方式时传输率可达0-64K，异步方式时传输率可达0-19.2K ,异步传输时，可自动产生一个起始位，程控产生1个、1.5个、2个停止位，并具有奇偶错、数据丢失和桢错误和检测能力，同步方式时，可自动检测，插入同步字符。8251在使用之前必须由程序对其工作状态进行设定，其中包括：同步方式还是异步方式、传输波特率

42、、字符代码位数、校严方式、停止位位数等。与我们采用的TTL电平有所区别，所以单片机在计算机接口时要进行电平转换，常用的方法有用三极管的方法可以沿用。RS232C的电还有一种方法是采用专用集成电路进行电平转换。常用的型号有MAX232。为了使系统工作更平标准是高电平是5V15V，低电平是5V15V电容巧妙的得到RS232C电平。可靠，我们采用后一种方法能达到比较可靠的要求。35 步进电机功率电路不仅电动机是一种将电的脉冲信号转换成相应的角位移或线位移的机电执行元件，它能将指令脉冲变成步进电动机输出轴的旋转。步进电动机的特点是：步进电动机的角位移或线位移与脉冲数成正比，它的转速与脉冲频率成正比，能

43、快速地启动，制动和反转；在一定频率范围内各种运动都能任意地改变且不会失步，当停止输入脉冲后，只要维持控制绕组电流不变，电动机可以保持在某一固定位置上，所以步进电动机具有自整步能力；还有步进电动机没有一周累积误差，定位精度较高。选择步进电动机必须保证步进电动机的输出转矩大于负载转矩，使步进电动机的矩-频特性有一定的裕量，以保证运行可靠，即在实际工作时，各种频率下的负载转矩必须在矩-频特性曲线范围内，要求计算的机械系统负载转动惯量与步进电动机转子的转动惯量相匹配，并有一定裕量，必须使最高连续工作频率能满足产品快速移动的要求，还必须使步进电动机的步距角与机械系统相匹配，以得到机床所要求的脉冲当量。三

44、相反应式步进电动机定子上绕有线圈的U、V、W三对磁极，分别称为U相、V相和W相，转子是一个带齿的铁心。如果先将脉冲加到U相励磁绕组，定子U相磁极就产生磁场，并对转子产生磁拉力，使转子的1、3两个齿与定子的U相磁极对齐，而后再将电脉冲通入V相励磁绕组，定子V和磁极便产生磁场，并对转子产生磁拉力，这时转子2、4两个齿与定子V相靠得最近，于是转子便沿着逆时针方向转过30度角，使转子2、4两个齿与定子V相磁极对齐。如果按U-V-W-U的顺序通电，转子则沿着逆时针方向一步步转动，每步转动30度角，如果按U-W-V-U的顺序通电，步进电动机将沿着顺时针方向一步步转动。由于单片机输出的电平不足以驱动步进电机

45、，必须进行功率的放大，在放大时还要考虑隔离。由单片机输出到工业现场的I/O端口一律采用光电隔离。光电隔离有效地提高了单片机系统的抗干扰和安全。从工业现场来的强电不会影响到单片机系统，另一方面，光电隔离使单片机系统和功率系统不共地，进一步提高抗干扰的能力。进电机的驱动用集成功率芯片8751进行驱动，而报警的电铃用继电器进行驱动。为使步进电动机实现双向调速，晶体管脉宽调制系统(PWM)的主回路必须采用桥式电路，如图3.2所示：图3.2 PWM-M系统的主回路电路图如图所示：四个大功率晶体管VT1- VT4组成电桥，如果在VT1和VT3的基极上加正脉冲的同时，在VT2和VT4的基极上加负脉冲，这时V

46、T1和VT3导通，VT2和VT4截止，电流沿+90V-C-VT1-D-M-B-VT3-A-0V的路径流通。设此时电动机的转向为正向。反之，如果在晶体管VT1和VT3的基极上加负脉冲，在VT2和VT4的基极上加正脉冲，则VT2和VT4导通， VT1和VT3截止，电流沿+90V-C-VT2-B-M-D-VT4-A-0V路径流通，电流的方向与前一情况相反，故电动机反向旋转。显然，如果改变加到VT1、VT3和 VT2、VT4上的控制脉冲的正负和导通率，就可以改变电动机的转向和转速。3.6 电源电路电源是系统稳定的前提，一个稳定的电源可以使系统能够稳定的工作，现在常用的有串联稳压电源和开关电源。串联稳压电源应用已经有一段非常长的时间了。它有技术成熟，结构简单，纹波系数小等优点，但它的效率较低，如果输出电流较大时，功耗将非常大。开关电源是近年来的新型电源，它的效率高，体积小，重量轻，发热量小，且在市场上能很方便地买到模块化的电源，简化了设计，但开关电源也有缺