X－Y數(shù)控工作臺設計 畢業(yè)論文說明書

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1、河南科技大學畢業(yè)設計說明書（機電一體化工程）題 目： XY數(shù)控工作臺設計 指導老師： 姓 名： 專 業(yè)： 機械設計與制造 班 級： 機制0804 河南省高等教育自學考試XY數(shù)控工作臺設計摘 要數(shù)控機床是機、電等多學科各種高科技的綜合性組合，特別是以電子、計算機等現(xiàn)代先進技術為基石，必須具有鞏固的技術基礎，互相配套，缺一不可。當今世界電子技術迅速發(fā)展，微處理器、微型計算機在各技術領域得到了廣泛應用，對各領域技術的發(fā)展起到了極大的推動作用。一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，應包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅動部分、執(zhí)行機構、傳感測試部分、控制及信息處理部分。機電一體化是系統(tǒng)技術、計算機與信息處理

2、技術、自動控制技術、檢測傳感技術、伺服傳動技術和機械技術等多學科技術領域綜合交叉的技術密集型系統(tǒng)工程。本文的設計主要分為兩部分即電氣控制和機械傳動部分，電氣控制部分采用89C51系列單片即作為CPU，機械部分的傳動元件主要有齒輪副、滾珠絲杠副和滾動導軌副，其中滾珠絲杠較螺紋傳動效率更高，且精度也大大的提高了，滾動導軌是直線移動部件中最優(yōu)的，也是效率最高的，主要是因為是摩擦系數(shù)小，且維護簡單，并且能精確地定位。系統(tǒng)整體的精度、效率、可靠性都得到了很大的提高，能保證加工的順利進行。關鍵詞：單片機 滾珠絲杠 步進電動機 滾動導軌ABSTRACTCNC machine tools is the mec

3、hanical, electrical and other multi-disciplinary comprehensive combination of various high-tech, especially on electronics, computers and other advanced technology as the cornerstone of modern, must have a solid technological foundation, supporting each other, are indispensable. If not available, th

4、en the smooth development of CNC machine tools is difficult. This paper is divided into two parts, the design of electrical control and mechanical drive that is part of the electric control part adopts the 89C51 family as a single CPU, using the direct control of stepper motor P1 port, eliminating t

5、he hardware unit ring distributor, making the system more simple of a large number of optical isolators, the strength and weaknesses of the system separate electrical system, so that it can be their own work independently, without causing strong electricity system weak system interference. Other com

6、ponents using the 8255 expansion of the system to meet the needs of users, but also not enough to solve the contradiction between the port and improve the efficiency of the system, using software instead of hardware to implement the circular distribution, so that the compilation process easier. Mech

7、anical transmission components mainly gears, ball screw and rolling guide vice, which threaded ball screw drive more efficient, and also greatly improved the precision, linear motion guide is the best moving parts in is also the most efficient, mainly because of friction coefficient is small, and si

8、mple maintenance, and can accurately locate. Overall system accuracy, efficiency, reliability have been greatly improved, to ensure the process goes smoothly.KEY WORDS： microcontroller ball screws stepping motor Rolling guide目 錄1.前言.51.1設計目的.51.2現(xiàn)實意義.52.總體方案的確定.72.1設計參數(shù).82.2初選步進電動機和絲杠.82.3初定工作臺尺寸.82

9、.4系統(tǒng)組成框圖.93.機械部分的設計.103.1傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算.10 3.1.1機轉子轉動慣量.11 3.1.2絲杠的轉動慣量.113.1.3工作臺轉動慣量.113.1.4總轉動慣量計算.113.2工作載荷分析及計算.113.3進給工作臺工作載荷計算.12 3.4滾珠絲杠螺母副的選型和校核.123.4.1最大工作載荷的計算.12 3.4.2最大動負載C的計算及主要尺寸.133.4.3傳動效率計算.133.4.4剛度驗算.133.4.5壓桿穩(wěn)定性驗算.143.5導軌的選型和計算.143.6驅動電機的選用.153.6.1步距角的選擇.153.6.2步進電機輸出轉矩的選擇.153.6.2

10、.1加速度力矩 .153.6.2.2空載摩擦力矩.153.6.3啟動矩頻特性校核.163.6.4工進運行矩頻特性校核.174.數(shù)控系統(tǒng)的設計.184.1硬件設計.184.2步進電機開環(huán)伺服原理.194.3步進電動機的控制框圖.194.4軟件程序設計.205.控制系統(tǒng)硬件設計.235.1 CPU板設計.235.1.1 CPU接口設計.255.2驅動系統(tǒng)設計.265.2.1步進電動機驅動電路和工作原理.265.2.2電磁鐵的驅動.275.2.3 LED顯示電路.285.3傳感器和人機界面設計.296.控制系統(tǒng)軟件設計.316.1總體設計.316.2主流程圖設計.316.3 INTO中斷服務流程設持

11、續(xù).326.3.1步進電動機啟動程序.336.3.2步進電動環(huán)形分配程序.346.4 INT1中斷服務流程設計.356.4.1復位程序.356.4.2正轉程序.366.4.3電機進一步程序.376.4.4延時程序.386.4.5 LED顯示程序.387.結論.418.參考書目.421.前 言1.1設計目的通過設計，使學生全面的，系統(tǒng)的了解和掌握數(shù)控機床的基本組成及其思想知識，學習總體的方案擬定，分析和比較方法通過對機械系統(tǒng)的設計掌握幾種典型傳動元件與導向原件的工作原理，設計計算及選用的方式通過對電氣系統(tǒng)的設計，掌握常用伺服電機的工作原理，計算控制方法與控制驅動方式培養(yǎng)學生獨立分析問題和解決問題

12、的能力，學習并樹立“系統(tǒng)設計”的思想鍛煉提高學生應用手冊和標準，查閱文獻資料及撰寫科技論文的能力1.2現(xiàn)實意義制造技術是各國經(jīng)濟競爭的重要支柱之一，經(jīng)濟的成功在很大程度上得益于先進的制造技術，而機床是機械制造技術重要的載體，它標志著一個國家的生產(chǎn)能力和技術水平。機床工業(yè)是國民經(jīng)濟的一個重要先行部門，擔負這為國民經(jīng)濟各部門提供現(xiàn)代化技術裝備的任務，以1994年為例，全世界基礎的消費額達261.7億美元。其中美國的消費額56億美元、中國33.6億美元。所以，在我國國民經(jīng)濟建設中，機床工業(yè)起著重要的作用。然而在機械制造業(yè)中，大批大量生產(chǎn)時采用專用機床、組合機床、專用自動線等并配以相應的工裝，這些設備

13、的初期投資費用大、生產(chǎn)準備時間長，并且不適應產(chǎn)品的更新?lián)Q代。單件小批生產(chǎn)時，由于產(chǎn)品多變而不宜采用專用機床，特別是在國防、航空、航天和深潛的部門，其零件的精度要求非常高，幾何形狀也日趨復雜，且改型頻繁，生產(chǎn)周期短，這就要求迅速適應不同零件的加工。書空機床就是在這樣的背景下產(chǎn)生和發(fā)展起來的一種新型自動化機床，它較好的解決了小批量、品種多變化、形狀復雜和精度高的零件的自動化加工問題。隨著計算機技術，特別是微型計算機技術的發(fā)展及其在數(shù)控機床上的應用，機床數(shù)控技術正從普通數(shù)控向計算機數(shù)控發(fā)展。一個國家數(shù)控機床的擁有量（相對值），標志著這個國家機械制造業(yè)的現(xiàn)代化程度。數(shù)控銑床因其特有的加工方式及其加工范

14、圍廣在數(shù)控機床中占有重大的比例，因此研究數(shù)控銑床具有重大意義。當今世界，工業(yè)發(fā)達國家對機床工業(yè)高度重視，競相發(fā)展機電一體化、高質(zhì)量、高精、高效、自動化先進機床，以加速工業(yè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展。長期以來，歐、美、亞在國際市場上相互展開激烈競爭，已形成一條無形戰(zhàn)線，特別是隨微電子、計算機技術的進步，數(shù)控機床在20世紀80年代以後加速發(fā)展，各方用戶提出更多需求，早已成為四大國際機床展上各國機床制造商競相展示先進技術、爭奪用戶、擴大市場的焦點。中國加入WTO后，正式參與世界市場激烈競爭，今後如何加強機床工業(yè)實力、加速數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實是緊迫而又艱巨的任務。 數(shù)控機床出現(xiàn)至今的50年，隨科技、特別是微電子

15、、計算機技術的進步而不斷發(fā)展。美、德、日三國是當今世上在數(shù)控機床科研、設計、制造和使用上，技術最先進、經(jīng)驗最多的國家。數(shù)控機床是機、電、液、氣、光多學科各種高科技的綜合性組合，特別是以電子、計算機等現(xiàn)代先進技術為基石，必須具有鞏固的技術基礎，互相配套，缺一不可。如不齊備，則數(shù)控機床難以順利發(fā)展。數(shù)控機床是由主機、各種元部件(功能部件)和數(shù)控系統(tǒng)三大部分組成，還需先進的自動化刀具配合，才能實現(xiàn)加工，各個環(huán)節(jié)在技術上、質(zhì)量上必須切實過關，確保工作可靠、穩(wěn)定，才能保證數(shù)控機床加工的精度、效率和自動化，否則，難以在實際生產(chǎn)中使用。我國數(shù)控機床行業(yè)總體的技術開發(fā)能力和技術基礎薄弱，信息化技術應用程度不高

16、。行業(yè)現(xiàn)有的信息化技術來源主要依靠引進國外技術，且外方在許多高新產(chǎn)品的核心技術上具有掌控地位，我們對國外技術的依存度較高，對引進技術的消化仍停留在掌握已有技術和提高國產(chǎn)化率上，沒有上升到形成產(chǎn)品自主開發(fā)能力和技術創(chuàng)新能力的高度。具有高精度、高速、高效、復合功能、多軸聯(lián)動等特點的高性能實用數(shù)控機床基本上還得依賴進口。與國外產(chǎn)品相比，我國的差距主要是機床的高速高效化和精密化上。對高速加工技術，國外已進行了多年的研究，對高速加工的機理、機床結構、機床剛度和精度的影響等都有了系統(tǒng)的研究，并開發(fā)生產(chǎn)了各種高速銑削中心、高速加工中心，廣泛應用于航空器鋁合金零件和模具加工上。2. 總體方案的確定一般來講，普

17、通銑床的數(shù)控改造主要有兩部分，一是設計一套簡易微機數(shù)控X-Y工作臺，固定在銑床的工作臺上。二是將控制銑刀上、下運動的手柄拆去，改用微機控制步進電機通過一級減速裝置使銑頭上下運動。本設計只對X-Y工作臺進行設計。取銑床步進電機的脈沖當量可選為0.01mm/脈沖，步進電機的步距角0.9。方案1系統(tǒng)運動方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)，點位直線系統(tǒng)，連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對于刀具移動過程中不進行切削，可選用點位控制方式。數(shù)控銑床在工作臺移動過程中銑頭并不進行銑孔加工，因此數(shù)控裝置可采用點位控制方式。對點位系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。2伺服系統(tǒng)的選擇伺服系統(tǒng)實現(xiàn)位置伺服控制有開

18、環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)3種控制方式。開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)存在著控制精度不能達到較高水平的基本問題，但是步進電機具有角位移與輸入脈沖的嚴格對應關系，使步距誤差不會積累；轉速和輸入脈沖頻率嚴格的對應關系，而且在負載能力范圍內(nèi)不受電流、電壓、負載大小、環(huán)境條件的波動而變化的特點。并且步進電機控制的開環(huán)系統(tǒng)由于不存在位置檢測與反饋控制的問題，結構比較簡單，易于控制系統(tǒng)的實現(xiàn)與調(diào)試。并且隨著電子技術和計算機控制技術的發(fā)展，在改善步進電機控制性能方面也取得了可喜的發(fā)展。因此，在一定范圍內(nèi)，這種采用步進電機作為驅動執(zhí)行元件的開環(huán)伺服系統(tǒng)可以滿足加工要求，適宜于在精度要求不很高的一般數(shù)控系統(tǒng)中應用。雖然閉環(huán)、半閉環(huán)控

19、制為實現(xiàn)高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具體的系統(tǒng)中，增加了位置檢測、反饋比較及伺服放大等環(huán)節(jié)，除了在安裝調(diào)試增加工作量和復雜性外，從控制理論的角度看，要實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的良好穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，其難度也將大為提高。為此，考慮到在普通立式銑床上進行改造，精度要求不是很高，為了簡化結構，降低成本，本設計采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)。3執(zhí)行機構傳動方式的確定為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設計機構傳動裝配時，通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。故在設計中應考慮以下幾點：1）盡量采用低摩擦的傳動和導向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導軌等。2）盡量消除傳動

20、間隙。如步進電機上的傳動齒輪采用偏心軸套式消隙結構。3）縮短傳動鏈?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動鏈誤差。可采用預緊以提高系統(tǒng)的傳動剛度。如應用預加負載的滾動導軌和滾珠絲杠傳動副，絲杠支承設計成兩端軸向固定，并加預拉伸的結構等提高傳動剛度。X-Y工作臺傳動采用滾珠絲杠螺母傳動副和滾動導軌。4計算機系統(tǒng)的選擇計算機數(shù)控系統(tǒng)一般由微機部分、I/O接口電路、光電隔離電路、伺服電機驅動電路、檢測電路等幾部分所組成。在簡易數(shù)控系統(tǒng)中，大多采用8位微處理器的微型計算機。如何采用Z80CPU或MCS-51單片機組成的微機應用系統(tǒng)。Z80CPU有芯片價廉，通用性強，維修方便等特點。MCS-51單片

21、機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快和很高的性能價格比等特點。通過比較，對于簡易數(shù)控機床推薦采用MCS-51系列單片機作為主控制器。5實施保留原機床主傳動鏈，保留銑床工作臺和控制工作臺移動手柄，在原工作臺上安裝一套微機數(shù)控的X-Y工作臺。由于X-Y工作臺的運動部件重量和切削力不大，因此選用有預加載荷的滾珠導軌。采用滾動導軌可減小兩個相對運動面的動、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運動平穩(wěn)性，減小振動?？紤]到電機步距角和絲杠導程只能按標準選取，為達到分辨率0.01mm要求，需采用齒輪降速傳動。綜上所述，本文改造的總體方案確定為：采用MCS-51單片機對數(shù)據(jù)進行計算處理，由I/O接口輸出步進脈沖步進電

22、機經(jīng)一級齒輪減速后，帶動絲杠轉動，從而實現(xiàn)工件的縱向、橫向運動，同時為了防止意外事故，保護微機及其它設備，還設置報警，急停電路等，2.1設計參數(shù)系統(tǒng)分辨率為0.01mm，其它設計參數(shù)如下表。最大銑刀直徑最大銑削寬度ae最大銑削深度ap加工材料工作臺加工范圍（mm）最大移動速度16mm5mm2mm碳鋼X=200,y=1503m/min工作臺草圖2.2初選步進電動機和絲杠當傳動比i=1時，可用聯(lián)軸器直接將電機與絲杠連接，這種結構有利于簡化結構，提高精度。由 i=，b為步進電機步距角Lo為滾珠絲杠導程、為系統(tǒng)脈沖當量。選電動機型號為55BF009，其步矩角= 選絲杠規(guī)格為2004-3(FYND)其導

23、程為4mm,由傳動比公式得 故可用聯(lián)軸器將電機與絲杠直接連接。2.3初定工作臺尺寸 查機電一體化設計手冊，根據(jù)(GB/T 158-1996)選工作臺T型槽尺寸如下：深度H=15mm槽低寬度B12mm槽寬A6mmC6mm槽數(shù)5，間隔40mm由工作臺加工范圍200*150選工作臺尺寸 240 20 20 20200 20初定滾珠絲杠長度L340mm B B 5060 Lx+B+102035452.4系統(tǒng)組成框圖3.機械部分的設計3.1傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算3.1.1機轉子轉動慣量查指導書表面2-18得3.1.2絲杠的轉動慣量由指導書公式2-3有得3.1.3工作臺轉動慣量由于工作臺材料為碳鋼，故其

24、質(zhì)量為由于聯(lián)軸器的轉動慣量小故可忽略不計3.1.4總轉動慣量計算3.2工作載荷分析及計算銑削運動的特征是主運動為銑刀繞自身軸線高速回轉,進給運動為工作臺帶動工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進給(鍵槽銑刀可沿軸線進給).銑刀的類型很多，但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式,此選用圓柱銑刀,銑刀材料選擇高速鋼.查金屬切削手冊P398常用銑刀介紹表，選擇細齒錐柄立銑刀， 其尺寸參數(shù)如下：D=16mm,齒數(shù)Z=4。3.2.1查金屬切削手冊P417細齒錐柄立銑刀切削用量表得銑削速度查銑工表24，初選0.03mm因此可得 查機械制造基礎課程設計指導書表4-15立式銑床主軸轉速表，選銑床型號X51，查其轉速表并將轉速

25、圓整為實際切削速度為 故實際3.2.2根據(jù)指導書表2-2得高速鋼銑刀銑削公式為 查指導書表2-3得銑削力系數(shù)有3.3進給工作臺工作載荷計算查指導書表2-4，有如下表格參數(shù)比值不對稱銑削逆銑順銑120903080404故有縱向進給方向工作臺垂直進給方向工作臺橫向進給方向3.4滾珠絲杠螺母副的選型和校核3.4.1最大工作載荷的計算滾珠絲杠上的工作載荷 為走刀抗力，移動體重力和作用在導軌上的其他切削分力相關的摩擦力。由于選擇的導軌要求結構緊湊，間隙調(diào)整方便，摩損小，有良好的精度保持性且運動平穩(wěn)，故選擇直線滾動導軌，在此設計中還要求導軌能承受一定的顛覆力矩，所以選擇燕尾導軌的實驗公式進行計算，由式2-

26、11 將所得數(shù)據(jù)代入公式有：3.4.2最大動負載C的計算及主要尺寸滾珠絲杠最大運載荷由指導書中可知 3.4.3傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率為 查得（或可由算出）3.4.4剛度驗算絲杠的拉壓變形量的計算滿載時拉壓變形量： 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量由指導書式2-17得式中為滾珠直徑，為滾珠總數(shù)量滾珠絲杠副剛度的驗算絲杠總變形量變形量要少于定位精度得一半，即0.01/2=0.005=0.00369YE，可用X方向走的總步數(shù)XE作為終點判別的依據(jù)，如動點X等于終點XE則停止。當XE=0？Y方向進給XYY1YXX1X？Y？返 回X方向進給4.4.2程序設計設計程序時，在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終

27、點坐標值XE，YE，動點坐標值X，Y，偏差FM。對8位機，一般可用2字節(jié)，而行程較大時則需用3字節(jié)或4字節(jié)才能滿足長度和精度要求。此外，所有的數(shù)據(jù)區(qū)必須進行初始值、X、Y向步進電機初態(tài)（控制字）。插補程序所用的內(nèi)存單元如下：28H29H2AH2BH2CH70HXEYEXYFM電機正反轉控制字電機正反轉控制字為：D7D6D5D4D3D2D1D0D1D0為X向電機控制位。D0=1運行，D0=0停止；D1=1正轉，D1=0反轉。D3D2為Y向電機控制位。D2=1運行，D2=0停止；D3=1正轉，D3=0反轉。第一象限直線插補的程序： ORG 2000HMAIN：MOV SP, #60HLP4: MO

28、V 28H, #0C8H; MOV 29H, #0C8H; MOV 2AH, #00H; MOV 2BH, #00H; MOV 2EH, #00H; MOV 70H, #0AHLP3: MOV A, 2EH JB ACC.7, LP1 MOV A, 70H SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV 70H, A LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A, 2EH SUBB A, 29H INC 2AH AJMP LP2LP1: MOV A, 70H SETB ACC.2 CLR ACC.0 LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A, 2EH ADD A,

29、 28HLP2: MOV 2EH, A MOV A, 28H CJMP A, 2AH, LP3; RET5. 控制系統(tǒng)硬件設計X-Y數(shù)控工作臺硬件控制系統(tǒng)包括CPU，控制電路，傳感器，人機交互界面。硬件系統(tǒng)設計是應注意幾點，電動機運行平穩(wěn)，響應性能好，造價低，可維護性，人機交互界面可操作性比較好。5.1 CPU板設計AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單

30、片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 圖89C51單片機其主要特性：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八

31、位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。

32、P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3

33、.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0（記時器0外部輸入）P3.5 T1（記時器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的

34、是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲

35、器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。5.1.1 CPU接口設計CPU接口包括傳感器部分，傳動驅動部分，人機交互接口三部分組成，示意圖如下所示：CPU要完成的任務:(1) 講行程開關和傳感器的信號輸入CPU，進行中斷處理，發(fā)出控制信號。(2) 通過程序的實時控制使系統(tǒng)正常運行。(3) 接受鍵盤中斷指令，并響應指令，同時將系統(tǒng)的實時狀態(tài)顯示到LED上，供操作人員參考。由于AT89C51單片機的P和P口是復用端口，各口都有第二功能，因此系統(tǒng)直接采用這些端口的第二功能來設計系統(tǒng)，

36、可以是系統(tǒng)的電路盡量的簡單，并且可靠性提高，在實際中通常使用系統(tǒng)自帶的內(nèi)部存儲器，各口的使用分配如下：圖 CPU外部接口示意圖（1）PP用來控制X-Y方向的步進電動機的A-B-C的通電，完成A-AB-B-BC-C-CA三相六拍的正轉同時還要完成A-AC-C-CB-B-BA的反向轉動控制模式。（2）P輸出控制電磁鐵的吸合。（3）P和P兩個中斷的優(yōu)先級最高，它讀入各行程開關的狀態(tài)并請求中斷，同時輸出點動，復位，回復各行程開關的狀態(tài)中斷。（4）PP為I/O/擴展的輸入輸出。圖 系統(tǒng)示意圖PA、PB口接LED顯示器，顯示系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)， X+禁止，X-禁止，Y+禁止，Y-禁止。PC口接受行程開關的

37、狀態(tài)和中斷請求狀態(tài)。PC口接受X+運行，X-運行，Y+運行，Y運行的信息，并顯示到LED上。5.2驅動系統(tǒng)設計驅動系統(tǒng)主要包括電動機驅動和電磁鐵，使用89C51單片機作為CPU提供系統(tǒng)所需要的信號，控制工作臺的工進、快進和復位，使用擴展接口8255，是單片機的輸入輸出口增加，以實現(xiàn)CPU就口不夠的需要。5.2.1步進電動機驅動電路和工作原理步進電動機速度控制比較容易實現(xiàn)，可以采用單片機給不同的脈沖，頻率的快慢來調(diào)節(jié)電動機的速度，設計時的脈沖當量為0.01mm。步進電動機的控制驅動電路中采用了光電隔離器，是微機系統(tǒng)與強電系統(tǒng)隔離，電動機的運行不會干擾微機系統(tǒng)的工作，其具體的控制電路圖如圖所示：圖

38、 步進電動機的驅動這個電路圖中的是步進電動機的一相繞組的控制圖，當A相通電時電動機啟動，電路中的二極管起到保護繞組的作用，同時也是消耗繞組的感應電動勢，以免電流沖擊而損壞電動機。由于步進電動機的采用的是三相六拍工作方式，三相繞組A、B、C的通電順序由單片機的軟件實現(xiàn)，應軟件來擔任旋轉編碼器，正轉時：A-AB-B-BC-C-CA-A，反轉時：A-AC-C-CB-B-BA-A。電動機的時序圖如下：圖 三相六拍步進電動機時序圖（正轉）5.2.2電磁鐵的驅動電磁鐵的驅動同樣采用了光電隔離器，是微機系統(tǒng)與強電系統(tǒng)隔開，以避免干擾，也使電路比較簡單。信號端采用直流電源作為驅動，控制光電隔離器的工作，進一步

39、來控制電磁鐵的工作。圖 電磁鐵驅動5.2.3 LED顯示電路利用8255擴展口也可以實現(xiàn)動態(tài)顯示及鍵盤處理。這樣，不經(jīng)可以節(jié)省單片機的并行接口資源，并且在大多數(shù)不適用串行口的系統(tǒng)中，可以節(jié)省資源。在這種設計中，穿行口工作于方式0，數(shù)據(jù)的輸入輸出都通過引腳RxD一位脈沖則由TxD發(fā)出。每次傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)。每輸出一個字節(jié)數(shù)據(jù)，單片機就自動使串行口中斷請求標志IT置位。通過測試該狀態(tài)，即可測試一個字節(jié)是否發(fā)送完畢。串行輸入口、具有允許和禁止的功能。如下圖所示：圖 LED顯示電路5.3傳感器和人機界面設計人機界面(HCI)設計涉及到計算機科學的很多領域。在過去傳統(tǒng)的應用軟件系統(tǒng)設計中，人機界面變得愈

40、來愈重要，以致評價一個系統(tǒng)更多的取決于其人機界面而不是它的功能。人機界面設計不僅要借助計算機技術，還要依托于心理學、認知科學、語言學、通信技術以及戲劇、音樂、美術多方面的理論和方法。由于步進電動機不需要檢測電路，于是要注意工作臺的最大行程，因此，在工作臺的末端應該安裝行程開關，在X、Y正負兩個方向各安裝一個，其主要作用有2個，（1）防止工作臺超過最大行程，損壞電動機。（2）行程開關也可以準確的定位，充當傳感器的作用。人機界面設計有良好的人機交互功能，一般要求簡單、明了，主要有9個LED，燈變亮表示系統(tǒng)執(zhí)行的是當前等所指示的狀態(tài)，LED1LED4的燈分別表示X負向禁止通行，X正向禁止通行禁止，Y

41、負向禁止通行禁止，Y正向禁止通行禁止，LED5LED8表示X負向允許通行，Y負向允許通行，Y正向允許通行，Y正向允許通行，LED9表示通電運行。另外面板上有7個接觸鍵，1表示系統(tǒng)電源總開關，2、3、4、5表示手動X、Y方向的運行鍵，可以實現(xiàn)點動控制和連續(xù)控制，6是系統(tǒng)復位鍵，7是系統(tǒng)繪圖功能鍵。圖 人機界面6. 控制系統(tǒng)軟件設計6.1總體設計對于AT89C51的程序設計，由于滿足需要的程序比較簡單，采用匯編語言編寫，單片機的時鐘頻率12MHz，該系列單片機既能使用匯編語言編程，也支持C語言編程，也有程序調(diào)試功能。6.2主流程圖設計CTLEQU3FFAHPAEQU3FFAHPBEQU3FFAHP

42、CEQU3FFAHCMDEQU82HORG0000HAJMPMAINORG0003HAJMPAGIN0;外部中斷0入口ORG000BHAJMPTIME0；定時器0入口ORG0013HAJMPAGIN1；外部中斷1入口ORG001BHAJMPTIME1；定時器1入口ORG0000HMAIN:ANLP10FFHSETBET1SETBEAMOVACTLMOVDPTRAMOVXDPTR,CMD；A口輸入，B口輸出，C口輸入SETREX0；允許外部中斷0SETREX1；允許外部中斷1SETRPX0；允許定時器中斷0SETRPX1；允許定時器中斷1SETREA；開總中斷LOOP:AJMPLOOP；等待中斷

43、圖 主程序流程圖中斷服務有6個中斷源，這6各中斷源分別是手動X正向運行，手動X負向運行，手動Y正向運行，手動Y負向運行。6.3 INTO中斷服務流程設持續(xù)圖 電機驅動6.3.1步進電動機啟動程序當在鍵盤上輸入命令后，人機界面上的LED等就點亮，然后將該等所對應的端口置位，等待CPU讀取，跟據(jù)讀入的數(shù)據(jù)發(fā)出步進電動機的驅動方向。START：PUSHACCPUSHDPTLPUSHDPTHPUSHPSWMOVA,PAMOVDPTL,AMOVXA,DPTRMOVR2,AMOVA,PAMOVDPTR,AMOVDPTRR2MOVA,R2 CPLAANLA,DPTRJZA,TMICSETBP1.0SETBP

44、1.1SETBP1.2TMIC:MOVA,R2CPLAANLA,0CHJZA,KSINSETBP1.3SETBP1.4 SETBP1.5KSIN:POPPSWPOPDPTHPOPDPTLPOPACCRETI6.3.2步進電動環(huán)形分配程序所謂環(huán)形程序，就是把環(huán)形節(jié)拍的控制模型按順序存放在內(nèi)存單元中，然后逐一從單元中取出控制模型并輸出。如此可簡化程序，節(jié)拍越多，優(yōu)越性愈顯著，下面為三相六拍環(huán)形非配程序：ORG8100HROUTN2:MOVR2,COUNT；步進電機的步數(shù)LOOP0:MOVR3,#00HMOVDPTR,#PIONT；送控制模型指針JNB00H,LOOP5；反轉，轉LOOP5LOOP4:MOVA,R3；取控制模型MOVCA,A+DPTRJZLOOP0；控制模型為00，轉LOOP0MOVP1,A；輸出控制模型ACALLDELAYS；延時INCR3；控制步數(shù)加1DJNZR2,LOOP4；步數(shù)未完，繼續(xù)RETLOOP5:MOVA,R3；求反向控制模型的偏移量ADDA,#07HMOVR3,APIONTDB01H；正向控制模型DB03HDB02HDB06HDB04HDB05HDB00HDB01H；反向控