简易数控刻尺机.docx
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简易数控刻尺机
课程设计说明书
设计题目：
简易数控刻尺机控制系统设计
学生姓名：
学号：
班级：
专业：
指导教师：
第一章
1.1设计任务介绍及意义
本次设计任务进行简易的数控刻线机床控制系统设计，该刻线机能够对不同的铁尺进行刻线加工
1.2设计任务明细
1.2.1方案设计
根据课程设计任务的要求，在搜集、归纳、分析资料的基础上，明确系统的主要功能，确定实现系统主要功能的原理方案，并对各种方案进行分析和评价，进行方案选优。
1.2.2总体设计
针对具体的原理方案，通过对动力和总体参数的选择和计算，进行总体设计，最后给出系统的总电气原理图（A1一张）。
根据系统的组成可以设计系统的结构图或者进行复杂的电气系统设计，画出另外一张A1图纸。
课程设计的成果最后集中表现在课程设计说明书和所绘制的设计图纸上，每个学生应独立完成课程设计说明书一份，字数为10000字以上，设计图纸不少于两张A1。
用计算机绘图或手工绘图，打印说明书。
课程设计共4周，各阶段的任务和时间安排建议如下：
（一）课程实习，搜集资料及方案设计（5天）
1、课程实习
实习期间，要根据毕业设计任务书的要求，搜集、阅读有关的文字资料和结构图片资料，依据设计要求进一步分析和归纳资料，为课程设计做好准备。
程实习的要求：
1.学习设计对象的有关的专业知识。
2.学习产品工作过程和电气设计要求。
3.搜集其它有关资料。
4.按时写好课程实习（调研）记录。
2、方案设计
这一阶段应明确整个设计的目的和方向，根据课程设计任务的要求搜集、归纳、分析资料的基础上，将设计要求具体实施，确定控制系统的方案。
具体任务如下：
1.根据调研和搜集资料的情况以及老师所列些课题的任务参数情况，制定设计要求明细，并形成表格。
2.寻求实现主要设计要求的原理，应尽可能的多构想一些原理方案。
3.对所构想的原理分析计算，考查所提原理方案能否满足设计要求，必要时在条件允许时可进行原理方案试验。
4.对各种方案进行分析比较：
使设计方案在性能上满足技术要求和使用要求，并具有一定的先进性和较好的经济效果，要避免片面地强调某一方面的倾向，应全面地综合分析比较工作性能、成本、使用费用、实现可能性等。
5.确定方案：
对选择哪一种方案进行设计作出决策。
（二）原理草图设计阶段（5天）
在本阶段中，学生在自己画的草图和草纸上进行设计过程中的总体布局和设计的分析计算，确定原件的相互位置及尺寸，并考虑使设计方案满足多方面要求而采取的各种措施，使各控制结构相互协调以保证整机性能，最完善的满足设计要求，实现设计功能。
具体工作内容：
1.了解电控原理的要求，搞清器件间的限制条件。
2.选择合适的设计方案（优化）。
3.结合对所选方案中各器件的关系、计算参数，进行总体图的设计。
4.针对总体布置图，进行技术经济性分析并根据分析结果对总体结构进行修改。
5.确定电气系统的组成及方案的合理性。
通过对总体设计全面考虑设计、使用、和目前技术发展的要求。
保证整机的性能趋于完善，满足设计任务书的要求。
要求学生必须全面考虑问题，搞清技术要求和使用要求的实质，从而选择合适的检测与控制器件，满足要求。
这一阶段计算、研究讨论和绘图应交错进行，相互补充，由于时间限制，各种数据不能通过计算确定，因此可以采用比较设计的方法，选用成熟器件。
（三）、原理图设计阶段（3天）
根据原理草图及设计计算的结果，进行原理图的设计。
在绘图的过程中，根据老师每天的检查指导进行设计，根据制图标准进行绘制，线条横平竖直，要保持图纸的清洁和质量。
（四）软件的编写（3天）
根据设计的原理图，进行软件的编写，要求有汇编语言、高级语言或可编程控制器梯形图（语句表）的程序训练。
（五）编写课程设计说明书（3天）
课程设计说明书是课程设计内容的文字阐述。
它与设计图纸一道，是检验学生课程设计情况的主要依据。
因此要求其内容密切结合设计课题，重点突出，用自己的语言认真书写，文字通顺流畅，计算机打印，要防止不加分析地长篇引用教科书，抄袭其它著作中的阐述。
要求如下：
1课程设计说明书必须打印。
文中所用的公式、图表及程序代码，在条件许可时，应打印输出。
2课程设计说明书一律装订为横开本，左侧装订。
3文中所用的符号、缩略词、制图规范和计量单位、必须遵守国家规定的标准或本学科通用标准。
作者自己拟定的符号、记号缩略词，均应在第一次出现时加以说明。
4注序要与文中提及的页码一致，序号不能用[1]、[2]、[3]等数码表示，以免与参考文献的序码相混淆。
5文后要注明参考文献和附录，参考文献要写明作者，书名（或文章题目及报刊名）、版次（初版不注版次），出版地、出版者、出版年、页码。
序号使用[1]、[2]、[3]……。
中文译本前加国别。
第2章设计总体方案
2.1设计的基本依据
认真审题，明确任务布置书上所述要求，通过自己分析以及询问老师确定设计的各个关键部分，再由图书馆所借来的参考资料，深入了解各部件，根据微型计算机原理与接口技术，确定了单片机采用8051，根据要求需要进行数据与存储扩展，分别是Intel6264与2764芯片，接口电路采用8155。
由机电书可知，和驱动器连接需要功率放大器，其放大倍数根据各个元件的功率匹配确定。
对于行程控制的要求，以及所设计的刻线机的特点，在刀具外侧加一个行程开关。
急停开关是属于主令控制电器的一种,当机器处于危险状态时,通过急停开关切断电源,停止设备运转,达到保护人身和设备的安全. "急停开关"通常为手动控制的按压式开关（按键为红色）,串联接入设备的控制电路,用于紧急情况下直接断开控制电路电源从而快速停止设备避免非正常工作。
考虑到保护各个元器件，还需要采用光电耦合器。
对于工作台的保护，还要在极限位置加上两个限位开关。
2.2总体方案的确定
由键盘输入所需刻定长度，单片机接到键盘输入信号，按照预定程序分别控制三个步进电动机，其中：
步进电动机A控制工作台带动铁尺沿X方向进行1mm间歇进给；步进电动机B控制刻刀沿Y方向进行刻线，刻线长度先后是1长、4短、1中、4短；步进电动机C控制刻刀沿Z方向每次刻线前的接近铁尺以及刻线后的离开铁尺的运动。
当一个铁尺刻线完毕，触动行程开关，单片机接到信号，控制步进电机A快速反向连续转动，回到初始位置，准备重新装夹继续工作。
第3章电气原理设计
3.1电气系统的基本组成
3.1.18051单片机
引脚功能介绍首先我们来连接一下单片机的引脚图，如果，具体功能在下面都有介绍。
单片机的40个引脚大致可分为4类：
电源、时钟、控制和I/O引脚。
3.1.1.1电源:
⑴VCC-芯片电源，接+5V；
⑵VSS-接地端；
3.1.1.2时钟:
XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。
3.1.1.3控制线:
控制线共有4根，
⑴ALE/PROG:
地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲①ALE功能：
用来锁存P0口送出的低8位地址②PROG功能：
片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。
⑵PSEN:
外ROM读选通信号。
⑶RST/VPD:
复位/备用电源。
①RST（Reset）功能：
复位信号输入端。
②VPD功能：
在Vcc掉电情况下，接备用电源。
⑷EA/Vpp:
内外ROM选择/片内EPROM编程电源。
EA功能：
内外ROM选择端。
Vpp功能：
片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。
3.1.1.4I/O线
80C51共有4个8位并行I/O端口：
P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。
P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。
图3-1
3.1.2Intel6264芯片
3.1.2.1Intel6264的特性及引脚信号
Intel6264的容量为8KB，是28引脚双列直插式芯片，采用CMOS工艺制造
A12～A0（addressinputs）：
地址线，可寻址8KB的存储空间。
D7～D0（databus）：
数据线，双向，三态。
（outputenable）：
读出允许信号，输入，低电平有效。
（writeenable）：
写允许信号，输入，低电平有效。
（chipenable）：
片选信号1，输入，在读/写方式时为低电平。
CE2（chipenable）：
片选信号2，输入，在读/写方式时为高电平。
VCC：
+5V工作电压。
GND：
信号地。
3.1.2.2Intel6264的操作方式
Intel6264的操作方式由,,,CE2的共同作用决定
①写入：
当和为低电平，且和CE2为高电平时，数据输入缓冲器打开，数据由数据线D7～D0写入被选中的存储单元。
②读出：
当和为低电平，且和CE2为高电平时，数据输出缓冲器选通，被选中单元的数据送到数据线D7～D0上。
③保持：
当为高电平，CE2为任意时，芯片未被选中，处于保持状态，数据线呈现高阻状态。
3.1.32764芯片
下面介绍2764各引脚的含义:
3.1.3.1 A0一A12：
13根地址输入线。
用于寻址片内的8K个存储单元。
3.1.3.2 D0～D7：
8根双向数据线，正常工作时为数据输出线。
编程时为数据输入线。
3.1.3.3 OE：
输出允许信号。
低电平有效。
当该信号为0时，芯片中的数据可由D0～D7端输出。
3.1.3.4 CE：
选片信号。
低电平有效。
当该信号为0时表示选中此芯片。
．
3.1.3.5 PGM:
编程脉冲输入端。
对EPROM编程时，在该端加上编程脉冲。
读操作时该信号为1。
3.1.3.6 VPP：
编程电压输入端。
编程时应在该端加上编程高电压，不同的芯片对VPP的值要求的不一样，可以是+12.5V，+15V，+21V，+25V等。
3.1.48155
3.1.4.1描述：
2048位静态内存与I/O端口和定时器
8155各引脚功能说明如下：
RST：
复位信号输入端，高电平有效。
复位后，3个I/O口均为输入方式。
AD0～AD7：
三态的地址/数据总线。
与单片机的低8位地址/数据总线（P0口）相连。
单片机与8155之间的地址、数据、命令与状态信息都是通过这个总线口传送的。
读选通信号，控制对8155的读操作，低电平有效。
写选通信号，控制对8155的写操作，低电平有效。
片选信号线，低电平有效。
IO/：
8155的RAM存储器或I/O口选择线。
当IO/＝0时，则选择8155的片内RAM，AD0～AD7上地址为8155中RAM单元的地址（00H～FFH）；当IO/＝1时，选择8155的I/O口，AD0～AD7上的地址为8155I/O口的地址。
ALE：
地址锁存信号。
8155内部设有地址锁存器，在ALE的下降沿将单片机P0口输出的低8位地址信息及，IO/的状态都锁存到8155内部锁存器。
因此，P0口输出的低8位地址信号不需外接锁存器。
PA0～PA7：
8位通用I/O口，其输入、输出的流向可由程序控制。
PB0～PB7：
8位通用I/O口，功能同A口。
PC0～PC5：
有两个作用，既可作为通用的I/O口，也可作为PA口和PB口的控制信号线，这些可通过程序控制。
TIMERIN：
定时/计数器脉冲输入端。
TIMEROUT：
定时/计数器输出端。
VCC：
＋5V电源。
3.1.4.28155的地址编码及工作方式
在单片机应用系统中，8155是按外部数据存储器统一编址的，为16位地址，其高8位由片选线提供，＝0，选中该片。
当＝0，IO/＝0时，选中8155片内RAM，这时8155只能作片外RAM使用，其RAM的低8位编址为00H～FFH；当＝0，IO/＝1时，选中8155的I/O口，其端口地址的低8位由AD7～AD0确定，如表6-6所示。
这时，A、B、C口的口地址低8位分别为01H、02H、03H（设地址无关位为0）。
8155的A口、B口可工作于基本I/O方式或选通I/O方式。
C口可工作于基本I/O方式，也可作为A口、B口在选通工作方式时的状态控制信号线。
当C口作为状态控制信号时，其每位线的作用如下：
PC0：
AINTR（A口中断请求线）
PC1：
ABF（A口缓冲器满信号）
PC2：
（A口选通信号）
PC3：
BINTR（B口中断请求线）
PC4：
BBF（B口缓冲器满信号）
PC5：
（B口选通信号）
8155的I/O工作方式选择是通过对8155内部命令寄存器设定控制字实现的。
命令寄存器只能写入，不能读出，命令寄存器的格式如图6-16所示。
在ALT1～ALT4的不同方式下，A口、B口及C口的各位工作方式如下：
ALT1：
A口，B口为基本输入/输出，C口为输入方式。
ALT2：
A口，B口为基本输入/输出，C口为输出方式。
ALT3：
A口为选通输入/输出，B口为基本输入/输出。
PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为，PC3～PC5为输出。
ALT4：
A口、B口为选通输入/输出。
PC0为AINTR，PC1为ABF，PC2为，PC3为BINTR，PC4为BBF，PC5为。
8155内还有一个状态寄存器，用于锁存输入/输出口和定时/计数器的当前状态，供CPU查询用。
状态寄存器的端口地址与命令寄存器相同，低8位也是00H，状态寄存器的内容只能读出不能写入。
所以可以认为8155的I/O口地址00H是命令/状态寄存器，对其写入时作为命令寄存器；而对其读出时，则作为状态寄存器。
3.1.4.38155的定时/计数器
8155内部的定时/计数器实际上是一个14位的减法计数器，它对TIMERIN端输入脉冲进行减1计数，当计数结束（即减1计数“回0”）时，由TIMEROUT端输出方波或脉冲。
当TIMERIN接外部脉冲时，为计数方式；接系统时钟时，可作为定时方式。
定时/计数器由两个8位寄存器构成，其中的低14位组成计数器，剩下的两个高位（M2，M1）用于定义输出方式。
3.1.4.4振荡电路 能够产生振荡电流的电路叫做振荡电路。
一般由电阻、电感、电容等元件和电子器件所组成。
由电感线圈l和电容器c相连而成的lc电路是最简单的一种振荡电路。
一种不用外加激励就能自行产生交流信号输出的电路。
它在电子科学技术领域中得到广泛地应用，如通信系统中发射机的载波振荡器、接收机中的本机振荡器、医疗仪器以及测量仪器中的信号源等。
振荡器的种类很多，按信号的波形来分，可分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。
正弦波振荡器产生的波形非常接近于正弦波或余弦波，且振荡频率比较稳定；非正弦波振荡器产生的波形是非正弦的脉冲波形，如方波、矩形波、锯齿波等。
非正弦振荡器的频率稳定度不高。
在正弦波振荡器中，主要有LC振荡电路、石英晶体振荡电路和RC振荡电路等几种。
这几种电路，以石英晶体振荡器的频率最稳定，LC电路次之，RC电路最差。
RC振荡器的工作频率较低，频率稳定度不高，但电路简单，频率变化范围大，常在低频段中应用。
在通信、广播、电视等设备中，振荡器正逐步实现集成化，这些集成化正弦波振荡器的工作原理、电路分析、设计方法等原则上与分立元件振荡电路相一致。
由于集成电路的集成度愈来愈高，并在向系统功能发展，其内部电路日趋复杂，如果不从系统组成和单元电路原理这两方面同时着手，那是很难弄清某一集成芯片的，振荡器也不例外。
3.1.574ls573介绍
三态总线驱动输出：
置数全并行存取
缓冲控制并行存取
缓冲控制输入
使输入有改善抗扰度的滞后作用
原理：
74ls573的八个锁存器都是透明的D型锁存器，当使能（G）为高时，Q输出将随数据（D）输入而变，当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。
输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新数据也可以置入。
这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口，特别适用于缓冲寄存器，I/O通道，双向总线驱动器和工作寄存器。
3.1.6SMC2004ALCM
SMC2004A标准字符点阵型液晶显示模块（LCM），采用点阵型液晶显示器（LCD），可显示20个字符X4行西文字符，字符尺寸为2.95X4.75（WXH）mm，内置HD44780接口型液晶显示控制器，可与MCU单片机直接连接，广泛应用于各类仪器仪表及电子设备
主要技术参数
产品型号
显示类型
显示模式
工作温度
存储温度
工作电压
工作电流
背光颜色
背光电流
SMC2004A
STN
黄绿模
常温0～+50℃
-20～+70℃
4.8～5.2V
2.0mA,5.0V
黄绿
80mA
表3-1
接口信号说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
DateI/O
2
VDD
电源正极
10
D3
DateI/O
3
VO
LCD偏压输入
11
D4
DateI/O
4
RS
数据/命令选择端（H/L）
12
D5
DateI/O
5
R/W
读写控制信号（H/L）
13
D6
DateI/O
6
E
使能信号
14
D7
DateI/O
7
D0
DateI/O
15
BLA
背光源正极
8
D1
DateI/O
16
BLK
背光源负极
表3-2
3.1.7BS232光电耦合器
BS232光电耦合器（opticalcoupler，英文缩写为OC）亦称光耦合器，简称光耦。
光耦合器以光为媒介传输电信号。
它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。
目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。
光耦合器一般由三部分组成：
光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。
这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。
由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。
所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。
在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。
光耦合器的主要优点是：
信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。
光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR）、仪器仪表、通信设备及微机接口中。
在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。
BS232系列RS-232光电隔离器都无需供电，隔离电压2500V，通信速率一般保证最高9600bps，实际可达38.4Kbps以上。
3.1.8步进电动机
该步进电机为一四相步进电机，采用单极性直流电源供电。
只要对步进电机的各相绕组按合适的时序通电，就能使步进电机步进转动。
四相反应式步进电机工作原理示意图
图3-2
开始时，开关SB接通电源，SA、SC、SD断开，B相磁极和转子0、3号齿对齐，同时，转子的1、4号齿就和C、D相绕组磁极产生错齿，2、5号齿就和D、A相绕组磁极产生错齿。
当开关SC接通电源，SB、SA、SD断开时，由于C相绕组的磁力线和1、4号齿之间磁力线的作用，使转子转动，1、4号齿和C相绕组的磁极对齐。
而0、3号齿和A、B相绕组产生错齿，2、5号齿就和A、D相绕组磁极产生错齿。
依次类推，A、B、C、D四相绕组轮流供电，则转子会沿着A、B、C、D方向转动。
四相步进电机按照通电顺序的不同，可分为单四拍、双四拍、八拍三种工作方式。
单四拍与双四拍的步距角相等，但单四拍的转动力矩小。
八拍工作方式的步距角是单四拍与双四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持较高的转动力矩又可以提高控制精度。
单四拍、双四拍与八拍工作方式的电源通电时序与波形图
图3-3
3.2电气系统的设计
由键盘输入所需刻定长度，单片机接到键盘输入信号，按照预定程序分别控制三个步进电动机，其中：
步进电动机A控制工作台带动铁尺沿X方向进行1mm间歇进给；步进电动机B控制刻刀沿Y方向进行刻线，刻线长度先后是1长、4短、1中、4短；步进电动机C控制刻刀沿Z方向每次刻线前的接近铁尺以及刻线后的离开铁尺的运动。
当一个铁尺刻线完毕，触动行程开关，单片机接到信号，控制步进电机A快速反向连续转动，回到初始位置，准备重新装夹继续工作。
第4章程序设计
4.1软件完成的主要内容
程序所包含的内容有：
刀具刻线的长度分别是1长、4短、1中、4短，循环
当工作台移动到极限位置出发行程开关时，程序控制步进电动机A快速反转，回到初始位置后停止
当工作台出现意外超过极限位置时，出发限位开关，程序控制所有步进电动机停止转动
控制工作台沿X方向间歇运动，间隔为1mm
/*************************************************************
**********************电机驱动****************************
************************************************************
***********************************************************/
#include
#include
sbitKstart=P2^0;
sbitKzh=P2^1;
sbitKfz=P2^2;
sbitKsup=P2^3;
sbitKsdw=P2^4;
sbitAs=P3^0;//电机A的4相
sbitBs=P3^1;
sbitCs=P3^3;
sbitDs=P3^4;
sbitA1s=P1^0;//电机B的4相
sbitB1s=P1^1;
sbitC1s=P1^2;
sbitD1s=P1^3;
sbitA2s=P3^5;//电机C的4相
sbitB2s=P3^4;
sbitC2s=P3^3;
sbitD2s=P1^4;
unsignedintcount=0;
unsignedintstartstop=0;
unsignedintzhengzhfanzh=0;
unsignedcharflag=0;
unsignedintchg=0;
unsignedintchd=0;
unsignedlongjishusum=0;
unsignedlongjipulsez=0;
unsignedlongjipuls
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