基于单片机的数控机床控制系统设计(编辑修改稿)

基于单片机的数控机床控制系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

为现场控制，需要的是有很强的抗干扰的能力，较低的价格成本，这也是和离线式 PC 的（比如家用 PC）主要区别。 单片机是靠 程序的，并且可以修改。 通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的一些功能，这是别的器件需要费很多人力才能做到的，有些则是花人力也很难做到的。 一个不是很复杂的功能要是用美同 50 年代开发的 74 系列，或者 60 年代的 CD4000 系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大 PCB 板。 但是如果要是用美国 70 年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别。 只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高科能，高效率，以及高可靠性。 CPU(中央处理单元 )是数字计算机的重要组成部分，其目的是对从内存中接收的指令进行译码，同时对存储于 内部寄存器、存储器或输入输出接口单元的数据惊醒传输、算术运算、逻辑运算以及控制运算。 在外部， CPU 位转换指令数据和控制信息提供一个或多个总线并从组件连接到它。 一个微控制器出现在普通电脑的键盘和检测器中，但是这些组件也被屏蔽。 在这种微控制器中，与我们所讨论的 CPU 可能有所不同。 字长也许更短，编制数量少，指令集有限。 相对而言，性能差，但对完成任务来说足够了。 最重要的是它的微控制器的成本很低，符合成本效应。 因为单片机对成本是非常敏感的，所以现在占主导地位的软件还是最低级汇编语言，他是除了 2进制机器编码以上最为低 级的语言了，但是这么低级为什么还要使用它呢。 非常多的高级语言已达到了可视化编程的水平，那为什么不用呢。 原因非常简单，就是单片机没有家用PC 那样的中央处理器，也没有像 HD 那样的大量存储设备。 一个可以看到的高级语言编写的小程序里即使只有一个按键，也会达到几十 K的尺寸。 对于我们家用电脑的硬盘来讲这并没有什么，可是对于单片机来说着是绝对不能够接受的。 单片机在硬件资源方面的利用率一定非常高才可以，所以汇编语言虽然有些原始但还是在被大量使用。 同样的道理，如果把巨型 PC 上的操作系统以及应用软件拿到家用计算机上来运 3 行，家用 计算机的也是承受不了的。 可以这么说，二十一世纪跨越了几个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的 PC 时代。 不过，这种计算机，通常是指个人 PC 机。 它是由主机、键盘以及显示器等组成。 还有一类 PC 机，很多人却不是怎么熟悉。 这种 PC 机就是把智能赋予各种机械的微控制器（亦称单片机）。 顾名思义，这种 PC 机的最小系统只用一片集成电路，即可进行简单的运算和控制。 由于它的体积很小，一般都被藏在被控的机械“肚子”里。 他在整个的装置中，起着就像人类的头脑的作用，它如果出了问题，所有的装置就瘫痪了。 目前，这种单片机的使用领 域已十分广泛，像科能的仪表、实时 T控、通讯设备、导航仪器、家电等。 各种产品。 一但使用了单片机，就能起到使产品换代升级的功效，经常在产品的名称前加以形容词一一“智能型”，如智能洗衣机等。 现在有很多工厂的技工或其它业余电子开发爱好者做出来的一些产品，不是电路过于复杂，就是功能过于简单且而且极易被仿制。 究其原因，可能就是卡在产品没有使用的单片机或者别的可编程逻辑器件上。 单片机 51 单片机是对目前所有兼容 Intel 8031 系统指令的 单片机的 系统 统称。 该 版本单片机的始祖是 Intel 的 8031 单片机， 之后 随着 Flash rom 技术的发展 以及延续 ，8031 单片机取得了 很长 的进展， 成为现在使用 最广泛的 8 位单片机之一，其代表是Atmel 公司 的 At89 系列，它广泛 的 用于工业测控系统中。 目前 有非常 多 的 公司都有51 系列的兼容 类 机型推出，在目前 以至于 今后 都会在 很长的一段时间内将占有大量的 市场。 51 系列 单片机 不仅 是基础入门的一个单片机，还是 在 应用 中 最 为 广泛的一种 单片机。 需要注意的是 52 系列的单片机一般 都 不具备自编程能力。 如图 11 单片机管脚图 4 图 11 单片机管脚图 单片机与上位机通信协议设计 上位机指示单片机显示机 床的状态，以及单片机向上位机传递用户操作机床的信息全都需要设计单片机与上位机（ PC104）的通信协议。 本控制面板设计通过 RS232 发送和接收写信，协议定义： 发送数据：（单片机发送，计算机接收），两种方式： （ 1） 帧引导 +命令字 +数据个数 +N个数据 +异或校检。 （ 2） 帧引导 +结束命令字 +异或校检。 其中，命令字为 N、 L、 M、 T。 N表示机床控制面板的按键， L表示 LCD 的按键，M 表示 MDI 面板的按键， T表示倍率。 N 6 个数据 078 为 4EH L 1 个数据 076 为 4CH M 4 个数据 077 为 4DH T 2 个倍率数据 084 为 54H P 6 个手脉数据 080 为 50H D 6 个数据 068 为 44H 实例：如 02+FFH+校检和。 数据和地址对应单元： Data0:30H 以此类推： Data1:31H 等。 请求数据： 5 （ 1） 帧引导 +命令字 +数据地址 +数据个数 +校检和。 （ 2） 帧引导 +命令字 +N个数据 +校检和。 实例：如 05+’W/R’ +’ 40H’ +’ 05H’ +校检和。 发送数据为： 05H、 52H、 34H、 30H、 30H、 35H、 31H、 42H。 说明 ：校检和是 W、 04H与 05H 的 ASC 码值的和，且只保留检验和的最后两位，并把它转化为 ASC2 码值。 在本例中校检和为 11BH，去掉最高位则为 1BH，那么其 ASC2码值为： 31H、 42H。 6 2. 多按键处理 控制面板上除了有 80 多个按键外还有 4 个拨动开关和 30多个发光二级管，即一共 100 多个开关位。 其中还有双键同时被按的功能定义，也有两间锁定（两键功能不能同时实现）的功能定义，同时还要处理错误按键信息。 方法如下： 单片机通过外接多片 8155 芯片来扩展 I/O 口，按键则接在 8155 的 I/O 口上。 接线的方法是接成矩形键盘，其中 8155 的 PA口作为举行的行线， PB和 PC口作为举行的列线。 通过“扫描”的方法来查看键盘有没有按键或哪个按键被按以及有没有多个按键被按或错误按键被按，不同的按键连接方式如图 21： PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PC0 PC1 PC2 PC3 PA0 0 8 Y 复位 输入 上页 手动冷却 主轴正传 主轴定位 X PA1 1 9 Z 帮助 位置 下页 刀库旋转 主轴停止 选择跳过 Y PA2 2 M 切换 程序 前 F1 刀具夹紧 主轴反转 进给保持 Z PA3 3。 S 插入 参数 后 F2 工作照明 机械锁住 快速 4 PA4 4 Q T 替换 系统 左 F3 自动断电 单断运行 +X PA5 5 N F 删除 诊断 右 F4 超程释放 空运行 +Y PA6 6 G D EOB 图形 F5 1/2 程序启动 +Z 7 PA7 7 X H 取消 排屑 +4 图 21 按键连接方式图 方法如 下：通过扫描键盘的行线可知 PA 的一个 I/O 口有按键被按，设为 N,N为有按键被按的那根行线的序号。 再通过扫描列线可知列线第几根线有按键被按，设为M，同理 M为有按键被按的那根列线的序号。 令 A=8M+NX， X 为图表中中间未定义的按键的个数， A 为各个按键功能表对应的左程序跳转列表中的序数指针。 列表“ ” 为 0 行 7 列，按照从一列一列从上到下数的方式，其中从 0列到 PC3 列中未定义的按键个数为 11 个，即 X为 11。 可得 A=45，即“ ” 按键在按键功能表的对应位置为 JMP @A+DPTR 这样的汇编程序语 句使程序调到处理此按键的程序上。 8 3. 原理图的分析与实现 这个控制板是由一块 87C52 单片机构成的硬件系统，除了单片机本身之外，系统还包含了 MAX1232 芯片作为单片机系统的看门狗检测系统的运行，保证单片机程序能够正确的被执行， MAX1232 芯片作为单片机的 TTLRS232 电平的转换器来用来使单片机和上位机串行通信，相互传递信息， 74LS245 芯片、 8155 芯片作为单片机的 I/O扩展口。 如图 31系统图 图 31 系统图 单片机的抗干扰措施及 MAX1232的使用 在机械加工厂中，数控系统受到周围的干扰非常大。 比如电机启动时电流突然变大对数控系统会产生很大的干扰，由于电机的启动电压是 380V，而单片机系统采用的电路电压是 5V 或 3V，非常容易受到强电的影响，因此单片机系统不可避免的在运行过程中会死机或程序跑飞、功能不正常等，所以在电路板设计中要注意抗干扰的问题。 为了解决这个问题，在本系统中加了一个看门狗，选用的芯片是 MAX1232，下面讲述看门狗技术及用 MAX 1232 芯片作看门狗的连接、运用方法以及原理。 9 看门狗电路一般都被描述为一块在有一定规律的时间间隔内进行 更新的硬件，该更辛必须是由微型控制器或者是使微型控制器来重新启动的电路来完成。 看门狗电路分为内部以及外部两种，在外的看门狗电路是非常好的，因为它不是依赖微型控制器的，如果微型控制器发生故障就会需要这个看门狗更新，所以本电路将给出 RESET信号使微型控制器再次启动。 看门狗通常是由一个硬件定时器构成，若没有来自微控制器的更新或报告信息，该定时器就会溢出，看门狗就给微控制器复位信号使其复位。 MAX 1232 是 MAXIM 公司生产的微处理器监视器，它不光提供了看门的功能，同时还能检测供电电源的变化，并提供了高电 平、低电平两种上电复位方式，用户能够自行设置它的超时时间、设定电源电压波动的允许范围。 用 MXA1232 芯片作为单片机系统以及其他电子设备的看门狗，不需要其他的电子元器件配合，可以直接和微控制器相连，使用非常简单，性能可靠，被大量应用在一些单片机系统上。 它有两种封装方式。