基于单片机的XK5132铣床控制系统电子电路设计

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摘要：采用了8031单片机扩展2764、6264、8155等构成XK5132铣床的控制系统实现“步进电机+滚珠丝杠副”的开式伺服驱动控制，提高了铣床生产效率、机械加工工艺水平和产品质量。
关键词：单片机 控制系统 电子电路
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）03-0025-01
采用单片机控制系统对普通铣床进行数控化改造，可以提高机械加工工艺水平和产品质量，提高生产效率并减轻操作者的劳动强度。
1 设计方案和基本方案确定
（1）控制功能：X轴、Y轴、Z轴进给伺服运动；行程控制；键盘控制；报警电路、复位电路、隔离电路、功放电路等。（2）设计方案：综合考虑功率、技术难度、精度、成本因素，采用“步进电机+滚珠丝杠副”的开式伺服驱动控制模式。（3）基本方案：采用MCS-51单片机，并扩展两片2764芯片，一片6264芯片，三片8155可编程并行I/O等构成控制系统；采用软件环形分配器；由于铣床三个方向的三步进电机均为三相，所以直接与8155（2）的PA口再加上8155（3）的PA口相接，经光电耦合电路、功放电路驱动电机。
2 单片机扩展
（1）程序存储器EPROM的选择：芯片型号不同，应用参数也不同，主要有最大读出速度、工作温度及容量。在确定容量内选择EPROM型号，主要考虑读取速度。根据CPU与EPROM的匹配要求，应满足8031能提供的读取时间大于EPROM所需的读取时间。应考虑在满足容量要求的同时尽可能选择大容量芯片，以减少芯片组合数。（2）数据存储器RAM的选择：选RAM是主要考虑因素是RAM的读写速度与CPU提供的读写时序的匹配要求，还应满足这样一个关系：即8031所能提供的读写时间应大于RAM所需求的读写时间，常用RAM主要有6116和6264两种。
3 地址分配及接线方法
（1）地址分配：8031所支持的存储系统其程序存储器与数据存储器独立编址，故EPROM和RAM的地址分配自由，不必考虑冲突问题。8031复位后从0000H单元开始执行程序，故程序存储器地址从0000H开始。只用EPROM，地址为0000H-1FFFH，扩展RAM与I/O口及外围设备实行统一编址。
（2）EPROM、RAM与8031连接方法：803不必加以驱动。EPROM、RAM与8031的连接：1）地址总线：将A0～A12与EPROM的A0～A12对应连接。A0～A12与RAM的A0～A12对应连接，其余地址经译码产生片选信号；2）数据总线：P01～P07分别与存储器D01～D07对应连接；3）地址总线：将A0～A12与EPROM的A0～A12对应连接，A0～A12与RAM的A0～A12对应连接，其余地址经译码产生片选信号；4）数据总线：P01～P07分别与存储器D01～D07对应连接。
4 接口电路及辅助电路设计
本系统接口电路包括键盘、数码显示器及步进电机接口电路，辅助电路包括复位电路及报警显示电路。
8031单片机的口P01可以作为I/O接口，为管理上述接口电路，还需要扩展接口电路，现在用8031的P01管理步进电机，用扩展接口管理键盘和显示电路。
4.1 接口电路设计
8155内部RAM和I/O选择由引脚IO/M（__）控制，当IO/M（__）=0时，CPU访问RAM，RAM的低8位编制为：00H～FFH；IO/M（__）=1时，CPU访问IO口，8155的工作方式选择通过对8155内部命令，寄存器通过设定控制命令来实现。8155具有两种基本操作，即用8155中的256字节RAM及扩展I/O口使用，作RAM时与系统RAM无区别；作I/O口使用时，可通过工作方式以满足不同需要。8155有一个状态寄存器，锁存I/O口和定时器的当前状态，使CPU查询用。状态寄存器和命令寄存器共用一个地址，只能读入，不能写入。CPU读地址时，做状态寄存器，读出时是当前I/O口和定时器的状态，而写时则作为命令寄存器写入命令。
4.2 辅助电路设计
8031时钟电路（图1）采用外部时钟方式，XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源。复位电路（图2）采用外部电路实现。在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平，单片机便实现状态复位，以后单片机便从0000H单元开始执行程序。图2所示为上电自动复位与按钮复位的组合，只要电路充电，RESET端保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效的复位。
步进驱动电路中，在接口电路与功率放大器之间要加隔离电路，通常采用光电耦合器（如图3）。脉冲分配器的输出功率不能满足步进电机的需要，必须将其输出的信号放大产生足够大的功率才能驱动步进电机正常运转，根据步进电机容量选择功率放大器。显示器采用LED显示器，由八个发光二极管组成，当发光二极管导通时，相应的一个点或列线（行线）发亮，控制不同的二极管导通就能显示出各种字符（图4）。键盘由若干个键盘组成开关矩阵（图5）。