内蒙古工业大学课程设计
fmax?6667Hz。查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表4-5可知130BYG3502
电动机的空载运行频率可达10000Hz,可见没有超出上限。
4.起动频率的计算
已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq?54.2kg?cm2，电动机转子的转动惯量
Jm?48kg?cm2，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率fq?1500Hz（查《机
电一体化系统设计课程设计指导书》表4-5）。则由式（2-10）可求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：
fL?fq1?Jeq/Jm?1028Hz （2-10）
上式说明，要想保证步进电动机起动不失步，任何时候的起动频率都必须小于1028Hz。实际上，在采用软件升降频率时，起动频率选的更低，通常只有100Hz(即100脉冲/s)。
综上所述，本设计中的工作台的进给传动选用130BYG3502步进电动机，完全满足设计的要求。
5）增量式旋转编码器的选用
本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾部轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角和转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。由步进电动机的步距角??0.6o，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出360/?=600个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出A、B相信号，可以送到五倍频电路进行五细分，因此，编码器的分辨力可选120线。这样每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。
本设计选择编码器的型号为
ZLK-A-120-05V0-10-H：盘状空心型，孔径10mm，
与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V，每转输出120个A/B脉冲，信号为电压输出，生产厂家为长春光机数显技术有限公司。
13
内蒙古工业大学课程设计
第3章 微机数控硬件电路设计
3.1 数控系统由硬件和软件两部分组成
硬件是组成系统的基础，机床硬件电路由以下五部分组成： ⑴、主控制器，即中央控制单元CPU；
⑵、总线，包括数据总线、地址总线和控制总线； ⑶、存储器，包括程序存储器和数据存储器； ⑷、接口，即I/O输入/输出接口电路；
⑸、外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。见图3—1
图3—1 机床数控系统硬件框图
3.2 选择中央处理单元CPU的类型
随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机89C52，价格低廉，而性能优良，功能强大。
在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应
14
内蒙古工业大学课程设计
用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。
计单片机应用系统，首先要设计其核心的单片机系统。从一开始就有一个单片机芯片选型问题。面对不同字长，如4位、8位、16位，各具特色的单片机芯片如何进行选择呢？首先要满足所设计系统的功能和性能要求；其次要选择价格较低的芯片，不要盲目追求过多功能和过高性能；另外要选择那些在国内有成熟的开发系统和稳定的供货来源。如采用流行普遍使用的芯片，资料丰富，能有效地缩短开发周期。
本课程设计目的是设计一种经济型的二坐标数控工作台，其功能比较简单，成本低。因而这里选用MCS-51系列的89C52单片机作为CPU，它具有良好的性能价格比，且易扩展。
3.3 存储器扩展电路设计
由于本设计采用89C52型单片机，它自身的存储就可以满足要求，所以不在需要进行程序和数据的扩展。
3.4 I/O接口电路设计
本课程设计因采用步进电机作为驱动装置。为了降低成本，特采用可编程外围并行接口芯片8255。使其不仅完成驱动步进电机的功能，同时完成与键盘/显示器的接口操作功能。
3.5 显示器接口电路设计
电气原理图中，由10片共阳极LED显示块拼成10位LED显示器。为了简化硬件电路，采用动态显示方式。即所有位的段选线相应地并联在一起，由89C52的P1.0~P1.7口来控制LED显示器的段码，而各位的位选线分别由相应的I/O口线控制。即PC0~PC7、PB6~PB7共10个I/O口线控制，实现各位的分时选通。为了保证各位LED能够显示出本位相应的显示字符，而不出现闪烁，导致人眼看不清，必须根据人眼视觉暂留现象，选择一个合适的扫描频率。图中选用74LS07进行同相驱动。
15
内蒙古工业大学课程设计
3.6 键盘接口电路设计
键盘实质上是一组按键开关的集合。电气原理图中采用矩阵式键盘接口，键盘接口电路通过8255（U5）的PA0~PA3和PC0~PC7、PB6~PB7构成行、列线。按照逐行逐列地检查键盘状态（即扫描）来确定闭合键的位置。
3.7 步进电动机的接口电路设计
对于本课程设计中选用的步进电机，为三相，无论它工作在什么方式，都需要三路控制电路，并且每一路对应于步进电机的一相。而每一路控制电路的结构是一样的。
CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图
3-2如下所示：
（行程开关） 传感器 前向通道 89C52 （步进电机） 后向通道 传动驱动 （键盘、LED） 人机界面 图3-2 CPU外部接口示意图
89C52要完成的任务：
（1）将行程开关的状态读入CPU，通过中断进行处理，它的优先级别最高。 （2）通过程序实时控制电机的运行。
（3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到
LED上，实现人机交互作用。
由于89C52只有P1口和P3口是准双向口，但P3口主要以第二功能为主，并
且在系统中要用到第二功能的中断口，因此要进行I/O扩展。考虑到电路的
16
内蒙古工业大学课程设计
简便性和可实现性，实际中采用内部自带锁存器的8155。
电气原理图中通过8255（U5）的PB0~PB4分别控制X方向步进电机的三相。
对于Y轴步进电机通过8255（U6）的PC0~PC4分别控制Y方向步进电机的三相。
3.8 其它组成
1）电源 提供整个系统的供电部分。 2）限位开关及其反馈信号检测
选择限位开关时可根据额定电压、额定电流、开启频率、触点数等参数进行。选择行程开关，安装于导轨的两端。其作用是控制信号的通断，然后由单片机系统检测该信号的有无，实现控制电机的换向与否的目的。
原理图中通过8255（U5）的PA4~PA7口检测步进电机是否到位，从而采取相应的控制措施。
3）8155引脚及其功能
8155 的结构框图及引脚排列见图3.7。8155 具有40条引脚，采用双列直插式风装，各引脚功能见表3-1。
表3-1 8155引脚功能
引脚 AD0~AD7 PA0~PA7 PB0~PB7 PC0~PC5 TIMER IN 含义 地址、数据线 A口 B口 C口 定时输入 引脚 TIMER OUT IO/M ALE RD WR 含义 定时输出 IO/RAM口选择 地址锁存 读写 引脚 CE RESET VSS VCC 含义 片选 复位 地 电源
17