DZ242電火花線切割機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計

DZ242電火花線切割機(jī)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計,dz242,電火花,切割機(jī),電氣,控制系統(tǒng),設(shè)計 I目 錄第一章 緒論 .........................................................11.1 課題研究的目的與意義 .........................................11.1.1 課題的提出 .............................................11.1.2 課題研究的意義 .........................................11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ...............................................21.2.1 電火花線切割機(jī)工作原理 .................................21.3 本文研究的主要內(nèi)容 ...........................................2第二章 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計 ...........................................42.1 概述 ........................................................42.2 控制方案的選擇 ..............................................42.3 總體方案的設(shè)計 ...............................................52.3.1 控制器的選擇 ...........................................52.3.2 位移檢測元件的選擇 .....................................82.3.3 QH-200 型光柵尺工作原理 ................................92.3.4 外圍電路的選擇 .........................................92.4 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 ............................................11第三章 控制電路的設(shè)計 ..............................................123.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計 .......................................123.1.1 時鐘電路的設(shè)計 ........................................123.1.2 復(fù)位電路的實現(xiàn) ........................................123.1.3 CPU89C55 的主要性能特點 ...............................133.1.4 AT89C55 引腳描述 ......................................143.2 并行接口電路設(shè)計 ...........................................163.2.1 并行接口芯片 8155 引腳說明 .............................173.3 位 置檢測反饋裝置 ............................................203.3.1 光柵式傳感器 ..........................................223.3.2 可編程定時/計數(shù)器 8253 ................................233.4 系統(tǒng)主電路的設(shè)計 ...........................................243.4.1 步進(jìn)電機(jī)的工作方式 ....................................253.4.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動 ........................................25第四章 系統(tǒng)輸 出及輸入裝置 ..........................................284.1 系統(tǒng)顯示電路的設(shè)計 .........................................284.1.1 可編程 8279 鍵盤/顯示器接口 ............................284.1.2 8279 引腳功能 .........................................284.1.3 8279 結(jié)構(gòu)說明 .........................................30第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 ...............................................32總流程圖 ...........................................................33總 結(jié) ...........................................................38致 謝 ...........................................................39參 考 文 獻(xiàn) ................................................40附錄 I：程序清單 ...................................................411第一章 緒論1.1 課題研究的目的與意義1.1.1 課題的提出老式的切割機(jī)床的原理是用高頻滿沖電壓在介質(zhì)中放電，從而使金屬材料在放電間隙中受到蝕除。在操作之前將此零件按其形狀和尺寸經(jīng)計算和用打孔機(jī)將計算結(jié)果在紙帶上排成一定程序。穿孔機(jī) e 光電機(jī)照射紙帶并發(fā)給計算機(jī)輸出信號，來實現(xiàn)自動控制機(jī)床縱，橫向運(yùn)動，使零件與電極絲得到相對移動，即得所需軌跡。隨著數(shù)控線切割機(jī)應(yīng)用不斷擴(kuò)大，機(jī)床本身也得到了不斷的發(fā)展。十多年前的“負(fù)旦型”數(shù)控線切割機(jī)床首先應(yīng)用于實際生產(chǎn)，開始的控制臺是采用晶體管分離元件組裝而成的，而后采用繼承電路，現(xiàn)在正向采用微型計算機(jī)控制的方向發(fā)展，因此本文定義的“電火花線切割機(jī)自動控制系統(tǒng)”是以 AT89C55單片機(jī)作控制核心，步進(jìn)電機(jī)作驅(qū)動電機(jī)，光柵作檢測元件而構(gòu)成的一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。線切割主要用于加工各種形狀復(fù)雜和精密細(xì)小的工件，例如沖裁模的凸模、凹模、凸凹模、固定板、卸料板等，成形刀具、樣板、電火花成型加工用的金屬電極，各種微細(xì)孔槽、窄縫、任意曲線等，具有加工余量小、加工精度高、生產(chǎn)周期短、制造成本低等突出優(yōu)點，已在生產(chǎn)中獲得廣泛的應(yīng)用，目前國內(nèi)外的電火花線切割機(jī)床已占電加工機(jī)床總數(shù)的 60％以上。為了將我國切割機(jī)床能更好的應(yīng)用到實際中，并且更加準(zhǔn)確的保證數(shù)控線切割機(jī)的定位和切割的精度，我們正在做不懈的努力。1.1.2 課題研究的意義從老式的電火花線切割機(jī)到此時的數(shù)控電火花線切割機(jī)，不論從走絲方式還是控制方式上都得到了很大的改進(jìn)，最重要的就是數(shù)字程序控制取代了過去的模仿形控制和光電跟蹤控制。在數(shù)字程序控制大范圍應(yīng)用的情況下，對電火花線切割機(jī)電氣控制系統(tǒng)的要求也就逐漸的提高。但是當(dāng)電火花線切割機(jī)生產(chǎn)工藝要求的提高，原有的線切割機(jī)的模仿形控制系統(tǒng)和光電跟蹤系統(tǒng)將不能滿足生產(chǎn)工藝的要求。而設(shè)計的電氣控制系統(tǒng)的好壞將直接影響到整臺切割機(jī)的生產(chǎn)工藝系數(shù)。21.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國數(shù)控切割行業(yè)發(fā)展比較晚，國內(nèi)有十幾家數(shù)控切割機(jī)生產(chǎn)廠家，每年市場需求量約在 350-400 臺，基本滿足國內(nèi)市場需求， 進(jìn)口產(chǎn)品不足市場總量的 10 ％。但是其中的 80%線切割的電氣控制系統(tǒng)都是照搬國外的技術(shù)，但是在應(yīng)用中卻出現(xiàn)了國外機(jī)床所沒出現(xiàn)的種種問題，已經(jīng)有前人不斷的改進(jìn)，我國的線切割行業(yè)得到了飛速的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)有了自己的電氣系統(tǒng)專利。1.2.1 電火花線切割機(jī)工作原理電火花線切割加工的工作過程主要包括以下三個部分（如圖 1.1 所示）：1.電極絲與工件之間的脈沖放電。2.電極絲沿其軸向（垂直或 z 方向）做走絲運(yùn)動。3.工件對于電極絲在 X.Y 平面內(nèi)做數(shù)控運(yùn)動。圖 1.1 電火花線切割加工原理圖對于本設(shè)計研究的就是第三點：X，Y 坐標(biāo)工作臺上數(shù)控運(yùn)動。工件安裝在上下兩層的 X,Y 坐標(biāo)工作臺上，分別由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動做數(shù)控運(yùn)動。工件相對于電極絲的運(yùn)動軌跡，是由線切割編程所決定的（如圖 1.2 所示）。圖 1.2 上層工作臺的傳動示意圖1.3 本文研究的主要內(nèi)容根據(jù)電火花線切割的工作原理，采用微型計算機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)，使電極絲按照事先所編訂好的程序圖形做運(yùn)動。系統(tǒng)具有自動顯示功能，由鍵盤控制系統(tǒng)啟、停及選擇需要程序圖形等功能。31. 主要幾項技術(shù)指標(biāo):（1）加工軌跡：任意平面曲線及直線（2） 加工精度輪廓線：±0.01 毫米○ 1圓弧隨圓度：±0.02 毫米○ 2（3）. 輔助設(shè)備設(shè)施緊急停車和解除 中停和啟動 越位保護(hù) ○ 1 ○ 2 ○ 3計算機(jī)逆運(yùn)算 齒隙補(bǔ)償 坐標(biāo)變換（同一程序可在八○ 4 ○ 5 ○ 6個不同角度加工） 割嘴手動升降○ 72. 其主要內(nèi)容如下：(1) 系統(tǒng)總體方案設(shè)計，選擇控制方式、微控制器和傳感器，并對輸出通道和執(zhí)行元器件進(jìn)行方案選擇。(2) 系統(tǒng)硬件設(shè)計，介紹線切割電氣控制系統(tǒng)的組成及各個部分的工作原理，并且對各個部分的電路進(jìn)行設(shè)計。(3) 系統(tǒng)軟件設(shè)計，選擇編程語言，描述設(shè)計思想，給出程序流程圖及程序清單。4第二章 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計2.1 概述總體方案設(shè)計的確定是進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計時最重要、最關(guān)鍵的一步，因為總體方案設(shè)計直接關(guān)系到整個控制系統(tǒng)的投資、調(diào)節(jié)性能和實施細(xì)則．2.2 控制方案的選擇開環(huán)控制系統(tǒng)在電氣系統(tǒng)控制中應(yīng)用比較廣泛，特別應(yīng)用在位移精度要求不高的情況下，如生產(chǎn)中的凸凹模、固定板、卸料板等?？刂茊卧鶕?jù)步進(jìn)電機(jī)位移的設(shè)定量直接通過執(zhí)行單元控制步進(jìn)電機(jī)的位移。該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，但由于沒有反饋回路，這類控制系統(tǒng)的位移控制精度很低。 為了提高位移控制的精度，通常采用閉環(huán)負(fù)反饋位移控制系統(tǒng)。負(fù)反饋可以減小位移和定位的偏差，使被控對象的位移量在所要求的位移控制精度范圍內(nèi)變化。偏差量經(jīng)控制器調(diào)整后，輸出控制量控制被控對象的位移，被控對象的位移量再由傳感元件負(fù)反饋到偏差量中，進(jìn)而實時調(diào)整控制被控對象的溫度。由于加入負(fù)反饋，大大提高了系統(tǒng)的位移控制的精度和控制范圍。開環(huán)控制與閉環(huán)控制相比：一般來說，開環(huán)控制結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，工作穩(wěn)定。因此，當(dāng)系統(tǒng)的輸出信號及擾動作用預(yù)先知道時，采用開環(huán)控制即可取得較為滿意的效果。但由于不存在輸出量的反饋，因此，對干擾造成的誤差無自動修正能力。該系統(tǒng)的控制精度完全取決于元件本身的抗干擾措施。從原理上說，閉環(huán)控制系統(tǒng)具有抑制內(nèi)部和外部各種干擾引起系統(tǒng)輸出發(fā)生變化的能力。因此，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求，本系統(tǒng)選擇單閉環(huán)作為控制系統(tǒng)。系統(tǒng)框圖如圖 2.1 所示。圖2.1 閉環(huán)負(fù)反饋位移檢測系統(tǒng)框圖設(shè) 置 量 控 制 器?偏 差 量 控 制 量 被 控 對 象 輸 出 量傳 感 器反 饋 量52.3 總體方案的設(shè)計根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計要求及控制方案，整個控制系統(tǒng)的方案選擇可以分為控制元器件的選擇，位移檢測元器件的選擇，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇，通道的選擇及外圍電路的選擇。2.3.1 控制器的選擇控制系統(tǒng)中能做控制器的主要有 PLC、DSP 以及 MCS-51 系列單片機(jī)等。1.PLC 控制器：PLC 不僅具有傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)的控制功能，而且能擴(kuò)展輸入輸出模塊，特別是可以擴(kuò)展一些智能控制模塊，構(gòu)成不同的控制系統(tǒng)，將模擬量輸入輸出控制和現(xiàn)代控制方法融為一體，實現(xiàn)智能控制、閉環(huán)控制、多控制功能一體的綜合控制?，F(xiàn)代 PLC 以集成度高、功能強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、組態(tài)靈活、工作穩(wěn)定受到普遍歡迎，在傳統(tǒng)工業(yè)的現(xiàn)代化改造中發(fā)揮越來越重要的作用。PLC 具有以下特點：（1）編程簡單，使用面向控制操作的控制邏輯語言。（2）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，適于在惡劣的生產(chǎn)環(huán)境下運(yùn)行。 （3）系統(tǒng)采用了分散的模塊化結(jié)構(gòu)。由于 PLC 采用了大規(guī)模集成電路技術(shù)和微處理器技術(shù)，故可將其設(shè)計的緊湊、堅固、小體積，在加上它的可靠性，PLC 易于裝入機(jī)械設(shè)備內(nèi)部，實現(xiàn)機(jī)電一體化。對于繼電器邏輯控制而言，PLC 可節(jié)省大量繼電器，故降低成本且提高了可靠性。中、高檔 PLC 均具有極強(qiáng)的聯(lián)網(wǎng)通訊能力。2. DSP 控制器：DSP 是數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor）的縮寫，是一種特別適合與進(jìn)行數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器，主要用于實時快速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理的運(yùn)算。DSP 具有以下特點：（1）采用哈佛結(jié)構(gòu)；（2）采用多總線結(jié)構(gòu)；（3）采用流水線結(jié)構(gòu)；（4）具有特殊的 DSP 指令；（5）擁有快速的指令周期；（6）硬件配置強(qiáng)；（7）支持多處理器結(jié)構(gòu)；（8）省電管理和低功耗。3.MCS-51 系列單片機(jī)：單片微型計算機(jī)（Single-Chip Microcomputer） ，簡稱單片機(jī)。它是把一個計算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上，就是將微處理器（CPU） 、存儲器（存放程序或數(shù)據(jù)的 ROM 和 RAM） 、總線、定時器/計數(shù)器、輸入/輸出接口（I/O 口）和其他多種功能器件集成在一塊芯片上的微型計算機(jī)。單片機(jī)的主要特點有：（1）可靠性高；（2）便于擴(kuò)展；（3）控制功能強(qiáng)；6（4）低電壓、低功耗；（5）片內(nèi)存儲容量較小。除此之外，單片機(jī)還具有集成度高、體積小、性價比高、應(yīng)用廣泛、易于產(chǎn)品化等特點。4.各種處理器的比較：PLC 的 CPU 模塊在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中應(yīng)用的范圍比較廣泛，但是其只適合與應(yīng)用在大型的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中，因為，PLC 系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)較 DSP系統(tǒng)簡單，但是其整體的體積較大，在某些特定環(huán)境中不適合與應(yīng)用。再者，PLC 在編程時主要使用梯形圖程序進(jìn)行編程，整體程序比使用高級語言或匯編語言編寫的程序冗長，在程序出現(xiàn)錯誤時，不易與在短時間內(nèi)進(jìn)行修改。DSP 芯片集成度高，運(yùn)算速度快，但是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，而且它主要用于對數(shù)字信號的處理，再加上 DSP 在編程時使用的是類似于 C 語言的高級語言進(jìn)行編程，程序編寫時較 PLC 的梯形圖程序和單片機(jī)的匯編語言復(fù)雜，不便于在程序出錯時進(jìn)行短時間的修改。MCS-51 系列及其衍生系列的微處理器在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也比較廣泛，其適合與各種類型的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，其信號處理類型也屬于數(shù)字信號，但是，由于其外部擴(kuò)展芯片可以進(jìn)行 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換，因此，也可以對模擬信號進(jìn)行處理。單片機(jī)的編程語言是比較低級的匯編語言，該語言比 C 語言好掌握，而且在程序出現(xiàn)錯誤時，可以在短時間內(nèi)找到錯誤點，并進(jìn)行修改。因此本系統(tǒng)選用單片機(jī)作為控制器。5.單片機(jī)種類、特點、廠家的比較：(1)ATMEL 單片機(jī)：ATMEL 公司的 AVR 單片機(jī),是增強(qiáng)型 RISC 內(nèi)載 Flash 的單片機(jī),芯片上的Flash 存儲器附在用戶的產(chǎn)品中,可隨時編程,再編程,使用戶的產(chǎn)品設(shè)計容易,更新?lián)Q代方便.AVR 單片機(jī)采用增強(qiáng)的 RISC 結(jié)構(gòu),使其具有高速處理能力,在一個時鐘周期內(nèi)可執(zhí)行復(fù)雜的指令,每 MHz 可實現(xiàn) 1MIPS 的處理能力.AVR 單片機(jī)工作電壓為 2.7~6.0V,可以實現(xiàn)耗電最優(yōu)化.AVR 的單片機(jī)廣泛應(yīng)用于計算機(jī)外部設(shè)備,工業(yè)實時控制,儀器儀表,通訊設(shè)備,家用電器,宇航設(shè)備等各個領(lǐng)域. (2)Motorola 單片機(jī): Motorola 是世界上最大的單片機(jī)廠商.從 M6800 開始,開發(fā)了廣泛的品種,4位,8 位,16 位 32 位的單片機(jī)都能生產(chǎn),其中典型的代表有:8 位機(jī)M6805,M68HC05 系列,8 位增強(qiáng)型 M68HC11,M68HC12 , 16 位機(jī) M68HC16, 32 位機(jī)M683XX. Motorola 單片機(jī)的特點之一是在同樣的速度下所用的時鐘頻率較Intel 類單片機(jī)低得多,因而使得高頻噪聲低,抗干擾能力強(qiáng),更適合于工控領(lǐng)域及惡劣的環(huán)境 . (3)MicroChip 單片機(jī):7MicroChip 單片機(jī)的主要產(chǎn)品是 PIC 16C 系列和 17C 系列 8 位單片機(jī),CPU采用 RISC 結(jié)構(gòu),分別僅有 33,35,58 條指令,采用 Harvard 雙總線結(jié)構(gòu),運(yùn)行速度快,低工作電壓,低功耗,較大的輸入輸出直接驅(qū)動能力,價格低,一次性編程,小體積. 適用于用量大,檔次低,價格敏感的產(chǎn)品.在辦公自動化設(shè)備,消費(fèi)電子產(chǎn)品,電訊通信,智能儀器儀表,汽車電子,金融電子,工業(yè)控制不同領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用,PIC 系列單片機(jī)在世界單片機(jī)市場份額排名中逐年提高.發(fā)展非常迅速. (4)MDT20XX 系列單片機(jī): 工業(yè)級 OTP 單片機(jī),Micon 公司生產(chǎn),與 PIC 單片機(jī)管腳完全一致,海爾集團(tuán)的電冰箱控制器,TCL 通信產(chǎn)品,長安奧拓鈴木小轎車功率分配器就采用這種單片機(jī). (5)EM78 系列 OTP 型單片機(jī):臺灣義隆電子股份有限公司,直接替代 PIC16CXX,管腳兼容,軟件可轉(zhuǎn)換. (6)EPSON 單片機(jī): EPSON 單片機(jī)以低電壓,低功耗和內(nèi)置 LCD 驅(qū)動器特點著名于世,尤其是 LCD驅(qū)動部分做得很好.廣泛用于工業(yè)控制,醫(yī)療設(shè)備,家用電器,儀器儀表,通信設(shè)備和手持式消費(fèi)類產(chǎn)品等領(lǐng)域.目前 EPSON 已推出四位單片機(jī) SMC62 系列,SMC63系列,SMC60 系列和八位單片機(jī) SMC88 系列. (7)東芝單片機(jī): 東芝單片機(jī)門類齊全,4 位機(jī)在家電領(lǐng)域有很大市場,8 位機(jī)主要有 870 系列,90 系列,該類單片機(jī)允許使用慢模式,采用 32K 時鐘時功耗降至 10UA 數(shù)量級.東芝的 32 位單片機(jī)采用 MIPS 3000A RISC 的 CPU 結(jié)構(gòu),面向 VCD,數(shù)字相機(jī),圖像處理等市場. (8)8051 單片機(jī): 8051 單片機(jī)最早由 Intel 公司推出,其后,多家公司購買了 8051 的內(nèi)核,使得以 8051 為內(nèi)核的 MCU 系列單片機(jī)在世界上產(chǎn)量最大,應(yīng)用也最廣泛,有人推測8051 可能最終形成事實上的標(biāo)準(zhǔn) MCU 芯片. LG 公司生產(chǎn)的 GMS90 系列單片機(jī),與 Intel MCS-51 系列,Atmel 89C51/52,89C2051 等單片機(jī)兼容,CMOS 技術(shù),高達(dá) 40MHZ 的時鐘頻率,應(yīng)用于: 多功能電話,智能傳感器,電度表,工業(yè)控制,防盜報警裝置,各種計費(fèi)器,各種 IC卡裝置,DVD,VCD,CD-ROM. 綜上所述，本文選用美國 ATMEL 公司推出的 AT89C55 單片機(jī)作為步進(jìn)電機(jī)的控制原件。它是一個低功耗，高性能的含有 20KB 閃存存儲器的 8 位 CMOS 單片機(jī)，時鐘頻率高達(dá) 20HZ.閃爍存儲器允許在線(+5V)電擦除、電寫入或使用編程器對其重復(fù)編程。此外，89C51 還支持軟件選擇的 2 種掉電工作方式，非常8適于電池供電或其它要求低功耗的場合。2.3.2 位移檢測元件的選擇現(xiàn)今的數(shù)控機(jī)床都位移檢測系統(tǒng)大部分都才用光柵尺做位移檢測元件。光柵尺不僅價格低廉，而且其測量精度完全可以達(dá)到線切割加工工藝要求。光柵尺傳感器分為敞開式和封閉式兩類。敞開式為高精度型，輸出波型為正弦波，主要用于精密儀器的數(shù)字化改造，最高分辨率為 0.1μm. 但是敞開式最主要的缺點就是受到磁場的影響很大，這對于要求很高的線切割來說是不夠的。封閉式雖然在精度上比敞開式的略微差點，造價也相應(yīng)的高了點，但是對于要求比較高的情況下，這種光柵尺的優(yōu)點也就顯示出來。封閉式主要用于普通機(jī)床、儀器的數(shù)字化改造，輸出波形為方波，按外形分類可分為小型尺、標(biāo)準(zhǔn)型，型號分別為 QH-200、QH-400，其中標(biāo)準(zhǔn)型最長可做到 3000mm，分辨率有1μm、5μm。光柵線位移傳感器數(shù)顯系統(tǒng)主要應(yīng)用于直線移動導(dǎo)軌機(jī)構(gòu),可實現(xiàn)移動量的精確顯示和自動控制,已廣泛應(yīng)用于機(jī)床加工和儀器的精密測量. 綜上，在本設(shè)計中，將選擇封閉式的 QH 系列的光柵傳感器（如圖 2.2 所示）。1.QH 系列光柵傳感器特點（1） 密封膠條采用特殊的耐油、耐蝕、高彈性及耐老化塑膠。防塵性能優(yōu)異，使用壽命長。（2） 最先進(jìn)可靠的光學(xué)測量系統(tǒng)：滑動部件采用已被驗證為最可靠耐用的高精度五軸承系統(tǒng)設(shè)計，保證光學(xué)機(jī)械系統(tǒng)的穩(wěn)定性，優(yōu)異的重復(fù)定位性和高等級的測量精度。（3） 柵玻璃尺：采用先進(jìn)的光柵制作技術(shù)，制作各種規(guī)格的高精度光柵玻璃尺，最長的可做到 3000mm（不接長） 。2.封閉式 QH-200 光柵線位傳感器參數(shù)(1)柵距：0.01mm(100 線對/mm)、0.02mm(50 線對/mm)、0.04mm(25 線對/mm)；(2)精度：±0.008mm、±0.01mm、±0.015mm、(20℃ 1000mm)；(3)參考標(biāo)記：間隔 25mm、間隔 50mm、間隔 100mm、間隔 200mm、或全量程任意位置設(shè)一個絕對位置參考點(ABS)；(4)量程：1000mm 以內(nèi)任意選擇；(5)分辨率：0.5um、1um、5um 響應(yīng)速度：25m/min、 60m/min；（6）工作溫度：0-45℃ 存儲溫度：-40℃-55℃；9（7）輸出信號：二路 TTL 方波、HTL 方波(5V、12V、15V、24V)、RS422 信號、正弦電壓信號 1Vp-p圖 2.2 QH-200 型光柵尺實物圖2.3.3 QH-200 型光柵尺工作原理現(xiàn)代的自動控制系統(tǒng)中已廣泛地采用光電傳感器(如光柵尺)來解決軸的線位移、轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角的監(jiān)測和控制問題。QH 系列光柵尺是柵讀數(shù)頭、光柵和接口組成。光柵上均勻地刻有透光和小透光的線條，一般情況卜，線條數(shù)按所測精度刻制，為了判別出運(yùn)動方向，線條被刻成相位上相差 90“的兩路。當(dāng)讀數(shù)頭運(yùn)動時，接口電路的光電接收器分別產(chǎn)生 A 相和 B 相兩路相位相差 90“的脈沖波（如圖 2.3 所示） 。圖 2.3 QH 系列光柵原理圖2.3.4 外圍電路的選擇選擇一個好的控制器可以使系統(tǒng)有好的性能；選擇適當(dāng)?shù)臋z測元件可以提10高測量精度。如果沒有外圍電路的顯示、適時監(jiān)控，隨之報警等一系列的完善，那么要達(dá)到控制精度是非常困難的。1．顯示器的選擇在本控制系統(tǒng)中，需要對溫度進(jìn)行測量，并根據(jù)測量值進(jìn)行判斷，在經(jīng)過控制器進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，需要有顯示電路。常用的顯示器有LCD，LED，CRT 等。LCD 顯示器的原文是 Liquid Crystal Display，取每字的第一個字母組成，中文多稱液晶平面顯示器或液晶顯示器。其工作原理就是利用液晶的物理特性：通電時排列變得有序，使光線容易通過；不通電時排列混亂，阻止光線通過，說簡單點就是讓液晶如閘門般地阻隔或讓光線穿透。 LCD 的好處有： 與 CRT顯示器相比，LCD 的優(yōu)點主要包括零輻射、低功耗、散熱小、體積小、圖像還原精確、字符顯示銳利等。缺點主要有：可視范圍小，一般在 135 度；低端顯示器文字顯示效果差強(qiáng)人意；亮度較低；顯示顏色種類不及 CRT，有輕微的失真；低端 LCD 響應(yīng)時間長，玩游戲或看電影拖尾，影響效果；好的 LCD 價格偏高，大部分人不容易接受。CRT 陰極管顯示器的工作原理與電視機(jī)的顯像管差不多，在真空的顯像管中，把在尾端產(chǎn)生的電子照射到前方的磷質(zhì)顯示器。傳統(tǒng)的 CRT 顯示器由于需要內(nèi)藏真空顯像管，因此身形比 LCD 顯示器大很多，此為 LCD 液晶顯示器的其中一個優(yōu)勝之處，由于體積較小，所以放置時的彈性也較大。而次要考慮的就是用家身體健康問題，由于傳統(tǒng)的 CRT 顯示器內(nèi)含的電子光束在運(yùn)作時會產(chǎn)生很多靜電與幅射，因此長期使用，會對眼睛有損害，造成近視等問題產(chǎn)生。CRT顯示器的優(yōu)點：可視范圍大，一般是 180 度可見；能顯示無窮多色，色彩質(zhì)量接近照片；響應(yīng)時間短，沒有拖尾現(xiàn)象；色彩飽和度、亮度較高，長時間使用感覺舒適。缺點：輻射，耗電能力高；存在刷新率問題，容易對眼睛產(chǎn)生不利影響。：LED 是發(fā)光二極管 Light Emitting Diode 的英文縮寫。 LED 應(yīng)用可分為兩大類：一是 LED 單管應(yīng)用，包括背光源 LED，紅外線 LED 等；LED 顯示屏是由發(fā)光二極管排列組成的一顯示器件。它采用低電壓掃描驅(qū)動，具有：耗電少、使用壽命長、成本低、亮度高、故障少、視角大、可視距離遠(yuǎn)等特點。LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種顯示方式。LED 工作于靜態(tài)方式顯示時，各位的共陰極（或共陽極）連接到一起并接地（或+5V） ；每位的段選線分別與一個 8 位的鎖存器輸出相連。所以稱為靜態(tài)顯示。各個的顯示字符一經(jīng)確定，相應(yīng)鎖存器的輸出將維持不變，直到顯示另一個字符為止。正因為如此，靜態(tài)顯示的亮度較高。11在多位 LED 顯示時，通常采用 LED 的動態(tài)顯示方式。為了簡化硬件電路，通常將所有位的段選線相應(yīng)的并聯(lián)在一起，有一個 8 位的 I/O 控制，形成段選線的多路復(fù)用。而各位的共陽極或共陰極分別由相應(yīng)的 I/O 口線控制，實現(xiàn)各位的分時選通。根據(jù)本系統(tǒng)的顯示要求，本系統(tǒng)采用 6 位 LED 動態(tài)顯示。2．鍵盤電路的選擇常用的鍵盤有獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤。獨立式鍵盤就是各鍵相互獨立，每個按鍵各接一個數(shù)據(jù)線，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易的判斷哪個按鍵被按下。鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。鍵的閉合與否，反映在行線輸出電壓上就是呈現(xiàn)高電平或低電平，如果高電平表示鍵斷開，低電平則表示閉合，通過對行線電平高低狀態(tài)的檢測，便可確認(rèn)按鍵按下與否。矩陣式鍵盤用于鍵盤數(shù)目較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵位于行列的交叉點上。在按鍵數(shù)目較多的場合，矩陣式鍵盤與獨立式鍵盤相比，要節(jié)省很多 I/O 口線的錢。無按鍵按下時，行線處于高電平狀態(tài)，而當(dāng)有按鍵按下時，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線的電平組成。因為本系統(tǒng)顯示的位數(shù)較多，顯示主要選擇功能即可。所以不用擴(kuò)展鍵盤。在鍵盤控制中，本設(shè)計采用的是矩陣式鍵盤，即節(jié)省了 I/O 口線，又能完成設(shè)計要求。2.4 系統(tǒng)總體方案設(shè)計根據(jù)上述總體方案的選擇，電火花線切割電氣控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)框圖如圖2.4所示。圖2.4系統(tǒng)總體組成結(jié)構(gòu)框圖光柵傳感器將位移信息變換為兩路方波信號后，將方波信號放大到單片機(jī)可以處理的范圍內(nèi)，并送入單片機(jī)。單片機(jī)將檢測到的位移信息與設(shè)定值進(jìn)行矩 陣 式鍵 盤 輸 入 AT89C56位 LED動 態(tài) 顯 示 并 行 接 口 電 路 驅(qū) 動 電 路 步 進(jìn) 電 機(jī)位 置 檢 測 反 饋 裝 置12比較，如果不相符，數(shù)字調(diào)節(jié)程序根據(jù)給定值與測得值的差值按PID控制算法設(shè)計控制量，觸發(fā)程序根據(jù)控制量控制執(zhí)行單元。系統(tǒng)通過光柵傳感器檢測步進(jìn)電機(jī)的位移情況,單片機(jī)通過內(nèi)部設(shè)定的算法進(jìn)行運(yùn)算后通過控制驅(qū)動電路的給定信號,從而控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行軌跡. 單片機(jī)通過外接的LED 顯示屏實時顯示所檢測的位移坐標(biāo)等。第三章 控制電路的設(shè)計3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計3.1.1 時鐘電路的設(shè)計時鐘電路是用來產(chǎn)生 89C55 單片機(jī)工作時所必須的時鐘信號，89C55 本身就是一個復(fù)雜的同步時序電路，為保證工作方式的實現(xiàn)，89C55 在唯一的時鐘信號的控制下嚴(yán)格的按時序執(zhí)行指令進(jìn)行工作 ，時鐘的頻率影響單片機(jī)的速度和穩(wěn)定性。通常時鐘有兩種形式：內(nèi)部時鐘和外部時鐘。我們系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式來為系統(tǒng)提供時鐘信號。89C55 內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，該放大器的輸入輸出引腳為 XTAL1 和XTAL2，它們跨接在晶體振蕩器和用于微調(diào)的電容之間，便構(gòu)成了一個自激勵振蕩器。如圖 3.1 所示圖 3.1 時 鐘 電 路電路中的 C1、C2 的選擇在 30PF 左右，但電容太小會影響振蕩的頻率、穩(wěn)定性和快速性。晶振頻率在 1.2MHZ～12MHZ 之間，頻率越高單片機(jī)的速度就越快，但是對存儲器速度要求就高。為了提高穩(wěn)定性我們采用溫度穩(wěn)定性好的NPO 電容，采用的晶振頻率為 12MHZ。EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 W16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 PSEALE/P TXD RXD 12MHZ 20PF 20PF 133.1.2 復(fù)位電路的實現(xiàn)51 系列單片機(jī)的復(fù)位信號有 RST 引腳輸入，高電平有效。當(dāng) RST 引腳輸入高電平并保持 2 個周期以上時，單片機(jī)內(nèi)部就會執(zhí)行復(fù)位操作。若 RST 引腳一直保持高電平，那么單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。為了保證復(fù)位成功，一般復(fù)位引腳 RST 上只要出現(xiàn) 10MS 以上的高電平，單片機(jī)就實現(xiàn)了可靠的復(fù)位。復(fù)位電路采用手動復(fù)位電路。如圖 3.2 所示圖 3.2 手動復(fù)位電路手動復(fù)位電路是上電復(fù)位的改進(jìn)型，上電瞬間 RST 端的電位與 VCC 相同，隨著充電電流的減小，RST 端的電位逐漸下降。當(dāng) RSI 電壓穩(wěn)定后，手動復(fù)位時按下復(fù)位按鈕，電容 C 通過 1 千歐的電阻迅速放電，使 RST 端迅速變?yōu)楦唠娖?，?fù)位按鍵松開后，電容通過 R 和內(nèi)部下拉電阻放電，逐漸使 RST 端恢復(fù)為低電平，完成復(fù)位。實物連接如圖 3.3 所示圖 3.3 手動復(fù)位電路143.1.3 CPU89C55 的主要性能特點兼容 MCS - 51 的（ TM ）產(chǎn)品，該 AT89C55 是一種低功耗，高性能的CMOS 8 位微機(jī)，20KB 閃存可編程和可擦除記憶體。該裝置是馬努-同使用高密度非揮發(fā)性記憶體技術(shù)，兼容業(yè)界標(biāo)準(zhǔn) 80C51 的指令集和引腳相結(jié)合的靈活 8位 CPU，單片機(jī)芯片 AT89C55 是一個功能強(qiáng)大，高度靈活的微型單片機(jī)1.內(nèi)部程序儲存器用來儲存程序，8031 無此部件， AT89C55 當(dāng)中有 20KB 的 ROM2.內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器（RAM）片內(nèi)為 8*128B 的 RAM， 數(shù)據(jù)儲存器來儲存單片機(jī)運(yùn)行期間的工作變量，運(yùn)算的中間結(jié)果，數(shù)據(jù)暫存和緩沖，標(biāo)志位等。 片內(nèi)的 8*128B 的 RAM 以高速的 RAM 的形式集成在單片機(jī)內(nèi)，可以加快單片機(jī)的速度，而且這種結(jié)構(gòu)的 RAM還可以降低功耗。3.輸入/輸出口線89C55 共擴(kuò)充 32 根輸入/輸出口線4.定時器/計數(shù)器有 3 個 16 位定時器/計數(shù)器5.串行口片內(nèi)有 32 個可編程串行 I / O 接口，有四種工作方式，可通過編程選定6.寄存器區(qū)內(nèi)部 ROM 中開辟了 4 個通用工作寄存器區(qū)，共 32 個通用寄存器，以適應(yīng)多種中斷或子程序嵌套的情況。7.中斷有 6 個中斷源，分為三個優(yōu)先級，每個中斷源的優(yōu)先級都是可編程的。8.堆棧堆棧的位置是可編程的，堆棧的深度可達(dá) 128 字節(jié)。9.布爾處理機(jī)有一個由直接可尋址位組成的布爾處理機(jī)，即位處理機(jī)。在指令系統(tǒng)中包含了 1 個指令子集，專用于對布爾處理機(jī)的各位進(jìn)行各種布爾處理，特別適用于控制目的和解決邏輯問題。10.指令系統(tǒng)共 111 種指令，按功能分為 5 類（1）數(shù)據(jù)傳送 （2）數(shù)據(jù)邏輯類 （3）控制程序轉(zhuǎn)移類 （4）邏輯操作類（5）布爾變量操作類15當(dāng)振蕩器頻率為 12MHZ 時，大部分指令執(zhí)行時間為 1υs,少部分為 2υs,乘除指令的執(zhí)行時間為 4υs。3.1.4 AT89C55 引腳描述CMOS 工藝制造的 AT89C55 除采用 DIP 封裝方式外，還采用方形的封裝方式，共 40 條引腳，其中兩條專用于主電源的引腳，2 條外接晶體的引腳，4 條控制或與其它電源復(fù)用的引腳，32 條 I/O 引腳，現(xiàn)分別敘述這 40 條引腳的功能。1. 主電源引腳 Vss 和 VccVss：接地Vcc: 正常操作時接+5V 電源2. 外接晶體引腳 XITL1 和 XITL2XITL1：接外部晶體的一個引腳，在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個反向放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器，當(dāng)采用外接振蕩器時，對于 HMOS 單片機(jī)，此引腳接地；對于 CHMOS 單片機(jī)，此引腳作為驅(qū)動端。XITL2：接外部晶體的另一端，在單片機(jī)內(nèi)部，接至上述震蕩器的反向放大器輸出端采用外部振蕩器時，對 HMOS，該引腳接收振蕩器的信號，即把此信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，對于 CHMOS,此引腳應(yīng)懸浮。3. 控制或與其它電源復(fù)用引腳 RST/VPD ALE/PROG PSEN 和 EA/VPP。RST/VPD：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時,在此引腳上出現(xiàn)兩個機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位.推薦在引腳與 Vss 之間連一個約 8.2KΩ 的電容,即保證可靠的復(fù)位.Vcc :掉電期間,此引腳可接上備用電源以保持內(nèi)部 RAM 的數(shù)據(jù),當(dāng) Vcc 下掉到低于規(guī)定的水平時,而 VPD 在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)(5±0.5),VPD 就向內(nèi)部 RAM提供備用電源.ALE/DPTG:當(dāng)訪問外部存儲器時,ALE 的輸出用與鎖存地址的地址字節(jié),即使不訪問外部存儲器,ALE 仍以不變的頻率周期性出現(xiàn)正脈沖信號,次頻率用于振蕩器頻率的 1/6.因此,它可用作對外輸出的時鐘,或用于定時目的,然而要注意的是:每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時,將跳過一個 ALE 端并可以驅(qū)動 lSTTL 的輸入.PSEN:次輸出是外部程序存儲器的讀選通信號,在由外部程序存儲器取指令(或常數(shù))期間,每個機(jī)器周期兩次 PSEN 有效.但在此期間內(nèi),每當(dāng)訪問外部程序存儲器時,這兩次有效的 PSEN 信號將不出現(xiàn),PSEN 同樣可以驅(qū)動(吸收或輸出)8個 LSTTL 輸入.EA/VPP:當(dāng) EA 端保持高電平時,訪問內(nèi)部程序存儲器,但在 PC 值超過 OFFFH時將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器的程序.當(dāng) EA 保持低電平時,則只訪問外部程16序存儲器,不管是否有內(nèi)部程序存儲器.4. 輸入/輸出引腳 P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7 ，P3.0～P3.7P0 口既可作地址/數(shù)據(jù)總線使用，又可做通用 I/O 口使用；做輸出口用時，輸出級屬于開路電路，在驅(qū)動 NMOS 電路時應(yīng)外接上拉電阻；作為輸入口用之前，應(yīng)先將鎖存器寫 1，這時輸出極 FET 皆截止，可用做高阻抗輸入。當(dāng) P0 口作地址/數(shù)據(jù)總線使用時，就不能再把它當(dāng)通用 I/O 口使用。P1 口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，區(qū)別于 P0 口。3.2 并行接口電路設(shè)計在單片機(jī)本身的 I/O 口，由于已經(jīng)被系統(tǒng)總線占用了一部分，真正用作I/O 的口線也不多，為了適應(yīng)系統(tǒng)的需要，我們系統(tǒng)的 P0 口帶載的芯片較多，為了緩解 P0 口的壓力我們通過擴(kuò)展并行口的方法來解決這個問題。這樣解決了P0 口帶載不足的問題。擴(kuò)展并行口的方案很多，例如有 8155 擴(kuò)展，74LS373 擴(kuò)展等。在這里我們采用 8155A 作為系統(tǒng)并行口的擴(kuò)展芯片。8155A 可以擴(kuò)展三個八位的并行口。在這里我們要了解它的性能才能更好的運(yùn)用它。由于篇幅有限只能簡要介紹一部分。8155 是 INTEL 公司生產(chǎn)的可編程的并行 I/O 接口芯片。它具有三個八位并行 I/O 口。三種工作方式可根據(jù)編程來改變其功能。它采用了 40 引腳雙列直插封裝，下面我們簡單介紹其引腳和功能。D0～D7：三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線，是與單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線連接，用來傳送數(shù)據(jù)信息。：片選信號，低電平有效，控制數(shù)據(jù)的讀出。：寫入信號線，低電平有效，控制數(shù)據(jù)的寫入。VCC：+5V 電源。PA0～PA7：A 輸入/輸出線。PB0～PB7：B 輸入/輸出線。PC0～PC7：C 輸入輸出線。接口電路如圖 3.417圖 3.4 并行接口電路3.2.1 并行接口芯片 8155 引腳說明編程并行接口芯片 Intel 8155 內(nèi)部含有 256 字節(jié)的靜態(tài)ＲＡＭ，兩個并行8 位口 PA、PB，一個并行的 6 位口 PC，以及一個 14 位的定時/計數(shù)器，是單片機(jī)系統(tǒng)最常用的接口芯片之一，掌握其性能與作用方法非常重要。8155 可直接與 CPU 接口，8155 的 RAM 和 I/O 編址由 IO/M 和 ALE 鎖存的地址來控制，IO/M=0 選擇 RAM 編址為 00-FFH；IO/M=1 對 8155 的 I/O 口進(jìn)行讀寫，8155 內(nèi)部I/O 編址如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 ● PA、PB：定義口 A、口 B，0 為輸入，1 為輸出18● IEA、IEB：口 A、口 B 中斷控制，1 為允許，0 為禁止 1. 8155 接口芯片引腳圖，如圖 3.5 所示圖 3.5 8155 芯片管腳圖RESET:復(fù)位信號線，高電平有效，在該輸入端加一脈沖寬度為 600ns 的高電平信號，就可使 8155 可靠復(fù)位，復(fù)位時三個輸入/輸出口預(yù)置為輸入方式。CE:片選端,8155 為低電平有效，當(dāng) 8155 上加一個低電平時，芯片被選中，可以與單片機(jī)交換信息。AD0～AD7:三態(tài)地址/數(shù)據(jù)總線，在 ALE 的下降沿時，把 8 位地址鎖存于內(nèi)部地址鎖存器，地址可代 RAM 或輸入/輸出用，由 IO/M 信號的極性而定，8 位數(shù)據(jù)的流向取決于 RD 或 WR 信號的狀態(tài)。ALE:地址鎖存器啟用信號線，高電平有效，其下降沿把 AD0～AD7 上的地址，片選信號、IO/M 信號鎖存起來。IO/M:IO 和 RAM 選擇信號線，高電平選擇輸入/輸出，該線低電平選擇存儲器。RD：讀信號線，低電平有效，當(dāng)片選信號與 RD 有效時，開啟 AD0～AD7 緩沖器，如果 IO/M 為低電平，則 RAM 的內(nèi)容讀至 AD0～AD7，如果 IO/M 為高電平，則選中的輸入/輸出口的內(nèi)容讀到 AD0～AD7。WR:寫信號線，低電平有效，當(dāng)片選信號和 WR 信號有效時，AD0～AD7 上的數(shù)據(jù)將根據(jù) IO/M 極性寫入 RAM 或 I/O 口。PA0～PA7:輸入/輸出口 A 的信號線，通用 8 位輸入/輸出口，輸入/輸出的方向通過對命令/狀態(tài)寄存器的編程來選擇。PB0～PB7:輸入/輸出口 B 的信號線，通用 8 位輸入/輸出口，輸入/輸出的方向通過對命令/狀態(tài)寄存器的編程來選擇。19PC0～PC5:輸入/輸出口 C 的信號線，6 位可編程輸入/輸出口，也可用作 A和 B 口的控制信號線，通過對命令/狀態(tài)寄存器編程來選擇。INT:定時/計數(shù)器輸入信號線，定時/計數(shù)器的時鐘由此線輸入。TOUT:定時/計數(shù)器的輸出信號線,輸出信號為方波還是脈沖則由定時/計數(shù)器的工作方式而定。VCC:電源線，接＋５V 直流電源。VSS:接地線，接到公用地線上。2.定時器/計數(shù)器8155 還具有一個 14 位的定時器/計數(shù)器，如表為方式控制字：04H：T7 T6 T5 T4 T3 T2 T1 T005H：M2 M1 T13T12T11T10T9 T8T13—T0：計數(shù)長度；M2、M1：定時器方式。8155 的定時器為 14 位的減法計數(shù)器，可以對輸入脈沖進(jìn)行減法計數(shù)，定時器由 T13—T0 來設(shè)定定時器時間長度， M2、M1 設(shè)定輸出方式如表 3.6 所示表 3.6 M1M2 設(shè)定輸出方式M2 M1 方式0 0 單方波0 1 連續(xù)方波1 0 單脈沖1 1 連續(xù)脈沖方式 1方式 1 是一種選通輸入／輸出方式。它把 A 口和 B 口用作數(shù)據(jù)傳送，C 口的部分引腳作為固定的專用應(yīng)答信號，A 口和 B 口可以通過方式控制字來設(shè)置方式 1。這種方式多用于查詢傳送和中斷傳送。方式 2方式 2 是一種雙向選通輸入／輸出方式。它利用 A 口為雙向輸入／輸出口，C 口的 PC3～PC7 作為專用應(yīng)答線。方式 2 只用于端口 A，在方式 2 下，外設(shè)可以通過端口 A 的 8 位數(shù)據(jù)線，向 CPU 發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以從 CPU 接收數(shù)據(jù)。當(dāng)8155 接收到寫入控制端口的控制字時，首先測試控制字的最高位，如為 1，則是方式選擇控制字；如為 0，則不是方式選擇控制字，而是對端口 C 置 1／置 0控制字，這是由于端口 C 的每一位可作為控制位來使用。203.3 位置檢測反饋裝置對于一個設(shè)計完善的伺服系統(tǒng)而言，其定位精度主要取決于位置測量裝置。由于光柵尺具有分辨率高，響應(yīng)速度快，體積小，重量輕，輸出穩(wěn)定，耐惡劣環(huán)境等特點，所以在電機(jī)伺服控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。在實際應(yīng)用中，通常采用四倍頻的方法，以提高光電碼盤的定位精度。因此結(jié)構(gòu)簡單性能穩(wěn)定運(yùn)行可靠的四倍頻電路是電機(jī)伺服電路的一個重要組成部分。通常光柵尺的四倍頻電路與判向電路設(shè)計為一個整體 故又統(tǒng)稱為四倍頻及判向電路。能夠?qū)崿F(xiàn)四倍頻的電路結(jié)構(gòu)很多，但在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，由于某些四倍頻電路的精度或穩(wěn)定性不高,使傳感器整體性能下降．作者在分析幾種常見四倍頻電路的基礎(chǔ)上，針對不同的應(yīng)用，設(shè)計了這種四倍頻電路。圖 3.7 位置檢測電路四細(xì)分與辨向模塊邏輯電路如圖 3.7 所示，采用 10MB 晶振產(chǎn)生全局時鐘CLK，假設(shè)信號 A 超前于 B 時代表指示光柵朝某一方向移動，A 滯后于 B 時表示光柵的反方向移動。A，B 信號分別經(jīng)第一級 D 觸發(fā)器后變?yōu)?A＇，B＇信號，再經(jīng)過第二級 D 觸發(fā)器后變?yōu)?A″，B″信號。D 觸發(fā)器對信號進(jìn)行整形，消除了輸入信號中的尖脈沖影響，在后續(xù)倍頻電路中不再使用原始信號 A，B，因而提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。在四倍頻辨向電路中，采用組合時序邏輯器件對A＇A″，B＇B″信號進(jìn)行邏輯組合得到兩路輸出脈沖：當(dāng) A 超前于 B 時，ADD為加計數(shù)脈沖，MIMUS 保持高電平；反之，當(dāng) A 滯后于 B 時，ADD 保持高電平,MINUS 為減計數(shù)脈沖．　21光柵傳感器輸出兩路相位相差為 90 的方波信號 A 和 B.如圖 3.8 所示，用A，B 兩相信號的脈沖數(shù)表示光柵走過的位移量，標(biāo)志光柵分正向與反向移動。四倍頻后的信號，經(jīng)計數(shù)器計數(shù)后轉(zhuǎn)化為相對位置。計數(shù)過程一般有兩種實現(xiàn)方法：一是由微處理器內(nèi)部定時計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)；二是由可逆計數(shù)器實現(xiàn)對正反向脈沖的計數(shù)。圖 3.8 光柵傳感器輸出示意圖光柵信號 A，B 有以下關(guān)系：1.當(dāng)光柵正向移動時，光柵輸出的 A 相信號的相位超前 B 相 90，則在一個周期內(nèi)，兩相信號共有 4 次相對變化：00→10→11→01→00．這樣,如果每發(fā)生一次變化，可逆計數(shù)器便實現(xiàn)一次加計數(shù),一個周期內(nèi)共可實現(xiàn) 4 次加計數(shù)，從而實現(xiàn)正轉(zhuǎn)狀態(tài)的四倍頻計數(shù)。2.當(dāng)光柵反向移動時，光柵輸出的 A 相信號的相位滯后于 B 相信號 90，則一個周期內(nèi)兩相信號也有 4 次相對變化：00→01→11→10→00。同理，如果每發(fā)生一次變化，可逆計數(shù)器便實現(xiàn)一次減計數(shù)，在一個周期內(nèi)，共可實現(xiàn) 4 次減計數(shù)，實現(xiàn)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的四倍頻計數(shù)。綜合上述分析，可以作出處理模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖(見圖 3.9)，其中“+”、“-”分別表示計數(shù)器加／減 1,“0”表示計數(shù)器不動作。圖 3.9 處理模塊狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖223.3.1 光柵式傳感器1.光柵式傳感器的原理和特性光柵傳感器的基本工作是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進(jìn)行測量的，莫爾條紋通常是由兩塊光柵疊加形成的，在 a-a 線上，兩光柵柵線的透光部分與透光部分疊加，光線透過透光部分形成亮帶；在 b-b 線上，兩光柵透光部分分別另一光柵的不透光部分疊加，互相遮擋，光線透不過形成暗帶，這種由光柵重疊形成的光學(xué)圖案稱為莫爾條紋。莫爾條紋有如下重要特性：（1） 運(yùn)動對應(yīng)關(guān)系當(dāng)主光柵向右移動一個柵距 W1 時，莫爾條紋向下移動一個條紋間距 B ；如果主光柵 1 向左移動，莫爾條紋則向上移動。光柵傳感器在測量時，可以根據(jù)莫爾條紋的移動量和判定光柵的位移量和移動的方向。（2） 位移放大作用由于兩光柵的夾角 θ 很小，若他們的光柵常數(shù)相等。設(shè)為 W ，由上式可得：明顯看出莫爾條紋有放大作用，其放大倍數(shù)為 1/θ。所以盡管柵距很小，但莫爾條紋卻清晰可見。2.光柵傳感器光柵傳感器的基本工作是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進(jìn)行測量的。光柵傳感器一般由光柵、標(biāo)尺光柵、指示光柵、和光電器件組成。光電器件接收到的信號經(jīng)電路處理后可得到兩光柵的相對位移。光柵傳感器比較常見的有透射式光柵傳感器和反射式光柵傳感器當(dāng)指示光柵對標(biāo)尺光柵移動時，便會產(chǎn)生大致按正弦規(guī)律分布的莫爾條紋，即光柵移動一個刪距 ω 時，莫爾條紋會產(chǎn)生亮—暗—亮的完整周期的變化。通過硅光電池可以將光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出。將大小為 10*10m㎡的硅電池按莫爾條紋移動方向均勻地劃分成四等分，成為四個小電池的間距就為莫爾條紋的 1/4 周期，當(dāng)光柵相對移動時，莫爾條紋就在四個小電池上移動，獲得相位移分別相差 90°的四個周期信號，對于這此輸出的周親信號，經(jīng)過電子斤十時微 處理后可以得到脈沖信號。每一個脈沖信號分別和周期信號的零點相對應(yīng)，即脈沖的周期對應(yīng)于 1/4 莫爾條紋寬度，用計數(shù)器對這一系列脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，所以測出的位移可以讀到 1/4 莫爾條紋寬度，從而提高了數(shù)字輸出的分辨率，這種提高了分辨率的方法稱謂“細(xì)分” 。23當(dāng)指示光柵右移時，υ1υ1，υ2，υ3 和 υ4 依次超前 90°，如指示光柵左移動時，即莫爾條紋反向變化，υ1，υ2，υ3，和 υ4 依次滯后 90°。3.3.2 可編程定時/計數(shù)器 82533.3.2.1 8253 的主要功能及引腳定義 （1）每片上有 3 個獨立的 16 位的計數(shù)器通道。 （2）對于每個計數(shù)器，都可以單獨作為定時器或計數(shù)器使用，并且都可以按照二進(jìn)制或十進(jìn)制來計數(shù)。 （3）每個通道都有 6 種工作方式，都可以通過程序設(shè)置或改變。 （4）每個計數(shù)器的速率可高達(dá) 2MHz，最高的計數(shù)時鐘頻率為 2.6MHz。 （5）所有的輸入輸出頻率都是 TTL 電平，便于與外圍接口電路相連接。 （6）單一的+5V 電源。 8253 引腳信號定義 3.3.2.2 8253 引腳信號定義 ◆D 7~D0 雙向，8 位三態(tài)數(shù)據(jù)線。 ◆CLK 0~CLK2 計數(shù)器 0、1、2 的時鐘輸入， 高電平有效?！?◆OUT 0~OUT2 計數(shù)器 0、1、2 的輸出。 ◆GATE 0~GATE2 計數(shù)器 0、1、2 的門控輸入。 ◆CS# 輸入，片選信號。 ◆RD# 輸入，讀信號。 ◆WR# 輸入，寫信號。 ◆A 1、A 0 輸入，2 位地址選擇。243.4 系統(tǒng)主電路的設(shè)計系統(tǒng)的主電路主要是由芯片 CH250 和步進(jìn)電機(jī)組成，步進(jìn)電機(jī)在驅(qū)動脈沖的作用下，實現(xiàn)其功能，CH250 輸出雙三拍，單六拍等脈沖信號，供不同性能步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動需要，適當(dāng)施加有關(guān)引出端的電平，可控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。當(dāng) CPU 給定 CH250 以驅(qū)動信號，CH250 將信號分配給電機(jī)驅(qū)動電路，如是 A，經(jīng)三極管功率放大器將功率放大接著電流傳到轉(zhuǎn)子的繞組上。二極管作用是續(xù)流，保護(hù)三極管。CH250 輸出電流不到 1MA，所以需要配功率放大器（三極管）才能使步進(jìn)電機(jī)啟動。上拉電阻的作用是限流和加大輸出的驅(qū)動功能，如果 TTL 的輸出最低高電平低于 CMOS 最低高電平時，提高輸出高電平值。根據(jù)前文提到的步進(jìn)電機(jī)和 CH250 的工作特性，設(shè)計了以下的主電路。如圖 3.10 所示圖 3.10 電路主電路的設(shè)計253.4.1 步進(jìn)電機(jī)的工作方式步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成響應(yīng)的角位移的特種電機(jī)，他有定子和轉(zhuǎn)子，定子磁極上也有勵磁線圈繞組，在繞組通電時步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子有定位和步進(jìn)轉(zhuǎn)動兩種基本狀態(tài)；當(dāng)勵磁脈沖電壓加在相同的繞組上時，轉(zhuǎn)子處于定位狀態(tài)；當(dāng)勵磁脈沖電壓按照繞組通點次序作響應(yīng)的步進(jìn)轉(zhuǎn)動，每改變一次通電狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動一步。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一步所對應(yīng)的角位移稱為步矩角。在定子上有沿圓周分布的