基于MCS-51單片機和步進電機實現鍋爐筒壁孔加工控制系統的設計

1、前言

為實現鍋爐筒壁孔加工自動化而設計的數控系統，是以MCS-51單片機為控制核心、步進電機為驅動電機、機床大、小拖板為執行部件的兩坐標開環控制系統。大拖板縱向移動以確定打孔位置，脈沖當量值為0.02mm/步，最大進給速度為5m/min。小拖板橫向移動以實現刀具的快進和工進。系統具有點動對刀、自動加工、暫停和繼續、急停報警、回零等主要功能。

2、硬件結構與功能

系統硬件分布于一塊控制主板和兩塊驅動板上。

在以8031單片機為主的控制主板上，擴展一片27256EPROM，用于存放系統軟件，一片2764EPROM，用于固化經過調試的零件加工程序，一片帶掉電保護的6264RAM，用于隨機存儲手工編輯的零件加工程序。另外擴展一片8255并行I/O口，其B口用于輸出步進電機控制信號、C口和A口用于鍵盤和顯示器接口。

主板上配置4×7個按鍵，其中0～F的十六進制數字鍵用于手工編輯加工程序時輸入存儲單元地址、工件號、加工指令等，其余功能鍵用作單片機復位、6264內存地址加1，減1，步進電機點動對刀、自動加工及刀具回零等。

6個8段LED數碼管采用共陰極接法，動態顯示數據。

根據對拖動力矩的實驗分析，確定采用150BF003型步進電機驅動大拖板，采用110BF003型步進電機驅動小拖板。步進電機的各相繞組通電狀態是由單片機通過數據總線送往8255的B口，經光電隔離后由驅動電路進行功率放大而實現的。驅動電源采用斬波電路，能提供接近矩形波的電流波形，在低頻段輸出穩定扭矩為0.85～0.9Tj（Tj為電機最大靜態扭矩），系統帶負載能力強，運行快速性好。

考慮系統運行的安全性，設置限位開關、手動暫停開關和手動急停開關，將信號接至單片機P1口，并采用三輸入與非門74LS10，將其輸出端作為中斷源信號接至單片機INTO位。

系統原理框圖如圖1所示。

基于MCS-51單片機和步進電機實現鍋爐筒壁孔加工控制系統的設計

3、軟件設計

固化于27256EPROM中的系統軟件，分監控程序和加工指令解釋程序兩部分。

3.1 監控程序

監控程序包括單片機系統初始化、鍵處理、輸入數據顯示和存儲、中斷服務等功能模塊。

系統初始化模塊完成單片機上電復位或按《復位》鍵后有關存儲單元、寄存器、可編程位的狀態初始化以及允許INTO中斷等設置，并在顯示器上顯示提示符“-”。

鍵處理模塊對所有按鍵進行掃描查詢，無鍵按下時，繼續顯示提符，有鍵按下時，通過譯碼，識別其是數據鍵或功能鍵，以便轉至相應程序處理。

在輸入數據顯示和存儲模塊中，若輸入四位十六進制數據后按《查詢》鍵，結合、鍵，可查詢修改6264RAM中的存儲數據，達到手工編制加工程序、修改加工速度的目的。若輸入二位十進制數據后按《加工》鍵，則認為這兩位數據是工件號，開始調用相應加工程序。

在中斷服務程序模塊中，單片機讀取P1口狀態，P1.1或P1.2置“1”分別代表暫停開關動作或急停開關動作，根據實際加工狀態，允許采取繼續加工或刀具回零處理，否則是限位開關動作，只允許對刀具作回零處理。

3.2 加工指令解釋程序

零件加工程序的基本語句由6位數字或字符組成，第1位以十進制數2、4、6、8分別表示大、小拖板各自兩個移動方向，第2位以十六進制數0～F表示拖板十六檔移動速度，后4位以十進制數表示拖板實際位移值。

加工指令解釋程序的功能是讀取零件加工程序，逐句解釋，以獲取步進電機的轉向，轉速及相應步數，包括電機正反轉處理、升降速處理、加工長度與電機步數轉換等功能模塊。

在電機正反轉處理模塊中，設定110BF003型步進電機各相繞組通電順序為：A→AB→B→BC→C→CA→A或：A→CA→C→BC→B→AB→A。設定150BF003型步進電機各相繞組通電順序為：AB→ABC→BC→BCD→CD→CDE→DE→DEA→EA→EAB→AB或：AB→EAB→EA→DEA→DE→CDE→CD→BCD→BC→ABC→AB。單片機讀取加工語句第1位后，將相應的狀態機器碼由8255的B口順序輸出即可。［page］

分析步進電機的矩頻特性，可知啟動頻率越高則啟動力矩越小。如果步進電機從靜止直接以高速運轉，則可能產生失步，因此，設置十六檔拖板移動速度（m/min），對應步進電機十六檔工作頻率（步/S），對于短行程，電機直接以某一低于啟動頻率的轉速運轉，不需作升、降速軟件處理，而對于較長行程，電機則從低于啟動頻率的起始頻率啟動，加速至要求的工作頻率后勻速運行，然后再減至啟動頻率以下時停止。在升降速模塊中，用均勻地減少（或增加）脈沖時間間隔的方法來實現步進電機的加速（或減速）控制。

在加工長度與電機步數轉換功能模塊中，將以十進制表示的加工長度L轉換成電機步數L/P，P為系統脈沖當量（mm/步）。將電機步數以十六進制形式存入內存，并設置相應的步數累計單元，電機走一步，該內存內容減1，而相應的步數累計單元內容加1。

如遇《回零》鍵，則電機反轉，將步數累計單元內容遞減至0，即回到初始對刀位置。所謂點動對刀功能指通過操作主板上、、、四個按鍵，步進電機朝相應方向執行一步，連續操作即可確定起始加工位置。

程序流程框圖如圖2所示。