基于MCS-51单片机和步进电机实现锅炉筒壁孔加工控制系统的设计
1、前 言
为实现锅炉筒壁孔加工自动化而设计的数控系统，是以mcs-51单片机为控制核心、步进电机为驱动电机、机床大、小拖板为执行部件的两坐标开环控制系统。大拖板纵向移动以确定打孔位置，脉冲当量值为0.02mm/步，最大进给速度为5m/min。小拖板横向移动以实现刀具的快进和工进。系统具有点动对刀、自动加工、暂停和继续、急停报警、回零等主要功能。
2、 硬件结构与功能
系统硬件分布于一块控制主板和两块驱动板上。
在以8031单片机为主的控制主板上，扩展一片27256eprom，用于存放系统软件，一片2764eprom，用于固化经过调试的零件加工程序，一片带掉电保护的6264ram，用于随机存储手工编辑的零件加工程序。另外扩展一片8255并行i/o口，其b口用于输出步进电机控制信号、c口和a口用于键盘和显示器接口。
主板上配置4×7个按键，其中0～f的十六进制数字键用于手工编辑加工程序时输入存储单元地址、工件号、加工指令等，其余功能键用作单片机复位、6264内存地址加1，减1，步进电机点动对刀、自动加工及刀具回零等。
6个8段led数码管采用共阴极接法，动态显示数据。
根据对拖动力矩的实验分析，确定采用150bf003型步进电机驱动大拖板，采用110bf003型步进电机驱动小拖板。步进电机的各相绕组通电状态是由单片机通过数据总线送往8255的b口，经光电隔离后由驱动电路进行功率放大而实现的。驱动电源采用斩波电路，能提供接近矩形波的电流波形，在低频段输出稳定扭矩为0.85～0.9tj（tj为电机最大静态扭矩），系统带负载能力强，运行快速性好。
考虑系统运行的安全性，设置限位开关、手动暂停开关和手动急停开关，将信号接至单片机p1口，并采用三输入与非门74ls10，将其输出端作为中断源信号接至单片机into位。
系统原理框图如图1所示。
3、软件设计
固化于27256eprom中的系统软件，分监控程序和加工指令解释程序两部分。
3.1 监控程序
监控程序包括单片机系统初始化、键处理、输入数据显示和存储、中断服务等功能模块。
系统初始化模块完成单片机上电复位或按《复位》键后有关存储单元、寄存器、可编程位的状态初始化以及允许into中断等设置，并在显示器上显示提示符“-”。
键处理模块对所有按键进行扫描查询，无键按下时，继续显示提符，有键按下时，通过译码，识别其是数据键或功能键，以便转至相应程序处理。
在输入数据显示和存储模块中，若输入四位十六进制数据后按《查询》键，结合、键，可查询修改6264ram中的存储数据，达到手工编制加工程序、修改加工速度的目的。若输入二位十进制数据后按《加工》键，则认为这两位数据是工件号，开始调用相应加工程序。
在中断服务程序模块中，单片机读取p1口状态，p1.1或p1.2置“1”分别代表暂停开关动作或急停开关动作，根据实际加工状态，允许采取继续加工或刀具回零处理，否则是限位开关动作，只允许对刀具作回零处理。
3.2 加工指令解释程序
零件加工程序的基本语句由6位数字或字符组成，第1位以十进制数2、4、6、8分别表示大、小拖板各自两个移动方向，第2位以十六进制数0～f表示拖板十六档移动速度，后4位以十进制数表示拖板实际位移值。
加工指令解释程序的功能是读取零件加工程序，逐句解释，以获取步进电机的转向，转速及相应步数，包括电机正反转处理、升降速处理、加工长度与电机步数转换等功能模块。
在电机正反转处理模块中，设定110bf003型步进电机各相绕组通电顺序为：a→ab→b→bc→c→ca→a或：a→ca→c→bc→b→ab→a。设定150bf003型步进电机各相绕组通电顺序为：ab→abc→bc→bcd→cd→cde→de→dea→ea→eab→ab或：ab→eab→ea→dea→de→cde→cd→bcd→bc→abc→ab。单片机读取加工语句第1位后，将相应的状态机器码由8255的b口顺序输出即可。［page］
分析步进电机的矩频特性，可知启动频率越高则启动力矩越小。如果步进电机从静止直接以高速运转，则可能产生失步，因此，设置十六档拖板移动速度（m/min），对应步进电机十六档工作频率（步/s），对于短行程，电机直接以某一低于启动频率的转速运转，不需作升、降速软件处理，而对于较长行程，电机则从低于启动频率的起始频率启动，加速至要求的工作频率后匀速运行，然后再减至启动频率以下时停止。在升降速模块中，用均匀地减少（或增加）脉冲时间间隔的方法来实现步进电机的加速（或减速）控制。
在加工长度与电机步数转换功能模块中，将以十进制表示的加工长度l转换成电机步数l/p，p为系统脉冲当量（mm/步）。将电机步数以十六进制形式存入内存，并设置相应的步数累计单元，电机走一步，该内存内容减1，而相应的步数累计单元内容加1。
如遇《回零》键，则电机反转，将步数累计单元内容递减至0，即回到初始对刀位置。所谓点动对刀功能指通过操作主板上、、、四个按键，步进电机朝相应方向执行一步，连续操作即可确定起始加工位置。
程序流程框图如图2所示。
4 、结束语
为不同规格的工件赋予工件号，如01、02……，编制相应的加工程序，可将程序固化于2764eprom中，也可随机存储于6264ram中。加工时，先从键盘上输入工件号，再按《加工》键，即可自动完成一个锅炉筒的打孔工艺。加工程序的编制非常简单，且系统具有一定的柔性。
OcleanSE+青春版评测 感受不一样的刷牙体验
红米Note 8正式推出了全新配色星云紫
不要担心，现在也有不少职业是人工智能无法取代的
Microchip推出首款64KB闪存16位单片机
把windows系统安装在移动固态硬盘里，随身携带，随需随用
基于MCS-51单片机和步进电机实现锅炉筒壁孔加工控制系统的设计
阿库利用了自己的内部哪项基础设施进行了试运行？
DS5250与磁卡读卡器的连接
采用Trench肖特基二极管，实现功率密度的显著提升
区块链和AI可以说是技术领域的两个极端方面
Android版Chrome 67发布，为AR和VR带来API接口
正负12V转正负5V线性稳压电路制作,12v -5v power regulator
无人驾驶：从轻絮飞扬到落地为安
京东方供货OPPO Findx7系列
解读中国智能家居行业品牌排名TOP10
东贝宣布Mini LED已经完成送样认证，下半年将成获利成长关键
皮尔磁的PMCtendo伺服电机现在支持HIPERFACE DSL（R）接口
中国科学院院士郭光灿新书《颠覆：迎接第二次量子革命》获第十八届文津图书奖！
联通大数据发挥自身优势为3000多个政企客户提供数据智能科技服务
消费升级驱动智能终端市场转变 产品设计朝四大方向发展
为实现锅炉筒壁孔加工自动化而设计的数控系统，是以mcs-51单片机为控制核心、步进电机为驱动电机、机床大、小拖板为执行部件的两坐标开环控制系统。大拖板纵向移动以确定打孔位置，脉冲当量值为0.02mm/步，最大进给速度为5m/min。小拖板横向移动以实现刀具的快进和工进。系统具有点动对刀、自动加工、暂停和继续、急停报警、回零等主要功能。
2、 硬件结构与功能
系统硬件分布于一块控制主板和两块驱动板上。
在以8031单片机为主的控制主板上，扩展一片27256eprom，用于存放系统软件，一片2764eprom，用于固化经过调试的零件加工程序，一片带掉电保护的6264ram，用于随机存储手工编辑的零件加工程序。另外扩展一片8255并行i/o口，其b口用于输出步进电机控制信号、c口和a口用于键盘和显示器接口。
主板上配置4×7个按键，其中0～f的十六进制数字键用于手工编辑加工程序时输入存储单元地址、工件号、加工指令等，其余功能键用作单片机复位、6264内存地址加1，减1，步进电机点动对刀、自动加工及刀具回零等。
6个8段led数码管采用共阴极接法，动态显示数据。
根据对拖动力矩的实验分析，确定采用150bf003型步进电机驱动大拖板，采用110bf003型步进电机驱动小拖板。步进电机的各相绕组通电状态是由单片机通过数据总线送往8255的b口，经光电隔离后由驱动电路进行功率放大而实现的。驱动电源采用斩波电路，能提供接近矩形波的电流波形，在低频段输出稳定扭矩为0.85～0.9tj（tj为电机最大静态扭矩），系统带负载能力强，运行快速性好。
考虑系统运行的安全性，设置限位开关、手动暂停开关和手动急停开关，将信号接至单片机p1口，并采用三输入与非门74ls10，将其输出端作为中断源信号接至单片机into位。
系统原理框图如图1所示。
3、软件设计
固化于27256eprom中的系统软件，分监控程序和加工指令解释程序两部分。
3.1 监控程序
监控程序包括单片机系统初始化、键处理、输入数据显示和存储、中断服务等功能模块。
系统初始化模块完成单片机上电复位或按《复位》键后有关存储单元、寄存器、可编程位的状态初始化以及允许into中断等设置，并在显示器上显示提示符“-”。
键处理模块对所有按键进行扫描查询，无键按下时，继续显示提符，有键按下时，通过译码，识别其是数据键或功能键，以便转至相应程序处理。
在输入数据显示和存储模块中，若输入四位十六进制数据后按《查询》键，结合、键，可查询修改6264ram中的存储数据，达到手工编制加工程序、修改加工速度的目的。若输入二位十进制数据后按《加工》键，则认为这两位数据是工件号，开始调用相应加工程序。
在中断服务程序模块中，单片机读取p1口状态，p1.1或p1.2置“1”分别代表暂停开关动作或急停开关动作，根据实际加工状态，允许采取继续加工或刀具回零处理，否则是限位开关动作，只允许对刀具作回零处理。
3.2 加工指令解释程序
零件加工程序的基本语句由6位数字或字符组成，第1位以十进制数2、4、6、8分别表示大、小拖板各自两个移动方向，第2位以十六进制数0～f表示拖板十六档移动速度，后4位以十进制数表示拖板实际位移值。
加工指令解释程序的功能是读取零件加工程序，逐句解释，以获取步进电机的转向，转速及相应步数，包括电机正反转处理、升降速处理、加工长度与电机步数转换等功能模块。
在电机正反转处理模块中，设定110bf003型步进电机各相绕组通电顺序为：a→ab→b→bc→c→ca→a或：a→ca→c→bc→b→ab→a。设定150bf003型步进电机各相绕组通电顺序为：ab→abc→bc→bcd→cd→cde→de→dea→ea→eab→ab或：ab→eab→ea→dea→de→cde→cd→bcd→bc→abc→ab。单片机读取加工语句第1位后，将相应的状态机器码由8255的b口顺序输出即可。［page］
分析步进电机的矩频特性，可知启动频率越高则启动力矩越小。如果步进电机从静止直接以高速运转，则可能产生失步，因此，设置十六档拖板移动速度（m/min），对应步进电机十六档工作频率（步/s），对于短行程，电机直接以某一低于启动频率的转速运转，不需作升、降速软件处理，而对于较长行程，电机则从低于启动频率的起始频率启动，加速至要求的工作频率后匀速运行，然后再减至启动频率以下时停止。在升降速模块中，用均匀地减少（或增加）脉冲时间间隔的方法来实现步进电机的加速（或减速）控制。
在加工长度与电机步数转换功能模块中，将以十进制表示的加工长度l转换成电机步数l/p，p为系统脉冲当量（mm/步）。将电机步数以十六进制形式存入内存，并设置相应的步数累计单元，电机走一步，该内存内容减1，而相应的步数累计单元内容加1。
如遇《回零》键，则电机反转，将步数累计单元内容递减至0，即回到初始对刀位置。所谓点动对刀功能指通过操作主板上、、、四个按键，步进电机朝相应方向执行一步，连续操作即可确定起始加工位置。
程序流程框图如图2所示。
4 、结束语
为不同规格的工件赋予工件号，如01、02……，编制相应的加工程序，可将程序固化于2764eprom中，也可随机存储于6264ram中。加工时，先从键盘上输入工件号，再按《加工》键，即可自动完成一个锅炉筒的打孔工艺。加工程序的编制非常简单，且系统具有一定的柔性。
OcleanSE+青春版评测 感受不一样的刷牙体验
红米Note 8正式推出了全新配色星云紫
不要担心，现在也有不少职业是人工智能无法取代的
Microchip推出首款64KB闪存16位单片机
把windows系统安装在移动固态硬盘里，随身携带，随需随用
基于MCS-51单片机和步进电机实现锅炉筒壁孔加工控制系统的设计
阿库利用了自己的内部哪项基础设施进行了试运行？
DS5250与磁卡读卡器的连接
采用Trench肖特基二极管，实现功率密度的显著提升
区块链和AI可以说是技术领域的两个极端方面
Android版Chrome 67发布，为AR和VR带来API接口
正负12V转正负5V线性稳压电路制作,12v -5v power regulator
无人驾驶：从轻絮飞扬到落地为安
京东方供货OPPO Findx7系列
解读中国智能家居行业品牌排名TOP10
东贝宣布Mini LED已经完成送样认证，下半年将成获利成长关键
皮尔磁的PMCtendo伺服电机现在支持HIPERFACE DSL（R）接口
中国科学院院士郭光灿新书《颠覆：迎接第二次量子革命》获第十八届文津图书奖！
联通大数据发挥自身优势为3000多个政企客户提供数据智能科技服务
消费升级驱动智能终端市场转变 产品设计朝四大方向发展