课 程 设 计
设计题目： 单片机 CNC 装置设计
学生姓名： ***
学 号：
专业班级：机械设计制造及其自动化09-*班
指导老师： 丁曙光 赵小勇
2012年06月28日
摘要
随着电子技术的发展，数控（NC）系统有了较大的发展，经历了从硬件数控系统（NC）到计算机数控（CNC）的阶段。CNC区别于早期的NC，无论在控制性能还是在编辑操作方面，其功能都远远多与早期的NC。CNC的主要功能：1. 承担加工程序的输入及编辑。2. 能识别和运行多种国际上标准化的指令代码。随着CNC的发展，这些加工指令代码越来越多。3. 能提供高性能的进给控制功能。
4.人机对话相当方便。5.能进行多机通讯及 DNC 的加工。6. 具备一定的故障诊断、反馈控制功能。以上这些功能仅仅是CNC功能的主要部分。随着现代是数控的发展，很多新的功能将不断增加及完善。
本设计主要是设计一个单片机CNC装置，要求能实现CNC的基本功能、位置控制及信号处理功能，为实现要求，分析系统应扩展一定容量的 RAM、EPROM、实现三轴的进给运动、一个主轴控制，一定数量的辅助动作、一定数量的信息输入、一定量的按键及显示器。
关键词：单片机、CNC、数控
Abstract
With the development of electronic technique, hardware numerical control system (NC) system developed greatly, experienced from NC to computer control system(CNC). Distinguish from the early stage of NC, no matter the control performance or edit operation, its function is far more than the early NC. The main functions of CNC is :
1. Taking the input and editing of the programs.
2. The ability to analyze several kinds of international standardized instruction codes. With the developing of CNC, manufacturing codes are becoming more and more.
3. Providing high-powered feed controlling function.
4. Providing convenient man-machine conversation.
5. The ability to conduct multi-machine communication and the process of DNC.
6. The ability to diagnosis troubles and feedback controlling.
The above are only the main functions of CNC. With the development of numerical control, there will be more and more new functions.
This design for a single chip CNC equipment, can realize the basic function of the CNC control, position control, and signal processing function, to realize the requirement analysis, system should expand a certain capacity RAM, an EPROM, realize the three axis feeding movement, a spindle control, the number of auxiliary action, a certain amount of information input, a certain amount of buttons and display.
Keywords: SCM CNC numerical control
目录
第1章 CNC介绍··········································4
1.1 引言················································4
1.2 CNC装置的概念·····································4
1.3 CNC装置的组成·····································4
第2章 设计任务··········································5
2.1 设计任务············································5
2.2 设计任务分析········································5
第3章 CNC装置原理图分析与设计··························6
3.1选择芯片及元器件····································6
3.2分析列出各个芯片的地址译码表························6
3.3显示器与键盘接口电路设计····························7
3.4 开关量输入输出电路 ·································7
3.5绘制CNC装置原理图··································8
3.5.1装入所需要的元件库······························8
3.5.2.放置元件········································8
3.5.3.电路图布线······································9
3.5.4.调整、检查和修改································9
3.5.5.补充完善········································9
3.6生成网络表（见附件网络表）···························9
第4章 设计总结·········································10 参考文献·················································10
第1章 CNC介绍
1.1 引言
随着电子技术的发展，数控系统有了较大的发展，计算机数控（CNC）装置是数控系统中的核心。CNC区别于早期的NC。无论在控制性能上还是编辑操作方面，其功能都远远多于早期的NC。 现代数控系统，即CNC系统，主要是靠存储程序来实现各种机床的不同控制要求。由下图可知，整个数控系统是由程序、输入与输出设备、计算机数控ＣＮＣ装置、可编程控制器单元、主轴控制单元和速度控制单元等部分组成，习惯上简称为ＣＮＣ系统。ＣＮＣ系统能自动阅读输入载体上事先给定的数字值并将其译码，从而使机床动作并加工出符合要求的零件。
1.2 CNC装置的概念
计算机数控（CNC）装置是数控系统中的核心。它是借助于微机结合必要的硬件构成的装置。现在我们统称为CNC，即Computer Numerically Controlled
system. CNC系统的核心是
CNC装置。CNC装置实质上
是一种专用计算机，它除了
具有一般计算机的结构外，
还有和数控机床功能有关
的功能模块结构和接口单
元。CNC装置由硬件和软件
两大部分组成。硬件是基础，
软件必须在硬件的支持下运行；软件是灵魂，离开软件，硬件便无法工作；两者相辅相成，缺一不可。硬件的集成度、位数、运算速度、指令系统和内存容量等在很大程度上决定了数控装置的性能，然而高水平的软件又可以弥补硬件性能的某些不足。CNC装置在采用微处理机和微型计算机以后，它的性能和可靠性大大提高，而成本却不断下降，其优越的性能价格比，促进了数控机床迅速发展。
1.3 CNC装置的组成
CNC装置的工作过程是在硬件的支持下，执行系统软件的过程，数控装置的控制功能在很大程度上取决于硬件结构。CNC装置的硬件结构按照控制功能的复杂程度可分为单微处理机硬件结构和多微处理机硬件结构。图所示为单微处理机硬件结构框图，由图可见，单微处理机硬件结构包括了微型计算机系统的基本结构：微处理器和总线、存储器和接口等。接口包括I/O接口、串行接口、MDI/CRT接口，还包括数控技术中的控制单元部件接口电路以及其他选件接口等。 CNC装置有以下部分组成：
（1）微处理器CPU，它是CNC装置的核心，在CNC装置中常用的有8位、16位、32位的微处理器。对于中、低档的数控系统一般采用8位或16位微处理器（如M6800，Z80，MCS-51等芯片）；对于高档的数控系统一般采用32位微处理器，如Intel80386等微处理器。
（2）存储器，存储器分为固化存储器（ROM）和随机存储器（RAM）。ROM主要用来存储数控系统的控制软件，RAM用来存储用户的零件加工程序和数据。
（3）输入/输出设备接口，这部分主要指与键盘、显示器等人机对话设备的接口电路，以及数据通信接口电路。
（4）开关量输入/输出接口。
（5）位置控制装置，实现对驱动装置进行控制的电路。
第2章 设计任务
2.1 设计任务
任务：设计一个单片机CNC装置，要求能实现CNC的基本的功能控制、位置控制、及信号处理功能，为实现要求，分析系统应扩展一定容量的RAM、EPROM、实现三轴的进给运动、一个主轴控制，一定数量的辅助动作、能输入8个开关量信号和输出8个开关量控制信号、一定量的按键及8位LED动态显示显示。单片机采用INTEL8031CPU, 及必要的其它外围芯片如（74LS138,74LS373,8255A等等）。 设计题目：
ROM：8K（4）
RAM：8K（1）
电机及控制方式：三相步进
按键数：26
2.2 设计任务分析
根据该设计任务要求，CPU选用经典且经济实用的MCS-51系列单片机，本设计选用8031，扩展8KRAM，选用1片6264RAM存储器芯片，选用4片2716芯片扩展8KEPROM，8位LED动态显示需要两个8位端口，26个按键的键盘采用行列式键盘需要两个8位端口，用一片INTEL8255或INTEL8155实现键盘和显示，8个开关输出量信号灯采用8位信号I/O口进行驱动，如采用74LS245,74LS373等芯片，开关量信号输入采用74LS245或74LS244实现，三个三相步进电机需要9个I/O口，选用一片INTEL8255或INTEL8155实现。系统译码采用全地址译码方法，用74LS139实现，再用74LS138扩展接口。由于采用三相步进驱动，不必采用A/D和D/A转换器。
第3章 CNC装置原理图分析与设计
3.1选择芯片及元器件
根据题目及设计要求和设计分析，选择如下芯片：
1片8031CPU 1片6264
4片2716 2片8255A
2片74LS373 1片74LS138
1片74LS242
其它器件如电阻RES1-RES4、电容CAP、晶体振荡器CRYSTAL、RESPACK4、8位7段显示器DPY_7-SEG_DP、键盘SW-PB。
3.2分析列出各个芯片的地址译码表
对于RAM和I/O容量较大的系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，常采用全地址译码方法。它将低地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的地址选线用作片选线。本设计采用了8KRAM的62128芯片，其片内地址线是14根，地址总线AB上只剩下2根，74LS139译码器的输入端点用2根最高位地址线，剩余的14根低位地址线可作为片内地址选线。因此，译码器的4根输出分别对应4个16K字节地址空间。但4根片选线显然不够，还要将其中的一根用74LS138继续扩展，系统的全地址译码表如表1所示
表中采用全地址译码法，有程序存储器2716和数据存储器6264。4片2716是8K内存。6264是8K内存，2716是只读的程序EPROM；6264是可读写的数据RAM，用作数据存储器。它与2716有重复的地址0000H-07FFH，但它的线选通不一样，2716靠PSEN便能选通，而6264由RD/WR控制。从原理图中可以看出，138译码器有空引脚未用，可以用来扩展I/O接口芯片组成一个实用系统。
3.3显示器与键盘接口电路设计
1）LED显示器结构与原理
LED显示块是由发光二极管显示字段的显示器件，通常使用7段LED。有共阳极和共阴极两种，通常的7段LED显示块中有8个发光二极管，其中7个发光二极管构成7笔字形“8”，1个发光二极管构成小数点。LED显示方式有两种：一种是静态显示，一种是动态显示。静态显示是将共阴极或共阳极点连接在一起接地或接+5V，用多个8位I/O并行接口分位别接各位显示器的段选线，只要在该位的段选线上保持段选码电平，该位就能保持相应的显示字符。这种方式占I/O资源较多。在采用多位LED显示时，为了简化电路，降低成本，将所有LED的段选线并联在一起，由1个8位I/O控制，而共阴极点或共阳极点分别由其他的I/O口控制。
在这种方式下，必须采用扫描显示方式，才能在不同位LED显示不同的字符，即逐位在每一瞬间只使某一位显示相应字。在此瞬间，段选控制口I/O(1)输出相应字符段选码，位选控制I/O(2)口在该显示位送入选通电平（共阴极送低电平，共阳极送高电平），以保证该位显示相应字符，并保持延时一段时间，以造成视觉暂留效果。这样不断循环送出相应的段选码，位选码就可以获得视觉稳定的显示状态。
2）键盘的工作原理
在数控系统中常用的键盘有两种。一种是独立式按键，这种按键的硬、软件结构简单，CPU通过查询I/O口数据的状态就可确定哪一键被按下，然后执行相应的功能，但如果键比较多时，则要占用过多的I/O 口。所以独立式按键只用于按键数量不多的情况。另一种是行列式键盘。这种键盘的按键设置在行、列线交叉点上，行、列线分别接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接+5V。
3.4 开关量输入输出电路
（1）接点输入电路
当外部控制设备有按钮、继电器和接近开关接点信号输入微机系统时，
要通
过接点输入电路将接点的通、断动作转换为TTL电平的通、断信号。
（2）接点输出电路
接点输出电路将CPU输出的TTL电平转换为控制继电器、指示灯等所需的接点输出。一般采用功率晶体管驱动,本设计采用二极管作为输出指示灯。
3.5绘制CNC装置原理图
3.5.1装入所需要的元件库
将包含有用户所需元件库装入设计系统中，以便用户从中查找和选定所需的元器件。
电路原理图有两大元素：一个是元件，另一个是线路。绘制一张原理图首先是要把有关的元器件放置到工作平面上。在放置元器件之前，我们必须知道各个元器件所在的元件库，并把相应的元件库装入到原理图管理浏览器中。
装入元件库的具体步骤如下：
（1）打开原理图管理浏览器。在工作窗口为原理图编辑器窗口的状态下，单击设计管理器顶部的Browse Sch标签即可打开原理图管理浏览器窗口。
（2）装入原理图所需的元件库。单击原理图管理浏览器窗口中的Add/Remove...按钮。该对话框的作用是用来装入所需的元件库或移出不需要的元件库。
（3）单击选择所需的库文件(文件后缀名为：ddb)。然后单击Add按钮，被选中的库文件即出现在[Selected Files]列表框中，成为当前活动的库文件，重复上述操作即可将不同的库文件依次添加到放置元件[Selected Files]中，成为当前活动的库文件。然后单击OK 按钮就可以将上述库文件装入原理图浏览器中。此时，被装入的元件库（*.ddb）以及该元件库所包含的所有元器件就会出现在原理图管理浏览器中。
（4）若想移出某个已经装入的库文件，只要在[Selected Files]列表框中选中该文件，然后单击Remove按钮即可。
常用的元件库
Miscellaneous Devices.ddb
Dallas Microprocessor.DDB
Intel Databook.ddb
Protel DOS Schematic Libraries.ddb
3.5.2.放置元件
a、利用原理图管理浏览器放置元件
将用户选定的元件放置到已建立好的工作平面上，并对元件平面上的位置进行调整，对元件的序号、封装形式、显示状态等进行定义和设置。以便为下一步的布线工作打好基础。
我们利用原理图浏览器将地址是锁存器74LS373放置到工作平面上，具体步骤如下：
（1） 打开原理图管理浏览器。
（2） 装入原理图所需的元件库。将所需的库文件“Protel DOS Schematic
Libraries.ddb”装入。
（3） 选定元件所需的元件库。首先在上图中[Browse]选项下的下拉选框中
选中[Libraries]项，从列表选框中找到并将光标移至[Protel DOS Schematic TTL.lib]上，单击即可。
（4） 在该元件库中选定所需元件。在元件列表选框中找到并将光标移至
[74LS373]处，单击鼠标左键即可选中。
（5） 放置元件到工作平面上。选中[74LS373]后，单击Place按钮或直接
双击[74LS373]，将光标移至工作平面，此时就会发现元件74LS373随光标的移动而移动。然后将元件随光标移至工作平面上的适当位置，单击鼠标左键即可将元件放置到当前位置。
（6） 此时系统任处于放置元件状态，单击鼠标左键一次就会在工作平面的
当前位置放置另一个相同的元件。单击鼠标右键即可退出该命令状态。 b、按上述步骤依次放入元件8031CPU、6264、2716、8255A、74LS373、74LS138、74LS242。
c、编辑元件属性
元件属性主要包括元件的序号、封装形式、管脚号定义等。编辑好所有元件的属性。
3.5.3.电路图布线
该过程实际上是利用Protel 99所提供的各种工具、命令进行画图工作，将事先放置好的元器件用具有电气意义的导线、网络标号等连接起来，使各元件之间具有用户所设计的电气连接关系。布线结束后，一张完整的电路原理图才算是基本完成。
该过程主要包括：画导线、电源及接地符号（Power Port）、设置网络标号（Net Label）、画总线、绘制总线分支线（Bus Entry）、放置线路节点（Junction）等。
3.5.4.调整、检查和修改
在该过程中，用户利用Protel 99所提供的各种工具对前面所绘制的原理图做进一步的调整和修改，以保证原理图的正确和美观。
3.5.5.补充完善
该过程主要是对原理图做一些相应的说明、标注和修饰，以增加可读性和可视性。
3.6生成网络表（见附件网络表）
第4章 设计总结
此次课程设计是单片机CNC装置的设计，根据老师所给的题目要求选择自己所需的芯片并对其进行布局最后绘制一张电路原理图并且生成所对应的网络表，直到完成课程设计。其间，查找资料，老师指导，与同学交流，反复修改图纸，每一个过程都是对自己能力的一次检验和充实。
通过这次实践，我了解了不少芯片的用途及工作原理，熟悉了数控系统的设计步骤，培养了自己独立设计能力。此次课程设计是对我专业知识和专业基础知识一次实际检验和巩固，同时也是明年的毕业设计前的一次热身。
课程设计收获很多，比如学会了查找相关资料相关标准，分析数据，提高了自己的绘图能力，懂得了许多同时课程设计也暴露出自己专业基础的很多不足之处。比如缺乏综合应用专业知识的能力，对芯片的不了解，等等。
自己的求学之路还很长，在以后的学习中要注意乏综合应用专业知识的能力的训练，弥补自己的不足。
参考文献
[1].张建钢，胡大泽.数控技术.武汉：华中科技大学出版社，2000.
[2].彭炎午.计算机数控（CNC）系统.西安：西北工业大学出版社，1988.
[3].张军 王艳秋. 单片机原理及接口技术.[M].北京：清华大学出版社，2006
[4].余锡存 曹国华. 单片机原理及接口技术.[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007
[5].陈光东，赵性初.单片微型计算机原理与接口技术.武汉：华中理工大学出版社，1933.
[6].孙涵芳，徐爱卿.MCS-51 96系列单片机原理及应用.北京：北京航空航天大学出版社，1988.