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。

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

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。