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热释电红外感应自动照明灯资料

存档编号：

毕业（课程）设计说明书

设计题目:

XK536数控铣床改造机床面板按键编码单片机控制程序设计

系别：

专业：

班级：

姓名：

（共27页）

年月日

附表1

专业毕业设计或实践任务书

姓名：

班级:

学号：

一、设计或实践题目：

XK536数控铣床改造机床面板按键编码单片机控制程序设计

二、内容及要求

（1）根据所学知识画出设计原理图；

（2）分析各模块的电路功能；

（3）按原理图焊接好电路，然后调试，直到达到设计要求；

（4）主要单元电路和元器件参数选择、使用方法及功能；

（5）完成毕业设计报告。

三、完成形式

论文+作品

四、系（部）审核意见

指导老师:

发题日期：

年月日

完题日期：

年月日

【摘要】:

本文介绍了对XK536数控机床改造的设计与实现，利用单片机改造设计机床操作面板替代原机床操作面板。

针对数控机床原来存在的问题，以及替换元器件困难等进行改造设计。

该设计的成功应用，有限减少了原机床的接线数量，从而降低了机床的故障率。

使闲置多年的数控机床重新投入使用，提高了加工效率及零件的加工精度。

同时节省了改造成本，缩短了改造周期。

提高机械制造加工能力，并为以后数控机床机械加工设备的改造、升级提供了技术准备。

【关键词】单片机；数控铣床；矩阵编码；PMC

【Abstract】ThistextintroducesNumericalcontrolmillingmachinereformationtousesingle-chiptocontrolinsteadofoldmachineoperationfront-panel.Passthisreformation,MaketheXK536canuseaging,raisetoprocessanefficiency.Thisreformationsavemoneyandshortenthereformationperiod.raisethemactionmanufacturingofmycompanytoprocessanabilityavailably,andislaterthecompanynumbercontrolamachinetoprocessanequipmentsofreformation,getstriptoprovidebettertechniquepreparation.

【Keywords】Single-chip;Numericalcontrolmillingmachine;matrixcoding;PMC

3.1机床操作面板的工作原理-10-

第1章前言

从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。

数控加工具有如下特点：

加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。

数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生命周期的急需零件以及要100%检验的零件。

数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。

XK536机床是一台早期数控铣床，该设备是青海第一机床厂70年代的产品，在生产任务中曾经发挥了巨大的作用，随着使用年限的增加，在使用过程中逐渐曝露出故障率高、加工精度低、维护保养不方便等问题。

经多方论证，同时走访了设备使用单位，认为该机床的主体结构具有刚性好、变形小、结构合理等优点，具有较高的大型改造价值。

因此决定对该设备进行全面的机械电气系统改造。

XK536三坐标数控铣床原为一台电波伺服的数控铣床，采用的是FANUC-0MD系统。

该数控铣床的机床在、操作控制面板，在经过一段时间的使用后，面板上的按键标示已经被磨损掉，不能正确的判断其对应的功能；同时，有部分按键已经损坏，不能进行功能操作；少数的按键操作也不灵敏，这给操作员工带来极大的不便。

通过查找资料，我们了解到目前国内的数控设备在机床操作面板的控制方面绝大多数采用FANUC系统所配套的标准机床操作面板，或使用XK536数控铣床原有的电路结构形式，即点对点，线对线。

这样是机床操作面板要么成本提高，要么结构复杂，故障率高。

而用单片机微处理器电路通过编、译码方式来实现机床操作面板控制的还没有。

在这次改造中如果采用FANUC-0MD系统相配套的标准机床操作面，虽然改造的工作量减少，但是面板价格昂贵，且供货周期很长，至少要3个月左右时间。

如果采用原机床面板控制电路结构，则其连线多、占用PMC输入/输出资源多，故障率高等缺点是显而易见。

为此我们决定采用在诸多领域得到极为广泛应用的MCS-51系列中的AT89S52单片机作为核心，利用单片机高可靠性、高性价比的特点，通过软件的编码处理，完成按键与PMC之间的实时通讯，同时PMC输出相应编码信号送入指示灯处理电路实现机床操作面板的控制，替代FANUC系统标准机床操作面板的所有功能，从而完成操作站机床操作面板的改造设计。

第2章数控机床操作

数控系统是数字控制系统的简称，英文名称为NumericalControlSystem,早期是由硬件电路构成的称为硬件数控（HardNC），1970年代以后，硬件电路元件逐步由计算机代替为计算机数控系统。

计算机数控（Computerizednumericalcontrol,简称CNC）系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。

CNC系统根据计算机存储器中的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。

CNC系统由数控程序、输入装置、输出装置、计算机数控装置（CNC装置）、可编程逻辑控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给（伺服）驱动装置（包括检测装置）等组成。

如图1所示。

CNC系统的核心是CNC装置。

由于使用了计算机，系统具有了软件功能，又用PLC代替了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，其灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维护也方便，并具有与上位机连接及景象远程通信的功能。

2.1数控机床的工作原理

1程序编制及程序载体

数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。

在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系的相对位置，即零件在机床上的安装位置；道具与零件相对运动的尺寸参数；零件加工的工艺路线、切削加工的工艺参数以及辅助装置的动作等。

2输入装置

输入装置的作用是将程序载体（信息载体）上的数控代码传递并存入数控系统内。

根据控制存储介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。

零件加工程序输入过程有两种不同的方式：

一种是边读入边加工（数控系统内存较小时），另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从内部存储器中逐段逐段调出进行加工。

3数控装置

数控装置是数控机床的核心。

数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，时期进行规定的有序运动和动作。

4驱动装置和位置监测装置

驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床移动部件，以加工出符合图样要求的零件。

5辅助控制装置

辅助控制装置的主要作用是接收控制装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运动，在经过功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。

这些控制装置包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，道具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启动停止，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。

6机床主体

数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。

但数控装置在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都已经发生了很大的变化。

这种变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床。

2.2数控机床的组成结构及工作原理

1组成结构

2工作原理

数控系统根据零件程序中优先的加工信息（例如：

起点坐标、终点坐标、圆弧半径、顺逆转指令、进给速度），利用指定的线型将起点与终点连接起来（拟和过程）——插补轨迹；再根据数控系统的最小计算、检测单位（分辨率），在起点与终点之间根据一定的算法插入若干中间点（又称填补空白），并计算出这些中间点的坐标值——插补计算；然后将这些坐标值转化为指令脉冲（或数字信息），通过脉冲分配器（或位控通道）把这些脉冲（或数字信息）定时定量地分配给对应的伺服装置——位置控制；伺服装置根据接收到脉冲数的多少、速度信号、方向信号（或数字信息），对这些脉冲进行功率放大和波形转换，最后去驱动对应坐标轴的伺服电机。

伺服电机实际产生的位移量及位移速度，通过位置反馈装置及速度检测装置实时地反馈给数控装置或伺服驱动装置——根据指令值与反馈值实时进行比较、计算，并根据比较结果发出相应命令。

2.3FANUC0系列数控系统分析

由于XK536数控机床的数控系统采用的是世界上比较流行的FANUC0系统，因此在进行机床的改造之前一定要对该机床的一些特点有所了解。

此系统在设计中大量采用模块化结构。

这种结构易于拆装、各个控制板高度集成，是可靠性有很大提高，而且便于维修、更换，并设计了比较健全的自我保护电路。

PMC信号和PMC指令极为丰富，便于工具机厂商编制PMC控制程序，而且增加了编程的灵活性。

系统提供串行RS232接口，以太网接口，能够完成PC和机床之间的数据传输。

FANUC系统性能稳定，操作界面友好，系统各系列总体结构非常类似，具有基本统一的操作界面。

FANUC系统可以在较为宽泛的环境中使用，对于电压、温度等外界条件的要求不是特别高，因此适应性很强。

其内部结构图如图3所示

第3章机床操作面板的工作原理及设计

3.1机床操作面板的工作原理

在此次XK536数控铣床的技术改造中，受到电脑、收款机等矩阵键盘的启发，决定通过汇编语言编程实现机床操作功能按键的编码输出，在FANUC数控系统的PMC中通过梯形图编程内部处理单片机输出的按键编码信号，以实现各个按键的功能，同时PMC输出相应指示灯的编码信号送入指示灯处理电路，从而实现按键指示灯的实时显示。

根据FANUC控制系统和我们设计的机床操作面板以及一些辅助功能的要求，整个机床操作面板布局如图4所示

3.2硬件电路

再设计硬件电路时，根据该数控铣床的使用功能及各方面要求，该XK536数控铣床需要35个按键满足机床各个操作功能的实现，完成所有的加工要求。

所以，通过多方面综合设计评审，确定按键编码方式为矩阵编码（表1）。

表1按键编码输入地址

该操作面板的硬件设计电路框图如下（图5）所示。

（详细原理图见附图1）

键盘处理

采用5*8矩阵键盘。

列接有IC3（AT89S51单片机）的P0口，行接IC3（AT89S51单片机）的P2口。

空闲时，每一行接有上拉电阻，使之呈现高电平。

键盘采用逐列扫描查询工作方式，通过软件控制使IC3（AT89S51单片机）的P0口轮流输出扫描码，经IC（74LD244缓冲器）输出到列，IC3（AT89S51单片机）的P2口循环采集输入的信号，当有低电平时，CPU判断有按键按下，由于矩阵式键盘的按件位置由行号和列号唯一确定，所有分别对行号和列号进行二进制编码，然后通过软件将两值合成一个字节就形成了按键的编码。

每一个编码对应一个按键功能。

此编码经过电平转换电路输出到PMC，通过数控系统梯形图编程判断，实现相应的功能。

3.3软件电路

对键盘、指示灯的硬件电路设计完成以后，需进行软件编程以实现硬件电路的功能。

下面给出相应的程序框图6，详细见附图2

程序清单如下：

ORG0000H

JMPST

ST:

MOVA,P2

JBACC.7,BEING;RT未按下，转键盘扫描子程序A=01H（A非0则转移）

MOVR2,#00FEH;扫描第1列，置第1列=0

MOVA,R2;扫描码送A

MOVP0,A

MOVA,P2

JBACC.0,ONE;第1行无键，转ONE（直接地址为1则转移）

MOVA,#00000111B;第1行有键，键码送A

MOVP1,A;键码输出

ACALLDL10ms

MOVA,#0FFH

MOVP1,A

ONE:

JBACC.1,TWO;第2行有键，转TWO返回（直接地址为1则转移）

MOVA,#00001000B;第2行有键，键码送A

ACALLDL10ms

MOVA,#0FFH

MOVP1,A

TWO:

AJMPST

BEGIN:

ACALLCCSCAN

JNZINK1;确有键按下，转INK1（A非0则转移）

AJMPST;回到起点

INK1:

ACALLCCSCAN

JNZINK2;确有键按下，转INK2（A非0则转移）

AJMPST;抖动引起，回到起点

INK2:

MOVR2,#00FEH;扫描第1列，置第1列=0

MOVR4,#00000001B;列号送R4

COLUM:

MOVA,R2;扫描码送A

MOVP0,A;输出扫描码

MOVA,P2;读入PB口

JBACC.0,LONE;第1行无键，转LONE（直接地址为1则转移）

MOVA,#00000000B;第1行有键，行码送A

AJMPKCODE;定键号子程序

LONE:

JBACC.1,LTWO;第2行无键，转LTWO（直接地址位为1则转移）

MOVA,#00001000B;第2行有键，行码送A

AJMPKCODE

LTWO:

JBACC.2,LTHR;第3行无键，转LTHR（直接地址位为1则转移）

MOVA,#00010000B;第3行有键，行码送A

AJMPKCODE

LTHR:

JBACC.3,LTHR;第4行无键，转LFOU（直接地址位为1则转移）

MOVA,#00011000B;第4行有键，行码送A

AJMPKCODE

LFOU:

JBACC.4,LTHR;第5行无键，转扫描下一列（直接地址位为1则转移）

MOVA,#00100000B;第5行有键，行码送A

KCODE:

ADDA,R4;行码加列码得键号

MOVR0,A

ACALLST1

MOVA,R0

MOVP1,A;输出键号

ACALLDL10ms

MOVA,#0FFH

MOVP1,A

NEXT:

INCR4;列号加1

MOVA,R2;列扫描码送A

JNBACC.7,KERR;全8列扫描完，无键，干扰（直接地址位为0则转移）

RLA;调整下一列

MOVR2,A;保存扫描码

AJMPCOLUM;扫描按键

KERR:

AJMPST;等待键输入

CCSCAN:

MOVA,#0000H

MOVP0,A;P0口全零

MOVA,P2

CPLA;A求反

RET;返回

DL10ms:

MOVR7,#01AH

DLA0:

MOVR6,#0FFH

DLA1:

DJNZR6,DLA1

DJNZR7,DLA0

RET

ST1:

MOVA,P2

JBACC.7,TWO1;RT未按下，转键码输出（A非0则转移）

MOVR2,#00FEH;扫描第1列，置第1列=0

MOVA,R2;扫描码送A

MOVP0,A;输出扫描码

MOVA,P2

JBACC.0,ONE1;第1行无键，转ONE1（直接地址位为1则转移）

MOVA,#00000111B;第1行有键，键码送A

MOVP1,A;键码输出

ACALLDL10ms

MOVA,#0FFH

MOVP1,A

ONE1:

JBACC.1,ONE1;第2行无键，转TWO1返回（直接地址位为1则转移）

MOVA,#00001000B;第2行有键，键码送A

MOVP1,A;键码输出

ACALLDL10ms

MOVA,#0FFH

MOVP1,A

TWO1:

RET

END

3.4抗干扰设计

（1）充分考虑电源对单片机的影响。

电源做得好，整个电路的抗干扰就解决了一大半。

许多单片机电源对噪声很敏感，要给单片机电源加滤波电路或稳压器，以减小电源噪声对单片机的干扰。

比如，可以利用磁珠和电容组成π型滤波电路，当然条件要求不高时也可用100Ω电阻代替磁珠。

（2）注意晶振布线，以保证时钟频率的稳定。

晶振与单片机引脚尽量靠近，用地线把时钟区隔离起来，晶振外壳接地并固定。

此措施可解决许多疑难问题。

（3）电路板合理分区，如强、弱信号，数字、模拟信号。

尽可能把干扰源（如电机，继电器）与敏感元件（如单片机）远离。

（4）用地线把数字区与模拟区隔离，数字地与模拟地分离，最后在一点介于电源地。

A/D、D/A芯片布线也以此为原则，厂家分配A/D、D/A芯片引脚排列是以考虑此要求。

（5）单片机和大功率器件的地线要单独接地，以减少相互干扰。

大功率器件尽可能放在电路板边缘。

（6）在单片机I/O口，电源线，电路板连接线等关键地方使用抗干扰元件，如磁珠、磁环、电源滤波器，屏蔽罩，可显著提高电路的抗干扰性能。

第4章主要元器件的选择

4.1AT89S51单片机

引脚说明：

电源引脚：

VSS脚接地；

VCC脚接+5V电源。

外接晶体引脚XTAL1和XTAL2。

RESET/VPD脚：

当振荡器运行时，在此引脚上出现两个周期以上的高电平，将使单片机复位；VCC掉电期间，此引脚可接备用电源，以保证内部RAM的数据不丢失；当VCC低于规定水平，而VPD向内部RAM提供备用电源。

ALE/PROG:

当访问外部存储器时，单片机即用P0口作为低8位地址输出口，又作为数据输入/出口。

为了使地址和数据不混肴，一般先选地址再选数据。

ALE（允许地址所存）将P0口输出的第8位地址锁存，从而实现低位地址与数据的分离。

在对8751片内的EPROM编程（固化）时，此引脚用于编程脉冲PROG.

PSEN:

外部存储器的读选通信号。

EA/VPP:

当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC值超过0FFFH（对于8051,8751,80C51）或1FFF（对于8052）时，将自动转向访问外部存储器。

当EA端保持低电平时，不管是否有内部程序存储器，则只访问外部程序存储器，在对8051片内EPROM编程时，此引脚用于是假21V电源VPP。

输出输入引脚：

P0口是双向8位三态I/O口；

P1口、P2口、P3是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

第5章结束语

参考文献

【1】阎石.数字电子技术基础【M】.北京：

高等教育出版社，1988年；

【2】童诗白.模拟电子技术基础【M】.北京：

高等教育出版社，1988年；

【3】谢自美.电子线路设计.实验.测试【M】.华中科技大学出版社，2002年07月；

【4】王兆安.电力电子技术基础【M】.机械工业出版社，2000年05月61~73；

【5】张毅刚等.MCS-51单片机应用设计【M】.哈尔滨工业大学出版社，1997年12月；

【6】马忠梅.单片机的C语言应用程序设计【M】.（第3版）北京航空航天大学出版社.2003年11月。

同时为防止按键受到电磁干扰误输出，在软件上增加了10ms延时去除抖动等抗干扰措施图a所示，它主要由电源电路、热释电传感器、电压比较器、555时基电路、光控电路等部分组成。

a热释电红外感应自动照明灯

本机电源由变压器T降压、VD1~VD4桥式整流及电容C7滤波供给，它能输出12V左右的直流电压供整机用电。

PIR为热释电红外传感器，它能探测出移动人体发出7~14um的远红外线，并将其转化为微弱的电信号输出。

LM358中的一个运放A2构成电压比较器，平时通过调节电位器RP1使反相输入端6脚电位低于同相输入端5脚电位，所以7脚输出高电平，VD6截止，由555时基电路A3组成的单稳态触发器处于稳定态，3脚输出低电平，

继电器K不动作，照明灯EL不亮。

若有人在热释电红外传感器PIR前方运动，PIR的S端就就输出微弱的超低频交流信号，经C2加到晶体管VT1及LM358中另一个运放A1等组成的俩极高增益前置放大器进行放大，可是信号增益达到72dB左右。

这是电压比较器A2的反相输入端6脚电位高于同相输入端5脚电位，所以7脚输出低电平，VD6导通，使A3单稳态触发器翻转置位进入暂态，3脚输出高电平，K得电吸合，其常开触点K-1闭合，电灯EL通电发光。

A3的暂态时间由RP2、C5的数值决定，调节RP2可以改变EL点亮的持续时间，暂态过后，A3恢复稳态，3脚输出低电平，K释放，电灯熄灭。

调节RP1可改变电路对人体活动的感应灵敏度。

VT2与RP3、RL等组成光控电路，调节RP3可使电路有合适的光控灵敏度。

白天，光敏电阻RL呈现低电阻，VT2导通，故将A3的4脚接地，使A3强制复位，3脚恒为低电平，所以白天电路封锁，电灯不会点亮。

只有到了傍晚，RL成高电阻，VT2截止，A3的4脚为高电平，才能解除对电路的封锁。

在安装时RL应放置在照明灯EL灯罩的上方，使其只感受室内自然光线，而不被电灯EL的自射光线照到，否则，电灯一亮，会造成光反馈，使电路不能正常工作。

3.3三极管放大模块

为了使进来的信号达到要求，必须对信号进行放大，所以本模块采用的是三级管9013来放大。

晶体三极管（以下简称三极管）按材料分有两种：

锗管和硅管。

而每一种又有NPN和PNP两种结构形式，但使用最多的是锗PNP和硅NPN两种三极管，两者除了电磁极性不同外，其工作原理都是相同的，本次设计使用的是NPN硅管。

对于NPN管，它是由2块N型半导体中间夹着1块P型半导体所组成的，发射区与基区之间形成的PN结称为发射结，而集电区与基区形成的PN结称为集电结，三条引线分别称为发射极e，基极b，集电极c。

三极管是一种电流放大器件，但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用，通过电阻转变为电压放大作用。

3.4LM358的介绍

LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用范围包括传感放大器、直流增益模组,音频放大器、工业控制、DC增益部件和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。

特性（Features）：

＊内部频率补偿。

＊电源电压范围宽：

单电源（3—30V）；双电源（±1.5-±15V）。

＊低输入偏流。

＊低输入失调电压和失调电流。

＊共模输入电压范围宽，包括接地。

＊差模输入电压范围宽，等于电源电压范围。