基于单片机的数控机床控制系统设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：日期：

指导教师签名：日期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：日期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：日期：年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：日期：年月日

导师签名：日期：年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：（签名）单位：（盖章）

年月日

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：（签名）单位：（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：□优□良□中□及格□不及格教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：（签名）

年月日

摘要

本课题研究的数控机床控制系统主要分为上、下位机。上位机为一块PC104，主要作用是运行整个数控软件，通过控制面板输入控制命令，通过输出端口来控制各个电机的运行，并将机床的加工信息在LCD屏上显示出来。下位机就是本课题所要设计的控制面板，它是一个单片机系统，将控制面板的输入信息传到上位机，并从上位机接收信息用LED来显示机床的运行状态。

该系统的总体功能够通过通讯协议完成单片机和上位机之间的通讯，该协议说明用户按了哪些键。开机后，上位机（PC104)给单片机发送信息，单片机接收到信息后在控制面板上用LED显示机床的状态，用户操作时按控制面板上的按键或转动波动开关，单片机向上位机发送信息告诉上位机用户对机床的操作和对加工过程的一些配置。上位机根据下位机传送的信息来控制机床的运行，同时也向单片机传送必要的信息。

本控制面板（下位机）分为上下两部分。上面一块称为MDI面板，下面称为机床操作面板。MDI面板上都是按键，其功能为：数控软件的软按键（虚拟button,由两个左右方向键和F1,F2,F3,F4,F5等按键组成）；文字代码编辑、插入、删除、查看翻页以及几个功能键（诊断，图形，系统设定等）。下面机床操作面板除了按键外，还有几个波段开关，起停开关以及一些LED灯。按键的功能是实现机床的操作命令，如打开照明灯，主轴的正转、反转，刀具回零点等。波段开关的功能分别为设置主轴倍率、进给倍率、快速倍率、方式选择。快停开关为数控机床启动、停止、急停，LED 灯显示数控机床状态。本系统设计包括：

1、单片机与上位机通信协议的设计。

2、多按键的设计。

3、单片机的抗干扰措施及MAX1232的使用的设计。

4、用MAX1232芯片和上位机进行串口通信的设计。

5、单片机I/O口的扩展的设计。

6、变量的定义设计。

7、灯亮程序的设计。

8、接收程序的设计。

关键词：单片机控制系统按键

Abstract

CNC machine tool control system of this research project is mainly divided into upper and lower machine. The host computer to the PC104 a main role is to run the CNC software, control commands via the control panel input and output ports to control the operation of each motor, and the machining information to be displayed on the LCD screen. Lower machine is subject to design control panel, which is a single-chip system, the control panel to input information to the host computer, and receive information from the host computer with LED display machine running status.

The overall function of the system enough to complete the communication between the microcontroller and the host computer through the communication protocol of the agreement shows the user which key was pressed. Boot the host machine (PC104) to send information to the microcontroller, MCU receives the information on the control panel with LED display machine status, user actions on the control panel button or turn the fluctuations switch, the microcontroller up the machine to send information to tell the host computer users on the machine tool operations and processing configuration. The host computer modem to send the information to control the operation of the machine, but also the necessary information to send to the microcontroller.

The control panel (machine) divided into two parts. Above one known as the MDI panel, hereafter referred to as a machine operator panel. Are keys on the MDI panel and its functions are: CNC software soft buttons (the button virtual, composed by the two left and right arrow keys and F1, F2, and F3, the F4, F5, and other key); text code editor, insert, delete, view page as well as several function keys (diagnostic, graphics, system settings, etc.). The following machine operator panel button outside, there are several band switch with the switch and some LED lights. The button's function is a machine tool operation command, such as turn on the lights, the spindle forward and reverse, the tool back to 0:00 and so on. Band switch function to set the spindle override and feed override, rapid override options. Quick stop switch to start, stop, emergency stop and LED lights display the CNC machine tools for CNC machine tools. The system design includes: 1, MCU and host computer communication protocol design.

2, a multi-button design.

3, anti-jamming measures microcontroller and MAX1232 use design.

4, the MAX1232 chip and the host computer serial communication design.

5,MCU I / O port expansion design.

6, the variable definition of design.

7, the program design of the lights.

8, the design of the receiving program.

Key word：lower machine, The control panel (machine), multi-button

目录

摘要 (1)

Abstract ............................................................. III 引言 . (1)

1. 简介 (2)

1.1 单片机 (3)

1.2 单片机与上位机通信协议设计 (4)

2. 多按键处理 (6)

3.原理图的分析与实现 (8)

3.1单片机的抗干扰措施及MAX1232的使用 (8)

3.2 用MAX1232芯片和上位机进行串口通信 (12)

3.3 单片机I/O口的扩展 (14)

3.4 程序分析 (20)

4．总电路图 (27)

结论 (28)

致谢 (29)

参考文献 (30)

引言

由于单片机构成的系统具有可靠性高、使用简单方便、修改灵活等优点，在工业应用上越来越普遍，逐渐取代了以往采用的以大量模拟电路、数字电路和分离原件来制作控制系统的方法。

本例首先对控制面板的功能和操作方法做了详细的介绍，对单片机和上位机的通信协议做了详细的分析。在硬件设计上，为了保证系统的温定型，用了MAX1232芯片作为整个单片机系统的看门狗。因为本系统要用到大量的I/O端口，所以用了一些8155芯片来扩展I/O，同上位机通信则用到了MAX232芯片。整个系统分为几个模块来编写，易于整理思路，使程序富有条理。

开机后，上位机（PC104)给单片机发送信息，单片机接收到信息后在控制面板上依靠LED显示机床的状态，用户操作时按控制面板上的按键以及转动波动开关，单片机向上位机发送信息告诉上位机用户对机床的操作和对加工过程的一些配置。上位机根据下位机传送的信息来控制机床的运行，与此同时也向单片机传送必要的信息。

目前大量的嵌入式产品，如激光打印机，POS机等等，依赖键盘或者小键盘接口用于用户的输入，并在LCD或者LED上显示一定的信息。虽然目前有非常多的芯片可以用来实现键盘扫描，但是用软件实现键盘扫描的方法有助于缩减系统的开发成本，并且修改灵活，非常方便。本系统的键盘扫描方法和代码也可以用在其他类似的系统上，仅仅需要根据项目的不同特点、需要、做出少量修改即可。

1.简介

单片机又可以称为单片的微型控制器，它不是为了完成某一个特定逻辑功能的芯片，而是把一个PC系统集成到一个芯片上。笼统的来讲：就是一台计算机就由一个芯片组成。它的质量轻、价格便宜、体积小、为开发、学习和应用提供了非常便利的条件。而且，学习使用单片机是为了了解PC结构与原理的最佳选择。单片机内部也使用和PC功能相类似的模块，比如中央处理器，内存，并行总线，还有和硬盘作用相似的存储器件，不同的是他的这些元件性能都比我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是相对很低的，一般不会超过5元。用来做一些控制电器一类不是非常复杂的工作就足够了。我们现在用的全自动滚筒洗农机、排烟罩、VCD等家电里面都可以看到它的身影。它主要的功能是作为控制结构的核心部件。他是一种存线式实时控制PC，在线式为现场控制，需要的是有很强的抗干扰的能力，较低的价格成本，这也是和离线式PC的（比如家用PC）主要区别。单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的一些功能，这是别的器件需要费很多人力才能做到的，有些则是花人力也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美同50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高科能，高效率，以及高可靠性！CPU(中央处理单元)是数字计算机的重要组成部分，其目的是对从内存中接收的指令进行译码，同时对存储于内部寄存器、存储器或输入输出接口单元的数据惊醒传输、算术运算、逻辑运算以及控制运算。在外部，CPU位转换指令数据和控制信息提供一个或多个总线并从组件连接到它。一个微控制器出现在普通电脑的键盘和检测器中，但是这些组件也被屏蔽。在这种微控制器中，与我们所讨论的CPU可能有所不同。字长也许更短，编制数量少，指令集有限。相对而言，性能差，但对完成任务来说足够了。最重要的是它的微控制器的成本很低，符合成本效应。因为单片机对成本是非常敏感的，所以现在占主导地位的软件还是最低级汇编语言，他是除了2进制机器编码以上最为低级的语言了，但是这么低级为什么还要使用它呢？非常多的高级语言已达到了可视化编程的水平，那为什么不用呢？原因非常简单，就是单片机没有家用PC那样的中央处理器，也没有像HD那样的大量存储设备。一个可以看到的高级语言编写的小程序里即使只有一个按键，也会达到几十K的尺寸！对于我们家用电脑的硬盘来讲这并没有什么，可是对于单片机来说着是绝对不能够接受的。单片机在硬件资源方面的利用率一定非常高才可以，所以汇编语言虽然有些原始但还是在被大量使用。同样的道理，如果把巨型PC上的操作系统以及应用软件拿到家用计算机上来运

行，家用计算机的也是承受不了的。可以这么说，二十一世纪跨越了几个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的PC时代。不过，这种计算机，通常是指个人PC机。它是由主机、键盘以及显示器等组成。还有一类PC机，很多人却不是怎么熟悉。这种PC机就是把智能赋予各种机械的微控制器（亦称单片机）。顾名思义，这种PC机的最小系统只用一片集成电路，即可进行简单的运算和控制。由于它的体积很小，一般都被藏在被控的机械“肚子”里。他在整个的装置中，起着就像人类的头脑的作用，它如果出了问题，所有的装置就瘫痪了。目前，这种单片机的使用领域已十分广泛，像科能的仪表、实时T控、通讯设备、导航仪器、家电等。各种产品。一但使用了单片机，就能起到使产品换代升级的功效，经常在产品的名称前加以形容词一一“智能型”，如智能洗衣机等。现在有很多工厂的技工或其它业余电子开发爱好者做出来的一些产品，不是电路过于复杂，就是功能过于简单且而且极易被仿制。究其原因，可能就是卡在产品没有使用的单片机或者别的可编程逻辑器件上。

1.1单片机

51单片机是对目前所有兼容Intel 8031系统指令的单片机的系统统称。该版本单片机的始祖是Intel的8031单片机，之后随着Flash rom技术的发展以及延续，8031单片机取得了很长的进展，成为现在使用最广泛的8位单片机之一，其代表是Atmel公司的At89系列，它广泛的用于工业测控系统中。目前有非常多的公司都有51系列的兼容类机型推出，在目前以至于今后都会在很长的一段时间内将占有大量的市场。51系列单片机不仅是基础入门的一个单片机，还是在应用中最为广泛的一种单片机。需要注意的是52系列的单片机一般都不具备自编程能力。如图1-1单片机管脚图

图1-1单片机管脚图

1.2单片机与上位机通信协议设计

上位机指示单片机显示机床的状态，以及单片机向上位机传递用户操作机床的信息全都需要设计单片机与上位机（PC104）的通信协议。

本控制面板设计通过RS-232发送和接收写信，协议定义：

发送数据：（单片机发送，计算机接收），两种方式：

（1）帧引导+命令字+数据个数+N个数据+异或校检。

（2）帧引导+结束命令字+异或校检。

其中，命令字为N、L、M、T。N表示机床控制面板的按键，L表示LCD的按键，M表示MDI面板的按键，T表示倍率。

N 6个数据 078为4EH

L 1个数据 076为4CH

M 4个数据 077为4DH

T 2个倍率数据 084为54H

P 6个手脉数据 080为50H

D 6个数据 068为44H

实例：如2、02+FFH+校检和。

数据和地址对应单元：Data0:30H以此类推：Data1:31H等。

请求数据：

（1）帧引导+命令字+数据地址+数据个数+校检和。

（2）帧引导+命令字+N个数据+校检和。

实例：如1、05+’W/R’+’40H’+’05H’+校检和。

发送数据为：05H、52H、34H、30H、30H、35H、31H、42H。

说明：校检和是W、04H与05H的ASC码值的和，且只保留检验和的最后两位，并把它转化为ASC2码值。在本例中校检和为11BH，去掉最高位则为1BH，那么其ASC2码值为：31H、42H。