基于AVR單片機的智能分度頭研究

王 晉，張玉更，羅庚合

（西安航空學院 陜西 西安 710077）

在傳統的機械加工行業中，采用較多的是分度精度低、分度柔性差、操作人員勞動強度大的手工分度頭。隨著計算機技術的發展，對機械設備的柔性化和自動化程度要求越來越高，加工精度的要求也越來越高。

目前國外先進水平的分度頭一般采取半閉環控制系統，用伺服電機的編碼器作為反饋回路的檢測元件，每轉脈沖數為2 500 P，精度較高，但價格也昂貴。如日本NIKKEN公司生產的數控分度頭的分辨率可達到0.001°，定位精度為15″。

國內很多單位也對數控分度頭做了大量的理論研究和產品的開發工作，例如華中科技大學采用神經網絡方法對分度頭進行誤差補償，能夠使分度誤差達到15″；山東煙臺機床廠采用意大利技術，采用半閉環控制系統，使分度精度達到20″[1]。

文中設計了一種體積較小能夠同實驗室內現有銑床配合、具有手動模式和自動模式功能的低成本智能分度頭。分度的計算工作由Atmega16單片機來完成，分度速度快、精度高。機械加工、裝配都是在實驗室內完成，節約了大量成本。

1 智能分度頭的總體設計思想

文中設計的智能分度頭工作模式分為兩種：自動模式和手動模式。當工件安裝到分度頭的夾具上后，在自動模式下，通過數控機床控制器輸入使能信號、脈沖信號以及方向信號。分度頭按系統指令要求進行分度。

在手動模式下，又分兩種控制方式：一是通過手輪旋轉及倍率調節按鈕，進行分度，并實時顯示分度頭所處位置以及轉速；二是輸入分度所需參數（包括等分度數、轉速、方向）等。然后，Atmega16按照設定的工作模式、分度參數進行實時處理和運算，運算結果和指令又通過I/O接口電路送入步進電機驅動器來控制步進電動機運行，并將工作狀態顯示在顯示屏上。步進電動機通過蝸輪蝸桿結構將運動傳遞到分度主軸，然后通過夾具帶動工件進行分度。在回零模式下，通過回零電路，使分度頭進行回零。

2 系統硬件的總體設計

設計以Atmega16為主控芯片，并且有回零電路、按鍵電路、電源電路、顯示電路以及驅動電路。如圖1所示。

2.1 控制系統模塊

圖1 系統總體設計Fig.1 Collectivity design

設計采用ATmega16單片機作為驅動步進電機的主控芯片，為了獲得最高的性能以及并行性，AVR采用了Harvard結構，具有獨立的數據和程序總線。程序存儲器里的指令通過一級流水線運行。CPU在執行一條指令的同時讀取下一條指令。這個概念實現了指令的單時鐘周期運行。程序存儲器是可以在線編程的FLASH，能夠很好的滿足橢圓插補的計算以及程序的燒寫功能[2]，并且用16位定時器T1來產生PWM波，能獲得較寬頻率的脈沖波。T1工作在相位和頻率修正PWM模式，可以產生高精度、相位和頻率都準確的PWM波形，十分適合于電機的控制[3]。

單片機的 PD口以及 PA5～PA7接 LCD12864顯示電路，PD2口用來產生PWM波驅動步進電機，PD0和PD1口與MAX232相連和上位機進行串口通信。其主控電路如圖2所示。

圖2 控制系統模塊Fig.2 Control system module

2.2 電源電路模塊

LM25705是美國安森美半導體公司生產的新型開關式降壓型穩壓電路。它們的作用與LM7805三端穩壓器差不多，不過由于該系統穩壓電源采用了開關技術，所以它的效率要比普通的三端穩壓器要高，而且該系列穩壓器的輸入電壓范圍比普通二端穩壓器更廣。

LM2575－5.0的基本應用電路為，外接4個元件，最大輸入電壓為40 V，最小輸入電壓為7.0 V，最大負載電流為1.0 A，最高環境溫度為50℃，最低環境溫度為0℃。

本設計所采用LM2575為Atmega16提供電源，有效保證了單片機的工作。如圖3所示。

2.3 上位機串口通信模塊

本系統采用max232芯片進行單片機與上位機的通信，MAX232外圍需要 4個電解電容 C14、C13、C10、C9， 是內部電源轉換所需電容。其取值均為1μF/25 V。一般選用鉭電容并且應盡量靠近芯片，C11為 0.1μF的去耦電容[4]。與Atmega16連接如圖4所示。

2.4 按鍵電路

當需要在手動模式下工作時，通過按鍵輸入分度所需參數。設計通過PB口與各個按鍵相連，如圖5所示。

圖3 電源電路模塊Fig.3 Power supply circuitmodule

2.5 步進電機電路

文中所采用步進電機的驅動芯片是東芝公司推出的低功耗、高集成兩相混合式芯片TB6560，其主要特點是：內部集成雙全橋MOSFET驅動；最高耐壓為40 V，單相輸出最大電流 3.5 A；并有整步，1/2、1/8、1/16細分方式；具有過電流保護功能，采用HZIP25封裝。

2.5.1 光電隔離電路

圖4 上位機串口通信模塊Fig.4 PC serial port communicationmodule

圖5 按鍵電路Fig.5 The key circuit

步進電機有3個控制信號，CLK、CW和ENABLE，分別控制電機的轉角、速度和使能，均需要通過光電耦合器和芯片相連接。光電耦合器又叫做光電隔離器，可以防止電機干擾和損壞接口板電路，還可以對控制信號進行整形。如圖6所示。

圖6 光電隔離電路Fig.6 Photoelectric isolating circuit

文中采用兩片高速光耦6N137來隔離管腳CLK和CW，可以保證信號耦合后不會發生滯后和畸變而影響電機驅動，并且信號傳輸速率可達10 MHz；使用1片TLP521來隔離ENABLE使能信號。

2.5.2 步進電機主電路

如圖7所示，步進電機的主電路由驅動電路和邏輯控制電路兩部分組成。

圖7 步進電機主電路Fig.7 Steppermotor circuit

步進電機的驅動電路采用28 V直流電，電壓為4.5～40V。其中VMB、VMA作為步進電機驅動電源引腳，分別接入瓷片去耦電容和電解電容來進行穩壓。OUT_AP、OUT_AM、OUT_BP、OUT_BM引腳分別為電機的兩相輸出接口。NFA和NFB分別為電機A、B相最大驅動電流定義引腳[5]，其計算公式為：Iout（A）=0.5（V）/RNF，假設電機每相的最大驅動電流為2.5 A，則 RNF=0.28Ω，則 PGNDA、PGNDB、SGND 分別為電機A、B相驅動引腳地和邏輯電源地。

邏輯控制電路的電源為5 V，VDD是邏輯電源引腳，外接去耦電容和旁路電容減小噪聲；M0和PROTECT分別為工作狀態和過流保護指示燈；M1和M2為細分設置引腳，與撥碼開關連接能得到不同的細分值。

2.6 顯示模塊

顯示電路作為智能分度頭的輸出接口，可以顯示加工過程中的狀態等信息。本設計中顯示模塊采用OCMJ4X8A液晶顯示屏，可以方便地顯示漢字及圖形；可全屏顯示系統所有信息；電路結構簡單，便于控制，功耗低，滿足配合單片機的液晶驅動模塊顯示數據的需求。

3 系統的軟件設計

3.1 軟件設計的總體思路

本研究的軟件設計采用C語言編程，與匯編語言相比，有較好的移植性[6]。程序設計使用2個標志位i、j來實現系統的邏輯控制。當自動模式按鍵按下后，標志位i=0；當手動模式按鍵按下，標志位i=1。在手動模式下，標志位j=0時，手輪脈沖發生器產生作用；標志位j=1時，可以通過輸入分度數、轉速和轉向來控制步進電機。如果沒有按鍵被按下，則主程序進行循環掃描。

3.2 系統程序流程圖

系統的流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖Fig.8 Main program flowchart

4 結束語

文中提出了一種智能分度頭的設計方案，通過Atmega16單片機[7]使分度頭具有自動和手動兩種控制模式，能方便的進行對分度頭的控制。試驗證明，效果良好，達到預期目標。

[1]張德昌，王剛.GKF 210高精度數控分度頭[J].工具技術，2001（35）:38-39.ZHANG De-chang，WANG Gang.GKF 210 High precision CNC dividing head[J].Tool Technology，2001（35）:38-39.

[2]李全利.單片機原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

[3]劉麗.基于ATmega16單片機的步進電機加減速控制[J].中國測試技術，2007（33）:106-108.LIU Li.Based on ATmega16 single chip microcomputer stepping motor deceleration control[J].Test and Technology of China，2007（33）:106-108.

[4]劉艷玲.采用MAX232實現MCS-51單片機與PC機的通信[J].天津理工學院學報，1999，15（2）:58.LIU Yan-ling.MCS-51 single chip microcomputer and PC is realized by using MAX232 communications[J].Journal of Tianjin Institute of Technology，1999，15（2）:58.

[5]王黨利.基于TB6560的步進電機驅動電路設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2010（1）:41-43.WANG Dang-li.Stepping motor driver circuit design based on TB6560[J].Microcontrollers&Embedded Systems，2010（1）:41-43.

[6]郭天祥.新概念51單片機C語言教程[M].北京:電子工業出版社，2009.

[7]楊善潮，馬強，金曉明，等.EE80C196KC20型單片機小系統的脈沖γ輻照效應實驗研究[J].現代應用物理，2013（3）:277-281.YANG Shan-chao，MA Qiang，JIN Xiao-ming，et al.Experimental study of pulsedγ-ray radiation effects on EE80C 196KC20microcontroller system[J].Modern Applied Physics，2013（3）:277-281.