1、邵阳学院毕业设计（论文）I目 录全套图纸，加 153893706内容提要 SUMMRAY1 绪论 11.1 引言 11.2 国内外研究的现状 21.3X62W 数控化改造设计总体要求和内容 .32 X62W 数控化改造机械系统设计 .62.1 概述 62.2 纵向进给系统的设计计算 72.3 横向进给系统的设计计算 122.4 垂直进给系统的设计计算 143 X62W 数控化改造数控系统设计 .173.1 X62W 数控化改造控制系统方案 .173.2CPU 分析选用 173.3 存储器 I/O 的扩展 .194 总结 30参考文献 31致 谢 32邵阳学院毕业设计（论文）11、绪论1.1 引
2、言数控机床具有高精度、高效、高速、高可靠性等优点，并且机床结构趋于模块化、数控功能专门化。数控机床是集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体的典型的机电一体化产品。它的发展和运用，开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式、使世界制造业的格局发生了巨大的变化。数控技术水平的高低已经成为衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，己成为当今制造业的发展方向。我国是世界上机床产量最多的国家，但在数控机床的产品竞争力仍然处于较低的水平。因为开发一台新的数控机床的周期比较长，不能及时针对用户的需求提供满意的产品。为此我们应
3、该在普通机床上考虑，不能一味的大量添置全新的数控机床，这样会造成资金投资量大，成本高，而且又会造成原有设备闲置浪费。把普通机床改造为数控机床不失为一条提高数控化率的有效途径。普通机床数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。这种机床改造花费少，改造针对性强，时间短，改造后的机床大多能克服原机床缺点和存在的问题，生产效率高，尤其适合中国机床拥有量大、生产规模小的具体国情1。(1)微观看改造的必要性微观上看，数控机床比传统机床有突出的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。数控机床可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面
4、等复杂的零件。由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 37 倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了“柔性自动化” 。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配” 。可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现
5、长时问无人看管加工。由以上五条派生的好处，如:降低了工人的劳邵阳学院毕业设计（论文）2动强度，节省了劳动力(一个人可以看管多台机床)，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行 FMC、FMS 以及CIMS 等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。(2)宏观看改造的必要性宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 70 年代末、80 年初已开始大规模应用数控机床。其本质是采用信息技术对传统产业(包括军、民机械工业)进行技术改造。除在制造过程中采用数控机
6、床、FMC 、 FMS 外，还包括在产品开发中推行 CAD、CAE、CAM 、虚拟制造以及在生产管理中推行 MIS(管理信息系统)、CIMS 等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造(称之为信息化)，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20 年，如我国机床拥有量中，数控机床的比重(数控化率)到 1995 年只有 1.9%，而日本在 1994 年己达 20.8%，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性 2。1.2 国内外研
7、究的现状当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，己形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在 20 世纪 80 年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早己成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。较著名的控制系统有:日本 FANUC 系列、Mitsubishi 系列、OKUNIA 系列、SODICK 系列、日立系列、德国 SIEMENS 系列、DECKEL 系列、Heidenhain系列、HELLER 系列、
8、美国 ALLEN-BRADLEY(AB)系列、CINCINNANTI 系列、法国 Num 系列、意大利 FIDIA 系列、西班牙 FAGOR 系列、瑞士的 AG 系列、国产系列等 3。在美国、日本和德国等发达国家，它们将机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒” 的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，己形成了机床和邵阳学院毕业设计（论文）3生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生(Remanufacturing) 业。从事再
9、生业的著名公司有:Bertsche 工程公司、ayton 机床公司、Devlieg-Bullavd(得宝)服务集团、US 设备公司等。美国得宝公司己在中国开办公司。在日本机床改造业称为机床改装(Retrofitting)业。从事改装业的著名公司有：大限工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。赶上计算机体系结构前进的步伐、加快数控系统的开发速度，已成为数控发展的最主要趋势。以第四代计算机的工程结构和微电子工艺技术为基础，充分利用现有微机的硬件、软件资源，发展总线式、模块式、开放型、嵌入式的柔性数控系统，使之即适合加工复杂零件、分立式机床用的数控系统的组
10、成，又适合未来自动化升级时功能可扩展的要求。我国数控系统发展具有以下 3 个特征：(l)高档数控系统技术已经突破。如华中 I 型等数控系统，都具有多轴联动功能，快速进给速度在 1.67m/s 以上，具有较强的通信、管理功能。(2)普及型数控系统技术已经成熟。如北京机床研究所的 BS9l 系统，这些系统一般配有 CRT 显示器，可配置直流和交流司服驱动，24 轴联动。(3)经济型数控系统仍有广阔的市场前景。由于这类系统结构简单，价格便宜，非常适合中小型企业，目前仍是我国应用面最广的数控系统。比较典型的有南京大方的 JWK 系列。我国是机床生产大国，又是使用大国。数控机床是机械工业发展的关键产品，
11、我国的数控机床在机床产品中的比例总体水平低。但是我国是发展中国家，许多企业财力薄弱，不可能花费大量的资金添置许多全新的数控机床，同时大量的通用机床不可能全部淘汰。因此，把普通机床改造为数控机床则不失为是一条提高数控化率的有效途径，机床改造花费少，改造针对性强，时间短，改造后的机床大多能克服原机床的缺点和存在的问题，生产效率高。1.3 X62W 数控化改造设计总体要求和内容如图 1.1 所示，为 X62W 卧式万能铣床的原传动系统图。其主轴转动由电机 1经齿轮变速驱动。其主轴的升降用手柄 5 经锥齿轮副 3，丝杠手动操作。工作台的x 轴和 y 轴分别通过离合器 6 和离合器 7，由进给电动机 1
12、0 通过齿轮变速驱动丝杠副 4 和 8 实现自动进给。工作台的升降有电动机 10 通过离合器 9 将运动传给丝杠副11 来实现 4 。邵阳学院毕业设计（论文）4图 1.1 X62W 改前传动原理图对 X62W 卧式铣床进行机械部分改造，数控机床的刚度系数比同类普通机床提高 50%；应尽量提高机床的抗振性，通常机床的振动包括强迫振动和受迫振动。要提高机床在低速进给时的平稳性和运动精度。为实现复杂零件的自动铣削加工，提出三种方案：第一种方案：工作台升降，工作台 x 与 y 轴的进给运动第二种方案：主轴的升降和工作台的 x,y 轴的进给运动第三种方案：工作台的 x,y 轴进给运动改变为微机控制，实现
13、三轴或二轴的开环同步控制或非同步控制。上述方案中的第一种由于工作台较重，升降所需的步进电机转矩大，功率损失也大，改造成本较高，第二种方案较易实现，我们这里的设计要求改造 x,y 轴，z 轴作为预留，所以我们这里选择第三种方案。为保留原机床的半自动功能，应对原系统作尽可能少的改动，以免微机控制系统出了问题，机床还可手动加工。为此可进行以下改动，如图 1.2 所示 5：（1）保留原机床主轴传动系统。（2）保留机床工作台 x,y 轴进给系统，脱开离合器，去掉手轮，将滑动丝杠副换成滚珠丝杠副，并改装减速齿轮箱，减速齿轮，步进电动机（6，7） 6。邵阳学院毕业设计（论文）51.2 X62W 改后传动原理
14、图邵阳学院毕业设计（论文）62、X62W 数控化改造机械系统设计2.1 概述X62W 机床进给系统数控化改造设计机械系统设计分纵向，横向和垂向三个部分，在每个部分中，包括滚珠丝杠螺母副的设计计算，伺服驱动系统的设计计算。(1) 滚珠丝杠螺母副把传动丝杠与螺母之间的滑动摩擦变为了滚动摩擦, 使摩擦损失减小, 使精度保持性、传动平稳性、传动效率等都得到提高，其传动效率可达到 92%98%, 比常规的丝杠螺母副提高 34 倍（滑动丝杠效率为 0.20.4）。(2) 伺服驱动系统的设计计算包括步进电机选型、减速齿轮副的设计。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，
15、它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”) ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为 100%)的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机(VR)、永磁式步进电机(PM)、混合式步进电机(HB)和单相式步进电机等。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度或 15 度。反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为
16、 1.5 度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相:两相步进角一般为 1.8 度，而五相步进角一般为 0.72 度。步进电机有步距角(涉及到相数)、静转矩及电流三大要素组成。三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。考虑到经济性和实用性，选择反应式步进电机。邵阳学院毕业设计（论文）72.2 纵向进给系统的设计计算2.2.1 滚珠丝杠螺母副的设计计算(1)铣削力的计算根据金属切削机床设计简明手册表 3.287，对高速钢圆柱铣刀，切削力的计算公式:(2.1)FCwq
17、ueyzxpFz KndzafaCFF6081.9式中:C F-系数，其值取决于切削条件和工作材料，当工件为碳钢时，查金属切削机床设计简明手册表 3.28，取 CF =65ap铣削宽度 (铣刀每转一个齿间角时，工件与铣刀的相对移动量)ae背吃刀量Z铣刀齿数d0铣刀直径n铣刀转数xF yF uF 和 WF公式中各个系数的指数。KFC切削条件改变时，切削力的修正指数，其中参数按实际加工过程中平均铣削条件为标准来选择。查金属切削机床设计简明手册表 1.28 取d0=27 ，a e=4，z=4，a p=30fz =0.lmm，n 取 r/min其中 xF=1.0 yF=0.72 uF=0.86 WF=
18、0 qF=0.73 KFC=1 Nnz 431602741.36581.93.086.0721 利用圆柱铣刀进行逆铣时，工作台的工作载荷:工作台纵向进给方向载荷: F l=(11.2)F z工作台横向进给方向载荷: F c=(0.350.4) F z工作台垂向进给方向载荷: F v=(0.20.3) F z各系数分别取中间值，则:F l=1.1Fz=1.14313=4744NFc=0.375Fz=0.3754313=1617NFv=0.25Fz=0.2543=1078N由此可以算出周向铣削力 8邵阳学院毕业设计（论文）8（2.2）NFFvl 486513.42（2）强度校核计算：根据机械设计手
19、册，燕尾槽导轨工作时轴向力：（2.3） Gfkcyxm2式中：k -考虑力矩影响的系数f导轨上的摩擦系数因为导轨为燕尾槽导轨，所以可取:k=1.4 f=0.2Fx、F y 、F z-分别为沿铣刀轴向的轴向铣削力，沿铣刀径向的径向铣削力，沿铣刀切向的切向铣削力，其中 Fz 也时沿铣刀主运动方向的分力，它消耗铣床主电机功率最多 9。代入计算： NFx 324486532Ny0c167G-工作台重量(纵向)+夹具和工件的重量G=(100+200)9.8=2940N由此得:NFm 574123450)29167(2.034.1 寿命值为：（2.4）ntL式中:L工作寿命以 106r 为 1 个单位n滚
20、珠丝杠的转速 n = 10r/min (参考计算)t使用寿命时间，一般取 t=15000h则有： )10(910566rL滚珠丝杠最大动载荷 C:（2.5）kNkLFapm 4.12.957433 式中:k p为载荷系数，一般取 1.21.5，本例取 kp=1.2ka 为精度系数，对于本丝杠取 ka=1根据最大动载荷 C 的值，初选滚珠丝杠螺母副代号为:WCh2506- 3.51,表示外循环方式，公称直径为 25，基本导程为 6，螺纹旋向为右旋，负荷钢球圈数为 3.5，精度等级为 3 的传动滚珠丝杠副 10。邵阳学院毕业设计（论文）9查表为基本参数:滚珠丝杠的额定动载荷 Ca=16500N;滚
21、珠丝杠的额定静载荷 C0a=49700N;滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转(N 10 r /min) 下工作并受载, 那么还需要考虑另一种失效形式滚珠丝杠接触面上的塑性变形。即考虑滚珠丝杠的额定静载荷 C0a 是否大大超过了滚珠丝杠的工作载荷, C 0a=49700N3Fm ，所以强度足够。(3)刚度验算 滚珠丝杠受工作负载 Fm 引起的导程变化量：（2.6）EL01其中： L0 为滚珠丝杠的基本导程E 为弹性模量，对钢 E=21106N/ 2F 为滚珠丝杠截面积；故 mLm12.01滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量 L2 很小,可忽略，因此，L=L 1 所以导程变化总误差为mL/16.010
22、查表知选用 F 级精度滚珠丝杠允许的螺距误差为 30um/m,故刚度足够。(4) 传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率 为 11:tan（2.7）丝杠螺旋升角 = 422, 滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数 f=0.0030.004, 10, 则 96.072.453.4tan32ta oo2.2.2 伺服驱动系统的设计计算伺服驱动系统的设计计算包括步进电机选型、减速齿轮副的设计。邵阳学院毕业设计（论文）10(1) 脉冲当量的选择及减速齿轮副的设计 冲当量的选择根据原机械(普通铣床) 的加工精度，并参照同类数控铣床的精度参数，则可选脉冲当量: p=0.01/step初选步进电动机的步距角为: b=
23、0.75那么每个脉冲丝杠螺母移动的距离为: m/step0125.48675.0/36ooL要实现 p=0.01/step，就必须在步进电动机和滚珠丝杠之间加上一对降速齿轮，此对减速齿轮的减速比为: 25.16.340.3675360b21 oLzi 减速齿轮副的选择减速比计算出来后，采用一级齿轮减速，减速齿轮的模数一般取 m=1.75;压力角 =20(标准)初选齿轮齿数 z1=20;故大齿轮为 z2= 25故初选减速齿轮副的参数如下:z1=20 z2= 25 m=1.75=20（2）步进电动机的选型己知条件：p=0.01/step, b=0.75, i =1.25, L0=6 p0 m/st
24、e01.3625.1736 iLb故初选 和 i 合理满足： pib启动力矩：cmNFGfTEsp b2360（2.8）式中: p 为脉冲当量，取 p=0.01/stepFs 为移动部件负载: F s=1.1Fz=1.14313=4745.4NFE 为作用在移动部件上的负载:FE=0.25 Fz=0.254313=1078N邵阳学院毕业设计（论文）11f 为导轨摩擦系数，取 f=0.2(燕尾槽导轨)b 为步进电动机步距角，取 b=0.75 为机械传动的效率，一般取 =0.6G 为纵向移动部件重量:G=(100+200)9.8=2940N代入公式得： mNcT 068.7)(8.7062.419
25、6.07514.3278290.6确定步进电机最高工作频率:（2.9）pVf6maxmax式中 Vmax运动部件高大快进速度查 X62W 说明书，纵向工作台最大进给速度为:Vmax=2300/min=2.3m/min代入公式： HZVfp3801.6201maxmax 综合考虑并参考金属切削机床设计简明手册,选择 110BF003 步进电机，110BF003 步进电机的主要技术参数：最大静转矩 Tm=7.84Nm7.068 Nm；电机的最高空载效率为 1500Hz;运行频率为 7000Hz; 满足条件为 f 空载 14400N滚珠丝杠的额定静载荷 C0a=49700N;预紧力F p=Ca/4=
26、6025NFm一6134.4N 远远小于 3F，故可不加预紧力。(2) 传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为: tan丝杠螺旋升角 = 422, 滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数 f=0.003004, 10, 则 96.072.453.4tan324tan oo故根据上面的计算和校核可以选用 WCh2506- 3.51 型丝杠螺母副。2.3.2 伺服驱动系统的设计计算伺服驱动系统的设计计算包括步进电机选型、减速齿轮副的设计。(1)脉冲当量的选择及减速齿轮副的设计根据原机械的加工精度，并参照同类数控铣床的精度参数，则可选脉冲当量: p=0.01/step初选步进电动机的步距角为: b=0.75那
27、么每个脉冲丝杠螺母移动的距离为: m/step0125.48675.0/36L要实现 p=0.01/step，就必须在步进电动机和滚珠丝杠之间加上一对降速齿轮，此对减速齿轮的减速比为:25.16340.36750b21 oLzi减速比计算出来后，采用一级齿轮减速，减速齿轮的模数一般取 m=1.75;压力角=20(标准);初选齿轮齿数 z1=20;故大齿轮为 z2= 25故选减速齿轮副的参数如下:z1=20 z2= 25 邵阳学院毕业设计（论文）14m=1.75=20(2)步进电动机的选型步进电机的启动力矩cmNFGfTEsp b2360式中: p 为脉冲当量，取 p=0.01/stepFs 为
28、移动部件负载: F s=1.1Fz=1.14313=4745.4NFE 为作用在移动部件上的负载:FE=0.25 Fz=0.254313=1078Nf 为导轨摩擦系数，取 f=0.2(燕尾槽导轨)b 为步进电动机步距角，取 b=0.75 为机械传动的效率，一般取 =0.6G为横向移动部件重量: G =(100+200)9.8=2940N代入公式得：mNcT 068.7)(8.7062.4196.07514.328290.6确定步进电机最高工作频率:pVf60maxmax式中 Vmax运动部件高大快进速度查 X62W 说明书，横向工作台最大进给速度为:Vmax=2300/min=2.3m/min
29、代入公式： HZVfp3801.6201maxmax 与纵向相同，且 T 接近相同，为方便于改造初选与纵向相同型号的电机 ,选择110BF003 步进电机。 2.4 垂直进给系统的设计计算2.4.1 滚珠丝杠螺母副的设计计算（1）铣削力的计算邵阳学院毕业设计（论文）15与纵向和横向所设参数相同，则有: NnFz 431602741.36581.9. 86.072工作台纵向进给方向载荷: F l=1.1Fz=1.14313=4744N工作台横向进给方向载荷: F c=0.375Fz=0.3754313=1617N工作台垂向进给方向载荷: F v=0.25Fz=0.2543=1078N由此可以算出
30、周向铣削力NFvl 486513.42强度校核计算： “2GFfkcyxm 式中： k=1.4 f=0.2NFx 344865320yNc167工作台和移动部件的总重量G=(200+300)9.8=4900N由此得:NFm 612450)91672(.034.1 再根据最大的动载荷来选择横向丝杠寿命值为：6ntL同纵向取 n = 10r/min t=15000h则有： )10(910566r滚珠丝杠最大动载荷:kNkLFCapm 3.152.96133 式中:k p 为载荷系数，一般取 1.21.5，本例取 kp=1.2ka 为精度系数，对于本丝杠取 ka=1可以选择与纵向相同型号的滚珠丝杠螺
31、母副 WCh2506- 3.51滚珠丝杠的额定动载荷 Ca=16500N15300N滚珠丝杠的额定静载荷 C0a=49700N;邵阳学院毕业设计（论文）16预紧力F p=Ca/4=6025NFm一6134.4N 远远小于 3F，故可不加预紧力，滚珠丝杠传动效率 =0.96(2) 步进电机的选型启动力矩cmNFGfFTEsp b2360式中: p 为脉冲当量，取 p=0.01/stepFs 为移动部件负载: F s=1.1Fz=1.14313=4745.4NFE 为作用在移动部件上的负载:FE=0.25 Fz=0.254313=1078Nf 为导轨摩擦系数，取 f=0.2(燕尾槽导轨)b 为步进
32、电动机步距角，取 b=0.75 为机械传动的效率，一般取 =0.6G为纵向移动部件重量: G =(200+300)9.8=4900N代入公式得： mNcT 568.7)(8.7562.136.07514.32890.6确定步进电机最高工作频率:pVf6maxmax“式中 Vmax运动部件高大快进速度查 X62W 说明书，垂向工作台最大进给速度为:Vmax=770/min=0.7m/min代入公式： HZVfp12830.6710maxmax“ 与纵向相同，且 T 接近相同，为方便于改造初选与纵向相同型号的电机 ,选择110BF003 步进电机。邵阳学院毕业设计（论文）17单片机I/O口扩展驱动
33、器光电隔离功 率 放 大X 轴电机纵向丝杠存储器扩展驱动器急停、STOP 、清零等功能按钮主轴脉冲发生器龙套纵横等轴限位继电器继电器控制电路主 轴Y 轴电机横向丝杠Z 轴电机Z 向丝杠电机3、X62W 数控化改造数控系统设计3.1 X62W 数控化改造控制系统方案根据机械系统方案的要求，可以看出：对机械部分的控制只有进给系统的步进电机的控制。控制系统有微机的、有 PLC 的、也有单片机的，这里采用的是开环控制系统，可以选择经济型的单片机控制系统。另外，既然要控制，就得有输入和输出设备才能对相应的运动进行控制。其控制系统框图，如图 3.1 所示：图 3.1 控制系统框图3.2CPU 分析选用按照
34、要求，此控制系统只对进给系统的两个轴进行控制，而且是开环系统，因此控制较为简单；再加上键盘和显示器的控制，也不复杂，应采用较为经济的单片机。由单片机原理及其接口技术查得 Intel 公司的 8031 最为经济，因此选用8031 单片机 12。8031 单片机有 P0-P3 四个 8 位口，P 0 可驱动 8 个 TTL 门电路，16 根地址线由它经地址锁存器（74LS373）提供低 8 位 A0-A7，而高 8 位 A8-A15 由 P2 口提供。数据键 盘 显示器邵阳学院毕业设计（论文）18总线由 P0 口提供。控制总线有 P3 口的第二功能状态和 4 根独立的控制线 RESET，-EA，A
35、LE，-PSEN 组成。仅剩 P1 口可供控制外设，因此不能满足上述要求，又由8031 总片无 ROM，且只有 128 字节的 RAM，也不够用，故需要扩展。现采用 8155和 2764，6264 作为 I/O 和存储器扩展芯片，其它辅助电路有复位电路，时钟电路，越位报警指示电路，延时可利用 8155 的定时器/计数器的引脚 TMRIN 和TMROUT。3.2.1 单片机引脚及其功能：（1）电源线 2 根Vcc：编程和正常操作时的电源电压，接+5VVss：地电平（2）晶振 2 根XTAL1：震荡器的反相放大器输入。使用外部震荡器时必须接地。XTAL2：震荡器的反相放大器输出和内部时钟发生器的输
36、入。当使用外部震荡器时用于输入外边震荡信号 13。3.2.2 I/O 口及其功能（1） p0.0-p0.7 (AD0-AD7)是 I/O 端口 O 的引脚。端口 O 是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 端口。在存取外部存储器时，该端口分时地用作低 8 位的地址线和 8 位双向的数据端口。（2） p1.0-p1.7端口 1 的引脚，是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口通道，专供用户使用。（3） p2.0-p2.7 (A8-A15)端口 2 的引脚。端口 2 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，在访问外部存储器时，它输出高 8 位地址 A8-A15。（4） p3.0-p3.
37、7端口 3 的引脚。端口 3 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，该口的每一位均可独立地定义第一 I/O 口功能或第二 I/O 口功能。作为第一功能使用时，该口的结构与操作与 p1 口完全相同。邵阳学院毕业设计（论文）193.2.3 控制线单片机时钟利用内部振荡电路，在 XTL1，XTAL2 引脚上外接定时元件，晶振可以在 1.2-12MHz 间任选，电容在 5-30PF 之间，对时钟有微调作用。越界报警，指示电路，采用 4 个点位开关。一旦越界，应立即停止工作台运动，这里采用中断方式，利用 8031 外部中断-INT0，只要有一个开关闭合，即工作台的 X 向或 Y 向有一越界，便
38、能产生中断信号-INT0。为了报警，设置了两个发光二极管灯，一个红用于报警，绿的为正常工作，两灯均由 8031 的 P1.4 控制。为了整体控制需要，应将8155 的输出端 TMROUT 与 8031 的 T0 端相连，而且应与步进电机控制用环形分配器的 CP 端相连接 14。3.3 存储器 I/O 的扩展3.3.1 存储器的选用、扩展及连接由控制系统所迁用单片机内部集成 ROM 存储器，同时 128 位的 RAM 输出不能满足控制系统程序和数据的存储量，因此要进行存储器扩展。程序存储器选用 Inter2764，它是一种 5V 的 8K UVEPROM 存储器芯片，采用HMOS 工艺制成，标准
39、存取时间 250ns 具有可擦除特性，管脚数 28。由于铣削加工的指令数量较少，因而所需程序存储器容量较少，所以选用 Inter6264 静态 RAM 足够，该存储器具有 8K 的容量，200ns 的存取时间，所需电源为 5V，采用 HMOS 工艺， 管脚数 28。8031 对片外 RAM 和 ROM 的连接，如图 3.2 所示 15：0图 3.2 8031 对片外 RAM 和 ROM 的连接8031 分给 ROM（1） （2764）的地址范围是：2000H 3FFFH8031 分给 ROM（2） （2764）的地址范围是：0000H 1FFFH 8031 分给 RAM（6264）的地址范围是
40、：2000H 3FFFH邵阳学院毕业设计（论文）208031 分给（8155）的地址范围是：00HFFH3.3.2 键盘与显示接口电路在单片机控制系统中，键盘与显示系统是不可缺少的部件，它们由硬件电路和软件程序两部分组成。如图所示，这是键盘与显示系统常用的电路。 接 PA01234567驱动器接图 3.3 键盘与显示系统电路这里用 8155 来实现键盘、显示的接口控制，如图 3.3 所示。（2） 8155 的引脚及其功能：8155 的结构框图及引脚排列见图 3.4、3.5：邵阳学院毕业设计（论文）21图 3.4 8155 结构框图8155 具有 40 条引脚的双列直插式芯片，其引脚的功能见表
41、3.1 所示：表 3.1 8155 引脚功能表引脚 含义 引脚 含义AD0AD7 地址数据线 ALE 地址锁存PA0PA7 A 口 RD 读PB0PB7 B 口 WR 写PC0PC7 C 口 RESET 复位TIMERIN 定时输入 Vss 接地TIMEROUT 定时输出 Vcc 电源IO/M IO/RAM 口选择 CE 片选图 3.5 8155 引脚接线图其中 IO/M 是内部 RAM 和 I/O 口的选择线，IO/M=0（低电平时）选择片内RAM，AD 0AD7 上的地址信息为 8155 中的 RAM 单元地址。当 IO/M=1 时，选择I/O 口， AD0AD7 上的地址信息为 I/O
42、口地址。它利用 ALE 的下降沿将此信息锁存到片内锁存器中。（3） 8155 工作方式查询：8155I/O 工作方式选择通过对 8155 内部命令寄存器（命令口）设定命令控制字实现。命令寄存器格式及对应的工作方式见下图 3.6 所示：8155I/O 有四种工作方式，邵阳学院毕业设计（论文）22即 ALT1，ALT 2，ALT 3，ALT 4。其中各符号说明如下：AINTR：A 口中断，请求输入信号，高电平有效。BINTR：B 口中断，请求输入信号，高电平有效。ABF（BBF）：A 口（B 口）缓冲器满状态标志输出线， （缓冲器有数据时 BF为高电平） 。 图 3.6 命令寄存器格式ASTB（
43、BSTB）：A 口（B 口）设备选通信号输入线，低电平有效。（4） 状态查询：8155 还有一个状态寄存器，用于锁存 I/O 口和定时器的当前状态，供 CPU 查询用。其格式如图 3.7 所示：状态寄存器和命令寄存器共用一个地址，命令寄存器只能写入不能读出，而状态寄存器只能读出不能写入。所以可以认为，CPU 读该地址时，作为状态寄存器，读出的是当前 I/O 口和定时器的状态，而写该地址时，则作为命令寄存器对 I/O 口工作方式的选择。（5） 8155 定时功能：8155 芯片内有一个 14 位减法计数器，可对输入脉冲进行减法计数。外部有两个定时器引脚 TINEIN 和 TIMEOUT。TINE
44、IN 为定时器时钟输入，有外部输入时钟脉冲，TIMEOUT 为定时器输出，输出各种信号脉冲波形。定时器的格式、输出波形见图 3.8 所示：邵阳学院毕业设计（论文）23图 3.7 状态寄存器格式图 3.8 8155 定时器方式及输出波形（6）键盘显示电路工作原理：图键盘与显示系统电路中画出了 8031 通过 8155 对六只共阴极 LED 的接口和30 个按键的键盘。按键分为三类：一是数字键 0F，二是功能键 12 个；三是两个键没有定义，作为扩展有键位。 判数是否有键按下：CPU 把全“1”送到 8155C 口就可以在所有行线 L5L0 上得到 TTL 低电平，然后读取 B 口的列值就可以判断
45、是否有键按下，若无键按下则所读列值必为 1FH；若有键按下，则列值必因被按按键的行列线接通而不等于 1FH。 被按按键行值和列值的读取若 CPU 发现有键按下，CPU 获取被按接键行值和列值只要逐行对、键盘扫描，即轮流地使 C 口中每条行线变为低电平以及读取和判断 B 口的值。若列值为 1FH，则邵阳学院毕业设计（论文）24表明有被按按键不在本行，若列值不为 1FH，则对应的行值和列值就是被按按键的的列值和行值。 按键的去抖动和窜键处理在按下某个按键时，被按按键的簧片总会能轻微的抖动，这个科动常会持续10ms 左右时间。因此，CPU 在按键拌动期间扫描键盘必然会得到错误的行值和列值，最好的办法
46、是使 CPU 在检测到有键按下时延时 20ms 再进行行扫描。较低当用户在操作时常常不小心同时按下个以上的键时，即发生窜键盘，CPU 处理窜键是以最后放开的按键认和真正被按的键。CPU 在行扫描时必须不以发现第一个被近键为满足，而是继续完成对所有行的一遍扫描，并在该行扫描结束后根据窜键标志来判断是否发生窜键。如果未发现窜键，则本遍扫描的行值和列值就是被按按键的行值和列值；如果发现了窜键，则 CPU 再进行一遍行扫描就可获取最后放开键的行值和列值了。 其它求键值：求键值必须选先求关键字，求关键字必须知道行值和列值求行号：行序号和行值的关可以从键盘电路中看出 CPU 把被按按键的行值右移到全“0”
47、时得到的移位次数减 1 必为行序号。求键字：由键值表可以看到，CPU 把行序号移到高四位并和列值低四位相加便可得到相应关键字。求键值：被按按键的键值是查表次数减 1。被按按键的类型判别：在键值表中，数字键的键值必小于 10H，功能键的键值大于 10H 的。因此，CPU 用被按按键的键值是大于 10H 或是小于 10H 来判断按键的类型。表 3.2 键盘按键分布表R4 R3 R2 R1 R0/PROM /MOVE /RAM /BP L5DISP/MEMREG DUMP/LASTLOAD/NEXTL47/IP 8/P1 9/P3 A MON L34/IE 5/SBUF 6/SCON B/TMOD
48、MON L21/PC 2/T0 3/T1 C/PCON STEP L10/DPTR F/SP E/PSW D/TCON EXEC L0邵阳学院毕业设计（论文）25表 3.3 键值表关键字 键值 行值 列值 按键0F H 00 H 01 H 0F H 01F H 01 H 02 H 0F H 117 H 02 H 02 H 17 H 21B H 03 H 02 H 1B H 32F H 04 H 04 H 0F H 427 H 05 H 04 H 17 H 52B H 06 H 04 H 1B H 63F H 07 H 08 H 0F H 737 H 08 H 08 H 17 H 83B H 09 H 08 H 1B H 93D H 0A H 08 H 1D H A2D H 0B H 04 H 1D H B1D H 0C H 02 H 1D H C0D H 0D H 01 H 1D H D0B H 0E H 01 H 1B H E07 H
