1、毕业论文（设计）题目：车床横刀架进给数控改造校区(函授站) ：专 业：机电一体化班 级：学 号：学生姓名：导师姓名： 起止时间：1毕业论文（设计）任务书学生姓名 指导教师 职称 教授 校区(函授站) 专业 机电一体化 题目 车床横刀架进给数控改造 任务与要求1完成一台机床工作台的数控改造；要求工作台能实现点位(或连续)控制；2改造部分进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图一张（A1） ；3计算机 I/O 接口、驱动电路等电路原理设计图一张（ A1） ；4设计说明书 8000 字左右（前言，控制系统总体方案的分析及框图，机械部分设计计算，机构设计说明，硬件电路设计说明，技术经济分析，结束语，参考文献
2、，后记，附录） ；5选步进电机为驱动电机，脉冲当量取 0.01mm/step；6旋转移动的转换用滚动丝杠；7. 能用键盘输入命令，控制工作台；能实时显示工作台当前运动位置；有超越边界报警，并停止运动。原始数据：1. 工作台（或刀架）重 G=155 N；2工作台行程 L=0300mm；3工作台最大移动速度 Vmax=3m/min；工作台工作进给速度 Vmax=1m/min；4切削分力：F X= 340N，F Y=950N，F Z=1390 N；5工作台尺寸：300550mm 2；6各传动部件的设计寿命 1500048000h。开始日期 完成日期 2目 录绪论 1第一章总体设计方案的拟订31-1
3、总体方案确定 31-2 数控工作台及其控制系统 4第二章 车床进给伺服系统机械部分设计计算 52-1 脉冲当量的选择 52-2 切削力的计算 52-3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 62-4 齿轮传动比的计算142-5 步进电机的计算与选型15第三章 车床微机数控系统硬件电路的设计203-1 单片机微机数控系统电路设计内容203-2 MCS-51 系列单片机简介213-3 存储器扩展电路的设计283-4 I/O 接口电路及辅助电路设计373-5 典型零件加工程序设计46参考文献50致谢51绪 论随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型，普通机床已不能适应这些要求，数控
4、机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。3一、数控机床的产生数控机床最早是从美国开始研制的。1948 年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949 年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。并于 1952 年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。经过三年改进和自动编程研究，于 1955
5、年进入实用阶段。一直到 20 世纪 50 年代末，由于价格和技术原因，品种多为连续控制系统。到了 60 年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。二、数控机床的发展自 1952 年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了五个发展阶段。第一代数控：1952-1959 年采用电子管元件构成的专用数控装置。第二代
6、数控：从 1959 年开始采用晶体管电路的 NC 系统。第三代数控：从 1965 年开始采用小、中规模集成电路的 NC 系统。第四代数控：从 1970 年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统。第五代数控：从 1974 年开始采用微型电子计算机控制的系统。目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的普通数控系统，形成了现代数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应
7、用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善。近年来，微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。三、我国数控机床的发展概况我国从 1958 年由北京机床研究所和清华大学等首先研制数控机床，并试制成功第一台电子管数控机床。从 1965 年开始，研制晶体管数控系统，直到 60 年代末和 70 年代初，研制的劈锥数控铣床、非圆锥插齿机等获得成功。与此同时，还开展了数控加工平面零件自动编程的
8、研究。1972-1979 年是数控机床的生产和使用阶段。例如：清华大学研制成功集成电路数控系统；数控技术在车、铣、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域开始研究与应用；数控加工中心机床研制成功；数控升降台铣床和数控齿轮加工机床开始小批生产供应市场。从 80 年代初开始，随着我国开放政策的实施，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。上海机床研究所引进美国 GE 公司的 MTC-41 数控系统等。在引进、消化、吸收国外先进技术基础上，北京机床研究所又开发出BSO3 经济型数控系统和 BSO4 全功能数控系统，航空航天部 706 所研制出 MNC864 数控系统等。进而推动了我国数控技术的发展，使
9、我国数控机床在品种上、性能上以及水平上均有了新的飞跃。我国的数控机床已跨入一个新的发展阶段。四、数控机床的发展趋势从数控机床技术水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有进入更高层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力。在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的 FANCU，德国的 SIEMENS 和美国的 A-B 公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了 16 位和 32 位微机处理机、标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到 1MB
10、以上，机床分辨率可达 0.1 微米，高速进给可达100m/min,控制轴数可达 16 个，并采用先进的电装工艺。在驱动系统方面，交流驱动系统发展迅速。交流传动已由模拟式向数字式方向发展，以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。五、数控机床改造的意义数控机床改造在国外已发展成一个新兴的工业部门，早在 60 年代已经开始迅速发展，其发展的原因是多方面的，主要有技术、经济、市场和生产上的原因。我国是拥有 300 多万台机床的国家。而这些机床又大多是多年累积生产的通用机床，不论资金和我国机床制造厂的能力都是办不到的。因此，尽快将我
11、国现有一部分普通机床实现自动化和精密化改装，是我国现有设备技术改造迫切要求解决的课题。用数控技术改造机床，正是适应了这一要求。它是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上。在机床改造中引入微机的应用，不但技术上具有先进性，同时，在应用上比其它传统的自动化改装方案，有较大的通用性与可调性。而且所投入的改造费用低，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的 1/3 至 1/5，用户承担的起。从若干单位成功应用的实例可以证明，投入使用后，确实成倍地提高了生产效率，减少了废品率，取得了显著的技术经济效益。因此，我国提出从大力推广经济型数控这一中间技术的基础上，再逐步推广全功能数控这条道路，适合我
12、国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。同时，它还可以作为全功能数控机床应用的准备阶段，为今后使用全功能数控机床，培养人才，积累维护、使用经验，而且也是实现我国传统的机械制造技术朝机电一体化的方向过渡的主要内容之一。第一章 车床微机数控系统总体设计方案的拟定数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成5化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。机床数控系统总体方案的拟定应包括以下内容：系统运动方式的确定，伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出数个
13、总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。1-1 总体方案确定一、系统的运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控铣床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，由于在铣削加工中，要求工作台或刀具沿各坐标轴运动有确定的函数关系，即刀具以给定的速率相对于工件沿加工路径运动，所以不能选用点位系统，因为点位控制系统要求工件相对于刀具移动过程中不进行切削。因此，应选用连续控制系统。X52K 型铣床改造属于经济型数控机床，加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制系统，因闭环控制系统适用于精度要求较高的机床设计，且闭环控制系统的
14、造价昂贵。二、计算机系统根据机床要求，采用 8 位微机。由于 MCS-51 系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性能价格比等特点，因此采用 MCS-51 系列的 8031 单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O 接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。三、机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副以及滚动导轨。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负载
15、的滚动导轨和滚珠丝杠副机构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的消隙齿轮结构。第二章 机械部分设计计算伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载、确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件工作图。现分述如下：62-1 系统脉冲当量的选择任务给定：脉冲当量取 0.01mm/step2-2 计算切削力任务给定：切削分力：F X= 340N，F Y=950N，F Z=1390 N2-3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型：确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定之后，再
16、计算和确定其他技术参数，包括：公称直径 d0（丝杠外径 d） 、导程 L0、滚珠的工作圈数 j、列数 K、精度等级等。滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。如参考书1中的图 4-4 所示。我们在此选用螺旋槽式外循环：在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔，同螺母的螺纹滚道相切，形成滚珠返回通道。为防止滚珠脱落，螺旋槽用钢套盖住。在通孔口设有挡珠器，引导滚珠进入通孔。挡珠器用圆钢弯成弧形杆，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺母上。它的优点是：工艺简单，螺母外径尺寸较小。缺点是：螺旋槽同通孔不易连接准确，挡珠器钢性差、耐磨性差。滚珠丝杠副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧、双
17、螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等。本设计采用双螺母螺纹式预紧结构，它通过调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。其特点是结构较紧凑，工作可靠，滚道磨损时可随时调整，预紧量不很准确，应用较普遍。一、纵向进给丝杠1.计算进给率引力 (N)mF作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动部件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。计算进给牵引力 Fm(N)横向导轨为燕尾形，计算：F=kF x+f(Fz+2Fy+G)FX= 340N，F Y=950N，F Z=1390 N；K=1.4=0.2f7G=155 NF=1.4*3
18、40+0.2(1390+2*950+155)=1165N式中 考虑颠复力矩影响的实验系数,综合导轨取 K=1.4K-滑动导轨摩擦系数:0.2;f-溜板及刀架重力: =155 N.GG作用在珠丝杠滚上的进给牵引力为 1165N2.计算最大动负载 c利用滚珠丝杠副的直径 d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转 100万转（10 6转）后在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载 C，可以用下式计算：=cmwFfL3= 610Tn0Lus式中 -滚珠丝杠导程,初选 =6;0L-最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的( ),此处su 213=0.5
19、m/mins-使用寿命,按 15000h;T-运转系数，按一般运转取 =1.5;wf wf-寿命，以 10 转为 1 个单位。L6将数据分别带入上式得：= =50r/min0Luns65.0= = =4561T18= 1.21165=4916 NcmwFfL33453.选择滚珠丝杠螺母副从附录表中查出, W L2005 列 2.5 圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副,额定动载荷为18800 N,可满足要求，选定精度为 3 级.4.传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为：= )(tg式中 螺旋升角 , W L2005 =4331-摩擦角取 10将各数据带入上式得：= = =0.965)(tg)1034(
20、tg5.刚度验算横向进给丝杠支承方式如图 2-2 所示，最大牵引力为 1165 N，支承间距=450，因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。L图 2-2计算如下：（1）丝杠的拉伸或压缩变形量 （）1查图 4-6，根据 =1165N, =20,查出 =4.210 ,可算出mF 0DL5= =4.210 450=1.8910 1L52(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形量 2查图 4-7=8.5Qm9因进行了预紧 = = 8.5=4.2521Qm(3) 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 3采用 8120 推力球轴承, 094.1276.40.024. 332 zdPdQmQ )(m考虑到进行了预紧
21、,故 )(.9.13c综合以上几项变形之和:显然此变形量已大于定位精m027.4.0.189.321 度的要求,应该采取响应的措施修改设计,因横向溜板空间的限制,不宜再加大滚珠丝杠的直径,估采用贴塑导轨见效摩擦力,从而减小最大牵引力.重新计算如下: )(4. GFfFxzymN15)601722680.6701 从图 4-6 查出当 时,Nm5 4./L018.410.21L和 不变,23则 ,定位精度为 ,估m0198.47.03.18.321 m01.此变形量仍不能满足,如果将滚珠丝杠再经过预拉伸,刚度还可提高四倍,则变形量可控制在要求的范围之内. 443216.稳定性校核计算临界负载 )
22、(NFK=K2LEIfz式中 -材料弹性模量,钢: =20.610 N/ ;E62-截面惯性矩 ( )丝杠: = , 为丝杠内径;I4I41d10-丝杠两支承端距离();L-丝杠支承方式系数,从表 4-13 中查出，一端固定 ,一端简支 =2.00Zf Zf= = 1.6788 =0.3899I641d44= = =78214 NKF2LIEfZ2625389.01.= = =67.7 nm15784Kn(一般 =2.54)Kn此滚珠丝杠不会产生失稳。三、 横向滚珠丝杠副几何参数。其几何参数如下:名称 符号 公式 2051LW公称直径 200d导程 5L接触角 433钢球直径() 3.175q
23、d滚道法面半径 1.651Rqd52.0偏心距 0.045esin)/(螺纹升角 4330dLarctg螺杆外径 19.4dq)25.(0螺杆内径 16.781 Re1螺杆纹接触直径 16.835Z cos0qZd11螺母螺纹直径 23.212DRed20螺母内径 20.6351 qd)5.(12-4 齿轮传动比计算1.传动比计算已确定脉冲当量 =0.01 滚珠丝杠导程 =6，初选步进电机步距角P0L0.75。可计算出传动比 i= = =0.8i036Lbp675.1可选定齿轮齿数为:= = 或i21Z4因进给运动齿轮受力不大，模数 取 2。m2-5 步进电机的计算和选型选用步进电机时，必须首
24、先根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效转动惯量，分别计算各种工况下所需的等效力矩，在根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩频特性选择合适的步进电机。一、步进电机计算1.等效转动惯量计算计传动系统折算到电机轴上的总的惯量 （ ）可由下式计算：J2= + +JM12)(Z20LgGS式中 -步进电机转子转动惯量（ ）;MJ 212、 -齿轮 、 的传动惯量（ ）;1J21z2 2-滚珠丝杠转动惯量（ ） 。s参考同类型机床，初选反应式步进电机 150BF，起转子转动惯量 =10 。MJ2=0.7810 =0.7810 6.4 2=2.621J341dL342=0.7810 =0
25、.78*10 8 2=6.3922=0.7810 4 150=29.952sJ34 2=155 NG代入上式：= + +JM12)(Z20LgGJS=10+2.62+2403 26.8915.9.6=36.474 2考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题/ =10/36.474=0.274MJ基本满足匹配的要求。2.电机力矩的计算机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面按个阶段计算：（1） 快速空载起动力矩 起 。在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下：起 = + +maxf0= = 10 = axMJatn26mx2Jatn6012mx= maxnpva03b将前面数据代入，
26、式中各符号意义同前。13= = =500 。maxnpva036b36075.1.24minr起动加速时间 =30ats= =36.474 10maxMJatn*602mx03.*6522=636.6 N折算到电机轴上的摩擦力矩 ：f= =fiLF20120/)(zLGPZ= =94 N5.86316.附加摩擦力矩 ：0M= =0201iLFp 120/3zLFm2= =805.30.19=153 N)9.(5.863上述三项合计：起 = + +Mmaxf0=636.6+94+153=881.5 N（2）快速移动时所需力矩 快快= + =94+153=247 Nf0（3）最大切削负载时所需力矩
27、 切切= + + = + +Mf0xfM0iLFx2=94+153+ =94+153+127.965.182634=375 N从上面的计算可以看出， 起、 快和 切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以次作为初选步进电机的依据。从表中查出，当步进电机为五相十拍时， = =0.951。maxjqM最大静力矩 =881.5/0.951=927 maxjMN 。14按此最大静转距从表查出， 型最大静转距为 13.72 N 。大于所需0215BF最大静转距，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动距频特性和运行距频特性。3.计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率= = =5000 HZk
28、fpv601max01.3= = =1000 HZefps.6从表中查出 型步进电机允许的最高空载起动频率为 2800 HZ运行频率0215BF为 8000 HZ ， 130BF001 步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性曲线如图 2-3，2-4所示，可以看出，当步进电机起动时，f 起 =2500Hz 时，M=100 ，远远不能满足此cmN机床所要求的空载起动力矩（881.5 ）直接使用将会产生失步现象，所以必须采cmN取升降速控制（用软件实现） ，将起动频率将到 1000Hz 时，起动力矩可增到 588.4，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍cmN左右。15当
29、快速运动和切削进给时，130BF001 型步进电机运行矩频特性（图 2-4）完全可以满足要求。16第三章 车床微机数控系统硬件电路设计3-1 单片微机数控系统硬件电路设计内容当前，在经济型数控机床控制系统中广泛采用美国 Intel 公司的 MCS-51 系列单片计算机，因此本章着重介绍用 MCS-51 系列单片微机构成的控制系统的设计内容，方法及步骤。单片微机数控系统硬件电路设计包括以下几部分内容：一、绘制系统电气控制的结构框图根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控制的结构框图。数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运
30、行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。车床硬件电路由以下五部分组成。1.主控制器，即中央处理单元 CPU2.总线，包括数据总线，地址总线和控制总线。3.存储器，包括程序存储器和数据存储器。4.接口，即 I/O 输入/输出接口电路。5.外围设备，如键盘，显示器及光电输入机等。见图 3-1CPUI/O接口步进电机RAMROM外 设键盘，显示器及其他光电隔离功 率放大器17图 3-1 CA6140 车数控车床数控系统硬件框图（开环系统）二、选择中央处理单元 CPU 的类型在微机应用系统中，CPU 的选型应考虑以下因素：1.时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度。2.可扩展存储器（包括
31、 ROM 和 RAM）的容量。3.指令系统功能，影响编程的灵活性。4.I/O 扩展的能力，即对外设控制的能力。5.开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。此外还要考虑到系统的应用场合、控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经济性的要求。目前在经济型数控机床中，推荐使用 MCS-51 系列单片微机作为主控制器。三、存储器扩展电路设计存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。在选择程序存储器芯片时，要考虑 CPU 与 EPROM 时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。在存储器扩展电路的设计中还应该包括地址锁存器和译码电路的设计。四、I/O 即输入/输出接
32、口电路设计应包括接口芯片的选择，步进电机控制电路，键盘显示电路以及其他辅助电路的设计（例如复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等） 。此外，不同的数控系统还要求配备不同的外设，这些部分的电路设计也应包括。3-2 MCS-51 系列单片机简介MCS-51 系列单片微机是美国 Intel 公司在 MCS-48 系列单片微机基础上推出的产品，于 1980 年问世，它的集成度很高，是集片内存储器、片内输入/输出部件和 CPU 于一体的优良的单片机系统，在我国已广泛地应用于经济型数控机床。MCS-51 系列单片机主要有三种型号的产品：8031、8051 和 8751。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构
33、上有少数差异。8751 具有片内 EPROM,但价格是 8051 的1015 倍，所以适合于开发样机，小批量生产和需要在现场进一步完善的场合。8051的 EPROM 程序是 Intel 公司制作芯片时为用户置备的，因此在国内很难采用 8051 型芯片。而 8031 片内无 ROM，适用于需扩展 ROM，可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。因此选用 8031 芯片一、 8031 单片机的基本特征8031 单片机具有以下特点：1具有功能很强的 8 位中央处理单元（CPU） 。182片内有时钟发生器（6 或 12MHz） 、每执行一条指令时间为 2 或 1
34、 。s3片内具有 128 字节 RAM。4具有 21 个特殊寄存器。5可扩展 64K 字节的外部数据存储器和 64K 字节的外部程序存储器。6具有 4 个 I/O 口，32 根 I/O 线。7具有 2 个 16 位定时器/计数器。8具有 5 个中断源，配备 2 个中断优先级。9具有一个全双工串行接口。10具有位寻址能力，适用逻辑运算。从上述特性可以看出，一块 8031 的功能几乎相当于一块 Z80CPU、一块 RAM，一块Z80CTC、两块 Z80PIO 和一块 Z80SIO 所组成的微机系统。可以看出这种芯片集成度高，功能强，只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。二、 8031
35、芯片引脚及其功能8031 芯片具有 40 根引脚，其引脚图如图 3-2 所示40 根引脚按其功能可分为四类：1. 电源线 2 根 Vcc：编程和正常操作时的电源电压，接+5V。Vss：地电平。2. 晶振：2 根XTAL1：振荡器的反相放大器输入。使用外部震荡器是必须接地。XTAL2：振荡器的反相放大器输出和内部时钟发生器的输入。当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号。图 3-2 8031 芯片引脚及功能图3. I/O 口共有 p0、p 1、p 2、p 3四个 8 位口，32 根 I/O 线，其功能如下：19（1）P 0.0P 0.7 （AD 0AD 7）是 I/O 端口 O 的引脚，端口 O
36、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。 （在此时内部上拉电阻有效）（2）P 1.0P 1.7端口 1 的引脚，是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 通道，专供用户使用。（3）P 2.0P 2.7 （A 8A 15）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 A8A 15（4）P 3.0P 3.7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 端口，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
37、 口功能。作为第一功能使用时，口的结构与操作与 P1口完全相同，第二功能如下示：口引脚 第二功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 （外部中断）0INP3.3 （外部中断）1P3.4 T0（定时器 0 外部输入）P3.5 T1（定时器 1 外部输入）P3.6 （外部数据存储器写选通）WRP3.7 （外部数据存储器读选通）D由上面看出，单片机和 Z80 单板机不同，不是将地址总线，数据总线和控制总线分开，而是地址线、数据线和部分控制均由 I/O 口完成。4控制线（1） ：程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的读选通信号，低电平PSEN有效。从外部程序存储器取数
38、时，在每个机器周期内二次有效。（2） ：EA 为高电平时，CPU 执行内部程序存储器的指令。EA 为低电平时，pVACPU 仅执行外部程序存储器的指令。因 8031 芯片没有内部程序存储器，故 EA 必须接地。Vpp是在 8751EPROM 编程时+21V 的编程电源输入端。（3） ：ALE 是地址锁存使能信号。作为地址锁存允许时高电平有效。PROGLE因为 p0端口是分时传送数据和 8 位地址。故访问外部存储器时，ALE 信号锁存低 8 位地址。即使在不访问外部存储器时，也以 1/6 振荡频率的固定频率产生 ALE，因此可以用它作为外部的时钟信号。ALE 主要是提供一个定时信号，在从外部程序
39、存储器取令时，20把 p0口的低位地址字节锁存到外接的地址锁存器中。（4） PDVRST是复位/备用电源端。在振荡器运行时，使 RST 行脚至少保持两个机器周期位高电平，可实现复位操作，复位后程序计数器清零，即程序从 0000H 单元开始执行。在 VCC关断前加上 VPD（掉电保护）RAM 的内容将不变。三、 8031 芯片的存储器结构及地址分配8031 芯片内部无程序存储器，只有 256 字节的数据存储器，地址从 00HFFH。其地址分配如下图 3-3 所示：图 3-3 8031 芯片存储器结构8031 芯片内部 256 字节的空间被分为两部分，其中内部数据存储器（RAM）地址为 00H7F
40、H，特殊功能寄存器（SFR）的地址为 80HFFH。在内部数据存储器中的00H1FH 为四个工作寄存器区，其中：0 区 00H07H1 区 08H0FH2 区 10H17H3 区 18H1FH每个区都有 8 个 8 位寄存器 R0R7。可以用来暂存运算的中间结果以提高运算速度，其中的 R0 和 R1 还可以用来存放 8 位地址。要确定采用哪个工作寄存器区，可通过标志寄存器 PSW 中的 RS0、RS1 辆未来指定。从 20H2FH 是“位寻址”空间：在此空间中 CPU 既可对其执行按字节操作，又可对其中每个单元的 8 位二进制代码执行按位的操作。从 30H7FH 是可以按字节寻址的数据缓冲区，
41、在此区域中可以设置堆栈。由于218031 复位后堆栈指针 SP 指向工作寄存器区（即 SP=07H） ，所以必须在初始化程序中对 SP 设置 30H 以后的地址区间为初值。8031 芯片内部设有程序存储器，且仅有 128 字节的数据存储器，因而在组成控制系统时可根据需要扩展外部程序存储器和外部数据存储器。由于地址线是 16 位的，故最多能扩展 64K 程序存储器和 64K 数据存储器，其地址均为 0000HFFFFH，即程序存储器和数据存储器为独立编址；因此 EPROM 和 TAM 的地址分配比较自由，编程时不必考虑地址冲突问题。四、 特殊功能寄存器 8031 芯片内的特殊功能（SFR）是用于
42、对片内各功能模块进行管理、监视、监视的控制寄存器和状态寄存器。是一个具有特殊功能的 RAM 区，其地址为 80HFFH。这些特殊功能寄存器的地址分配见表 3-1：表 3-1 特殊功能寄存器名称及地址标识符 名称 地址ACCBPSWSPDPTRP0P1P2P3 IPIETOMDTCONT2CONTH0TL0TH1TL1TH2TL2RLDHRLDLSCONSBUFPCON累加器B 寄存器程序状态字堆栈指针数据指针（包括 DPH 和DPL）口 0口 1口 2口 3中断优先级控制允许中断控制定时器/计数器方式控制定时器/计数器控制定时器/计数器 2 控制定时器/计数器 0（高位字节）定时器/计数器 0
43、（低位字节）定时器/计数器 1（高位字节）定时器/计数器 1（低位字节）定时器/计数器 2（高位字节）定时器/计数器 2（低位字节）定时器/计数器 2 自动再装载（高位字节）定时器/计数器 2 自动再装载（低位字节）串行控制串行数据线控制0E0H0F0H0D0H81H83H 和 82H80H90H0A0H0B0H0B8H0A8H89H88H0C8H8CH8AH8DH8BH0CDH0CCH0CBH0CAH98H99H87H22电源控制内放标志寄存器，置位或清零，表示操作结果的某些特性。加 1、减 1 指令不影响这些标志。溢出标志 OV 和进位标志 CY 是两种性质不同的标志。溢出是指在有正负号两
44、个数运算时，结果数超过+127 -128。当用于补码运算时，因为在有符号的结果不能用 8位数表示时，OV 将被置位，而进位位是指两个数最前一位（第七位）相加（或相减）有否进位（或借位） 。P 标志表示累加器中运算结果 1 的个数为偶数还是奇数来决定。有关定时器/计数器和中断系统的特殊功能寄存器在后面叙述。五、 MCS51 系列指令系统简介在设计 MCS51 系列单片机控制系统的硬件线路时，不可避免的要涉及到MCS51 系列单片机的指令系统。下面对 MCS51 系列单片机指令系统的寻址方式和主要指令作一简单介绍：MCS51 系列指令系统共有 111 条基本指令，其中单字节指令 49 条，双字节指
45、令 45 条，三字节指令 17 条。1.MCS51 指令系统寻址方式简介指令是由助记符来表达，助记符是由操作码和操作数两部分组成。其规定的格式如下：操作码 目的操作数 源操作数操作码反映了指令的功能，助记符代表了指令的操作对象。操作数可以是数据也可以是地址。也就是说操作数指定了参与操作的数或数所在单元的地址。而如何得到这个地址就叫寻址方式。MCS 51 指令系统共有七种寻址方式。（1）立即寻址（2）直接寻址（3）寄存器寻址（4）J 寄存器间接寻址（5）变址寻址（6）相对寻址（7）位寻址2. MCS51 系列指令系统主要指令简介MCS51 系列指令系统 111 条指令可以分为五类（1） 数据传输
46、类 29 条（2） 算术操作类 24 条（3） 逻辑操作类 24 条（4） 控制程序转移类 17 条23（5） 布尔变量操作类 17 条在这些指令中，使用得最多的是数据传输类指令，这类指令又可以分成三种：（1）单片机内部数据传送（2）和外部 RAM 传送数据（3）程序存储器和累加器 A 之间数据传送用助记符 MOVC 表示。六、 定时器/计数器MCS-51 系列单片机提供两个 16 位可编程的定时器/计数器，即 T0和 T1。它们能用来作定时器（实际是对内部机器周期计算）或外部时间计数器。它们具有两种工作方式和四种模式，其工作原理如图 3-4 所示。0TCTMOD 中断 相应位 TCON 相应位 1TCTX端 控制
