机械手地结构设计.doc

1、-_编号: 湖北文理学院理工学院本科毕业论文（设计）题 目 机械手的结构设计 机械 系 机械设计制造及其自动化 专业学 号 10316137 学生姓名 石 杰 指导教师 丁 文 文 起讫日期 20 20 摘 要-_本文简要介绍了电动式关节型机器人机械手的概念，机械手硬件和软件的组成，机械手各个部件的整体尺寸设计，气动技术的特点。本文对机械手进行总体方案设计，确定了机械手的坐标形式和自由度，确定了机械手的技术参数。同时，设计了机械手的夹持式手部结构，设计了机械手的手腕结构，计算出了手腕转动时所需的驱动力矩和回转气缸的驱动力矩。设计了机械手的手臂结构。设计出了机械手的气动系统，绘制了机械手气压系统

2、工作原理图，大大提高了绘图效率和图纸质量，画出了机械手的装配图图。 关键词： 工业机器人 机械手 电动 电动式关节型机器人机械手-_AbstractAt first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the Eller. Dairy information of the development briefly. Whats more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic. The pap

3、er introduces the function, composing and classification of the manipulator, tells out the free-degree and the form of coordinate. At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator,The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive

4、of the manipulator. This paper designs the structure of the wrist, computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.The paper designs the structure of the arm. The paper institutes two control schemes of according to the work flow of the manipulat

5、or. The paper draws out the work time sequence chart and the trapezium chart. KEY WORDS: Industrial robot robot electric electric-type joints robot manipulator-_目 录第一章 绪论 51.1 绪言 .51.2 课题工作要求 .71.3 课题基本参数的确定 .8第二章 结构的设计 .102.1 手部的机构 102.1.1 手指的形状和分类 112.1.2 设计时考虑的几个问题 112.1.3 手部夹紧的设计 122.2 手腕结构设计 13

6、2.2.1 手腕的自由度 132.2.2 手腕的驱动力矩的计算 132.3 手臂伸缩，升降的尺寸设计与校核 182.3.1 手臂伸缩的尺寸设计与校核 182.3.2 手臂升降的尺寸设计与校核 19第三章 控制系统设计 .22总 结 .43致谢 .44结参考文献 .45-_第 1章 绪 论1.1绪言到目前为止，世界各国对“机器人机械手”还没有做出统一的明确定义。通常所说的“机器人机械手”是一种能模拟人的手、臂的部分动作，按照予定的程序、轨迹及其它要求，实现抓取、搬运或操纵工具的自动化装置。而“机械手”一般具有固定的手部、固定的动作程序（或简单可变程序） 、一般用于固定工位的自动化装置。因为国内外

7、称作“机器人机械手” 、 “机械手” 、 “操作机”的这三种自动化和半自动化装置，在技术上有某些相通之处，所以有时不易明确区分，就它们的技术特征来看，其大致区别如下。“机器人机械手” （Industrail Robot）：多数是指程序可变（编）的独立的自动抓取、搬运工件、操纵工具的装置（国内称作机器人机械手或通用机械手） 。“机械手” （Mechanical Hand）：多数是指附属于主机、程序固定的自动抓取、操作装置（国内一般称作机械手或专用机械手） 。如自动线、自动线的上、下料，加工中心的自动换刀的自动化装置。“操作机” （Manipulator）：一般是指由工人操纵的半自动搬运、抓取、操

8、作装置。如锻造操作机或处理放射性材料、火工品的装配等所使用的半自动化装置。机器人机械手（Industral Robot ,简称 IR）是 1960 年由美国金属市场报首先使用的，但这个概念是由美国 GeorgeCPevol 在 1954 年申请的专利“程序控制物料传送装置“时提出来的。在这专利中所记述的机器人机械手，以现在的眼光来看，就是示教再现机器人。根据这一专利，Devol 与美国 Consolide Control Corp 合作，于 1959 年研制成功采用数字控制程序自动化装置的原型机。随后，美国的 Unimation 公司和美国的机械铸造(AMF)公司于 1962 年分别制造了实用

9、的一号机，并分别取名为 Unimate 和 Versatran。Unimate 机器人外形类似坦克炮塔，采用极坐标结构，而 Versatran 机器人采用圆柱坐标结构。上述两种机器人成为机器人结构的主流，美国通用汽车公司和福特汽车公司在其金属冷热加工中，采用这类机器人进行压、铸、冲压等上、下料，收到-_了良好的效果。美国的机器人机械手技术的发展，大致经历了以下几个阶段：（1） 19631967 年为实验定型阶段。19631967 年，万能自动公司制造的机器人机械手供用户做工艺实验。1967 年，该公司生产的机器人机械手定型为 1900 台。（2） 19681970 年为实验应用阶段。这一时期，

10、机器人机械手在美国进入应用阶段。例如美国通用汽车公司 1968 年订购了 68 台机器人机械手；1969年又自行研制出 SAM 型机器人机械手，并用 21 台组成了点焊小汽车车身的焊接自动线。（3） 1970 年至今一直出于技术发展和推广应用阶段。19701972 年，机器人机械手处于技术发展阶段。1970 年 4 月美国在伊利斯工学院研究所召开了第一届全国机器人机械手会议。据当时统计，美国已采用了大约 200 台机器人机械手，工作时间共达 60 万小时以上。与此同时，出现了所谓高级机器人，例如森德斯兰德公司（Sundstrand）发明了用小型计算机控制 50 台机器人机械手的系统。在欧洲第一

11、台机器人机械手是 1963 年瑞典 Kavieldt 公司发表的第一台操作机。日本在六十年代初期就开始研制固定程序控制的机器手，并从其他各国引进了用于不同生产过程的机器人，并获得迅速，很快研制出日本国产华的机器人机械手，技术水平很快赶上了美国并超过了其它国家，目前机器人机械手在日本已得到迅速发展并很快得到普及。我国虽然开始研制机器人机械手仅比日本晚 56 年，但由于种种原因，机器人机械手的技术发展比较慢。但目前已引起了有关方面的极大关注。除了引进、消化、仿制外，已经具备了一定的独立设计和研制能力。在 1958 年新疆维吾尔自治区成立 30 年大庆站展览馆展出了由新疆机械局研制的跳舞机器人阿依古

12、丽 。在 1986 年地十六届广交会上，成都电讯工程学院研制的第三代仿人机器人成蓉小姐已经用汉语或英语向来宾问好，并能简要的介绍的展览产品及回答简单问话。西北电讯工程学院研制的微机控制示教再现式机器人西电 I 号 ，也于 1985 年 9 月在陕西省科技贸易大会上进行了表演。此外，清华-_大学自动化系研制的具有视觉手眼系统，北京钢铁学院研制的焊接机器人，均已达到了较高的水平。同时，在机器人学科中的视觉、听觉、语音合成、触觉、计算控制以及人工智能诸领域研究，也取得了一定的进展。近几年来的成就表明，我国机器人技术已经迈出了可喜的一步。相信在不久的将来，我们一定回赶上世界各国前进的步伐。 1.2课题

13、工作要求为了保证机器人在抓取工件时的精确度，我们在机器人的手部安装了力觉传感器。用以对机器人的检测和监控。该检测系统运用的是闭环控制。整个抓取动作的流程见图。初始化手部下降夹持工件是否夹紧？手臂伸长手臂上升手腕回转 180 度手臂回转 180 度手爪松开手臂缩回回到原位启动-_图 1.1 机械手的工作程序图1.3课题基本参数的确定1、手部负重：10kg（抓取物体的形状为圆柱体.圆柱半径.高度自定.密度7.8g/cm3.） 2、自由度数：4 个，沿 Z 轴的上下移动，绕 Z 轴转动，沿 X 轴的伸缩，绕 X 轴的转动3、坐标型式：圆柱坐标，其圆柱坐标型式的运动简图如图所示（见图 1）4、最大工作

14、半径：1800mm，最小工作半径 1350mm5、手臂最高中心位置：1012mm或伺服电机上端最高行程：1387mm（见图 2）最小行程：1237mm6、手臂运动参数：伸缩行程（X）：450伸缩速度：250mm/s升降行程（Z）：150mm升降速度：60mm/s回转范围（）：0180 度 XZ 图 1.2 -_回转速度：70/s7、手腕运动参数：回转范围（）： 0180回转速度：90/s8、手臂握力：由 N=0.5/f*G 定这里取 f=0.1 G=10kgN=0.5/f*G=50kg即手指握力为 50kg9、定位方式：闭环伺服定位10、 重复定位精度：0.05mm11、 驱动方式：电气（伺服

15、电机）12、 控制方式：采用 MGS-51 单片微机-_第 2章 结构的设计2.1 手部机构手部机构是机器人机械手直接与工件、工具等接触的部件，它能执行人手的部分功能。目前，根据被抓取工件、工件等的形状、尺寸、重量、易碎性、表面粗糙度的不同，在工业生产中使用着多种形式的手部机构，最常见的是钳爪式、磁吸式和气吸式，也有少数的特殊形式。不同形式的手部机构其夹紧力的计算各有不同。钳爪式手部机构是最常见的形式之一。手爪有两个、三个或多个，其中两个的最多。抓取工件的方式有两种：外卡式和内撑式。从其机械机构特征、外观与功用来看，有多种形式，它们分别是：（1） 拨杆杠杆式钳爪（2） 平行连杆式钳爪（3） 齿

16、轮齿条移动式钳爪（4） 重力式钳爪（5） 自锁式钳爪（6） 自动定心钳爪（7） 抓取不同直径工件的钳爪（8） 具有压力接触销的钳爪（9） 抓勾与定位销十钳爪（10） 复杂形状工件用的自动调整式钳爪（11） 同时抓取一对工件的钳爪与内撑式三指钳爪（12） 特殊式手指钳爪同时对钳爪的选用也非常重要，应考虑以下几个方面：1 应具有足够的夹紧力，这样才能防止工件在移动过程中脱落，一般夹紧力为工件重量的 2 到 3 倍。2 应具有足够的张开角，来适应它抓取和松开工件之间较大的直径范围，而且夹持工件中心位置变化要小（即定位误差小） 。3 应具有足够的强度和刚度，以免承受在运动过程中产生的惯性力和震动的影响

17、。-_4 应能保证工件的可靠定位5 应适应被抓取对象的要求6 尽可能具有一定的通用性 夹持式手部结构由手指(或手爪)和传力机构所组成。其传力结构形式比较多，如滑槽杠杆式、斜楔杠杆式、齿轮齿条式、弹簧杠杆式等。2.1.1手指的形状和分类夹持式是最常见的一种，其中常用的有两指式、多指式和双手双指式:按手指夹持工件的部位又可分为内卡式(或内涨式)和外夹式两种:按模仿人手手指的动作，手指可分为一支点回转型，二支点回转型和移动型(或称直进型)，其中以二支点回转型为基本型式。当二支点回转型手指的两个回转支点的距离缩小到无穷小时，就变成了一支点回转型手指;同理，当二支点回转型手指的手指长度变成无穷长时，就成

18、为移动型。回转型手指开闭角较小，结构简单，制造容易，应用广泛。移动型应用较少，其结构比较复杂庞大，当移动型手指夹持直径变化的零件时不影响其轴心的位置，能适应不同直径的工件。2.1.2设计时考虑的几个问题(一)具有足够的握力(即夹紧力)在确定手指的握力时，除考虑工件重量外，还应考虑在传送或操作过程中所产生的惯性力和振动，以保证工件不致产生松动或脱落。(二)手指间应具有一定的开闭角两手指张开与闭合的两个极限位置所夹的角度称为手指的开闭角。手指的开闭角应保证工件能顺利进入或脱开，若夹持不同直径的工件，应按最大直径的工件考虑。对于移动型手指只有开闭幅度的要求。(三)保证工件准确定位为使手指和被夹持工件

19、保持准确的相对位置，必须根据被抓取工件的形状，选择相应的手指形状。例如圆柱形工件采用带“V”形面的手指，以便自动定心。(四)具有足够的强度和刚度手指除受到被夹持工件的反作用力外，还受到机械手在运动过程中所产-_生的惯性力和振动的影响，要求有足够的强度和刚度以防折断或弯曲变形，当应尽量使结构简单紧凑，自重轻，并使手部的中心在手腕的回转轴线上，以使手腕的扭转力矩最小为佳。(五)考虑被抓取对象的要求根据机械手的工作需要，通过比较，我们采用的机械手的手部结构是一支点， 两指回转型，由于工件多为圆柱形，故手指形状设计成V型，其结构如附图所示。2.1.3手部夹紧的设计1、手部驱动力计算本课题电动机械手的手

20、部结构如图2-1所示：图2-1齿轮齿条式手部其工件重量G=10公斤，-_V形手指的角度 ， ,摩擦系数为120mRb2410.f(1)根据手部结构的传动示意图，其驱动力为:RbpN(2)根据手指夹持工件的方位 ，可得握力计算公式:)(5.0tg)(2426. N所以 Rbp2)(45(3)实际驱动力:21K实 际1、因为传力机构为齿轮齿条传动，故取 ，并取 。若被抓取工94.05.1K件的最大加速度取 时，则:ga312gaK所以 )(5694.0125Np实 际所以夹持工件时所需夹紧的驱动力为 。15632.2 手腕结构设计2.2.1 手腕的自由度手腕是连接手部和手臂的部件，它的作用是调整或

21、改变工件的方位，因而它具有独立的自由度，以使机械手适应复杂的动作要求。手腕自由度的选用与机械手的通用性、加工工艺要求、工件放置方位和定位精度等许多因素有关。由于本机械手抓取的工件是水平放置，同时考虑到通用性，因此给手腕设一绕x轴转动回转运动才可满足工作的要求目前实现手腕回转运动的机构，因此我们选用。它的结构紧凑，但回转角度小于 ，并且要求严格的密封。360-_2.2.2 手腕的驱动力矩的计算手腕转动时所需的驱动力矩手腕的回转、上下和左右摆动均为回转运动，驱动手腕回转时的驱动力矩必须克服手腕起动时所产生的惯性力矩，手腕的转动轴与支承孔处的摩擦阻力矩，动片与径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩以

22、及由于转动件的中心与转动轴线不重合所产生的偏重力矩.图2-2所示为手腕受力的示意图。1.工件2.手部3.手腕图2-2手碗回转时受力状态手腕转动时所需的驱动力矩可按下式计算:封摩偏惯驱 MM式中: - 驱动手腕转动的驱动力矩( );驱 cmN- 惯性力矩( );惯 cmN- 参与转动的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回转的动片)对转偏动轴线所产生的偏重力矩( ).- 手腕回转的动片与定片、径、端盖等处密封装置的摩擦阻力封M-_矩( );cmN下面以图2-3所示的手腕受力情况，分析各阻力矩的计算:1、手腕加速运动时所产生的惯性力矩M悦若手腕起动过程按等加速运动，手腕转动时的角速度为 ，起动过程所

23、用的时间为 ，则:t).(1cmNtJ）（惯式中: - 参与手腕转动的部件对转动轴线的转动惯量 ;J ).(2scmN- 工件对手腕转动轴线的转动惯量 。1 ).(2scN若工件中心与转动轴线不重合，其转动惯量 为:1JgGJc121e式中: - 工件对过重心轴线的转动惯量 :c ).(2scmN- 工件的重量(N);1- 工件的重心到转动轴线的偏心距(cm ),e- 手腕转动时的角速度(弧度/s);- 起动过程所需的时间(s);t 起动过程所转过的角度(弧度)。2、手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩M偏+ ( )偏 1eG3cmN式中: - 手腕转动件的重量(N);3- 手腕转

24、动件的重心到转动轴线的偏心距(cm)3当工件的重心与手腕转动轴线重合时，则 .1eG03、手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩 封M( )封M)(21dRfBAcmN式中: ， - 转动轴的轴颈直径(cm);1d- 摩擦系数，对于滚动轴承 ，对于滑动轴承 ;f 01.f 1.0f, - 处的支承反力(N)，可按手腕转动轴的受力分析求解，ARB-_根据 ,得:0）（ FMA3lGRBl12l31同理，根据 (F) ,得:B0llGlGRA )()()( 321式中: - 的重量(N)2, 如图4-1所示的长度尺寸 (cm).31,l4、转的动片与径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬

25、装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。驱动力矩计算手腕回转的尺寸及其校核1.尺寸设计长度设计为 ,内径为 =96mm,半径 ,轴径mb101DmR48=26mm,半径 ,运行角速度 = ，加速度时间D262R3s/90=0.1s, 压强 ,tMPa4.则力矩：2)(rRpbM).(63)026.48.(104.6mN2.尺寸校核（1）测定参与手腕转动的部件的质量 ,分析部件的质量分布情况，kgm10质量密度等效分布在一个半径 的圆盘上，那么转动惯量：r521rmJ-_205.1（ ）.2.mkg工件的质量为5 ,质量分布于长 的棒料上，那么转动惯量：ml10).(042.1.22mkglJc

26、假如工件中心与转动轴线不重合，对于长 的棒料来说，最大偏心距ml10，其转动惯量为:e51).(067.54221mkgeJc惯MtJ1).(3261.09705N（2）手腕转动件和工件的偏重对转动轴线所产生的偏重力矩为M偏，考虑手腕转动件重心与转动轴线重合， ，夹持工件一端时工件重心偏离转动轴线 ,01e me503则：+ 偏 1G3).(5205.0mN（3）手腕转动轴在轴颈处的摩擦阻力矩为 ，对于滚动轴承 ，对摩M01.f于滑动轴承 =0.1， ， 为手腕转动轴的轴颈直径， , f1d2 md31-_, , 为轴颈处的支承反力，粗略估计 , ,md20ARB NRA30B150摩M)(1

27、2df)03.5.03. )(5.N4回转的动片与径、定片、端盖等处密封装置的摩擦阻力矩M封，与选用的密衬装置的类型有关，应根据具体情况加以分析。在此处估计 为 的3倍，封M摩3 封 摩05.)(1mN封摩偏惯驱 MM15.0.523.6)(9驱设计尺寸符合使用要求，安全。2.3手臂伸缩，升降，的尺寸设计与校核2.3.1 手臂伸缩的尺寸设计与校核手臂伸缩的尺寸设计手臂伸缩采用烟台气动元件厂生产的标准，参看此公司生产的各种型号的结构特点，尺寸参数，结合本设计的实际要求，尺寸系列初选内径为100/63。尺寸校核1. 在校核尺寸时，只需校核内径 =63mm,半径R=31.5mm的的尺寸满足使用1D要

28、求即可,设计使用压强 ,MPa4.0则驱动力：2RPF-_)(1246031502N2测定手腕质量为50kg,设计加速度 ，则惯性力：)/(0smamaF1)(50N3.考虑活塞等的摩擦力，设定摩擦系数 ,2.0k1.Fkm)(052N总受力mF1)(6050所以标准CTA的尺寸符合实际使用驱动力要求。导向装置气压驱动的机械手臂在进行伸缩运动时，为了防止手臂绕轴线转动，以保证手指的正确方向，并使活塞杆不受较大的弯曲力矩作用，以增加手臂的刚性，在设计手臂结构时，应该采用导向装置。具体的安装形式应该根据本设计的具体结构和抓取物体重量等因素来确定，同时在结构设计和布局上应该尽量减少运动部件的重量和减

29、少对回转中心的惯量。导向杆目前常采用的装置有单导向杆，双导向杆，四导向杆等，在本设计中才用单导向杆来增加手臂的刚性和导向性。平衡装置在本设计中，为了使手臂的两端能够尽量接近重力矩平衡状态，减少手抓一侧重力矩对性能的影响，故在手臂伸缩一侧加装平衡装置，装置内加放砝码，砝码块的质量根据抓取物体的重量的运行参数视具体情况加以调节，务求使两端尽量接近平衡。-_2.3.2 手臂升降的尺寸设计与校核尺寸设计运行长度设计为 =118mm,内径为 =110mm,半径R=55mm,运行速度，加速l1D度时间 =0.1s,压强p=0.4MPa,则驱动力：t20.RpG2605.143)(79N尺寸校核1测定手腕质

30、量为80kg,则重力： mgG)(801N2设计加速度 ，则惯性力：)/5samG1)(408N3.考虑活塞等的摩擦力，设定一摩擦系数 ，1.0k1.Gkm)(40N总受力mq1)(2408Gq所以设计尺寸符合实际使用要求。2.3.3 手臂的尺寸设计与校核尺寸设计长度设计为 ,内径为 ,半径R=105mm,轴径mb120mD210-_半径 ,运行角速度 = ，加速度时间 0.5s,压mD402R20s/90 t强 ,MPa.则力矩： 2)(rpb).(5)02.15.(04.6mN5.3.2 尺寸校核1测定参与手臂转动的部件的质量 ,分析部件的质量分布情kgm120况，质量密度等效分布在一个半

31、径 的圆盘上，那么转动惯量：r2021rmJ0.2（ ）6.2.mkgtJM.惯).(108596mN考虑轴承，油封之间的摩擦力，设定一摩擦系数 ,2.0k惯摩 Mk.）（ mN.451082总驱动力矩：摩惯驱 ）（ mN.413508-_M驱设计尺寸满足使用要求。-_第3章 控制系统设计由于微型计算机具有体积小，可靠性高，灵活性强，易于配置，功能丰富及价格便宜等特点，采用微型计算机对工业机器人进行控制，已经成为当今机器人控制技术研究和发展的主流。机械手的控制系统，原则上可分为点位控制与连续轨迹控制两大类。点位控制只要求按规定精度从起始点到达预定点，而对移动路径不做要求。连续轨迹不仅与运动的起

32、点与终点有关，还必须保证运动轨迹与设计轨迹一致。因此，在连续轨迹控制中要进行轨迹设计，并对任意运动轨迹进行补插（补间）运算。为了机器人运动平稳，就必须保证机器人的运动速度、加速度连续，这无疑也需要进行复杂的运算。微型计算机对机器人的控制，一般采用分层控制的方法。第一层为最高层，其任务是识别工作空间，并据此决定如何完成给定的任务；第二层是决策层，其任务是将给定的操作分成基本的运动；第三层是策略层，其工能是将基本的运动转化成各自由度的运动；第四层是执行层，它将控制机器人完成各自由度的运动。其中第一层及第二层属于人工智能的范畴，机器人的控制主要是研究第三、第四层。微型计算机种类很多，一般均由以下三部

33、分组成。A. 中央处理器 CPU，或称微处理器 MPU。B. 内存储器，即主记忆装置 ROM 及 RAM 。C. 输入输出装置 I/O，或称接口装置，联系这些装置的为三条总线，即数据总线 DB，地址总线 AB 及控制总线 CB。不同型号的微型计算机主要是中央处理器 CPU 的内容的功能不同，因而有不同的指令系统和汇编语言。由于外部设备之不同以及是否用于实时控制，其 I/O 接口装置因而很大差异。RAM 和 ROM 的存储量大小直接影响计算机的应用范围。但一般微型计算机都可以在原有存储量的基础上加以扩充。本机器人的控制系统的组织结构如图 3-1。它由主 CPU 板、I/O 板、控制面板、示教盒、

34、伺服板、和稳压电源板等组成。-_主 CPU 板是本控制器的核心，其上有 CPU、存储器、多级中断控制电路、脉冲分配电路、读位置电路以及串行通讯电路等，完成系统的管理、控制运算、伺服系统控制和仿置检测等控制功能以及与示教盒、控制板的通讯。I/O 接口板主要负责输入输出和监测各种故障报警的输入信号。伺服板共 8块，负责完成四个轴的位置环速度环和电流环的伺服控制。本次控制系统设计主要设计 CPU、ROM 和 RAM 中断处理电路示教盒以及串行通讯电路键盘显示电路这几个部分。1.CPU 与存储器CPU 采用 8031 微处理器地址译码器内存 RAM 和 EPROM 以及锁存器组成。（1） 8031 的

35、结构1）寄存器堆8031 中有 12 个通用寄存器，6 个专用寄存器，两个累加器和两个标志寄存器。由于寄存器很多，故称其为堆。它们各个单元不是以序号作为地址号，而是以其名称作为地址号。它们全是静态 RAM 实现。伺服板图 3-1 控制系统组织结构图示教盒控制板I/O 端口及电平转换电路伺服控制电路机器人8031CPURAMROM辅助运算回路串行通讯电路串行中断电路 脉冲分配电路读位置电路-_各寄存器的功能如下：堆栈指示器 SP：它是一个 8 位的专用寄存器。用以指示堆栈区的最上面的存储单元的地址，即栈顶地址。堆栈指示器是在计算机中接受中断要求而去处理某些外部设备提出的请求时需要用到的寄存器。系

36、统复位后，SP 初始化为 07H，使得堆栈事实由 08H 单元开始。考虑到 08H1FH 单元分属与工作寄存器区 13，若程序设计中要用到这些区，则最好把 SP 值改置为 1FH 或更大值。由于栈指针是一个 8 位的专用寄存器，其值可由软件改变，因此在内部RAM 中的位置比较灵活。响应中断或子程序调用时，发生入栈操作，入栈的是 16 位 PC 值，PSW 并不自动入栈。在指令系统中有栈操作指令 PUSH（压入）和 POP（弹出） ，如有必要，中断时可用把 PSW 的内容压入堆栈，加以保护，返回前用 POP 指令恢复。除用软件直接改变 SP 值外，在执行 PUSH、POP 、各种程序调用、中断响

37、应、子程序返回 RETI 等指令时，SP 值将自动增量或减量。 变址寄存器 IX 及 IY：它们能将其内容加减一个称作偏移量的数，以达到一个新的地址。中断向量地址寄存器 IV：这个寄存器用以存放中断服务子程序的入口地址。存储器刷新寄存器 R：8031 可以使用动态存储器。刷新存储器是再生时进行计数用的。特殊功能寄存器 SFR：8031 单片机片内的 SFR 与存储器是独立的，但它能像访问内部 RAM 一样被访问。8031 单片机具有 21 个特殊功能寄存器，可分为 3 个 16 位寄存器和 15 个 8 位寄存器。这些寄存器分散地分布在片内 RAM的高 128 字节地址 80HFFH，访问这些

38、专用寄存器仅允许使用直接寻址的方式。寄存器并未占满 80HFFH 整个地址空间，对空闲地址的操作是无意义的。片内的 SFR 能综合的实时反映整个单片机基本系统内部的工作状态及工作方式。因此，它是非常重要的。对单片机应用者来说，掌握个各 SFR 的工作状态，工作方式，从而实现对整个单片机系统的控制具有重要的意义。表 3-1 列出了个-_SFR 的名称几地址。ACC 累加器 0E0HB B 寄存器 0F0HPSW 程序状态字堆栈指针 0D0HSP 堆栈指针 81HDPTR数据指针（包括 DPH 和（DPL）口 083H 和 82HP0 口 0 80HP1 口 1 90HP2 口 2 0A0HP3

39、口 3 0B0HIP 中断优先级控制 0B8HIE 允许中断控制 0A8HTMOD 定时器/计数器方式控制 89HTCON 定时器/计数器控制 88H+T2CON 定时器/计数器 2 控制 0C8HTH0定时器/计数器控制0（高位字节） 8CHTL0定时器/计数器控制0（低位字节） 8AHTH1定时器/计数器控制1（高位字节） 8DHTL1定时器/计数器控制1（低位字节） 8BH+TH2定时器/计数器控制2（高位字节） 0CDH+TL2定时器/计数器控制2（低位字节） 0CCH+RLDH 定时器/计数器控制 2 自 0CBH-_动再装载（高位字节）+RLDL定时器/计数器控制 2 自动再装载（

40、低位字节） 0CAHSCON 串行控制 98HSBUF 串行数据缓冲器 99HPCON 电源控制 97H数据指针 DPTR（83H ，82H）：数据指针 DPTR 是一个 16 位专用寄存器，其高位字节寄存器用 DPH 表示，低位字节寄存器用 DPL 表示。即可以作为 16位寄存器 DPTR 来处理，也可以作为 2 个独立的 8 位寄存器 DPH 和 DPL 来处理 。 DPTR 主要用来保持 16 位地址，当 64KB 外部数据存储空间寻址时，可作为间接寄存器用。这时有两条传送指令 MOVX A，DPTR 和 MOVX DPTR, A。在访问程序存储器时，DPTR 可用作基址寄存器，这时采用

41、一条基址+变址寻址方式的指令 MOVC A，+DPTR, 常用于读取存放在程序存储器内的表格数据。2）8031 的引脚功能8031 为 40 引脚芯片如图 3-4，按其功能可分为三个部分：a I/O 口线：P0，P1 ，P2，P3 共 4 个 8 位口。P0（双向 I/O）口（3932 脚）：P0 口既可作地址/ 数据总线使用，又可作通用 I/O 口用。P1（准双向 I/O）口（18 脚）：P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位准双向 I/O 端口。-_P2（准双向 I/O）口（2128 脚）：在结构上，P2 口比 P1 口多了一个输出转换控制部分。当转换开关倒向左面时，P2 口作通用的 I/O

42、 端口用，是一个准双向口。P3（双功能） （1017 脚）：P3 口是一个多用途的端口。b.控制信号引脚：PSEN（片外取指控制） ，ALE（地地锁存控制） ，EA（片外存储器选择） ，RESET（复位控制） 。c.电源及时钟：Vcc，Vss，XTAL1 ，XTAL2。其应用特性：a. I/O 口线不能都用作用户 I/O 口线。b. I/O 口的驱动能力，P0 口可驱动 8 个 TTL 门电 路，P1、P2 、P3 则只能驱动 4 个 TTL 门。c. P3 口是双重功能口，其功能如图 3-5 所示。P3.0:RXD(串行输入口);P3.1:TXD(串行输出口);P3.2:INT0(外部中断

43、0 输入线);P3.3:INT1(外部中断 1 输入线);P3.4:T0(T0 外部记数脉冲输入线);P3.5:T1(T1 外部记数脉冲输入线);P3.6:WR(外部 RAM 写选通脉冲输出线 );P3.7:RD(外部 RAM 读选通脉冲输出线)。译码器采用 74LS138（8205） ，它具有以下特性：能作为 I/O 口或存储器地址选择器，扩充简便，有输入选择端，采用了遵肖特基双极型工艺，最大延迟为 18ns，连接与 TTL 逻辑电路兼容，低电平输入负载电流最大为 0.25A,是标准 TTL 输入负载的 1/6。INTEL8205 译码器可以扩充那些输入口、输出口和带有低电平有效的片选-_输

44、入存储器件的系统。当 8205 被片选时，它的八个输出端之一变“低” ，于是存储器系统的一行被选中。对于扩大的系统，可把 8205 级联系起来，使得每一译码器能驱动 8 个译码器 ，可任意扩充存储器。8205 的逻辑符号、引脚排列，选通和译码真值表如下：引脚说明：A0A2 为选址输入，E1E3 为选通允许输入（既片选） ，O0O7 为译码输出。8205 译码真值表如下：地址 选通允许 输出A0 A1 A2 E1 E2 E3 0 1 2 3 4 5 6 7 -_地址 选通允许 输出A0 A1 A2 E0 E1 E2 0 1 2 3 4 5 6 7 锁存器采用 74LS373：它的作用是把输入信号

45、锁存起来，一直保持到选通信号来取出信息。其工作原理：当锁存允许端为高电平时，Q 端跟随 D 端变化；当锁存允许由高变低时，将此变化前一瞬时输入锁存，此后输入（D ）不会影响输出（Q）直至锁存允许为高电平，E 是读选通脉冲。应当注意在读期间锁存允许不能变化。锁存允许信号通常取自译码器和 R/W 线，地址译码有时需 3到 15 级门延迟，来防止读锁存。数据存储器采用 6264（8K8） ，一共采用 3 块 6264，故 RAM 为 24K，除了作为系统参数工作区，标志单元外，主要用作用户程序存储区，为了保存RAM 的内容，一旦断电，保证 RAM 中的用户程序不会丢失，故采用电池利用CE2 引脚的掉电保护装置在此也得到了应用，具体内容在后详讲，这里不再叙述。6264 静态 RAM 的技术性能为：一组三态输出引脚作为输入/输出公共引脚，输入/输出与 TTL 电路兼容， A0A12 为地址总线，I/O0I/O7 为数据输入/输出，CE1 为片选 1，CE2 为片选 2，WE 为写选通，OE 为读选通。