普通机床数控改造设计

普通 CA6140 车床的经济型数控改造前 言1946 年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6 年后，即在 1952 年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 0.60.8 万台，年产值约为18 亿元。机床的年产量数控化率为 6。我国机床役龄 10 年以上的占 60以上；10 年以下的机床中，自动/半自动机床不到 20，FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60以上） 。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。在美国、日本和德国等发达国家，它们的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，已形成了机床和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。美国得宝公司已在中国开办公司。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：大隈工程集团、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。机床改造的必要性：企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。普通车床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准，而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达0.01 至 0.02mm，已能满足 CA6140 车床改造后加工零件的精度要求。经济型数控机床的特点：一价格便宜。仅数控系统与国外同类型数控系统比，前者只需 12 万元，而国外系统需十几至几十万元。因此，它特别适合对国内企业现有普通机床进行改造。二解决复杂零件的加工精度控制，提高生产率。对经济型数控车床，一般可提高工效 37 倍。三适合于多品种、中小批量产品的自动化加工，对产品的适应性强，对于不同零件的加工，可以通过改变不同的加工程序和更换不同的刀具来实现。四提高产品质量，降低废品率。尤其是加工的产品尺寸一致性好，合格率高。五节约工装费用，降低成本。经济型数控车床可以不用工装或少用工装，尤其对于复杂零件，不用靠模或成型刀具，不仅节约了费用，而且还可以缩短生产周期。六减轻工人的劳动强度。七提高工人素质，促进技术进步和科技成果的普及应用。为由“体力型”向“智能型”转变创造了条件。机床的数控化改造主要内容有以下几点：其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；其二是 NC 化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成 NC 机床、CNC 机床；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的 CNC 系统以最新 CNC 进行更新；其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改装成用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改装成能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行加工。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动进行调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。正 文一 机 械 部 分数控机床进给伺服系统运动及动力计算如下：1.1 技术参数：最大加工直径（mm）留板及刀架重力（N）刀架快移速度（m/min）最大进给速度（m/min）定位精度（mm）主电机功率（KW）启动加速时间（ms）规格（型号）面上 鞍上最大加工长度（mm）纵向 横向 纵向 横向 纵向 横向400mmCA6140C620400 21075010001000 600 2.4 1.2 0.6 0.3 0.015 7.5 301.2 选择脉冲当量根据机床精度要求确定脉冲当量：纵向 0.01mm/步 横向 0.005mm/步1.3 计算切削力1.3.1 纵车外圆主切削力 Fz=0.67Dmax1.5=0.674001.5=5360(N)按切削力各分比例Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4则 Fx=53600.25=1340(N)Fy=53600.4=2144(N)1.3.2 横切端面主切削力 Fz可取纵切的 1/2，为 2680N.此时走刀抗力为 Fy,吃刀抗力为 Fx.Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4Fx=26800.25=670 Fy=26800.4=1072N1.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选择1.4.1 横向进给丝杠1.计算进给牵引力Fm=kFx +f(Fz+2Fy+G)h 横向进给为燕尾形贴塑导轨。k=1.4 f=0.03Fm=1.4670+0.03(2680+21072+600)=1100.7(N)2 计算载荷 Fc(N)有已知条件查得 kF=1.2, kH=1.0,kA=1.1则 Fc=kFkHkAFm=1.21.01.11100.7=1453(N)3 计算额定动载荷计算值 Ca(N) 初选 L0=5mmCa=Fc(nzLh/1.67*104)1/3=1453(3014400/1.67104)1/3=4297.2(N)4 确定丝杠型号以及有关数据由于 Ca=Ca,选 FYC1D2505-2.5 型,Ca=9610N丝杠副的有关数据：公称直径 D0=25mm 导程 P=5mm螺旋角 =3 o38 滚珠直径 do=3.175mm按表 2-1(郑堤，唐可洪主编， 机电一体化设计基础 ，机械工业出版社出版,第 17 页)中尺寸公式计算：滚道半径 R=0.52do=0.53.175=1.651mm偏心距 e=0.707(R-do/2)=0.707(1.651-3.125/2)=0.0449mm丝杠内径 d1=D+2e-2R=25+21.61=21.78785 稳定性验算 (采用 F-S)1)由于一端轴向固定的长丝杠在工作是可能发生失稳，所以设计是应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数S，丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷 Fcr(N)。Fcr= 2EIa/(ul)2 (E=206GPa)因为 Ia=d 14/64=3.14(0.021788)4/64=1.110-8m4取 u=2/3 时Fcr= 22061091.110-8/(2/3)0.52=2.01105(N)安全系数 S=Fcr/Fm=2.01105/1100.7=182.68 S=1.53.3.2)高速长丝杠工作时可能发生共振，因此需验算其不会发生共振的最高转速临界转速 ncr,需求丝杠的最大转速 nmax1600r/min所以丝杠工作时不会发生共振。3)此外滚珠丝杠副还受 D0n 值的限制，通常要求D0nmaxTS1,TS2,所以按给定要求步进电机可以正常启动,不会发生失步现象。1.6.2 纵向步进电动机的计算和选型1 等效转动惯量计算 计算简图见图所示。传动系统折算到电机轴上的总的传动惯量 可由下式)(2cmkgj计算 ： 2021)(LgGJzJsM式中 步进电机转子转动惯量 ;MJ ).(2cmk齿轮 的转动惯量 ;21,21,zg滚珠丝杠转动惯量 。sJ).(2ck参考同类型机床，初选反应式步进电机 150BF，其转子转惯量 。2.10cmkgJMNGcmkgJ ckgLd80.952.1047. .39687.24.33 322431代入上式： 202121 LgGJzJM222.35.6 6.895.39.640cmkg 考虑步进电机与传动系统量匹配问题。 275.03.1JM基本满足惯量匹配的要求。1.7 轴承的选择和验算轴承选择成对安装角接触球轴承。46300 型，其额定动载荷 Cr=6800N。F0取 1/3Fm,=3。 （角接触球轴承）L=Cr/(F0+Fm) = Cr/(1/3 Fm+ Fm)=68003/41100.723=4.63寿命 h=L10 6/60nv=4.63106/6030=65814(h)hLh=14400h选 46300 型 GB292-83 的轴承满足条件。1.8 刀架的选用电动刀架的安装较方便，普通车床已备有连接孔，将卧式车床的原刀架拆下，将电动刀架装上即可。单安装时注意以下两点：1）电动刀架的两侧面应于车床纵向和车床横向的进给方向平行。2）电动刀台与系统的连线应如下安装：沿横向工作台右侧面先走线到车床后面，再沿车床后导轨下方拉出的铁丝滑线，走线到系统。其好处在于：避免走线杂乱无章，而使得加工时切屑、冷却液以及其他杂物磕碰到电动刀架连线。回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。 回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。第二部分 硬件电路功能的实现2.1 硬件系统组成1基本组成2系统扩展（1）程序存储器扩展（2）数据存储器扩展（3）输入输出端口扩展（4）综合功能扩展3接口技术（1）键盘接口技术（2）显示器接口技术4步进电机控制硬件电路2.2 硬件电路的组成1CPU 采用 8031 芯片；2扩展程序存储器 2764 两片；扩展数据存储 1 器 6264 一片；3扩展可编程接口芯片 8155 三片；4地址锁存器、译码器各一片；5键盘电路，显示电路；6光电隔离电路，功率放大电路；7越程报警电路、急停电路、复位电路；8面板管理电路。2.3 设计说明由于 8031 芯片没有对外专用的地址总线和数据总线，那么在进行对外扩展存储器或I/O 接口时，首先需要扩展对外总线。通过 8031 引脚 ALE 可实现对外总线扩展。在 ALE为有效高电平期间，P0 口上输出 A7A0，因而只需在 CPU 片外扩展一片地址锁存器，用ALE 的有效高电平边沿作锁存信号，即可将 P0 口上的地址信息锁存，直到 ALE 再次有效。在 ALE 无效期间 P0 口传送数据，即作数据总线口。这样就可将 P0 口的地址线和数据线分开。8031 的引脚定义及功能如下： Vcc（40 脚）：芯片工作电源的输入端，+5V。 RESTE（9 脚）：复位信号输入端。当 RESTE 端保持两个机器周期的高电平时，可对单片机实现复位操作。 ALE（30 脚）：地址锁存允许输出信号，在访问外部存储器时，用来锁存 P0 扩展地址低 8 位的地址信号。 （29 脚）：外部程序存储器 ROM 的读选通信号输出端。访问外部 ROM 时，PSEN可定时产生负脉冲作为外部 ROM 的选通信号。 /Vpp（31 脚）：访问内外部程序存储器控制信号。A XTAL1（19 脚）和 XTAL2（18 脚）的内部是一个振荡电路。 P0 口（3239 脚）：是一个 8 位双向 I/O 口；在访问外部存储器时，分时提供低8 位地址，并用作 8 位双向数据总线。该口只能直接用于对外部存储器的读/写操作，由于是分时输出，应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用 ALE。 P1 口（18 脚）：是一个 8 位准双向 I/O 口。是专供用户使用的 I/O 口，用户可利用它作为 I/O 口线使用。 P2 口（2128 脚）：也是一个 8 位准双向 I/O 口。提供系统扩展时作高 8 位地址线用。 P3 口（1017 脚）：该口是双功能口，每一位均可独立地定义为第一 I/O 口功能或第二 I/O 口功能。现选择 74LS373 作单片机地址锁存器芯片。74LS373 是一个 8 位的 D 型锁存器，具有三态总线驱动输出功能，当三态门的使能信号线 为低电平时，三态门处于导通状态，E允许 Q 端输出；当 端为高电平时，输出三态门断开，输出端对外电路呈高阻状态。因E此，应使三态门的使能信号端 为低电平，这时，当 G 输入端为高电平时，锁存器输出（1Q8Q）状态和输入端（1D8D）状态相同；当 G 端从高电平返回低电平时，输入端（1D8D）的数据锁入 1Q8Q 中。74LS373 的锁存控制端 G 与单片机的锁存控制信号端ALE 相连，在 ALE 下降沿进行地址锁存。使能信号端 接地。OE1外部程序存储器的扩展外部程序存储器扩展时用作程序存储器的器件是 EPROM（紫外线擦除电可编程只读存储器）和 EEPROM（电擦除可编程只读存储器） ，常用 EPROM。在这里使用 EPROM 芯片，掉电后信息不会丢失。EPROM 芯片有 2716（2K8 位） 、2732（4K8 位） 、2764（8K8 位） 、27128（16K8 位） 、27256（31K8 位） 、27512（64K8 位）等，为了减少芯片组合数量，简化扩展电路结构，扩展 16KB 的EPROM 只需选用一片 27128，但是，选用 27128 的扩展电路需要用到 8031 的 P2.5 引脚，这样的话，8031 的引脚就不够与 3-8 译码器相连，因此，扩展两片 2764 芯片。图 1. 8031 扩展 2764 的连接图2764EPROM 为 28 脚双列直插式封装，A0A12 为 13 根地址线，可寻址 8KB；D0D7为数据输出线； 为片选线； 为数据输出选通线； 是编程脉冲输入端；Vss 是CEOEPGM编程电源; Vcc 是主电源。图 1 为 8031 扩展 2764 的连接图，以扩展一片为例。从图中看出，接口时主要将1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 14-May-2004 Sheet of File: D:Program FilesDesign Explorer 99 SEExamplesMyDesign1.ddbDrawn By:EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD108031D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1G1174LS373A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122CE20OE22PGM27D011D112D213D315D416D517D618D719GND14VCC282764+5V2764 的地址线、数据线和控制线与 8031 的三总线对应相连。2764 的容量为 8KB，有A0A12 共 13 条地址线，其中 A0A7 接地址锁寸器的输出，A8A12 接 8031 的P2.0P2.4；2764 的 8 条数据线 D0D7 直接连接到 8031 的 P0.0P0.7；2764 的输出允许 接 8031 的读选通控制线 。如果是扩展单片 EPROM，其片选 可接地，这里OEPSENCE要扩展两片 2764，所以选用译码法进行扩展电路，即将片选端接到译码器的译码输出端。这里选用 74LS138 三八译码器，它具有 A、B、C 三个译码输入端，可组合成 8 种输入状态； 为八个译码输出端，每个输入端分别对应 8 种输入状态中的一种。它还有7Y0三个译码输出允许控制端 E3、 、 ，当且仅当译码输出允许端 、 为低电平，E32E11E2为高电平时，译码输出端 中有且仅有一个输出低电平，至于哪个译码输出端输出7Y0低电平，则由译码输入端 ABC 编码对应的二进制决定。这里将片选端接译码器的 和 0Y1；A、B、C 三个输入端分别接到 8031 的 P2 .7、P2.6、P2.5。输出端接到存储器的片选端。 、 端接地，E3 端通过一个 2K 的电阻接到 +5V 的电源上。这样，就能保证 、2E1 2E端为低电平，E3 端为高电平。又由于 8031 运行所需的程序指令来自 2764，要把其 EA 端接地，否则，8031 将不会运行。2外部数据存储器的扩展8031 单片机内部有 128 字节 RAM 存储器。CPU 对内部的 RAM 具有丰富的操作指令，这 128 字节是远远不够用的，所以要扩展外部数据存储器。又由于单片机面向控制，实际容量需求不大，所以可以用静态随机存储器 SRAM 来扩展。与动态随机存储器相比，SRAM 无需考虑保持数据而设置的刷新电路，扩展电路较简单。常用的 SRAM 芯片有6116（2KB*8）和 6264（8KB*8）为减少芯片数量，选用 6264 作为数据存储器扩展芯片。数据存储器空间地址同程序存储器一样，由 P2 口提供高 8 位地址，P0 口分时提供低8 位地址和 8 位双向数据线。数据存储器的读和写由 和 信号控制，而程序存储器RDW由读选通信号 控制，两者虽共处同一地址空间，但由于控制信号不同，故不会发生PSEN主线冲突。8031 与数据存储器 6264 的连接图如图 2 所示。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 15-May-2004 Sheet of File: D:Program FilesDesign Explorer 99 SEExamplesMyDesign10.ddbDrawn By:EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD108031D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1G1174ALS373A010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122WE 27OE 22D011D112D213D315D416D517D618D719Vcc28GND14CE296264+5V图 2 8031 扩展 6264 的连接图在 6264 的各引脚中，A0A12 为片内 13 位地址线；IO0IO7 为双向数据线； 为CE片选信号线； 为读允许信号线； 为写信号线。OEWE8031 的 P0 口送出的低 8 位地址经片外地址锁存器 74LS373 锁存后，接 6264 芯片的低 8 位地址端 A0A7，同时 6264 的数据端 D0D7 接到 P0 口的对应引脚上，6264 的高5 位地址 A8A12 分别连接到 P2 口的 P2.0P2.4，形成 13 位地址总线；6264 的 读/写控制端 和 分别接到 8031 的和 ，以便系统能够对 6264 进行正常的读/写操OEWRDW作。6264 的片选端 可直接接地，但在这里要把片选端接到译码器的输出端 上。C 2Y3外部 I/O 口的扩展因为 8031 单片机本身提供的输入、输出口线只有 P1 口和部分 P3 口线，所以，要对其系统进行 I/O 口扩展。扩展 I/O 口所用芯片主要有通用可编程 I/O 口芯片及 TTL 或 CMOS 锁存器、缓冲器电路两大类。I/O 口扩展方式主要有并行总线扩展法和串行口扩展法。这里选用可编程 I/O 口芯片，可编程接口是指其功能可由计算机的指令来改变的接口芯片。可编程接口通过编制程序，可使一个接口芯片执行多种不同的接口功能，使用十分灵活。用它来连接计算机和外设时，不需要或只需要很少的外加硬件。在 8031 单片机中常用的两种接口芯片：8255 和8155 可编程通用并行接口。8255 具有 3 个 8 位的并行 I/O 口，具有三种工作方式，可通过编程改变其功能，使用方便，通用性强。8155 芯片内包含有 256 字节 RAM，2 个 8 位和1 个 6 位的可编程并行 I/O 口，1 个 14 位定时器/计数器。8155 可直接与 8031 单片机连接，不需要增加任何硬件逻辑。由于 8031 单片机外接一片 8155 后，就综合地扩展了数据 RAM、I/O 端口和定时器/计数器，因而是 8031 单片机系统中最常用的外围接口芯片之一，通过比较选择 8155 扩展外部 I/O 口。8155 为双列直插式 40 脚封装芯片，其引脚功能如下： AD7AD0：是低 8 位地址线和数据线共用输入/输出口，当 ALE=1 时，输入的是地址信息，否则是数据信息。所以 AD7AD0 与 8031 的 P0 口相连。8031 和 8155 之间的地址、数据、命令、状态信息都是通过它传送的。 ：片选信号线。低电平表示选中本芯片。CE ：存储器读出信号线，低电平有效。当 =0， =0 时，将 8155 片内 RAM 单RDCERD元或 I/O 口的内容传送到 AD7AD0 总线上。 ：存储器写入信号线，低电平有效。当 =0， =0 时，将 CPU 输出送到WWAD7AD0 总线上的信息写到片内 RAM 单元或 I/O 口中。 ALE：地址及片选信号的锁存信号线，高电平有效。在 ALE 的下降沿将单片机 P0口输出的低 8 位信息和 及 IO/ 的状态信息都锁存到 8155 内部锁存器中。因此 8031CEM的 P0 口输出的低 8 位地址信息不需外接锁存器。 IO/ ：I/O 接口与存储器选择信号线，当 IO/ =0 时，选中 8155 的片内MRAM，AD0AD7 为 RAM 的地址；若 IO/ =1 时，选中 8155 片内 3 个 I/O 口端以及命令/状态寄存器和定时器/计数器。AD0AD7 为输入/输出口地址。 PA7PA0：A 口的输入输出线。 PB7PB0：B 口的输入输出线。它和 PA7PA0 用于 8155 与外设之间传送数据。 PC5PC0：C 口输入输出线或控制信号线。由编程写入控制字来规定 C 口作为8155 与外设之间传送数据或作为 A 口、B 口数据传送的控制应答联络线。 TIMER IN：定时/计数器脉冲输入端。是外界向 8155 输入计数脉冲信号的输入端。 ：定时/计数器脉冲输出端。是 8155 向外界输出脉冲或方波的输出端。TIMEROU RESET：复位信号线，高电平有效。 Vcc、Vss：+5V 电源、接地端。在 8155 的控制逻辑部件中，设置有一个控制命令寄存器和一个状态标志寄存器。8155 的工作方式由 CPU 写入控制命令寄存器中的控制字来确定。控制命令寄存器只能写入不能读出，8 位控制命令寄存器的低 4 位用来设置 A 口、B 口和 C 口的工作方式。8155的 A 口、B 口可工作于基本 I/O 方式或选通方式，C 口可作为输入输出口线，也可作为 A口、B 口选通方式工作时的状态控制信号线。8031 与 8155 可直接相连，其接口方法如图 3 所示。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 15-May-2004 Sheet of File: D:Program FilesDesign Explorer 99 SEExamplesMyDesign9.ddbDrawn By:EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD108031AD012PA021AD113PA122AD214PA223AD315PA324AD416PA425AD517PA526AD618PA627AD719PA728PB029CE8PB130RD9PB231WR10PB332IO/M7PB433ALE11PB534PB635PB736TMROUT6PC037PC138TMRIN3PC239PC31RESET4Vss20Vcc408155+5V图 3 8031 扩展 8155 的连接图AD0AD7 是低 8 位地址和数据共用输入口，当 ALE=1 时，输入的是地址信息，否则是数据信息。所以 8031 的 P0 口与 AD0AD7 相连。片选信号 与 74LS138 译码器的CE相连，当 =0 时，选中该片， =1 时该片未选中。8031 的 P2.0 与 8155 的 IO/3YCECE相连。当 IO/ =0 时，选中 8155 片内 RAM，AD0 AD7 为 RAM 地址；若 IO/ =1 时，M M选中 8155 片内 3 个 I/O 端口（A、B、C） ，AD0AD7 为 I/O 口地址。8031 的 和 分RDW别与 8155 的 RD 和 WR 相连。4. 键盘接口电路键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件，它能实现计算机输入数据、传送命令等功能，是人工干预计算机的主要手段。键盘实质上是一组按键开关的集合。通常，按键所用开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、断作用。键盘电路的设计应使 CPU不仅能识别是否有键按下，还要能识别是哪一个键按下，而且能把此键所代表的信息翻译成计算机所能接收的形式。计算机所用的键盘有全编码键盘和非编码键盘两种。全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与被按键对应的编码，一般还具有去抖动和多键、窜键保护电路。这种键盘使用方便，但需要较多硬件，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用。非编码键盘只简单地提供行和列的矩阵，其他工作都靠软件来完成。由于其经济实用，目前在单片机系统中多采用这种办法。通过比较决定采用非编码键盘。（1）键输入原理当按下所设置的功能键或数字键时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能。键信息的输入与软件结构密切相关。对于一组键或一个键盘，需要通过接口电路与 CPU 相连。CPU 可以采用查询或中断方式了解有无键输入并检查是哪一个键被按下，将该键号送入累加器 ACC，然后通过散转指令转入执行该键的功能程序，执行完又返回到原始状态。（2）键输入接口应解决的问题键输入接口应可靠而快速地实现键信息输入与执行键功能任务。为此，应保证键开关状态的可靠输入。目前，无论是按键或键盘大部分都是机械触点的合、断作用。由于弹性作用的影响，机械触点在闭合及断开瞬间均有抖动过程，从而使电压信号也出现抖动。按键的稳定闭合时间由操作人员的按键动作所确定，一般为十分之几秒至几秒时间。为了保证 CPU 对键的一次性闭合仅作一次键输入处理，必须去除抖动影响。通常去抖动影响的方法有硬件、软件两种。硬件消抖常采用双稳态消抖和滤波消抖电路，在按键较少时用得多；如果按键较多，硬件消抖将无法胜任，因此常采用软件的方法消抖，在第一次检测到有键按下时。执行一段延时 10 秒的子程序后再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平，则确认真正有键按下，从而消除了抖动影响。（3）独立式按键接口设计独立式按键是指个按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容易判断哪个键被按下了。在数控机床的操作面板中，启动、暂停、单段、连续、急停等按钮均采用独立式按键接口电路。在接口电路中，按键输入都采用低电平有效。上拉电阻保证了按键断开时，I/O 口线有确定的高电平。（4）矩阵式键盘接口电路设计矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，它由行线和列线组成。本设计扩展了 32 个键，由一个 8 位口和一个四位口组成 4x8 的行列式键盘。按键设置在行、列线交点上，行、列线分别接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到+5V 上。平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平也为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否按下的关键所在。键盘中究竟哪一个键被按下，是通过列线逐列置低电平后检查行输入状态来确定的。具体由图 4 来说明。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 17-May-2004 Sheet of File: D:Program FilesDesign Explorer 99 SEExamplesMyDesign3.ddbDrawn By:RESET 9RD 17WR 16P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28ALE 308031AD012PA0 21AD113PA1 22AD214PA2 23AD315 PA3 24AD416 PA4 25AD517PA5 26AD618PA6 27AD719PA7 28PB0 29CE8PB1 30RD9PB2 31WR10PB3 32IO/M7PB4 33ALE11PB5 34PB6 35PB7 36TMROUT6PC0 37PC1 38TMRIN3PC2 39PC3 1RESET48155+5V5.1Kx40 1 2 3 4 5 7610 11 12 13 14 1516 17 18 19 20 21 2225 23248 926 27 28 29 30 31图 4-1 8155 扩展 IO 口的键盘电路先令列线 PA0 输出低电平“0” ，PA1PA7 全部输出高电平“1” ，读行线 PC0PC3 的输入电平。如果读得某行线为“0” ，则可确认对应于该行线与列线 PA0 相交处的键被按下，否则 PA0 上无键按下。如果 PA0 列线上无键按下，接着令 PA1 输出低电平“0” ，其余为高电平“1” ，再读 PC0PC3，判断是否全为“1” ，若是，表示被按键也不在此列，依次类推直至列线 PA7。如果所有列线均判断完，仍未出现 PC0PC3 读入值有“0”的情况，则表示此次并无键按下。该键盘工作方式为编程扫描工作方式。这是利用 CPU 在完成其他工作的空余，调用键盘扫描子程序，来响应键输入的要求，在执行键功能程序时，CPU 不再响应键输入要求。在键盘扫描子程序中应完成下述几个功能：(1) 判断键盘上有无键按下。(2) 去键的机械抖动影响。(3) 求按下键的键号。按照行列式键盘工作原理，图中 32 个键对应的键号如图 4-1。这种顺序排列的键号按照行首键号与列号相加的办法处理，每行的行首键号依次为0，8，16，24，列号依列线顺序为 07。行扫描法的基本原理是：先使一条列线为低电平，如果这条列线上有键闭合，则相应的那条行线即为低电平，否则各行线状态都为高电平。这样就可以根据行线号和列线 号求得闭合键的键码。行扫描的过程是：先使输出口输出 FEH（首列扫描字） ，然后读入行状态，判断行线中是否有低电平。如果行线中没有低电平，再使输出口输出 FDH（第二列扫描字） ，依次类推。当行线中有状态为低电平时，则闭合键找到。根据此时零电平所在的行号和扫描列的列号得出闭合键的键码值。闭合键的键码值=行号+列号(4) 判别闭合的键是否被释放。键闭合一次仅进行一次键功能操作。等键释放后去除键的抖动再将键值送入累加器 A 中，然后执行键功能操作。图 4-2 为键扫描子程序框图。 判 断 闭 合 键 号 闭 合 键 释 放 否 ？输 入 键 号 返 回 A调 用 延 迟 子 程 序二 次 调 用 延 时 子 程 序确 有 键 闭 合 否 ？有 键 闭 合 否 ？开 始图 4-2 键扫描子程序框图设在主程序中已把 8155 初始化为 PA 口作基本输出口，接键盘列线，PC 口作基本输入口，接 4 根行线。键扫描程序如下（程序中 KS 为查询有无按键按下子程序，DELAY 为延时子程序，延时时间为 520ms）：KEY： ACALL KS ；调用 KS 判断有键按下吗？JNZ K1 ；有键按下则转移 ACALL DELAY ；无键按下则调延时子程序AJMP KEY ；无键按下返回K1： ACALL DELAY ；加长延时时间，消除键抖动ACALL DELAY ACALL KS ；调用 KS 子程序再次判断有无键闭合JNZ K2 ；键按下，转逐列扫描AJMP KEY ；误读键，返回K2： MOV R2，# 0FEH ；首列扫描字入 R2MOV R4，# 00H ；首列号入 R4K3： MOV DPTR，# PA ； A 口地址送 DPTRMOV A，R2MOVX DPTR，A ；列扫描字送至 8155PA 口INC DPTR ；指向 8155PC 口INC DPTR MOVX A，DPTR ；读取行扫描值JB ACC .0，L1 ；第 0 行无键按下，转查第 1 行MOV A，# 00H ；第 0 行有键按下，该行首键号#0HAAJMP LK ；转求键号L1： JB ACC.1，L2 ；第 1 行无键按下，转查第 2 行MOV A，# 08H ；第 1 行有键按下，该行行首键号#08HAAJMP LK ；转求键号L2： JB ACC.2，L3 ；第 2 行无键按下，转查第 3 行MOV A，# 10H ；第 2 行有键按下，该行行首键号#10HAAJMP LK ；转求键号L3： JB ACC.3，NEXT ；第 3 行无键按下，改查下一列MOV A，# 18H ；第 3 行有键按下，该行首键号#18HALK： ADD A，R4 ；形成键码送入 A PUSH ACC ；键号进栈保护K4： ACALL DELAY ACALL KS ；等待键释放JNZ K4 ；未释放，等待POP ACC ；键释放，键号ACCRET ；键扫描结束，返回 NEXT： INC R4 ；修改列号MOV A，R2 JNB ACC.7，KEY ；第 7 位为 0，已扫描完最高列转 KEYRL A ；未扫描完，扫描字左移一位，转变为下一列扫描字MOV R2，A ；扫描字暂存 R2AJMP K3 KS： MOV DPTR，#PA ；A 口地址送 DPTRMOV A，# 00H MOVX DPTR，A ；全扫描字#00H 入 PA 口 INC DPTR ；指向 PC 口INC DPTR MOVX A，DPTR ；读入 PC 口行状态CPL A ；变正逻辑，以高电平表示有键按下ANL A，# 0FH ；屏蔽高 4 位RET ；出口状态， （A）00 时有键按下5显示器接口电路为方便人们观察和监视单片机的运行情况，通常需要显示器作为单片机的输出设备，用来显示单片机的键输入值，中间信息及运算结果等。在单片机应用系统中，常用的显示器有发光二极管显示器，简称 LED；液晶显示器，简称 LCD。这两种显示器具有耗电低、配置灵活、线路简单、安装方便、耐振动、寿命长等优点。因为数码显示器应用较广泛，且价格低廉、结构简单，因而选用 LED 显示器。LED 显示器是由发光二极管显示字段的显示器件，也称数码管。它由 8 个发光二极管构成，通过不同的组合可显示 09、AF 及小数点“”等字符。LED 显示器有静态显示和动态显示两种方式。由于选用 8155 作 LED 显示器接口，实际使用的 LED 显示器是多位的，对多位 LED 显示器，通常都是采用动态扫描的方法进行显示。即逐个地、循环地点亮各显示器。这样，虽然在任一时刻只有一位显示器被点亮，但是由于人眼有视觉残留效应，看起来与全部显示器持续点亮效果完全一样。为了实现 LED 显示器的动态扫描，除了要给显示器提供段的输入外，还要对显示器加位的控制，也就是段控和位控。因此，多位 LED 显示器接口电路需要有两个输出口，其中一个用于输出 8 条段控线；另一个用于输出位控线，位控线的数目等于显示器的位数。 图5 是使用 8155 做 8 位显示器的接口电路。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 16-May-2004 Sheet of File: D:Program FilesDesign Explorer 99 SEExamplesMyDesign5.ddbDrawn By:8A7A6A5A4A3A2A1AVccG8Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y8718abfcgde dpabfcgde dpabfcgde dpabfcgde dpabfcgde dpabfcgde dpabfcgde dpabfcgde dpPA0 21PA122PA2 23PA3 24PA425PA5 26PA6 27PA728PB0 29PB1 30PB2 31PB3 32PB4 33PB5 34PB6 35PB7 36PC0 37PC1 38PC2 39PC3 181558A7A6A5A4A3A2A1AVccG8Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y8718C7 C6 C5 C4 C0C1C2C3abcdefgdp图 5 8155 扩展的 LED 显示器接口电路8155 是单片机应用系统扩展的 I/O 口，其中，A 口用做字形输出，B 口用做位选扫描输出。并且采用集电极开路输出 8 位驱动器驱动。数码管是 8 段共阴极，所以发光时字形驱动输出“1”有效，位选驱动输出“0”有效。对于 8155 来讲，字形码输出“0”有效，位选扫描电平“1”有效。工作时，B 口 8 路位选信号每次仅有一路输出是“1”电平（其余为“0” ） ，同时 A口输出与选通的数码管对应的字形码信号，即 B 口扫描输出位选信号，A 口输出字形信号。6键盘、显示器接口电路图 6 为 8155 扩展的键盘、显示器接口电路。电路中设置了 32 个键（具体见操作面板） 。LED 显示器采用共阴极。段选码由 8155的 PB 口提供，位选码由 PA 口提供。键盘的列输入由 PA 口提供，行输入由 PC0PC3 口提供。LED 采用动态显示软件译码，键盘采用逐列扫描查询工作方式。LED 的驱动采用集电极开路输出 8 位驱动器 8718 驱动。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitl