毕业设计（论文）-CA6140车床刀具温度单片机控制系统设计（全套图纸） .pdf

1 ca6140 车床刀具温度单片机控制系统设计车床刀具温度单片机控制系统设计 摘要摘要 当今社会上各种机械加工业都在迅猛发展，车床是机械加工核心工具，随着 科学技术的发展，车床也在不断向着高精度、高效率、高自动化方向发展，数控 车床已经成为主流设备，逐渐取代老旧的普通车床。我国目前机床总量约 400 余万台,但其中数控机床总数只有 20 余万台,机床的数控化率极低。国内起步较 晚，技术较为落后，有着大量的老旧车床，又因其缺乏专业的维修与保养，促使 机床的工作精度大大降低。而从国外购置新型数控车床的价格又颇为昂贵，普通 企业根本无法负担。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 在机械制造业中, 虽然已发展出各种不同的零件成型工艺, 但目前仍有 90% 以上的机械零件是通过切削加工制成。 在切削过程中, 机床作功转换为等量的切 削热, 这些切削热除少量逸散到周围介质中以外, 其余均传入刀具、 切屑和工件 中, 刀具、 工件和机床温升将加速刀具磨损, 引起工件热变形, 严重时甚至引起 机床热变形。因此,在机床的切削加工过程当中，对切削温度的测量非常重要。 在高速车床当中，为了提高车床加工精度，刀具在切削过程中的受热变形一定要 控制住，这个仅仅知道刀具温度是不够的，还需要引入自动控制技术进行实时控 制。 2 本论文以 ca6140 普通车床为研究对象，根据数控技术原理，运用了单片机 应用技术、自动控制技术和测试传感器技术，提出了车床刀具温度的控制系统方 案。设计了基于 mcs-51 单片机的车床刀具温度控制电路和软件。 关键词：数控车床；刀具温度；单片机控制 3 abstract todays society, a variety of mechanical processing industry in rapid development, machining lathe is the core tools, with the development of science and technology, the lathe has been towards high precision, high efficiency,high automation, cnc lathes have become the mainstream equipment, gradually taking the place of ordinarylathe old. my current machine total about more than 400 units, but the total number of cnc machine tool is onlymore than 20, the rate of cnc machine tools is very low. china started late, the technology is relatively backward, there are lots of old lathe, also because of the lack of repair and maintenance of professional, themachine tool working accuracy greatly reduced. from the foreign purchase of new cnc lathe price is quite expensive, ordinary enterprises simply can not afford. in mechanical manufacturing industry, there aremore than 90% mechanical parts are manufactured by machining. in the process of cutting, machine work intocutting heat equivalent, the cutting heat in addition to a small number of escapes into the surrounding medium,the rest are into the tool, chip and workpiece, tool wear will accelerate the rise of cutting tool, workpiece and tooltemperature, caused by the thermal deformation caused by the thermal deformation of machine tools, even when serious. therefore, in the process of cutting machine, measurement of cutting temperature is very important. in the high speed lathe, in order to improve the machining precision lathe, cutting tool in the cutting process ofthermal deformation must be controlled, this just know the tool temperature is not enough, also need to introduceautomatic control technology for real- time control. in this thesis, the ca6140 lathe as the research object, according to the principle of nc technology, uses the single chip microcomputer application technology, automatic control technology and sensor technology, put forward control scheme of lathe cutting tool temperature. design of mcs- 51 mcu lathe tool temperature control circuit and software. keywords: cnc；lathe tool temperature; mcucontrol; 4 目录 摘要 1 abstract 3 第一章绪论 6 1.1 课题的研究背景和研究意义. 6 1.2 国内外研究现状 6 1.2.1 国外研究现状 . 6 1.2.2 国内研究现状 . 7 1.3 方案背景技术简介 7 1.3.1 数控车床 . 7 1.3.2 温度检测的主要方法 . 8 1.4 本课题的主要研究内容 9 1.5 本章小结 9 第二章车床结构及系统总体设计方案 . 10 2.1 ca6140 车床简介 . 10 2.2 系统总体设计方案 11 2.3 本章小结 11 第三章系统硬件设计 12 3.1 系统硬件设计方案 12 3.2 中央处理器 . 12 3.2.1 at89c51 简介 12 3.2.2 at89c51 主要性能参数 13 3.2.3 管脚说明 . 13 3.2.3 特殊功能存储器 . 15 3.2.4 芯片擦除 . 16 3.2.5 复位电路的设计 . 16 3.2.6 时钟电路设计 . 17 3.3 红外测温传感器 17 3.3.1 红外测温传感器的工作原理. 17 3.3.2 红外测温传感器的选择 . 18 3.4 信号调理电路 19 3.5 a/d 转换电路 . 20 3.6 led 显示 . 22 3.7 键盘接口 . 26 3.7 控制电路 . 27 第四章系统软件设计 28 4.1 程序初始化 29 4.2 主程序 30 4.3 a/d 转换子程序 . 31 4.4 显示子程序 . 32 4.5 键盘子程序 . 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5 4.6 本章小结 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 第五章结论与展望 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.1 主要研究工作及结论 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 5.2 本课题的展望 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致谢 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 附录 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 系统硬件原理图 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 系统 pcb 板图 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 6 第一章绪论第一章绪论 1.1 课题的研究背景和研究意义课题的研究背景和研究意义 金属切削加工是机械制造中应用最为广泛的加工方式之一。金属切削加工使 用刀具或磨具从工件表面切除多余材料，以实现零件的几何形状、尺寸精度、表 面粗糙度和表面层质量。刀具作为切削过程的直接执行者，在切削加工过程中不 可避免地会发生磨损或破损。刀具磨损或破损会使零件的加工精度下降，零件表 面粗糙度及表层质量恶化，严重时将使刀具失去切削能力，甚至危及机床设备。 因为切削热而产生的温度变化是造成刀具磨损，破损的一个重要原因。切削 温度升高后，刀具的磨损量增大，降低了工件的加工精度，这些都是切削过程中 不利的一面。因此有必要研究切削过程中热量的产生和传递的规律，了解刀具中 温度的分布状态。多年来，人们对于切削温度的研究也给予了足够的重视。但因 为切削温度的研究无论是在实验室测量方法还是理论分析上， 基本上局限于连续 车削和稳定状态下的切削温度的研究。 因此设计一个在线的自动控制的刀具温度 控制系统，是防止设备的损坏，工件的报废并保证机床无故障运行的必然手段。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 随着红外温度检测技术的发展，国内外研究人员开始利用红外热辐射法进行 非接触式检测刀具或者工件的表面切削温度。 该方法利用红外传感器聚焦于刀具 表面的固定位置，然后通过刀具表面的辐射强度检测刀具表面的切削温度，由传 热学原理可知，刀具切削区温度的变化会造成刀具表面的切削温度的变化，从而 可以通过试验测量刀具表面的切削温度的变化来间接识别刀具的状态1。 1.2.1 国外研究现状国外研究现状 目前研究切削温度一般通过试验测量和理论计算两种方法。其中，jehnming lin2先测得铣削被加工表面的温度，然后再利用热传导反求法来推算铣刀的铣 削温度。sarat3利用边界元有限元混合法建立车刀和工件的温度分布的有限元 7 模型，分析出刀具和工件的温度分布情况。yahya dogu 等4利用有限元方法建 立正交切削过程中刀具的温度分布的有限元模型， 同时说明了有限元法比解析法 能更好地模拟温度的分布情况。e. ceretti 等利用热电偶测量刀具温度，同时 利用软件仿真金属车削加工的过程，结合试验测量值进行修正完善仿真的过程。 fang du 等在假设切削过程中，刀具和工件的导热系数，比热以及密度稳定的情 况下， 建立涂层车刀的一维的温度分布的模型， 分析出刀具一维温度分布的情况。 pradip majumdar 等详细阐述了切削过程中切削热产生的过程，以及第一第二变 形区产生的热流密度，明确了切削过程中的刀具的温度分布边界条件，最后建立 了刀具的有限元温度分布模型。rui li 等5利用斜切削模型计算热流密度，建 立钻削过程中钻头的的温度分布的有限元模型， 结合试验测量值进行修正完善钻 头的温度分布模型，分析出钻头的温度分布情况。 1.2.2 国内研究现状国内研究现状 国内研究人员对红外测温技术也早已经展开研究，山东大学的王兰6利用红 外线测温技术，用 plc 做硬件结构，测试 110kv 干式变压器的温度进行实时监 控，从而设计出一套包含采集，处理，显示的功能的完整的测温监控系统。陈东 生7等利用红外测温仪，快速移动传感器对其工件进行匀速扫描来实现工件温度 分布的监控， 结果表明能够快速地反应工件温度的分布变化， 其精度可达1， 满足监控的要求。赵友权等8分析了常低温辐射测量误差和物体发射率的关系， 并针对测量过程中的发射率校正做了较详细的分析。杨巧凤9,10等采用红外辐射 测量技术对铝合金铣削温度进行了间接的，相似的，直观的测量，通过测得工件 表面的相对温度来推导临界铣削速度。 1.3 方案背景技术简介方案背景技术简介 1.3.1 数控车床数控车床 数控技术,简称数控(numerical control),是利用数字化信息对机械运动及 加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控技术都采用了计算机进行控制,因 此,也可以称为计算机数控(computernumerical control)。 8 采用了数控技术进行控制的机床,或者说装备了数控系统的机床称为数控机 床。它是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械制造技术等高新技术 于一体的典型机电一体化产品,是现代制造技术的基础。它很好地解决了形状结 构复杂、精度要求高、小批量及多变零件的加工问题且能稳定产品的加工质量, 降低工人劳动强度,大幅度提高生产效率。机床控制也是数控技术应用最早、最 广泛的领域,因此,数控机床的水平代表了当前数控技术的发展水平和方向。 与普 通机床相比,数控机床能够自动换刀、自动变更切削参数,完成平面、回旋面、平 面曲线的加工,加工精度和生产效率都比较高,因而应用日益广泛11。 1.3.2 温度检测的主要方法温度检测的主要方法 常用的切削温度测量方法主要有热电偶法、光辐射法、热辐射法、金相结构 法等。 传统的温度测量采用的是热电偶方法12，当两种不同材质组成的材料副(如 切削加工中的刀具工件)接近并受热时,会因表层电子溢出而产生溢出电动势, 并在材料副的接触界面间形成电位差(即热电势)。 由于特定材料副在一定温升条 件下形成的热电势是一定的,因此可根据热电势的大小来测定材料副(即热电偶) 的受热状态及温度变化情况。 采用热电偶法的测温装置结构简单,测量方便,是目 前较成熟也较常用的切削温度测量方法。 根据不同的测量原理和用途, 热电偶法 又可细分为自然热电偶法、人工热电偶法、半人工热电偶法、等效热电偶法。然 而在实际加工中几乎没有一种工件允许在其内部埋置热电偶，且其热惯性大，响 应慢。 金相结构法13是基于金属材料在高温下会发生相应的金相结构变化这一原 理进行测温的。但是这种方法的应用范围局限于金属材料制成的刀具,并只能在 高温下才能观察到材料明显的组织结构变化； 金相结构法的观测和分析的工作量 也较大；利用扫描电镜法也存在以下缺点：只能测量 600以上的高温；样件制 作相当繁琐；且为事后破坏性测量,不方便推广应用于加工现场；所确定的切削 温度分布状态属于定量分析；设备复杂,技术难度高,实际应用受到一定限制。 光、热辐射法，采用光、 热辐射法测量切削温度的原理是: 刀具、切屑和 工件材料受热时都会产生一定强度的光、 热辐射, 且辐射强度随温度升高而加大, 9 因此可通过测量光、 热辐射的能量间接测定切削温度。 主要分为辐射高温计法、 红外照相法、红外热像仪法。 辐射测温传感器不直接与被测物相接触，这样测量传感器不会改变被测对象 的温度场分布，也不会受到工作介质的影响，而且不必与被测对象达到热平衡， 因此它特别适合于被测物体表面温度的非接触测量。此外，辐射测温元件的响应 时间很短，因而它便于进行动态、瞬态的温度测量。正是由于辐射测温具有这么 多的优点，因此适用于实际加工过程的刀具温度测量。本论文结合实际加工过程 应用选用红外测温方法。 1.4 本课题的主要研究内容本课题的主要研究内容 本论文以 ca6140 普通车床为研究对象，通过红外测温法测量车床刀具表面 温度进行监控刀具状态， 同时根据反馈的刀具温度控制切削速度。 主要工作如下： （1）了解 ca6140 车床结构和运行过程，确定电控系统的控制要求。 （2）总结了刀具状态监控的常用方法和切削温度的常用测量方法，分析了 红外测温法的原理，特点以及应用。 （3）提出车床刀具温度控制方案，设计基于单片机 mcs-51 的温度信号采集 电路，包括单片机的最小系统电路、ad 转换电路、信号调理电路等。 （4）配合温控系统的硬件电路，设计系统软件，包括监控软件，它是整个 控制系统的核心，专门用来协调各执行模块和操作者的关系。二是执行软件，它 是用来完成各种实质性的功能如测量、显示等功能。 1.5 本章小结本章小结 本章在介绍课题背景和研究意义的前提下，重点介绍了红外测温技术的 国内外研究现状，并分析了红外测温技术运用在车床刀具温度测量的可行性14， 最后对本课题主要研究内容进行了阐述。 10 第二章车床结构及系统总体设计方案第二章车床结构及系统总体设计方案 2.1ca6140 车床简介车床简介 ca6140 普通卧式车床主要由主轴箱、床鞍、刀架部件、尾座、进给箱、溜板 箱、床身等部件组成15。如图 2.1 所示。 图图 2.1 ca6140 普通卧式车床普通卧式车床 （1）主轴箱。它固定在机床身的左端，装在主轴箱中的主轴（主轴为中空， 不仅可以用于更长的棒料的加工及机床线路的铺设还可以增加主轴的刚性） ，通 过夹盘等夹具装夹工件。主轴箱的功用是支撑并传动主轴，使主轴带动工件按照 规定的转速旋转。 （2）床鞍和刀架部件。它位于床身的中部，并可沿床身上的刀架轨道做纵 向移动。刀架部件位于床鞍上，其功能是装夹车刀，并使车刀做纵向、横向或斜 向运动。 （3）尾座。它位于床身的尾座轨道上，并可沿导轨纵向调整位置。尾座的 功能是用后顶尖支撑工件。 在尾座上还可以安装钻头等加工刀具， 以进行孔加工。 （4）进给箱。它固定在床身的左前侧、主轴箱的底部。其功能是改变被加 工螺纹的螺距或机动进给的进给量。 （5）溜板箱。它固定在刀架部件的底部，可带动刀架一起做纵向、横向进 11 给、快速移动或螺纹加工。在溜板箱上装有各种操作手柄及按钮，工作时工人可 以方便地操作机床。 （6）床身。床身固定在左床腿和右床腿上。床身是机床的基本支撑件。在 床身上安装着机床的各个主要部件，工作时床身使它们保持准确的相对位置。 2.2 系统总体设计方案系统总体设计方案 本次设计采用 mcs-51 单片机作为控制芯片，采用红外温度传感器采集刀具 温度信号16,17。 通过红外温度传感器将采集的温度信号转换成与之相对应的电信 号， 经过放大处理送入 a/d 转换器进行 a/d 转换， 将模拟信号转换成数字信号送 入到控制芯片进行数据处理。 通过在芯片外围添加显示、 控制等外围电路来实现 对车床刀具温度实时监测和控制功能。 本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成,硬件部分主要完成传感器信号 的采集处理,信息的显示等;软件主要完成对采集的温度信号进行处理及显示控 制等功能。系统结构框图如图 2.2 所示： 单片机显示调理电路a/d 中间继电器 交流电源 直流电源 主轴电机 红外温度传 感器 控制 设定 车 床 单片机最小系统 图图 2.2 系统结构框图系统结构框图 2.3 本章小结本章小结 本章介绍了 ca6140 车床的结构及部件功能，并根据车床这个控制对象的要 求，提出车床刀具温度控制系统方案，一个基于 mcs-51 单片机的刀具温度控制 系统的硬件和软件设计。 12 第三章系统硬件设计第三章系统硬件设计 3.1 系统硬件设计方案系统硬件设计方案 本系统的硬件电路主要包括模拟部分和数字部分， 从功能模块上来分有 cpu 电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行电路。系统硬件包括：红外温度 传感器、信号调理电路、ad 转换器件、mcs-51 单片机、键盘输入、led 温度 显示器、温度控制电路。温度检测方案如图 3.1 所示。 红外温度传 感器 信号调理a/d转换单片机 图图 3.1 温度检测方案温度检测方案 3.2 中央处理器中央处理器 单片机就是在一块硅片上集成了微处理器、 存储器和各种输入输出接口电路 的微型计算机， 简称单片机。 单片机以其较高的性能价格比受到了人们的重视和 关注。它的优点就是体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低 廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。单片机根据其基本操作处理的位数可 分为 4、8、16、32 位单片机，应用最为广泛的是八位单片机。根据本次设计的 实际情况和要求，在本次设计中采用 at89c51 作为系统的控制芯片。 3.2.1 at89c51 简介简介 at89c51 是美国 atmel 公司生产的低电压，高性能 cmos8 位单片机，片内含 4k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（perom）和 128 bytes 的随机存取数 据存储器（ram） ，器件采用 atmel 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容 标准 mcs-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（cpu）和 flash 存储单元， 功能强大 at89c51 单片机可为您提供许多高性价比的应用场合， 可灵活应用于各 种控制领域。 13 3.2.2 at89c51 主要性能参数主要性能参数 at89c51单片机与mcs-51系列单片机兼容,at89c51内部有4k字节可编程闪 烁存储器, 128*8 位内部 ram,两个 16 位定时器/计数器, 6 个中断源, 32 可编程 i/o 线及串行通道。at89c51 有片内振荡器和时钟电路 ,具有低功耗的闲置和掉 电模式,在空闲方式下，cpu 停止工作，但允许内部 ram、定时器/计数器、串行 口和中断系统继续工作。 在掉电方式下， 能保存 ram 的内容， 但振荡器停止工作， 并禁止所有其他部件工作直到下一个硬件复位。 3.2.3 管脚说明管脚说明 如图 3.2 为 at89c51 引脚图,各引脚功能说明如下: 图图 3.2 at89c51 引脚图引脚图 vcc: 电源电压。 gnd: 地。 p0 口：p0 口是一个 8 位漏极开路的双向 i/o 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 ttl 逻辑电平。对 p0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程 序和数据存储器时，p0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下，p0 具有内部上拉电阻。在 flash 编程时，p0 口也用来接收指令字节；在程序校验 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 int1 13 int0 12 t1 15 t0 14 ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 psen 29 ale/p 30 p2.7 28 p2.6 27 p2.5 26 p2.4 25 p2.3 24 p2.2 23 p2.1 22 p2.0 21 p0.7 32 p0.6 33 p0.5 34 p0.4 35 p0.3 36 p0.2 37 p0.1 38 p0.0 39 txd 11 rxd 10 gnd 20 vcc 40 u? at89c51 14 时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 p1 口：p1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 输出缓冲器 能驱动 4 个 ttl 逻辑电平。对 p1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高， 此时可以作为输入口使用。 作为输入使用时， 被外部拉低的引脚由于内部电阻的 原因，将输出电流（iil） 。此外，p1.0 和 p1.2 分别作定时器/计数器 2 的外部 计数输入（p1.0/t2）和时器/计数器 2 的触发输入（p1.1/t2ex） p2 口：p2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 输出缓冲器 能驱动 4 个 ttl 逻辑电平。对 p2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高， 此时可以作为输入口使用。 作为输入使用时， 被外部拉低的引脚由于内部电阻的 原因，将输出电流（iil） 。在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据 存储器（例如执行 movx dptr）时，p2 口送出高八位地址。在这种应用中，p2 口使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8 位地址（如 movx ri）访问外部数据存 储器时，p2 口输出 p2 锁存器的内容。在 flash 编程和校验时，p2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。 p3 口： p3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口， 对 p3 端口写“1” 时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被 外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil） 。p3 口亦作为 at89c51 特殊功能（第二功能）使用，如表 3-1 所示。 表表 3- 1 at89c51 引脚号第二功能引脚号第二功能 p3.0 rxd（串行输入） p3.1 txd（串行输出） p3.2 int0（外部中断 0） p3.3 int0（外部中断 0） p3.4 t0（定时器 0 外部输入） p3.5 t1（定时器 1 外部输入） p3.6 wr（外部数据存储器写选通） p3.7 rd（外部数据存储器读选通） rst: 复位输入， 晶振工作时， rst 脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机复 位。 看门狗计时完成后， rst 脚输出96个晶振周期的高电平。 特殊寄存器auxr(地 址8eh)上的disrto位可以使此功能无效。 disrto默认状态下， 复位高电平有效。 ale/prog： 地址锁存控制信号 （ale） 是访问外部程序存储器时， 锁存低 8 位 地址的输出脉冲。在 flash 编程时，此引脚（prog）也用作编程输入脉冲。在一 15 般情况下， ale 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲， 可用来作为外部定时器或 时钟使用。 然而， 特别强调， 在每次访问外部数据存储器时， ale 脉冲将会跳过。 如果需要，通过将地址为 8eh 的 sfr 的第 0 位置“1”，ale 操作将无效。这一 位置“1”， ale 仅在执行 movx 或 movc 指令时有效。 否则， ale 将被微弱拉高。 这个 ale 使能标志位（地址为 8eh 的 sfr 的第 0 位）的设置对微控制器处于外 部执行模式下无效。 psen:外部程序存储器选通信号（psen）是外部程序存储器选通信号。当 at89c51 从外部程序存储器执行外部代码时，psen 在每个机器周期被激活两次， 而在访问外部数据存储器时，psen 将不被激活。 ea/vpp:访问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000h 到 ffffh 的外部程 序存储器读取指令，ea 必须接 gnd。为了执行内部程序指令，ea 应该接 vcc。在 flash 编程期间，ea 也接收 12 伏 vpp 电压。 xtal1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 xtal2:振荡器反相放大器的输出端。 3.2.3 特殊功能存储器特殊功能存储器 在单片机内高 128b ram 中，由有 21 个特殊功能寄存器（afr），它们离散 的分布在80h-ffh的ram空间中， 访问特殊功能寄存器只允许使用直接寻址方式。 表 3-2 为 at89c51 单片机特殊功能寄存器及其相应地址。 表表 3- 2 专用寄存专用寄存器器名称名称，功能及，功能及对应对应的的 ram 地址地址 名称 简单描述 地址 acc 累加器 （专门用于存储算术和逻辑运算的结果） 0e0h b b 寄存器（专门用于乘/除法运算） 0f0h psw 程序状态寄存器 0d0h sp 推栈指针寄存器 81h dptr 16 位数据指针寄存器。cpu 访问外部 ram 时地址指针，由两个 8 位寄存器 dph（83h） 、dpl（82h）组成且可单独访问。 p0 端口 0 状态寄存器（初始值为 0ffh） 80h p1 端口 1 状态寄存器（初始值为 0ffh） 90h p2 端口 2 状态寄存器（初始值为 0ffh） 0a0h p3 端口 3 状态寄存器（初始值为 0ffh） 0b0h ip 中断优先级控制寄存器 0b8h ie 中断允许控制寄存器 0a8h 16 tmod 定时器/计数器方式控制寄存器 89h tcon 定时器/计数器控制寄存器 88h th0 定时器/计数器 0 高字节 8ch tl0 定时器/计数器 0 低字节 8ah th1 定时器/计数器 1 高字节 8dh tli 定时器/计数器 0 低字节 8bh scon 串行控制寄存器 98h sbuf 串行数据缓冲器 99h pcon 电源控制寄存器 87h 3.2.4 芯片擦除芯片擦除 整个 eprom 阵列电擦除可通过正确的控制信号组合， 并保持 ale 管脚处于低 电平 10ms 来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存 储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，at89c51 设有稳态逻辑，可 以在低到零频率的条件下静态逻辑， 支持两种软件可选的掉电模式。 在闲置模式 下，cpu 停止工作。但 ram，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉 电模式下，保存 ram 的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一 个硬件复位为止。 3.2.5 复位电路的设计复位电路的设计 复位使单片机处于起始状态，并从该起始状态开始运行。at89c51 的 rst 引 脚为复位端， 该引脚连续保持 2 个机器周期 （24 个时钟振动周期） 以上高电平， 则可使单片机复位。内部复位电路在每一个机器周期的 s5p2 期间采样斯密特触 发器的输出端，该触发器可抑制 rst 引脚的噪声干扰，并在复位期间不产生 ale 信号，内部 ram 处于不断电状态。其中的数据信息不会丢失，也即复位后，只影 响 sfr 中的内容， 内部 ram 中的数据不受影响。 外部复位有上电复位和按键电平 复位。由于单片机运行过程中，其本身的干扰或外界干扰会导致出错，此时我们 可按复位键重新开始运行。 为了便于本设计运行调试， 复位电路采用按键复位方 式。按键复位电路如图 3.3 所示。 17 图图 3.3 复位电路复位电路 3.2.6 时钟电路时钟电路设计设计 时钟电路是单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。mcs-51 单片机允 许的时钟频率是因型号而异的，其典型值为 12mhz。at89c51 内部有一个反相振 荡放大器，xtal1 和 xtal2 分别是该反向振荡放大器的输入端和输出端。该反 向放大器可配置为片内振荡器， 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。 本设计采用的晶 振频率为 12mhz。其时钟电路如图 3.4 所示。51 系列单片机还可使用外部时钟。 在使用外部时钟时，外部时钟必须从 xtal1 输入，而 xtal2 悬空。 图图 3.4 时钟电路时钟电路 3.3 红红外测温外测温传感传感器器 3.3.1 红红外测温外测温传感传感器的器的工作原工作原理理 一个红外测温传感器由光学接收器、红外探测器和信号处理器三个部分组成 vcc gnd nrst r? 103 s? rset 10uf c? r? 103 12 x1 c2 220 c3 200 gnd 18 19。如图 3.5，光学接收器聚集可视范围内的目标的红外辐射能量，可视范围的 大小由传感器的光学零件和位置决定。 红外探测器将红外辐射能量转换为对应的 电信号。 信号处理器将电信号进行放大， 滤波， 将电信号转换为需要的格式输出， 输送进计算机或相关显示设备。 目标对象 光 学 接 收 器 红外探测 器 信号处 理器 输出 图图 3.5 红红外外传感传感器器原原理理 3.3.2 红红外测温外测温传感传感器的器的选择选择 从测温范围，结构形式和设计原理可以划分多种不同类型的红外测温传感器。 选用红外测温传感器需要从多方面考虑， 例如传感器的性能指标， 可测温度范围， 最小光点尺寸，工作波长范围，测量精度和灵敏度，性价比等等。因此在本系统 中，综合考虑选用了德国 optris ct laser 红外温度传感器 20。其主要技术参 数如表 3-3 所示。该 ct laser 红外温度传感器采用了 optris 最新独特设计 的探测器， 是中低温测量的突破性产品。 75： 1 的光学分辨率和双激光精确对焦， 最小可测量 0.9mm 的细微目标，解决了以往因测量目标区域相对较小而无法精 确测量的问题。 表表 3- 3 红红外温度外温度传感传感器技术参数器技术参数 测量量程 -40975 测量精度 测量值的1% 光谱响应 814m 温度分辨率 0.1 发射率 0.1001.000 透射率 0.1001.000 模拟输出 05v, j/k 型热偶输出 数字输出 usb,rs232,rs485 19 电缆长度 3m 8m 15m 可选 电源 536v dc 激光参数 635nm 1mw 环境温度 065 储存温度 -4065 相对湿度 1095%,不结露 重量 红外测温探头 600g,信号调理器 420g 外壳材料 不锈钢机壳,坚固耐用 3.4 信号调理电路信号调理电路 在车床刀具温度测试过程中，通过非接触式红外温度传感器对温度信号进行 采集，本系统选用的红外温度传感器输出的是 0-5v 的模拟信号。但由于空间环 境比较恶劣，常存在各种干扰源，使得获取的信号通常夹杂有噪声，如果不对这 些噪声信号进行处理，系统的精度将会受到很大的影响。因此，在测试系统进行 信号调理的同时还需采用滤波技术减小各种噪声干扰， 以便准确地采集到表征被 测对象特征的有用信息 21。 如图 3.6 所示，本设计中，信号调理电路部分由集成运放 lm358 构成一个电 压跟随器，后端用 lm358 的第二路运算放大器构成一个滤波器。 lm358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适 合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作 条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模 块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 图图 3.6 温度检测温度检测调调理理电路电路 在该放大电路中，电压跟随器起阻抗匹配的作用。反馈电阻为零时，放大倍 4 3 2 8 1 u5a lm358 5 6 7 u5b lm358 r? 202 c? 105 gnd r? 202 r? 104 r? 104 vcc c? 104 gnd gnd gnd c? 205 vi vo 20 数为 1，电压跟随器的输入电压等于输出电压。 由于温度信号为低频信号，同时为了抑制环境干扰源消除高频噪声，需要进 行低通滤波，这里采用二阶 rc 有源滤波。 3.5 a/d 转换电路转换电路 温度传感器输出的 0-5v 模拟信号经过调理电路后， 还需要进行 a/d 转换 才能到单片机，这里我们采用 adc0809 芯片进行 a/d 转换 22。adc0809 是一种 8 位逐次逼近式 a/d 转换器，其内部有一个 8 位“三态输出锁存器”可以锁存 a/d 转换后的数字量，故它本身既可看作一种输入设备，也可以认为是并行 i/o 接口 芯片。故 adc0809 可以和微机直接接口，本设计就是用 at8951 和 adc0809 直接 相连的。 图图 3.7 adc0809 引脚图引脚图 adc0809 采用双列直插式封装， 图 3.7 为 adc0809 引脚图， 共有 28 条引脚， 主要引脚功能为： in0in7: 为八路模拟电压输入线，用于输入被转换的模拟电压。 ale: 为地址锁存允许输入线，高电平有效。 add-a、add-b 和 add-c: 为地址输入线，用于选择 in0in7 上那一路模拟 电压送给比较器进行 a/d 转换。adda、addb 和 addc 对 in0in7 的选择如表 3-4 所列： 表表 3- 4 8 位模拟开关位模拟开关功能表功能表 被选模拟电压 addc addb adda in0 0 0 0 in3 1 in4 2 in5 3 in6 4 in7 5 st 6 eoc 7 d3 8 oe 9 clk 10 vcc 11 vref+ 12 gnd 13 d1 14 d2 15 vref- 16 d0 17 d4 18 d5 19 d6 20 d7 21 ale 22 c 23 b 24 a 25 in0 26 in1 27 in2 28 u? adc0809 21 in1 0 0 1 in2 0 1 0 in3 0 1 1 in4 1 0 0 in5 1 0 1 in6 1 1 0 in7 1 1 1 start: 为 “启动脉冲” 输入线,上升沿清零 sar， 下降沿启动 adc0809 工作。 eoc：为转换结束输出线，该线上高电平表示 a/d 转换已结束。 oe： 为 “输出允许” 线， 高电平时能使 2 1 2 8 引脚上输出转换后的数字量。 at89c51 与 adc0809 的连接方法如图 3.8 所示， at89c51 通过地址线 p2.7 和写控 制信号线 _ wr用一个或非门联合控制启动转换信号端(start)和地址锁存信号端 (ale)。地址线 p2.7 和读控制信号线 _ rd用一个或非门联合控制输出允许控制端 (eoc)。低三位地址线加到 adc0809 的 a、b、c 端，所以选中 adc0809 的 in0 通 道的地址为 7ff8h。转换结束信号 eoc 通过一个反相器接到 int1。 图图 3.8 at89c51 与与 adc0809 连接图连接图 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 int1 13 int0 12 t1 15 t0 14 ea/vp 31 x1 19 x2 18 reset 9 rd 17 wr 16 psen 29 ale/p 30 p2.7 28 p2.6 27 p2.5 26 p2.4 25 p2.3 24 p2.2 23 p2.1 22 p2.0 21 p0.7 32 p0.6 33 p0.5 34 p0.4 35 p0.3 36 p0.2 37 p0.1 38 p0.0 39 txd 11 rxd 10 gnd 20 vcc 40 u? at89c51 in3 1 in4 2 in5 3 in6 4 in7 5 st 6 eoc 7 d3 8 oe 9 clk 10 vcc 11 vref+ 12 gnd 13 d1 14 d2 15 vref- 16 d0 17 d4 18 d5 19 d6 20 d7 21 ale 22 c 23 b 24 a 25 in0 26 in1 27 in2 28 u? adc0809 ce 1 o0 2 d0 3 d1 4 o1 5 o2 6 d2 7 d3 8 o3 9 gnd 10 le 11 o4 12 d4 13 d5 14 o5 15 o6 16 d6 17 d7 18 o7 19 vcc 20 u? 74ls373 1y 1 1a 2 1b 3 2y 4 2a 5 2b 6 gnd 7 3a 8 3b 9 3y 10 4a 11 4b 12 4y 13 vcc 14 u? 74ls02 clr1 1 d1 2 clk1 3 pr1 4 q1 5 q 6 gnd 7 q2 8 q2 9 pr2 10 clk2 11 d2 12 clr2 13 vcc 14 u? 74ls74 d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 vcc gnd gnd gnd vcc vcc vo vcc gnd vcc 22 at89c51 和 adc0809 连接通常可以采用查询和中断两种方式。本系统采用中 断方式传送数据，eoc 线作为 cpu 的中断请求输入线。cpu 线响应中断后，应在 中断服务程序中使 oe 线变为高电平，以提取 a/d 转换后的数字量。 其中 _ oe和 start 的逻辑关系分别为： _ oep2.7wrp2.7 + _ wr start= p2.7rd= p2.7 + _ rd 对 adc0809 地址的确定：根据系统硬件连接图可知所选定模拟电压路数为 in0，其对应的地址为 abc=000，即 p0.0、p0.1、p0.2=0 0 0;又 p2.7=0 时才能 启动 adc0809 工作和使 at89c51 从 adc0809 接收 a/d 转换电压的数字量。 故确定 adc0809 其中一个地址为: 0111111111111000b=7ff8h 。 adc0809 的 in0 和变送器输出端线连，故 in0 上输入的 0v5v 范围的模 拟电压经 a/d 转换后可由 at89c51 通过程序从 p0 口输入到它的内部 ram 单元。 adc0809 所需时钟信号可以由 at89c51 的 ale 信号提供。at89c51 的 ale 信 号通常是每个机器周期出现两次，故它的频率是单片机时钟频率的 1/6。本系统 at89c51 主频是 12mhz，ale 信号频率为 2mhz，使 at89c51 的 ale 上信号经过 4 分频后接到 adc0809 的 clock 输入端， 就可获得 500khz 的 a/d 转换脉冲， 当然， ale 上脉冲会在movx指令的每个机器周期少出现一次， 但通常情况下影响不大。 在启动 adc0809 后，eoc 约在 10us 后才变为低电平，eoc 线经过反相器和 at89c51 线相连，这即是 at89c51 采用中断方式来和 adc0809 传送 a/d 转换后的 数字量的。 为了给 oe 线分配一个地址， 把 at89c51rd 和 p2.7 经或门和 oe 相连。 平时，使 oe 处于低电平封锁状态，在响应中断后，at89c51 执行中断服务程序 中如下两条指令就可以使 oe 变为高电平，从而打开三态输出锁存器，让 cpu 提 取 a/d 转换后的数字量。 3.6 led 显示显示 单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器，简称 led；液晶 显示器，简称 lcd。前者价廉，配置灵活，与单片机接口方便；后者可进行图形 显示，但接口复杂，成本较高。结合本设计的特点，在这里系统的显示采用发光 23 二极管作为显示器件。 单片机中使用 7 段 led 构成字形“8” ，另外，还与一个小数点发光二极管用 以显示数字、 符号及小数点。 这种显示器有共阴极和共阳极两种， 如图 3.9 所示。 发光二极管的阳极连在一起称为共阳极显示器， 阴极连在一起的称为共阴极显示 器。一位显示器由八个发光二极管组成，其中，7 个发光二极管构成字形“8