机床CK6163的数控化改造.doc

1 机床数控化设计概述本毕业设计是机床ck6163的数控化改造，要求是： 1）进给两坐标联动，采用单片机的半闭环控制； 2）脉冲当量：纵向（x）0.01mm/步，横向（y）0.005mm/步； 3）系统能实现直线插补，圆弧插补； 4）电动刀架转位数为4； 5）其它要求：要能实现螺纹加工。11 伺服系统的选择对于机床的数控化改造，有开环、闭环和半闭环三种。开环控制是没有输出反馈的一类控制系统，开环控制系统的优点是简单、经济、容易维修。缺点是精度低、对环境变化和外界干扰十分敏感。闭环系统是在工业与国防领域，应用十分广泛。闭环系统较开环系统，具有一系列的优点，例如精度高、动态性能好、对环境变化灵敏度低，以及抗干扰能力强等。缺点是结构比较复杂，价格比较昂贵，不容易维修。而闭环系统虽然可以获得十分良好的控制精度。但是，受机械传动件的非线性影响严重，只有在要求高精度的场合，才采用闭环控制。因为各种部影响定位精度的因素都可以得到补偿。一般的，经济、实用型的数控机床则采用半闭环控制。显然，半闭环控制比全闭环控制容易实现，可节省投资。因此，本课题改造采用半闭环控制。对于本系统改造，闭环与半闭环的区别在于位置反馈传感器的安装位置。如安装在滚珠丝杠上为间接测量；安装在工作台上为直接测量。位置控制环内仅包含丝杠的扭转刚度及部分间隙，所以稳定性不是问题。因此半闭环控制系统可避免传动机构非线形（如齿隙、齿轮摩擦、非刚性等）引起系统产生极限环和爬行震荡。但丝杠与螺母之间的滞后得不到补偿，所以定位精度比闭环低。如图1.1：图 1.1 半闭环控制系统12 运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。如果要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系，即连续控制系统应具备控制刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。具备这种控制能力的数控机床可以加工各种外形轮廓复杂的零件。因此，本机床的数控化改造后具有在点位控制系统中不具有连续控制系统中才具有的轨迹计算装置，而连续控制系统中却具有点位系统的功能。13 执行机构传动方式的确定 为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及适宜阻尼比的要求。设计中需要考虑了以下几点： 1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用了滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨等 2）尽量消除传动间隙。例如采用消除齿轮等。 3）提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧的方法提高系统刚度。例如采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副等。14 计算机的选择 根据机床要求,采用16位微机.由于mcs-96系列单片机具有集成度高,可靠性好功能强速度快、抗干扰功能强等特点，采用了mcs-96系列的8098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、直流伺服电机功率放大电路及光电编码器反馈电路等组成。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。2 机床机械传动设计机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求具有较高的精度之外，还应具有良好的动态响应特性，就是说响应要快、稳定性要好。一个典型的机电一体化系统，通常由控制部件、接口电路、功率放大电路、执行元件、机械传动部件、导向支承部件，以及检测传感器部件等部分组成。这里所说的机械系统一般由减速装置、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等各种线性传动部件以及连杆机构、凸轮机构等非线性传动部件、导向支承部件、旋转支承部件、轴系及架体等机构组成。为确保机械系统的传动精度和稳定性，尽量做到无间隙、低摩擦、低惯量、高精度、高谐振频率、适当阻尼等要求。21 滚珠丝杠螺母副图 2.2 滚珠丝杠螺母副普通的螺旋传动广泛地用于将回转运动变换为直线运动。由于螺杆与螺母之间为滑动摩擦，在磨损和精度方面不能满足一些高精度机电一体化系统的要求。滚珠丝杠螺母副则是为了克服普通螺旋等方面的缺点发展起来的一种传动机构。它用滚动摩擦螺旋取代了滑动螺旋摩擦，具有磨损小、传动效率高、传动平稳、寿命长、精度高、温度低等优点。它具有的运动摩擦小、便于消除传动间隙的突出优点，对于机电一体化系统性能的改善大有益处。但是，它不能自锁，用于升降传动时需要加锁紧装置，结构复杂，成本高。在丝杠和螺母上先加工出弧形螺旋槽，再将两者套装在一起形成螺旋滚道，在螺旋滚道中装满滚珠。当丝杠螺母相对运动时，两者发生相对轴向移动，而滚珠在闭合回路中形成滚珠链的反复循环运动，以此将普通螺旋传动的滑动摩擦变为滚动摩擦。本设计采用内循环式。内循环方式的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面保持接触。内循环方式的优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小。其不足是反向器加工困难、装配调整也不方便。2.1.2 间隙消除及预紧 滚珠丝杠螺母副广泛用于闭环伺服控制系统中，如果传动存在间隙非线性，将使控制性能变差，故一般要采取措施消除间隙并适当预紧。本设计中采用双螺母螺纹式。通过拧紧圆螺母达到消除间隙和预紧的目的。该方法结构简单，但较难控制，容易松动，准确性和可靠性均较差。22 轴系轴系是由轴及安装在轴上的齿轮、带轮等传动部件组成。轴系的主要作用是传递转矩、及传递精确的回转运动，它直接承受外力（力矩）。对于中间传动轴系一般要求不高。对于完成主要作用的主轴轴系的旋转精度、刚度、热变形及抗震性等要求较高。2.2.1.1 齿轮的特点 齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器。齿轮传动是目前机械传动中应用最广泛、最重要的一种传动。它具有以下特点： 1、传动平稳，传递运动准确可靠。 2、齿轮传动的功率和圆周速度的范围较大。 3、齿轮传动结构紧凑，体积小，效率高。 4、承载能力强，使用寿命长。缺点是制造和安装精度要求高，因此，成本比较大。2.2.1.2 齿轮的最佳速比分配条件 齿轮系常用于机电伺服系统的减速增矩。在本数控机床进给系统的齿轮箱中，有四个齿轮。设齿轮传动比第一级为i1，第二级为i2。当i2近似等于i1*i2/1.414时为最佳速比分配条件。该条件也近似使用于多级减速装置。一般，齿轮传动级数增加，齿轮传动的总惯量就减少。但传动效率要降低，齿隙和摩擦的来源也随之增加。因此应在传动级数和传动比的分配方面综合权衡。2.2.1.3 齿轮间隙的消除 齿轮的间隙是全闭环伺服系统中影响系统稳定的主要非线性因素之一。消除齿轮间隙分刚性调整法和柔性调整法。对于带锥度齿轮法结构中，是将带锥度的齿轮轴向移动直至消除齿轮副间隙为止。2.2.2 轴承 轴承是用来支承轴的专门部件，在保持轴的旋转精度的同时，减少转动轴与支承之间的摩擦与磨损。轴承分为滚动轴承和滑动轴承。滚动轴承已标准化系列化，有向心、推力轴承、向心轴承和推力轴承。共十种类型。本设计中采用了深沟球轴承和推力轴承。对于轴系用球轴承有单列向心球轴承和角接触球轴承。前者一般不能承受轴向力，且间隙不能调整，常用于旋转精度和刚度要求不高的场合。后者既能承受径向载荷也能承受轴向载荷，并且可以通过内外圈之间的相对位移来调整其间隙之大小。轻载时应用广泛。推力轴承：51000系列（单向）推力球轴承，其轴向承载能力很强，支承刚度很大，但极限转速较低，运动噪声较大。2.2.3 提高轴系性能的措施1)、提高轴系的旋转精度 a）提高轴颈与架体（或箱体）支承的加工精度； b）用选配法提高轴承装配与预紧精度； c）轴系组件装配后对输出轴的外径、端面及内孔通过互为基准进行精加工。 2)、提高组件的抗振性 a）提高轴系组件的固有振动频率、刚度和阻尼； b）消除和减少强迫振动振源的干扰作用； c）采用吸振、隔振和消振装置。23 导轨导向支承部件的作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向运动。这样的部件通常被称为导轨副，简称导轨。导轨副主要由承导件和运动件两大部分组成。机电一体化对导轨副的基本要求是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化影响小以及结构工艺性好等。2.3.1 滚动导轨的优缺点目前，滚动导轨在数控机床上的应用非常广泛，因为其摩擦系数小，f=0.00250.005动、静摩擦系数很接近，且几乎不受运动速度变化的影响，运动轻便灵活，所需驱动功率小；摩擦发热小，磨损小，精度保持良好；低速运行时不易出现爬行现象，因而定位精度高。它的缺点是：导轨面与滚动体是点接触或面接触，所以抗振性差，接触应力大对导轨的表面硬度、表面形状精度和滚动体的尺寸精度要求高，若滚动体的直径不一致，导轨表面有高低，会使运动部件倾斜，产生振动，影响运动精度；结构复杂，制造困难，本较高；对脏物比较敏感，必须有良好的防护装置。2.3.2 滚动导轨的预紧方式滚动导轨经过预紧，可以显著地提高其精度。通常经过预紧的导轮的刚度可以比没有预紧的高三倍左右。因此，对于颠覆力矩较大，或要求接触刚度或移动精度较高的导轨均应进行预紧。但预紧力应适当，预紧力过大会使牵引力显著增加。常用的预紧方法有两种：采用过益配合或采用调整元件。2. 4 机座机座或机架是支承其它零件的基础部件。它既能承受其它零件的重量和工作载荷，又起保证各零部件相对位置的基准作用。机座多采用铸件，机架多由型材装配或焊接构成。其基本特点是尺寸较大、结构复杂、加工多面，几何精度和相对精度要求较高。因此，在设计时考虑到了机床的总体精度，机架或机座的变形和振动将直接影响机床的质量和正常运转，故要满足其刚度和抗振性等。2. 5 机械设计计算 将一台ck6163普通车床改造成微机数控，采用mcs-96系列单片机控制系统，直流伺服电机半闭环控制，具有直线和圆弧插补功能，其主要设计参数如下： 加工最大直径： 在床面上 500mm 在床鞍上 280mm 加工最大长度： 1000mm 溜板及刀架重力： 纵向 800n 横向 1100n 刀架快速速度： 纵向 1.2m/min 横向 0.6m/min 最大进给速度： 纵向 0.3m/min 横向 0.6m/min 主电机功率： 11kw 启动加速时间： 30ms 机床定位精度： 0.015mm2.5.1 根据机床精度要求确定脉冲当量纵向：0.01mm/步；横向：0.005mm/步（半径）2.5.2 计算切削力 1） 纵车外圆 主切削力fz（n）按经验公式估算： fz=0.067dmax=0.67*500=7491n 按切削力各分力比例： fz：fx：fy=1：0.25：0.4 fx=7491*0.25=1873n fy=7491*0.4=2996n 2） 横切端面 主切削力fz1（n）可取纵切的1/2。 fz1=fz/2=3745n 此时走刀抗力为fy1（n），吃刀抗力fx1（n）。仍按上述比例粗略计算： fz1：fy1：fx1=1：0.25：0.4 fy1=3745*0.25=936n fx1=3745*0.4=1497n2.5.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型1) 计算进给率引力fm（n）纵向进给为综合型导轨 fm=k*fx+f（fz+g） (2.1) =1.15*1873+0.16（7491+800）=3529n式中 k考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取k=1.15 f滑动导轨摩擦系数： 0.150.18 g溜板及刀架重力： g=800n。 2) 计算最大动负载c (2.2) c= *fw*fm l=60*n*t/1000000n=1000*vs/l0式中 l0滚珠丝杠导程，初选l0=10mm； vs最大切削力下的进给速度，此处vs=0.6m/min；t使用寿命，按15000h；fw运转系数，按一般运转取fw=1.21.5；l寿命、以1000000转为1单位；n=1000*0.6*0.5/10=30r/minl=60*30*15000/1000000=27c=14251n3) 滚珠丝杠螺母副的选型查阅相关资料，可采用kgt-n3210-rh内循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠,外径32mm，导程10mm，额定动负载c=33400n，刚度为k=810n/um,精度等级选为3级。4) 传动效率计算 =tg/tg（+） (2.3)式中 螺旋升角，nl4506=226 摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004 =tg/tg（+）=tg226/tg（226+10）=0.935) 刚度验算 如图2.2是纵向进给滚珠丝杠支承方式草图。最大牵引力3528n。支承间距l=1000mm, 丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。图 2.3 进给滚珠丝杠支承方式 a) 丝杠的拉伸或压缩变形量1 查相关资料，根据pm=3528n，d0=45mm，查出l/l=0.000013，可算出: 1=1500*l/l=0.02由于两端均采用向心推力轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量1（mm）为：1=1/4=0.005b) 滚珠与螺纹滚道间接触变形2查相关资料n系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量2：q=5.8um因进行了预紧，2=q/2=5.8/2=2.9umc) 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3 采用8107推力球轴承，d1=30，滚动体直径dq=6.35mm，滚动体数量z=15 c=0.0024 fm*fm/dq*z*z=0.0094因施加了预紧力，故3=c/2=0.0094/2=0.0047综合以上几项变形量之和：=1+2+3=0.005+0.0029+0.0047=0.00810.015满足定位精度。6) 滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核。2.5.4 确定齿轮传动比原来机床的传动齿轮已消除间隙，为减小传动误差，增加可靠性，齿轮箱和齿轮在原有的基础上去掉一级齿轮副，采用一级减速。本次半闭环光电编码器选用分辨率为1000 line/r，横向脉冲当量为0.01mm，滚珠丝杠螺距为10mm，则齿轮传动比：i= =1即，纵向传动可以不用减速机构，让电机直接连接滚珠丝杠。2.5.5 直流伺服电机的选择 1） 负载转动惯量的估算折算到纵向伺服电机轴上的转动惯量可按下式估算： (2.4)式中 折算到电动机轴上的转动惯量（kg.cm） w纵向移动部件得重力（800n） 估算参数(0.01) 步距角（0.36）=(800/9.8)(（1800.01）/(3.140.36) =2.0698kg.cm2） 负载转矩计算及最大静转矩的计算根据能量守恒原理，电动机等效负载转矩=3.28n.m (2.5)若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩取安全系数为0.3 ，则3.28/0.3=10.9n.m因数控机床对动态性能要求较高，确定电动机最大静转矩时应满足快速空载启动时所需转矩t的要求 =+式中为空载快速启动时所需的转矩（n.m）为克服摩擦力所需的转矩（n.m）为丝杠预紧所引起的折算到电机轴上的附加转矩（n.m）当工作台快速移动时，电机的转速： (2.7) =（12001）/10=120r/min有动力学可知： (2.8) 式中 为角加速度，计算公式为= (2.9)则 =2.070.0001（3.14120）/(300.03)=0.087 n.m= (2.10) =(8000.16100.001)/(23.140.930.981)=5.01 n.m= (2.11)=(0.337491100.001)/ (23.140.930.981)=4.3 n.m =+=4.3+5.01+0.087=9.4 n.m根据计算综合考虑，选择直流电机的型号为： 140zw-02 ,额定转矩11n.m 2.5.6 横向进给系统的设计计算已知条件：横向工作台重力w=1100n,时间常数t=25ms，由于横向进给系统的设计计算与纵向类似，估计算过程略。 选择滚珠丝杠的型号： kgt-n3220-rh 直流电机型号为 140zw-02,额定转矩12.5n.m.3 微机数控系统硬件电路设计3. 1 单片微机设计概述8098是intel公司于1988年一季度推出的准16位嵌入式微控制器（内部数据总线为16位，外部数据总线为8位），它与mcs-96系列中的其他芯片相比具有性能高，功能全，售价低廉，使用方便等优点，非常适合在我国推广使用。3.1.1系统的结构框图图 3.1 系统的结构框图设计说明：用户根据零件图纸，按照规定的格式，编制出若干零件加工程序，然后通过键盘把程序输入计算机，计算机在管理程序的控制下，通过专用控制程序（数控软件）把用户加工程序（应用软件）转化成一定数量（位移）和频率（速度）的脉冲型信号。这些指令经过扩展的i/o口和光电隔离，在经过功率放大，然后驱动两台直流伺服电机，带动工作台和刀架完成纵、横两个方向的进给，使车刀走出直线或圆弧等轨迹。工作台的位移量通过编码器检测出来反馈回计算机形成闭环。刀架上可装四把刀，当需要换刀时，由计算机发出驱动刀架旋转的信号，经过驱动电路使刀架电机旋转，带动刀架换位。主轴脉冲编码器是用来车削螺纹的。它把主轴旋转的角位移以脉冲的形式输给计算机，计算机通过软件控制使车刀的进给运动与工件的旋转运动保持正确的运动关系。主轴脉冲编码器的进给脉冲用来控制车刀的进给量，以保证工件每转一转刀架移动一个螺纹导程；零位脉冲用来控制车刀切入工件的起始位置，保证多次走刀螺纹时不乱牙。在微机应用系统中，cpu的选择应考虑以下因素： 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rom和ram）的容量。 3)、指令系统功能，影响编程灵活性。 4)、i/o口扩展的能力，即对外设控制的能力。此外还考虑到了系统应用场合，控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等要求。此次毕业设计要求使用16位单片机，因此选择intel 8098单片机。3.1.2 存储器扩展电路的设计 存储器扩展电路的设计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，考虑到了cpu与eprom时序的匹配，最大读出速度、工作温度及存储芯片的容量等问题。 在存储器扩展电路的设计中包括地址锁存器和译码电路的设计3.1.2 i/o口即输入/输出接口电路设计 包括接口芯片的选用，直流伺服电机控制电路，键盘显示电路和其它辅助电路（如复位电路，越界报警电路等）。3. 2 8098单片机的基本特性mcs-96系列单片机的集成度很高，是集片内存储器、片内输入/输出部件和cpu于一体的准16位优良单片机系统。3.2.1 8098单片机的基本特性 1) 准16位嵌入式微控制器（内部数据总线为16位，外部数据总线为8位）; 2) 高性能的16位cpu寄存器算术逻辑单元（ralu），232字节寄存器阵列； 3）高速输入/输出（hsi/hso）; 4) 带有采样/保持（s/h）电路的4通道10位a/d转换器； 5) 中断控制器和等待状态产生逻辑； 6） 一个同步/异步串行口； 7） 两个16位定时器和一个监视定时器； 8） 一个可供d/a转换器使用的脉宽调制（pwm）输出； 9） 片内设有时钟发生器；3.2.2 8098芯片引脚及其功能8098芯片具有48引脚，如下图所示：图 3.2 系统的结构框图引脚功能定义表：表3.1 8098引脚功能表符号名称及功能vcc主电源(+5v)vss数字地。共有两个vss引脚都必须接地vpdram备用电源(+5v)。在正常操作期间应加上此电源。在掉电情下，若在vcc下降到低于规定值之前(vpd应保持在规定范围之内)reset有效，则8098片内寄存器阵列顶部的16字节山窖将保持不变。在掉电期间，reset应一直保持低电平，直至vcc恢复到规定的范围内且振荡器达到稳定时为止vref片内ad转换器的参考电压（+5v）,他也是ad转换器模拟部分的电源电压，以及读po口操作所需的逻辑电压angnd片内ad转换器的参考电压（+5v）,他也是ad转换器模拟部分的电源电压，以及读po口操作所需的逻辑电压.vppeprom型芯片的编程电压xtal1片内振荡器中反相器的输入,也是片内时钟发生器的输入,通常接外部晶体xtal2片内振荡器中反相器的辅出,通常接外部晶体reset复位信号输入端ea存储器选择输入端。ea=1，cpu寻址存储器2000h3fffh单元时，访问的是片内rom(8398)；ea=0则访问的是片外存储器+此引脚内部有下拉作用若外部无驱动，它总保持低电平ale/adv地址埙存允许(ale)或地址有效输出(adv)。它们由ccr寄存器选择。两者都提供了一个锁存信号，以便把地址从地址数据总线中分离出来。当选择adv功能时，在总线周期结束时，此引脚变高。adv可作为外部存储器的片选信号。aleadv仅在外部存储器访问期间才有效rd对外部存储器的读信号(输出)wr对外部存储器的写信号(输出)ready准备就绪信号(输入)。用来延长对外部存储器的访问周期，以便使芯片能够与慢速或动态存储器接口。它也可用于总线共享总线周期最多可延长至lus。当不使用外部存储器时，此信号无效，通过ccr寄存器可控制插入到总线周期中的等待状态数,reday引脚内部有微弱的上拉作用，当无外部驱动时此引脚为高电平hsi高速输入部件的信号输人端。共有4个hsl输入引脚：hsi.0、hsi.l、hfsi.2、hsi.3其中两个引脚(hsi.2、hsi.3)与hso部件共用hso高速输出部件的信号输出端。共有6个hso输出引脚 hso.0、hso.l、hso.2、hso.3，hso.4、hso.5，其中两个引脚(hso 4、hso 5)与hsi部件共用p0口4位高输入阻抗口。这些引脚既可作为数字输入口，还可用作ad转换器的模拟输人口(ach4ach7)p2口4位多功能口。在8098中，它们除了可用作标准的io口外，还可用作其它特殊功能p3口和p4口具有漏极开路输出的8位双向口。这些引脚用作多路复用地址数据总线和地址总线它们的引脚内部具有极强的上拉作用3. 3 存储器扩展电路的设计在对机床的数控化改造过程中，对单片机进行开发时，遇到了存储器的扩展问题，单片机的内部虽然设置了一定容量的存储器，但是这种存储器的容量较小，远远满足不了实际需要，因此需要从外部进行扩展，配置外部存储器，包括程序存储器和数据存储器，同时还需要对单片机的i/o口进行扩展，这就需要配置一定的输入设备和输出设备，这样才能满足系统的工作需要。在设计扩展存储器时，要从下面几点进行考虑。1) 系统对外部存储器需求的种类和容量.系统是否需要eprom，ram及eeprom。所需的容量是多少。2) 8098寻址空间为64k字节应对其片外的程序存储器、数据存储器及io空间进行统一编址。3) 时序分析与连线根据所选用存储器的特性、工作方式参数及时序的要求来确定与8098的接口如何连接。8098单片机使用16位多路复用地址和8位数据总线，此外配合总线口进行总线存取操作的还有引脚rd、wr、aleadv、ready、ea等控制信号。使用这些信号与一些常规接口芯片连行扩展很容易构成较大规棋的应用系统。3.3.1 程序存储器的扩展3.3.1.1 2764eprom图3.2为2764的引脚图：图 3.2 2764芯片引脚图各引脚功能如 表3.2表3.2 2764引脚功能表 名称 功能 名称 功能 ao一a16 地址线 vpp 编程电源 ce 片选 pgm 编程 oe 输出允许 vc 电源(+5v) o0o7 数据输出 gnd 地 nc 空2764一般可有三种工作方式应用干8098系统之中，值得注意的是这三种工作方式的所有输入输出与cmos和ttl电平兼容。 ）读工作方式：一般说来eprom在地址线稳定后使用两个引脚(片选脚ce输出允许oe)控制读取数据。片选脚(ce)是电源控制，用于设备选择；输出允许脚(oe)是输出控制，用于选择输出引脚中有数据输出还是高阻状态。假设地址线(a0a16)稳定不变，片选脚(ce)与输出允许脚(oe)都为低时经过一段时间延迟后该地址的数据就会被读到数据口1(dod7)。 ）维持工作方式：当片选信号(ce)为高电平时，芯片进入维持工作方式，这样可以减步芯片的功耗，一般在1mw以下这时数据口输出呈现高阻状态 ）输出禁止工作方式：当输出允许信号(oe)为高电平时，芯片进入输出禁止工作方。市场上购买的eprom，在其出厂前所有存储单元的数据均为1，用户可通过相应的eprom写入装置(如8088开发系统、all03等)，将应用程序编程到芯片中在系统中使用如果应用程序需要改写可将eprom芯片在紫外线(光强度为15000uwcm2)光下照射其窗口约20分钟，存储单元各位数据会被最新置1，然后就可再次使用。3.3.1.2 地址锁存器由于mcs-96单片机的p3口是分时复用的地址/数据总线，因此在进行程序存储器扩展时必须利用地址锁存器将地址信号从地址/数据总线中分离开来。 通常，地址锁存器可使用带三态缓冲输出的八d锁存器74ls373或8282，地址锁存信号为ale。本系统用的是74ls373，它的锁存控制端le可直接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。74ls373芯片如图3.3图 3.3 73ls373芯片引脚373的输出端o0-o7可直接与总线相连。 当三态允许控制端oe为低电平时，o0o7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当oe为高电平时，o0-o7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。 当锁存允许端le为高电平时，o随数据d而变。当le为低电平时，o被锁存在已建立的数据电平。 当le端施密特触发器的输入滞后作用，使交流和直流噪声抗扰度被改善400mv。引出端符号： d0d7 数据输入端 oe 三态允许控制端（低电平有效） le 锁存允许端 o0-o7 输出端3.3.1.3 译码电路8098单片机允许扩展64k数据存储器（包括i/o口芯片），这样就需要扩展多个外围芯片，因而需要把外部地址空间分配给这些芯片，并且使程序存储器各芯片之间、数据存储器各芯片之间（包括i/o口芯片）地址互相不重叠，以使单片机访问外部存储器时，避免发生冲突。当8098数据总线分时地与各个外围芯片进行数据传送时，首先要进行片选（指选中某一个芯片），而当片内有多字节单元时，还要进行片内地址选择。 规则如下： 1）程序存储器与数据存储器独立编址。它们的地址可以重叠使用。靠片选信号和控制信号：ale、rd和wd区分访问对象。 2）外围i/o芯片与扩展数据存储器统一编址。外围i/o芯片不仅占用数据存储器地址单元，而且使用数据存储器的读/写控制信号与读/写指令。 3）cpu访问外部存储器地址编码cpu p4口提供高8位地址（a8-a15），p3口经外部地址锁存器后提供低8位地址（a0-a7）。 地址译码的方法有两种：线选法和全地址译码。1) 线选法：即把单独的地址线（通常是p2口的某一根线）直接接到外围芯片的片选端上,只要该地址线为低电平，就选中该芯片。若系统只扩展少量的ram和i/o接口芯片，可采用线选法。译码中未用到的地址位可设成“1”或“0”。2) 全地址译码法：将低位地址线作为片内地址，而用译码器对高位地址进行译码，译出的信号作为片选线。通常用于扩展容量较大的系统。常用译码芯片是74ls138。74ls138芯片如图3.4 图 3.4 74ls138芯片表3.3 74ls138功能表e3e1e2cbay7y6y5y4y3y2y1y010000011111110100001111111011000101111101110001111110111100100111011111001011101111110011010111111100111011111111000111111其他状态3.3.2 数据存储器的扩展 在单片机应用系统中，数据存储器一般都采用静态数据存储器。最常用的静态数据存储器有6116(zk8)、6264(8k8)两种。6264是：8k8位的静态随机存储器芯片，采甩cmos工艺制造，单 +5v电源。额定功耗200mw，典型存取时间为200ns，为28pin双列直插式(dip)封装，其引脚定义如图3. 5所示，其引脚功能见表.。芯片功能表见表3.3图. 5引脚定义表3.4 6264引脚功能表 名称 功 能a0a12地址线cs1,cs2片选0e输出允许we写允许io0io7数据输入输出vcc电源(+5v)gnd地nc空由表3.3可以看出6264芯片可由面个片选脚(csl、cs2)、输出允许(oe)、写允许(we)和地址线来控制写入和读出数据。常用的几种方法如下：1) 片选(csl)控制方式 将地址线与8098单片机地址线相连，输出允许(oe)、写允许(we)与8098的读(rd),写(wd)信号相连。片选(cs2)接高电平。地址译码线与片选(cs1)相连其为低电平有效。在低电平持续一段时间后(如6264200为200ns，)该地址单元的数据就会被读出或将数据口上的数据写入该地址单元。2) 片选(cs2)控制方式 这种工作方式与片选(cs1)控制方式基本相同，所不同的是片选(cs1)接低电平，片选(cs2)与地址译码线相连，其为高电平有效。3) 片选(cs1、cs2)组合控制方式 这种方法与前两种方法所不同的是：可分别使用片选(cs1、cs2)进行译码，使得在无总线竞争发生时，线路连接有更大的灵活性。本设计采用片选(csl)控制方式3.3.3 eeprom存储器 eeprom是一种电擦除电可编程的只读存储器。可作为程序存储器和数据存储器使用，其主要优点是能在应用系统中进行在线改写并能在断电情况下保存数据。其有并行eeprom和串行eeprom两种类型，具体有如下特点: 1) 采用+5v擦除的eeprom后，通常不须设置单独的擦除操作，可在写入的过程中自动擦除快速的擦除时间为200us，最长的约需loms左右，所以在设计应用系统时应首先查阅有关的手册，确定擦除时间，在软件设计时确保有足够的写入时间。 2） 在采用并行eeprom时，eeprom可作为程序存储器，按照eprom的连接方法编址，如果作为散据存储器，则按照静态ram连接方法编址。 3） 在串行eeprom芯片中，地址与数据的传送方式都是串行方式，它们体积小，电路连接简单(两线传送或三线传送)，价格低廉，不占用地址总线与数据总线，但是，数据传送速率低。 常用的并行eeprom型号有：28c16a(2k8)，28cl7a(2k8)28c64a(8k8)等，本设计采用28c64a，其引脚定义见图3.6、工作方式如表3.4所示图. 62864引脚定义表3.5 2864引脚功能表名称功 能aoa12地址线ce片选0e输出允许we写允许i/o0-i/07数据输入/输出rdybusy准备好/忙vcc+5vvss地nc空2864与8098的接法与6264（ram）与8098的接法基本相同，只不过2864只有一个片选端ce，它与74ls138的y5输出端相连。3.4 i/o接口电路8255a可编程io口及扩展在8098单片机应用系统设计时，对其i0口的使用应根据具体应用场合而确定。对于简单外设的输入输出，可使用i0接口直接检测控制。但对比较复杂的应用系统。单片机本身提供的io口显然不够使用因此需要在单片机上扩展i0口来实现系统功能要求。最常用的并行接口芯片为8255a。8255a是可编程的并行io接口芯片，它可用程序来改变功能，通用性强。使用灵活，通过它可直接将单片机总线接向外设。3.4.1 8255a的结构 8255a的原理如图3.7所示它有两个8位并行端口pa和pb。还有两个4位并行端口：pc的高4位和pc的低4位每个端口均能通过控制寄存器编程确定为全部输入或全部输出，也可确定为指定的功能。它的管脚采用40线双列直播式封装内部原理如图3.7所示，引脚图如图3.8, 引脚功能见表3.6。图. 78255a的原理图1）数据端口pa、pb、pc 8255a有三个8位并行口pa、pb、pc，它们都可以选择为输入或输出工作方式，但在功能和结构上有些差异。 pa口：具有一个8位数据输出锁存缓冲器，一十8位数据输入锁存器。 pb口：具有一个8位数据输入输出锁存缓冲器一个8位数据输入锁存器。 pc口：具有一个8位数据输出锁存缓冲器一个8位数据输入缓冲器(输入没有锁存)。 pa口和pb口可作为输入输出口而pc口除了可作为输入输出口外，还可作为pa口、pp,口状态控制信号 2） a组和b组控制电路 这是两组根据8098命令控制8255a工作方式的控制电路。此外还可根据8098的命令对pc口的每一位实现按位“复位”或“置位”。 a组控制pa口和pc4pc7； b组控制pb口和pc0pc3。图. 88255a引脚图3） 数据总线缓冲器是一个三态双向8位缓冲器，它是8255a与系统数据总线的接口输入输出的数据、输出指令以及cpu发出的控制字都是通过这十缓冲器传送的。4） 读写和控制罗辑 a0、a1和cs为8255a的口选择信号和片选信号，rd及wr为对8255a的读写控制信号。这些信号分别和8098单片机的地址线和读写信号线相连接，实现对8255a的口选择和数据传送。这些控制信号的组合可以实现8098单片机对8255a的pa口、pb口、pc口和控制信号的寻址，见表3.65） reset复位信号：高电平有效，置8255a于基本操作状态，pa口、pb口及pc口均为输入方式。表3.6 8255a端口选择csrdwralao端口选择及其操作01000数据传送端口a01001数据传送端口b01010数据传送端口c01011控制字送控制寄存器00100端口a数据送数据总线00l01端口b数据送数据总线00110端口c数据送数据总线00l11无操怍（d7d0三态)1禁止(d7d0三态)011无操作(d7d0三态)3.4.2 8255a工作方式的选择 8255a有三种基本的工作方式 1) 方式0，基本输入输出方式。 2) 方式1 ，选通输入输出方式。 3) 方式2，双向传送。 其工作方式的选择由8098输出的方式控制字来决定。 1） 方式选择控制字 8255a工作方式的选择由8098写入一个控制字到8255a的控制寄存器来确定，方式控制字格式如图3.9所示。 在方式选择控制字中，d7=l是其特征标志位。这时，a组可选择三种工作方式，方式0、方式1及方式2。而b组只能选择方式0或方式1 。 若8255a编程a 口为方式0输入，b 口为方式1输出。pc7-pc4为输出，pc3-pco为输入，则其程序为： ldb al，#95h ;取控制字 ld bx，#19bh ;取控制口地址 stb al，bx ;送控制宇 2） 端口c置位复位控制字 在向控制寄存器写入控制字时如果d7=0，则是对端口c置位复位的控制字，此时，由控制字的d3d1指明对端口c的哪一位进行操作，而d0位则指明对端口的操作是置位(do=1)还是复位(d0=0)d6d4为任意值，不影响操作，这一功能可使8255a作为位控接口来实现对外设的接位控制。 图. 9 8255a方式选择控制字例如：要使端口c的pc7=1，则控制字为ofh，而要使pc3=0，则控制字为06h。设8255a的控制端口地址为19bh其程序如下： ldb al，#0fh ；设置pc7=1的控制字 lb bx#19bh ；取控制口地址 stb al，bx ；置pc7=l ldb al，#06h ；设置pc3=0的控制字 st