毕业设计（论文）-剪板机数控对刀系统设计.doc

长 春 工 程 学 院 毕 业 设 计 ( 论 文 )1 绪 论1.1 课题的提出剪板机作为机械设备在加工工业中应用比较广泛，以往采用继电器-接触器控制的剪板机，由于控制系统需要大量的硬件接线，使得整个系统比较复杂，设备可靠性低，间接地降低了设备的工作效率，在采用单片机控制以后，使得整个系统的接线明显减少，亦使得整个系统的可靠性得到很大提升。随着科学技术的飞速发展，机械制造技术发生了深刻的变化。传统的普通加工设备已经难以适应市场对产品多样化的要求，难以适应市场竞争的高效率、高质量的要求。而以自动控制技术为核心的现代制造技术，以微电子技术为基础，将传统的机械制造技术与现在控制技术、计算机技术、传感检测技术、信息处理技术以及网络通信技术有机的结合在一起，构成高度信息化、高度柔性化、高度自动化的制造系统。我国机械制造业各企业有大量的通用设备，在发展现代机械自动化技术时，若以原有的设备为主，合理调整机床布局，添加少量的数控设备，充分发挥计算机自动化管理的优势和人的创造性，共同构成一个以人为中心、以信息自动化为先导、树立自主的单元化生产系统。为我国机械制造业自动化技术发展应用提供了一条投资少、见效快、效益高、符合我国国情的机械自动化技术发展应用新途径。单片机技术已经成为计算机技术中的一个独特的分支，单片机的应用领域也越来越广泛，特别是在工业控制和仪器仪表智能化中扮演着极其重要的角色。单片机有更强的逻辑控制能力，特别是具有很强的位处理能力，而且单片机的i/o引脚通常是多功能的，由于单片机芯片上引脚数目有限，为了解决实际引脚数和需要的信号线的矛盾，采用了引脚功能复用的方法。引脚处于何种功能，可由指令来设置或由机器状态来区分。此外，单片机的外部扩展能力强，在内部的各种功能部分不能满足应用需求时，均可在外部进行扩展（如扩展rom、ram、i/o接口，定时器/计数器，中断系统等），与许多通用的微机接口芯片兼容，给应用系统设计带来极大的方便和灵活性。本设计旨在利用单片机以上优点对原有剪板机的对刀系统进行改造，实现自动控制。1.2 本课题的国内外概况 国内现状在使用金属板材较多的工业部门，都需要根据尺寸要求对板材进行切断加工，所以剪板机就成为各工业部门使用最为广泛的板料剪断设备。我过剪板机的科研与生产得到了迅速发展，结构不断更新，品种规格不断齐全，剪板尺寸从1mm1000mm到40mm4000mm，已经形成了完整的剪板机系列参数标准，生产了最大规格为50mm3200mm机械传动，为满足行业的特殊需要，生产了宽度大的7mm7000mm剪板机和25mm12000mm滚剪机。在设计制造水平方面也不断提高，除中、小规格的剪板机根据用户需要依然还生产一些机械传动的以外，对于中、大型的剪板机都采用液压传动。此外，摆式剪板机，直斜边两用剪板机，板料折弯剪切机等都得到了广泛的发展而且都在不断的改进结构，提高剪切精度和自动化水平，以扩大其使用范围。但是与世界上工业发达的国家相比，我国锻压设备的技术和水平还有一定的差距，如品种和规格不全，特别是大、高、尖、精的锻压设备有些还依赖进口。主机可靠性和自动化程度还有待于进一步提高，在国际市场上还缺乏竞争力。锻压设备比例不合理，例如模锻设备比例偏低，先进的工艺和装备所占的比例小。例如加热设备、下料设备和成型设备在能耗、精度、材料利用率生产率和环保方面有待提高和改进，技术创新能力有待进一步增强。为了适应科学技术的发展和锻压生产的需要，满足国内装备制造业的需求，扩大出口创汇，促进经济发展，应该加快我国锻压设备制造业的发展，改造传统设备加快科技进步和技术创新。提高我国锻压设备技术水平和自动化程度。国外现状随着微电子技术、自动控制技术的发展和广泛应用，工业发达国家锻压设备自动化水平和数控技术有很大幅度的提高，开发出了不同规格的数控回转头压力机、数控弯管机、数控卷板机、数控折弯机、数控激光切割机，板材柔性加工系统和板材柔性加工单元等各类数控锻压设备，提高了设备自动化程度，安全性和可靠性，提高了生产率和生产质量，改善了生产条件。此外，工业发达国家在柔性自动化技术的诸多领域中，如：柔性制造单元（fmc）、柔性制造系统（fms）、计算机辅助设计计算机辅助制造（cadcam）、计算机辅助工艺设计（capp）、管理信息系统（mis）等方面均取得很大发展，都是以提高系统的可靠性、实用化为重点，以易于联网和集成为目标，注重对单元技术的开发、完善与提高。计算机数控（cnc）单机继续向着高精度、高速度和高柔性的方向发展，cadcam、capp、mis功能迅速扩展，fms技术向着网络系统开放、性能集成智能、实用有效的方向发展。西方工业国家在超高速、超精密加工等技术的应用，柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求，当今数控技术在性能方面朝着高速、高精、高效化，柔性化，工艺复合性和多轴化，实时智能化发展。在功能方面朝着界面图形化，科学计算可视化，插补和补偿方式多样化发展，以及对内装高性能plc和多媒体技术的应用。在体系结构方面朝着集成化、模块化、网络化发展和采用通用型开放式闭环控制模式，更易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、cad/cam、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。数控系统开放式已经成为数控系统的未来之路。如美国的ngc(the next generation work-station/machine ccontorl)、欧共体的osaca(open system architecture for control within automation systems)、日本的osec(open system environment for controller)。另外数控装备的网络化极大的满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。如在emo2001展中，日本山崎马扎克（mazak）公司展出的“cyber production center”（智能生产控制中心，简称cpc）；日本大阪(okuma)机床公司展出“it plaza”（信息技术广场，简称it广场）；德国西门子（siemens）公司展出的“open manufacturing environment”（开放制造环境，简称ome）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。1.3 设计任务 该设计是对原有剪板机的对刀系统进行改造，对刀系统基于8051单片机控制系统，控制步进电机驱动滚珠丝杠带动挡料板做水平运动。完成系统的对刀任务。 该系统要求对刀精度为0.01mm，对刀速度移动2m/min，剪板机对刀口宽2500mm，由于龙门闸式剪板机无u喉口，因此只能剪切小于对刀口宽度的板料，剪板机刀片的倾斜角小。为了在对刀过程中提高对刀精度，使挡料板只能够做水平运动，采用滚珠丝杠螺母带动挡料板在导轨上运动，导轨采用燕尾型导轨，其高度小，结构紧凑，可以承受颠覆力矩，适合用于运动速度不高，受力不大的场合。 对刀系统只要求精确定位，从一点坐标移动到另一点坐标，移动过程中不进行加工。由于对刀系统精度要求较高，为了提高对刀精度，滚珠丝杠与步进电机采用联轴器直接连接，避免了齿轮传动的误差。在滚珠丝杠的一端装有光电编码器，通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲，由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，光栅盘与电动机同速旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出若干脉冲信号，通过计算每秒光电编码器输出脉冲的个数就能反映当前电动机的转速。此外，为判断旋转方向，码盘还可提供相位相差90的两路脉冲信号。支承方式选用双推简支，即一端装止推轴承，另一端装向心球轴承，适用于中速、精度较高的长丝杠传动系统。目前，机械设备的电气控制系统多采用可编程控制器plc控制，但plc价格较高，在需要即时显示的场合实现起来不如单片机方便。单片机的抗干扰性能虽不如plc，但通过在输入、 输出端采用光电隔离等措施后，实际应用效果很好。本系统具有集成度高，抗干扰能力强，结构简单， 价格便宜，操作方便，自动化水平较高等特点，且设备的可靠性、可维护性及灵活性都很好。单片机控制系统主要由mcs51系列单片机8051cpu,8279键盘/显示芯片、系统工作状态检测输入开关i/o、外控输出电机驱动、声光报警、键盘、显示及电源等电路部分组成。8051芯片的性价比优越，是mcs-51系列单片机的典型产品，8051单片机包含中央处理器、程序存储器(rom)、数据存储器(ram)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。应完成设计工作量：1、a0号图合计4张。其中包括对刀系统装配图a0一张，剪板机整体结构图a0一张，单片机控制原理图a0一张，支撑导轨a3一张，滚珠丝杠a3一张，联接板a3一张，螺母支座a2一张，挡料板a3一张，丝杠螺母a3一张，支架a3一张。2、设计说明书一份（不少于1万字）。3、外文资料翻译不少于原文单词3000。2 总体方案的确定2.1 自动剪板机工作原理剪板机主要由送料、定位夹紧、剪切、自动传送机构等组成。电动机分别拖动送料机构、压板、剪切刀和送料小车。它的工作过程是：开机后，输入板料加工尺寸、加工数量，根据加工方法点击相应自动键,系统自动运行。系统首先检查回零开关st3状态，挡料器不在零位置则启动步进电机带动挡料器归零，挡料器在零位置则检查小车的状态开关st5；若料车空载，就启动送料小车，使之左行到位，小车到位开关st4闭合则小车停止；同时，触发挡料器运动至加工尺寸位置；然后，启动进料机构，带动板料向右移动。当板料碰到挡料器定长开关st2时，送料停止，同时启动主电动机，使压料器压下，压料器压紧行程开关st1闭合。板料压紧触发步进电机带动挡料器让刀，完毕后主电动机带动剪刀下落，板料剪断，接着主电动机被关闭，刀具和压料器在弹簧力作用下复位。卸料电机被启动带动托架转动，到位开关st8闭合，剪切板料滑入料车。接着步进电机带动挡料器运动到下次加工尺寸位置。剪好的板料由压块下压次数计数。当料车上板料没达到设定数时，系统自动循环加工，多次循环后，回零修正定长误差再返回。当达到设定满车数量时，启动料车电动机带动料车右行，将板料送至下一工序位置即到位开关st7闭合。卸载后，再启动料车左行，返回到剪板机下，进入下一车工作循环。2.2 控制方式对刀系统只要求精确定位，从1点左边移动到另一点坐标，但对移动轨迹并无要求，因此使用点位控制。另外采用半闭环控制，在半闭环系统中装有角位移检测装置，通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角间接检测移动部件的位移，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较。用比较后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差值消失的控制系统。这种伺服机构所能达到的精度，速度和动态特性优于开环伺服机构。2.3 传统元件的选用2.3.1 传动机构常用的机械传动机构包括齿轮传动、滚珠丝杠传动、同步带传动、连杆机构传动等，为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中，应保证有精确的传动比、热稳定性、高的谐振频率、低摩擦、高刚度和具有适当的阻尼比等。为达到上述要求，主要从以下几个方面采取措施：1. 采用低摩擦阻力的传动部件，如采用滚珠丝杠副等。2. 缩短传动链，提高传动件刚度，如用加预紧的方法提高滚珠丝杠副刚度；采用大转矩、宽调速的直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副联接以减少中间传动机构等。3. 选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。4. 缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支撑变形的措施。此对刀系统为纵向移动，以传递为主，需要有较高的传动精度，滚动丝杠副具有传动效率高（传动效率达0.900.95），精度高，刚度好，定位精度和重复定位精度高，运动平稳，使用寿命长，可靠性高以及不能自锁，有可逆性等特点。2.3.2 丝杠传动形式丝杠转动、螺母移动如图1所示，该传动形式需要限制螺母的转动，故需导向装置。其特点是结构紧凑、丝杠刚性较好。适用于工作行程较大的场合。 图1 丝杠传动形式 2.3.3 导向支撑部件导向支撑部件的作用是支撑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，即导轨。此次设计采用燕尾型导轨，此类导轨磨损后不能自动补偿间隙，需设调整间隙装置。两燕尾起压板面作用，用一根镶条就可调节水平与垂直方向的间隙，且高度小，结构紧凑，可以承受颠覆力矩。但刚度较差，摩擦力较大，制造、检验和维修都不方便。用于运动速度不高，受力不大，高度尺寸受到限制的场合。如图2图2 燕尾型导轨2.3.4 滚珠丝杠副的轴向间隙消除单螺母式滚珠丝杠副的轴向间隙达0.05mm双螺母式的经加预紧力调整后基本能消除轴向间隙特别应注意：1.预紧力大小必须合适 2.要特别注意减小丝杠安装部分和驱动部分的间隙本设计采用双螺母螺纹预紧调整式，其特点是结构简单、刚性好、预紧可靠，使用中调整方便。2.3.5 支承方式双推简支 一端装止推轴承，另一端装向心球轴承，适用于中速、精度较高的长丝杠传动系统。2.4 其它结构的选用2.4.1 连接方式滚珠丝杠与步进电机，丝杠与光电编码器之间用联轴器直接连接，其优点是刚性好，传递转矩大，结构简单，工作可靠，维护简便，适用于两轴对中精度良好的一般轴系传动。 2.4.2 光电耦合器的应用光电隔离其实质就是一种信号的耦合过程，它采用光电耦合器来实现信号的传输过程。光电隔离一般在弱电环境中应用。光电耦合器有四个脚，其中两个是发光二极管的脚，用万用表检测时有正反向导通的反应；另外两个就是光敏三机关的管脚，用万用表检测时没有正反向导通的反应。两者之间通过发光二极管所发的光进行耦合，从而实现内外信号的传递。 隔离的目的是要将两股需要与对方通信的电流隔离。可透过光电耦合器将电子信号转换成光，到了另一端再将光转换回电子信号。用此方法，就可将两股电流完全隔离。步进电机驱动电路中，如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，因此在接口电路与功放之间加上光电隔离电路。2.4.3 控制系统硬件部分8051 单片机与接口芯片8279 连接。8279 控制键盘输入和 led 显示。键盘用于输入参数,led 用于显示当前的加工信息。由于某些加工参数非常重要,为了防止意外掉电时数据丢失,系统中使用自带电池的ram。每次加工参数改变后程序自动将当前的加工参数及其他工作信息存入ram。这样掉电或关机后,系统当前的加工参数可以保留,在下次开机时自动读入,无需重新输入。步进电机驱动器的输入信号共有3 路,它们是:步进脉冲信号cp、方向电平信号dir、脱机信号free。单片机通过p1 口引脚p1. 0 ,p1. 1 ,p1. 2 发出步进脉冲信号、方向电平信号、脱机信号等控制信号。在向驱动器发出步进脉冲时,只需按工作频率将p1. 0 引脚电平置高和置低即可,这样单片机就可以控制步进电机工作。p1. 2 引脚为高电平时,步进电机顺时针旋转; p1. 2 引脚低电平时步进电机逆时针旋转。p1. 3 引脚为高电平时步进电机为锁紧状态,只有发送步进脉冲，步进电机才可以转动。p1. 3 引脚为低电平时步进电机为脱机状态,这时步进电机可以自由转动。8051 单片机的nop 指令周期为1 s。在发送脉冲时只需要加入若干个nop 语句就可以达到对脉冲的频率和占空比进行调整的目的。图3 8051单片机对步进电机的控制3 机械部分的设计3.1 滚珠丝杠的计算和选用丝杠副的计算载荷fc（n） 计算额定动载荷 演算效率、稳定性、刚度3.1.1 丝杠副的计算载荷 其中载荷系数 载荷性质无冲击平稳运转一般运转有冲击和振动运转11.21.21.51.52.5硬度系数滚道实际硬度58555045401.01.111.562.43.85精度系数精度系数c、de、fgh1.01.11.251.43平均工作载荷 估算=500n 3.1.2 计算额定动载荷其中 丝杠副的平均转速 运转寿命 取15000h 计算载荷所以初选丝杠 cdm25052.5 表1 cdm2505-2.5参数说明丝杠代号公称直径基本导程丝杠外径丝杠底径循环圈数额定载荷刚度动载荷静载荷cdm2505-2.525524.521.572.5902320793410滚珠丝杠几何参数如表2 表2 滚珠丝杠几何参数名称符号计算公式和结果公称直径螺 距接触角钢球直径滚道法面半径偏心距螺纹升角螺杆外径螺杆内径螺杆接触直径螺母螺纹直径螺母内径3.1.3 传动效率计算式中，取 滚动摩擦系数 0.0030.004螺旋升角 i=13.1.4 稳定性计算实际承受载荷能力压杆稳定的支承系数 取钢的弹性模量 丝杠底径的抗弯截面惯性矩压杆稳定安全系数，一般取2.54螺纹长度且两端装止推轴承与向心球轴承，丝杠不会发生失稳现象。3.1.5 刚度计算滚珠丝杠在工作负载和扭矩共同作用下，所引起的每一导程的变形量式中，钢的弹性模量为 丝杠的最小截面积 扭矩 丝杠的底径的抗弯截面惯性矩对刀精度0.01mm，螺距受轴向载荷和扭矩产生的变形量极小，所以3级精度可满足要求。滚珠丝杠各部分尺寸如下：图4 滚珠丝杠各部分尺寸简图3.2 步进电机的计算和选用3.2.1 计算步进电机负载转矩对刀精度0.01 取0.01式中，脉冲当量 进给牵引力 步距角 电机丝杠的传动效率3.2.2 计算步进电机启动转矩3.2.3 计算最大静转矩表3 步进电机常见性能指标步进电机相数三相四相五相六相拍数36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866取三相六拍 则 步进电机最高工作频率 初选步进电机型号表4 110bf004步进电机参数步进电机型号相数步距角最大静转矩空载启动频率（轴径）尺寸重量转子转动惯量110bf00430.754.91500110110（11）5.534.33.2.4 步进电机参数教核丝杠转动惯量式中，滚珠丝杠名义直径 丝杠总长 丝杠密度当时， ，比值越小，步进电机自启动最大频率越小，故满足要求。4 单片机数控系统硬件的设计4.1 硬件组成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，软件才能有效地运行。硬件电路可靠性直接影响到数控系统性能指标。 硬件由以下五部分组成： （1）主控制器，即中央处理单元（cpu）； （2）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。4.2 选择中央处理器的类型在微机应用系统中，cpu的选择应考虑以下因素：（1）时钟频率和字长；（2）可扩展存储器的容量；（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；（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的要求，因此选用mcs51系列单片机作为主控制器。 mcs51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，仅在内部结构上有少数差异。4.2.1 8031单片机简介8031是最常见的mcs51系列单片机之一，是intel公司早期的成熟的单片机产品,应用非常广泛,本文介绍一下它的引脚图及管脚功能.mcs51系列单片机有128或256个字节的ram数据存储器，他们可作为工作寄存器，堆栈软件标志和数据缓冲器使用，cpu对内部的ram有丰富的 操作指令，在大多数控制性应用场合，不需要扩张。本次设计需扩展32k的数据存储器，选用一片62256，mcs51在访问外部数据存储器时，一个机器周期中ale只输出一个正脉冲；ale返回低电平后，读信号rd或写信号wr有效，而psen始终无效，所以mcs51访问外部数据存储器时决不会访问外部程序存储器。下图是mcs51与外部存储器为一种接口逻辑，如图5所示：图5 mcs51系列单片机图中，外部数据存储器地址高位a8a14由mcs51的p2口提供，低8位地址线a0a7接地址锁存器输出端，读，写控制信号分别连mcs51的rd，we。对外部数据存储器的选片可采用线选法或 地址译码法。8031引脚功能描述（1）8031主电源引脚vss和vcc vss接地 vcc正常操作时为+5伏电源（2）外接晶振引脚xtal1和xtal2 xtal1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。 xtal2内部振荡电路反相放大器的输出端。是外接晶体的另一端。当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。（3）控制或与其它电源复用引脚rst/vpd，ale/ ， 和 /vpp rst/vpd 当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平（由低到高跳变），将使单片机复位在vcc掉电期间，此引脚可接上备用电源，由vpd向内部提供备用电源，以保持内部ram中的数据。 ale/ 正常操作时为ale功能（允许地址锁存）提供把地址的低字节锁存到外部锁存器，ale 引脚以不变的频率（振荡器频率的 ）周期性地发出正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。但要注意，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲，ale 端可以驱动（吸收或输出电流）八个lsttl电路。 对于eprom型单片机，在eprom编程期间，此引脚接收编程脉冲（ 功能） 外部程序存储器读选通信号输出端，在从外部程序存储取指令（或数据）期间， 在每个机器周期内两次有效。 同样可以驱动八lsttl输入。 /vpp 、 /vpp为内部程序存储器和外部程序存储器选择端。当 /vpp为高电平时，访问内部程序存储器，当 /vpp 为低电平时，则访问外部程序存储器。对于eprom型单片机，在eprom编程期间，此引脚上加21伏eprom编程电源（vpp）。4.3 地址锁存器设计74ls373是常用的地址锁存器芯片，它实质是一个是带三态缓冲输出的8d触发器，在单片机系统中为了扩展外部存储器，通常需要一块74ls373芯片。当74ls373用作地址锁存器时，应使oe为低电平，此时锁存使能端c为高电平时，输出q0q7 状态与输入端d1d7状态相同；当c发生负的跳变时，输入端d0d7 数据锁入q0q7。51单片机的ale信号可以直接与74ls373的c连接。在mcs-51单片机系统中，常采用74ls373作为地址锁存器使用，其连接方法如上图所示。其中输入端1d8d接至单片机的p0口，输出端提供的是低8位地址，g端接至单片机的地址锁存允许信号ale。输出允许端oe接地，表示输出三态门一直打开。1d8d为8个输入端。1q8q为8个输出端。g是数据锁存控制端；当g=1时，锁存器输出端同输入端；当g由“1”变为“0”时，数据输入锁存器中。 oe为输出允许端；当oe=“0”时，三态门打开；当oe=“1”时，三态门关闭，输出呈高阻状态。(1).1脚是输出使能(oe),是低电平有效,当1脚是高电平时,不管输入3、4、7、8、13、14、17、18如何,也不管11脚(锁存控制端,g)如何,输出2(q0)、5(q1)、6(q2)、9(q3)、12(q4)、15(q5)、16(q6)、19(q7)全部呈现高阻状态(或者叫浮空状态);(2).当1脚是低电平时,只要11脚(锁存控制端,g)上出现一个下降沿,输出2(q0)、5(q1)、6(q2)、9(q3)、12(q4)、15(q5)、16(q6)、19(q7)立即呈现输入脚3、4、7、8、13、14、17、18的状态.锁存端le 由高变低时，输出端8 位信息被锁存，直到le 端再次有效。 当三态门使能信号oe为低电平时，三态门导通，允许q0q7输出，oe为高电平时，输出悬空，如图6所示图64.4 程序存储器说明并行i/o接口的扩展:扩展并行i/o芯片，其并行数据输入线取自mcs51单片机的p0 口，这种方法只分时占用p0口并不影响p0口与其它扩展芯片的联结操作，不会造成单片机硬件的额外开销。当mcs51应用系统需连接较多的并出外围设备，就得扩展并行接口，本次设计采用可编程的并行接口8255a，并选用0工作方式，即基本i/0方式，这种工作方式不需要接任何选通信号，a口、b口及c口的两个四位口中任何一个端口都可以由程序设定为输入或输出，作为输出口时，输出数据被锁存，作为输入口时，输入数据不锁存。a1，a0是端口地址输入线，用于选择内部端口寄存器，下表列出了cpu对8255a的端口寻址操作。如表5所示：表5 8255的口操作状态a1a0rdwrcs输入操作001010000111000a口数据总线b口数据总线c口数据总线a1a0rdwrcs输入操作0011 x1x0101111100000000输出操作数据总线a口数据总线b口数据总线c口数据总线控制x1xx01x11100禁止功能数据总线为3态非法条件数据总线为3态4.4.1 mcs51和8255a 的接口方法8255可以直接和mcs51总线接口，下图是8255和mcs51的一种接口逻辑。如图7所示：因为8255a芯片内部武帝之锁存能力，所以图中8255a的片选信号cs及口地址选择线a1，a0分别由8031的p0.7和p0.1、p0.0经过地址锁存器后提供，如果把没有参与选址的地址线的状态都看作“1”状态，则8255的a、b、c口及控制口地址分别为ff7ch、ff7dh、ff7eh、ff7fh。8255的复位端与8031的复位端相连，都接到8031的复位电路上。本次采用片选法，8255主要完成对步进电机的控制。图7 mcs51和8255a 的接口方法4.5 键盘以及显示芯片的设计4.5.1 8279功能介绍8279是可编程的键盘,显示接口芯片.它既具有按键处理功能,又具有自动显示功能,在单片机系统中应用很广泛。8279内部有键盘fifo(先进先出堆栈)/传感器,双重功能的8*8=64b ram,键盘控制部分可控制8*8=64个按键或8*8阵列方式的传感器。该芯片能自动消抖并具有双键锁定保护功能。显示ram容量为16*8,即显示器最大配置可达16位led数码显示。 (1)数据线 db0db7是双向三态数据总线,在接口电路中与系统数据总线相连,用以传送cpu和8279之间的数据和命令。 (2)地址线 /cs=0选中8279,当a0=1时,为命令字及状态字地址;当a0=0时,为片内数据地址,故8279芯片占用2个端口地址。 (3)控制线 clk:8279的时钟输入线。 irq:中断请求输出线,高电平有效。 /rd,/wr:读,写输入控制线。 sl0-sl3:扫描输出线,用来作为扫描键盘和显示的代码输出或直接输出线。 rl0-rl7:回复输入线,它们是键盘或传感器矩阵的信号输入线。 shift:来自外部键盘或传感器矩阵的输入信号,它是8279键盘数据的次高位即d6位的状态,该位状态控制键盘上/下档功能。在传感器方式和选通方式中,该引脚无用。 cntl/s:控制/选通输入线,高电平有效。键盘方式时,键盘数据最高位(d7)的信号输入到该引脚,以扩充键功能;选通方式时,当该引脚信号上升沿到时,把rl0-rl7的数据存入fifo ram中。 outa0-outa3:通常作为显示信号的高4位输出线。 outb0-outb3:通常作为显示信号的低4位输出线。 /bd:显示熄灭输出线,低电平有效.当/bd=0时将显示全熄灭。4.5.2 8279工作方式8279有三种工作方式:键盘方式,显示方式和传感器方式 (1) 键盘工作方式 8279在键盘工作方式时,可设置为双键互锁方式和n键循回方式 双键互锁方式:若有两个或多个键同时按下时,不管按键先后顺序如何,只能识别最后一个被释放的键,并把该键值送入fifo ram中。 n键循回方式:一次按下任意个键均可被识别,按键值按扫描次序被送入fifo ram中。 (2) 显示方式 8279的显示方式又可分为左端入口和右端入口方式。 显示数据只要写入显示ram,则可由显示器显示出来,因此显示数据写入显示ram的 顺序,决定了显示的次序。(3) 传感器方式 传感器方式是把传感器的开关状态送入传感器ram中。当cpu对传感器阵列扫描时, 一旦发现传感器状态发生变化就发出中断请求(irq置1),中断响应后转入中断处理程序。4.5.3 8279的命令字及其格式 8279的一条命令由两大部分组成,一部分表征命令类型,为命令特征位, 由命令寄存器高3位d7-d5决定.d7-d5三位的状态可组合出8种形式,对应8类命令，另一部分为命令的具体内容,由d4-d0决定。 (1) 键盘/显示命令 特征位d7 d6 d5=000 ，d4,d3两位用来设定4种显示方式,d2-d0三位用以设定8种键盘/显示扫描方式。 8279最多驱动16位显示器，故可由sl0-sl3接4-16译码器，译码器的16位输出作为显示扫描输出线(16选1)，决定第几位显示.显示字段码由outa0-outa3和outb0-outb3输出。 (2) 时钟编程命令 特征位d7 d6 d5=001 ，d4-d0用来设定分频系数,分频系数范围在0-31之间。有的设计会用单片机的ale端接8279的clk端,但ale端输出的脉冲频率比8279所需工作时钟频率(100khz)高出很多,通过设置分频系数就可使8279得到所需的时钟频率。(3) 读fifo/传感器ram命令 特征位d7 d6 d5=010， d2-d0为8279中fifo及传感器ram的首地址，d3 无效位，d4 控制ram地址自动加1位:d4=1时,cpu读完一个数据,ram地址自动加1,准备读下一个单元数据;d4=0时,cpu读完一个数据,地址不变。 (4) 读显示ram命令 特征位d7 d6 d5=011，d4=1 ram地址自动加1d4=0不加1。d3-d0为显示ram中的地址。 (5) 写显示ram命令 特征位d7 d6 d5=100，d4是地址自动加1控制,d4=1,地址自动加1;d4=0,地址不加1.d3-d0是欲写入的ram地址,若连续写入则表示ram首地址.命令格式同读显示ram。 (6) 显示器禁止写入/熄灭命令 特征位d7 d6 d5=101，d4:无用位，d3:禁止a组显示ram写入，d3=1，禁止。d2:禁止b组显示ram写入,d2=1，禁止。d1:a组显示熄灭控制.d1=1,熄灭;d1=0,恢复显示。d0:b组显示熄灭控制.d0=1,熄灭;d0=0,恢复显示. 利用该命令可以控制a,b两组显示器,哪组继续显示,哪组被熄灭. (7) 清除(显示ram和fifo中的内容)命令 特征位d7 d6 d5=110 ，d0为总清除特征位,d0=1把显示ram和fifo全部清除，d1=1清除fifo状态,使中断输出线复位,传感器ram的读出地址清0。d4-d2:设定清除显示ram的方式。(8) 结束中断/出错方式设置命令 特征位d7 d6 d5=111，d4=1时(其d3-d0位任意)有两种不同作用。第一:在传感器方式，用此命令结束传感器ram的中断请求。因为在传感器工作方式时,每当传感器状态发生变化,扫描电路自动将传感器状态写入传感器ram,同时发出中断申请,即将irq置高电平,并禁止再写入传感器ram.中断响应后,从传感器ram读走数据进行中断处理,但中断标志irq的撤除分两种情况。若读ram地址自动加1标志位为0,中断响应后irq自动变低,撤消中断申请;若读ram地址自动加1标志位为1,中断响应后irq不能自动变低,必须通过结束中断命令来撤消中断请求. 第二:在设定为键盘扫描n键轮回方式时作为特定错误方式设置命令。在键盘扫描n键轮回工作方式,又给8279写入结束中断/错误方式命令,则8279将以一种特定的错误方式工作,即在8279消抖周期内,如果发现多个按键同时按下,则将fifo状态字中错误特征位置1,并发出中断请求阻止写入fifo ram。根据上述8种命令可以确定8279的工作方式.在8279初始化时把各种命令送入命令地址口,根据其特征位可以把命令存入相应的命令寄存器,执行程序时8279能自动寻址相应的命令寄存器。4.5.4 8279的状态字及其格式状态字显示出8279的工作状态.状态字和8种命令字共用一个地址口.当a0=1时,从8279命令/状态口地址读出的是状态字.状态字各位意义如下： d7:d7=1表示显示无效,此时不能对显示ram写入。 d6:d6=1表示至少有一个键闭合;在特殊错误方式时有多键同时按下错误。 d5:d5=1表示fifo ram已满,再输入一个字则溢出。 d4:d4=1表示fifo ram中已空,无数据可读。 d3:d3=1表示fifo ram中数据已满。 d2-d0:fifo ram中数据个数。显然,状态字主要用于键盘和选通工作方式,以指示fifo ram中的字符数及有无错误发生。4.5.5 8279数据输入/输出格式对8279输入/输出数据不仅要先确定地址口,而且数据存放也要按一定格式，其格式在键盘和传感器方式有所不同。 (1) 键盘扫描方式数据输入格式 键盘的行号,列号及控制键位置如下： d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 cntl shift sl2 sl1 sl0 由rlx 的x决定 d7:控制键 cntl状态. d6:控制键 shift状态. d5 d4 d3:被按键所在列号(由sl0-sl2)状态确定). d2 d1 d0:被按键所在行号(由rl0-rl7)状态确定). (2) 传感器方式及选通方式数据输入格式 此种方式8位输入数据为rl0-rl7的状态.格式如下： d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0 rl7 rl6 rl5 rl4 rl3 rl2 rl1 rl0 4.5.6 8279译码和编码方式 8279的内、外译码由键盘/显示命令字的最低位d0选择决定。d0=1选择内部译码，也称为译码方式，sl0sl3每时刻只能有一位为低电平。此时8279只能接4位显示器和48矩阵式键盘. d0=0选择内部编码,也称为编码方式,sl0sl3为计数分频式波形输出,显示方式可外接416译码器驱动16位显示器.键盘方式可接38译码器,构成88矩阵式键盘。4.6 硬件电路设计系统采用单片机8051来控制，其硬件结构如图8所示图8 剪板机控制系统硬件电路图4.7 单片机数控系统软件的设计单片机数控系统软件的设计包括：初始化程序、步进电机环形分配器程序、中断程序、手动方向键监控和行程限位监控程序、管理程序、插补程序、诊断程序。mcs-51单片机的中断系统比较简单，其基本特点是有5个固定的可屏蔽中断源，3个在内部中断，2个外部中断。它们在程序存储器中各有固定