毕业设计（论文）-基于MCS-8051单片机的普通车床C616的进给系统控制改造设计.doc

本科本科毕业论毕业论文（文（设计设计） ） 论论文文题题目：基于目：基于 MCS-8051 单单片机普通片机普通车车床床 C616 的的进给进给系系统统改造改造 学生姓名：学生姓名： 所在院系：所在院系： 所学所学专业专业： ： 导师导师姓名：姓名： 完成完成时间时间： ： 摘摘 要要 本设计主要是针对 C616 车床的纵向进给系统进行改造。机械部分采用步进 电动机与一级减速器相配合来驱动滚珠丝杠，然后再通过滚珠螺母副传动工作 台运动。电气部分采用 MCS8051 单片机来对步进电动机进行适时有效的控制， 通过输入程序来更好的解决形状复杂、精密、难加工的问题。这次设计可以准确 地实现规定的动作、自动化程度较高、能灵活迅速的适应加工零件的更变。改造 后的机床适应于中小型企业。 关关键键字：字：车床，步进电动机，单片机，精密 Based on The MCS-8051 SCM Ordinary Lathe C616 Of The Feed System AbstractAbstract This design mainly is aims at the C616 lathe Longitudinal to enter for the servosystem transformation. The machine part uses step-by-steps the direct motor drive ball bearing guide screw, then vice- moves the work table operation again through the ball bearing nut. The electric appliance partially uses the MCS-8051 monolithic integrated circuits to come to step-by-step the electric motor to carry on at the right moment the effective control, at the same time in order to be advantageous for the man-machine conversation, comes the question through the input routine which the better solution shape complex. Precise is difficult to process.This design may accurately The realization stipulated the movement, the automaticity are high can nimble rapid adaption processing components changng. Keyword: Lathes, stepper motor, SCM, precision 1 绪 论.3 2 设计要求.3 3 系统结构.3 3.1 设计参数.3 3.2 设计框图及机械结构改进设计.4 3.3 转动惯贯的计算.5 3.4 负载转动矩计算及最大静转矩选择.7 3.5 步进电机的选择.10 4 机床纵向伺服进给单元电气控制部分设计.11 4.1 电气控制系统方案的确定.11 4.1.1 步进电动机与丝杠的联接.12 4.1.2 8051 单片机的选择.12 4.2 步进电动机开环控制系统设计.13 4.2.1 脉冲分配器.14 4.2.2 光隔离电路.18 4.2.3 步进电动机驱动电路.18 4.3 8255 可编程控制芯片的扩展.19 4.3.1 8255 芯片的介绍.19 4.3.28051 单片机与 8255 接口电路的设计.20 4.3.3 8255 芯片在设计电路中的控制功能.21 4.4 6264 芯片的扩展.21 4.5 辅助电路的设计.22 4.5.1 8051 单片机的时钟电路.22 4.5.2 复位电路.23 4.5.3 越界报警电路.23 4.6 操作面板设计的简要介绍.24 4.7 绘制机床电气控制电路原理图.25 5 机械系统设计.25 5.1 概述.25 5.2 确定系统的脉冲当量.25 5.3 切削力的计算.26 5.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选型.27 5.4.1 计算进给牵引力.27 m F 5.4.2 计算最大动载荷 C.27 5.5 传动效率的计荷.30 5.6 刚度验算.30 5.7 齿转传动比的计算.33 5.8 轴的设计与校核.34 5.8.1 初步估算轴的最小直径，并选择联轴器.35 5.8.2 轴的结构设计.35 5.8.3 按弯矩合成强度校核轴的强度.39 5.8.4 按疲劳强度安全系数校核轴的强度.40 6 结束语.42 致谢.43 参 考 文 献.43 附电气原理图.43 1 绪绪 论论 数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用， 很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题， 且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况看， 因数控机床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大 国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。尤其对一些中小型企业来说， 面对周转资金不足、而企业又要发展。可以说时代在呼唤一些专业人员能够对企 业里面原有的机床进行数控改造。本文针对目前企业现状，以 C616 普通车床为 例,提出简易型经济数控改造思路和设计方法。 2 设计设计要求要求 （1）利用微机将纵向进给伺服系统，改造成开环控制伺服进给系统，纵向脉 冲当量为 0.01mm/脉冲，驱动元件采用步进电动机传动系统，采用滚珠丝杠螺母 副，刀架采用自动转位刀架。 （2）简单的接口电路设计，选择驱动控制电路，设计通用接口和专用接口以 及 CPU 与辅助电路的连接。 （3）采用微机完成数据处理和运动控制。 3 系系统结统结构构 3.1 设计设计参数参数 运动部件总重量 600N 进给速度 快进 3m/min 工进 1m/min 启动加速时间 25ms 步进脉冲当量 0.01mm/脉冲（0.005mm/脉冲） 丝杠副摩擦系数 摩擦角 10 分 控制用微机 Z80CPU 或 8051 最大回转直径 床身 320mm 床鞍上（刀架以上加工最大直径） 175mm 工最大长度 750mm 加工最大棒料直径 29mm 主电动机功率 8KW 车削螺纹 公制螺纹 17 种 螺距范围 0.5-9mm 溜板最大移动距离 纵向 820mm 横向 195mm 3.2 设计设计框框图图及机械及机械结结构改构改进设计进设计 图 1 经济性数控车床进给伺服系统总体方案框图 本次改选的主要部件有：挂轮箱、进给箱、溜板箱、溜板、刀架等，改造方案 不是惟一。 挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。 进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成。 丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装 在车床尾座端原来装轴承座的部位。 溜板箱部分：全部拆除，在原处安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操 作按钮。 横溜板部分：将原溜板中的丝杠、螺母拆除，改装横进给滚珠丝杠螺母副，横 向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。 刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。 图 2 车床传动系统图 3.3 转动惯贯转动惯贯的的计计算算 选择步进电动机时必须根据机械传动设置及负载折算到电动机轴上的等效 转动惯量，分别计算各种工况下所需的力矩，再根据步进电动机最大转矩和起动 运行频率特性选择合适的步进电动机。负载惯量传动系统的主要参数之一，它对 选择步进电动机，设计传动比都有十分重要的意义，如果负载惯量与电动机匹配 不当，系统就得不到快速反应，甚至让步。 转动惯量定义为：中 mi 表示刚体的某个质点的质量，ri 表示该质点到转轴的 垂直距离。 转动惯量是表征刚体转动惯性大小的物理量,它与刚体的质量、质量相对于转轴 的分布有关。 刚体的转动惯量是由质量、质量分布、转轴位置三个因素决定的。 同一刚 体对不同转轴的转动不同,凡是提到转动惯量,必须指明它是对哪个轴的才有意义。 选择步进电动机时,必须根据机械传动装置及负载折算到电动机轴上的等效转动 惯量,分别计算各种情况下所需要的力矩,再根据步进电动机最大静转矩和启动 运行频率特性选择合适的步进电动机,负载惯量是驱动系统的主要参数之一,它 对选择步进电动机,设计传动比等都有十分重要的意义,如果该惯量与电动机的 匹配不当,系统就得不到快速反应,甚至失效.所以我们在进行转动惯量计算时， 一定要进行多方面的考虑，选择合适的电机是很重要的一步设计，它直接决定设 计的成败。 表 1 转动惯量的计算 计算项目设计计算与说明计算结果 1）工作台质量折 算 到步进电动机轴 上的转动惯量 1 J (1) 2 1 2 180 p W J i g 2 400180 0.01 1.25 9.8 3.14 0.75 2 0.1526kg cm 1 J 2 0.1526kg cm 2）对材料为钢的 圆柱形零件，其转 动惯量可按下式 估算 s J 442 7.8 10kg cmJD L 式中 D-圆柱形零件的直径（cm） L-零件的轴的长度（cm） 所以丝杠向转动惯量 44 1 7.8 10 s JD L 44 7.8 103.2140.3 2 11.475kg cm 2 11.475kg cm s J 3）齿转的转 动惯量J -442 z1 J =7.8 106.422.617kg cm -442 z2 J =7.8 10826.39kg cm 电动机的转动惯量很小，或忽略。因此折算 到步进电机轴上的总的转动惯量 (2) sz2z11 2 1 J=JJJJ i 2 1 11.4756.392.6170.1526 1.25 2 14.2032cmkg 2 J14.2032kg cm 为 0.75/1.5，二种不同脉冲分配方式对应有二种步距角，步距角及减速比 i 与 b 脉冲当量和丝杠导程有关。 0 L 初选电机型号时应合理选择及 i ，并满足 (3) b 0 360 L i 即 (满足) 0.75 6 0.01 1.25 360 3.4 负载转动负载转动矩矩计计算及最大静算及最大静转转矩矩选择选择 表 2 负载转矩计算 计算项目设计计算与说明计算结果 概 述 （1）快速空载启动时所需力矩 0kqkakf MMMM （2）快速进给时所需力矩 0kjkf MMM （3）最大切削负载时所需力矩 0GJkft MMMM 式中：-定载启动力矩 kq MN cm -空载启动时运动部件由静止开始到最 ka M 大快进速度，折算到电机轴上 的加速力矩N cm -空载时折算到电机轴上的摩擦力矩 kf M N cm -由于丝杆预紧，折算到电机轴上的附 0 M 加摩擦力矩N cm -折算到电机轴上的工作负载力矩，对于 t M 数控机床进给系统则是切削负载力矩。 t M 续表 计算项目设计计算与说明计算结果 1）加速力矩 ka M 由下列公式，将已知数据代入求出 max n (4) max max 360 V n 3000 0.75 0.01 360 625minr 式中 与运动部件最大进给速度对 max n 应的电机最大转速（r/min） 运动部件最大快进转速 max V （mm/min） (5) 2 max 2 10 60 ka n MJ t 式中 传动系统各部件惯量折算到J 电机轴上的转动惯量 2 kg cm 为转动部件从静止启动t 加速到最大快进速度所需 的时间 s 即 2 2 3.14 625 14.203210 60 0.025 ka M 371.6977N cm max n625minr 371.69N cm ka M 续表 计算项目设计计算与说明计算结果 2）折算到电动 机轴上的空 载摩擦力矩 kf M 折算到电动机轴上的空载摩擦力矩 (6) 0 N m 2 kf GfL M i 式中 导轨上的摩擦系数 f 为运动部件的总重力G 为齿轮传动降速比i 传动系统的总效率 一般0.70.85 滚珠丝杠的基本 0 L 导程（cm） 当 0.8 0.16 时 f 即 0.16 400 0.6 2 3.14 0.8 1.25 kf M 38.4 6.28 6.1146N m kf M 6.1146N m 3）附加摩擦 力矩 0 M 附加摩擦力矩 (7) 2 00 00 1 2 F L M i 丝杠未预紧时的效率，取 0.9 0 预加载荷，一般为最大轴向载荷 0 F 的 1/3.即3 m F 即 2 0 00 1 6 m F L M i 2 1782.4 0.61 0.9 6 3.14 0.8 1.25 0.5676N cm 0 0.5676N cmM 续表 计算项目设计计算与说明计算结果 4）切削负载 力矩 t M 切削负载力矩 t M (8) 0 2 t t FL M i 式中 tlx FFF （详见沿进给方向的负载） 7 P 即 0 2 t t FL M i 960 0.6 2 3.14 0.8 1.25 91.72N cm 91.72N cm t M 结论 （1）快速空载起动所需力矩 0kqkak MMMM 371.69776.11460.5676 378.3799 N cm （2）快速进给时所需力矩 0kjkf MMM 6.11460.5676 6.6822 N cm （3）最大切削负载时所需力矩 0GJkft MMMM 0.56766.114691.72 378.3 N cm kq M 6.68 N cm kj M 98.40 N cm GJ M 以上分析计算可知：所需最大力矩发生在快速启动时， max M max 378.3799 N cmM 3.5 步步进电进电机的机的选择选择 合理选择步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统中的实际 工作情况，经分析后才能正确选择。C616 纵向进给系统步进电机的选择 （9） 0 0.4 L q M M 378.3799 0.4 945.94 N cm 式中 电动机启动力矩 =电动机静负荷力矩 q M 0L M 为了满足最小步距要求，选择三相六拍工作方式，有下表可知 表 3 步进电相数、拍数、启机动力矩 相数3456运行 方式拍数3648510612 maxqj MM 0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866 max 0.866 qj MM 所以步进电机最大静转矩为 maxj M max 0.866 jq MM =94.94975/0.866 =1092.32 步进电机最高工作频率 max maxZ 3000 5000H 6060 0.001 p V f 综合考虑，查表选用 110BF003 型反应式步进电机。 4 机床机床纵纵向伺服向伺服进给单进给单元元电电气控制部分气控制部分设计设计 C616 车床是一种小型的车床，对于它的伺服进给单元的机电一体化改造设 计，我们从设计内容中可以知道，是用微机控制步进电动机驱动滚珠丝杠带动工 作台来完成数控处理和运动控制。由此可见，改造设计后的机床具有一定的数控 机床的功能特点，是一种简易经济数控机床，所以，我们就按照经济数控机床进 行电气控制部分的改造设计。 4.1 电电气控制系气控制系统统方案的确定方案的确定 我们知道对于一些经济数控机床，常采用开环伺服系统，其结构如图 3 所示 图 3 开环伺服系统结构原理框图 它主要由步进电动机和相适应的驱动电路组成，数控装置发出的指令脉冲 驱动电路变换放大传给步进电动机，步进电动机每接受一个脉冲就旋转一个角 度，再通过齿轮副和丝杠螺母带动机床工作台移动，步进电动机的转速和转过的 角度取决于指令脉冲的频率和个数，反映到工作台就是工作台的移动速度和位 移的大小。但系统没有位置检测反馈环节，工作台位移到位，其精度取决于步进 电机齿距角精度、齿轮传动间隙和丝杠螺母精度等。由此可见，对于我们改造设 计的 C616 车床的纵向伺服进给单元，就采用这种由步进电机驱动的开环控制系 统是比较合适的。该系统方案中不使用位置检测元件，也就没有闭环控制系统的 稳定性问题。因此，具有结构简单，使用维修方便，可靠性高，制造成本低等一系 列优点。对于 C616 车床精度要求不太高的中小型机床改造设计来说，特别适合 适用这种开环步进控制系统方案。 4.1.1 步步进电动进电动机与机与丝丝杠的杠的联联接接 对于经济数控机床，步进电动机应与进给运动的丝杠相联接，这主要是从进 给传动链最短发出信息来考虑的。步进电动机与丝杠的联接的方法有两种：一种 是与丝杠直接联接在一起，此方法结构简单，但是运行位移的脉冲当量不是 5 的 倍数编程计算时不方便。另一种是在步进电动机输出轴端配置减速器，使减速器 输出轴通才联接套于丝杠直接联接在一起，一般改造常采用这种联接方式。所以， C616 车床改造设计也采用这种联接方式，而且从前面步进电动机计算和选择中 可知选用的是一级齿轮传动。 4.1.2 8051 单单片机的片机的选择选择 根据 C616 车床最大加工尺寸，加工精度，控制速度以及经济性要求，改造 设计后的简易经济型数控机床一般采用 8 位微机进行控制。在 8 位微机中， 驱 动 电 路 微 机 I/O 接 口 步 进 电 机 工作台 MCS-51 系列单片机集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰性强、具有很 高的性能价格比。因此，我们设计选择应用 MCS-51 系列单片机作为控制微机。 在 MCS-51 系列单片机中 8051 为典型代表，它具有高性能 8 位 CPU、4KROM、128 字节 RAM、2 个 16 位定时/计数器、4 个 I/O、一个全双工异 步串行口、5 个中断源、可访问 64K 程序存储器空间和 64K 数据存储器空间。它 与其中的 8031 相比，片内有 4KB 的 ROM，而 8031 片内没有 ROM 或 EPROM。8031 使用时必须配置外部的程序存储器 EPROM，而 8051 就不需要了。 但 8051 的片内 ROM 和片外 ROM 不能同时占有，为了指示机器的这种只有生 产厂家或器件设计者为用户提供了一条专用的控制引脚 EA，如果 EA 接+5V 高 电平，则机器使用片内 4KBROM，如果 EA 接低电平，则机器自动使用片外 ROM，而 8031 引脚 EA 必须接地。所以，对于 C616 车床纵向进给伺服系统就采 用 8051 单片机进行数据传递和运动控制。 我们改造设计的机床，主要是纵向伺服进给单元机电一体化改造设计，根据 下面设计其控制电路原理图如后面附图（B）所示。 4.2 步步进电动进电动机开机开环环控制系控制系统设计统设计 步进电动机又称脉冲电动机 ，使一种把脉冲信号转换成为线位移或角位移 的电动机，常用作数字控制系统中的执行元件。根据前面的设计步进电动机的计 算和选择可知，我们设计选用的是三相六拍的反映式步进电动机110BF003 由于步进电动机各绕阻按一定节拍依次轮流通电才能转动，控制脉冲频率可控 制其转动速度，因此 步进电动机的驱动系统由脉冲发生器，光隔离电路，脉冲功 率放大器等组成，其驱动原理框图如下图 4 所示。 脉 冲 信 号 源 脉 冲 分 配 器 光 隔 离 电 路 功 率 放 大 电 路 图 4 步进电动机驱动原理框图 图（5）中，脉冲信号源是由 CNC 系统根据程序控制脉冲频率和频率的个数， 脉冲分配器将脉冲信号按一定顺序分配；然后送到放大电路中进行功率放大，驱 动步进电动机进行工作，其中脉冲分配器及前面的微机及接口芯片，工作电平一 般为+5V， 而作为电动机电源需要符合步进电动机要求的额定电压值。为避免强 电对弱电的干扰，在它们之间设计采用光隔离电路。具体电路如下面所设计的 4.2.1 脉冲分配器脉冲分配器 对于开环伺服驱动中，我们设计采用单片机脉冲分配器，如下图 5 所 设计的 8051 单片机控制步进电动机的控制电路。 P1. 0 8051 P1.1 P1. 2 P1.2 光 隔 离 电 路 驱 动 电 路 图 5 8051 单片机控制步进电动机控制原理框图 8051 单片机的 P1 口作为输出口，用程序实现脉冲分配功能。对于三相步进 电动机，用 P1.0，P1.1，P1.2 作为输出端，经光电隔离电路，再由驱动电路放大来 驱动步进电动机运转。对于我们改造设计的 C616 车床的纵向伺服进给单元机电 一体化改造，选择的是 三相六拍的反应式步进电动机110BF003。因此，按 三相六拍的步电动机的通电顺序，可以得出 P1 口的输出控制字表如下表 2 所示。 由表 2 可见，步进电动机第一个状态字为 01H，从上而下输出控制字，步进电动 机正转。从正转最后一个状态字 05H 之后加上反转第一个控制字 01H，此时，再 接着输出控制字时，步进电动机反转，假设这些控制字存在，根据状态字在存储 器地址以及读取控制字的顺序，可以画出三相六拍步进电动机的控制程序框图 如下图 6。 表 4 P1 口输出控制字 转向通电顺序D7，D6，D5，D4，D3，D2，D1，D0控制字 A 0 0 101H AB 0 1 1 03H B0 1 002H BC 1 1 0 06H C 1 0 1 04H 正转 CA 1 0 005H A 0 0 1 01H AC 1 0 105H C 0 0 104H CB 1 1 006H B 0 1 002H 反转 BA 0 1 103H 假设，步进电动机总的运行参数放在 R4，转向标志存放在程序状态寄存器 用户标志 FI（D5H）中，当 F1 为“0”时，步进电动机正转；当 F1 为“1”时，步进电动 机反转。正转时，8051 的 P1 口的输出控制字 01H，03H，02H，06H，04H，05 存放 在 8051 的片内数据存储器单元 20H25H 中，26H 存放结束标志 00H。在 27H2CH 的存储单元内存放反转时 P1 端口的输出控制字 01H，05H，04H，06H，.02H，03H，在 2DH 单元内存放结束标志 00H。根据前面 的控制程序表 2 和图（7）的控制程序控制框图，我们可以编出步进电动机正反转 及转速控制程序，其控制程序如下。 PUSH A； 保护现场 MOV R4 #N 设步长计数器 CLR C； ORL C， D5H； 转向标志为“1”转移 JC R0TE； MOV R0， #20H； 正转控制字首地址 AJMP LOOP； 设步长数算器 置正转控制字地址 延时，控制字地址指针加“1” 图 6 三相六拍步进电动机控制程序框图 FI（D5H）中，当 F1 为“0”时，步进电动机正转；当 F1 为“1”时，步进电动机反 转。正转时，8051 的 P1 口的输出控制字 01H，03H，02H，06H，04H，05 存放在 8051 的片内数据存假设，步进电动机总的运行参数放在 R4，转向标志存放在程 序状态寄存器用户标志储器单元 20H25H 中，26H 存放结束标志 00H。在 27H2CH 的存储单元内存放反转时 P1 端口的输出控制字 保护现场 置反转控制字地址 输出控制器 是恢复控制字首地址 恢复现场 返回 转向标志 “1” 是结束标志 总步长为零 01H，05H，04H，06H，.02H，03H，在 2DH 单元内存放结束标志 00H。根据前面 的控制程序表 2 和图（7）的控制程序控制框图，我们可以编出步进电动机正反转 及转速控制程序，其控制程序如下。 PUSH A； 保护现场 MOV R4 #N 设步长计数器 CLR C； ORL C， D5H； 转向标志为“1”转移 JC R0TE； MOV R0， #20H； 正转控制字首地址 AJMP LOOP； R0TE： MOV R0，#27H； 反转控制字首地址 LOOP： MOV A， R0； MOV P1， A； 输出控制字 ACALL DELAY； 延时 INC R0； MOV A，00H； ORL A，R0； JZ TPL； 是结束标志转移 LOOP1： DJNZ R4，LOOP； 步数不为“0” POP A； 恢复现场 TPL： MOV A， R0； CLR C； SUBB A， 06H； MOV R0，A； 恢复控制首地址 AJMP LOOP1； DELAY： MOV R2，M； DELAY1：MOV A， M1； LOOP： DEC A； JNZ LOOP； DJNZ R2，DELAY1； RET 4.2.2 光隔离光隔离电电路路 在这个步进电动机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后，控制步进 电动机的励磁绕组。由于步进电动机需要的驱动电压较高（几十伏）电流也教大 （几安到几十安）如果将 I/O 口输出信号直接与功率放大器相连，轻则影响单片机 程序的正常运行，重则导致单片机接口电路的损坏。因此，在接口电路与功率放 大器之间设计加上光隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光耦合器。光 耦合器由发光二级管和光敏晶体管组成如下图 7 所示的共集电极输出型光耦合 器。当输入信号 VI 加到输入端时，发光二极管导通激发出红外光，光敏晶体管受 光照后，由于光敏效应产生光电流，通过输出端输出，从而实现以光为媒介的电 信号传输，输入端与输出端在电气上完全隔离。 图 7 共集电极耦合器 图 8 光电隔离输出电路 上图 8 为光隔离输入与输出电路。控制信号 74LS05 集电极开路门反相后驱 动光耦器的输入发光二 极管 。当控制信号为低电平，74LS05 不吸收电流，发光 二极管不导通，从而输出的光敏晶体管截止，当控制信号为高电平，74LS05 吸收 电流，发光二极管导通发光，光敏晶体管受到激励导通。对于我们的改造设计就 采用这种光隔离电路进行控制。 4.2.3 步步进电动进电动机机驱动电驱动电路路 由于逻辑电路和单片机的输出脉冲电平很小，一般为 3V 左右电流为毫安级， 无法驱动步进电动机，而需要经过驱动电路进行功率放大。我们知道常用的驱动 电路有：单电源驱动电路、高低压双电源驱动电路和恒流斩波驱动电路。而我们 设计采用高低压双电源驱动电路 作为该系统的驱动电动。如下图 9 所示设计的 高低压双电源驱动电路。 图 9 高低压双电源驱动电路 图中 LA 为步进电动机 A 相绕组，接大功率 VT1 和 VT2 之间，VT1 为高压 管。当脉冲分配器输出低电平时，VTI 和 VT2 之间截止，LA 无电流通过。当脉冲 分配器输出高电平时，使单稳态电路翻转为高电平输出，经前置放大使 VT1 导 通，同时功率管 VT2 也导通，高压电源 Vn 经 VTI 和 VT2 加至 LA 上。此时，二 极管 VD1 因承受反向电压而截止，切断低压电路 VL，由于高压源电压很高，线 圈的电流上升很快，上升沿变陡，当电流值接近步进电动机的额定值时，单稳态 电路延时时间到 ，翻转为输出低电压，使高电压管 VT1 截止。这时，由低电压电 源 VL 供电，VT2 继续导通 LA 继续通过电流 。当脉冲分配器输出的脉冲为低电 平时，功率 VT2 截止，这时，续流二极管 VD2 续流，电流随之减少为零。 采用这种驱动电路是因为它于单电源驱动电路相比，高低压双电源驱动电 路的电流波形上升沿变陡，使步进电机的力矩和运行频率等主要性能得到明显 改善，而且驱动功率也比单电源的高；在结构上也比恒流斩波驱动电路的简单。 所以我们设计应用这种高低压双电源驱动电路来进行驱动。 4.3 8255 可可编编程控制芯片的程控制芯片的扩扩展展 MCS51 系列单片机的特点之一就是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于 简单的应用场合可以不用 I/O 口系统，但是对于复杂的应用场合就需要用 I/O 口 扩展来满足单片机运行功能的完善性。像我们设计的 C616 车床的数控化的改造 设计就有一定的复杂程度。因此，我们对 8051 单片机进行 I/O 口扩展，扩展应用 两片 8255 可编程控制芯片来达到机床控制运动功能的可靠性和完善性。 4.3.1 8255 芯片的介芯片的介绍绍 选用的 8255 芯片是 INTEL 生产的可编程输入输出接口芯片它具有 3 个 8 位的并行 I/O 口分别为 PA、PB、PC 口其中 PC 又分为高 4 位（PC7PC4）和低 4 位（PC3PC0），它们都可以使用软件编程来改变 I/O 口工作方式。因此，8255 使 用方便，通用性强，经常作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。 4.3.28051 单单片机与片机与 8255 接口接口电电路的路的设计设计 我们设计的两片 8255 芯片与 8051 直接接口电路如下图（11）所示 图10 8051扩展8255的接口电路连接图 在8051单片机的I/O口上扩展两片8255芯片，无需加任何逻辑电路，只需用 地址锁存器74LS373芯片锁存后提供就可以了。从图10中可以看出8255的片选信 号CS及口地址选择线A0，A1分别由8051的P2.6、P2.7和P0.0和P0.1经地址锁存器 74LS373锁存后提供。8255的复位端与8051 的复位端相连，都接到8051的复位电 路上。因此，我们可以从图中看出8255的A口、B 口 、C口以及控制口地址。我们 知道在实际应用系统中，必须根据外围设备的类型选择8255的操作方式，并在初 始化程序中把相应的控制字写人操作口。根据我们的设计图10可以知道两片 8255的A口、B 口 、C口以及控制口地址分别为： 8255（1）芯片： A口地址： BFFCH； B口地址： BFFDH； C口地址： BFFEH； 控制口地址： BFFFH； 8255（2）芯片： A口地址： 7FFCH； B口地址： 7FFDH； C口地址： 7FFEH； 控制口地址： 7FFFH； 对于每一片8255的C口8位中的任一位，均可以用指令来置位和复位。例如， 如果把C口的第6位PC5置1相应的字控制为00001011B=0BH，程序如下： MOV DPTR ，#07F7FH； 控制口地址DPTR MOV A，#0BH； 控制字A MOVX DPTR，A； 控制字控制口；PC5=1 由此可见，8255可编程控制接口芯片在MCS-51系列单片机中应用非常广泛， 广泛应用与外围设备，如打印机，键盘，显示器以及作为控制信息的输人输出。 所以，对于我们的设计就扩展应用两片8255可编程控制芯片进行数据传递和进 行运行控制。 4.3.3 8255芯片在芯片在设计电设计电路中的控制功能路中的控制功能 在采用的两片8255芯片中，用8255（1）的A口作为输入口，用于功能键的控制， 其中，PA0PA4口分别控制空运行、自动、手动I、手动II、和回零等功能。B口用 作输出口，其中B0B4口控制面板上的按键，分别控制启动、暂停、单段、连续、 急停等功能。PC0口用于报警显示，系统正常工作时，输出低电平，绿色灯亮；当 系统出现异常情况时，输出高电平，红色灯亮，实现报警显示功能。用8255（2）的 A口控制步进电动机，PA0PA5为输出口，用于控制Z向步进电动机和X向步进 电动机。其中，PB口的PB0PB3接键盘的安键部分；PB4PB7口接越程报警控 制电路，当床鞍或工作台在X向或Z向越程时，即向单片机输入此信号，使进给系 统停止进给工作，以保护工作台正常运行。 4.4 6264芯片的芯片的扩扩展展 图11 8051单片机片外储存器扩展 由于我们改造设计的经济型数控车床功能比较完善，对于它的I/O口的扩展 我们就