毕业设计（论文）-数控机床维修实验台故障设置模块设计.doc

南京工程学院康尼学院 本科毕业设计（论文）题目： 数控机床维修实验台故障设置模块设计班 级： K数控102 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起迄日期： 2014.22014.6 设计地点： _Graduation Design (Thesis)Module Design of CNC MachineTool Repair Experimental Station Fault SetBySupervised bySenior engineer. School of Automation Nanjing Institute of TechnologyJune, 2014摘 要本课题的设计思路是在对数控机床系统控制信号分析的基础上，根据实际中常见的一些数控机床的故障问题，针对传统的数控机床维修试验台的不足，在实验台中加入了故障设置模块。它可使实验时故障设计更加简单快捷，可以设置更多的故障。避免了传统的接线式故障设置的缺点，提高了培训的效果。本设计以AT89S52为核心控制芯片，外接一个 1602显示电路，复位电路，六个按键，时钟电路，上位机通讯电路，四十个继电器控制电路。本设计通过上位机给故障设置模块发送故障设置数据，然后由单片机处理，再控制继电器列阵的开关，从而实现多种类型、多个故障点的设置。控制结果显示在1602显示器上。本论文重点介绍了AT89S52单片机模块化设计，电流放大电路，继电器控制电路，Protel软件设计电路图，数控系统信号分析。关键词：AT89S52单片机；继电器；数控维修实验台；故障设置；模块化全套设计加扣3012250582 ABSTRACTThe design idea is based on the analysis of NC system, NC machine tools according to the failure of some problems encountered in practice, in view of the deficiency of traditional CNC machine tool repair test bench, in the experiment with fault setting module. It can make the design more simple and quick fault, fault can be set more. Avoid setting connection type fault and the shortcomings of traditional, raise training effect. This design take AT89S52 as the core control chip, an external 1602 display circuit, reset circuit, six buttons, clock circuit, communication circuit, forty relay control circuit. This design by six buttons control signal, then by processing chip, a small current signal to the photoelectric coupler amplification, through the UN283 further amplifies the signal, and then the control switch relay array. Control the result is displayed on the 1602 display. Communication circuit PC can be extended through the software of computer application, MCU control.本论文重点介绍了AT89S52单片机模块化设计，电流放大电路，继电器控制电路，Protel软件设计电路图，数控系统信号分析。This paper introduces the AT89S52 MCU module design, a current amplifying circuit, a relay control circuit, software design of Protel circuit, signal analysis of CNC system.Keywords: AT89S52 MCU; relay; NC repair experimental station; fault setting; modular南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）目 录 第一章 绪 论21.1 数控技术与数控机床21.2 数控技术与数控机床的发展历程与发展趋势31.2.1 数控技术的发展31.2.2 数控技术发展趋势31.3我国的数控技术的发展51.4数控维修培训的现状51.5选题的意义6第二章 数控机床维修实验台信号分析72.1 硬件组成72.1.1 CNC装置72.1.2 伺服系统82.1.3 输入输出设备82.1.4 机床本体82.1.5 数控机床的辅助装置82.2 数控机床维修实验平台信号分析8第三章 硬件设计93.1 硬件方案设计93.2 单片机基本系统设计103.3 复位电路设计123.4 时钟电路设计133.5 液晶显示模电路设计143.6 RSR232通讯电路163.7 继电器控制电路设计183.7.1 74HC374扩展电路183.7.2 光电耦合器213.7.3 ULN2803A达林顿管223.7.4 继电器的选择24第四章 软件设计264.1 显示程序设计264.1.1 LCD1602控制命令264.1.2 LCD1602初始化程序设计284.1.3显示程序294.2键扫描程序设计304.3通讯程序设计314.3.1 RS232协议314.3.2 继电器控制数据接收程序设计314.4继电器控制程序设计324.5 主程序设计33第五章 结 论34致 谢35参 考 文 献36附录A：硬件设计原理图与PCB图37附录B：软件程序清单40第一章 绪 论 1.1 数控技术与数控机床数控技术也叫计算机数控技术（Computerized Numerical Control 简称：CNC），它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可以通过计算机软件来完成。数控技术是制造业信息化的重要组成部分。数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序数控系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。1.2 数控技术与数控机床的发展历程与发展趋势1.2.1 数控技术的发展1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出计算机控制机床的设想。1949年，该公司在美国麻省理工学院（MIT）伺服机构研究室的协助下，开始数控机床研究，并于1952年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产，于1957年正式投入使用。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。当时的数控装置采用电子管元件，体积庞大，价格昂贵，只在航空工业等少数有特殊需要的部门用来加工复杂型面零件；1959年，制成了晶体管元件和印刷电路板，使数控装置进入了第二代，体积缩小，成本有所下降；1960年以后，较为简单和经济的点位控制数控钻床，和直线控制数控铣床得到较快发展，使数控机床在机械制造业各部门逐步获得推广。我国于1958年开始研制数控机床，成功试制出配有电子管数控系统的数控机床，1965年开始批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统（简称DNC），又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统（简称CNC）,使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置（简称MNC），这是第五代数控系统。第五代与第三代相比，数控装置的功能扩大了一倍，而体积则缩小为原来的1/20，价格降低了3/4，可靠性也得到极大的提高。80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。11.2.2 数控技术发展趋势1.高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造制造的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。2.五轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。3.智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。24.重视新技术标准、规范的建立（1）关于数控系统设计开发规范如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。（2）关于数控标准数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50年间的信息交换都是基于ISO6983标准，即采用G，M代码描述如何（how）加工，其本质特征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此，国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEPNC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC提出一种崭新的制造理念，传统的制造理念中，NC加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC程序可以分散在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC数控系统还可大大减少加工图纸（约75%）、加工程序编制时间（约35%）和加工时间（约50%）。31.3我国的数控技术的发展我国数控技术起步于1958 年,近5O年的发展历程大致可分为三个阶段:第一阶段从19581979年,即封闭式发展阶段。在此阶段,由于国外的技术封锁和我国基础条件的限制,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”“七五”期间以及“八五”的前期,即引进技术,消化吸收,初步建立起国产化体系阶段。在此阶段, 由于改革开放和国家的重视,以及研究开发环境和国际环境的改善, 我国数控技术在研究、开发和产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家“八五”的后期和“九五”期间,即实施产业化的研究,进入市场竞争阶段。在此阶段, 我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在“九五”末期,国产数控机床的国内市场占有率达5O%,配国产数控系统( 普及型)也达到了10%。目前我国一部分普及型数控机床的生产已经形成一定规模,产品技术性能指标较为成熟,价格合理,在国际市场上具有一定的竞争力。我国数控机床行业所掌握的五轴联动数控技术较成熟,并已有成熟产品走向市场。同时,我国也已进入世界高速数控机床生产国和高精度精密数控机床生产国的行列。我国现有数控机床生产厂家100多家,生产数控产品几千种以上。产品主要分为经济型、普及型和高档型三种类型。在CIMT 2003上,中国内地共展出机床700 多台,在600多台金属切削机床和近100台金属成形机床展品中,数控机床分别占75%和54%这既体现了中国机床市场的需求趋势,也反映了中国在数控机床产业化方面取得了突破性进展。虽然我国在数控产品的研究开发生产各方面有了较大的进步, 但目前我国占据市场的产品主要集中在经济型产品上,而在中档、高档产品上市场比例仍然很小,与国外一些先进产品相比,在可靠性、稳定性、速度和精度等方面均存在较大差距。与发达国家相比,我国数控机床行业在信息化技术应用上仍然存在很多不足。41.4数控维修培训的现状如今世界绝大数国家使用的CNC系统(FANUC，SIEMENS等CNC系统)，都采用封闭式体系结构设计理念进行设计，CNC数控系统生产厂家各自设计CNC系统的各软硬件结构模块，CNC系统不具有通用性，而且彼此之间不兼容。采用以上封闭式体系结构设计研制开发的CNC数控系统，尽管存在结构简单、技术成熟、产品批量大、生产成本低等优点，但随着科学技术的飞速进步，CNC数控系统市场竞争进一步加剧，明显地暴露出结构设计理念的缺陷。主要表现在以下几个方面：1各控制系统间互操作能力差，致使系统集成难度加大；操作使用不统一，导致用户培训费用增加，专用构件的大量使用，给CNC数控设备维修保养带来很大不便。2采用封闭性设计理念设计开发的CNC数控系统使扩充和修改难度加大，如果CNC数控系统出现故障，只能依靠生产厂家实施维修，而且维修保障费用高；致使数控设备生产商高度依赖系统供应商，从而无法将专门技术、工艺经验集成到控制系统中，无法生成具有创新性的CNC数控产品，不利于产品竞争力的提高。3非通用的软硬件结构限制了CNC数控系统持续开发，使系统的周期长、开发投资大、风险高、更新换代慢，难以满足数控产品科技进步的需要。4由于其封闭性，无法适应教学、科研、开发和培训的需要。尽管目前出现了很多针对专用软硬件结构CNC数控系统故障诊断的新方法和新技术，但由于封闭性和维修方法复杂性，致使维修人员无法在短时间内掌握，从而无法满足教学、开发和培训的需要。针对CNC数控系统故障诊断与维修的缺点，20世纪90年代以来，世界各国开始研制各种数控系统的故障诊断实验台，目前，数控系统的故障诊断实验台已经被广泛使用。在实际教学中，通过排查线路查找电气故障，是高职院校学生必须掌握一项技能。因此，通过设置电气故障点，不但可以提高学生的故障诊断能力，而且可以保护人员安全，避免实验装置的损坏。目前针对数控机床故障诊断与维修方法基础性原理，数控系统的组成、可靠性理论与技术及数控机床维修的基本要求等已有了一些深入的研究与探讨，但更注重理论探讨，内容没有涉及到数控机床故障诊断教学实验平台的研制开发。51.5选题的意义科学技术的发展，对机械产品提出了高精度、高复杂性的要求，机电产品趋精密复杂。产品的精度要求越来越高、更新换代的周期也越来越短，从而促进了现代制造业的发展。尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具加工等行业，用普通机床进行加工(精度低、效率低、劳动度大)已无法满足生产要求，从而一种新型的用数字程序控制的机床应运而生。这种机床是一种综合运用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等新技术的机电一体化典型产品。数控机床是一种装有程序控制系统(数控系统)的自动化机床。该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令(刀具移动轨迹信息)规定的程序。具体地讲，数控机床就是把数字化了的刀具移动轨迹的信息输入到数控装置，经过译码、运算，从而实现控制刀具与工件相对运动，加工出所需要的零件的机床。数控机床本身又是机电一体化的重要组成部分，是现代机床技术水平的重要标志。数控机床体现了当前世界机床技术进步的主流，是衡量机械制造工艺水平的重要指标，在柔性生产和计算机集成制造等先进制造技术中起着重要的基础核心作用。因此，如何更好的使用数控机床是一个很重要的问题。由于数控机床是一种价格昂的精密设备，因此，其维护与维修更是不容忽视。针对数控机床的这些特点，数控机床故障诊断维修实验台是培训、学习的有效工具。使用该装置可以使学生掌握数控机床系统控制原理，电气设计方法、元器件的选择、机床电气安装及调试、故障诊断维修、等多项实验内容，达到工业生产现场实习效果。维修实验台是由数控系统，机床电气控制接口板、主轴变频调速实验板、交流伺服驱动器及伺服电机、步进驱动及步进电机、输入输出模块、四工位刀架、故障设置模块等组成。其中的故障设置模块可通过计算机便捷灵活地提供各类故障点的设置故障转换隐蔽了，与传统的接线方式相比进一步提高了训练的效果。本课题采用开放式结构、模块化设计，既可用于教学、也可用于课程设计和实训，有利于提高学生设计数控机床电气控制系统、诊断数控设备故障的能力，使受训对象最大限度地适应和满足市场需求。6第二章 数控机床维修实验台信号分析2.1 硬件组成数控机床组主要由CNC装置、伺服系统、输入输出设备、机床本体和数控机床的辅助装置等五部分组成。2.1.1 CNC装置CNC装置是数控机床的核心部件，其主要功能是：接受输入装置送来的数字信息，经过控制软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理后，将各种指令信息输出给伺服系统。CNC数控系统提供了多种人机交互界面以供输入，比如通过交互面板现场输入、通过磁盘、光盘驱动器输入、通过RS232串口输入和传统的纸带阅读机输入等。20世纪90年代中后期以来，CNC数控系统均配置有大容量存储器RAM来存储已输入数控系统的加工程序。依托CNC数控系统显示器和键盘可实现对加工程序的编辑和修改。2.1.2 伺服系统伺服系统是数控机床执行机构的执行部分，其作用是把来CNC装置的脉冲信号转换成机床的运动，使移动部件能够精确定位或按预定的数学规律作严格的轨迹运动，最后加工出符合图纸要求的零件。其中，数控机床主轴和进给系统由CNC数控装置发出指令，通过电气或电液伺服机构实现传动。当进给轴实现联动后，便能够进行点、线、面多种方式加工。2.1.3 输入输出设备在数控机床上加工零件时，首先根据零件图纸上的零件形状、尺寸和技术条件，确定加工工艺，然后编制出加工程序，程序通过输入装置输送给机床数控系统，机床内存中的零件加工程序可以通过输出装置传出。CNC数控机床不仅可以用CNC装置上的键盘直接输入零件程序，还可以利用自动编程机，在机外完成零件程序编制，将程序记录在纸带、磁带、磁盘等信息载体上，然后传入数控装置。2.1.4 机床本体机床本体是自动完成加工的机械结构实体。包括主运动部件仅给运动部件(如工作台，刀架等)、支承部件(如床身、立柱等)，还有冷却、润滑、转位部件(如夹紧、换刀机械手等辅助装置)。依据不同零件的加工要求，有铣床、锉床、车床、磨床、电加工机床、钻床、重型机床等多种不同类型。2.1.5 数控机床的辅助装置数控机床辅助装置是数控机床必备的配套部件，用于保证数控机床的正常运行。它主要包括液压和气动装置、交换工作台、排屑装置、数控转台、数控分度头、刀具及监控检测装置等。2.2 数控机床维修实验平台信号分析数控机床维修实验台的输入输出信号大致包括五类信号。 1)开关量I/O:用于完成机床的开关量辅助功能控制以及数控系统与机床信号的交换。 2)模拟量输出:高分辨率的模拟量输出用于控制进给伺服与主轴驱动的转速。 3)位置反馈输入:用于各进给轴与主轴位置的接收、处理以及计数。 4)孚手轮输入:用于连接MPG手轮脉冲发生器。 5)通信与网络接口:通常数据装置均具有标准的RS-232接口，许多系统同时还配有 却时电流环及RS-422远程通信接口。作为选件，还可配置各种网络接口。本设计是故障设计，所以只选择开关量I/O，模拟量输出进行控制。根据以上两种信号计算出一共需要做40输出接口。第三章 硬件设计 3.1 硬件方案设计硬件部分主要由通讯电路、时钟电路、复位电路、显示电路和继电器列阵组成。CNC系统开关量信号轴电机刀架主轴继电器阵列按键显示电路复位电路时钟电路通讯电路单片机上位机图3.1硬件方案设计3.2 单片机基本系统设计本设计选择AT89S52作为核心控制芯片。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器8K 字节在系统可编程。 VCC：供电电压。GND：接地。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。7 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.3 复位电路设计在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态：这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性。只要在RST复位输入引脚上接一电容至Vcc端，下接一个电阻到地即可。对于CMOS型单片机，由于在RST端内部有一个下拉电阻，故可将外部电阻去掉，而将外接电容减至1F。上电复位的工作过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着Vcc对电容的充电过程而逐渐回落，即RST端的高电平持续时间取决于电容的充电时间。为了保证系统能够可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。上电时，Vcc的上升时间约为10ms而振荡器的起振时间取决于振荡频率，如晶振频率为10MHz，起振时间为1ms；晶振频率为1MHz，起振时间则为10ms，当Vcc掉电时，必然会使RST端电压迅速下降到0V以下，但是，由于内部电路的限制作用，这个负电压将不会对器件产生损害。另外，在复位期间，端口引脚处于随机状态，复位后，系统将端口置为全“l”态。如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器PC将得不到一个合适的初值，因此，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序。 图3.3复位电路3.4 时钟电路设计时钟电路是为单片机提供精确定时的内置电路，主要用于计时、通讯时钟发生器、时间中断源等等。电路概是外部的电路，实际上就是提供一个符合单片机要求的脉冲宽度和电平范围的复位信号，以使单片机回到初始状态重新开始，在有些电路中也同时将外围电路复位。利用芯片内部的振荡器，然后在引脚XTAL1 和XTAL2两端跨接晶体振荡器，就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟电路。外接晶振时，C6和C7的值通常选择为100pf，C6和C7对频率有微调作用，晶振谐振器的频率可选择在1.2-121MH。为了减小寄生电容，更好的保证振荡器稳定可靠性工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机引脚XTAL1 和XTAL2靠近。8图3.4时钟电路3.5 液晶显示模电路设计SMC1602A 液晶显示模块的外形尺寸：图3.5.1 1602外形SMC1602A 液晶显示模块的接口信号说明1Vss电路地9D2Data I/O2Vdd电源正极10D3Data I/O3V0LED偏压输入11D4Data I/O4RS数据选择端12D5Data I/O5R/W写读控制端13D6Data I/O6E0能使信号14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正极8D1Data I/O16BLK背光源负极图3.5.2接口信号LCD1602 液晶显示器是由字符型液晶显示屏(LCD)、控制驱动主电HD44780及其扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻、电容元件和结构件等装配在PCB板上而组成。LCD1602中，16代表每一行可以显示16个字符，02代表总共可以显示两行字符。目前市场上的字符液晶通常有14条引脚或16条引脚，16条引脚多出来的两条线是背光电源线和地线， LCD1602的管脚功能。LCD1602的Vss端需接一个电位器，用以调整流过液晶的电流，如果电流太大，会产生“鬼影”，使液晶显示有重影现象，太小则整个屏幕比较暗，常用1K的调节电位，Vdd端连接5V电源电压，Vee接地，RS为数据/命令选择，RE为读/写选择，E为使能信号，D0-D7为双向数据线，BLA为背光电源正极，BLK为背光电源负极，可分别与5V电源正负极相连。图3.5.3 SMC1602A 液晶显示模块与单片机的连接3.6 RSR232通讯电路 接口标准RS-232a.终端首先，RS-232-C标准最初是远程通信连接数据终端设备DTE(Data Terminal Equipment）与数据通信设备DCE（Data Communicate Equipment）而制定的。因此这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。但目前它又广泛地被借来用于计算机（更准确的说，是计算机接口）与终端或外设之间的近端连接标准。显然，这个标准的有些规定和计算机系统是不一致的，甚至是相矛盾的。有了对这种背景的了解，我们对RS-232C标准与计算机不兼容的地方就不难理解了。b.收发其次，RS-232C标准中所提到的“发送”和“接收”，都是站在DTE立场上，而不是站在DCE的立场来定义的。由于在计算机系统中，往往是CPU和I/O设备之间传送信息，两者都是DTE，因此双方都能发送和接收。电气特性EIA-RS-232C对电气特性、逻辑电平和各种信号线功能都作了规定。在TxD和RxD上：逻辑1(MARK)=-3V-15V逻辑0(SPACE)=+3+15V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制线上：信号有效（接通，ON状态，正电压）=+3V+15V信号无效（断开，OFF状态，负电压）=-3V-15V以上规定说明了RS-232C标准对逻辑电平的定义。对于数据（信息码）：逻辑“1”（传号）的电平低于-3V，逻辑“0”（空号）的电平高于+3V；对于控制信号；接通状态（ON）即信号有效的电平高于+3V，断开状态（OFF）即信号无效的电平低于-3V，也就是当传输电平的绝对值大于3V时，电路可以有效地检查出来，介于-3+3V之间的电压无意义，低于-15V或高于+15V的电压也认为无意义，因此，实际工作时，应保证电平在-3V-15V或+3V+15V之间。EIA RS-232C 与TTL转换：EIA RS-232C 是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。因此，为了能够同计算机接口或终端的TTL器件连接，必须在EIA RS-232C 与TTL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现这种变换的方法可用分立元件，也可用集成电路芯片。目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如MC1488、SN75150芯片可完成TTL电平到EIA电平的转换，而MC1489、SN75154可实现EIA电平到TTL电平的转换。MAX232芯片可完成TTLEIA双向电平转换。芯片介绍 MAX232MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。图3.6.1MAX232引脚图第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从11引脚（T1IN）、10引脚（T2IN）输入转换成RS-232数据从14脚（T1OUT）、7脚（T2OUT）送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从13引脚（R1IN）、8引脚（R2IN）输入转换成TTL/CMOS数据后从12引脚（R1OUT）、9引脚（R2OUT）输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。现选用其中一路发送/接收R1OUT接MCS-51的RXD, T1IN接MCS-51的TXD和T1OU接PC机的RD,R1IN接PC机的TD因为MAX232具有驱动能力,所以不需要外加驱动电路。图3.6.2MAX232与单片机连接图3.7 继电器控制电路设计3.7.1 74HC374扩展电路74HC374为三态输出的八D透明锁存器374 的输出端O0O7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，O0O7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图3.7.1（a）74HC374引脚图真值表真值表DNLEOEONHHLHLHLLXLLQ0XXLZ图3.7.1（b）74hc374真值表图3.7.1(c)374扩展电路3.7.2 光电耦合器光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。它是以光为媒介来传输电信号的器件，通常把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内。当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现了“电光电”转换。普通光耦合器只能传输数字（开关）信号，不适合传输模拟信号。近年来问世的线性光耦合器能够传输连续变化的模拟电压或模拟电流信号，使其应用领域大为拓展。光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降VF、正向电流IF、电流传输比CTR、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极-发射极反向击穿电压V(BR)CEO、集电极-发射极饱和压降VCE(sat)。此外，在传输数字信号时还需考虑上升时间、下降时间、延迟时间和存储时间等参数。光耦合器的主要优点是单向传输信号，输入端与输出端完全实现了电气隔离，抗干扰能力强，使用寿命长，传输效率高。它广泛用于电平转换、信号隔离、级间隔离 、开关电路、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。电阻只会影响到信号的电平，从示波器上看才发现对信号频率也有影响，按原来的限流120，上拉470配置的话脉冲大概是17us，这也就是在能工作的临界值。通过实验发现影响脉冲宽度的主要因素是光耦输出端的上拉电阻，上拉电阻大一点可以确定晶体管进入饱和区，但是越大脉冲宽度越窄，导致下级的单片机无法识别命令位。所以上拉电阻需要470，当然太小大概280左右晶体管不饱和，所以在满足输出低电平足够低的前提下减小上拉电阻解决了问题。 图3.7.2 光电耦合器电路3.7.3 ULN2803A达林顿管ULN是集成达林顿管IC，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列18脚封装,NPN晶体管矩阵,最大驱动电压=50V,电流=500mA,输入电压=5V,适用于TTL COMS,由达林顿管组成驱动电路。 ULN是集成达林顿管IC,内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管,它的输出端允许通过电流为200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。用户输出口的外接负载可根据以上参数估算。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动ULN2803时，上拉2K的电阻较为合适，同时，COM引脚应该悬空或接电源。ULN2803的作用：ULN2803是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。ULN2803是高耐压、大电流达林顿陈列,由8个硅NPN达林顿管组成。 该电路的特点如下: ULN2803的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路 直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。ULN2803A引脚图及功能：ULN2803A 的封装采用DIP18ULN2803A在各种控制电路中常用它作为驱动继电器的芯片，其芯片内部做了一个消线圈反电动势的二极管。ULN2803的输出端允许通过IC 电流200mA，饱和压降VCE 约1V左右，耐压BVCEO 约为36V。输出电流大，故可以直接驱动继电器或固体继电器(SSR)等外接控制器件。ULN2803可以并联使用，在相应的OC输出管脚上串联几个欧姆的均流电阻后再并联使用，防止阵列电流不平衡。在输入口输入高电平时，输出口为低电平。但是在输入端输入低电平时，输出端怎么还是低电平ULN2803A的输出结构是集电极开路的，所以要在输出端接一个上拉电阻，在输入低电平的时候输出才是高电平。在驱动负载的时候，电流是由电源通过负载灌ULN2803A的。每个驱动器的输出灌电流可达500 mA，导通时输出电压约1 V，截止时输出电压可达50 V。ULN2803的18脚为信号输入脚，依次对应的输出端为1610脚，9脚为接地端。当驱动电源电压为+12 V时，若要求数码管每段导通电流为40 mA，则每段的限流电阻为50。大数码管采用共阳极接法，低电平有效。锁存器输出的电平p521反相后，再由ULN2803放大后推动继电器。图3.7.3 ULN2803A达林顿管驱动电路3.7.4 继电器的选择电磁继电器一般由 电磁铁、衔铁、弹簧片、触点等组成的，其工作电路由低压控制电路和高压工作电路两部分构成。电磁继电器还可以实现远距离控制和