小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置设计.doc

课程设计（论文）任务书课程名称： 专业综合设计2 _ 学院： 机械学院 班级： 机电07-4 一、题目小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置设计二、目的与意义专业综合设计2课程设计是机械设计制造及其自动化专业实践性非常强的教学环节之一，是机械类高年级学生综合应用基础课、技术基础课、专业课等知识体系，将机械、驱动、传感及计算机控制有机地集成融合在一起，独立设计一种具有特定功能的机电装备。通过本次课程设计，培养学生运用所学机电装备设计课程的知识，对典型机电装备的工作原理、组成要素及核心技术问题的分析能力；培养学生用机电装备设计的知识及相关知识体系，掌握如何将机械和电气驱动、检测技术和计算机控制融合在一起，如何构成一种性能优良、工作可靠及结构简单的机电装备的一般设计方法和规律，提高设计能力；通过设计实践，熟悉设计过程，学会正确使用资料、正确使用图书特别是电子图书资源、网络资源，查阅技术文献、设计计算、分析设计结果及绘制机械、电气图样，在机电一体化技术的运用上得到训练；通过课程设计的全过程，为学生提供一个较为充分的设计空间，使其在巩同所学知识的同时，强化创新意识，在设计实践中深刻领会机电装备设计的内涵。 三、要求（包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等） 技术参数1、主轴箱垂直提升行程：400； 2、主轴箱尺寸：长宽高400300200； 3、主轴箱总重： 800N； 4、最高运行速度：步进电机运行方式： 空载：0.6m/min; 切削：0.2m/min；交流伺服电机运行方式：空载：8m/min;切削：2m/min；5、系统分辨率：开环模式0.01mm/step；半闭环模式 0.005mm/step；6、系统定位精度：开环模式0.10mm；半闭环模式 0.01mm；7、切削负载：X向400N；Y向600N；Z向1000N设计要求1、实现垂直平稳升降，具有快速升降功能；2、用步进电机或交流伺服电机作驱动元件；3、工作时离合器脱开，主轴不工作时，离合器锁死，主轴箱停在任意位置；4、具有行程越位报警功能；5、采用滚动导轨块作支承；6、具有断电锁紧功能。图纸量和工作量要求1、机械总装配图在CAXA环境下绘制主轴箱升降制动装置设计的结构图，并进行详细修改和设计，最后用A1号图纸打印输出。2、硬件电路图控制芯片可采用8031、80C31或基于PLC的运动控制技术，在Protel 99环境下，进行控制电路图的设计，电路图幅为A2A1为宜。3、设计说明书要严格按照内蒙古工业大学课程设计（论文）说明书书写规范认真撰写，说明书不少于6000字。四、工作内容、进度安排 1、总体设计分析、确定方案、设计计算- -0.5周2、机械部分结构设计、装配图绘制-1.0周3、硬件电路设计-0.5周4、撰写说明书-5天5、答辩-2天五、主要参考文献1 林述温等. 机电装备设计M.北京：机械工业出版社，2002.2 机床设计手册组.机床设计手册（三分册）M.北京：机械工业出版社，1986.3 王爱玲.现代数控机床结构与设计M.北京：兵器工业出版社，1999.4 尹志强等.机电一体化系统设计课程设计指导书M.北京：机械工业出版社，200975 滚珠丝杠、线性滑轨OL. 汉意精工.6 滚珠丝杠、线性滑轨OL.天津海特传动机械有限公司.7 步进电机及驱动器OL.北京斯达微步控制技术有限公司.8 步进电机及驱动器、交流伺服电机及系统OL.步进机电有限公司.9 伺服电机相关技术、直线运动产品、光电传感器OL.深圳市湘聚事业有限公司，10 RORZE高精度步进电机及驱动器OL.北京伟恒升级团.11 步进联轴器，编码器联轴器，微型电机联轴器OL.广州菱科自动化设备有限公司：12 日本富士、美国Copley等交流伺服电机OL.重庆钧智自动化仪器控制有限公司13 山东博特精工股份有限公司：/index.asp14 台达交流伺服电机等. OL. 台湾电子工业股份有限公司:.tw/审核意见系（教研室）主任（签字） 指导教师下达时间 2009 年 12 月 21 日指导教师签字：_摘 要小型数控卧式镗铣床主轴箱沿着X轴升降。数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的升降系统、平面绘图仪的绘图系统等,尽管结构和功能各不相同,但基本原理相同。机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。本文通过对小型数控卧式镗铣床主轴箱的机械系统、控制系统及接口电路的设计,阐述了机电一体化系统设计中共性和关键的技术。 本说明书简要明确的说明了小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置设计的过程及内容，包括机械传动系统和电气控制系统的设计，其中机械传动系统部分包含了确定系统脉冲当量和切削力，滚珠丝杠螺母副的计算和选型，电机的计算和选型。本次课程设计，主要设计和研究小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置及其电气原理图。确定小型数控卧式镗铣床主轴箱升降的传动系统，并且选择了螺旋传动，验算了螺旋传动的刚度、稳定性，寿命等参数；还设计了导轨，根据其用途和使用要求，选择了直线滚动导轨副，确定了其类型、转动力矩、转动惯量。利用8031、6264、2764、373、8155、8255等MCS51单片机设计其硬件电路图。关键词：滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨副；步进电机；MCS51单片机25内蒙古工业大学专业综合设计说明书目 录第一章 总体设计方案31.1系统运动方式的确定与驱动系统的选择31.2机械传动方式31.3电气控制系统方案设计3第二章 主轴箱升降进给伺服系统设计计算42.1 确定系统脉冲当量42.2 确定系统切削力42.3 滚动导轨副的计算和选型42.3.1 滚动导轨副的额定寿命52.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选型62.4.1滚珠丝杠螺母副的计算62.5 联轴器的选型102.6 步进电机变速箱的选用102.7 步进电机的计算与选型112.7.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 112.7.2初选步进电动机112.7.3步进电动机最大静转矩的选定142.7.4步进电动机的性能校核142.7.5起动频率的计算15第三章 微机数控系统硬件电路设计163.1 计算机系统163.2 单片微机数控系统硬件电路设计内容163.2.1 绘制电气控制系统框图163.2.2 选择CPU的类型173.2.3 存储器扩展电路的设计173.2.4 I/O接口电路设计183.3 各类芯片简介183.3.1 8031芯片简介183.3.2 373芯片简介183.3.3 6264芯片简介193.3.4 2764芯片简介193.3.5 8155芯片简介193.3.6 8255芯片简介193.4 存储器扩展电路设计203.4.1 程序存储器ROM的扩展203.4.2 数据存储器RAM的扩展203.4.3 译码电路的设计213.5 I/O接口电路的设计213.5.1 8155通用可编程接口芯片213.5.2 8255可编程接口芯片223.5.3 键盘显示接口电路223.6 8031的时钟电路233.7 复位电路233.8 越界报警电路243.9 掉电保护电路243.10 控制系统的功能243.11 控制系统的工作原理24参考资料26第一章 总体方案设计1.1 系统的运动方式与驱动系统的选择为了实现镗铣床主轴箱升降和制动，运动定位、暂停、急停等功能，故选择连续控制系统。考虑到对工作台实际位移的检测，补偿系统的误差，故采用半闭环控制系统，利用交流伺服电机进行驱动。半闭环控制系统如图1-1所示。驱动单元步进电机执行部件 图1-1开环环控制系统 1.2 机械传动方式为了实现设计要求的分辨率，采用步进电机传动丝杠。为了保证一定的传动精度和传动平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为提高传动刚度和消除传动间隙，采用有预加负荷的结构。1.3电气控制系统方案设计单片机方案根据设计要求，采用8位微机。由于MCS51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强，高性价比等特点，故采用MCS51系列的8031、80C31、8086、DSP、基于DSP的运动控制芯片，ARM嵌入式微处理器技术。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。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。小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置电气控制系统单片机方案设计如图1-2所示。图1-2 小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置电气控制系统单片机方案第二章 主轴箱升降进给伺服系统设计计算伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的脉冲当量、区定系统的负载、运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服（步进）电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图等。现分述如下：2.1 确定系统脉冲当量一个进给脉冲，使运动部件产生的位移量，称为脉冲当量。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。根据设计要求，二维运动平台采用的脉冲当量是0.01mm/step。2.2 确定系统切削力根据设计要求，机床的切削负载为：X向400N；Y向600N；Z向1000N。2.3 滚动导轨副的计算和选型目前，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（0.00250.005）；动、静摩擦系数很接近，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，精度保持性好，低速运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高，故选滚动导轨。滚动导轨的设计包括选择结构形式，确定预紧方式，计算和确定几何参数。2.3.1滚动导轨副的额定寿命1）作用于滚动直线导轨副工作载荷的计算工作载荷是影响导轨副使用寿命的重要因素。对于升降工作台，多采用双导轨、四滑块的支承结构。常见的工作台滑块间距分布图及受力情况如图2-1所示。图2-1导轨副滑块间距分布图及受力情况采用双导轨，四滑块的支撑形式。考虑最不利的情况，即垂直于工作台的最大垂直方向载荷为：查表3-41，根据工作载荷,初选直线滚动导轨副的型号为KL系类的JSA-LG15型，其额定载荷Ca=7.94KN,额定静载荷Coa=9.5KN,选取导轨长度640mm。2）滚动直线导轨副额定寿命L的计算 上述选取的KL系列TSA-LG15型导轨副的滚动导轨硬度60HRC,工作温度不超过600，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低载荷不大。式中：硬度系数，=1.0；温度系数，=1.00；接触系数，=0.81;精度系数，=0.9；运转系数，按一般运转取=1.21.5，计算取1.5；带入数据 得 L=1047KM远远大于期望值50KM，故距离额定寿命满足。2.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选型滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠螺母副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。2.4.1 滚珠丝杠螺母副的计算1）计算进给牵引力作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力，其数值大小和导轨的型式有关。选用综合导轨，则进给牵引力：式中：K考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.1；u导轨上的摩擦系数，随导轨型式而不同。滚动导轨数值在0.00250.005之间，取0.005；主轴箱总重。主轴箱配重，。代入数据 得 Fm=607N。2）最大动负载FQ计算选用滚珠丝杆副的直径时，必须保证在一定轴向负荷作用下，丝杠在回转15000h后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负荷的最大值即为该滚珠丝杠能承受的最大动负荷FQ。丝杆转速 =200/4=50(r/min)丝杆寿命系数（以转为1单位） 最大动负荷 式中：丝杠轴向当量负载；最大切削力下的进给速度（m/min），可取最高进给速度的300m/s；滚珠丝杠导程，=4mm；硬度系数，取1.0；载荷系数，按一般运转取=1.21.5，计算取1.2；滚珠丝杆的使用寿命，取15000h；所计算出来的最大动负荷应小于滚珠丝杆的额定动载荷。验证所初步选择的滚珠丝杠螺母副是否符合要求。（3）初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列20043型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20mm，导程为4mm，循环滚珠为3圈X 1列，精度等级取5级，额定动载荷为5243N，大于FQ，满足要求。（4）传动效率 滚珠丝杠螺母副的传动效率一般在0.80.9之间，由下式计算。 =95.5% =arctanPh/（d0）= 364式中：公称直径d0=20mm，导程为Ph=4mm丝杠螺旋升角；摩擦角，滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数=0.0030.004，其摩擦角约等于。(5）系统刚度验算滚珠丝杆副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动平稳性。因此，应考虑以下引起轴向变形的因素：丝杠的拉伸或压缩变形量、滚珠与螺纹滚道间接触变形。主轴箱升降进给滚珠丝杠副的支承方式草图如图2-2所示。卧式镗铣床的主轴箱升降的滚珠丝杠副的支承采用“一端双推-端游动。丝杠一端为双向推力球轴承一端深沟球轴承。上下两支承德中心距离L=500mm丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的1/3，选择波形管防护装置。图2-2 主轴箱升降进给系统计算简图式中：E刚的弹性惯量，取；丝杠低径，查表3-31得17.1mm；滚珠直径，查表3-31得2.381mm;S丝杠截面积，取;式中：丝杠预紧力， Z单圈滚珠数，由与该型号为单螺母，滚珠圈数列数 为31 所以滚珠总数为64。根据以上计算得到滚珠丝杠的总体变形量：在此次设计中,丝杠有效行程为400mm,由表3-27知，五级精度滚珠丝杠有效行程在315-400mm之间时，行成误差可达25m，可见，丝杠刚度足够。6）稳定性校核滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负荷时，应验算其是否产生弯曲失稳现象。产生失稳的计算临界负载=1189N式中 丝杠材料弹性模量，钢：；截面惯性矩，丝杠：，为丝杠螺纹的底径；丝杠两支承端距离；丝杠支承方式系数，由机电一体化系统设计课程设计指导书P42表3-34查取。故丝杠不失衡，是稳定的。2.5 联轴器的选型选挠性联轴器型号为：SRL.65C L=55, A=452.6步进电机变速箱的选用根据式 i=（Ph）/（360）=1 脉冲当量，取0.01mm/脉冲；Ph滚珠丝杠的导程，取4mm；初选步进电机的补距角，取0.9；由于传动比为1，丝杠可与联轴器直接相连，不需减速箱。2.7 步进电机的计算与选型2.7.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 Jeq 已知：滚珠丝杠的公称直径d0=20mm，总长l=600mm，导程Ph=4mm，材料密度=7.85 X 10-3Kg/cm2；移动部件总重力G=800N，传动比i=1.滚珠丝杠的传动惯量 JS=mjD28=0.764Kgcm2主轴箱折算到丝杠的传动惯量JW=（Ph2）2mi=0.331Kgcm22.7.2初选步进电动机初选步进电动机型号为90BYG2502，为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时步距角为0.9，查的该型号电动机转子的转动惯量Jm=4Kg cm2。则加在不仅电动机转轴上的总转动惯量为：Jeq=Jm+JW+JS=5.095Kgcm2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq 分快速空载启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。1.快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1包括三部分：一部分是快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩Tamax；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。因为滚珠丝杠副传动效率很高，T0相对于Tf和Tamax很小，可以忽略不计。则有Teq1=Tamax+Tf考虑传动链的总效率，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： Tamax= 2Jeqnm60ta 1式中 nm 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min； ta 步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时间，单位为s。 其中： nm=Vmax360式中 Vmax 空载最快移动速度，任务书指定为600mm/min； 步进电动机步距角，预选电动机为0.9； 脉冲当量，本例=0.01mm/脉冲。将以上各值代入，算得nm=200r/min设步进电动机由静止到加速至nm转速所需要时间ta=0.4s，传动链总效率。则： Tamax= 2Jeqnm60ta 1=0.021Nm移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： 式中 导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.005； FZ 垂直方向的铣削力，空载时取0； 传动链总效率，取0.7。得： 0.002Nm最后，求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： Teq1=Tamax+Tf=0.023Nm2.最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf；还要有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0，T0相对于Tf和Tt很小，可以忽略不计。则有： Teq2=Tt+Tf其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载 Tt=FfPh2i=0.94Nm 承受最大工作负载情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： Tf=（Fx+Fz)Ph2i=0.004Nm最后，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩应为： Teq2=Tt+Tf=0.944Nm经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为： Teq=maxTeq1，Teq2 = 0.944Nm2.7.3 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据Teq来喧杂步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数K = 4，则步进电动机的最大静转矩应满足： Tjmax4Teq = 3.766Nm 上述初选的步进电动机型号为90BYG2502，查的该型号电动机的最大静转矩Tjmax=6Nm。可见，满足要求。2.7.4 步进电动机的性能校核 最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定的最快工进速度Vmaxf=。200mm/min，脉冲当量=0.01mm/脉冲，求出电动机对应的运行频率从90BYG2502电动机的运行矩频特性曲线图可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩，远远大于最大工作负载转矩Teq2=0.944Nm，满足要求 最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定最快空载移动速度，求出电动机对应的运行频率。用差补法求得在此频率下，电动机的输出转矩，大于快速空载起动时的负载转矩 Teq1=0.023Nm，满足要求。 最快空载移动时电动机运行频率校核 最快空载移动速度对应的电动机运行频率1000Hz，查表可知 90GBY2502电动机的空载运行频率可达20000Hz，可见没有超出上限。2.7.5 起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量 Jeq=5.095Kgcm2，电动机转子的转动惯量Jm=4Kgcm2电动机步带任何负载时的空载起动频率fq=1800Hz。则可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率： 上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1192Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选更低，通常只有100Hz。综上所述，本例中选用的90BYG2502步进电动机，完全满足设计要求。第三章 微机数控系统硬件电路设计3.1 计算机系统微机数控系统由CPU，存储器扩展电路，I/O接口电路，驱动电机驱动电路，检测电路等几部分组成。微机是数控系统的核心，其他装置都是在微机的指挥进行工作的。系统的功能和系统中所用的微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度。字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算精度。字长较长的计算机，价格显著上升，而字长较短的计算机，要进行双字长和三字长的运算，就会影响速度，根据机床要求，综合考虑采用8位微机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰能力强，具有很高的性价比特点，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分，键盘、显示器、I/O接口及光电隔离电路，步进电机功率放大电路等几部分组成。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LED显示器。32 单片微机数控系统硬件电路设计内容3.2.1 绘制电气控制系统框图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的运行。 驱动器RAMROMCPUI/O接口外 设键盘、显示器及其它驱动器步进电机图 3-1 机床数控系统硬件框图（半闭环系统）机床硬件电路图由以下几部分组成：1.主控制器，即CPU2.总线，包括数据，地址，控制总线3.存储器 ROM，RAM4.接口，即I/O接口电路5.外设，如 键盘，显示器及光电输入机等。3.2.2 选择CPU的类型目前在经济型数控机床中，推荐采用MCS-51系列单片机作为主控制器3.2.3 存储器扩展电路的设计存储器扩展电路应该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，要考虑CPU与EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量问题存储器扩展电路设计包括程序存储器和数据存储器的扩展。3.2.4 I/O接口电路设计此次设计内容包括接口芯片的选用，步进电机控制电路，键盘显示电路以及其他辅助电路的设计（例如复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等）3.3 各类芯片简介3.3.1 8031芯片简介Vss：接地VCC：+5伏电压XTAL1：内部振荡电路反向放大器输入端XTAL2：内部振荡电路反向放大器输出端RST/VPD：复位/备用电源ALE/PROG：锁存/接收编程脉冲PSEN：外部程序存储器读选通信号输出端EA/VPP：EA为内部程序存储器和外部程序存储起选择端，对于8031始终保持低电平；VPP为在EPROM编程期间加21伏编程电压P0.0P0.7：在访问外存时，分时传送低8位地址和数据总线P1.0P1.7：8位准双向I/O口，每一位都可作为可编程的输入或输出线P2.0P2.7：8位准双向I/O口，访问外存时输出高8位地址P3.0P3.7：8位准双向I/O口及第二功能口 3.3.2 373芯片简介 D0D7： 数据输入端Q0Q7： 数据输出端LE ： 锁存信号输入端OE ： 锁存信号输出端 3.3.3 6264芯片简介A0A12： 地址线I/O0I/O7：双向数据线CE1：片选线1CE2：片选线2WE： 写允许线OE： 读允许线 3.3.4 2764芯片简介A0A12：地址线I/O0I/O7：数据输出线CE： 片选线OE： 数据输出选通线PGM：编程脉冲VPP：编程电压 3.3.5 8155芯片简介AD0AD7：地址数据总线RESET：由8031提供复位信号CE：CE=0时，器件才允许被启用IO/M：当IO/M=1时，选择I/O口电路；当I/O=0时，选择存储器ALE：接8031ALERD：为主机发来的读信号输入端WR：为主机发来的写信号输入端 3.3.6 8255芯片简介RESET：由CPU提供复位信号CS：片选信号RD：为主机发来的读数脉冲输入端WR：为主机发来的读数脉冲输入端A1、A0 ：端口选择信号 3.4 存储器扩展电路设计 MCS-51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑，对简单的应用场合MCS-51系列的最小系统用一片8031外扩一片EPROM就能满足功能的要求。对于复杂的应用场合，可利用MCS-51的扩展功能，构成功能强，规模大的系统。3.4.1 程序存储器ROM的扩展MCS-51的程序存储器的寻址空间为64K B。8031不带ROM，用作程序存储器的器件是EPROM。（1）、16位地址总线的扩展由于P0口分时传送低字节地址和数据，所以接入74LS373锁存器，8031的ALE接373的LE，373的OE接地，使373常输出。74LS373的输出口Q与P2口一起扩展出16位地址总线AB，其高三位A13、A14、A15分别与138的A、B、C引脚相连。(2）、地址线的连接根据设计要求，需要扩展两片2764。两片2764的地址线分别与地址总线AB相连。(3）、数据线的连接两片存储器的8位数据线分别与数据总线DB按位依次相连。(4）.控制线的连接8031PSEN与EPROM的OE相连；8031的EA接地；2764（1）的OE与138 Y0相连，2764（2）的OE与138 Y1相连。3.4.2 数据存储器RAM的扩展由于8031芯片内部RAM只有128字节，远不能满足系统的需要，需扩展片外的数据存储器RAM，选择6264芯片即可满足设计要求。6264的连接和2764大致相同，唯控制信号线的连接不同；6264的OE，WE与8031的RD，WR相连，CE与138的Y1相连，CE2高电平有效。3.4.3 译码电路的设计8031单片机允许扩展64K ROM和64K RAM（包括I/O借口芯片）(1）、MCS-51单片机应用系统中的地址译码规则第一：ROM与RAM独立编址ROM地址和RAM地址可以重叠使用，都从0000HFFFFH。地址的重复靠片选信号和控制信号区分。第二：外围I/O与RAM、ROM的统一编址 外围I/O不仅占用RAM的单元，而且使用RAM的读/写指令，本次课程设计采用统一编址。 (2）、地址译码法常用地址的译码方法有线选法和全地址译码，在这里选择全地址译码。对于容量较大的的系统，扩展的外围芯片较多，芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，就需要用全地址译码的方法。通常采用3-8译码器（74LS138）。输入端占用3根最高地址线，剩余的13根低位地址线可作为片内的地址线。74LS138译码器的8根输出线分别对应8个8K字节的地址空间。3.5 I/O接口电路的设计8031单片机共有4个8位并行I/O口，但可供用户使用的只有P1口和部分P3口，因此在大部分应用系统中都需要扩展I/O口芯片，本扩展系统采用8155和8255芯片。3.5.1 8155通用可编程接口芯片8155是可编程的RAM/IO扩展接口电路。（256个RAM单元，2个8位口，1个6位口，1个14位的定时/计数器）(1）、8155的工作方式8155 I/O口工作方式选择通过对8155内部命令寄存器设定命令控制字实现。(2）、状态查询8155有一个状态寄存器，用于锁存I/O口和定时器的当前状态，供CPU查询用。C/S寄存器共用一个地址。命令寄存器只能写入不能读出；而状态寄存器只能读出不能写入，所以可以认为。CPU读该地址时，作为S寄存器，相反则作为C寄存器。(3）、8155的定时功能8155芯片内有一个14位减法计数器，可对输入脉冲进行减法计数。外部有定时引脚TIMERIN和TIMEROUT。(4）、8031和8155的接口8155芯片可以直接和MCS-512系列单片机连接，不需要任何外加逻辑电路。通常用P2口的高位地址线作为8155芯片的片选信号及IO/M的选择信号。8031的P2.0于IO/M连接。由于8155内部有地址锁存器，所以8031的ALE端可以和8155的ALE端直连，利用8031的ALE的信号的下降沿锁存8031P0送出的低8位地址信息。相应的读写信号也直接相连。 3.5.2 8255可编程接口芯片8255是INTER公司开发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口又分为高4位和低4位，他们都可以通过软件编程来改变I/O口的工作方式，8255可与8031直接连接。（1）、8255的三种工作方式方式0：基本输入输出方式方式1：应答式输入输出工作方式方式2：应答式双向输入输出工作方式（仅A0口可选此种方式，此时C口的PC7PC3五位作为其应答信号使用。（2）、8031和8255的接口连接无需任何外加逻辑电路，直接连接即可。138的Y2接CS，373的Q1，Q2分别接A0，A1。3.5.3 键盘显示接口电路（1）、显示器工作原理数控系统中使用的显示器主要有LED和LCD也有采用CRT的。这里采用LED显示器，一般分为共阳极显示和共阴极显示，共阳极显示的段码与共阴极显示的段码是逻辑非的关系。通常显示器采用动态显示，调整电流和时间参数，可实现高亮度较高较稳的显示。这里采用的是7位共阴极的显示器和8155的接口。8155的B口作为扫描口。经反向驱动器74LS04接显示器的公共极，A口作为段选数据口，经同相驱动器7407接显示器的各个极。 （2）、键盘接口原理当键盘上没有键闭合时，所有的行线和列线都断开，行线都呈高电平，当键盘上某一键闭和时，则该键所对应的行线列线短路。如果把行线接到微机的输入口，列线接到微机的输出口，则在微机的控制下，先使第一列线为低电平，其余列先都为高电平，然后微机通过输入口读行线的状态，如果行线都为高点平，则第一列上没有键闭合，如果读出的行线不全为高电平，则输入为低电平的行线合第一列相交的键处于闭合状态；如果第一列上没有键闭合，接着使列线的第二列为低电平，其余列线为高电平，用同样的方法检查第二列上有无键闭合，依次类推，这种逐行逐列地检查键盘状态的过称为对键盘的一次扫描。 （3）、利用8155芯片实现键盘显示器接口在单片机应用系统中，同时需要使用键盘和显示器，常常把键盘和显示器做在一起，以节省I/O线键盘的列线及LED显示器的字位控制共用8155的B口，是输出口。键盘的行线由8155C口担任，是输入口，显示器的段选由8155的A口担任，是输出口。原理图中74LS04位反向驱动器，7404为同向驱动器。3.6 8031的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生。即内部方式和外部方式。内部方式利用芯片内部振荡电路在XTAL1，XTAL2引脚上外接定时元件。采用外部方式时把XTAL1接地，XTAL2接外部时钟