拉伸试验机数控改造驱动电路的设计【4张图纸】【优秀】
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拉伸试验机数控改造驱动电路的设计
41页，13000字数+说明书+任务书+4张CAD图纸【详情如下】
拉伸试验机数控改造驱动电路的设计说明书.doc
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程序框图.dwg
装配图.dwg
轴承端盖.dwg
齿轮.dwg
目 录
摘 要2
第一章概 述3
1.1拉伸试验机的应用3
1.2拉伸试验机采集系统的特点与要求3
第二章 机械总体设计5
2.1.方案选择5
2.2 结构总体设计7
2.3 参数的确定8
2.4 电机的选择9
第三章机械部分的设计计算10
3.1 丝杠的选择10
3.2 联轴器的选择——《机电液手册》13
3.3 减速器的选择16
3.4 齿轮传动的设计17
3.5 同步带的设计22
第四章 控制部分硬件设计26
4.1 主控制器的CPU的选择26
4.2 存储器扩展电路设计30
（2）地址锁存器74LS37330
（3）程序存储器的扩展30
4.2.2 MCS-51单片机应用系统中的地址译码31
4.2.3 I/O口扩展电路设计31
（1）8155引脚及说明31
（2）工作方式的设定31
（3）状态查询32
（4）定时功能32
（5）8155与8031的连接方法32
（6）8255A可编程外围并行接口芯片引脚32
4.3驱动电路的设计33
4.4 传感器的选择33
4.5 其它辅助电路的设计34
第五章 系统控制软件的设计37
5.1系统软件设计包含内容37
5.2软件的设计说明及程序清单：37
第六章设计总结41
参考书目42
摘 要
本次毕业设计的题目是拉伸试验机系统改造。主要任务是在旧的拉伸试验机的基础上进行改造，采用数字控制方式，进行拉伸试验，这样既减少了工作人员的工作量，又可以更加精确的完成试验目的。
由于材料拉力试验机应用广泛，经过调查研究分析现有产品，决定设计和改造方案。在本次设计中，主要是设计拉伸试验机系统改造，在这个设计中共分两个部分设计：一部分是机械部分，另一个是控制部分。在机械设计里，主要设计夹具和丝杠以及传动部分，其主要要求是保证其精度。在控制部分的设计中，用OMRON系列PLC来控制拉伸实验机，从而控制丝杠转角及采集拉力。
关键词 拉伸试验机 精度 丝杠 可编程控制器
Abstract
The subject of graduation design is numerical control material pull experiment. That main assignment adopts numerical control quomodo is to alterated and pull experiment in the foundation of traditional pull experiment. It can be reduced the amount of workload of missionary and experimentcal assignment is precision completed.
Due to material pull experiment. large-scale apply, electrocircuit alysing existing production by investigation, I draw out design and alterate scheme.In the design , the system of pull experiment alterate by design. there are two part of design :the one part is machine the other is part of design .In the machine design, I main design clamp and sigang. the mostly requirement is keeping its precision. the design on the part of control, Controls the stretch testing aircraft with OMRON series PLC, thus control guide screw corner and gathering pulling force.
Keywords material pull experiment precision guide
Programmable controller
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目 录摘 要2第一章概 述31.1拉伸试验机的应用31.2拉伸试验机采集系统的特点与要求3第二章 机械总体设计52.1.方案选择52.2 结构总体设计72.3 参数的确定82.4 电机的选择9第三章机械部分的设计计算103.1 丝杠的选择103.2 联轴器的选择机电液手册133.3 减速器的选择163.4 齿轮传动的设计173.5 同步带的设计22第四章 控制部分硬件设计264.1 主控制器的CPU的选择264.2 存储器扩展电路设计30（2）地址锁存器74LS37330（3）程序存储器的扩展304.2.2 MCS-51单片机应用系统中的地址译码314.2.3 I/O口扩展电路设计31（1）8155引脚及说明31（2）工作方式的设定31（3）状态查询32（4）定时功能32（5）8155与8031的连接方法32（6）8255A可编程外围并行接口芯片引脚324.3驱动电路的设计334.4 传感器的选择334.5 其它辅助电路的设计34第五章 系统控制软件的设计375.1系统软件设计包含内容375.2软件的设计说明及程序清单：37第六章设计总结41参考书目42摘 要 本次毕业设计的题目是拉伸试验机系统改造。主要任务是在旧的拉伸试验机的基础上进行改造，采用数字控制方式，进行拉伸试验，这样既减少了工作人员的工作量，又可以更加精确的完成试验目的。由于材料拉力试验机应用广泛，经过调查研究分析现有产品，决定设计和改造方案。在本次设计中，主要是设计拉伸试验机系统改造，在这个设计中共分两个部分设计：一部分是机械部分，另一个是控制部分。在机械设计里，主要设计夹具和丝杠以及传动部分，其主要要求是保证其精度。在控制部分的设计中，用OMRON系列PLC来控制拉伸实验机，从而控制丝杠转角及采集拉力。 关键词 拉伸试验机 精度 丝杠 可编程控制器AbstractThe subject of graduation design is numerical control material pull experiment. That main assignment adopts numerical control quomodo is to alterated and pull experiment in the foundation of traditional pull experiment. It can be reduced the amount of workload of missionary and experimentcal assignment is precision completed. Due to material pull experiment. large-scale apply, electrocircuit alysing existing production by investigation, I draw out design and alterate scheme.In the design , the system of pull experiment alterate by design. there are two part of design :the one part is machine the other is part of design .In the machine design, I main design clamp and sigang. the mostly requirement is keeping its precision. the design on the part of control, Controls the stretch testing aircraft with OMRON series PLC, thus control guide screw corner and gathering pulling force. Keywords material pull experiment precision guide Programmable controller 第一章 概 述为了使我们把学到的知识能够灵活的运用，安排了此次机械工艺课程设计。目的是通过此次设计，能够为将来的工作打下一个良好的基础，我们尽力搞好此次设计。 但是，由于水平有限，缺乏实际经验，时间有限，知识掌握不够全面，因此此次设计中难免有许多不足之处，望老师见谅。当然本次设计更得到了李任江老师的悉心指导，还有其他老师同学的帮助，才的以顺利完成设计，在此对大家表示感谢！ 由于材料拉力试验机应用比较广泛，所以应该大量比较和分析现有产品，综合后，决定设计和改造方案。目前应用得试验机工作力在100KN以下的多采用机械传动。100KN以上的多采用液压式传动。现在本校试验室有两台液压式万能试验机。由于老式液压材料拉力试验机的功能和原理都差不多，所以将本校试验室的材料试验机作为改造和参考的对象。原机在拉伸（压缩）材料后能自动画出金属试验数据图。1.1 拉伸试验机的应用 在各种材料的产品质量检验、生产过程质量控制、材料科学研究及教学试验中，都必须应用试验机进行力学性能测试。拉伸试验机在我国的钢铁、建材、冶金、化工等行业被广泛应用。目前，估计国内已拥有数万台国产及进口的各类试验机，大多数为手工控制、操作，主要用于原材料检验、质量监督检验、质量控制及教学，担负着材料或产品的常规力学性能测试。所以，研制一台适用于设计要求，改造后的机床能自动输出相应数据。同时也为材料用户的数据共享提供一种经济、快捷的途径和手段，显得很必要，具有良好的经济效益和社会效益。1.2拉伸试验机采集系统的特点与要求 对于本次拉伸试验机的设计，必须配置电测传感器，通常有3种：用于测定力值的压力传感器或测力传感器；用于测定式样变形的变形传感器；用于测定机器横梁移动量的位移传感器。本文采集的主要是拉力数据的采集；因此，只使用了拉力传感器。测试过程中，操作人员可以一边观察侧一边用拉力传感器反映的力值进行数据采集和处理测试结果。通过此次系统改造后的试验机，相对来说，测量精度明显提高，并能自动记录被测试材料的最大拉力、钢材的屈服点参数等。 要求如下： 数字显示试验里及峰值等，示值精度为 并能方便验定； 实时记录曲线； 具有抗拉强度的峰值自动保存功能； 具有屈服强度等参数自动判断功能； 系统适合于长期连续运行； 测试数据及相关数据机内掉电保存，以备查用；可单独使用，也可与上位联机使用。42第二章 机械总体设计2.1.方案选择 方案的选择是为了更好的对拉伸实验机系统改造和设计，方案的选择将直接影响到设计的好坏。对此，我提出三种方案进行对比，以致于选出最好的方案，达到最佳的设计结果。2.1.1 方案列举： 方案一：采用齿轮丝杠传动，电机安装在底座箱体外面。 图2.1方案二：采用单丝杠传动，用电机直接驱动。 图2.2方案三：采用同步齿形带传动，动力源为直流伺服电机，由于它的低速性不好，所以要加减速装置。 图2.32.1.2 各方案总体分析方案一： 优点是两丝杠旋向相反，可消除扭转力的副作用，但左旋丝杠的加工困难造价较高。又由于减速部分采用多级齿轮传动，使得成本增加。为了安装方便放在下边的旋转编码器应改在上边，除丝杠外又增加了两个光杠，使得成本增加，所以不合理。方案二： 由于电机只带动一个丝杠，横梁还需严另一个光杠上下移动。这样增加了扭转力矩，相应就要增加电机的功率。造成浪费，而且应变片贴在试样上，操作不方便且试样断裂后对应变片可能有损伤，所以不合理。方案三： 为了降低成本，克服液压系统的缺点，更为了提高系统的操作自动化程度，将系统定为电气控制，且是机械传动。此方案克服前两个方案的缺点，且结构简单，成本低，所以较合理。工作过程及机械原理如下： 由电机带动一级减速器，再经过一级传动带带动两根丝杠。此处选择减速器是为了减少设计量。用带传动是为了降低成本。保证两根丝杠同步，传送带选用齿形带。丝杠带动螺母，落幕固定在横梁上，从而使横梁一起运动。横梁又带动夹头。由于上下夹头间夹着材料试棒，所以一起运动而上夹头与工件下部不动，因此试棒就被拉断。 在丝杠的顶端装有光电偏码器，通过测量丝杠的转动计算出工件的伸长量，从而使系统达到半闭环控制，上夹头端部装有拉力传感器，可直接测量作用在工件上的力。2.1.3确定方案 由以上分析，可知方案三为最佳方案。2.1.4 解决问题 虽然反感确定了，但软，硬件控制尚需选定，编程，各部分的尺寸尚需确定，丝杠部件的连接方式的选择，材料，型号的选择。2.2 结构总体设计 采用同步齿形带传动，动力源为直流伺服电机，要安装减速器，因为直流伺服电机的低速性不好。利用同步带传动，它兼有带传动，齿轮传动及链传动的优点。平均传动准确，精度高，且适于低速传动。 图2.42.3 参数的确定1 半闭环系统的执行元件：采用直流伺服电机。2 检测及反馈元件的选择：半闭环控制的伺服系统主要采用角位移传感器。选择圆形的角位移传感器，如光电脉冲编码器，圆感应同步器，旋转变压器，码盘等。根据需要选择光电脉冲编码器。3 机械系统与控制系统方案的确定：由执行元件通过减速器和滚动丝杠螺母机构，驱动工作台运动。4 伺服电机动力参数确定：由拉伸试验机，属于一般的直流伺服系统，故根据各种直流伺服电机的特性，选择电磁式直流电机。它具有体积小、重量轻、力能指标高、产品的结构牢固。机构特性和调节特性的线性度较好的特点。故选择直流永磁电动机。5 试验机的参数：最大拉力 ，最大拉伸空间700mm，金属试样加工范围，其精度等级：1级。2.4 电机的选择 （1 ） 初选电机 拉伸工件时所需的最大功率 V = 其中 查机械原理一书知 根据机电一体化系统设计手册 初选电机90SZ52。查表1-2-33，其数据参数如下： 转矩为： 509.5（10） 转速： 1500r/min 功率为：80W 电压为：220V 外形为： 长：181 重量为：3.6kg（2）验算所选电机的转矩是否符合要求丝杠转矩T 其中 为 当量摩擦角。取tan =0.0025, 则 = 41.59 T = 0.5095N/m 所选电机合理 。第三章 机械部分的设计计算 3.1 丝杠的选择 根据机电一体化设计基础，选nmax=5r/min,nm=2r/min,丝杠的长度 L=1330mm,寿命 =1500h, 传动精度=.(1) 求计算载荷 查表2-6，取；查表2-7，取；查表2-4，取 D级精度；查表2-8，取。（2）计算额定动载荷 = =36690N （3）根据选择滚珠丝杠副假设选用型号，按滚珠丝杠符的额定动载荷的原则，查表2-9，选以下型号规格：-6308-3 =36776N考虑各种因素选用-6308-2.5，由表2-9得丝杠副数据： 公称直径=60mm，导程P=10，螺旋角为，滚珠直径=5.935mm 按表2-1中尺寸公式计算： 滚道半径R=0.52=0.525.953=3.096mm偏心距=0.07丝杠内径mm（4）稳定性的验算 由于丝杠在工作时可能回发生失稳和共振两种情况，所以下面对其分别进行验算。第一种情况：失稳由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应该验算其安全系数S，其值应大于丝杠副传动结构允许的安全系数S。查表2-10，采用一端固定，一端游动（F-S） S=3, (为长度系数)，：临界转速系数， 查得 3.927 。 丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷 按下式计算： 其中 E：弹性模量，对于钢E=206G l: 丝杠工作长度 ：丝杠危险界面的周惯性矩其中 =5.12取 则 =1.93安全系数 S查表2-10，S=3， 既 丝杠时安全的，不会失稳。第二种情况：高速长丝杠在工作时可能发生共振，因此需要验算其不会发生共振的最高转速临界转速。 要求丝杠的最大转速。临界转速（r/min）可按下式计算得： = =9970r/min即 所以丝杠工作时不会发生共振。除以上两种情况以外，滚珠丝杠副还受值得限制，通常要求：。所以该丝杠副工作稳定。（5）刚度验算计算最大导程误差 =13.3通常要求丝杠的导程误差应小于传动精度的，即： 所以该丝杠的导程误差满足要求，所以刚度合格。（6）效率验算滚珠丝杠副的传动效率为： 要求在90%95%之间，所以丝杠副合格。（7）验算寿命测试机械寿命h为15000h额定寿命计算公式如下： 其中： L额定寿命 基本额定动载荷 F转向载荷在实际中选用 所以 符合要求。（8）验算自锁 丝杠停转时，丝杠螺母可能会因受力过大而轻松下落，此时必须考虑自锁问题。 受力简图如下： 图3.1要防止上述现象发生，产生自锁，则必须有 既： 螺旋升角； 摩擦角由图可知： 即 能够产生自锁。3.2 联轴器的选择机电液手册 凸缘联轴器是应用最广泛的一种固定式刚性联轴器，它结构简单，工作可靠，传递转矩大，装拆方便，可以连接不同直径的两轴，采用铰制孔螺栓对中，这种螺栓联接是依靠螺栓与螺栓孔壁之间挤压来传递转矩的，不但减轻了螺栓的预紧力，而且还能提高传递转矩的能力，同时装拆时不需要沿轴向移动。(1) 联轴器的选择计算计算转矩 其中： 计算转矩KN K工作情况系数 T理论转矩 驱动功率 n电机转速 1500r/min i减速器公称传动比 i=50 公称转矩 查表19-2得 K=1.25 综合各种技术要求，选择YLD4型联轴器，额定转矩为40，许用转速（钢）为9500r/min.轴孔直径，轴孔长度30mm,D=100mm,螺栓，质量为2.47kg,转动惯量为0.0093。(2) 联轴器的强度校核 普通螺栓联接的受力和强度计算 满足传递转矩所需的螺栓预紧力F 其中 联轴器的计算转矩 D半联轴器凸缘的外径 两半联轴器凸缘端面接触处的直径 摩擦系数 n螺栓数目螺栓联接的强度条件 其中螺栓材料的许用应力，对45钢控制的预紧力时，可取=240N/,不控制预紧力时可取，这里为45号钢控制， 即 满足强度条件。铰制孔螺栓联接的受力和强度计算 每一螺栓所受的剪切力 螺栓的剪切力强度条件 螺栓联接的挤压强度条件 所以满足强度要求。(1) 键的强度校核 由于联轴器利用键与电机，减速器相联接。根据电机轴径，选择普通平键相联接，靠侧面传递转矩，对中性良好，结构简单，装拆方便，选择B型，轴的应力集中小。查机电液手册表6-4得键的强度校核公式如下： 键联接工作面挤压应力 其中 T传递的转矩 d轴的直径 L键的工作长度 K键与轮毂之间的接触高度数据列表如下： dbhl82212145520 表3.1 查表6-3得，联接钢，轻微冲击， d=8mmL=12mm . 校核由表6-2得 = 即 所以符合要求。 键的剪切强度校核 所以键的剪切强度符合要求。 校核 键的剪切强度和挤压强度均合格。 综合上述计算结果得知，对于及两径上的键，无论是挤压强度还是剪切强度均符合要求，可按全工作。3.3 减速器的选择 查机电液手册，选择减速器。计算载荷如下： T 式中螺杠输入各功率 工况系数 查表20-59， 启动率系 查表20-60，得 小时负载率系数 查表 20-61，得 =0.6 环境温度系数 查表20-62，得 减速器型号系数 查表20-63， 得 把查得的数据代入式中，得： 根据上述结果查表20-50，符合要求的减速器为KWU40-60-F，传动比i=50。3.4 齿轮传动的设计3.4.1 齿轮的几何尺寸的计算 查机电液手册，有关于直齿锥齿轮传动的几何尺寸的计算如下：齿数比u 大端分度圆直径 确定齿数 查图23.4-3，取 确定大端模数 查表24.4-3得，标准的， 分锥角 当时， （6）外锥矩、齿宽b、齿宽系数 平均分度圆直径 中锥矩、平均模数 切、径向变位系数、X 由图23.4-4得， 由表23.4-6得，选取齿顶高、齿根高 由表23.4-2的 齿顶圆直径、顶隙C 大端分度圆厚S、大端分度圆弦齿厚 = 大端分度圆弦齿高、当量齿数 端面重合度 式中 所以 =1.633.4.2 校核键的强度 锥齿轮联接的键的强度计算如下： = = 键的剪切强度和挤压强度均满足要求，可以安全工作。3.4.3锥齿轮传动的校核计算 齿面接触疲劳强度的校核 根据机电液手册，查得： 式中：使用系数 查表10-22得 =1.6 ：动载荷系数 查表得： 齿向载荷分布系数 为支承情况系数，查表12-15得： 齿间载荷分配系数 查表12-16得， 节点区域系数 查图， 得=2.8 弹性系数 查表10-25得，=189.8 接触疲劳强度计算的重合度和螺旋角系数 锥齿轮系数、许用接触应力 取=1 =所以齿轮的许用接触应力满足要求，可以安全使用。 齿轮的弯曲疲劳强度的校核 弯曲疲劳强度的计算公式如下： 式中： 复合齿型系数 所以查表12-10得 弯曲强度计算的重合度与螺旋角系数查图得： 许用弯曲应力 式中：齿轮材料的弯曲疲劳强度基本值 查图得=630 寿命系数 相对齿根圆角敏感系数 见表10-27 尺寸系数 见表10-27 齿根弯曲强度的最小安全系数 =0.85 把系数代入公式中： 齿轮的弯曲疲劳强度满足需求。3.5 同步带的设计1. 有关数据的计算： 功率： 传动工况系数 查表取 P带传动的功率 选择带型： 根据和A，查图8-18，选用H型， 选择小齿轮齿数 根据的原则，查表8-37， 取小带轮节径、大带轮节径 大带轮齿数 （6）带速 V： 初定中心距 按要求取 选用带长及齿数 = 按表8-33选用 代号600 。 带上齿数120。 小带轮啮合齿数 = 基本额定功率 式中： 同步带的基准宽度查表8-38得， ， 带宽 、作用于轴上的力 按表8-34，选取标准带宽。代号H200 2.张紧力的控制 适当的张紧力是保证传动正常工作的重要因素。张紧力不足，带将在带轮上打滑，使带急剧磨损，张紧力过大，则会使带的寿命降低，轴和轴承上的作用力增大。张紧力通常是通过在带与带轮两切点A、B中点处加重垂直于带边载荷G，使其产生规定的挠度f来控制。 计算挠度的公式如下：使切边中点产生挠度： 从而可知载荷为： 式中： 同步带合适的张紧力 切边长度 带节线长 Y修正系数查表8-49，得： 代入公式： 综合以上分析计算，为了达到张紧的目的，本设计采用张紧轮的装置。张紧轮一般应改放在松边的内侧，使带只受单向弯曲。同时张紧轮还应尽量靠近大带轮，以免影响带在小轮上的包角。张紧轮的轮槽尺寸与带轮的相同，且直径应小于带轮的直径。 故选择张紧轮的直径为。第四章 控制部分硬件设计构成微机控制部分的硬件电路概括起来由以下四个部分组成：（1）主控制器即中央处理单元CPU，采用系列的单片机（2）总线包括数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）（3）存储器包括可编成存储器EPROM和随机读写数据存储器RAM（4）接口电路及伺服电机电路、检测电路等外围接口电路。 其中CPU是整个电路的核心，其控制其它各部分协调工作的“大脑”，存储器则用于存放系统软件（即有相应的程序）以及运行过程中的各种数据，接口是系统与外界进行信息交换的桥梁，三总线则是CPU与存储器、接口以及其它各种转换电路的纽带，是CPU与各部分电路进行信息交换和通讯的必由之路，本设计的控制部分系统硬件图如下： 控制对象伺服电机外设键盘、显示器、打印机存储器EPROM（2764） RAM（6264）中央处理器CPU （8031）输入/输出I/O接口（8155、8255）信号变换YD-15CD-5401AD-574 图4.14.1 主控制器的CPU的选择在微机应用系统中，CPU的选择应该考虑以下要素：时钟频率和字长（控制数据处理的速度）可扩展存储器（RAM/ROM）的容量、指令系统功能是否很强（即编程的灵活性）、I/O扩展的功能（即对外部控制的能力）、开发手段（包括支持开发的软件的硬件电路）。除此之外，还应根据系统应用场合控制对象以及各种参数的要求来选择CPU。 目前，在我过的数据系统中，常用的芯片有8086、8088、80386、8098、8096等16位机的CPU，也有8080、Z80、MCS-48、MCS-51系列的8位机的CPU，但是应用最多的还是Intel公司的MCS-51系列单片机作为主控制器。 MCS-51系列单片机主要有三种型号的产品8031、8051、8751。该系列产品是集中CPU I/O端口及部分RAM等为一体的功能性很强的控制器，它的主要特点是集成度高可靠性好、运算速度快，另外，该系列产品只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强，编程灵活性大，硬件资料也很丰富，是较为理想的主选控制器芯片。目前，工业控制中应用最多的是8031单片机，下面介绍一下8031单片机的基本性能及使用方法。（1） 单片机的基本性能 具有一个8位微处理器（CPU） 片内具有时钟发生器（6MHZ或12MHZ）执行指令时间为2或1 128字节数据存储器（RAM）、4K/8K字节程序存储器（ROM/EPROM） 具有21个特殊功能寄存器 具有2个16位可编程定时/计数器 32跟I/O线，4个I/O端口 5个中断源，可编程为2个优先级 一个全双工的可运行于同步/异步方式的串行口 具有位寻址功能，位寻址空间00HFFH，适用逻辑运算它使用单一的+5V电源，在主振频率为6MHZ时机器同期为2， 有四组工作寄存器，每组有8个8位的工作寄存器，根栈可设置于单片机数据存储器的任何处，堆栈深度最多可达120/248个单元。（2） MCS-51系列单片机的引脚及功能 MCS-51单片机是一个具有40根引脚的双列直插式（CPU）器件，这40只引脚大致分为电源（、）时钟（XTA、XTA）I/O口（）地址总线和控制总线（ALE、RST、PROG、）等六大部分它们的功能简述如下：1） 电源线：（20），电源地线 （40）芯片主电源（+5V）2） 时钟： XTA（18）：震荡器反向放大器输入端，HMOS芯片使用外部震荡器时，此端必须接地。 XTA（19）：震荡器反向放大器输出和内部时钟发生器的输入端，HMOS芯片使用外部震荡器时，此端用于输入外部震荡信号。3） 控制总线ALE/PROG（30）：地址锁存有效信号，其主要作用是提供一个适当的定时信号，在它的下降适用于外部程序存储器或外部数据存储器的底8位地址锁存。使分时作用为地址总线（低8位）和数据总线。此信号在每个机器周期出现2次，只是访问外部数据存储器期间才会输出ALZ，在任何可使用外部数据在存储器的系统中，ALE以1/6震荡频率的固定速率输出，用作外部时钟定时，当8751片内编程时，此端输入编程脉冲信号（PROG）。 RST/（9）：复为输入信号。震荡器工作时，该引脚上两个机器周期的高电平，可实现复为操作。在掉电情况下，后备电源加到此脚，将只给片内RAM供电。 EA/（31）：该访问外部程序存储器控制信号输入端，当EA为低电平时，CPU仅执行外部存储器的程序。4） I/O线： （3239）：单片机的双向数据总线和低8位地址总线分时操作，先用作地址总线，在ALE信号的下降沿，地址锁存，然后用作为数据总线，也可用作双向输入/输出口，它能吸入/方出8个TTL负载（作总线工作时） （18）：8位准双向输入/输出口。在编程校验期间，用于传输低8位地址，它能吸入/放出4个TTL负载 （2128）：8位准双向输入/输出口，在访问外部存储器时，用作高8位地址总线，它能吸入/放出4个LSTTL负载。 （1017）：8位准双向输入/输出口，口的每一根线还有另一种功能。 ： 串行输入口 ： 串行输出口 ：外部中断 0 输入口 ：外部中断 1 输入口：定时/计数器 0 外部事件脉冲输入端：定时/计数器 1 外部事件脉冲输入端：外部数据存储器写脉冲：外部数据存储器读脉冲 MCS51系列单片机引脚分配，逻辑符号图详见附图6（3） 特殊功能寄存器特殊功能寄存器（SFR）是用于对片内各功能模块进行管理、控制、监视的控制寄存器和状态寄存器，是一个特殊功能的EPROM，位于片内数据存储器上，其地址为80HFFH的区域。其名称及功能如下： ：累加器，其指令记符为A B： 寄存器，主要用于乘法和除法操作对于其它指令，也可用作寄存器 ：堆栈指令寄存器，能位于片内RAM的128字节的任何单元 DPTR：数据指令寄存器，16位，分别由高位字节（DPH）和低位字节（DHL）组成。其功能是存放16位地址。 PSW：程序状态寄存器，内放标志寄存器置位成清零，表示操作结果的某些特殊，其功能及分配情况如附图 另外，还有一些特殊功能寄存器。（4） 存储器结构 单片机的存储器包括程序存储器（EPROM、ROM）和数据存储器（RAM）。两种存储器的寻址空间是分开的，对于MCS-51系列，实际上存在3个独立空间，如图7所示，程序存储器用于存放程序8051片内有4KROM，8751片内有4KEPROM。8031片内原程序存储器，片外程序存储器可根据需要任意选择，但片内片外总的容量和起来不超过64KB。它们在同一个逻辑空间中，地址从0000HFFFFH。 内部数据存储器的地址从00H7FH，其中内部数据RAM为0127（00H07H），特殊功能寄存器为128255（80H1FH），256个字节中00H1FH为四个工作寄存器区，00H07H为0区，08H0FH为1区，10H17H为2区，18H1FH为3区。改变标志寄存器PSW中的、就可以确定工作寄存器区。从20H2FH是“为寻址”空间，从30H7FH是只能够接字节寻址的数据缓冲区，单片机的外部数据存储器最大可以扩展到64K，地址从0000HFFFFH，用以存储数据。（5） 定时器，计数器 MCS-51系列单片机提供两个16位寄存器，、用作定时器或事件计数器，需要由特殊功能寄存器TCON中的控制来选择、功能为定时还是计数。（6） 中断系统MCS-51系列单片机提供了5个中断源，两个位、，输入外部中断请求低电平有效。两个为片内定时/计数器。由和溢出中断请求和；一个为片内串行口中断请求，这些中断请求源的引脚都为口的第二功能。对于每个中断可编程序为高优先级和低优先级中断，并能实现二级中断嵌套，各中断源所对立中断服务程序的入口地址和优先级如下： 中断源： 串行口中断 入口地址：0003H 000BH 0013H 001BH 0023H 优先级： 0 1 2 3 4 8031响应中断后，即从以上入口地址开始执行中断服务程序，直至遇到一条返回指令为止。（7） 时序 由于在单片机中程序存储器与数据存储器严格分开，因此，程序存储器的操作时序中分两种情况：即不执行MOVX指令和执行MOVX指令。4.2 存储器扩展电路设计4.2.1程序存储器扩展：单片机应用系统中扩展用的程序存储芯片大多数采用EPROM芯片中。在选择时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配，即8031所能读取的时间必须大于EPROM所需要的读取时间。此外，还需要考虑最大读取速度，工作温度及存储器的容易。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量，使系统简化，若CPU选择为8051、8751而程序容量又小于4K的情况下，可不扩展程序存储器。 （1）2764ZPROM芯片介绍2764芯片是双列直插式28脚芯片，如图8所示，共有13根地址线，8根数据线，其余为控制线，定义线分别是：片选信号端 取指允许 编程控制端 编程电压端 +5V电源 地电平 NC空脚、不接 图8， 2764管脚分配图 图9、2764程序存储器扩展电路框图（2）地址锁存器74LS373 单片机规定口提供低8位地址线，同时又用作数据线，所以为分时输出低8位地址和数据的通道口。为了把地址信号分离出来保存以提供低8位地址信息，一般采用74LS373作为地址锁存器。单由CPU发出地址允许锁存器中，74LS373是第三态缓冲输出的8D触发器，用作地址锁存器时，应使其使能端E为低电平，输入端G与8031的ALE连接。当G=1时，74LS373的输出端与输入端的相同，当G高电平返回低电平时，将输入的数据锁存入中。 （3）程序存储器的扩展 附图9为采用2764EPROM的程序存储器的扩展电路框图。其与8031主要是三总线连接。 2764中低8位地址线通过地址锁存器74LS373与8031的口相连。当地址线通过地址锁存信号ALE为高电平，则口输出地址有效。8位数据线直接与8031口相连。高5位地址线分别与相连。引脚直接同8031连接，与8031的译码电路相连，为低电平时，选通2764。由于8031只能选通外部程序存储器，因而其EA引脚接地。4.2.2 MCS-51单片机应用系统中的地址译码(1) 译码原则： 程序存储器与数据存储器地址重复使用； 外围扩展芯片与数据存储器统一编址，它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； 地址总线宽度为16位，片外程序存储器可直接寻址范围各为64K字节。口提供高8位地址（A8A12），口经外部锁存器后提供低8位地址（A0A7）。 （2）地址译码方法：线选法：线选法是把单独的地址线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。其特点是：硬件电路结构简单，但由于所用片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，总片之间的地址不连续。全地址译码：对于RAM和I/O容量较大的应用系统，当芯片所需要的片选信号多于可利用的地址线时，常采用此种方法，它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。通常采用3-8译码器（74LS138），输入端占用3根高位地址线，剩余的13根地址线可作为片内地址线，因此译码器的8根输出线分别对应8个8K字节的地址空间。4.2.3 I/O口扩展电路设计 8031单片机虽有四个8位并行I/O口，但可供用户使用的只有口及部分口，因此在大部分应用系统中都不可避免地要进行I/O口的扩展。目前在I/O口扩展电路设计中多采用通用可编程接口芯片8155或8255，它与微机接口比较简单。（1）8155引脚及说明8155具有40条引脚的双列直插式RAM/IO/CTC扩展器，含有256个字节的RAM存储器，一个6位两个8位可编程I/O口，一个4位可编程的定时器，计数器，其引脚及功能见附图10所示。其可寻址的寄存器相应I/O口编址如表1。（2）工作方式的设定 8155I/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。（3）状态查询 8155还有一个状态寄存器，用于锁存I/O口和定时器的当前状态，共CPU查询用。状态寄存器和命令寄存器供用一个地址，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，所以当CPU读该地址时，作为状态寄存器，读出的是当前I/O口和定时器的状态，而写读地址时则作为命令寄存器对I/O口工作方式的选择。（4）定时功能8155片内有一个14位减法计数器，可对输入脉冲进行减法计数，引脚TIMEIN为定时器时钟输入，由外部输入时钟脉冲，TIMEOUT为定时器输出，当计数为零时，输出端输出一个矩形波或脉冲信号。（5）8155与8031的连接方法8155与8031连接可归结为三总线的连接。方法如下：8155的地址锁存器信号控制线和地址锁存器直接接地址，数据线与8031口线对应地相连接，8155的ALE与8031的ALE相连，高8位地址的经反相器74LS04后提供8155的片选信号CE，IO/M控制端通过电阻接高电平，故只能选中I/O口，其它读写信号、也都对应相连，8155的地址可由前面存储器扩展时统一安排。（6）8255A可编程外围并行接口芯片引脚8255A具有3个8位的并行I/O口，分别称为、口，其中口又分为高4位口和低4位口。它们都可以通过软件编程来改变I/O口的工作方式。其引脚的功能说明如下： 片选信号、低电平有效 、端口选择信号 读信号、低电平有效 写信号、低电平有效 RESET复位信号、高电平有效时，控制寄存器被清除，各端口被置或转入方式。 、口GND：地 ：电源（7）8255A与8031单片机相连接方法8255A与8031单片机相连接是很简单的。除了需要一个8位锁存器来锁存口送出的地址信号外，几乎不用任何附加的硬件。8255A的、分别于8031的、相连，8255A的接8031的口，采用线选法寻址8255A，只要8031为0的地址都可选中8255A。（8）键盘、显示接口电路 ：片选信号、低电平有效 键盘、显示器是常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示，通常的系统都采用行列式键盘，即I/O口线组成行、列机构，按键设置在行列的交点上，键盘的工作过程；无键按下时C口引线由电路内附加电阻止拉至高电平。A口的8条列线按一定时间间隔轮流送出低电平。当被扫描到某一列线上有键按下时，交叉点上相应的行线被拉成低电平。这个低电平信号被C口捕捉后，计算机读取信息，并根据此键对应的行列线计算键值，完成键的扫描工作。系统中使用的显示器主要有LED（发光二极管）和LCD（液晶显示器）为了方便显示图形也有用CRT接口显示方式的系统。显示器也采用扫描方式。由8155PB口送出的八段码，只有LED公共端为低时，这一位显示块才能显示出字形，通过75452驱动器分别接至各LED的公共端，计算机轮流对6根线输出低电平。可在6个显示器上显示出不同的数字。从而实现扫描显示工作。 键盘与显示共用8155的口进行控制，在进行键盘巡回扫描时必须先关显示，必须经过软件协调处理后才能达到预期的效果。4.3驱动电路的设计 为了把试验机上发出的多路模拟信号采集下来，并加以测试控制驱动伺服电机，具体的设计如下： 由被测试件上的压力传感器，把从被控制对象取得的非电量（如力等现场信号）转换成电量，经过YD-15动态应变仪放大变成标称的电压信号或电流信号，经过一个CD5401多路开关，把多个模拟量的参数逐个份似的接通送入A/D转换器（A/D574）在模数转换过程中，用一个采样/保持器AD582，保持输入信号的数字量，经过I/O口送至8031，CPU进行运算和处理后，将结果（数字量）经过D/A转换成电压或电流信号，经过两级功放驱动伺服电机，实现整个璧还控制的目的。4.4 传感器的选择增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲A、B和Z相；A、B两组脉冲相位差90，从而可方便地判断出旋转方向，而Z相为每转一个脉冲，用于基准点定位。它的优点是原理构造简单，机械平均寿命可在几万小时以上，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴转动的绝对位置信息。光电编码器是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理 转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小，精度高，工作可靠,接口数字化等优点。拉力传感器的选择拉力传感器的种类很多，有应变片式、压阻式等。在这里采用应变片式传感器，其应变计机构是，电阻应变计粘贴在金属弹性体上，作为力转换为应变的功能元件。它通过粘贴在谈星体表面的电阻应变计及其以一定方式组成的电桥电路，在外加电源的激励实现力、应变、电阻变化，电信号变化的四个转换环节的一种传感器。用于力、垂直方向的拉力和压力，空间力六个分量中任何一个单独分量力和力矩的测量。使电路同时输出六个与被测量有一定线形关系的电路。RxxxxxRRRRLMC6492Vret5vV0Rx图4.2 应变传感器电路4.5 其它辅助电路的设计 （1）单片机的时钟电路 8031的时钟电路可以由两种方式产生：内部方式和外部方式，内部方式利用芯片振荡电路，在、引脚上外接定时元件，晶体可在1.212MHZ内选择，耦合电容在530PF之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式，可把接地接外部时钟源。R 图4.3 时钟电路（2）复位电路 单片机的复位都是靠外部电路实现的。在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平，单片机便实现状态复位，之后CPU从0000H单元开始执行程序。+5v RESET8031 Rx 图4.4 复位电路表4.1 第五章 系统控制软件的设计5.1系统软件设计包含内容本设计试验机系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能的，按照功能可将系统控制软件分为以下几个部分：（1） 系统管理程序 管理程序是控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。从操作角度来看，管理程序的功能是：接收操作者的命令、执行命令、从命令处理程序返回到管理程序接收命令的环节，使系统处于新的等待操作状态。（2） 控制子程序 根据操作者的命令，控制伺服电机的速度及方向以达到控制拉伸试验机拉伸试验。（3） 测试子程序 通过软件对测试试件的拉伸程度及各种性能进行测试，其中包括移动部件的移动急停处理，系统故障诊断，查错的功能。（4） 键盘操作和显示处理程序 本程序的功能包括监视键盘操作，显示加工程序，机床工作状态操作命令等信息。5.2软件的设计说明及程序清单： 系统控制软件是根据设计要求，进行的总体方案设计，具体程序如下：1、8155初始化程序段0100 90 81 00 MOV DPTR，#2100； 命令寄存器地址0103 74 03 MOV A， #03H； 控制字=03H并写入命令寄存器0105 F0 MOVX DPTR,A; 2、显示子程序 ORG：0400H0400 78 58 DSPY：MOV ，#58H； 为显示缓冲区指针；0402 79 01 MOV ，#01H； 为显示数位指针；0404 E9 LOOP： MOV A1，； 扫描模式送A；0405 90 8101 MOV DPTR，#2102H；DPTR指向8155的PB口；0408 MOVX DPTR,A; 扫描一位LED；0409 DEC DPTE； DPTR指向8155的PA口
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