小型数控工具磨床控制系统设计

本科毕业设计（论文） 题目 ： 小型数控工具磨床控制系统设计 专 业 ： 自动化（数控技术应用） 班 级 ： 学 号 ： 学生姓名 ： 指导教师 ： 起迄日期 ： 设计地点 ： I 摘 要 本文扼要的介绍了数控工具磨床的组成、控制方式。提出了未知参数螺旋齿刀具的数控刃磨方法，并着重介绍了这种数控控制系统的软硬件设计。本设计采用 8031作主 CPU，控制整 个工具磨床的工作。主 CPU扩展了外部程序存储器 27256和数据存储器 6264，外部程序存储器存储系统程序，数据存储器存储加工程序和数控系统处理的中间数据，并设计了掉电保护电路。另选用 89C2051 作为从CPU，控制多排多位的八段数码管的动态显示。 8031发出的步进电机脉冲信号经锁存器输出，控制各电机的进给。用 8155扩展一矩阵式键盘，同时用 8255扩展开关量输入输出接口电路。此外，还设计了未知参数螺旋齿刀具参数测量及自动刃磨控制软件。在本设计的软硬件基础上做进一步的研究，开发出用于数控工具磨床的控制系统，同 工具磨床相配套，可解决未知参数螺旋齿刀具的自动刃磨问题。 关键词： 螺旋齿刀具；数控工具磨床；控制系统；软硬件设计 II ABSTRACT In this paper, the constitution and the control strategy of NC tool grinding machine introduced, the principle of cutter milling process for unknown parameter screw gear is brought forward, then emphasize introduced the software and hardware for this kind of numerical control system. A typical MCU, 8031, was used as the host CPU to control the whole function of tool Grinding Machine; 27256, an external program memory, is used to Storage the system program, and 6264, an external data memory, is used to store the process program and the middle data of numerical control system. Power failure function is also provided. In addition, an 89C2051 is selected as the slave CPU to control the display of LED. pulse signals generated by the host CPU,8031, was send to the step motor through the D to control the feeding movement of each motor. The keyboard function is achieved with a programmable parallel interface, 8155 and I/O interface of the NC system was realized with an 8255. Further more, parameter measurement and atuo-milling software for the unknown parameter spiral tooth machine tool is finished and the NC control system is developed to solve the automatic grinding problem of unknown parameter spiral tooth cutting tool. Keyword： Screw gear cutter; NC tool grinder; Control system; software and hardware III 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 任务及要求 . 2 1.3 数控工具磨床传动系统的组成 . 2 1.4 数控工具磨床传动系统的控制 . 2 1.5 本文的结构 . 4 第二章 数控工具磨床控制系统电路设计 . 5 2.1 设计方案的拟定 . 5 2.1.1 控制系统主 CPU的选择 . 5 2.1.2 总体设计思路 . 6 2.2 时钟电路和复位电路设计 . 7 2.2.1 时钟电路设计 . 7 2.2.2 复位电路设计 . 8 2.3 控制系统 存储器扩展电路设计 . 9 2.3.1 程序 存储器扩展电路设计 . 9 2.3.2 数据 存储器扩展电路设计 . 11 2.4 显示电路设计 . 12 2.4.1 显示方式的选择 . 13 2.4.2 从 CPU 的选择 . 13 2.4.3 数字动态显示电路设计 . 16 2.4.4 字母静态显示电路设计 . 18 2.5 手动键盘和编辑键盘电路设计 . 18 2.5.1 键盘接口芯片的选择 . 18 2.5.2 手动键盘电路设计 . 18 2.5.3 编辑键盘电路设计 . 20 2.6 开关量输入输出与工作方式选择接口电路设计 . 20 2.6.1 接口电路芯片选择 . 20 2.6.2 开关量输入输出接口电路设计 . 22 2.6.3 工作方式选择接口电路设 计 . 23 2.7 步进电机脉冲信号输出接口电路设计 . 23 2.8 译码电路设计 . 24 第三章 数控工具磨床控制系统软件设计 . 26 IV 3.1 测量方式控制软件设计 . 26 3.2 磨削方式控制软件设计 . 27 第四章 控制系统电路原理图与 PCB 图的绘制 . 30 4.1 控制系统原理图的绘制 . 30 4.1.1 原理图的设计步骤 . 30 4.1.2 绘制 原理图 . 30 4.2 控制系统 PCB图的绘制 . 31 4.2.1 PCB 图设计步骤 . 31 4.2.2 元 器 件的封装说明 . 32 4.2.3 小型数控工具磨床控制系统 PCB 图 . 32 第五章 结论 . 33 5.1 论文总结 . 33 5.2 感想 . 34 致谢 . 35 参考文献 . 36 附录 A： 英文资料 . 37 附录 B： 英文资料翻译 . 46 附录 C： 硬件电路原理图与 PCB 图 . 53 附录 D： 硬件元器件清单 . 55 附件： 毕业论文光盘资料 1 第一章 绪论 1.1 引言 随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日益激烈，产品更新速度越来越快，复杂形状的零件越来越多，精度要求越来越高，多品种、中小批量生产的比重明显增加。激烈的市场竞争使产品研制生产周期越来越短。传统的加工设备和制 造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效高质量加工要求。因此近几十年来，世界各地十分重视发展能有效解决复杂、精密、小批多变零件的数控加工技术，在加工设备中大量采用微电子技术和计算机技术为基础的数控技术。目前，数控技术正在发生根本性变革，它集成了微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术与一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。 目前生产的机械产品发生改变时，普通机床与工艺装备均需作相应的变换和调整。通用机床的自动化程度不 高，基本上由人工操作，难于提高生产效率和保证产品质量，特别是一些曲线、曲面轮廓组成的复杂零件，只能借助靠模和仿形机床，或者借助划线和样板用手工操作的方法来加工，加工精度和生产效率受到很大的限制。数控机床就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的，它为单件、小批生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。数控机床的优点有：（ 1）加工对象改型的适应性强，（ 2）加工精度高，（ 3）生产效率高，（ 4）自动化程度高，（ 5）良好的经济效益，（ 6）有利于生产管理的现代化。 众所周知，机床是受 固定资产投资影响较大的投资类产品。在目前国 内固定资产投资大幅增加的情况下，为机床行业的发展提供了又一次难得的机遇。其中 数控磨床是很多行业精密生产加工必备的设备，尤其是随着客户对产品的加工精度及交换时间要求越来越严格的情况下，各行业对数控磨床的采购及使用逐年增加。所以这就使得数控磨床成为不仅是技术先进，也要是一种经济上合理的机床。 磨削加工是零件加工和超精加工的一种主要切削加工方法。在磨床上采用各种类型的磨具，可以完成内外圆柱面、平面、螺旋面、花键、齿轮、导轨和成形面等各种表面的加工。它初能磨削普通材料外，还 常适用于一般刀具难以切削的高硬度材料的加工，如淬硬钢、硬质合金和各种宝石等，应用十分广泛。 机械加工的高精度不光取决与数控机床的高精度，还受刀具的精度有关。无论在何种切削条件下，刀具都将有磨损，其磨损量都将随时间的增长而增长。所 2 以在磨损量超过允许范围时，需要进行对刀具的刃磨。而圆柱形铣刀、立铣刀及螺旋齿绞刀这类刀具的刃磨一般是在工具磨床上借助附件手工操作，根据火花判断砂轮与刀齿接触与否，凭手感掌握吃刀深度，而且一个刀齿必须一次连续刃磨完成。因此，对操作者的要求很高，且难以保证刃磨质量，刃磨效率低。而工厂内讲 究的就是效率与精度，鉴于以上情况，研制一种能刃磨多种刀具的小型经济型数控工具磨床，刃磨未知参数螺旋齿刀具是十分重要的。 综上所述，设计一个小型数控工具磨床控制系统，装备工具磨用来刃磨未知参数螺旋齿刀具十分必要。 1.2 任务及要求 设计一种小型经济型数控工具磨床，其主要要来刃磨未知参数螺旋齿刀具，也可以刃磨其他刀具。设计出的工具磨床控制系统必须具备足够的存储空间，用来存储系统程序和加工程序。控制系统要具备人机交互能力，所以需设计显示电路和键盘扫描电路。控制系统要控制步进电机工作，要设计电机脉冲输出电路。要 设计出多种工作方式的选择电路，并按照实际磨床工作要求扩展 I/O口，按照数控工具磨床工作要求进行小型数控工具磨床控制系统设计 。 1.3 数控工具磨床传动系统的组成 小型数控工具磨床的机械部分的传动原理图如图 1.1所示。其中， X、 Z轴为工作台横、纵向运动； Y轴为磨头升降运动； C轴为刀具（工件）旋转运动。通过手动可以调整磨头绕 Y轴运动；砂轮及刀具的上仰、下俯；刀具变速箱在水平面内转动。 1.4 数控工具磨床传动系统的控制 数控工具磨床控制系统由输入 /输出装置、数控装置、传动系统（驱动控制装置）、机床电器控制装 置四部分组成，工具磨床本体为被控对象。 数控装置即 CNC 装置，是数控系统的核心，其硬件和软件控制着全部数控功能的实现，它与数控的其他部分通过接口相连，实质上是一个微型计算机组成的控制器。 输入 /输出装置包括输入 /输出接口和输入 /输出设备。输入 /输出接口是计算机和机床之间联系的桥梁和通道，数控系统对机床进行自动控制所需要的各种外部控制信息及加工数据都是通过输入设备送人 CNC 装置的存储器中，作为控制的依据。一般输入数控系统的零件加工程序、控制参数和补偿数据。因输入设备不 3 同又有多种输入方式：键盘输入、计算机 通信输入等。而数控系统工作过程中的状态和数据一般通过显示器和各种指示灯来向用户显示。 图 1.1 传动系统简图 1、 3、 8、 10步进电机 2、 7、 11.滚球丝杠 4.变速箱 5.刀具 6.砂轮 9.工作台 12 主电机 数控工具磨床的传动系统是由步进电机和滚轴丝杠组成。步进电机的脉冲输出分为两种，一种是软件环分，另一种是硬件环分。软件环分是使用控制软件对控制的电机各相分配时序，硬件环分是只输出被控电机的脉冲信号，电机的相序分配又外部硬件来完成。由脉冲分配相序控制各电机的进 给方向。 当数控系统采用计算机数控装置（ CNC）时，该数控系统就称为计算机数控系统。目前，在市场上以 NC装置为核心的硬件数控系统已经日趋减少，取而代之的是以 CNC装置为核心的计算机数控系统，并且绝大多数 CNC装置都是采用微型计算机系统。 1.5 本文的结构 本文以单片机及其外部硬件扩展电路的研发工程项目作为应用背景，对现在 4 普通磨床数控改造技术进行了研究。全文共分为五章，各章的主要内容如下： 第一章扼要地介绍了数控技术的概念、特点，分析数控工具磨床目前的地位，介绍了设计的任务与要求，讲述了数控工具磨床的传动 系统，并分析了数控系统的组成； 第二章 对小型数控工具磨床控制系统进行了研究，给出了 数控工具磨床控制系统的设计方案，并详细讨论了系统各部分电路的设计方法； 第三章研究了 数控工具磨床的刃磨工作原理，简单的介绍了几种数控工具磨床控制系统软件，设计出测量方式控制软件与磨削方式控制软件的流程图； 第四章讲述了设计的原理图与 PCB 图的绘制方法，并结合自己绘图时遇到的问题做了一些绘图总结； 第五章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。 5 第二章 数控工具磨床控制 系统电路设计 2.1 设计方案的拟定 根据任务书的要求和第一章对数控工具磨床控制系统的分析，已经完全明白任务书的要求的含义。现进行小型数控工具磨床控制系统的硬件电路设计，在制定设计方案前首先要选择好数控系统的核心部分 CPU。 2.1.1 控制系统主 CPU 的选择 目前小型经济型数控工具磨床都是采用 单片微型计算机 作为处理器。 单片微型计算机，简称单片机，是微型计算机的一个分支。它是在一块大规模或超大规模集成电路芯片上集成了 CPU、存储器、 I/O 接口、定时 /计数装置等而构成的微型计算机。随着近年来微电子技术的飞速 发展，单片机的功能也日趋强大，在集成度、功能、性能、体系结构上都有了飞速，已能集成一个完整的功能强大、性能优良的计算机应用系统。单片机的作用已经超出了最初的工业控制领域而应用到社会生活的各个方面，人们更倾向于称单片机为微处理器或者微控制器。据不完全统计，到 2005 年 6 月，全世界单片机的生产厂家有近 40 家，能生产 60 多个系列， 1200 多个型号，年产量近 24 亿片。 MCS-51 系列中， 8031 单片机应用最为广泛。 8031 内部没有 ROM，需外扩一程序存储器。根据数控工具磨床控制系统的要求，需要有 32KB 程序存储器 ，8051 内部只有 4KB 程序存储器，存储空间仍需外扩； 8031 具有价格低、功能强、使用灵活、开发方便等特点，同时也有足够的输入输出口，所以适合于数控工具磨床控制系统的设计；另外本人对 8031 单片机比较熟悉，这样在设计中遇到问题将会大大减少，开发周期也会缩短，所以选用 8031 单片机。 1. 8031 单片机的特点 1）具有功能很强的 8 位中央处理单元（ CPU）； 2）片内有时钟发生电路（ 12MHZ），每执行一条指令的时间为 1 4s; 3）片内具有 128 字节的 RAM； 4）具有 21 个特殊寄存器； 5）可扩展 64K 字节的外部数据存储器和 64K 字节的外部程序存储器； 6）具有 4 个 I/O 口， 32 根 I/O 线； 7）具有 2 个 16 位定时器 /计数器； 8）具有 5 个中断源，配备 2 个中断优先级； 9）具有一个全双功串行接口； 6 10）具有位寻址能力，适合逻辑运算。 从上述特性可以看出这种 8031 芯片集成度高、功能强，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。 2. 外部引脚的使用方法 制造工艺为 NMOS 的 MCS-51 单片机都采用 40 只引脚的双列直插封装（ DIP）方式， 8031 引脚如图 2.1 所示。 I/O 口线： P0、 P1、 P2、 P3 共四个 8 位口；控制口线： PSEN（片外取指令控制）、 ALE（地址锁存控制）、EA（片外存储器选择）、 RESET（复位控制）；电源及时钟： Vcc（接 +5V电源）、 Vss（接地）； XTAL1 和 XTAL2 接外部晶体振荡器。 当 8031 单片机外扩程序存储器、数据存储器或输入输出端口时，外部芯片需要 8031 为其提供地址总线、数据总线和控制总线，如图 2.2 所示。地址总线（ AB）宽度为 16 位，可访问 64KB 的外部程序存储器和 64KB的外部数据存储器。低 8 位地址总线（ A0 A7）由 P0 口经地址锁存器锁存后提 供，高 8 位地址总线（ A8 A15）直接由 P2 口提供。数据总线宽度为 8 位 ,由 P0 口提供。控制总线（ CB）由 P3 口的第二功能状态和 4 根独立的控制线 RESET、 EA、 ALE 和 PSEN 组成。这样就可以将 8031 接入到一个控制系统中去了。 图 3.2 8031 引脚图 图 3.3 8031 片外总线结构 图 2.1 8031 引脚图 图 2.2 单片机的片外总线 2.1.2 总体设计思路 本人的设计方案是：采用 8031 单片机做主 CPU，片外扩展 32K 程序存储器和 8K 数据存储器，程序存储器采用 27256 芯片，数据存储器采用 6264 芯片；使用一个从 CPU，用来控制五排 LED 数码管进行动态显示的，这五排数码管分 7 别显示的是功能字后的数字、 X 轴坐标、 Y 轴坐标、 Z 轴坐标和 C 轴的角度；编辑键盘用 8155 扩展，把剩下的并行口作扩展的 I/O 口接刀具种类选择开关；并再用 8255 两个口扩展若干开关量输入输出信号接口，这些信号的输入输出都要经过光电耦合器来进行抗干扰， 8255 的另一个口用来作为工作方式选择的接口；经 8031 输出的 X 轴、 Y 轴、 Z 轴、 C 轴步进电机正、反转脉冲 信号经锁存器锁存后输出，其余的还需设计一些复位电路，掉电保护电路等，以保证整个控制系统的正常运行，这就是小型数控工具磨床控制系统的设计方案。 具体的硬件构成框图如图 2.3 所示： 图 2.3 硬件构成框图 2.2 时钟电路和复位电路的设计 2.2.1 时钟电路的设计 时钟电路的设计非常重要，时钟电路是单片机的核心，小型数控工具磨床控制系统采用的是内部时钟方式，单片机 8031 内部有一个高增益反相放大器，反相放大器的输入端为 XTAL1，输出端为 XTAL2，外接晶振（或陶瓷谐振器）和电容组成振荡器。振荡器产生的时钟频率主要由晶振的频率决定 ，设计电路如图 2.4 所示。 在 XTAL1 和 XTAL2 两端接上石英晶振和微调电容就可手动 键盘 CPU 27256 LED 显示电路 6264 8155 键盘 刀具种类 选择开关 74LS273 8255 光电耦合 至步进电机驱动 方式转换开关 启停电路 收发信号电路 8 构成自激振荡器。电容器 C1， C2 选择大小是 30pF，它们有两个作用，一是使振荡器起振，二是对振荡器的频率 f起微调作用。振荡频率通常取 3MHz至 24MHz范围内。本人设计时使用的晶振频率为 10MHz， 根据式 )2 5 6(12322 xfo scS M O D波特率可以算得 8031单片机的一个机器周期的具体时间： 机器周期 =晶振频率 12=6101012 =1.2 s 其中 :SMOD为波特率控制位； fosc为时钟振荡器频率； x为定时器时间常数。 图 2.4 时钟及复位电路 2.2.2 复位电路的设计 复位是单片机的初始化操作 ,单片机在启动运行时 ,都需要先复位 .它的作用是使 CPU 和系统中其他部件都处于一个确定的初始化状态 ,并从这个状态开始工作。 单片机复位后，程序计数寄存器 PC 初始化为 0000H，单片机从 0000H 地址单元开 始执行程序。要使单片机可靠的复位，必须使 RST/VPD 引脚保持两个机器周期以上的高电平，一般上电复位时间需要大于 10ms。复位有上电自动复位和按键手动复位两种：上电复位利用电容器充电来实现，上电瞬间， RC 电路充电， RST 引脚端出现正脉冲，只要 RST 引脚端保持大于两个机器周期以上的高 9 电平，就能使单片机有效复位，充电时间常数为 RC。本次设计 的小型数控工具磨床控制系统采用上电复位和按钮复位两种复位电路。在 8031 复位端RESET 上接如图 2.4 所示电路，电阻 R1 取 10k ，电容 C4 取 10uF；电阻R2 取 10k ，电容 C5 取 10uF；当上电时，复位端 RESET 上出现高电平，在 RESET 引脚上出现两个周期的高电平将使单片机复位。图 2.4 中复位按钮 S42 被按下后，在 RESET 上出现高电平，使系统复位到初始化状态；当急停按钮被按下，外部中断 0 起作用，单片机响应内部中断程序，并且在 RESET 引脚上也会产生高电平，使 8031 复位。这样的设计符合控制系统硬件电路实际控制要求。 2.3 CPU 存储器扩展电路设计 8031 单片机内部没有程序存储 器，所以要外扩 32K 程序存储器，用来存放系统程序，这样的存储器要只可读不可写；再外扩 8K 数据存储器，用来存储加工程序与中间处理数据。 2.3.1 程序 存储器扩展电路设计 1. 程序存储器芯片选择 8031 片内不带 ROM，用作程序存储器的器件是 EPROM，由于设计要求扩展 32KB 程序存储器。 EPROM 是可擦除、可编程只读存储器，小型工具磨床控制系统中，只需扩展 32KB空间的程序存储器，所以选用一片 27256（ 32K 8）芯片就可满足要求。 图 2.5 所示为 27256 芯片引脚。图中， A0 A14 为地址线，可以计 算出存储器的容量为 152 =32KB。D0 D7 为数据输出线， CE 为片选端， OE 图 2.5 27256 引脚图 为 输出允许端， Vpp 为编程电压端， Vcc 为 +5V， GND 为地。 2. 程序存储器扩展电路 本设计扩展的程序存储器容量大于 256 字节，因此， EPROM 片内地址线除了由 P0 口经锁存器提供低 8 位地址线外，还需由 P2 口提供若干地址线。 EPROM 所需地址线数决定于 EPROM 的容量，扩展 32KB 的容量就得需要 15 根地址线，所需的高位地址线由 P2 口提供。 程序存储器 扩展电路如图 2.6 所示，数控工具磨床控制系统外扩 32KB程序存储器 27256， 8031 的 P0 口经 74LS373 锁存器接 27256 的低 8 位地址线 A0 A7， 27256 的高 7 位地址线 A8 A14 接 8031 单片机的 P2.0 10 P2.6。 27256 的数据线 D0 D7 接在 8031 单片机 P0 口上 ,ALE（允许地址锁存）接锁存器 CLK 端（ 11 脚）， 由于是分时使用，先输出外部存储器的低 8 位地址，故应在外部加锁存器将地址数据锁存，地址锁存信号用 ALE。然后， P0 口才作为数据口使用。 根据程序存储器扩展电路设计，程序存储器的 27256 的寻址范围见表 2.1 表 2.1 程序存储器地址表 地址线 地址 A15 A14 A13 A12 A11 A1 A0 0 0 0 0 0 0 0 0000H 0 0 0 0 0 0 1 0001H 0 0 0 0 0 1 0 0002H 0 1 1 1 1 1 0 7FFEH 0 1 1 1 1 1 1 7FFFH 图 2.6 CPU 存储器扩展电路图 11 2.3.2 数据 存储器扩展电路设计 1. 数据存储器芯片选择 8031 单片机内部有 128 个字节的 RAM，在小型数控工具磨床控制系统 中仅靠片内 RAM 是不够的，必须外扩外部数据存储器。常用的数据存储器有静态 RAM（ SRAM）和动态 RAM（ DRAM）两类。 DRAM 一般用于存储容量较大的系统中，而且 DRAM 需要刷新逻辑电路以保持数据信息的不丢失，电路设计较复杂。虽然 DRAM 芯片具有容量大、功率低、价格便宜等优点，但它极易受干扰，对外界环境、工艺结构、控制逻辑和电源质量等的要求都很高。因此，本人设计的小型数控磨床控制系统选用 SRAM作为数据存储器。 与 DRAM 相比， SRAM 无须考虑保持数据而设置的刷新电路，故 扩展电路较简单。在 8031 单片机应用系统中，最常用的静态数据存储器 RAM 芯片有 6116（ 2K 8）和 6264（ 8K 8）两种。任务书和设计的实际需要都是要求外扩 8KB 数据存储器，故 6264 芯片能满足要求。 6264 是 8K 8 位静态随机存储器芯片，采用 CMOS 工艺制作， 28 线双直插式封装，其引脚如图 2.7 所示。 A0 A12 为片内 13 位地址线； D0 D7 位 8 位数据线； CS1 和 CS2为片选端； OE、 WE 为读、写信号线 。 图 2.7 6264 引脚图 2. 数据存储器扩展电路 本人设计电路图如图 2.6所示， 8031单片机 P0口经地址锁存器 74LS373锁存后， 6264 芯片低 8 位地址线 A0 A7 再与锁存器 74LS373 锁存输出端相连，高 5 位地址线 A8 A12 与 8031 单片机 P2.0 P2.4 直接相连；数据线 D0 D7直接 与 8031P0 口相连；片选信号 CS1 由8031 高位地址 P2.5 P2.7 经 74LS138 地址译码提供；片选 CS2 保持高电平，这里采用了一个分压电路，在 +5V 与地线之间接入两个电阻 R10 和 R9，电阻 R10 取5.1K ，电阻 R9 取 10K ，如图 2.8 所示， 图 2.8 分压电路 可以计算出图中输出的高电平 U=3.31V，所以这个分压电路能提供较稳定 12 的高电平输入。 因为设计 CPU 存储器扩展电路时，扩展了数据存储器 SRAM 和程序存储器EPROM， EPROM 掉电后数据不会丢失，而且是可读不可写的。所以直接扩展电路后没有其他电路的设计； 而 SRAM 是随机 静态数据存储器 6264，这种芯片掉电后就会丢掉所有的数据，为了使加工数据能够掉电不丢失，就得接一个后备电源 ，以保证此芯片不失电，这种电路叫做掉电保护电路，如图 2.9 所示。 图 2.9 数据存储器的掉电保护电路 根据数据存储器扩展电路设计，数据存储器的 6264 的寻址范围见表 2.2。 表 2.2 数据存储器地址表 地址线 地址 A15 A14 A13 A12 A1 A0 1 0 1 0 0 0 A0OOH 1 0 1 0 0 A001H 1 0 1 1 1 0 BFFEH 1 0 1 1 1 1 BFFFH 2.4 显示电路的设计 13 显示电路主要是通过显示器来实现的。目前社会上使 用的显示器的种类多种多样，有 CRT 显示器、 LED 显示器、 LCD 显示器、辉光显示器、荧光显示器及投影显示器等等。在机床数控系统中，常用 CRT 和 LED 显示器，目前也出现了高性能的 LCD 显示器，其中 LED 由于功耗较少、亮度强、控制简单可靠。且价格很低，因此在经济型数控系统和各种仪器仪表中广泛使用。此次设计也将选用LED 显示器 。 2.4.1 显示方式的选取 本人设计的小型数控工具磨床控制系统需要五排显示，包括功能代码的数字， X 坐标、 Y 轴坐标、 Z 轴坐标、 C 轴坐标。功能字是字母，所以显示功能字必须用 16 段数码管，使用 数为 1 个；显示数字和坐标值用 8 段数码管，一般机床的单位为 mm，磨床也不例外，范围在 1 米内，加上小数点后两位和一位符号位，所以每轴需要显示六位，共需要使用 30 个 8 段数码管。 显示方式又分为静态显示与动态显示两种，静态显示不占用 CPU 工作时间，但需要使用锁存器进行数据锁存，而本设计中如果采用静态显示方式的话就需要使用 32 个锁存器，这样硬件电路大大复杂，而且会造成设计成本提高。此设计就是讲究的经济型数控系统，所以本设计采用动态显示方式，而动态显示方式虽然可以减少硬件，但这种方式占用 CPU 时间较多，影响控制系统处理 其他数据的速度。所以决定使用一个从 CPU，专门用来控制显示电路。显示 CPU 主要是按照主 CPU 送来的显示命令和显示内容，组成相应的显示信息，负责产生显示器所需要的扫描信号，控制显示器按规定的显示方式显示有关信息。 89C2051 将多功能的 8 位 CPU 与 FPEROM 结合在同一片芯片上，高度灵活且价格适宜。此次设计选用 89C2051 作显示 CPU，控制显示器显示。 2.4.2 从 CPU 的选择 89C2051 是由 ATMEL 公司推出的一种小型单片机，其主要特点为采用 Flash存储器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与 MCS-51 完全兼容，其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易。 89C2051 增加了在零频下工作的静态逻辑方式及两种软件可选的省电模式。其中，在闲置模式下， CPU 停止工作，但RAM、定时器 /计数器、串行口和中断系统仍然在工作。在掉电模式下，只保存RAM 的内容，振荡器停振，关闭芯片的所有其他功能，直到下一次硬件复位为止。 1. 89C2051 主要性能 1）与 MCS-51 产品兼容。 2） 2KB 的在线可重复编程快闪存储器，寿命可达 1000 次写 /擦除周期。 3）宽工作电压范围为 2.7V 6V。 14 4）全静态工作方式： 0HZ 24MHZ。 5）两级程序存储器加密。 6） 128 8位 SRAM。 7） 15条可编程 I/O线。 8） 2个 16位定时器 /计数器。 9） 5个中断源。 10）可编程串行通道。 11）可直接驱动 LED。 12）有片内精密模拟比较器。 13）低功耗的闲置与掉电模式。 2. 89C2051 的引脚功能 如图 2.10 所示， 89C2051 共 15 条 I/O 引脚， P1 口共 8 脚，准双向端口， P3 口共 7 脚，准双向端口，并且保留全部 P3 口的第二功能。P1 口：为双向 8 位 I/O 端口。 P1.2 P1.7 引脚有内部上拉电阻， P1.0 和 P1.1 需要外部上拉电阻。 P1.0 和 P1.1 还作为模拟比较的正输入端和负输入端，与片内精密模拟比较器相连。 P1 口输出缓冲器能吸收 20mA 灌入电流并可直接驱动 LED 显示器。当向端口 P1 写入电平 “ 1” 时，可作为输入引脚。因为 P1.2P1.7 有内部上拉的作用，此时若有外电路作为输入，引脚会向外灌电流（ IIL） 。 P1 口在快闪编程与校验功能中还承担数据代码接受任务。 图 2.10 89C2051 引脚图 P3 口： P3 口只有 7 位 P3.0 P3.5 和 P3.7 引脚具有内部上拉电阻。 P3.6 为内部比较器输出，无外部引脚 。 2051 无 RD 和 WR 控制信号， P3.7 为一般 I/O 线。P3 口输出缓冲器能吸收 20mA 灌入电流，当向端口 P3 写入电平 “ 1” 时，可用作输入端口。因为内部上拉作用，当 P3 口有外部低电平输入时，引脚向外产生灌电流（ IIL） 。 P3 口也提供 2051 的第二功能， 在我的设计中 89C2051 的 P1口、 P3 口只作为双向 I/O 口使用，不使用 P3 口的第二功能。所以这里就不对 P3 口的第二功能做介绍了。 3 芯片工作电源 本人设计中的单片机工作电压 +5V，由交流电压经变压、整流、滤波得到。其中电源正与地线之间接入了大小为 0.1uF 的瓷片电容，这样接的 15 原因是可以抗干扰。如图 2.11 所示。 4. 时钟电路的设计 外接晶体引脚 X