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机械机床毕业设计180数控铣床工作台仿真实验系统的开发
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机械机床毕业设计180数控铣床工作台仿真实验系统的开发,机械毕业设计论文
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目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 国内外数控技术的现状及发展趋势 1 1.3 单片机技术及其发展趋势 3 第 2 章 数控铣床工作台总体方案设计 4 2.1 总体方案设计的内容 4 2.2 控制系统的选择 4 2.3 系统运动方式的选择 5 2.4 伺服系统的选择 5 2.5 传动及导向元件选择 6 第 3 章 工作台机械结构设计 7 3.1 工作台结构设计的内容和任务 7 3.2 确定系统的脉冲当量 8 3.3 伺服电机的确定及选择 8 3.4 传动及导向元件的设计 、计算及选用 10 3.4.1 传动元件的设计 10 3.4.2 导向元件的设计 10 3.5 计算机绘制工作台结构装配图 12 第 4 章 工作台控制系统硬件电路设计 13 4.1 控制系统硬件电路设计的内容 13 4.2 确定系统硬件电路设计的整体方案 13 4.3 主 CPU 的选择 15 4.4 8031 单片机管脚功能及特点 16 4.5 存储器扩展电路的设计 20 4.5.1 程序存储器扩展 20 nts 4.5.2 地址锁存器 74LS373 21 4.5.3 数据存储器的扩展 22 4.5.4 译码电路 22 4.6 I/O 扩展电路的设计 23 4.6.1 8155 扩展芯片 23 4.6.2 键盘及其接口电路 24 4.6.3 显示器及其接口电路 25 4.7 步进电机驱动电路设计 27 4.7.1 功率放大电路 27 4.7.2 隔离电路 28 4.7.3 步进电机驱动电路 29 4.8 其它辅助电路设计 30 4.8.1 8031 时钟电路设计 30 4.8.2 复位电路 30 第 5 章 控制系统软件设计 32 5.1 控制系统软件设计的内容及方法 32 5.1.1 程序设计的内容 32 5.1.2 程序设计的方法及要求 32 5.2 环形分配器软件设计 33 5.2.1 步进电机转速控制 33 5.2.2 编制环形分配器程序及框 图 35 5.3 逐点比较法直线插补程序设计 38 5.3.1 逐点比较法直线插补（第一象限） 38 5.3.2 编制第一象限直线插补主程序 39 5.3.3 逐点比较法圆弧插补程序设计 41 结论及展望 46 参考文献 47 致谢 49 nts 数控铣床工作台仿真实验系统的开发 摘要 本文主要是设计一套以 MCS 51 单片机为主控制器的数控铣床工作台仿真实验系统，首先对数控技术的发展作了分析和总结，探讨了数控机床的开放化、智能化、高精度、高速度和网络化的发展趋势；着重分析了单片机数控系统的控 制原理，指出了设计数控系统的一般方法和步骤，并阐述了 MCS 51 系列单片机的功能以及在机床数控系统中所发挥的作用；设计开发了系统机械结构以及控制系统的 I/O 接口电路、步进电机驱动电路；通过编写汇编程序，从而实现系统设计要求。开发的这套系统可以作为一套实验室设备，对机床数控化改造、数控技术的教学和研究有深远意义。 关键字： 单片机 铣床工作台 步进电机 接口电路 汇编程序 nts The Simulating Experiment System for Numerical Control of Milling Machines Worktable Exploitation ABSTRACT In this article, a set of numerical control of milling machine worktable experiment system for teaching based on single chip microprocessor for MCS 51 is designed. First, the CNC system model and characteristics based on microcomputer and status of CNC in China are presented. The development trends about open architecture, intelligence, suppression, high speed and network of CNC are analyzed and explain the function of single chip microprocessor and their calling into play in the CNC, and controlling principle of single chip microprocessor for MCS 51. This article introduces the methods and steps of the digital control system design. Emphasis is given to I/O circuit, stepping motor drive and authorized assembler and carry out the system designing request. The system offer a set of equipment for teaching, and is designed for teaching as a set of experiment or has a great affect to the digital control reform of the machine tool. KEY WORDS: Single Chip Microprocessor; Worktable of Milling Machine; Stepping Motor, Interface Circuit, Assembler 第 1 章 绪论 1.1 引言 随着计算机的高速发展，传统的制造业开始了根本性的变革，各个发nts达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，从而提出了全新的制造模式。目前数控系统正由专用开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型；在智能化基础上，综合运用了计算机、多媒体、模糊 控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程可以自动修正、调节与补偿各种参数，能实现在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上， CAD/CAM 与数控系统集成为一体，实现了中央集中控制的群控加工。专家预测：二十一世纪机械制造业的竞争就是数控技术的竞争。 本次毕业设计的课题是设计开发一套数控铣床工作台仿真实验系统，来模拟数控铣床 X、 Y 的两轴运动。从工程的角度来说，仿真就是通过对系统模型的实验去研究一个已有的或设计中的系统。分析复杂的动态对象，仿真是一种有效的方法，可以减少风险，缩短设计 和制造周期，并节约资本。通过设计开发这样一套仿真实验系统也为数控机床控制系统的研究和普通机床的数控化改造提供了必要的参考依据，同时这套系统也可以作为一套实验室设备，对数控技术的教学和研究有一定的现实意义。 1.2 国内外数控技术发展及概述 当今世界工业国数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防能力。近年来我国企业的数控机床占有率在逐年上升，在中小企业甚至个体企业中也普遍开始使用。在这些数控机床中，除少量机床以 FMS 模式集成使用外，大都处于单机运行状态，并且相当部分处于使用效率不高，管理方式落后状态。 数控系统按功能可分为经济型和普及型。经济型属于抵挡数控，不同国家和不同时期的含义是不同的，在我国是指在满足基本功能的条件下，结构简单，操作灵活方便，价格低廉的数控系统。通常它都是由单片机作为系统的控制器，由步进电机进行驱动。我国经济型数控这些年有了进一步发展，产品性能和可靠性有了较大的提高，它们逐渐被用户认可，在市场上站住了脚。如上海开通数控有限公司的 KT 系列数控系统和步进驱动系统、北京凯恩帝数控技术有限公司的 KND 系列数控系统、广nts州数控设备厂的 GSK 系列数控系统等，这些产品的共同特点是数控功能较齐全、价格 低、可靠性好。 专家预测：数控机床推广应用逐步由经济型向普及型转变。 2005 年我国数控机床的数控化率为 9.5% 10.36%，到 2010年将达到 16.5% 19.27%，经济型所占比重将减少，普及型所占比重将增加，高级型的需求将有所增长。数控机床的应用由单机向单元（系统）方向发展。目前，欧、美、日等国应用 DNC 已很普遍，柔性制造单元占数控机床销售量的 30%以上，而我国 FMC、 FMS、 FML 的拥有量还很少，相当于日本 80 年代水平，占数控机床消费额不到 5%。 1 2 4 一个国家数控机床的拥有量是衡量其工业水平的重要标志。就企业来说，面对日益激烈的国际竞争，在市场中占有一席之地，就必须采用先进的数控化设备，以提高技术水平。对于一个企业而言，提高数控化率有两个途径： 投入巨资购买新的数控机床； 对现有的普通化机床进行数控化改造。对拥有 300 多万台普通机床的我国来说，普通机床的数控化改造无疑是一条简单可行的途径。因此，对普通机床的数控化改造也成了人们近年来研究的课题。 1 2 3 1.3 单片机技术及发展趋势 单片机作为微型计算 机的一个很重要的分支，以其高的性能价格比，发展相当迅速，它是自动控制、仪表仪器、通讯、家用电器等领域中应用最广、性能价格比最高的核心部件之一。由于 PC 机使用的是高级语言，必须有编译程序才能与计算机通信，而单片机使用的是汇编语言，它能直接与计算机通信，可以减少内存。因此，单片机在 PC 机日益发展的今天仍得到广泛应用。 随着半导体集成电路制造工艺的不断发展和电子技术应用领域的不断拓宽，新型单片机采取的宽系列、多品种，片内集成 OTP 型 ROM 或 Flash存储器甚至 EPROM、精简指令集、高速、低功耗的发展新思路，正是 迎合nts现代众多产品的要求。目前新型通用单片机主要有 PIC 系列单片机、 EM78系列单片机、 ATMEL 公司的 FLSH 单片机 89 系列和 90 系列。 单片机在目前的发展形势下，表现出几大趋势：可靠性及应用水平越来越高；所集成的部件越来越多；功耗越来越低；与模拟电路结合越来越多。 5 第 2章 数控铣床工作台总体方案设计 2.1 总体方案设计的内容 一个完整的数控系统其总体方案的设计内容包括：系统运动方式确定，伺服系统选择，执行机构传动 方式的确定，控制计算机系统的选择等内容。nts与此同时根据设计任务和设计要求提出系统的总体方案，对设计方案进行分析、比较和论证，最终确定总体方案。 为了确定数控铣床工作台的总体方案，必须明确本次设计的设计任务和设计参数。本次设计的内容是开发一套数控铣床工作台仿真实验系统。其中系统的分辨率为 0.02mm，工作台工作范围 X=175mm， Y=175mm，最大移动速度为 0.5m/min，工作台结构材料可选用铝材。通过开发这套仿真实验系统，其主要目的是在我们强化机械结构设计的同时，进一步掌握数控机床控制系统的设计思路，并且 掌握数控系统硬件和软件的设计思想和设计方法，培养我们分析问题和解决问题的能力，对数控机床控制系统的研究和普通机床数控化改造提供了必要的参考依据，有一定的现实意义。 2.2 控制系统的选择 控制系统是由微机部分、键盘及显示器、 I/O 接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成，系统的加工程序和控制程序通过键盘操作实现；显示器采用数码管来显示系统的各种状态，方便用户操作。 本次设计将采用 MCS 51 系列单片机中的 8031 单片机作为主控制器。MCS 51 单片机的性能为： 6 集成度高、功能强、速度快，有很好的性能价格比； 支持的芯片种类多； 性能好，适合于各种不同的场合。 2.3 系统运动方式的选择 数控系统的运动方式可分为点位控制系统、点位直线系统和连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。如数控铣床在工作台移动过程中铣刀并不进行铣削加工，因此数控装置可采用点位控制方式。对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。如果工作台或刀具沿各坐标轴的运动有精确的运动关系，应选用连续控制方式，nts连续控制系统应具有一个插补器进行各 坐标轴进给脉冲的分配。这种控制系统要求伺服元件有很强的跟随能力。 本课题开发的仿真实验系统，要求能模拟数控铣床工作台 X、 Y 的两轴运动，采用 8031 单片机控制步进电机，各坐标轴有精确的运动关系。因此，本次设计将采用连续控制系统。 2.4 伺服系统的选择 数控机床控制系统有开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统三种工作方式。开环控制系统没有检测反馈元件，不能纠正系统的传动误差，精度低；但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不高的场合中得到广泛应用。开环伺服系统在负荷不太大时多采用步进电机作为伺 服电机。如下图 2.1 所示为数控系统开环控制系统框图： 图 2.1 开环控制系统框图 闭环控制系统在机床移动部件上装有检测反馈元件来检测工作台的实际位移量，能补偿系统的传动误差，因而伺服控制精度高；但该系统造价高，结构和调试复杂，多采用精度要求高的场合。闭环系统多采用直流伺服电机或交流伺服电机作为驱动元件。如图 2.2 为闭环控制系统框图： 图 2.2 闭环控制系统框图 本次设计中考虑到实验仿真系统精度要求不高，为了简化结构、降低驱动器 铣床工作台 步进电动机 nts成本，故采用步进电机开环伺服系统来直接驱动 X Y 工作台的运动。 2 3 2.5 传动及导向元件的选择 为了确保数控控制系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动时，通常提出了低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。在设计中应考虑以下几点： 尽量采用低摩擦的传动和导向元件； 尽量消除传动间隙； 缩短传动链，缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减少传动误差。 在本次设计中，选用传动元件为普通丝杠螺母，导向元件采用燕尾形导轨，系统的总体框图如图 2.3 所示： 图 2.3 系统总体框图 第 3章 工作台机械结构设计 3.1 工作台结构设计的内容 工作台结构设计的内容包括：设计任务、确定系统的脉冲当量、确定伺服电机、传动及导向元件、计算机绘制工作台结构装配图等。 nts本次毕业设计的题目是“数控铣床工作台仿真实验系统的开发”，如图3.1 为工作台机械结构示意图：工作台范围为 X=175mm、 Y=175mm，最大 图 3.1 工作台机械结构示意图 移动速度为 0.5m/min，系统分辨率为 0.02mm，传动方式采用普通丝杠螺母传动，结构材料选用铝合金材料为 ZAlCu4. 3.2 确定系统的脉冲当量 脉冲当量是系统移动部件相对于每一 个进给脉冲的位移量，其大小视系统的加工精度而定，脉冲当量越小系统的加工精度越高。为了提高精度，nts希望脉冲当量越小，但脉冲当量越小，系统的运行速度越低。因此，应兼顾精度与速度的要求来合理选择脉冲当量。 在步进电机开环控制系统中，系统的脉冲当量（ mm）与步进电机步距角、丝杠螺距 t（ mm）及系统的传动比 i 之间的关系为： ti 360 （ 3 1） 脉冲当量一般为 0.01 0.0005mm。本次设计的仿真系统精度要求不是太高，综合考虑 系统的精度要求，取脉冲当量为 0.01mm。 3.3 伺服电机的确定及选择 数控系统对伺服电机的基本要求是： 8 9 调速范围宽，伺服电机需满足调速要求； 负载特性强，在调速范围内电机有足够的驱动力矩； 动态响应快。 考虑到在本次设计中驱动电机的功率小，系统要求的精度不高，是在空载状态下，模拟数控铣床工作台 X、 Y 的两轴运动。因此选用步进电机作为驱动电机。 合理地选用步进电机是相当重要的。通常希望步进电机的输出转矩大，启动频率和运行频率高、步距误差小 、性能价格比高。但增大转矩与快速运行存在一定矛盾，高性能与低成本存在一定矛盾。因此，实际选用时，必须权衡利弊，全面考虑。 首先，应考虑系统的精度和速度要求。为了提高精度，希望脉冲当量越小越好，但是脉冲当量越小，系统的运行速度越低。在确定脉冲当量以后，就可以次为依据来选择步进电机的步距角和传动机构的传动比。 步进电机步距角选择 步进电机的步距角应 小于或等于系统对步进电机最小转角的要求。 ntsit360 （ 3 2） 式中：为系统的脉冲当量； i， t 为系统的传动比和丝杠螺距 。 步进电机的步距角从理论上来说是固定的，但实际上还存在误差。另外，负载转矩也将引起步进电机的定位误差。因此，必须把步进电机的步距误差、负载引起的定位误差和传动机构的误差全面考虑在内，使总的误差小于数控系统允许的定位误差。 启动转矩的选择 步进电机的启动转矩qT应满足下列关系： 5.03.0 TTq （ 3 3） 其中， T 为负载转矩 步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速） 两 种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的 2-3 倍 为 好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来（几何尺寸） 。 步进电机有两 条重要的特性曲线，即反映启动矩频与负载转矩之间关系的启动矩频特性曲线和反映转矩与连续运行频率之间的关系的工作矩频特性曲线，这两条曲线是选用步进电机的重要依据。 已知负载转矩，可以在启动矩频特性曲线中查出启动频率，这是启动频率的极限值，实际使用时只要启动频率不高于这一极限值，步进电机就可以直接带动负载启动。若已知步进电机的连续运行频率，就可以从工作矩频特性曲线中查出转矩M，这也是转矩的极限值，有时称其为失步转矩。即步进电机以频率 f 运行，它所驱动的负载必须小于 M，否则将导致失步。 电流的选择 nts静力矩一样的电机 ，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压） 综上所述步进电机的选择应遵循以下步骤，如图 3.2 所示： 图 3.2 步进电机选择步骤 根据设计要求和以上论述，在本次设计中电机是在空载条件下运行，所需驱动功率小，又考虑到在本次设计中本着结构简单、成本低、价格便宜的原则，选用 45BF005 II型反应式步进电机，其参数如下： 步进电机的步距角为 3， 三相六拍工作方式，工作电压为 27V， 电流为 2.5A，尺寸规格为： 58mm 45mm， 轴径为 4mm。 3.4 传动及导向元件的设计、计算及选用 数控系统对传动及导向元件的要求是：摩擦阻力小，高传动精度及高刚度，能消除传动间隙，具有小运动惯量、高谐振及适宜的阻尼比。 3.4.1 传动元件设计 根据本次设计要求，传动元件既要有一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，同时又从设计原则出发，本着结构简单、加工方便、成本低的原则，选用普通丝杠螺母 副传动方式。 nts丝杠螺母的传动特点是： a) 用较小的扭矩转动丝杠，可使螺母获得较大的轴向牵引力； b) 能达到较高的传动精度； c) 传动平稳、噪声较小； d) 在一定条件下能自锁，即丝杠螺母不能进行逆传动。 综合以上要求，确定传动元件采用 30梯形牙丝杠，参数如下： 丝杠中径为 d=10mm,丝杠螺距为 t=1mm。 3.4.2 导向元件设计 机床系统的导向元件一般都采用导轨。导轨的作用是使运动部件沿一定轨迹运动（导向），并承受运动部件及工作台的重量和切削力（承载）。选择一个合适的导轨应满足下列要求：精度高；寿命长；刚度及承载能力大； 摩擦阻力小，运动平稳；结构简单。便于加工、装配、调整、维修；成本低。 根据以上论述以及设计任务的要求，系统的导向元件选用燕尾形导轨。燕尾形导轨的特点如下： 尺寸紧凑，适合于高度小层次多的部件； 用一根镶条可以同时调整各面间隙，调整及夹紧方便； 刚度不及矩形导轨，不适合承受大的颠覆力矩和向上的力； 摩擦阻力大； 加工、测量麻烦。 其结构如图 3.3所示： nts 图 3.3 燕尾形导轨结构示意图 燕尾形导轨常用于固定部件高度尺寸受限制的场合，如铣床工作台。镶条将采用平镶条，其制造简单，用于行程短或受力不大或不太重 要的场合。为了减小上下导轨的磨损，采用贴塑导轨。镶塑材料有很多，可以选用酚醛塑料、聚酰胺等。但酚醛塑料耐磨性非常好，常用于重型机床，在本次设计中导轨的贴塑材料选用聚酰胺（通称尼龙）。尼龙 1010 具有良好的冲击性能、耐疲劳、强度高，在一般场合中得到广泛应用。 3.5 计算机绘制工作台结构装配图 本着结构简单、加工制造方便、装配维修容易的原则，确定工作台机械结构部分的设计方案，查各种手册、资料，绘制草图，在草图基础上，经指导老师检查不断修正，最终得到一个比较合理的设计方案，最后用计算机绘制工作台结构装配图，在 设计选用的零件时要做到零件的标准化、装配合理化、使用操作方便化。 nts 第 4 章 控制系统硬件电路设计 4.1 控制系统设计的内容 控制系统的设计内容包括以下几个方面： 确定硬件电路整体方案及主电路设计，如主 CPU 的选择； 存储器扩展电路设计，如数据存储器的扩展和程序存储器的扩展； 步进电机驱动电路设计，如隔离电路，功率放大电路以及步进驱动电路； 其他辅助电路设计，如时钟电路、复位电路。 4.2 确定硬件电路整体方案 任何一个数控系统都是有硬件与软件两部分组成的，其中硬件是组成控制系统的基础。 有了硬件，软件才能有效地执行。因此，硬件电路的可靠性直接影响到数控系统的性能指标。数控铣床工作台仿真实验系统的硬件电路概括起来由以下几部分组成： 主控制器 即中央处理单元 CPU； 总线 包括数据总线 DB、地址总线 AB、控制总线 CB； 存储器 包括只读可编程存储器和随机读写数据存储器； 接口 即 I/O 输入输出接口。其中 CPU 是控制系统的核心，其作用是发布命令以协调各部分电路的正常工作；存储器用于存放系统软件（即程序）以及运行过程中的各类数据； I/O 接口是系统与外界进行信息交换的桥梁；三线则是 CPU 与存储器、接口以及其它各种转换电路联系的纽带，是 CPU 与各部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。除此之外，还要根据数控系统的要求装配一些外围设备和一些信号变换电路。如图 4.1 为控制系统硬件电路总体框图： nts图 4.1 控制系统硬件总体框图 其中， CPU、存储器及 I/O 接口是任何一个数控系统必不可少的环节，其余部分并非所有数控系统都具备。某一类数控系统可能只包含其中的一部分或几部分。通常， CPU 通过 I/O 接口可连接的人机交换外设有键盘、打印机、磁带记录仪、显示器等通讯接口；信号变换电路是 A/D 转换、 D/A 转换、光电隔离、功率放大等，它们是实现微机与控制对象之间的信号匹配与转换的中间电路，这两部分可根据空话子对象的要求选取。 根据数控铣床工作台仿真实验系统的设计任务和设计要求，控制系统硬件主电路由 CPU、存储器、 I/O 接口、外设、信号变换电路组成。同时根据需要外设由键盘、显示器组成；信号变换电路由光电隔离电路、功率放大电路组成。在设计过程中要求主电路结构简单、设计选用的元件合理，性能价格比高，从而达到控制系统的设计要求。通过对数控铣床工作台仿真实验系统控制电路的设计，了解掌握数控系统硬件电路的功能、原理和硬件 电路的设计方法，从而对普通机床数控化改造和数控系统的研究有深刻意义。 CPU RAM ROM I/O 接口 信息 变换 控 制 对 象 外设 键盘、显示器等 nts4.3 主 CPU 的选择 在微机应用系统中， CPU 的选择应考虑以下因素： 10 时钟频率和字长（控制数据处理的速度）； 可扩展存储器的容量（ ROM/RAM）； 指令系统的功能是否强（即编程的灵活性）； I/O 口的扩展能力（即对外设的控制能力）； 开发手段（包括支持开发的软件和硬件电路）。 除此之外，还应根据系统的应用场合、控制对象及各种参数要求选择 CPU。目前在数控系统中常用的芯片 有 8086、 8088、 80286、 80386 以及 8096、 8098等 16 位机，也有 8080、 Z80 和 8051、 8031、 8751 等 8 位机的 CPU。其中，MCS 51 系列单片机集成度高、可靠性好、功能强、速度快，具有很高的性能价格比，它的通用寄存器结构和指令功能远远超过高档 8 位 Z80，与MCS 96 系列单片机相比， 51 系列单片机片外有两个 64KB 的存储空间，一个是提供给扩充片外程序存储器 ROM 空间，一个是提供片外扩充数据存储器 ROM 空间。充足的片外存储空间，为系统设计时扩充接口芯片、设置大容量存储器以及存储众 多数据提供了方便。 MCS 51 系列单片机主要有三种型号的产品： 8031、 8051 和 8751。该系列产品是集 CPU、 I/O 端口及部分 RAM 等为一体的功能性很强的控制器，只需要增加少量的外围设备就可以构成一个完整的微机控制系统，并且该系统具有开发手段齐全，指令系统功能强，编程灵活性大，硬件资料丰富。三种型号引脚完全相同仅在内部结构上有少许的差异。目前在工业控制中应用最多的是 8031 单片机，它具有价格低、功能全、体积小、支持的芯片多等优点。因此，从本次设计的要求出发，选用 8031 单片机作为主控制器。 8031 单 片机有以下基本特征： 具有 8 位中央处理单元（ CPU）； 片内有时钟发生电路（ 6MHz 或 12MHz），每执行一条指令时间为 2 m 或 1 m； 具有 128 字节 RAM； nts 具有 21 个特殊功能寄存器； 可寻址 64KB 字节的外部数据存储器和 64KB 字节的外部程序存储器； 具有 4 个 I/O 端口， 32 根 I/O 线，分别为 P0 口、 P1 口、 P2 口、 P3口； 具有两个 16 位定时器 /计数器； 具有 5 个中断源，配备两个优先级； 具有一个双全串行接口； 具有位寻址能力，适用于逻辑运算。 4.4 8031 单片机的引脚及功能 8031 单片机芯片为 40 个引脚的双列直插式器件，如图 4.2 所示为 MCS 51 系列单片机的引脚及功能图： 图 4.2 MCS 51 系列单片机引脚及功能图 按 8031 单片机引脚功能的不同分为以下几个部分： 1 主电源引脚 Vcc 和 Vss nts Vcc：接 +5V 电源正端； Vss：接 +5V 电源地端。 外接晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1：接外部石英晶体的一端。在单片机内部，它是一个 反向放大器的输入端，这个放大器构成了片内震荡器。当采用外部时钟时，对于HMOS 单片机，该引脚接地；对于 CHMOS 单片机，该引脚作为外部震荡信号的输入端。 XTAL2：接外部晶体的另一端，在单片机内部接片内震荡器的反向放大器的输出端。当采用外部时钟时，对于 HMOS 单片机，该引脚作为外部震荡信号的输入端；对于 CHMOS 芯片，该引脚悬空不接。 控制信号与其他电源复用引脚 ALE/PROG：访问外部存储器时用于锁存地址低八位的地址锁存允许输出； PSEN：程序存储器允许输出，是外部程序存储器读选通信号，低电平有效 ； EA/Vpp： EA 为高电平时， CPU 执行内部程序存储器指令， EA 为低电平时， CPU 执行外部程序存储器的指令； RST/Vpd： RST 即为 RESET， Vpd 为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机震荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回到初始状态。 输入输出 I/O 引脚 P0 口： P0 口是一个三态双向口，可作为地址 /数据分时复用口，也可作为通信 I/O 接口，具有双向通信功能。其中 P0 口 1 位的内部结构原理如图 4.3 所示： 12 nts 图 4.3 P0 口内部结构原理图 P0 是由 8 个这样的电路组成，锁存器起输出锁存作用， 8 个锁存器构成了特殊功能寄存器 P0，场效应管（ FET） V1、 V2 组成输出驱动器，以增大带负载能力，三态门 1 是引脚输入缓冲器；三态门 2 用于读锁存器端口；与门 3、反向器 4 以及模拟转换开关组成了输出控制电路。 P0 口是一个 8 位双向 I/O 口，它访问外部程序的低 8 位地址和数据总线，在程序检验时它也输出指令字节， P0 口的输出级具有驱动 8 个 LSTTL 负载的能力，即输出电流不小于 800 A。 P1 口： P1 口具有提升电阻的 8 位双向 I/O 口，专供用户使用， P1口能吸入或放出 3 个 LSTTL 输入。 P2 口： P2 口具有提升电阻的 8 位双向 I/O 口。供系统扩展时作高 8位地址线用，在没有外部存储器扩展时，它可以作为用户 I/O 线使用。在程序检验时，它也接受高位地址和控制信号， P2 口能吸入或放出 3 个 LSTTL。 P3 口： P3 口也具有提升电阻的 8 位双向 I/O 口，该口的每一位都可独立定义为第一 I/O 口功能或第二 I/O 口功能。作为第一功能使用时，口的结构和功能操作与 P1 口完全相同。第二功能如下所示： 引脚 第二功能 P3.0 RxD（串行输入口） P3.1 TxD（串行输出口） P3.2 INT0（外部中断） P3.3 INT1（外部中断） ntsP3.4 T0（定时器 0 外部输入） P3.5 T1（定时器 1 外部输入） P3.6 WR（外部数据存储器写选通） P3.7 RD（外部数据存储器读选通） P3 口能吸入 /放出 3 个 LSTTL。此外， 8031 内部还有很多特殊功能寄存器，用于对片内功能模块进行管理、控制、监视，是一个特殊功能的 RAM 区，位于片内数据存储器之上，其地址为 80H FFH，其功能及名称如下： Acc：累加器，其指令助记符用 A 表示； B ：寄存器主 要用于进行乘法和除法操作，对其它指令也可进行暂存； SP ：堆栈指针寄存器，位于片内 RAM128 字节任何单元； DPTR：数据指针寄存器，其功能是存放 16 位地址，分别由高位字节和低位字节组成 5. 8031 的存储器： MCS 51 系列单片机存储器结构的主要特点是程序存储器和数据存储器的寻址空间是分开的，对于 8031 单片机而言，有 4 个物理上相互独立的存储空间，即内、外程序存储器和内、外数据存储器。如图 4.4 所示： 图 4.4 8031 单片机存储器结构及功能 其中， 8031 片内无程序存储器，片外程序存储器的容 量，用户可根据需要选择，最大容量不超过 64KB，地址从 0000H FFFFH。内部数据存储器的地址从 00H FFH，共 256字节，其中内部 RAM地址为 00H 7FH（ 0 127），专用寄存器地址为 80H FFH（ 128 255）。外部数据存储器最大可扩展到nts64K，地址从 0000H FFFFH，用于存储数据信息。 此外， 8031 单片机还有中断，定时 /计数以及 8031 单片机的时序特点等其它内容，在本次设计中不再详细介绍。 4.5 存储器扩展电路设计 4.5.1 程序存储器扩展 单片机应用系统中的程序存储器芯片大 多采用 EPROM，其类型分别为2716、 2763、 2764、 27128、 27256 等，其容量分别为 2K、 4K、 8K、 16K、32K。在选择芯片时要考虑 CPU 与 EPROM 时序的匹配，即 8031 所能读取的时间必须大于 EPROM 要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度、工作温度及存储器容量，在满足要求时尽量选择大容量的芯片，以减少芯片数量，使系统简化。 13 本次设计中程序储器的选择就是从以上几点考虑，选择 2764 芯片，其管脚功能如图 4.5 所示 ： 图 4.5 2764 管脚分布图 2764 芯片是一种高速，其容量为 8K 的 EPROM，读出时间为 250nm，而8031 用晶振频率为 6MHz 则读取时间为 480nm 故满足要求。 2764 芯片共有13 根地址线 A0 A13， 8 根数据线 D0 D7，其余为控制线 CE 为片选信号端，低电平有效， OE 取指允许， PGM 为编程控制端， Vpp 编程电源端以及 Vcc、 Vss 等。 nts 4.5.2 地址锁存器 74LS373 由于 MCS 51 系列单片机的 P0 口具有分时复用低 8 位地址和 8 位数据的功能，必须要通过外接芯 片将低 8 位地址信息和 8 位数据信息分离，对于一个具体的应用系统中必须使用地址锁存器。 常用的地址锁存器芯片有 74LS373、 74LS273、 74HC573、 Intel8282。由于 74LS273 是一个带清零的 8D 锁存器，用在 MCS 51 系列单片机应用系统中需要增加反向器和电阻，而 Intel8282 价格偏贵，市场少见，故74LS273、 Intel8282 很少当作地址锁存器使用。因此，在本次设计中选用74LS373 为地址锁存器。其引脚及功能如图 4.6 所示： 图 4.6 74LS373 引脚及功能 74LS373是一个带三态缓冲器的 8D锁存器，当三态门输出使能信号端 OE=0时，三态门处于导通状态；当 OE=1 时，三态门处于断开状态。 G 为数据输入的门控制信号。当 G=1 时锁存输出端 1Q 8Q 的状态与输入端 1D 8D状态相同；当 G 端由高电平返回到低电平时，输入端 1D 8D 的数据锁存到 1Q 8Q 的 8 位锁存器中。 8031 与 2764 通过 74LS373 扩展的电路中， 2764中低 8 位地址线通过地址锁存器与 8031 的 P0 口相连。当地址锁存器允许信号 ALE 为高电平，则 P0 口输出地址有效， 8 位数据线直接与 8031 的 P0口相连，高 5 位地址线 分别与 P2.0 P2.4 相 连， OE 引脚直接同 PSEN 相连。 nts4.5.3 数据存储器的扩展 由于 8031 内部 RAM 只有 128 字节，远远不能满足系统的要求，需要扩展片外数据存储器。单片机应用系统数据存储器的扩展电路一般采用6116 和 6264 数据存储器，其选用的原则与 EPROM 的要求相同。 根据本次设计要求，选用 6264 芯片。它是一个 8K 的 RAM 存储器电路，集成度很高其引脚及功能如图 4.7 所示： 图 4.7 数据存储器 6264 的引脚及功能 其中， A0 A12 为 13 位地址线，输出地址与内部 8KB 的单元相对应，D0 D7 为 8 位数据线，该芯片的读取时间为 200nm，满足要求。 4.5.4 译码电路 译码电路是对系统的片外地址进行译码，其译码输出作为存储器芯片的片选信号。译码电路除采用一般的门电路译码器外，更多的采用译码器芯片。常用的译码器芯片有： 74LS139（双 2 4 译码器）、 74LS138（ 3 8 译码器）及 74LS154（ 4 16 译码器）等。通常以 74LS138 译码器用的最多，其管脚如图 4.8 所示： 其中 G1、 G2A、 G2B 为三个控制端，只有当 G1 为“ 1”时且 G2A、G2B 均为“ 0”时，译码器才能进行译码输出，否则译码 器的 8 个输出端全为高阻状态。 12 13 14 15 nts 图 4.8 74LS138 译码器管脚及功能 4.6 I/O 口扩展电路设计 4.6.1 8155 扩展芯片 Intel 8155 具有一片多功能特点，片内提供的功能有： 16 两个可编程 8位并行口 A、 B 和 6 位并行口 C； 256 字节的静态 RAM；一个 14 位减法定时器 /计数器。一片 8155 在外扩三个 I/O 口的同时，还为用户提供了 256 字节的 外部 RAM 和一个定时器，不需要一般芯片扩展所需要的地址锁存器，可直接与单片机接口。 8155 芯片结构如图 4.9 所示： 图 4.9 8155 芯片结构及功能 nts其引脚功能如下： AD7 AD0：地址 /数据分时复用线； IO/M： 8155 片内 I/O 和 RAM 选择线； CE：片选端，低电平有效； ALE：锁存有效输入信号线，用来锁存 AD7 AD0 低 8 位地址及 IO/M、CE 状态； RESET：复位线，高电平有效，复位后 8155I/O 口设定为输入方式； RD、 WR：读、写输入线。 8155 的两个寄存器共用一个地址， CPU 用指令写入的是工作方式字，而输出的是状态字，另外 8155 内部有一个 10 位锁存器，用来锁存地址及控制信号，因此从 8031 送至 8155 的地址就不要再加地址锁存器了。 此外， 8155 的工作方式，状态控制字以及其定时功能也是学习和了解的重点，但在本次设计中不做详细说明。 4.6.2 键盘及其接口电路 键盘是一种常用的输入设备，是由若干按键组成的开关矩阵，用户可根据键盘输入数据或命令，实现简单的人机通信。键盘接口的任务是将按键的机械动作转换为计算机识别的信号供 CPU 读取。其常用的类型有： 线性键盘及其接口 线性键 盘是由若干独立的按键组成，每个按键将其一端与微机系统中的某位输入端口的一位数据线相连，另一端接地，其接口程序简单，只要查询该输入端口各位的状态，便可以判断是否有按键按下，以及按下的具体是哪一个键，但线性键盘有多少个按键，就有多少条连线与微机输入端口相连。因此，线性键盘只适用于按键少的场合，常用于某些微机化仪器或专用化微机系统中，在本次设计中不再讨论。 矩阵键盘及其接口 矩阵键盘的按键排成 n 行 m 列，每个按键占据行列的一个交叉点，需要的输入输出线为 m+n，最大按键数是 m n。显然，在按键较多的应用场nts合中，矩 阵键盘可以减少与微机系统接口的连线，是一般微机常用的键盘结构。在本次设计中采用矩阵键盘。矩阵键盘的工作原理为： 检测是否有键按下：将键盘所有行线置 0，读入列线的值，若所有列线的值全为“ 1”，说明无按键按下；若不全为“ 1”，则有按键按下，因为按下的键已经将所连接的行线和列线接通，使相应列线的值变为“ 0”。 确定所按下键所在的行和所在的列的位置：采用逐行扫描法。先将键盘的行线置“ 0”，读入列线的值，判断是否有按键按下，若有键按下，找出列线中为“ 0”的列线，即为按下键所在的列，由相应的行、列线值可得到闭合键值 。如果第一行无键按下，则依次扫描下一行，直到判断出按下键的位置。 下图 4.11 为一个 3 4 矩阵键盘及其接口电路： 图 4.10 3 4 矩阵键盘及其接口电路 4.6.3 显示器及其接口电路 单片机测控系统中最常用的显示器是 LED（发光二极管显示器）和 LCD（液晶显示器），这两中显示器可显示数字、字符及各种状态信息，他们的nts驱动电路简单，易于实现，且价格低廉，因此得到广泛应用。 其中，本次设计用到的显示器
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