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含CAD图纸、说明书 CA6140 车床 刀具 温度 单片机 控制系统 设计 CAD 图纸 说明书

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CA6140车床刀具温度单片机控制系统设计摘要当今社会上各种机械加工业都在迅猛发展，车床是机械加工核心工具，随着科学技术的发展，车床也在不断向着高精度、高效率、高自动化方向发展，数控车床已经成为主流设备，逐渐取代老旧的普通车床。我国目前机床总量约400余万台,但其中数控机床总数只有20余万台,机床的数控化率极低。国内起步较晚，技术较为落后，有着大量的老旧车床，又因其缺乏专业的维修与保养，促使机床的工作精度大大降低。而从国外购置新型数控车床的价格又颇为昂贵，普通企业根本无法负担。在机械制造业中, 虽然已发展出各种不同的零件成型工艺, 但目前仍有90% 以上的机械零件是通过切削加工制成。在切削过程中, 机床作功转换为等量的切削热, 这些切削热除少量逸散到周围介质中以外, 其余均传入刀具、切屑和工件中, 刀具、工件和机床温升将加速刀具磨损, 引起工件热变形, 严重时甚至引起机床热变形。因此,在机床的切削加工过程当中，对切削温度的测量非常重要。在高速车床当中，为了提高车床加工精度，刀具在切削过程中的受热变形一定要控制住，这个仅仅知道刀具温度是不够的，还需要引入自动控制技术进行实时控制。本论文以CA6140普通车床为研究对象，根据数控技术原理，运用了单片机应用技术、自动控制技术和测试传感器技术，提出了车床刀具温度的控制系统方案。设计了基于MCS-51单片机的车床刀具温度控制电路和软件。关键词：数控车床；刀具温度；单片机控制ABSTRACTTodays society, a variety of mechanical processing industry in rapid development, machining lathe is the core tools, with the development of science and technology, the lathe has been towards high precision, high efficiency, high automation, CNC lathes have become the mainstream equipment, gradually taking the place of ordinary lathe old. My current machine total about more than 400 units, but the total number of CNC machine tool is only more than 20, the rate of CNC machine tools is very low. China started late, the technology is relatively backward, there are lots of old lathe, also because of the lack of repair and maintenance of professional, the machine tool working accuracy greatly reduced. From the foreign purchase of new CNC lathe price is quite expensive, ordinary enterprises simply can not afford.In mechanical manufacturing industry, there are more than 90% mechanical parts are manufactured by machining. In the process of cutting, machine work into cutting heat equivalent, the cutting heat in addition to a small number of escapes into the surrounding medium, the rest are into the tool, chip and work piece, tool wear will accelerate the rise of cutting tool, work piece and tool temperature, caused by the thermal deformation caused by the thermal deformation of machine tools, even when serious. Therefore, in the process of cutting machine, measurement of cutting temperature is very important. In the high speed lathe, in order to improve the machining precision lathe, cutting tool in the cutting process of thermal deformation must be controlled, this just know the tool temperature is not enough, also need to introduce automatic control technology for real-time control.In this thesis, the CA6140 lathe as the research object, according to the principle of NC technology, uses the single chip microcomputer application technology, automatic control technology and sensor technology, put forward control scheme of lathe cutting tool temperature. Design of MCS-51 MCU lathe tool temperature control circuit and software.Keywords:CNC；lathetool temperature; MCU control;目录摘要1ABSTRACT2第一章 绪论51.1课题的研究背景和研究意义51.2国内外研究现状51.2.1国外研究现状51.2.2国内研究现状61.3方案背景技术简介61.3.1数控车床61.3.2温度检测的主要方法71.4本课题的主要研究内容81.5本章小结8第二章 车床结构及系统总体设计方案92.1 CA6140车床简介92.2系统总体设计方案102.3本章小结10第三章 系统硬件设计113.1系统硬件设计方案113.2 中央处理器113.2.1 AT89C51简介113.2.2 AT89C51主要性能参数123.2.3管脚说明123.2.3特殊功能存储器143.2.4芯片擦除153.2.5复位电路的设计153.2.6时钟电路设计163.3红外测温传感器163.3.1 红外测温传感器的工作原理163.3.2红外测温传感器的选择173.4信号调理电路183.5 A/D转换电路193.6 LED显示213.7 键盘接口253.7 控制电路26第四章 系统软件设计274.1程序初始化284.2主程序294.3 A/D转换子程序304.4 显示子程序314.5 键盘子程序334.6本章小结36第五章 结论与展望375.1主要研究工作及结论375.2本课题的展望37参考文献38致谢40附录41系统硬件原理图41系统PCB板图42第一章 绪论1.1课题的研究背景和研究意义金属切削加工是机械制造中应用最为广泛的加工方式之一。金属切削加工使用刀具或磨具从工件表面切除多余材料，以实现零件的几何形状、尺寸精度、表面粗糙度和表面层质量。刀具作为切削过程的直接执行者，在切削加工过程中不可避免地会发生磨损或破损。刀具磨损或破损会使零件的加工精度下降，零件表面粗糙度及表层质量恶化，严重时将使刀具失去切削能力，甚至危及机床设备。因为切削热而产生的温度变化是造成刀具磨损，破损的一个重要原因。切削温度升高后，刀具的磨损量增大，降低了工件的加工精度，这些都是切削过程中不利的一面。因此有必要研究切削过程中热量的产生和传递的规律，了解刀具中温度的分布状态。多年来，人们对于切削温度的研究也给予了足够的重视。但因为切削温度的研究无论是在实验室测量方法还是理论分析上，基本上局限于连续车削和稳定状态下的切削温度的研究。因此设计一个在线的自动控制的刀具温度控制系统，是防止设备的损坏，工件的报废并保证机床无故障运行的必然手段。1.2国内外研究现状随着红外温度检测技术的发展，国内外研究人员开始利用红外热辐射法进行非接触式检测刀具或者工件的表面切削温度。该方法利用红外传感器聚焦于刀具表面的固定位置，然后通过刀具表面的辐射强度检测刀具表面的切削温度，由传热学原理可知，刀具切削区温度的变化会造成刀具表面的切削温度的变化，从而可以通过试验测量刀具表面的切削温度的变化来间接识别刀具的状态1。1.2.1国外研究现状目前研究切削温度一般通过试验测量和理论计算两种方法。其中，Jehnming Lin2先测得铣削被加工表面的温度，然后再利用热传导反求法来推算铣刀的铣削温度。Sarat3利用边界元有限元混合法建立车刀和工件的温度分布的有限元模型，分析出刀具和工件的温度分布情况。Yahya Dogu 等4利用有限元方法建立正交切削过程中刀具的温度分布的有限元模型，同时说明了有限元法比解析法能更好地模拟温度的分布情况。E. Ceretti 等利用热电偶测量刀具温度，同时利用软件仿真金属车削加工的过程，结合试验测量值进行修正完善仿真的过程。Fang Du 等在假设切削过程中，刀具和工件的导热系数，比热以及密度稳定的情况下，建立涂层车刀的一维的温度分布的模型，分析出刀具一维温度分布的情况。Pradip Majumdar 等详细阐述了切削过程中切削热产生的过程，以及第一第二变形区产生的热流密度，明确了切削过程中的刀具的温度分布边界条件，最后建立了刀具的有限元温度分布模型。Rui Li 等5利用斜切削模型计算热流密度，建立钻削过程中钻头的的温度分布的有限元模型，结合试验测量值进行修正完善钻头的温度分布模型，分析出钻头的温度分布情况。1.2.2国内研究现状国内研究人员对红外测温技术也早已经展开研究，山东大学的王兰6利用红外线测温技术，用 PLC做硬件结构，测试 110KV 干式变压器的温度进行实时监控，从而设计出一套包含采集，处理，显示的功能的完整的测温监控系统。陈东生7等利用红外测温仪，快速移动传感器对其工件进行匀速扫描来实现工件温度分布的监控，结果表明能够快速地反应工件温度的分布变化，其精度可达1，满足监控的要求。赵友权等8分析了常低温辐射测量误差和物体发射率的关系，并针对测量过程中的发射率校正做了较详细的分析。杨巧凤9,10等采用红外辐射测量技术对铝合金铣削温度进行了间接的，相似的，直观的测量，通过测得工件表面的相对温度来推导临界铣削速度。1.3方案背景技术简介1.3.1数控车床数控技术,简称数控(Numerical Control),是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控技术都采用了计算机进行控制,因此,也可以称为计算机数控(Computer Numerical Control)。采用了数控技术进行控制的机床,或者说装备了数控系统的机床称为数控机床。它是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械制造技术等高新技术于一体的典型机电一体化产品,是现代制造技术的基础。它很好地解决了形状结构复杂、精度要求高、小批量及多变零件的加工问题且能稳定产品的加工质量,降低工人劳动强度,大幅度提高生产效率。机床控制也是数控技术应用最早、最广泛的领域,因此,数控机床的水平代表了当前数控技术的发展水平和方向。与普通机床相比,数控机床能够自动换刀、自动变更切削参数,完成平面、回旋面、平面曲线的加工,加工精度和生产效率都比较高,因而应用日益广泛11。1.3.2温度检测的主要方法常用的切削温度测量方法主要有热电偶法、光辐射法、热辐射法、金相结构法等。传统的温度测量采用的是热电偶方法12，当两种不同材质组成的材料副(如切削加工中的刀具工件)接近并受热时,会因表层电子溢出而产生溢出电动势,并在材料副的接触界面间形成电位差(即热电势)。由于特定材料副在一定温升条件下形成的热电势是一定的,因此可根据热电势的大小来测定材料副(即热电偶)的受热状态及温度变化情况。采用热电偶法的测温装置结构简单,测量方便,是目前较成熟也较常用的切削温度测量方法。根据不同的测量原理和用途, 热电偶法又可细分为自然热电偶法、人工热电偶法、半人工热电偶法、等效热电偶法。然而在实际加工中几乎没有一种工件允许在其内部埋置热电偶，且其热惯性大，响应慢。金相结构法13是基于金属材料在高温下会发生相应的金相结构变化这一原理进行测温的。但是这种方法的应用范围局限于金属材料制成的刀具,并只能在高温下才能观察到材料明显的组织结构变化；金相结构法的观测和分析的工作量也较大；利用扫描电镜法也存在以下缺点：只能测量600以上的高温；样件制作相当繁琐；且为事后破坏性测量,不方便推广应用于加工现场；所确定的切削温度分布状态属于定量分析；设备复杂,技术难度高,实际应用受到一定限制。光、热辐射法，采用光、 热辐射法测量切削温度的原理是: 刀具、切屑和工件材料受热时都会产生一定强度的光、热辐射, 且辐射强度随温度升高而加大, 因此可通过测量光、 热辐射的能量间接测定切削温度。主要分为辐射高温计法、红外照相法、红外热像仪法。辐射测温传感器不直接与被测物相接触，这样测量传感器不会改变被测对象的温度场分布，也不会受到工作介质的影响，而且不必与被测对象达到热平衡，因此它特别适合于被测物体表面温度的非接触测量。此外，辐射测温元件的响应时间很短，因而它便于进行动态、瞬态的温度测量。正是由于辐射测温具有这么多的优点，因此适用于实际加工过程的刀具温度测量。本论文结合实际加工过程应用选用红外测温方法。1.4本课题的主要研究内容本论文以CA6140普通车床为研究对象，通过红外测温法测量车床刀具表面温度进行监控刀具状态，同时根据反馈的刀具温度控制切削速度。主要工作如下：（1）了解CA6140车床结构和运行过程，确定电控系统的控制要求。（2）总结了刀具状态监控的常用方法和切削温度的常用测量方法，分析了红外测温法的原理，特点以及应用。（3）提出车床刀具温度控制方案，设计基于单片机MCS-51的温度信号采集电路，包括单片机的最小系统电路、AD转换电路、信号调理电路等。（4）配合温控系统的硬件电路，设计系统软件，包括监控软件，它是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块和操作者的关系。二是执行软件，它是用来完成各种实质性的功能如测量、显示等功能。1.5本章小结本章在介绍课题背景和研究意义的前提下，重点介绍了红外测温技术的国内外研究现状，并分析了红外测温技术运用在车床刀具温度测量的可行性14，最后对本课题主要研究内容进行了阐述。第二章 车床结构及系统总体设计方案2.1 CA6140车床简介CA6140普通卧式车床主要由主轴箱、床鞍、刀架部件、尾座、进给箱、溜板箱、床身等部件组成15。如图2.1所示。图2.1 CA6140普通卧式车床（1）主轴箱。它固定在机床身的左端，装在主轴箱中的主轴（主轴为中空，不仅可以用于更长的棒料的加工及机床线路的铺设还可以增加主轴的刚性），通过夹盘等夹具装夹工件。主轴箱的功用是支撑并传动主轴，使主轴带动工件按照规定的转速旋转。（2）床鞍和刀架部件。它位于床身的中部，并可沿床身上的刀架轨道做纵向移动。刀架部件位于床鞍上，其功能是装夹车刀，并使车刀做纵向、横向或斜向运动。（3）尾座。它位于床身的尾座轨道上，并可沿导轨纵向调整位置。尾座的功能是用后顶尖支撑工件。在尾座上还可以安装钻头等加工刀具，以进行孔加工。（4）进给箱。它固定在床身的左前侧、主轴箱的底部。其功能是改变被加工螺纹的螺距或机动进给的进给量。（5）溜板箱。它固定在刀架部件的底部，可带动刀架一起做纵向、横向进给、快速移动或螺纹加工。在溜板箱上装有各种操作手柄及按钮，工作时工人可以方便地操作机床。（6）床身。床身固定在左床腿和右床腿上。床身是机床的基本支撑件。在床身上安装着机床的各个主要部件，工作时床身使它们保持准确的相对位置。2.2系统总体设计方案本次设计采用MCS-51单片机作为控制芯片，采用红外温度传感器采集刀具温度信号16,17。通过红外温度传感器将采集的温度信号转换成与之相对应的电信号，经过放大处理送入A/D转换器进行A/D转换，将模拟信号转换成数字信号送入到控制芯片进行数据处理。通过在芯片外围添加显示、控制等外围电路来实现对车床刀具温度实时监测和控制功能。本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成,硬件部分主要完成传感器信号的采集处理,信息的显示等;软件主要完成对采集的温度信号进行处理及显示控制等功能。系统结构框图如图2.2所示：图 2.2 系统结构框图2.3本章小结本章介绍了CA6140车床的结构及部件功能，并根据车床这个控制对象的要求，提出车床刀具温度控制系统方案，一个基于MCS-51单片机的刀具温度控制系统的硬件和软件设计。第三章 系统硬件设计3.1系统硬件设计方案本系统的硬件电路主要包括模拟部分和数字部分，从功能模块上来分有CPU电路、数据采集电路、键盘显示电路、控制执行电路。系统硬件包括：红外温度传感器、信号调理电路、AD转换器件、MCS-51单片机、键盘输入、LED温度显示器、温度控制电路。温度检测方案如图3.1所示。图3.1 温度检测方案3.2 中央处理器单片机就是在一块硅片上集成了微处理器、存储器和各种输入输出接口电路的微型计算机，简称单片机。单片机以其较高的性能价格比受到了人们的重视和关注。它的优点就是体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。单片机根据其基本操作处理的位数可分为4、8、16、32位单片机，应用最为广泛的是八位单片机。根据本次设计的实际情况和要求，在本次设计中采用AT89C51作为系统的控制芯片。3.2.1 AT89C51简介AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。3.2.2 AT89C51主要性能参数AT89C51单片机与MCS-51系列单片机兼容, AT89C51内部有4K字节可编程闪烁存储器, 128*8位内部RAM,两个16位定时器/计数器, 6个中断源, 32可编程I/O线及串行通道。AT89C51有片内振荡器和时钟电路 ,具有低功耗的闲置和掉电模式,在空闲方式下，CPU停止工作，但允许内部RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统继续工作。在掉电方式下，能保存RAM的内容，但振荡器停止工作，并禁止所有其他部件工作直到下一个硬件复位。3.2.3管脚说明如图3.2为AT89C51引脚图,各引脚功能说明如下:图3.2 AT89C51引脚图VCC: 电源电压。GND: 地。P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX） P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89C51特殊功能（第二功能）使用，如表3-1所示。表3-1 AT89C51引脚号第二功能P3.0 RXD（串行输入）P3.1 TXD（串行输出）P3.2 INT0（外部中断0）P3.3 INT0（外部中断0）P3.4 T0（定时器0外部输入）P3.5 T1（定时器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7 RD（外部数据存储器读选通）RST: 复位输入，晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89C51从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。3.2.3特殊功能存储器在单片机内高128B RAM中，由有21个特殊功能寄存器（AFR），它们离散的分布在80H-FFH的RAM空间中，访问特殊功能寄存器只允许使用直接寻址方式。表3-2为AT89C51单片机特殊功能寄存器及其相应地址。表3-2 专用寄存器名称，功能及对应的RAM地址名称简单描述地址ACC累加器（专门用于存储算术和逻辑运算的结果）0E0HBB寄存器（专门用于乘/除法运算）0F0HPSW程序状态寄存器0D0HSP推栈指针寄存器81HDPTR16位数据指针寄存器。CPU访问外部RAM时地址指针，由两个8位寄存器DPH（83H）、DPL（82H）组成且可单独访问。P0端口0状态寄存器（初始值为0FFH）80HP1端口1状态寄存器（初始值为0FFH）90HP2端口2状态寄存器（初始值为0FFH）0A0HP3端口3状态寄存器（初始值为0FFH）0B0HIP中断优先级控制寄存器0B8HIE中断允许控制寄存器0A8HTMOD定时器/计数器方式控制寄存器89HTCON定时器/计数器控制寄存器88HTH0定时器/计数器0高字节8CHTL0定时器/计数器0低字节8AHTH1定时器/计数器1高字节8DHTLI定时器/计数器0低字节8BHSCON串行控制寄存器98HSBUF串行数据缓冲器99HPCON电源控制寄存器87H3.2.4芯片擦除整个EPROM阵列电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦除操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。3.2.5复位电路的设计复位使单片机处于起始状态，并从该起始状态开始运行。AT89C51的RST引脚为复位端，该引脚连续保持2个机器周期（24个时钟振动周期）以上高电平，则可使单片机复位。内部复位电路在每一个机器周期的S5P2期间采样斯密特触发器的输出端，该触发器可抑制RST引脚的噪声干扰，并在复位期间不产生ALE信号，内部RAM处于不断电状态。其中的数据信息不会丢失，也即复位后，只影响SFR中的内容，内部RAM中的数据不受影响。外部复位有上电复位和按键电平复位。由于单片机运行过程中，其本身的干扰或外界干扰会导致出错，此时我们可按复位键重新开始运行。为了便于本设计运行调试，复位电路采用按键复位方式。按键复位电路如图3.3所示。图3.3 复位电路3.2.6时钟电路设计时钟电路是单片机的心脏，它控制着单片机的工作节奏。MCS-51单片机允许的时钟频率是因型号而异的，其典型值为12MHZ。AT89C51内部有一个反相振荡放大器，XTAL1和 XTAL2分别是该反向振荡放大器的输入端和输出端。该反向放大器可配置为片内振荡器，石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。本设计采用的晶振频率为12MHZ。其时钟电路如图3.4所示。51系列单片机还可使用外部时钟。在使用外部时钟时，外部时钟必须从XTAL1输入，而XTAL2悬空。图3.4 时钟电路3.3红外测温传感器3.3.1 红外测温传感器的工作原理一个红外测温传感器由光学接收器、红外探测器和信号处理器三个部分组成19。如图3.5，光学接收器聚集可视范围内的目标的红外辐射能量，可视范围的大小由传感器的光学零件和位置决定。红外探测器将红外辐射能量转换为对应的电信号。信号处理器将电信号进行放大，滤波，将电信号转换为需要的格式输出，输送进计算机或相关显示设备。图3.5 红外传感器原理3.3.2红外测温传感器的选择从测温范围，结构形式和设计原理可以划分多种不同类型的红外测温传感器。选用红外测温传感器需要从多方面考虑，例如传感器的性能指标，可测温度范围，最小光点尺寸，工作波长范围，测量精度和灵敏度，性价比等等。因此在本系统中，综合考虑选用了德国 Optris CT laser 红外温度传感器20。其主要技术参数如表 3-3 所示。该 CT laser 红外温度传感器采用了 Optris最新独特设计的探测器，是中低温测量的突破性产品。75：1 的光学分辨率和双激光精确对焦，最小可测量 0.9mm 的细微目标，解决了以往因测量目标区域相对较小而无法精确测量的问题。表3-3红外温度传感器技术参数测量量程-40975测量精度测量值的1%光谱响应814m温度分辨率0.1发射率0.1001.000透射率0.1001.000模拟输出05V, J/K 型热偶输出数字输出USB,RS232,RS485电缆长度3m 8m 15m 可选电源536V DC激光参数635nm 1mw环境温度065储存温度-4065相对湿度1095%,不结露重量红外测温探头 600g,信号调理器 420g外壳材料不锈钢机壳,坚固耐用3.4信号调理电路在车床刀具温度测试过程中，通过非接触式红外温度传感器对温度信号进行采集，本系统选用的红外温度传感器输出的是0-5V的模拟信号。但由于空间环境比较恶劣，常存在各种干扰源，使得获取的信号通常夹杂有噪声，如果不对这些噪声信号进行处理，系统的精度将会受到很大的影响。因此，在测试系统进行信号调理的同时还需采用滤波技术减小各种噪声干扰，以便准确地采集到表征被测对象特征的有用信息21。如图3.6所示，本设计中，信号调理电路部分由集成运放LM358构成一个电压跟随器，后端用LM358的第二路运算放大器构成一个滤波器。LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。图3.6 温度检测调理电路在该放大电路中，电压跟随器起阻抗匹配的作用。反馈电阻为零时，放大倍数为1，电压跟随器的输入电压等于输出电压。由于温度信号为低频信号，同时为了抑制环境干扰源消除高频噪声，需要进行低通滤波，这里采用二阶RC有源滤波。3.5 A/D转换电路温度传感器输出的0-5V模拟信号经过调理电路后，还需要进行A/D转换才能到单片机，这里我们采用ADC0809芯片进行A/D转换22。ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器，其内部有一个8位“三态输出锁存器”可以锁存A/D转换后的数字量，故它本身既可看作一种输入设备，也可以认为是并行I/O接口芯片。故ADC0809可以和微机直接接口，本设计就是用AT8951和ADC0809直接相连的。图3.7 ADC0809引脚图ADC0809采用双列直插式封装，图3.7为ADC0809引脚图，共有28条引脚，主要引脚功能为： IN0IN7: 为八路模拟电压输入线，用于输入被转换的模拟电压。ALE: 为地址锁存允许输入线，高电平有效。ADD-A、ADD-B和ADD-C: 为地址输入线，用于选择IN0IN7上那一路模拟电压送给比较器进行A/D转换。ADDA、ADDB和ADDC对IN0IN7的选择如表3-4所列： 表3-4 8位模拟开关功能表被 选 模 拟 电 压ADDCADDBADDAIN0000IN1001IN2010IN3011IN4100IN5101IN6110IN7111START: 为“启动脉冲”输入线,上升沿清零SAR，下降沿启动ADC0809工作。 EOC：为转换结束输出线，该线上高电平表示A/D转换已结束。 OE：为“输出允许”线，高电平时能使22引脚上输出转换后的数字量。 AT89C51与ADC0809的连接方法如图3.8所示，AT89C51通过地址线P2.7和写控制信号线用一个或非门联合控制启动转换信号端(START)和地址锁存信号端(ALE)。地址线P2.7和读控制信号线用一个或非门联合控制输出允许控制端(EOC)。低三位地址线加到ADC0809的A、B、C端，所以选中ADC0809的IN0通道的地址为7FF8H。转换结束信号EOC通过一个反相器接到INT1。图3.8 AT89C51与ADC0809连接图AT89C51和ADC0809连接通常可以采用查询和中断两种方式。本系统采用中断方式传送数据，EOC线作为CPU的中断请求输入线。CPU线响应中断后，应在中断服务程序中使OE线变为高电平，以提取A/D转换后的数字量。其中和START的逻辑关系分别为：P2.7P2.7 +START= P2.7= P2.7 +对ADC0809地址的确定：根据系统硬件连接图可知所选定模拟电压路数为IN0，其对应的地址为ABC=000，即P0.0、P0.1、P0.2=0 0 0;又P2.7=0时才能启动ADC0809工作和使AT89C51从ADC0809接收A/D转换电压的数字量。故确定ADC0809其中一个地址为: 0111111111111000B=7FF8H 。ADC0809的IN0和变送器输出端线连，故IN0上输入的0V5V范围的模拟电压经A/D转换后可由AT89C51通过程序从P0口输入到它的内部RAM单元。ADC0809所需时钟信号可以由AT89C51的ALE信号提供。AT89C51的ALE信号通常是每个机器周期出现两次，故它的频率是单片机时钟频率的1/6。本系统AT89C51主频是12MHZ，ALE信号频率为2MHZ，使AT89C51的ALE上信号经过4分频后接到ADC0809的CLOCK输入端，就可获得500KHZ的A/D转换脉冲，当然，ALE上脉冲会在MOVX指令的每个机器周期少出现一次，但通常情况下影响不大。在启动ADC0809后，EOC约在10us后才变为低电平，EOC线经过反相器和AT89C51线相连，这即是AT89C51采用中断方式来和ADC0809传送A/D转换后的数字量的。为了给OE线分配一个地址，把AT89C51RD和P2.7经或门和OE相连。平时，使OE处于低电平封锁状态，在响应中断后，AT89C51执行中断服务程序中如下两条指令就可以使OE变为高电平，从而打开三态输出锁存器，让CPU提取A/D转换后的数字量。3.6 LED显示单片机应用系统中使用的显示器主要有发光二极管显示器，简称LED；液晶显示器，简称LCD。前者价廉，配置灵活，与单片机接口方便；后者可进行图形显示，但接口复杂，成本较高。结合本设计的特点，在这里系统的显示采用发光二极管作为显示器件。单片机中使用7段LED构成字形“8”，另外，还与一个小数点发光二极管用以显示数字、符号及小数点。这种显示器有共阴极和共阳极两种，如图3.9所示。发光二极管的阳极连在一起称为共阳极显示器，阴极连在一起的称为共阴极显示器。一位显示器由八个发光二极管组成，其中，7个发光二极管构成字形“8”的各个笔划（段）a-g,另一个小数点为dp发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压是，该段笔划即点亮；不加电压则该段二极管不亮。为了保护各段LED不被损坏，需要外加限流电阻。图3.9共阳极数码管如果要显示某个字形，则应使此字形的相应段点亮，也即送一个不同的电平组合代表的数据来控制LED的显示字形，此数据称为字符的段码。数据字位数与LED段码的关系如表3-4所示。表3-4 数码管各段与输出口各位的对应关系输出口各位D7D6D5D4D3D2D1D0数码管各段dpgfedcba如使用共阳极数码管，数据为0表示对应字段亮，数据为1表示对应字段暗；如使用共阴极数码管，数据为0表示对应字段暗，数据为1表示对应字段亮。如要显示“0”，共阳极数码管的字型编码应为：11000000B（即C0H）；共阴极数码管的字型编码应为：00111111B（3FH）。依次类推，可求得数码管字型编码如表3-5所示。表3-5 数码管字型编码表字型共阳极共阴极dpgfedcba字型码dpgfedcba字型码011000000C0H001111113FH111111001F9H0000011006H210100100A4H010110115BH310110000B0H010011114FH41001100199H0110011066H51001001092H011011016DH61000001082H011111017DH711111000F8H0000011107H81000000080H011111117FH91001000090H011011116FHA1000100088H0111011177HB1000001183H011111007CHC11000110C6H0011100139HD10100001A1H010111105EHE1000011086H0111100179HF100011108EH0111000171H灭11111111FFH0000000000H本设计显示采用LED串行静态显示。MCS-51系列单片机的串行口RXD，TXD为一个全双工串行通信口，当工作在方式0下可作同步移位寄存器用，其数据由RXD（P3.0）端串行输入或输出；而同步移位时钟由TXD（P3.1）串行输出，在同步时钟的作用下，实现由串行到并行的数据通信。在不需要使用串行通信的场合，利用串行口加外围芯片74LS164就可以构成一个或多个并行输入/输出口，用于显示器LED驱动。波特率（每秒传输的位数）固定在fosc/12,即当晶振为12MHZ时，波特率为1MBPS。在CPU将数据写入SBUF寄存器后，立即启动发送。待8位数据输完后，硬件将状态寄存器的TI位置1，TI必须由软件清零。单片机与4片串入并出移位寄存器74LS164相连。其中，RXD作为164的数据输入，TXD作为4片164的同步时钟。程序运行时，单片机将4个数码管的段码（4个字节）连续发送出来，通过串行口送给164。4位字第四章 系统软件设计型码送完后，TXD保持高电平。此时每片164的并行输出口将送出保存在内部移位寄存器中的8位的段码给数码管，令数码管稳定地显示所需的字符。74LS164是8位串入并出移位寄存器。它的引脚如图3.10所示。A、B为串行输入端，QAQH为串行输出端，CLK为串行时钟输入端，为串行输出清零端，VCC为+5V电源输入端，GND为接地端。具体输入输出关系如表3-6所示。X代表任意状态；QA0、QB0 QH0代表在稳态输入条件建立之前QA、QBQH的输出状态；QAn、QBn QHn代表在最近的时钟上升沿转换之前QA、QBQH的输出状态；H/L、QAn QBn代表在最近的时钟上升沿转换之后QA、QBQH的输出状态。图3.10 74LS164引脚如图串行显示电路属于静态显示，比动态显示亮度更大一些。由于74LS164在低电平输出时，允许通过的电流达8mA，故不必添加驱动电路，亮度也比较理想。与动态扫描相比较，无需CPU不停的扫描，频繁地为显示服务，节省了CPU时间，软件设计也比较简单。由于本设计采用的是共阳极数码管，所以相应的亮段必须送0，相应的暗段必须送1。原理图如图3.11所示：图3.11 LED串行静态显示3.7 键盘接口键盘在单片机应用系统中，实现输入数据、传送命令的功能，是人工干预的主要手段。键盘分两大类：编码键盘和非编码键盘。编码键盘：由硬件逻辑电路完成必要的键识别工作与可靠性措施。每按一次键，键盘自动提供被按键的读数，同时产生一个选通脉冲通知微处理器，一般还具有反弹跳和同时按键保护功能。这种键盘易于使用，但硬件比较复杂，对于主机任务繁重之情况，采用8279可编程键盘管理接口芯片构成编码式键盘系统是很实用的方案。非编码键盘：只简单地提供键盘的行列与矩阵，其他操作如键的识别，决定按键的读数等都靠软件完成，故硬件较为简单，但占用CPU较多时间。非编码键盘有：独立式按键结构、矩阵式按键结构。本设计采用的是非编码独立连接式的键盘。在非编码键盘系统中，键闭合和键释放的信息的获取，键抖动的消除，键值查找及一些保护措施的实施等任务，均由软件来完成。单片机应用系统中，键盘扫描只是CPU的工作内容之一。CPU忙于各项任务时，如何兼顾键盘的输入，取决于键盘的工作方式。考虑仪表系统中CPU任务的份量，来确定键盘的工作方式。键盘的工作方式选取的原则是：既要保证能及时响应按键的操作，又不过多的占用CPU的工作时间。键盘的工作方式有：查询方式（编程扫描，定时扫描方式）、中断扫描方式。独立式按键接口就是各按键相互独立，每个按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线的按键工作状态不会影响其他I/O口线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下了。优点就是电路配置灵活，软件结构简单；缺点就是每个按键需占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口浪费大，电路结构显得复杂。因此，此键盘是用于按键较少或操作速度较高的场合8。本设计中由于所用键盘不多，所以采用独立连接式的查询式键盘就能够满足设计要求。键盘接口与键盘程序的根本任务就是要检测有没有键按下？按下的是那个位置的键？键值是多少？在本次设计中采用了软件扫描的方法。通过对键盘接口P1.0和P1.1的查询判断是否有键按下。本次设计采用了软件去抖动的方法。当有键按下时，按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如果不妥善处理，将会使按键命令的错误执行和重复执行。采用软件延时的方法来避开抖动阶段，这一延时过程一般大于5ms。3.7 控制电路在本设计中，被测温度信号经采样处理后，如果刀具温度超过刀具变形的最高温度，需要通过单片机系统的P1.2口输出以控制主轴电机的启停，通过这种方式达到控制的目的。控制的方式主要有模拟量控制和开关量控制。本系统采用的是开关量控制。由于输出设备往往需要大电压来控制，而单片机系统输出的为TTL电平，这种电平不能直接驱动外部设备的开启和关闭。另一方面，许多外部设备在开关过程中会产生很强的电磁干扰信号，如果不隔离会使系统进行错误的处理。因此在开关量的输出控制过程中要考虑到两个问题，一要隔离；二要放大。本设计采用继电器作为控制电路的主要器件，继电器具有一定的隔离作用，在继电器前面加一个三极管用以放大输出信号就可以驱动继电器的闭合和断开，从而实现弱电控制强电的效果。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流控制较大电流的一种开关。故在电路中起自动调节、安全保护、转换电路等作用。在工业自动化控制系统中,继电器经常被用来控制执行机构, 特别是应用在一些耐潮、耐腐蚀、防爆的特殊装置中。固态继电器和MCS-51系列单片机组成的控制系统, 具有抗干扰性强、编程简单、系统兼容性好等特点,具有非常广阔的应用前景。继电器一般由通电线圈和触电组成。当线圈通电时，由于磁场作用，使开关触电闭合。当不通电时，则开关触点断开。一般线圈可用直流低电压控制（+5V，+9V，+12V）。继电器的特性参数包括输入和输出参数，主要的参数为额定输入电压、额定输出电流、浪涌电流。根据输入电压参数值大小，可确定工作电压大小。如采用TTL或CMOS等逻辑电平控制时，采用有足够带载能力的低电平驱动，并尽可能使“0”电平低于0.8 V。如在噪声很强的环境下工作，不能选用通、断电压值相差小的产品，必需选用通、断点压值相差大的产品，(如选接通电压为8 V或12 V的产品)这样不会因噪声干扰而造成控制失灵 。本设计就是采用直流驱动电压为+5V的继电器。触电输出部分可以直接与市电连接。继电器控制电路如图3.12所示：图3.12 主轴电机继电器控制电路第四章 系统软件设计本次车床刀具温度单片机控制系统，软件配合硬件电路，主要实现温度测量、显示，最大温度设定等功能23，24。本系统程序设计包括温度采集程序、显示程序、键盘程序、控制程序。程序流程图如图4.1所示。这里的控制程序主要防止车床刀具温度过高导致变形，如果当前温度超过设定的最高温度，停止主轴电机，等待刀具温度降温到设定温度以下。图4.1 系统流程图4.1程序初始化程序初始化部分根据系统硬件原理图及设计要求对单片机系统进行系统资源分配、参数的设置以及定义。系统内部资源分配和参数设置如下：A/D端口地址（ADPORT）： 7FF8H显示缓冲起始地址：（LEDBUF）： 30H段码存储起始地址（TEMP）： 40H设定温值存储地址（SETTEMP）： 50h测量温度存储地址（CURTEMP）：51H初始化程序代码如下：ADPORT EQU 7FF8H ；A/D端口地址 LEDBUF EQU 30H ；显示缓冲TEMP EQU 40H ；段码存储LOWTEMP EQU 21 ；A/D 0HIGHTEMP EQU 107 ；A/D 255SETTEMP EQU 50H ；设定温值CURTEMP EQU 51H ；测量温度DIN BIT 0B0H ；P3.0CLK BIT 0B1H ；P3.1 ORG 0000HLJMP START4.2主程序主程序的编写是为了实现程序在各个模块间的跳转。这样使程序编写思路更加明了，简化了程序的编写难度，有利于程序的调试。本软件系统包括A/D转换模块，显示模块，键盘模块，控制模块等。主程序代码如下：START：MOV SETTEMP, #900 ；初始安全温度值为900MLOOP：CALL TESTKEY ；测试有无键入JNZ KEYPRESSED ；更改设定值CALL DISPLAYRESULT ；数制转换CALL DISPLAYLED ；显示CALL READTEMP ；读入温度CONTROL： ；控制子程序KEYPRESSED： ；键盘子程序END4.3 A/D转换子程序根据系统硬件连接图可知，在系统中将ADC0809作为一个外部扩展并行I/O口，采用线选寻址25。由P2.7和联合控制启动转换信号端（ATART）和ALE端，低三位地址线架到ADC0809和ADDA，ADDB，ADDC端，所以选中ADC0809的IN0通道的地址为7FF8H。启动DAC0809的工作过程是：先送通道号地址到ADDA，ADDB，ADDC，由ALE信号锁存通道号地址，后让ATART有效，启动A/D转换，即执行一道“MOVX DPTR ,A”指令产生信号，使ALE，START有效，锁存通道号并启动A/D转换，A/D转换完毕后，EOC端发出一正脉冲，申请中断。在中断服务程序中，“MOV A , DPTR”指令产生信号，使OE端有效，打开输出锁存器三态门，8位数据便读入到CPU中。A/D转换子程序流程图如图4.2所示。图4.2 A/D转换子程序流程图A/D转换子程序代码如下：READAD: MOV DPTR, #ADPORTCLR AMOVX DPTR, A ；START A/DJNB P3.3, $MOVX A, DPTR ；读入结果RET4.4 显示子程序显示模块包括数制转换和LED串口静态显示两部分。显示内容包括当前温度和设定温度两个参数。在数制转换程序中将十六进制数的数据转换为十进制数数据，各分为十位数和个位数。在编写显示程序时，先送高位再送低位。显示模块程序流程图如图4.3所示图4.3 显示流程图数制转换子程序代码如下：DISPLAYRESULT:MOV A, CURTEMP ；实际值MOV B, #10DIV ABMOV DPTR, #LEDMAP ；显示码首址MOVC A, A+DPTR ；取显示码MOV LEDBUF, A ；存显示缓冲MOV A, BMOVC A, A+DPTRMOV LEDBUF+1, AMOV A, SETTEMP ；设定的恒温值 MOV B, #10 DIV ABMOV LEDBUF+2, AMOV A, BMOV LEDBUF+3, ARET显示子程序代码如下：DISPLAYLED: ；显示子程序MOV R0,#LEDBUF ；置存储区首地址MOV R1,#TEMP ；置缓冲区首地址MOV R2,#4 ；制段码字节数DP10:MOV DPTR, #LEDMAP ；表头地址MOV A,R0MOVC A,A+DPTR ；查表指令MOV R1,AINC R0INC R1DJNZ R2 , DP10MOV R0,#TEMP ；段码地址指针MOV R1,#4 ；段码字节数DP12:MOV R2,#8 ；输出子程序MOV A,R0 ；取段码DP13:RLC A ；段码左移 MOV DIN,C ；输出一位段码CLR CLK ；输出移位脉冲SETB CLKDJNZ R2,DP13INC R0DJNZ R1,DP12 RET4.5 键盘子程序按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如不妥善处理，将会使按键命令的错误执行或重复执行。在这里采用软件延时的方法来避开抖动阶段，这一延时程序一般大于5ms。在第一次检测到有键按下时，执行一段延时子程序后，再确认电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平，则确认真正有键按下，进行相应处理工作，消除了抖动的影响。这种消除抖动影响的软件措施是切实可行的。键盘子程序流程图如图4.4所示。图4.4 键盘子程序流程图键盘子程序程序代码如下：TESTKEY: ；测试有无键入子程序MOV P1, #03H ；读键盘情况MOV A, P1 RETKEYPRESSED:CALL GETKEYMOV B, AXRL A, #DOWN JNZ KEY0 ；判断是否减小键MOV A, SETTEMPXRL A, #LOWLIMITJZ KEY1 ；判断是否低于下限值DEC SETTEMPSJMP KEY1KEY0: MOV A, BXRL A, #UPJNZ KEY1 ；判断是否增加键MOV A, SETTEMPXRL A, #HIGHLIMITJZ KEY1 ；判断是否高于上限值INC SETTEMPKEY1: SJMP MLOOP KEYTABLE: ；键码定义DB 0EEH, 0DEH, 0BEH, 07EH DB 0EDH, 0DDH, 0BDH, 07DHDB 0EBH, 0DBH, 0BBH, 07BHDB 0E7H, 0D7H, 0B7H, 077H GETKEY: ；取键值MOV R6,#10ACALL DELAYMOV A,P1ANL A,#03H ；高六位不用 CJNE A,#03H,K01 ；确有键按下LJMP MLOOPK01: MOV R3,#2 ；2个键MOV R2,#0 ；键码MOV B,A ；暂存键值MOV DPTR,#KEYTABLEK02: MOV A , R2MOVC A , A+DPTR ；从键值表中取键值 CJNE A , B, K04 ；键值比较MOV A , R2 ；得键码INC A RETK04:INC R2 ；不相等，到继续访问键值表 DJNZ R3 , K02MOV A , #0FFH ；键值不在键值中，即多键同时按下LJMP MLOOPDELAY: ；延时子程序MOV R7 , #0DELAYLOOP:DJNZ R7 , DELAYLOOPDJNZ R6 ,DELAYRET DELAY1: ；延时子程序1MOV R4, #0FFHAA1:MOV R5, #0FFHAA: NOPNOPDJNZ R5 , AADJNZ R4 , AA1RET4.6本章小结本章主要叙述了车床刀具温度单片机控制系统的软件设计，包括温度采集程序、显示程序、键盘程序、控制程序。当采集到的刀具温度超过设定最高温度时，单片机控制主轴电机停止，保证刀具处于安全温度以内，防止刀具变形影响加工精度。第五章 结论与展望5.1主要研究工作及结论本论文以CA6140普通车床为研究对象，通过红外测温法测量车床刀具表面温度进行监控刀具状态，同时根据反馈的刀具温度控制切削速度。主要设计基于单片机MCS-51的温度信号采集电路，包括单片机的最小系统电路、AD转换电路、信号调理电路等。配合温控系统的硬件电路，设计系统软件，包括监控软件，它是整个控制系统的核心，专门用来协调各执行模块和操作者的关系。包括完成各种实质性的功能如测量、显示等功能。本次设计的具体步骤如下：（1）系统整体设计，根据设计要求，选择合理可行的设计总体方案，实现系统功能。（2）元件选择，根据需求分析选择电子元器件，以达到设计的目的。（3）硬件设计，用Altium Designer 10软件画好电路原理图，生成PCB板图。（4）软件设计，画好程序流程图，设计主程序和子程序。5.2本课题的展望在本课题的研究中，由于个人能力有限、理论知识和实践经验的欠缺，其中已然存在许多不足：（1）对于整个系统最重要的刀具温度控制上，只进行了启停的简单的控制，效果不是很好，后面可以研究刀具温度跟切削速度的关系，得到更好的控制效