通用两维运动平台说明书

1摘 要【摘要】：X-Y 工作台是指能分别沿着 X 向和 Y 向移动的工作台。数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、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 X-Y 工作台的机械系统、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。本次课程设计，主要设计和研究工作台及其电气原理图。确定工作台的传动系统，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2目 录第一章 总体设计方案 .41.1 系统运动方式的确定与驱动系统的选择 .41.2 机械传动方式 .41.3 计算机系统选择 .41.4 总体方案的确定 .5第二章 机床进给驱动系统机械部分设计计算 .62.1 设计参数 .62.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 .62.2.1 X 向进给丝杠 .62.2.2 Y 向进给丝杠 .82.2.3 滚珠丝杠副的几何参数 .132.3 滚动导轨的计算与选择 .132.3.1 滚动导轨副的额定寿命 .132.4.1 转动惯量的计算 .152.4.2 电机的力矩的计算 .16第三章 微机数控系统硬件电路设计 .233.1 计算机系统 .233-2 单片微机数控系统硬件电路设计内容 .233.2.1 绘制电气控制系统框图 .233.2.2 选择 CPU 的类型 .243.2.3 存储器扩展电路的设计 .243.2.4 I/O 接口电路设计 .253.3 各类芯片简介 .253.3.1 8031 芯片简介 .253.3.2 373 芯片简介 .253.3.3 6264 芯片简介 .263.3.4 2764 芯片简介 .263.3.5 8155 芯片简介 .263.3.6 8255 芯片简介 .2633.4 存储器扩展电路设计 .273.4.1 程序存储器 ROM 的扩展 .273.4.2 数据存储器 RAM 的扩展 .273.4.3 译码电路的设计 .283.5 I/O 接口电路的设计 .283.5.1 8155 通用可编程接口芯片 .283.5.2 8255 可编程接口芯片 .293.5.3 键盘显示接口电路 .293.6 8031 的时钟电路 .303.7 复位电路 .303.8 越界报警电路 .313.9 掉电保护电路 .313.10 控制系统的功能 .313.11 控制系统的工作原理 .31参考资料 .334第一章 总体设计方案1.1 系统运动方式的确定与驱动系统的选择运动方式可分为点位控制系统、点位/点线系统和连续控制系统。为了满足二维运动平台实现 X-Y 两坐标联动,运动定位,暂停,急停等功能,故选择连续控制系统。驱动系统有开环、闭环和半闭环。考虑到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，利用步进电机进行驱动。1.2 机械传动方式为了实现设计要求的分辨率，采用步进电机转动丝杠。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，为了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 计算机系统选择根据设计要求，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，具有很高的性能价格比等特点，决定采用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。51.4 总体方案的确定微机驱动器驱动器步进电机步进电机工作平台中拖板图 11 XY 数控工作台总体方案设计6第二章 机床进给驱动系统机械部分设计计算2.1 设计参数1、工作台台面尺寸： 25032、工作台移动尺寸： 16YX3、夹具和工作台总重： N4、最高运行速度：步进电动机运行方式：空载：1.2m/mim：切削：0.6m/min；5、系统分辨率：开环模式 0.01mm/step；6、系统定位精度：开环模式 0.10mm；7、切削负载：X 向 400N；Y 向 500N；Z 向 600N； 2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型2.2.1 X 向进给丝杠（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在导轨上的摩擦力。因而其数值的大小与导轨的型式有关，由于在设计中采用的是加有导轨块的滚动导轨，所以选择的计算公式为综合导轨的计算公式。计算公式为： )(GFfKZxm式中 、 、-切削分力（N） ；XFZ-移动部件上的重量（N） ；G-主轴上的扭距（Ncm） ；M-导轨上的摩擦系数，随导轨型式而不同；f-考虑颠复力矩影响的实验系数；K综合导轨的 , ，取 ，式中 ， 15.05.2.f 03.f NFX40，NFZ60G60代入计算得 NFm6.43（2） 、计算最大动载荷 C选用滚珠丝杠副的直径 时，必须保证在一定轴向载荷作用下，丝杠在回转0d7100 万转（10 6转）后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载 ，用下式计算选择：C3/1LfFkahtwm60Tn01Lvs式中 -寿命，以 10 转为一单位L6-温度系数，小于 100 摄氏度 =1tf tf-硬度系数， =1hhf-精度系数，三级精度 =1af af-可靠度系数，可靠度为 95%， =0.62k kf-为运转系数；有一般运转时 =1.2-1.5wf w-丝杠转速， ，用下式计算nmin/r-为最大切削力条件下的进给速度 ，sv min/-丝杠导程， ；0L-为使用寿命， ，对于数控机床取 ；ThhT150初选导程 =4 ，由任务书可知最大切削力下的速度 ，则0min/6.v,代入公式可计算得in/6.vs= =15001Lvs46.min/r1350166Tn3/1LfFCkahtwm N6.498.5.9（3） 、滚珠丝杠螺母副的选型所选丝杠螺母副规格如下（其中载荷单位为 kgf）8表 2-1 丝杠螺母副规格根据以上算得的最大动负载 在表中选用型号额定动载荷为 ，满足前面进CN1027给方向的要求。（4） 、传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率 ：tg式中 -丝杠螺旋升角；-摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数 ，其摩擦角约等于 04.3.f。10由选用的 W1L2506 的滚珠死杠的相关数据可知丝杠螺旋升角 2代入公式计算得 %3.962.2.2 Y 向进给丝杠（1） 、计算进给牵引力计算公式为： )(GFfKFZXxM式中 、 、-切削分力（N） ；XZ-移动部件上的重量（N） ；G-主轴上的扭距（Ncm） ；-导轨上的摩擦系数，随导轨型式而不同；f-考虑颠复力矩影响的实验系数；K综合导轨的 , 取 ，式中 ，15.05.2.f 03.f NFY50，NFZ60G60代入计算得 NFm6.78（2） 、计算最大动载荷 C用下式计算选择：93/1LfFCkahtwm60Tn01Lvs式中 -寿命，以 10 转为一单位L6-温度系数，小于 100 摄氏度 =1tf tf-硬度系数， =1hhf-精度系数，三级精度 =1af af-可靠度系数，可靠度为 95%， =0.62k kf-为运转系数；有一般运转时 =1.2-1.5wf w-丝杠转速， ，用下式计算nmin/r-为最大切削力条件下的进给速度 ，sv min/-丝杠导程， ；0L-为使用寿命， ，对于数控机床取 ；ThhT150初选导程 ，由任务书可知最大切削力下的速度 ，则60 min/6.v,代入公式计算可得min/6.vsmin/150r135066TnLNFfCmw 33（3） 、滚珠丝杠螺母副的选型所选丝杠螺母副规格如下（其中载荷单位为 kgf）表 2-2 丝杠螺母副规格根据以上算得的最大动负载 在表中选用型号额定动载荷为 ，满足前面进CN1027给方向的要求。10（4） 、传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率 ：tg式中 -丝杠螺旋升角；-摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数 ，其摩擦角约等于 04.3.f。10由选用的 W1L2506 的滚珠死杠的相关数据可知丝杠螺旋升角 2代入公式计算得 %3.96（5） 、刚度的验算先画出此进给滚珠丝杠支承方式草图,如图所示.最大牵引力为 578.6N,由螺母装配总长度为 75mm,丝杠螺纹长度取 250mm,预计长度为 410mm,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.GJ ML1J图 2-1 Y 向进给系统计算简图滚珠丝杠副的轴向变行会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑以下引起轴向变形的因素：1)、丝杠的拉伸或压缩变形量 1在总的变形量中占的比重较大,可以用计算方法或查图表的方法决定，在这里1我选用的是计算的方法，先用下式计算滚珠丝杠受工作负载 的作用引起的导程Fm的变化量 再计算滚珠丝杠总长度上的拉伸或压缩变形量 ，公式如下：0L)(m 1EFLm0式中 -在工作负载 Fm 作用下引起每一导程的变化量， ;)(-工作负载，即进给牵引力， ;mF)(N-滚珠丝杠的导程， ;0L)(11-材料弹性模数，对钢 E=20.6 ,( );E4102/mN-滚珠丝杠截面积（按内径确定） .F)(“+”号用于拉伸， “-”号用于压缩。其中 ， ， 为 X 向和 Y 向两向中的2259.17mRL40Fm6.578最大值滚珠丝杠总长度上拉伸或压缩的变形量 )(1L01式中 -滚珠丝杠在支撑间的受力长度， .L )(m根据设计行程、滚珠丝刚副的最大长度、防护罩的极限距离、及轴承一半的长度，以上几项之和确定滚珠丝杠在支撑间的受力最大长度 。mL410计算得 = =0.0040 mm L01EFm2)、滚珠与螺纹滚道间接触变形 2当对丝杠加有预紧力，且预紧力为轴向最大负载的 1/3 时， 之值可减少一2半；此变形可根据我所选用的滚珠丝杠在指导书中的图 4-7 中查到其值为，虽然有预紧但不做减半的处理，用其查出的值。m024.23)、支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 3不同类型的轴承的接触变形量 可用不同的公式计算，我选用的是角接触球轴c承则公式如下： 3204.ZdFQmc式中 -轴承所受轴向载荷， ；mF)(Kgf-轴承的滚动体数目；Z-轴承滚动体直径， ；Qd)(由于其中的一些数据无法获得准确值只能作粗略的估算，式中轴承所受轴向载荷 ，轴承的滚动体数目 ，轴承滚动体直径KgfFm86.5715ZmdQ75.6代入算得 mc03.。6.2/13c这里因为滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量 占的比重比较小忽略不计，4螺母座变形及轴承座变形的变形量计算比较困难，在结构上作了相应的处理所以也12不作计算。总的变形量 321= 0.0095mm小于要求的定位精度 0.1mm 合乎设计的要求。m095.（6） 、稳定性验算滚珠丝杠一端为角接触轴承固定支撑，另一端为深沟球轴承支撑，不会产生失稳现象，不需要进行稳定性校核。（7） 、滚珠丝杠的长度确定X 向： 螺纹的有效行程 L0=200mm；螺母的长度 L1=75mm；单侧丝杠防护罩的长度 Lmin=30mm；固定支撑座的厚度 B=45mm；游动端支撑座的 L2=40mm；电机连接端长度 L3=45mm；其他阶梯轴长度 L4=100mm丝杠的总长度 L =L0 +L1 +2Lmin+B+ L2+ L3 +L4=200+75+2*30+45+40+45+100=565（mm） 。Y 向： 螺纹的有效行程 L0=160mm；螺母的长度 L1=75mm；单侧丝杠防护罩的长度 Lmin=30mm；固定支撑座的厚度 B=45mm；游动端支撑座的 L2=40mm；电机连接端长度 L3=45mm；其他阶梯轴长度 L4=100 mm；丝杠的总长度 L =L0 +L1 +2Lmin+B+ L2+ L3 +L4=250+95+2*30+45+40+45+100=565（mm） 。132.2.3 滚珠丝杠副的几何参数图 2-2 滚珠丝杠副几何参数2.3 滚动导轨的计算与选择目前，滚动导轨在数控机床上应用非常广泛，因为其摩擦系数 =f025.；动、静摩擦系数很接近，几乎不受运动速度的变化的影响，运动轻便、灵05.活，所需驱动功率小，摩擦发热小，磨损小，精度保持性好；低度运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高，所以选用滚动导轨。2.3.1 滚动导轨副的额定寿命(1)、滚动导轨的额定动载荷的计算由于要计算额定动载荷首先需要计算出作用在滚动导轨副上的载荷由资料文献可知作用在滚动导轨副上的载荷计算公式如下： 130214lWlPc 2 llc130234llc lWlPc14其中的 、 、 、 为下图中所示的尺寸：0l12l3图2-3 工作台及导轨块的放置式中的 为作用于同一平面内的若干套导轨副的总载荷在这里我的设计任务中W指出了 ， 。则NFZ60G60NFZ12假定负载重心集中在其中一个导轨块上则：P304minNP904123maxc 5/)(maxin对于我的任务书来讲载荷呈线性变化初选定直线导轨副的型号为：SBG15FL型，其额定载荷为：C=8500N(2)、滚动导轨副的额定寿命1、额定寿命计算其计算公式如下：)*(50cWthPCfL3式中 -额定寿命； L-额定动载荷；额定动载荷Ckgf850-计算载荷, =50kgf;cPcP-温度系数；运行时的温度小于 100 查相关资料可的 ；tf 0.1tf-接触系数；导轨上的滑块数为 2 查相关资料c 8.cf-载荷系数；无明显冲击和震动，中速运动场合速度在 15-60m/minwf之间查相关资料 3.1wf-硬度系数；滚道硬度不得低于 HRC58 故通常取hf 1hf代入公式计算得：15)*(50cWthPCfL3=59421km2、寿命时间的计算=1800kmmhmLh 6108.150in/. L 远大于 故初选型号满足设计要求。h直线导轨副的参数表 2-3 直线导轨副的参数2.4 步进电机的计算与选择选用步进电机时，必须首先根据机械设计结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效惯量，分别计算各种共况条件下所需的等效力矩，再根据步进电机最大转矩选择合适的步进电机。2.4.1 转动惯量的计算(1） 、丝杠的转动惯量计算由于用步进电机则省去了齿轮的传动比，以及齿轮的转动惯量的计算所以只要计算丝杠本身的转动惯量即可,丝杠导程 =4mm，名义直径 =20mm,两支撑间距0L0DL=450mm 可计算出丝杠的转动惯量，公式如下：94.50sJ= 0.423kg 2cm由于丝杠是通过联轴器与电机直接进行连接的，所以，丝杠折算到电机轴上的转动惯量 2143.0ckgJS(2)、工作台折算到丝杠上的转动惯量根据机电装备设计课程设计指导书表 4-22 所示工作台折算到丝杠轴上的转16动惯量，由丝杠导程 L0=4mm，工作台重量为 600N，可查出 N 工作台的转动惯量410为 4.13 ，则工作台的折算转动惯量为：2cmkg 2478.06.1342J2cmkg(3)、丝杠传动时传动系折算到电机上的总的转动惯量由于丝杠是通过联轴器与电机直接进行连接的，所以，丝杠传动时传动系统折算到电机轴上的总转动惯量为： 221 6708.24.03. ckgJ在上式中没有考虑电机转子本身的转动惯量， ，根据实践经验，传动系统惯量和转子惯量 之间，有一个惯量匹配的问题， 的比值不能太小，否则机床JMJ JM/动态特性将主要取决于负载特性，此时不同重量和行程的各坐标的特性将有很大差别，并且很容易受切削力、摩擦力等干扰的影响。但是 的比值太大，也是很/不经济的。电机转子的转动惯量 可以查出，初选步进电机为杭州中达 FHB397 三相高性MJ能混合式步进电机，电机惯量为 1.32 。2scmg所以 =0.66，基本满足惯量匹配要求。JM/传动系统折算到电机轴上的总转动惯量为 1.9908 2ck2.4.2 电机的力矩的计算电机的负载力矩在各种工况下是不同的，下面分别对快速空载起时所需要的力矩、快速进给时所需要的力矩、最大切削负载时所需要的力矩等几部分进行计算。初选电机尺寸规格参数如下表17表 2-4 FHB397 步进电机尺寸规格X 向电机力矩的计算(1)、快速空载起动时所需力矩 起T0maxf起式中 -快速空载起动力矩 ；起T)*(cN-空载起动时折算到电机上的加速力矩 ；max )*(cmN-折算到电机轴上的摩擦力矩 ；f )(-由于丝杠欲紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩0 )(c其中 atnJT60122mxmax式中 -传动系统折算到电机轴上的总的等校转动惯量 ；J )*(2cmkg2*908.1ckg-电机的最大转速 ；maxnin)/(rin/30maxr-运动部件动停止起动加速到最快进给速度所需时间 ;t )(ssta30代入上式 atnJT60122mxmax3598.1218=544.54N*cm折算到电机轴上的摩擦力矩 ：fTiLFf20式中 -导轨的摩擦力 ；0F)(N=0.004*(600+600)=3.6NGfz-垂直方向的切削力 ；z )(-运动部件的总重量 ；G-导轨的摩擦系数；f-齿轮降速比，这里无齿轮既 ；i 1i-传动链总效率，这里取 0.8；代入求解 iLFTf20cm*87.014.63N附加摩擦力 ：0T)1(2200iLFTp式中 -滚珠丝杠预加负荷，一般取 ， 为进给牵引力 ；0pFmF3/ )(NNm6.43-滚珠丝杠导程 ；0L)(c-滚珠丝杠未预紧时的传动效率； =0.90代入算得 )1(2200iLFTpcm*2N根据上面的计算结果可得190maxTTf起=28.11N*cm717N*cm 比初选的电机的最大转矩小符合设计要求。cmNT*1.28起(2)、快速进给时所需力矩： 快 0Tf快=2.788N*cm2.39N*m 比初选电机的额定转矩小，符合要求。cNT*78.2快(3)、最大切削时所需力矩： 切TtfT0切式中 -折算到电机轴上的切削负载力矩 ；t )*(cmN的求解公式如下： tTiLFTtt20式中 -进给方向上的最大切削力 ；tF)(Nt4代入数据计算得 iLFTtt20cm*847.319.N综合以上数据可算得 tfTT0切=0.28+2.501+31.847=34.635N*cm其与电机的额定转矩比较， 小于额定转矩 200N*cm，故合乎cmN*635.4切设计要求。通过以上的演算可知，初选的电机合乎设计要求。Y 向电机力矩的计算(1)、快速空载起动时所需力矩 起T0maxf起式中 -快速空载起动力矩 ；起T)*(cN20-空载起动时折算到电机上的加速力矩 ；maxT )*(cmN-折算到电机轴上的摩擦力矩 ；f )(c-由于丝杠欲紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩0 )(c其中 atnJT60122mxmax式中 -传动系统折算到电机轴上的总的等校转动惯量 ；J )*(2cmkg2*908.1ckg-电机的最大转速 ；maxnin)/(rin/30maxr-运动部件动停止起动加速到最快进给速度所需时间 ;t )(ssta30代入上式 atnJT60122mxmax3598.12=544.54N*cm折算到电机轴上的摩擦力矩 ：fTiLFf20式中 -导轨的摩擦力 ；0F)(N=0.004*(600+600)=3.6NGfz-垂直方向的切削力 ；z )(-运动部件的总重量 ；G-导轨的摩擦系数；f-齿轮降速比，这里无齿轮既 ；i 1i-传动链总效率，这里取 0.8；代入求解 iLFTf20cm*87.014.63N21附加摩擦力 ：0T)1(2200iLFTp式中 -滚珠丝杠预加负荷，一般取 ， 为进给牵引力 ；0pFmF3/ )(NNm6.578-滚珠丝杠导程 ；0L)(c-滚珠丝杠未预紧时的传动效率； =0.90代入算得 )1(2200iLFTpcm*2N根据上面的计算结果可得 0axTTf起=28.30N*cm717N*cm 比初选的电机的最大转矩小符合设计要求。cmNT*30.28起(2)、快速进给时所需力矩： 快 0Tf快=3.207N*cm2.39N*m 比初选电机的额定转矩小，符合要求。cNT*78.2快(3)、最大切削时所需力矩： 切TtfT0切式中 -折算到电机轴上的切削负载力矩 ；t )*(cmN的求解公式如下： tTiLFTtt20式中 -进给方向上的最大切削力 ；tF)(Nt5代入数据计算得 iLFTtt2022cm*81.39024.5N综合以上数据可算得 tfTT0切=43.02N*cm其与电机的额定转矩比较， 小于额定转矩 239N*cm，故合乎设cmN*2.43切计要求。通过以上的演算可知，初选的电机合乎设计要求。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23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。3-2 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。24RAMROMCPU I/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25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 126CE2：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27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28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。29(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