基于MCS-8051单片机的普通车床C616的进给系统控制改造

摘 要本设计主要是针对 C616车床的纵向进给系统进行改造。机械部分采用步进电动机与一级减速器相配合来驱动滚珠丝杠，然后再通过滚珠螺母副传动工作台运动。 电气部分采用 MCS8051单片机来对步进电动机进行适时有效的控制，通过输入 程 序 来 更 好 的 解 决 形 状 复 杂 、精 密 、难 加 工 的 问 题 。这 次 设 计 可 以 准 确地 实 现 规 定 的动作、自动 化程度较高、能灵活迅速的适应加工零件的更变。 改造后的机床适应于中小型企业。关键字：车床，步进电动机，单片机，精密2Based on The MCS-8051 SCM Ordinary Lathe C616 Of The Feed SystemAbstractThis design mainly is aims at the C616 lathe Longitudinal to enter for the servosystem transformation. The machine part uses step-by-steps the direct motor drive ball bearing guide screw, then vice- moves the work table operation again through the ball bearing nut. The electric appliance partially uses the MCS-8051 monolithic integrated circuits to come to step-by-step the electric motor to carry on at the right moment the effective control, at the same time in order to be advantageous for the man-machine conversation, comes the question through the input routine which the better solution shape complex. Precise is difficult to process.This design may accurately The realization stipulated the movement, the automaticity are high can nimble rapid adaption processing components changng.Keyword: Lathes, stepper motor, SCM, precision11 绪 论 .32 设计要求 .33 系统结构 .33.1 设计参数 .33.2 设计框图及机械结构改进设计 .43.3 转动惯贯的计算 .53.4 负载转动矩计算及最大静转矩选择 .73.5 步进电机的选择 .104 机床纵向伺服进给单元电气控制部分设计 .114.1 电气控制系统方案的确定 .114.1.1 步进电动机与丝杠的联接 .124.1.2 8051 单片机的选择 .124.2 步进电动机开环控制系统设计 .134.2.1 脉冲分配器 .144.2.2 光隔离电路 .184.2.3 步进电动机驱动电路 .184.3 8255 可编程控制芯片的扩展 .194.3.1 8255 芯片的介绍 .194.3.2 8051 单片机与 8255 接口电路的设计 .204.3.3 8255 芯片在设计电路中的控制功能 .214.4 6264 芯片的扩展 .214.5 辅助电路的设计 .2224.5.1 8051 单片机的时钟电路 .224.5.2 复位电路 .234.5.3 越界报警电路 .234.6 操作面板设计的简要介绍 .244.7 绘制机床电气控制电路原理图 .255 机械系统设计 .255.1 概述 .255.2 确定系统的脉冲当量 .255.3 切削力的计算 .265.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 .275.4.1 计算进给牵引力 mF.275.4.2 计算最大动载荷 C .275.5 传动效率的计荷 .305.6 刚度验算 .305.7 齿转传动比的计算 .335.8 轴的设计与校核 .345.8.1 初步估算轴的最小直径，并选择联轴器 .355.8.2 轴的结构设计 .355.8.3 按弯矩合成强度校核轴的强度 .395.8.4 按疲劳强度安全系数校核轴的强度 .406 结束语 .42致谢 .433参 考 文 献 .43附电气原理图 .4341 绪 论数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，对普通机床数控化改造不失为一种较好的良策。尤其对一些中小型企业来说，面对周转资金不足、而企业 又要发展。可以 说时代在呼 唤一些专业人员能够对企业里面原有的机床进行数控改造。本文针对目前企业现状，以 C616 普通车床为例,提出简易型经济数控改造思路和设计方法。 2 设计要求（1）利用微机将纵向进给伺服系统，改造成开环控制伺服进给系统，纵向脉冲当量为 0.01mm/脉冲，驱动 元件采用步进电动机 传动系统，采用滚珠丝杠螺母副，刀架采用自动转位刀架。（2）简单的接口电路设计，选择驱动控制电路， 设计通用接口和专用接口以及 CPU 与辅助电路的连接。（3）采用微机完成数据处理和运动控制。3 系统结构3.1 设计参数运动部件总重量 600N进给速度 快进 3m/min 工进 1m/min 启动加速时间 25ms步进脉冲当量 0.01mm/脉冲（0.005mm/脉冲）丝杠副摩擦系数 摩擦角 10 分控制用微机 Z80CPU 或 8051最大回转直径 床身 320mm 床鞍上（刀架以上加工最大直径）175mm工最大长度 750mm加工最大棒料直径 29mm主电动机功率 8KW车削螺纹 公制螺纹 17 种 螺距范围 0.5-9mm5溜板最大移动距离 纵向 820mm 横向 195mm3.2 设计框图及机械结构改进设计图 1 经济性数控车床进给伺服系统总体方案框图本次改选的主要部件有：挂轮箱、进给箱、溜板箱、溜板、刀架等，改造方案不是惟一。挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成。丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚 珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部位。溜板箱部分：全部拆除，在原处安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。横溜板部分：将原溜板中的丝杠、螺母拆除，改装横进给滚珠丝杠螺母副，横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。6图 2 车床传动系统图3.3 转动惯贯的计算选择步进电动机时必须根据机械传动设置及负载折算到电动机轴上的等效转动惯量，分别计算各种工况下所需的力矩，再根据步进电动机最大转矩和起动运行频率特性选择合适的步进电动机。负载惯量传动系统的主要参数之一，它对选择步进电动机，设计传动 比都有十分重要的意义，如果负载惯量与电动机匹配不当，系统就得不到快速反 应，甚至 让步。转动惯量定义为：中 mi 表示刚体的某个质点的质量，ri 表示该质点到转轴的垂直距离。 转动惯量是表征刚体转动惯性大小的物理量,它与刚 体的质量、质量相对于转轴的分布有关。 刚体的转动惯量是由质量、质量分布、 转轴位置三个因素决定的。 同一刚体对不同转轴的转动不同,凡是提到转动惯量,必须指明它是对哪个轴的才有意义。选择步进电动机时,必须根据机械传动装置及负载折算到电动机轴上的等效转动惯量,分别计算各种情况下所需要的力矩,再根据步进电动机最大静转矩和启动运行频率特性选择合适的步进电动机,负载惯量是驱动系统的主要参数之一,它对选择步进电动机,设计传动比等都有十分重要的意义,如果该惯量与电动机的匹配不当,系统就得不到快速反应,甚至失效.所以我们在进行转动惯量计算时，一定要进行多方面的考虑， 选择合适的电机是很重要的一步设计，它直接决定设计的成败。7表 1 转动惯量的计算计算项目 设计计算与说明 计算结果1）工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量 1J (1)21280pWig 241.59375206kgcm 1J20.56kgcm2）对材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量可按下式估算 sJ47.8DL式中 D-圆柱形零件的直径（cm） L-零件的轴的长度（cm）所以丝杠向转动惯量417.80sJL3.2.1.5kgcm 21.475kgcmsJ3）齿转的转动惯量 J-4 2z1=7.806.17kgc2239电动机的转动惯量很小，或忽略。因此折算到步进电机轴上的总的转动惯量(2)sz2121J=Ji2.4756.39.70.1526.21.0cmkg 2J14.03kgcm为 0.75/1.5，二种不同脉冲分配方式 对应有二种步距角，步距角 及减速比 i 与 b脉冲当量 和丝杠导程 有关。0L初选电机型号时应合理选择 及 i ，并满足 (3)b036Li即 (满足)0.756.112383.4 负载转动矩计算及最大静转矩选择表 2 负载转矩计算计算项目 设计计算与说明 计算结果概述（1）快速空载启动时所需力矩0kqakfM（2）快速进给时所需力矩 0kjf（3）最大切削负载时所需力矩 0GJkftM式中： -定载启动力矩kqNcm-空载启动时运动部件由静止开始到最ka大快进速度，折算到电机轴上的加速力矩 c-空载时折算到电机轴上的摩擦力矩kfMNcm-由于丝 杆预紧，折算到电机轴上的附0加摩擦力矩 c-折算到电机轴上的工作负载 力矩，对于tM数控机床进给系统则是切削负载力矩 。 tM9续表计算项目 设计计算与说明 计算结果1）加速力矩 kaM由下列公式，将已知数据代入求出 maxn (4)maxa360Vn.75162inr式中 与运动部件最大进给速度对max应的电机最大转速（r/min）运动部件最大快进转速axV（mm/min）(5)2max106kanJt式中传动系统各部件惯量折算到电机轴上的转动惯量 2kgc为转动部件从静止启动t加速到最大快进速度所需的时间 s即 223.146514.00kaM7.69Ncmmaxn625inr371.69NcmkaM10续表计算项目 设计计算与说明 计算结果2）折算到电动机轴上的空载摩擦力矩 kfM折算到电动机轴上的空载摩擦力矩 (6)0Nm2kfGLMi式中 导轨上的摩擦系数 为运动部件的总重力 为齿轮传动降速比i传动系统的总效率一般 0.70.85滚珠丝杠的基本0L导程（cm）当 0.8 0.16 时f即 0.164.23825kf.6.14Nm kfM6.14Nm3）附加摩擦力矩 0M附加摩擦力矩 (7)2001FLi 丝杠未预紧时的效率，取 0.90 预加载荷，一般为最大轴向载荷的 1/3.即 3mF即 2016Li278.40.9350.56Ncm 0.567NcmM11续表计算项目 设计计算与说明 计算结果4）切削负载力矩 tM切削负载力矩 tM(8)02ttFLi式中 tlx（详见 沿进给方向的负载）7P即 02ttFLi96.3.148257Ncm 91.72NcmtM结论（1）快速空载起动所需力矩 0kqakM37.69.14.5678Ncm（2）快速进给时所需力矩 0kjf6.14.57682c（3）最大切削负载时所需力矩 0GJkftM.567.149.7238.NcmkqM.68ckj98.40NcmGJM以上分析计算可知：所需最大力矩 发生在快速启动时，maxmax378.9NcM3.5 步进电机的选择合理选择步进电机是比较复杂的问题，需要根据电机在整个系统中的实际12工作情况，经分析后才能正确选择。 C616 纵向进给 系统步进电机的选择（9）0.4LqM3789.45Ncm式中 电动机启动力矩 =电动机静负荷力矩qM0LM为了满足最小步距要求，选择三相六拍工作方式，有下表可知表 3 步进电相数、拍数、启机动力矩相数 3 4 5 6运 行方 式 拍数 3 6 4 8 5 10 6 12maxqjM0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866max0.6qjM所以步进电机最大静转矩 为axj .8jq=94.94975/0.866=1092.32步进电机最高工作频率 maxa Z305H6.1pVf综合考虑，查表选用 110BF003 型反应式步进电机。4 机床纵向伺服进给单元电气控制部分设计C616 车 床是一种小型的车床， 对于它的伺服进给单 元的机电一体化改造设计，我们 从设计内容中可以知道，是用微机控制步 进电动机驱动滚珠丝杠带动工作台来完成数控处理和运动控制。由此可见，改造 设计 后的机床具有一定的数控机床的功能特点，是一种简 易经济数控机床，所以，我 们就按照经济数控机床进行电气控制部分的改造设计。4.1 电气控制系统方案的确定我们知道对于一些经济数控机床，常采用开环伺服系统，其结构如图 3 所示13图 3 开环伺服系统结构原理框图它主要由步进电动机和相适应的驱动电路组成，数控装置发出的指令脉冲驱动电路变换放大传给步进电动机，步进电动机每接受一个脉冲就旋转一个角度，再通过齿轮副和丝杠螺母 带动机床工作台移动，步进电动机的转速和转过的角度取决于指令脉冲的频率和个数，反映到工作台就是工作台的移动速度和位移的大小。但系统没有位置 检测反馈环节，工作台位移到位，其精度取决于步 进电机齿距角精度、齿轮传动间 隙和丝杠螺母精度等。由此可见， 对于我们改造设计的 C616 车 床的纵向伺服进给单元，就采用 这种由步 进电机驱动的开环控制系统是比较合适的。该系统方案中不使用位置检测元件，也就没有闭环控制系统的稳定性问题。因此，具有结构简单，使用维修方便，可靠性高，制造成本低等一系列优点。 对于 C616 车床精度要求不太高的中小型机床改造设计来说，特别适合适用这种开环步进控制系统方案。4.1.1 步进电动机与丝杠的联接对于经济数控机床，步进电动机应与进给运动的丝杠相联接，这主要是从进给传动链最短发出信息来考虑的。步进电动机与丝杠的联接的方法有两种：一种是与丝杠直接联接在一起，此方法结构简单，但是运行位移的脉冲当量不是 5 的倍数编程计算时不方便。另一种是在步进电动机输出轴端配置减速器，使减速器输出轴通才联接套于丝杠直接联接在一起，一般改造常采用这种联接方式。所以，C616 车 床改造 设计也采用这种联接方式，而且从前面步进电动机计算和选择中可知选用的是一级齿轮传动。4.1.2 8051 单片机的选择根据 C616 车床最大加工尺寸，加工精度，控制速度以及 经济性要求，改造设计后的简易经济型数控机床一般采用 8 位微机进行控制。在 8 位微机中，驱动电路微机I/O接口步进电机工作台14MCS-51 系列单片机集成度高、可靠性好、功能 强、速度快、抗干扰性强、具有很高的性能价格比。因此，我们设计选择应用 MCS-51 系列单片机作为控制微机。在 MCS-51 系列单片机中 8051 为典型代表，它具有高性能 8 位CPU、4KROM、128 字节 RAM、2 个 16 位定时/计数器、4 个 I/O、一个全双工异步串行口、5 个中断源、可访问 64K 程序存储器空间和 64K 数据存储器空间。它与其中的 8031 相比，片内有 4KB 的 ROM，而 8031 片内没有 ROM 或EPROM。8031 使用时必须配置外部的程序存储器 EPROM，而 8051 就不需要了。但 8051 的片内 ROM 和片外 ROM 不能同时占有， 为了指示机器的这种只有生产厂家或器件设计者为用户提供了一条专用的控制引脚 EA，如果 EA 接+5V 高电平，则 机器使用片内 4KBROM，如果 EA 接低 电平，则机器自动使用片外ROM，而 8031 引脚 EA 必 须接地。所以，对于 C616 车床纵向进给伺服系统就采用 8051 单片机进行数据传递和运动控制。我们改造设计的机床，主要是纵向伺服进给单元机电一体化改造设计，根据下面设计其控制电路原理图如后面附图（B）所示。4.2 步进电动机开环控制系统设计步进电动机又称脉冲电动机 ，使一种把脉冲信号转换成为线位移或角位移的电动机，常用作数字控制系 统中的执行元件。根据前面的设计步进电动机的计算和选择可知，我们设计选 用的是三相六拍的反映式步进电动机110BF003由于步进电动机各绕阻按一定节拍依次轮流通电才能转动，控制脉冲频率可控制其转动速度，因此 步进电动机的驱动系统由脉冲 发生器，光隔离 电路，脉冲功率放大器等组成，其驱动原理框图如下图 4 所示。脉冲信号源脉冲分配器光隔离电路功率放大电路图 4 步进电动机驱动原理框图15图（5）中，脉冲信号源是由 CNC 系统根据程序控制脉冲频率和频率的个数，脉冲分配器将脉冲信号按一定顺序分配；然后送到放大电路中进行功率放大，驱动步进电动机进行工作，其中脉冲分配器及前面的微机及接口芯片，工作电平一般为+5V ， 而作 为电动机电源需要符合步进电动机要求的 额定电压值。为避免强电对弱电的干扰，在它们之 间设计采用光隔离电路。具体电路如下面所设计的4.2.1 脉冲分配器对于开环伺服驱动中，我们设计采用单片机脉冲分配器，如下图 5 所 设计的8051 单片机控制步进电动机的控制电路。P1.08051 P1.1P1.2P1.2光隔离电路驱动电路图 5 8051 单片机控制步进电动机控制原理框图8051 单片机的 P1 口作为输 出口，用程序实现脉冲分配功能。对于三相步进电动机，用 P1.0，P1.1，P1.2 作为输出端，经光电隔离 电路，再由驱动电路放大来驱动步进电动机运转。对于我 们改造设计的 C616 车床的纵向伺服进给单元机电一体化改造，选择的是 三相六拍的反应式步进电动 机110BF003 。因此，按三相六拍的步电动机的通电顺序，可以得出 P1 口的输出控制字表如下表 2 所示。由表 2 可见，步进电动机第一个状态字为 01H，从上而下输出控制字，步进电动机正转。从正转最后一个状 态字 05H 之后加上反转第一个控制字 01H，此 时，再接着输出控制字时，步进电动 机反转，假 设这些控制字存在，根据状态字在存储器地址以及读取控制字的顺序，可以画出三相六拍步进电动机的控制程序框图如下图 6。表 4 P1 口输出控制字16转向 通电顺序 D7，D6，D5，D4，D3，D2，D1，D0 控制字A 0 0 1 01HAB 0 1 1 03HB 0 1 0 02HBC 1 1 0 06HC 1 0 1 04H正转CA 1 0 0 05HA 0 0 1 01HAC 1 0 1 05HC 0 0 1 04HCB 1 1 0 06HB 0 1 0 02H反转BA 0 1 1 03H假设，步进电动机总的运行参数放在 R4，转向标志存放在程序状 态寄存器用户标志 FI（D5H）中，当 F1 为“ 0”时，步 进电动机正 转；当 F1 为“1” 时，步进电动机反转。正 转时，8051 的 P1 口的输出控制字 01H，03H，02H，06H，04H，05 存放在 8051 的片内数据存储器单元 20H25H 中，26H 存放结束标志 00H。在27H2CH 的存储单元内存放反转时 P1 端口的输出控制字01H，05H，04H，06H，.02H，03H，在 2DH 单元内存放结束标志 00H。根据前面的控制程序表 2 和图（7）的控制程序控制框图，我们可以编出步进电动机正反转及转速控制程序，其控制程序如下。PUSH A； 保护现场MOV R4 #N 设步长计数器CLR C；ORL C， D5H； 转向标志为“ 1”转移JC R0TE；MOV R0， #20H； 正转控制字首地址AJMP LOOP；17设步长数算器置正转控制字地址延时，控制字地址指针加“1”图 6 三相六拍步进电动机控制程序框图FI（D5H）中，当 F1 为“ 0”时，步 进电动机正转；当 F1 为“1” 时，步进电动机反转。正转时 ，8051 的 P1 口的输出控制字 01H，03H，02H，06H，04H，05 存放在8051 的片内数据存假设，步 进电动机总的运行参数放在 R4，转向标志存放在程序状态寄存器用户标志储器单元 20H25H 中，26H 存放结束标志 00H。在27H2CH 的存储单元内存放反转时 P1 端口的输出控制字保护现场置反转控制字地址输出控制器是恢复控制字首地址恢复现场返回转向标志“1”是结束标志 总步长为零1801H，05H，04H，06H，.02H，03H，在 2DH 单元内存放结束标志 00H。根据前面的控制程序表 2 和图（7）的控制程序控制框图，我们可以编出步进电动机正反转及转速控制程序，其控制程序如下。PUSH A； 保护现场MOV R4 #N 设步长计数器CLR C；ORL C， D5H； 转向标志为“ 1”转移JC R0TE；MOV R0， #20H； 正转控制字首地址AJMP LOOP；R0TE： MOV R0，#27H； 反转控制字首地址LOOP： MOV A， R0；MOV P1， A； 输出控制字ACALL DELAY； 延时INC R0；MOV A，00H；ORL A，R0 ；JZ TPL； 是结束标 志转移LOOP1： DJNZ R4，LOOP； 步数不为“ 0”POP A； 恢复现场TPL： MOV A， R0；CLR C；SUBB A， 06H；MOV R0，A； 恢复控制首地址AJMP LOOP1；DELAY： MOV R2，M；DELAY1：MOV A， M1；LOOP： DEC A；JNZ LOOP；DJNZ R2，DELAY1；RET194.2.2 光隔离电路在这个步进电动机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后，控制步进电动机的励磁绕组。由于步 进电动机需要的驱动电压较高（几十伏）电流也教大（几安到几十安）如果将 I/O 口输出信号直接与功率放大器相连，轻则影响单片机程序的正常运行，重则导致 单片机接口电路的损坏。因此，在接口 电路与功率放大器之间设计加上光隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光耦合器。光耦合器由发光二级管和光敏晶体管组成如下图 7 所示的共集电极输出型光耦合器。当输 入信号 VI 加到输入端时， 发光二极管导通激发出红外光，光敏晶体管受光照后，由于光敏效应产生光 电流，通 过输出端输出，从而实现以光为媒介的电信号传输， 输入端与输出端在 电气上完全隔离。图 7 共集电极耦合器 图 8 光电隔离输出电路上图 8 为光隔离输入与输出电路。控制信号 74LS05 集电极开路门反相后驱动光耦器的输入发光二 极管 。当控制信号 为低电 平，74LS05 不吸收电流，发光二极管不导通，从而输出的光敏晶体管截止，当控制信号为高电平， 74LS05 吸收电流，发 光二极管导通发光，光敏晶体管受到激励导 通。 对于我们的改造设计就采用这种光隔离电路进行控制。4.2.3 步进电动机驱动电路由于逻辑电路和单片机的输出脉冲电平很小，一般为 3V 左右电流为毫安级，无法驱动步进电动机，而需要 经过驱动电路进行功率放大。我们知道常用的驱动电路有：单电源驱动电路、高低压双电源驱动电路和恒流斩波驱动电路。而我们设计采用高低压双电源驱动电路 作为该系统的驱动电动 。如下图 9 所示设计的高低压双电源驱动电路。20图 9 高低压双电源驱动电路图中 LA 为步进电动机 A 相绕组，接大功率 VT1 和 VT2 之间， VT1 为高压管。当脉冲分配器输出低电 平时， VTI 和 VT2 之间截止，LA 无电流通过。当脉冲分配器输出高电平时，使单稳态电路翻转为高电平输出，经前置放大使 VT1 导通，同时 功率管 VT2 也导通，高 压电源 Vn 经 VTI 和 VT2 加至 LA 上。此时，二极管 VD1 因承受反向电压而截止，切断低压电路 VL，由于高压源电压很高，线圈的电流上升很快，上升沿 变陡，当 电流值接近步进电动机的额定值时， 单稳态电路延时时间到 ，翻转为输 出低电压，使高电压管 VT1 截止。 这时，由低电压电源 VL 供电，VT2 继续导通 LA 继续通过电流 。当脉冲分配器输出的脉冲为低电平时，功率 VT2 截止，这时 ，续流二极管 VD2 续流， 电流随之减少为零。采用这种驱动电路是因为它于单电源驱动电路相比，高低压双电源驱动电路的电流波形上升沿变陡，使步进电机的力矩和运行频率等主要性能得到明显改善，而且驱动功率也比单电 源的高；在结构上也比恒流斩波驱动电路的简单。所以我们设计应用这种高低压双电源驱动电路来进行驱动。4.3 8255 可编程控制芯片的扩展MCS51 系列单片机的特点之一就是硬件 设计简单 ，系统结构紧凑。 对于简单的应用场合可以不用 I/O 口系统，但是对于复杂的应用场合就需要用 I/O 口扩展来满足单片机运行功能的完善性。像我们设计的 C616 车床的数控化的改造设计就有一定的复杂程度。因此，我们对 8051 单片机 进行 I/O 口扩展， 扩展应用两片 8255 可编程控制芯片来达到机床控制运动功能的可靠性和完善性。4.3.1 8255 芯片的介绍21选用的 8255 芯片是 INTEL 生产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 又分 为高 4 位（PC7 PC4）和低 4位（PC3 PC0）， 它们都可以使用软件编程来改变 I/O 口工作方式。因此， 8255 使用方便，通用性强，经常作为单片机与多种外围设备连 接时的中间接口电路。4.3.2 8051 单片机与 8255 接口电路的设计我们设计的两片 8255 芯片与 8051 直接接口电路如下图（11）所示图10 8051扩展8255的接口电路连接图在8051单片机的I/O口上扩展两片8255芯片，无需加任何逻辑电路，只需用地址锁存器74LS373芯片锁存后提供就可以了。从 图 10中可以看出8255的片选信号CS 及口地址选择线A0，A1分别由8051的P2.6、P2.7和P0.0和P0.1经地址锁存器74LS373锁存后提供。 8255的复位端与8051 的复位端相 连，都接到8051的复位电路上。因此，我们可以从图中看出8255的A口、B 口 、C口以及控制口地址。我们知道在实际应用系统中，必 须根据外围设备的类型选择8255的操作方式，并在初始化程序中把相应的控制字写人操作口。根据我们的设计图10可以知道两片8255的A口、B 口 、C口以及控制口地址分别为：228255（1）芯片： A口地址： BFFCH；B口地址： BFFDH；C口地址： BFFEH；控制口地址： BFFFH；8255（2）芯片： A口地址： 7FFCH；B口地址： 7FFDH；C口地址： 7FFEH；控制口地址： 7FFFH；对于每一片8255的C口8位中的任一位，均可以用指令来置位和复位。例如，如果把C 口的第 6位PC5置 1相应的字控制为00001011B=0BH ，程序如下：MOV DPTR ，#07F7FH； 控制口地址DPTRMOV A，#0BH； 控制字AMOVX DPTR， A； 控制字控制口；PC5=1由此可见，8255可编程控制接口芯片在MCS-51 系列单片机中应用非常广泛，广泛应用与外围设备，如打印机，键盘，显示器以及作 为控制信息的输人输出。所以，对 于我们的设计就扩 展应用两片8255可编程控制芯片进行数据传递和进行运行控制。4.3.3 8255芯片在设计电路中的控制功能在采用的两片8255芯片中，用8255（1）的A口作为输入口，用于功能键的控制，其中，PA0 PA4 口分别控制空运行、自 动、手 动I 、手 动II、和回零等功能。B口用作输出口，其中B0B4口控制面板上的按 键，分别 控制启动、暂停、单段、连续、急停等功能。PC0口用于报警显示，系统正常工作时，输出低电平，绿色灯亮；当系统出现异常情况时，输出高 电平， 红色灯亮， 实现报 警显示功能。用8255（2）的A口控制步进电动机，PA0PA5为输出口，用于控制Z 向步进电动机和X 向步进电动机。其中， PB口的PB0 PB3接键盘的安键部分； PB4PB7口接越程报警控制电路，当床鞍或工作台在 X向或Z向越程时，即向单片机输入此信号，使 进给系统停止进给工作，以保护工作台正常运行。4.4 6264芯片的扩展23图11 8051单片机片外储存器扩展由于我们改造设计的经济型数控车床功能比较完善，对于它的I/O口的扩展我们就多扩展上6264数据存储器芯片。数据存储器只使用WR 、RD控制线而不用PSEN，正因为这样，数据存 储器与程序存储器地址可以完全重合，均为0000HFFFFH，但是，数据存储器与I/O口及外围设备是统一编址的，即任何扩展的I/O 口及外 围设备均占用数据存储器地址。我们设计的6264芯片的扩展电路图如下图示中所连接的。从图中我们很容易看出，6264芯片的控制地址：0000H3FFFH。这样对于机床的运动控制就很容易利用8051单片机进行控制了。我们选择利用6264芯片进数据存储器的扩展是比较合理完善的。4.5 辅助电路的设计4.5.1 8051单片机的时钟电路我们知道单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片内部振荡电路，在 XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，如下图（12）所示，晶体可在1.212MHZ 任选，偶合 电容在530PF之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式，可把XTAI直接接地， XTAL2接外 部时钟源。经过比较选择，我们设计采用内部时钟方式，如下图12所示。24图12 时钟电器4.5.2 复位电路单片机的复位电路都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上高电平， 单片机便实现复位，以后 单片机便从0000H 单元开始执行程序。单片机通常采用上自动复位和按钮复位两种，而我们设计应用上电与按钮复位组合的复位电路如下图（13）所示。在上电瞬间，R、 C 电路充电，RESET引脚端出现正脉冲，只要RESET端保持10ms以上高电平，就能使 单片机有效地复位。这种复位电路结 构简单，使用比 较合理经济 。图13 复位电路4.5.3 越界报警电路为了防止工作台越界出现事故，我们设计越界电路来保证机床的工作的可靠性。设计的越界报警 电路如下图（14）所示。25图14 越界报警显示电路我们改造设计的C616车床有4个方向可能越界，即+X 、-X、+Z、-Z方向。一旦某一方向越界，应立即停止工作台移动。其中 图 （14）中（a ）图是报警信号的产生， （b）图是报警显示。这里利用8255（2）的PC口进行控制，只要任一个行程开关闭合，即工作台在某一个方向越界，均能产生越界 报警信号。 为了报警，设置红绿灯指示，正常工作时绿 灯亮，当 产生越界报警时红 灯亮。两个灯均 设计用一个I/O口 输出控制，我们利用8255（1）的PC0 口进行控制。其他的辅助电路的设计在此不在一一详细列举，详细情况请参照附图（B）所示的电气控制原理电路图。4.6 操作面板设计的简要介绍根据前面的几部分的设计和机床运动控制的基本要求，参照有关资料，我们设计的操作面板简图如下图（15）所示的经济数控车床控制面板设计方案