CA6140型普通车床的数控化改造设计

绪 论随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型，普通机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。一、问题的提出数控车床作为机电液气一体化的典型产品，是现代机械制造业中不可缺少的加工设备，在机械制造业中发挥着重要的作用，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量小、零件多变的加工问题，且产品加工质量稳定，生产效率较高。企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展,就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质量的优劣,制造周期的快慢,生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接影响。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,但是成本太高，很多工厂在短时间内都无法有那么多的资金，这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步伐；同时目前大多数企业还有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通机床，由于普通机床加工精度相对较低、不能批量生产，生产的自动化程度不高，生产自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性和转型周期，又不能马上淘汰。而改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床，是当前许多企业对现有设备改造换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一条有效途径，不失为一条投资少、提升产品加工精度及质量，提高生产效率的捷径，使企业提升竞争力，在我国成为世界制造业中心及制造强国的进程中，占有一席之地。二、数控车床改造的意义数控车床改造在国外已发展成一个新兴的工业部门，早在 60 年代已经开始迅速发展，其发展的原因是多方面的，主要有技术、经济、市场和生产上的原因。我国是拥有 300 多万台机床的国家。而这些机床又大多是多年累积生产的通用机床，不论资金和我国机床制造厂的能力都是办不到的。因此，尽快将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密化改装，是我国现有设备技术改造迫切要求解决的课题。用数控技术改造机床，正是适应了这一要求。它是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上。在机床改造中引入微机的应用，不但技术上具有先进性，同时，在应用上比其它传统的自动化改装方案，有较大的通用性与可调性。而且所投入的改造费用低，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的 1/3 至 1/5，用户承担的起。从若干单位成功应用的实例可以证明，投入使用后，确实成倍地提高了生产效率，减少了废品率，取得了显著的技术经济效益。因此，我国提出从大力推广经济型数控这一中间技术的基础上，再逐步推广全功能数控这条道路，适合我国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。同时，它还可以作为全功能数控机床应用的准备阶段，为今后使用全功能数控机床，培养人才，积累维护、使用经验，而且也是实现我国传统的机械制造技术朝机电一体化的方向过渡的主要内容之一。三、数控化改造的优点普通车床数控化改造一般是指对现有普通车床的某些部位做一定的改造，配上经济数控装置或标准型数控系统，从而是原机床具有数控加工能力。其改造有如下的优点：1、资本效率出发，改造闲置的普通机床,能发挥旧机床的原有能和改造后的新增功能,提高机床的使用价值。2、适应多品种，小批量零件生产。3、数控改造费用低,减少了投资额,经济性好.数控车床改造费用仅为新购一台数控车床费用的 15%20%,同购置新机床相比，一般可以节省 75%80%的费用,如果再结合机床大修理，几乎就是一台新的数控车床,甚至会更好，因为普通车床不会再变形。4、机械性能稳定可靠，结构受限。所利用的普通机床基础件是重而坚固的铸造构件，而不是焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以做为新设备继续使用多年。数控化改造后使原有的机械结构更为简单，原有得手扶进给机构全部消失。这样一方面，可以提高精度,减少传动链对精度的影响；另一方面，可以减少机械故障率，提高运行的可靠性.但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。5、操作者熟悉了解机床、便于操作维修,降低了操作者的技术要求，更易于提高管理水平.购买新机床时，不了解新机床是否满足起加工要求。改造则不然,可以精确计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用,操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短、见效快。改造的积储一旦安装好，就可以全负荷运转。操作者只需要对工件进行装夹和操作开关，而零件的加工全部则由数控系统控制完成，即使比较复杂的工件也能迅速完成，省去了对技术要求的烦恼。6、可充分利用现有的条件，可以充分利用现有基地,不许要重新构筑地基。7、可以采用最新的控制技术，可根据技术革新的发展速度,及时提提高生产设备自动化水平和效率，提高机床质量和档次,将旧机床改造成当今水平的机床。自动化程度高、专业性强、加工精度高、生产效率高。8、增强了功能，如圆弧、锥度加工，这是传统加工方法难以完成的。第一章 CA6140 车床数控系统总体设计方案数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。机床数控系统总体方案的拟定应包括以下内容：系统运动方式的确定，伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。CA6140 车窗结构示意图11 总体方案的确定1.1.1 系统的运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控铣床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能，由于在铣削加工中，要求工作台或刀具沿各坐标轴运动有确定的函数关系，即刀具以给定的速率相对于工件沿加工路径运动，所以不能选用点位系统，因为点位控制系统要求工件相对于刀具移动过程中不进行切削。因此，应选用连续控制系统。X52K 型铣床改造属于经济型数控机床，加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制系统，因闭环控制系统适用于精度要求较高的机床设计，且闭环控制系统的造价昂贵。1.1.2 计算机系统根据机床要求，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、具有很高的性能价格比等特点，因此采用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。1.1.3 机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机齿轮减速再传动丝杠，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副以及滚动导轨。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副机构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的消隙齿轮结构。12 设计 X-Y 数控工作台及其控制系统计算任务及参数在任务书中已经给出。系统总体方案见图 1-1根据设计任务的要求，采用连续控制系统和步进电机开环控制系统。这样可使控制系统结构简单、成本低廉，调试和维修都比较容易。为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，尽量采用低摩擦的传动和导向元件。此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚动导轨。为尽量消除传动间隙，可设法调整传动齿轮的中心距以消除齿侧间隙。计算机系统仍采用高性能价格比的 MCS-51 系列单片机扩展系统输入输出数控装置PLC 主轴控制单元 主轴机床速度控制单元 伺服电机位置检测反馈装置工作台 图 1-1 车床数控化改造总体方案框图第二章 CA6140 车床进给伺服系统机械部分设计一台 CA6140 普通车床改造成微机数控车床，采用 MCS-51 系列单片机控制系统，步进电机开环控制，具有直线和圆弧插补功能，具有升降速控制功能。其主要设计参数如下：加工最大直径：在床面上 400在床鞍上 210加工最大长度：1000溜板及刀架重力： 纵向 1000N横向 600N刀架快速速度: 纵向 2.4m/min横向 1.2m/min最大进给速度: 纵向 0.6m/min横向 0.3m/min主电机功率 7.5Kw起动加速时间 30ms机床定位精度: 0.015mm伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载、确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件工作图。现分述如下：21 系统脉冲当量的选择一个进给脉冲，使机床运动部件产生位移量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床铣床常采用的脉冲当量是 0.010.005mm/脉冲。根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0.01mm/脉冲，横向：0.005mm/脉冲。22 切的计算削力在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都需要用到切削力，下面介绍数控车床中的切削力的计算。2.2.1 纵车外圆主切削力 F (N)按经验公式估算:z 4.0:251:YXZF按切削力各分力比例： .:YXZ134025.360YF2.2.2 横切端面主切削力 可取纵切的 1/2.)(NFZ 26801 ZF此时走刀抗力为 (N),吃刀抗力为 .仍按上述比例粗略计算:Y)(N4.51:XYZ6702.8 FX23 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型：确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括：公称直径d0（丝杠外径 d） 、导程 L0、滚珠的工作圈数 j、列数 K、精度等级等。滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。如参考书1中的图 4-4 所示。我们在此选用螺旋槽式外循环：在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔，同螺母的螺纹滚道相切，形成滚珠返回通道。为防止滚珠脱落，螺旋槽用钢套盖住。在通孔口设有挡珠器，引导滚珠进入通孔。挡珠器用圆钢弯成弧形杆，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺母上。它的优点是：工艺简单，螺母外径尺寸较小。缺点是：螺旋槽同通孔不易连接准确，挡珠器钢性差、耐磨性差。滚珠丝杠副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等。本设计采用双螺母螺纹式预紧结构，它通过调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。其特点是结构较紧凑，工作可靠，滚道磨损时可随时调整，预紧量不很准确，应用较普遍。2.3.1 纵向进给丝杠1.计算进给率引力 (N)mF作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动部件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。纵向进给为综合型导轨由前所知： NFX1340Z5360NG115.K6.0f得： NfKNm 29360.4. 式中 考虑颠复力矩影响的实验系数,综合导轨取 K=1.15;-滑动导轨摩擦系数:0.150.18;f-溜板及刀架重力: =1000 N.GG2.计算最大动负载 c利用滚珠丝杠副的直径 d0 时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100 万转（106 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 C，可以用下式计算： mwFfLc3610Tn01Lus式中 -滚珠丝杠导程,初选 =6;0 L-最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的( ),此处 su 312in6.0ms-使用寿命,按 15000h;T-运转系数，按一般运转取 =1.21.5;wf wf-寿命，以 10 转为 1 个单位。L6将数据分别带入上式得： min506.00 rLuns 415176NFfLcmw10792.33 3.滚珠丝杠螺母副的选型查阅附录 表 3,可采用 W L3506 外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副 ,1A1列 2.5 圈,其额定动负载为 16400 N,精确等级按表 4-15 选为 3 级(大致相当于老标准 级 )。E4.传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为： )(tg式中 螺旋升角, W L3506 139-摩擦角取 10滚动摩擦系数 0.0030.004将各数据带入上式得： 94.0)173(0tgto5.刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形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：丝杠的拉伸或压缩变形量；滚珠与螺纹滚道间的接触变形；支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形；滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量；和螺母座及轴承支座的变形。最后一种常为滚珠丝杠副系统刚度的薄弱环节，但变形量计算较为困难，一般根据其精度要求，在结构上尽量增强其刚度而不作计算。因此滚珠丝杠副刚度的验算，主要是前三种变形量，他们的和应不大于机床精度要求允许变形量的一半，否则，应考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。先画出纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图 2-1 所示。最大牵引力为 2559 N.轴承支撑间距 =1500，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的L1/3图 2-1（1）丝杠的拉伸或压缩变形量 1查图 4-6，根据 ， ，查出 ，可算出：NPm259mDO355102./LmL1 4.06.由于两断均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸,故其刚度可以提高 4倍。其实际变形量 ()为:1 21 06.2(2)滚珠与螺纹滚道接触变形查图 4-7, 系列 1 列 2.5 圈滚珠和螺纹滚道接触变形量WumQ1.7:因进行了预紧, umQ35.1722(3)支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 2采用 8107 型推力球轴承， =35,滚珠体直径 =6.35,滚动体数量 =18, 1dQdzmZdFdQmc 075.1835.6204.024.32 注意,此公式中 单位应为 kgf因施加预紧力,故mc038.76.213根据以上计算:定位精度15.05.6.321 6.稳定性校核滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核.2.3.2 横向进给丝杠1.计算进给牵引力 mF横向导轨为燕尾形,计算如下:由前所知：NX1072Y670NFZ2680G602.f得: 03172.4.14. GFfFXZYm2.计算最大动负载 c 305.00Lvns 271616TNFfLcmw8302.733 3.选择滚珠丝杠螺母副从附录 A 表 3 中查出, 1 列 2.5 圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副,额定动506W1载荷为 9700 N,可满足要求，选定精度为 3 级.4.传动效率计算 965.0134)(tgt5.刚度验算横向进给丝杠支承方式如图 2-2 所示，最大牵引力为 2425 N，支承间距=450 ，因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。 L图 2-2计算如下：（1）丝杠的拉伸或压缩变形量 （）1查图 4-6，根据 , ,查出 ,可算出NFm203mD205102.4LL51 89.1.4(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形量 2查图 4-7 uQ.0因进行了预紧 um5.48212(3) 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 3采用 8120 推力球轴承, mzdPdQmQ 094.12763.402.024.32 考虑到进行了预紧,故 )(0.9.213c综合以上几项变形之和:显然此变形量已大于定位m0279.4.03.189.321 精度的要求,应该采取响应的措施修改设计,因横向溜板空间的限制,不宜再加大滚珠丝杠的直径,估采用贴塑导轨见效摩擦力,从而减小最大牵引力.重新计算如下: )2(4.1GFfFxzymN15)60172680.670从图 4-6 查出当 时,N5 5/L.41.21 L和 不变,23则 ,定位精度为 ,m098.7.043.8.321 m01.估此变形量仍不能满足,如果将滚珠丝杠再经过预拉伸,刚度还可提高四倍,则变形量可控制在要求的范围之内. 017.4.03.18.44132 6.稳定性校核计算临界负载 )(NFK2LEIfFzK式中 -材料弹性模量,钢: E2610.cmN-截面惯性矩( )丝杠 : , 为丝杠内径;I44dI-丝杠两支承端距离();L-丝杠支承方式系数,从表 4-13 中查出，一端固定 ,一端简支 =2.00Zf Zf4441389.067.cmdI NLIEfFZK 78214539.016.22 Kmnn7.61584(一般 )45.2kn此滚珠丝杠不会产生失稳。2.3.3 纵向及横向滚珠丝杠副几何参数。表 2-1 滚珠丝杠几何参数名称 符号 公式 W1L2506 W1L2005公称 直 径 0dF3.1425 20导 程 0lsl06 5接 触 角 dLco|42|30钢球直径 bd02l3.969 3.175滚道法面半径 R.5b2.064 1.651偏 心 距 e(/)sinbd0.056 0.045螺纹滚道 螺纹升角 r0/arctgL|42|30螺杆外径 d0(.25)bd:24.2 19.4螺杆径 1eR20.984 16.788螺杆螺杆接触直径 Z1cosb17.027 13.835螺母螺纹直径 D02de32.826 23.212螺母螺母内径 1(.5)bd:25.8 20.63524 齿轮传动比计算2.4.1.纵向进给齿轮箱传动比计算已确定纵向进给脉冲当量 滚珠丝杠导程 ，初选步进电机步距01.PmL60角0.75。可计算出传动比 i 8.0675.1360Libp可选定齿轮齿数为: 402321或Zi2.横向进给齿轮箱传动比计算已确定横向进给脉冲当量 =0.005 ,滚珠丝杠导程 =5,初选步进电机步距P0L角 0.75可计算传动比 :i 48.75.036Libp考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程,故此处可采用两级齿轮降速: 250453421Zi、 、 、1034Z因进给运动齿轮受力不大，模数 取 2。有关参数如下:m表 2-2 传动比参数25 步进电机的计算和选型选用步进电机时，必须首先根据机械结构草图计算机械传动装置及负载折算到齿数 dz32 40 24 40 20 25分度圆 64 80 48 80 40 50齿顶圆 ma268 84 52 84 44 54齿根圆df 5.159 75 43 75 35 45齿宽 0-620 20 20 20 20 20中心距 2/)(1dA72 64 45电机轴上的等效转动惯量，分别计算各种工况下所需的等效力矩，在根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩频特性选择合适的步进电机。2.5.1 纵向进给步进电机计算1.等效转动惯量计算计算见图 2-1，传动系统折算到电机轴上的总的惯量 可由下式计算：2.cmkgJ式中 -步进电机转子转动惯量（ ）;MJ 2、 -齿轮 、 的传动惯量（ ）;121z2-滚珠丝杠转动惯量（ ） 。s 2参考同类型机床，初选反应式步进电机 150BF，起转子转。2.10cmkgJM24313 .62.078.78 cmkgLd242 39. 23.95.10cmkgJsNG代入上式： 222021 .47.36.8915.39.640.21 cmkgLgGJZJSM 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题274.0.361JM基本满足匹配的要求。2.电机力矩的计算机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面按个阶段计算：（1） 快速空载起动力矩 起 。0211 LGJZJSM在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： 0maxMf起 aaa tnJtnJM610212602mx2mx 0max36bpvn将前面数据代入，式中各符号意义同前。 in50367.1.02436max rvnbp 起动加速时间 sta0 cmNtnJMa .630.65247.622mxmax 折算到电机轴上的摩擦力矩 ：f.c941.250863.1/2)(100zLGPfiLFZf 附加摩擦力矩 ：0M2012200/3zLFiLFmpcmn.1539.8)9.(5.1863上述三项合计 cNMfa.5813946.30mx起（2）快速移动时所需力矩 快 m.247M0f快（3）最大切削负载时所需力矩 切iLFMxfxf 200切 cmN.37596.12753942.180634194从上面的计算可以看出， 起、 快和 切三种工况下，以快速空载起动所M需力矩最大，以次作为初选步进电机的依据。从表中查出，当步进电机为五相十拍时， 951.0maxjqM最大静力矩 。cNj .92751.08max按此最大静转距从表查出， 型最大静转距为 13.72 N 。大于所BF需最大静转距，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动距频特性和运行距频特性。3.计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率HZvfpk 401.6201maxfps.从表中查出 型步进电机允许的最高空载起动频率为 2800 HZ 运行频0215BF率为 8000 HZ ， 130BF001 步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性曲线如图 2-3，2-4 所示，可以看出，当步进电机起动时，f 起=2500Hz 时， ，远cmNM10远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（ ）直接使用将会产生失步现cmN5.81象，所以必须采取升降速控制（用软件实现） ，将起动频率将到 1000Hz 时，起动力矩可增到 ，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输cmN4.58出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，130BF001 型步进电机运行矩频特性（图 2-4）完全可以满足要求。第三章 CA6140 车床数控系统硬件电路设计31 单片机数控系统的设计内容3.1.1 硬件电路设计内硬件是组成系统的基础,也是软件编制的前提,数控系统硬件的设计包括以下几部分内容：1、绘制系统电气控制结构框图据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制电气控制结构图。机床硬件电路由五部分组成：主控制器：即中央处理单元 CPU。总线：包括数据总线、地址总线和控制总线。存储器：包括程序存储器和数据存储器。接口：即输入/输出接口电路。外围设备：如键盘、显示器及光电输入机等。2、选择中央处理单元 CPU 的类型CPU 的种类很多，在此处选择 MCS51 系列单片机中的 80C51，因为其集成度高，稳定性、可靠性好，体积小，而且有很强的外部扩展功能，外围扩展电路芯片大多是一些常规芯片，用户很容易通过标准扩展电路来构成较大规模的应用系统。3、存储器扩展电路设计存储器扩展包括数据存储器和程序存储器扩展两部分。分别选择两片 2764 和一片 6264 来扩展 16K 的内存。4、I/O 接口电路设计设计内容包括：据外部要求选用 I/O 接口芯片，步进电机伺服控制电路，键盘、显示部分以及其他辅助电路设计（如复位、掉电保护等） 。经考虑，选择 8255 为I/O 接口芯片，液晶显示控制器 LR104VRAM 来控制 LCD。图中的急停开关应采用那种按下去之后不会弹起、直到再次启动后操作者用手动拔出的按钮，此处由于表达方式的限制，仅以普通按钮表示。3.1.2 机床数控系统软件设计软件是硬件的补充，确定硬件电路后，根据系统功能要求设计软件。1、软件设计步骤分为以下几步：据软件要实现的功能，能制定出软件技术要求；将整个软件模块化，确定各模块的编制要求，包括各模块功能，入口参数，出口参数；据硬件资源，合理分配好存储单元；分别对各模块编程，并调试；连接各模块，进行统一调试及优化；固化到各程序存储器中。2、数控系统中常用软件模块1）软件实现环行分配器；（2）插补运算模块；（3）自动升降速控制模块。32 MCS-80C51 单片机及其扩展3.2.1 80C51 单片机的简介1芯片引脚及片外总线结构80C51 单片机采用 40 脚双直插封装（DIP）形式，80C51 单片机是高性能单片机，因为受到引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。下面说明这些引脚的名称和功能。电源引脚 Vss 和 VccVss(20 脚)：接地。 Vcc(40 脚)：主电源+5V。 时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2图 3-1XTAL1（19 脚）：接外部晶体的一端。在片内它是振荡电路反向放大器的输入端。在采用外部时钟时，对于 HMOS 单片机，该端引脚必须接地；对于 CHMOS 单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2（18 脚）：接外部晶体的另一端。在片内它是一个振荡电路反向放大电P2.50134P0.139SEN67A/VpLROG4529801768Vc36810989TXTALVsHC 4GNDOE105Q76Vc0329 8VcAB4HC39Y026PB3 456719820REST 9A8GND5Vc 3PA1D 3C04P5 1763268725894240CSWR路的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。若需采用外部时钟电路，对于 HMOS单片机，该引脚输入外部时钟脉冲；对于 CHMOS 单片机，此引脚应悬浮。控制信号引脚 RST、ALE/PROG、PSEN、EA/VppRST（9 脚）：单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在该引脚输入 24 个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位（RESET） 。ALE/PROG：访问片外存储器时，ALE 作锁存扩展地址低位字节的控制信号（称允许锁存地址） 。平时不访问片外存储器时，该端也以 1/6 的时钟振荡频率固定输出正脉冲，供定时或者其他需要使用；在访问片外数据存储器时会失去一个脉冲。ALE端的负载驱动能力为 8 个 LSTTL。PSEN（29 脚）：在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。CPU 在向片外存储器取指令期间，PSEN 信号在 12 个时钟周期中两次生效。不过，在访问片外数据存储器时，这两个有效的 PSEN 信号不出现。PSEN 端同样可驱动 8 个 LSTTL 负载。我们根据 PSEN、ALE 和 XTAL2 输出是否有信号输出，可以判别 80C51 是否在工作。EA/Vpp（31 脚）：当 EA 端输入高电平时，CPU 从片内程序存储器地址 0000H单元开始执行程序。当地址超过 4KB 时，将执行片外程序存储器的程序。当 EA 输入低电平时，CPU 仅访问片外程序存储器。输入/输出引脚（P0、P1、P2 和 P3 端口引脚）P0-P3 是 4 个寄存器，也称为 4 个端口，是 80C51 单片机与外界联系的 4 个 8 位双向并行 I/O 口。由于在数据的传输过程中，CPU 需要对接口电路输入输出数据的寄存器进行读写操作，所以在单片机中对这些寄存器象对存储单元一样进行编址。通常把接口电路中这些已编址并能进行读写操作的寄存器称为端口（PORT） ，或简称口。 图 3-2 P0.0-P0.7（39-32 脚）：P0 是一个 8 位漏极开路型双向 I/O 端口。在访问片外存储器时，它分时提供低 8 位地址和 8 位双向数据，故这些 I/O 线有地址线/数据线之称，简写为 AD0-AD7。在 EPROM 编程时，从 P0 输入指令字节，在验证程序时，则输出指令字节（验证时，要外接上拉电阻） 。P1.0-P1.7（1-8 脚）：P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口。在10GNDOE87413D0256QVc9LSEPROM 编程和验证程序时，它输入低 8 位地址。P2.0-P2.7（21-28 脚）：P2 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口。在访问片外存储器时，它输出高 8 位地址，即 A8A15。在对 EPROM 编程和验证程序时，它输入高 8 位地址。P3.0-P3.7（10-17 脚）：P3 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口。在整个系统中，这 8 个引脚还具有专门的第二功能，如表（3-1）所示。表 3-1 表 P3 口各位的第二功能P3 口的各位 第二功能 P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7RXD（串行口输入）TXD（串行口输出）INT0（外部中断 0 输入）INT1（外部中断 1 输入）T0（定时器/计数器 0 的外部输入）T1（定时器/计数器 1 的外部输入）WR（片外数据存储器写选通控制输出）RD（片外数据存储器读选通控制输出）33 存储器扩展电路设计3.3.1 单片机的系统扩展概述80C51 片内只有 4KB 程序存储器地址空间、256B 的片内数据存储器的地址空间（用 8 位地址，其中 128B 的专用寄存器地址空间仅有 21 个字节有实际意义） 。所以需扩展。扩展概述80C51 的片外总线结构：所有的外部芯片都通过三组总线进行扩展。1、数据总线（DB）数据总线由 P0 口提供，数据总线要连到连接的所有外围芯片上，但在同一时间只能够有一个是有效的数据传送通道。 （2）地址总线（AB）：16 位，可寻址范围为64K 字节，AB 由 P0 口提供低 8 位地址，与数据分时传送，传送数据时将低 8 位地址锁存；高 8 位地址由 P2 口提供。 （3）控制总线（CB）：系统扩展用控制总线有WR、RD、PSEN、ALE、EA。2、系统扩展能力片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号，允许两者的地址重复。故据地址的宽度，片外可扩展的存储器与程序存储器分别为 64KB。此处扩展了 16K 的程序存储器和 16K 的地址存储器，且没有使用片内存储器。扩展的 I/O 口与片外数据存储器统一编址，不再另外提供地址线。地址锁存器因为 P0 口是分时提供低 8 位地址和数据信息的，所以必须用锁存器把地址锁存住。本次设计使用带三态缓冲输出的 8D 锁存器 74HC373。其引脚见图 3-3。图 3-3 74HC373 引脚图D0-D7 信号输入端Q0-Q7 信号输出端G：下降沿时，将 D1-D8 锁存于内部E：使能端，E=0 时，三态门处于导通状态，输出端 Q0-Q7 与输入端 D0-D7 连通，当 E=1 时输出三态门断开，输入数据锁存。3、地址译码器80C51 扩展电路中，都牵涉到外部地址空间的分配问题，即当 80C51 数据总线分时与多个外围芯片进行数据传送时，首选要进行片选，然后再进行片内地址选择。地址译码实现片选的方法目前常用的有两种：线选法和译码法。此处采用74HC139 译码器组成的译码电路对系统的高位地址进行译码。74HC139 是双“2-4”译码器，每个译码器仅有 1 个使能端 G，0 电平选通。有 2 个选择输入端，4 个译码输出端，输出 0 电平有效。2 个输入信号 A、B 译码后有 4 个输出状态，其引脚与真值表如下所示。表 3-2 74HC139 真值表输入 输出使能 选 择/G B A Y0 Y1 Y2 Y3 1 1 1 1 10 0 0 0 1 1 10 0 1 1 0 1 10 1 0 1 1 0 10 1 1 1 1 1 03.3.2 存储器扩展此处采用两片 EPROM 芯片 2764（8K8）扩展程序存储 器，数据存储器选用静态 RAM27648（8K8） 。其引脚见右图 3-3。 图80C51 芯片与存储器的连接 存储器扩展实质是三总线的连接。据芯片存储容量的大小确定数据、地址线的根数。此处为 13 根。数据线的连接 将 80C51 的芯片的 P0.0-P0.7 按位与 RAM 数据线 D0-D7 直连。地址总线的连接 据确定的地址线根数，将相应低地址线相连，剩余高位地址线作为片选。控制总线的连接 对应控制线相连。34 I/O 接口电路及辅助电路设计3.4.1 I/O 口的扩展MCS-51 单片机共有四个 8 位并行 I/O 口，可提供给用户使用的只有 P1 口和部分 P3 口线，因此不可避免地要进行 I/O 口的扩展。这里采用 8255（可编程的RAM/IO 扩展接口电路） 。I/O 口扩展采用总线扩展方法，数据输入线取自 80C51 的 P0 口。这种扩展方法分时占用 P0 口，不影响 P0 口与其它扩展芯片的连接操作。8255 具有 3 个 8 位的并行的 I/O 口，分别为 PA、PB、PC 口，其中 PC 口又分为高 4 位（PC7-PC4）和低 4 位（PC3-PC0） 。3.4.2 步进电机驱动电路采用细分驱动电路，根据所选电机说明，选取合适的驱动器，纵向驱动器和横向驱动器均为 SH20806N。其接线图如(3-4)：3.4.3 液晶显示控制器使用由上海朗睿电子科技有限公司研制生产的工业彩色液晶（VRAM 型）显示器，型号为 LR-104VRAM。1、简介： 彩色液晶显示器采用超大规模集成电路，以数字方式驱动，可以从根本上消除传统 CRT 显示器的屏幕闪烁现象。具有高亮度、高对比度、高可靠性、抗恶劣环境等优点；并且体积小、厚度小、功耗低、无辐射、抗干扰能力强。随着彩色液晶技术的日趋成熟，正在逐步取代 CRT 显示器，成为许多高要求行业的首选，被越来越多地应用到电力、医疗、仪表、电梯、工业控制等领域。 2、基本原理： LR-104VRAM 真彩色液晶显示器，采用 VRAM 显示方式。VRAM（Video Random-Access Memory）视频存储技术是近年来比较流行的专门用于图形处理的双端口存储技术，常用于中、高档显示卡。采用缓存、逻辑仲裁、存储阵列，实现两个设备同时对同一存储阵列访问而不需要等待，且互不干扰。 该显示器接口采用并行总线方式（数据总线、地址总线以及选、读、写等信号） ，可以很方便地连接到单片机或微处理器的总线上，用户可以象使用普通存储器一样使用它。或者可以把显示器看成是自己设备外挂的一个 RAM。 LR-104VRAM 存储器地址单元同液晶屏幕上的像素点一一对应，用户可以把这个存储器理解为“显示映像”存储器。如果希望在液晶屏幕上某一位置显示文字或图形，只需要向存储器内对应区域写入相应的数据即可。 VRAM 存储器的一个字节由 8 位构成，显示器屏幕上的一个“像素”点由R、G、B 三个“点”来组成。图 3-4 电动机驱动器连线图3、原理框图：LR-104VRAM 显示器的基本原理框图如图（9）所示，DC/DC 电压变换器产生液晶所用各种驱动电压 DC/AC 逆变器则用来点亮冷阴极背光灯（CCFL） 。分时技术让显示与写入数据同时进行，实现了画面的高速更新，且互不干扰。 总线接口电路数据转换逻辑电路液晶驱动电路彩色液晶模块512MVRAMAC/DC背光灯DC/AC.电源图 3-5 LR-104VRAM 显示器的基本原理框图4、性能指标：视域对角线 10.4 英寸 外型尺寸 246.5179.338mm 视域尺寸 211.2(H)158.4(V)mm 图像点阵 640RGB480 行 像素点尺寸 0.33(H)0.33(V)mm 像素结构 垂直条纹 接口方式 总线方式 VRAM 容量 128K8 位 显示颜色 TFT 64 色 / 256 色 视野角度 左 75 度，右 75 度,上 60 度，下 50 度 工作电压 DC 8V 15V 消耗功率 小于 8W 工作环境温度 -10 +65 保存温度 -30 +70 亮度 400cd/ 液晶屏寿命 大于 5 万小时（连续工作） 背光灯寿命 大于 25000 小时（连续工作） 净重 克 毛重 克 包装数量 只/箱 内包装尺寸 mm 外包装尺寸 mm5、接口方法：LR-104VRAM 的接口方式为总线方式。外部引线包括有地址总线、数据总线和片选读写输入，可以直接挂接到单片机、计算机的总线上，通过译码分配作为主机的某部分内存来使用。如果主机无法分配较大的空间而直接使用时，也可以采用分页操作技术，高位地址用来页面切换，低位地址则可直接操作。内存的数据位与屏幕显示的色点一一对应，只要把适当的数据写入内存中去，屏幕上即可显示出相应的文字图形。接口采用 34 针双列防反插插座（间距为标准 2.54mm）,引脚定义如下表 3-3 引脚定义引脚号 引脚定义 引脚号 引脚定义 引脚号 引脚定义 1 D0 13 GND 25 A52 D1 14 GND 26 A63 D2 15 RDCS 27 A74 D3 16 A15 28 A85 D4 17 +12V 29 A96 D5 18 +12V 30 A107 D6 19 保留 31 A118 D7 20 保留 32 A129 WCS 21 A1 33 A1310 CLOSE 22 A2 34 A1411 A0 23 A312 保留 24 A46、应用程序：，将屏幕清成 040H 代码所表示的颜色 ；VRAM 的片选地址（E000，FFFFH） ；A13，14，15 = P1.O,P1.1,P1.2 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0090H MAIN: MOV SP,#60H; LCALL INITLCD; MOV R1,#040H; LCALL CLEAR1 RETERN: SJMP RETERN INITLCD: LCALL LCD RET LCD: MOV R2,#08H MOV R3,#00H LCD1: MOV P1,R3 MOV DPTR,#0E000H MOV R4,#20H LCD2: MOV R5,#00H MOV A,#00HLCD3: MOVX DPTR,A INC DPTR DJNZ R5, LCD3 DJNZ R4, LCD2 INC R3 DJNZ R2,LCD1 RET CLEAR1: LCALL LCD4 RET LCD4: MOV R2,#08H MOV R3,#00H LCD5: MOV P1,R3 MOV DPTR,#OE000H MOV R4,#20H LCD6: MOV R5,#0A1H MOV A,R1 LCD7: MOVX DPTR,A INC DPTR DJNZ R5, LCD7 MOV R5,#5FH LCD8: INC DPTR DJNZ R5, LCD8 DJNZ R4, LCD6 INC R3 DJNZ R2, LCD5 RET END3.4.4 控制面板由于键盘的数量有限，故采用多功能键盘，利用 SHIFT 换档键进行选择。报警指示灯用的是 LED IDW超 程LR-104VA