小型数控工具磨床控制系统设计

南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）题 目 ： 小型数控工具磨床控制系统设计 专 业： 自动化（数控技术应用） 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起迄日期： 设计地点： Graduation Design (Thesis)Control System Design for Small Tool GrinderByJU LeiSupervised byAssociate Prof. HUA MaofaDepartment of Automation EngineeringNanjing Institute of TechnologyJune, 2007南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）摘 要本文扼要的介绍了数控工具磨床的组成、控制方式。提出了未知参数螺旋齿刀具的数控刃磨方法，并着重介绍了这种数控控制系统的软硬件设计。本设计采用 8031 作主 CPU，控制整个工具磨床的工作。主 CPU 扩展了外部程序存储器 27256 和数据存储器 6264，外部程序存储器存储系统程序，数据存储器存储加工程序和数控系统处理的中间数据，并设计了掉电保护电路。另选用89C2051 作为从 CPU，控制多排多位的八段数码管的动态显示。8031 发出的步进电机脉冲信号经锁存器输出，控制各电机的进给。用 8155 扩展一矩阵式键盘，同时用 8255 扩展开关量输入输出接口电路。此外，还设计了未知参数螺旋齿刀具参数测量及自动刃磨控制软件。在本设计的软硬件基础上做进一步的研究，开发出用于数控工具磨床的控制系统，同工具磨床相配套，可解决未知参数螺旋齿刀具的自动刃磨问题。关键词： 螺旋齿刀具；数控工具磨床；控制系统；软硬件设计南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）IABSTRACTIn this paper, the constitution and the control strategy of NC tool grinding machine introduced, the principle of cutter milling process for unknown parameter screw gear is brought forward, then emphasize introduced the software and hardware for this kind of numerical control system. A typical MCU, 8031, was used as the host CPU to control the whole function of tool Grinding Machine; 27256, an external program memory, is used to Storage the system program, and 6264, an external data memory, is used to store the process program and the middle data of numerical control system. Power failure function is also provided. In addition, an 89C2051 is selected as the slave CPU to control the display of LED. pulse signals generated by the host CPU,8031, was send to the step motor through the D to control the feeding movement of each motor. The keyboard function is achieved with a programmable parallel interface, 8155 and I/O interface of the NC system was realized with an 8255. Further more, parameter measurement and atuo-milling software for the unknown parameter spiral tooth machine tool is finished and the NC control system is developed to solve the automatic grinding problem of unknown parameter spiral tooth cutting tool. Keyword： Screw gear cutter; NC tool grinder; Control system; software and hardware南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）II目 录第一章 绪论 .11.1 引言.11.2 任务及要求.21.3 数控工具磨床传动系统的组成.21.4 数控工具磨床传动系统的控制.21.5 本文的结构.4第二章 数控工具磨床控制系统电路设计 .52.1 设计方案的拟定.52.1.1 控制系统主 CPU 的选择.52.1.2 总体设计思路.62.2 时钟电路和复位电路设计 .72.2.1 时 钟 电 路 设 计 .72.2.2 复 位 电 路 设 计 .82.3 控制系统存 储 器 扩 展 电 路 设 计 .92.3.1 程 序 存 储 器 扩 展 电 路 设 计 .92.3.2 数据存 储 器 扩 展 电 路 设 计 .112.4 显示电路设计.122.4.1 显示方式的选择.132.4.2 从 CPU 的 选 择 .132.4.3 数 字 动 态 显 示 电 路 设 计 .162.4.4 字 母 静 态 显 示 电 路 设 计 .182.5 手动键盘和编辑键盘电路设计.182.5.1 键盘接口芯片的选择.182.5.2 手动键盘电路设计.182.5.3 编辑键盘电路设计.202.6 开关量输入输出与工作方式选择接口电路设计.202.6.1 接口电路芯片选择.202.6.2 开关量输入输出接口电路设计.222.6.3 工作方式选择接口电路设计.232.7 步进电机脉冲信号输出接口电路设计.23南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）III2.8 译码电路设计.24第三章 数控工具磨床控制系统软件设计 .263.1 测量方式控制软件设计.263.2 磨削方式控制软件设计.27第四章 控制系统电路原理图与 PCB 图的绘制.304.1 控制系统原理图的绘制.304.1.1 原理图的设计步骤.304.1.2 绘制原理图.304.2 控制系统 PCB 图的绘制.314.2.1 PCB 图设计步骤.314.2.2 元器件的封装说明.324.2.3 小型数控工具磨床控制系统 PCB 图 .32第五章 结论.335.1 论文总结 .335.2 感想 .34致谢.35参考文献 .36附录 A：英文资料 .37附录 B：英文资料翻译 .46附录 C：硬件电路原理图与 PCB 图 .53附录 D：硬件元器件清单 .55附件： 毕业论文光盘资料南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）0第一章 绪论1.1 引言随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日益激烈，产品更新速度越来越快，复杂形状的零件越来越多，精度要求越来越高，多品种、中小批量生产的比重明显增加。激烈的市场竞争使产品研制生产周期越来越短。传统的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效高质量加工要求。因此近几十年来，世界各地十分重视发展能有效解决复杂、精密、小批多变零件的数控加工技术，在加工设备中大量采用微电子技术和计算机技术为基础的数控技术。目前，数控技术正在发生根本性变革，它集成了微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术与一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前生产的机械产品发生改变时，普通机床与工艺装备均需作相应的变换和调整。通用机床的自动化程度不高，基本上由人工操作，难于提高生产效率和保证产品质量，特别是一些曲线、曲面轮廓组成的复杂零件，只能借助靠模和仿形机床，或者借助划线和样板用手工操作的方法来加工，加工精度和生产效率受到很大的限制。数控机床就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的，它为单件、小批生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。数控机床的优点有：（1）加工对象改型的适应性强， （2）加工精度高， （3）生产效率高， （4）自动化程度高， （5）良好的经济效益， （6）有利于生产管理的现代化。众所周知，机床是受固定资产投资影响较大的投资类产品。在目前国内固定资产投资大幅增加的情况下，为机床行业的发展提供了又一次难得的机遇。其中数控磨床是很多行业精密生产加工必备的设备，尤其是随着客户对产品的加工精度及交换时间要求越来越严格的情况下，各行业对数控磨床的采购及使用逐年增加。所以这就使得数控磨床成为不仅是技术先进，也要是一种经济上合理的机床。磨削加工是零件加工和超精加工的一种主要切削加工方法。在磨床上采用各种类型的磨具，可以完成内外圆柱面、平面、螺旋面、花键、齿轮、导轨和成形面等各种表面的加工。它初能磨削普通材料外，还常适用于一般刀具难以切削的高硬度材料的加工，如淬硬钢、硬质合金和各种宝石等，应用十分广泛。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）1机械加工的高精度不光取决与数控机床的高精度，还受刀具的精度有关。无论在何种切削条件下，刀具都将有磨损，其磨损量都将随时间的增长而增长。所以在磨损量超过允许范围时，需要进行对刀具的刃磨。而圆柱形铣刀、立铣刀及螺旋齿绞刀这类刀具的刃磨一般是在工具磨床上借助附件手工操作，根据火花判断砂轮与刀齿接触与否，凭手感掌握吃刀深度，而且一个刀齿必须一次连续刃磨完成。因此，对操作者的要求很高，且难以保证刃磨质量，刃磨效率低。而工厂内讲究的就是效率与精度，鉴于以上情况，研制一种能刃磨多种刀具的小型经济型数控工具磨床，刃磨未知参数螺旋齿刀具是十分重要的。综上所述，设计一个小型数控工具磨床控制系统，装备工具磨用来刃磨未知参数螺旋齿刀具十分必要。1.2 任务及要求设计一种小型经济型数控工具磨床，其主要要来刃磨未知参数螺旋齿刀具，也可以刃磨其他刀具。设计出的工具磨床控制系统必须具备足够的存储空间，用来存储系统程序和加工程序。控制系统要具备人机交互能力，所以需设计显示电路和键盘扫描电路。控制系统要控制步进电机工作，要设计电机脉冲输出电路。要设计出多种工作方式的选择电路，并按照实际磨床工作要求扩展I/O口，按照数控工具磨床工作要求进行小型数控工具磨床控制系统设计。1.3 数控工具磨床传动系统的组成小型数控工具磨床的机械部分的传动原理图如图1.1所示。其中，X、Z轴为工作台横、纵向运动；Y轴为磨头升降运动；C轴为刀具（工件）旋转运动。通过手动可以调整磨头绕Y轴运动；砂轮及刀具的上仰、下俯；刀具变速箱在水平面内转动。1.4 数控工具磨床传动系统的控制数控工具磨床控制系统由输入/输出装置、数控装置、传动系统（驱动控制装置） 、机床电器控制装置四部分组成，工具磨床本体为被控对象。数控装置即 CNC 装置，是数控系统的核心，其硬件和软件控制着全部数控功能的实现，它与数控的其他部分通过接口相连，实质上是一个微型计算机组成的控制器。输入/输出装置包括输入/输出接口和输入/输出设备。输入/ 输出接口是计算机和机床之间联系的桥梁和通道，数控系统对机床进行自动控制所需要的各种南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）2外部控制信息及加工数据都是通过输入设备送人 CNC 装置的存储器中，作为控制的依据。一般输入数控系统的零件加工程序、控制参数和补偿数据。因输入设备不同又有多种输入方式：键盘输入、计算机通信输入等。而数控系统工作过程中的状态和数据一般通过显示器和各种指示灯来向用户显示。图 1.1 传动系统简图1、3、8、10步进电机 2、7、11.滚球丝杠 4.变速箱5.刀具 6.砂轮 9.工作台 12 主电机数控工具磨床的传动系统是由步进电机和滚轴丝杠组成。步进电机的脉冲输出分为两种，一种是软件环分，另一种是硬件环分。软件环分是使用控制软件对控制的电机各相分配时序，硬件环分是只输出被控电机的脉冲信号，电机的相序分配又外部硬件来完成。由脉冲分配相序控制各电机的进给方向。当数控系统采用计算机数控装置（CNC）时，该数控系统就称为计算机数控系统。目前，在市场上以NC装置为核心的硬件数控系统已经日趋减少，取而代之的是以CNC 装置为核心的计算机数控系统，并且绝大多数CNC 装置都是采用微型计算机系统。1.5 本文的结构南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）3本文以单片机及其外部硬件扩展电路的研发工程项目作为应用背景，对现在普通磨床数控改造技术进行了研究。全文共分为五章，各章的主要内容如下：第一章扼要地介绍了数控技术的概念、特点，分析数控工具磨床目前的地位，介绍了设计的任务与要求，讲述了数控工具磨床的传动系统，并分析了数控系统的组成；第二章对小型数控工具磨床控制系统进行了研究，给出了数控工具磨床控制系统的设计方案，并详细讨论了系统各部分电路的设计方法；第三章研究了数控工具磨床的刃磨工作原理，简单的介绍了几种数控工具磨床控制系统软件，设计出测量方式控制软件与磨削方式控制软件的流程图；第四章讲述了设计的原理图与 PCB 图的绘制方法，并结合自己绘图时遇到的问题做了一些绘图总结；第五章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）4第二章 数控工具磨床控制系统电路设计2.1 设计方案的拟定根据任务书的要求和第一章对数控工具磨床控制系统的分析，已经完全明白任务书的要求的含义。现进行小型数控工具磨床控制系统的硬件电路设计，在制定设计方案前首先要选择好数控系统的核心部分 CPU。2.1.1 控制系统主 CPU 的选择目前小型经济型数控工具磨床都是采用单片微型计算机作为处理器。单片微型计算机，简称单片机，是微型计算机的一个分支。它是在一块大规模或超大规模集成电路芯片上集成了 CPU、存储器、I/O 接口、定时/计数装置等而构成的微型计算机。随着近年来微电子技术的飞速发展，单片机的功能也日趋强大，在集成度、功能、性能、体系结构上都有了飞速，已能集成一个完整的功能强大、性能优良的计算机应用系统。单片机的作用已经超出了最初的工业控制领域而应用到社会生活的各个方面，人们更倾向于称单片机为微处理器或者微控制器。据不完全统计，到 2005 年 6 月，全世界单片机的生产厂家有近 40家，能生产 60 多个系列，1200 多个型号，年产量近 24 亿片。MCS-51 系列中，8031 单片机应用最为广泛。8031 内部没有 ROM，需外扩一程序存储器。根据数控工具磨床控制系统的要求，需要有 32KB 程序存储器，8051 内部只有 4KB 程序存储器，存储空间仍需外扩； 8031 具有价格低、功能强、使用灵活、开发方便等特点，同时也有足够的输入输出口，所以适合于数控工具磨床控制系统的设计；另外本人对 8031 单片机比较熟悉，这样在设计中遇到问题将会大大减少，开发周期也会缩短，所以选用 8031 单片机。1. 8031 单片机的特点1）具有功能很强的 8 位中央处理单元（CPU）；2）片内有时钟发生电路（12MHZ），每执行一条指令的时间为 14s;3）片内具有 128 字节的 RAM；4）具有 21 个特殊寄存器；5）可扩展 64K 字节的外部数据存储器和 64K 字节的外部程序存储器；6）具有 4 个 I/O 口，32 根 I/O 线；7）具有 2 个 16 位定时器/计数器；南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）58）具有 5 个中断源，配备 2 个中断优先级；9）具有一个全双功串行接口；10）具有位寻址能力，适合逻辑运算。从上述特性可以看出这种 8031 芯片集成度高、功能强，只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机控制系统。2. 外部引脚的使用方法制 造 工 艺 为 NMOS 的 MCS-51 单 片 机 都 采 用 40 只 引 脚 的 双 列 直 插 封装 （ DIP） 方 式 ， 8031 引 脚 如 图 2.1 所 示 。 I/O 口 线 ： P0、 P1、 P2、 P3 共四 个 8 位 口 ； 控 制 口 线 ： PSEN（ 片 外 取 指 令 控 制 ） 、 ALE（ 地 址 锁 存 控 制 ）、 EA（ 片 外 存 储 器 选 择 ） 、 RESET（ 复 位 控 制 ） ； 电 源 及 时 钟 ： Vcc（ 接+5V 电 源 ） 、 Vss（ 接 地 ） ； XTAL1 和 XTAL2 接 外 部 晶 体 振 荡 器 。当 8031 单 片 机 外 扩 程 序 存 储 器 、 数 据 存 储 器 或 输 入 输 出 端 口 时 ， 外 部芯 片 需 要 8031 为 其 提 供 地 址 总 线 、 数 据 总 线 和 控 制 总 线 ， 如 图 2.2 所 示 。地 址 总 线 （ AB） 宽 度 为 16 位 ， 可 访 问 64KB 的 外 部 程 序 存 储 器 和 64KB的 外 部 数 据 存 储 器 。 低 8 位 地 址 总 线 （ A0 A7） 由 P0 口 经 地 址 锁 存 器 锁存 后 提 供 ， 高 8 位 地 址 总 线 （ A8 A15） 直 接 由 P2 口 提 供 。 数 据 总 线 宽度 为 8 位 ,由 P0 口 提 供 。 控 制 总 线 （ CB） 由 P3 口 的 第 二 功 能 状 态 和 4 根独 立 的 控 制 线 RESET、 EA、 ALE 和 PSEN 组 成 。 这 样 就 可 以 将 8031 接入 到 一 个 控 制 系 统 中 去 了 。 图 3.2 8031 引 脚 图 图 3.3 8031 片 外 总 线 结 构 图 2.1 8031 引 脚 图 图 2.2 单 片 机 的 片 外 总 线2.1.2 总体设计思路本人的设计方案是：采用 8031 单片机做主 CPU，片外扩展 32K 程序存储南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）6器和 8K 数据存储器，程序存储器采用 27256 芯片，数据存储器采用 6264 芯片；使用一个从 CPU，用来控制五排 LED 数码管进行动态显示的，这五排数码管分别显示的是功能字后的数字、X 轴坐标、Y 轴坐标、Z 轴坐标和 C 轴的角度；编辑键盘用 8155 扩展，把剩下的并行口作扩展的 I/O 口接刀具种类选择开关；并再用 8255 两个口扩展若干开关量输入输出信号接口，这些信号的输入输出都要经过光电耦合器来进行抗干扰，8255 的另一个口用来作为工作方式选择的接口；经 8031 输出的 X 轴、Y 轴、Z 轴、C 轴步进电机正、反转脉冲信号经锁存器锁存后输出，其余的还需设计一些复位电路，掉电保护电路等，以保证整个控制系统的正常运行，这就是小型数控工具磨床控制系统的设计方案。具体的硬件构成框图如图 2.3 所示：图 2.3 硬件构成框图2.2 时钟电路和复位电路的设计2.2.1 时 钟 电 路 的 设 计时 钟 电 路 的 设 计 非 常 重 要 ， 时 钟 电 路 是 单 片 机 的 核 心 ， 小 型 数 控 工 具 磨床 控 制 系 统 采 用 的 是 内 部 时 钟 方 式 ， 单 片 机 8031 内部有一个高增益反相放大器，反相放大器的输入端为 XTAL1，输出端为 XTAL2，外接晶振（或陶瓷手动键盘 CPU27256 LED显示电路62648155键盘刀具种类选择开关74LS273 8255光电耦合至步进电机驱动 方式转换开关启停电路收发信号电路南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）7谐振器）和电容组成振荡器。振荡器产生的时钟频率主要由晶振的频率决定，设 计 电 路 如 图 2.4 所 示 。 在 XTAL1 和 XTAL2 两端接上石英晶振和微调电容就可构成自激振荡器。电容器 C1，C2 选择大小是 30pF，它们有两个作用，一是使振荡器起振，二是对振荡器的频率 f 起微调作用。振荡频率通常取 3MHz至 24MHz 范围内。本人设计时使用的晶振频率为 10MHz，根据式 )256(132xfoscSMOD波 特 率可以算得 8031 单片机的一个机器周期的具体时间：机器周期= = =1.2 s晶 振 频 率 610其中:SMOD 为波特率控制位；fosc 为时钟振荡器频率；x 为定时器时间常数。图 2.4 时钟及复位电路2.2.2 复 位 电 路 的 设 计复位是单片机的初始化操作,单片机在启动运行时,都需要先复位.它的作用是使 CPU 和系统中其他部件都处于一个确定的初始化状态,并从这个状态开始工作。单片机复位后，程序计数寄存器 PC 初始化为 0000H，单片机从 0000H地址单元开始执行程序。要使单片机可靠的复位，必须使 RST/VPD 引脚保持两个机器周期以上的高电平，一般上电复位时间需要大于 10ms。复位有上电自动南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）8复位和按键手动复位两种：上电复位利用电容器充电来实现，上电瞬间，RC 电路充电，RST 引脚端出现正脉冲，只要 RST 引脚端保持大于两个机器周期以上的高电平，就能使单片机有效复位，充电时间常数为 RC。本次设计的 小 型 数控 工 具 磨 床 控 制 系 统 采 用 上 电 复 位 和 按 钮 复 位 两 种 复 位 电 路 。 在 8031 复位 端 RESET 上 接 如 图 2.4 所 示 电 路 ， 电 阻 R1 取 10k ， 电 容 C4 取10uF； 电 阻 R2 取 10k ， 电 容 C5 取 10uF； 当 上 电 时 ， 复 位 端 RESET 上出 现 高 电 平 ， 在 RESET 引 脚 上 出 现 两 个 周 期 的 高 电 平 将 使 单 片 机 复 位 。 图2.4 中 复 位 按 钮 S42 被 按 下 后 ， 在 RESET 上 出 现 高 电 平 ， 使 系 统 复 位 到 初始 化 状 态 ； 当 急 停 按 钮 被 按 下 ， 外 部 中 断 0 起 作 用 ， 单 片 机 响 应 内 部 中 断程 序 ， 并 且 在 RESET 引 脚 上 也 会 产 生 高 电 平 ， 使 8031 复 位 。 这 样 的 设 计符 合 控 制 系 统 硬 件 电 路 实 际 控 制 要 求 。2.3 CPU 存 储 器 扩 展 电 路 设 计8031 单片机内部没有程序存储器，所以要外扩 32K 程序存储器，用来存放系统程序，这样的存储器要只可读不可写；再外扩 8K 数据存储器，用来存储加工程序与中间处理数据。2.3.1 程 序 存 储 器 扩 展 电 路 设 计1. 程 序 存 储 器 芯 片 选 择8031 片内不带 ROM，用作程序存储器的器件是 EPROM，由于设计要求扩展 32KB 程序存储器。E PROM 是 可 擦 除 、 可 编 程 只 读 存储 器 ， 小 型 工 具 磨 床 控 制 系 统 中 ， 只 需 扩 展32KB 空 间 的 程 序 存 储 器 ， 所 以 选 用 一 片27256（ 32K8） 芯 片 就 可 满 足 要 求 。 图2.5 所 示 为 27256 芯 片 引 脚 。 图 中 ，A0 A14 为 地 址 线 ， 可 以 计 算 出 存 储 器 的容 量 为 =32KB。 D0 D7 为 数 据 输 出 线 ， CE 为 片 选 端 ， OE 图 2.5 27256 引 脚 图为 输 出 允 许 端 ， Vpp 为 编 程 电 压 端 ， Vcc 为 +5V， GND 为 地 。2. 程 序 存 储 器 扩 展 电 路本 设 计 扩 展 的 程 序 存 储 器 容 量 大 于 256 字 节 ， 因 此 ， EPROM 片 内 地址 线 除 了 由 P0 口 经 锁 存 器 提 供 低 8 位 地 址 线 外 ， 还 需 由 P2 口 提 供 若 干 地址 线 。 EPROM 所 需 地 址 线 数 决 定 于 EPROM 的 容 量 ， 扩 展 32KB 的 容 量就 得 需 要 15 根 地 址 线 ， 所 需 的 高 位 地 址 线 由 P2 口 提 供 。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）9程 序 存 储 器 扩 展 电 路 如 图 2.6 所 示 ， 数 控 工 具 磨 床 控 制 系 统 外 扩32KB 程 序 存 储 器 27256， 8031 的 P0 口 经 74LS373 锁 存 器 接 27256 的 低8 位 地 址 线 A0 A7， 27256 的 高 7 位 地 址 线 A8 A14 接 8031 单 片 机 的P2.0 P2.6。 27256 的 数 据 线 D0 D7 接 在 8031 单 片 机 P0 口 上 ,ALE（ 允许 地 址 锁 存 ） 接 锁 存 器 CLK 端 （ 11 脚 ） ， 由 于 是 分 时 使 用 ， 先 输 出 外 部 存储 器 的 低 8 位 地 址 ， 故 应 在 外 部 加 锁 存 器 将 地 址 数 据 锁 存 ， 地 址 锁 存 信 号 用ALE。 然 后 ， P0 口 才 作 为 数 据 口 使 用 。根据程序存储器扩展电路设计，程序存储器的 27256 的寻址范围见表 2.1表 2.1 程 序 存 储 器 地 址 表地 址 线A15 A14 A13 A12 A11 A1 A0地 址0 0 0 0 0 0 0 0000H0 0 0 0 0 0 1 0001H0 0 0 0 0 1 0 0002H 0 1 1 1 1 1 0 7FFEH0 1 1 1 1 1 1 7FFFH南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）10图 2.6 CPU 存 储 器 扩 展 电 路 图2.3.2 数据存 储 器 扩 展 电 路 设 计1. 数 据 存 储 器 芯 片 选 择8031 单 片 机 内 部 有 128 个 字 节 的 RAM， 在 小 型 数 控 工 具 磨 床 控 制 系 统中 仅 靠 片 内 RAM 是 不 够 的 ， 必 须 外 扩 外 部 数 据 存 储 器 。 常 用 的 数 据 存 储 器有 静 态 RAM（ SRAM） 和 动 态 RAM（ DRAM） 两 类 。 DRAM 一 般 用 于 存储 容 量 较 大 的 系 统 中 ， 而 且 DRAM 需 要 刷 新 逻 辑 电 路 以 保 持 数 据 信 息 的 不丢 失 ， 电 路 设 计 较 复 杂 。 虽 然 DRAM 芯 片 具 有 容 量 大 、 功 率 低 、 价 格 便 宜等 优 点 ， 但 它 极 易 受 干 扰 ， 对 外 界 环 境 、 工 艺 结 构 、 控 制 逻 辑 和 电 源 质 量 等的 要 求 都 很 高 。 因 此 ， 本 人 设 计 的 小 型 数 控 磨床 控 制 系 统 选 用 SRAM 作 为 数 据 存 储 器 。与 DRAM 相 比 ， SRAM 无 须 考 虑 保 持 数据 而 设 置 的 刷 新 电 路 ， 故 扩 展 电 路 较 简 单 。在 8031 单 片 机 应 用 系 统 中 ， 最 常 用 的 静 态 数据 存 储 器 RAM 芯 片 有 6116（ 2K8） 和6264（ 8K8） 两 种 。 任 务 书 和 设 计 的 实 际 需南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）11要 都 是 要 求 外 扩 8KB 数 据 存 储 器 ， 故 6264 芯 片 能 满 足 要 求 。6264 是 8K8 位 静 态 随 机 存 储 器 芯 片 ， 采 用 CMOS 工 艺 制 作 ， 28 线双 直 插 式 封 装 ， 其 引 脚 如 图 2.7 所 示 。 A0 A12 为 片 内 13 位 地 址 线 ； D0 D7 位 8 位 数 据 线 ； CS1 和 CS2 为 片 选 端 ； OE、 WE 为 读 、 写 信 号 线 。图 2.7 6264 引 脚 图2. 数 据 存 储 器 扩 展 电 路 本 人 设 计 电 路 图 如 图 2.6 所 示 ， 8031 单 片 机 P0 口 经 地 址 锁 存 器74LS373 锁 存 后 ， 6264 芯 片 低 8 位 地 址 线 A0 A7 再 与 锁 存 器 74LS373 锁存 输 出 端 相 连 ， 高 5 位 地 址 线 A8 A12 与 8031 单 片 机 P2.0 P2.4 直 接 相连 ； 数 据 线 D0 D7 直 接 与 8031P0 口 相 连 ； 片 选 信 号 CS1 由 8031 高 位 地址 P2.5 P2.7 经 74LS138 地 址 译 码 提 供 ； 片 选 CS2 保 持 高 电 平 ， 这 里 采用 了 一 个 分 压 电 路 ， 在 +5V 与 地 线 之 间 接 入 两 个 电 阻 R10 和 R9， 电 阻 R10取 5.1K ， 电 阻 R9 取 10K ， 如 图 2.8 所 示 ， 图 2.8 分压电路可 以 计 算 出 图 中 输 出 的 高 电 平 U=3.31V， 所 以 这 个 分 压 电 路 能 提 供 较 稳 定的 高 电 平 输 入 。因为设计 CPU 存储器扩展电路时，扩展了数据存储器 SRAM 和程序存储器 EPROM，EPROM 掉电后数据不会丢失，而且是可读不可写的。所以直接扩展电路后没有其他电路的设计； 而 SRAM 是随机静 态 数 据 存 储 器 6264， 这 种 芯 片 掉 电 后 就 会 丢 掉 所 有的 数 据 ， 为 了 使 加 工 数 据 能 够 掉 电 不 丢 失 ， 就 得 接 一 个 后 备 电 源 ， 以 保 证 此芯 片 不 失 电 ， 这 种 电 路 叫 做 掉 电 保 护 电 路 ， 如 图 2.9 所 示 。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）12图 2.9 数 据 存 储 器 的 掉 电 保 护 电 路根据数据存储器扩展电路设计，数据存储器的 6264 的寻址范围见表 2.2。表 2.2 数 据 存 储 器 地 址 表地 址 线A15 A14 A13 A12 A1 A0地 址1 0 1 0 0 0 A0OOH1 0 1 0 0 A001H 1 0 1 1 1 0 BFFEH1 0 1 1 1 1 BFFFH2.4 显示电路的设计显示电路主要是通过显示器来实现的。目前社会上使用的显示器的种类多种多样，有 CRT 显示器、LED 显示器、LCD 显示器、辉光显示器、荧光显示器及投影显示器等等。在机床数控系统中，常用 CRT 和 LED 显示器，目前也出现了高性能的 LCD 显示器，其中 LED 由于功耗较少、亮度强、控制简单可靠。且价格很低，因此在经济型数控系统和各种仪器仪表中广泛使用。此次设计也将选用 LED 显示器。2.4.1 显示方式的选取本人设计的小型数控工具磨床控制系统需要五排显示，包括功能代码的数字， X 坐标、Y 轴坐标、 Z 轴坐标、C 轴坐标。功能字是字母，所以显示功能南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）13字必须用 16 段数码管，使用数为 1 个；显示数字和坐标值用 8 段数码管，一般机床的单位为 mm，磨床也不例外，范围在 1 米内，加上小数点后两位和一位符号位，所以每轴需要显示六位，共需要使用 30 个 8 段数码管。显示方式又分为静态显示与动态显示两种，静态显示不占用 CPU 工作时间，但需要使用锁存器进行数据锁存，而本设计中如果采用静态显示方式的话就需要使用 32 个锁存器，这样硬件电路大大复杂，而且会造成设计成本提高。此设计就是讲究的经济型数控系统，所以本设计采用动态显示方式，而动态显示方式虽然可以减少硬件，但这种方式占用 CPU 时间较多，影响控制系统处理其他数据的速度。所以决定使用一个从 CPU，专门用来控制显示电路。显示 CPU主要是按照主 CPU 送来的显示命令和显示内容，组成相应的显示信息，负责产生显示器所需要的扫描信号，控制显示器按规定的显示方式显示有关信息。89C2051 将多功能的 8 位 CPU 与 FPEROM 结合在同一片芯片上，高度灵活且价格适宜。此次设计选用 89C2051 作显示 CPU，控制显示器显示。2.4.2 从 CPU 的 选 择89C2051 是由 ATMEL 公司推出的一种小型单片机，其主要特点为采用Flash 存储器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与 MCS-51 完全兼容，其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易。