毕业设计-XA6132卧式铣床的数控改造.doc

摘要此次毕业设计中，设计任务是将一台XA6132普通升降台卧式铣床，改造成三坐标数控铣床。采用滚珠丝杠作为传动装置。共有三根丝杠分别在纵向，横向工作台和垂直向升降台上。驱动元件为步进电机。微机数控系统由CPU、存储扩展电路和I/O接口电路、伺服电机驱动电路等几部分组成。数控系统的核心是微机，其它装置均在微机的控制下进行工作。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。本设计采用的是MCS51机，并扩展2片2764芯片，1片6264芯片，3片8155可编程并行I/O等组成的控制系统。结合毕业设计的的工作和时间的限制，机械部分主要解剖三个坐标轴，完成机械结构设计，零件和参数的选择，部分计算过程；电气和微机部分主要有硬件原理图和程序框图，以及部分程序段，共计五张A0图。此次毕业设计中，我熟悉了机电一体化设计的基本过程，并把各门所学的知识融会贯通形成一个有机的整体，为以后的设计工作打下了良好的基础，同时我也深深的体会到了不足之处，准备在今后的工作中不断学习，不断实践。关键词：XA6132普通升降台卧式铣床，数控，改造AbstractIn this time graduation design, the design mission is to reform a set of XA6132 common working panel lifter lying type miller into the three coordinate number controlling miller，adopting the ball guide screw as the transmission device .There are three silk bar different totally at lengthways, horizontal work pedestal and perpendicularity to ascend and descend on the stage. The driving component is the stepping electrical engineering. The tiny machine number controls the system from the CPU, save to expand the electric circuit and I/ O connects a peoples electric circuit, servo electrical engineering to drive the electric circuit etc. several parts constitute. The number controls the core of the system is a tiny machine, the other equips to all carry on the work under the control of the tiny machine. The tiny machine use is directly related in the function and systems of the system. The number controls the request of system to tiny machine is various, but the main index sign is a word to grow and speed, the word is long not only affect the system biggest to process the size, and the accuracy that influence process and operation accuracy. What this design adoption is machines MCS-51s, and expand 2 slices of 2764 chips, a slice of 6264 chips, 3 slices of 8155 programmable proceed together to constitute the control system .Because the work of graduation project and restriction of time, the mechanical part dissects three coordinate axes mainly, finishes mechanical structural design, the choices of the part and parameter, some computational processes; Electric and the computer part have principle pictures of hardware and procedure block diagram , and some procedure sections mainly, it is five A0 picture altogether.In this time graduation design, I acquainted with the machine electricity integral whole to turn the basic process of design, and integrate the knowledge that each one learn to become an organic whole, is a later design work to beat to descend the good foundation, I also realized the place of the shortage deeply at the same time, preparing to study continuously in the work of the aftertime, practicing continuously.Keywords: The XA6132 universal knee-type milling machine, the number control, reform.目录摘要IAbstractII目录III第一章 绪论11.1 数控机床改造的意义11.2 国内外的数控机床的比较11.3 数控未来发展的趋势21.3.1继续向开放式、基于PC的第六代方向发展21.3.2向高速化和高精度化发展21.3.3向智能化方向发展2第二章 设计任务和总体方案的确定42.1 设计任务42.2 总体方案设计的内容42.2.1伺服驱动42.2.2数控装置52.2.3系统功能52.2.4采用环形分配器52.2.5采用滚珠丝杠螺母副5第三章 伺服系统机械部分设计计算63.1 确定系统脉冲当量63.2 滚珠丝杠螺母副的设计，计算和选型63.2.1纵向丝杠的选择73.2.2横向丝杠的选择93.2.3垂直向丝杠的选择123.3传动效率计算143.4 齿轮传动比计算153.4.1纵向丝杠传动比153.4.2 横向丝杠的传动比153.4.3垂直丝杠的传动比163.5 步进电机的计算和选用163.5.1 纵向丝杠步进电机的计算163.5.2 横向丝杠步进电机计算193.5.3 垂直向丝杠步进电机的计算22第四章 数控系统各部件的结构及其工作原理244.1主控器244.2选择芯片264.3地址分配器及译码264.4接口电路及辅助电路具体设计27专题部分：控制系统软件程序设计32第五章 绿色设计及环保分析40致谢41参考文献42外文资料翻译4351第一章 绪论1.1 数控机床改造的意义企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。 数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达0.01mm至0.02mm，已能满足C620车床改造后加工零件的精度要求。 普通车床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准，而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。数控机床的改造目的是要求机床稳定可靠，以尽可能低的故障率运转。普通车床应用微机控制系统进行改造，可以提高工艺水平和产品质量，减轻操作者的劳动强度。1.2 国内外的数控机床的比较传统机床在我国占有比例相当大，我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3%。近10年来，我国数控机床年产量约为0.60.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6%。我国机床役龄10年以上的占60%以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20%，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60%以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。但废弃传统机床大量引进数控机床对企业来说是一笔巨大的负担，利用现有设备，提升传统制造业的科技含量，是适合我国国情的一条道路，它不仅完成企业设备的更新换代，而且也有良好的经济价值。在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业。从事再生业的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造造业称为机床改装（Retrofitting）业。从事改装业的著名公司有：大畏工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。1.3 数控未来发展的趋势1.3.1继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。1.3.2向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要1.3.3向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。（1）应用自适应控制技术数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。（2）引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 （3）引入故障诊断专家系统（4）智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。第二章 设计任务和总体方案的确定2.1 设计任务（1）进给伺服系统设计计算此部分为机械部分，它包括脉冲当量的确定；滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型；进给伺服系统的传动计算；步进电机的计算和选用；设计并绘制总装配图，其中包括横向，纵向工作台和垂直向升降台。（2）单片机控制系统设计此部分包括设计并绘制控制系统线路图，编写直线差补程序和圆弧差补程序。2.2 总体方案设计的内容机床数控系统总体方案的拟订应包括以下内容：伺服系统的选择，执行机构及运动方式的确定，控制芯片的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出几个总体方案，进行综合分析，比较和论证，最后选出一个合理的总体方案。2.2.1伺服驱动在我过设备数控化改造的一段时间里，较多采用步进电机作为伺服驱动元件。步进电机是一种特殊结构的电机,它利用通电激磁绕组产生反应力矩，将脉冲电信号的能量转换为机械位移的电机执行元件。当激磁绕组按一定规律获得分配脉冲时，步进电机的转子就会转动。转子转过的角度与输入的脉冲个数具有较严格的比例关系，而且转动与输入脉冲在时间上同步，因此可以利用这些特点控制运动的速度和位移量。步进电机的优点是结构简单，电气控制和驱动电路也简单，体积小，重量轻，价格便宜，设计制造较简单，容易调试，使用维修方便。位移精度较好，对各种干扰因素不敏感，结构误差不会累积。另外，电机时间常数小，反应快。但步进电机也有缺点，主要是容易丢步，启动频率低，工作效率也不够高，低频时振动大，可能造成失误，因此步进电机多用于负载较小，负载变化不大或要求不太高的经济型简易型数控设备中。综上所述，综合了成功率，技术难度，精度和投资等因素，决定选用步进电机开环伺服驱动2.2.2数控装置微机数控系统由CPU、存储扩展电路和I/O接口电路、伺服电机驱动电路等几部分组成。数控系统的核心是微机，其它装置均在微机的控制下进行工作。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。本设计采用的是MCS51机，并扩展2片2764芯片，1片6264芯片，3片8155可编程并行I/O等组成的控制系统。2.2.3系统功能（1）横向，纵向，垂直方向进给伺服运动。（2）行程控制（3）键盘控制（4）功能：报警电路，复位电路，隔离电路，功放电路等。2.2.4采用环形分配器本系统采用软件环形分配器。由于铣床三个方向的三步进电机均为三相，所以直接与8155（2）的PA口再加上8155（1）的PA口相接就可以了，经光电耦合电路，功放电路驱动电机。2.2.5采用滚珠丝杠螺母副采用滚珠丝杠螺母副传动结构,具有精度高,效率高,寿命长,低能耗,摩擦系数小,较高紧凑,通用性强等特点.第三章 伺服系统机械部分设计计算3.1 确定系统脉冲当量铣床脉冲当量应选0.01mm/脉冲3.2 滚珠丝杠螺母副的设计，计算和选型最大回转直径：工作台宽320mm电机功率P：7.5KW纵向快进速度：2.3m/min横向快进速度：1.2m/min垂向快进速度：0.77m/min纵向切削数据：0.06m/min横向切削速度：0.06m/min垂向切削速度：0.06m/min定位精度：0.015mm纵向移动部件重量：220kg横向移动部件重量：450kg垂向移动部件重量：1000kg加速时间：30ms机床效率：0.8机动范围：680mm/240mm/300mm工艺数据： 工件加工余量-最大铣削宽度： ，最大铣削深度：刀具数据-高速钢圆柱铣刀，直径32-40mm，刀齿书3-4工艺数据-主轴转速150-190rpm;40-60mm/min;每齿切厚0.05-0.2mm取0.1mm。根据机床设计手册，对高速钢圆柱铣刀，以工件为碳钢计算 =9.81Z =68.2，=7，=0.1，=40,Z=4,=323.2.1纵向丝杠的选择（1）计算进给牵引力在以工作寿命为基础进行计算时，应按实际加工中平均铣削条件为准， =9.81Z=5528（N） (4-1)=1.1;=0.25;=0.375 =1.1=6081N;=0.25=1382N;=0.375=2073N；得 导轨类型为燕尾导轨 = 1.41558+0.2(2073+20+2200) = 3.0358 (KN) (4-2)式中： 导轨上的摩擦系数 0.2 移动部件重量 = 2200 N（2）计算最大负载 C选用滚珠丝杠副的d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，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所能承受的最大动负载C，计算如下：C = (4-3)L = n = 式中： L0 滚珠丝杠导程 L0 = 6 mm 最大切削力下的进给速度 = 0.03m/min T 使用寿命 对于数控机床取 T = 15000 h 运转系数，无冲击运转 = 1.01.2，此处取 = 1.0L 寿命 ， 以转为单位。 n = = = 5r/minL = = = 4.5C = = 1.0w3035.8 =5012N=5.012kN（3）滚珠丝杠副螺母的选型查阅精密滚珠丝杠副可采用BNF4006-5型外循环插管式，导管埋入式法兰型螺母。此螺母为单螺母丝杠副，额定动载荷为 = 27.7KN （4）刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形将会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性。因此选用丝杠时应考虑丝杠的轴向刚度。丝杠的拉伸或压缩变形量在总的变形量中占很大的比重，所以要计算是否满足要求： （不预紧）计算如下：在工作负载的作用下引起导程的变化量： = (4-4)式中： 在工作负载作用下引起每一导程的变化量（mm） 工作负载，即进给牵引力（N） 滚珠丝杆导程（mm） 材料弹性模量，对于钢 = 20.6 N/mm 滚珠丝杠横截面积 （按内径确定）（mm） = 3035.8N = 6mm = 20.6 N/mm = = =1256mm = = = mm滚珠丝杠总长度上的变形量: = = 0.0117 mm 刚度 = 30.0117 = 0.0351 mm 0.015 (定位精度)因此，丝杠需预紧。（5）稳定性校核无需进行稳定性校核。3.2.2横向丝杠的选择（1）计算进给牵引力在以工作寿命为基础进行计算时，应按实际加工中平均铣削条件为准，=9.81Z=5528（N）=1.1;=0.25;=0.375得 导轨类型为矩形导轨。 = 1.21965(KN)式中： 导轨上的摩擦系数 0.15 移动部件重量 = 4500 N（2）计算最大负载 C选用滚珠丝杠副的d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，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所能承受的最大动负载C，计算如下：C = L = n = 式中： L0 滚珠丝杠导程 L0 = 6 mm 最大切削力下的进给速度 = 0.03m/min T 使用寿命 对于数控机床取 T = 15000 h 运转系数，无冲击运转 = 1.01.2，此处取 = 1.0L 寿命 ， 以转为单位。 n = = = 5r/minL = = = 4.5C = = 1.0w1219.65= 2014 N=2.014kN（3）滚珠丝杠副螺母的选型查阅精密滚珠丝杠副可采用BNF3606-3型外循环插管式，导管埋入式法兰型螺母。此螺母为单螺母丝杠副，额定动载荷为 = 15KN （4）刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形将会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性。因此选用丝杠时应考虑丝杠的轴向刚度。丝杠的拉伸或压缩变形量在总的变形量中占很大的比重，所以要计算是否满足要求： （不预紧）计算如下：在工作负载的作用下引起导程的变化量： = 式中： 在工作负载作用下引起每一导程的变化量（mm） 工作负载，即进给牵引力（N） 滚珠丝杆导程（mm） 材料弹性模量，对于钢 = 20.6 N/mm 滚珠丝杠横截面积 （按内径确定）（mm） = 1219.65N = 6mm = 20.6 N/mm = = =1017.4mm = = mm滚珠丝杠总长度上的变形量: = = mm 刚度 = 30.003= 0.009mm 0.015 (定位精度)因此，丝杠不需预紧。（5）稳定性校核无需进行稳定性校核。3.2.3垂直向丝杠的选择（1）计算进给牵引力在以工作寿命为基础进行计算时，应按实际加工中平均铣削条件为准，=9.81Z=5528（N）=1.1;=0.25;=0.375得 导轨类型为燕尾导轨 = 5.5254 (KN)式中： 导轨上的摩擦系数 0.2 移动部件重量 = 10000 N（2）计算最大负载 C选用滚珠丝杠副的d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，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所能承受的最大动负载C，计算如下：C = L = n = 式中： L0 滚珠丝杠导程 L0 = 6 mm 最大切削力下的进给速度 = 0.03m/min T 使用寿命 对于数控机床取 T = 15000 h 运转系数，无冲击运转 = 1.01.2，此处取 = 1.0L 寿命 ， 以转为单位。 n = = = 5r/minL = = = 4.5C = = 1.0w5525.4 = 9122 N=9.122kN（3）滚珠丝杠副螺母的选型查阅精密滚珠丝杠副可采用BNF6306-5型外循环插管式，导管埋入式法兰型螺母。此螺母为单螺母丝杠副，额定动载荷为 = 45KN （4）刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形将会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性。因此选用丝杠时应考虑丝杠的轴向刚度。丝杠的拉伸或压缩变形量在总的变形量中占很大的比重，所以要计算是否满足要求： （不预紧）计算如下：在工作负载的作用下引起导程的变化量： = 式中： 在工作负载作用下引起每一导程的变化量（mm） 工作负载，即进给牵引力（N） 滚珠丝杆导程（mm） 材料弹性模量，对于钢 = 20.6 N/mm 滚珠丝杠横截面积 （按内径确定）（mm） = 5525.4N = 6mm = 20.6 N/mm = = =3116mm = = mm滚珠丝杠总长度上的变形量: = = mm 刚度 = 30.0043 = 0.0126 mm 0.015 (定位精度)因此，丝杠不需预紧。（5）稳定性校核无需进行稳定性校核。3.3传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率 = (4-6)式中： 摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f =0.0030.004，摩擦角约为,即0.1667 r 丝杠螺旋升角 丝杠中径 d = (d1+d2)/2 = (19+16.7)/2 = 17.85 mmr = acrtan = arctan = 5.0977 = = = 0.9683.4 齿轮传动比计算3.4.1纵向丝杠传动比传动比i： i = (4-7)式中： 脉冲当量（mm）， = 0.01mm 基本导程 = 6mm 步进电机的步距角（初选） = 0.75i = = = 根据实际结构要求取 ： ， , 。3.4.2 横向丝杠的传动比脉冲当量 = 0.01mm基本导程 = 6mm初选步距角 = 0.75计算传动比 i = = 根据实际结构要求取：，;。因为进给伺服系统传递的功率不大，一般取模数m = 12，在此取m=2 。3.4.3垂直丝杠的传动比脉冲当量 = 0.01mm基本导程 = 6mm初选步距角 = 0.75计算传动比 i = =根据实际结构要求取一对锥齿轮：取L型同步带轮，规格如下：3.5 步进电机的计算和选用3.5.1 纵向丝杠步进电机的计算（1）转动惯量的计算齿轮的转动惯量： kg .cm (4-8) =；齿轮的转动惯量 ： = 齿轮的转动惯量 ： =丝杠的转动惯量 =1959.4 折算到电机轴上的转动惯量： =4126.8kg/m 其中： 齿轮的转动惯量 （kg .cm） 齿轮的转动惯量 （kg .cm） 齿轮的转动惯量 （kg .cm） 主轴的转动惯量 （kg .cm）（2）电动力矩的计算 电机的负载力矩在各种工况下是不同的，下面分快速空载起动时所需力矩、快速进给时所需力矩、工进负载时所需力矩等几部分分别计算。 快速空载起动时所需力矩 = 式中： 空载起动时折算到电机轴上的加速力矩 折算到电机轴的摩擦力矩 由于丝杠预紧时折算到电机轴的附加力矩电机最大转速 由技术要求得知 起动加速时间 =30 ms摩擦力矩：式中: 导轨摩擦力N（空起时） 传动链总效率 降速比 =1.25附加摩擦力矩：式中： 滚珠丝杠预加载荷 滚珠丝杠传动效率 = = 7.9N.m 快速进给时所需力矩， = 0 工进时需力矩 =式中： 工进时折算到电机轴上摩擦力矩（N.m） 折算到电机轴上的负载力矩从上面的计算可以看出，在、三种工况下，快速空载起动所需力矩最大，此项为初选电机的依据，从表中查出，当步进电机为三相六拍时， 0.79 按此最大静转矩产步进电机型号表（三相）可查出，110BC380B型最大静转矩转矩为10N.m，大于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。（3）计算电机工作频率步进电机快速运行 Hz最高工作频率 Hz从电机表中查出110BC380A型步进电机的空载起动频率为1400Hz，运行频率为15000Hz3.5.2 横向丝杠步进电机计算（1）转动惯量的计算齿轮的转动惯量：齿轮的转动惯量：丝杠的转动惯量 : 折算到电机轴的转动惯量为： =605（2）电机力矩的计算快速空载起动时所需力矩 =最高转速: 起动加速时间:摩擦力矩：式中: 导轨摩擦力N（空起时） 传动链总效率 降速比 =1.25附加摩擦力矩：=22Ncm=1.91 快速进给所需力矩由前面所知工进所需力矩=导轨摩擦力： =从上面计算可以看出，在、三种工况下，快速空载起动所需力矩最大，此项为初选电机的依据，从表中查出，当步进电机为三相六拍时， 0.347按此最大静转矩产步进电机型号表（三相）可查出，110BC380型最大静转矩转矩为5.5N.m，大于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。从电机表中查出110BC380型步进电机的空载起动频率为1500Hz，运行频率为15000Hz3.5.3 垂直向丝杠步进电机的计算（1）转动惯量的计算锥齿轮的转动惯量：= 锥齿轮的转动惯量：丝杠的转动惯量： 带轮的转动惯量：折算到电机轴的转动惯量为： （2）电机力矩的计算 由前面计算可知，在、三种工况下，快速空载起动所需力矩最大，所以只需计算。 =最高转速 ：起动加速时间：空载时导轨摩擦力: =2623.2N摩擦力矩：附加摩擦力矩：=0.33=以此项为初选电机的依据，从表中查出，当步进电机为三相六拍时， 按此最大静转矩产步进电机型号表（三相）可查出，110BC380A型最大静转矩转矩为8N.m，大于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。从电机表中查出，110BC380A型步进电机的空载起动频率为1400Hz，运行频率为15000Hz。第四章 数控系统各部件的结构及其工作原理4.1主控器（1）主控制器及主控制芯片的选择 目前在数控系统中常用的芯片有8086，8088，80286，80386以及8098，8096等16位机的CPU，在一般的数控系统中推荐采用MCS51系列单片机作为主控制器。这里选用MCS51系列中的8031芯片。 （2）MSC51系列单片机介绍 MSC51系列单片机的基本特征MSC51系列单片机主要有三种：8031，8051和8751。该系列产品是集CPU、I/0口及部分RAM等为一体的功能很强的控制器，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。并且开发手段齐全，指令系统功能强，编程灵活性大，硬件资料也很丰富。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少许差别，可以说8031是没有ROM的8051，而8751是EPROM代替ROM的8051。工业控制中应用最多的是8031。8031的基本特征如下：a， 具有8位中央处理单元（CPU）。b， 片内有时钟发生电路（6MHz 或12MHz）,每执行一条指令时间为2s或者1s。c， 具有128字节的RAM。d， 具有21个特殊功能寄存器。e， 可寻址64KB的外部数据存储器和64KB的外部程序存储器。f， 具有四个I/O口，32根I/O线。g， 具有两个16位定时器/计数器。h， 具有5个中断源，配备两个优先级i， 具有一个全双工串行接口j， 具有位寻址能力，适用逻辑运算从上述特性可知:一块8031的功能相当于微型计算机系统。管脚功能分析及特性简介引脚功能分类表：a. I/O口线：，共四个8位口。b. 控制线：（中断取指令控制），ALE（地址锁存控制），（中断存储器选择），RESET（复位控制）电源及时钟：，应用特性：a. I/O口线不能都用作用户I/O线，除8051，8751外真正可完全为用户使用的I/O口线，只有口以及部分作为第一功能使用的口。b. I/O口的驱动功能为：口驱动8个TTL门电路，而、只能驱动4个TTL门电路。c. 口具有提升电阻的8位双向I/O口，该口的每一位均可独立的定义为第一I/O口功能或者第二I/O口功能。时钟频率：外接时钟频率可在1.212MHz间选取。总线结构a. 地址总线AB地址总线宽度为16位，故其外部存储器直接熏之范围达到64KB，16位地址总线由口经地址锁存器提供低8位，由直接提供。b. 数据总线DB数据总线宽度为8位，由口直接提供。c. 控制总线CB由口的第二功能状态和四根独立的控制线RESET，ALE，组成。 存储器结构 单片机的存储器包括程序存储器（EPROM或ROM）和数据存储器（RAM），它们是可以选用并可直接寻址的存储器。 扩展芯片 I/O口扩展集成电路中有三种专用I/O口扩展芯片。I/O口扩展复合芯片，TTL电路芯片，在本次设计中，除了采用I/O口外还能扩展其他外围功能电路，主要有8155（28+6并行I/O口，256个静态RAM，一个14位定时器），TTL电路芯片，也广泛用作MCS-51单片机I/O扩展芯片，主要有74LS373，273，374，244等。4.2选择芯片（1）EPROM的选择芯片的型号不同，应用参数也不同，主要有最大读出速度，工作温度及容量。在确定容量内选择EPROM的型号，主要考虑因素是读取速度，这是决定系统能否正确工作队的前提。根据CPU与EPROM的匹配要求，应满足8031能提供的读取时间大于EPROM所需要的读取时间。实际设计中，应考虑在满足容量要求的同时尽可能选择大容量芯片，以减少芯片组合数。（2）RAM的选择选RAM是主要考虑因素是RAM的读写速度与CPU提供的读写时序的匹配要求，还应满足这样一个关系：即8031所能提供的读写时间应大于RAM所需求的读写时间，常用RAM主要有6116和6264两种。4.3地址分配器及译码（1）地址分配与一般存储系统不同，8031所支持的存储系统其程序存储器与数据存储器独立编址。因此，EPROM和RAM的地址分配较自由，不必考虑是否发生冲突。由于8031复位后从0000H单元开始执行程序，故程序存储器地址应从0000H就开始。在这里只用EPROM，地址为0000H-1FFFH，扩展RAM与I/O口及外围设备实行统一编址。（2）EPROM、RAM与8031存储器与单片机的连接主要是三总线的连接，应考虑单片机的总线驱动能力是否够，若不够应当加以驱动，如总线驱动器74LS244，74LS245等，根据单片机8031的驱动特性，在本次设计中，不必加以驱动，下面给出EPROM，RAM与8031的具体连接。a. 地址总线将与EPROM的一一对应连接。与RAM的一一对应连接，其余地址经译码产生片选信号。b. 数据总线分别与存储器一一对应连接。c. 地址总线将与EPROM的一一对应连接。与RAM的一一对应连接，其余地址经译码产生片选信号。d. 数据总线分别与存储器一一对应连接。4.4接口电路及辅助电路具体设计本系统接口电路包括键盘、数码显示器及步进电机接口电路，辅助电路包括复位电路及报警显示电路。8031单片机的口可以作为I/O接口，为管理上述接口电路，还需要扩展接口电路，现在用8031的管理步进电机，用扩展接口管理键盘和显示电路。（1）接口电路具体设计8155的内部RAM和I/O的选择由引脚IO/控制，当IO/=0时，CPU访问RAM，的低位编制为：；IO/时，访问口，其低位编址见教材的真值表，的工作方式选择通过对内部命令，寄存器通过设定控制命令来实现。具有两种基本操作，即用中的字节及扩展口使用，作时与系统无区别；作口使用时，可通过工作方式以满足不同需要。有一个状态寄存器，锁存口和定时器的当前状态，使查询用。状态寄存器和命令寄存器共用一个地址，只能读入，不能写入。读地址时，做状态寄存器，读出时是当前口和定时器的状态，而写时则作为命令寄存器写入命令。（）辅助电路的具体设计的时钟电路如图时钟电路图。单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式是利用芯片内部振荡电路，在，引脚上外接定时元件。采用外部时钟方式，可把直接接地，接外部时钟源。图4-1 时钟电路图复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟电路工作后，只要在引脚上出现以上的高电平，单片机便实现状态复位，以后单片机便从单元开始执行程序。单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。图所示为电自动复位与按钮复位的组合，在上电瞬间电路充电，引脚出现正脉冲，只要电路充电，端保持以上的高电平，就能使单片机有效的复位。图4-2 复位电路图光电隔离电路步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高（几十伏），电流也较大（几安到几十安），如果将口输出的信号直接与功率放大器相联，将会引起强电干扰，轻则影响计算机程序的正常运行，重则导致计算机接口电路的损坏。所以一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光电耦合器。如图所示。图4-3 光电隔离电路光电耦合器由发光二极管和光敏三极管组成，当输入信号加到输入端时，发光二极管导通激发出红外光，光敏三极管受光照射后，由于光敏效应产生光电流，通过输出端输出，从而实现了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。功率放大器脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，必须将其输出的信号放大产生足够大的功率才能驱动步进电机正常运转。设计时根据选用的步进电机的容量选择功率放大器。键盘显示接口电路显示器工作原理数控系统中使用的显示器主要有和，也有采用接口显示方式。这里主要介绍显示器，它是由八个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一个点或列线（行线）发亮，控制不同的二极管导通就能显示出各种字符，通常用的是七段显示器，结构如图，与发光二极管的阳极连在一起的成为共阳极显示器，与阴极连在一起的称为共阴极显示器。图4-4 七段L