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摩擦材料压缩性能试验台设计
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环锥形刀的几何建模和磨床设计摘要本文提出一套数学模型的设计、制造和加工，考虑了螺旋线长边缘的剖轮廓曲线和相对位置的环锥旋转刀具形状。该研究不仅可用于数控加工的刀具砂轮,而且涉及到的偏差,尖端的曲线,所得到的剩余的材料存在的相邻长度与缺乏对刀的过程。通过数值模拟的过程,开发了一种补偿技术,从而降低了重复使用材料并重建了这个失去的过程。为验证理论模型的准确性进行了试验性的验证加工手段，测试使用沃尔特数控磨床。实验结果表明,两者吻合较好,从而确认那些未知理论的准确性、可靠性,而建立的模型。这项研究可作为研究者一种有价值的借鉴研究数控加工的刀具与特殊的形式。关键字 逆包络，数学模型，数控加工刀具1 介绍在刀具等行业，模型是重要的重复度高的工具, 并直接影响许多制造装备性能和质量其精度、效率和质量机械制造装备。 是在汽车和通用机械工程领域的一次技术进步,导致了数控加工中越来越多地应用各种制造装备。例如,现在通常会将数控加工技术应用于制造模具、螺旋桨和燃气轮机叶片,所有这些组成复杂的表面。通常情况下,数控加工的表面包括使用不同形式的旋转工具。因此,高精度、高性能的工具的需求不断增加。现有文献的回顾表明,众多专家研究已经开展到旋转刀具的所有类型。例如,罗丹提出了一个图形分析方法应用内部道具判断的实验数据对设计和制造工具的解决方案。然而,由于大量的外部辅助线,这种方法很难采取在一个实际生产应用。耶夫开发了一种计算机辅助成型方法、线性内部线阿基米德螺旋面并考虑到的解析几何的典型的表面。研究人员已经将几何建模工具与多种旋转表面配置结合,并考虑尖端的曲线及断面设计和建模的表面。以建模的尖端曲线,许多研究者已经讨论了恒定的螺旋角,或先后开发了圆形方法曲线的设计工具，包括外部表面。一些有线形理论模型的轮廓圆锥形研究或工具,并设计相应的尖端的曲线。一个计划模型已经介绍产生光滑的连结的机械切削刃铣刀。几位研究人员所定义的螺旋角等于求解一个尖端的工具，并以一个复杂的形状形成和优化设计中的曲线。目前文献设计模型的横切面和正截面铣刀。与此同时,参考槽面方程推导出一个锥形铣刀的情况,并分析了其变化规律和前刀面截面角度的不同的部分。在所有的装备制造过程中截面加工过程是最复杂的。因此,许多研究人员专注于此特定方面的工具的设计和生产。例如,文献提出建模过程和形成条件上的前角。其他研究人员已经集中精力在发展模式上，这样可以为预测时产生的切削力等使用机械刀具。各方面的机械加工性能如刀具磨损、表面粗糙度、尺寸精度、稳定性敏感。通过以上讨论,可以肯定的是,相当大的经力是直接以分析和建模设计实现的。然而,很少有研究提出了一个详细的工具设计和集成的数控加工制造它。虽然参考文献等构建了一个两个数控机床加工模型,相关只讨论了设计的特殊铣刀、尖端的曲线和文献只考虑了设计过程为一个以不变的螺旋角的尖端的曲线的影响。导出的螺旋槽的一种模型的环锥型机械刀具,但并没有讨论这个问题相关的实际磨削过程。与此同时，考虑造型设计和制造的螺旋槽圆柱的工具,但是遇到的问题和相应的研磨加工后。调查过程的步骤,以一个刀具的制造,开始就以加工,紧随其后的斜度的形成的沟槽表面的不同特点。然而,在多级加工过程的基础上,提出了理论研究是如此复杂,是无法在实际生产应用环境。值得留意的是,环锥形切割机是更稳定且具有较少的移动距离，远胜于结束在加工过程中铣刀与一个角度倾斜。所以,重点在于要开发一个详细的了解设计和制造的这种形式的刀具。本研究旨在纠正已发表的文献中缺乏一套综合的方法来设计和数控制造的环锥型形铣刀、通过开发一个系统性的方法设计制造的螺旋曲线和尖端的曲线形状的环锥型旋转刀具。此外,本文也提出许多的问题与环锥型刀具相关的形状刀具,包括那些用它的图案,相互联系中遇到的生产或加工,过去的制造补偿那些参与了理论模拟的设计和生产。精度和可靠性通过理论模型已被证实了的试验的加工过程中,它肯定了在优秀理论上和实践中应用的果。2 尖端1的数学模型曲线图1给出了一个轮廓和几何参数,环锥形状的分切机。刀具的基本要素有:相对应线顶部的平面切割机、弧形AB前表面线,锥表面。在刀具加工螺旋长线,表面的加工要加工螺旋切削应力表面,即缩短了的表面和环形线圈。 本文从改良工具与四个螺旋线考虑。理想的螺旋外切削螺旋角使常数对母线。刀具表面的圆环面可以表达为:r1 = (R +r cos ) cos , (R +r cos ) sin , r (1+ sin ) , (1)where , , 表达了一种角参数的关系 0,2.最初,Eq。1是用来计算的基本形式的表面以获得理想的数学模型曲线斜尖端,从而形成纵向角恒定toroid排队,即表面。r1 = r sin cos , r sin sin , r cos . (2)r1 = (R +r cos ) sin , (R +r cos ) cos , 0 . (3) 它假定了切线矢量在每一个点的曲线,给出了螺旋尖端dr1, 向量的母线是r1 在相交点的地方 在母线等于零. 因此:图1 .几何参数利用内积方程,可以得到以下:成为:替代的初始 = 0 = /2 在Eq. 8 替代的初始状态 = 0 = /2 在 Eq. 8在图1所示的锥表面,可以用以下的表格。当z (0,h)15变成了:尖端的连续性方程式为当 = ，z 1 = 0 为了描述 尖端的表面可以定义 Eqs.： 10 and 16, i.e.,因此角参数为 , 可以表示为：3 进刀速度进刀速度的数控机床上的环锥型刀具在模具刀具可源自上述的数学模型。工件是假定关于z轴的旋转机器框架,用恒角速度,即:与此同时,磨床上的轴向速度一起移动。轴向速度相对的toroid表面应该共同形式:得同样,轴向速度相对的锥表面应符合:可得:在环之间的连接带之间的部分和锥表面,很明显 = and z 1 = 0. 它遵循因此,连续性的切削边缘进行了证明。4 剖轮廓设计凹槽如图2，截面剖面的提出切削刃是由5个片段描述如下: 形成了区段1B1耙面对径向前角, 圆弧B C和半径 r 应用于枝晶片用C D圆弧半径r应该是光滑的基础上,确定所需的芯片流动和强度的牙齿, 段D1E 1所形成的二次土地,提高强度的角度出发,用二次救济牙 E , 土地段E F形式与救援角 .为了保证刀具的强度，心轴不应该的受压迫。心轴的半径r。此外,考虑到影响在解决变异长笛剖面的几何结构的砂轮、截面轮廓的设计cor-responding长笛与最大作战半径圆锥部分被评为几何模型逆问题求解这。我们指的是半径r的外层凉亭的截面轮廓几何模型,描述了螺旋长笛的如下:很明显,区段1B1可以被描述成得到方程的B C、P点坐标中心应确定第一。很明显,P1是一个交点路线之间A2 B2并行段1B1与距离r和圆的半径r + r为中心O型。因此,从联立方程式B1C1方程可被表达为:和B是圆切线点B C和区段B坐标的求解B1可以确定下列方程:因此,配合的E应该以便D1E 1可表现为 (cos , R sin ), 和这样D1E 1可表现为圆切线段C D和D E D点是公法线来圆B C在摄氏度。因此,Q,中心,是一个圆圈C D线交点之间的平行于D E段的距离D E与r和圆半径集中在P与脑瘫r + r。我们所得到的方程通过解 的解决方案,协调的问(x,y)能得到C D是圆的形式很明显,C是切线点B C和圆圈圈C D。D指向圆切线段D C D和E。因此,配合C(x,y)可以通过求解联立的Eq。31和Eq。36。D1(xD1坐标的yD1)能被发现,通过求解这个方程的Eq。34个和Eq。36个同时进行。1483断面型材的长笛在第一区域内达到极小值,可以形成的因此， i 1,i 对各部分的 ri (), i 1,i ，因而 Eq. 37 可以重写下面给出的形式,通过一个单位阶跃函数,即长春工业大学毕业设计论文目录目录1 绪论 .11.1 相关产品概要.11.2 发展现状 .22 设计说明书 .32.1 设计内容及要求.32.2 设计主要技术指标和相关参数.32.3 设计进度安排.33 总体方案设计 .43.1 机械系统的组成.43.2 机械系统设计一般程序.43.3 总体方案的确定 .54 机械系统设计 .64.1 参数设计.64.1.1 液压缸传动设计计.64.1.2 立柱拉伸校核.64.2 器件参数的选择 .74.2.1 液压缸.74.2.2 油泵.84.2.3 电动机.84.2.4 电动机轴的校核.84.2.5 联轴器的选择.95 控制系统部分 .105.1 控制系统的基本组成.105.2 电器元件的选用.105. 2. 1 单片机选用 8031.105. 2. 2 存储器的扩展.115.2.3 接口技术.175.2.4 D/A 与 A/D 转换器 .185.3 传感器的选择 .225.4 电器系统的参数计算 .2255 电器系统方案设计 .235.6 部分程序设计 .236 液压系统图 .27结 论 .28致 谢 .29参考文献 .30长春工业大学毕业设计论文11 1 绪论绪论1.1 相关产品概要相关产品概要摩擦材料广泛用于各种交通运输工具和各种机器设备的制动器、离合器及摩擦传动装量中的制动材料。在制动装量中，利用摩擦材料的摩擦性能，将转动的动能转化为热能及其他形式的能量，从而使传动装量制动。现代汽车摩擦材料是一类以摩擦为主要功能，兼有结构性能要求的复合材料。在工作时主要承受反复变化的机械应力场和热应力场，而力与热的发生源是无限形式新工作面的摩擦界面。汽车用摩擦材料主要是制动摩擦片和离合器片。它们既是保安件，又是易损件。这两种产品在汽车中用量不是很大，但在汽车厢材中占有特殊重要的地位，且非石棉低噪声摩擦材料的研究开发是一门涉及多学科的高新技术，在 20 世纪 70 年代中期以前：汽车制动系统多分为四轮毂式，制动摩擦片几乎都用石棉基摩擦材料，只有那些超重型车辆采用金层基摩擦材料。由于石棉基摩擦材料的热衰退性大、并且又是强致癌物质，20 世纪 70 年代中期至 80年代后期，汽车制动器结构开始向前盘后榖与非石棉摩擦材料过度。自 20 世纪80 年代中期以后：是盘式制动器与新型无石棉摩擦材料大力发展和工业化生产应用时期。基于现代社会对环保与安全的要求越来越高，世界汽车工业发达国家迅速开展了非石棉摩擦材料的研究开发，相继推出了非石棉的半金属型摩擦材料、烧结金属型摩擦材料、代用纤维增强或聚合物粘接摩擦材料、复合材料，陶瓷纤维摩擦材料等，它们的共同特点是：1）均没有石棉成分，都是采用代用纤维后聚合物作为增强材料;2）增加了金属成分，以提高其使用湿度及寿命；3）加入了多种添加剂或填料，以改善摩擦平稳性和抗粘着性、降低制动噪声和震颤现象。随着汽车的功率、速度及载荷日趋提高，运行工况日益苛刻。力保证制动系统及摩擦传动的可靠性，对非石棉摩擦材料的综合性能提出了更高的要求：1.具有足够高而稳定的摩擦系数，其静摩擦系数和动摩擦系数之差要小，而且摩擦系数基本上不随外界条件而变化；2.据有良好的导热性、较大的热容量和一定的高温力学强度；3.具有良好的耐磨性和抗粘着性，且不易擦伤对偶见表面，噪声；振动要小；4.原材料来源充足，制造工艺比较简单，造价较低。本实验台可以测试现有刹车片的优劣，以判断出刹车片是否合格，同时也可以综合分析不同材料的刹车片的性能，以提高更好的摩擦材料信息，用于今后刹车片材料的选取。长春工业大学毕业设计论文21.2 发展现状发展现状作为汽车零部件的一种关键性安全部件，长期以来，我国国内厂商因为研发能力弱只能生产具有致癌污染和严重性能缺陷的石棉刹车片。随着汽车速度的提高，载重量的不断加大，环保意识的日益增强，汽车行业对刹车片的综合性能提出了更高要求。而我国环保型高性能刹车片基本依赖进口。随着我国汽车市场的崛起，解决汽车刹车片的环保问题，占领这一市场，提升国内摩擦材料行业的整体技术水平显得更为紧迫，我国加入 WTO 后，摩擦材料行业同其他行业一样，机遇中蕴含着挑战，挑战中存在着机遇，因此，众多的企业不得不直面生存危机这样一个残酷现实。随着汽车零部件关税的降低，国外高质量，价格低的摩擦材料产品纷纷抢滩中国市场，我们在资金，技术，研究等方面还不能和国外大企业抗衡，主要表现为专业化程度不高，产品质量不稳定，工艺水平落后，生产装备简陋，企业规模小，抗风险能力差，产品价格也比国际同类产品高。这些都是摩擦材料行业带来巨大冲击。我国是世界上非金属矿资料丰富，品种较齐全的国家，生产摩擦材料所需的石墨，硅灰石，云母粉，海泡石等许多原料储量大，质量好。汽车工业用的新型高性能摩擦材料又是非金属矿传统的主导产品，这也将为我们的一大优势。近年来，国内外制动摩擦材料行业的生产，技术和市场情况发生了重要变化；（1）.无石棉、无污染化（2）.高速化：随着技术的发展与高速公路、铁路的普及，车辆的行驶速度越来越快，相应对制动摩擦材料的要求也越来越苛刻。因此适应车辆高速化和重载化的高温摩擦材料的研究与应用，是汽车发展亟待解决的关键问题。（3）.轻量化：由于石油资源的短缺，汽车轻量化被提到了议事日程。因此，汽车工业相应将许多汽车从较重的后轮汽车动性改变为更小更轻省油的前轮驱动。这就必须带来制动器尺寸和制动力分配上的重大变化，出现更小且轻的制动器。目前我国摩擦材料品种世界第一，综合性能欠佳，高性能摩擦材料亟待开发，产品质量稳定性还不理想。长春工业大学毕业设计论文32 2 设计说明书设计说明书2.1 设计内容及要求设计内容及要求1. 了解设计装置的用途，构成，搜集相应的资料，了解国内外的情况。2. 设计总体方案。3. 绘制四张 0 号图纸。4. 撰写 15000 字左右的设计说明书。5. 翻译相关专业 3000 字英文。2.2 设计主要技术指标和相关参数设计主要技术指标和相关参数检测量：温度、压力、厚度控制量：温度、压力要求：压力不小于 120 千牛，温度不小于 900 摄氏度实现方式：利用单片机实现控制与测量输入量： 温度传感器，压力传感器，厚度传感器，键盘，开关控制输出量： 显示器2.3 设计进度安排设计进度安排 第八学期： 3 月 17 日-3 月 24 日 查阅英文文献，完成 3000 字的翻译。3 月 25 日-4 月 8 日 查阅文献，设计总体方案4 月 11 日-4 月 20 日 机械参数的设计与计算4 月 21 日-4 月 29 日 机械部分与草图绘制5 月 2 日- 5 月 11 日 绘制机械图5 月 12 日-5 月 20 日 电路图部分方案设计元器件选择5 月 23 日-5 月 27 日 电器部分草图绘制5 月 30 日-6 月 10 日 绘制电路图6 月 11 日- 6 月 15 日 撰写毕业设计说明书，准备答辩长春工业大学毕业设计论文43 3 总体方案设计总体方案设计3.1 机械系统的组成机械系统的组成动力系统操纵控制系统传动系统框架支撑系统执行系统 图 3.1 机械系统的组成动力系统包括动力机及其配套装置是机械系统工作的动力源。本设计选用三相交流异步电动机作为动力机。执行系统包括机械的执行机构和执行构件，是利用机械能来改变作业对象的性质 状态、形状和位置或对作业对象进行检测度量等。传动系统是把动力机的运动传递给执行系统的中间装置。 框架支承系统包括基础件和支承机构，如底座、立柱、支架和箱体等。操纵控制系统是为了使动力系统、传动系统、执行系统彼此写体协调运行并准确 完成整机功能的装置。本设计釆用单片机控制与人工操作结合来实现其功能。3.2 机械系统设计一般程序机械系统设计一般程序机械设计的一般程序，可分为明确任务（或拟定计划）、方案设计、 技术设计和施工设计四个阶段。(1) 明确任务 机械系统设计首先必须明确任务和要求，对于开发性设计必须进 行需求分析、市场预测、可行性分析、确定设计参数及制约条件，最后给 出详细的设计任务书，作为设计、评价和决策的依据。(2) 方案设计 市场需求的满足或适应，是以产品的功能来体现的。产品功能 与产品设计是因果关系，担又不完全相同。体现同一功能的产品可以多种 多样。因此这一阶段就是在功能分析的基础上，通过创新构思、优化筛选， 取得较理想的功能原理方案。产品功能原理的好坏决长春工业大学毕业设计论文5定着产品性能和产品， 关系到产品水平和竞争能力，是这一设计阶段的关键。方案设计 包括产品功能分析、功能原理求解、方案的综合及评价决策， 最后得到一个优化的初步总体设计方案。（3） 技术设计 技术设计的任务是将功能原理方案得以具体化，使之成为机器 及其零部件的合理结构，在此阶段要完成产品的总体设计（包括总体布置图、传动系统图、液 HI 系统图、电器系统图等）、部件的结构设计，最后得到总装配草图。（4） 施工阶段 施工阶段包括有装配草图分拆零件图，绘制出全部生产图样；在又经审核后的零件工作图和部件图绘制出总装图；编制技术文件，如设计说明书，标准件、外购明细表，备件、专用工具明细表等；产品试制。3.3 总体方案的确定总体方案的确定压缩性能试验台控制系统设计包括对温度、压力的检测及控制，对刹车片厚度 变化的检测。本设计釆用单片机实现控制，总体方案如下：刹车片放入工作台后，用 加热管加热。利用 K 型热电偶温度传感器把温度信息传送给 CPU 控制系统，当温度达 到指定温度后（模拟实际刹车时的温度），CPU 发出指令停止加热。此时启动液压系 统，液压缸把力传送给压头，对刹车片施压。由于需要的压力可能过大，液压系统可 以釆用增压缸以提供足够的模拟压力。压力传感器安置在压头与液压缸之间，他把压力信号传送给 CPU 进行检测。当压力达到霈要值后，液压缸停止加压并退回。此时利 用厚度传感器检测出施压后刹车片的厚度变化。机械部分采用立式压机形式，动力由 三相交流异步电机提供，经液压系统传递给压头。长春工业大学毕业设计论文64 4 机械系统设计机械系统设计4.1 参数设计参数设计4.1.1 液压缸传动设计计已知参数：液压缸输出力 F=120KN，选定工作压力 P=16MPa（1） 根据载荷力与系统压力计算液压缸内径AL=35.7mm PFAL 为液压缸内径 mmF-液压缸输出力 KNP-选定工作压力 MPa（机电液设计手册 蔡春源 主编 机械工业出版社 1997.1 公式 32-62）代入数据求得 AL=35.7=96.1mm16120根据 GB/T2348-1993 给出的缸筒内径尺寸系列圆整，从安全方面考虑选取大一点的内径 125mm（2） 按强度条件计算活塞杆直径活塞杆仅承受轴向载荷MM35.7 mmF（机电液设计手册 蔡春源 主编 机械工业出版社 1997.1 公式 32-65）活塞杆为碳钢时=100120MPa,取=100MPa，则MM35.7 =39.3mm100120根据（GB/T2348-1993 ISO 3320-1987）选用 63mm 活塞杆外径（3）液压缸行程的确定，液压缸行程 s，主要依据执行机构的运动要求而定，根据GB/T2349-1980 与实际要求选用 400mm 行程。长春工业大学毕业设计论文74.1.2 立柱拉伸校核由图易判断螺纹截面强度最低螺纹截面的应力 =F/A=5.57MPa106-26.224.134.203000N图 3.2 立柱受力示意图45 钢=58MPa所以立柱满足强度要求。4.2 器件参数的选择器件参数的选择4.2.1 液压缸液压缸选用系列。系列双作用单杆活塞式液压缸是液压系统中作往复直线运动的执行机构。其具有机构简单、工作可靠 、拆装方便、易于维修、可带缓冲装置及连线方式多样等特点。它是广泛应用的一种 16MPa 的液压缸。 HSG * 01 D/d EHSG 压力等级 16MPA* 缸径01 设计序号D/d 缸盖连接方式E 双作用单杆活塞式液压缸长春工业大学毕业设计论文84.2.2 油泵采用 G5 型齿轮泵，它采用刚强度铝合金挤压壳体，承载能力高的 Du 轴承，浮动侧板结构。具有压力高、转速高、结构简单、重量轻、工作可靠及使用寿命长等特点。表 4.2 油泵参数表4.2.3 电动机 采用三相异步交流电动机4.2.4 电动机轴的校核已知电动机轴的材料选用 45 号钢。查阅教材机械设计表 15-3知 45 号钢的/MPa 在 15-45 之间，本次设计选用 25MPa。查表选用表 4.1 液压缸参数表液压缸型号缸径ram速比巾杆径mm行程mm推力KN拉力KNHSGKOl-125/dE1251.3263400196. 35146. 47型号理论排量 ml/r额定压力 MPa最高转速 r/min额定压力时最 低转速r/min工作油液及 黏度范围 mm2/sG5-25251628006007-750表 4. 3 电动机参数型号Pe, kwVe, VIe, ANe，r/min KIKTY100L2-4 3.03806. 8214307.01.8长春工业大学毕业设计论文9由教材机械设计公式（15-1）=WTnp9550000d2.03公式中 扭转切应力T轴所受的扭矩 NMWt轴的抗拒截面系数mm3n轴的转速 r/minP轴的转速功率 KWd计算截面处的直径 mm许用扭转切应力则 d 取 18mm4.2.5 联轴器的选择 1.电机半轴联轴器的选择 已知电动机型号为 Y100L2-4。查机械课程设计简明手册 知电动机功率 p=3KW，转速 n=1430r/min。 为了隔离振动与冲击故选用凸缘联轴器。载荷计算查阅教材机械设计第 11 版 P252 页由教材机械设计表 14-1，查得 Ka=2.3查阅机械课程设计简明手册表 7-22（根据 GB/T5843-2003）选用 GY2 型凸缘联轴器，其许用转矩为 63NM许用最大转速为 10000r/min，轴径为 16-25mm 之间。故满足要求。2. 油泵半轴联轴器的选择同上述计算方法选用 GY2 型凸缘联轴器长春工业大学毕业设计论文105 5 控制系统部分控制系统部分5.1 控制系统的基本组成控制系统的基本组成图 5.1 控制系统的基本组成5.2 电器元件的选用电器元件的选用 5. 2. 1 单片机选用 80318031 8031 各引脚功能：Vcc ： JE 常运行和编程校验时为+5V 电源PO 口（3932): 8 位漏极开路的双向并行 I/O 口。使用外部存储器时，他是个复用的低 8 位地址/数据总线。Pl 口（18): 8 位准双向并行 I/O 口。P2 口（2128): 8 位准双向并行 1/0 口。当访问外部存储器时，用于输出高 8位地 址。P3 口（1017):具有内部提升电路的 8 位准双向并行 I/O 口，他还提供第二功能如 下：P3.0 RXD串行数据接收端 P3. 1 TXD串行数据发送端 P3. 2 INTO外部中断0请求P3.3 INTl外部中断1请求P3. 4 TO定时/计数器 0 外部输入端P3. 5 Tt 定时/计数器 1 外部输入端 P3. 6 WR 一外部数据存储器写选通 P3.7RD 一外部数据存储器读选通 (在进行第二功能操作前，对相应的输出锁存器有程序置 1)长春工业大学毕业设计论文11RST (19)：复位输入端ALE(30)：访问外部存储器时，ALE 用于锁存低 8 位地址。在非访问外部存储器 时，ALE 以震荡频率的 1/6 固定速率输出，因而能做外部时钟或定时 用。在外部数据存取期间，则以 1/12 的振荡频率输出 ALE 脉冲。PSEN(29)：外部程序存储器的读选通信号。在对外部程序存储器读取指令时，PSEN 每个机器周期产生 2 次脉冲，以区别于读取外部数据存储器 Vpp/EA (31)：编程电压脉冲输入端/外部程序存储器地址允许输入端。当 EA为髙电平且 PC 值小于 OFFFH 时，CPU 执行外部程序存储器的程序。图 5.2 单片机 8031 管脚图长春工业大学毕业设计论文125.5. 2.2. 2 2 存储器的扩展MCS-51 系列单片机虽然是在一块半导体芯片上集成了微型计算机硬件系统的基 本组成部分，具有一定的硬件资源，对于一些简单的应用，这些资源基本够用，单片 机不需要扩展就能满足要求，但是在很多实际应用中，单片机内驻留的程序存储器、数据存储器的容量、I/O 接口、定时/计数器，及中断源的数量和种类都还有限，往往需根据实际应用的需要对单片机进行一定程度的扩展。尤其是 8031 型单片机，片内无驻留程序存储器，必须在片内扩展存储器才能用于实际应用系统。随机存储器（Random Access Memory)简称 RAM,在单片机系统中用于存放可 随时修改的数据，因此也常称之为数据存储器，对 RAM 既可以进行写操作，又可以进 行读操作。只读存储器（Read Only Memory)简称 Rom,在单片机系统中用于存放程序、 常数和表格常数等，因此在单片机领域中称之为程序存储器。只读存储器中的信息一旦写入后就不能随意更改，特别是不能在程序进行过程中随意写入新的内容，而只能读取存储单元内容。MCS-51 系列单片机虽然是在一块半导体芯片上集成了微型计算机硬件系统的基 本组成部分，具有一定的硬件资源，对于一些简单的应用，这些资源基本够用，单片 机不需要扩展就能满足要求，但是在很多实际应用中，单片机内驻留的程序存储器、数据存储器的容量、I/O 接口、定时/计数器，及中断源的数量和种类都还有限，往往需根据实际应用的需要对单片机进行一定程度的扩展。尤其是 8031 型单片机，片内无驻留程序存储器，必须在片内扩展存储器才能用于实际应用系统。随机存储器（Random Access Memory)简称 RAM,在单片机系统中用于存放可 随时修改的数据，因此也常称之为数据存储器，对 RAM 既可以进行写操作，又可以进 行读操作。只读存储器（Read Only Memory)简称 Rom,在单片机系统中用于存放程序、 常数和表格常数等，因此在单片机领域中称之为程序存储器。只读存储器中的信息一旦写入后就不能随意更改，特别是不能在程序进行过程中随意写入新的内容，而只能读取存储单元内容。长春工业大学毕业设计论文13图 5.4 单片机扩展系统结构MCS-51 单片机扩展系统结构示意图如上，其扩展包括 Ronu RAM 和 I/O 接口电路 等，并通过总线把扩展部件连接起来，进行数据、地址和信号传递。 (1)程序存储器扩展（用一片 2764EPR0M 扩展 8kB 程序存储器）2764 地址线有 13 根，其代表容量为 2 的 13 次方，即 8192 个单元。程序存储器的扩展分以下几个步骤：1) 低 8 位地址线的连接：PO. 0-P0. 7 经锁存器后与存储器芯片 2764 的A0-A7 相连接，即 P0. 0-P0. 7 先与锁存器 74LS373 的 D0-D7 相连接，其输出 Q0-Q7 再直接与 2764 的 A0-A7 相连接。长春工业大学毕业设计论文142) 高位地址线的连接：27M 共有 13 根地址线 A(HA12.，完成低 8 位地址线的连 接后，剩下的 A8-A12 的 5 位高位地址线，只要与 P2.0-P2.4 直接对应相连接。 3） 数据线的连接：2764 数据线 D0-D7 直接连到 P0.0-P0. 74） 控制线的连接：扩展程序存储器要处理的控制线是 EA、ALE、PSEN。对 8031 单片机，IA耍接地，ALE 接锁存器 74LS373 的使能端 G，PSENl 接 2764的允许输出端 OE05）2764 片选端 CE 的连接：直接接地；直接将剩下的任意一位高位地址线与 CE 连接；将 P2. 7 经反相器再与 CE 连接；将剩下的高位地址线 P2.7、P2。6、P2. 5 经 74LS138 译码，必须选用YO 与 CE 连接。本设计电路选用扩展系统电路图如上图 5.4(2)数据存储器扩展（用一片 6264 芯片扩展 8kB 的外部数据存储器)数据存储器的扩展与程序存储器的扩展大体相同。（1）地址线和数据线的连接扩展数据存储器的控制线的连接方法与扩展程序存储器的方法相同。（2）控制线的连接扩展数据存储器的控制线的连接方法与扩展程序存储器的 接方法有所不同，访问数据存储器的控制信号有 ALE、RD、WR,具体如下：1)ALE 控制信号也是与地址锁存器的使能端 G 直接连接；2)RD 为读操作控制信号，扩展时直接连接外部 RAM 芯片的 RD 端；表 5.1 6264 操作 方式管脚工作方式CElCE2OEWEI/00-I/07未选中1XXX高阻未选中X1XX高阻输出禁止0111高阻读0101数据输出写0110数据输入写0100数据输入长春工业大学毕业设计论文153)WR 为写操作信号，扩展时直接连接外部 RAM 芯片的 WE 端。 （3）存储器综合扩展（釆用 2764 和 6264对8031 扩展 8KB 的程序存储器和 8KB的数 据存储器） 在该电路中，PO 口提供 8 位地址经 74LS373 锁存器与两片芯片的 A0-A7 相连接， P2 口的低 5 位 P2.0-P2.4 直接与芯片的 A8-A12 相连接，PO 口提供 8 位数据线 P0. 0-P0. 7 直接与芯片的 DO-D7 相连接，PSEN 连接 2764 的 oe 端，RD和 WR 分别连接 6264 的 OE 端和 WE 端，这就完成了三总线的连接。图中选用译码法片选存储器芯片, P2. 5、P2. 6、P2. 7 从 74LS138 A、B、C 三端输入，Y0、Yl 分别 2764 和 6264。 (4)译码器在扩展存储器时，根据应用系统的需求，可能需要一片或多篇存储器芯片。存储 器芯片的地址线是与其容量相对应的，在地址连接时，通常 P2 口高 8 位地址线会多 出几位，这些剩余的高位地址线通常用来作为存储器芯片的片选信号线。产生片选信 号有两种方法：线选法和译码法。线选法是将剩余的高位地址线中的一位地址线直接 加到存储器的片选端，它有连接简单的优点，但有存在地址重叠区和占据地址资源的缺点。译码法是将余下的高位地址线部分进行译码产生片选信号，这种方法可以消除 地址空间重叠现象。本设计选用74LS138译码器。74LS138译码器是一种3-8译码器，即对三个输入信 号进行译码，得到 8 个输出状态。图 5.5 138 译码器管脚图由图可知该译码器有 3 个输入 A、B、C,它们共有 8 种状态的组合，既可译出8 个输出信号 Y。Y7,故该译码器称为 3 线-8 线译码器。该译码器还设置了 G1, G2A, G2B个使能输入端。长春工业大学毕业设计论文16表 5.2 74LS138 集成译码器的功能表(5)可编程并行接口芯片 8255 8255 是一个为 8085 和 8088 微型机系统设计的通用输入/输出接口芯片。它可用程序 来改变功能，通用性强，使用灵活，通过它可直接将 CPU 总线接向外设。 1. 8255 的外部引线与内部结构8255A 的内部电路由三部分组成(如图所示)：1)与 CPU 的总线接口电路；2）内部逻辑控制电路；3)外设接口电路2. 8255A 的基本特性和工作方式选择输入输出G1GjbCBAY0Y1Y2Y3Y,Y5Y6Y7X1XXXX11111111XX1XXX111111110XXXXX1111111100000011111111000011011111110001011011111100011111011111001001111011110010111111011100110111111011001111111110长春工业大学毕业设计论文171）它是一个具有两个 8 位（A 和 B 口）和两个 4 位（C 口高/低四位）的并行输入/ 输出端口，并为 CPU 与外设之间提供 TTL 兼容电平，它的 C 口还具有按位置位/复位 的控制功能。2）对应 CPU 之间能适用多种数据传送方式，如简单传送方式，应答方式，中断方式。 与此对应，8255A 设置了三种工作方式：方式 O基本输入输出方式； 方式 1选通输入输出方式； 方式 2双向输入输出方式。3）具有可执行功能很强的两条命令（方式字和控制字）为用户提供灵活方便的使用4）C 口使用比较特殊，除作一般数据口外，在方式和方式 2 中，它的部分信号线 被分配作专用的联络应答信号；C 口也可以单独指定按位控制；也可以作 825M 寄存 状态字的状态口用。5.2.3 接口技术接口技术是指两个系统或两个部件之间的连续与逻辑边界。对两个系统或两个 部件之间的接口进行硬件与软件的综合设计为接口技术。接口的功能：a)提供所连接部件的地址译码和设备选择，使主机与当时指定的外设交换信息。b)提供被连接两部件之间的数据缓冲和锁存。c)传递控制命令和状态信息，使主机与外设按一定方式交换数据d)信息交换。在计算机系统中，对数据信息是采用并行方式处理，而外设的数据信息由串行的、模拟的、不同规格电平的，因此要求接口应具有倌号传递 方式转换、信号类型转换及信号电平转换的能力。接口的基本组成：主机与外设交换的信息有数据、状态信息、控制信号三种。接口必须把外设 的各种信息变换成主机能接收的定长二进制数（或反之），所以接口中必须有数 据寄存器。接口中应有状态寄存器以存放外设当前的工作状态，如外设提供的数 长春工业大学毕业设计论文18据是否准备好或外设是否需要主机提供新的数据等。接口中的控制命令寄存器存 放主机送给外设的起停、读、写等各种控制命令信号。接口有三大部分组成1)各种寄存器的集合(2)各种控制逻辑电路(3)主机与接口，接口与外设两个方面的信号连接线。系统总线分为地址总线、数据总线和控制总线。地址总线用于传送地址信号，以选取存储单元和 I/O 端口。地址总线是单向的，只能由单片机向外送出地址信号。数 据总线用于在单片机与存储器、I/O 端口之间相互传递数据。数据总线可以进行双向 数据传递。控制总线是一组控制信号线，其中有从单片机发出的单向线，也有其他部 件回送给的单向线。接口按输入输出信号分(1)数字接口：输入输出的均为数字信号(2)模拟接口：接口由线性电路和数字电路组成，针对需要模拟量输入输出的 外设，如模数转换器 A/D,和数模转换器 D/A5.2.4 D/A 与 A/D 转换器本设计过程中，测控对象参数为温度、压力、厚度，均为非电量。运用传感器将非电量变换成连续变化的电信号，再将模拟电信号离散化，使其转换成计算机能接受 的数字量，这一过程要用 A/D 转换器。经过计算机处理过的数字量再经过 D/A 转换成 模拟信号，由此控制电磁阀和加热管。本设计所用的 A/D 转换器为 ADC0809。 ADC0809 主要特性：1 ） 8 路 8 位 A / D 转换器，即分辨率 8 位。2）具有转换起停控制端。3）转换时间为 IOOus4）单个+5V 电源供电5）模拟输入电压范围 0+5V，不需零点和满刻度校准。6）工作温度范围为-40+85 摄氏度7)低功耗，约 15mW。内部结构ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 A/丨）转换器，内部结构如下图所示，它由 8 路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8 位开关树型 D / A 转换器、逐次逼近寄 存器、三态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，ADC0809 可处理8 路模拟量输入， 且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。长春工业大学毕业设计论文19输入输出与 TTL 兼容。 压力传感器、温度传感器和厚度传感器把被测对象转换为电压信号后经 ADC0809 转换 为单片机可读的数字信号.外部特性（引脚功能）ADC0809 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，如图 13. 23 所示。下面说明各引脚功能。LNOIN7: 8路模拟量输入端。位数字量输出端。21-28-ADDA、ADDB、ADDC： 3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一路。ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： A / D 转换启动信号，输入，高电平有效。EOC: A / D 转换结束信号，输出，当 A / D 转换结束时，此端输出一个高电平(转换期间一直为低电平）。0E：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 A/D 转换结束，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。长春工业大学毕业设计论文20CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ。REF (+)、REF C-)：基准电压。Vcc：电源，单一+5V。GND ：地。ADC0809 的工作过程是：首先输入 3 位地址，并使 ALE=I,将地址存入地址锁存 器中。此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。START 上升沿将逐次逼近寄存 器复位。下降沿启动 A/D 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。直到 A/D 转换完成，EOC 变为高电平，指示 A/D 转换结朿，结果数据已存入锁存器，这 个信号可用作中断申请。当 OE 输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量 输出到数据总线上。D/A 转换部分选用的是 DAC0832。DAC0832 是 CMOS 工艺制造的 8 位单片 D/A转换 器，属于 R-2RT 型电阻网络的 8 位 D/A 转换器，建立时间 150ms,为电流输出型，并 且片内带输入数字锁存器。DAC0832 与 8031 接成的是单缓冲方式，由于 DAC0832 是 电流输出，而本设计用的是模拟电压，在这种情况下，要将输出的电流转换成电压， 转换电路接成同相电压输出形式。DAC0832 的特征：DAC0832 是双列直插式 8 位 D/A 转换器。能完成数字量输入到模拟量（电流)输出 的转换。图 5-14 和图 5-15 分别为 DAC0832 的引脚图和内部结构图。其主要参数如下： 分辨率为 8 位，转换时间为 lus，满量程误差为1LSB,参考电压为(+10-10) V， 供电电源为(十5+15)V，逻辑电平输入与 TTL 兼容。从图 1-1 中可见，在 DAC0832 中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的允许锁存信号为 ILE，第二级 锁存器称为 DAC 寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号/XFER。图中，当 ILE 为高电平，片选信号/CS 和写信号/WRl 为低 电平时，输入寄存器控制信号为 1,这种情况下，输入寄存器的输 出随输入而变化。此后，当/WRl 由低电平变高时，控制信号成为低 电平，此吋，数据被锁存到输入寄 存器中，这样输入寄存器的输出端 不再随外部数据 DB 的变化而变化。长春工业大学毕业设计论文21对第二级锁存来说，传送控制信号/XFER 和写信号/WR2 同时为低电平时，二级 锁存控制信号为高电平，8 位的 DAC 寄存器的输出随输入而变化，此后，当/WR2由 低电平变高时，控制信号变为低电平，于是将输入寄存器的信息锁存到 DAC寄存器中。 图 1-1 中其余各引脚的功能定义如下：（1）DI7 DI0。： 8 位的数据输入端，DI7为最高位。（2）Icn ：模拟电流输出端 1，当 DAC 寄存器中数据全为 1 时，输出电流最大，当 DAC 寄存器中数据全为 O 吋，输出电流为 O。（3）Iom ：模拟电流输出端 2， Iout1 与 Iout2 的和为一个常数，即 Iout1+ Iout2= 常数。（4）Rfb:反馈电阻引出端，DAC0832 内部己经有反馈电阻，所以 Rra端可以直接接 到外部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出 端和输入端之间。（5）Vhh-：参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决定O 至 255 的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度，Vref范围为(+10-10)V。Vrh- 端与 D/A 内部 T 形电阻网络相连。（6）Vcc ：芯片供电电压，范围为 15)V。（7）AGND ：模拟量地，即模拟电路接地端。（8）DGND ：数字量地。K 型热电偶的测温电路，电路中釆用 K 型热电偶专用集成电路 ad595,片内包括仪器放大器热电偶冷端温度补偿电路和热电偶断线检测电路，LEDl 指示热电偶是否断线，为避免 LEDl 的电流使集成芯片发热发生温度误差，所以要接 缓冲电路，其中 VT 为晶体管。AD538 及运放 A1A4 等组成线性化电路，进行线性补偿。为减小非线性误差，分量程进行线性补偿。该电路总测量温度范围CT1200 摄氏度在每个测量范围内，大约都有 IOmv/C 的灵敏度，其输出电压和温度具有良好的线性关系。长春工业大学毕业设计论文22图 5.16 K 型热电偶测温电路测温电路进行线性校正与不进行线性校正结果有很大差别。如图,在没有进行线性校正前，整个测量结果有近1%的非线性误差，而有了线性校JE 电路后，只有 0.1%0.2%的非线性误差。5.3 传感器的选择传感器的选择压力传感器 CBLGM-I 型压力传感器 测量范围：IOkg-IOt 电压：15v 温度传感器 k 型热电偶厚度传感器 cts-30 型袖珍数字超声测厚仪测量范围：0. Imm- 200. Omm 5.4 电器系统的参数计算电器系统的参数计算 厚度放大器信号放大电路放大倍数计算 分析如下图：釆用叠加原理整理得 U0=2(1+2R/R1)(Ui2-Ui1)长春工业大学毕业设计论文2355 电器系统方案设计电器系统方案设计本电器方案设计分测试系统与控制系统两部分。测试系统即由压力传感器、温度 传感器和厚度传感器把各测量信号分别转化为电信号后，经 A/D 转换孪为数字信号, 再由 8031 识别。控制系统即由 8031 接受数据后作出反应，其发出的指令经 D/A 转换 器变为电信号，用电信号控制电热管的加热和电磁阀的换向。其中测量的数据均可由显示器显示。5.6 部分程序设计内容：键盘处理程序包括：长春工业大学毕业设计论文241）判断键盘中有无键按下。由 8255PA 口输出 00H，再将 PC 口的状态读入， 若 PC0-PC2 全为 1,说明无键按下；若不全为 1 则表示有键按下。2）消除抖动。当发现有键按下时，延时一段时间后再判断键盘的状态，若仍 键保持按下状态，则判断定有键按下；否则认为是抖动。3）求键号。从 PA口依次输出下列扫描信号PA7 PA6PA5PA4PA3PA2PAl第一次1 111111第二次1 111110第三次1 111101第四次1 111011第五次1 110111第六次1 101111第七次1 011111第八次0 111111长春工业大学毕业设计论文25每次输出扫描信号后，检查 PC 口的状态，若某一位为 0，说明闭合的键在该 行，即可判断闭合的键的行和列。.例如：当由 PA 口输出 11111011,从PC 口 读入的状态为 1101 说明闭合键位于一行二列。4)等待闭合键的释放。为了避免一次闭合多次求其键码，等待闭合键释放后 再将键号送入 A。根据以上功能，键盘处理程序框图如图所示： 键盘程序如下：其中 KSl 为判断有无键闭合子程序，TIM 为延时 6nus 子程序。KEY1： ACALL KS1 ;判断有无键的闭合JZN LK1 ;（a）=/0，转去抖动ACALL TIM ;延时 6msLK1： AJMP KEY1 ;无键闭合返回ACALL TIM ; 延时 6msACALL KS1 ;判断有无键的闭合JZN LK2 ;（a）不等于 0，有键闭合，转求闭合，转求键码ACALL TIM ;延时 6msAJMP KEY1 ;无键闭合返回LK2：MOV R2,#0FEH ;R2第一次扫描输出信号MOV R4,#00H ;R4列号LK3：MOV DPRT,#7F01H ;DPRTA 口MOV A,R2 MOVX DPTR,A ;输出扫描信号INC DPRT INC DPRT ;指向 C 口MOVX A,DPRT ;读 C 口状态JB ACC0，L1 ;pc0=1，转移MOV A,#00H ;A0 行 0 列键号，准备求键号AJMP LK L1： JB ACC.1，L2 ;PC1=1，转移 MOV A,#08H ;A1 行 0 列键号AJMP LK L2: JB ACC.2,L3; ; PC2=1,转移 MOV A,#10H ；A-2 行 0 列键号 AJMP LK 长春工业大学毕业设计论文26LK: ADD AR1 ；形成键码PUSH ACC ；暂存键码LK4: ACALL TIMACALL KSLJNZ LK4 ；等待键码释放POP ACC ；键号送回 ANS: RETNEXT: INC R4 ；列号为 1 MOV A,R2 JNB ACC.7,NS ；8 列扫描完毕，返回主程序 RL A ；形成下次扫描输出信号 MOV R2,A AJMP LK3KS1: MOV DPR
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