经济型数控钻床控制系统硬件电路设计——毕业设计

南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）题目经济型数控钻床控制系统硬件电路设计专业自动化（数控技术应用）班级学生姓名指导教师起迄日期设计地点_GRADUATIONDESIGNTHESISHARDWAREDESIGNOFECONOMICNCDRILLINGMACHINEBYHUANGLIGANGSUPERVISEDBYASSOCIATEPROFHUAMAOFADEPARTMENTOFAUTOMATIONENGINEERINGNANJINGINSTITUTEOFTECHNOLOGYJUNE,2007海量机械毕业设计，请联系Q99872184I摘要本文介绍了经济型数控钻床控制系统硬件电路的设计方法。该控制系统以8031为主CPU，用它来控制整个数控钻床的工作,另外选用89C2051作从CPU，实现对八位LED动态显示电路的控制。主CPU8031扩展了外部程序存储器27256和数据存储器6264，外部程序存储器用于存放系统程序；数据存储器用于存放加工程序和数控系统处理的中间数据。本设计用8155来实现键盘接口电路的扩展。数控钻床的MDI方式包括手动、自动、空运行、回零、编辑等，它的扩展本设计选用了8255芯片的PA口。步进电机控制信号由8031发出，通过总线驱动，由74LS273D触发器向外发送。利用8155和8255的剩余口进行输入输出接口电路的扩展。各芯片间信息的相互传递，通过数据总线和控制总线来实现。加之以相应的软件，此系统就构成了完整的数控钻床控制系统。它不仅可以作为经济型数控钻床的控制系统，还可用作对普通钻床的数控改造。在国内的中小企业将有一定的应用市场。关键词数控钻床；控制系统；电路设计；南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）IIABSTRACTINTHISPAPER,THEDESIGNOFECONOMYNUMERICALCONTROLSYSTEMFORDRILLINGMACHINEISINTRODUCEDA8031USEDASTHEHOSTCPU,THECONTROLSYSTEMCONTROLSTHEENTIRENUMERICALDRILLINGMACHINEANOTHERMCU,89C2051,ISUSEDASTHESLAVECPUTOACHIEVETHECONTROLOFLEDANEXTERNALROM27256ANDARAM6264WASUSEDTOSTORESYSTEMPROGRAMANDTHEMACHININGDATASEPARATELYANDTHEKEYBOARDFUNCTIONWASREALIZEDWITHAN8155THEMDIFUNCTIONOFTHENCDRILLINGMACHINEINCLUDINGMANUALANDAUTOMATICOPERATION,RETURNINGTOZERO,EDITINGANDSOON,WHICHWEREREALIZEDWITHTHEPAPORTOFA8255CHIPTHECONTROLSIGNAL,WITHWHICHTHESTEPMOTORISDRIVEN,WASGENERATEDWITHAMCU,8031,ANDTRANSMITTEDWITHADLATCH74LS273OTHERPORTSOF8155AND8255WEREUSEDFORTHEI/OSIGNALOFTHENCSYSTEMTHEINFORMATIONEXCHANGEOFDIFFERENTCHIPSWASREALIZEDWITHTHEDATABUSANDTHECONTROLBUSWITHADEQUATESOFTWARE,THISSYSTEMCANBEINTEGRATEDTONCSYSTEMOFADRILLINGMACHINEORUSEDINTHERECONSTRUCTIONOFUNIVERSALDRILLINGMACHINESOITWILLFINDITSWIDELYUSAGEINTHEMARKETSOFMIDDLEORSMALLENTERPRISEKEYWORDSNUMERICALCONTROLDRILLINGMACHINESCONTROLSYSTEMDESIGNOFCIRCUIT南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）III目录第一章绪论111引言112选题背景与意义113研究现状214本文的结构3第二章数控钻床控制系统电路设计421设计总体思路及结构522数控钻床控制系统主CPU的选择523控制系统复位电路的设计624存储器扩展电路设计725键盘扩展电路设计1126显示电路设计14261八段数码管动态显示电路14262十六段数码管静态显示电路2127输入/输出信号接口电路设计2228步进电机控制信号输出接口电路设计2529译码电路设计25第三章控制系统电路原理图以及PCB图的绘制2731电路原理的图绘制2732PCB图的绘制28第四章结论3041论文总结3042感想30致谢32参考文献33附录A英文资料34附录B英文资料翻译41附录C硬件设计PCB图48附录D硬件设计原理图及光盘南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）IV南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）41第一章绪论11引言随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，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，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。目前我国机床总拥有量约为400万台，其中数控机床只有8万多台，远远低于美国、日本、德国、韩国等制造业发达国家机床数控化率20以上的水平。主要表现在设备老化陈旧、自动化水平低、技术水平落后、劳动生产率低，严重影响了生产力的发展。采用先进的工艺设备，逐步增加数控机床所占比重，已经成为我国制造技术发展的总趋势，也是企业走出困境、提升水平，实现跨越式发展的必由之路。提高机床数控化率有两个途径（1）购买新的数控机床；（2）把普通型的旧机床改造成数控机床。目前我国的普通钻床仍占很大比重，所以才会出现上述的大量求购意向，而且还有的小型企业不愿废弃原有的普通钻床，想要在已有的普通钻床基础上进行数控改造，这都需要开发适合普通机床改造的经济型数控系统。12选题背景与意义由于我国现处于社会主义初级阶段，经济水平相对而言比较落后，普通钻床占据着国内绝大多数的市场，而普通钻床有着很大的弊端，如精度方面达不到要求，工作效率比较低。所以经济型数控钻床以及对普通钻床进行经济型数控钻床改造，在国内还是有着十分广阔的前景。本设计选用了8031单片机作为核心，开发通用型数控钻床的控制系统。它具有以下几点优势南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）421）开发成本低。8031单片机芯片的价格（10元左右）相对现在比较前沿的EDA板（200元左右）而言有着绝对的优势。2）电路设计简单。3）通用性好。相对于传统的由纯硬件组成的普通钻床控制电路而言，它的控制信号是由芯片发出的，所以它的控制系统的通用性很强。它不但能用做经济型数控钻床的控制系统，而且可以用来对普通钻床进行数控改造。所以此课题有一定的研究价值，能取得一定的经济效益及社会意义。13研究现状随着科技发展的日新月异，新一代的CPU及控制算法不断推陈出新，目前，数控技术正在发生根本性变革，较传统相比，各方面都有很大的提高。1高速高精高效化速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。2柔性化包含两方面数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。3工艺复合性和多轴化以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）43前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。4智能化新一代PCNC数控系统智能化新一代PCNC数控系统将计算机智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。14本文结构本文以数控钻床硬件电路的研发工程项目为应用背景，对数控技术进行了研究。全文共分为四章，各章的主要内容如下第一章扼要地介绍了国内外数控技术的现状发展趋势与研究背景；第二章分模块地介绍了整个数控钻床控制系统的硬件电路及相关芯片的结构与用法。第三章对怎样用绘制软件PROTEL99SE完成本毕业设计的原理图及PCB图作了简单的介绍；第四章对数控钻床控制系统硬件电路设计工作进行了总结，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）44第二章数控钻床控制系统电路设计21设计的总体思路及结构本设计是以8031单片机为核心，开发通用型数控钻床的控制系统。从CPU选用了89C2051，用来对动态显示电路进行控制。之所以选择8031单片机作为主CPU是因为它价格便宜，性能稳定，被广泛地用于工程设计中。选用89C2051对动态显示进行控制，不但节省了很多硬件，节约了成本，而且使8031主CPU不必花很多时间用在对显示电路的控制上，从而使得此系统运行更快，更稳定。总体设计一共分为七个模块来实现整个控制系统的各功能。它们分别是（1）控制系统复位电路模块包括上电复位和手动复位，当系统上电时复位引脚获得高电平，使系统复位。急停键和复位键按下时都可以使系统复位，急停时还可使CPU进入中断程序保存有用的数据。（2）存储器扩展电路模块选用2725632KB程序存储器对8031进行程序存储器扩展，用74LS373对8031的低八位地址进行锁存，与高七位地址组合得到十五位地址，即可对27256的地址进行选择。选用62648KB数据存储器，进行数据存储器扩展，用138对它进行片选。（3）键盘扩展电路模块它分为两部分，分别是8031P1口手动键盘扩展和8155矩阵键盘扩展。P1口用于手动键盘的输入端，分别控制，X轴、Y轴、Z轴以及起动、停止、超程报警，用8155的PA口和PC口扩展了40个按钮的矩阵键盘。（4）显示电路模块分为动态显示电路和静态显示电路。四排动态显示由89C2051来控制，它用来显示数字字符。十六位静态显示是由8031主CPU控制的，它用来显示英文字符。（5）输入输出接口电路扩展模块它分为8255扩展电路和8155I/O信号接口电路。8255的PA口作为MDI（自动运行、空运行、回零、编辑、手动）方式的输入端，PB口和PC口用于CPU与外部信号的收发。8155的PB口用于CPU与外部信号的联络。（6）步进电机控制信号输出模块8031的脉冲信号通过74LS245总线驱动器驱动，由74LS273向外发送步进电机脉冲。（7）74LS138译码电路8031通过74LS138译码得到各芯片的片选地址，加上相应的读写信号，从而控制整个数控钻床控制系统。图21为整体系统模块构成框图。16段LED静态显示电路6264南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）45图21模块构成框图22控制系统主CPU选择作为主CPU的8031是本设计的核心芯片。MCS51系列中，各种廉价的普及型8031单片机为我国单片机技术的普及、推广做出了巨大贡献。8031具有价格低、功能强、使用灵活、开发方便等特点，输入输出口也够用，所以能用于数控钻床控制系统的设计；而本人在大学课程中的单片机和微机原理两门专业课，都对此芯片作了详细的介绍。因此我选用8031单片机作为此系统的核心CPU。18031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14S3）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；8）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；动态显示8031主CPU272568155矩阵键盘I/O信号的收发74LS2458255至步进电机驱动MDI方式转换开关74LS373收发信号电路2051手动键盘南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）4610）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。28031引脚功能8031一共有40个引脚，见图22,其中VCC40脚接5V电压，VSS接地。XTAL119脚和XTAL218脚接外部晶振的信号（我选择的晶振频率为12MHZ），即把外部振荡器的信号直接连到内部时钟发生器输入端。ALE30脚允许地址锁存引脚，用于锁存地址的低字节。它可用作对外输出时钟，或用于定时。PSEN29脚外部程序存储器读选通信号引脚。在从外部程序存储器取指令期间，每个机器周期PSEN两次有效。在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次信号将不出现。此引脚可驱动八个TTL门电路。EA31脚对于8031而言此引脚必须接地，这样才能选择外部程序存储器27256。P1口（1脚8脚）是八位准双向I/O口。由于这种接口输出没有高阻，输出也不能锁存，故不是真正的双向I/O口。P1口能驱动四个TTL负载。在此模块中P1口用来进行手动控制主轴进给。由于此钻床系统为三轴控制（Z，Y，Z），加上启动与暂停口（超程与暂停共用一个端口），P1口的8个输入端都被充分利用。P2口（21脚28脚）是八位准双向I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为高8位地址总线，送出高八位地址。P2口可以驱动四个TTL负载。P3口（10脚17脚）是八位准双向I/O口。P3能驱动四个TTL负载。它作为第一功能使用时，即作为普通I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。作为第二功能使用时，各引脚的定义如表21所示。表21P3口第二功能表引脚第二功能P30RXD串行口输入端串行P31TXD串行口输出端P32INTO外部中断0请求输入端，低电平有效P33INT1外部中断1请求输入端，低电平有效P34T0定时器/计数器0计数脉冲输入端P35T1定时器/计数器1计数脉冲输入端P36WR外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效P37RD外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）4723控制系统复位电路设计当振荡器运行时，在RST9脚引脚上出现两个机器周期的高电平，使单片机复位。复位电路可分为系统上电复位和手动复位，如图22所示，系统上电瞬间电容C1和C4充电，与非门的两个输入端为低电平，输出高电平使系统复位。按下“复位”按钮与“急停”按钮都可使系统复位。当按下复位按纽时，与非门“2”号引脚经电阻分压所得低电平，使单片机复位。当急停键没按下时，此端管脚处于高电平，即与非门的一个管脚“1”为高电平，此时若连接与非门的另一个管脚的复位按钮没按下，则“2”号引脚也为高电平，两个高电平与非所得低电平，8031不复位。若按下急停键，与之连接的二极管导通，“1”号引脚为低电平，此时无论复位按钮有没有按下，与非门的输出端为高电平，使8031复位，同时INTO的输入端口为低电平，向CPU申请中断。2图22控制系统复位电路图24存储器扩展电路设计图23为存储器扩展电路模块，该模块除了8031外，还用到74LS373、74LS138、27256、6264四个主要芯片。由于本系统是采用8031作为主CPU，所以必须外接一个ROM。而南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）4827256EPROM是具有紫外线可擦除，可编程功能的只读存储器,当它置于紫外线灯下照20MS以后，内部内容变为全“1”，通过编程器将程序代码写入后消息不会丢失，可靠性很高。所以本模块选择它作为程序存储器扩展芯片。其引脚意义如下AOA14地址输入线。因为27256一共有15根地址线，所以A15号地址线没有选用，设取值为“0”。27256地址范围见下表22。表22程序存储器地址表D0D7为三态数据总线（有时用O0O7表示）。读或编程检验时为数据输出线，编程时为数据输入线。维持或编程禁止时为高阻抗。OE为读选通信号输入线，低电平有效，它与8031的PSEN外部存储器读选通信号相连。8031从27256取指令期间，每个机器周期PSEN两次有效，即OE引脚两次出现低电平。在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次信号将不出现。编程电源输入线VPP（此模块中VPP接5V，电压通过电容与片选信号CE隔离）。片选信号CE，低电平有效，此时CE接地，选中27256。由于27256的地址线为15位，而主CPU8031的ADOAD7是分时复用的，所以必须有一个地址锁存器，锁存低八位地址。由于我在大学课本中只接触到74LS373一种地址锁存器，所以选择它来进行地址锁存。其管脚中D0D7为数据输入端，Q0Q7为数据输出端，OE为输出控制端，当OE为低电平时，允许D0D7输出到Q0Q7上，当OE为高电平时，输出线为浮空状态，此模块中OE接地，使74LS373一直有效。LE为数据输入控制线，当LE为高电平时，输出端Q0Q7和输入端D0D7的状态相同，当LE为低电平时下降沿，输入端D0D0的数据锁入到Q0Q7的8位锁存器中。在此钻床控制系统中，主控程序都被固化在27256EPROM中，主CPU通过运地址线A15A14A13A12A11A1A0地址00000000000H00000010001H00000100002H01111107FFEH01111117FFFH南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）49行其中程序来对整个钻床系统进行控制。而数控钻床在运行过程中将其正在执行的程序和各种计算的结果存储到RAM中，8031内部128B的RAM显然是不够的。所以必须外扩一个RAM。图23存储器扩展电路图本设计选择采用半导体静态随机存储器RAM作为数据存储器扩展。之所以选择SRAM，是因为考虑到它与DRAM相比抗干扰能力强，无需刷新逻辑电路就可以保持数据信息的不丢失。在SRAM系列中，容量为8KB的6264作为本设计的外扩RAM较为合适，其中A0A12地址输入线。D0D7双向三态数据线，有时用00O7表示。CS1片选通信号输入线，低电平有效，此信号与138的Y5相连，经译码得出6264的地址范围。地址范围见表23。OE读选通信号输入线，低电平有效，它与8031的RD相连。WE读选通信号输入线，低电平有效，它与8031的WR连接。VCC工作电源5V。GND线路接地。图中6264的CS，为第二片选信号，高电平有效。CS1,CE0选中6264。在此模块中因为CS所需的高电平为33V,而系统所能提供的为5V，所以必须接表23数据存储器地址表地址线A15A14A13A12A1A0地址南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）50101000A0OOH101001A001H101110BFFEH101111BFFFH一分压电路，见下图24。两个电阻R1和R2的阻值分别为51K和10K，经计算CS端口分压所得电压约为33V。又因为6264是随机存储器，所以如果不外接电源，系统一但掉电，其中的数据将会丢失，为了保存其中有用的数据，本模块还设计了掉电保护电路。如图25所示，当系统没有掉电时，上面的二极管导通，由于干电池的电压小于5V，所以下面的二极管截止，6264由系统供电。当系统掉电时，下面的二极管导通，6264由干电池供电。CS2图24分压电路图25掉电保护电路25键盘扩展电路设计数控钻床的控制系统需要一个人机对话装置，这种人机对话装置通常采用键盘和显示器。显示器是单片机应用系统人机对话中常用的输出装置，键盘是单片机应用系统中人机对话常用的输入装置。键盘的结构有两类，一类是独立式键盘，另一类是矩阵式键盘。本系统中我用8155扩展了一个四十个按钮的矩阵式键盘见图26,用8031的P1口扩展了一个八按钮的独立式键盘（见图南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）5128）。下面对键盘的设计进行详细的介绍。18155键盘扩展电路8155键盘扩展电路可分为四部分矩阵式键盘，8155芯片，上拉电阻，74LS466。如图26所示，矩阵式键盘的按键触点接于由行、列母线构成的矩阵电路的交叉处，每当一个键按下时，通过该键将相应的行、列母线连通。8155的PA口作为输出口，输出键盘的扫描信号，C口作为输入口，用来接收键盘读入的信号。根据按下键的不同，产生的键值也不同，一个键对应于一个键值，事实上每个键的输出与输入的组合是唯一的，只要按下一个键，那么就可以得到一个键的编码值，这个值由软件控制，不同的键，编码值是不同的。矩阵式键盘的优点是它能最大化地利用可编程I/O设备的端口。很好地满足多键值键盘设计的需要。在本模块中，键盘电路用到了8155的8个PA口和5个PB口，扩展了40个键值的矩阵式键盘。图268155键盘扩展电路模块（1）8155地址的分配双向地址数/据线AD0AD7，分时传送但单片机和8155之间的地址、数据、命令、状态信息。在地址锁存信号ALE下降沿将AD0AD7上的低8位地址、RAM/IO口选择信息锁存。因此，MCS51单片机的P0口输出的低8位地址不需要再外接锁存器。IO/M0时单片机选择8155中的RAM读/写，AD0AD7上地址为RAM单元地址；IO/M1，单片机选择8155寄存器或端口，地址分配见下表25。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）52表258155地址分配表由于CE片选信号在此模块中连接74LS138的Y4（图221），IO/M端接A12，所以根据表25，可得此8155端口的具体地址表见表26。表268155口具体地址分配表命令状态寄存器9000HA口地址9001H此处删减NNNNNNNNNNNNNNNN字需要整套设计请联系Q99872184。以被改变，但只有满足建立条件的信息才能进入。时钟控制发生在时钟输入由低电平到高电平的跃变上。为了减小传输线效应，所有输入端均采用二极管钳位。图21274LS164引脚图在本模块中，A口B口同时从89C2051的P30口引入，这就保证了，在时钟信号上升沿时被移入的数据Q0为P30口的数据。第二个74LS164的A、B端CEIO/MA7A6A5A4A2A1A0所选端口01000命令/状态寄存器01001A口01010B口01011C口01100计数器低八位01101计数器高八位00RAM单元A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0所选端口1001000000000000命令/状态寄存器1001000000000001A口1001000000000010B口1001000000000011C口1001000000000100计数器低八位1001000000000101计数器高八位1000000000000000RAM单元南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）53接第一个74LS164的Q7，第三个，第四个74LS164与此类似，四个时钟信号连接在一起，这样做的目的是，被引入的数据可以逐位地从上一个74LS164移位到下一个74LS164，89C2051可以一次送一列数据进行显示。74LS164的功能表见表27表2774LS164功能表474LS138译码器74LS138地址译码器，在本设计中一共用到两个。此时是利用它来实现对六列LED共阴极数码管公共端分时选中，进行动态显示，图213为74LS138引脚图。图21374LS138引脚表283线8线译码器74LS138的功能本模块中74LS138的六个输出端Y0Y5通过74LS465分别与LED的位选端连接,所以当输出端出现一个低电平时,一列LED同时被选中。“4”、“5”号引脚共同接地，“6”号引脚接5V高电平，使它的使能端有效。5LED八段数码管输入输出清零时钟ABQ0Q1Q7LLLLHLQ00Q10Q70HHHHQ0NQ6NHLLQ0NQ6NHLLQ0NQ6N南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）54LED八段数码管是本设计中使用最多的器件，因为我设计的钻床系统是三坐标进给的，共需三排LED进行数据显示，加上一排程序显示（字母用一个十六位LED数码管进行显示）所以总共需要四排LED数码管。而钻床工作台的行程一般不会超过一米，即显示的最大字符为“99999”MM,加上第一位符号位，所以每排六个LED数码管已能满足要求。所以一共用图214LED八段数码管管脚图到了24个八段LED数码管。图214为LED八段数码管的管脚图，在本模块中把“3”和“8”管脚相连接，与74LS465的输出端相连，每个位选端连接一与5V电压相连的上拉电阻，且与74LS164的反向输出端相连。当74LS138译码出一个低电平时，连接此引脚的列数码管被选中。674LS273D触发器（带清零）图215为74LS273管脚图，本模块中，它的输入端接经总线驱动后的数据信号，输出端接89C2051的输入端，“1”号清零引脚接高电平，不让它处于清零状态。时钟信号输入端，见图216，与一个或门的输出端连接，或门的输入端为74LS138译码器的Y1脚和写允许信号。74LS273功能表见表29。表2974LS273功能表图21574LS273管脚输入输出清零时钟DQLH上升沿HH上升沿LHLLHLQ（锁存）南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）55图21674LS273地址选择图由上表29和图216可知，当A0A15为0010,0100,0000,0000B即2400H时（没有用到的地址线都为0），且写信号由低向高跳变时，“11”号引脚出现上升沿，触发数据由D端送入Q端。时序如图217所示。地址数据写信号图217时序波形图由图216可以看出，74LS273的时钟信号接89C2051的中断请求信号口P32。如图217所示，当地址信号与写信号同时为低电平时（此时时钟信号处于上升沿之前）中断请求信号有效，89C2051进入中断程序，为接收数据作好准备。当时钟信号上升沿到来时，数据由74LS273引入，89C2051正确接收数据，并存贮。262十六段数码管静态显示电路相对动态显示电路而言，静态显示电路较简单。如图218所示，此模块中的16位静态显示主要用于本数控系统的英文字符显示。8031主CPU对此静态显示模块进行显示控制。图218中273（UX8）和273（UX12）的时钟信号分别接74LS138（U5）的Y0、Y7见图221。经计算UX8和UX12的地址分别为0000H和E000H。具体算法见下表210。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）56表21074LS273地址算法表因为8031为八位机,所以要让16位数码管正确显示，数据必须送两次。如图218所示，十六位数码管的引脚接至两个74LS273D触发器的输出端。当第一次送数据时74LS138选中一个74LS273，数码管的一半引脚被选中，而此时74LS273的时钟信号保持低电平，数码管持续发光。第二次送数据时，74LS138选中另一个74LS273，剩下的一半数码管被选中，且此74LS273持续低电平，数码管持续发光，所以此时十六位数码管正确显示英文字符。图21816段数码管静态显示电路27输入输出信号接口电路设计地址元件A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A12A1A0UX80000000000000000UX121110000000000000南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）57输入输出信号接口电路在本系统中一共分为两部分一部分为8255扩展电路；另一部分为8155的PB口扩展电路。下面首先介绍8255扩展电路模块。18255扩展电路图219为8255扩展电路模块，该模块主要分为三部分8255芯片，上拉电阻，波段开关。可编程并行I/O扩展口8255，是本控制系统的一个重要芯片。它承担着本数控系统与外设消息的交换。MDI自动运行、空运行、回零、编辑、手动方式也是通过它和主CPU通讯的。8255是通用可编程并行输入/输出接口芯片，通用性强且使用灵活、常用来实现MCS51系列单片机的并行I/O口扩展。它是一个40引脚的双列直插式集成电路芯片。8255的PA口有一个8位数据输出锁存器/缓冲器，一个8位数据输入锁存器，在本模块中A口是三个口中最为关键的一个端口，如图219所示，它外接一个波段开关，当开关拨在中间空挡位置时，PA各引脚通过上拉电阻引入高电平，当拨在其中任意非空挡时，与此挡相连的PA引脚为低电平，选中此引脚；PB口有一个8位输出锁存/缓冲器，一个8位的数据输入缓冲器；PC口有一个8位的输出锁存/缓冲器，一个8位输入缓冲器，在此模块中PB口和PC口用于与外部控制信号（如PLC信号）相通信，其中PC口用于发送输出信号，PB口用于接收输入信号。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）58图2198255扩展电路8255分为A组和B组控制电路这是两组根据CPU命令控制8255工作方式的控制电路，A组控制PA口和PC4PC7，B组控制PB口和PC0PC3。其中双向三态数据缓冲器是8255和CPU数据总线的接口。CPU和8255之间的命令，数据总线的传送部分是通过双向三态门总线缓冲器传送的，D0D7接CPU的数据总线。（1）8255口地址选择读写和控制逻辑A0，A1，CS为8255的口选择信号和片选信号，RD，WR为8255的读写控制信号，这些信号分别与CPU的地址线和读写信号线相连接，实现CPU对8255的口选择和数据传送。这些控制信号的组合可以实现CPU对8255的PA口，PB口，PC口和控制口的寻址。地址选择见表211。表2118255的口地址选择在本设计中A口、B口、C口和控制口的地址分别为6000H，6001H，6002H，6003H（没有用到的地址线为0）。具体算法见表212表2128255端口地址表A1A0寄存器00输出寄存器A（A口）01输出寄存器B（B口）10输出寄存器C（C口）11控制寄存器（控制口）南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）59RESET复位信号，高电平有效，清除控制寄存器，8255处于基本操作状态，置PA，PB，PC三个端口均为输入方式。（2）8255的控制字和工作方式8255有三种可通过系统软件来选择的基本方式方式0基本的输入输出方式；方式1选通输入输出方式；方式2双向传送方式（仅用于PA口）。本模块中A口为基本输入方式，B口为基本输出方式，C口为基本输入方式。工作方式的选择由方式控制字决定。8255的工作方式由CPU写入一个控制字到8255的控制寄存器来选择，方式控制字格式如下控制字的低3位（D0D2）用以控制B组控制字的（D3D6）4位控制A组。由于PA口有3种工作方式，故由D6、D5两位来控制D0控制C口（低4位）作为输入还是输出。D01，C口低4位为输入；D00，C口低4位为输出。D1控制B口作为输入还是输出。D11,B口为输入；D10，B口为输出。D2控制B组的工作方式。D21，B组工作在方式1；D20，B组工作在方式0。D3控制C口高四位为输入还是输出。D31，C口高四位为输入；D30，C口高4位为输出。D4控制A口为输入输出。D41，A口为输入；D40，A口为输出。D6、D500A口工作在方式001A口工作在方式11XA口工作在方式2寄存器A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0输出寄存器A（A口）0110000000000000输出寄存器B（B口）0110000000000001输出寄存器C（C口）0110000000000010控制寄存器（控制口）0110000000000011南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）60D7方式/置位D71表示方式选择有效。在此模块中A、B、C三口都工作于方式0状态，C口不充当联络信号。28155输入输出信号接口电路在图26中，8155剩余的PB口用于输入/输出信号端口，当没有信号通过PB口时，PB口由于连接上拉电阻，八个端口都处于高电平状态，当它用做输入端口时，若输入高电平，上拉电阻上没有电流，此时PB口为高电平，若输入低电平，上拉电阻上形成电流，PB口为低电平。同理当它作为输出端口使用时，亦是如此。经计算它的地址为9003H，CPU可以通过读写它的地址来对外围设备进行操作。28步进电机控制信号输出接口电路设计此模块一共用到两个芯片，分别是74LS245和74LS273。图220为步进电机控制信号输出接口电路模块图。74LS245是一种三态门8总线收发器/驱动器，无锁存功能。当DIR等于1时，8位数据从A端传送到B端。当DIR等于0时，数据传送方向相反。此时的DIR接高电平，为了免受信号干扰，中间接了一个01U的电容。当使能信号G0时，允许传送G1时，禁止传输，输出为高阻态。此处的使能信号一直有效。由总图可以看出，74LS138的Y2端和一个WR端经一个或门输出，输出端接74LS273的时钟信号。当A15A0地址线分别为0100，0000，0000，0000B时74LS138的Y2输出低电平，即它的地址为4000H。29译码电路设计图221给出了74LS138的输出端各端口的连接图。8031通过片选信号写信号和读信号对各芯片进行读写操作。图220步进电机控制信号输出模块南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）61图220步进电机控制信号输出接口电路模块图图22174LS138端口连接图第三章控制系统电路原理图以及PCB图的绘制31电路原理图的绘制在对整个数控钻床硬件电路设计有了大概的方案以后，就需要绘制分模块控制系统的电器原理图。然后不断改进各模块的设计方案，再把各模块通过译码电路和数据信号与CPU相连，形成整体的数控钻床硬件电路。绘制原理图，以及生成PCB图用的是PROTEL99SE。PROTEL99SE是PROTELTECHNOLOGY公司于1999年4月推出的EDA软件。PROTEL99SE是一个全面、集成、全32位的电路设计系统。它提供了包括输入原理图设计、建立可编程逻辑器件、直接进行电路混和信号的仿真、进行PCB设计和布线并保持电气连接和布线规则、检查信号完整性、生成一整套加工文件等电路设计过程中需要用到的方法和工具。1原理图设计环境设置在进行原理图设计之前，通常需要对设计环境进行设置。如对原理图环境参数进行设置，可以使用户在设计过程中能按照自己的习惯操作，从而提高工作效率。（1）设置图纸大小规程在总电路方面，考虑到所用器件较多我选择的是南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）62A1号图纸，具体操作为选择“DESIGNOPTION”命令，打开“DOCUMENTOPTION”对话框，对图幅的设置将在此对话框中进行。单击“SHEETOPTION”选项卡中的“STANDARDSTYLE”栏，选择“STANDARD”下拉列表框中的“A1”选项，就可将图幅确定为A1。而在模块电路设计中我用的是“B”号图纸（2）设置图纸栅格论文的篆写是在WORD文档中进行的，而此期间将会涉及从PROTEL中截取图片的问题。如果截取的图片有栅格将会影响美观。所以必须对栅格进行设置。它的设置是在“DOCUMENTOPTION”对话框的“GRIDES”栏在进行的,此向内容包括两个选项分别为“SNAPON”和“VISIBLE”。选中“SNAPON”复选框后，可使光标以设定值。选中“VISIBLE”复位框后，可使图纸界面上显示可见的栅格，不选中时图纸栅格不可见，可用作在WORD中截图。2元器件的载入原器件的载入与编程是原理图设计过程中的一个重要环节。在原理图编辑器中进行原理设计时，必须依靠元件库SCHLIB。实际上原理图中的元件都是从元件库中调入的。因此在载入元件之前，首先要知道元件所在的库，然后将需要的元件库装入当前的元件库管理器中。在利用PROTEL绘制数控钻床硬件电路时添加和删除元件库是十分必要的。在总电路中有的元件在本库中是没有的，例如十引脚八位LED数码管，所以必须自己建库，然后添加到库浏览区。具体操作如下单击元件库管理器中库浏览区的ADD/REMOVE按钮，打开“CHANGELIBRARYFILELIST”对话框。在“查找范围”下拉列表框中选择为PRTEL99SE安装路径下的“DESIGNEXPLORER99SELIBRARYSCH”目录。在列表框中选择所需元件库文件所在的数据库“数码管DDB”,单击“CHANGELIBRARYFILELIST”对话框中的ADD按钮，将选定的元件库载入。此时在“SELECTED”列表框中即出现AMDANALOGDDB的消息。单击“OK”按钮，关闭“CHANGELIBRARYFILELIST”对话框，完成元件库的载入。3利用元件库管理器放置元件并编辑属性当所需要的库都加载到库浏览区后就可开始真正的画图了。第一步是将元件放置到工作平面上。方法为首先在元件过滤器“FILTER”文本框中输入所要画的器件名，并按ENTER键，然后在元件浏览列表框中选择元件。单击PLACE按钮，光标变为十字形。将光标移到工作平面上，再单击鼠标左键，一个所需元件被放置到工作平面上，再次单击鼠标左键，又一个所需元件被放置到工作平面上。单击鼠标右键，即完成所需元件的放置操作。第二步是编辑元件属性。元件属性是指元件的封装、标号、管脚号定义等。元件属性不明确将给用户阅读原理图时带来不便。更重要的是，会给网络表的产生带来障碍，南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）63并因此影响到印制电路版的绘制。为此，用户必须对元件的属性进行编辑。将光标移到所需型号标注上，然后双击该标注，打开“PARTTYPE”对话框。在“TYPE”文本框中输入数值大小，然后单击OK键完成编辑。4制作I/O端口由于本设计课题涉及多个模块，而每个模块中又有多个电路相连接。所以必须对I/O端口连接十分熟悉。通常一个电路与另一个电路连接在一起，有三种方法1）通过导线连接。2）通过设置相同的网络标号连接。3）通过制作相同名称的输入/输出（I/O）端口连接。在PROTEL99SE中，具有相同的I/O端口的电路被视为同一网络，即在电气关系上认为它们是连接在一起的。而我认为第二种方法比较适用于数控钻床的原理图绘制。因为使用此方法原理图看起来更加简洁。32PCB图的绘制当原理图准确无误时可以生成网络表，然后导入网络表就可生成PCB图。简单的说，PCB是一个载体，是用于焊接实际电子元件、具有电气特性的板子。由于单层板不易布线，特别是在本设计电路中，如果用单层板来布线，它的弊端将更加明显。所以我选择用双层板来布线。在生成网络表时发现有几个元件没有封装形式，比如在原理图自己建库的LED数码管，所以必须通过手动的方式创建一个封装文件，以便在PCB编辑器中调用。其基本步骤如下1）在14DDB设计数据库中，选择“FILENEW”命令，打开“NEWDOCUMENT”对话框。在其中双击“PCBLIBRARYDOCUMENT”文件类型图标，便新建一个PCB封装文件。在双击该库文件即打开PCB库编辑器。2）单击库编辑器左侧管理面板上的RENAME按钮，在打开的对话框中为新建的元件封装输入一个封装名，如输入“数码管”3）单击OK按钮，则当前编辑元件封装名为“数码管”。4）在工作平面上单击“TOPOVERLAY”工作层标签，使其成为当前工作层。然后单击“PCBLIBPLACEMENTTOOLS”工具栏上的按钮开始画直线。5）在需要转折的地方按SHIFTSPACE键，将连线的方向变为任意方向。6）在转角处单击鼠标左键确认一段直线的绘制完成后，继续绘制其他直线。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）647）单击放置焊盘按钮执行放置焊盘操作，此时十字光标上带有一个焊盘。按TAB键打开焊盘属性对话框可对焊盘进行设置。8）选择“EDITSAVE”命令，将制作好的元件封装保存到元件封装库中。封装形式制作好以后就可以生成PCB了。第四章论文总结41论文总结1、主要工作及结论在这三个多月的毕业设计中，我完成了数控钻床硬件电路控制系统的设计。整个设计过程可分为五个阶段，他们分别是（1）可行性分析（2）总体方案的确定（3）分模块地设计各功能电路（4）总电路图的绘制（5）印制电路板的生成。各阶段具体工作如下在设计课题选择之前，我对经济型数控钻床控制系统设计的可行性及市场价值作了充分的市场调查，其中包括去大型的国营企业“南京浦镇车辆厂”参观、调研。发现该厂的绝大多数钻床都是普通钻床，而普钻的弊端也日益显露，如工人的劳动强度相对较高，效率较低，精度达不到要求等。这就为普通钻床的数控改造提供了一个很好的前提。经过各方面考虑，我选择了用8031单片机为核心芯片，开发数控钻床控制系统，从CPU我选择了89C2051。存储器扩展芯片我选择27256ROM和6264RAM，键盘扩展我选用了8155和8031的P1口，步进电机控制信号输出我选择74LS273。南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）65七个模块可实现的功能分别为（1）主CPU模块以8031作为主CPU，P1口用于手动键盘的输入端，分别控制，X轴、Y轴、Z轴以及起动、停止、超程报警。急停和复位分别接与非门的两个输入端，输出端接8031的R