CNC二维工作平台设计要点

机电一体化系统设计

课程设计说明书设计题目：CNC二维工作平台设计专 业:机械电子工程班 级: 学 号: 姓名： 指导教师： 二0一三年十二月CNL维工作平面设计

摘要在本次设计中，我采用常规分离式主传动设计，机床主传动采用液压操纵机构，可实现十八级转速。机床主轴箱内的传动齿轮均经淬硬磨齿处理，传动比稳定，运转噪音低。机床主轴为二支撑结构，前支撑采用c级高精度轴承，润滑油润滑，提高了回转精度，使机床主轴具有良好的精度和刚性。机床采用单片式电磁刹车离合器，解决主轴的刹车及离合问题，离合器安装于主轴箱带轮处，使床头箱内结构大为简化，便于维修。机床两轴进给系统采用步进电机驱动滚珠丝杠的典型传动方式， 在滑板与床鞍及床鞍与床身之间的滑动面处贴有TSF导轨板，滑动磨擦系数非常小，有助于提高了机床的快速响应性能及生产效率。机床采用立式四工位刀架，该刀架布刀方便，刚性好。进给方面，采用开环数控系统，即步进电机数控进给方式。采用步进电机开环数控系统已基本能满足进给精度的要求。主传动由于采用了分离传动发案，可较好的隔离电机及变速箱的震动，解决了热变形对主轴的影响，提高机床的加工精度。再者，数控系统采用单片机技术，可靠性高，成本低，经济性好。在总体性能上可以达到经济精密数控机床之列，达到较好的性价比。该机床可以加工各种轴类、盘类零件，可以车削各种螺纹、圆弧、圆锥及回转体的内外曲面。作为通用型机床，特别适合汽车工业、摩托车行业、电子工业、航天、军工等行业，对旋转体类零件进行高效、大批量、高精度加工时采用。机床采用机、电、液一体化结构，整体布局紧凑合理，便于维修和保养，外形符合人机工程学的原理，宜人性好，便于操作。关键词：CNC;CJ6132;分离传动；步进电机目录TOC\o"1-5"\h\z任务分酉己 1..第1章绪论 2.\o"CurrentDocument"设计背景 2\o"CurrentDocument"系统总体方案设计概述 2第2章方案设计 3.\o"CurrentDocument"性能要求 3\o"CurrentDocument"设计思路 3\o"CurrentDocument"尺寸设计 3第3章机械结构设计（传动系统设计） .4床身 4.\o"CurrentDocument"床头箱结构 .4.\o"CurrentDocument"进给系统 4刀架 4.尾座米用手动尾座 4冷却系统 .4.卡盘 4.\o"CurrentDocument"电气系统 5\o"CurrentDocument"安全保护 5第4章CNC二维平台的控制电路的设计（硬件系统的设计）........6\o"CurrentDocument"主要参数的确定 6传动系统图拟定 6电机选择 .6.\o"CurrentDocument"进给系统计算 7.第5章数控系统设计 .9.\o"CurrentDocument"单片机系统控制设计的基本要求 9\o"CurrentDocument"数字控制系统框图 9\o"CurrentDocument"数控系统的硬件特点 9控制系统图及芯片的选择 10系统的选用 10\o"CurrentDocument"系统的扩展 10\o"CurrentDocument"标准型数控系统 11MCS-51系列（三总线结构） 13\o"CurrentDocument"振荡器和时钟电路 1.3\o"CurrentDocument"存储器及系统扩展设计。 14基本知识 14IITOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"程序器的扩展 1.6\o"CurrentDocument"数据存储器的扩展 1.6\o"CurrentDocument"存储器地址空间的分配 16I/O接口的扩展 1.6\o"CurrentDocument"键盘及键盘接口设计 18\o"CurrentDocument"显示器接口设计 1.9\o"CurrentDocument"步进电机控制电路 21课程设计心得 27附录1 28\o"CurrentDocument"附录2 29参考文献 30iii

任务分配任务分配总体方案设计：刘飞传动系统设计：刘洋动力电机系统设计：王凯控制电路设计：孙奉斌软件编程：孙善东电力供电系统：刘飞附上整体效果图【图片】第1章绪论设计背景机床工业是机器制造业的重要部门，肩负着为农业、工业、科学技术和国防现代化提供技术装备的任务，是使现代化工业生产具有高生产率和先进的技术经济指标的保证。设计机床的目标就是选用技术先进。经济效果显著的最佳可行方案，以获得高的经济效益和社会效益。因此，从事机床设计的人员，应不断地把经过实践检验的新理论、新技术、新方法应用到设计中，做到既要技术先进、经济效益好、效率高。要不断的吸收国外的成功经验，做到既要符合我国国情，又要赶超国际水平。要不断的开拓创新，设计和制造出更多的生产率高、静态动态性能好、结构简单、使用方便、维修容易、造型美观、耗能少、成本低的现代化机床。设计本着以上原则进行，尽量向低成本、高效率、简化操作、符合人机工程的方向考虑。系统总体方案设计概述床身上最大回转直径mm320最大工件长度mm750最大切削直径mm320最大切削长度mm750床鞍（滑板）上最大切削直径mm250主轴前端锥孔莫氏6号锥度主轴孔径mm350主轴转速范围r/min40-1800主轴转速级数18级主轴电机输出功率（普通）kW5中心高距床身mm250距地面mm1130尾座套筒直径mm65尾座套筒行程mm150尾座套筒锥孔锥度莫氏5号第2章方案设计2.1性能要求1、根据零件材料HT200确定毛坯为铸件，3-小11和3-小18的内孔不铸出，均在钻床上钻出后加工。2.由于本零件要求生产批量为中批量生产，毛坯铸造方法选用金属型铸造（查机械加工工艺设计资料P4表1.2-1）,铸造的毛坯尺寸公差等级为8级（查机械加工工艺设计资料P6表1.2-5）,选择错型值为0.7（查机械加工工艺设计资料P6表1.2-4）。设计思路主运动的实现根据设计要求，本设计采用分离式主传动系统，包括变速箱、主轴箱两部分。其中，变速箱与电动机至于机座内，主轴箱与变速箱采用带传动连接。所有的变速都采用液压操作。进给运动的实现本次所设计的机床进给运动均由单片机进行数字控制， 因此在X、Y方向上，进给运动均采用滚珠丝杠螺母副，其动力由步进电机通过齿轮传递。齿轮的消隙采用偏心环调整。数字控制的实现采用单片机控制，各个控制按扭均安装在控制台上，而控制台摆放在易操作的位置，这一点须根据实际情况而定。机床其它零部件的选择考虑到生产效率以及生产的经济性，机床附件如油管、行程开关等，以及标准件如滚珠丝杠、轴承等均选择外购形式。尺寸设计对于批量生产的铸件加工余量（查机械加工工艺设计资料P7表1.2-7）,初步将本零件的加工余量定为5mm,毛坯尺寸偏差由表1.2-2查得为1.8。第3章机械结构设计（传动系统设计）床身机床床身采用优质铸铁，内部筋采用U形布局，床身整体刚性高。滑动导轨面采用中频淬火，淬硬层深。硬度达HRC52以上，拖板滑动面贴塑，使得进给系统的刚度，摩擦阻尼系数等动、静特性都处于最佳状态。床头箱结构机床主传动采用液压操纵机构，可实现十八级转速。机床主轴箱内的传动齿轮均经淬硬磨齿处理，传动比稳定，运转噪音低。机床主轴为二支撑结构，前支撑采用C级高精度轴承，润滑油润滑，提高了回转精度，使机床主轴具有良好的精度和刚性。机床采用单片式电磁刹车离合器，解决主轴的刹车及离合问题，离合器安装于床头箱带轮侧，使床头箱内结构大为简化，便于维修。进给系统机床两轴进给系统采用步进电机驱动滚珠丝杠的典型传动方式，在滑板与床鞍及床鞍与床身之间的滑动面处贴有TSF导轨板，滑动磨擦系数非常小，有助于提高了机床的快速响应性能及生产效率。在进给系统各滑动处及两轴丝杠丝母处都设置了润滑点。刀架机床采用立式四工位刀架，该刀架布刀方便，刚性好。尾座米用手动尾座冷却系统冷却箱放在后床腿中。卡盘机床标准配置为_250手动卡盘。4电气系统电路的动力回路，均有过流、短路保护，机床相关动作都有相应的互锁，以保障设备和人身安全。电气系统具有自诊断功能，操作及维修人员可根据指示灯及显示器等随时观察到机床各部分的运行状态。安全保护当机床遇到外部突然断电或自身故障时，由控制电路的设计，机床可动进给轴，冷却电机等如已在启动”状态者，将进入停止”状态;如已在停止”状态的则不可自行进入启动状态，确保了机床的安全。另外由于机床计算机内的控制程序是固化”在芯片中的，而零件加工程序是由电池供电保护的，所以，意外断电或故障时，不会丢失计算机内存储的程序菜单。机床具有报警装置及紧急停止按钮，可防止各种突发故障给机床造成损坏。由于软件的合理设计，报警可通过显示器显示文字及报警号，通过操作面板的指示灯指示；机床根据情况将报警的处理方式分为三类：对紧急报警实行急停”；对一般报警实行进给保持”；对操作错误只进行提示”。第4章CNC二维平台的控制电路的设计（硬件系统的设计）主要参数的确定机床的主要技术参数包括主参数和基本参数。主参数是机床参数中最主要的，它必须满足以下要求：直接反映出机床的加工能力和特性；决定其他基本参数值的大小；作为机床设计的出发点；作为用户选用机床的主要依据。对于通用机床（包括专门化机床），主参数通常都以机床的最大加工尺寸表示，只有在不适用于用工件最大尺寸表示时，才采用其他尺寸或物理量。如卧式链床的主参数用主轴直径，拉床用额定拉力等。为了更完整地表示出机床的工作能力和加工范围， 有时在主参数后面标出另一参数值，称为第二主参数。如最大工件长度、最大跨度、主轴数和最大加工模数等。除主参数外，机床的主要技术参数还包括下列基本参数：与工件尺寸有关的参数；与工、夹、量具标准化有关的参数；与机床结构有关的参数；与机床运动特性和动力特性有关的参数。这些基本参数可以归纳为尺寸参数、运动参数和动力参数三种。传动系统图拟定电机选择按在各种加工情况下较经常遇到的最大切削力和最大切削速度来计算，在车床中，切断工件的切削力大于外圆车削，因而按用硬质合金刀具切断钢材时来计算。即：N切=N切=Fzv

61200式中Fz——主切削力的切向分力（N）切削速度（m/min）具体计算见下章

Fz=1.25pVBgfFy=(0.4~0.55)Fz(kgf由查《机床设计手册》得出参数：P=200B=6 f=0.3mm/rWJ Fz=1.2520069.80.3=4410N所以得有效功率为：N切=441040N切=44104061200=2.9kw取“m=0.8,则由经验公式可得电动机总功率为:=2=2,9^08=3.625kw在选择电动机时，必须使得P额定》P总，根据这个原则，查《机械设计手册》选取Y112-M-4型电动机.0进给系统计算最大工作直径(mm)最大工作长度(mm)溜板及刀架重量(N)刀架快移速度(m/min)床身上床鞍上纵向横向纵向横向3201607508006002.41.2最大进给速度(m/min)定位精度(mm)主电动机功率(Kw)起动加速时间(ms)滚珠丝杆导程(mm)纵向横向纵向横向纵向横向7

0.60.30.010.0053055第5章数控系统设计5.1单片机系统控制设计的基本要求系统应该具有以下功能及特点：(1)、控制机床主轴箱(即刀具)，工作台纵横向的速度和位移(2)、控制走刀速度，一般为0、1,,9、A,,F等16档，并可随时进行换档(3)、单片机机(I/O)接口发送和接受各种信号作为机床运转，各个运动的控制及反馈信号，它程序的自动与循环功能想结合，可实现加工的全自动化功能。(4)、具较高的可靠性和可维修性，为实现高度的可用性，可维修性，应该使系统通过相同电子电路的集装件的替换而得到快速修理，另外，数控系统具有一定的自诊断性能。数字控制系统框图通信接步进电机驱动步进电机开关量控制电路通信接步进电机驱动步进电机开关量控制电路图5-1数字控制系统框图数控系统的硬件特点1、中央处理器为Z80CPU,晶振频率为6MHz其系统时钟为4MHz,采用高集成度的存储核心，Z80CPU是一个具有40条引角，双列直插式结构的大规模集成电路(LS1)芯片。2、存储器设计成有7个24脚的插座，可以插5片2KX8的存储器最大扩展为64KB。控制系统图及芯片的选择系统的选用选MCS-51系列的8031单片机，系统的扩展由于8031只有4KBRAM,没有ROM,I/O端口，32跟线等组成。（1）、程序存储器EPROM的扩展此处扩展二片2764EPROM用来存放系统软件（系统程序）。（2）数据存储器RAM扩展为一片6264SRAM,用来存放加工程序和数据，掉电保护等等。I/O接口的扩展，采用I/O接口芯片，I/O口的扩展芯片有三种类型专用I/O口扩展芯片，主要有8255,8255A（全名可编程并行I/O扩展接口芯片），此处我们选用8255来控制开关和步进电机。I/O扩展的复合芯片，此芯片除能作I/O扩展用外，还能作其它功用最常用的是8155。TTL集成电路芯片，这类芯片广泛用作MCS-51）（单片机接口的扩展用）用的较多的是74LS-373、273、244、245等，本次设计选用白^是74LS-373,TTL芯片用手动开关。（4）人机接口方面，当扩展接口8255A（或8255）不够用时，采用通用可编程键盘显示器接口8279。、统中断处理方面，8031、8051有5个中断源2个优先级别INT0、INT1外部中断入口INT1用于8279键盘，输入中断用外部中断入口INT0用语实时处理，紧急停车，暂停，限位等功能。2）、步进电机控制方面由8255A的PA口控制，PA口输出的信号经环行电路分配一光电隔离电路一功率放大电路，最后到步进电机。、接口方面。串行接口上RRL电平经过MC1488/1489芯片转换为RS-232C电平后接在PC机。传输线发送器MC1488、传输线接收口MC1489。4）、其它辅助电路复位电路可分为三种：①上电复位，②按钮复位，③上电按钮10复位。时钟电路：①内部方式，②外部方式。5.4.3标准型数控系统经济性数控系统硬件电路的设计.微机控制系统硬件电路设计的内容CNC、NCCPU、.三总线、存储器、输入输出接口电路（2）主控微机设计1）、主控微机的选择。采用单片机主控微机2）、MCS-51单片机的内部结构8051是一个八位的CPU、128BRAM、4KBROM、2个特殊功能寄存器4个8位并行I/O接口，一个全能的串行接口，2个16位定时/计算器8751——4KBEPROM,8031没有ROM这里为了更多掌握扩展芯片的方法，我们选用较为复杂的8031芯片，这样有利于掌握电路。①CPU②RAM③ROM④并行I/O接口⑤串行I/O接口⑥定时/计算器⑦时钟电路⑧中断电路MCS-51单片机的基本特性：具有8位的CPU芯片内有时钟电路具有4KB字节的内部程序存储器ROM具有128个字节数据存储器RAM具有21个特殊功能的寄存器具有4个并行I/O端口（32跟I/O线）具有2个16位可编程的定时/数据器具有一个全功能串行接口（2跟线）具有5个中断电路2个优先级别外部的程序存储器，可扩展64KB外部的数据存储器，可扩展64KBMCS-51引脚功能40个引脚双列直接封装形式（DIP）由于受到引脚的数量限制，有一部分具有第二功能40个引脚的分类：电源引脚（2跟线）时钟引脚（2跟线）控制引脚（4跟线）作I/O引脚（每个8跟，共32条线）11电源Vcc——芯片电源+5v（40引脚）Vss——接地线（20引脚）时钟XTAL1（19脚）接晶体振荡电路的输入端XTAL2（18脚）接晶体振荡电路的输出端控制线一一控制线引脚（4跟线）RST/Vpp（第9弓唧）一一复位/备用电源的输出正常工作时，RST为复位信号输入端，只要在RST引脚止，连续保持2个机器周期上的高电平MCS-51单片机实复位。在Vcc掉电情况下，此脚还可接备用电源，由Vpp向内部RAM供电，保持数据不掉失。ALE/PROG（30-）一一地址锁存输出/编程脉冲输入端其中PROG只用于8751。.正常使用时为ALE,用来锁存Po口送出的存储地址当ALE信号有效时，Po口传送的是低8位的地址信号。当ALE信号无效时,Po口传送的是低8位的数据信号。PROG——当8751片内EPROM编程期间引脚。.PSEN（21脚）外部程序存储器读选信号端，在MCS-51单片机读ROM时，每个机器周至内PSEN两次有效输出PSEN作为外部ROM芯片输出允许端OE的选通信号在读片内ROM时此.丽小。.EA/Vpp引脚二外部访问允许编程电源输入端a.当正常工作时EA为内外ROM选择端。a'当.EA端输入高电平时，访问内部ROM。b‘ 当.EA端输入火电平时，（接地）CPU访问片外ROM,8031没有片内ROM故EA接地。b.对8751单片机有EPROM在编程期间，此引脚接Vpp.I/O线（4个8位的并行I/O口线）Po———8位双向I/O口Po0——Po7访问存储器时Po用于分时传送低8位的地址信号Po能驱动8个LSTTL门电路12P1口8位准双向I/O口P1.0~P1.7能带动4个LSTTLP1口P2———8位准双向I/O口P2.0~P2.7,在CPU访问外部存储器，P2口用于传送高8位地址信号，只能带4个TTL门电路P3———8为准双向I/O口P3.0~P3.7,可用第一功能，做一般I/O接口用，第二功能P3.0--用行卒&入端（RXD）P3.1——用行卒&出端（TXD）P3.2——INT0外部中断D7请求输入端P3.3——INT1外部中断1.7请求输入端P3.4——T0定时计数器用的0外部信号输入端P3.5——T1定时计数器用的1外部信号输入端P3.6——外部RAM“写”选通信号输出端P3.7——外部RAM“读”选通信号输出端P3口负载能64个LSTTL门MCS-51系列（三总线结构）.地址总线AB宽度16位，外部存储器直接64KB16位地址总线中，Po口线锁存器提高低8位地址A0~A7P2口提供高8位地址A0~A15.数据总线DB宽8位P0口提供D0~D7.控制总线CB四跟专用的控制线P3口提供的第二功能提高8根振荡器和时钟电路内部时钟电路方式利用芯片内部振荡电路在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器，产生自激振荡定时元件用石英晶体外部时钟电路7.复位和复位电路复位复位电路上点复位手动复位（按钮复位）上电手动复位13系统复位a‘将单片机复位端RST和I/O接口电路的复位端RST接单片在上电按钮自动复位电路中增加施密特电路单片机复位电路和I/O接口复位电路分开设置。（3）.集电板开路“与非门”oc门电路这类芯片有TTL系列：74系列高速系列74H系列74S肖特基系列74LS系列低耗肖特基，TTL三态输出“与非”门3.我们要用的电路有MS门电路（双极性、MOS型）NMOS电路CMOS门电路5.5存储器及系统扩展设计。基本知识、半导体存储器的分类按与CPU的连接方式和用途分有：内存、外存。半导体存储器按存取功能分只读存储器ROM（程序存储器）ROM、PROM、EPROM、EEPROM随机存储器RAM特点读写速度快（数据存储器）。.存储器的主要性能：存储器的容量存储器芯片的容量，存储单元数X数据位数存取的速度。低速存取时300ms以上。中速存取时100〜200ms以上，超高速存取时已小于20ms.存储器的选择型号的选择：ROM我们选择EPROMRAM我们选择SRAM（注意选择的存储器引脚要能兼容）存储器芯片容量的选择速度的选择14CPU可能提供的读写时间＞存储器芯片所要求的读取时间.常用的存储器芯片a、常用的程序存储器ROM芯片及其引脚的功能EPROM芯片，典型的有2716、2732、2764、27128、这里我们选用的是EPROM2764芯片它的容量8KBX8读取时间为250ms引脚功能（28脚）下面介绍它的引脚功能：电源线Vcc+5v、Vpp编程的电源线、GEND——接地数据线8条D0〜D7地址线13条A0〜A12控制线CE片选端线（或片选信号线，低电平有效）°E 数据输出选通信号线，低电平有效PGM编程冒充输入端。只对8751有效b、常用的RAM芯片及其引脚功能常用的有SRAM6116、6264这里我们选用的是6264下面介绍它的引脚功能，读取时间为250ms,28脚双列直接封装的芯片电源线Vcc、GND地址线13脚A0〜A12数据线8脚D0〜D7控制线CE1（CS1）片写信号线（片选端）尸2片写信号线（片选端）OE读控信号线低电平有效WE写控信号线低电平有效.存储器扩展的常用芯片地址存储器为什么要用地址存储器P0地址/数据复用常用地址锁存器74LS-373、74LS-273等芯片我们这里选用的是74LS373下面介绍74LS-373锁存器引脚功能20脚电源线VccGND输入输出线输入线D0〜D7输出线Q0〜Q715控制线a，0E片选端线当°E=o时锁存输出，当°E=1时输出成高阻态b'G-锁存线 当G=0时D0~D7的信息输入Q0~Q7的低,8为地址锁存到锁存器中，当G=1时锁存器输出端(Q0~Q7)状态和输入,端D0~D7状态相同程序器的扩展(1)①类型②容量③速度。MCS-51芯片(8301)用晶体频率为12Hz=240ms(2)扩展的方法①扩展一片，EPROM(扩展8个KB)包括地址线，控制线，数时季其中控制线包见地址锁存ALE、片选端CE、输出允许端OE②两片16KBEPROM数据存储器的扩展数据存储器的扩展跟地址存储器差不多，我们需要注意下面几点引脚的功能就可以了CS1、CS2、CS22、OE、WE就可以了。在这里不详细介绍了。存储器地址空间的分配线选法一一线选法寻址译码器选址a'部分译码法b.全部译码法I/O接口的扩展1)概述简单I/O接口的扩展通过可编程通用I/O扩展芯片来扩展通过用行口来扩展简单I/O口扩展我们采用总线扩展法、或不可编程芯片扩展采用普通TTL芯片扩展构成输出口时，接口芯片应该具有锁存的功能16构成输入口时，接口芯片应该具有三态缓冲和锁存功能扩展入口的典型芯片有：74LS373、244、245扩展出口的典型芯片有：74LS372、273©74LS245-一三态逻辑缓冲器，总线双向扩展芯片电源线Vcc、GND输入输出线A0~A7、BO-B7控制线CE一片选端，低电平有效。DIR一方向控制端当ce=0时、DIR=0,数据从A-B当「=0时、DIR=1时，数据从B—A③74LS244一三态逻辑缓冲器总线单向扩展芯片它的引脚有：1A1-1A4 2A1-2A41Y1~1Y4 2Y1~2Y4用无G2控制CE1CE2©74LS273—8D锁存器输入线D0~D7输出线Q0~Q7控制线CLK一选通端CLRT上端P2.6和RD同时有效时，通过244输入按键的数据P2.7和WR同时有效时，273输出数据显示2）利用专用芯片来扩展（8155可编程多功能芯片I/O的扩展）0.8155引脚功能8155片内含有256个字节RAM1个14位定时/数据器和两个8位，一个16位可编程并行I/O口多功能通用接口芯片8155/8156都是40脚双列直接封装②.引脚功能电源线Vcc、Vss地址/数据线AD0~AD7。ALE=1时输出的是地址，ALE=0时或其它是数据③端口线PA0~PA7、PB0~PB7、PC0~PC5④控制线ALE地址锁存线IO/M—IO与存储器选择线。当IO/M为高电平时作17I/O口用当IO/M为低电平时，作存储器用（数据）片选端CE/CECE低电平有效（8155） CE（8156）高电平有效读写线RDWRRST一信号传入复位端定时TiMIN输入TiMOUT输出3.8155工作方式作片外RAM—IO/M=0时用做扩展I/O使用一IO/M=1时作定时数据器用.8155与单片机的连接详细情况见所画电路图8255可编程扩展并行I/O接口0.8255结构特点（可编程通用并行的输入输出标准的借口芯40脚双列直接封装由单一的+5v电源供电有三个8位并行I/O口PA、PB、PC口具有三种工作方式使用灵活方便通用性强②.8255引脚功能电源线Vcc、Vss、GND数据线：数据输入线D0〜D7数据输出线PA0〜PA7 PB0〜PB7_数据信号线PC0〜PC7寻址线CS、A0和A1CS片选线低电平有效A0和A1地址线与对应的地址总线相连（AO/A1）@.8031与8255相连，这里不在重复，详细见电路图5.6键盘及键盘接口设计键盘可分为：①独立式键盘、②矩阵式键盘、③拨码式键盘。工作方式可分为：①扫描式，②中断式：编程扫描式、定时扫描式1）、独立式键盘及键盘设计0.按钮相互独立，每个按键个接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其它输入线上的工作状态。它有其优点与缺点18优点：配置灵活，软件结构简单缺点：每个按键需要一口线②.用扩展I/O接口来搭独立式键盘采用8155或8255扩展I/O来搭接独立式键盘采用TTL芯片2）、矩阵式键盘及键盘接口设计.矩阵式键盘工作原理。由行线和列线组成.矩阵式键盘工作方式。扫描方式（循环扫描和定时扫描）、中断方式◎.用扩展I/O接口来搭接本设计采用矩阵式键盘矩阵式键盘适用于按键较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列交叉点上。如一个4X4的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘等等。在按键数量较多时，矩阵键盘比独立键盘节省了很多I/O口。按键设置在行、列线分别连接到按键开关两端。行线通过上拉电阻接到+5V上。平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平亦为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否按下的关键所在。由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在的行和列电平。所以，必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理，才能确定闭合键的位置。对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，所以分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号将是非常直观的。显示器接口设计在单片机系统中，常用的显示器有：发光二极管显示器，简称LED。LED显示块由发光二极管显示字段组成，有7段和“米”字型之分，一片显示块显示一位字符。共阴极 LED显示块的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。由于7段LED显示块有7个段发光二极管，所以其字形码为一个字节；“米”字形LED显示块有15段发光二极管，所以享形码为两个字节。由n片LED显示块可拼接成n位LED显示器，共有n根位选线和8Xn根段选线，根据显示方式不同，位选线和19段选线的连接也各不相同，段选线控制显示字符的字型，而位选线则控制显示位的亮、暗。LED显示器有静态显示和动态显示两种方式。在多位LED显示时，为了节省I/O口线，简化电路，降低成本，一般采用动态显示方式。动态显示方式是一位一位地分别轮流点亮各位显示器，对每位显示器来说，每隔一段时间轮流点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮和熄灭时间的比例有关。这种显示方式将七段LED显示器的所有段选位并联在一起，由一个8位I/O□控制，实现各位显示器的分时选通。下图是LED显示器采用共阴极方式，6个显示器的段选码由8155的PB口提供，位选码由8155的PA口提供（PA口同时也提供行列式未编码键盘的列线），行列式未编码键盘的行线由PC口提供。图中设置了36个键。如果继续增加PC口线，设全部PC口线（PC0-PC5）用作键盘的行线，全部PA口线（PA0-PA7）作键盘列线，则按键最多可达8X6个。下图中8155的PB口扫描输出总是只有一位为高电平，即PB口经反相后仅有一位公共阴极为低电平，8155的PA口则输出相应位（PB口输出为高对应的位显示器）的显示数据，使该位显示与显示缓冲器相对应的字符，而其余各位均为熄灭，依次改变8155的PB口输出为高的位，PB口输出对应的显示缓冲器的数据。20

vvvvvvvv100QX8+5VABCDEFGH30063037383912529373839125293031323334353621222324252627285.1KQX6+5V图5-2显示器接线图步进电机控制电路Title环行分配器Size Number.常用的环行分配器：三相、四相、五相、六相。 B,在本次设计中，X向及Y向均选用的是YB015环行 Daee:29-等粒52 3 4 5分配器」8脚双列直插。E0：先通输控制，低电平有效，用来控制分配器是否输出孙许脉皿。R：清零端低电平有效，输出脉冲前对环行分配器必须清零，使分配器正常工作。21

A0、A1通电方式控制端当A0、A1=0分配器以五相五拍工作当A0=0、A1=1五相双五拍工作当A0=1、A1=0五相双五拍工作E1E2选通输入控制，低电平有效Ep一时钟电路脉冲输入端Ep一时钟电路脉冲输入端* U二ITS 导城 U二图5-3步进电机控制电路」不行之配器与8031,步进电机连接①占、豆两个输入控制端，低电平有效。②A0、A1通电方式控制端。A0、A1=0时四相四拍，应接地③E0是选通输出控制端，由8031、P11、P14来控制④+△、-△方向控制端，由8031PA0P13来控制⑤CP时钟脉冲输入端，由8155上TimOUT提供⑥R清零端，由8031P15提供3)步进电机开环驱动原理22每输入一个脉冲，步进电机就前进一步，因此，它也称作脉冲电动机.其种类很多，但主要分三大类：反应式步进电动机，永磁式步进电动机,以及永磁感应式步进电动机.反应式电动机结构最简单，是应用最广泛的一种.按控制绕组的相树分有三相，四相，五相，六相等等.无论哪种步进电动机，他们的工作原理都有相同之处：数字式脉冲信号控制定子磁极上的控制绕组，按一定顺序依次通电，在顶子和转子的气隙间形成步进式的磁极轴旋转.步进电动机主要用于开环系统，当然也可以闭环系统.下图是步进电动机开环伺服系统的原理图，它由以下几部分组成：分配后的 放大后的步进电机开环伺服系统原理5-4步进电机开环伺服系统原理脉冲信号源一一是一个脉冲发生器，通常脉冲频率连续可调,送到脉冲分配器的脉冲个数和脉冲频率由控制信号控制.因脉冲频率可调，也称为变频信号源.脉冲分配器一一脉冲按一定的顺序送到功率放大器中进行放大，驱动步进电动机工作.用硬件进行脉冲顺序的分配，有时称为环行分配器，也简称环分.功率放大器一一将脉冲分配器送来的脉冲放大，使步进电动机获得必要的功率.步进电动机——伺服系统的执行元件，它带动工作机构，如减速装置，丝杆，工作台.脉冲分配对每一个五相步进电动机而言，其脉冲分配方式是五相十拍的的.其五相分别用A,B,C,2D,E表示.五相十拍的运行方式3是A—AB—B—BC—C—CD—D—DE—E—EA顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步转动.要改变步进电动机的23转动方向，只需改变通电的顺序即可.脉冲分配器是将脉冲电源按规定的通电方式分配到各相，该分配可由硬件来实现.在微机控制中，脉冲的分配也可由软件来完成，Pl.O,Pl.l,Pl.2,Pl.3,P1.4五位分别输出时序脉冲，经光电隔离、驱动放大使步进电机运转.延时的长短决定了步进电动机运行一拍的时间，也就决定了步进电机的转速.4）驱动电路由微机根据控制要求发出的脉冲，并依次将脉冲分配到各相绕组，因其功率很小，电压不足5V,电流为mA级，必须经过驱动器将信号电流放大到若干安培，才能驱动步进电动机.因此，步进电机驱动器实际上是一个功率放大器.驱动器的质量直接影响步进电动机的性能，驱动器的负载是电机的绕组，是强电感应负载.对驱动器的主要要求是：失真要小，要有较好的前后沿和足够的幅度；效率要高；工作可靠；安装调试和维修方便.下图是一个La绕组的高低压驱动电路，脉冲变压器Tp组成高压控制电路。图5-5步进电机高低电压驱动电路24无脉冲输入时，T1,T2,T3,T4均截止，电机绕组La中无电流通过，电机不转.有脉冲输入时，T1,T2,T4饱和导通，在T2由截止到饱和期间，具集电极电流也就是脉冲变压器的初级电流急速增加，在变压器次级感应一个电压，使T3导通，80V高压经高压管T3加到绕组La上，使电流迅速上升，约经数百微妙，当T2进入稳压状态后，Tp初级电流暂时恒定，次级的感应电压降到0,T3截止，这时12V低压电流经D2加到绕组La上，维持La中的电流为恒定值.输入脉冲结束后，T1,T2,T3,T4又均截止，储存在La中的能量通过18Q的电阻和二极管泄放，18Q的电阻的作用是减小放电回路的时间常数，改善电流波形后沿.由于采用高低压驱动，电流增长快，电机的力矩和运行频率都得到改善，但由于电机转动时产生的反电动势，使电流波形顶部下凹，使平均电流下降，转矩下降.5）.光电隔离电路设计为了避免外部设备的电源干扰，防止被控对象电路的强电反窜，通常采取将微机的前后向通道与被连模块在电气上的隔离的方法。过去通常隔离变压器或中间继电器来实现，而目前已广泛被性能高、价格低的光电耦合器来代替。光电耦合器是把发光元件与受光元件封装在一起，以光作为媒体来传输信息的。具封装形式有管形，双列直插式、光导纤维连接等。发光器件一般为神化钱红外发光二极管。光电耦合器具有以下特点：信号采取光电形式耦合，发光部分与受光部分无电气回路，绝缘电阻高达1010-1012Q,绝缘电压为1000-5000V,因而具有极高的电气隔离性能，避免输出端和输入端之间可能产生的反馈和干扰。由于发光二极管是电流驱动器件，动态电阻很小，对系统内外的噪声干扰信号形成低阻抗旁路，因此抗干扰能力强，共模抑制比高，不受磁场的影响，特别是用于长线传输时作为终端负载，可以大大地提高信噪比。光电耦合器可以耦合零到数千赫的信号，且响应速度快（一般为几毫秒，甚至少于10ns）,可以用于高速信号的传输。下图的光电耦合器是采用硅光电二极管作受光元件。其 CTR25为10%-100%,脉冲上升和下降时间小于5^s,输出电路饱和压降小(0.2V-0.3V),电路构件简单，是目前应用较多的一种，主要用于驱动TTL电路、传输线隔离、脉冲放大等。晶体管输出型的光电耦合器用于开关信号耦合时，发光二极管和光电晶体管平常都处于关断状态。在发光二极管通过电流脉冲时，光电晶体管在电流脉冲持续的时间内导通。下图是使用4N25光电耦合器的接口电路，这里