CA6140車床縱向開環(huán)系統(tǒng)設計畢業(yè)設計論文

1、某某學院畢業(yè)設計（論文） ca6140車床縱向開環(huán)系統(tǒng)設計 專 業(yè) 機械設計與制造 所 在 系 機電工程系 摘 要 數(shù)控機床作為機、電、液、氣等一體化的典型產(chǎn)品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機械制造中結構復雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。但從目前企業(yè)面臨的情況看，因數(shù)控機床價格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。我國作為機床大國，擁有大量的普通機床。因此，對普通機床數(shù)控化改造不失為一種較好的選擇。 而且選用連續(xù)控制系統(tǒng)改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床具有定位、直線插補、圓弧插補、暫停、循環(huán)加工、螺紋加工等功能。考慮到經(jīng)濟型數(shù)控

2、機床加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)，有利于機床的高效，普及。關鍵詞： 機電一體化； 開環(huán)控制縱向進給系統(tǒng)設計； 步進電動機abstract cnc machine tools as mechanical, electrical, hydraulic, pneumatic and other typical product integration, played a huge role in the machinery manufacturing industry, very good solution to a complex structure in mo

3、dern mechanical manufacture, precision, small batch, changing parts of the processing problems, and stable product quality, dramatically increasing productivity. but look on the current business situation, due to more expensive cnc machine tool, one-time investment large enterprises the flesh is wea

4、k. as the machine power in china, has a large number of common machine tools. therefore, ordinary numerical control transformation of machine tool is a good choice. and choose the continuous transformation of control system of cnc lathe with positioning, linear interpolation, circular interpolation,

5、 pause, loop processing, thread processing and other functions. taking into account the economical numerical control machine tool accuracy is not high, in order to simplify the structure, reducing costs, using open-loop stepper motor control systems, machine-friendly and efficient, universal. keywor

6、ds: mechanical-electrical integration ；open-loop control length feed system design ；ball screw nut pair； stepper motor目 錄第一章 緒論11.1  設計的目的11.2  設計的內容11.2.1微機數(shù)控系統(tǒng)總體設方案的擬定11.2.2 進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算21.2.3微機控制系統(tǒng)的設計21.2.4數(shù)控加工程序的編制21.3 設計任務31.3.1 題目31.3.2.設計任務31.3.3 給定條件31.3.4 設計要求3第二章 微型數(shù)控

7、系統(tǒng)總體設計方案的擬定42.1 總體方案的確定42.1.1、系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇42.1.2、計算機系統(tǒng)42.1.3、機床傳動方式4第三章 機床進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算53.1  系統(tǒng)脈沖當量及切削力的確定53.2 切削力的計算53.3  滾珠絲杠螺母副的設計、計算和選型5第四章   進給伺服系統(tǒng)傳動計算104.1 齒輪傳動比計算(縱向進給齒輪箱傳動比計算)104.2 齒輪齒數(shù)及技術參數(shù)104.3 步進電機的計算和選用114.3.1、初選步進電機114.3.2 、根據(jù)草圖校核步進電機轉矩124.4 等效轉動慣量計算144.5 電機

8、力矩計算154.6 計算步進電動機空載起動頻率和切削時的工作頻率17第五章  微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計195.1  單片機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計內容195.1.1、繪制系統(tǒng)電器控制的結構框圖195.1.2在微機應用系統(tǒng)中，cpu的選擇應考慮以下因素195.1.3存儲器擴展電路設計195.1.4、i/o口接口電路設計205.2 mcs51系列單片機的選用205.3 存儲器擴展電路設計235.3.1、程序存儲器的擴展245.3.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴展275.3.3 譯碼電路設計275.4 i/o接口電路及輔助電路設計28第六章 數(shù)控機床的加工程序編制316.1 經(jīng)濟型數(shù)控車床數(shù)控系

9、統(tǒng)的程序編制說明316.2 加工說明及工藝路線設計316.3 零件加工工序32總 結34致 謝35參考文獻36第一章 緒論1.1  設計的目的畢業(yè)設計是培養(yǎng)我們理論聯(lián)系實際，解決生產(chǎn)實際問題能力的重要步驟，它起到了畢業(yè)設計的作用。 它通過對機床數(shù)控系統(tǒng)設計總體方案的擬定，進給伺服系統(tǒng)機械部分結構設計.計算控制系統(tǒng)硬件電路的設計以及數(shù)控機床加工程序的編制，使我們綜合運用所學的機械.等知識,進行一次全面結合的訓練。從而培養(yǎng)了我們具有加工編程能力，初步設計計算的能力以及分析和處理生產(chǎn)中所遇到的各方面技術問題的能力。1.2  設計的內容1.2.1微機數(shù)控系統(tǒng)總體設方案的擬

10、定 （1）系統(tǒng)運動方式的確定（2）伺服系統(tǒng)的選擇：采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng) （3）執(zhí)行機構傳動方式的確定： 為了保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，若直接將電機與滾珠絲杠聯(lián)必會引起絲杠溫度過高即磨損加劇使其壽命降低。故在其兩者之間加一消隙齒輪箱，一使絲杠速度降低，二則消除系統(tǒng)傳動中的間隙，提高傳動精度，并有效減少反向運動死區(qū)現(xiàn)象，消隙齒輪箱與絲杠可采用聯(lián)軸器形式連接，這樣便確定了如下圖2-1所示的傳動方案。電機消隙齒輪箱滾珠絲杠螺母副工作臺圖2-1 執(zhí)行機構傳動方案（4）計算機的選擇。1.2.2 進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算（1）進給伺服系統(tǒng)機械部分設計方案的

11、確定。 （2）確定脈沖當量。 （3）滾珠絲杠螺母副的選型。 （4）滾動導軌的選型。 （5）進給伺服系統(tǒng)傳動計算。 （6）步進電機的計算和選用。 （7）設計繪制進給伺服系統(tǒng)一個坐標軸的機械裝配圖。（8）設計繪制進給伺服系統(tǒng)的一張或兩張零件圖。1.2.3微機控制系統(tǒng)的設計 （1）控制系統(tǒng)方案的確定及框圖繪制。 （2）mcs-51系列單片機及擴展芯片的選用。 （3）i/o接口電路及譯碼電路的設計。 （4）設計繪制一臺數(shù)控機床微機控制系統(tǒng)電路原理圖。1.2.4數(shù)控加工程序的編制（1）零件工藝分析及確定工藝路線。 （2）選擇數(shù)控機床設備。 （3）確定對刀點。 （4）選擇刀具。 （5）確定切削用量。 （6

12、）編制加工程序。1.3 設計任務1.3.1 題目:  ca6140車床縱向開環(huán)系統(tǒng)設計1.3.2.設計任務: （1）根據(jù)機床總體布局,分析設計方案,并最終確定微機控制系統(tǒng)方案; （2）進行機械伺服機構的設計計算,繪制機械裝配圖及其部分零件圖(12個）（3）查找微機控制系統(tǒng)電路原理圖； （4）編制零件的數(shù)控加工程序；（5）攥寫說明書一分；1.3.3 給定條件: （1）縱向移動部件總重量   200kg （2）縱向定位精度    ±0.015mm （3）最大移動速度（快進）  4.15m/min （4）最大進給速度（工

13、進）  158m/min （5）縱向進給切削力（z向） 1800n （6）垂直切削力（y向）   5000n （7）控制系統(tǒng)用cpu     8031單片機1.3.4 設計要求:（1）機械結構設計合理,控制系統(tǒng)功能完備,原理正確,制圖符合國家標準,圖面 整潔; （2）設計說明書論述清楚,計算無誤,數(shù)值單位明確,引用公式及資料有出處。第二章 微型數(shù)控系統(tǒng)總體設計方案的擬定2.1 總體方案的確定2.1.1、系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇  由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床具有定位、直線插補、圓弧插補、暫停、循環(huán)加工

14、、螺紋加工等功能，所以應該選用連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮到經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。2.1.2、計算機系統(tǒng) 根據(jù)機床要求，采用8位機。由于mcs51系列單片機的特點之一是硬件設計簡單，系統(tǒng)結構緊湊。對于簡單的應用場合，mcs51系統(tǒng)的最小系統(tǒng)用一片8031外擴一片eprom就能滿足功能的要求，對于復雜的應用場合，可以利用mcs51的擴展功能，構成功能強、規(guī)模較大的系統(tǒng)。所以應選用8031單片機是符合經(jīng)濟數(shù)控機床電路設計的。2.1.3、機床傳動方式 為了實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲杠。為了保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減

15、小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負載荷的結構。傳動齒輪也要采用消除齒側間隙的結構。 第三章 機床進給伺服系統(tǒng)機械部分設計計算 伺服系統(tǒng)機械部分設計計算內容包括：確定系統(tǒng)的負載，確定系統(tǒng)脈沖當量，運動部件慣量計算，空載起動及切削力矩機計算，確定伺服電機，繪制機械部分裝配圖及零件工作圖等?，F(xiàn)分述如下：3.1  系統(tǒng)脈沖當量及切削力的確定   脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)控車床、 銑床常采用的脈沖當量是0.010.005mm/脈沖,根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量,縱向: 0.01mm/ste

16、p （橫向0.005mm/步）3.2 切削力的計算 確定切削力 (縱車外圓): 主切削力按經(jīng)驗公式估算： 按切削力各分力比例： 取： 3.3  滾珠絲杠螺母副的設計、計算和選型 滾珠循環(huán)方式可分為外循環(huán)和內循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。珠絲杠滾副的預緊方法有：雙螺母墊片式預緊，雙螺母螺紋式預緊，雙螺母齒差式預緊，單螺母變導程預緊以及過盈滾珠預緊等幾種。一 、計算進給牽引力 作用在滾珠絲杠上的進給牽引力主要包括切屑時的走刀抗力以及移動件的重量和切屑分力作用在導軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導軌的形式有關。 縱向進給為三角形導軌 式中: 考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導軌取

17、； 滑動導軌摩擦系數(shù)： 溜板及刀架重力：二 、計算最大動負載 c 選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉100萬（106）轉后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載 c，計算如下： 式中：滾珠絲杠導程，初選； 最大切削力下的進給速度，可取最大進給速度的（），此處 取 ； 使用壽命，按； 運轉系數(shù)，按一般運轉?。?壽命，以轉為1單位。 運 轉 系 數(shù)： 運轉狀態(tài) 運轉系數(shù)    無沖擊運轉 1.01.2    一般運轉 1.21.5&#

18、160;   有沖擊運轉 1.52.5  三 、滾珠絲杠螺母副的選型 查閱表a-1，可采用w1l4006外循環(huán)螺紋調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈,其額定動負載為16400n,精度等級按滾珠絲杠行程公差表，選為3級(大致相當于老表準e級)四 、傳動效率計算     式中： 螺旋升角， 摩擦角，取，滾動摩擦系數(shù) 五、 剛度計算 先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖，如圖3-1所示。最大牽引力為2530n，支承間距，絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的。圖3-1 縱向進給系統(tǒng)計算簡圖（1）絲杠的拉伸或壓縮變形

19、量查課程設計指導書p17，圖4-2，根據(jù) ，查出，可算出 由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進行了 預拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實際變形量為： （2） 滾珠與螺紋滾道間接觸變形查課程設計指導書p18圖4-3，w系列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量； 因進行預緊，（3）支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形采用51107（舊代號為8107）型推力球軸承，滾動體直徑，滾動體數(shù)量z=18， 注：此公式中的單位應為kgf。因施加預緊力，故 據(jù)以上計算：六 、穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠兩端采用推力球軸承,不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象,不需作穩(wěn)定性校核.7、 縱向滾珠絲杠副的幾何參數(shù)。表 3-1 w1l4006滾珠絲杠

20、的幾何參數(shù)名稱符號參 數(shù)螺 紋 滾 道公稱直徑40導 程6接觸角鋼球直徑(mm)3.969滾道法面半徑2.064偏心距0.056螺紋升角螺 桿螺桿外徑39螺桿內徑35.984螺桿接觸直徑36.0355螺 母螺母螺紋直徑44.016螺母內徑40.7938第四章   進給伺服系統(tǒng)傳動計算4.1 齒輪傳動比計算(縱向進給齒輪箱傳動比計算) 縱向進給脈沖當量 ； 滾珠絲杠導程 ； 初選步進電機步距角 ； 可計算出傳動比：      可選定齒輪齒數(shù)為:        

21、0;  故，取，模數(shù)取2.5。有關參數(shù)表3-2。表3-2 傳動齒輪的幾何參數(shù)齒 輪 編 號齒數(shù)323224分度圓808060齒頂圓858565齒根圓73.7573.7553.75齒寬202020中心距80704.2 齒輪齒數(shù)及技術參數(shù) 計算出傳動比i后,降速級數(shù)決定采用一對齒輪降速,因為進給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大,一般取=12,數(shù)控車床,銑床取=2,此作業(yè)中取=2。 為了消除齒輪側隙，此作業(yè)中采用雙片齒輪。4.3 步進電機的計算和選用4.3.1、初選步進電機1 .計算步進電機負載轉矩tm      tm=(360pfm)/(2b) &#

22、160;     =(360×0.01×1775)/(2×3.14×0.75×0.98×0.99×0.99)n·mm =141.26n·cm 式中: p脈沖當量 (mm/step); fm進給牽引力 (n);    b步距角,初選雙拍制為0.75°    電機-絲杠的傳動效率為齒輪,軸承,絲杠效率之積，分別為0.98,0.99,0.99; 2 . 估算步進電機起動轉矩tq   

23、      tq=tm/(0.30.5)        =1412.5/0.3n·mm=4708.6n·mm=470.8n·cm 3 . 計算最大靜轉矩tjmax  查表      相數(shù) 三相 四相 五相 六相      拍數(shù) 3 6 4 8 5 1

24、0 6 12      0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866  如取五相10拍,則        tjmax=tq/0.951=4951.3n·mm=495.13n·cm 4 . 初選步進電機型號 根據(jù)估算出的最大靜轉矩tjmax在國產(chǎn)bf反應式步進電機技術數(shù)據(jù)表中查出130bf001最大靜轉矩為931n·

25、;cm>tjmax可以滿足要求.考慮到此經(jīng)濟型數(shù)控車床有可能使用較大的切削用量,應該選稍大轉矩的步進電機以留有一定的余量.另一方面,與國內同類型機床進行類比,決定采用150bf002步進電機.4.3.2 、根據(jù)草圖校核步進電機轉矩前面所述初選步進電機的轉矩計算,均為估算;初選之后應該進行校核計算. 1 . 等效轉動慣量計算 根據(jù)簡圖 運動件的轉動慣量j可由下式計算:       j=j1+(z1/z2)2(j2+js)+g(lo/2)2/g 式中  j1,j2齒輪z1,z2的轉動慣量 (kg·cm2) 

26、60;   js滾珠絲杠轉動慣量 (kg·cm2) j1=0.78×10-3×d14·l1=(0.78×10-3×6.44×2)kg·cm2=2.62kg·cm2 j2=0.78×10-3×d24·l2=(0.78×10-3×84×2)kg·cm2=6.39kg·cm2 js=(0.78×10-3×44×170)kg·cm2=33.95kg·cm2 

27、0;        g=2000n 齒輪慣量計算 對于剛材:j=0.78d4l×10-3 剛材的密度為7.8×10-3kg/ cm3 式中 d圓柱體直徑(cm); l圓柱體長度 (cm);   剛材的密度為7.8×10-3kg/ cm3 代入上式:j=j1+(z1/z2)2(j2+js)+g(lo/2)2/g          =2.62+(32/40)2(6.39+33.95)+2000×(0.

28、6/2)2/10kg ·cm2          =29.6kg·cm2       j電機=(14)j   n取2 電機慣量:  j電機=2×j=2×29.6=59.2kg·cm2 總慣量:   j=j電機+j=59.2+29.6=88.8kg·cm22 . 電機轉矩計算 機床在不同的工況下,在,下面分別按各階段計算: 1) 快速空載起動慣性矩  

29、;        t慣=j=j×(2nmax×10-2)/(60×ta)           nmax=(max/p)×(b/360) 將前面數(shù)據(jù)代入,式中各符號意義同上           nmax=(max/p)×(b/360)      

30、60;       =(4000/0.01)×(0.75/360)=833.3r/min 起動加速時間ta=200ms      t慣=j×(2nmax×10-2)/(60×ta)         =88.8×(2×833.3×10-2)/(60×0.2)n·cm=387.31n·cm2) 快速空載起動   

31、           t負1=tf+to+t慣 折算到電機軸上的摩擦轉矩tf tf=folo/2i=f(fy+g)×lo/2(z1/z2)   =0.04×(5000+2000)×0.6/2×0.8×1.25n·cm   =26.75n·cm 附加摩擦轉矩to to=fpolo(1-o2)i/(2)=(1/3)fm×lo(1-o2)i/(2)   =(1/3)×1775

32、5;0.6×(1-0.92)×0.8/(2×0.8)n·cm   =10.74n·cm  傳動鏈總效率,一般可取0.70.85此處取0.8;   i傳動比;  fpo滾珠絲杠預加負荷,一般取1/3fm,fm為進給牽引力(n);  o滾珠絲杠未預緊時的傳動效率,一般取0.9;   fy垂直方向的切削力(n);      t負1 =26.75+10.74+387.31=424.8n·cm 3) 快速移動時所需轉矩 t負2  

33、60;   t負2=t摩=tf+to=26.75+10.74n·cm=37.49n·cm 4) 最大(直線,勻速)切削負載時所需轉矩t負3        t切=(fzloi)/(2)          =(1300×0.6×0.8)/(2×0.8)=124.2n·cm      t負3=t切+t摩=124.2+37.49n·cm

34、=161.69n·cm 5) 加速切削      t負4=t切+t摩+t慣          =124.2+37.49+387.31n·cm=549n·cm 從上面計算可以看出t負1 ,t負2,t負3和t負4四種工況下,以加速切削所需轉矩最大,即以此項作為校核步進電機轉矩的依據(jù).    t電機靜轉矩=(25)t負4 取2倍  則:t電機靜轉矩=2×549n·cm=1098n·cm 從國產(chǎn)

35、bf反應式步進電機技術數(shù)據(jù)表中查出150bf002型步進電機最大轉矩為13.72,大于所需最大靜轉矩,以滿足此項要求. 當快速運動和切削進給時,按150bf002型步進電機運行矩頻特性圖，完全可以滿足要求,所以初步選擇150bf002型步進電機。 4.4 等效轉動慣量計算1 . 運動件的轉動慣量j可由下式計算: 計算簡圖見圖3-1傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量可由下式計算：式中步進電機轉子轉動慣量、齒輪、的轉動慣量滾珠絲杠轉動慣量。參考同類型機床，初選反應式步進電機，其轉子慣量式中、齒輪、的分度圓直徑； 、齒輪、的齒寬。代入上式：考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題?；緷M足慣量匹配的要求

36、。4.5 電機力矩計算 機床在不同的工況下，其所需轉矩不同，下面分別按各階段計算：（1）快速空載起動力矩 在快速空載起動階段加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下： 將前面的數(shù)據(jù)帶入，式中各符號意義同前。 起動加速時間 折算到電機軸上的摩擦力矩： 附加摩擦力矩： 上述三項合計： （2）快速移動時所需力矩 （3）最大切削負載時所需力矩 從上面計算可以看出，、和三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，此項作為初選步進電動機的依據(jù)。 從課程設計指導書p36表4-13查出，當步進電動機為三相六拍時，。 最大靜力矩： 按此最大靜轉矩從下表3-3（源數(shù)據(jù)來自網(wǎng)站表3-3  號步距角相數(shù)電壓線電流

37、靜轉矩空載起動頻率空載運行頻率轉動慣量機身長單  位度van.mkhzkhz（kg.cm2)（mm)110byg35010.63110-2205121600>=3011144110byg35020.63110-2205161600>=3015182110byg35030.63110-2205201600>=30182614.6 計算步進電動機空載起動頻率和切削時的工作頻率 從上表3-3查出110byg3503型步進電動機空載起動頻率為，圖3-2查出運行頻率為，且根據(jù)下圖3-2 b）藍色背景區(qū)所示可知，。 圖3-2 110byg3503型步進電動機矩頻特性 從圖3-2

38、看出，當步進電動機起動時，若，則，能滿足此機床所要求的空載起動力矩可直接起動。 當快速運動和切削進給時，根據(jù)圖3-2，步進電動機運行矩頻特性知，時，左右，大于，完全可以滿足要求。第五章  微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計5.1  單片機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計內容 5.1.1、繪制系統(tǒng)電器控制的結構框圖   根據(jù)總體方案及機械結構的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制系統(tǒng) 電氣控制的結構框圖。   數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎，有了硬件，軟件才能有效地運行。硬件電路可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標。  機床硬件電路由以下五部分組

39、成：  （1）主控制器，即中央處理單元（cpu）；  （2）總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線；  （3）存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器；  （4）接口，即i/o輸入/輸出接口電路；  （5）外圍設備，如鍵盤、顯示器及光電輸入機等。5.1.2在微機應用系統(tǒng)中，cpu的選擇應考慮以下因素： （1）時鐘頻率和字長，這個指標將控制數(shù)據(jù)處理的度； （2）可擴展存儲器的容量； （3）指令系統(tǒng)功能，影響編程靈活性； (4)i/o口擴展的能力，即對外設控制的能力； （5）開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路。 此外還要考慮到系統(tǒng)應用場合、控制對象對

40、各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟價格比等經(jīng)濟的要求。   目前在經(jīng)濟型數(shù)控機床中，一般選用mcs51系列單片機作為主控制器。 5.1.3存儲器擴展電路設計 存儲器擴展電路設計應該包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴展。 在選擇程序存儲器芯片時，要考慮cpu和eprom時序的匹配，還應考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器的容量等問題。    在存儲器擴展電路的設計中還應包括地址鎖存器和譯碼電路的設計。5.1.4、i/o口接口電路設計 應包括接口芯片的選用，步進電機控制電路、鍵盤顯示電路以及其他輔助電路的設計。5.2 mcs51系列單片機的選用 mcs51系列單片機主要有三種型號的產(chǎn)

41、品：8031、8051和8751。三種型號的引腳完全相同，僅在內部結構上有少數(shù)差異。8031片內無rom，適用于需擴展rom，可在現(xiàn)場修改和更新程序存儲器的應用場合，其價格低，使用靈活，非常適合在我國使用。此次作業(yè)使用的是8031芯片。 一、8031單片機的基本特性 8031單片機具有以下幾個特點： （1）具有功能很強的8位中央處理單元（cpu）； （2）片內有時鐘發(fā)生電路（6mh或12mh）、每執(zhí)行一條指令時間為 或 ； （3）片內具有128字節(jié)的ram； （4）具有21個特殊寄存器。 （5）可擴展64k字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64k字節(jié)的外部程序存儲器； （6）具有4個i/o口，32根i/o

42、線； （7）具有2個16位定時器/計數(shù)器； （8）具有5個中斷源，配備2個中斷優(yōu)先級； （9）具有一個全雙功串行接口； （10）具有位尋址能力，適用邏輯運算。 從上述特性可以看出這種8031芯片集成度高、功能強，只需增加少量外圍器件就可以構成一個完整的微機系統(tǒng)。 二、8031芯片引腳及其功能 8031芯片具有40根引腳，其引腳圖如下。   40根引腳按其功能可以分為四類： 1. 電源線 2根。 2. vcc：編程和正常操作時的電源電壓，接+5v。vss：地電平。2.晶體振蕩器 2根。xtal1：振蕩器的反向放大器輸入。使用外部振蕩器時必須接地。 xtal2：振蕩器的反向放大

43、器輸出和內部時鐘發(fā)生器的輸入。當使用外部振蕩器時用于輸入外部震蕩信號。 3.i/o口 共有p0、p1、p2、p3四個8位口，32根i/o線，其功能如下： （1）p0.0p0.7（ad0ad7） 是i/o端口0的引腳。端口0是一個8位漏極開路的雙向i/o端口。在存取外部存儲器時，該端口分時地用作低8位的地址線和8位雙向的數(shù)據(jù)端口（在此時內部上拉電阻有效）。 （2）p1.0p1.7端口1的引腳，是一個帶內部上拉電阻的8位雙向i/o通道，專供用戶使用。 （3）p2.0p2.7（a8a15） 端口2的引腳。端口2是一個帶內部上拉電阻的8位雙向i/o口，在訪問外部存儲器時，它輸出高8位地址a8a15。

44、（4）p3.0p3.7 端口3的引腳。端口3是一個帶內部上拉電阻的8位雙向i/o口，該口的每一位均可獨立地定義第一i/o口功能或第二i/o口功能。作為第一功能使用時，口的結構與p1操作與口完全相同，第二功能如下所示： 口引腳               第二功能 p3.0               rxd (串行輸入口) p3.1

45、60;               txd (串行輸出口) p3.2                int0 (外部中斷) p3.3               int1 (外部中斷) p3.4

46、60;              t0 (定時器0外部輸入) p3.5                t1 (定時器1外部輸入) p3.6             wr (外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） p3.7   

47、            rd (外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通) 由上看出，8031單片機不是將地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線分開，而是地址線、數(shù)據(jù)線和部分控制均由i/o口完成。 4.控制線（1）psen：程序存儲器的使能引腳，是外部程序存儲器的選通信號，低電平有效。從外部程序存儲器取數(shù)時，在每個機器周期內二次有效。 （2）ea/vpp：ea為高電平時，cpu執(zhí)行內部程序存儲器的指令。ea為低電平時，cpu僅執(zhí)行外部程序存儲器的指令。因為8031芯片沒有內部程序存儲器，所以ea必須接地。 （3）ale/pr

48、og：ale是地址鎖存器使能信號。作為地址鎖存允許時高電平有效。因為p1端口是分時傳送數(shù)據(jù)和低8位地址。所以訪問外部存儲器時，ale信號鎖存低8位地址。即使在不訪問外部存儲器時，也以1/6振蕩頻率的固定頻率產(chǎn)生ale，因此可以用它作為外部的時鐘信號。ale主要是提供一個定時信號，在從外部程序存儲器取指令時，把p0口的低位地址字節(jié)鎖存到外接的地址鎖存器中。 （4）rst/vpd：是復位/備用電源端。在振蕩器運行時，使rst引腳至少保持兩個機器周期為高電平，可實現(xiàn)復位操作，復位后程序計數(shù)器清零，即程序從0000h單元開始執(zhí)行。在vcc關斷前加上vpd（掉電保護）ram的內容將不變。 三、8031芯

49、片內部的存儲器結構及地址分配 8031芯片內部無程序存儲器，只有256 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，地址從00h7fh，其地址分配如下：  8031芯片內部256字節(jié)的空間被分成兩部分，其中內部數(shù)據(jù)存儲器（ram）地址為00h7fh，特殊功能寄存器（sfr）的地址為80hffh。 在內部數(shù)據(jù)存儲器中的00h1fh為四個工作寄存器區(qū)，其中：   0區(qū)  00h07h    1區(qū)  08h0fh     2區(qū)  10h17h     3區(qū)  18h1fh  每個區(qū)都有8

50、個8位寄存器r0r7?？梢杂脕頃捍孢\算的中間結果，以提高運算速度。其中的r0和r1還可以用來存放8位地址。要確定采用哪個工作寄存器區(qū)，可通過標志寄存器psw中的rs0、rs1兩位來指定。     從20h2fh是“位尋址”空間。在此空間中，cpu既可對其執(zhí)行按字節(jié)操作，又可對其中每個單元的8位二進制代碼執(zhí)行按位的操作。 從30h7fh是可以按字節(jié)尋址的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在此區(qū)域中可以設置堆棧。由于8031復位后堆棧指針sp指向工作寄存器區(qū)（即sp=07h），所以用戶必須在初始化程序中對sp設置30h以后的地址區(qū)間為初值。 8031芯片內部沒有程序存儲器，且僅有128字節(jié)

51、的數(shù)據(jù)存儲器，因而再組成控制系統(tǒng)時可根據(jù)需要擴展外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器。由于地址線是16位的，故最多能擴展64kb程序存儲器和64kb數(shù)據(jù)存儲器，其地址均為0000hffffh，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器為獨立編址；因此eprom和ram的地址分配比較自由，編程時不必考慮地址沖突問題。 5.3 存儲器擴展電路設計址沖突問題。mcs51的程序存儲器的尋址空間為64k字節(jié)，8031片內不帶rom，用作程序存儲器的器件是eprom。由于綜合作業(yè)設計要求擴展的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器必須大于等于16kb，所以在此選取程序存儲器為一片27128數(shù)據(jù)存儲器為兩片6264。 5.3.1、程序存儲器的擴展

52、 1、27128芯片的結構及工作方式  27128芯片為28腳雙列直插式扁平封裝芯片，其引腳排列如下圖：圖中vpp是編程電壓端，pgm是編程控制端，oe是輸出使能端，cs是片選端，它們均為低電平有效。下表是eprom工作方式選擇。表中vih表示輸入高電平，vil表示輸入低電平，芯片的數(shù)據(jù)引腳是三態(tài)的，當芯片未選中，即cs是高電平時，它們處于高阻狀態(tài)，不會影響其他芯片輸出狀態(tài)。而當cs和oe均為低電平時，芯片被選中，其存儲內容從數(shù)據(jù)端輸出，即處于dout狀態(tài)。在編程時，從數(shù)據(jù)輸入要存儲的信息，數(shù)據(jù)引腳處于數(shù)據(jù)輸入din狀態(tài)。編程時pgm必須為低，使數(shù)據(jù)寫入芯片。 類型 ce&

53、#160;oe vpp vcc oe/vpp pgm 輸出27128 引腳號   讀 維    持 編    程 編程檢驗 編程禁止 （20） vil vih vil vil vih （22）   vil 任意 vih vil vih （1）   vcc   vcc  vpp  vpp  vpp （28） vcc vcc vcc vcc vcc  

54、 （1113，1519） dout 高阻 din dout 高阻  2、地址鎖存器     由于單片機8031芯片的p0口是分時傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線，故8031擴展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。在此選用的地址鎖存器芯片是74ls373。74ls373是帶三態(tài)緩沖輸出的8d觸發(fā)器，其引腳及與8031芯片連接見下圖： e g d q    l h h h    l h l l  &

55、#160; l l x q  上表是74ls373的真值表，表中：       l低電平；       h高電平；      x不定態(tài)；       q0建立穩(wěn)態(tài)前q的電平；      g輸入端，與8031ale連高電平：暢通無阻低電平：關門鎖存。圖中 oe使能端，接地。     

56、; 當g=“1”時，74ls373輸出端1q8q與輸入端1d8d相同；     當g為下降沿時，將輸入數(shù)據(jù)鎖存。 3、8031與eprom芯片的連接  （1）地址線的連接   eprom低8位地址線a0a7經(jīng)地址鎖存器與8031的p0口相連；eprom高8位地址線a8a15直接與8031的p2口相連。由于8031的p0口是分時輸出低8位地址和數(shù)據(jù)，故要外接地址鎖存器，并由cpu發(fā)出的地址允許鎖存信號ale的下降沿將地址信息鎖存入地址鎖存器中。如外接存儲器芯片內有地址鎖存器，則單片機cpu的p0口可與存儲器低8位地址線直接相連，但仍要將cpu的a

57、le信號與存儲器芯片ale端相連。單片機的p2口用作高位地址線及片選地址線，由于p2口輸出具有鎖存的功能，故不必外加地址鎖存器。  （2）數(shù)據(jù)線的連接    存儲器的8位數(shù)據(jù)線d0d7與8031芯片的p0口p0。0p0。7直接相連， 單片機規(guī)定指令碼和數(shù)據(jù)都是由p0口讀入，數(shù)位對應相連即可。  （3）控制線的連接   8031芯片的psen與eprom芯片的oe端相連。   8031芯片ea接地，cpu執(zhí)行外部程序存儲器的指令。   8031芯片ale接地址鎖存器74ls373的g端。 5.3.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴展

58、 由于8031芯片內部ram只有128字節(jié)，遠遠不能滿足系統(tǒng)的需要，需擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器（ram）。 1、數(shù)據(jù)存儲器的選用根據(jù)綜合設計的要求需擴展16kb的數(shù)據(jù)存儲器，所以在此選取了兩片6264芯片，它采用cmos工藝，采用28腳雙列直插式扁平封裝。 2、8031與外部數(shù)據(jù)存儲器芯片的連接    單片機cpu與外部數(shù)據(jù)存儲器的連接方法和與程序存儲器連接方法大致相同。唯控制線的連接不同：ram讀入信號oe與8031芯片的rd引腳相連；ram的寫輸入信號we與8031芯片wr相連。5.3.3 譯碼電路設計 8031單片機允許擴展64kb程序存儲器和64kb數(shù)據(jù)存儲器，這樣就需

59、要擴展多個外圍芯片，因而需要把外部地址空間分配給這些芯片，并且使程序存儲器各芯片之間、數(shù)據(jù)存儲器各芯片之間地址互相不重疊，以使單片機訪問外部存儲器時，避免發(fā)生沖突。所以需選用譯碼電路。 對于容量較大的系統(tǒng)，擴展的外圍芯片較多，芯片所需的片選信號多于可利用的地址線時，就需要用這種全地址譯碼的方法。它將低位地址作為片內地址，而用譯碼器對高位地址進行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。因為這種地址編碼的方法，除了片內地址線以外，剩余的高位地址線全部參加譯碼，故稱為全地址譯碼。 在此選用了38譯碼器（74ls138），輸入占用3根最高位地址線，剩余的13根低位地址線可作為片內地址線。74ls138

60、譯碼器的8根輸出線分別對應8個8k字節(jié)的地址空間。5.4 i/o接口電路及輔助電路設計 8031單片機共有4個8位并行i/o口，但可供用戶使用的只有p1口和部分p3口，因此，在大部分應用系統(tǒng)中都需要擴展i/o芯片。在此選用了8255芯片和8279芯片。 一、8255可編程接口芯片 8255是可編程輸入/輸出接口芯片，它具有3個8位的并行i/o口，分別為pa、pb、pc口，其中pc口又分為高4位和低4位，它們都可以通過軟件編程來改變i/o口的工作方式。8255芯片可與8031直接接口。 其引腳功能見下表： 引腳 含義  引腳 含義  &

61、#160; d0d7 pa0pa7 pb0pb7 pc0pc7 a0、a1 rd 數(shù)據(jù)線 a口 b口 c口 地址線 讀  wr ce reset gnd vcc 寫 片選 復位 地 電源  二、鍵盤顯示接口電路 1.顯示器工作原理 在此選用的是led顯示器，它是由8個發(fā)光二極管組成，當發(fā)光二極管導通時，相應的一個點或一個筆畫發(fā)亮?？刂撇煌M合的二極管導通，就能顯示出各種字符。 微機控制系統(tǒng)電路原理圖經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)電路原理圖，它是用mcs51系列單片機組成的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用8031作cpu，擴展了一片27128芯片、兩片6264芯片、一片8255芯片和一片8279芯片構成的。 2.控制系統(tǒng)的功能 （1）z向和x向進給伺服運動 （2