小型數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目 ： 小型數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專 業(yè) ： 自動化（數(shù)控技術(shù)應(yīng)用） 班 級 ： 學(xué) 號 ： 學(xué)生姓名 ： 指導(dǎo)教師 ： 起迄日期 ： 設(shè)計(jì)地點(diǎn) ： I 摘 要 本文扼要的介紹了數(shù)控工具磨床的組成、控制方式。提出了未知參數(shù)螺旋齒刀具的數(shù)控刃磨方法，并著重介紹了這種數(shù)控控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用 8031作主 CPU，控制整 個(gè)工具磨床的工作。主 CPU擴(kuò)展了外部程序存儲器 27256和數(shù)據(jù)存儲器 6264，外部程序存儲器存儲系統(tǒng)程序，數(shù)據(jù)存儲器存儲加工程序和數(shù)控系統(tǒng)處理的中間數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)了掉電保護(hù)電路。另選用 89C2051 作為從CPU，控制多排多位的八段數(shù)碼管的動態(tài)顯示。 8031發(fā)出的步進(jìn)電機(jī)脈沖信號經(jīng)鎖存器輸出，控制各電機(jī)的進(jìn)給。用 8155擴(kuò)展一矩陣式鍵盤，同時(shí)用 8255擴(kuò)展開關(guān)量輸入輸出接口電路。此外，還設(shè)計(jì)了未知參數(shù)螺旋齒刀具參數(shù)測量及自動刃磨控制軟件。在本設(shè)計(jì)的軟硬件基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的研究，開發(fā)出用于數(shù)控工具磨床的控制系統(tǒng)，同 工具磨床相配套，可解決未知參數(shù)螺旋齒刀具的自動刃磨問題。 關(guān)鍵詞： 螺旋齒刀具；數(shù)控工具磨床；控制系統(tǒng)；軟硬件設(shè)計(jì) II ABSTRACT In this paper, the constitution and the control strategy of NC tool grinding machine introduced, the principle of cutter milling process for unknown parameter screw gear is brought forward, then emphasize introduced the software and hardware for this kind of numerical control system. A typical MCU, 8031, was used as the host CPU to control the whole function of tool Grinding Machine; 27256, an external program memory, is used to Storage the system program, and 6264, an external data memory, is used to store the process program and the middle data of numerical control system. Power failure function is also provided. In addition, an 89C2051 is selected as the slave CPU to control the display of LED. pulse signals generated by the host CPU,8031, was send to the step motor through the D to control the feeding movement of each motor. The keyboard function is achieved with a programmable parallel interface, 8155 and I/O interface of the NC system was realized with an 8255. Further more, parameter measurement and atuo-milling software for the unknown parameter spiral tooth machine tool is finished and the NC control system is developed to solve the automatic grinding problem of unknown parameter spiral tooth cutting tool. Keyword： Screw gear cutter; NC tool grinder; Control system; software and hardware III 目 錄 第一章 緒論 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 任務(wù)及要求 . 2 1.3 數(shù)控工具磨床傳動系統(tǒng)的組成 . 2 1.4 數(shù)控工具磨床傳動系統(tǒng)的控制 . 2 1.5 本文的結(jié)構(gòu) . 4 第二章 數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) . 5 2.1 設(shè)計(jì)方案的擬定 . 5 2.1.1 控制系統(tǒng)主 CPU的選擇 . 5 2.1.2 總體設(shè)計(jì)思路 . 6 2.2 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路設(shè)計(jì) . 7 2.2.1 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) . 7 2.2.2 復(fù)位電路設(shè)計(jì) . 8 2.3 控制系統(tǒng) 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) . 9 2.3.1 程序 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) . 9 2.3.2 數(shù)據(jù) 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) . 11 2.4 顯示電路設(shè)計(jì) . 12 2.4.1 顯示方式的選擇 . 13 2.4.2 從 CPU 的選擇 . 13 2.4.3 數(shù)字動態(tài)顯示電路設(shè)計(jì) . 16 2.4.4 字母靜態(tài)顯示電路設(shè)計(jì) . 18 2.5 手動鍵盤和編輯鍵盤電路設(shè)計(jì) . 18 2.5.1 鍵盤接口芯片的選擇 . 18 2.5.2 手動鍵盤電路設(shè)計(jì) . 18 2.5.3 編輯鍵盤電路設(shè)計(jì) . 20 2.6 開關(guān)量輸入輸出與工作方式選擇接口電路設(shè)計(jì) . 20 2.6.1 接口電路芯片選擇 . 20 2.6.2 開關(guān)量輸入輸出接口電路設(shè)計(jì) . 22 2.6.3 工作方式選擇接口電路設(shè) 計(jì) . 23 2.7 步進(jìn)電機(jī)脈沖信號輸出接口電路設(shè)計(jì) . 23 2.8 譯碼電路設(shè)計(jì) . 24 第三章 數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) . 26 IV 3.1 測量方式控制軟件設(shè)計(jì) . 26 3.2 磨削方式控制軟件設(shè)計(jì) . 27 第四章 控制系統(tǒng)電路原理圖與 PCB 圖的繪制 . 30 4.1 控制系統(tǒng)原理圖的繪制 . 30 4.1.1 原理圖的設(shè)計(jì)步驟 . 30 4.1.2 繪制 原理圖 . 30 4.2 控制系統(tǒng) PCB圖的繪制 . 31 4.2.1 PCB 圖設(shè)計(jì)步驟 . 31 4.2.2 元 器 件的封裝說明 . 32 4.2.3 小型數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng) PCB 圖 . 32 第五章 結(jié)論 . 33 5.1 論文總結(jié) . 33 5.2 感想 . 34 致謝 . 35 參考文獻(xiàn) . 36 附錄 A： 英文資料 . 37 附錄 B： 英文資料翻譯 . 46 附錄 C： 硬件電路原理圖與 PCB 圖 . 53 附錄 D： 硬件元器件清單 . 55 附件： 畢業(yè)論文光盤資料 1 第一章 緒論 1.1 引言 隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)競爭的日益激烈，產(chǎn)品更新速度越來越快，復(fù)雜形狀的零件越來越多，精度要求越來越高，多品種、中小批量生產(chǎn)的比重明顯增加。激烈的市場競爭使產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期越來越短。傳統(tǒng)的加工設(shè)備和制 造方法已難于適應(yīng)這種多樣化、柔性化與復(fù)雜形狀零件的高效高質(zhì)量加工要求。因此近幾十年來，世界各地十分重視發(fā)展能有效解決復(fù)雜、精密、小批多變零件的數(shù)控加工技術(shù)，在加工設(shè)備中大量采用微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)控技術(shù)。目前，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，它集成了微電子、計(jì)算機(jī)、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術(shù)與一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點(diǎn)，對制造業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。 目前生產(chǎn)的機(jī)械產(chǎn)品發(fā)生改變時(shí)，普通機(jī)床與工藝裝備均需作相應(yīng)的變換和調(diào)整。通用機(jī)床的自動化程度不 高，基本上由人工操作，難于提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量，特別是一些曲線、曲面輪廓組成的復(fù)雜零件，只能借助靠模和仿形機(jī)床，或者借助劃線和樣板用手工操作的方法來加工，加工精度和生產(chǎn)效率受到很大的限制。數(shù)控機(jī)床就是為了解決單件、小批量、特別是復(fù)雜型面零件加工的自動化并保證質(zhì)量要求而產(chǎn)生的，它為單件、小批生產(chǎn)的精密復(fù)雜零件提供了自動化加工手段。數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)有：（ 1）加工對象改型的適應(yīng)性強(qiáng)，（ 2）加工精度高，（ 3）生產(chǎn)效率高，（ 4）自動化程度高，（ 5）良好的經(jīng)濟(jì)效益，（ 6）有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。 眾所周知，機(jī)床是受 固定資產(chǎn)投資影響較大的投資類產(chǎn)品。在目前國 內(nèi)固定資產(chǎn)投資大幅增加的情況下，為機(jī)床行業(yè)的發(fā)展提供了又一次難得的機(jī)遇。其中 數(shù)控磨床是很多行業(yè)精密生產(chǎn)加工必備的設(shè)備，尤其是隨著客戶對產(chǎn)品的加工精度及交換時(shí)間要求越來越嚴(yán)格的情況下，各行業(yè)對數(shù)控磨床的采購及使用逐年增加。所以這就使得數(shù)控磨床成為不僅是技術(shù)先進(jìn)，也要是一種經(jīng)濟(jì)上合理的機(jī)床。 磨削加工是零件加工和超精加工的一種主要切削加工方法。在磨床上采用各種類型的磨具，可以完成內(nèi)外圓柱面、平面、螺旋面、花鍵、齒輪、導(dǎo)軌和成形面等各種表面的加工。它初能磨削普通材料外，還 常適用于一般刀具難以切削的高硬度材料的加工，如淬硬鋼、硬質(zhì)合金和各種寶石等，應(yīng)用十分廣泛。 機(jī)械加工的高精度不光取決與數(shù)控機(jī)床的高精度，還受刀具的精度有關(guān)。無論在何種切削條件下，刀具都將有磨損，其磨損量都將隨時(shí)間的增長而增長。所 2 以在磨損量超過允許范圍時(shí)，需要進(jìn)行對刀具的刃磨。而圓柱形銑刀、立銑刀及螺旋齒絞刀這類刀具的刃磨一般是在工具磨床上借助附件手工操作，根據(jù)火花判斷砂輪與刀齒接觸與否，憑手感掌握吃刀深度，而且一個(gè)刀齒必須一次連續(xù)刃磨完成。因此，對操作者的要求很高，且難以保證刃磨質(zhì)量，刃磨效率低。而工廠內(nèi)講 究的就是效率與精度，鑒于以上情況，研制一種能刃磨多種刀具的小型經(jīng)濟(jì)型數(shù)控工具磨床，刃磨未知參數(shù)螺旋齒刀具是十分重要的。 綜上所述，設(shè)計(jì)一個(gè)小型數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)，裝備工具磨用來刃磨未知參數(shù)螺旋齒刀具十分必要。 1.2 任務(wù)及要求 設(shè)計(jì)一種小型經(jīng)濟(jì)型數(shù)控工具磨床，其主要要來刃磨未知參數(shù)螺旋齒刀具，也可以刃磨其他刀具。設(shè)計(jì)出的工具磨床控制系統(tǒng)必須具備足夠的存儲空間，用來存儲系統(tǒng)程序和加工程序?？刂葡到y(tǒng)要具備人機(jī)交互能力，所以需設(shè)計(jì)顯示電路和鍵盤掃描電路?？刂葡到y(tǒng)要控制步進(jìn)電機(jī)工作，要設(shè)計(jì)電機(jī)脈沖輸出電路。要 設(shè)計(jì)出多種工作方式的選擇電路，并按照實(shí)際磨床工作要求擴(kuò)展 I/O口，按照數(shù)控工具磨床工作要求進(jìn)行小型數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 。 1.3 數(shù)控工具磨床傳動系統(tǒng)的組成 小型數(shù)控工具磨床的機(jī)械部分的傳動原理圖如圖 1.1所示。其中， X、 Z軸為工作臺橫、縱向運(yùn)動； Y軸為磨頭升降運(yùn)動； C軸為刀具（工件）旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。通過手動可以調(diào)整磨頭繞 Y軸運(yùn)動；砂輪及刀具的上仰、下俯；刀具變速箱在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動。 1.4 數(shù)控工具磨床傳動系統(tǒng)的控制 數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)由輸入 /輸出裝置、數(shù)控裝置、傳動系統(tǒng)（驅(qū)動控制裝置）、機(jī)床電器控制裝 置四部分組成，工具磨床本體為被控對象。 數(shù)控裝置即 CNC 裝置，是數(shù)控系統(tǒng)的核心，其硬件和軟件控制著全部數(shù)控功能的實(shí)現(xiàn)，它與數(shù)控的其他部分通過接口相連，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)組成的控制器。 輸入 /輸出裝置包括輸入 /輸出接口和輸入 /輸出設(shè)備。輸入 /輸出接口是計(jì)算機(jī)和機(jī)床之間聯(lián)系的橋梁和通道，數(shù)控系統(tǒng)對機(jī)床進(jìn)行自動控制所需要的各種外部控制信息及加工數(shù)據(jù)都是通過輸入設(shè)備送人 CNC 裝置的存儲器中，作為控制的依據(jù)。一般輸入數(shù)控系統(tǒng)的零件加工程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)。因輸入設(shè)備不 3 同又有多種輸入方式：鍵盤輸入、計(jì)算機(jī) 通信輸入等。而數(shù)控系統(tǒng)工作過程中的狀態(tài)和數(shù)據(jù)一般通過顯示器和各種指示燈來向用戶顯示。 圖 1.1 傳動系統(tǒng)簡圖 1、 3、 8、 10步進(jìn)電機(jī) 2、 7、 11.滾球絲杠 4.變速箱 5.刀具 6.砂輪 9.工作臺 12 主電機(jī) 數(shù)控工具磨床的傳動系統(tǒng)是由步進(jìn)電機(jī)和滾軸絲杠組成。步進(jìn)電機(jī)的脈沖輸出分為兩種，一種是軟件環(huán)分，另一種是硬件環(huán)分。軟件環(huán)分是使用控制軟件對控制的電機(jī)各相分配時(shí)序，硬件環(huán)分是只輸出被控電機(jī)的脈沖信號，電機(jī)的相序分配又外部硬件來完成。由脈沖分配相序控制各電機(jī)的進(jìn) 給方向。 當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（ CNC）時(shí)，該數(shù)控系統(tǒng)就稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。目前，在市場上以 NC裝置為核心的硬件數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)日趨減少，取而代之的是以 CNC裝置為核心的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，并且絕大多數(shù) CNC裝置都是采用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。 1.5 本文的結(jié)構(gòu) 本文以單片機(jī)及其外部硬件擴(kuò)展電路的研發(fā)工程項(xiàng)目作為應(yīng)用背景，對現(xiàn)在 4 普通磨床數(shù)控改造技術(shù)進(jìn)行了研究。全文共分為五章，各章的主要內(nèi)容如下： 第一章扼要地介紹了數(shù)控技術(shù)的概念、特點(diǎn)，分析數(shù)控工具磨床目前的地位，介紹了設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求，講述了數(shù)控工具磨床的傳動 系統(tǒng)，并分析了數(shù)控系統(tǒng)的組成； 第二章 對小型數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，給出了 數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)討論了系統(tǒng)各部分電路的設(shè)計(jì)方法； 第三章研究了 數(shù)控工具磨床的刃磨工作原理，簡單的介紹了幾種數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)軟件，設(shè)計(jì)出測量方式控制軟件與磨削方式控制軟件的流程圖； 第四章講述了設(shè)計(jì)的原理圖與 PCB 圖的繪制方法，并結(jié)合自己繪圖時(shí)遇到的問題做了一些繪圖總結(jié)； 第五章總結(jié)了全文的研究工作，給出了存在的問題和進(jìn)一步研究的方向。 5 第二章 數(shù)控工具磨床控制 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)方案的擬定 根據(jù)任務(wù)書的要求和第一章對數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)的分析，已經(jīng)完全明白任務(wù)書的要求的含義?，F(xiàn)進(jìn)行小型數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，在制定設(shè)計(jì)方案前首先要選擇好數(shù)控系統(tǒng)的核心部分 CPU。 2.1.1 控制系統(tǒng)主 CPU 的選擇 目前小型經(jīng)濟(jì)型數(shù)控工具磨床都是采用 單片微型計(jì)算機(jī) 作為處理器。 單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)，是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)分支。它是在一塊大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路芯片上集成了 CPU、存儲器、 I/O 接口、定時(shí) /計(jì)數(shù)裝置等而構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)。隨著近年來微電子技術(shù)的飛速 發(fā)展，單片機(jī)的功能也日趨強(qiáng)大，在集成度、功能、性能、體系結(jié)構(gòu)上都有了飛速，已能集成一個(gè)完整的功能強(qiáng)大、性能優(yōu)良的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)的作用已經(jīng)超出了最初的工業(yè)控制領(lǐng)域而應(yīng)用到社會生活的各個(gè)方面，人們更傾向于稱單片機(jī)為微處理器或者微控制器。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到 2005 年 6 月，全世界單片機(jī)的生產(chǎn)廠家有近 40 家，能生產(chǎn) 60 多個(gè)系列， 1200 多個(gè)型號，年產(chǎn)量近 24 億片。 MCS-51 系列中， 8031 單片機(jī)應(yīng)用最為廣泛。 8031 內(nèi)部沒有 ROM，需外擴(kuò)一程序存儲器。根據(jù)數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)的要求，需要有 32KB 程序存儲器 ，8051 內(nèi)部只有 4KB 程序存儲器，存儲空間仍需外擴(kuò)； 8031 具有價(jià)格低、功能強(qiáng)、使用靈活、開發(fā)方便等特點(diǎn)，同時(shí)也有足夠的輸入輸出口，所以適合于數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；另外本人對 8031 單片機(jī)比較熟悉，這樣在設(shè)計(jì)中遇到問題將會大大減少，開發(fā)周期也會縮短，所以選用 8031 單片機(jī)。 1. 8031 單片機(jī)的特點(diǎn) 1）具有功能很強(qiáng)的 8 位中央處理單元（ CPU）； 2）片內(nèi)有時(shí)鐘發(fā)生電路（ 12MHZ），每執(zhí)行一條指令的時(shí)間為 1 4s; 3）片內(nèi)具有 128 字節(jié)的 RAM； 4）具有 21 個(gè)特殊寄存器； 5）可擴(kuò)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(gè) I/O 口， 32 根 I/O 線； 7）具有 2 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； 8）具有 5 個(gè)中斷源，配備 2 個(gè)中斷優(yōu)先級； 9）具有一個(gè)全雙功串行接口； 6 10）具有位尋址能力，適合邏輯運(yùn)算。 從上述特性可以看出這種 8031 芯片集成度高、功能強(qiáng)，只需增加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng)。 2. 外部引腳的使用方法 制造工藝為 NMOS 的 MCS-51 單片機(jī)都采用 40 只引腳的雙列直插封裝（ DIP）方式， 8031 引腳如圖 2.1 所示。 I/O 口線： P0、 P1、 P2、 P3 共四個(gè) 8 位口；控制口線： PSEN（片外取指令控制）、 ALE（地址鎖存控制）、EA（片外存儲器選擇）、 RESET（復(fù)位控制）；電源及時(shí)鐘： Vcc（接 +5V電源）、 Vss（接地）； XTAL1 和 XTAL2 接外部晶體振蕩器。 當(dāng) 8031 單片機(jī)外擴(kuò)程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器或輸入輸出端口時(shí)，外部芯片需要 8031 為其提供地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線，如圖 2.2 所示。地址總線（ AB）寬度為 16 位，可訪問 64KB 的外部程序存儲器和 64KB的外部數(shù)據(jù)存儲器。低 8 位地址總線（ A0 A7）由 P0 口經(jīng)地址鎖存器鎖存后提 供，高 8 位地址總線（ A8 A15）直接由 P2 口提供。數(shù)據(jù)總線寬度為 8 位 ,由 P0 口提供。控制總線（ CB）由 P3 口的第二功能狀態(tài)和 4 根獨(dú)立的控制線 RESET、 EA、 ALE 和 PSEN 組成。這樣就可以將 8031 接入到一個(gè)控制系統(tǒng)中去了。 圖 3.2 8031 引腳圖 圖 3.3 8031 片外總線結(jié)構(gòu) 圖 2.1 8031 引腳圖 圖 2.2 單片機(jī)的片外總線 2.1.2 總體設(shè)計(jì)思路 本人的設(shè)計(jì)方案是：采用 8031 單片機(jī)做主 CPU，片外擴(kuò)展 32K 程序存儲器和 8K 數(shù)據(jù)存儲器，程序存儲器采用 27256 芯片，數(shù)據(jù)存儲器采用 6264 芯片；使用一個(gè)從 CPU，用來控制五排 LED 數(shù)碼管進(jìn)行動態(tài)顯示的，這五排數(shù)碼管分 7 別顯示的是功能字后的數(shù)字、 X 軸坐標(biāo)、 Y 軸坐標(biāo)、 Z 軸坐標(biāo)和 C 軸的角度；編輯鍵盤用 8155 擴(kuò)展，把剩下的并行口作擴(kuò)展的 I/O 口接刀具種類選擇開關(guān)；并再用 8255 兩個(gè)口擴(kuò)展若干開關(guān)量輸入輸出信號接口，這些信號的輸入輸出都要經(jīng)過光電耦合器來進(jìn)行抗干擾， 8255 的另一個(gè)口用來作為工作方式選擇的接口；經(jīng) 8031 輸出的 X 軸、 Y 軸、 Z 軸、 C 軸步進(jìn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)脈沖 信號經(jīng)鎖存器鎖存后輸出，其余的還需設(shè)計(jì)一些復(fù)位電路，掉電保護(hù)電路等，以保證整個(gè)控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，這就是小型數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。 具體的硬件構(gòu)成框圖如圖 2.3 所示： 圖 2.3 硬件構(gòu)成框圖 2.2 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 2.2.1 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì) 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)非常重要，時(shí)鐘電路是單片機(jī)的核心，小型數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)采用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式，單片機(jī) 8031 內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，反相放大器的輸入端為 XTAL1，輸出端為 XTAL2，外接晶振（或陶瓷諧振器）和電容組成振蕩器。振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率主要由晶振的頻率決定 ，設(shè)計(jì)電路如圖 2.4 所示。 在 XTAL1 和 XTAL2 兩端接上石英晶振和微調(diào)電容就可手動 鍵盤 CPU 27256 LED 顯示電路 6264 8155 鍵盤 刀具種類 選擇開關(guān) 74LS273 8255 光電耦合 至步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動 方式轉(zhuǎn)換開關(guān) 啟停電路 收發(fā)信號電路 8 構(gòu)成自激振蕩器。電容器 C1， C2 選擇大小是 30pF，它們有兩個(gè)作用，一是使振蕩器起振，二是對振蕩器的頻率 f起微調(diào)作用。振蕩頻率通常取 3MHz至 24MHz范圍內(nèi)。本人設(shè)計(jì)時(shí)使用的晶振頻率為 10MHz， 根據(jù)式 )2 5 6(12322 xfo scS M O D波特率可以算得 8031單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期的具體時(shí)間： 機(jī)器周期 =晶振頻率 12=6101012 =1.2 s 其中 :SMOD為波特率控制位； fosc為時(shí)鐘振蕩器頻率； x為定時(shí)器時(shí)間常數(shù)。 圖 2.4 時(shí)鐘及復(fù)位電路 2.2.2 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作 ,單片機(jī)在啟動運(yùn)行時(shí) ,都需要先復(fù)位 .它的作用是使 CPU 和系統(tǒng)中其他部件都處于一個(gè)確定的初始化狀態(tài) ,并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。 單片機(jī)復(fù)位后，程序計(jì)數(shù)寄存器 PC 初始化為 0000H，單片機(jī)從 0000H 地址單元開 始執(zhí)行程序。要使單片機(jī)可靠的復(fù)位，必須使 RST/VPD 引腳保持兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，一般上電復(fù)位時(shí)間需要大于 10ms。復(fù)位有上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù)位兩種：上電復(fù)位利用電容器充電來實(shí)現(xiàn)，上電瞬間， RC 電路充電， RST 引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要 RST 引腳端保持大于兩個(gè)機(jī)器周期以上的高 9 電平，就能使單片機(jī)有效復(fù)位，充電時(shí)間常數(shù)為 RC。本次設(shè)計(jì) 的小型數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)采用上電復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種復(fù)位電路。在 8031 復(fù)位端RESET 上接如圖 2.4 所示電路，電阻 R1 取 10k ，電容 C4 取 10uF；電阻R2 取 10k ，電容 C5 取 10uF；當(dāng)上電時(shí)，復(fù)位端 RESET 上出現(xiàn)高電平，在 RESET 引腳上出現(xiàn)兩個(gè)周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。圖 2.4 中復(fù)位按鈕 S42 被按下后，在 RESET 上出現(xiàn)高電平，使系統(tǒng)復(fù)位到初始化狀態(tài)；當(dāng)急停按鈕被按下，外部中斷 0 起作用，單片機(jī)響應(yīng)內(nèi)部中斷程序，并且在 RESET 引腳上也會產(chǎn)生高電平，使 8031 復(fù)位。這樣的設(shè)計(jì)符合控制系統(tǒng)硬件電路實(shí)際控制要求。 2.3 CPU 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 8031 單片機(jī)內(nèi)部沒有程序存儲 器，所以要外擴(kuò) 32K 程序存儲器，用來存放系統(tǒng)程序，這樣的存儲器要只可讀不可寫；再外擴(kuò) 8K 數(shù)據(jù)存儲器，用來存儲加工程序與中間處理數(shù)據(jù)。 2.3.1 程序 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 1. 程序存儲器芯片選擇 8031 片內(nèi)不帶 ROM，用作程序存儲器的器件是 EPROM，由于設(shè)計(jì)要求擴(kuò)展 32KB 程序存儲器。 EPROM 是可擦除、可編程只讀存儲器，小型工具磨床控制系統(tǒng)中，只需擴(kuò)展 32KB空間的程序存儲器，所以選用一片 27256（ 32K 8）芯片就可滿足要求。 圖 2.5 所示為 27256 芯片引腳。圖中， A0 A14 為地址線，可以計(jì) 算出存儲器的容量為 152 =32KB。D0 D7 為數(shù)據(jù)輸出線， CE 為片選端， OE 圖 2.5 27256 引腳圖 為 輸出允許端， Vpp 為編程電壓端， Vcc 為 +5V， GND 為地。 2. 程序存儲器擴(kuò)展電路 本設(shè)計(jì)擴(kuò)展的程序存儲器容量大于 256 字節(jié)，因此， EPROM 片內(nèi)地址線除了由 P0 口經(jīng)鎖存器提供低 8 位地址線外，還需由 P2 口提供若干地址線。 EPROM 所需地址線數(shù)決定于 EPROM 的容量，擴(kuò)展 32KB 的容量就得需要 15 根地址線，所需的高位地址線由 P2 口提供。 程序存儲器 擴(kuò)展電路如圖 2.6 所示，數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)外擴(kuò) 32KB程序存儲器 27256， 8031 的 P0 口經(jīng) 74LS373 鎖存器接 27256 的低 8 位地址線 A0 A7， 27256 的高 7 位地址線 A8 A14 接 8031 單片機(jī)的 P2.0 10 P2.6。 27256 的數(shù)據(jù)線 D0 D7 接在 8031 單片機(jī) P0 口上 ,ALE（允許地址鎖存）接鎖存器 CLK 端（ 11 腳）， 由于是分時(shí)使用，先輸出外部存儲器的低 8 位地址，故應(yīng)在外部加鎖存器將地址數(shù)據(jù)鎖存，地址鎖存信號用 ALE。然后， P0 口才作為數(shù)據(jù)口使用。 根據(jù)程序存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)，程序存儲器的 27256 的尋址范圍見表 2.1 表 2.1 程序存儲器地址表 地址線 地址 A15 A14 A13 A12 A11 A1 A0 0 0 0 0 0 0 0 0000H 0 0 0 0 0 0 1 0001H 0 0 0 0 0 1 0 0002H 0 1 1 1 1 1 0 7FFEH 0 1 1 1 1 1 1 7FFFH 圖 2.6 CPU 存儲器擴(kuò)展電路圖 11 2.3.2 數(shù)據(jù) 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 1. 數(shù)據(jù)存儲器芯片選擇 8031 單片機(jī)內(nèi)部有 128 個(gè)字節(jié)的 RAM，在小型數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng) 中僅靠片內(nèi) RAM 是不夠的，必須外擴(kuò)外部數(shù)據(jù)存儲器。常用的數(shù)據(jù)存儲器有靜態(tài) RAM（ SRAM）和動態(tài) RAM（ DRAM）兩類。 DRAM 一般用于存儲容量較大的系統(tǒng)中，而且 DRAM 需要刷新邏輯電路以保持?jǐn)?shù)據(jù)信息的不丟失，電路設(shè)計(jì)較復(fù)雜。雖然 DRAM 芯片具有容量大、功率低、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但它極易受干擾，對外界環(huán)境、工藝結(jié)構(gòu)、控制邏輯和電源質(zhì)量等的要求都很高。因此，本人設(shè)計(jì)的小型數(shù)控磨床控制系統(tǒng)選用 SRAM作為數(shù)據(jù)存儲器。 與 DRAM 相比， SRAM 無須考慮保持?jǐn)?shù)據(jù)而設(shè)置的刷新電路，故 擴(kuò)展電路較簡單。在 8031 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，最常用的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器 RAM 芯片有 6116（ 2K 8）和 6264（ 8K 8）兩種。任務(wù)書和設(shè)計(jì)的實(shí)際需要都是要求外擴(kuò) 8KB 數(shù)據(jù)存儲器，故 6264 芯片能滿足要求。 6264 是 8K 8 位靜態(tài)隨機(jī)存儲器芯片，采用 CMOS 工藝制作， 28 線雙直插式封裝，其引腳如圖 2.7 所示。 A0 A12 為片內(nèi) 13 位地址線； D0 D7 位 8 位數(shù)據(jù)線； CS1 和 CS2為片選端； OE、 WE 為讀、寫信號線 。 圖 2.7 6264 引腳圖 2. 數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展電路 本人設(shè)計(jì)電路圖如圖 2.6所示， 8031單片機(jī) P0口經(jīng)地址鎖存器 74LS373鎖存后， 6264 芯片低 8 位地址線 A0 A7 再與鎖存器 74LS373 鎖存輸出端相連，高 5 位地址線 A8 A12 與 8031 單片機(jī) P2.0 P2.4 直接相連；數(shù)據(jù)線 D0 D7直接 與 8031P0 口相連；片選信號 CS1 由8031 高位地址 P2.5 P2.7 經(jīng) 74LS138 地址譯碼提供；片選 CS2 保持高電平，這里采用了一個(gè)分壓電路，在 +5V 與地線之間接入兩個(gè)電阻 R10 和 R9，電阻 R10 取5.1K ，電阻 R9 取 10K ，如圖 2.8 所示， 圖 2.8 分壓電路 可以計(jì)算出圖中輸出的高電平 U=3.31V，所以這個(gè)分壓電路能提供較穩(wěn)定 12 的高電平輸入。 因?yàn)樵O(shè)計(jì) CPU 存儲器擴(kuò)展電路時(shí)，擴(kuò)展了數(shù)據(jù)存儲器 SRAM 和程序存儲器EPROM， EPROM 掉電后數(shù)據(jù)不會丟失，而且是可讀不可寫的。所以直接擴(kuò)展電路后沒有其他電路的設(shè)計(jì)； 而 SRAM 是隨機(jī) 靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器 6264，這種芯片掉電后就會丟掉所有的數(shù)據(jù)，為了使加工數(shù)據(jù)能夠掉電不丟失，就得接一個(gè)后備電源 ，以保證此芯片不失電，這種電路叫做掉電保護(hù)電路，如圖 2.9 所示。 圖 2.9 數(shù)據(jù)存儲器的掉電保護(hù)電路 根據(jù)數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)存儲器的 6264 的尋址范圍見表 2.2。 表 2.2 數(shù)據(jù)存儲器地址表 地址線 地址 A15 A14 A13 A12 A1 A0 1 0 1 0 0 0 A0OOH 1 0 1 0 0 A001H 1 0 1 1 1 0 BFFEH 1 0 1 1 1 1 BFFFH 2.4 顯示電路的設(shè)計(jì) 13 顯示電路主要是通過顯示器來實(shí)現(xiàn)的。目前社會上使 用的顯示器的種類多種多樣，有 CRT 顯示器、 LED 顯示器、 LCD 顯示器、輝光顯示器、熒光顯示器及投影顯示器等等。在機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中，常用 CRT 和 LED 顯示器，目前也出現(xiàn)了高性能的 LCD 顯示器，其中 LED 由于功耗較少、亮度強(qiáng)、控制簡單可靠。且價(jià)格很低，因此在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)和各種儀器儀表中廣泛使用。此次設(shè)計(jì)也將選用LED 顯示器 。 2.4.1 顯示方式的選取 本人設(shè)計(jì)的小型數(shù)控工具磨床控制系統(tǒng)需要五排顯示，包括功能代碼的數(shù)字， X 坐標(biāo)、 Y 軸坐標(biāo)、 Z 軸坐標(biāo)、 C 軸坐標(biāo)。功能字是字母，所以顯示功能字必須用 16 段數(shù)碼管，使用 數(shù)為 1 個(gè)；顯示數(shù)字和坐標(biāo)值用 8 段數(shù)碼管，一般機(jī)床的單位為 mm，磨床也不例外，范圍在 1 米內(nèi)，加上小數(shù)點(diǎn)后兩位和一位符號位，所以每軸需要顯示六位，共需要使用 30 個(gè) 8 段數(shù)碼管。 顯示方式又分為靜態(tài)顯示與動態(tài)顯示兩種，靜態(tài)顯示不占用 CPU 工作時(shí)間，但需要使用鎖存器進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存，而本設(shè)計(jì)中如果采用靜態(tài)顯示方式的話就需要使用 32 個(gè)鎖存器，這樣硬件電路大大復(fù)雜，而且會造成設(shè)計(jì)成本提高。此設(shè)計(jì)就是講究的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，所以本設(shè)計(jì)采用動態(tài)顯示方式，而動態(tài)顯示方式雖然可以減少硬件，但這種方式占用 CPU 時(shí)間較多，影響控制系統(tǒng)處理 其他數(shù)據(jù)的速度。所以決定使用一個(gè)從 CPU，專門用來控制顯示電路。顯示 CPU 主要是按照主 CPU 送來的顯示命令和顯示內(nèi)容，組成相應(yīng)的顯示信息，負(fù)責(zé)產(chǎn)生顯示器所需要的掃描信號，控制顯示器按規(guī)定的顯示方式顯示有關(guān)信息。 89C2051 將多功能的 8 位 CPU 與 FPEROM 結(jié)合在同一片芯片上，高度靈活且價(jià)格適宜。此次設(shè)計(jì)選用 89C2051 作顯示 CPU，控制顯示器顯示。 2.4.2 從 CPU 的選擇 89C2051 是由 ATMEL 公司推出的一種小型單片機(jī)，其主要特點(diǎn)為采用 Flash存儲器技術(shù)，降低了制造成本，其軟件、硬件與 MCS-51 完全兼容，其程序的電可擦寫特性，使得開發(fā)與試驗(yàn)比較容易。 89C2051 增加了在零頻下工作的靜態(tài)邏輯方式及兩種軟件可選的省電模式。其中，在閑置模式下， CPU 停止工作，但RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)仍然在工作。在掉電模式下，只保存RAM 的內(nèi)容，振蕩器停振，關(guān)閉芯片的所有其他功能，直到下一次硬件復(fù)位為止。 1. 89C2051 主要性能 1）與 MCS-51 產(chǎn)品兼容。 2） 2KB 的在線可重復(fù)編程快閃存儲器，壽命可達(dá) 1000 次寫 /擦除周期。 3）寬工作電壓范圍為 2.7V 6V。 14 4）全靜態(tài)工作方式： 0HZ 24MHZ。 5）兩級程序存儲器加密。 6） 128 8位 SRAM。 7） 15條可編程 I/O線。 8） 2個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。 9） 5個(gè)中斷源。 10）可編程串行通道。 11）可直接驅(qū)動 LED。 12）有片內(nèi)精密模擬比較器。 13）低功耗的閑置與掉電模式。 2. 89C2051 的引腳功能 如圖 2.10 所示， 89C2051 共 15 條 I/O 引腳， P1 口共 8 腳，準(zhǔn)雙向端口， P3 口共 7 腳，準(zhǔn)雙向端口，并且保留全部 P3 口的第二功能。P1 口：為雙向 8 位 I/O 端口。 P1.2 P1.7 引腳有內(nèi)部上拉電阻， P1.0 和 P1.1 需要外部上拉電阻。 P1.0 和 P1.1 還作為模擬比較的正輸入端和負(fù)輸入端，與片內(nèi)精密模擬比較器相連。 P1 口輸出緩沖器能吸收 20mA 灌入電流并可直接驅(qū)動 LED 顯示器。當(dāng)向端口 P1 寫入電平 “ 1” 時(shí)，可作為輸入引腳。因?yàn)?P1.2P1.7 有內(nèi)部上拉的作用，此時(shí)若有外電路作為輸入，引腳會向外灌電流（ IIL） 。 P1 口在快閃編程與校驗(yàn)功能中還承擔(dān)數(shù)據(jù)代碼接受任務(wù)。 圖 2.10 89C2051 引腳圖 P3 口： P3 口只有 7 位 P3.0 P3.5 和 P3.7 引腳具有內(nèi)部上拉電阻。 P3.6 為內(nèi)部比較器輸出，無外部引腳 。 2051 無 RD 和 WR 控制信號， P3.7 為一般 I/O 線。P3 口輸出緩沖器能吸收 20mA 灌入電流，當(dāng)向端口 P3 寫入電平 “ 1” 時(shí)，可用作輸入端口。因?yàn)閮?nèi)部上拉作用，當(dāng) P3 口有外部低電平輸入時(shí)，引腳向外產(chǎn)生灌電流（ IIL） 。 P3 口也提供 2051 的第二功能， 在我的設(shè)計(jì)中 89C2051 的 P1口、 P3 口只作為雙向 I/O 口使用，不使用 P3 口的第二功能。所以這里就不對 P3 口的第二功能做介紹了。 3 芯片工作電源 本人設(shè)計(jì)中的單片機(jī)工作電壓 +5V，由交流電壓經(jīng)變壓、整流、濾波得到。其中電源正與地線之間接入了大小為 0.1uF 的瓷片電容，這樣接的 15 原因是可以抗干擾。如圖 2.11 所示。 4. 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì) 外接晶體引腳 X