毕业设计（论文）-小型数控工具磨床控制系统设计.doc

南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文） 南京工程学院 自动化学院 本科毕业设计（论文）题目： 小型数控工具磨床控制系统设计 专 业： 自动化（数控技术应用） 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起迄日期： 设计地点： 41Graduation Design (Thesis)Control System Design for Small Tool GrinderByJU LeiSupervised byAssociate Prof. HUA MaofaDepartment of Automation EngineeringNanjing Institute of TechnologyJune, 2007摘 要 本文扼要的介绍了数控工具磨床的组成、控制方式。提出了未知参数螺旋齿刀具的数控刃磨方法，并着重介绍了这种数控控制系统的软硬件设计。本设计采用8031作主CPU，控制整个工具磨床的工作。主CPU扩展了外部程序存储器27256和数据存储器6264，外部程序存储器存储系统程序，数据存储器存储加工程序和数控系统处理的中间数据，并设计了掉电保护电路。另选用89C2051作为从CPU，控制多排多位的八段数码管的动态显示。8031发出的步进电机脉冲信号经锁存器输出，控制各电机的进给。用8155扩展一矩阵式键盘，同时用8255扩展开关量输入输出接口电路。此外，还设计了未知参数螺旋齿刀具参数测量及自动刃磨控制软件。在本设计的软硬件基础上做进一步的研究，开发出用于数控工具磨床的控制系统，同工具磨床相配套，可解决未知参数螺旋齿刀具的自动刃磨问题。关键词： 螺旋齿刀具；数控工具磨床；控制系统；软硬件设计ABSTRACTIn 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目 录第一章 绪论11.1 引言11.2 任务及要求21.3 数控工具磨床传动系统的组成21.4 数控工具磨床传动系统的控制21.5 本文的结构4第二章 数控工具磨床控制系统电路设计52.1 设计方案的拟定52.1.1 控制系统主CPU的选择5 2.1.2 总体设计思路62.2时钟电路和复位电路设计7 2.2.1 时钟电路设计7 2.2.2 复位电路设计82.3 控制系统存储器扩展电路设计9 2.3.1 程序存储器扩展电路设计9 2.3.2 数据存储器扩展电路设计112.4 显示电路设计12 2.4.1 显示方式的选择13 2.4.2 从CPU的选择13 2.4.3 数字动态显示电路设计16 2.4.4 字母静态显示电路设计182.5 手动键盘和编辑键盘电路设计18 2.5.1 键盘接口芯片的选择18 2.5.2 手动键盘电路设计18 2.5.3 编辑键盘电路设计202.6 开关量输入输出与工作方式选择接口电路设计20 2.6.1 接口电路芯片选择20 2.6.2 开关量输入输出接口电路设计22 2.6.3 工作方式选择接口电路设计232.7 步进电机脉冲信号输出接口电路设计232.8 译码电路设计24第三章 数控工具磨床控制系统软件设计263.1 测量方式控制软件设计263.2 磨削方式控制软件设计27第四章 控制系统电路原理图与PCB图的绘制304.1 控制系统原理图的绘制304.1.1 原理图的设计步骤304.1.2 绘制原理图304.2 控制系统PCB图的绘制314.2.1 PCB图设计步骤314.2.2 元器件的封装说明324.2.3 小型数控工具磨床控制系统PCB图32第五章 结论335.1 论文总结335.2 感想34致谢35参考文献36附录A：英文资料37附录B：英文资料翻译46附录C：硬件电路原理图与PCB图53附录D：硬件元器件清单55附件： 毕业论文光盘资料 第一章 绪论1.1 引言随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日益激烈，产品更新速度越来越快，复杂形状的零件越来越多，精度要求越来越高，多品种、中小批量生产的比重明显增加。激烈的市场竞争使产品研制生产周期越来越短。传统的加工设备和制造方法已难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效高质量加工要求。因此近几十年来，世界各地十分重视发展能有效解决复杂、精密、小批多变零件的数控加工技术，在加工设备中大量采用微电子技术和计算机技术为基础的数控技术。目前，数控技术正在发生根本性变革，它集成了微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术与一体，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。目前生产的机械产品发生改变时，普通机床与工艺装备均需作相应的变换和调整。通用机床的自动化程度不高，基本上由人工操作，难于提高生产效率和保证产品质量，特别是一些曲线、曲面轮廓组成的复杂零件，只能借助靠模和仿形机床，或者借助划线和样板用手工操作的方法来加工，加工精度和生产效率受到很大的限制。数控机床就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的，它为单件、小批生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。数控机床的优点有：（1）加工对象改型的适应性强，（2）加工精度高，（3）生产效率高，（4）自动化程度高，（5）良好的经济效益，（6）有利于生产管理的现代化。众所周知，机床是受固定资产投资影响较大的投资类产品。在目前国内固定资产投资大幅增加的情况下，为机床行业的发展提供了又一次难得的机遇。其中数控磨床是很多行业精密生产加工必备的设备，尤其是随着客户对产品的加工精度及交换时间要求越来越严格的情况下，各行业对数控磨床的采购及使用逐年增加。所以这就使得数控磨床成为不仅是技术先进，也要是一种经济上合理的机床。磨削加工是零件加工和超精加工的一种主要切削加工方法。在磨床上采用各种类型的磨具，可以完成内外圆柱面、平面、螺旋面、花键、齿轮、导轨和成形面等各种表面的加工。它初能磨削普通材料外，还常适用于一般刀具难以切削的高硬度材料的加工，如淬硬钢、硬质合金和各种宝石等，应用十分广泛。机械加工的高精度不光取决与数控机床的高精度，还受刀具的精度有关。无论在何种切削条件下，刀具都将有磨损，其磨损量都将随时间的增长而增长。所以在磨损量超过允许范围时，需要进行对刀具的刃磨。而圆柱形铣刀、立铣刀及螺旋齿绞刀这类刀具的刃磨一般是在工具磨床上借助附件手工操作，根据火花判断砂轮与刀齿接触与否，凭手感掌握吃刀深度，而且一个刀齿必须一次连续刃磨完成。因此，对操作者的要求很高，且难以保证刃磨质量，刃磨效率低。而工厂内讲究的就是效率与精度，鉴于以上情况，研制一种能刃磨多种刀具的小型经济型数控工具磨床，刃磨未知参数螺旋齿刀具是十分重要的。综上所述，设计一个小型数控工具磨床控制系统，装备工具磨用来刃磨未知参数螺旋齿刀具十分必要。1.2 任务及要求设计一种小型经济型数控工具磨床，其主要要来刃磨未知参数螺旋齿刀具，也可以刃磨其他刀具。设计出的工具磨床控制系统必须具备足够的存储空间，用来存储系统程序和加工程序。控制系统要具备人机交互能力，所以需设计显示电路和键盘扫描电路。控制系统要控制步进电机工作，要设计电机脉冲输出电路。要设计出多种工作方式的选择电路，并按照实际磨床工作要求扩展I/O口，按照数控工具磨床工作要求进行小型数控工具磨床控制系统设计。1.3 数控工具磨床传动系统的组成小型数控工具磨床的机械部分的传动原理图如图1.1所示。其中，X、Z轴为工作台横、纵向运动；Y轴为磨头升降运动；C轴为刀具（工件）旋转运动。通过手动可以调整磨头绕Y轴运动；砂轮及刀具的上仰、下俯；刀具变速箱在水平面内转动。1.4 数控工具磨床传动系统的控制数控工具磨床控制系统由输入/输出装置、数控装置、传动系统（驱动控制装置）、机床电器控制装置四部分组成，工具磨床本体为被控对象。数控装置即CNC装置，是数控系统的核心，其硬件和软件控制着全部数控功能的实现，它与数控的其他部分通过接口相连，实质上是一个微型计算机组成的控制器。输入/输出装置包括输入/输出接口和输入/输出设备。输入/输出接口是计算机和机床之间联系的桥梁和通道，数控系统对机床进行自动控制所需要的各种外部控制信息及加工数据都是通过输入设备送人CNC装置的存储器中，作为控制的依据。一般输入数控系统的零件加工程序、控制参数和补偿数据。因输入设备不同又有多种输入方式：键盘输入、计算机通信输入等。而数控系统工作过程中的状态和数据一般通过显示器和各种指示灯来向用户显示。 图1.1传动系统简图1、3、8、10步进电机 2、7、11.滚球丝杠 4.变速箱5.刀具 6.砂轮 9.工作台 12主电机数控工具磨床的传动系统是由步进电机和滚轴丝杠组成。步进电机的脉冲输出分为两种，一种是软件环分，另一种是硬件环分。软件环分是使用控制软件对控制的电机各相分配时序，硬件环分是只输出被控电机的脉冲信号，电机的相序分配又外部硬件来完成。由脉冲分配相序控制各电机的进给方向。当数控系统采用计算机数控装置（CNC）时，该数控系统就称为计算机数控系统。目前，在市场上以NC装置为核心的硬件数控系统已经日趋减少，取而代之的是以CNC装置为核心的计算机数控系统，并且绝大多数CNC装置都是采用微型计算机系统。1.5 本文的结构本文以单片机及其外部硬件扩展电路的研发工程项目作为应用背景，对现在普通磨床数控改造技术进行了研究。全文共分为五章，各章的主要内容如下：第一章扼要地介绍了数控技术的概念、特点，分析数控工具磨床目前的地位，介绍了设计的任务与要求，讲述了数控工具磨床的传动系统，并分析了数控系统的组成；第二章对小型数控工具磨床控制系统进行了研究，给出了数控工具磨床控制系统的设计方案，并详细讨论了系统各部分电路的设计方法；第三章研究了数控工具磨床的刃磨工作原理，简单的介绍了几种数控工具磨床控制系统软件，设计出测量方式控制软件与磨削方式控制软件的流程图；第四章讲述了设计的原理图与PCB图的绘制方法，并结合自己绘图时遇到的问题做了一些绘图总结；第五章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。 第二章 数控工具磨床控制系统电路设计2.1 设计方案的拟定根据任务书的要求和第一章对数控工具磨床控制系统的分析，已经完全明白任务书的要求的含义。现进行小型数控工具磨床控制系统的硬件电路设计，在制定设计方案前首先要选择好数控系统的核心部分CPU。2.1.1 控制系统主CPU的选择目前小型经济型数控工具磨床都是采用单片微型计算机作为处理器。单片微型计算机，简称单片机，是微型计算机的一个分支。它是在一块大规模或超大规模集成电路芯片上集成了CPU、存储器、I/O接口、定时/计数装置等而构成的微型计算机。随着近年来微电子技术的飞速发展，单片机的功能也日趋强大，在集成度、功能、性能、体系结构上都有了飞速，已能集成一个完整的功能强大、性能优良的计算机应用系统。单片机的作用已经超出了最初的工业控制领域而应用到社会生活的各个方面，人们更倾向于称单片机为微处理器或者微控制器。据不完全统计，到2005年6月，全世界单片机的生产厂家有近40家，能生产60多个系列，1200多个型号，年产量近24亿片。MCS-51系列中，8031单片机应用最为广泛。8031内部没有ROM，需外扩一程序存储器。根据数控工具磨床控制系统的要求，需要有32KB程序存储器，8051内部只有4KB程序存储器，存储空间仍需外扩；8031具有价格低、功能强、使用灵活、开发方便等特点，同时也有足够的输入输出口，所以适合于数控工具磨床控制系统的设计；另外本人对8031单片机比较熟悉，这样在设计中遇到问题将会大大减少，开发周期也会缩短，所以选用8031单片机。1. 8031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14s;3）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；10）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。2. 外部引脚的使用方法制造工艺为NMOS的MCS-51单片机都采用40只引脚的双列直插封装（DIP）方式，8031引脚如图2.1所示。I/O口线：P0、P1、P2、P3共四个8位口；控制口线：PSEN（片外取指令控制）、ALE（地址锁存控制）、EA（片外存储器选择）、RESET（复位控制）；电源及时钟：Vcc（接+5V电源）、Vss（接地）；XTAL1和XTAL2接外部晶体振荡器。当8031单片机外扩程序存储器、数据存储器或输入输出端口时，外部芯片需要8031为其提供地址总线、数据总线和控制总线，如图2.2所示。地址总线（AB）宽度为16位，可访问64KB的外部程序存储器和64KB的外部数据存储器。低8位地址总线（A0A7）由P0口经地址锁存器锁存后提供，高8位地址总线（A8A15）直接由P2口提供。数据总线宽度为8位,由P0口提供。控制总线（CB）由P3口的第二功能状态和4根独立的控制线RESET、EA、ALE和PSEN组成。这样就可以将8031接入到一个控制系统中去了。 图3.2 8031引脚图 图3.3 8031片外总线结构 图2.1 8031引脚图 图2.2 单片机的片外总线2.1.2 总体设计思路本人的设计方案是：采用8031单片机做主CPU，片外扩展32K程序存储器和8K数据存储器，程序存储器采用27256芯片，数据存储器采用6264芯片；使用一个从CPU，用来控制五排LED数码管进行动态显示的，这五排数码管分别显示的是功能字后的数字、X轴坐标、Y轴坐标、Z轴坐标和C轴的角度；编辑键盘用8155扩展，把剩下的并行口作扩展的I/O口接刀具种类选择开关；并再用8255两个口扩展若干开关量输入输出信号接口，这些信号的输入输出都要经过光电耦合器来进行抗干扰，8255的另一个口用来作为工作方式选择的接口；经8031输出的X轴、Y轴、Z轴、C轴步进电机正、反转脉冲信号经锁存器锁存后输出，其余的还需设计一些复位电路，掉电保护电路等，以保证整个控制系统的正常运行，这就是小型数控工具磨床控制系统的设计方案。具体的硬件构成框图如图2.3所示：手动键盘CPU27256LED显示电路62648155键盘刀具种类选择开关74LS2738255光电耦合至步进电机驱动方式转换开关启停电路收发信号电路 图2.3 硬件构成框图2.2 时钟电路和复位电路的设计2.2.1 时钟电路的设计时钟电路的设计非常重要，时钟电路是单片机的核心，小型数控工具磨床控制系统采用的是内部时钟方式，单片机8031内部有一个高增益反相放大器，反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，外接晶振（或陶瓷谐振器）和电容组成振荡器。振荡器产生的时钟频率主要由晶振的频率决定，设计电路如图2.4 所示。在XTAL1和XTAL2两端接上石英晶振和微调电容就可构成自激振荡器。电容器C1，C2选择大小是30pF，它们有两个作用，一是使振荡器起振，二是对振荡器的频率f起微调作用。振荡频率通常取3MHz至24MHz范围内。本人设计时使用的晶振频率为10MHz，根据式 可以算得8031单片机的一个机器周期的具体时间：机器周期=1.2s其中:SMOD为波特率控制位；fosc为时钟振荡器频率；x为定时器时间常数。图2.4 时钟及复位电路2.2.2 复位电路的设计复位是单片机的初始化操作,单片机在启动运行时,都需要先复位.它的作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始化状态,并从这个状态开始工作。单片机复位后，程序计数寄存器PC初始化为0000H，单片机从0000H地址单元开始执行程序。要使单片机可靠的复位，必须使RST/VPD引脚保持两个机器周期以上的高电平，一般上电复位时间需要大于10ms。复位有上电自动复位和按键手动复位两种：上电复位利用电容器充电来实现，上电瞬间，RC电路充电，RST引脚端出现正脉冲，只要RST引脚端保持大于两个机器周期以上的高电平，就能使单片机有效复位，充电时间常数为RC。本次设计的小型数控工具磨床控制系统采用上电复位和按钮复位两种复位电路。在8031复位端RESET上接如图2.4所示电路，电阻R1取10k，电容C4取10uF；电阻R2取10k，电容C5取10uF；当上电时，复位端RESET上出现高电平，在RESET引脚上出现两个周期的高电平将使单片机复位。图2.4中复位按钮S42被按下后，在RESET上出现高电平，使系统复位到初始化状态；当急停按钮被按下，外部中断0起作用，单片机响应内部中断程序，并且在RESET引脚上也会产生高电平，使8031复位。这样的设计符合控制系统硬件电路实际控制要求。2.3 CPU存储器扩展电路设计8031单片机内部没有程序存储器，所以要外扩32K程序存储器，用来存放系统程序，这样的存储器要只可读不可写；再外扩8K数据存储器，用来存储加工程序与中间处理数据。2.3.1 程序存储器扩展电路设计1. 程序存储器芯片选择8031片内不带ROM，用作程序存储器的器件是EPROM，由于设计要求扩展32KB程序存储器。EPROM是可擦除、可编程只读存储器，小型工具磨床控制系统中，只需扩展32KB空间的程序存储器，所以选用一片27256（32K8）芯片就可满足要求。图2.5所示为27256芯片引脚。图中，A0A14为地址线，可以计算出存储器的容量为 =32KB。D0D7为数据输出线，CE为片选端，OE 图2.5 27256引脚图为输出允许端，Vpp为编程电压端，Vcc为+5V，GND为地。2. 程序存储器扩展电路本设计扩展的程序存储器容量大于256字节，因此，EPROM片内地址线除了由P0口经锁存器提供低8位地址线外，还需由P2口提供若干地址线。EPROM所需地址线数决定于EPROM的容量，扩展32KB的容量就得需要15根地址线，所需的高位地址线由P2口提供。程序存储器扩展电路如图2.6所示，数控工具磨床控制系统外扩32KB程序存储器27256，8031的P0口经74LS373锁存器接27256的低8位地址线A0A7，27256的高7位地址线A8A14接8031单片机的P2.0P2.6。27256的数据线D0D7接在8031单片机P0口上,ALE（允许地址锁存）接锁存器CLK端（11脚），由于是分时使用，先输出外部存储器的低8位地址，故应在外部加锁存器将地址数据锁存，地址锁存信号用ALE。然后，P0口才作为数据口使用。根据程序存储器扩展电路设计，程序存储器的27256的寻址范围见表2.1表2.1 程序存储器地址表 地址线地址A15 A14 A13 A12 A11 A1 A00 0 0 0 0 0 0 0000H0 0 0 0 0 0 1 0001H0 0 0 0 0 1 0 0002H 0 1 1 1 1 1 0 7FFEH0 1 1 1 1 1 1 7FFFH图2.6 CPU存储器扩展电路图2.3.2 数据存储器扩展电路设计1. 数据存储器芯片选择8031单片机内部有128个字节的RAM，在小型数控工具磨床控制系统中仅靠片内RAM是不够的，必须外扩外部数据存储器。常用的数据存储器有静态RAM（SRAM）和动态RAM（DRAM）两类。DRAM一般用于存储容量较大的系统中，而且DRAM需要刷新逻辑电路以保持数据信息的不丢失，电路设计较复杂。虽然DRAM芯片具有容量大、功率低、价格便宜等优点，但它极易受干扰，对外界环境、工艺结构、控制逻辑和电源质量等的要求都很高。因此，本人设计的小型数控磨床控制系统选用SRAM作为数据存储器。与DRAM相比，SRAM无须考虑保持数据而设置的刷新电路，故扩展电路较简单。在8031单片机应用系统中，最常用的静态数据存储器RAM芯片有6116（2K8）和6264（8K8）两种。任务书和设计的实际需要都是要求外扩8KB数据存储器，故6264芯片能满足要求。6264是8K8位静态随机存储器芯片，采用CMOS工艺制作，28线双直插式封装，其引脚如图2.7所示。A0A12为片内13位地址线； D0D7位8位数据线；CS1和CS2为片选端；OE、WE为读、写信号线。 图2.7 6264引脚图2. 数据存储器扩展电路 本人设计电路图如图2.6所示，8031单片机P0口经地址锁存器74LS373锁存后，6264芯片低8位地址线A0A7再与锁存器74LS373锁存输出端相连，高5位地址线A8A12与8031单片机P2.0P2.4直接相连；数据线D0D7直接与8031P0口相连；片选信号CS1由8031高位地址P2.5P2.7经74LS138地址译码提供；片选CS2保持高电平，这里采用了一个分压电路，在+5V与地线之间接入两个电阻R10和R9，电阻R10取5.1K，电阻R9取10K，如图2.8所示， 图2.8 分压电路可以计算出图中输出的高电平U=3.31V，所以这个分压电路能提供较稳定的高电平输入。因为设计CPU存储器扩展电路时，扩展了数据存储器SRAM和程序存储器EPROM，EPROM掉电后数据不会丢失，而且是可读不可写的。所以直接扩展电路后没有其他电路的设计； 而SRAM是随机静态数据存储器6264，这种芯片掉电后就会丢掉所有的数据，为了使加工数据能够掉电不丢失，就得接一个后备电源，以保证此芯片不失电，这种电路叫做掉电保护电路，如图2.9所示。图2.9 数据存储器的掉电保护电路根据数据存储器扩展电路设计，数据存储器的6264的寻址范围见表2.2。表2.2 数据存储器地址表 地址线 地址A15 A14 A13 A12 A1 A01 0 1 0 0 0 A0OOH1 0 1 0 0 A001H 1 0 1 1 1 0 BFFEH1 0 1 1 1 1 BFFFH2.4 显示电路的设计显示电路主要是通过显示器来实现的。目前社会上使用的显示器的种类多种多样，有CRT显示器、LED显示器、LCD显示器、辉光显示器、荧光显示器及投影显示器等等。在机床数控系统中，常用CRT和LED显示器，目前也出现了高性能的LCD显示器，其中LED由于功耗较少、亮度强、控制简单可靠。且价格很低，因此在经济型数控系统和各种仪器仪表中广泛使用。此次设计也将选用LED显示器。2.4.1 显示方式的选取本人设计的小型数控工具磨床控制系统需要五排显示，包括功能代码的数字， X坐标、Y轴坐标、Z轴坐标、C轴坐标。功能字是字母，所以显示功能字必须用16段数码管，使用数为1个；显示数字和坐标值用8段数码管，一般机床的单位为mm，磨床也不例外，范围在1米内，加上小数点后两位和一位符号位，所以每轴需要显示六位，共需要使用30个8段数码管。显示方式又分为静态显示与动态显示两种，静态显示不占用CPU工作时间，但需要使用锁存器进行数据锁存，而本设计中如果采用静态显示方式的话就需要使用32个锁存器，这样硬件电路大大复杂，而且会造成设计成本提高。此设计就是讲究的经济型数控系统，所以本设计采用动态显示方式，而动态显示方式虽然可以减少硬件，但这种方式占用CPU时间较多，影响控制系统处理其他数据的速度。所以决定使用一个从CPU，专门用来控制显示电路。显示CPU主要是按照主CPU送来的显示命令和显示内容，组成相应的显示信息，负责产生显示器所需要的扫描信号，控制显示器按规定的显示方式显示有关信息。89C2051将多功能的8位CPU与FPEROM结合在同一片芯片上，高度灵活且价格适宜。此次设计选用89C2051作显示CPU，控制显示器显示。2.4.2 从CPU的选择89C2051是由ATMEL公司推出的一种小型单片机，其主要特点为采用Flash存储器技术，降低了制造成本，其软件、硬件与MCS-51完全兼容，其程序的电可擦写特性，使得开发与试验比较容易。89C2051增加了在零频下工作的静态逻辑方式及两种软件可选的省电模式。其中，在闲置模式下，CPU停止工作，但RAM、定时器/计数器、串行口和中断系统仍然在工作。在掉电模式下，只保存RAM的内容，振荡器停振，关闭芯片的所有其他功能，直到下一次硬件复位为止。1. 89C2051主要性能1）与MCS-51产品兼容。2）2KB的在线可重复编程快闪存储器，寿命可达1000次写/擦除周期。3）宽工作电压范围为2.7V6V。4）全静态工作方式：0HZ24MHZ。5）两级程序存储器加密。6）1288位SRAM。7）15条可编程I/O线。8）2个16位定时器/计数器。9）5个中断源。10）可编程串行通道。11）可直接驱动LED。12）有片内精密模拟比较器。13）低功耗的闲置与掉电模式。2. 89C2051的引脚功能如图2.10所示，89C2051共15条I/O引脚，P1口共8脚，准双向端口，P3口共7脚，准双向端口，并且保留全部P3口的第二功能。P1口：为双向8位I/O端口。P1.2P1.7引脚有内部上拉电阻，P1.0和P1.1需要外部上拉电阻。P1.0和P1.1还作为模拟比较的正输入端和负输入端，与片内精密模拟比较器相连。P1口输出缓冲器能吸收20mA灌入电流并可直接驱动LED显示器。当向端口P1写入电平“1”时，可作为输入引脚。因为P1.2P1.7有内部上拉的作用，此时若有外电路作为输入，引脚会向外灌电流（IIL）。P1口在快闪编程与校验功能中还承担数据代码接受任务。 图2.10 89C2051引脚图P3口：P3口只有7位P3.0P3.5和P3.7引脚具有内部上拉电阻。P3.6为内部比较器输出，无外部引脚。2051无RD和WR控制信号，P3.7 为一般I/O线。P3口输出缓冲器能吸收20mA灌入电流，当向端口P3写入电平“1”时，可用作输入端口。因为内部上拉作用，当P3口有外部低电平输入时，引脚向外产生灌电流（IIL）。P3口也提供2051的第二功能， 在我的设计中89C2051的P1口、P3口只作为双向I/O口使用，不使用P3口的第二功能。所以这里就不对P3口的第二功能做介绍了。3芯片工作电源本人设计中的单片机工作电压+5V，由交流电压经变压、整流、滤波得到。其中电源正与地线之间接入了大小为0.1uF的瓷片电容，这样接的原因是可以抗干扰。如图2.11所示。4. 时钟电路的设计外接晶体引脚XTAL1和XTAL2接外部振荡器信号，即把外部振荡器的信号直接连到内部时钟发生器的输入端，并上两个电容，C101取30p,C102也取30p，如图2.11所示。本人设计的原理图中使用了12MHz晶振，则根据单片机CPU的工作时序，其4个周期的具体值计算如下： 振荡周期=；时钟周期=； 机器周期=；指令周期=。图2.11 时钟与复位电路这样的工作时间足以保证显示电路的工作频率，让数码管动态显示时的闪烁时间用人眼是不能发觉的，这样就可以达到显示效果了。 5. 复位电路的设计89C2051的复位电路和主CPU的复位电路有所区别，少了一个急停，它只需要设计上电复位与按键复位。方法与主CPU设计相同，因为少了个急停按钮，就不需要用与非门而改用成单独的非门。6. 89C2051引脚使用说明（表2.3）表2.3 89C2051引脚使用说明引脚号引脚说明引脚号引脚说明VCC接单片机工作电压+5VP3.0数据串行输出口GND接地P3.1移位寄存器清零脉冲P1.0数据信号P3.2收主CPU写信号P1.1数据信号P3.3接译码器，做显示的位码选择P1.2数据信号P3.4接译码器，做显示的位码选择P1.3数据信号P3.5接译码器，做显示的位码选择P1.4数据信号P3.7对主CPU的写信号做出回应P1.5数据信号XTAL1接振荡器P1.6数据信号XTAL2接振荡器P1.7数据信号2.4.3 数字动态显示电路设计动态显示电路，选用74LS164移位寄存器，信号以串行方式输入，并行方式输出，其电路如图2.14所示。1 74LS164移位寄存器的功能寄存器引脚图如图2.12所示。A、B：串行输入端Q0Q7：并行输出端，CLK：串行时钟输入端，MR串行输出清零端，具体输入输出关系见表2.4 图2.12 74LS164引脚图 表2.4 74LS164功能表输 入输 出清零 时钟A BQ0 Q1 Q7L L L LHL Q00 Q10 Q70HH HH Q0n Q6nHL L Q0n Q6nH LL Q0n Q6n表中，代表任意状态；Q00、Q10Q70代表在稳态输入条件建立之前Q0、Q1Q7的输出状态；Q0n、Q1nQ7n代表在最近的时钟上升沿转换之前Q0、Q1Q7的输出状态；H/L、Q0nQ7n代表在最近的时钟上升沿转换之后Q0、Q1Q7的输出状态。2 动态显示电路设计数码管显示器根据公共端的连接方式，可以分为共阴极数码管（将所有发光二极管的阴极连在一起）和共阳极数码管（将所有发光二极管的阳极连在一起）。在本设计电路中，采用的LED数码是共阴极LED。共阳极数码管每个段划上要用低电平“0”点亮，要求驱动功率很小；而共阴极数码管段笔画是用高电平“1”点亮的，要求驱动功率较大。但是共阴极管的亮度比共阳极管的要亮些。通常每个段笔画要串一个数百欧姆的限流电阻。笔划的选择称为段 图2.13 8段数码管引脚图选，公共端的选择称为位选。此次设计的显示电路需要五排数字动态显示，即采用五排8段数码管，它们受从CPU（89C2051）控制。因为每排需要6个数码管显示，而89C2051已经没有足够的接口再作为位码选择信号线了，所以使用一个译码器进行译码位选，本人在设计中选用74LS138芯片即3线8线译码器。这是我们平时使用最多的一个型号。89C2051的P3口P3.3、P3.4、P3.5线分别接74LS138的选择输入端A、B、C（1、2、3引脚），用译码器的6个输出线（Y0Y5）分别位选6位数码管。图2.14 两排两位数码管动态显示电路图因为篇幅的问题，这里只列出两排两位的LED数码管的动态显示，如图2.14所示。数据通过89C2051串行输出给移为位寄存器74LS164，经过移位寄存器把数据管的段码送到相应的行，89C2051再通过74LS138译码器送出相应的位码给显示位，这样就可以点亮相应的数码管了，89C2051通过不断送出数据，让数码管的数据不断更新。设计时使用一个+5v电源来增加驱动功率，使数码管变亮。设计的五排六位动态显示电路原理与图2.14 一样，详图见附录C。2.4.4 字母静态显示电路设计 16段数码管，又称为“米”字管，用它可实现字母显示。8段数码管只能实现数字及字母AF的显示，所以为了实现机床所有功能字都能显示，选择了16段数码管。它的工作原理与8段数码管相同。16段数码管的引脚图如图2.15所示。当计算机需要显示时，便将要显示的数据送锁存器锁存。锁存器将显示码经驱动器驱动数码管显示。若没有新数据送显示器，则计算机便去做其他工作，而不管显示器。这里的显示电路是静态显示的，所以用以控制16段数码管的是主CPU8031，片选信号是主CPU的16位地址的高三位地址线经过3-8译码后，选择两位作为片选信号。16段的数码管显示电路图如图2.16 所示。 图2.15 16段数码管引脚图2.5手动键盘和编辑键盘电路设计单片机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。键盘的结构有两大类，一类是独立式，另一类是矩阵式。下面对键盘的设计进行详细的介绍。 2.5.1 键盘接口芯片的选择键盘分手动键盘和编辑键盘。手动键盘接8031的P1口，无需接口芯片；而编辑键盘设计成矩阵式键盘，需选择一接口芯片，本控制系统选择8155作为编辑键盘扩展芯片。2.5.2 手动键盘电路设计手动按键有+X、-X、+Y、-Y、+Z、-Z、+C、-C共八个，分别控制工具磨床运动部件在相应方向的手控移动。本控制系统选择8031的P1口扩展该手动键盘，电路如图2.17所示。当按下某一按键，8031的P1口与其相连的引脚为低电平，受控的运动部件向相应方向移动，按键释放，运动部件停止移动。图2.16 16段数码管显示电路图 图2.17 手动键盘电路图2.5.3 编辑键盘电路设计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。由图2.18编辑键盘电路图可以看出，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，用来接受键盘读入的信号。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，只对应于每一个输出状态，只要按下一个键，那么就可以得到一个键的编码值，这个值有软件控制，所对应于不同的键是不同的，具有唯一性。图2.18 编辑键盘电路图2.6开关量输入输出与工作方式选择接口电路设计由于8031只有P1口和P3口部分能提供用户作为I/O口使用，不能满足输入输出口的需要，因而系统要扩展输入输出接口电路。 当单片机应用系统中需要较为复杂的I/O口时，通常采用可编程I/O接口芯片扩展I/O口，如8255芯片、8155芯片。2.6.1 接口电路芯片选择可编程外设接口电路（Programmable Peripheral Interface）简称PPI。8255（图2.19)芯片具有24条输入/输出引脚、可编程的通用并行输入/输出接口电路。8255具有三个相互独立的输入/输出通道：通道A、通道B、通道C。A、B、C三通道可以联合使用，构成单线、双线或三线联络信号的并行接口，此时C口完全服务于A、B口。A口有三种工作方式：方式0、方式1、方式2；B口有两种工作方式：方式0、方式1。8255可编程并行I/O芯片由以下四个逻辑结构组成：1）数据总线驱动器。这是双向三态的8位驱动器，用于和单片机的数据总线相连，以实现单片机与8255芯片的数据传送。2）并行I/O端口：端口A、端口B、端口C。这三个8位I/O端口功能完全由编程决定，但每个端口都有各自的特点。端口A：包括一个8位的数据输出锁存/缓冲器和一个8位的数据输入锁存器，可作为数据输入或输出端口，并工作于三种方式中的任何一种。它是最灵活的输入输出寄存器，可编程作为8位输入输出或双向寄存器。端口B：包括一个8位的数据输出锁存/缓冲器和一个8位的数据输入缓冲器，可 图2.19 8255引脚图作为数据输入或输出端口，但不能工作于方式2。即它可编程作为8位输入或输出寄存器，但不能双向输入输出。端口C：包括一个8位的数据输出锁存/缓冲器和一个8位的数据输入缓冲器，可在方式字控制下分为两个4位的端口（C端口上和下），每个4位端口都有4位的锁存器，用来配合端口A与端口B锁存器输出控制信号缓和输入状态信号，不能工作于方式1或2。3）读/写控制逻辑。它用于管理所有的数据、控制字或状态字的传送，接收单片机的地址信号和控制信号来控制各个口的工作状态。CS：8255的片选引脚端。RD：读控制端。当