Ф500mm工件最大回转直径数控车床进给系统设计-副本

1、课程设计说明书设计题目： 500mm（工件最大回转直径）经济型数控车床进给系统设计系 别：机械工程学院专业班：12机自职1姓名：刘欢学 号：1210113132指导老师：胡新宇、陈水胜湖北工业大学2016年1月8日23第一章绪论 31.1数控机床的概念、组成、特点 31.2数控机床的发展趋势与现状 41.3设计的内容与方法： 5第二章微型数控系统总体设计方案的拟定 62.1毕业论文的要求和内容 62.2总体方案的确定 6第三章机床进给系统机械部分设计计算 83.1系统脉冲当量及切削力的确定 83.2切削力的计算 83.3滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型 93.4步进电机的计算和选用 13第四

2、章微机数控系统的设计 174.1微机数控系统设计的内容 174.2 80C51单片机及其扩展 18第五章结束语 21参考文献 22第一章绪论1.1数控机床的概念、组成、特点1.1.1数控机床的概念数控机床是数字控制机床的简称，是指用数字指令来控制机械执行预定的 动作，通常由硬件电路发出数字化信号，是一种装有程序控制系统的自动化机 床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并 将其译码，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是 一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是 一种典型的机电一

3、体化产品。1.1.2数控机床的组成数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成，其中实 线部分表示开环系统。为提高加 J精度，再加入测量装置，由虚线构成反馈， 称为闭环系统。主机：他是数控机床的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械 部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。数控装置：是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输 入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。驱动装置：他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给 单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下

4、通过电气或电液伺服系 统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线 和空间曲线的加工。辅助装置：指数控机床的一些必要的配套部件， 用以保证数控机床的运行， 如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交 换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。编程及其他附属设备：可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。1.1.3数控机床的特点数控机床较好地解决了复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，是一种灵活的、高效能的自动化机床，尤其对于约占机械加工总量80%的单件、小批量零件的加工，更显示出其特有的灵活性。概括起来，数控机床有以下几方面 的

5、特点： 加工精度高，具有稳定的加工质量；可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产备时间； 机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的35倍）; 机床自动化程度高，可以减轻劳动强度； 对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。1.2数控机床的发展趋势与现状数控机床以其独特卓越的柔性自动化的性能、优异稳定的精度、灵活敏捷 多样化的功能引起广泛的关注，它开创了机械产品并向机电一体化发展的开始， 成为先进制造技术当中的一门核心技术。数字控制系统技术的快速发展为数控 机床的技术进步提供了条件。目前我国的数控机

6、床的发展趋势主要体现在，高 速、精密、复合、智能和绿色等几个方面。1、高速、高效，数控机床逐渐向高速化方向发展，它大大的提高加工效率、 降低加工生产成本，并且还达到了提高零件的表面质量及其加工精度。高速化的加工技术对一些企业制造业提供了更高效，优质，成本低生产比较广泛适用 性。目前在一些发达的国家数控机床的高速运行，其高速主轴单元，电主轴转速可达15000 100000r/min，快移速度在 60120m/min范围之内，切削进 给速度高达60m/min、一系列高性能控制伺服系统以及数控工具系统都有新的 突破，数控机床发展到了更高的水平。2、 现在的数控机床比以前的普通车床加工的零件更加的精密

7、，精密加工技 术有了相当大的提高，加工精度已从原来的丝级 （0.01mm）提升到目前的微米级 （0.001mm）,甚至有些品种已达到0.05卩m左右。超精密数控机床的微细切削和 磨削加工，精度可稳定达到 0.05卩m左右，形状精度可达0.01卩m左右。通过 机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环 控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代3、智能化，数控机床的智能化现在又有了新的突破，在数控系统的性能上 得到了充分的体现。比如说：自动调整干涉防碰撞功能、高精度加工零件智能 化参数选用功

8、能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段等等， 数控机床的智能化提升了机床的功能及其品质。4、现代的数控机床在还有较高的可靠性，而且复合化，多轴化，网络化 等方面都得到了大大的提高。1.3设计的内容与方法：用微机数控技术改造加工零件时，数控改造必须首先拟定总体方案，绘制 系统总统框图，才能觉得各种设计参数和结构，然后选择数控机床，数控机床 的选择，其进给传动系统的组成和原理，分析伺服系统的选择，怎样达到控制 要求，合理的选择机械传动方式，数控机床坐标的进给伺服系统既可以采用步 进电机驱动也可以用直流或交流伺服电机驱动。数控车床进给系统机械部分的计算，例如，脉冲当量，切削力和滚珠，丝

9、杆削等等一些物理量的计算，还有应该对车床数控系统的硬件分析和设计，比 如说：数控系统的总体设计及其一些扩展，存储和通信的设计，比且还要加以 计算，必要时要绘图分析，数控机床的进给分为横向进给和纵向进给，本次设 计为横向进给传动系统设计。通过以上的一些内容完成本次设计课题一一用微机数控技术改造最大加工 直径为500mm普通车床的横向进给传动系统的设计！第二章微型数控系统总体设计方案的拟定2.1毕业论文的要求和内容1. 课题名称最大加工直径为500mm轻型车床的主传动设计2.设计任务与要求：主要技术参数：最大加工直径（mrh：在床身上：525在床鞍上：273最大加工长度（mrh：750 - 100

10、0溜板及刀架重量（N）:纵向：1100横向：550刀架快移速度（m/min）:纵向：2横向:1最大进给速度（m/min）:纵向：0.6横向:0.3最小分辨率（mm：纵向：0.01横向：0.005定位精度（mr）i：0.025主电机功率（KV）：5.5起动加速时间（m9 :303.设计的要求33.5r/min，转速级数为18级1、王轴转速最低转速为2、主电机可以选择Y系列电机、也可以使用直流电机和交流变频电机3、最好采用特殊形式的变速系统4、 所有的图纸都必须符合国家制定的六项基础标准。图面应正确、完整美 观5、 说明书一律用规定的纸张按一定的格式单面书写、要求简明扼要、文字 精炼语句通顺、字迹

11、工整、图文并茂装订成册。2.2总体方案的确定1. 系统的运动方试与伺服系统的选择:由于改造后的经济型数控车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循 环加工、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。考虑到经济型数控机 床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。2、计算机系统：根据机床要求，采用8位微机。由于MCS-51系列单片机的特点之一是硬件 设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合，MCS-51系统的最小系统用一片80C51外扩一片EPR0就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可以利 用MCS-51的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。控制系统由微机部分、

12、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电 机功率放大电路组成，系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器 采用LCD液晶显示器显示加工数据及机床状态等信息。为了实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠， 为 了保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同 时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。传动齿轮也要 采用消除齿侧间隙的结构。系统总体方案框图见图2-1第三章机床进给系统机械部分设计计算伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载，确定系统脉冲当 量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩机计算，确定伺服电机，绘制机 械部

13、分装配图及零件工作图等。现分述如下：3.1系统脉冲当量及切削力的确定脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控 车床、铣床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/脉冲，根据机床精度要求确定脉 冲当量：纵向：0.01mm/step;横向：0.005mm/step3.2切削力的计算1.纵车外圆：主切削力Fz（ N）由经验公式（1）估算：Fz -60000N切 /V线（V线=91 100m/min 式（1）而 N切 = ”额（=0. 0.85） 式 （2）取=0.8，则 N切二 N额二0.8 5.5-4.4KW,取 V线二 90mm/min，则进给抗力 FZ -60000 4.4

14、/90 = 2933nX向和丫向根据经验公式（3） （4）确定瓦=0.Z 式（3）Fy =0.匪式（4）则得：Fx =0.5z T46NR =0.阳=176N2.横切端面：1主切削力fZ可取纵切的一半，即FZ石汉Fz =1467N此时走刀抗力F（N）,吃刀抗力F（N）依然按上述经验公式粗略计算:廿眉=1:050.6则得：fX=734NfY=880N3.3滚珠丝杠螺母副的设计、计算、和选型（一）横向进给丝杠:1.计算进给轴向力F*横向导轨为双燕尾形，有如下计算式：F=KFY + r（FZ +2FX +G）式（5）式中：K考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合型导轨取 K=1.4; f 1 滑动导轨摩擦

15、系数：取f 1 =0.2 ;G 溜板及刀架重力，由已知 G=550N则代入已知得： F=1.48800.2 =1929 N2.计算最大动负载QQ 仝 LfwFm计算如下：式（6）式（式7)(8)式中：L。一为滚珠丝杠导程,初选丝杠导程l_0=6mimVs最大切削力下的进给速度,可取最高进给速度的1/21/3,此处为0.3m/mi n;T 使用寿命，按15000h;fw运转系数，按一般运转取fw =1.21.5;此处取fw=1.2 ;L 寿命以转10为1单位.贝y： n00VSlT0000.3 0.5/530,60 30 15000。L27L 10 27Q = 3 27

16、 1.2 1929 = 6944N3. 滚珠丝杠螺母副的选型：查阅数控机床系统设计中附表 1,可采用W1L2005外循环螺纹调整预 紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈,其额定动负载为8800N,精度等级按滚珠丝 杠行程公差表，选为3级（大致相当于老表准E级）V300P =12 10”mm4传动效率计算n =tan 丫 /tan（ 丫 + ）式中：丫一螺旋升角,W1L2005的螺旋升角丫 =4 30摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004贝U: n =tan Y/tan（ 丫 + ） =tan4 30 /tan（4 30 +10 ）=0.9645. 刚度校核先画出此横向进给滚珠丝杠支承方式草

17、图，如下图3-1所示：Jm图3-1横向进给滚珠丝杠支承方式草图贝U 支承二L行程4母总长L轴承宽度、询隙=500 84 2.5 12 16=630nm支承间距L=530mm最大轴向力为1919N。（1）、丝杠的拉伸或压缩变形量 右1根据：Fm = 1929 N , Do = 20mm , A = (16.788 2)2.二=221.4 ,对刚：E =20.6104 N / mm2，总长度L=1160mm丝杠上的变形量“:IF119293:打LL4630 = 26.6 10 mm1L0EA20.6 104 221.4(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形:空 2.5 仁 49.47，3.175由于对滚

18、珠丝杠副施加预紧力，且预紧力Fp为轴向载荷的1/3，则变形:Fm2=0.0013m 0.0013dq.Fq.Z；192.93 3.175192.949.47 2由 d p = 3.15 mm , Fm 二 192.9 Kgf Z= 3.16 10”mm(3) 滚珠丝杠总的弹性变形量：根据以下经验公式:0.9则可得：二20.9式 (10)10 : mm26610 31610 = 33.070.9(4) 定位误差厶3、仝 +V300p = (33.07 +12)汉 10= 0.04507 mm 0.02 mm显然，变形量已大于定位精度(0.02mm要求，应该采取相应的措施修改， 因横向溜板限制，不

19、宜加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨(f | = 0.04 )，减小摩擦力，从而减小轴向力：Fm =1.4 汉 fY + f 仆丿 +2FG)= 1.4 8800.04(14672 734550):1371N此时的变形量为：=1.89102 二 2.5210 - mm6=（* 心2%9 = 23.8 xlOmm则定位误差为：一、 goop = 23.8 10-3 12 10 = 0.036 mm仍不能满足精度要求0.02mm如果将顾主丝杠再进行预拉伸，则丝杠刚度 可提高四倍，则定位误差为：二 V300 p 二48 1012 10，300 p 0.9二 0.02 mm 二 0.02 mm满足要求。

20、（二）横向滚珠给丝杠副几何参数：其几何参数见表3-1表3-1横向滚珠给丝杠副几何参数名称符号W1L2506W1L2005公称直径d2520导程l065接触角p422|430|钢球直径dq3.9693.175滚道法面半径RR = 0.52 db2.0641.651偏心距ee=(R-dq/2) sin P0.0560.045螺纹升角rr = arctgL 0 M d0422|430|螺杆外径dd =d0 -(0.2L 0.25)dq24.219.4螺杆内径d1d1 =d+2e-2R20.98416.788螺杆接触直径dzdZ =d1 -dq cosP17.02713.835螺母螺纹直径DD =d

21、-2e + 2R32.82623.212螺母内径D1D1 =d0 十(0.2 0.52)dq25.820.6353.4步进电机的计算和选用横向机构初选步进电机：1.计算步进电机负载转矩TmTm = Fm、= Tm =Fm；(v/180)-：式（11）19290.005(0.9 /180)3.14=0.614 N .m式中：、；一脉冲当量（mm/step）;Fm 进给牵引力（N）； 入一步距角,初选双拍制为0.9 ;2.初选步进电机型号根据Tm=0.614N.m在网上查混合式步进电机技术数据表初选步进电机型号 为 56BYG250D-SASSBL-02,其中，Jm = 0.46Kg.cm2,保持

22、转矩为 1.72N.m.3.等效转动惯量计算根据简图，即图3-1，计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J运动件的转动惯量J可由下式计算:/、4Z1(Z 2丿rJ-J3 (f)2Z 4(J4Js)式（ 12）式中 J1、J2、J3、J4 齿轮 Z1、Z2、Z3、J 的转动惯量（kg.cm2）J s 滚珠丝杠转动惯量（kg.cm2）2J 0.7810； d：L0=O.7810；442 = 0.2 kg.cm2J 2 = 0.7810 d；L =0.7810642 =1.01 kg.cm3434一 一2J3=0.7810 -d3L=0.7810 -4.82 =0.41 kg.cmJ4=0.781

23、0 Jd：L=0.7810 J842 = 6.39 kg .cm2342J s = 0.78 10 一 253 = 0.66 kg .cm2J m =0.46 kg .cm式中D圆柱体直径（cm）;L圆柱体长度（cm）;代入上式:4 r一Z12)2.L Z 3 2$( J2 + J3 )(于)；|(J4 + JLZ 4-=3.51 kg .cm4. 电机转矩计算机床在不同的工况下，在，下面分别按各阶段计算1）快速空载起动惯性矩Mq在快速空载起动阶段，加速力矩所占的比例较大，具体计算公式如下:Mq 二 Mamax M f M0式（12)Mamax =J JL60tr式（13)又：询拟二乂拟/ 卩

24、=b/3600 = 1000/0.005 0.90/36C0=500r / min式（14)代入得：Mamax 二J 丄2 吐=3.51-500010 = 52.5 cm-60 ta60 0.03ta = 30ms = 0.03s折算到电机轴上的摩擦力矩M f:血。(FZ W)L00.04 (734 500)2二 Z2 / Z12二 0.8 1.5=1.96N .cm式（15）式中：n 传动链总效率,一般可取0.70.85此处取0.8;i 传动比;f 1贴塑导轨摩擦系数，取f 1 =0.04附加摩擦力矩M。：Mo式（16）1/3 1919 0.52二 Z2/Z1(1 - o)1/3 1919

25、0.52二 0.8 2.5(1 一0.92) =4.84N.cm式中：n 传动链总效率,一般可取0.70.85此处取0.8;i 传动比；Fpo-滚珠丝杠预加负荷，一般取1/3Fm,Fm为进给牵引力（N）;n o滚珠丝杠未预紧时的传动效率,一般取0.9,此处取n o=0.9所以：Mq 二 Mamax M f M 52.5 1.96 4.84 =59.3N.cm2）快速移动所需力矩MkMk 二Mf M。式（17）=1.96+4.84=6.8N.cm3）最大切削载时所需力矩M切M切二 Mf M0 Fx式（18）2二 i734X0.5=1.964.8436.02N.cm2兀汇0.8江2.5从上面计算可

26、以看出Mq、Mk、M切三种工况下，以快速空载起动惯性矩 Mq最大，即以此项作为校核步进电机转矩的依据.查得：当步进电机为两相四拍时，=MQ/Mjmax =0.707故最大静力矩M jmax =59.3/0.707N.m=0.839N.cm ,而电 机保持转矩为1.72N.m，大于最大静力矩Mjmax，所以满足要求！但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运转矩频特性。计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率lOOOVmax60、. p1000 160 0.005= 3333HZ1000vt60、. p1000 0.360 0.005= 1000HZ图3-5 56BYG250E ASSBL 0

27、241型混合式步进电机矩频特性图当快速运动和切削进给时，56BYG250ASSB0241型混合式步进电机运 行矩频完全可以满足要求。5. 绘制进给伺服系统机械装配图在完成运动及动力计算后，以后确定了滚珠丝杠螺母副、步进电机型号， 以及齿轮齿数、模数、轴承型号之后，就可以画横向机械装配图。见附图（一）第四章微机数控系统的设计4.1微机数控系统设计的内容（一）硬件电路设计内容硬件是组成系统的基础，也是软件编制的前提，数控系统硬件的设计包括以 下几部分内容：1. 绘制系统电气控制结构框图据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制电气 控制结构图。机床硬件电路由五部分组成：（1）主控

28、制器，即中央处理单元 CPU（2）总线，包括数据总线、地址总线和控制总线。（3）存储器，包括程序存储器和数据存储器。（4）接口，即输入/输出接口电路。（5）外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。2. 选择中央处理单元CPU的类型CPU的种类很多，在此处选择MC 51系列单片机中的80C51,因为其集 成度高，稳定性、可靠性好，体积小，而且有很强的外部扩展功能，外围扩展 电路芯片大多是一些常规芯片，用户很容易通过标准扩展电路来构成较大规模 的应用系统。3. 存储器扩展电路设计存储器扩展包括数据存储器和程序存储器扩展两部分。分别选择两片2764和一片6264来扩展16K的内存4.1/0接口电路设

29、计设计内容包括：据外部要求选用I/O接口芯片，步进电机伺服控制电路， 键盘、显示部分以及其他辅助电路设计(如复位、掉电保护等)。经考虑，选择 8255为I/O接口芯片，液晶显示控制器 LR- 104VRAM来控制LCD图中的急停 开关应采用那种按下去之后不会弹起、直到再次启动后操作者用手动拔出的按 钮，此处由于表达方式的限制，仅以普通按钮表示。(二)机床数控系统软件设计软件是硬件的补充，确定硬件电路后，根据系统功能要求设计软件。1. 软件设计步骤分为以下几步：(1) 据软件要实现的功能，能制定出软件技术要求；(2) 将整个软件模块化，确定各模块的编制要求，包括各模块功能，入 口参数，出口参数；

30、(3) 据硬件资源，合理分配好存储单元；(4) 分别对各模块编程，并调试；(5) 连接各模块，进行统一调试及优化；(6) 固化到各程序存储器中。2. 数控系统中常用软件模块(1) 软件实现环行分配器；(2) 插补运算模块；(3) 自动升降速控制模块。4.2 80C51单片机及其扩展(一 )80C51单片机的简介1 芯片引脚及片外总线结构 图4-1 80C51弓I脚图80C51单片机采用式，如图4-1所示。40脚双直插封装1P1.0Vcc402P1.1PO.O393P1.2P0.1384P1.3P0.2375P1.4P0.3366P1.5P0.4357P1.6P0.5348P1.7P0.6339

31、RSTP0.73210P3.01 EA/Vpp31_ _11P3 1C ALE/FROG、3012P3.20PSEN2913P3.38P2.72814P3 4186P2.5P2.4P2.32715P3.5P3.626162517P3.72418XTAL2P2.2P2.1P2.02319XTAL12220Vss21DO20VccQO7 813817183216D2c 2 3 4 LT DDD nQ1Q2Q3Q4Q5D6 Q6D7 Q7OEGNEB1 10 11256912151619D3D4D5D6Mpppccc12 34 5 c c pp6 7 c c pp951B 9 1Y1C41A C 1

32、Yo46Vcc7 1丫21G GND18伯2021222324250 12 BBB ppp3 4 5 6 7 BBBB B pppp p01 234 567 AAAAAAAA 申ppppppp R78 9DNG80C51单片机是高性能单片机，因为受到引脚数目的限制，所以有不少引 脚具有第二功能。下面说明这些引脚的名称和功能。（1）电源引脚Vss和VccVss（20脚）：接地。Vcc（40脚）：主电源+5V。（2）时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）：接外部晶体的一端。在片内它是振荡电路反向放大器的输入端。 在采用外部时钟时，对于HMO单片机，该端引脚必须接地；对于CHMO单片

33、机, 此引脚作为驱动端。XTAL2 （18脚）：接外部晶体的另一端。在片内它是一个振荡电路反向放大 电路的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。若需采用外部时钟电路，对 于HMO单片机，该弓I脚输入外部时钟脉冲；对于CHMC单片机，此引脚应悬浮。（3）控制信号弓 I脚 RST ALE/PROG PSEN /EA/VppRST（9脚）：单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在该 引脚输入24个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位（RESET。ALE/PROG访问片外存储器时，ALE作锁存扩展地址低位字节的控制信号（称允许锁存地址）。平时不访问片外存储器时，该端也以1/6的时钟振荡频率

34、 固定输出正脉冲，供定时或者其他需要使用；在访问片外数据存储器时会失去 一个脉冲。ALE端的负载驱动能力为8个LSTTL （低功耗高速TTL）。/PSEN （29脚）：在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储 器读选通信号。CPU在向片外存储器取指令期间，PSEN言号在12个时钟周期中 两次生效。不过，在访问片外数据存储器时，这两个有效的PSENB号不出现。PSEN端同样可驱动8个LSTTL负载。我们根据PSEN ALE和 XTAL2输出是否有 信号输出，可以判别80C51是否在工作。/EA/Vpp （31脚）：当EA端输入高电平时，CPL从片内程序存储器地址0000H 单元开始执行程序

35、。当地址超过4KB时，将执行片外程序存储器的程序。当 EA 输入低电平时，CPU仅访问片外程序存储器。（4）输入/输出引脚（P0 P1、P2和P3端口引脚）P0P3是4个寄存器，也称为4个端口，是80C51单片机与外界联系的4 个8位双向并行I/O 口。由于在数据的传输过程中，CPU需要对接口电路输入 输出数据的寄存器进行读写操作，所以在单片机中对这些寄存器象对存储单元 一样进行编址。通常把接口电路中这些已编址并能进行读写操作的寄存器称为 端口（ PORT，或简称口。P0.0P0.7 （3932脚）：P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。在访 问片外存储器时，它分时提供低 8位地址和8位双向

36、数据，故这些I/O线有地 址线/数据线之称，简写为 AD0AD。在EPROMS程时，从P0输入指令字节， 在验证程序时，则输出指令字节（验证时，要外接上拉电阻）。P1.0P1.7 （18脚）：P1是一个带内部上拉电阻的 8位双向I/O端口。 在EPROMS程和验证程序时，它输入低 8位地址。P2.0P2.7 （2128脚）：P2是一个带内部上拉电阻的 8位双向I/O端口。 在访问片外存储器时，它输出高 8位地址，即A8A15o在对EPROMS程和验 证程序时，它输入高8位地址。P3.0P3.7 （1017脚）：P3是一个带内部上拉电阻的 8位双向I/O端口。 在整个系统中，这8个引脚还具有专门

37、的第二功能，如表 4-1所示。表P3 口各位的第二功能表4-1 P3 口各位的第二功能P3 口的各位第二功能P3.0RXD（串行口输入）P3.1TXD（串行口输出）P3.2INT0 （外部中断0输入）P3.3INT1 （外部中断1输入）P3.4T0 （定时器/计数器0的外部输入）P3.5T1 （定时器/计数器1的外部输入）P3.6WR（片外数据存储器写选通控制输出）P3.7RD （片外数据存储器读选通控制输出）（二）单片机的系统扩展概述80C51片内只有4KB程序存储器地址空间、256B的片内数据存储器的地址 空间（用8位地址，其中128B的专用寄存器地址空间仅有 21个字节有实际意 义）o所

38、以需扩展。1. 扩展概述80C51的片外总线结构：所有的外部芯片都通过三组总线进行扩展。（1）数据总线（DE）：由P0 口提供，数据总线要连到连接的所有外围芯片上，但在 同一时间只能够有一个是有效的数据传送通道。（2）地址总线（AB : 16位，可寻址范围为64K字节，AB由P0 口提供低8位地址，与数据分时传送，传送 数据时将低8位地址锁存；高8位地址由P2 口提供。（3）控制总线（CB： 系 统扩展用控制总线有 WR RD PSEN ALE EAo2. 系统扩展能力片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号，允许两 者的地址重复。故据地址的宽度，片外可扩展的存储器与程序存储器

39、分别为 64KB此处扩展了 16K的程序存储器和16K的地址存储器，且没有使用片内存 储器。20347813141718110123 4567 页 DDD DDDM012 34567QQQ QQQQQ256912151619GGNDOE10 1图4-2 74HC373引脚图扩展的I/O 口与片外数据存储器统一编址，不再另外提供地址线。3. 地址锁存器因为P0 口是分时提供低8位地址和数据信息的，所以必须用锁存器把地址锁存住。本次设计使用带三态缓冲输出的8D锁存器74HC373其引脚见图4-2DOD7信号输入端27Q0- Q7信号输出端G:下降沿时，将D1D8锁存于内部E:使能端，E=0时，三态

40、门处于导通状态，输出端 QCHQ7与输入端DCH D7连通，当E=1时，输出三态门断开，输入数据锁存。4. 地址译码器80C51扩展电路中，都牵涉到外部地址空间的分配问题，即当80C51数据总线分时与多个外围芯片进行数据传送时，首选要进行片选，然后再进行片内 地址选择。地址译码实现片选的方法目前常用的有两种：线选法和译码法。此处采用 74HC139译码器组成的译码电路对系统的高位地址进行译码。74HC139是双“ 2-4 ”译码器，每个译码器仅有1个使能端G 0电平选通。有2个选择输入 端，4个译码输出端，输出0电平有效。2个输入信号A、B译码后有4个输出 状态，其引脚与真值表如下所示。表4-

41、2 74HC139真值表表4-2 74HC139 真值表输入输出使能选择Y0Y1Y2Y3/GBA1XX11110000111001101101011010111110（三）存储器扩展11 3 5 6 7 8 97 iMT-Aaaaa2766Aaaaaa oDDDDDDDD1228098765435212232图4-3 2764 引脚图此处采用两片EPROM芯片6264 （8KX 8）扩展程序存储器，数据存储器选 用静态RAM6264&8KX 8）。其引脚见图4-3。80C51芯片与存储器的连接存储器扩展实质是三总线的连接。（1） 据芯片存储容量的大小确定数据、地址线的根数。此处为13根。（2）

42、 数据线的连接 将80C51的芯片的P0.0P0.7按位与RAM数据线 DO- D7直连。（3）地址总线的连接 据确定的地址线根数，将相应低地址线相连，剩 余高位地址线作为片选。（4）控制总线的连接对应控制线相连。（四）I/O 口的扩展MCS-51单片机共有四个8位并行I/O 口，可提供给用户使用的只有 P1 口 和部分P3 口线，因此不可避免地要进行I/O 口的扩展。这里采用8255 （可编 程的RAM/IO扩展接口电路）。I/O 口扩展采用总线扩展方法，数据输入线取自 80C51的P0 口。这种扩 展方法分时占用P0 口，不影响P0 口与其它扩展芯片的连接操作。8255具有3个8位的并行的

43、I/O 口，分别为PA PB PC 口，其中PC 口又 分为高4位（PC7PC4和低4位（PC4 PC0。（五）步进电机驱动电路采用细分驱动电路，根据所选电机说明，选取合适的驱动器，纵向驱动器 和横向驱动器均为SH20806N其接线图如下：两相混合式24V-70VDC 6D匚+0C-23为了更好的使用本炎 动器，用户在系域接线时应 遵循功率拔（电机相錢|电 源线）与弱电信号线分开的 原则，以避免控制信号被干 扰.在无法分别布线或有理 干扰源（变频黠I电磁阀等） 存在的惰况下閱好使用屏 蔽电纜传送控制信号；采用 较高电平的控制信号对抵 抗干扰也有一走的意文.图4-4电动机驱动器连线图（六）液晶显

44、示控制器：使用由上海朗睿电子科技有限公司研制生产的工业彩色液晶（VRAh型）显示器, 型号为 LR-104VRAM1、简介：彩色液晶显示器采用超大规模集成电路， 以数字方式驱动，可以从根本上消 除传统CR显示器的屏幕闪烁现象。具有高亮度、高对比度、高可靠性、抗恶劣 环境等优点；并且体积小、厚度小、功耗低、无辐射、抗干扰能力强。随着彩色 液晶技术的日趋成熟，正在逐步取代 CR显示器，成为许多高要求行业的首选， 被越来越多地应用到电力、医疗、仪表、电梯、工业控制等领域。2、基本原理：LR-104VRAI真 彩色液晶显示器，采用VRAI 示方式。VRAM（ Video Random-AccessMe

45、mory视频存储技术是近年来比较流行的专门用于图形处理的 双端口存储技术，常用于中、高档显示卡。采用缓存、逻辑仲裁、存储阵列，实 现两个设备同时对同一存储阵列访问而不需要等待，且互不干扰。该显示器接口米用并行总线方式（数据总线、地址总线以及选、读、写等信 号），可以很方便地连接到单片机或微处理器的总线上，用户可以象使用普通存 储器一样使用它。或者可以把显示器看成是自己设备外挂的一个 RAMLR-104VRA存储器地址单元同液晶屏幕上的像素点一一对应，用户可以把这 个存储器理解为“显示映像”存储器。如果希望在液晶屏幕上某一位置显示文字 或图形，只需要向存储器内对应区域写入相应的数据即可。VRA存

46、储器的一个字节由8位构成，显示器屏幕上的一个“像素”点由R、G B三个“点”来组成。3、原理框图：LR-104VRAK显示器的基本原理框图如图 4-5所示，DC/DC电压变换器产生 液晶所用各种驱动电压DC/AC逆变器则用来点亮冷阴极背光灯（CCFL。分时技 术让显示与写入数据同时进行，实现了画面的高速更新，且互不干扰。图4-5 LR-104VRAM显示器的基本原理框图视域对角线10.4英寸外型尺寸246.5 X 179.3 X 38mm视域尺寸211.2(H) X 158.4(V)mm图像点阵640X RGX 480行像素点尺寸0.33(H)X 0.33(V)mm像素结构垂直条纹接口方式总线

47、方式VRAI容 量128KX 8位显示颜色TFT 64色/256色视野角度左75度，右75度,上60度，工作电压DC 8V15V消耗功率小于8W工作环境温度-10C +65 C保存温度-30C +70 C亮度400cd/m2液晶屏寿命大于5万小时（连续工作）背光灯寿命大于25000小时（连续工作）净重克毛重克4、性能指标:下50度包装数量内包装尺寸 外包装尺寸5、接口方法:只/箱xx mmxx mmLR-104VRA啲接口方式为总线方式。外部引线包括有地址总线、数据总线 和片选读写输入，可以直接挂接到单片机、计算机的总线上，通过译码分配作 为主机的某部分内存来使用。如果主机无法分配较大的空间而

48、直接使用时，也 可以采用分页操作技术，高位地址用来页面切换，低位地址则可直接操作。内 存的数据位与屏幕显示的色点一一对应，只要把适当的数据写入内存中去，屏 幕上即可显示出相应的文字图形。接口采用34针双列防反插插座（间距为标准 2.54mm）,引脚定义如下表4-3 所示：表4-3 引脚定义引脚号引脚定义引脚号引脚定义引脚号引脚定义1D013GND25A52D114GND26A63D215RDCS27A74D316A1528A85D417+ 12V29A96D518+ 12V30A107D619保留31A118D720保留32A129WCS21A133A1310CLOSE22A234A1411A023A312保留24A46应用程序：将屏幕清成040H弋码所表示的颜色VRA的片选地址（E000, FFFFHA13, 14，15 = P1.0,P1.1,P1.2LJMP MAINORG 0000HORG 0090HMAIN:M