内工大通用二维工作平台设计

内工大通用二维工作平台设计 目: 通用二维运动平台设计 姓 名: 王恒峰 学 号:201020102152 班 级: 机电10-3 指导教师:贺向新 目 录 序 号 名 称 份 数 备 注 1 设计任务书 1份 2 机械装配图 A1 1张 3 硬件电路图 A2 1张 4 设计书 1份 28页 2014年1月10日 学校代码: 10128 学 号:201020102152 题 目:通用二维运动平台设计 学生姓名:王恒峰 学 院:机械学院 班 级:机电10-3 指导教师:贺向新 2014年 1 月 10 日 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 内蒙古工业大学课程设计(论文)任务书 课程名称: 专业综合设计二 __ 学院: 机械学院 班级: 学生姓名: ___ 学号: _ 指导教师: 一、题目 通用两维运动平台设计 二、目的与意义 《专业综合设计2》课程设计是机械设计制造及其自动化专业实践性非常强的教学环节之 一，是机械类高年级学生综合应用基础课、技术基础课、专业课等知识体系，将机械、驱动、 传感及计算机控制有机地集成融合在一起，独立设计一种具有特定功能的机电装备。 通过本次课程设计，培养学生运用所学《机电装备设计》课程的知识，对典型机电装备 的工作原理、组成要素及核心技术问题的分析能力; 培养学生用《机电装备设计》的知识及相关知识体系，掌握如何将机械和电气驱动、检测技术和计算机控制融合在一起，如何构成一种性能优良、工作可靠及结构简单的机电装备的一般设计方法和规律，提高设计能力; 通过设计实践，熟悉设计过程，学会正确使用资料、正确使用图书特别是电子图书资源、网络资源，查阅技术文献、设计计算、分析设计结果及绘制机械、电气图样，在机电一体化技术的运用上得到训练; 通过课程设计的全过程，为学生提供一个较为充分的设计空间，使其在巩同所学知识的同时，强化创新意识，在设计实践中深刻领会机电装备设计的内涵。 三、要求(包括原始数据、技术参数、设计要求、图纸量、工作量要求等) 技术参数 1、运动平台面尺寸:1200×1000; 2、平台移动行程:X×Y,1000×800; 3、夹具和工件总重: 1800N; 4、最高运行速度: 步进电机运行方式: 空载:2m/min; 切削:0.8m/min; 交流伺服电机运行方式:空载:15m/min;切削:6m/min; 5、系统分辨率:开环模式0.01mm/step;半闭环模式 0.005mm/step; 6、系统定位精度:开环模式?0.10mm;半闭环模式 ?0.01mm; 7、切削负载:X向1200N;Y向1400N;Z向1800N 设计要求 1、实现X-Y两坐标联动; 2、用步进电机或交流伺服电机作驱动元件; 3、设置工作台的越位报警和紧急事故的急停开关，并响应中断; 4、任意平面曲线的加工，具有自动换象限的功能; 5、平台具有快速驱动功能; 6、平台具有断电手动调整功能。 图纸量和工作量要求 1、机械总装配图 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 在CAXA环境下绘制二维运动平台的结构图，并进行详细设计，最后用A1号图纸打印输出。 2、硬件电路图 控制芯片可采用8031、80C31或基于PLC的运动控制技术，在Protel 99环境下，进行控制电路图的设计，电路图幅为A2,A1为宜。 3、设计说明书 要严格按照内蒙古工业大学课程设计(论文)说明书书写认真撰写，说明书不少于6000字。 四、工作内容、进度安排 1、总体设计分析、确定、设计计算------- --0.5周 2、机械部分结构设计、装配图绘制----------------1.0周 3、硬件电路设计----------------------------------------0.5周 4、撰写说明书---------------------------------------------5天 5、答辩-------------------------------------------------------2天 五、主要参考文献 [1] 林述温等. 机电装备设计[M].北京:机械工业出版社，2002. [2] 机床设计组.机床设计手册(三分册)[M].北京:机械工业出版社，1986. [3] 王爱玲.现代数控机床结构与设计[M].北京:兵器工业出版社，1999. [4] 尹志强等.机电一体化系统设计课程设计指导书[M].北京:机械工业出版社，20097 [5] 滚珠丝杠、线性滑轨[OL]. 汉意精工.. [6] 滚珠丝杠、线性滑轨[OL].天津海特传动机械有限公司. [7] 步进电机及驱动器[OL].北京斯达微步控制技术有限公司. [8] 步进电机及驱动器、交流伺服电机及系统[OL].步进机电有限公司. [9] 伺服电机相关技术、直线运动产品、光电传感器[OL].深圳市湘聚事业有限公司， [10] RORZE高精度步进电机及驱动器[OL].北京伟恒升级团. [11] 步进联轴器，编码器联轴器，微型电机联轴器[OL].广州菱科自动化设备有限公司: [12] 日本富士、美国Copley等交流伺服电机[OL].重庆钧智自动化仪器控制有限公司 [13] 山东博特精工股份有限公司:[14] 台达交流伺服电机等. [OL]. 台湾电子工业股份有限公司:审核意见 系(教研室)主任(签字) 指导教师下达时间 2013 年 12 月 23 日 指导教师签字:_______________ 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 摘 要 摘要:X-Y工作台是指能分别沿着X向和Y向移动的工作台。数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等,尽管结构和功能各不相同,但基本原理相同。机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。本文通过对X-Y工作台的机械系统、控制系统及接口电路的设计,阐述了机电一体化系统设计中共性和关键的技术。 本次课程设计，主要设计和研究,,,工作台及其电气原理图。确定,,,工作台的传动系统，并且选择了螺旋传动，验算了螺旋传动的刚度、稳定性，寿命等参数;还设计了导轨，根据其用途和使用要求，选择了直线滚动导轨副，确定了其类型、转动力矩、转动惯量。利用8031、6264、2764、373、8155、8255等MCS—51单片机设计其硬件电路图。 关键词:滚珠丝杠螺母副;直线滚动导轨副;步进电机;MCS—51单片机 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 目 录 第一章 二维运动平台总体方案设计 ........................................ 1 第二章 二维运动平台进给伺服系统机械部分设计计算 ........................ 2 2.1 确定系统脉冲当量 ............................................... 3 2.2 确定系统切削力 ................................................. 3 2.3直线滚动导轨副的计算与选型 ...................................... 3 2.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 ...................................... 4 2.5 计算减速比i .................................................... 5 2.6步进电动机的计算和选型 .......................................... 6 第三章 微机数控硬件电路设计 ............................................ 9 3.1 MCS—51系列单片机简介 ......................................... 10 3.1.1 MCS—51系列指令系统简介 .................................. 10 3.1.2 定时器/计数器 ............................................ 11 3.1.3 中断系统 ................................................. 12 3.2 存储器扩展电路设计 ............................................. 12 3.2.1 程序存储器的扩展 ......................................... 12 3.2.2 数据存储器的扩展 ......................................... 13 3.2.3 译码电路设计 ............................................. 14 3.3 I/O接口电路及辅助电路设计 ..................................... 16 3.3.1 8155 通用可编程接口芯片 .................................. 18 3.3.2 8255 通用可编程接口芯片 .................................. 18 3.3.3 键盘显示接口电路 ......................................... 22 3.3.4 电机接口及驱动电路 ....................................... 23 3.3.5 辅助电路 ................................................. 23 参考文献 .............................................................. 25 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 第一章 二维运动平台总体方案设计 1.1系统的运动方式与伺服系统的选择 为了满足二维运动平台实现X.Y两坐标联动，任意平面曲面的加工，自动换象限，越位报警和急停等功能，故选择连续控制系统。考虑到工作台的加工范围，只对毛坯料进行初加工，不考虑误差补偿，故采用开环控制系统，由于任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm,定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有 ，因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直2000mm/min 流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机电机进行驱动，以降低成本，提高性价比。 1.2机械传动方式 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.01mm的脉冲当量和0.10mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠螺母副, 才能达到。同时，为提高传动刚度和消除传动间隙，采用有预加负荷的结构。 1.3计算机系统 根据设计要求，采用8位微机。由于MCS—51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS—51系列的8031、80C31、8086、DSP、基于DSP的运动控制芯片，ARM嵌入式微处理器技术。 控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。 数控机床总体方案设计，X.Y数控工作台总体方案设计分别见图1.1和图1.2 1 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 Y光功 Y交工电率 流伺作耦放环服电微 合 大 台形 机 执分配 行器 机 元 环光功 XX交件 形 电率工流伺分配耦放 作服电器合 大 台机 执 行 元 件 图1.1 X.Y数控工作台总体方案设计 2 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 第二章 二维运动平台进给伺服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:确定系统的脉冲当量、区定系统的负载、，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图等。现分述如下: 2.1 确定系统脉冲当量 一个进给脉冲，使运动部件产生的位移量，称为脉冲当量。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数 。根据设计要求，二维运动平台采用的脉冲当量是0.01mm/step。 2.2 确定系统切削力 根据设计要求，机床的切削负载为:X向1200N;Y向1400N;Z向1800N;G为1800N。 2.3直线滚动导轨副的计算与选型 F 1、滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 工作载荷是影响max 直线滚动导轨使用寿命的重要因素。本课题中的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为: G 其中，移动部件重量G=1800N，外加载荷1800N，代F,，Fmax4 FkN入上式，得最大工作载荷=2250=2.25。 max 查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-41，根据工作载荷F=2.25kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG25型，其额定动载荷max CkNCkN=35.1，额定静载荷=47.2。 a0a mmmm 任务书规定工作台平面尺寸为1000×1200，考虑工作行程应留有一定余量，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-35，按标准系列，选取导轨 mm的长度为2440。 2 距离额定寿命L的计算 上述选取的KL系列JSA-LG型导轨副的滚道硬 ,C度为60HRC,工作温度不超过100,每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速 3 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 度较低，载荷不大，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-36,表3-40，分别取硬度系数=1.0、温度系数=1.00、接触系数=0.81、精度系数=0.9、ffffHTCR3,,ffffCHTCRa载荷系数f=1.5，代入式50，得距离寿命: LW,，3,,,,ffffCHTCRaffW 504828 ,,Lkm,，,,,远大于期望值100km,故距离额定寿命满足要求. ffW,, 2.4 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 1、计算最大工作载荷F m 查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚 F,1400动导轨上的摩擦因数=0.005，已知G=1800N，，。求得滚珠,F,1200Nyx F,KF，(F，F，G),mxzy丝杠副的最大工作载荷: ,1.1，1200，0.005，1800，1400，1800，， ,1345N2、计算最大动负载F Q 3FLfF,Qwm ，，nT60L,6式中 P——滚珠丝杠导程，初选P=5mm; hh10 ,v1000v ——最大切削力下的进给速度此处ssn,Phv=0.8m/min; s T——使用寿命，按15000h; ff ——运转系数，按一般运转取=1.2,1.5; ww 610L—— 寿命、以转为1单位 331441.413459869.7C,LfF,，，,Nwm 601601500，，144L,, 1000000 1000，vsr160n,,minLo 3、滚珠丝杠螺母副的选型 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列3205-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为32mm，导程为5mm,循环滚珠为3圈×2列，精度等级取5级，额定动载荷为10678N，大于C，满足要求。 4 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 4、传动效率计算 将公称直径mm，导程，代入得丝杠螺Pmm,5d,32mm,,,arctan[/()],Pdhoh0 '旋升角,=,将摩擦角，代入下式得; 338':,,10 tantan338',: ,,,,0.956 5、刚度验算 tan()tan(338'10')，:，,, 先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图3所示。最大牵引力为1345N，由螺母装配总长度为46mm,丝杠螺纹长度取900mm,预计支承长度为2300mm，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的1/3。 G J1 J M L 图2.1 纵向进给系统计算简图 ' (1)、丝杠的拉伸或压缩变形量, 1 E,2.1，100000查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-31得，滚珠直 2Dmm,3.175,d/4mm径,丝杠底径，丝杠横截面积S==624.3 ,已知d,28.2mmW22 F=1345。将各个数据代入下式得 m 1345，2300Fam,,==0.02359mm。 1ES2.1，100000，624.3 (2)、滚珠与螺纹滚道间接触变形 ,2 ZdD,,(/)3,根据公式,求得单圈滚珠数Z=29;该型号丝杠为单螺母滚珠的0W ZZ,Z圈数×列数为3×2，代入公式:×圈数×列数，得滚珠总数量=174。丝杠,, 5 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 Fm,,448.3F预紧时，取轴向预紧力N,代入下式得 YJ3Fm ,,0.0013,0.001122Z310DFwYJ10因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1,3，所以变形量可减小一半，取 ,=0.00055mm。 2 (3)将以上算出的和代入=，，求得丝杠总变形量 ,,,,,1212总 ,=0.02359，0.00055=0.02414mm 总 本课题中，丝杠的有效行程为900mm，由《机电一体化系统设计课程设计指导 书》表3-37可知，五级精度滚珠丝杠有效行程在800,1000时，行程偏差允许达mm到40,可见丝杠刚度足够，且,小于1,3的开环系统定位精度值0.033mm，满,m总 足要求。 6、稳定性校核 查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表3-34得，取支承系数f=1;由丝k4d42杠底径，求得截面惯性矩;压杆稳定安全系数d,28.2I,3.14,31027.45mm264 K取3;滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值2300mm。代入下式得23.14fEIKF,,F m2ka F，=1345N，故丝杠不会失稳。 ,m 综上所述。初选的滚珠丝杠副满足使用要求。 2.5 计算减速比i 已知工作台的开环脉冲当量，滚珠丝杠的导程Pmm,5，初选,,0.01/mmsteph ,步进电动机的步矩角,,0.75，代入下式得 iP,(/360),,=1.04 h i,1取。 2.6步进电动机的计算和选型 J1、计算加在步进步进电动机转轴上的总转动惯量 已知滚珠丝杠eq ,33d,32l,2300的公称直径,总长，导程Pmm,5，材料密度;,,，7.8510/kgcmh 2G,1800NJmD,/8移动部件总重力，由公式得滚珠丝杠的转动惯量j P22h,()j,18.56kg，cm;由公式得拖板折算到丝杠上的转动惯 Jmsi,22j,1.16kg，cm，传动比i=1。 w 6 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 初选步进电动机型号为90BYG2602,为两相混合式，由常州宝马集团公生产，二 ,相八拍驱动时步矩角为，查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表4-5得0.75 2该型号电动机转子的转动惯量。 Jkgcm,4 m 则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为: ，，j，j2wsj,j，,23.72 kgcm 2eqmi 2、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩T ep 分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算 1)快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩由公式可TTTT,，，eqaf1max0 知,T包括三部分:一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩eq1 TT;一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩;还有一部分是amaxf滚珠丝杠与今后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T。因为滚珠丝杠副传动效率很0 FP2YJh高，根据公式可知，T相对于T和T很小，可以忽略不计。则有: ,,(1),f0amaxT002,,iTTT =， eq1amaxf2,Jneqm1根据公式，考,虑传动链的总效率，计算快速空载起动时折算,Tamax60ta到电动机转轴上的最大加速转矩: 2,Jn1eqm1, × Tamax,60ta式中 n ---- 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为; r/minm tn ---- 步进电动机由静止到加速至转速所需的时间，单位为s。 am ,,maxn, 其中: m360, ,式中 ---- 空载最快移动速度，任务书指定为2000mm/min; max ,,0.75 ---- 步进电动机步矩角，预选电动机为; , ---- 脉冲当量，任务书指定为(开环系统)。 0.01/mmstep ,,maxn,n将以上各值代入式中，得=417r/min。 mm360, nt设步进电动机由静止到加速至转速所需时间=0.4s,传动链总效率,=0.7。则ma2,Jn1eqm1,由公式×求得 Tamax,60taT ?0259Nm amax FPh摩T由式=可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为 fi2,,,()FGP，ZhT = f2,,i 式中 , ---- 导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.005; F ---- 垂直方向的铣削力，空载时取0 z , ---- 传动链总效率，取1。 7 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 ,()FGP，Zh则由式T=求得 T?0.0717 Nm ff2,,i 最后由式=，，求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩: TTTeq1famax T=T，T=0.3307 Nm eq1famax 2)最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩T 由式TTTT,，，eq2eqtf20可知，包括三部分:一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩;一部TTeq2t分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩T;还有一部分是滚珠丝杠预f 紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T，T相对于T和T很小，可以忽略不计。00tf则有: TTT,，eqtf2FPfh其中，这算到电动机转轴上的最大工作负载转矩T由式T,计算。本课题tt,,2i F中对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给负载=1200N，xFP1200，0.005fh则有: T,= ,0.955Nmti2,,2，3.14，1,()FGP，Zh再由式T=计算垂直方向承受最大工作负载()情况下，F,1800NfZ2,,i 移动部件运动时这算到电动机转轴上的摩擦转矩: ,()FGP，0.0051800，1800，0.05，，ZhT== ,0.143Nmf2，3.14，12,,i 最后由TTT,，，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为: eqtf2 TTT,，=1.154Nm eqtf2 经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为 T,T，T,1.098Nm eqtf2 3、步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因 T此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本课题中取安eq 全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足: T?4T,4，1.098,4.392Nm jmaxeq 上述初选的步进电动机型号为90BYG2602, 由《机电一体化系统设计课程设计指 T6Nm 导书》表4-5查得该型号电动机的最大静转矩=。可见，满足上式要求。 jmax 4、步进电动机的性能校核 1)最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度 ,maxff,,,800/minmm，脉冲当量,,0.01/mmstep，由式求出电动机对应的maxmax60, fHzHz,，,800/(600.01)1333运行频率。从90BYG2602电动机的运行矩频特性,,maxf T m曲线图(下图所示)可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩?5.3N,远大maxf T,1.098Nm于最大工作负载 ，满足要求。 2eq 8 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 2)最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度 ,maxff,，仿照式求出电动机对应的运行频率,,2000/minmmmaxmax60, fHzHz,，,2000/(600.01)3333。从上图中可以查得，在此频率下，电动机的输,,maxf T,0.3307Nm出转矩TNm,4.2 ，大于快速空载起动时的负载转矩，满足要求。 1maxeq 3)最快空载移动时电动机运行频率校核 与最快空载移动速度 对应的电动机运行频率为fHz,3333。查《机电一体化系统设,,2000/minmmmaxmax 计课程设计指导书》表4-5可知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000Hz,可见没有超出上限。 2J,23.72kg,cm 4)起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量，电动eq 2机转子的转动惯量Jkgcm,4 ，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率m fHz,1800(查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表4-5)。则由q ffJJ,，/1/可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率: Lqeqm fqf,,683.8 Hz Ljeq1， 此式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率小于jm 9 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 683.8Hz。实际上，在采用软件升降时，起动频率选得更低，通常只有100Hz(即100step/s)。 综上所述，本课题中工作台的进给传动选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。 10 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 第三章 微机数控硬件电路设计 根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，绘制系统电气控制的结构框图。 1、数控系统由硬件和软件两部分组成。 硬件是组成系统的基础，机床硬件电路由以下五部分组成: ?、主控制器，即中央控制单元CPU; ?、总线，包括数据总线、地址总线和控制总线; ?、存储器，包括程序存储器和数据存储器; ?、接口，即I/O输入/输出接口电路; ?、外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。见图3—1。 步进电机 图3—1 机床数控系统硬件框图(开环系统) 2、选择中央处理单元CPU的类型 考虑到系统应用场合、控制对象对各种参数的要求，及经济价格比等经济性的要求。因此，在经济数控铣床中，推荐使用MCS—51系列单片机作主控制器。 3、存储器扩展电路设计 存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。 在选择程序存储器芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。 在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。 4 、I/O口即输入/输出接口电路设计 包括接口芯片的选用，步进电机控制电路，键盘显示电路及其他辅助电路的设计。 11 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 3.1 MCS—51系列单片机简介 3.1.1 MCS—51系列指令系统简介 MCS—51系列指令系统共有111条基本指令，其中单字节指令有49条，双字节指令有45条，单字节指令有17条。 1、MCS—51系列指令系统的七种寻址方式简介: (1)、立即寻址 跟在操作码后的一个字节就是实际操作数。 (2)、直接寻址 指令中直接给出参加运算或传送的数的地址。可以访问三种地址:特殊功能寄存器SFR、内部RAM128字节个单元、221个地址空间。 (3)、寄存器寻址 指定某一可寻址的寄存器的内容为操作数。寻址空间是R0,R7、A、B、DPTR。 (4)、寄存器间接寻址 由指令指定某一寄存器的内容作为操作数地址，选定R0、R1、SP、DPTR(16位)来存放地址，使用时前加@。 (5)、变址寻址 由争论指定的偏移量寄存器或称变址寄存器和基址寄存器 DPTR或PC相加所得结果作为操作数地址。 (6)、相对寻址 在指令中给定的地址偏移量与本指令所在单元地址(即PC内容)相加，即得到真正有效的单元地址。 (7)、位寻址 对内部RAM的128位和SFR块内的93位进行位操作。 2、MCS—51系列指令系统主要指令简介: MCS—51系列指令系统111条指令可分为五类: (1)、数据传送类 29条 (2)、算术操作类 24条 (3)、逻辑操作类 24条 (4)、控制程序转移类 17条 (5)、布尔变量操作类 17条 3.1.2 定时器/计数器 MCS—51系列单片机提供两个十六位可编程的定时器/计数器，即T0和T1。他们具有两种工作方式和四种模式。其工作原理如图3.2所示。 12 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 定时器/计数器的核心是加一计数器，加一计数器脉冲有两个来源，一个是外部脉冲源，另一个是系统的时钟振荡器。 有两个模拟开关，前一个开关就是特殊寄存器TMOD的相应位，后一个模拟开关就是特殊寄存器TCON的相应位。 TMOD和TCON是专门用于定时器/计数器的控制寄存器。用户可以用 图3.2 定时器/计数器的结构框图 指令对其各位进行写入或更改操作，从而选择不同的工作状态或启动时间，并可设置相应的控制条件。 这两个控制寄存器各位的功能: 1、TMOD控制寄存器 GATE——门控位或叫选通位。 C/T——计数器方式或定时器方式的选择位。 M1和M0——工作模式控制位。 00 模式0:TLX中的低5位和THX的高8位构成13位计数器。 01 模式1:TLX与THX构成16位计数器。 10 模式2:可自动再装入的8位计数器。 11 模式3:把定时器0分成两个8位计数器，关闭定时器1。 2、TCON控制寄存器 TF0、TF1——定时器T0、T1溢出标志位，为1时申请中断。 TR0、TR1——定时器T0、T1运行控制位，有软件设定，来控制定时器/计数器开启或关闭。 IE0、IE1——外部中断源的标志，为1时表示外部中断源向CPU申请中断。 IT0、IT1——外部中断源触发控制位。 13 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 3.1.3 中断系统 MCS—51系列单片机提供五个中断源，配备两个中断优先级，INT0、INT1输入外部中断请求，两个片内定时器/计数器T0和T1溢出中断请求TF0和TF1，一个片内串行口中断请求TI和RI。 各中断源所对应的中断服务程序的入口地址和优先级如下: 中断源 人口地址 优先级 INT0 0003H 0 T0 000BH 1 INT1 0013H 2 T1 001BH 3 串行口中断 0023H 4 3.2 存储器扩展电路设计 3.2.1 程序存储器的扩展 1、常用的ROM芯片及引脚: (1)常用的半导体ROM芯片有:2716(2K*8)、2732A(4K*8)、2764、(8K*8)、27128(16K*8)、27256(32K*8)、27512(64K*8)。2764、27128、27256、27512芯片均有28脚双列直插式平封装芯片。引脚向下兼容。图3.3是2764引脚排列。 (2)地址锁存器常用的地址锁存器芯片是74LS373。74LS373是带三态缓冲输出的8D触发器。其真值表见表3.1。 14 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 图3.3 2764引脚排列 E G D Q L H H H L H L L L L X Q0 表3.1 真值表74LS373 3.2.2 数据存储器的扩展 常用数据存储器及引脚 常用的静态RAM芯片有6116(2K*8)、6264(8K*8)、62256(32K*8)等，6264、62256均采用CMOS工艺、28脚双列直插式平封装。6264引脚及逻辑符号见图3.4。 图3.4 6264引脚图 3.2.3 译码电路设计 1、MCS—51系列单片机应用系统中的地址译码规则 (1)程序存储器和数据存储器独立编址。程序存储器地址和数据存储器地址可以重叠使用。都是从0000H,FFFFH。 (2)外围I/O芯片与扩展数据存储器统一编址 外围I/O芯片占用数据存储器地址单元，且使用数据存储器的读/写控制信号与读/写指令。 15 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 (3)CPU在访问外部存储器时地址编码 CPU的P2口提供高8位地址，P0口经外部地址锁存器后提供低8位地址。 2、地址译码方法 (1)线选法 利用单片机地址总线高位中的一根线作为选择某一片存储器芯片的片选信号。此法用于规模较小的系统。其优点是不需要地址译码器，可节省硬件，降低成本。缺点是可寻址的芯片数目受到很大的限制，且地址空间不连续，不能充分利用。 (2)全地址译码法 对容量较大的系统，扩展的外围芯片较多，芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，就需要用这种全地址译码法。 常采用的译码器是74LS138。表1—3是其逻辑功能表。图1—8是全地址译码图。表3.2是其地址译码表。 表3.2 74LS138逻辑功能表 G1 G2A G2B C B A Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 其 他 状 态 X X X 1 1 1 1 1 1 1 1 表 3.3 74LS138地址译码表 16 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 器 件 地 址 选 择 线 片内地址单元(字地 址 编 码 节) 2764 000X XXXX XXXX XXXX 8K 0000H~1FFFH 6264 001X XXXX XXXX XXXX 8K 2000H~3FFFH 8155 RAM 0101 1110 XXXX XXXX 256 5E00H~5EFFH I/O 0101 1111 1111 1XXX 6 5FF8H~5FFFH 8255 0111 1111 1111 11XX 4 6FFCH~6FFFH 图3.6 数控铣床全地址译码图 17 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 3.3 I/O接口电路及辅助电路设计 常用外围接口芯片有: 8155:可编程的RAM/IO扩展接口电路(256个RAM、两个8位口、一个6位口、一个14位的定时器/计数器) 8255:可编程的通用并行接口电路(3个8位口) 8279:可编程的键盘、显示接口电路 3.3.1 8155 通用可编程接口芯片 1、8155引脚及其功能 8155 的结构框图及引脚排列见图3.7。8155 具有40条引脚，采用双列直插式风装，各引脚功能见表3.4。 18 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 表3.4 8155引脚功能 引脚 含义 引脚 含义 引脚 含义 AD0~AD7 地址、数据线 TIMER OUT 定时输出 CE 片选 PA0~PA7 A口 IO/M IO/RAM口选择 RESET 复位 PB0~PB7 B口 ALE 地址锁存 VSS 地 PC0~PC5 C口 RD 读写 VCC 电源 TIMER IN 定时输入 WR 图3.7 可编程的RAM/IO扩展接口电路 定义A口输入/输出方式 定义B口输入/输出方式 00:ALT1 01:ALT2 0:禁止A口中断 10:ALT3 11ALT4 1:允许A口中断 00:空操作 0:禁止B口中断 01:停止定时器操作 1:允许B口中断 10:定时器减为一时停止计数 11:置定时器方式后，开始计数 图3.8命令寄存器格式及工作方式 2、8155 的工作方式设定 19 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 8155 命令寄存器格式及工作方式见图3.8 3、8155 初始化程序格式如下: MOV DPTR ， 控制口地址 MOV A ， 命令字 引 脚 含 义 MOVX @DPTR ，A MOV DPTR ， 计数初值入口地址 MOV A， 计数初值 MOVX @DPTR ，A INC DPTR MOV A ， 计数初值高位 MOVX @DPTR ，A 3.3.2 8255 通用可编程接口芯片 1、8255 引脚及其功能 8255 引脚及内部结构见图3.9，其引脚功能见3.5: 2、8255 工作方式的设定 8255 有三种工作方式:方式0、方式1、方式2。 方式0——基本的输入输出方式 方式1——应答式输入输出方式 方式2——应答式双向输入输出方式 图3.9 8255引脚及内部结构 20 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 D0~D7 数据线 PA0~PA7 A口 PB0~PB7 B口 PC0~PC7 C口 A0、A1 地址线 RD 读 WR 写 CE 片选 RESET 复位 GND 地 VCC 电源 表3.5 8255引脚功能 8255 IO的工作方式选择通过对其内部命令寄存器设定方式选择控制字来实现。 其格式及工作方式见图3.10。C口置/复位控制字格式如图3.11所示。 8255 初始化程序格式如下: 3、 MOV AL ， 控制字;定义工作方式 OUT 控制口地址，AL IN AL ， 初值 OUT 输出口地址，AL B组 21 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 下C口:0—输出 1—输入 B口: 0—输出 1—输入 模式选择:0—模式0 1—模式1 A组 上C口:0—输出 1—输入 A口: 0—输出 1—输入 模式选择:00—模式0 01—模式1 X1—模式2 控制选择 1=模式选择 图3.10 命令寄存器方式选择控制字格式及工作方式 置位 0=复位 1=置位 位选择 D3 D2 D1 C口 0 0 0 BIT0 0 0 0 BIT0 0 0 0 BIT0 0 0 0 BIT0 图3.11 C口置/复位控制字格式 0 0 0 BIT0 0 0 0 BIT0 0 0 0 BIT0 0 0 0 BIT0 控制选择 0=位操作 3.3.3 键盘显示接口电路 1、显示器工作原理 数控系统中使用的显示器主要有LED和LCD接口显示方式。LED显示器有8个发 22 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 光二极管组成，控制不同组合的二极管导通，显示不同字符。七段显示器的结构如图3.12。 2、键盘接口原理 键盘工作原理如图3.13所示。 3、8255 初始化程序格式如下: MOV AL ， 控制字;定义工作方式 OUT 控制口地址，AL IN AL ， 初值 OUT 输出口地址，AL a)外行 b)共阳极 c)共阴极 图3.12 七段显示器的结构 图3.13 键盘工作原理 3.3.4 电机接口及驱动电路 1、脉冲分配器 脉冲分配器又叫环型分配器，有硬件环型分配器和软件环型分配器两种。 2、光电隔离电路 为防止强电干扰，在接口电路与功率放大器之间加上隔离电路。常用的光电偶合器连线如图3.15。 23 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 图3.15 光电偶合器连线 图3.16时钟电路 图3.17复位电路3.3.5 辅助电路 1、87C51的时钟电路 数控铣床单片机的时钟电路采用内部方式产生，电路图3.16。 2、复位电路 单片机的复位都靠外部电路实现。单片机通常采用上电复位和按键复位两种，图3.17为二者组合电路。 3、越界报警电路 为防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。图3.18为报警信号的产生和指示电路。 图3.18 报警信号的产生和指示电路 4、掉电保护电路 避免在掉电的情况下，RAM中的信息丢失，图1—21为其工作原理。 图1—21掉电保护电路 24 内蒙古工业大学本科课程设计说明书 参考文献 [1] 文怀兴等. 数控机床系统设计[M].北京:化学工业出版社，2005. 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