通用兩維運(yùn)動平臺設(shè)計(jì).doc

學(xué)號：201280191 課程設(shè)計(jì)說明書 題 目：通用兩維運(yùn)動平臺設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 學(xué) 院：機(jī)械學(xué)院 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 班 級： 指導(dǎo)教師： 2016年01月10日 摘 要 X-Y工作臺是指能分別沿著X向和Y向移動的工作臺。數(shù)控機(jī)床的加工系統(tǒng)、立體倉庫中堆垛機(jī)的平面移動系統(tǒng)、平面繪圖儀的繪圖系統(tǒng)等,盡管結(jié)構(gòu)和功能各不相同,但基本原理相同。機(jī)電一體化系統(tǒng)是將機(jī)械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)結(jié)合而形成的一個有機(jī)整體。本文通過對X-Y工作臺的機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及接口電路的設(shè)計(jì),闡述了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中共性和關(guān)鍵的技術(shù)。 本次課程設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)和研究Ｘ－Ｙ工作臺及其電氣原理圖。確定Ｘ－Ｙ工作臺的傳動系統(tǒng)，并且選擇了螺旋傳動，驗(yàn)算了螺旋傳動的剛度、穩(wěn)定性，壽命等參數(shù)；還設(shè)計(jì)了導(dǎo)軌，根據(jù)其用途和使用要求，選擇了直線滾動導(dǎo)軌副，確定了其類型、轉(zhuǎn)動力矩、轉(zhuǎn)動慣量。利用8031、6264、2764、373、8155、8255等MCS—51單片機(jī)設(shè)計(jì)其硬件電路圖。 關(guān)鍵詞：滾珠絲杠螺母副；直線滾動導(dǎo)軌副；步進(jìn)電機(jī)；MCS—51單片機(jī) 目 錄 摘 要 1 第一章 兩維運(yùn)動平臺總體方案設(shè)計(jì) 1 1.1系統(tǒng)的運(yùn)動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 1 1.2機(jī)械傳動方式 1 1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 1 第二章 二維運(yùn)動平臺進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 2 2.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 2 2.2 確定系統(tǒng)切削力 2 2.3直線滾動導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 2 2.4 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 3 2.5 計(jì)算減速比i 6 2.6步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算和選型 6 第3章 微機(jī)數(shù)控硬件電路設(shè)計(jì) 11 3.1 MCS—51系列單片機(jī)簡介 11 3.1.1 MCS—51系列指令系統(tǒng)簡介 11 3.1.2 定時器/計(jì)數(shù)器 12 3.1.3 中斷系統(tǒng) 13 3.2 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 13 3.2.1 程序存儲器的擴(kuò)展 13 3.2.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 13 3.2.3 譯碼電路設(shè)計(jì) 14 3.3 I/O接口電路及輔助電路設(shè)計(jì) 15 3.3.1 8155 通用可編程接口芯片 15 3.3.2 8255 通用可編程接口芯片 15 3.3.3 鍵盤顯示接口電路 18 3.3.4 電機(jī)接口及驅(qū)動電路 18 3.3.5 輔助電路 18 參考文獻(xiàn) 20 第一章 兩維運(yùn)動平臺總體方案設(shè)計(jì) 1.1系統(tǒng)的運(yùn)動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 為了滿足二維運(yùn)動平臺實(shí)現(xiàn)X.Y兩坐標(biāo)聯(lián)動，任意平面曲面的加工，自動換象限，越位報(bào)警和急停等功能，故選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到工作臺的加工范圍，只對毛坯料進(jìn)行初加工，不考慮誤差補(bǔ)償，故采用開環(huán)控制系統(tǒng)，由于任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm,定位精度也未達(dá)到微米級，空載最快移動速度也只有1000，因此，本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動機(jī)，如交流伺服電動機(jī)或直流伺服電動機(jī)等，可以選用性能好一些的步進(jìn)電動機(jī)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，以降低成本，提高性價比。 1.2機(jī)械傳動方式 伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，要滿足0.01mm的脈沖當(dāng)量和0.10mm的定位精度，滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠螺母副才能達(dá)到。同時，為提高傳動剛度和消除傳動間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。 1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，采用8位微機(jī)。由于MCS—51系列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的性能價格比等特點(diǎn)，決定采用MCS—51系列的8031、80C31、8086、DSP、基于DSP的運(yùn)動控制芯片，ARM嵌入式微處理器技術(shù)。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。數(shù)控機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)，X.Y數(shù)控工作臺總體方案設(shè)計(jì)見圖1.1 圖1.1 X.Y數(shù)控工作臺總體方案設(shè)計(jì) 第二章 二維運(yùn)動平臺進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量、區(qū)定系統(tǒng)的負(fù)載、，運(yùn)動部件慣量計(jì)算，空載起動及切削力矩計(jì)算，確定伺服電機(jī)，傳動及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算及選用，繪制機(jī)械部分裝配圖等?，F(xiàn)分述如下： 2.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 一個進(jìn)給脈沖，使運(yùn)動部件產(chǎn)生的位移量，稱為脈沖當(dāng)量。脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù) 。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，二維運(yùn)動平臺采用的脈沖當(dāng)量是0.01mm/step。 2.2 確定系統(tǒng)切削力 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，機(jī)床的切削負(fù)載為：X向1200N；Y向1400N；Z向1800N；G為1800N。 2.3直線滾動導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 1、滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號的選取 工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌使用壽命的重要因素。本課題中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： 其中，移動部件重量G=1800N，外加載荷1800N，代入上式，得最大工作載荷=2250=2.25。 查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-41，根據(jù)工作載荷=2.25，初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為KL系列的JSA-LG25型，其額定動載荷=35.1，額定靜載荷=47.2。 2 距離額定壽命L的計(jì)算 上述選取的KL系列JSA-LG型導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC,工作溫度不超過100,每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大，查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-36～表3-40，分別取硬度系數(shù)=1.0、溫度系數(shù)=1.00、接觸系數(shù)=0.81、精度系數(shù)=0.9、載荷系數(shù)=1.5，代入式，得距離壽命： 遠(yuǎn)大于期望值100km,故距離額定壽命滿足要求. 2.4 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 1、計(jì)算最大工作載荷 查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-29，取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)=0.005，已知G=1800N，，。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： 2、計(jì)算最大動負(fù)載 式中 ——滾珠絲杠導(dǎo)程，初選=5mm； ——最大切削力下的進(jìn)給速度此處 =0.8m/min； ——使用壽命，按15000h； ——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取=1.2～1.5； —— 壽命、以轉(zhuǎn)為1單位 3、滾珠絲杠螺母副的選型 根據(jù)計(jì)算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-31，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的G系列3205-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為32mm，導(dǎo)程為5mm,循環(huán)滾珠為3圈2列，精度等級取5級，額定動載荷為10678N，大于C，滿足要求。 4、傳動效率計(jì)算 將公稱直徑mm，導(dǎo)程，代入得絲杠螺旋升角=,將摩擦角，代入下式得； 5、剛度驗(yàn)算 先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如圖3所示。最大牽引力為1345N，由螺母裝配總長度為46mm,絲杠螺紋長度取900mm,預(yù)計(jì)支承長度為1300mm，絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)載的1/3。 G J M L 圖2.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡圖 (1)、絲杠的拉伸或壓縮變形量 查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-31得，滾珠直徑,絲杠底徑，絲杠橫截面積S==624.3 ,已知=1345。將各個數(shù)據(jù)代入下式得 ==0.02359mm。 （2）、滾珠與螺紋滾道間接觸變形 根據(jù)公式,求得單圈滾珠數(shù)Z=29；該型號絲杠為單螺母滾珠的圈數(shù)列數(shù)為32，代入公式：圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=174。絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力N,代入下式得 因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1／3，所以變形量可減小一半，取=0.00055。 （3）將以上算出的和代入=＋，求得絲杠總變形量 =0.02359＋0.00055=0.02414 本課題中，絲杠的有效行程為900，由《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-37可知，五級精度滾珠絲杠有效行程在800～1000時，行程偏差允許達(dá)到40,可見絲杠剛度足夠，且小于1／3的開環(huán)系統(tǒng)定位精度值0.033，滿足要求。 6、穩(wěn)定性校核 查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表3-34得，取支承系數(shù)=1；由絲杠底徑，求得截面慣性矩；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值1300。代入下式得 ﹥=1345N，故絲杠不會失穩(wěn)。 綜上所述。初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。 2.5 計(jì)算減速比i 已知工作臺的開環(huán)脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠的導(dǎo)程，初選步進(jìn)電動機(jī)的步矩角，代入下式得 =1.04 取。 2.6步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算和選型 1、計(jì)算加在步進(jìn)步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 已知滾珠絲杠的公稱直徑,總長，導(dǎo)程，材料密度；移動部件總重力，由公式得滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；由公式得拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣 ，傳動比i=1。 初選步進(jìn)電動機(jī)型號為90BYG2602,為兩相混合式，由常州寶馬集團(tuán)公生產(chǎn)，二相八拍驅(qū)動時步矩角為，查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表4-5得該型號電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。 則加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： 2、計(jì)算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 分快速空載起動和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算 1）快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由公式可知,包括三部分：一部分是快速空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠與今后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)公式可知，相對于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： =﹢ 根據(jù)公式，考慮傳動鏈的總效率，計(jì)算快速空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩： 式中 ---- 對應(yīng)空載最快移動速度的步進(jìn)電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為； ---- 步進(jìn)電動機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時間，單位為s。 其中： 式中 ---- 空載最快移動速度，任務(wù)書指定為2000； ---- 步進(jìn)電動機(jī)步矩角，預(yù)選電動機(jī)為； ---- 脈沖當(dāng)量，任務(wù)書指定為（開環(huán)系統(tǒng)）。 將以上各值代入式中，得=417r/min。 設(shè)步進(jìn)電動機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時間=0.4s,傳動鏈總效率=0.7。則由公式求得 ≈0259Nm 由式=可知，移動部件運(yùn)動時，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為 = 式中 ---- 導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滾動導(dǎo)軌取0.005； ---- 垂直方向的銑削力，空載時取0 ---- 傳動鏈總效率，取1。 則由式=求得 ≈0.0717 最后由式=﹢，求得快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： =﹢=0.3307 2）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 由式可知，包括三部分：一部分是折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，相對于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： 其中，這算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式計(jì)算。本課題中對滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進(jìn)給負(fù)載=1200N，則有： = 再由式=計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載（）情況下，移動部件運(yùn)動時這算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： == 最后由，求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： =1.154 經(jīng)過上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為 3、步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來選擇步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。本課題中取安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： ≥ 上述初選的步進(jìn)電動機(jī)型號為90BYG2602, 由《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表4-5查得該型號電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩=?？梢?，滿足上式要求。 4、步進(jìn)電動機(jī)的性能校核 1）最快工進(jìn)速度時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快工進(jìn)速度，脈沖當(dāng)量，由式求出電動機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率。在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩≈5.3N,遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載 ，滿足要求。 2）最快空載移動時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快空載移動速度，仿照式求出電動機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率。從上圖中可以查得，在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，大于快速空載起動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。 3）最快空載移動時電動機(jī)運(yùn)行頻率校核 與最快空載移動速度對應(yīng)的電動機(jī)運(yùn)行頻率為。查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表4-5可知90BYG2602電動機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000Hz,可見沒有超出上限。 4）起動頻率的計(jì)算 已知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，電動機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時的空載起動頻率（查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表4-5）。則由可以求出步進(jìn)電動機(jī)克服慣性負(fù)載的起動頻率： Hz 此式說明，要想保證步進(jìn)電動機(jī)起動時不失步，任何時候的起動頻率小于683.8Hz。實(shí)際上，在采用軟件升降時，起動頻率選得更低，通常只有100Hz(即100step/s)。 綜上所述，本課題中工作臺的進(jìn)給傳動選用90BYG2602步進(jìn)電動機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。 第三章 微機(jī)數(shù)控硬件電路設(shè)計(jì) 3.1 MCS—51系列單片機(jī)簡介 硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，機(jī)床硬件電路由以下五部分組成： ⑴、主控制器，即中央控制單元CPU； ⑵、總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線； ⑶、存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器； ⑷、接口，即I/O輸入/輸出接口電路； ⑸、外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器及光電輸入機(jī)等。 考慮到系統(tǒng)應(yīng)用場合、控制對象對各種參數(shù)的要求，及經(jīng)濟(jì)價格比等經(jīng)濟(jì)性的要求。因此，在經(jīng)濟(jì)數(shù)控銑床中，推薦使用MCS—51系列單片機(jī)作主控制器。 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)應(yīng)該包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展。 在選擇程序存儲器芯片時，要考慮CPU與EPROM時序的匹配，還應(yīng)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(kuò)展電路的設(shè)計(jì)中還應(yīng)包括地址鎖存器和譯碼電路的設(shè)計(jì)。 3.1.1 MCS—51系列指令系統(tǒng)簡介 MCS—51系列指令系統(tǒng)共有111條基本指令，其中單字節(jié)指令有49條，雙字節(jié)指令有45條，單字節(jié)指令有17條。 1、MCS—51系列指令系統(tǒng)的七種尋址方式簡介： （1）、立即尋址 跟在操作碼后的一個字節(jié)就是實(shí)際操作數(shù)。 （2）、直接尋址 指令中直接給出參加運(yùn)算或傳送的數(shù)的地址?？梢栽L問三種地址：特殊功能寄存器SFR、內(nèi)部RAM128字節(jié)個單元、221個地址空間。 （3）、寄存器尋址 指定某一可尋址的寄存器的內(nèi)容為操作數(shù)。尋址空間是R0～R7、A、B、DPTR。 （4）、寄存器間接尋址 由指令指定某一寄存器的內(nèi)容作為操作數(shù)地址，選定R0、R1、SP、DPTR（16位）來存放地址，使用時前加@。 （5）、變址尋址 由爭論指定的偏移量寄存器或稱變址寄存器和基址寄存器 DPTR或PC相加所得結(jié)果作為操作數(shù)地址。 （6）、相對尋址 在指令中給定的地址偏移量與本指令所在單元地址（即PC內(nèi)容）相加，即得到真正有效的單元地址。 （7）、位尋址 對內(nèi)部RAM的128位和SFR塊內(nèi)的93位進(jìn)行位操作。 2、MCS—51系列指令系統(tǒng)主要指令簡介： MCS—51系列指令系統(tǒng)111條指令可分為五類： （1）、數(shù)據(jù)傳送類 29條 （2）、算術(shù)操作類 24條 （3）、邏輯操作類 24條 （4）、控制程序轉(zhuǎn)移類 17條 （5）、布爾變量操作類 17條 3.1.2 定時器/計(jì)數(shù)器 MCS—51系列單片機(jī)提供兩個十六位可編程的定時器/計(jì)數(shù)器，即T0和T1。他們具有兩種工作方式和四種模式。 定時器/計(jì)數(shù)器的核心是加一計(jì)數(shù)器，加一計(jì)數(shù)器脈沖有兩個來源，一個是外部脈沖源，另一個是系統(tǒng)的時鐘振蕩器。 有兩個模擬開關(guān)，前一個開關(guān)就是特殊寄存器TMOD的相應(yīng)位，后一個模擬開關(guān)就是特殊寄存器TCON的相應(yīng)位。 TMOD和TCON是專門用于定時器/計(jì)數(shù)器的控制寄存器。用戶可以用指令對其各位進(jìn)行寫入或更改操作，從而選擇不同的工作狀態(tài)或啟動時間，并可設(shè)置相應(yīng)的控制條件。 這兩個控制寄存器各位的功能： 1、TMOD控制寄存器 GATE——門控位或叫選通位。 C/T——計(jì)數(shù)器方式或定時器方式的選擇位。 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位構(gòu)成13位計(jì)數(shù)器。 01 模式1：TLX與THX構(gòu)成16位計(jì)數(shù)器。 10 模式2：可自動再裝入的8位計(jì)數(shù)器。 11 模式3：把定時器0分成兩個8位計(jì)數(shù)器，關(guān)閉定時器1。 2、TCON控制寄存器 TF0、TF1——定時器T0、T1溢出標(biāo)志位，為1時申請中斷。 TR0、TR1——定時器T0、T1運(yùn)行控制位，有軟件設(shè)定，來控制定時器/計(jì)數(shù)器開啟或關(guān)閉。 IE0、IE1——外部中斷源的標(biāo)志，為1時表示外部中斷源向CPU申請中斷。 IT0、IT1——外部中斷源觸發(fā)控制位。 3.1.3 中斷系統(tǒng) MCS—51系列單片機(jī)提供五個中斷源，配備兩個中斷優(yōu)先級，INT0、INT1輸入外部中斷請求，兩個片內(nèi)定時器/計(jì)數(shù)器T0和T1溢出中斷請求TF0和TF1，一個片內(nèi)串行口中斷請求TI和RI。 各中斷源所對應(yīng)的中斷服務(wù)程序的入口地址和優(yōu)先級如下： 中斷源 人口地址 優(yōu)先級 INT0 0003H 0 T0 000BH 1 INT1 0013H 2 T1 001BH 3 串行口中斷 0023H 4 3.2 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 3.2.1 程序存儲器的擴(kuò)展 1、常用的ROM芯片及引腳： （1）常用的半導(dǎo)體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腳雙列直插式平封裝芯片。引腳向下兼容。（2）地址鎖存器常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。其真值表見表3.1。 表3.1 真值表74LS373 E G D Q L H H H L H L L L L X Q0 3.2.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 常用數(shù)據(jù)存儲器及引腳 常用的靜態(tài)RAM芯片有6116（2K*8）、6264（8K*8）、62256（32K*8）等，6264、62256均采用CMOS工藝、28腳雙列直插式平封裝。 3.2.3 譯碼電路設(shè)計(jì) 1、MCS—51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的地址譯碼規(guī)則 （1）程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨(dú)立編址。程序存儲器地址和數(shù)據(jù)存儲器地址可以重疊使用。都是從0000H～FFFFH。 （2）外圍I/O芯片與擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址 外圍I/O芯片占用數(shù)據(jù)存儲器地址單元，且使用數(shù)據(jù)存儲器的讀/寫控制信號與讀/寫指令。 （3）CPU在訪問外部存儲器時地址編碼 CPU的P2口提供高8位地址，P0口經(jīng)外部地址鎖存器后提供低8位地址。 2、地址譯碼方法 （1）線選法 利用單片機(jī)地址總線高位中的一根線作為選擇某一片存儲器芯片的片選信號。此法用于規(guī)模較小的系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是不需要地址譯碼器，可節(jié)省硬件，降低成本。缺點(diǎn)是可尋址的芯片數(shù)目受到很大的限制，且地址空間不連續(xù)，不能充分利用。 （2）全地址譯碼法 對容量較大的系統(tǒng)，擴(kuò)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法。 常采用的譯碼器是74LS138。表3.2是其地址譯碼表。 表3.2 74LS138邏輯功能表 G1 G2A G2B C B A Y7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 其 他 狀 態(tài) 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 X X X 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3.3 74LS138地址譯碼表 器 件 地 址 選 擇 線 片內(nèi)地址單元（字節(jié)） 地 址 編 碼 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 3.3 I/O接口電路及輔助電路設(shè)計(jì) 常用外圍接口芯片有： 8155：可編程的RAM/IO擴(kuò)展接口電路（256個RAM、兩個8位口、一個6位口、一個14位的定時器/計(jì)數(shù)器） 8255：可編程的通用并行接口電路（3個8位口） 8279：可編程的鍵盤、顯示接口電路 3.3.1 8155 通用可編程接口芯片 1、8155引腳及其功能 8155 的結(jié)構(gòu)具有40條引腳，采用雙列直插式風(fēng)裝，各引腳功能見表3.4。 表3.4 8155引腳功能 引腳 含義 引腳 含義 引腳 含義 AD0~AD7 PA0~PA7 PB0~PB7 PC0~PC5 TIMER IN 地址、數(shù)據(jù)線 A口 B口 C口 定時輸入 TIMER OUT IO/M ALE RD WR 定時輸出 IO/RAM口選擇 地址鎖存 讀寫 CE RESET VSS VCC 片選 復(fù)位 地 電源 2、8155 初始化程序格式如下： MOV DPTR ， 控制口地址 MOV A ， 命令字 MOVX @DPTR ，A MOV DPTR ， 計(jì)數(shù)初值入口地址 MOV A， 計(jì)數(shù)初值 MOVX @DPTR ，A INC DPTR MOV A ， 計(jì)數(shù)初值高位 MOVX @DPTR ，A 3.3.2 8255 通用可編程接口芯片 1、8255 引腳及其功能 8255 引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3.9，其引腳功能見3.5： 2、8255 工作方式的設(shè)定 8255 有三種工作方式：方式0、方式1、方式2。 方式0——基本的輸入輸出方式 方式1——應(yīng)答式輸入輸出方式 方式2——應(yīng)答式雙向輸入輸出方式 表3.5 8255引腳功能 引 腳 含 義 D0~D7 PA0~PA7 PB0~PB7 PC0~PC7 A0、A1 RD WR CE RESET GND VCC 數(shù)據(jù)線 A口 B口 C口 地址線 讀 寫 片選 復(fù)位 地 電源 圖3.9 8255引腳及內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8255 IO的工作方式選擇通過對其內(nèi)部命令寄存器設(shè)定方式選擇控制字來實(shí)現(xiàn)。其格式及工作方式見圖3.10。C口置/復(fù)位控制字格式如圖3.11所示。 3、8255 初始化程序格式如下： MOV AL ， 控制字；定義工作方式 OUT 控制口地址，AL IN AL ， 初值 OUT 輸出口地址，AL B組 下C口：0—輸出 1—輸入 B口： 0—輸出 1—輸入 模式選擇：0—模式0 1—模式1 A組 上C口：0—輸出 1—輸入 A口： 0—輸出 1—輸入 模式選擇：00—模式0 01—模式1 X1—模式2 控制選擇 1=模式選擇 圖3.10 命令寄存器方式選擇控制字格式及工作方式 置位 0=復(fù)位 1=置位 位選擇 D3 D2 D1 C口 0 0 0 BIT0 0 0 0 BIT0 0 0 0 BIT0 0 0 0 BIT0 0 0 0 BIT0 0 0 0 BIT0 0 0 0 BIT0 0 0 0 BIT0 控制選擇 0=位操作 圖3.11 C口置/復(fù)位控制字格式 3.3.3 鍵盤顯示接口電路 1、顯示器工作原理 數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED和LCD接口顯示方式。LED顯示器有8個發(fā)光二極管組成，控制不同組合的二極管導(dǎo)通，顯示不同字符。 2、8255 初始化程序格式如下： MOV AL ， 控制字；定義工作方式 OUT 控制口地址，AL IN AL ， 初值 OUT 輸出口地址，AL 3.3.4 電機(jī)接口及驅(qū)動電路 1、脈沖分配器 脈沖分配器又叫環(huán)型分配器，有硬件環(huán)型分配器和軟件環(huán)型分配器兩種。 2、光電隔離電路 為防止強(qiáng)電干擾，在接口電路與功率放大器之間加上隔離電路。常用的光電偶合器連線如圖3.15。 圖3.15 光電偶合器連線 3.3.5 輔助電路 1、87C51的時鐘電路 數(shù)控銑床單片機(jī)的時鐘電路采用內(nèi)部方式產(chǎn)生。 2、復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位都靠外部電路實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)通常采用上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種，圖3.17為二者組合電路。 3、越界報(bào)警電路 為防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關(guān) 4、 掉電保護(hù)電路 避免在掉電的情況下，RAM中的信息丟失， 參考文獻(xiàn) [1] 文懷興等. 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