通用兩維運動平臺設(shè)計.doc

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學(xué)號：201280191 課程設(shè)計說明書 題 目：通用兩維運動平臺設(shè)計 學(xué)生姓名： 學(xué) 院：機械學(xué)院 專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化 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)控機床的加工系統(tǒng)、立體倉庫中堆垛機的平面移動系統(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。機電一體化系統(tǒng)是將機械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)結(jié)合而形成的一個有機整體。本文通過對X-Y工作臺的機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及接口電路的設(shè)計,闡述了機電一體化系統(tǒng)設(shè)計中共性和關(guān)鍵的技術(shù)。 本次課程設(shè)計，主要設(shè)計和研究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，驗算了螺旋傳動的剛度、穩(wěn)定性，壽命等參數(shù)；還設(shè)計了導(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單片機設(shè)計其硬件電路圖。 關(guān)鍵詞：滾珠絲杠螺母副；直線滾動導(dǎo)軌副；步進電機；MCS—51單片機 目 錄 摘 要 1 第一章 兩維運動平臺總體方案設(shè)計 1 1.1系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 1 1.2機械傳動方式 1 1.3計算機系統(tǒng) 1 第二章 二維運動平臺進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算 2 2.1 確定系統(tǒng)脈沖當量 2 2.2 確定系統(tǒng)切削力 2 2.3直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型 2 2.4 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 3 2.5 計算減速比i 6 2.6步進電動機的計算和選型 6 第3章 微機數(shù)控硬件電路設(shè)計 11 3.1 MCS—51系列單片機簡介 11 3.1.1 MCS—51系列指令系統(tǒng)簡介 11 3.1.2 定時器/計數(shù)器 12 3.1.3 中斷系統(tǒng) 13 3.2 存儲器擴展電路設(shè)計 13 3.2.1 程序存儲器的擴展 13 3.2.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴展 13 3.2.3 譯碼電路設(shè)計 14 3.3 I/O接口電路及輔助電路設(shè)計 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 電機接口及驅(qū)動電路 18 3.3.5 輔助電路 18 參考文獻 20 第一章 兩維運動平臺總體方案設(shè)計 1.1系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 為了滿足二維運動平臺實現(xiàn)X.Y兩坐標聯(lián)動，任意平面曲面的加工，自動換象限，越位報警和急停等功能，故選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到工作臺的加工范圍，只對毛坯料進行初加工，不考慮誤差補償，故采用開環(huán)控制系統(tǒng)，由于任務(wù)書規(guī)定的脈沖當量尚未達到0.001mm,定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有1000，因此，本設(shè)計不必采用高檔次的伺服電動機，如交流伺服電動機或直流伺服電動機等，可以選用性能好一些的步進電動機電機進行驅(qū)動，以降低成本，提高性價比。 1.2機械傳動方式 伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，要滿足0.01mm的脈沖當量和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到。同時，為提高傳動剛度和消除傳動間隙，采用有預(yù)加負荷的結(jié)構(gòu)。 1.3計算機系統(tǒng) 根據(jù)設(shè)計要求，采用8位微機。由于MCS—51系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強，具有很高的性能價格比等特點，決定采用MCS—51系列的8031、80C31、8086、DSP、基于DSP的運動控制芯片，ARM嵌入式微處理器技術(shù)。 控制系統(tǒng)由微機部分、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現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。數(shù)控機床總體方案設(shè)計，X.Y數(shù)控工作臺總體方案設(shè)計見圖1.1 圖1.1 X.Y數(shù)控工作臺總體方案設(shè)計 第二章 二維運動平臺進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算 伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的脈沖當量、區(qū)定系統(tǒng)的負載、，運動部件慣量計算，空載起動及切削力矩計算，確定伺服電機，傳動及導(dǎo)向元件的設(shè)計、計算及選用，繪制機械部分裝配圖等。現(xiàn)分述如下： 2.1 確定系統(tǒng)脈沖當量 一個進給脈沖，使運動部件產(chǎn)生的位移量，稱為脈沖當量。脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù) 。根據(jù)設(shè)計要求，二維運動平臺采用的脈沖當量是0.01mm/step。 2.2 確定系統(tǒng)切削力 根據(jù)設(shè)計要求，機床的切削負載為：X向1200N；Y向1400N；Z向1800N；G為1800N。 2.3直線滾動導(dǎo)軌副的計算與選型 1、滑塊承受工作載荷的計算及導(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《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(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《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(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算和選型 1、計算最大工作載荷 查《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(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、計算最大動負載 式中 ——滾珠絲杠導(dǎo)程，初選=5mm； ——最大切削力下的進給速度此處 =0.8m/min； ——使用壽命，按15000h； ——運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(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)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書》表3-31，選擇濟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、剛度驗算 先畫出此縱向進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)計支承長度為1300mm，絲杠螺母及軸承均進行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負載的1/3。 G J M L 圖2.1 縱向進給系統(tǒng)計算簡圖 (1)、絲杠的拉伸或壓縮變形量 查《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(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 因為絲杠加有預(yù)緊力，且為軸向負載的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《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(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《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(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 計算減速比i 已知工作臺的開環(huán)脈沖當量，滾珠絲杠的導(dǎo)程，初選步進電動機的步矩角，代入下式得 =1.04 取。 2.6步進電動機的計算和選型 1、計算加在步進步進電動機轉(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。 初選步進電動機型號為90BYG2602,為兩相混合式，由常州寶馬集團公生產(chǎn)，二相八拍驅(qū)動時步矩角為，查《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書》表4-5得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。 則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為： 2、計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩 分快速空載起動和承受最大工作負載兩種情況進行計算 1）快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(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轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(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轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因為滾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。則有： =﹢ 根據(jù)公式，考慮傳動鏈的總效率，計算快速空載起動時折算到電動機轉(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電動機最高轉(zhuǎn)速，單位為； ---- 步進電動機由靜止到加速至轉(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； ---- 步進電動機步矩角，預(yù)選電動機為； ---- 脈沖當量，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)步進電動機由靜止到加速至轉(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，移動部件運動時，折算到電動機轉(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轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩： =﹢=0.3307 2）最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩 由式可知，包括三部分：一部分是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，相對于和很小，可以忽略不計。則有： 其中，這算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩由式計算。本課題中對滾珠絲杠進行計算的時候，已知沿著絲杠軸線方向的最大進給負載=1200N，則有： = 再由式=計算垂直方向承受最大工作負載（）情況下，移動部件運動時這算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： == 最后由，求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩為： =1.154 經(jīng)過上述計算后，得到加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負載轉(zhuǎn)矩應(yīng)為 3、步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，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)來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。本課題中取安全系數(shù)K=4，則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： ≥ 上述初選的步進電動機型號為90BYG2602, 由《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書》表4-5查得該型號電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩=?？梢?，滿足上式要求。 4、步進電動機的性能校核 1）最快工進速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快工進速度，脈沖當量，由式求出電動機對應(yīng)的運行頻率。在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩≈5.3N,遠大于最大工作負載 ，滿足要求。 2）最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快空載移動速度，仿照式求出電動機對應(yīng)的運行頻率。從上圖中可以查得，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，大于快速空載起動時的負載轉(zhuǎn)矩，滿足要求。 3）最快空載移動時電動機運行頻率校核 與最快空載移動速度對應(yīng)的電動機運行頻率為。查《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書》表4-5可知90BYG2602電動機的空載運行頻率可達20000Hz,可見沒有超出上限。 4）起動頻率的計算 已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的空載起動頻率（查《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書》表4-5）。則由可以求出步進電動機克服慣性負載的起動頻率： Hz 此式說明，要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率小于683.8Hz。實際上，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給傳動選用90BYG2602步進電動機，完全滿足設(shè)計要求。 第三章 微機數(shù)控硬件電路設(shè)計 3.1 MCS—51系列單片機簡介 硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，機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)濟價格比等經(jīng)濟性的要求。因此，在經(jīng)濟數(shù)控銑床中，推薦使用MCS—51系列單片機作主控制器。 存儲器擴展電路設(shè)計應(yīng)該包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴展。 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。 在存儲器擴展電路的設(shè)計中還應(yīng)包括地址鎖存器和譯碼電路的設(shè)計。 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)就是實際操作數(shù)。 （2）、直接尋址 指令中直接給出參加運算或傳送的數(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/計數(shù)器 MCS—51系列單片機提供兩個十六位可編程的定時器/計數(shù)器，即T0和T1。他們具有兩種工作方式和四種模式。 定時器/計數(shù)器的核心是加一計數(shù)器，加一計數(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/計數(shù)器的控制寄存器。用戶可以用指令對其各位進行寫入或更改操作，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位計數(shù)器。 01 模式1：TLX與THX構(gòu)成16位計數(shù)器。 10 模式2：可自動再裝入的8位計數(shù)器。 11 模式3：把定時器0分成兩個8位計數(shù)器，關(guān)閉定時器1。 2、TCON控制寄存器 TF0、TF1——定時器T0、T1溢出標志位，為1時申請中斷。 TR0、TR1——定時器T0、T1運行控制位，有軟件設(shè)定，來控制定時器/計數(shù)器開啟或關(guān)閉。 IE0、IE1——外部中斷源的標志，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 存儲器擴展電路設(shè)計 3.2.1 程序存儲器的擴展 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 1、MCS—51系列單片機應(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)點是不需要地址譯碼器，可節(jié)省硬件，降低成本。缺點是可尋址的芯片數(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 常用外圍接口芯片有： 8155：可編程的RAM/IO擴展接口電路（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 ， 計數(shù)初值入口地址 MOV A， 計數(shù)初值 MOVX @DPTR ，A INC DPTR MOV A ， 計數(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)控銑床單片機的時鐘電路采用內(nèi)部方式產(chǎn)生。 2、復(fù)位電路 單片機的復(fù)位都靠外部電路實現(xiàn)。單片機通常采用上電復(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、 掉電保護電路 避免在掉電的情況下，RAM中的信息丟失， 參考文獻 [1] 文懷興等. 數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005. 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