本科畢業設計（論文） 題目 ： 小型數控工具磨床控制系統設計 專 業 ： 自動化（數控技術應用） 班 級 ： 學 號 ： 學生姓名 ： 指導教師 ： 起迄日期 ： 設計地點 ： I 摘 要 本文扼要的介紹了數控工具磨床的組成、控制方式。提出了未知參數螺旋齒刀具的數控刃磨方法，并著重介紹了這種數控控制系統的軟硬件設計。本設計采用 8031作主 CPU，控制整 個工具磨床的工作。主 CPU擴展了外部程序存儲器 27256和數據存儲器 6264，外部程序存儲器存儲系統程序，數據存儲器存儲加工程序和數控系統處理的中間數據，并設計了掉電保護電路。另選用 89C2051 作為從CPU，控制多排多位的八段數碼管的動態顯示。 8031發出的步進電機脈沖信號經鎖存器輸出，控制各電機的進給。用 8155擴展一矩陣式鍵盤，同時用 8255擴展開關量輸入輸出接口電路。此外，還設計了未知參數螺旋齒刀具參數測量及自動刃磨控制軟件。在本設計的軟硬件基礎上做進一步的研究，開發出用于數控工具磨床的控制系統，同 工具磨床相配套，可解決未知參數螺旋齒刀具的自動刃磨問題。 關鍵詞： 螺旋齒刀具；數控工具磨床；控制系統；軟硬件設計 II ABSTRACT In 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 III 目 錄 第一章 緒論 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 任務及要求 . 2 1.3 數控工具磨床傳動系統的組成 . 2 1.4 數控工具磨床傳動系統的控制 . 2 1.5 本文的結構 . 4 第二章 數控工具磨床控制系統電路設計 . 5 2.1 設計方案的擬定 . 5 2.1.1 控制系統主 CPU的選擇 . 5 2.1.2 總體設計思路 . 6 2.2 時鐘電路和復位電路設計 . 7 2.2.1 時鐘電路設計 . 7 2.2.2 復位電路設計 . 8 2.3 控制系統 存儲器擴展電路設計 . 9 2.3.1 程序 存儲器擴展電路設計 . 9 2.3.2 數據 存儲器擴展電路設計 . 11 2.4 顯示電路設計 . 12 2.4.1 顯示方式的選擇 . 13 2.4.2 從 CPU 的選擇 . 13 2.4.3 數字動態顯示電路設計 . 16 2.4.4 字母靜態顯示電路設計 . 18 2.5 手動鍵盤和編輯鍵盤電路設計 . 18 2.5.1 鍵盤接口芯片的選擇 . 18 2.5.2 手動鍵盤電路設計 . 18 2.5.3 編輯鍵盤電路設計 . 20 2.6 開關量輸入輸出與工作方式選擇接口電路設計 . 20 2.6.1 接口電路芯片選擇 . 20 2.6.2 開關量輸入輸出接口電路設計 . 22 2.6.3 工作方式選擇接口電路設 計 . 23 2.7 步進電機脈沖信號輸出接口電路設計 . 23 2.8 譯碼電路設計 . 24 第三章 數控工具磨床控制系統軟件設計 . 26 IV 3.1 測量方式控制軟件設計 . 26 3.2 磨削方式控制軟件設計 . 27 第四章 控制系統電路原理圖與 PCB 圖的繪制 . 30 4.1 控制系統原理圖的繪制 . 30 4.1.1 原理圖的設計步驟 . 30 4.1.2 繪制 原理圖 . 30 4.2 控制系統 PCB圖的繪制 . 31 4.2.1 PCB 圖設計步驟 . 31 4.2.2 元 器 件的封裝說明 . 32 4.2.3 小型數控工具磨床控制系統 PCB 圖 . 32 第五章 結論 . 33 5.1 論文總結 . 33 5.2 感想 . 34 致謝 . 35 參考文獻 . 36 附錄 A： 英文資料 . 37 附錄 B： 英文資料翻譯 . 46 附錄 C： 硬件電路原理圖與 PCB 圖 . 53 附錄 D： 硬件元器件清單 . 55 附件： 畢業論文光盤資料 1 第一章 緒論 1.1 引言 隨著科學技術的飛速發展和經濟競爭的日益激烈，產品更新速度越來越快，復雜形狀的零件越來越多，精度要求越來越高，多品種、中小批量生產的比重明顯增加。激烈的市場競爭使產品研制生產周期越來越短。傳統的加工設備和制 造方法已難于適應這種多樣化、柔性化與復雜形狀零件的高效高質量加工要求。因此近幾十年來，世界各地十分重視發展能有效解決復雜、精密、小批多變零件的數控加工技術，在加工設備中大量采用微電子技術和計算機技術為基礎的數控技術。目前，數控技術正在發生根本性變革，它集成了微電子、計算機、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術與一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業實現柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。 目前生產的機械產品發生改變時，普通機床與工藝裝備均需作相應的變換和調整。通用機床的自動化程度不 高，基本上由人工操作，難于提高生產效率和保證產品質量，特別是一些曲線、曲面輪廓組成的復雜零件，只能借助靠模和仿形機床，或者借助劃線和樣板用手工操作的方法來加工，加工精度和生產效率受到很大的限制。數控機床就是為了解決單件、小批量、特別是復雜型面零件加工的自動化并保證質量要求而產生的，它為單件、小批生產的精密復雜零件提供了自動化加工手段。數控機床的優點有：（ 1）加工對象改型的適應性強，（ 2）加工精度高，（ 3）生產效率高，（ 4）自動化程度高，（ 5）良好的經濟效益，（ 6）有利于生產管理的現代化。 眾所周知，機床是受 固定資產投資影響較大的投資類產品。在目前國 內固定資產投資大幅增加的情況下，為機床行業的發展提供了又一次難得的機遇。其中 數控磨床是很多行業精密生產加工必備的設備，尤其是隨著客戶對產品的加工精度及交換時間要求越來越嚴格的情況下，各行業對數控磨床的采購及使用逐年增加。所以這就使得數控磨床成為不僅是技術先進，也要是一種經濟上合理的機床。 磨削加工是零件加工和超精加工的一種主要切削加工方法。在磨床上采用各種類型的磨具，可以完成內外圓柱面、平面、螺旋面、花鍵、齒輪、導軌和成形面等各種表面的加工。它初能磨削普通材料外，還 常適用于一般刀具難以切削的高硬度材料的加工，如淬硬鋼、硬質合金和各種寶石等，應用十分廣泛。 機械加工的高精度不光取決與數控機床的高精度，還受刀具的精度有關。無論在何種切削條件下，刀具都將有磨損，其磨損量都將隨時間的增長而增長。所 2 以在磨損量超過允許范圍時，需要進行對刀具的刃磨。而圓柱形銑刀、立銑刀及螺旋齒絞刀這類刀具的刃磨一般是在工具磨床上借助附件手工操作，根據火花判斷砂輪與刀齒接觸與否，憑手感掌握吃刀深度，而且一個刀齒必須一次連續刃磨完成。因此，對操作者的要求很高，且難以保證刃磨質量，刃磨效率低。而工廠內講 究的就是效率與精度，鑒于以上情況，研制一種能刃磨多種刀具的小型經濟型數控工具磨床，刃磨未知參數螺旋齒刀具是十分重要的。 綜上所述，設計一個小型數控工具磨床控制系統，裝備工具磨用來刃磨未知參數螺旋齒刀具十分必要。 1.2 任務及要求 設計一種小型經濟型數控工具磨床，其主要要來刃磨未知參數螺旋齒刀具，也可以刃磨其他刀具。設計出的工具磨床控制系統必須具備足夠的存儲空間，用來存儲系統程序和加工程序。控制系統要具備人機交互能力，所以需設計顯示電路和鍵盤掃描電路。控制系統要控制步進電機工作，要設計電機脈沖輸出電路。要 設計出多種工作方式的選擇電路，并按照實際磨床工作要求擴展 I/O口，按照數控工具磨床工作要求進行小型數控工具磨床控制系統設計 。 1.3 數控工具磨床傳動系統的組成 小型數控工具磨床的機械部分的傳動原理圖如圖 1.1所示。其中， X、 Z軸為工作臺橫、縱向運動； Y軸為磨頭升降運動； C軸為刀具（工件）旋轉運動。通過手動可以調整磨頭繞 Y軸運動；砂輪及刀具的上仰、下俯；刀具變速箱在水平面內轉動。 1.4 數控工具磨床傳動系統的控制 數控工具磨床控制系統由輸入 /輸出裝置、數控裝置、傳動系統（驅動控制裝置）、機床電器控制裝 置四部分組成，工具磨床本體為被控對象。 數控裝置即 CNC 裝置，是數控系統的核心，其硬件和軟件控制著全部數控功能的實現，它與數控的其他部分通過接口相連，實質上是一個微型計算機組成的控制器。 輸入 /輸出裝置包括輸入 /輸出接口和輸入 /輸出設備。輸入 /輸出接口是計算機和機床之間聯系的橋梁和通道，數控系統對機床進行自動控制所需要的各種外部控制信息及加工數據都是通過輸入設備送人 CNC 裝置的存儲器中，作為控制的依據。一般輸入數控系統的零件加工程序、控制參數和補償數據。因輸入設備不 3 同又有多種輸入方式：鍵盤輸入、計算機 通信輸入等。而數控系統工作過程中的狀態和數據一般通過顯示器和各種指示燈來向用戶顯示。 圖 1.1 傳動系統簡圖 1、 3、 8、 10步進電機 2、 7、 11.滾球絲杠 4.變速箱 5.刀具 6.砂輪 9.工作臺 12 主電機 數控工具磨床的傳動系統是由步進電機和滾軸絲杠組成。步進電機的脈沖輸出分為兩種，一種是軟件環分，另一種是硬件環分。軟件環分是使用控制軟件對控制的電機各相分配時序，硬件環分是只輸出被控電機的脈沖信號，電機的相序分配又外部硬件來完成。由脈沖分配相序控制各電機的進 給方向。 當數控系統采用計算機數控裝置（ CNC）時，該數控系統就稱為計算機數控系統。目前，在市場上以 NC裝置為核心的硬件數控系統已經日趨減少，取而代之的是以 CNC裝置為核心的計算機數控系統，并且絕大多數 CNC裝置都是采用微型計算機系統。 1.5 本文的結構 本文以單片機及其外部硬件擴展電路的研發工程項目作為應用背景，對現在 4 普通磨床數控改造技術進行了研究。全文共分為五章，各章的主要內容如下： 第一章扼要地介紹了數控技術的概念、特點，分析數控工具磨床目前的地位，介紹了設計的任務與要求，講述了數控工具磨床的傳動 系統，并分析了數控系統的組成； 第二章 對小型數控工具磨床控制系統進行了研究，給出了 數控工具磨床控制系統的設計方案，并詳細討論了系統各部分電路的設計方法； 第三章研究了 數控工具磨床的刃磨工作原理，簡單的介紹了幾種數控工具磨床控制系統軟件，設計出測量方式控制軟件與磨削方式控制軟件的流程圖； 第四章講述了設計的原理圖與 PCB 圖的繪制方法，并結合自己繪圖時遇到的問題做了一些繪圖總結； 第五章總結了全文的研究工作，給出了存在的問題和進一步研究的方向。 5 第二章 數控工具磨床控制 系統電路設計 2.1 設計方案的擬定 根據任務書的要求和第一章對數控工具磨床控制系統的分析，已經完全明白任務書的要求的含義。現進行小型數控工具磨床控制系統的硬件電路設計，在制定設計方案前首先要選擇好數控系統的核心部分 CPU。 2.1.1 控制系統主 CPU 的選擇 目前小型經濟型數控工具磨床都是采用 單片微型計算機 作為處理器。 單片微型計算機，簡稱單片機，是微型計算機的一個分支。它是在一塊大規模或超大規模集成電路芯片上集成了 CPU、存儲器、 I/O 接口、定時 /計數裝置等而構成的微型計算機。隨著近年來微電子技術的飛速 發展，單片機的功能也日趨強大，在集成度、功能、性能、體系結構上都有了飛速，已能集成一個完整的功能強大、性能優良的計算機應用系統。單片機的作用已經超出了最初的工業控制領域而應用到社會生活的各個方面，人們更傾向于稱單片機為微處理器或者微控制器。據不完全統計，到 2005 年 6 月，全世界單片機的生產廠家有近 40 家，能生產 60 多個系列， 1200 多個型號，年產量近 24 億片。 MCS-51 系列中， 8031 單片機應用最為廣泛。 8031 內部沒有 ROM，需外擴一程序存儲器。根據數控工具磨床控制系統的要求，需要有 32KB 程序存儲器 ，8051 內部只有 4KB 程序存儲器，存儲空間仍需外擴； 8031 具有價格低、功能強、使用靈活、開發方便等特點，同時也有足夠的輸入輸出口，所以適合于數控工具磨床控制系統的設計；另外本人對 8031 單片機比較熟悉，這樣在設計中遇到問題將會大大減少，開發周期也會縮短，所以選用 8031 單片機。 1. 8031 單片機的特點 1）具有功能很強的 8 位中央處理單元（ CPU）； 2）片內有時鐘發生電路（ 12MHZ），每執行一條指令的時間為 1 4s; 3）片內具有 128 字節的 RAM； 4）具有 21 個特殊寄存器； 5）可擴展 64K 字節的外部數據存儲器和 64K 字節的外部程序存儲器； 6）具有 4 個 I/O 口， 32 根 I/O 線； 7）具有 2 個 16 位定時器 /計數器； 8）具有 5 個中斷源，配備 2 個中斷優先級； 9）具有一個全雙功串行接口； 6 10）具有位尋址能力，適合邏輯運算。 從上述特性可以看出這種 8031 芯片集成度高、功能強，只需增加少量外圍器件就可以構成一個完整的微機控制系統。 2. 外部引腳的使用方法 制造工藝為 NMOS 的 MCS-51 單片機都采用 40 只引腳的雙列直插封裝（ DIP）方式， 8031 引腳如圖 2.1 所示。 I/O 口線： P0、 P1、 P2、 P3 共四個 8 位口；控制口線： PSEN（片外取指令控制）、 ALE（地址鎖存控制）、EA（片外存儲器選擇）、 RESET（復位控制）；電源及時鐘： Vcc（接 +5V電源）、 Vss（接地）； XTAL1 和 XTAL2 接外部晶體振蕩器。 當 8031 單片機外擴程序存儲器、數據存儲器或輸入輸出端口時，外部芯片需要 8031 為其提供地址總線、數據總線和控制總線，如圖 2.2 所示。地址總線（ AB）寬度為 16 位，可訪問 64KB 的外部程序存儲器和 64KB的外部數據存儲器。低 8 位地址總線（ A0 A7）由 P0 口經地址鎖存器鎖存后提 供，高 8 位地址總線（ A8 A15）直接由 P2 口提供。數據總線寬度為 8 位 ,由 P0 口提供。控制總線（ CB）由 P3 口的第二功能狀態和 4 根獨立的控制線 RESET、 EA、 ALE 和 PSEN 組成。這樣就可以將 8031 接入到一個控制系統中去了。 圖 3.2 8031 引腳圖 圖 3.3 8031 片外總線結構 圖 2.1 8031 引腳圖 圖 2.2 單片機的片外總線 2.1.2 總體設計思路 本人的設計方案是：采用 8031 單片機做主 CPU，片外擴展 32K 程序存儲器和 8K 數據存儲器，程序存儲器采用 27256 芯片，數據存儲器采用 6264 芯片；使用一個從 CPU，用來控制五排 LED 數碼管進行動態顯示的，這五排數碼管分 7 別顯示的是功能字后的數字、 X 軸坐標、 Y 軸坐標、 Z 軸坐標和 C 軸的角度；編輯鍵盤用 8155 擴展，把剩下的并行口作擴展的 I/O 口接刀具種類選擇開關；并再用 8255 兩個口擴展若干開關量輸入輸出信號接口，這些信號的輸入輸出都要經過光電耦合器來進行抗干擾， 8255 的另一個口用來作為工作方式選擇的接口；經 8031 輸出的 X 軸、 Y 軸、 Z 軸、 C 軸步進電機正、反轉脈沖 信號經鎖存器鎖存后輸出，其余的還需設計一些復位電路，掉電保護電路等，以保證整個控制系統的正常運行，這就是小型數控工具磨床控制系統的設計方案。 具體的硬件構成框圖如圖 2.3 所示： 圖 2.3 硬件構成框圖 2.2 時鐘電路和復位電路的設計 2.2.1 時鐘電路的設計 時鐘電路的設計非常重要，時鐘電路是單片機的核心，小型數控工具磨床控制系統采用的是內部時鐘方式，單片機 8031 內部有一個高增益反相放大器，反相放大器的輸入端為 XTAL1，輸出端為 XTAL2，外接晶振（或陶瓷諧振器）和電容組成振蕩器。振蕩器產生的時鐘頻率主要由晶振的頻率決定 ，設計電路如圖 2.4 所示。 在 XTAL1 和 XTAL2 兩端接上石英晶振和微調電容就可手動 鍵盤 CPU 27256 LED 顯示電路 6264 8155 鍵盤 刀具種類 選擇開關 74LS273 8255 光電耦合 至步進電機驅動 方式轉換開關 啟停電路 收發信號電路 8 構成自激振蕩器。電容器 C1， C2 選擇大小是 30pF，它們有兩個作用，一是使振蕩器起振，二是對振蕩器的頻率 f起微調作用。振蕩頻率通常取 3MHz至 24MHz范圍內。本人設計時使用的晶振頻率為 10MHz， 根據式 )2 5 6(12322 xfo scS M O D波特率可以算得 8031單片機的一個機器周期的具體時間： 機器周期 =晶振頻率 12=6101012 =1.2 s 其中 :SMOD為波特率控制位； fosc為時鐘振蕩器頻率； x為定時器時間常數。 圖 2.4 時鐘及復位電路 2.2.2 復位電路的設計 復位是單片機的初始化操作 ,單片機在啟動運行時 ,都需要先復位 .它的作用是使 CPU 和系統中其他部件都處于一個確定的初始化狀態 ,并從這個狀態開始工作。 單片機復位后，程序計數寄存器 PC 初始化為 0000H，單片機從 0000H 地址單元開 始執行程序。要使單片機可靠的復位，必須使 RST/VPD 引腳保持兩個機器周期以上的高電平，一般上電復位時間需要大于 10ms。復位有上電自動復位和按鍵手動復位兩種：上電復位利用電容器充電來實現，上電瞬間， RC 電路充電， RST 引腳端出現正脈沖，只要 RST 引腳端保持大于兩個機器周期以上的高 9 電平，就能使單片機有效復位，充電時間常數為 RC。本次設計 的小型數控工具磨床控制系統采用上電復位和按鈕復位兩種復位電路。在 8031 復位端RESET 上接如圖 2.4 所示電路，電阻 R1 取 10k ，電容 C4 取 10uF；電阻R2 取 10k ，電容 C5 取 10uF；當上電時，復位端 RESET 上出現高電平，在 RESET 引腳上出現兩個周期的高電平將使單片機復位。圖 2.4 中復位按鈕 S42 被按下后，在 RESET 上出現高電平，使系統復位到初始化狀態；當急停按鈕被按下，外部中斷 0 起作用，單片機響應內部中斷程序，并且在 RESET 引腳上也會產生高電平，使 8031 復位。這樣的設計符合控制系統硬件電路實際控制要求。 2.3 CPU 存儲器擴展電路設計 8031 單片機內部沒有程序存儲 器，所以要外擴 32K 程序存儲器，用來存放系統程序，這樣的存儲器要只可讀不可寫；再外擴 8K 數據存儲器，用來存儲加工程序與中間處理數據。 2.3.1 程序 存儲器擴展電路設計 1. 程序存儲器芯片選擇 8031 片內不帶 ROM，用作程序存儲器的器件是 EPROM，由于設計要求擴展 32KB 程序存儲器。 EPROM 是可擦除、可編程只讀存儲器，小型工具磨床控制系統中，只需擴展 32KB空間的程序存儲器，所以選用一片 27256（ 32K 8）芯片就可滿足要求。 圖 2.5 所示為 27256 芯片引腳。圖中， A0 A14 為地址線，可以計 算出存儲器的容量為 152 =32KB。D0 D7 為數據輸出線， CE 為片選端， OE 圖 2.5 27256 引腳圖 為 輸出允許端， Vpp 為編程電壓端， Vcc 為 +5V， GND 為地。 2. 程序存儲器擴展電路 本設計擴展的程序存儲器容量大于 256 字節，因此， EPROM 片內地址線除了由 P0 口經鎖存器提供低 8 位地址線外，還需由 P2 口提供若干地址線。 EPROM 所需地址線數決定于 EPROM 的容量，擴展 32KB 的容量就得需要 15 根地址線，所需的高位地址線由 P2 口提供。 程序存儲器 擴展電路如圖 2.6 所示，數控工具磨床控制系統外擴 32KB程序存儲器 27256， 8031 的 P0 口經 74LS373 鎖存器接 27256 的低 8 位地址線 A0 A7， 27256 的高 7 位地址線 A8 A14 接 8031 單片機的 P2.0 10 P2.6。 27256 的數據線 D0 D7 接在 8031 單片機 P0 口上 ,ALE（允許地址鎖存）接鎖存器 CLK 端（ 11 腳）， 由于是分時使用，先輸出外部存儲器的低 8 位地址，故應在外部加鎖存器將地址數據鎖存，地址鎖存信號用 ALE。然后， P0 口才作為數據口使用。 根據程序存儲器擴展電路設計，程序存儲器的 27256 的尋址范圍見表 2.1 表 2.1 程序存儲器地址表 地址線 地址 A15 A14 A13 A12 A11 A1 A0 0 0 0 0 0 0 0 0000H 0 0 0 0 0 0 1 0001H 0 0 0 0 0 1 0 0002H 0 1 1 1 1 1 0 7FFEH 0 1 1 1 1 1 1 7FFFH 圖 2.6 CPU 存儲器擴展電路圖 11 2.3.2 數據 存儲器擴展電路設計 1. 數據存儲器芯片選擇 8031 單片機內部有 128 個字節的 RAM，在小型數控工具磨床控制系統 中僅靠片內 RAM 是不夠的，必須外擴外部數據存儲器。常用的數據存儲器有靜態 RAM（ SRAM）和動態 RAM（ DRAM）兩類。 DRAM 一般用于存儲容量較大的系統中，而且 DRAM 需要刷新邏輯電路以保持數據信息的不丟失，電路設計較復雜。雖然 DRAM 芯片具有容量大、功率低、價格便宜等優點，但它極易受干擾，對外界環境、工藝結構、控制邏輯和電源質量等的要求都很高。因此，本人設計的小型數控磨床控制系統選用 SRAM作為數據存儲器。 與 DRAM 相比， SRAM 無須考慮保持數據而設置的刷新電路，故 擴展電路較簡單。在 8031 單片機應用系統中，最常用的靜態數據存儲器 RAM 芯片有 6116（ 2K 8）和 6264（ 8K 8）兩種。任務書和設計的實際需要都是要求外擴 8KB 數據存儲器，故 6264 芯片能滿足要求。 6264 是 8K 8 位靜態隨機存儲器芯片，采用 CMOS 工藝制作， 28 線雙直插式封裝，其引腳如圖 2.7 所示。 A0 A12 為片內 13 位地址線； D0 D7 位 8 位數據線； CS1 和 CS2為片選端； OE、 WE 為讀、寫信號線 。 圖 2.7 6264 引腳圖 2. 數據存儲器擴展電路 本人設計電路圖如圖 2.6所示， 8031單片機 P0口經地址鎖存器 74LS373鎖存后， 6264 芯片低 8 位地址線 A0 A7 再與鎖存器 74LS373 鎖存輸出端相連，高 5 位地址線 A8 A12 與 8031 單片機 P2.0 P2.4 直接相連；數據線 D0 D7直接 與 8031P0 口相連；片選信號 CS1 由8031 高位地址 P2.5 P2.7 經 74LS138 地址譯碼提供；片選 CS2 保持高電平，這里采用了一個分壓電路，在 +5V 與地線之間接入兩個電阻 R10 和 R9，電阻 R10 取5.1K ，電阻 R9 取 10K ，如圖 2.8 所示， 圖 2.8 分壓電路 可以計算出圖中輸出的高電平 U=3.31V，所以這個分壓電路能提供較穩定 12 的高電平輸入。 因為設計 CPU 存儲器擴展電路時，擴展了數據存儲器 SRAM 和程序存儲器EPROM， EPROM 掉電后數據不會丟失，而且是可讀不可寫的。所以直接擴展電路后沒有其他電路的設計； 而 SRAM 是隨機 靜態數據存儲器 6264，這種芯片掉電后就會丟掉所有的數據，為了使加工數據能夠掉電不丟失，就得接一個后備電源 ，以保證此芯片不失電，這種電路叫做掉電保護電路，如圖 2.9 所示。 圖 2.9 數據存儲器的掉電保護電路 根據數據存儲器擴展電路設計，數據存儲器的 6264 的尋址范圍見表 2.2。 表 2.2 數據存儲器地址表 地址線 地址 A15 A14 A13 A12 A1 A0 1 0 1 0 0 0 A0OOH 1 0 1 0 0 A001H 1 0 1 1 1 0 BFFEH 1 0 1 1 1 1 BFFFH 2.4 顯示電路的設計 13 顯示電路主要是通過顯示器來實現的。目前社會上使 用的顯示器的種類多種多樣，有 CRT 顯示器、 LED 顯示器、 LCD 顯示器、輝光顯示器、熒光顯示器及投影顯示器等等。在機床數控系統中，常用 CRT 和 LED 顯示器，目前也出現了高性能的 LCD 顯示器，其中 LED 由于功耗較少、亮度強、控制簡單可靠。且價格很低，因此在經濟型數控系統和各種儀器儀表中廣泛使用。此次設計也將選用LED 顯示器 。 2.4.1 顯示方式的選取 本人設計的小型數控工具磨床控制系統需要五排顯示，包括功能代碼的數字， X 坐標、 Y 軸坐標、 Z 軸坐標、 C 軸坐標。功能字是字母，所以顯示功能字必須用 16 段數碼管，使用 數為 1 個；顯示數字和坐標值用 8 段數碼管，一般機床的單位為 mm，磨床也不例外，范圍在 1 米內，加上小數點后兩位和一位符號位，所以每軸需要顯示六位，共需要使用 30 個 8 段數碼管。 顯示方式又分為靜態顯示與動態顯示兩種，靜態顯示不占用 CPU 工作時間，但需要使用鎖存器進行數據鎖存，而本設計中如果采用靜態顯示方式的話就需要使用 32 個鎖存器，這樣硬件電路大大復雜，而且會造成設計成本提高。此設計就是講究的經濟型數控系統，所以本設計采用動態顯示方式，而動態顯示方式雖然可以減少硬件，但這種方式占用 CPU 時間較多，影響控制系統處理 其他數據的速度。所以決定使用一個從 CPU，專門用來控制顯示電路。顯示 CPU 主要是按照主 CPU 送來的顯示命令和顯示內容，組成相應的顯示信息，負責產生顯示器所需要的掃描信號，控制顯示器按規定的顯示方式顯示有關信息。 89C2051 將多功能的 8 位 CPU 與 FPEROM 結合在同一片芯片上，高度靈活且價格適宜。此次設計選用 89C2051 作顯示 CPU，控制顯示器顯示。 2.4.2 從 CPU 的選擇 89C2051 是由 ATMEL 公司推出的一種小型單片機，其主要特點為采用 Flash存儲器技術，降低了制造成本，其軟件、硬件與 MCS-51 完全兼容，其程序的電可擦寫特性，使得開發與試驗比較容易。 89C2051 增加了在零頻下工作的靜態邏輯方式及兩種軟件可選的省電模式。其中，在閑置模式下， CPU 停止工作，但RAM、定時器 /計數器、串行口和中斷系統仍然在工作。在掉電模式下，只保存RAM 的內容，振蕩器停振，關閉芯片的所有其他功能，直到下一次硬件復位為止。 1. 89C2051 主要性能 1）與 MCS-51 產品兼容。 2） 2KB 的在線可重復編程快閃存儲器，壽命可達 1000 次寫 /擦除周期。 3）寬工作電壓范圍為 2.7V 6V。 14 4）全靜態工作方式： 0HZ 24MHZ。 5）兩級程序存儲器加密。 6） 128 8位 SRAM。 7） 15條可編程 I/O線。 8） 2個 16位定時器 /計數器。 9） 5個中斷源。 10）可編程串行通道。 11）可直接驅動 LED。 12）有片內精密模擬比較器。 13）低功耗的閑置與掉電模式。 2. 89C2051 的引腳功能 如圖 2.10 所示， 89C2051 共 15 條 I/O 引腳， P1 口共 8 腳，準雙向端口， P3 口共 7 腳，準雙向端口，并且保留全部 P3 口的第二功能。P1 口：為雙向 8 位 I/O 端口。 P1.2 P1.7 引腳有內部上拉電阻， P1.0 和 P1.1 需要外部上拉電阻。 P1.0 和 P1.1 還作為模擬比較的正輸入端和負輸入端，與片內精密模擬比較器相連。 P1 口輸出緩沖器能吸收 20mA 灌入電流并可直接驅動 LED 顯示器。當向端口 P1 寫入電平 “ 1” 時，可作為輸入引腳。因為 P1.2P1.7 有內部上拉的作用，此時若有外電路作為輸入，引腳會向外灌電流（ IIL） 。 P1 口在快閃編程與校驗功能中還承擔數據代碼接受任務。 圖 2.10 89C2051 引腳圖 P3 口： P3 口只有 7 位 P3.0 P3.5 和 P3.7 引腳具有內部上拉電阻。 P3.6 為內部比較器輸出，無外部引腳 。 2051 無 RD 和 WR 控制信號， P3.7 為一般 I/O 線。P3 口輸出緩沖器能吸收 20mA 灌入電流，當向端口 P3 寫入電平 “ 1” 時，可用作輸入端口。因為內部上拉作用，當 P3 口有外部低電平輸入時，引腳向外產生灌電流（ IIL） 。 P3 口也提供 2051 的第二功能， 在我的設計中 89C2051 的 P1口、 P3 口只作為雙向 I/O 口使用，不使用 P3 口的第二功能。所以這里就不對 P3 口的第二功能做介紹了。 3 芯片工作電源 本人設計中的單片機工作電壓 +5V，由交流電壓經變壓、整流、濾波得到。其中電源正與地線之間接入了大小為 0.1uF 的瓷片電容，這樣接的 15 原因是可以抗干擾。如圖 2.11 所示。 4. 時鐘電路的設計 外接晶體引腳 X