plc畢業(yè)設(shè)計說明書

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本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）

1機(jī)床數(shù)控化設(shè)計概述

本畢業(yè)設(shè)計是機(jī)床CK6163的數(shù)控化改造，要求是：

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1）進(jìn)給兩坐標(biāo)聯(lián)動，采用單片機(jī)的半閉環(huán)控制；

2）脈沖當(dāng)量：縱向（X）0.01mm/步，橫向（Y）0.005mm/步；3）系統(tǒng)能實現(xiàn)直線插補(bǔ)，圓弧插補(bǔ)；4）電動刀架轉(zhuǎn)位數(shù)為4；

5）其它要求：要能實現(xiàn)螺紋加工。

1．1伺服系統(tǒng)的選擇

對于機(jī)床的數(shù)控化改造，有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)三種。開環(huán)控制是沒有輸出反饋的一類控制系統(tǒng)，開環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是簡單、經(jīng)濟(jì)、簡單維修。缺點(diǎn)是精度低、對環(huán)境變化和外界干擾十分敏感。閉環(huán)系統(tǒng)是在工業(yè)與國防領(lǐng)域，應(yīng)用十分廣泛。閉環(huán)系統(tǒng)較開環(huán)系統(tǒng)，具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，例如精度高、動態(tài)性能好、對環(huán)境變化靈敏度低，以及抗干擾能力強(qiáng)等。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較繁雜，價格比較昂貴，不簡單維修。而閉環(huán)系統(tǒng)雖然可以獲得十分良好的控制精度。但是，受機(jī)械傳動件的非線性影響嚴(yán)重，只有在要求高精度的場合，才采用閉環(huán)控制。由于各種部影響定位精度的因素都可以得到補(bǔ)償。一般的，經(jīng)濟(jì)、實用型的數(shù)控機(jī)床則采用半閉環(huán)控制。顯然，半閉環(huán)控制比全閉環(huán)控制簡單實現(xiàn)，可節(jié)省投資。因此，本課題改造采用半閉環(huán)控制。對于本系統(tǒng)改造，閉環(huán)與半閉環(huán)的區(qū)別在于位置反饋傳感器的安裝位置。如安裝在滾珠絲杠上為間接測量；安裝在工作臺上為直接測量。位置控制環(huán)內(nèi)僅包含絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度及部分間隙，所以穩(wěn)定性不是問題。因此半閉環(huán)控制系統(tǒng)可避免傳動機(jī)構(gòu)非線形（如齒隙、齒輪摩擦、非剛性等）引起系統(tǒng)產(chǎn)生極限環(huán)和爬行震蕩。但絲杠與螺母之間的滯后得不到補(bǔ)償，所以定位精度比閉環(huán)低。如圖1.1：

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工作臺計算機(jī)數(shù)控裝置控制電路伺服電機(jī)反饋位置反饋速度檢測元件轉(zhuǎn)角檢測元件

圖1.1半閉環(huán)控制系統(tǒng)

1．2運(yùn)動方式的確定

數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。

假使要求工作臺或刀具沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動有確定的函數(shù)關(guān)系，即連續(xù)控制系統(tǒng)應(yīng)具備控制刀具以給定速率沿加工路徑運(yùn)動的功能。具備這種控制能力的數(shù)控機(jī)床可以加工各種外形輪廓繁雜的零件。因此，本機(jī)床的數(shù)控化改造后具有在點(diǎn)位控制系統(tǒng)中不具有連續(xù)控制系統(tǒng)中才具有的軌跡計算裝置，而連續(xù)控制系統(tǒng)中卻具有點(diǎn)位系統(tǒng)的功能。

1．3執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動方式的確定

為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計機(jī)械傳動裝置時，尋常提出低

摩擦、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及適合阻尼比的要求。設(shè)計中需要考慮了以下幾點(diǎn)：

1）盡量采用低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件。如采用了滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導(dǎo)軌等

2）盡量消除傳動間隙。例如采用消除齒輪等。

3）提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動鏈誤差?？刹捎妙A(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預(yù)加負(fù)載的滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠副等。

1．4計算機(jī)的選擇

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根據(jù)機(jī)床要求,采用16位微機(jī).由于MCS-96系列單片機(jī)具有集成度高,可靠性好功能強(qiáng)速度快、抗干擾功能強(qiáng)等特點(diǎn)，采用了MCS-96系列的8098單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。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、直流伺服電機(jī)功率放大電路及光電編碼器反饋電路等組成。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(jī)床狀態(tài)等信息。

2機(jī)床機(jī)械傳動設(shè)計

機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)與一般的機(jī)械系統(tǒng)相比，除要求具有較高的精度之外，還應(yīng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性，就是說響應(yīng)要快、穩(wěn)定性要好。一個典型的機(jī)電一體化系統(tǒng)，尋常由控制部件、接口電路、功率放大電路、執(zhí)行元件、機(jī)械傳動部件、導(dǎo)向支承部件，以及檢測傳感器部件等部分組成。這里所說的機(jī)械系統(tǒng)一般由減速裝置、絲杠螺母副、蝸輪蝸桿副等各種線性傳動部件以及連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)等非線性傳動部件、導(dǎo)向支承部件、旋轉(zhuǎn)支承部件、軸系及架體等機(jī)構(gòu)組成。為確保機(jī)械系統(tǒng)的傳動精度和穩(wěn)定性，盡量做到無間隙、低摩擦、低慣量、高精度、高諧振頻率、適當(dāng)阻尼等要求。

2．1滾珠絲杠螺母副

圖2.2滾珠絲杠螺母副

普通的螺旋傳動廣泛地用于將回轉(zhuǎn)運(yùn)動變換為直線運(yùn)動。由于螺桿與螺母之間為滑動摩擦，在磨損和精度方面不能滿足一些高精度機(jī)電一體化系統(tǒng)的要求。滾珠絲

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杠螺母副則是為了戰(zhàn)勝普通螺旋等方面的缺點(diǎn)發(fā)展起來的一種傳動機(jī)構(gòu)。它用滾動摩擦螺旋取代了滑動螺旋摩擦，具有磨損小、傳動效率高、傳動平穩(wěn)、壽命長、精度高、溫度低等優(yōu)點(diǎn)。它具有的運(yùn)動摩擦小、便于消除傳動間隙的突出優(yōu)點(diǎn)，對于機(jī)電一體化系統(tǒng)性能的改善大有好處。但是，它不能自鎖，用于升降傳動時需要加鎖緊裝置，結(jié)構(gòu)繁雜，成本高。在絲杠和螺母上先加工出弧形螺旋槽，再將兩者套裝在一起形成螺旋滾道，在螺旋滾道中裝滿滾珠。當(dāng)絲杠螺母相對運(yùn)動時，兩者發(fā)生相對軸向移動，而滾珠在閉合回路中形成滾珠鏈的反復(fù)循環(huán)運(yùn)動，以此將普通螺旋傳動的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦。

本設(shè)計采用內(nèi)循環(huán)式。內(nèi)循環(huán)方式的滾珠在循環(huán)過程中始終與絲杠表面保持接觸。內(nèi)循環(huán)方式的優(yōu)點(diǎn)是滾珠循環(huán)的回路短、流暢性好、效率高、螺母的徑向尺寸也較小。其不足是反向器加工困難、裝配調(diào)整也不便利。2.1.2間隙消除及預(yù)緊

滾珠絲杠螺母副廣泛用于閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)中，假使傳動存在間隙非線性，將使控制性能變差，故一般要采取措施消除間隙并適當(dāng)預(yù)緊。本設(shè)計中采用雙螺母螺紋式。通過擰緊圓螺母達(dá)到消除間隙和預(yù)緊的目的。該方法結(jié)構(gòu)簡單，但較難控制，簡單松動，確鑿性和可靠性均較差。

2．2軸系

軸系是由軸及安裝在軸上的齒輪、帶輪等傳動部件組成。軸系的主要作用是傳遞轉(zhuǎn)矩、及傳遞確切的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，它直接承受外力（力矩）。對于中間傳動軸系一般要求不高。對于完成主要作用的主軸軸系的旋轉(zhuǎn)精度、剛度、熱變形及抗震性等要求較高。

2.2.1.1齒輪的特點(diǎn)

齒輪傳動部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器。齒輪傳動是目前機(jī)械傳動中應(yīng)用最廣泛、最重要的一種傳動。它具有以下特點(diǎn)：

1、傳動平穩(wěn)，傳遞運(yùn)動確鑿可靠。

2、齒輪傳動的功率和圓周速度的范圍較大。3、齒輪傳動結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，效率高。4、承載能力強(qiáng)，使用壽命長。

缺點(diǎn)是制造和安裝精度要求高，因此，成本比較大。2.2.1.2齒輪的最正確速比分派條件

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齒輪系常用于機(jī)電伺服系統(tǒng)的減速增矩。在本數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的齒輪箱中，有四個齒輪。設(shè)齒輪傳動比第一級為i1，其次級為i2。當(dāng)i2近似等于i1*i2/1.414時為最正確速比分派條件。該條件也近似使用于多級減速裝置。一般，齒輪傳動級數(shù)增加，齒輪傳動的總慣量就減少。但傳動效率要降低，齒隙和摩擦的來源也隨之增加。因此應(yīng)在傳動級數(shù)和傳動比的分派方面綜合權(quán)衡。2.2.1.3齒輪間隙的消除

齒輪的間隙是全閉環(huán)伺服系統(tǒng)中影響系統(tǒng)穩(wěn)定的主要非線性因素之一。消除齒輪間

隙分剛性調(diào)整法和柔性調(diào)整法。對于帶錐度齒輪法結(jié)構(gòu)中，是將帶錐度的齒

輪軸向移動直至消除齒輪副間隙為止。2.2.2軸承

軸承是用來支承軸的專門部件，在保持軸的旋轉(zhuǎn)精度的同時，減少轉(zhuǎn)動軸與支承之

間的摩擦與磨損。軸承分為滾動軸承和滑動軸承。滾動軸承已標(biāo)準(zhǔn)化系列化，

有向心、推力軸承、向心軸承和推力軸承。共十種類型。

本設(shè)計中采用了深溝球軸承和推力軸承。對于軸系用球軸承有單列向心球軸承和角接觸球軸承。前者一般不能承受軸向力，且間隙不能調(diào)整，常用于旋轉(zhuǎn)精度和剛度要求不高的場合。后者既能承受徑向載荷也能承受軸向載荷，并且可以通過內(nèi)外圈之間的相對位移來調(diào)整其間隙之大小。輕載時應(yīng)用廣泛。推力軸承：51000系列（單向）推力球軸承，其軸向承載能力很強(qiáng)，支承剛度很大，但極限轉(zhuǎn)速較低，運(yùn)動噪聲較大。

2.2.3提高軸系性能的措施

1)、提高軸系的旋轉(zhuǎn)精度

a）提高軸頸與架體（或箱體）支承的加工精度；b）用選配法提高軸承裝配與預(yù)緊精度；

c）軸系組件裝配后對輸出軸的外徑、端面及內(nèi)孔通過互為基準(zhǔn)進(jìn)行精加工。

2)、提高組件的抗振性

a）提高軸系組件的固有振動頻率、剛度和阻尼；b）消除和減少強(qiáng)迫振動振源的干擾作用；c）采用吸振、隔振和消振裝置。

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2．3導(dǎo)軌

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導(dǎo)向支承部件的作用是支承和限制運(yùn)動部件按給定的運(yùn)動要求和規(guī)定的運(yùn)動方向運(yùn)動。這樣的部件尋常被稱為導(dǎo)軌副，簡稱導(dǎo)軌。導(dǎo)軌副主要由承導(dǎo)件和運(yùn)動件兩大部分組成。機(jī)電一體化對導(dǎo)軌副的基本要求是導(dǎo)向精度高、剛性好、運(yùn)動便捷平穩(wěn)、耐磨性好、溫度變化影響小以及結(jié)構(gòu)工藝性好等。2.3.1滾動導(dǎo)軌的優(yōu)缺點(diǎn)

目前，滾動導(dǎo)軌在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用十分廣泛，由于其摩擦系數(shù)小，f=0.0025~0.005動、靜摩擦系數(shù)很接近，且?guī)缀醪皇苓\(yùn)動速度變化的影響，運(yùn)動便捷靈活，所需驅(qū)動功率??；摩擦發(fā)熱小，磨損小，精度保持良好；低速運(yùn)行時不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，因而定位精度高。它的缺點(diǎn)是：導(dǎo)軌面與滾動體是點(diǎn)接觸或面接觸，所以抗振性差，接觸應(yīng)力大對導(dǎo)軌的表面硬度、表面形狀精度和滾動體的尺寸精度要求高，若滾動體的直徑不一致，導(dǎo)軌表面有高低，會使運(yùn)動部件傾斜，產(chǎn)生振動，影響運(yùn)動精度；結(jié)構(gòu)繁雜，制造困難，本較高；對臟物比較敏感，必需有良好的防護(hù)裝置。2.3.2滾動導(dǎo)軌的預(yù)緊方式

滾動導(dǎo)軌經(jīng)過預(yù)緊，可以顯著地提高其精度。尋常經(jīng)過預(yù)緊的導(dǎo)輪的剛度可以比沒有預(yù)緊的高三倍左右。因此，對于顛覆力矩較大，或要求接觸剛度或移動精度較高的導(dǎo)軌均應(yīng)進(jìn)行預(yù)緊。但預(yù)緊力應(yīng)適當(dāng)，預(yù)緊力過大會使?fàn)恳︼@著增加。常用的預(yù)緊方法有兩種：采用過益協(xié)同或采用調(diào)整元件。

2.4機(jī)座

機(jī)座或機(jī)架是支承其它零件的基礎(chǔ)部件。它既能承受其它零件的重量和工作載荷，又起保證各零部件相對位置的基準(zhǔn)作用。機(jī)座多采用鑄件，機(jī)架多由型材裝配或焊接構(gòu)成。其基本特點(diǎn)是尺寸較大、結(jié)構(gòu)繁雜、加工多面，幾何精度和相對精度要求較高。因此，在設(shè)計時考慮到了機(jī)床的總體精度，機(jī)架或機(jī)座的變形和振動將直接影響機(jī)床的質(zhì)量和正常運(yùn)轉(zhuǎn)，故要滿足其剛度和抗振性等。

2.5機(jī)械設(shè)計計算

將一臺CK6163普通車床改造成微機(jī)數(shù)控，采用MCS-96系列單片機(jī)控制系統(tǒng)，

直流伺服電機(jī)半閉環(huán)控制，具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，其主要設(shè)計參數(shù)如下：

加工最大直徑：在床面上500mm

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在床鞍上280mm加工最大長度：1000mm

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溜板及刀架重力：縱向800N橫向1100N

刀架快速速度：縱向1.2m/min橫向0.6m/min最大進(jìn)給速度：縱向0.3m/min橫向0.6m/min主電機(jī)功率：11KW啟動加速時間：30ms

機(jī)床定位精度：?0.015mm2.5.1根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量

縱向：0.01mm/步；橫向：0.005mm/步（半徑）2.5.2計算切削力

1）縱車外圓

主切削力Fz（N）按經(jīng)驗公式估算：Fz=0.067Dmax=0.67*500=7491N

按切削力各分力比例：Fz：Fx：Fy=1：0.25：0.4

Fx=7491*0.25=1873NFy=7491*0.4=2996N

2）橫切端面

主切削力Fz1（N）可取縱切的1/2。Fz1=Fz/2=3745N

此時走刀抗力為Fy1（N），吃刀抗力Fx1（N）。仍按上述比例粗略計算：

Fz1：Fy1：Fx1=1：0.25：0.4

Fy1=3745*0.25=936NFx1=3745*0.4=1497N

2.5.3滾珠絲杠螺母副的計算與選型

1)計算進(jìn)給率引力Fm（N）

縱向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌Fm=K*Fx+f（Fz+G）(2.1)=1.15*1873+0.16（7491+800）=3529N

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f——滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：0.15~0.18G——溜板及刀架重力：G=800N。

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式中K——考慮顛復(fù)力矩影響的試驗系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取K=1.15

2)計算最大動負(fù)載C(2.2)C=3L*fw*FmL=60*n*T/1000000

n=1000*Vs/L0

式中L0——滾珠絲杠導(dǎo)程，初選L0=10mm；

Vs——最大切削力下的進(jìn)給速度，此處Vs=0.6m/min；T——使用壽命，按15000h；

fw——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取fw=1.2~1.5；L——壽命、以1000000轉(zhuǎn)為1單位；n=1000*0.6*0.5/10=30r/minL=60*30*15000/1000000=27C=14251N

3)滾珠絲杠螺母副的選型

查閱相關(guān)資料，可采用KGT-N32×10-RH內(nèi)循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠,外徑32mm，導(dǎo)程10mm，額定動負(fù)載C=33400N，剛度為K=810N/um,精度等級選為3級。4)傳動效率計算

η=tgγ/tg（γ+Ф）(2.3)式中γ——螺旋升角，NL4506γ=2o26`

Ф——摩擦角取10`滾動摩擦系數(shù)0.003~0.004

η=tgγ/tg（γ+Ф）=tg2o26`/tg（2o26`+10`）=0.93

5)剛度驗算

如圖2.2是縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖。最大牽引力3528N。支承間距

L=1000mm,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)荷的1/3。

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圖2.3進(jìn)給滾珠絲杠支承方式

a)絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1

查相關(guān)資料，根據(jù)Pm=3528N，D0=45mm，查出δl/L=0.000013，可算出:

δ1=1500*δl/L=0.02

由于兩端均采用向心推力軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實際變形量δ`1（mm）為：δ`1=δ1/4=0.005b)滾珠與螺紋滾道間接觸變形δ2

查相關(guān)資料N系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量δ2：

δQ=5.8um

因進(jìn)行了預(yù)緊，δ2=δQ/2=5.8/2=2.9um

c)支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形δ3

采用8107推力球軸承，d1=30，滾動體直徑dQ=6.35mm，滾動體數(shù)量Z=15

δc=0.0024F`m*F`m/dQ*Z*Z=0.0094

因施加了預(yù)緊力，故δ3=δc/2=0.0094/2=0.0047

綜合以上幾項變形量之和：

δ=δ1+δ2+δ3=0.005+0.0029+0.0047=0.0081〈0.015

滿足定位精度。

6)滾珠絲杠兩端推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。

2.5.4確定齒輪傳動比

原來機(jī)床的傳動齒輪已消除間隙，為減小傳動誤差，增加可靠性，齒輪箱和齒輪在原有的基礎(chǔ)上去掉一級齒輪副，采用一級減速。

本次半閉環(huán)光電編碼器選用分辯率為1000line/r，橫向脈沖當(dāng)量為0.01mm，滾珠絲杠螺距為10mm，則齒輪傳動比：

i=

360?10=1

360?0.01?1000即，縱向傳動可以不用減速機(jī)構(gòu)，讓電機(jī)直接連接滾珠絲杠。

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2.5.5直流伺服電機(jī)的選擇1）負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量的估算

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折算到縱向伺服電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算：

Jf?W180?()2ig??2(2.4)

2式中Jf——折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量（kg.cm

）

W——縱向移動部件得重力（800N）δ——估算參數(shù)(0.01)θ——步距角（0.36

0）

2J=(800/9.8)(（180×0.01）/(3.14×0.36))f根據(jù)能量守恒原理，電動機(jī)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩

=2.0698Kg.cm

2

2）負(fù)載轉(zhuǎn)矩計算及最大靜轉(zhuǎn)矩的計算

TF?FL?102??x00?3?ii?1893?10?10?32?3.14?0.953?0.98?1=3.28N.m(2.5)

若不考慮啟動時運(yùn)動部件慣性的影響，則啟動轉(zhuǎn)矩

Tq?TF(0.3~0.5)

取安全系數(shù)為0.3，則Tq?3.28/0.3=10.9N.m

因數(shù)控機(jī)床對動態(tài)性能要求較高，確定電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩時應(yīng)滿足快速空載啟動時所需轉(zhuǎn)矩T的要求T=Tamax+Tf+T0

式中Tamax為空載快速啟動時所需的轉(zhuǎn)矩（N.m）

TTf為戰(zhàn)勝摩擦力所需的轉(zhuǎn)矩（N.m）

為絲杠預(yù)緊所引起的折算到電機(jī)軸上的附加轉(zhuǎn)矩（N.m）

0當(dāng)工作臺快速移動時，電機(jī)的轉(zhuǎn)速：

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ivn?(2.7)L=（1200×1）/10=120r/min有動力學(xué)可知：Tamax?JF?(2.8)式中ε為角加速度，計算公式為ε=則

?n30t(2.9)

Tamax=JF?=2.07×0.0001×（3.14×120）/(30×0.03)=0.087N.m

T

f

=

Wf,2???i0iL0?10?3(2.10)

=(800×0.16×10×0.001)/(2×3.14×0.93×0.98×1)=5.01N.m

T0=

F0L0?102??0?3?ii(2.11)

=(0.33×7491×10×0.001)/(2×3.14×0.93×0.98×1)=4.3N.mT=Tamax+Tf+T0=4.3+5.01+0.087=9.4N.m

根據(jù)計算綜合考慮，選擇直流電機(jī)的型號為：140ZW-02,額定轉(zhuǎn)矩11N.m2.5.6橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算

已知條件：橫向工作臺重力W=1100N,時間常數(shù)t=25ms，由于橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算與縱向類似，估計算過程略。

選擇滾珠絲杠的型號：KGT-N32×20-RH直流電機(jī)型號為140ZW-02,額定轉(zhuǎn)矩12.5N.m.

3微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

3.1單片微機(jī)設(shè)計概述

8098是Intel公司于1988年一季度推出的準(zhǔn)16位嵌入式微控制器（內(nèi)部數(shù)據(jù)總線為16位，外部數(shù)據(jù)總線為8位），它與MCS-96系列中的其他芯片相比具有性能高，功能全，售價低廉，使用便利等優(yōu)點(diǎn)，十分適合在我國推廣使用。3.1.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

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光電編碼器光電隔離專用控制程序功率放大向直流電機(jī)光電編碼器縱向拖板光電隔離用戶加工程序外部功率放大向直流電機(jī)橫向工作臺車床刀架8098單片機(jī)口驅(qū)動電路刀架電機(jī)刀架轉(zhuǎn)動鍵盤及顯示驅(qū)動主軸電機(jī)主軸

圖3.1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

設(shè)計說明：

用戶根據(jù)零件圖紙，依照規(guī)定的格式，編制出若干零件加工程序，然后通過鍵盤把程序輸入計算機(jī)，計算機(jī)在管理程序的控制下，通過專用控制程序（數(shù)控軟件）把用戶加工程序（應(yīng)用軟件）轉(zhuǎn)化成一定數(shù)量（位移）和頻率（速度）的脈沖型信號。這些指令經(jīng)過擴(kuò)展的I/O口和光電隔離，在經(jīng)過功率放大，然后驅(qū)動兩臺直流伺服電機(jī)，帶動工作臺和刀架完成縱、橫兩個方向的進(jìn)給，使車刀走出直線或圓弧等軌跡。工作臺的位移量通過編碼器檢測出來反饋回計算機(jī)形成閉環(huán)。刀架上可裝四把刀，當(dāng)需要換刀時，由計算機(jī)發(fā)出驅(qū)動刀架旋轉(zhuǎn)的信號，經(jīng)過驅(qū)動電路使刀架電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動刀架換位。主軸脈沖編碼器是用來車削螺紋的。它把主軸旋轉(zhuǎn)的角位移以脈沖的形式輸給計算機(jī)，計算機(jī)通過軟件控制使車刀的進(jìn)給運(yùn)動與工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動保持正確的運(yùn)動關(guān)系。主軸脈沖編碼器的進(jìn)給脈沖用來控制車刀的進(jìn)給量，以保證工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)刀架移動一個螺紋導(dǎo)程；零位脈沖用來控制車刀切入工件的起始位置，保證屢屢走刀螺紋時不亂牙。

在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下因素：

1)、時鐘頻率和字長，這個指標(biāo)將控制數(shù)據(jù)處理的速度。

2)、可擴(kuò)展存儲器（包括ROM和RAM）的容量。

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3)、指令系統(tǒng)功能，影響編程靈活性。

4)、I/O口擴(kuò)展的能力，即對外設(shè)控制的能力。

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此外還考慮到了系統(tǒng)應(yīng)用場合，控制對象對各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟(jì)價格比等要求。

此次畢業(yè)設(shè)計要求使用16位單片機(jī)，因此選擇Intel8098單片機(jī)。3.1.2存儲器擴(kuò)展電路的設(shè)計

存儲器擴(kuò)展電路的設(shè)計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，考慮到了CPU與EPROM時序的匹配，最大讀出速度、工作溫度及存儲芯片的容量等問題。

在存儲器擴(kuò)展電路的設(shè)計中包括地址鎖存器和譯碼電路的設(shè)計3.1.2I/O口即輸入/輸出接口電路設(shè)計

包括接口芯片的選用，直流伺服電機(jī)控制電路，鍵盤顯示電路和其它輔助電

路（如復(fù)位電路，越界報警電路等）。

3.28098單片機(jī)的基本特性

MCS-96系列單片機(jī)的集成度很高，是集片內(nèi)存儲器、片內(nèi)輸入/輸出部件和CPU于一體的準(zhǔn)16位優(yōu)良單片機(jī)系統(tǒng)。3.2.18098單片機(jī)的基本特性

1)準(zhǔn)16位嵌入式微控制器（內(nèi)部數(shù)據(jù)總線為16位，外部數(shù)據(jù)總線為8位）;

2)高性能的16位CPU寄放器算術(shù)規(guī)律單元（RALU），232字節(jié)寄放器陣列；3）高速輸入/輸出（HSI/HSO）;

4)帶有采樣/保持（S/H）電路的4通道10位A/D轉(zhuǎn)換器；5)中斷控制器和等待狀態(tài)產(chǎn)生規(guī)律；6）一個同步/異步串行口；

7）兩個16位定時器和一個監(jiān)視定時器；

8）一個可供D/A轉(zhuǎn)換器使用的脈寬調(diào)制（PWM）輸出；9）片內(nèi)設(shè)有時鐘發(fā)生器；3.2.28098芯片引腳及其功能

8098芯片具有48引腳，如下圖所示：

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圖3.2系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

引腳功能定義表：

表3.18098引腳功能表

符號VccVssVpd

名稱及功能主電源(+5V)

數(shù)字地。共有兩個Vss引腳都必需接地

RAM備用電源(+5v)。在正常操作期間應(yīng)加上此電源。在掉電情下，若在Vcc下降到低于規(guī)定值之前(Vpd應(yīng)保持在規(guī)定范圍之內(nèi))RESET有效，則8098片內(nèi)寄放器陣列頂部的16字節(jié)山窖將保持不變。在掉電期間，RESET應(yīng)一直保持低電平，直至Vcc恢復(fù)到規(guī)定的范圍內(nèi)且振蕩器達(dá)到穩(wěn)定時

為止

Vref

片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換器的參考電壓（+5V）,他也是A／D轉(zhuǎn)換器模擬部分的電

源電壓，以及讀PO口操作所需的規(guī)律電壓

ANGND

片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換器的參考電壓（+5V）,他也是A／D轉(zhuǎn)換器模擬部分的電

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源電壓，以及讀PO口操作所需的規(guī)律電壓.

VppXTAL1

EPROM型芯片的編程電壓

片內(nèi)振蕩器中反相器的輸入,也是片內(nèi)時鐘發(fā)生器的輸入,尋常接外部晶

體

XTAL2RESETEA

片內(nèi)振蕩器中反相器的輔出,尋常接外部晶體

復(fù)位信號輸入端

存儲器選擇輸入端。EA=1，CPU尋址存儲器2000H～3FFFH單元時，訪問的是片內(nèi)ROM(8398)；EA=0．則訪問的是片外存儲器+此引腳內(nèi)部有下拉

作用．若外部無驅(qū)動，它總保持低電平

ALE/ADV

地址塤存允許(ALE)或地址有效輸出(ADV)。它們由CCR寄放器選擇。兩者都提供了一個鎖存信號，以便把地址從地址／數(shù)據(jù)總線中分開出來。選中擇ADV功能時，在總線周期終止時，此引腳變高。ADV可作為外部存

儲器的片選信號。ALE／ADV僅在外部存儲器訪問期間才有效

RDWRREADY

對外部存儲器的讀信號(輸出)對外部存儲器的寫信號(輸出)

準(zhǔn)備就緒信號(輸入)。用來延長對外部存儲器的訪問周期，以便使芯片能夠與慢速或動態(tài)存儲器接口。它也可用于總線共享．總線周期最多可延長至lus。當(dāng)不使用外部存儲器時，此信號無效，通過CCR寄放器可控制插入到總線周期中的等待狀態(tài)數(shù),REDAY引腳內(nèi)部有微弱的上拉作用，

當(dāng)無外部驅(qū)動時．此引腳為高電平

HSI

高速輸入部件的信號輸人端。共有4個HSl輸入引腳：HSI.0、HSI.l、

HfSI.2、HSI.3其中兩個引腳(HSI.2、HSI.3)與HSO部件共用

HSO

高速輸出部件的信號輸出端。共有6個HSO輸出引腳HSO.0、HSO.l、HSO.2、HSO.3，HSO.4、HSO.5，其中兩個引腳(HSO4、HSO5)與HSI部

件共用

P0口

4位高輸入阻抗口。這些引腳既可作為數(shù)字輸入口，還可用作A／D轉(zhuǎn)換

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器的模擬輸人口(ACH4～ACH7)

P2口

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4位多功能口。在8098中，它們除了可用作標(biāo)準(zhǔn)的I／O口外，還可用作

其它特別功能

P3口和P4口

具有漏極開路輸出的8位雙向口。這些引腳用作多路復(fù)用地址／數(shù)據(jù)總

線和地址總線．它們的引腳內(nèi)部具有極強(qiáng)的上拉作用

3.3存儲器擴(kuò)展電路的設(shè)計

在對機(jī)床的數(shù)控化改造過程中，對單片機(jī)進(jìn)行開發(fā)時，遇到了存儲器的擴(kuò)展問題，單片機(jī)的內(nèi)部雖然設(shè)置了一定容量的存儲器，但是這種存儲器的容量較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了實際需要，因此需要從外部進(jìn)行擴(kuò)展，配置外部存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，同時還需要對單片機(jī)的I/O口進(jìn)行擴(kuò)展，這就需要配置一定的輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，這樣才能滿足系統(tǒng)的工作需要。

在設(shè)計擴(kuò)展存儲器時，要從下面幾點(diǎn)進(jìn)行考慮。

1)系統(tǒng)對外部存儲器需求的種類和容量.系統(tǒng)是否需要EPROM，RAM及EEPROM。所需的容量是多少。

2)8098尋址空間為64K字節(jié)．應(yīng)對其片外的程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器及I／O空間進(jìn)行統(tǒng)一編址。

3)時序分析與連線．根據(jù)所選用存儲器的特性、工作方式參數(shù)及時序的要求來確定與8098的接口如何連接。

8098單片機(jī)使用16位多路復(fù)用地址和8位數(shù)據(jù)總線，此外協(xié)同總線口進(jìn)行總線存取操作的還有引腳RD、WR、ALE／ADV、READY、EA等控制信號。使用這些信號與一些常規(guī)接口芯片連行擴(kuò)展很簡單構(gòu)成較大規(guī)棋的應(yīng)用系統(tǒng)。3.3.1程序存儲器的擴(kuò)展3.3.1.12764EPROM

圖3.2為2764的引腳圖：

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VppA12A7A6A5A4A3A2A1A0O0O1O2GND12345678910111213142827262524第17頁共42頁

2764232221202318171615VccPGMA13A8A9A11OEA10CEO7O6O5O4O3

圖3.22764芯片引腳圖

各引腳功能如表3.2

表3.22764引腳功能表

名稱AO一A16CEOEO0～O7

功能地址線片選輸出允許數(shù)據(jù)輸出

名稱VppPGMVcGNDNC

功能編程電源編程電源(+5V)

地空

2764一般可有三種工作方式應(yīng)用干8098系統(tǒng)之中，值得注意的是這三種工作方式的所有輸入／輸出與CMOS和TTL電平兼容。

１）讀工作方式：一般說來．EPROM在地址線穩(wěn)定后．使用兩個引腳(片選腳CE．輸出允許OE)控制讀取數(shù)據(jù)。片選腳(CE)是電源控制，用于設(shè)備選擇；輸出允許腳(OE)是輸出控制，用于選擇輸出引腳中有數(shù)據(jù)輸出還是高阻狀態(tài)。假設(shè)地址線(A0～A16)穩(wěn)定不變，片選腳(CE)與輸出允許腳(OE)都為低時．經(jīng)過一段時間延遲后．該地址的數(shù)據(jù)就會被讀到數(shù)據(jù)口1(DO—D7)。

２）維持工作方式：當(dāng)片選信號(CE)為高電平日，芯片進(jìn)入維持工作方式，這樣可以減步芯片的功耗，一般在1mW以下．這時數(shù)據(jù)口輸出浮現(xiàn)高阻狀態(tài)．

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阻止工作方。

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３）輸出阻止工作方式：當(dāng)輸出允許信號(OE)為高電平日，芯片進(jìn)入輸出

市場上購買的EPROM，在其出廠前所有存儲單元的數(shù)據(jù)均為1，用戶可通過相應(yīng)的EPROM寫入裝置(如8088開發(fā)系統(tǒng)、ALL03＋等)，將應(yīng)用程序編程到芯片中在系統(tǒng)中使用．假使應(yīng)用程序需要改寫．可將EPROM芯片在紫外線(光強(qiáng)度為15000uW／cm2)光下照射其窗口約20分鐘，存儲單元各位數(shù)據(jù)會被最新置1，然后就可再次使用。3.3.1.2地址鎖存器

由于MCS-96單片機(jī)的P3口是分時復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此在進(jìn)行程序存儲器擴(kuò)展時必需利用地址鎖存器將地址信號從地址/數(shù)據(jù)總線中分開開來。尋常，地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的八D鎖存器74LS373或8282，地址鎖存信號為ALE。本系統(tǒng)用的是74LS373，它的鎖存控制端LE可直接與單片機(jī)的鎖存控制信號端ALE相連，在ALE下降沿進(jìn)行地址鎖存。74LS373芯片如圖3.3

111347813141718OELED0D1D2D3D4D5D6D7VccQ0Q1Q2202569121516191074LS373鎖存器Q3Q4Q5Q6Q7GND圖3.373LS373芯片引腳

373的輸出端O0-O7可直接與總線相連。

當(dāng)三態(tài)允許控制端OE為低電平日，O0~O7為正常規(guī)律狀態(tài)，可用來驅(qū)動負(fù)載

或總線。當(dāng)OE為高電平日，O0-O7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的規(guī)律操作不受影響。

當(dāng)鎖存允許端LE為高電平日，O隨數(shù)據(jù)D而變。當(dāng)LE為低電平日，O被鎖存在

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已建立的數(shù)據(jù)電平。

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當(dāng)LE端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善400mV。引出端符號：

D0～D7數(shù)據(jù)輸入端

OE三態(tài)允許控制端（低電平有效）LE鎖存允許端O0-O7輸出端3.3.1.3譯碼電路

8098單片機(jī)允許擴(kuò)展64K數(shù)據(jù)存儲器（包括I/O口芯片），這樣就需要擴(kuò)展多個外圍芯片，因而需要把外部地址空間分派給這些芯片，并且使程序存儲器各芯片之間、數(shù)據(jù)存儲器各芯片之間（包括I/O口芯片）地址相互不重疊，以使單片機(jī)訪問外部存儲器時，避免發(fā)生沖突。當(dāng)8098數(shù)據(jù)總線分時地與各個外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時，首先要進(jìn)行片選（指選中某一個芯片），而當(dāng)片內(nèi)有多字節(jié)單元時，還要進(jìn)行片內(nèi)地址選擇。

規(guī)則如下：

1）程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器獨(dú)立編址。它們的地址可以重疊使用?？科x信號和控制信號：ALE、RD和WD區(qū)分訪問對象。

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芯片不僅占用數(shù)據(jù)存儲器地址單元，而且使用數(shù)據(jù)存儲器的讀/寫控制信號與讀/寫指令。

3）CPU訪問外部存儲器地址編碼CPUP4口提供高8位地址（A8-A15），P3口經(jīng)外部地址鎖存器后提供低8位地址（A0-A7）。

地址譯碼的方法有兩種：線選法和全地址譯碼。

1)線選法：即把單獨(dú)的地址線（尋常是P2口的某一根線）直接接到外圍芯片的片選端上,只要該地址線為低電平，就選中該芯片。若系統(tǒng)只擴(kuò)展少量的RAM和I/O接口芯片，可采用線選法。譯碼中未用到的地址位可設(shè)成“1〞或“0〞。

2)全地址譯碼法：將低位地址線作為片內(nèi)地址，而用譯碼器對高位地址進(jìn)行譯碼，譯出的信號作為片選線。尋常用于擴(kuò)展容量較大的系統(tǒng)。常用譯碼芯片是74LS138。

74LS138芯片如圖

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3.4

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ABCE1E2E312345678譯碼芯片161514VccY0Y1Y2Y3Y4Y5Y6

74LS138131211109Y7GND圖3.474LS138芯片表3.374LS138功能表

E3111111111

E1000000000其他狀態(tài)

E2000000000

C00001111╳

B00110011╳

A01010101╳

Y7111111100

Y6111111011

Y5111110111

Y4111101111

Y3111011111

Y2110111111

Y110111111

Y0011111111

3.3.2數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)存儲器一般都采用靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器。最常用的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器有6116(ZK×8)、6264(8K×8)兩種。

6264是：8K×8位的靜態(tài)隨機(jī)存儲器芯片，采甩CMOS工藝制造，單+5V電

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源。額定功耗200mW，典型存取時間為200ns，為28PIN雙列直插式(DIP)封裝，其引腳定義如圖3.5所示，其引腳功能見表３.３。芯片功能表見表3.3

NCA12A7A6A5A4A3A2A1A0IO0IO1IO2GND123456789101112131428272625246264232221202318171615VccWECS2A8A9A11OEA10CS1IO7IO6IO5IO4IO3

圖３.5６２６４引腳定義

表3.46264引腳功能表

名稱A0～A12CS1,CS20EWEIO0～I(xiàn)O7VccGNDNC

功能地址線片選輸出允許寫允許數(shù)據(jù)輸入／輸出電源(+5V)

地空

由表3.3可以看出．6264芯片可由面?zhèn)€片選腳(CSl、CS2)、輸出允許(OE)、寫允許(WE)和地址線來控制寫入和讀出數(shù)據(jù)。常用的幾種方法如下：

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1)片選(CSl)控制方式

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將地址線與8098單片機(jī)地址線相連，輸出允許(OE)、寫允許(WE)與8098的讀(RD),寫(WD)信號相連。片選(CS2)接高電平。地址譯碼線與片選(CS1)相連．其為低電平有效。在低電平持續(xù)一段時間后(如6264—200為200ns，)．該地址單元的數(shù)據(jù)就會被讀出或?qū)?shù)據(jù)口上的數(shù)據(jù)寫入該地址單元。

2)片選(CS2)控制方式

這種工作方式與片選(CS1)控制方式基本一致，所不同的是片選(CS1)接低電平，片選(CS2)與地址譯碼線相連，其為高電平有效。

3)片選(CS1、CS2)組合控制方式

這種方法與前兩種方法所不同的是：可分別使用片選(CS1、CS2)進(jìn)行譯碼，使得在無總線競爭發(fā)生時，線路連接有更大的靈活性。

本設(shè)計采用片選(CSl)控制方式3.3.3EEPROM存儲器

EEPROM是一種電擦除電可編程的只讀存儲器?？勺鳛槌绦虼鎯ζ骱蛿?shù)據(jù)存儲器使用，其主要優(yōu)點(diǎn)是能在應(yīng)用系統(tǒng)中進(jìn)行在線改寫．并能在斷電狀況下保存數(shù)據(jù)。其有并行EEPROM和串行EEPROM兩種類型，具體有如下特點(diǎn):

1)采用+5V擦除的EEPROM后，尋常不須設(shè)置單獨(dú)的擦除操作，可在寫入的過程中自動擦除快速的擦除時間為200us，最長的約需lOms左右，所以在設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)時應(yīng)首先查閱有關(guān)的手冊，確定擦除時間，在軟件設(shè)計時確保有足夠的寫入時間。

2）在采用并行EEPROM時，EEPROM可作為程序存儲器，依照EPROM的連接方法編址，假使作為散據(jù)存儲器，則依照靜態(tài)RAM連接方法編址。

3）在串行EEPROM芯片中，地址與數(shù)據(jù)的傳送方式都是串行方式，它們體積小，電路連接簡單(兩線傳送或三線傳送)，價格低廉，不占用地址總線與數(shù)據(jù)總線，但是，數(shù)據(jù)傳送速率低。

常用的并行EEPROM型號有：28C16A(2K×8)，28Cl7A(2K×8)．28C64A(8K×8)等，本設(shè)計采用28C64A，其引腳定義見圖3.6、工作方式如表3.4所示

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10987654325242123226第23頁共42頁

A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12NCVccWEOECEIO02827222023121315161718191142864IO1IO2IO3IO4IO5IO6IO7RDY/BUYVss圖３.62864引腳定義表3.52864引腳功能表名稱AO～A12CE0EWEI/O0-I/07RDY／BUSYVccVssNC

功能地址線片選輸出允許寫允許數(shù)據(jù)輸入/輸出準(zhǔn)備好/忙+5V地空

2864與8098的接法與6264（RAM）與8098的接法基本一致，只不過2864只有一個片選端CE，它與74LS138的Y5輸出端相連。

3.4I/O接口電路

8255A可編程I／O口及擴(kuò)展

在8098單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計時，對其I／0口的使用應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用場合而確定。對于簡單外設(shè)的輸入輸出，可使用I／0接口直接檢測／控制。但對比較繁雜的應(yīng)用系統(tǒng)。單片機(jī)本身提供的I／O口顯然不夠使用．因此需要在單片機(jī)上擴(kuò)展I／0口來實現(xiàn)系統(tǒng)功能要求。最常用的并行接口芯片為8255A。8255A是可編程的并行I／O接口芯片，它可用程序來改變功能，通用性強(qiáng)。使用靈活，通過它可直接將單片機(jī)總線接向外設(shè)。

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3.4.18255A的結(jié)構(gòu)

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8255A的原理如圖3.7所示．它有兩個8位并行端口PA和PB。還有兩個4位并行端口：PC的高4位和PC的低4位．每個端口均能通過控制寄放器編程確定為全部輸入或全部輸出，也可確定為指定的功能。它的管腳采用40線雙列直播式封裝．內(nèi)部原理如圖3.7所示，引腳圖如圖3.8,引腳功能見表3.6。

A組控制A組A口（8）D0-D7緩沖器A組C口（4）B組控制RDWRA1A0RESETCS讀/寫控制規(guī)律B組C口（4）B組B口（8）圖３.78255A的原理圖

1）數(shù)據(jù)端口PA、PB、PC

8255A有三個8位并行口PA、PB、PC，它們都可以選擇為輸入或輸出工作方式，但在功能和結(jié)構(gòu)上有些差異。

PA口：具有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存緩沖器，一十8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器。PB口：具有一個8位數(shù)據(jù)輸入輸出鎖存緩沖器．一個8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器。PC口：具有一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存緩沖器．一個8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器(輸入沒有鎖存)。

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為PA口、PP,口狀態(tài)控制信號．

2）A組和B組控制電路

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PA口和PB口可作為輸入輸出口．而PC口除了可作為輸入輸出口外，還可作

這是兩組根據(jù)8098命令控制8255A工作方式的控制電路。此外．還可根據(jù)8098的命令對PC口的每一位實現(xiàn)按位“復(fù)位〞或“置位〞。

A組控制PA口和PC4～PC7；B組控制PB口和PC0～PC3。

1PA32PA23PA14PA05RD6CS7GND8A19A010PC711PC612PC513PC414PC015PC116PC217PC318PB019PB120PB2PB3PB421PB522PB623PB724Vcc25D726D627D528D132D033RESET34WR35PA736PA637PA538PA439408255D231D330D429

圖３.88255A引腳圖

3）數(shù)據(jù)總線緩沖器是一個三態(tài)雙向8位緩沖器，它是8255A與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線的接口輸入輸出的數(shù)據(jù)、輸出指令以及CPU發(fā)出的控制字都是通過這十緩沖器傳送的。

4）讀寫和控制羅輯

A0、A1和CS為8255A的口選擇信號和片選信號，RD及WR為對8255A的讀寫控制信號。這些信號分別和8098單片機(jī)的地址線和讀寫信號線相連接，實現(xiàn)對8255A的口選擇和數(shù)據(jù)傳送。這些控制信號的組合可以實現(xiàn)8098單片機(jī)對8255A的PA口、PB口、PC口和控制信號的尋址，見表3.6．

5）RESET

復(fù)位信號：高電平有效，置8255A于基本操作狀態(tài)，PA口、PB口及PC口均為輸入方式。

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表3.68255A端口選擇

CS0000000010

RD11110000×1

WR00001l1l×1

Al00110011××

AO01010101××

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端口選擇及其操作數(shù)據(jù)傳送端口A數(shù)據(jù)傳送端口B數(shù)據(jù)傳送端口C控制字送控制寄放器端口A數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線端口B數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線端口C數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線無操怍（D7～D0三態(tài))阻止(D7～D0三態(tài))無操作(D7～D0三態(tài))

3.4.28255A工作方式的選擇8255A有三種基本的工作方式．1)方式0，基本輸入輸出方式。2)方式1，選通輸入輸出方式。3)方式2，雙向傳送。

其工作方式的選擇由8098輸出的方式控制字來決定。1）方式選擇控制字

8255A工作方式的選擇由8098寫入一個控制字到8255A的控制寄放器來確定，方式控制字格式如圖3.9所示。

在方式選擇控制字中，D7=l是其特征標(biāo)志位。這時，A組可選擇三種工作方式，方式0、方式1及方式2。而B組只能選擇方式0或方式1。

若8255A編程A口為方式0輸入，B口為方式1輸出。PC7-PC4為輸出，PC3-PCO為輸入，則其程序為：

LDBAL，#95H;取控制字LDBX，#19BH;取控制口地址STBAL，[BX];送控制宇2）端口C置位／復(fù)位控制字

在向控制寄放器寫入控制字時．假使D7=0，則是對端口C置位／復(fù)位的控制字，此時，由控制字的D3～D1指明對端口C的哪一位進(jìn)行操作，而D0位則指明對端口的操作是置位(DO=1)還是復(fù)位(D0=0)．D6～D4為任意值，不影響操作，這一功能可使8255A作為位控接口來實現(xiàn)對外設(shè)的接位控制。

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D7D6D5D4D3D2D1D0PC口底4位PB口B組方式選擇PC口高4位PA口A組方式選擇第27頁共42頁

0輸出1輸入0輸出1輸入0方式01方式10輸出1輸入0輸出1輸入00方式001方式11×方式21有效方式選擇標(biāo)志

圖３.98255A方式選擇控制字

例如：要使端口C的PC7=1，則控制字為OFH，而要使PC3=0，則控制字為06H。設(shè)8255A的控制端口地址為19BH．其程序如下：LDBAL，#0FH；設(shè)置PC7=1的控制字LBBX．#19BH；取控制口地址STBAL，[BX]；置PC7=l

LDBAL，．#06H；設(shè)置PC3=0的控制字STBAL，[BX];置PC3=03.4.38255A的工作方式

1)方式0——基本輸入／輸出方式

在這種方式中．三個數(shù)據(jù)端口A、B、C(C分為兩個4位)通過方式選擇控制字可任意選擇其為輸人口或輸出口，且同一組的兩個端口也可分別定義為輸入口或輸出口，例如：A組的端口A定義為輸入口，而端口C的PC7～PC4則可定義為輸出口。

方式0的主要特點(diǎn)是：

其有兩個8位端口A、B及兩個4位端口(端口C)，任一個端口可以作為輸入或輸出端口，各端口之間沒有規(guī)定必然的聯(lián)絡(luò)關(guān)系。

方式O主要用于同步傳進(jìn)數(shù)據(jù)的場合，這時．8098A和外設(shè)都相互了解對方的工作狀態(tài)，不需要應(yīng)答信號．三個數(shù)據(jù)端口可實現(xiàn)三個通道的數(shù)據(jù)傳送。

2)方式l——選通輸入／輸出方式

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在這種方式中，端口A和端口B要進(jìn)行輸入／輸出傳送時，必需利用端口C提供的選通信號和應(yīng)答信號，而這些信號與端口C有著固定對應(yīng)關(guān)系，不可改變。

方式1的主要特點(diǎn)是：

１）兩個8位數(shù)據(jù)輸人／輸出端口A、B在端口C的協(xié)同下工作。２）端口C中的3位用于端口A的輸入／輸出控制。3位用于端口B的輸入／輸出控制，井提供中斷規(guī)律。

３）若只有一個數(shù)據(jù)端口工作于方式l，則另一個數(shù)據(jù)端口及端口C剩下的5位可工作于方式O；若兩個數(shù)據(jù)端口都工作于方式1，則端口C剩下的兩位可由程序指定作為輸入或輸出，也可進(jìn)行置位／復(fù)位操作。

本設(shè)計中，一片8255的PA口設(shè)定為輸入口，PA0-PA5信號來自面板六個琴

鍵開關(guān)：PA1-空運(yùn)行是驗證程序用的；PA2-自動運(yùn)行用于加工；PA3-手動速度有兩檔，用于點(diǎn)動；PA4-回零是指刀架回零,PA0是編輯。同時PC0-PC3設(shè)定為輸出口，當(dāng)需要自動回轉(zhuǎn)刀架換刀時，由8155的PC0-PC3發(fā)出刀位信號，控制刀位電機(jī)回轉(zhuǎn)，到達(dá)指定的刀位，刀架夾緊后，發(fā)出換刀回復(fù)信號，經(jīng)8155的PB5輸入計算機(jī)，控制刀架開始進(jìn)給。PB0-PB6設(shè)定為輸入口，設(shè)有啟動、暫停、單段、連續(xù)、急停等方式。PB5作為刀架電機(jī)轉(zhuǎn)動的換刀回復(fù)信號。PB6作為車削螺紋時的零位螺紋信號。PC4接報警顯示。端口定義如圖3.10：

在本控制系統(tǒng)中，另一片8255的PA口設(shè)定為輸出口，輸出八路PWM調(diào)制波，經(jīng)光電隔離電路、功率放大電路，驅(qū)動功率開關(guān)元件GTR，使GTR實現(xiàn)快速通斷，無論何時，一相的4個GTR只有兩個處于導(dǎo)通狀態(tài)，另外兩個處于截止?fàn)顟B(tài)，然后驅(qū)動X，Z向的直流電機(jī)。PB口設(shè)定為輸入口：8098的P1.0-P1.7作為顯示器的段選信號,PC0-PC5是輸出顯示器的位選信號,PB0-PB3四根線是鍵盤掃描輸入，PB4-PB7是兩個方向的點(diǎn)動。對于PA口，PA3作為X向電機(jī)的選擇信號，PA7作為Z向電機(jī)的選擇信號。

3.4．4顯示器的工作原理

數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED（發(fā)光二極管顯示器）和LCD（液晶顯示

器）這里主要介紹LED顯示器，尋常它是由八個發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點(diǎn)或一個筆畫發(fā)亮?？刂撇煌M合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。常用的七段顯示器的結(jié)構(gòu)如圖3.10。發(fā)光二極管的陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。當(dāng)顯示數(shù)字0時，只要a、b、c、d、e、f段亮，g不亮，即a、b、c、d、e、

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圖３.98255A功能信號

f段的陽極加上高電平“1〞，g段的陽極加上低電平“0〞，公共陰極接低電平“0〞，七段顯示器則顯示“0〞，假使加到各段陽極上的代碼，則顯示器將會顯示不同的字符和數(shù)字，這個代碼稱為段碼,選擇字型稱為段選。

尋常顯示器采用動態(tài)顯示，就是一位一位地輪番點(diǎn)亮顯示器各個位，對于顯示器的每一位來說，每隔一段時間點(diǎn)亮一次，顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時間參數(shù)，可實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示。這就是顯示器的掃描過程。計算機(jī)以人眼不能分辯的速度輪番對各字位線輸出低電平，即可在各位上顯示出不同的字符和數(shù)字，從而實現(xiàn)掃描顯示，這就稱作位選。

本設(shè)計是使用存儲空間擴(kuò)展實現(xiàn)的動態(tài)驅(qū)動LED，它使用兩片74LS373鎖存器動態(tài)驅(qū)動6塊LED數(shù)碼管。6塊數(shù)碼管一致數(shù)據(jù)段的輸入端相連并接到74LS373的輸出端上．另一片74LS373的6路輸出分別與6塊數(shù)碼管的選通端相連來控制由哪塊數(shù)碼

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示控制數(shù)據(jù)。

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管顯示。程序設(shè)置6個連續(xù)RAM中存放相應(yīng)的顯示數(shù)據(jù)．其后6個連續(xù)內(nèi)存中存放顯

abcdefgdpgfgndabafedgbcdpedgndcdp圖３.107段LED顯示塊

3.4．5鍵盤接口原理

鍵盤是由若干個按鍵組成的開關(guān)矩陣，它是最簡單的單片微機(jī)輸入設(shè)備。其工作原理如圖3.11：

圖中控制信號=“０〞則開放，可對鍵識別：當(dāng)鍵松開，測試信號＝“１〞鍵閉合，測試信號＝“０〞

控制信號＝“１〞，阻止，不能對鍵進(jìn)行識別．

圖所示為４Ｘ４鍵盤結(jié)構(gòu)，圖中行線通過電阻接＋５Ｖ，當(dāng)鍵盤上沒有鍵閉合時，所有的行線和列線斷開，行線Ｘ０-Ｘ３（測試信號）都成高電平。當(dāng)鍵盤上某一個鍵閉合時，則該鍵所對應(yīng)的行線和列線短路。Y0-Y3相當(dāng)于控制信號。

由附圖所示，鍵盤為4X8鍵。鍵盤的列線用8255的PC口（PC0-PC7），是輸出口。鍵盤的行線由8255B口（PB0-PB3）擔(dān)任，是輸入口，鍵盤用8255的PC口進(jìn)行控制，對進(jìn)行鍵盤巡回掃描。

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10KΩ測試信號第31頁共42頁

10KΩ×4+53X2X1+5V控制信號X0Y0Y1Y2Y3圖3.11鍵盤控制原理圖

3.5直流伺服電機(jī)接口及驅(qū)動

直流伺服電機(jī)具有良好的調(diào)速特性，較大的啟動轉(zhuǎn)矩和相對功率，易于控制及響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。盡管其結(jié)構(gòu)繁雜，成本較高，在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中還是具有較廣泛的應(yīng)用。

3.5．1直流伺服電動機(jī)的分類

直流伺服電動機(jī)的分類：直流伺服電動機(jī)按勵磁方式可分為電磁式和永磁式兩種。電磁式的磁場由勵磁繞組產(chǎn)生；永磁式的磁場由永磁體產(chǎn)生。電磁式直流伺服電動機(jī)是一種普遍使用的伺服電動機(jī)，特別是大功率電機(jī)（100W以上）。永磁式伺服電動機(jī)具有體積小、轉(zhuǎn)矩大、力矩和電流成正比、伺服性能好、響應(yīng)快功率體積比大、功率重量比大、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，由于功率的限制，目前主要應(yīng)用在辦公自動化、家用電氣、儀器儀表等領(lǐng)域。

直流伺服電動機(jī)按電樞的結(jié)構(gòu)與形狀又可分為平滑電樞型、空心電樞型和有槽電樞型等。平滑電樞型的電樞無槽，其繞組用環(huán)氧樹脂粘固在電樞鐵心上，因而轉(zhuǎn)子形狀修長，轉(zhuǎn)動慣量小。空心電樞型的電樞無鐵心，且常做成杯形，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量最小。有槽電樞型的電樞與普通直流電動機(jī)的電樞一致，因而轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量較大。

直流伺服電動機(jī)還可按轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量的大小而分成大慣量、中慣量和小慣量直流伺服電動機(jī)。大慣量直流伺服電動機(jī)(又稱直流力矩伺服電動機(jī))負(fù)載能力強(qiáng)，易于與機(jī)械系統(tǒng)匹配，而小慣量直流伺服電動機(jī)的加減速能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、動態(tài)特性好

3.5．2直流伺服電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理

直流伺服電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理：直流伺服電動機(jī)主要由磁極、電樞、電刷及換向片結(jié)構(gòu)組成（如圖3.12所示）。其中磁極在工作中固定不動，故又稱定子。

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定子磁極用于產(chǎn)生磁場。在永磁式直流伺服電動機(jī)中，磁極采用永磁材料制成，充磁后即可產(chǎn)生恒定磁場。在他勵式直流伺服電動機(jī)中，磁極由沖壓硅鋼片疊成，外繞線圈，靠外加勵磁電流才能產(chǎn)生磁場。電樞是直流伺服電動機(jī)中的轉(zhuǎn)動部分，故又稱轉(zhuǎn)子，它由硅鋼片疊成，表面嵌有線圈，通過電刷和換向片與外加電樞電源相連。直流伺服電動機(jī)是在定子磁場的作用下，使通有直流電的電樞（轉(zhuǎn)子）受到電磁轉(zhuǎn)矩的驅(qū)使，帶動負(fù)載旋轉(zhuǎn)。通過控制電樞繞組中電流的方向和大小，就可以控制直流伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和速度。當(dāng)電樞繞組中電流為零時，伺服電動機(jī)則靜止不動。

磁極N電樞導(dǎo)體電刷換向片磁極nS+-

圖3.12直流伺服電機(jī)原理圖

直流伺服電動機(jī)的控制方式主要有兩種：一種是電樞電壓控制，即在定子磁場不變的狀況下，通過控制施加在電樞繞組兩端的電壓信號來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩；另一種是勵磁磁場控制，即通過改變勵磁電流的大小來改變定子磁場強(qiáng)度，從而控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩。采用電樞電壓控制方式時，由于定子磁場保持不變，其電樞電流可以達(dá)到額定值，相應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)矩也可以達(dá)到額定值，因而這種方式又被稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。而采用勵磁磁場控制方式時，由于電動機(jī)在額定運(yùn)行條件下磁場已接近飽和，因而只能通過減弱磁場的方法來改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于電樞電流不允許超過額定值，因而隨著磁場的減弱，電動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，但輸出轉(zhuǎn)矩下降，輸出功

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率保持不變，所以這種方式又被稱為恒功率調(diào)速方式。

3.5．3直流伺服電動機(jī)的驅(qū)動與控制

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本次設(shè)計，直流伺服電機(jī)采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，兩只電機(jī)各采用8255輸出4路PWM調(diào)制波驅(qū)動開關(guān)元件，以控制電機(jī)電樞電壓，達(dá)到調(diào)速的目的。如圖3.13所示。

+15V+5V+VsVD1VD3VT3MPA4PA58255PA6PA7VT1VD2VT2VT4VD4X相電機(jī)

圖3.13電機(jī)驅(qū)動

1）方波的產(chǎn)生

利用8255的PA輸出口的PA4-PA7（具有輸出鎖存緩沖器）輸出4路用于控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、停及反轉(zhuǎn)的連續(xù)脈沖方波,方波由功能軟件產(chǎn)生并進(jìn)行控制,方波的頻率應(yīng)選擇適合,頻率過高,后接功放開關(guān)元件速度跟不上,頻率過低,則在單位時間內(nèi)脈沖個數(shù)太少,而且高次諧波干擾大,易引起電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn),尋常取3000Hz—4000Hz為宜。

2）PWM調(diào)制波的實現(xiàn)

利用8098單片機(jī)接口中的P0口,定期從檢測裝置采集數(shù)據(jù),根據(jù)實際位移的大小,利用軟件進(jìn)行數(shù)字調(diào)制,控制方波脈沖的有效寬度。這樣從8255的PA口輸出的將是經(jīng)過調(diào)制的PWM波,通過主控電路和功放電路以控制伺服電動機(jī)的運(yùn)行。

3）光電隔離電路

在電機(jī)驅(qū)動電路中，調(diào)制脈沖的信號經(jīng)放大后，控制步進(jìn)電機(jī)的電樞繞

組。由于直流電機(jī)需要的驅(qū)動電壓較高（幾十伏），電流也較大（幾安到幾十安），

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假使將I/O口輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起強(qiáng)電干擾，輕則影響計算機(jī)程序的正常運(yùn)行，重則導(dǎo)致計算機(jī)接口電路的損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間加上隔離電路，實現(xiàn)電氣隔離。常用的是光耦合器。

說明：耦合器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成，上圖為共發(fā)射極輸出型。當(dāng)輸入信號加到輸入端時，發(fā)光二極管導(dǎo)通激發(fā)發(fā)出紅外光，受光三極管受光照射后，由

于光敏效應(yīng)產(chǎn)生電流，通過輸出端輸出，從而實現(xiàn)了以光為媒介的電信號傳輸。輸入端與輸出端在電氣上完全隔離。

4）基級功率放大器

從計算機(jī)輸出口輸出的信號脈沖電流一般只有幾個毫安，不能直接驅(qū)動GTR，必需采用功率放大器