机电一体化（专科）课程设计

第一章 绪论

课程设计是《机电一体化系统设计》课程的重要实践环节，其目的是使学生能在传统的机电产品更新换代和新的机电一体化产品研制开发领域掌握必要的实验技能，目的在于培养学员对机电一体化产品的设计能力，另外还包括：

1）通过课程设计，理解机电一体化系统设计的基本知识。 2）掌握元部件的正确选择方法和特性参数的实验方法。

机电一体化系统的硬件一般由机械主体部分、传感器、信息处理、计算机及电路部分和执行元件等构成，其设计内容和设计方法基本上可归纳为以下几个方面：

1）采用微型计算机（包括单片机）进行数据采集、处理和控制 主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用、接口电路、软件编制。

2）选用驱动控制电路，对执行机构进行控制 主要考虑电动机的选择及驱动力矩的计算及控制电动机电路的设计。

3）精密执行机构的设计 主要考虑数控机床工作台传动装置的设计问题。要弄清机构或机械执行的主要功能（如传递运动、动力、位置控制、微调、精密定位或高速运转等），进行力（力矩）、负载转矩、惯性（转动惯量）、加（减）速控制和误差计算。提出装配图和零件加工图。提出电动机和计算机控制要求。

4）采用传感器进行反馈控制或作为测量敏感部位。 5）学会使用手册和图表资料。

本次课程设计是设计回转体数控测量装置，通过此次课程设计，学员应具有机电一体化系统设计的初步能力，初步建立了正确的设计思想，学会运用手册、标准、规范等资料，培养了分析问题和解决实际问题的能力。

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第二章 回转体数控测量装置总体方案分析

回转体数控测量装置是一种测量回转体外形轮廓的机电一体化系统，其基本工作原理利用检测光幕传感器检测位于其中的回转体。回转体一般是柱形工件，由卡盘夹紧并由电机驱动经减速器使其旋转，对于较长的工件，还要求有尾架，并在尾架上安装顶尖，支顶较长的工件。检测光幕传感器在回转轴方向（Z向）可以来回移动，能对回转体每个截面的轮廓进行测量。

此次任务给定的参数如下： 行程范围 Z向350mm C向可正反转连续回转 运动分辨率 Z向由于0.01mm C向优于0.1° Z向最大移动速度 2200mm/min C向最大选择速度 130r/min 被检测工件最大尺寸（材料为钢） φ50mm3350mm 外形尺寸（参考） 700mm3400mm3320mm 2.1回转体数控测量装置总体方案确定

回转体数控测量装置总体方案的确定包括系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构及传动方式的确定、计算机系统的选择等。

1、系统运动方式的确定

数控系统按运动方式可分为点位控制方式、点位/直线系统和连续控制系统。回转体数控测量装置要求快速定位，保证定位精度，因此选择点位控制系统。

2、伺服系统的选择

伺服系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统结构简单、成本低廉、容易掌握、调试和维修比较方便，因此在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。开环伺服系统主要由步进电动机驱动。半闭环系统系统和闭环系统造价高、结构和调试较复杂，适用于精度要求较高的场合。

回转体数控测量装置由于速度不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电动机开环控制系统。

3、执行机构的结构及传动方式的确定

任务给定Z向分辨率为0.01mm/脉冲，为实现所要求的分辨率，决定采用步进电动机经齿轮减速机构再传动丝杠带动检测光幕传感器在Z向移动。为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。C向分辨率为0.1°，为实现所要求的分辨率，同样决定采用步进电动机经齿轮减速机构带动卡盘旋转，从而带动工件旋转。

为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。

4、计算机的选择

根据任务要求，决定采用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、性价比高等特点，决定采用MCS—51系列的8031单片机扩展系统。

控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光隔离电路、步进电动机功率放大电路等组成。系统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

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信息。

2.2总体方案框图

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第三章 回转体数控测量装置机械系统设计方案说明

分析回转体数控测量装置的功能可知，它应该具有两个运动单元，即 1）旋转运动单元，即电机驱动减速器带动工件作旋转运动的单元；

2）旋转—直线运动单元，即电机驱动减速器再通过旋转—直线运动变换装置带动测量光幕传感器的做直线运动的单元。

每个运动单元都由不同的传动机构组成，旋转运动单元由电机和减速机构构成，旋转—直线运动单元由电机、减速机构和旋转—直线运动变换装置构成。围绕这两个运动单元，对机械系统结构方案进行初步确定，然后在进行细化计算。

3.1电动机

在第一章总体方案设计中已经选择了步进电机作为驱动装置。下面就选择步进电机作为驱动做一些必要的说明。

电动机可分为直流电动机、交流电动机、步进电动机和无刷电动机等几大类，每一大类又可以分许多不同的小类，其具体分类见表3-1。

表3-1 电动机分类 电 动 机 直流电动机 交流电动机 一般直流电动机 直流伺服电动机 直流力矩电动机 三相异步电动机 单相异步电动机 交流伺服电动机 永磁同步电动机 步进电动机 反应式 单段式 多段式 永磁式 永磁反应式 无刷电动机 选用电动机作为驱动部件的突出的特点是精度高，易于在闭环系统中获得很高的连续路径驱动。不同类型的电机有不同的应用场合，一般要从控制性、功率大小、转速、精度以及性价比等方面选择。

一般，对于要求不高的开环固定转速场合应选用结构简单、廉价的交流异步电动机。 对于需要连续控制且精度要求较高的场合，目前较成熟的选用直流电动机。直流电机具有扭矩惯量比大的特点，可直接带动负载，简化传动机构，避免了传动间隙，提高传动精度等优点。

对于调速系统，交流电动机的变频调速成为了一种理想的选择。对于要求寿命长，严禁火花，同时控制精度要求高的特殊场合，通常考虑无刷电动机。

对于数字控制、精度增量控制且振动要求不高的场合，常采用步进电机。步进电机在开环数控机床、绘图机、轧钢机等控制系统中得到了广泛的应用。

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鼠笼式 绕线式 轴向磁路式 径向磁路式

本次设计的回转体数控测量装置由于速度、精度等要求都不是很高，因而采用步进电动机作为驱动装置。

3.2 减速机构

齿轮系及蜗杆副是一种发展历史悠久、现在仍然广泛使用的一种机械传动机构。它工作可靠、传动比恒定、结构成熟，但制造复杂。齿轮系及蜗杆副可按表3-2分类。

表3-2 齿轮系及蜗杆副分类 传动轴平行 圆柱直齿轮 圆柱斜齿轮 人字齿轮 圆弧点啮合圆周齿轮 行星齿轮 齿轮齿条 传动轴相交 直齿锥齿轮 斜齿锥齿轮 弧齿锥齿轮 零度弧齿锥齿轮 圆弧点啮合锥齿轮 传动轴交错 交错轴斜齿轮 双曲线锥齿轮 圆柱蜗杆 环面蜗杆 传动轴同轴线 摆线针轮 谐波齿轮 根据传动轴的特点，可选用不同的齿轮系及蜗杆副做减速机构。用于平行轴之间的传递运动的正齿轮易于设计制造、成本低，使用最为广泛。斜齿轮可用于高速、重载、要求噪声低的场合，但斜齿轮存在较大的轴向推力；人字齿轮则由于左右推力平衡而不产生轴向推力，其中一个齿轮的安装应有一定的轴向间隙以便安装。相交轴传动中直齿锥齿轮为线接触，传动效率较高。交错轴斜齿轮有滑动作用，传动效率低，同时为点接触，只能承受较轻负载。行星齿轮尺寸小，重量轻、效率高且能传递较大的功率，但结构复杂。

蜗杆副为线接触，可传递较大的功率、传动比大、传动平稳、噪声小、可自锁，但传动效率低。

谐波齿轮具有传动比大、速比范围宽、传动效率高、重叠系数大、啮合好、传动平稳、噪声小、结构紧凑，质量轻、精度高、承载能力大、功率范围宽、间隙易于消除，可通过密封壁传动等优点，在高技术领域获得广泛的应用。

对比上述各种齿轮系及蜗杆副的传动特点，本次设计的回转体数控测量装置选用圆柱直齿轮传动作为减速机构。

3.3旋转—直线运动装置

能够实现旋转运动到直线运动的传动机构有螺旋传动机构、齿轮齿条传动机构等。 螺旋传动结构分为普通螺旋传动机构和滚珠丝杠螺母副等。普通螺旋传动广泛的用于将旋转运动变换为直线运动，但由于螺母和螺杆之间的摩擦为滑动摩擦，在磨损和精度等方面不能满足一些高精度机电一体化系统的要求，滚珠丝杠螺母副则是为了克服普通螺旋传动的缺点发展起来的一种传动机构。它用滚动摩擦螺旋取代了滑动摩擦螺旋，具有磨损小、传动效率高、传动平稳、寿命长、精度高、温升低等优点。它具有的运动摩擦小、便于消除传动间隙等优点，对于机电一体化系统性能的改善。

本次设计的回转体数控测量装置主要以传递运动为主，要求有较高的传动精度并结构紧凑，因此选用滚珠丝杠螺母副来将旋转运动转变为直线运动。

3.4导轨

导轨用于引导运动部件的走向。它对机电一体化系统的影响通常是由摩擦特性决定的，主要影响定位精度和低速均匀性。

导轨主要分为滑动导轨、滚动导轨、液体静压导轨和气浮导轨。滑动导轨结构简单，阻尼系数大，刚度大；但易产生低速爬行现象，易磨损。滚动导轨的摩擦系数不大于滑动导轨的1/10，因此不存在低速爬行现象，可采用较小功率的电动机，但刚度小，阻尼系数小，可能引起振荡。液体静压导轨无磨损，无静摩擦，无低速爬行现象，阻尼系数大，但设计、制

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造、使用均较复杂。气浮导轨无磨损，无静摩擦，无低速爬行现象，无需回气导管，不产生污染，但刚度小，阻尼系数小，容易引起振荡。

由于滚动导轨的特点，本次设计的回转体数控测量装置决定采用滚动导轨。由于采用了齿轮减速结构，从而可以克服滚动导轨滚动阻尼系数小，容易产生振荡的缺点。

3.5轴承及支承方式

本次设计的回转体数控测量装置决定采用滚动轴承作为轴的支承。对于旋转运动单元，只有齿轮减速箱用到滚动轴承，由于没有轴向载荷，因此选用深沟球轴承作为齿轮的径向支承。对于旋转—直线运动单元，其齿轮减速箱和滚珠丝杠都要采用滚动轴承支承，齿轮减速箱中的齿轮采用深沟球轴承来支承，滚珠丝杠则由于有轴向载荷，因此要对丝杠的径向和轴向都进行支承。支承方式选择两端固定的支承方式，每一端选择一个深沟球轴承和一个推力球轴承组合进行支承。

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第四章 回转体数控测量装置机械部分设计计算

4.1机械传动系统设计计算

回转体数控测量装置共有两个运动单元，一个是旋转运动单元，一个是旋转—直线运动单元，组成这个两个单元的传动机构不尽相同，因此计算的思路和步骤也不尽相同。下面就每一个运动单元分别进行设计计算。

4.1.1旋转运动单元传动系统设计计算 旋转运动单元传动系统由步进电动机、齿轮减速箱和夹具组成，夹具采用三角自定心卡盘。旋转运动单元传动系统计算步骤大体可分为以下几步：

1）根据给定的旋转精度，初步确定步进电动机的步距角；

2）根据旋转精度和步距角，确定齿轮减速机构的传动比以及齿轮的参数； 3）计算负载转矩，选定步进电动机型号。 1、初选步进电动机步距角?b

对步进电动机施加一个脉冲信号，步进电动机就转动一个固定的角度，这个角度就叫步距角。电动机的转动的角度与输入脉冲个数成正比，转动的速度与脉冲频率成正比。

步进电动机步距角越小，它所能达到的位置精度越高。此次要求的旋转精度是0.1度，为不使传动比过大，齿轮级数过多，因此决定初步选则步进电动机的步距角为0.36°。如果选择的步距角不合适，则重新再选择。

2、计算传动比i

旋转精度?p为0.1°，步距角?b为0.36°，则旋转运动传动系统的传动比i

i??b0.36??3.6?p0.1

确定传动比i后，接下来确定齿轮传动的级数及各齿轮的参数。

一般，随着齿轮传动的级数的增加，齿轮传动的总惯量减少，但传动效率要降低，齿隙和摩擦的来源也会有随之增加。因此应在传动级数和传动比的分配上综合权衡。一般，当传动比1≤i＜2时，选用一级传动；2≤i<4时选用二级传动，此次的传动比为3.6，因此决定选用两级传动。设第一级传动比为i1=Z2/Z1，第二级传动比为i2=Z4/Z3，根据齿轮系最佳速比分配近似条件

i12i2?2

计算得

i1?i2?Z2?1.72Z1Z4?2.09Z3

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由于齿轮直径不能太大，故齿数不能完全根据最佳传动比来选择。为便于选择齿轮齿数，将各级传动比稍作修改为

i1?i2?Z2?1.8Z1Z4?2.0Z3

选择Z1=20，根据i1=Z2/Z1可计算出Z2=36；取整得Z3=20，则Z4=40。由于传递的功率不大，取齿轮的模数m=2。采用双层齿轮法消除齿轮间隙。齿轮有关参数参照表4-1。

表4-1传动齿轮几何参数 齿 数 分度圆 齿顶圆 齿根圆 齿 宽 中心距 Z 20 40 44 35 20 56 36 72 76 67 20 20 40 44 35 20 60 40 80 84 75 20 d?mz da?d?2m df?d?2?1.25m(6~10)m A?(d1?d2)/2

3、步进电动机型号选择 （1）转动惯量计算

根据被检测工件最大尺寸（材料为钢）为φ50mm3350mm，确定三角自定心卡盘的最大外径为100mm，其厚度为40mm，过渡件的外径也为100mm，厚度为10mm，其材质均为钢。

对于钢质圆柱体，其转动惯量

J?0.78?10?3?D4L

其中，D——圆柱体直径（cm）；

L——圆柱体长度（cm）。 负载各部分的转动惯量如下:

J工??0.78?10?3?54?35?kg?cm2=17.0625kg?cm2J夹??0.78?10?3?104?5?kg?cm2=39kg?cm2J1??0.78?10?3?44?2?kg?cm2?0.399kg?cm2J2??0.78?10?3?7.24?2?kg?cm2?4.192kg?cm2J3??0.78?10?3?44?2?kg?cm2?0.399kg?cm2J4??0.78?10?3?84?2?kg?cm2?6.39kg?cm2其中，J1、J2、J3——齿轮Z1、Z2、Z3及其轴的转动惯量（kg2cm）；

J4——齿轮Z4的转动惯量（kg2cm2）；

2

J工——工件的转动惯量（kg2cm）； J夹——夹具的转动惯量（kg2cm2）。

负载折算到电机轴上的总的转动惯量J?（kg2cm2）为

2

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22???Z3??(J2?J3)????J4?J工+J夹?????Z4????Z?J?J1??1??Z2?22??????20???20?=?0.399+???(4.192+0.399)????6.39?17.0625?39???kg?cm2?36???40????????=6.635kg?cm2

(2)估算步进电动机起动转矩

在此次回转体数控测量装置的旋转运动单元传动系统中，负载的加速度转矩占起动转矩的比例较大，因此根据负载的加速度转矩乘以一定的安全系数来估算步进电动机的起动转矩，然后初步选定步进电动机型号。

设电机起动加速到最大转速的起动加速时间ta=0.03s，则最大负载加速度转矩Tlmax

（N2cm）

Tlmax?J??Jnmaxni2?nlmaxi?10?2?Jlmax?10?2?J?10?2606060?ta?ta?ta2?2?2??130?3.6?6.635??10?2N?cm60?0.03?108.39N?cm2

式中， J——负载折算到电机轴上的总等效转动惯量（kg2cm）；

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ε——电机最大角加速度（rad/s)； nmax——电机最大转速（r/min）； nlmax——工件最大转速（r/min）； i——传动比。

进电动机起动转矩Tq（N2cm）由式子

Tq?kTlmax

进行估算。其中k为安全系数，由于在计算起动转矩时没有加入电动机转子惯量，因此根据惯量匹配，选取k=1.3~1.5，这是比较合理的。

代入数据得

Tq?kTlmax?1.5?108.39N?cm?162.585N?cm

（3）计算最大静转矩Tjmax

最大静转矩Tjmax表示步进电动机所能承受的最大静态负载转矩，与启动转矩的关系见表4-2。最大静转矩与步进电动机的通电方式有关，可根据它在步进电动机技术手册中初选步进电动机。

表4-2步进电机启动转矩与最大静转矩的关系

相数 拍数 ??Tq/Tjmax 三相 3 0.5 6 0.866 4 四相 8 0.707 5 0.707 五相 10 0.951 6 0.809 六项 12 0.866 0.866 取步进电动机的通电方式为五相10拍，则最大静转矩Tjmax

Tjmax?Tq??162.585?170.962N?cm0.951

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（4）计算最高起动频率fk

fk=360nlmax360?130??7800Hz60?p60?0.1

式中， nlmax——工件最大转速（r/min）；

?p——旋转精度（°/步）。

（5）初选步进电动机型号

根据估算出的最大静转矩Tjmax步进电动机技术手册中查出90BF006的最大静转矩为215.6N2cm大于五相10拍时的最大静转矩 Tjmax=170.962N2cm，因此决定选用90BF006步进电动机。但从表中看出，90BF006步进电动机的最高空载起动频率为2400Hz,，不能满足fk（7800Hz）的要求，此项指标可暂不考虑，可以采用软件升降速程序来解决。

（6）校核转矩

90BF006的转子转动惯量JM=1.8N2cm，因此传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J?（kg2cm2）为

J??JM+J=(1.8+6.635)N?cm?8.435N?cm

步进电动机起动转矩Tq（N2cm）

T?J???J?nmaxni2?nlmaxi?10?2?J?lmax?10?2?J??10?2606060?ta?ta?ta2?2?2??130?3.6?8.435??10?2N?cm60?0.03?137.796N?cm

Tq137.796?144.896N?cm0.951

最大静转矩Tjmax

Tjmax???它小于步进电动机90BF006的最大静转矩为215.6N2cm，且有较大的的余量，因此该步进

电动机是合适的。

4.1.2旋转—直线运动单元传动系统设计计算 1、移动部件尺寸及重量估算

根据采用的光幕传感器LS-7070的外形尺寸，确定承载光幕传感器的连接台的尺寸（长3宽3高）为3003108387，材

G1?(300?108?87?10?3?7.8?10?2)N?220

光幕传感器LS-7070的重量约为20N，因此移动部件的总重量G=(220+20)N=240N。 2、滚动导轨的确定 （1）滚动导轨形式

滚动导轨形式选择双V型滚珠钢制淬火导轨。 （2）导轨长度

根据350mm的行程范围及连接台的尺寸，确定：

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动导轨长度 动导轨行程 支承导轨长度 保持架长度 （3）滚动体尺寸与参数的确定 滚珠直径取d=6mm，滚珠数目

lB=100mm l=350mm

L=lB＋l=450mm lG=lB＋l/2=275mm

Z≤G240??10.3330d300.6

式中，G为导轨所支承的重量；d为滚珠直径（cm）。动导轨的长度为lB=100mm，取Z=11，

两滚珠之间的距离t=9mm。

（4）许用负荷验算

平均每个滚珠上的最大负载Pmax（N）

PGZ1?G?PG?P?H??2? 2?Pmax?式中，PH为导轨的预加负荷，按最大负荷的1/2计算。代入数据得

Pmax?1?G?1?240240?P???H????N=15.427N2?2?2Z?2?11?2

对于滚珠导轨，滚珠上的许用负载[P]（N），可用下式计算

[P]?Kd2?

式中，d——滚珠直径（mm）；

K——作用在滚动体横截面上的假定应力（N/cm2），参加表4-3； δ——考虑到导轨硬度的修正系数，参加表4-4。

表4-3 滚动体横截面上的假定应力K

K（N/cm2） 导轨形式 滚珠导轨 短滚柱导轨b/d=1 长滚柱导轨b/d≥3 HBS δ HRC δ 氮化导轨 40 1500 1000 160 0.6 50 0.52 钢制高频淬火导轨 50 1800 1300 180 0.8 55 0.70 钢制淬火导轨60~62HRC 60 2000 1500 200 1 57 0.80 铸铁导轨 200HBC 2 200 150 220 1.7 60 1 表4-4 导轨硬度的修正系数 铸铁导轨 钢制淬火导轨

由于选用的是滚珠钢制淬火导轨，因此选择K=60（N/cm2），δ=1，代入公式得

[P]?Kd2??60?0.62?1?21.6N

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因为Pmax=15.427＜[P]，故导轨可用。

3、滚珠丝杠的设计计算 （1）计算丝杠轴向力Fm

回转体数控测量装置是点位控制系统，对系统的动态性能要求较高，要求能快速移动，因此作用在滚珠丝杠的轴向的力应该以移动部件的惯性力为主，同时包括移动部件的重量作用在滚动导轨上的摩擦力。设系统要求移动部件能在10ms内从正向最大移动速度加速到反向最大移动速度，其产生的惯性力F惯

F惯= am?2?vlmax?(?vlmax)G2vlmaxG?tagtag2.260?240N?0.019.8?179.59N式中，m——移动部件的质量（kg）；

vlmax——移动部件最大移动速度（m/s）； G——移动部件的重量（N）； g——重力加速度; ta——加速时间（s）。

移动部件的重量作用在滚动导轨上的摩擦力F摩

F摩?fG?0.005?240?1.2Nf为滚动导轨的摩擦系数，f=0.0025~0.005，此处取0.005。

丝杠轴向力Fm

Fm?F惯?F摩=179.59+1.2=180.79N

（2）最大动负载C

选用滚珠丝杠螺母副的直径d0时，必须保证在一定的轴向负载作用下，丝杠在回转100万转后，在它的滚到上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C，可用下面的公式计算：

C?3LfwFm60nT1061000vsn?L0 L?式中，L——寿命，以106转为一单位；

n——丝杠转速（r/min）；

vs ——为最大切削力条件下的进给速度（m/min），此处就取最高移动速度的1/2； Lo——丝杠导程（mm），根据表4-5，初选为5mm；

T——使用寿命（h），对数控机床取15000h；

fw——运转系数，无冲击运转情况取1.0~1.2，取1.2。 具体计算如下：

vs?2.2?0.5?1.1m/min

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n?L?1000vs1000?1.1?r/min?220r/minL05

表4-5 滚珠丝杠螺母副的公称直径d0和基本导程L0 公称直径d0 6 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 100 125 180 200 导 程 L0 1 2 2.5 3 ? ?? ? ? 4 ○ ○ 5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 6 ○ ○ 8 ○ ○ 10 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 12 ○ ○ 16 20 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 25 32 40 ? ? ? ? ? ? ? ? 60nT60?220?15000??198106106C?3LfwFm?3198?1.2?180.79N?1264.47N注：应优先采用有?的组合，优先组合不够用时，推荐选用○的组合；只有优先组合和推荐组合都不够用时，才选用黑框内的普通组合。

（3）选择滚珠丝杠螺母副

根据最大动负载，查滚珠丝杠螺母副标准，可知W1D2005 2.5圈l列外循环垫片调整预紧的双螺母滚母丝杠副，额定动荷为8800N，可满足要求，选定精度为3级。表4-6为W1D2005 2.5圈l列外循环垫片调整预紧的双螺母滚母的几何参数。

（4）丝杠副传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为

??tan?tan(???)

式中，γ——丝杠螺旋升角；

?——摩擦角，滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数f=0.003~0.004，其摩擦角约等于10'。 W12004滚珠丝杠螺母副的螺旋升角为3°39'，代入传动效率公式得

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??tan?tan(???)tan3?39??tan(3?39??10?)?0.956

关系式 表4-6 W1D2005滚珠丝杠几何参数 参数名称 螺纹滚道 公称直径 导程 接触角 钢球直径 滚到法面半径 偏心距 螺纹升角 螺杆 外径 内径 接触直径 螺母 螺纹直径 内径 符号 d0 L0 β dq R e γ d d1 dz D D1 R=0.52dq W1D2005 20 5 3°39′ 3.175 1.651 0.045 3°39′ 19.4 16.788 16.835 23.212 20.653 e?(R?dq/2)sin??=arctan[L0/(?d0)] d?d0?(0.2~0.25)dqd1?d0?2e?2R dz?d0?dqcos? D?d0?2e?2R D1?d0?(0.2~0.25)dq（5）刚度验算和稳定性核算

由于杠轴向力Fm小，且丝杆的长度较短，因此只要对丝杠螺母及支承丝杠的轴承进行预紧，刚度和稳定性是满足系统要求的。

4、滚动轴承的选择

（1）深沟球轴承的选择和验算

根据丝杠的公称直径d0=20mm可知，丝杠轴颈必定要小于20mm，因此初步选定61802型深沟球轴承，其公称内径d=15mm，公称外径D=24mm，内、外圈公称宽度B=5mm，其他尺寸查看表4-7。

图4-1深沟球轴承的结构图

14

表4-7 常用深沟球轴承的基本尺寸与数据（部分）

基本尺寸/mm d 15 D 24 28 32 32 35 42 17 26 30 35 35 40 47 62 B 5 7 8 9 11 13 5 7 8 10 12 14 17 da min 17 17.4 17.4 17.4 20.0 21.0 19 19.4 19.4 19.4 22.0 23.0 24.0 安装尺寸/mm Da max 22 26 29.6 29.6 32 37 24 28 32.6 32.6 36 41.0 55.0 ra max 0.3 0.3 0.3 0.3 0.6 1 0.3 0.3 0.3 0.3 0.6 1 1 d2 其他尺寸/mm D2 ≈ 21.4 24.7 26.8 26.6 29.4 34.7 23.4 26.7 29.3 29.1 33.4 38.2 47.1 r min 0.3 0.3 0.3 0.3 0.6 1 0.3 0.3 0.3 0.3 0.6 1 1.1 基本额定载荷/kN 径向基本额定动载荷 Cr 2.10 4.30 5.60 5.58 7.65 11.5 2.20 4.60 6.00 6.00 9.58 13.5 22.7 径向基本额定静载荷 Cor 1.30 2.30 2.80 285 3.72 5.42 1.5 2.6 3.3 3.25 4.78 6.58 10.8 极限转速/r2min-1 脂 22000 20000 19000 19000 18000 16000 20000 19000 18000 17000 16000 15000 11000 油 30000 26000 24000 24000 22000 20000 28000 24000 22000 21000 20000 18000 15000 重量/kg W ≈ 0.005 0.012 0.023 0.031 0.045 0.080 0.007 0.014 0.028 0.040 0.064 0.109 0.268 轴承代号 6000型 61802 61902 16002 6002 6202 6302 61803 61903 16003 6003 6203 6303 6403 ≈ 17.6 18.3 20.2 20.4 21.6 24.3 19.6 20.3 22.7 22.9 24.6 26.8 31.9

轴承的尺寸可根据额定动载荷来选择。如果轴承的预期寿命Lh和转速n已知，可按下列公式求取轴承所需基本额定动载荷C'

C??Pft?60nLh106 P?XFr?YFa

式中，Lh——预期寿命，对于机床，取值为20000~30000h； P——当量动载荷（N）；

ft——温度系数，见表4-8； ?——寿命指数，球轴承?=3； Fr——径向载荷（N）； Fa——轴向载荷（N）； X——径向动载荷系数； Y——轴向动载荷系数。

深沟球轴承当量动载荷的计算系数X，Y的取值见表4-9。

根据基本额定动载荷C'可以很方便从表3-3选定基本额定动载荷C≥C'的轴承型号。

表4-8 温度系数ft 工作温度/℃ ＜120 1 125 0.95 150 0.9 175 0.85 200 0.80 225 0.75 250 0.70 300 0.60 ft 表4-9深沟球轴承载荷系数X、Y 相对轴向载荷 单列 双列 Fa/Fr≤e X 1 Y 0 Fa/Fr＞e X 0.56 Y 2.30 1.99 1.71 1.55 1.45 1.31 1.15 1.04 1.00 Fa/Fr≤e X 1 Y 0 X FaFr＞e Y 2.30 1.99 1.71 1.55 1.45 1.31 1.15 1.04 1.00 0.56 e Fa/C0r 0.014 0.028 0.056 0.084 0.11 0.17 0.28 0.42 0.56 2Fa/zDw 0.172 0.345 0.698 1.03 1.38 2.07 3.45 5.17 6.89 0.19 0.22 0.26 0.28 0.30 0.34 0.38 0.42 0.44 下面开始具体计算：

15

1）轴向载荷Fa 轴向载荷等于丝杠的进给牵引力，为180.79N；

2）径向载荷Fr 移动部件的总重量240N，丝杠由2个深沟球轴承支承着。为简便计算，并从安全的角度考虑，取每个深沟球轴承的径向载荷为120N。

3）载荷系数X、Y

61802的径向基本额定静载荷C0r=1300N，

Fa/C0r?180.79/1300?0.139

查表4-9，得e=0.32。因为选择的是单列深沟球轴承，计算

Fa/Fr?180.79/120?1.506?e

因此选择X=0.56，Y=1.38，当量动载荷

P?XFr?YFa?0.56?120?1.38?180.79?316.69

4）温度系数ft选择为1

5）转速n在前面求丝杠的最大动负载时已经求的，为n=220r/min 6)基本额定动载荷

C???Pft?60nLh106316.69360?220?20000?N6110?2031.58N?[Cr]?2100N

故61802型轴承满足要求。

2、推力球轴承的选择和验算

初步选定了51102推力球轴承，下面验算它是否满足要求。

对于51000型推力球轴承，当量动载荷P就等于丝杠的进给牵引力。其基本额定动载荷

C???Pft?60nLh106180.70360?220?20000?N6110?1159.78N?[Cr]?10500N

其中，Ca为轴向基本额定动载荷，通过查表4-10得到。因此，该推力球轴承满足要求。

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图4-2 51000型推力球轴承

表4-10 单向球轴承的基本尺寸与数据（部分） 基本尺寸/mm d 10 12 15 17 20 D 24 26 26 28 28 32 30 35 35 40 47 25 42 47 52 60 T 9 11 9 11 9 12 9 12 10 14 18 11 15 18 24 da min 18 20 20 22 23 25 25 28 29 32 36 35 38 41 46 安装尺寸/mm Da max 16 16 18 18 20 22 22 24 26 28 31 32 34 36 39 ra max 0.3 0.6 0.3 0.6 0.3 0.6 0.3 06 0.3 0.6 1 0.6 0.6 1 1 d1 其他尺寸/mm D1 ≈ 24 26 26 28 28 32 30 35 35 40 47 42 47 52 60 r min 0.3 0.6 0.3 0.6 0.3 0.6 0.3 06 0.3 0.6 1 0.6 0.6 1 1 基本额定载荷/kN 轴向基本额定动载荷 Ca 10.0 12.5 10.2 13.2 10.5 16.5 10.8 17.0 14.2 22.2 35.0 15.2 27.8 35.5 55.5 轴向基本额定静载荷 Coa 14.0 17.0 15.2 19.0 16.8 24.8 18.2 27.2 24.5 37.5 55.8 30.2 50.5 61.5 89.2 极限转速/r2min-1 脂 6300 6000 6000 5300 5600 4800 5300 4500 4800 3800 3600 4300 3400 3000 2200 油 9000 8000 8500 7500 8000 6700 7500 6300 6700 5300 4500 6000 4800 4300 3400 重量/kg W ≈ 0.019 0.028 0.021 0.031 0.022 0.041 0.024 0.048 0.036 0.075 0.15 0.055 0.11 0.17 0.31 轴承代号 51000型 51100 51200 51101 51201 51102 51202 51103 51203 51104 51204 51304 51105 51205 51304 51405 ≈ 11 12 13 14 16 17 18 19 21 22 22 26 27 27 27 51102单向推力球轴承的公称外径D=28mm，大于所选择的61802深沟球轴承的公称外径D=24mm，因此有必要把深沟球轴承的外径选择大一点，因此重新选择深16002沟球轴承型号，它是满足设计要求的，无需再次验算。

5、传动比计算

已确定脉冲当量δp=0.01mm/脉冲，滚珠丝杠导程L0=5mm，初选步进电动机步距角为0.75°，计算传动比i

i?采用一级降速，由

?bL00.75?524??360?p360?0.0125

i?得

Z22550??Z12448

Z1?24,Z2?25或Z1?48,Z2?50

齿轮的模数取m=2。由于只有一级齿轮，因此选用调整中心距的方法来消除齿轮间隙。齿轮有关参数参照表4-11。

表4-11传动齿轮几何参数 齿 数 分度圆 齿顶圆 齿根圆 齿 宽 中心距 Z 24 48 52 43 10 49 25 50 54 45 10 48 96 100 91 10 98 50 100 104 95 10 d?mz da?d?2m df?d?2?1.25m(3~5)m A?(d1?d2)/2

6、步进电动机的计算和选型

步进电动机驱动惯性体时的运动方程为：

T?Ta?TL?(JM?JL)2

d??TLdt

式中，JM——步进电动机转子惯量（kg2cm）；

2

JL——负载折算到电机轴上的总等效转动惯量（kg2cm）；

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ω——步进电动机角速度（rad/s)； TL——等效负载转矩（N2cm）； Ta——加速转矩（N2cm）；

T——步进电机所需转矩（N2cm）。

加速转矩Ta在变速区内进行驱动时根据加减速而定。如图4-3所示。

图4-3 直线加速、减速图形

直线加速时加速转矩Ta

Ta?(JM?JL)2??bf2?f1360t1

式中， f1——自启动区的脉冲速度（pps)；

f2——变速区的脉冲速度（pps)； t1——加速时间（s）； ?b——步距角（°/步）。

根据步进电动机驱动惯性体时的运动方程来计算所需转矩时，需要知道等效负载转矩TL、加速转矩Ta、等效转动惯量JL、电动机转子转动惯量JM及加速时间t1。由于尚未选取具体型号的步进电动机，转动惯量JM是未知的，因此计算时加速转矩时，转动惯量JM不加进去，算出来后的再乘以一个1.3的安全系数就是所需的加速转矩。下面进行具体的计算。

（1）等效负载惯量JL

2

负载折算到电机轴上的总等效转动惯量JL（kg2cm）

2?Z1??G?L0??JL?J1????J2?Js?????Zg2?????2???

2式中，J1——齿轮Z1其轴的转动惯量（kg2cm2）；

J4——齿轮Z4的转动惯量（kg2cm2）； Js——丝杠转动惯量（kg2cm2）； L0——丝杠导程（cm）； G——移动部件重量（N）。 对于钢质圆柱体，其转动惯量

J?0.78?10?3?D4L

其中，D——圆柱体直径（cm）；

L——圆柱体长度（cm）。

齿轮的直径级宽度前面已经算出，丝杠的长度根据行程范围及移动部件的尺寸确定为500mm，齿轮与丝杠的转动惯量如下：

18

J1?(0.78?10?3?4.84?2)kg?cm2?0.828kg?cm2J2?(0.78?10?3?54?2)kg?cm2?0.975kg?cm2Js?(0.78?10?3?24?50)kg?cm2?0.828kg?cm2

G=240N

代入公式得

?Z?JL?J1??1??Z2?22?G?L0??J?Js??????2g?2?????22?240?0.5??????24??2??0.828????0.975?0.624?????kg?cm9.8?2????25?????????2.445kg?cm2

(2)估算步进电动机起动转矩Tq（N2cm） 步进电动机起动转矩Tq（N2cm）

Tq?Tamax?TL

式中，TL——等效负载转矩（N2cm）； Tamax——最大加速转矩（N2cm）。

最大加速转矩可以根据负载的最大加速转矩乘以一定的安全系数来估算步进电动机的起动转矩，然后初步选定步进电动机型号。

设电机起动加速到最大转速的起动加速时间ta=0.03s，则最大负载加速度转矩TLamax

（N2cm）

TLamax?JL??JL?JL2?nmax?10?2?JL60ta2?vmax?b360?p60ta?10?22?vmax?b?10?2360?60?pta2??2200?0.75?10?2360?60?0.01?0.03?39.12N?cm?2.445?2

式中，JL——负载折算到电机轴上的总等效转动惯量（kg2cm）；

2

ε——电机最大角加速度（rad/s)； nmax——电机最大转速（r/min）； vmax——最大移动速度转速（mm/min），2200mm/min； ta——加速时间（s），0.03s； ?b——步距角（°/步），0.75°/步； δp——脉冲当量（mm/步），0.01mm/步。

起动加速转矩Tamax（N2cm）等于负载加速转矩TLamax（N2cm）乘以一个1.3的安全系数估算得到

Tamax?1.3TLamax?1.3?39.12N?cm?50.856N?cm

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等效负载转矩TL（N2cm）可以由下式计算：

TL?Tf?ToTf?

FoL0fGL0fGL0Z1??2??i2??Z22??Z2Z1 To?FpoL02??i(1??o2)

式中，Tf——等效摩擦转矩（N2cm）； To——附加摩擦转矩（N2cm）；

Fo——导轨的摩擦力（N）；

G——横向移动部件的重量，单位为N； f——导轨的摩擦系数；

Lo——滚珠丝杠导程（cm）； i——齿轮传动比；

Fpo——滚珠丝杠预加负荷（N），一般轴向力的1/3； εo——滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取≥0.9 ε——传动链总效率，一般可取0.7~0.85。

由于轴向力和摩擦力都比较小，因此在估计起动转矩时，等效负载转矩可以忽略，起动转矩近似等于最大加速转矩，即

Tq?Tamax=50.856N?cm

（3）计算最大静转矩Tjmax

最大静转矩Tjmax表示步进电动机所能承受的最大静态负载转矩，与起动转矩的关系见表4-12。最大静转矩与步进电动机的通电方式有关，可根据它在步进电动机技术手册中初选步进电动机。

表4-12步进电机启动转矩与最大静转矩的关系

相数 拍数 ??Tq/Tjmax 三相 3 0.5 6 0.866 4 四相 8 0.707 5 0.707 五相 10 0.951 6 0.809 六项 12 0.866 0.866 若取三相6拍，则

Tjmax?Tq/??50.856/0.866?58.72N?cm若取五相10拍，则

Tjmax?Tq/??50.856/0.951?53.48N?cm（4）最高起动频率fk（Hz）

fk?1000vmax1000?2.2??3666.7Hz60?p60?0.01

式中， vmax——最大移动速度（m/min），为2.2m/min；

δp——脉冲当量（mm/步），为0.01mm/步。

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（5）初选步进电动机型号

根据估算出的最大静转矩Tjmax步进电动机技术手册中查出90BF004的最大静转矩为245N2cm大于五相10拍时的最大静转矩 Tjmax=53.48N2cm，而且有较大的余量，因此决定选用90BF004步进电动机。从表中看出，90BF004步进电动机的最高空载起动频率为4000Hz,，能满足fk（3666.7Hz）的要求。

（6）校核转矩

90BF004的转子转动惯量JM=1.8N2cm，因此传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J?（kg2cm2）为

J??JM?JL??1.8?2.445?kg?cm2?4.245kg?cm2步进电动机起动转矩Tq（N2cm）

Tq?J???J??J?2?nmax?10?2?J?60ta2?vmax?b360?p60ta?10?22?vmax?b?10?2360?60?pta2??2200?0.75?10?2360?60?0.01?0.03?67.92N?cm?4.245?最大静转矩Tjmax（N2cm）

Tjmax?Tq/??67.92/0.951?71.42N?cm

90BF004的最大静转矩为245N2cm大于五相10拍时的最大静转矩 Tjmax=71.42N2cm，而且有较大的余量，因此90BF004满足转矩要求。

因为

JM/J??1.8/4.245?0.424

因此满足负载匹配要求。

最后，选择90BF004步进电动机作为旋转—运动单元传动系统的驱动机构。 4.2机械部分结构设计

经过计算，此次回转体数控测量装置回转单元采用90BF006型步进电动机，经过两对齿轮减速，齿轮齿数Z1=20，Z2=36，Z3=20，Z4=40，模数m=2；直线单元采用90BF004型步进电动机，经一对齿轮减速，齿轮齿数Z1=24，Z2=25，模数m=2，滚珠丝杠的公称直径d0=20mm，滚丝杠螺母副选用的是W1D2005 2.5圈l列外循环垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠螺母副。

附图A为回转体数控测量装置装配图，设计时可以考虑以下问题：

1、为减小摩擦力，直线单元采用双V型滚动导轨，用方头长圆柱紧定螺钉66对导轨进行预紧，调好以后，再用内六角圆柱头螺钉69锁紧。一共采用了14个方头长圆柱紧定螺钉和16各内六角圆柱头螺钉对导轨进行预紧和锁紧。

2、滚珠丝杠两端通过轴承和轴承座进行支承，为保证滚珠丝杠与滚动导轨在垂直面的平行度，需要利用轴承座螺钉过孔来调整。调整方法是，先调松轴承座紧固螺钉45，然后左右微微移动两个轴承座，指导丝杠转动灵活后，调紧紧固螺钉45，并打入圆锥销48定位。

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滚珠丝杠与滚动导轨在水平面的平行度靠刮研轴承座底面，或通过在轴承座和底座之间加装垫片，靠修磨垫片的厚度来保证水平方向的平行度。

3、滚珠丝杠左右各采用一个深沟球轴承和推力球轴承，以支承丝杠和进行轴向固定。当丝杠受到向左的轴向力时，，通过丝杠右端的圆螺母传给推力球轴承动圈、钢球，经不动圈传给轴承座端盖再传到底座。当丝杠受到向右的轴向力时，通过丝杠左端的圆螺母传给推力球轴承动圈、钢球，经不动圈传给轴承座端盖再传到底座。回转单元的主轴采用两个深沟球轴承和一个推力球轴承来进行支承和轴向固定。由于主轴只有在一个方向有轴向力的作用，因此只采用了一个推力球轴承，其轴向固定的过程是这样的，当主轴受到顶尖通过工件作用的向左的轴向力时，主轴的轴颈就作用推力球轴承的动圈，经过钢球传到不动圈、挡圈、深沟球轴承外圈、轴承端盖，最后到主轴箱。向右的轴向力非常小，深沟球也具有承受一定的轴向载荷的能力，因此不再采用推力球轴承。必须注意丝杠所受的轴向力必须传到底座上，另外要注意推力球轴承不动圈和轴颈之间必须画出空隙。

4、本设计中回转单元齿轮的消除间隙采用了两个薄片齿轮，中间开有三个月牙形的槽放入压簧，并用三个内六角圆柱头螺钉8固定。这种消隙齿轮的装配顺序是：首先将双片齿轮相对转动一个齿距，使双片齿轮的齿对齐，弹簧受压，上紧螺钉，装入箱体后，将螺钉松开，弹簧将双片齿轮沿周向错开，以消除齿轮间隙，然后将螺钉上紧。因而在设计时，要留有可伸入六角扳手的孔。弹簧两端用削编的销子压住。直线单元齿轮的间隙采用调整中心距法来消除。因为步进电动机90BF004是以Ф70H8/h7止口在齿轮箱56上定位，刮研齿轮箱56的底座，可使电机及小齿轮31的中心下降，这样就减少大小齿轮的中心距，消除齿轮的间隙。当然，也可以在齿轮箱56和底座之间加垫片，用修磨垫片的厚度来改变两齿轮的中心距，从而消除齿轮间隙。

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第五章 微机数控系统硬件电路设计

5.1单片微机数控系统硬件电路设计内容

当前，在经济型数控机床控制系统中广泛采用美国Intel 公司的MCS-51系列单片计算机，因此本章着重介绍用MCS-51系列单片微机构成的控制系统的设计内容，方法及步骤。

单片微机数控系统硬件电路设计包括以下几部分内容： 1、绘制系统电气控制的结构框图

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。

数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。

车床硬件电路由以下五部分组成。 （1）主控制器，即中央处理单元CPU

（2）总线，包括数据总线，地址总线和控制总线。 （3）存储器，包括程序存储器和数据存储器。 （4）接口，即I/O输入/输出接口电路。

（5）外围设备，如键盘，显示器及光电输入机等。见图3.1

图4.1 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

在微机应用系统中，CPU的选型应考虑以下因素：

（1）时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度。 （2）可扩展存储器（包括ROM和RAM）的容量。 （3）指令系统功能，影响编程的灵活性。 （4）I/O扩展的能力，即对外设控制的能力。

（5）开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。

此外还要考虑到系统的应用场合、控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经

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济性的要求。

目前在经济型数控机床中，推荐使用MCS-51系列单片微机作为主控制器。 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该包括地址锁存器和译码电路的设计。 4、I/O即输入/输出接口电路设计

应包括接口芯片的选择，步进电机控制电路，键盘显示电路以及其他辅助电路的设计（例如复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等）。

此外，不同的数控系统还要求配备不同的外设，这些部分的电路设计也应包括。 5.2 MCS-51系列单片机简介

MCS-51系列单片微机是美国Intel公司在MCS-48系列单片微机基础上推出的产品，于1980年问世，它的集成度很高，是集片内存储器、片内输入/输出部件和CPU于一体的优良的单片机系统，在我国已广泛地应用于经济型数控机床。

MCS-51系列单片机主要有三种型号的产品：8031、8051和8751。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少数差异。8751具有片内EPROM,但价格是8051的10～15倍，所以适合于开发样机，小批量生产和需要在现场进一步完善的场合。8051的EPROM程序是Intel公司制作芯片时为用户置备的，因此在国内很难采用8051型芯片。而8031片内无ROM，适用于需扩展ROM，可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。因此选用8031芯片。

1、8031单片机的基本特征 8031单片机具有以下特点：

（1）具有功能很强的8位中央处理单元（CPU）。 （2）片内有时钟发生器（6或12MHz）、每执行一条指令时间为2或1?s。 （3）片内具有128字节RAM。 （4）具有21个特殊寄存器。

（5）可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字节的外部程序存储器。 （6）具有4个I/O口，32根I/O线。 （7）具有2个16位定时器/计数器。

（8）具有5个中断源，配备2个中断优先级。 （9）具有一个全双工串行接口。

（10）具有位寻址能力，适用逻辑运算。

图4.2 8031芯片引脚及功能图

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从上述特性可以看出，一块8031的功能几乎相当于一块Z80CPU、一块RAM，一块Z80CTC、两块Z80PIO和一块Z80SIO所组成的微机系统。可以看出这种芯片集成度高，功能强，只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。

2、8031芯片引脚及其功能

8031芯片具有40根引脚，其引脚图如图4.2所示 40根引脚按其功能可分为四类： （1） 电源线2根

Vcc：编程和正常操作时的电源电压，接+5V。 Vss：地电平。 （2） 晶振：2根

XTAL1：振荡器的反相放大器输入。使用外部震荡器是必须接地。

XTAL2：振荡器的反相放大器输出和内部时钟发生器的输入。当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号。

（3） I/O口共有p0、p1、p2、p3四个8位口，32根I/O线，其功能如下： 1）P0.0～P0.7 （AD0～AD7）

是I/O端口O的引脚，端口O是一个8位漏极开路的双向I/O端口。在存取外部存储器时，该端口分时地用作低8位的地址线和8位双向的数据端口。（在此时内部上拉电阻有效）

2）P1.0～P1.7

端口1的引脚，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O通道，专供用户使用。 3）P2.0～P2.7 （A8～A15）

端口2的引脚。端口2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址A8～A15 4）P3.0～P3.7

端口3的引脚。端口3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口，该口的每一位均可独立地定义第一I/O口功能或第二I/O口功能。作为第一功能使用时，口的结构与操作与P1口完全相同，第二功能如下示：

口引脚 第二功能

P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 INT0（外部中断） P3.3 INT1（外部中断） P3.4 T0（定时器0外部输入） P3.5 T1（定时器1外部输入） P3.6 WR（外部数据存储器写选通） P3.7 RD（外部数据存储器读选通）

由上面看出，单片机和Z—80单板机不同，不是将地址总线，数据总线和控制总线分开，而是地址线、数据线和部分控制均由I/O口完成。

（4）控制线 1）PSEN：程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的读选通信号，低电平有效。

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从外部程序存储器取数时，在每个机器周期内二次有效。

2）EA/Vpp：EA为高电平时，CPU执行内部程序存储器的指令。EA为低电平时，CPU仅执行外部程序存储器的指令。因8031芯片没有内部程序存储器，故EA必须接地。Vpp是在8751EPROM编程时+21V的编程电源输入端。

3）ALE/PROG：ALE是地址锁存使能信号。作为地址锁存允许时高电平有效。因为p0端口是分时传送数据和8位地址。故访问外部存储器时，ALE信号锁存低8位地址。即使在不访问外部存储器时，也以1/6振荡频率的固定频率产生ALE，因此可以用它作为外部的时钟信号。ALE主要是提供一个定时信号，在从外部程序存储器取令时，把p0口的低位地址字节锁存到外接的地址锁存器中。

4）RST/VPD:是复位/备用电源端。在振荡器运行时，使RST行脚至少保持两个机器周期位高电平，可实现复位操作，复位后程序计数器清零，即程序从0000H单元开始执行。在VCC关断前加上VPD（掉电保护）RAM的内容将不变。

3、8031芯片的存储器结构及地址分配

8031芯片内部无程序存储器，只有256字节的数据存储器，地址从00H~FFH。其地址分配如下图3.3所示：

8031芯片内部256字节的空间被分为两部分，其中内部数据存储器（RAM）地址为00H~7FH，特殊功能寄存器（SFR）的地址为80H~FFH。在内部数据存储器中的00H~1FH为四个工作寄存器区，其中：

0区 00H~07H 1区 08H~0FH 2区 10H~17H 3区 18H~1FH

每个区都有8个8位寄存器R0～R7。可以用来暂存运算的中间结果以提高运算速度，其中的R0和R1还可以用来存放8位地址。要确定采用哪个工作寄存器区，可通过标志寄存器PSW中的RS0、RS1辆未来指定。

从20H~2FH是“位寻址”空间：在此空间中CPU既可对其执行按字节操作，又可对其中每个单元的8位二进制代码执行按位的操作。

从30H~7FH是可以按字节寻址的数据缓冲区，在此区域中可以设置堆栈。由于8031复位后堆栈指针SP指向工作寄存器区（即SP=07H），所以必须在初始化程序中对SP设置30H以后的地址区间为初值。

图4.3 8031芯片存储器结构

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8031芯片内部设有程序存储器，且仅有128字节的数据存储器，因而在组成控制系统时可根据需要扩展外部程序存储器和外部数据存储器。由于地址线是16位的，故最多能扩展64K程序存储器和64K数据存储器，其地址均为0000H~FFFFH，即程序存储器和数据存储器为独立编址；因此EPROM和TAM的地址分配比较自由，编程时不必考虑地址冲突问题。

4、特殊功能寄存器

8031芯片内的特殊功能（SFR）是用于对片内各功能模块进行管理、监视、监视的控制寄存器和状态寄存器。是一个具有特殊功能的RAM区，其地址为80H~FFH。这些特殊功能寄存器的地址分配见表3.1：

表3.1特殊功能寄存器名称及地址

标识符 ACC B PSW SP DPTR P0 P1 P2 P3 IP IE TOMD TCON T2CON TH0 TL0 TH1 TL1 TH2 TL2 RLDH RLDL SCON SBUF PCON 名称 累加器 B寄存器 程序状态字 堆栈指针 数据指针（包括DPH和DPL） 口0 口1 口2 口3 中断优先级控制 允许中断控制 定时器/计数器方式控制 定时器/计数器控制 定时器/计数器2控制 定时器/计数器0（高位字节） 定时器/计数器0（低位字节） 定时器/计数器1（高位字节） 定时器/计数器1（低位字节） 定时器/计数器2（高位字节） 定时器/计数器2（低位字节） 定时器/计数器2自动再装载 （高位字节） 定时器/计数器2自动再装载 （低位字节） 串行控制 串行数据线控制 电源控制 地址 0E0H 0F0H 0D0H 81H 83H和82H 80H 90H 0A0H 0B0H 0B8H 0A8H 89H 88H 0C8H 8CH 8AH 8DH 8BH 0CDH 0CCH 0CBH 0CAH 98H 99H 87H 表中PSW是程序状态寄存器，其功能如表4.2. CY

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AC F RS1 RS0 OV 保留 P

标 志 CY AC OV P F — RS1 RS0 功 能 进位标志 辅助进位标志 溢出标志 奇偶标志 用户标志 保留 说 明 C寄存器，最高位有进位（借位）时置1，否则清0 低4位有进位（借位）置1，否则清0 最高位有溢出时置1，否则清0 累加器入位模2和为奇数时置1，否则清0 工作寄存器选择 工作寄存器选择 位地址 PSW.7 PSW.6 PSW.5 PSW.4 PSW.3 PSW.2 PSW.1 PSW.0

内放标志寄存器，置位或清零，表示操作结果的某些特性。加1、减1指令不影响这些标志。

溢出标志OV和进位标志CY是两种性质不同的标志。溢出是指在有正负号两个数运算时，结果数超过+127~ -128。当用于补码运算时，因为在有符号的结果不能用8位数表示时，OV将被置位，而进位位是指两个数最前一位（第七位）相加（或相减）有否进位（或借位）。P标志表示累加器中运算结果1的个数为偶数还是奇数来决定。

有关定时器/计数器和中断系统的特殊功能寄存器在后面叙述。 5、MCS—51系列指令系统简介

在设计MCS—51系列单片机控制系统的硬件线路时，不可避免的要涉及到MCS—51系列单片机的指令系统。下面对MCS—51系列单片机指令系统的寻址方式和主要指令作一简单介绍：

MCS—51系列指令系统共有111条基本指令，其中单字节指令49条，双字节指令45条，三字节指令17条。

（1）MCS—51指令系统寻址方式简介

指令是由助记符来表达，助记符是由操作码和操作数两部分组成。其规定的格式如下：

操作码 目的操作数 源操作数

操作码反映了指令的功能，助记符代表了指令的操作对象。操作数可以是数据也可以是地址。也就是说操作数指定了参与操作的数或数所在单元的地址。而如何得到这个地址就叫寻址方式。MCS—51指令系统共有七种寻址方式。

1）立即寻址 2）直接寻址 3）寄存器寻址

4）J寄存器间接寻址 5）变址寻址 6）相对寻址 7）位寻址

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（2） MCS—51系列指令系统主要指令简介

MCS—51系列指令系统111条指令可以分为五类 1） 数据传输类 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

在这些指令中，使用得最多的是数据传输类指令，这类指令又可以分成三种： 1）单片机内部数据传送 2）和外部RAM传送数据

3）程序存储器和累加器A之间数据传送用助记符MOVC表示。

6、定时器/计数器

MCS-51系列单片机提供两个16位可编程的定时器/计数器，即T0和T1。它们能用来作定时器（实际是对内部机器周期计算）或外部时间计数器。它们具有两种工作方式和四种模式，其工作原理如图3.4所示。

定时/计数器的核心是一个+1计数器，加1计数器脉冲有两个来源，一个是外部脉冲源，一个是系统的时钟振荡器。计数器对两个脉冲源之一进行输入计数，每输入一个脉冲，计数器加1，当计数到计数器全为1时，再输入一个脉冲就使计数器回零，同时从高位溢出一个脉冲，并使特殊寄存器TOCN中的溢出中断标志置1。如定时/计数器工作于定时状态，则表示定时的时间到，若工作在计数状态，则表示计数回零。所以加1计数器的基本功能是对是如脉冲进行计数，至于其工作于定时还是计数状态，则取决于外接什么样的脉冲源。当脉冲源为时钟振荡器（等间隔的脉冲序列）时，脉冲数率以脉冲间隔时间就是定时时间，因此为定时功能；当脉冲源为间隔不等的外部脉冲发生器时，就是外部事件的计数器，此时为计数功能。

图4.4 定时/计数器的结构框图

用作“定时器 ”时，每个机器周期寄存器加1，因此，也可以把它看作是在累计机器周期。由于一个机器周期包括12个振荡周期，所以，它的计数速率是振荡频率的1/12。

用作“计数器”时，寄存器在其对应的外输入端T0或T1有一个“1→0”的跳变时加1。由于识别一个从 “1→0”的跳变要用两个机器周期（24个振荡周期）所以最快的计数速率是振荡频率的1/24。

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（1）TMOD控制寄存器 GATE GATE——门控位，或叫选通位，当GATE=1时，只有INT0或INT1引脚为高电平且TR0或TR1置1，相应的定时/计数器才能被选通，当GATE=1时，只要TR0或TR1置1，定时/计数器就被选通，而不管INT0或INT1是高电平还是低电平，即不受外部输入引脚的控制。

C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 C/T——计数器的方式或定时器的选择位。当为1是计数器方式；采用T0或T1外部引脚的

输入脉冲作为计数脉冲。当为0时定时器方式；采用晶体振荡器脉冲的12分频作

为内部计数器输入脉冲。

M1、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和THX构成全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分寸两个8位计数器，关闭定时器1。

（2）TCON控制寄存器

TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 TF1、TF0——定时器T0、T1溢出标志位，当定时器/计数器溢出时，TFX=1,申请中断，

进入中断服务程序后被硬件清零。

TR0、TR1——定时器T0、T1运行控制位，由软件设定1或0来控制定时/计数器开启或

关闭。

IE0、IE1——外部中断源INT0、INT1的标志，IEX=1，为外部中断源INTX向CPU请

求中断，当CPU响应中断时，由硬件将IEX清零。

IT0、IT1——外部中断源触发方式控制位。ITX=1，将外部中断源控制为电平触发方式；

ITX=0，将外部中断源控制为电平触发方式。

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7、中断系统

MCS-51系列单片提供5个中断源。配备两个中断优先级。两个为INT0,INT1输入外部中断请求，低电平有效，两个为片内定时/计数器T0和T1溢出中断请求TF0和TF1；一个为片内串行口中断请求TI和RI。这些中断请求源的引脚都为P3口的第二功能。对于每个中断可编程为高优先级或低优先级中断，并能实现二级中断嵌套。

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 入口地址 0003H 000BH 0013H 001BH 0023H 优先级 0 1 2 3 4 INT0 T0 INT1 T1 串行口中断

CPU从此地址开始执行中断服务程序，直到遇到一条RETI指令为止。

8031CPU对于中断源开放以及优先级的控制是由特殊寄存器中的IE和IP寄存器来完成的。

（1）中断允许寄存器IE

是8031CPU用来控制对中断源的开放或屏蔽，其格式如下： EA ES ET1 EX1 ET0 EX0

EA——中断总允许控制位。EA=1,CPU允许中断；EA=0禁止中断。 ES——串行口中断允许位。

ET1、ET0——定时/计数器T0、T1溢出中断允许位。

EX1、EX0——外部中断源1、0中断允许位。

（2）中断优先级寄存器IP

是CPU用来决定各中断源优先级。其格式如下：

PS PT1 PX1 PT0 PX0

PS——串口中断优先级，PS=1,则串口中断为高优先级。（下同）

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PT1、PT0——定时器/计数器中断优先级控制位。

PX1、PX0——外部中断源优先级控制位。

5.3存储器扩展电路的设计

MCS-51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合，MCS-51系列的最小系统用一片8031外扩一片EPROM就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可利用MCS-51 的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。

1、程序存储器的扩展

MCS—51的程序存储器的寻址空间为64K字节，8031片内不带ROM，用作程序存储器的器件是EPROM。

（１）外部程序存储器的操作时序

图4.5是访问外部程序存储器有关的时序图，图4.5a是不访问外部数据存储器时的时序，图4.5b是访问外部数据存储器时的时序。CPU由外部程序存储器取指时，16位地址的低8位PCL由P0口输出，高8位PCH由P2口输出；而指令由P0口输入，P0口作为分时复用的地址/数据总线。

图4.5a在不访问外部数据存储器时，P2口专用于输出高8位地址，P2口具有输出锁存功能，可直接至外部存储器的地址断，无须再加锁存。P0口作为分时复用的双向总线，输出PLC的内容，输入指令。在这种情况下，每一个机器周期中，允许地址锁存信号ALE两次有效，在ALE由高变低时，有效地址PLC出现在P0的总线上，低8位地址锁存器应在此时将低位地址锁存起来。同时PSEN也是每个机器周期两次有效，用于选通外部程序存储器，使指令送到P0总线上，由CPU取入。

图4.5b当系统中按有外部数据存储器时，时序有些变化，在同一周期的S5状态，ALE由高变低时，P0总线上出现的将不再是有效的PLC值，则此地址是DPL值同时在P2口出现有效的DPH值，在同一周期的S6状态将不再出现PSEN有效信号，下一个机器周期的有、第一个ALE有效信号也不再出现。而当RD（或WR）有效时，在P0总线上将出现有效的输入（或输出）数据。

图4.5 外部程序存储器的操作时序

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（2）常用的ROM芯片及引脚

常用的半导体ROM芯片有2764，芯片为28脚双列直插式扁平封装芯片，引脚向下兼容。下图4.6为所用的芯片：

图中VPP是编程电压端，PGM是编程控制端，OE是输出使能端，CS是片选端，它们均为低电平有效。2764的第26引脚空，（NC）未用。表3.2是EPROM的工作方式的选择，表中V1H表示输入高电平，V1L表示输入低电平，芯片的数据引脚是三态的，当芯片未选中，它们处于高阻状态，不会影响其他芯片输出状态。而当CS和OE均为低电平时，芯片被选中，其存储内容从数据端输出，即处于DOUT状态。在编程时，从数据端输入要存储的信息，数据引脚处于数据数据输入DIN状态。编程时PGM必须为低，使数据写入芯片。

图4.6 常用的EPROM的引脚排列

不同型号的EPROM工作速度也有差别，一般为200~450ns，选择时应注意芯片的工作速度是否满系统时序的要求。8031访问EPROM时，其所能提供的读取时间t与所选的晶体时钟有关，约为3T,T为时钟周期。若晶体频率选用为6MHz，则t ≈ 480 ns,故凡是工作速度小于480ns的芯片在时序上均满足要求。

３．地址锁存器

由于单片机8031芯片的P0口是分时传送低8位地址线和数据线，故8031扩展系统中一定要用到锁存器。常用的地址锁存器新片74LS373。74LS373好似带三态缓冲输出的8D触发器，其引脚与8031连接如图4.7：

图4.7 74LS373引脚及连线图

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CE OE (20) V1L 任意 V 1H V1L V 1H VPP (21) VCC VCC VPP VPP VPP VCC (24) VCC VCC VCC VCC VCC (24) VCC VCC VCC VCC VCC (28) VCC VCC VCC VCC VCC (28) VCC VCC VCC VCC VCC (28) VCC VCC VCC VCC VCC OE PGM输 出 VPP （9～11，13～17） DOUT 高阻 DIN DOUT 高阻 （9～11，13～17） DOUT 高阻 DIN DOUT 高阻 2761 2732 2764 27128 27256 (18) 引 角 号 V1L 读 V 1H 维 持 编 程 V1L—编程检验 V1L V1L 编程禁止 V1L 引 角 号 读 维 持 编 程 编程检验 编程禁止 引 角 号 读 维 持 编 程 编程检验 编程禁止 (20) V1L V 1H V1L V1L V 1H (8Q) V1L V 1H V1L V1L V 1H (20) V1L 任意 VPP V1L VPP (22) V1L 任意 V 1H V1L 任意 (22) V1L 任意 V 1H V1L 任意 (22) V1L 任意 V 1H V1L V 1H (1) VCC VCC VPP VPP VPP (1) VCC VCC VPP VPP VPP (1) VCC VCC VPP VPP VPP (27) V （11～13；15～19） 1H DOUT 任意 高阻 V1L DIN V 1H DOUT 任意 高阻 (27) V （11～13，15～19） 1H DOUT 任意 高阻 V1L DIN V 1H DOUT 任意 高阻 （11～13，15～19） DOUT 高阻 DIN DOUT 高阻 (20) 引 角 号 V1L 读 V 1H 维 持 V1L 编 程 V1L 编程检验 编程禁止 V 1H 引 角 号 读 维 持 编 程 编程检验 编程禁止 （20） V1L V 1H V1L V1L V 1H 表4.2 EPROM工作方式选择

其真值表如下表4.3：

表3.3 74ＬS373真值表 E L L L G H H L D H L X Q H L Q0 34

接表4.3： L——低电平 H——高电平 X——不稳定

Q0——建立稳定前Q的电平

G——输入端，与8031ALE连高电平：关门锁存

OE——使能端，接地 当G=“1”时，

74LS373输出端1Q~8Q与输入端1D~8D相同 当G为下降沿 时，将输入数据锁存。 (４)8031与EPROM芯片的连接

1）地址线的连接

EPROM低8位地址线A0~A7经地址锁存器与8031P0口相连。由于；EPROM高8位地址线A8~A15直接与8031的P2口相连。由于8031的P0口是分时输出低8位地址和数据，故要外接地址锁存器，并由CPU发出的地址允许锁存信号ALE的下降沿将地址信息锁存入地址锁存器中。如外接存储器芯片片内有地址锁存器，则单片机CPU的P0口可与存储器低8位地址线直连，但仍要将CPU的ALE信号与存储芯片ALE相连。单片机的P2口用作高位地址线及片选地址线，由于P2口输出具有锁存的功能，故不必外加地址锁存器。 2）数据线的连接

存储器的8位数据线D0~D7与8031芯片的P0.0~P0.7直连，单片机规定指令码和数据都由P0口读入，数位对应相连即可。 3）控制线的相连

8031芯片的PSEN（外部程序存储器读选通信号）与EPROM芯片的OE端相连； 8031芯片EA接地，CPU执行外部程序存储器的指令；

8031芯片ALE（地址锁存允许信号）接主地锁存器74LS373的G引脚。

图4.8为8031与EPROM的连接方法。

图4-8 8031与外部EPROM的一般连接方法

2、数据存储器的扩展

由于8031芯片内部RAM只有128字节，远远不能满足系统的需要，需要扩展片外数据存储器RAM。

（１）常用的数据存储器及引脚

常用的静态RAM芯片是6264（8K?8）、62128、62256等，6264采用CMOS工艺，

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由单—5供电，典型存取时间为150~200ns。它为28脚双列直插式扁平封装，其操作方式见下表4.4：

管脚 操作方式 6264 CS1 CS I/O0~I/O7 CS2 OE WE 未选中 未选中 读 写 输出禁止 V1H 任意 任意 任意 任意 任意 任意 高阻 高阻 V1L V1H V1L V1L V1H Dout V1L V1L V1H V1H

V1H V1H 任意 V1L V1H 任意 DIN 高阻 高阻 62256 未选中 读 写 输出禁止 V1L V1L V1L V1L V1L V1H V1H V1H V1L V1H Dout DIN 高阻

表4.4 6264和62256操作方式

（２）8031与外部数据存储器芯片的连接

单片机CPU与R数据存储器的连接方法和存储器连接方法大致相同。唯有控制线的连

接不同：RAM读输入信号OE与8031芯片的RD（P3.7）引脚相连；RAM的写输入信号WE与8031芯片WR（P3.6）相连。其连接示意图见图4.9。

图4.9 8031与RAM的一般连接方法

3、译码电路的设计

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8031单片机允许扩展64K程序存储器和64K数据存储器（包括I/O芯片），这样就需要扩展多个外围芯片，因而需要把外部地址空间分配给这些芯片，并且使程序存储器各芯片之间（包括I/O芯片）地址互相不重叠，以使单片机访问外部存储器时，避免方式冲突。当8031数据总线分时地与各个外围芯片进行数据传送时，首先要进行片选（指选中某一芯片），而当片内有多字节单元时，还要进行片内地址选择。

（１）MCS—51单片机应用系统中的地址译码规则 1）程序存储器与数据存储器独立编址。 2）外围I/O芯片与扩展数据存储器统一编址

外围I/O芯片不仅占用数据存储器地址单元，而且使用数据存储器的读/写控制信号与读/写指令。

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（A8~A15），P0口经外部地址锁存后提供8位地址（A0~A7）。 （2）地址译码方法

常用的地址译码方法有线选法和全地址译码两种方法。 1）线选法

利用单片机地址总线高位中的一根线（一般是P2口中的某根线）作为选择某一片存储器（或I/O口）芯片的片选信号。只要该地址线为低电平，就选中该芯片。这种方法常用于规模较小的系统，即扩展的芯片不是太多的情况。这种方法的优点是不需要地址译码器，可节省硬件，减少成本。缺点是可寻址的芯片数目受到很大的限制，而且地址空间也是不连续的，地址空间没有充分利用。

2）全地址译码

对于容量较大的系统，扩展的外围芯片较多，芯片所需的片选信号多于利用的地址线时，就需要用这种全地址译码的方法。它将低位地址作为片选地址，而用译码器对高位地址进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。因为这种地址编码的方法，除了片内地址线外，剩余的高位地址线全部参与译码，故称为全地址译码。

本电路所用到的译码器为3—8译码器（74LS138），输入端占用3根最高位地址线，剩余的13根低位地址线可作为片内地址线。74LS138译码器的8根输出线分别对应8个8K字节的地址空间。下图4.10为74LS138的引脚图，表3.5为74LS138逻辑功能表。

图4-10 74LS138引脚图

如何用地址译码器把64K存储器空间分配给各个扩展芯片呢？从74LS138真值表可以看出，把G1接+5V，G2A，G2B接地，8031的P2.7、

P2.6、P2.5分别接到74LS138的C、B、A端，P2.4~P2.0，P0.7~P0.0这13根地址线接到扩展存储器芯片的A12~A0端。74LS138的8个输出Y0~Y7，分别接到8片8K存储器的片选端，而低13位完成对片内地址的选择。

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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 其它状态 ? ? ? 1 1 1 1 1 1 1 1

5.4 I/O接口电路及辅助电路设计

8031单片机共有四个8位并行I/O口，但可共用户使用的只有P1口和部分P3口，因此。在大部分系统中都需要扩展I/O口芯片。

下面介绍本电路中所用到的芯片： 1、8155通用可编程接口芯片 （1）8155的引脚及功能

8155的结构框图及引脚排列如下图4.11：

图4.11 8155引脚排列及结构框图

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8155具有40条引脚的双列直插式芯片，其各脚的功能如下表4.6。

引脚 AD0~AD7 PA0~PA7 含义 地址、数据线 A口 B口 C口 定时输入 定时输出 IO/RAM口选择 引脚 ALE RD WR CE RESE VSS VCC 含义 地址锁存 读 写 片选 复位 地 电源 PB0~PB7 PC0~PC7 TIMERIN TIMEROUT IO/M 表4.6 8155引脚说明

其中IO/M是8155内部RAM和I/O口的选择线，IO/M=0，（低电平时选择片选内RAM，，选择I/OAD0~AD7上的地址信息为8155中的RAM单元地址。当IO/M=1时（高电平）

口，AD0~AD7上的地址信息为I/O口地址。它利用ALE 的下降沿将此信息锁存到片内锁存器中。

下表为8155I/O口地址编码： A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 I/O口 命令状态寄存器（命令/状态口） PA口 PB口 PC口 定时器低8位 定时器高8位 ? ? ? ? ? 0 0 0 ? ? ? ? ? 0 0 1 ? ? ? ? ? 0 1 0 ? ? ? ? ? 0 1 1 ? ? ? ? ? 1 0 0 ? ? ? ? ? 1 0 1

（2）8155工作方式的设定

8155I/O口工作方式选择通过对8155内部命令寄存器（命令口）设定命令控制字来实现。

8155I/O口有四种工作方式可共选择：即ALT1、ALT2、ALT3、ALT4。其中各符号说明如下：

AINTR：A口中断，请求输入信号，高电平有效。 BINTR：B口中断，请求输入信号，高电平有效。 ANF（BBF）：A口（B口）缓冲器满状态标志输出线，（缓冲器有数据时BF为高电平）

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ASTR（BSTR）：A口（B口）设备选通信号输入线，低电平有效。 （3）状态查询

8155还有一个状态寄存器，用于锁存I/O口和定时器的当前状态，供CPU查询用。 状态寄存器和命令寄存器公用一个地址，命令寄存器只能写入不能读出，而状态寄存器只能读出不能写入。所以可以认为，CPU读该地址时，作为状态寄存器，读出的是当前I/O口和定时器的状态，而写地址时，则作为命令寄存器对I/O口工作方式的选择。

（4）8155的定时功能

8055芯片内有一个14位减法计数器，可对输入脉冲进行减法计数。外部有两个定时器引脚TIMEIN和TIMEOUT。TIMEIN为定时器时钟输入，由外部输入时钟脉冲，TIMEOUT为定时器输出，输出各种信号脉冲波形。

定时器的低8位和高6位计数器定时输出方式由04H、05H寄存器确定。对定时器编程时，首先将计数常数及定时器方式送入定时器口04H、05H。计数常数在002H~3FFF之间。计数器的起动和停止有命令寄存器的最高两位TM2和TM1决定。但何时读都可以置顶时器的长度和工作方式，然后必须将起动命令写入命令寄存器。即使计数器已计数在写入起动命令后，仍可改变定时器的工作方式。

8155芯片可以直接和MCS—51系列单片机连接，不需任何外加逻辑电路。通常P2口的高位地址线作为8155芯片的片选信号及IO/M的选择信号。将8031的P2.0与8155芯片IO/M引叫相连，若P2.0是高电平，则8155用来作I/O接口，若P2.0是低电平，则使用8155内部256字节的RAM。由于8155芯片内部有地址锁存器，所以8031的ALE端可以和8155内部ALE端直连，利用8031的ALE信号的下降沿锁存8031P0口送出的低8位地址信息。其P0.0~P0.7与8155AD0~AD7对应相连，相应的读/写信号RD、WR也直接相连。 2、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（发光二极管）和LCD（液晶显示器），也有采用CRT接口的显示方式。此电路采用采用LED显示器，通常它由8个发光二极管组成的，当发光二极管导通时，相应的一贯人点或一个笔画发亮。控制不同的二极导通管，就能显示出各种字符。常用的七段显示器结构如图4.12所示：

图4.12 LED显示器

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