机电一体化毕业设计论文车床横刀架进给数控改造

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1、毕业论文（设计）题目：车床横刀架进给数控改造校区(函授站)：专 业：机电一体化班 级：学 号：学生姓名：导师姓名： 起止时间：毕业论文（设计）任务书学生姓名 指导教师 职称 教授 校区(函授站) 专业 机电一体化 题目 车床横刀架进给数控改造 任务与要求1完成一台机床工作台的数控改造；要求工作台能实现点位(或连续)控制；2改造部分进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图一张（A1）；3计算机I/O接口、驱动电路等电路原理设计图一张（A1）；4设计说明书8000字左右（前言，控制系统总体方案的分析及框图，机械部分设计计算，机构设计说明，硬件电路设计说明，技术经济分析，结束语，参考文献，后记，附录）；5

2、选步进电机为驱动电机，脉冲当量取0.01mm/step；6旋转移动的转换用滚动丝杠；7. 能用键盘输入命令，控制工作台；能实时显示工作台当前运动位置；有超越边界报警，并停止运动。原始数据：1. 工作台（或刀架）重G=155 N；2工作台行程L=0300mm；3工作台最大移动速度Vmax=3m/min； 工作台工作进给速度Vmax=1m/min；4切削分力：FX= 340N，FY=950N，FZ=1390 N；5工作台尺寸：300550mm2；6各传动部件的设计寿命1500048000h。开始日期 完成日期 目 录绪论 1第一章总体设计方案的拟订31-1 总体方案确定 31-2 数控工作台及其控

3、制系统 4第二章 车床进给伺服系统机械部分设计计算 52-1 脉冲当量的选择 52-2 切削力的计算 52-3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 62-4 齿轮传动比的计算142-5 步进电机的计算与选型15第三章 车床微机数控系统硬件电路的设计203-1 单片机微机数控系统电路设计内容203-2 MCS-51 系列单片机简介213-3 存储器扩展电路的设计283-4 I/O 接口电路及辅助电路设计373-5 典型零件加工程序设计46参考文献50致谢51绪 论随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型，普通机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、

4、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。一、数控机床的产生数控机床最早是从美国开始研制的。1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。并于1952年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。经过三年改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。一直到20世纪50年代末，由于价格和技

5、术原因，品种多为连续控制系统。到了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。二、数控机床的发展自1952年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了五个发展阶段。第一代数控：1952-1959年采用电子管元件构成的专用数控装置。第二代数控：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。第三代数控：从1965年

6、开始采用小、中规模集成电路的NC系统。第四代数控：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统。第五代数控：从1974年开始采用微型电子计算机控制的系统。目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的普通数控系统，形成了现代数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善。近年来，微电子和

7、计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。三、我国数控机床的发展概况我国从1958年由北京机床研究所和清华大学等首先研制数控机床，并试制成功第一台电子管数控机床。从1965年开始，研制晶体管数控系统，直到60年代末和70年代初，研制的劈锥数控铣床、非圆锥插齿机等获得成功。与此同时，还开展了数控加工平面零件自动编程的研究。1972-1979年是数控机床的生产和使用阶段。例如：清华大学研制成功集成电路数控系统；数控技术在车、铣、

8、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域开始研究与应用；数控加工中心机床研制成功；数控升降台铣床和数控齿轮加工机床开始小批生产供应市场。从80年代初开始，随着我国开放政策的实施，先后从日本、美国、德国等国家引进先进的数控技术。上海机床研究所引进美国GE公司的MTC-1数控系统等。在引进、消化、吸收国外先进技术基础上，北京机床研究所又开发出BSO3经济型数控系统和BSO4全功能数控系统，航空航天部706所研制出MNC864数控系统等。进而推动了我国数控技术的发展，使我国数控机床在品种上、性能上以及水平上均有了新的飞跃。我国的数控机床已跨入一个新的发展阶段。四、数控机床的发展趋势从数控机床技术水平看，高精度

9、、高速度、高柔性、多功能和高自动化是数控机床的重要发展趋势。对单台主机不仅要求提高其柔性和自动化程度，还要求具有进入更高层次的柔性制造系统和计算机集成制造系统的适应能力。在数控系统方面，目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，诸如日本的FANCU，德国的SIEMENS和美国的A-B公司，产品都向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。它们的数控系统都采用了16位和32位微机处理机、标准总线及软件模块和硬件模块结构，内存容量扩大到1MB以上，机床分辨率可达0.1微米，高速进给可达100m/min,控制轴数可达16个，并采用先进的电装工艺。在驱动系统方面，交流驱动系统发展迅速。交流传动已由模拟式向数

10、字式方向发展，以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以微处理器为主的数字集成元件所取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。五、数控机床改造的意义数控机床改造在国外已发展成一个新兴的工业部门，早在60年代已经开始迅速发展，其发展的原因是多方面的，主要有技术、经济、市场和生产上的原因。我国是拥有300多万台机床的国家。而这些机床又大多是多年累积生产的通用机床，不论资金和我国机床制造厂的能力都是办不到的。因此，尽快将我国现有一部分普通机床实现自动化和精密化改装，是我国现有设备技术改造迫切要求解决的课题。用数控技术改造机床，正是适应了这一要求。它是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上。在机

11、床改造中引入微机的应用，不但技术上具有先进性，同时，在应用上比其它传统的自动化改装方案，有较大的通用性与可调性。而且所投入的改造费用低，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的1/3至1/5，用户承担的起。从若干单位成功应用的实例可以证明，投入使用后，确实成倍地提高了生产效率，减少了废品率，取得了显著的技术经济效益。因此，我国提出从大力推广经济型数控这一中间技术的基础上，再逐步推广全功能数控这条道路，适合我国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造主要方向之一。同时，它还可以作为全功能数控机床应用的准备阶段，为今后使用全功能数控机床，培养人才，积累维护、使用经验，而且也是实现

12、我国传统的机械制造技术朝机电一体化的方向过渡的主要内容之一。第一章 车床微机数控系统总体设计方案的拟定数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。机床数控系统总体方案的拟定应包括以下内容：系统运动方式的确定，伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。1-1 总体方案确定一、系统的运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控铣床应具有定位、直线插补、顺、逆圆插补、暂停、循

13、环加工、公英制螺纹加工等功能，由于在铣削加工中，要求工作台或刀具沿各坐标轴运动有确定的函数关系，即刀具以给定的速率相对于工件沿加工路径运动，所以不能选用点位系统，因为点位控制系统要求工件相对于刀具移动过程中不进行切削。因此，应选用连续控制系统。X52K型铣床改造属于经济型数控机床，加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环控制系统，因闭环控制系统适用于精度要求较高的机床设计，且闭环控制系统的造价昂贵。二、计算机系统根据机床要求，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、具有很高的性能价格比等特点，因此采用MCS-51系列的80

14、31单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和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信息。三、机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机齿轮减速再传动丝杠，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以及滚动导轨。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠副机构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的消隙齿轮结构。第二章 机械部分设计计算 伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载、确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力计算，确

15、定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件工作图。现分述如下：2-1 系统脉冲当量的选择任务给定：脉冲当量取0.01mm/step2-2 计算切削力任务给定：切削分力：FX= 340N，FY=950N，FZ=1390 N2-3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型 滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型：确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定之后，再计算和确定其他技术参数，包括：公称直径d0（丝杠外径d）、导程L0、滚珠的工作圈数j、列数K、精度等级等。滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。如参考书1中的图4-4所示。我们在此选用

16、螺旋槽式外循环：在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔，同螺母的螺纹滚道相切，形成滚珠返回通道。为防止滚珠脱落，螺旋槽用钢套盖住。在通孔口设有挡珠器，引导滚珠进入通孔。挡珠器用圆钢弯成弧形杆，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺母上。它的优点是：工艺简单，螺母外径尺寸较小。缺点是：螺旋槽同通孔不易连接准确，挡珠器钢性差、耐磨性差。滚珠丝杠副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等。本设计采用双螺母螺纹式预紧结构，它通过调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。其特点是结构较紧凑，工作可靠，滚道磨损时可随时调整，预紧量不很准确，应用较普遍。一、纵

17、向进给丝杠1.计算进给率引力(N)作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动部件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的型式有关。计算进给牵引力Fm(N)横向导轨为燕尾形，计算：F=kFx+f(Fz+2Fy+G)FX= 340N，FY=950N，FZ=1390 N；K=1.4 =0.2 G=155 NF=1.4*340+0.2(1390+2*950+155)=1165N式中 考虑颠复力矩影响的实验系数,综合导轨取K=1.4 -滑动导轨摩擦系数:0.2;-溜板及刀架重力: =155 N.作用在珠丝杠滚上的进给牵引力为1165N2.计算最大动负载利用滚珠丝杠副

18、的直径d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转（106转）后在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C，可以用下式计算： = = 式中 -滚珠丝杠导程,初选=6; -最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的(),此处=0.5m/min -使用寿命,按15000h; -运转系数，按一般运转取=1.5; -寿命，以10转为1个单位。将数据分别带入上式得： =50r/min=45=1.21165=4916 N 3.选择滚珠丝杠螺母副从附录表中查出, WL2005 列2.5圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副,额定动载荷为8800 N,可满足要求，选

19、定精度为3级.4. 传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为：=式中 螺旋升角, WL2005 =433-摩擦角取10将各数据带入上式得：=0.9655.刚度验算横向进给丝杠支承方式如图2-2所示，最大牵引力为1165 N，支承间距=450，因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。 图2-2计算如下：（1）丝杠的拉伸或压缩变形量（）查图4-6，根据=1165N,=20,查出=4.210,可算出=4.210450=1.8910(2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形量查图4-7 =8.5因进行了预紧 =8.5=4.25(3) 支承滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形采用8120推力球轴承,考虑到进行了预紧,故综

20、合以上几项变形之和:显然此变形量已大于定位精度的要求,应该采取响应的措施修改设计,因横向溜板空间的限制,不宜再加大滚珠丝杠的直径,估采用贴塑导轨见效摩擦力,从而减小最大牵引力.重新计算如下: 从图4-6查出当时,和不变,则,定位精度为,估此变形量仍不能满足,如果将滚珠丝杠再经过预拉伸,刚度还可提高四倍,则变形量可控制在要求的范围之内.6.稳定性校核计算临界负载 =式中 -材料弹性模量,钢: =20.610 N/;-截面惯性矩()丝杠: =,为丝杠内径;-丝杠两支承端距离();-丝杠支承方式系数,从表4-13中查出，一端固定,一端简支=2.00 =1.6788=0.3899=78214 N=67

21、.7(一般=2.54)此滚珠丝杠不会产生失稳。三、 横向滚珠丝杠副几何参数。其几何参数如下:名称 符号 公式 公称直径 20导程 5接触角 433钢球直径() 3.175滚道法面半径 1.651偏心距 0.045螺纹升角 433螺杆外径 19.4螺杆内径 16.78螺杆纹接触直径 16.835螺母螺纹直径 23.212螺母内径 20.6352-4 齿轮传动比计算1.传动比计算已确定脉冲当量=0.01滚珠丝杠导程=6，初选步进电机步距角0.75。可计算出传动比 =0.8可选定齿轮齿数为: =或因进给运动齿轮受力不大，模数取2。2-5 步进电机的计算和选型选用步进电机时，必须首先根据机械结构草图计

22、算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效转动惯量，分别计算各种工况下所需的等效力矩，在根据步进电机最大静转矩和起动、运行矩频特性选择合适的步进电机。一、步进电机计算1.等效转动惯量计算计传动系统折算到电机轴上的总的惯量（）可由下式计算： =+式中 -步进电机转子转动惯量（）;、-齿轮、的传动惯量（）;-滚珠丝杠转动惯量（）。参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，起转子转动惯量=10。 =0.7810=0.78106.42=2.62=0.7810=0.78*1082=6.39=0.78104150=29.952=155 N代入上式： =+=10+2.62+=36.474考虑步进电机与传动

23、系统惯量匹配问题 /=10/36.474=0.274基本满足匹配的要求。2.电机力矩的计算机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面按个阶段计算：（1） 快速空载起动力矩起 。在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： 起 =+ =10= =将前面数据代入，式中各符号意义同前。 =500 。起动加速时间 =30 =36.47410=636.6 N折算到电机轴上的摩擦力矩： = =94 N附加摩擦力矩： = =805.30.19=153 N上述三项合计：起 =+ =636.6+94+153=881.5 N（2）快速移动时所需力矩快 快=+=94+153=247 N（3）最大切削负

24、载时所需力矩切 切=+=+ =94+153+=94+153+127.96 =375 N从上面的计算可以看出，起、快和切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，以次作为初选步进电机的依据。从表中查出，当步进电机为五相十拍时，=0.951。最大静力矩=881.5/0.951=927 N 。按此最大静转距从表查出，型最大静转距为13.72 N 。大于所需最大静转距，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动距频特性和运行距频特性。3.计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 =5000 HZ=1000 HZ从表中查出 型步进电机允许的最高空载起动频率为2800 HZ运行频率为8000 HZ ，

25、 130BF001步进电机的起动矩频特性和运行矩频特性曲线如图2-3，2-4所示，可以看出，当步进电机起动时，f起=2500Hz时，M=100，远远不能满足此机床所要求的空载起动力矩（881.5）直接使用将会产生失步现象，所以必须采取升降速控制（用软件实现），将起动频率将到1000Hz时，起动力矩可增到588.4，然后在电路上再采用高低压驱动电路，还可以将步进电机输出力矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，130BF001型步进电机运行矩频特性（图2-4）完全可以满足要求。第三章 车床微机数控系统硬件电路设计 3-1 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

26、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：一、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CPU2.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

27、口电路。5.外围设备，如键盘，显示器及光电输入机等。见图3-1RAMROM CPU光电隔离功 率放大器I/O接口步进电机 外 设键盘，显示器及其他 图3-1 CA6140车数控车床数控系统硬件框图（开环系统）二、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济性的要求。目前在经济

28、型数控机床中，推荐使用MCS-51系列单片微机作为主控制器。三、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。四、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。3-2 MCS-51系列单片机简介MCS-51系列单片微机是美

29、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1015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

30、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芯片一、 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。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。从上述特性可以看出，一块8031的功能几乎相当于一块Z80CPU、一

31、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。二、 8031芯片引脚及其功能8031芯片具有40根引脚，其引脚图如图3-2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。图3-2 8031芯片引脚及功能图3. I/O口共有p0、p1、p2、

32、p3四个8位口，32根I/O线，其功能如下：（1）P0.0P0.7 （AD0AD7）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）P1.0P1.7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）P2.0P2.7 （A8A15）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A8A15（4）P3.0P3.7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/

33、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 （外部中断）P3.3 （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 （外部数据存储器写选通）P3.7 （外部数据存储器读选通）由上面看出，单片机和Z80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）：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。从外部程序存储器取数时，在每个机器周期内二次

34、有效。（2）：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）是复位/备用电源端。在

35、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。三、 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00HFFH。其地址分配如下图3-3所示：图3-3 8031芯片存储器结构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00H7FH，特殊功能寄存器（SFR）的地址为80HFFH。在内部数据存储器中的00H1FH为四个工作寄存器区，其中：0区 00H07H1区 08H0FH2区

36、10H17H3区 18H1FH每个区都有8个8位寄存器R0R7。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20H2FH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30H7FH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。8031芯片内部设有程序存储器，且仅有128字节的数据存储

37、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0000HFFFFH，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。四、 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80HFFH。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名称 地址 ACC B PSW SP DPTR P0 P1P2P3

38、IPIETOMDTCONT2CONTH0TL0TH1TL1TH2TL2RLDHRLDLSCONSBUFPCON 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0E0H0F0H0D0H81H83H和82H8

39、0H90H0A0H0B0H0B8H0A8H89H88H0C8H8CH8AH8DH8BH0CDH0CCH0CBH0CAH98H99H87H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。五、 MCS51系列

40、指令系统简介在设计MCS51系列单片机控制系统的硬件线路时，不可避免的要涉及到MCS51系列单片机的指令系统。下面对MCS51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：MCS51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.MCS51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。MCS51指令系

41、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2. MCS51系列指令系统主要指令简介MCS51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。六、 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/

42、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。+12振荡器 TFX加1计数器 TMOD 中断 相应位 TCON相应位 TX端 控制信号 图3-4 定时/计数器的结构框图 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

43、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。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“10”的跳变时加1。由于识别一个从 “10”的跳变要用两个机器周

44、期（24个振荡周期）所以最快的计数速率是振荡频率的1/24。 七、 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。两个为输入外部中断请求，低电平有效，两个为片内定时/计数器和溢出中断请求和；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：中断源入口地址优先级0003H0000BH10013H2001BH3串行口中断0023H4CPU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

45、控制是由特殊寄存器中的IE和IP寄存器来完成的。3-3 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。一、程序存储器的扩展 MCS51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。外部程序存储器的操作时序图3-5是访问外部程序存储器有关的时序图，图3-5a是不访问外部数据存储器时的时序，图3-5b是访问外部数据存储器时的时序。CPU由外

46、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3-5a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3-5b当系统中按

47、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，P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P口出现有效的DPH值，在同一周期的状态将不再出现有效信号，下一个机器周期的有、第一个ALE有效信号也不再出现。而当（或）有效时，在P总线上将出现有效的输入（或输出）数据。图3-5 外部程序存储器的操作时序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3-6为所用的芯片：图中是编程电压端，是编程控制端，是输出使能端，是片选端，它们均为低电平有效。2764的第26引脚空，（NC）未用。下表3-2是

48、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。而当和均为低电平时，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状态。编程时必须为低，使数据写入芯片。图3-6 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200450ns，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 48

49、0 ns,故凡是工作速度小于480ns的芯片在时序上均满足要求。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3-7：图3-7 74LS373引脚及连线图其真值表如下表3-3：输 出2761引 角 号读维 持编 程编程检验编程禁止(18)V1LV 1HV1LV1LV1LV1L(20)V1L任意V 1HV1LV 1H(21)VCCVCCVPPVPPVPP(24)VCCVCCVCCVCCVCC（911，1317）DOUT高阻DINDOUT高阻2732引 角 号读维 持编 程编程检验编程禁止(20)V1LV 1HV1LV1LV 1H(24) VCCVCCVCCVCCVCC(20) V1L任意VPPV1LVPP（911，1317）DOUT高阻DINDOUT高阻2764引 角 号读维 持编 程编程检验编程禁止(8Q)V1LV 1HV1LV1LV 1H(22)V1L任意V 1HV1L任意(1)VCCVCCVPPVPPVPP(28)VCCVCCVCCVCCVCC(