機電一體化系統設計

課程設計說明書設計題目：CNC二維工作平臺設計專 業:機械電子工程班 級: 學 號: 姓名： 指導教師： 二0一三年十二月CNL維工作平面設計

摘要在本次設計中，我采用常規分離式主傳動設計，機床主傳動采用液壓操縱機構，可實現十八級轉速。機床主軸箱內的傳動齒輪均經淬硬磨齒處理，傳動比穩定，運轉噪音低。機床主軸為二支撐結構，前支撐采用c級高精度軸承，潤滑油潤滑，提高了回轉精度，使機床主軸具有良好的精度和剛性。機床采用單片式電磁剎車離合器，解決主軸的剎車及離合問題，離合器安裝于主軸箱帶輪處，使床頭箱內結構大為簡化，便于維修。機床兩軸進給系統采用步進電機驅動滾珠絲杠的典型傳動方式， 在滑板與床鞍及床鞍與床身之間的滑動面處貼有TSF導軌板，滑動磨擦系數非常小，有助于提高了機床的快速響應性能及生產效率。機床采用立式四工位刀架，該刀架布刀方便，剛性好。進給方面，采用開環數控系統，即步進電機數控進給方式。采用步進電機開環數控系統已基本能滿足進給精度的要求。主傳動由于采用了分離傳動發案，可較好的隔離電機及變速箱的震動，解決了熱變形對主軸的影響，提高機床的加工精度。再者，數控系統采用單片機技術，可靠性高，成本低，經濟性好。在總體性能上可以達到經濟精密數控機床之列，達到較好的性價比。該機床可以加工各種軸類、盤類零件，可以車削各種螺紋、圓弧、圓錐及回轉體的內外曲面。作為通用型機床，特別適合汽車工業、摩托車行業、電子工業、航天、軍工等行業，對旋轉體類零件進行高效、大批量、高精度加工時采用。機床采用機、電、液一體化結構，整體布局緊湊合理，便于維修和保養，外形符合人機工程學的原理，宜人性好，便于操作。關鍵詞：CNC;CJ6132;分離傳動；步進電機目錄TOC\o"1-5"\h\z任務分酉己 1..第1章緒論 2.\o"CurrentDocument"設計背景 2\o"CurrentDocument"系統總體方案設計概述 2第2章方案設計 3.\o"CurrentDocument"性能要求 3\o"CurrentDocument"設計思路 3\o"CurrentDocument"尺寸設計 3第3章機械結構設計（傳動系統設計） .4床身 4.\o"CurrentDocument"床頭箱結構 .4.\o"CurrentDocument"進給系統 4刀架 4.尾座米用手動尾座 4冷卻系統 .4.卡盤 4.\o"CurrentDocument"電氣系統 5\o"CurrentDocument"安全保護 5第4章CNC二維平臺的控制電路的設計（硬件系統的設計）........6\o"CurrentDocument"主要參數的確定 6傳動系統圖擬定 6電機選擇 .6.\o"CurrentDocument"進給系統計算 7.第5章數控系統設計 .9.\o"CurrentDocument"單片機系統控制設計的基本要求 9\o"CurrentDocument"數字控制系統框圖 9\o"CurrentDocument"數控系統的硬件特點 9控制系統圖及芯片的選擇 10系統的選用 10\o"CurrentDocument"系統的擴展 10\o"CurrentDocument"標準型數控系統 11MCS-51系列（三總線結構） 13\o"CurrentDocument"振蕩器和時鐘電路 1.3\o"CurrentDocument"存儲器及系統擴展設計。 14基本知識 14IITOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"程序器的擴展 1.6\o"CurrentDocument"數據存儲器的擴展 1.6\o"CurrentDocument"存儲器地址空間的分配 16I/O接口的擴展 1.6\o"CurrentDocument"鍵盤及鍵盤接口設計 18\o"CurrentDocument"顯示器接口設計 1.9\o"CurrentDocument"步進電機控制電路 21課程設計心得 27附錄1 28\o"CurrentDocument"附錄2 29參考文獻 30iii

任務分配任務分配總體方案設計：劉飛傳動系統設計：劉洋動力電機系統設計：王凱控制電路設計：孫奉斌軟件編程：孫善東電力供電系統：劉飛附上整體效果圖【圖片】第1章緒論設計背景機床工業是機器制造業的重要部門，肩負著為農業、工業、科學技術和國防現代化提供技術裝備的任務，是使現代化工業生產具有高生產率和先進的技術經濟指標的保證。設計機床的目標就是選用技術先進。經濟效果顯著的最佳可行方案，以獲得高的經濟效益和社會效益。因此，從事機床設計的人員，應不斷地把經過實踐檢驗的新理論、新技術、新方法應用到設計中，做到既要技術先進、經濟效益好、效率高。要不斷的吸收國外的成功經驗，做到既要符合我國國情，又要趕超國際水平。要不斷的開拓創新，設計和制造出更多的生產率高、靜態動態性能好、結構簡單、使用方便、維修容易、造型美觀、耗能少、成本低的現代化機床。設計本著以上原則進行，盡量向低成本、高效率、簡化操作、符合人機工程的方向考慮。系統總體方案設計概述床身上最大回轉直徑mm320最大工件長度mm750最大切削直徑mm320最大切削長度mm750床鞍（滑板）上最大切削直徑mm250主軸前端錐孔莫氏6號錐度主軸孔徑mm350主軸轉速范圍r/min40-1800主軸轉速級數18級主軸電機輸出功率（普通）kW5中心高距床身mm250距地面mm1130尾座套筒直徑mm65尾座套筒行程mm150尾座套筒錐孔錐度莫氏5號第2章方案設計2.1性能要求1、根據零件材料HT200確定毛坯為鑄件，3-小11和3-小18的內孔不鑄出，均在鉆床上鉆出后加工。2.由于本零件要求生產批量為中批量生產，毛坯鑄造方法選用金屬型鑄造（查機械加工工藝設計資料P4表1.2-1）,鑄造的毛坯尺寸公差等級為8級（查機械加工工藝設計資料P6表1.2-5）,選擇錯型值為0.7（查機械加工工藝設計資料P6表1.2-4）。設計思路主運動的實現根據設計要求，本設計采用分離式主傳動系統，包括變速箱、主軸箱兩部分。其中，變速箱與電動機至于機座內，主軸箱與變速箱采用帶傳動連接。所有的變速都采用液壓操作。進給運動的實現本次所設計的機床進給運動均由單片機進行數字控制， 因此在X、Y方向上，進給運動均采用滾珠絲杠螺母副，其動力由步進電機通過齒輪傳遞。齒輪的消隙采用偏心環調整。數字控制的實現采用單片機控制，各個控制按扭均安裝在控制臺上，而控制臺擺放在易操作的位置，這一點須根據實際情況而定。機床其它零部件的選擇考慮到生產效率以及生產的經濟性，機床附件如油管、行程開關等，以及標準件如滾珠絲杠、軸承等均選擇外購形式。尺寸設計對于批量生產的鑄件加工余量（查機械加工工藝設計資料P7表1.2-7）,初步將本零件的加工余量定為5mm,毛坯尺寸偏差由表1.2-2查得為1.8。第3章機械結構設計（傳動系統設計）床身機床床身采用優質鑄鐵，內部筋采用U形布局，床身整體剛性高。滑動導軌面采用中頻淬火，淬硬層深。硬度達HRC52以上，拖板滑動面貼塑，使得進給系統的剛度，摩擦阻尼系數等動、靜特性都處于最佳狀態。床頭箱結構機床主傳動采用液壓操縱機構，可實現十八級轉速。機床主軸箱內的傳動齒輪均經淬硬磨齒處理，傳動比穩定，運轉噪音低。機床主軸為二支撐結構，前支撐采用C級高精度軸承，潤滑油潤滑，提高了回轉精度，使機床主軸具有良好的精度和剛性。機床采用單片式電磁剎車離合器，解決主軸的剎車及離合問題，離合器安裝于床頭箱帶輪側，使床頭箱內結構大為簡化，便于維修。進給系統機床兩軸進給系統采用步進電機驅動滾珠絲杠的典型傳動方式，在滑板與床鞍及床鞍與床身之間的滑動面處貼有TSF導軌板，滑動磨擦系數非常小，有助于提高了機床的快速響應性能及生產效率。在進給系統各滑動處及兩軸絲杠絲母處都設置了潤滑點。刀架機床采用立式四工位刀架，該刀架布刀方便，剛性好。尾座米用手動尾座冷卻系統冷卻箱放在后床腿中。卡盤機床標準配置為_250手動卡盤。4電氣系統電路的動力回路，均有過流、短路保護，機床相關動作都有相應的互鎖，以保障設備和人身安全。電氣系統具有自診斷功能，操作及維修人員可根據指示燈及顯示器等隨時觀察到機床各部分的運行狀態。安全保護當機床遇到外部突然斷電或自身故障時，由控制電路的設計，機床可動進給軸，冷卻電機等如已在啟動”狀態者，將進入停止”狀態;如已在停止”狀態的則不可自行進入啟動狀態，確保了機床的安全。另外由于機床計算機內的控制程序是固化”在芯片中的，而零件加工程序是由電池供電保護的，所以，意外斷電或故障時，不會丟失計算機內存儲的程序菜單。機床具有報警裝置及緊急停止按鈕，可防止各種突發故障給機床造成損壞。由于軟件的合理設計，報警可通過顯示器顯示文字及報警號，通過操作面板的指示燈指示；機床根據情況將報警的處理方式分為三類：對緊急報警實行急停”；對一般報警實行進給保持”；對操作錯誤只進行提示”。第4章CNC二維平臺的控制電路的設計（硬件系統的設計）主要參數的確定機床的主要技術參數包括主參數和基本參數。主參數是機床參數中最主要的，它必須滿足以下要求：直接反映出機床的加工能力和特性；決定其他基本參數值的大小；作為機床設計的出發點；作為用戶選用機床的主要依據。對于通用機床（包括專門化機床），主參數通常都以機床的最大加工尺寸表示，只有在不適用于用工件最大尺寸表示時，才采用其他尺寸或物理量。如臥式鏈床的主參數用主軸直徑，拉床用額定拉力等。為了更完整地表示出機床的工作能力和加工范圍， 有時在主參數后面標出另一參數值，稱為第二主參數。如最大工件長度、最大跨度、主軸數和最大加工模數等。除主參數外，機床的主要技術參數還包括下列基本參數：與工件尺寸有關的參數；與工、夾、量具標準化有關的參數；與機床結構有關的參數；與機床運動特性和動力特性有關的參數。這些基本參數可以歸納為尺寸參數、運動參數和動力參數三種。傳動系統圖擬定電機選擇按在各種加工情況下較經常遇到的最大切削力和最大切削速度來計算，在車床中，切斷工件的切削力大于外圓車削，因而按用硬質合金刀具切斷鋼材時來計算。即：N切=N切=Fzv

61200式中Fz——主切削力的切向分力（N）切削速度（m/min）具體計算見下章

Fz=1.25pVBgfFy=(0.4~0.55)Fz(kgf由查《機床設計手冊》得出參數：P=200B=6 f=0.3mm/rWJ Fz=1.2520069.80.3=4410N所以得有效功率為：N切=441040N切=44104061200=2.9kw取“m=0.8,則由經驗公式可得電動機總功率為:=2=2,9^08=3.625kw在選擇電動機時，必須使得P額定》P總，根據這個原則，查《機械設計手冊》選取Y112-M-4型電動機.0進給系統計算最大工作直徑(mm)最大工作長度(mm)溜板及刀架重量(N)刀架快移速度(m/min)床身上床鞍上縱向橫向縱向橫向3201607508006002.41.2最大進給速度(m/min)定位精度(mm)主電動機功率(Kw)起動加速時間(ms)滾珠絲桿導程(mm)縱向橫向縱向橫向縱向橫向7

0.60.30.010.0053055第5章數控系統設計5.1單片機系統控制設計的基本要求系統應該具有以下功能及特點：(1)、控制機床主軸箱(即刀具)，工作臺縱橫向的速度和位移(2)、控制走刀速度，一般為0、1,,9、A,,F等16檔，并可隨時進行換檔(3)、單片機機(I/O)接口發送和接受各種信號作為機床運轉，各個運動的控制及反饋信號，它程序的自動與循環功能想結合，可實現加工的全自動化功能。(4)、具較高的可靠性和可維修性，為實現高度的可用性，可維修性，應該使系統通過相同電子電路的集裝件的替換而得到快速修理，另外，數控系統具有一定的自診斷性能。數字控制系統框圖通信接步進電機驅動步進電機開關量控制電路通信接步進電機驅動步進電機開關量控制電路圖5-1數字控制系統框圖數控系統的硬件特點1、中央處理器為Z80CPU,晶振頻率為6MHz其系統時鐘為4MHz,采用高集成度的存儲核心，Z80CPU是一個具有40條引角，雙列直插式結構的大規模集成電路(LS1)芯片。2、存儲器設計成有7個24腳的插座，可以插5片2KX8的存儲器最大擴展為64KB。控制系統圖及芯片的選擇系統的選用選MCS-51系列的8031單片機，系統的擴展由于8031只有4KBRAM,沒有ROM,I/O端口，32跟線等組成。（1）、程序存儲器EPROM的擴展此處擴展二片2764EPROM用來存放系統軟件（系統程序）。（2）數據存儲器RAM擴展為一片6264SRAM,用來存放加工程序和數據，掉電保護等等。I/O接口的擴展，采用I/O接口芯片，I/O口的擴展芯片有三種類型專用I/O口擴展芯片，主要有8255,8255A（全名可編程并行I/O擴展接口芯片），此處我們選用8255來控制開關和步進電機。I/O擴展的復合芯片，此芯片除能作I/O擴展用外，還能作其它功用最常用的是8155。TTL集成電路芯片，這類芯片廣泛用作MCS-51）（單片機接口的擴展用）用的較多的是74LS-373、273、244、245等，本次設計選用白^是74LS-373,TTL芯片用手動開關。（4）人機接口方面，當擴展接口8255A（或8255）不夠用時，采用通用可編程鍵盤顯示器接口8279。、統中斷處理方面，8031、8051有5個中斷源2個優先級別INT0、INT1外部中斷入口INT1用于8279鍵盤，輸入中斷用外部中斷入口INT0用語實時處理，緊急停車，暫停，限位等功能。2）、步進電機控制方面由8255A的PA口控制，PA口輸出的信號經環行電路分配一光電隔離電路一功率放大電路，最后到步進電機。、接口方面。串行接口上RRL電平經過MC1488/1489芯片轉換為RS-232C電平后接在PC機。傳輸線發送器MC1488、傳輸線接收口MC1489。4）、其它輔助電路復位電路可分為三種：①上電復位，②按鈕復位，③上電按鈕10復位。時鐘電路：①內部方式，②外部方式。5.4.3標準型數控系統經濟性數控系統硬件電路的設計.微機控制系統硬件電路設計的內容CNC、NCCPU、.三總線、存儲器、輸入輸出接口電路（2）主控微機設計1）、主控微機的選擇。采用單片機主控微機2）、MCS-51單片機的內部結構8051是一個八位的CPU、128BRAM、4KBROM、2個特殊功能寄存器4個8位并行I/O接口，一個全能的串行接口，2個16位定時/計算器8751——4KBEPROM,8031沒有ROM這里為了更多掌握擴展芯片的方法，我們選用較為復雜的8031芯片，這樣有利于掌握電路。①CPU②RAM③ROM④并行I/O接口⑤串行I/O接口⑥定時/計算器⑦時鐘電路⑧中斷電路MCS-51單片機的基本特性：具有8位的CPU芯片內有時鐘電路具有4KB字節的內部程序存儲器ROM具有128個字節數據存儲器RAM具有21個特殊功能的寄存器具有4個并行I/O端口（32跟I/O線）具有2個16位可編程的定時/數據器具有一個全功能串行接口（2跟線）具有5個中斷電路2個優先級別外部的程序存儲器，可擴展64KB外部的數據存儲器，可擴展64KBMCS-51引腳功能40個引腳雙列直接封裝形式（DIP）由于受到引腳的數量限制，有一部分具有第二功能40個引腳的分類：電源引腳（2跟線）時鐘引腳（2跟線）控制引腳（4跟線）作I/O引腳（每個8跟，共32條線）11電源Vcc——芯片電源+5v（40引腳）Vss——接地線（20引腳）時鐘XTAL1（19腳）接晶體振蕩電路的輸入端XTAL2（18腳）接晶體振蕩電路的輸出端控制線一一控制線引腳（4跟線）RST/Vpp（第9弓唧）一一復位/備用電源的輸出正常工作時，RST為復位信號輸入端，只要在RST引腳止，連續保持2個機器周期上的高電平MCS-51單片機實復位。在Vcc掉電情況下，此腳還可接備用電源，由Vpp向內部RAM供電，保持數據不掉失。ALE/PROG（30-）一一地址鎖存輸出/編程脈沖輸入端其中PROG只用于8751。.正常使用時為ALE,用來鎖存Po口送出的存儲地址當ALE信號有效時，Po口傳送的是低8位的地址信號。當ALE信號無效時,Po口傳送的是低8位的數據信號。PROG——當8751片內EPROM編程期間引腳。.PSEN（21腳）外部程序存儲器讀選信號端，在MCS-51單片機讀ROM時，每個機器周至內PSEN兩次有效輸出PSEN作為外部ROM芯片輸出允許端OE的選通信號在讀片內ROM時此.麗小。.EA/Vpp引腳二外部訪問允許編程電源輸入端a.當正常工作時EA為內外ROM選擇端。a'當.EA端輸入高電平時，訪問內部ROM。b‘ 當.EA端輸入火電平時，（接地）CPU訪問片外ROM,8031沒有片內ROM故EA接地。b.對8751單片機有EPROM在編程期間，此引腳接Vpp.I/O線（4個8位的并行I/O口線）Po———8位雙向I/O口Po0——Po7訪問存儲器時Po用于分時傳送低8位的地址信號Po能驅動8個LSTTL門電路12P1口8位準雙向I/O口P1.0~P1.7能帶動4個LSTTLP1口P2———8位準雙向I/O口P2.0~P2.7,在CPU訪問外部存儲器，P2口用于傳送高8位地址信號，只能帶4個TTL門電路P3———8為準雙向I/O口P3.0~P3.7,可用第一功能，做一般I/O接口用，第二功能P3.0--用行卒&入端（RXD）P3.1——用行卒&出端（TXD）P3.2——INT0外部中斷D7請求輸入端P3.3——INT1外部中斷1.7請求輸入端P3.4——T0定時計數器用的0外部信號輸入端P3.5——T1定時計數器用的1外部信號輸入端P3.6——外部RAM“寫”選通信號輸出端P3.7——外部RAM“讀”選通信號輸出端P3口負載能64個LSTTL門MCS-51系列（三總線結構）.地址總線AB寬度16位，外部存儲器直接64KB16位地址總線中，Po口線鎖存器提高低8位地址A0~A7P2口提供高8位地址A0~A15.數據總線DB寬8位P0口提供D0~D7.控制總線CB四跟專用的控制線P3口提供的第二功能提高8根振蕩器和時鐘電路內部時鐘電路方式利用芯片內部振蕩電路在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件，內部振蕩器，產生自激振蕩定時元件用石英晶體外部時鐘電路7.復位和復位電路復位復位電路上點復位手動復位（按鈕復位）上電手動復位13系統復位a‘將單片機復位端RST和I/O接口電路的復位端RST接單片在上電按鈕自動復位電路中增加施密特電路單片機復位電路和I/O接口復位電路分開設置。（3）.集電板開路“與非門”oc門電路這類芯片有TTL系列：74系列高速系列74H系列74S肖特基系列74LS系列低耗肖特基，TTL三態輸出“與非”門3.我們要用的電路有MS門電路（雙極性、MOS型）NMOS電路CMOS門電路5.5存儲器及系統擴展設計。基本知識、半導體存儲器的分類按與CPU的連接方式和用途分有：內存、外存。半導體存儲器按存取功能分只讀存儲器ROM（程序存儲器）ROM、PROM、EPROM、EEPROM隨機存儲器RAM特點讀寫速度快（數據存儲器）。.存儲器的主要性能：存儲器的容量存儲器芯片的容量，存儲單元數X數據位數存取的速度。低速存取時300ms以上。中速存取時100?200ms以上，超高速存取時已小于20ms.存儲器的選擇型號的選擇：ROM我們選擇EPROMRAM我們選擇SRAM（注意選擇的存儲器引腳要能兼容）存儲器芯片容量的選擇速度的選擇14CPU可能提供的讀寫時間＞存儲器芯片所要求的讀取時間.常用的存儲器芯片a、常用的程序存儲器ROM芯片及其引腳的功能EPROM芯片，典型的有2716、2732、2764、27128、這里我們選用的是EPROM2764芯片它的容量8KBX8讀取時間為250ms引腳功能（28腳）下面介紹它的引腳功能：電源線Vcc+5v、Vpp編程的電源線、GEND——接地數據線8條D0?D7地址線13條A0?A12控制線CE片選端線（或片選信號線，低電平有效）°E 數據輸出選通信號線，低電平有效PGM編程冒充輸入端。只對8751有效b、常用的RAM芯片及其引腳功能常用的有SRAM6116、6264這里我們選用的是6264下面介紹它的引腳功能，讀取時間為250ms,28腳雙列直接封裝的芯片電源線Vcc、GND地址線13腳A0?A12數據線8腳D0?D7控制線CE1（CS1）片寫信號線（片選端）尸2片寫信號線（片選端）OE讀控信號線低電平有效WE寫控信號線低電平有效.存儲器擴展的常用芯片地址存儲器為什么要用地址存儲器P0地址/數據復用常用地址鎖存器74LS-373、74LS-273等芯片我們這里選用的是74LS373下面介紹74LS-373鎖存器引腳功能20腳電源線VccGND輸入輸出線輸入線D0?D7輸出線Q0?Q715控制線a，0E片選端線當°E=o時鎖存輸出，當°E=1時輸出成高阻態b'G-鎖存線 當G=0時D0~D7的信息輸入Q0~Q7的低,8為地址鎖存到鎖存器中，當G=1時鎖存器輸出端(Q0~Q7)狀態和輸入,端D0~D7狀態相同程序器的擴展(1)①類型②容量③速度。MCS-51芯片(8301)用晶體頻率為12Hz=240ms(2)擴展的方法①擴展一片，EPROM(擴展8個KB)包括地址線，控制線，數時季其中控制線包見地址鎖存ALE、片選端CE、輸出允許端OE②兩片16KBEPROM數據存儲器的擴展數據存儲器的擴展跟地址存儲器差不多，我們需要注意下面幾點引腳的功能就可以了CS1、CS2、CS22、OE、WE就可以了。在這里不詳細介紹了。存儲器地址空間的分配線選法一一線選法尋址譯碼器選址a'部分譯碼法b.全部譯碼法I/O接口的擴展1)概述簡單I/O接口的擴展通過可編程通用I/O擴展芯片來擴展通過用行口來擴展簡單I/O口擴展我們采用總線擴展法、或不可編程芯片擴展采用普通TTL芯片擴展構成輸出口時，接口芯片應該具有鎖存的功能16構成輸入口時，接口芯片應該具有三態緩沖和鎖存功能擴展入口的典型芯片有：74LS373、244、245擴展出口的典型芯片有：74LS372、273?74LS245-一三態邏輯緩沖器，總線雙向擴展芯片電源線Vcc、GND輸入輸出線A0~A7、BO-B7控制線CE一片選端，低電平有效。DIR一方向控制端當ce=0時、DIR=0,數據從A-B當「=0時、DIR=1時，數據從B—A③74LS244一三態邏輯緩沖器總線單向擴展芯片它的引腳有：1A1-1A4 2A1-2A41Y1~1Y4 2Y1~2Y4用無G2控制CE1CE2?74LS273—8D鎖存器輸入線D0~D7輸出線Q0~Q7控制線CLK一選通端CLRT上端P2.6和RD同時有效時，通過244輸入按鍵的數據P2.7和WR同時有效時，273輸出數據顯示2）利用專用芯片來擴展（8155可編程多功能芯片I/O的擴展）0.8155引腳功能8155片內含有256個字節RAM1個14位定時/數據器和兩個8位，一個16位可編程并行I/O口多功能通用接口芯片8155/8156都是40腳雙列直接封裝②.引腳功能電源線Vcc、Vss地址/數據線AD0~AD7。ALE=1時輸出的是地址，ALE=0時或其它是數據③端口線PA0~PA7、PB0~PB7、PC0~PC5④控制線ALE地址鎖存線IO/M—IO與存儲器選擇線。當IO/M為高電平時作17I/O口用當IO/M為低電平時，作存儲器用（數據）片選端CE/CECE低電平有效（8155） CE（8156）高電平有效讀寫線RDWRRST一信號傳入復位端定時TiMIN輸入TiMOUT輸出3.8155工作方式作片外RAM—IO/M=0時用做擴展I/O使用一IO/M=1時作定時數據器用.8155與單片機的連接詳細情況見所畫電路圖8255可編程擴展并行I/O接口0.8255結構特點（可編程通用并行的輸入輸出標準的借口芯40腳雙列直接封裝由單一的+5v電源供電有三個8位并行I/O口PA、PB、PC口具有三種工作方式使用靈活方便通用性強②.8255引腳功能電源線Vcc、Vss、GND數據線：數據輸入線D0?D7數據輸出線PA0?PA7 PB0?PB7_數據信號線PC0?PC7尋址線CS、A0和A1CS片選線低電平有效A0和A1地址線與對應的地址總線相連（AO/A1）@.8031與8255相連，這里不在重復，詳細見電路圖5.6鍵盤及鍵盤接口設計鍵盤可分為：①獨立式鍵盤、②矩陣式鍵盤、③撥碼式鍵盤。工作方式可分為：①掃描式，②中斷式：編程掃描式、定時掃描式1）、獨立式鍵盤及鍵盤設計0.按鈕相互獨立，每個按鍵個接一根輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀態不會影響其它輸入線上的工作狀態。它有其優點與缺點18優點：配置靈活，軟件結構簡單缺點：每個按鍵需要一口線②.用擴展I/O接口來搭獨立式鍵盤采用8155或8255擴展I/O來搭接獨立式鍵盤采用TTL芯片2）、矩陣式鍵盤及鍵盤接口設計.矩陣式鍵盤工作原理。由行線和列線組成.矩陣式鍵盤工作方式。掃描方式（循環掃描和定時掃描）、中斷方式◎.用擴展I/O接口來搭接本設計采用矩陣式鍵盤矩陣式鍵盤適用于按鍵較多的場合，它由行線和列線組成，按鍵位于行、列交叉點上。如一個4X4的行、列結構可以構成一個含有16個按鍵的鍵盤等等。在按鍵數量較多時，矩陣鍵盤比獨立鍵盤節省了很多I/O口。按鍵設置在行、列線分別連接到按鍵開關兩端。行線通過上拉電阻接到+5V上。平時無按鍵動作時，行線處于高電平狀態，而當有按鍵按下時，行線電平狀態將由此行線相連的列線電平決定。列線電平如果為低，則行線電平為低；列線電平為高，則行線電平亦為高。這一點是識別矩陣鍵盤按鍵是否按下的關鍵所在。由于矩陣鍵盤中行、列線為多鍵共用，各按鍵均影響該鍵所在的行和列電平。所以，必須將行、列線信號配合起來并作適當的處理，才能確定閉合鍵的位置。對于矩陣式鍵盤，按鍵的位置由行號和列號唯一確定，所以分別對行號和列號進行二進制編碼，然后將兩值合成一個字節，高4位是行號，低4位是列號將是非常直觀的。顯示器接口設計在單片機系統中，常用的顯示器有：發光二極管顯示器，簡稱LED。LED顯示塊由發光二極管顯示字段組成，有7段和“米”字型之分，一片顯示塊顯示一位字符。共陰極 LED顯示塊的發光二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地，當某個發光二極管的陽極為高電平時，發光二極管點亮，相應的段被顯示。由于7段LED顯示塊有7個段發光二極管，所以其字形碼為一個字節；“米”字形LED顯示塊有15段發光二極管，所以享形碼為兩個字節。由n片LED顯示塊可拼接成n位LED顯示器，共有n根位選線和8Xn根段選線，根據顯示方式不同，位選線和19段選線的連接也各不相同，段選線控制顯示字符的字型，而位選線則控制顯示位的亮、暗。LED顯示器有靜態顯示和動態顯示兩種方式。在多位LED顯示時，為了節省I/O口線，簡化電路，降低成本，一般采用動態顯示方式。動態顯示方式是一位一位地分別輪流點亮各位顯示器，對每位顯示器來說，每隔一段時間輪流點亮一次。顯示器的亮度既與導通電流有關，也與點亮和熄滅時間的比例有關。這種顯示方式將七段LED顯示器的所有段選位并聯在一起，由一個8位I/O□控制，實現各位顯示器的分時選通。下圖是LED顯示器采用共陰極方式，6個顯示器的段選碼由8155的PB口提供，位選碼由8155的PA口提供（PA口同時也提供行列式未編碼鍵盤的列線），行列式未編碼鍵盤的行線由PC口提供。圖中設置了36個鍵。如果繼續增加PC口線，設全部PC口線（PC0-PC5）用作鍵盤的行線，全部PA口線（PA0-PA7）作鍵盤列線，則按鍵最多可達8X6個。下圖中8155的PB口掃描輸出總是只有一位為高電平，即PB口經反相后僅有一位公共陰極為低電平，8155的PA口則輸出相應位（PB口輸出為高對應的位顯示器）的顯示數據，使該位顯示與顯示緩沖器相對應的字符，而其余各位均為熄滅，依次改變8155的PB口輸出為高的位，PB口輸出對應的顯示緩沖器的數據。20

vvvvvvvv100QX8+5VABCDEFGH30063037383912529373839125293031323334353621222324252627285.1KQX6+5V圖5-2顯示器接線圖步進電機控制電路Title環行分配器Size Number.常用的環行分配器：三相、四相、五相、六相。 B,在本次設計中，X向及Y向均選用的是YB015環行 Daee:29-等粒52 3 4 5分配器」8腳雙列直插。E0：先通輸控制，低電平有效，用來控制分配器是否輸出孫許脈皿。R：清零端低電平有效，輸出脈沖前對環行分配器必須清零，使分配器正常工作。21

A0、A1通電方式控制端當A0、A1=0分配器以五相五拍工作當A0=0、A1=1五相雙五拍工作當A0=1、A1=0五相雙五拍工作E1E2選通輸入控制，低電平有效Ep一時鐘電路脈沖輸入端Ep一時鐘電路脈沖輸入端* U二ITS 導城 U二圖5-3步進電機控制電路」不行之配器與8031,步進電機連接①占、豆兩個輸入控制端，低電平有效。②A0、A1通電方式控制端。A0、A1=0時四相四拍，應接地③E0是選通輸出控制端，由8031、P11、P14來控制④+△、-△方向控制端，由8031PA0P13來控制⑤CP時鐘脈沖輸入端，由8155上TimOUT提供⑥R清零端，由8031P15提供3)步進電機開環驅動原理22每輸入一個脈沖，步進電機就前進一步，因此，它也稱作脈沖電動機.其種類很多，但主要分三大類：反應式步進電動機，永磁式步進電動機,以及永磁感應式步進電動機.反應式電動機結構最簡單，是應用最廣泛的一種.按控制繞組的相樹分有三相，四相，五相，六相等等.無論哪種步進電動機，他們的工作原理都有相同之處：數字式脈沖信號控制定子磁極上的控制繞組，按一定順序依次通電，在頂子和轉子的氣隙間形成步進式的磁極軸旋轉.步進電動機主要用于開環系統，當然也可以閉環系統.下圖是步進電動機開環伺服系統的原理圖，它由以下幾部分組成：分配后的 放大后的步進電機開環伺服系統原理5-4步進電機開環伺服系統原理脈沖信號源一一是一個脈沖發生器，通常脈沖頻率連續可調,送到脈沖分配器的脈沖個數和脈沖頻率由控制信號控制.因脈沖頻率可調，也稱為變頻信號源.脈沖分配器一一脈沖按一定的順序送到功率放大器中進行放大，驅動步進電動機工作.用硬件進行脈沖順序的分配，有時稱為環行分配器，也簡稱環分.功率放大器一一將脈沖分配器送來的脈沖放大，使步進電動機獲得必要的功率.步進電動機——伺服系統的執行元件，它帶動工作機構，如減速裝置，絲桿，工作臺.脈沖分配對每一個五相步進電動機而言，其脈沖分配方式是五相十拍的的.其五相分別用A,B,C,2D,E表示.五相十拍的運行方式3是A—AB—B—BC—C—CD—D—DE—E—EA順序輪流通電，則轉子便順時針方向一步一步轉動.要改變步進電動機的23轉動方向，只需改變通電的順序即可.脈沖分配器是將脈沖電源按規定的通電方式分配到各相，該分配可由硬件來實現.在微機控制中，脈沖的分配也可由軟件來完成，Pl.O,Pl.l,Pl.2,Pl.3,P1.4五位分別輸出時序脈沖，經光電隔離、驅動放大使步進電機運轉.延時的長短決定了步進電動機運行一拍的時間，也就決定了步進電機的轉速.4）驅動電路由微機根據控制要求發出的脈沖，并依次將脈沖分配到各相繞組，因其功率很小，電壓不足5V,電流為mA級，必須經過驅動器將信號電流放大到若干安培，才能驅動步進電動機.因此，步進電機驅動器實際上是一個功率放大器.驅動器的質量直接影響步進電動機的性能，驅動器的負載是電機的繞組，是強電感應負載.對驅動器的主要要求是：失真要小，要有較好的前后沿和足夠的幅度；效率要高；工作可靠；安裝調試和維修方便.下圖是一個La繞組的高低壓驅動電路，脈沖變壓器Tp組成高壓控制電路。圖5-5步進電機高低電壓驅動電路24無脈沖輸入時，T1,T2,T3,T4均截止，電機繞組La中無電流通過，電機不轉.有脈沖輸入時，T1,T2,T4飽和導通，在T2由截止到飽和期間，具集電極電流也就是脈沖變壓器的初級電流急速增加，在變壓器次級感應一個電壓，使T3導通，80V高壓經高壓管T3加到繞組La上，使電流迅速上升，約經數百微妙，當T2進入穩壓狀態后，Tp初級電流暫時恒定，次級的感應電壓降到0,T3截止，這時12V低壓電流經D2加到繞組La上，維持La中的電流為恒定值.輸入脈沖結束后，T1,T2,T3,T4又均截止，儲存在La中的能量通過18Q的電阻和二極管泄放，18Q的電阻的作用是減小放電回路的時間常數，改善電流波形后沿.由于采用高低壓驅動，電流增長快，電機的力矩和運行頻率都得到改善，但由于電機轉動時產生的反電動勢，使電流波形頂部下凹，使平均電流下降，轉矩下降.5）.光電隔離電路設計為了避免外部設備的電源干擾，防止被控對象電路的強電反竄，通常采取將微機的前后向通道與被連模塊在電氣上的隔離的方法。過去通常隔離變壓器或中間繼電器來實現，而目前已廣泛被性能高、價格低的光電耦合器來代替。光電耦合器是把發光元件與受光元件封裝在一起，以光作為媒體來傳輸信息的。具封裝形式有管形，雙列直插式、光導纖維連接等。發光器件一般為神化錢紅外發光二極管。光電耦合器具有以下特點：信號采取光電形式耦合，發光部分與受光部分無電氣回路，絕緣電阻高達1010-1012Q,絕緣電壓為1000-5000V,因而具有極高的電氣隔離性能，避免輸出端和輸入端之間可能產生的反饋和干擾。由于發光二極管是電流驅動器件，動態電阻很小，對系統內外的噪聲干擾信號形成低阻抗旁路，因此抗干擾能力強，共模抑制比高，不受磁場的影響，特別是用于長線傳輸時作為終端負載，可以大大地提高信噪比。光電耦合器可以耦合零到數千赫的信號，且響應速度快（一般為幾毫秒，甚至少于10ns）,可以用于高速信號的傳輸。下圖的光電耦合器是采用硅光電二極管作受光元件。其 CTR25為10%-100%,脈沖上升和下降時間小于5^s,輸出電路飽和壓降小(0.2V-0.3V),電路構件簡單，是目前應用較多的一種，主要用于驅動TTL電路、傳輸線隔離、脈沖放大等。晶體管輸出型的光電耦合器用于開關信號耦合時，發光二極管和光電晶體管平常都處于關斷狀態。在發光二極管通過電流脈沖時，光電晶體管在電流脈沖持續的時間內導通。下圖是使用4N25光電耦合器的接口電路，這里