四工位立式回转刀架

精选优质文档-倾情为你奉上目 录第1章 设计任务31.1 设计总体任务31.2 设计参数31.3 设计内容31.4 设计任务3第2章 概述4第3章 总体设计方案53.1 减速传动机构的设计53.2 上刀锁紧与精定位机构的设计53.3 刀架抬起机构的设53.4自动回转刀架的工作原理5第4章 数控车床回转刀架机械部分设计84.1 蜗杆副的设计计算84.1.1蜗杆的选型84.1.2蜗杆副的材料84.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计84.2滚动轴承的选项104.2.1概述104.2.2滚动轴承的选型114.2.3滚动轴承的配合114.2.4滚动轴承的密封11第5章 电气控制部分设计125.1 中央处理单元MS-89C51125.1.1 MCS-51单片机的结构和工作原理125.1.2 MCS-51单片机的工作方式155.2端口扩展单元8255的介绍175.3 键盘显示接口8279介绍 245.4 硬件电路设计255.5 控制软件设计27第6章 总结29第7章 参考文献30第1章 设计任务一设计任务题目：数控车床自动回转刀架机电系统设计任务：设计一台四工位的卧式自动回转刀架，适用于C616或C6132经济型数控车床。二设计参数推荐刀架所用电机的额定功率为90W，额定转速为1440r/min, 换刀时要求刀架转动的速度为30r/min。三设计内容1.总体结构设计2.主要传动部件的设计计算3.电气控制部分设计1）硬件电路设计2）控制软件设计4.编写设计说明书四设计任务1.模拟整体设计方案2.机械结构装配图一张（A0图）3.控制系统设计要求完成一张A1图纸的硬件电路设计工作，设计控制系统的主要软件流程，对RAM和I/O接口芯片进行详细编程。4.设计说明书要求清楚地叙述整个设计过程和详细的设计内容，包括总体方案的分析，比较和确定机械系统的结构设计，主要零部件的计算与选型，控制系统的电路原理分析，软件设计的流程图以及相关程序等。撰写的内容不少于7000字符，要求内容丰富，条理清晰图文并茂，符合国标。该题目由多人合作完成每个人要适当分工，每个人的工作内容都要有不同的侧重点并在设计说明书中注明，对于自己侧重的部分要详细的进行论述。 五时间分配1.分析研究设计任务，总体方案论证设计：2-3天；2.机械系统设计：5-6天；3.控制系统设计：4-5天；4.软件设计：1-2天；5.编写设计说明书：2-3天;6.整理资料及答辩：1天。第2章 概述 设计一台四工位的卧式自动回转刀架，适用于C616或C6132经济型数控车床。要求绘制自动回转刀架的机械结构图，设计控制刀架自动转位的硬件电路，编写刀架的控制软件，推荐刀架所用的电动机的额定功率为90W，额定转速为1440 r/min，换刀时要求刀架转动的速度为30 r/min。 经济型数控是我国80年代科技发展的产物。这种数控系统由于功能适宜，价格便宜，用它来改造车床，投资少、见效快，成为我国“七五”、“八五”重点推广的新技术之一。十几年来，随着科学技术的发展，经济型数控技术也在不断进步，数控系统产品不断改进完善，并且有了阶段性的突破，使新的经济型数控系统功能更强，可靠性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。由于这项技术的发展增强了经济型数控的活力，根据我国国情，该技术在今后一段时间内还将是我国机械行业老设备改造的很好途径。对于原有老的经济型数控车床，特别是80年代末期改造的设备，由于种种原因闲置的很多，浪费很大；在用的设备使用至今也十几年了，同样面临进一步改造的问题通过改造可以提高原有装备的技术水平，大大提高生产效率，创造更大的经济效益。第3章 总体方案设计3.1传动机构的减速设计 普通的三相异同步电动机因转速太快，不能直接驱动刀架进行换刀，必须经过适当的减速。根据立式转位刀架的结构特点，采用蜗杆副减速是最佳选择。蜗杆副传动可以改变运动的方向，获得教大的传动比，保证传动精度和平稳性。并且具有自锁功能，还可以实现整个装置的小型化。3.2 上刀锁紧与精定位机构的设计 由于刀具直接安装在刀体上，所以刀体要承受全部的切削力，其锁紧与定位的精度将直接影响工件的加工精度。本设计上刀体的锁紧与定位机构选用端面齿盘，将上刀体与下刀体的配合面加工成梯形端面齿。当刀架处于锁紧状态时，上下端面齿相互啮合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动；换刀时电动机正转，抬起机构使上刀体抬起,等上下断面齿脱开后，上刀体才可以绕刀架中心轴转动，完成转位动作。3.3 刀架抬起机构的设计 要想使上下刀体的两个断面齿脱离，就必须设计合适的机构使刀体抬起。本设计选用螺杆螺母副，在齿盘轴内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆蜗轮带动齿盘轴绕中心轴转动时，作为螺母的齿盘轴要么转动，要么上下移动。当刀体处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的断面相互啮合，因为这时齿盘轴不能与蜗轮一起转动，所以蜗轮的转动会使上刀体向上移动，当端面齿脱离啮合时，齿盘轴就与蜗轮一起转动。 设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当蜗轮转动一定角度时，使得上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。3.4 自动回转刀架的工作原理自动回转刀架的换刀流程图如下图 1所示图2表示自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置。其中上部的圆柱销2和下部的反靠销6起着重要的作用。当刀架处于锁紧状态时，两销的情况如图a所示，此时反靠销6落在反靠圆盘7的十字槽内，上刀体4的端面齿和下刀体的端面齿处于咬合状态需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三相异步电动机正向旋转，通过蜗杆副带动螺杆正向转动，与蜗杆配合的上刀体4逐渐抬起，上刀体4与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；于此同时，上盖圆盘1也随着螺杆正向转动(上盖圆盘1通过圆柱销与螺杆连接)当转过约170时，上盖圆盘1直槽的另一端转到圆柱销2的正上方，由于弹簧3的作用，圆柱销2落入直槽内，于是上盖圆盘1就通过圆柱销2使得上刀体4转动起来（此时端面齿已经完全脱开）如图b所示上盖圆盘1，圆柱销2以及上刀体4在正转的过程中，反靠销6能够从反靠圆盘7中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体4寻找刀位时的正向转动，如图c所示上刀体4带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，上盖圆盘1通过圆柱销2带动上上刀体4开始反转，反靠销6马上就会落入反靠圆盘7的十字槽内，至此。完成粗定位，如图d所示。此时，反靠销6从反靠圆盘7的十字槽内爬不上来，于是上刀体4停止转动，开始下降，而上盖圆盘1继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销2的头部压入上刀体4的销孔内，之后，上盖圆盘1的下表面开始与圆柱销2的头部滑动。在此期间，上，下刀体的端面齿逐渐咬合，实现精定位。当蜗杆转动产生轴向位移，压缩弹簧，套筒的外圆压缩开关使刀架电动机停转，整个换刀过程结束。由于蜗杆副有自锁功能，所以刀架可以稳定的工作。刀架电动机正转螺杆正转上盖圆盘正转上刀体抬起端面齿错开圆柱销落入上盖圆盘反靠端面齿啮合上刀体下降 粗定位上刀体旋转到位回答电动机反转螺杆反转电动机停转自动锁紧精定位 图1自动换刀流程 a b c d图2刀架转位过程中销的位置a)换刀开始时，圆柱销2与上盖圆盘1可以相对滑动。b)上刀体4完全抬起后，圆柱销2落入上盖圆盘1的槽内，上盖圆盘1将带动圆柱销2及上刀体一起转动。c)上刀体4连续转动时，反靠销6可以从反靠圆盘7的槽左侧斜坡滑出。d)找到刀位时，刀架电动机反转反靠销6反靠，上刀体停转，实现粗定位。1.上盖圆盘 2. 圆柱销 3.弹簧 4.上刀体 5.圆柱销 6.反靠销 7.反靠圆盘第4章 数控车床自动回转刀架机械部分设计4.1 蜗杆副的设计计算自动回转刀架的动力源是三相异步电动机，其中蜗杆与电动机直连，刀架转位时蜗轮与上刀体直连。已知电动机的额定功率 P190W，额定转速n11440r/min，上刀体设计转速n230r/min，则蜗杆副的 传动比i=n1/n21440/30=48。刀架从转为到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，起动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命Lh10000h 。4.1.1蜗杆的选型 GB/T100851988推荐采用渐开线蜗杆（ZI蜗杆）和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）。本设计采用结构简单，制造方便的渐开线型圆柱蜗杆（ZI型）。4.1.2蜗杆副的材料 刀架的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC，以提高表面耐磨性；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜ZCUSN10P1，采用金属模铸造。4.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计 刀架中的蜗杆副采用闭式传动，多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，在进行承载能力计算时，先按齿面接触强度进行设计，在按齿根弯曲疲劳程度校核。 按蜗轮的 接触疲劳强度条件设计计算公式为 a 式中 a -蜗杆副的传动中心距，单位为mm; K -载荷系数；T2-作用在蜗轮上的转矩T2，单位Nmm； ZE-弹性影响系数，单位Mpa1/2 ZP-接触系数； -需用接触应力，单位为MPa 从式中算出蜗杆副的中心距a之后，根据已知的传动比i=48，从表中选择一个合适的中心距a值，以及相应的蜗杆 蜗轮参数。（1） 确定作用在蜗轮上的转矩T2 设蜗杆头数Z11，蜗杆副的传动效率取=0.8。有电动机的额定功率P1=90W，可以算得蜗轮的传递功率P2P1,再由蜗轮的转速n230r/min 求得作用在蜗轮上的转矩 ： T2 9.559.559.55Nm=22.92Nm(2) 确定载荷系数K 载荷系数KKAKBKV.其中的KA为使用系数，由查表1得出，由于工作载荷不均匀，起动时冲击较大，因此取KA1.15；KB为齿向载荷分布系数，因工作载荷在起动和停止时有变化，故取KB1.15；KV为运动系数，由于转速不高，冲击不大。可取KV1.05。则载荷系数 ： KKAKBKV1.151.151.051.39（3）确定弹性影响系数ZE 铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从有关手册查得弹性影响系数ZE 160Mpa1/2 。（4）确定接触系数 Zp 先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值d1/a=0.35，从图1中可差得接触系数Zp2.9。图-1-圆柱蜗杆传动接触系数Zp（5）确定需用接触应力 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCUSN10P1金属模铸造、蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，可从表2中差得蜗轮的基本需用应力 268Mpa。已知蜗杆为单头，蜗轮每转以转时每个轮齿啮合的次数 j=1；蜗轮转速n230r/min;蜗杆副的使用寿命Lh=10000h. 则应力循环次数 : N=60jn2Lh=6013010000=1.8107 寿命系数 : KHN=0.929 需用接触应力 = KHN=0.929 268Mpa249Mpa表-2-铸造锡青铜蜗轮的许用应力 (6) 计算中心距 将以上各参数代入式a ,求得中心距 : a 48mm 查表3可知,取中心距a=50mm,已知蜗杆头数z1=1,设模数m=1.6mm,得蜗杆分度圆直径d1=20mm.这时d1/a=0.4,由图1得接触系数 ZP1 =2.74.因为ZP1 Zp,所以上述计算结果可用. 表-3-普通圆柱蜗杆基本尺寸和参数及其蜗轮参数的匹配（7）蜗轮蜗杆的主要参数与几何尺寸 由蜗杆和蜗轮的基本尺寸和主要参数, 算得蜗杆和蜗轮的主要几何尺寸后,即可绘制蜗杆副的工作图了.1） 蜗杆参数与尺寸 头数Z1=1，模数m=1.6mm,轴向齿距Pa=m=5.027mm,轴向齿厚Sa=0.5m=2.514mm,分度圆直径d1=20mm,直径系数q=d1/m=12.5,分度圆导向角Y=arctan(z1/q)=43426.取齿顶高系数ha=1,径向间隙系数c=0.2,则齿顶圆直径da1=d1+2ha*m=20mm+2*1*1.6mm=23.2mm,齿根圆直径df1=d1-2m(ha+c)=d1-2m(ha+c)=20-2*1.6*(1+0.2)mm=16.16mm 2） 蜗轮参数与尺寸 齿数Z2=48,模数m=1.6mm,分度圆d2=mz2=1.6*48mm=76.8mm,变位系数x2=a-(d1+d2)/2/m=1,蜗轮喉圆直径为da2=d2+2m(ha+x2)=83.2mm,蜗轮齿根圆直径df2=d2-2m(ha-x2+c)=76.16mm,蜗轮咽喉母圆半径rg2=a-da2/2=8.4mm. (8) 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 即检验下式是否成立 : 式中 蜗轮齿根弯曲应力,单位为Mpa; 蜗轮齿形系数; 螺旋角影响系数; 蜗轮的许用弯曲应力,单位为Mpa. 由蜗杆头数z1=1,传动比i=48,可以算出蜗轮齿数z2=iz1=48. 则蜗轮的当量齿数 Zv2= =48.46 根据蜗轮变位系数x2=1和当量齿数zv2=48.46,查图2可得齿形系数=1.95 图-2-蜗杆齿轮系数 螺旋角影响系数: =1-=0.967 根据蜗轮的材料和制造方法,查表4可得蜗轮基本许用弯曲应力; =56MPa表-4-蜗轮的基本许用弯曲应力 蜗轮的寿命系数: KFN =1.725 蜗轮的许用弯曲应力: =KFN =40.6Mpa 将以上参数代入式,得蜗轮齿根弯曲应力: 37.4Mpa 可见 ,蜗轮齿根的弯曲强度满足要求.4.2滚动轴承的选项4.2.1概述滚动轴承是现代机器中广泛应用过的部件之一。它是依靠主要元件的滚动接触来支撑转动零件的。与滑动轴承相比，滚动轴承摩擦力小，功率消耗少，启动容易等优点。并且常用的滚动轴承绝大多数已经标准化，因此使用滚动轴承时，只要根据具体工件条件正确选择轴承的类型和尺寸。验算轴承的承载能力。以及与轴承的安装、调整、润滑、密封等有关的“轴承装置设计”问题。4.2.2滚动轴承的选型考虑到轴各个方面的误差会直接传递给加工工件时的加工误差，因此选用可以同时承受径向载荷及轴向载荷的角接触球轴承，安装时可调整轴承的游隙。然后根据安装尺寸和使用寿命选出轴承的型号分别为：7204C、51106、51107。轴承的游隙和预紧时靠端盖下的垫片来调整的，这样比较方便。4.2.3滚动轴承的配合滚动轴承是标准件，为使轴承便于互换和大量生产，轴承内孔于轴的配合采用基孔制，即以轴承内孔的尺寸为基准；轴承外径与外壳的配合采用基轴制，即以轴承的外径尺寸为基准。4.2.4滚动轴承的密封轴承的密封装置是为了阻止灰尘，水，酸气和其他杂物进入轴承，并阻止润滑剂流失而设置的。密封装置可分为接触式和非接触式两大类。唇形密封圈靠弯折了的橡胶的弹性力和附加的环形螺旋弹簧的紧扣作用而紧套在轴上，以便起密封作用。唇形密封圈封唇的方向要紧密封的部位。即如果是为了油封，密封唇应朝内；如果主要是为了防止外物浸入，密封唇应朝外。第5章 电气控制部分设计5.1 中央处理单元MS-89C515.1.1 MCS-51单片机的结构和工作原理(1)MCS-51内部资源及特点 1、内部资源MCS-51系列单片机的各种型号均是以8051为核心电路发展起来的。因此具有MCS-51的基本结构与软件特征。 8051内包括：适于控制应用的8位CPU；具有布尔处理（位处理）能力； 4KB程序存储器；128B数据存储器 32根双向并可以按位寻址的I/O线 1个全双工串行口I/O线； 2个16位定时计数器器； 6源/5向量中断结构，具有两个优先级；片内时钟振荡器2、性能特点 单片机为哈佛结构的计算机，除上述基本资源外，还具有如下特点：外部程序存储器：可扩展到64KB；外部数据存储器：可扩展到64KB；堆 栈：最深128B/256B；输入 / 输出口线：32根；寄 存 器 区：划出RAM中32B作为通用寄存器；具有位寻址功能；单一“+5V”电源； 系统时钟112 MHz，常用12MHz、11.0592MHz 和 6MHz。（2）MCS-51单片机基本结构内部结构简图如图2-1所示 包括：CPU、存储器（ROM、RAM）、I/O接口等计算机的基本组成。 （3）MCS-51外部引脚及功能、I/O接口电路1、外部引脚MCS-51共40个引脚，大致可分为四类，其管脚分布如图2-2所示。1）电源引脚VCC和VSSVCC：40脚，电源端，+5VVSS：20脚，接地端（GND）2）时钟电路引脚XTAL1：19脚，外接晶振输入引脚。XTAL2：18脚，外接晶振输出引脚。3）控制线引脚共4根，其中3根为双功能RST/VPD ：9脚，复位/备用电源。RST-通过外接复位电路实现上电复位或按键复位。VPD-可外接备用电源，在VCC掉电时向RAM供电。 /VPP ：31脚，内外ROM的选择/ EPROM编程电源。 =0：访问外部ROM； =1：访问内部ROM；PC值超过0FFFH（4KB）时，自动转向外ROM。 VPP -在8751片内EPROM编程期间，为21V编程电源输入端。 ALE/ ：30脚，地址锁存允许/编程脉冲。ALE-访问外ROM或RAM时，用来驱动地址锁存器锁存P0口分时送出的低8位地址（下降沿有效）。不访问外存储器时，该端以1/6时钟频率输出正脉冲，可用作为外部时钟。带8个LS型TTL门电路。- 8751片内EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。第29脚，读外部ROM选通信号，即该脚有效时（上升沿），外ROM允许输出。每个机器周期2次有效。从内部ROM取指时不产生。可带8个LS型TTL门电路。5) I/O引脚 P0口：P0.0P0.7，3932脚，外接存储器时作地址/数据分时 使用口线；不接外部存储器时，可用作为8位准双向 I/O口。 P1口：P1.0P1.7，18脚，8位准双向I/O口。P2口：P2.0P2.7，2128脚，8位准双向I/O口。外接存储器时，作为高8位地址总线。P3口：P3.0P3.7，1017脚，8位准双向I/O口，出于芯片引脚数的限制，P3口具有第二输出、输入功能。2 I/O接口电路 MCS-51单片机有4个8位并行I/O口，P0P3，共32根口线。每个端口都包括锁存器（即SFR：P0-P3）、输出驱动器、两个三态缓冲器以及控制电路 系统总线：地址总线（16位）：P0（地址低8位）、P2口（地址高8位） 数据总线（8位）：P0口（地址/数据分时使用）； 控制总线（6根）：P3口的第二功能、和9、29、30、31脚；供用户使用的端口：P1口、部分未作第二功能的P3口；P0口作地址/数据时，是真正的双向口，三态，负载能力为8个LSTTL电路；P1P3是准双向口，负载能力为4个LSTTL电路。P0P3在用作输入之前必须先写“1”，即：（P0）=FFH （P3）=FFH 。 （4）MCS-51单片机存储器结构 MCS-51存储器可分为五类：程序存储器、内部数据存储器、特殊功能存储器位寻址区、外部扩展的数据存储器和扩展I/O口. 1) 程序存储器ROM1、程序存储器作用及寻址范围作用：存放指令（程序）的存储器，用PC作地址指针。 寻址范围：0000FFFFH，共64KB；片内、片外统一编址。 片内：PC=00000FFFH；片外：PC=1000FFFFH； 2、ROM低端的几个特殊入口地址0000H：CPU开始执行指令时的第一个取指单元，每次执行时PC的内容总是0000H；0003H002B：中断专用固定入口地址（系统规定）； 一般：我们总是从ROM的0030H单元开始存放用户指令。 3、8031内部无程序存储器 由于8031无片内程序存储器，需外接，因此， 端必须 4、8051、8751内部有4KB ROM/EPROM外接低电平。 =0，使用外部程序存储器； =1，使用内部程序存储器4KB空间，当PC的值超过4KB范围时，自动转向外部程序存储器。 2) 数据存储器RAM 1、片内128字节的数据存储器可分为三部分 （1）工作寄存器区0区3区地址从00H1FH，共有32个字节。每8个字节（记作R0R7）构成一个区，共4个区。工作寄存器区的选择由程序状态字PSW中的RS1和RS0位的确定。在8051芯片复位后，系统自动指向工作寄存器0区。工作寄存器R0R7在编程中极为有用，它一般用作数据缓冲寄存器，如果不用作工作寄存器，这个区域中的32个字节可以直接按字节访问，作为数据存储器使用。（2）位寻址区该区域地址从20H到2FH，共16个字节，128位，使用指令可以寻址到位。对应的位地址为00H7FH。位地址的表示方法与片内RAM字节地址的表示方法一样，都是00H7FH，但字节操作指令与位操作指令不同，使用时应注意区分。位地址还有一种表示方法，即用它们的字节地址加位数来表示。例如：位08H0FH也可写成21.021.7等。其中，“.”之前为该位所在的字节地址，“.”之后为该位在该字节中的位号。位寻址区是布尔处理器的一部分，该区域的16字节均可按字节访问。（3）数据区地址从30H到7FH，共80个字节，可作为用户数据存储器，按字节访问。用户堆栈通常在该区域开辟。3) 特殊功能寄存器区SFR8051把CPU中的专用寄存器、并行端口锁存器、串行口与定时器/计数器内的控制寄存器等集中安排到一个区域，离散地分布在地址80HFFH范围内，这个区域称为特殊功能寄存器区SFR。特殊功能寄存器区共有128个字节，在物理上它和片内128字节RAM分别占有高128字节地址区域和低128字节地址区域，构成了连续的256个字节空间。在性质上它们都属于数据存储器。8051共有21个特殊功能寄存器，其中程序计数器PC在物理上是独立的。SFR区实际上定义了20个特殊功能寄存器，它们占据21个字节（DPTR占用两个字节）。访问特殊功能寄存器，只能使用直接寻址方式。该区域内的其它字节均无定义，访问它们是无意义的。5.1.2 MCS-51单片机的工作方式 MCS-51系列单片机共有复位、程序执行、低功耗、编程和校验四种工作方式，下面介绍前三种.复位方式1） 复位操作复位操作是单片机的初始化操作，单片机在进入运行前和在运行过程中程序出错或操作失误使系统不能正常运行时，需要进行复位操作。复位操作后，程序将从0000H开始重新执行，复位时特殊功能寄存器的状态如表2.6所示。除此之外，复位操作还使单片机的ALE和PSEN引脚信号在复位期间变为无效状态。2） 复位工作方式单片机对复位信号的要求：一是复位信号为高电平，二是复位信号有效持续时间不少于24个振荡脉冲（两个机器周期）以上。在这里特别要提醒的是，在一个应用系统中，如果有几片单片机同时工作，在程序上有连接关系，系统复位时，应确保每一片单片机同时复位。复位信号由单片机的RST引脚输入，复位操作有上电自动复位、按键复位和外部脉冲复位三种方式，见图2.5所示。随着单片机技术的发展，目前有些单片机内部带有看门狗电路，当程序进行出错或进入了无休止循环时，看门狗电路将利用软件强行使系统复位。 程序执行方式程序执行方式是单片机的基本工作方式。系统复位PC=0000H，程序从0000H开始执行，考虑到单片机存储器结构的特殊性（0003H-0002BH共四十个单元，预留用于中断程序），在0000H-0002H中放一条无条件转移指令，程序从指定的地址开始执行。配合程序调试，程序又可运行在单步、跟踪、全速运行三种执行方式。目前一般仿真器都提供了这三种程序执行方式。随着科学技术的发展，在线可编程（ISP）单片机已经走向应用，如STT89C58、AT89S51、AT89S52芯片，都具有在线可编程功能。低功耗工作方式MCS-51单片机有待机和掉电保护两种低功耗工作方式，单片机低功耗方式的设置是通过电源控制寄存器（PCON）的相关位来实现的。电源控制寄存器如下：MSB MSB LSBSMODGF1GF0PDIDLSMOD 波特率培增位，在串行通信时使用，用来辅助设置通信速度。GF1 通用标志位1。GF0 通用标志位0。PD 掉电方式设置位，PD=1，进入掉电工作方式。IDL 待机方式设置位，IDL=1，进入待机工作方式。PCON是一个8位的寄存器，不具备位寻址功能，设置任意一位都要通过字节寻址命令。如：进入掉电工作方式：MOV PCON，#02H 进入待机工作方式：MOV PCON，#01H待机工作方式(1）待机工作方式特征系统进入待机工作方式，CPU停止工作，与CPU相关的特殊功能寄存器和全部通用寄存器被“冻结”在原状态，此时振荡器仍在工作，中断功能继续存在。（2）进入待机工作方式设置要使系统进入待机工作方式，只要寄存器PCON中的IDL=1即可。指令 MOV PCON，#01H 实现待机工作方式设置。（3）退出待机工作方式在待机工作方式下，通过引入外中断信号的方法，使待机工作方式退出。单片机在响应外部中断时，PCON0位（IDL）被硬件自动清“0”。这样在中继服务程序中只要用返回指令（RETI）即可使系统恢复正常工作。 掉电工作方式（1）掉电工作方式的特征单片机进入掉电工作方式，只有内部RAM单元的内容被保存，其它一切工作都停止。（2）掉电工作方式设置 要使系统进入掉电工作方式，只要寄存器PCON中的PD=1即可。指令 MOV PCON，#02H 实现掉电工作方式设置。（3）掉电工作方式退出当电源恢复正常后，只要硬件复位信号维持10ms以上，即能使单片退出掉电保护工作方式。5.2端口扩展单元8255的介绍8255可编程并行输入/输出接口芯片是Intel公司生产的标准外围接口电路。它采用NMOS工艺制造,用单一5V电源供电,具有40条引脚,采用双列直插式封装。它有A、B、C3个端口共24条I/O线，可以通过编程的方法来设定端口的各种I/O功能。由于它功能强,又能方便地与各种微机系统相接,而且在连接外部设备时,通常不需要再附加外部电路,所以得到了广泛的应用。8255的内部结构:8255的内部结构如图51所示,由以下几部分组成。数据端口A、B、C 8255有3个8位数据端口,即端口A、端口B和端口C。编程人员可以通过软件将它们分别作为输入端口或输出端口，不过这3个端口在不同的工作方式下有不同的功能及特点，如表51所示。 图51 8255 的内部结构图A组和B组控制电路这是两组根据CPU的命令字控制8255工作方式的电路。它们的控制寄存器先接受CPU送出的命令字,然后根据命令字分别决定两组的工作方式,也可根据CPU的命令字对端口C的每1位实现按位“复位”或“置位”。 A组控制电路控制端口A和端口C的上半部(PC7PC4)。 B组控制电路控制端口B和端口C的下半部(PC3PC0)。 表51 8255 端口功能表 8255的芯片引脚8255是一种有40个引脚的双列直插式标准芯片,其引脚排列如图52所示。除电源(5V)和地址以外,其它信号可以分为两组： (1)与外设相连接的有：PA7PA0：A口数据线PB7PB0：B口数据线 PC7PC0：C口数据线 图52 8255 的芯片引脚图 (2)与CPU相连接的有： D7D0：8255的数据线,和系统数据总线相连。RESET:复位信号,高电平有效。当RESET有效时,所有内部寄存器都被清除,同时,3个数据端口被自动设为输入方式。片选信号,低电平有效。只有当有效时,芯片才被选中,允许8255与CPU交换信息。读信号,低电平有效。当有效时,CPU可以从8255中读取输入数据8255 的工作方式 8255有3种工作方式,即方式0、方式1和方式2,这些工作方式可用软件编程来指定。3种工作方式的传送示意图如图53所示。 图53 8255 的3种工作方式(a)方式0； (b)方式1； (c)方式2方式0(基本输入/输出方式) 这种工作方式不需要任何选通信号,A口、B口及C口的高4位和低4位都可以设定为输入或输出。作为输出口时,输出的数据均被锁存;作为输入口时,A口的数据能锁存,B口与C口的数据不能锁存。 方式1(选通输入/输出方式) 在这种工作方式下,A口可由编程设定为输入口或输出口,C口的3位用来作为输入/输出操作的控制和同步信号;B口同样可由编程设定为输入口或输出口,C口的另3位用来作为输入/输出操作的控制和同步信号。在方式1下A口和B口的输入数据或输出数据都能被锁存。 方式1下A口、B口均为输入,在方式1下,A口和B口均工作在输入状态时,需利用C口的6条线作为控制和状态信号线,其定义如图54(a)所示。 C口所提供的用于输入的联络信号有： (Strobe)：选通脉冲信号(输入),低电平有效。当外设送来信号时,输入的数据被装入8255的输入锁存器中。 IBF(InputBufferFull)：输入缓冲器满信号(输出),高电平有效。此信号有效时,表示已有一个有效的外设数据锁存于8255的口锁存器中,尚未被CPU取走,暂不能向接口输入数据,它是一个状态信号 INTR(InterruptRequest)：中断请求信号(输出),高电平有效。当IBF为高、 信号由低变高(后沿)时,该信号有效,向CPU发出中断请求。 方式1 数据输入过程如下：当外设的数据准备好后,发出信号,输入的数据被装入锁存器中，然后IBF信号有效(变为高电平)。 数据输入操作的时序关系如图55所示。 图54 方式1下的信号定义(a)A口、B口均为输入时；(b)A口、B口均为输出时 图55 方式1下的输入时序 方式1下A口、B口均为输出 与输入时一样,要利用C口的6根信号线,其定义如图54(b)所示。用于输出的联络信号有： (1) (Acknowledge)：外设响应信号(输入),低电平有效。 (2) (OutputBuffeFull)：输出缓冲器满信号(输出),低电平有效。 (3)INTR：中断请求信号(输出),高电平有效。 方式1下数据输出过程如下： 当外设接收并处理完1组数据后,发回响应信号。数据输出操作的时序关系如图56所示。应当指出,当8255的A口与B口同时为方式1的输入或输出时,需使用C口的6条线,C口剩下的2条线还可以用程序来指定数据的传送方向是输入还是输出,而且也可以对它们实现置位或复位操作。当一个口工作在方式1时,则C口剩下的5条线也可按照上述情况工作。 图56 方式1下的输出时序 方式28255只有A口具有这种双向输入输出工作方式,实际上是在方式1下A口输入输出的结合。在这种方式下,A口为8位双向传输口,C口的PC7PC3用来作为输入/输出的同步控制信号。在这种情况下,B口和PC2PC0只能编程为方式0或方式1工作,而C口剩下的3条线可作为输入或输出线使用或用作B口方式1之下的控制线。 图57 方式2下的信号定义 在方式2时,其输入输出的操作时序如图58所示。 1) 输入操作 当外设向8255 送数据时,选通信号STBATX-也同时送到,选通信号将数据锁存到8255A的输入锁存器中,从而使输入缓冲器满信号IBFA成为高电平(有效),告诉外设,A口已收到数据。选通信号结束时,使中断请求信号为高,向CPU请求中断。 2)输出操作CPU响应中断,当用输出指令向8255的A端口中写入一个数据时,会发出写脉冲信号。 图58 方式2下的时序图 8255与系统的连接由于8255是Intel公司专为其主机配套设计制造的标准化外围接口芯片,因此它与MCS-51单片机的连接是比较简单方便的。 一般来说,MCS-51单片机扩展的I/O接口均与片外RAM统一编址。由于单片机系统片外RAM的实际容量一般均不太大,远远达不到64KB的范围,因此I/O接口芯片大多采用部分译码的方法,而用得比较多的则是直接利用地址线的线选法。这种方法虽然要浪费大量的地址号,但译码电路比较简单。图510就是一种较常用的连接实例。 图510 8255 与8031的连接图510中,P0口为地址/数据复用口。数据通过P0口直接传送,地址的低8位是需通过锁存器74LS373得到的,而地址的高8位则由P2口传送。 现采用线选法,利用高8位地址线的P2.7作为线选信号,直接与8255A的片选端 相连,而A1、A0则与地址的最末2位相连。由图510所示接法,可得到8255A各个端口的地址,如表53所示。 表53 8255A各端口的地址 5.3 键盘显示接口8279介绍 8279的组成及引脚8279芯片有40条引脚，由单一+5V电源供电。它主要由以下几部分组成： (1) I/O控制和数据缓冲器； (2) 控制和定时寄存器及定时控制部分； (3) 扫描计数器； (4)回送缓冲器与键盘去抖动控制电路； (5)FIFO(先进先出)寄存器和状态电路； (6)显示器地址寄存器及显示RAM。 8279的引脚如图517所示，下面对引脚名称作简要说明。 DB0DB7:双向数据总线。A0：命令状态或数据选择线。A0=1，表示从DB0DB7线上传送的是命令或状态字；A0=0表示为数据。IRQ：中断请求线。SL0SL3:扫描线。可进行译码扫描(4选1)，也可进行编码扫描(16选1)，但要使用4-16译码器。若用3-8译码器的话，则扫描线为8选1。RL0RL7:回送线。内部有上拉电阻，从此线上得到键盘的回扫信号。 OUTA0OUTA3、OUTB0OUTB3:显示器刷新寄存器输出，与扫描线同步。 图517 8279引脚图 5.4 硬件电路设计 （1）自动回转刀架的电气控制部分主要包括收信电路和发信电路两大块,如图示收信电路 图a中,发信盘上的4只霍尔开关,都有三个引脚,第1脚接+12V电源,第2脚接+12V地,第3脚为输出.转位时刀台带动磁铁旋转,当磁铁对准某以个霍尔开关时,其输出端第3脚输出低电平;当磁铁离开时,第3脚输出高电平.4只霍尔开光输出的4个刀位信号T1-T4分别送到图b的4只光耦合器进行处理,经过光电隔离的信号再送给I/O接口芯片8255的PC4-PC7.（2）发信电路 图c为刀架电动机正反控制电路,I/O接口芯片8255的PA6A与PA7分别控制刀架电动机的正转与反转.其中KA1为正转继电器的线圈,KA2 为反转继电器的线圈.因刀架电动机的功率只有90W,所以图d中刀架电动机与380V市电的接通可以选用大功率直流继电器,而不必采用继电器-接触器控制电路,以节约成本,较低故障率.图c中,正转继电器的线圈KA1与反转继电器的一组常闭触点串联,而反转继电器的线圈KA2又与正转继电器的一组常闭触点串联,这样就构成了正转与反转的互锁电路,以防操作系统失控时导致短路现象.KA1与KA2的触点接通380V电压时,会产生较强的火花,并通过电网影响控制系统的正常工作,为此,在图d中布置了3对R-C阻容用来灭弧,以抑制火花产生. 电气化原理图a)发信盘上的霍尔元件 b）刀位信号的处理c)刀架电机正反转控制 d）刀架电动机正反转5.5 控制软件设计对于四工位自动回转刀架来说,它最多装4把刀具,设计控制软件,使其选中任意以把刀具 ,让其转到工作位置, 设控制系统的 CPU为AT89C51单片机,扩展8255芯片作为自动回转刀架的收信与发信控制,已知8255芯片的控制地址2FFFH，则汇编程序清单如下： T01: MOV DPTR, #2FFEH ;指向8255的PC口 MOVX A, DPTR ；读取PC口的内容 JNB ACC.4, TEND ；测试PC4=0?若是，则说明1#已在工作 位置，程序转到TEND MOV DPTR, #2FFCH ;指向8255的PA口地址 MOVX A, DPTR ;读取PA口锁存器的内容 CLR ACC.6 ;令PA6=0,刀架电动机正转有效 SETB ACC.7 ;令PA7=1,刀架电动机无效 MOVX DPTR, A ;刀架电动机开始正转 CALL DE20MS ;延时20msYT01: MOVX DPTR,#2FFEH ;指向8255的PC口 MOVX A, DPTR ;第二次读取PC口内容 JB ACC.4. YT11 ;PC4=0? CALL DE20MS ;延时20msYT21: MOV DPTR, #2FFEH ;指向8255的PC口 MOVX A, DPTR ;第三次读取PC口内容 JB ACC.4, YT21 ;PC4=0？ MOV DPTR,#2FFCH ;指向PC口