数控机床状态监控系统设计.doc

.毕 业 设 计(论文)精选word范本！题系目别数控机床状态监控系统设计机械工程系专业班级机械工程及其自动化 07K3 班学生姓名指导教师二一一年六月华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）数控机床状态监控系统设计摘要为了使数控机床加工过程安全、可靠、高效、高质量地进行，对加工设备进行状态监测就变得非常重要。本文分析了数控机床状态监测的主要内容，介绍了应用 AT89C51 单片机测量数控车床切削力和切削温度的方法，论述了设备状态监测系统的基本组成和状态监测系统实现的关键技术，并针对数控机床的加工过程，给出了数控机床状态监测系统实现的具体结构和系统的工作流程。重点阐述了单片机实现连续自动采样、A/D 转换的方法。给出了单片机测控系统的原理、结构及进行数据采集的部分程序。系统的结构主要包括单片机、传感器、滤波装置、放大电路、程序存储器、静态数据存储器、A/D 转换芯片、I/O 接口的扩展以及键盘和 LED 显示器接口。系统工作的流程图主要包括总体流程图、A/D 转换流程图以及 LED 显示器流程图。关键词：AT89C51 单片机；数控机床；状态监控；传感器I华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）CNC MACHINE TOOL CONDITIONMONITORING SYSTEM DESIGNAbstractCNC machining process in order to make safe, reliable, efficient and quality manner, theprocessing equipment condition monitoring becomes very important. This article describes theapplication of CNC lathes AT89C51 microcontroller measuring cutting forces and cuttingtemperature method, analysis of CNC machine tool condition monitoring of main content,discusses the basic equipment condition monitoring systems and condition monitoring systemcomposed of key technologies, and for CNC machine tools process, gives CNC machinecondition monitoring systems to achieve the specific structure and system workflow. SCMfocuses on the continuous automatic sampling, A / D conversion method. Shows the principle ofsingle-chip control system, structure and data collection part of the program.Structure of the system including the microcontroller, sensors, filtering device, amplifier,program memory, static memory, A / D conversion chip, I / O interface expansion and keyboardand LED display interface.Work flow system include the overall flow, A / D converter and LED displays flow chartflow chart.Keywords: AT89C51 microcontroller ;CNC machine; condition monitoring ;sensorsII华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）目录摘要 .IAbstract . II1 绪论 . 11.1 数控机床状态监控系统研究背景 . 11.2 国内外数控机床状态监控系统的研究现状 . 21.3 本课题所做的主要工作. 42总体设计. 52.1 系统的工作原理 . 52.2 系统的主要结构 . 52.3 切削力的计算 . 63.硬件设计. 103.1 系统硬件选型 . 103.1.1 单片机选型 . 103.1.2 单片机内存扩展选型. 133.1.3A/D 转换器选型 . 163.1.4 显示器选型 . 183.1.5 传感器选型 . 193.1.6 通讯模块选型 . 203.2.7 放大器电路设计 . 243.1.7 其他元器件的选型 . 254.软件设计. 294.1 系统的主流程图设计 . 294.2 A/D 转换流程图设计 . 294.3 LED 显示器流程图设计 . 315.总结 . 33参考文献 . 34附录 A数控机床状态监控系统总电路原理图 . 35致谢 . 36华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）1.绪论1.1 数控机床状态监控系统研究背景机床产业为国民经济发展的基础，同时也是装备制造业的重要部分。国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020 年）将“高档数控机床与基础制造装备”定为十六个科技重大专项之一。由于国家相关计划的一些支持，在数控机床关键技术研究方面，我国有了比较大的突破，创造了一批具有自主知识产权的研究成果以及相关的核心技术。主要为以下几个方面：1）中高档数控机床的开发取得了较大进展，其中，五轴联动、数字化设计和复合加工以及高速加工等一大批关键技术上取得了突破，自主研发了精密及超精密数控机床，大型、五轴联动数控加工机床等一大批高质量专业化机床，逐渐形成了一批批中档数控机床产业化基地。2）机床产业中关键功能部件的技术水平以及其制造质量每年都稳步提高，逐步完善其功能，其中部分性能指标已经能够接近国际先进水平，形成了一批具有自主知识产权的功能部件。分别开发出了高速主轴单元、高速导轨防护装置、直线电机、高速滚珠丝杠、重载直线导轨、数控转台、刀库与机械手、高速工具系统和数字化量仪等高性能功能部件样机，其中有一部分已经实现了小批量生产。3）中高档数控系统开发研究与应用目前已取得一定成果。我们通过自主研发和与国外开展技术层次的合作，在中档数控系统的开发和生产方面取得显著的进步。初步解决了远程数据传输、多坐标联动等技术困难；相继开发出交流伺服驱动系统和主轴交流伺服控制系统以适应数控系统的配套要求，从而形成了一系列规模化的产品。随着现代工业加工生产系统的规模日益壮大，各生产环节之间的联系也越来越密切，随之而来的是形成了具有整体关联的一系列生产链，渐渐的走向高效率、高速率、系统化以及自动化方向发展 。相对应的是数控机床故障问题的检测，状态监视和维护的费用有较大的上升。因此，若想大幅且高效的提高设备运行的安全性、可靠性，提高设备利用率，我们需要科学的设备状态监测系统。现在数控机床正朝着高速化、规模化、精密化的方向发展。当机床在高速度、高加速度、大位移、大载荷等非正常状况下工作的时候，振动、冲击、变形、高温、高压等因素将严重的影响到机床的进给系统，从而会引发丝杠、轴承、导轨、齿轮、涡轮蜗杆等相关的部件产生不同的故障，这将引起数控机床的运动误差、零部件的磨损，严重的还会引起意外停机的问题。所以对于机械设备状态监控和故障的诊断中，正确分析数控机床当前工作运行状态，并准确的预测出机床运行状态的相关发展趋势，为机床的整体维护以及工作目标提供指导依据是我们目前一个急需解决的问题。现在数控机床已经发展到较高的水平，尤其体现在在高速、高效、复合加工等方面，在批量生产中得到的应用也越来越频繁。那么相对应的，数控机床的工作性、可靠性的标准和要求也日益增高。究其原因是如果机床发生了故障而停产，那么其造成的损失是非常巨大的。举个简单明显的例子，大众汽车厂的发动机生产线，其工作运转非常精密，如果发生故障，停一日，那么大众汽车厂的损失将达到惊人的 1000 万元。可以看出，对数控机床的工作状态进行实时监控，是非常非常必要的。在这方面，很多的数控机床制造厂商在机床工作状态的监控方面，有大型的研究和开发，同时也取得了一些不错的成果。1华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）1.2 国内外数控机床状态监控系统的研究现状目前，国内很多机床监控系统本质为专用系统，开放性非常低，已不能满足当今制造业对发展的需求，是非常典型的属于工厂内部的 “自动化孤岛”。随着计算机软件技术的发展以及工业控制网络技术的普及，工厂自动化设备的互联这一目标得以逐渐实现。如今，很多科技工作者高度重视机床信息采集与监测技术研究等相关方面。1997 年大连机车厂引进了当时美国 ENTEKIRD 公司的状态维修系统，并探索了数控机床等关键性生产设备的状态维修，该厂为其机动处配备了故障诊断方面的专职工程师，同时建立了分为班组、车间、工厂的三级设备故障诊断网络，状态监控和故障诊断应用震动分析的方法，以进口数控机床为先导，因此设备维修完成了定期预防维修向状态维修这一转变。状态维修，其含义为在对设备进行状态监控的基础上，同时进行故障扫描，分析设备具体的运行状态，从而经过处理采取适当措的施来进行维修。相比于传统的定期维护，状态维修集科学性、合理性于一体，能给企业带来良好的的经济效益。与国外的差距：1）高端数控机床目前国内供应能力弱。近年来，我国机床行业取得了长足的发展，同时稳步提高数控化率，但目前凸显出的仍然是机床消费和生产的结构性矛盾。目前国内的情况是，中高档机床的需求量逐渐赶上甚至是超过低档机床。遗憾的是，国产数控机床大部分以低档为主，而高档数控机床绝大部分通过进口达到需要。2）自主创新能力不足。很长一段时间，我国机床制造业的基础技术研究工作大部分是在行业性的研究院内进行。这带来了以下缺点：技术创新投入不足，能力薄弱，低水平生产能力过剩，低下的自主创新能力，优秀人才的匮乏。国产数控机床制造商现阶段通过技术引进，国外采购等方式获得了一些先进数控技术，但从根本上说缺乏基础共性技术方面的研究，进而忽略了自主开发能力的培育，无法快速应对市场的响应。3）产品品质、可靠性以及服务能力不强。在质量、交货期和服务等方面，国产机床与国外著名品牌相比还有很大的差距。首先质量方面，数控系统的可靠性指标 MTBF， 国产与国际先进数控系统相差较大。国产数控车床、加工中心的 MTBF 与国际上先进水平也有较大差距。在交货期问题上，很大一部分企业由于任务重，工期紧而拖期交货。服务体系不完善体现在市场开拓、成套技术服务、及时反应能力无法满足市场快节奏和人性化的要求。4）功能部件发展滞后。数控机床是由各个功能部件（滚珠丝杠副、主轴单元及主轴头和数控伺服系统等）在机身等基础机架上装配而成的，作为数控机床的重要组成部分，功能部件非常重要。数控机床功能部件的发展与数控机床整体技术是互相依靠、协同合作的，因此，功能零部件的创新对于数控机床的发展起到非常重要的影响作用。我国对于数控机床的功能部件现已有一定规模， 2华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）电主轴、主轴单元和数控系统等也有各自专门的制造厂家，在这些中少数产品的制造水平已经离国际先进水平越来越接近。总体上看来我国机床功能部件品种少、发展延滞、产业化水平较低，精度指标和性能指标的综合情况还比较薄弱。现在，数控刀架、滚珠丝杠、电主轴等功能部件只能简单地满足中低档数控机床的相关配套的需求。可高速滚动功能部件、高档数控系统、高速精密电主轴等衡量数控机床水平的系统我国目前还依赖进口。我国数控机床的发展前景：以小型车制造业为代表的汽车及其零部件制造业、以航空航天为代表的高新技术产业的加速发展，这给机床制造业带来了巨大的机遇。同时，如果在摆脱对国外高档数控机床的依赖及垄断的同时，想要满足我国在重大基础制造和国防工业领域对高档数控机床的巨大需求，高档数控机床，高性能功能部件的关键技术是我们必须突破的。我国数控机床的发展目前导向需要以市场所需求为主，主机为牵引，关键部件与主机、数控系统与功能部件需要统筹考虑，推行数字制造；加速振兴我国机床制造业，需要以功能部件为基础，同时还需要以共性技术为支撑。1）提高数控机床产品的自主研发能力、制造能力。我国是一个制造业大国，必须快速平稳的提高数控机床及其相关产品的自主研发能力和制造能力。共性和关键技术攻关方面，我们则需要与数控机床和功能部件的基地建设来进行结合，当前主要目标为高档数控机床发展，提高国产数控系统以及关键功能部件的配套能力，提高整机可靠性和产业化水平，特别是要提高在国产中高档数控机床中的配套能力；同时还需要加强数控机床基础开发理论方面的研究、基础工艺技术研究、应用软件开发，更重要的是搞好行业标准和专利工作，以此为数控机床产业发展夯实基础。2）以功能部件为基础，以关键共性技术为支撑。数控系统、功能部件、关键部件是发展高档数控机床的基础，当前我国在这方面发展十分薄弱，已成为制约数控机床发展的瓶颈，必须加快发展，提高专业化、批量化生产技术水平和能力。产品的发展和自主创新能力的提高必须依赖于核心技术的掌握，依赖于共性技术的支撑。基础技术研究作为机床整体水平提高前提和保障，是机床设计的关键环节和基础部分，尤其对于我国机床行业迈向新的阶段，解决机床开发中低水平重复问题以及附加值低等瓶颈问题具有非常重要意义。3）加快技术引进与国际合作。为了较快得到领先的技术，企业可直接与国外知名企业和国外科研院所合资、合作，通过市场换技术，利用我们有限的资金来换取无限的发展，从而我们可以实现主流产品生产的高起点、成批量、专业化这一目的。加强引进技术的消化吸收进一步再创新是在引进与合作过程中需要注意的问题。在某些方面，我国与外国差距较大，如果国外先进技术有引进的可能，那么我们应该通过引进技术，加强消化吸收，从而实现再创新这一目的，以满足用户的需求。在技术基础较好的领域，利用我们现形成一定优势的技术，与用户结合，开发满足用户需要的产品，从而形成技术创新的能力，在原始创新上取得发展突破。3华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）现在数控机床正朝着高速化、规模化、精密化的方向发展。当机床在高速度、高加速度、大位移、大载荷等非正常状况下工作的时候，振动、冲击、变形、高温、高压等因素将严重的影响到机床的进给系统，从而会引发丝杠、轴承、导轨、齿轮、涡轮蜗杆等相关的部件产生不同的故障，这将引起数控机床的运动误差、零部件的磨损，严重的还会引起意外停机的问题。所以对于机械设备状态监控和故障的诊断中，正确分析数控机床当前工作运行状态，并准确的预测出机床运行状态的相关发展趋势，为机床的整体维护以及工作目标提供指导依据是我们目前一个急需解决的问题。1.3 本课题所做的主要工作本课题主要研究数控机床切削温度、切削力等状态监控系统的设计，论述了数控机床状态监测系统的基本组成以及状态监测系统实现所需的关键技术，同时重点针对数控机床的加工过程，列出数控机床状态监测系统的工作流程，文字和图片描述出系统实现的具体结构。第一章主要论述了数控机床状态监控研究背景和意义，同时介绍国内外数控机床的发展现状。第二章主要论述了数控机床状态监控系统的总体设计，其中包括系统的工作原理、系统的主要结构以及零部件切削力的计算方法等。第三章主要论述了数控机床状态监控系统各主要部分硬件的选型以及核心电路设计。第四章主要论述了数控机床状态监控系统流程图的设计。第五章主要为数控机床状态监控系统设计的总结。4华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）2.总体设计2.1 系统的工作原理数控机床状态监测的主要内容：对于数控机床来说，我们所进行状态监测就是对其加工过程进行监测，其中主要项目主要包括机床状态监测、加工过程监测、刀具状态监测和加工工件质量监测这4 个方面。具体见图 2-1 所示。数控机床状态监控系统的组成：数控机床的加工作为一个复杂的物理化学过程，对整个过程进行状态监测涉及很多相关技术。普通的状态监测与故障诊断系统主要包括以下三个方面：信息获取、特征提取和状态识别。数控机床加工过程状态监测机床状态监测刀具状态监测加工过程监测工件质量监测机床主轴系统监测机床导轨部件监测机床伺服系统监测机床动态特性监机床磨损状态监测刀具补偿寿命管理刀具磨损破损监测刀具装夹状态监测刀具型号识别加工过程温度监测加工过程力的监测加工过程监测加工过程振动监测润滑系统监测加工工序和冷却加工状态监测工件装夹状态检测加工工件识别调整工件装夹状态监测图 2-1数控机床状态监测的主要内容2.2 系统的主要结构计算机硬件体系结构由5大部件组成，他们分别是运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备。计算机硬件系统的核心为运算器，存储器与输入、输出设备之间的数据传送的必经之路就是运算器。存储器、运算器以及输入、输出设备的操作都由控制器集中控制。以运算器为中心的计算机系统组成框图如图 2-2 所示。数控机床状态监测是指在机床加工的过程中对一些工作状态进行数据采集和处理，通过比较实际特征参数与正常值，进而了解数控机床的实际工作状态，从而掌握设备工作是否正常合理，通过这样为故障诊断和预测提供依据。根本上讲，不管是状态监测或者故障诊断与预测亦或是数据的采集传输和处理是基础。因此，状态监测系统的设计，最重要的是设计一个正常合理的机床数据采集、处理系统，以此来实现状态监测。5华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）切削力输入多路开关放大器转换锁存器RAMROM切削键盘输入温度输入滤波器图 2-2驱动器监控系统主要结构框图数据显示器典型的数控机床状态监测系统的工作流程如图2-3所示。这其中环节包括数据采集、数据预处理、数据传输、特征提取、数据融合和状态监测等。数据的采集与传输，El接口的发展体现在如下几个方面：传感器的高精度、小型化、集成化、严酷环境适应性、可靠性(理论上比被监测对象更可靠)、低能耗与高速率传输的传感器网络等方面。设计机床状态监测系统的时候，重要的是要考虑到系统的针对性、可靠性和可扩展性，也就是说在充分分析机床运行状态以及常见故障的基础上，有针对性地进行特征信号的分析与传感器类型的选择，采用模块化结构设计，以使系统能够可靠地运行。根据数控机床加工过程状态监测的任务，以保证其安全可靠运行为 El 标，按照任务侧重点的不同，可将整个状态监测系统分解成相互独立、又彼此相连的子系统，同时每个子系统分解为一系列任务模块，整个系统由软硬件两部分构成。不同的子系统在数控机床的状态监测中起着各自不同的作用，特征信号采集子系统以特定的频率采集机床运行过程中的特征信号，经过信号处理和传输后，通过网络智能学习子系统学习机床的工作状态，目的是监测数控机床当前的运行状态，最后通过运行状态分析显示模块，给出特征信号的分析以及数控机床当前运行状态的评价。2.3 切削力的计算通常测力仪中最常用的传感器是电阻丝应变片和压电晶体。我所设计的八角环测力仪是一种电阻丝应变片式的测力仪。其工作原理是测力仪的八角环是弹性元件，在环的内外壁上粘贴电阻应变片，并连结成三个电桥以作为测定 X、Y、Z 三个方向切削力的传感器，在数控车床车削时。车削力经工件转动传递于车刀上，再由车刀刀杆传递到八角环，八角6AT89C51A/D8255华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）环的变形使紧贴在其上的电阻应变片也随之变形，电阻值 R 发生了变化（ R DR）当应变片受拉伸时，电阻丝直径变细，电阻值增大（ R + DR），当应变片受压缩变形时，电数据融合数据融合数控机床传感器组数据预处理数据传输特征提取状态检测人工 / 自动反馈环节图 2-3典型的状态监测系统的工作流程阻丝直径变粗，电阻值变小（ R - DR），从而输出正比例电信号。实验得知。由于电阻应变片的电阻变化很小，所以必须将信号放大到 05V 后才能输入单片机控制系统进行相应的处理。电阻应变片组成的电桥如图 2-4、2-5 所示。图 2-4 为等臂全桥电路，图 2-5 为卧式半桥电路。R3、R4 分别为四个电桥桥臂的电阻)。当 A、C 端加以一定的桥压 U 时则 B、D 端的输出电压 U 由下式求得：DU = UR1R3 - R2R4(R1 + R2)( R3 + R4)(2-1)由式（1）可知，当 R1R3=R2R4 时，电桥输出电压 DU = 0 ，即电桥处于平衡，这就是在进行切削力测量前必须进行的电桥平衡的调节工作。在切削力的作用下，应变片的电阻发生变化，破坏了电桥的平衡)。若 R1、R2、R3、R4 分别产生 DR1 、 DR2 、 DR3DR4 的电阻变化，则由式（2-1）电桥的输出电压为：7、华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）图 2-4等壁全桥电路图 2-5 卧式半桥电路DU =R1R2(R1 + R2) 2(DR1 R1 - DR2 R2 + DR3 R3 - DR4 R4(2-2)由式（2-2）可以看出电桥的一个重要性质，当电桥相邻两臂由符号相同的电阻变化时，电桥输出电压为两桥电阻变化相减的结果。因此，在侧利益接桥时，为使电桥有较大的输出，则应使电桥相邻两臂有符号相反的电阻变化，而相对两臂有符号相同的变化)。这就是本测力仪布片于接桥的原则。测力仪常用的电桥有等臂全桥（电桥由四个臂组成，R1=R2=R3=R4）及半桥（电桥由两个臂加上两个固定电阻组成，R1=R2=R），如图 2 所示。由式（2）两种电桥的输出电压为：全桥： DU = U 4R(DR1 - DR2 + DR3 - DR4)8(2-3)华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）半桥：DU = U 4R(DR1 - DR2)(2-4)比较（2-3）和（2-4）可知，当 DR1 = DR3 = +DR; DR2 = DR4 = -DR 时，全桥的输出为半桥的两倍，也即全桥的灵敏度为半桥的两倍)。因此，为提高测力仪的灵敏度，即电桥有较大的输出，我们在设计测力仪时采用了等臂全桥的测量电路。量程放大器把传感器输出的信号一般为 mv - mv 级，放大到模数转换器所能接收的统一电平 05V。多路开关把数控车床切削过程中由传感器变换后的各路的电信号与 A/D 相连，以便进行 A/D转换，这样既可节省设备，又不至于使各个被测参数之间互相竞争。多路开关每次闭合的通道号由程序控制。9华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）3.硬件设计3.1 系统硬件选型3.1.1 单片机选型单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了 I/O 设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。AT89C51 是一种带 4K 字节 FLASH 存储器（FPEROMFlash Programmable and ErasableRead Only Memory）的低电压、高性能 CMOS 8 位微处理器，俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K 字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器，AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。主要性能参数：与 MCS-51 兼容。4K 字节可编程 FLASH 存储器。寿命：1000 写/擦循环。数据保留时间：10 年。全静态工作：0Hz-24MHz。三级程序存储器锁定。1288 位内部 RAM。32 可编程 I/O 线。两个 16 位定时器/计数器。5 个中断源。可编程串行通道。10华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）低功耗的闲置和掉电模式。片内振荡器和时钟电路。AT89C51 引脚功能说明：Vcc：电源电压。GND：地线。P0 口：P0 口是一组 8 为漏极开路型双向 I/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在 Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 为双向 I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口号写“1”时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。P3 口：P3 口是组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口号写“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作为输入端时，外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流。P3 口除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表 3-1 所示。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE / PROG :当访问外部存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址低 8 位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出的正脉冲信号，因此它可以对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。端口引脚P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7表 3-1P3 口第二功能第二功能RXD（串行输入口）TXD（串行输出口）INT 0 （外中断 0）INT 1（外中断 1）T0（定时/计数器 0）T1（定时/计数器 1）WR （外部数据存储器写选通）RD（外部数据存储器读选通）PSEN ：程序存储允许（ PSEN ）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 AT89C5111华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的 PSEN 信号不出现。EA / VPP ：外部访问允许。欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为 0000H-FFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。XATL1：振荡器反相放大器的内部时钟发生器的输入端。XATL2：振荡器反相放大器的输出端。本数控机床状态监控系统选用 AT89C51 单片机，引脚如图 3-1 所示。图3-1AT89C51引脚图单片机的复位电路单片机复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经过一定的延时才能撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分合过程中引起的抖动而影响复位。RC 电路基本可以实现上诉功能，电路图如图 3-2 所示。单片机的时钟振荡器电路设计AT89C51 中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚 XATL1 和 XTAL2 分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。本数控机床状态监控系统设计的时钟振荡器电路图如 3-2 所示。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容 C1、C2 接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接 C1、C2 虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作电路的稳定性、起振的难以程序及温度稳定性，如果使用石英晶体。12华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）图 3-2图 3-3单片机复位电路时钟振荡电路图3.1.2 单片机内存扩展选型外扩展是构建单片机系统的重要内容，由于单片机芯片本身的硬件资源有限，往往不能满足系统需要，因此，必须以芯片外扩展的办法来解决，即通常所说的系统扩展。由两类外扩展：存储器扩展和 I/O 扩展；有两种外扩展方法：并行扩展和串行扩展。单片机系统扩展时以单片机芯片为核心进行的，存储器扩展中包含程序存储器和数据存储器，其余所有扩展内容统称为 I/O 扩展。单片机并行扩展系统结构如图 3-4 所示。由扩展系统结构图可知，扩展时通过系统总线进行的。所谓总线就是连接单片机各扩展部件的一组公共信号线是系统共享的通路，通过总线把各扩展不见连接起来，以进行数据、地址和控制信号的传送。可擦除可编程只读存储器（EPROM）芯片的内容由用户写入，但允许反复擦除重新写入。EPROM 是用紫外线擦除。在芯片外壳上方的中央有一个圆形窗口，通过这个窗口照射13华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）紫外线就可以擦除原有信息。由于阳光中有紫外线成分，所以程序写好后要用不透明标签贴封窗口，以避免阳光照射而破坏程序。地址总线 AB单片机数据总线 DB控制总线 CB数据存储器程序存储器I/O 接口I/O 接口图 3-4单片机并行扩展系统结构EPROM 的典型芯片是 Intel 公司的 27 系列产品，按存储容量不同有多种型号，例如，2716（2K*8）、2732(4K*8)、2764(8K*8)、27128(16K*8)、27256(32K*8)、27512(64K*8)等，型号名后面的数字表示位存储容量。在单片机系统中，数据存储器用于存放可随时修改的数据。数据存储器扩展使用随即存储器芯片，随机存储器(Random Access Memory)简称 RAM。对 RAM 可以进行读/写两种操作，但 RAM 是易失性存储器，断电后所存信息消失。MCS-51 单片机的内部有 128 个字节 RAM。在实际的应用中，仅靠片内 RAM 往往是不够用的，必须扩展外部数据存储器。常用的数据存储器有静态存储器（SRAM）和动态存储器（DRAM），在单片机应用系统中，外扩展的数据存储器都采用静态存储器。所扩展的数据存储器空间地址，有 P2 口提供高 8 位地址，P0 分别提供低 8 位地址和用作 8 位的双向数据总线。片外数据存储器 RAM 的读写由单片机的 RD 和 WR 信号控制，而片外程序存储器 EPROM 的输出允许端由读选通信号控制。尽管与 EPROM 共处同一地址空间，但是由于控制信号的不同，所以不会发生总线冲突。单片机系统中常用的 SRAM 芯片的典型型号有：6116、6264、62128、62256 等。它们都用单一+5V 电源供电，双列直插封装。在本文中选用 62256 SRSM。62256 是 32K 的低功耗静态 RAM 存储器，用 P0 和 P2 来扩展外部 RAM（就是用 P0 和 P2与 62256 对应的管脚相连接），假设 P2.7 接 WR，P2.6 接 RD，P2.5 接 CS，那么就可以确定一个外部 RAM 的一个地址，想往外部 RAM 的一个地址写一个字节时，地址可以定义XBYTE0x4000，其中 WR、CS 为低，RD 为高，那就是到位的 4（0100 也就是 P2.7 和 P2.5输出了低电平，而 P2.6 输出了高电平，目的当然是要选通 62256 并且向 62256 写入数据），其它位的可以根据情况自己定。14华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文）本数控机床状态监控系统选用 27512、62256 芯片，引脚如图 3-5、3-6 所示。