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拉伸试验机数控改造驱动电路的设计






摘 要 ....................................................................................................... 2 第一章 概 述 ........................................................................................ 3 1.1 拉伸试验机的应用.................................................................... 3 1.2 拉伸试验机采集系统的特点与要求 ......................................... 4 第二章 机械总体设计........................................................................... 5 2.1.方案选择 ....................................................................................... 5 2.2 结构总体设计.............................................................................. 7 2.3 参数的确定................................................................................ 8 2.4 电机的选择................................................................................ 9 第三章 机械部分的设计计算 ............................................................. 10 3.1 丝杠的选择 ................................................................................ 10 3.2 联轴器的选择——《机电液手册》 ....... 错误!未定义书签。 3.3 减速器的选择........................................... 错误!未定义书签。 3.4 齿轮传动的设计....................................... 错误!未定义书签。 3.5 同步带的设计............................................ 错误!未定义书签。 第四章 控制部分硬件设计 .............................. 错误!未定义书签。 4.1 主控制器的 CPU 的选择 ......................... 错误!未定义书签。 4.2 存储器扩展电路设计................................................................ 15 (2)地址锁存器 74LS373 ................................................................... 16 (3)程序存储器的扩展 ....................................................................... 16 4.2.2 MCS-51 单片机应用系统中的地址译码 ................................. 16 4.2.3 I/O 口扩展电路设计 ................................................................. 17 (1)8155 引脚及说明 .......................................................................... 17 (2)工作方式的设定 ........................................................................... 17 (3)状态查询 ....................................................................................... 17 (4)定时功能 ....................................................................................... 17 (5)8155 与 8031 的连接方法............................................................ 18 (6)8255A 可编程外围并行接口芯片引脚....................................... 18 4.3 驱动电路的设计......................................................................... 19 4.4 传感器的选择 ............................................................................ 19 4.5 其它辅助电路的设计................................................................ 20 第五章 系统控制软件的设计 ............................................................ 23 5.1 系统软件设计包含内容 ............................................................ 23 5.2 软件的设计说明及程序清单: ................................................ 23 第六章 设计总结 .................................................. 错误!未定义书签。 参考书目 ................................................................................................. 26

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本次毕业设计的题目是拉伸试验机系统改造。主要任务是在旧的拉伸试 验机的基础上进行改造,采用数字控制方式,进行拉伸试验,这样既减少了工 作人员的工作量,又可以更加精确的完成试验目的。 由于材料拉力试验机应用广泛,经过调查研究分析现有产品,决定设计 和改造方案。在本次设计中,主要是设计拉伸试验机系统改造,在这个设计中 共分两个部分设计:一部分是机械部分,另一个是控制部分。在机械设计里, 主要设计夹具和丝杠以及传动部分,其主要要求是保证其精度。在控制部分的 设计中,用 OMRON 系列 PLC 来控制拉伸实验机,从而控制丝杠转角及采集拉力。

关键词

拉伸试验机

精度

丝杠

可编程控制器

Abstract
The subject of graduation design is numerical control material pull experiment. That main assignment adopts numerical control quomodo is to alterated and pull experiment in the foundation of traditional pull experiment. It can be reduced the amount of workload of missionary and experimentcal assignment is precision completed. Due to material pull experiment. large-scale apply, electrocircuit alysing existing production by investigation, I draw out design and alterate scheme.In the design , the system of pull experiment alterate by design. there are two part of design :the one part is machine the other is part of design .In the machine design, I main design clamp and sigang. the mostly requirement is keeping its precision. the design on the part
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of control, Controls the stretch testing aircraft with OMRON series PLC, thus control guide screw corner and gathering pulling force.

Keywords

material pull experiment Programmable controller

precision

guide

第一章





为了使我们把学到的知识能够灵活的运用, 安排了此次机械工艺课程设计。 目的是通过此次设计,能够为将来的工作打下一个良好的基础,我们尽力搞好 此次设计。 但是,由于水平有限,缺乏实际经验,时间有限,知识掌握不够全面,因此 此次设计中难免有许多不足之处,望老师见谅。当然本次设计更得到了李任江 老师的悉心指导,还有其他老师同学的帮助,才的以顺利完成设计,在此对大 家表示感谢! 由于材料拉力试验机应用比较广泛,所以应该大量比较和分析现有产品,综 合后,决定设计和改造方案。目前应用得试验机工作力在 100KN 以下的多采用 机械传动。 100KN 以上的多采用液压式传动。 现在本校试验室有两台液压式万能 试验机。由于老式液压材料拉力试验机的功能和原理都差不多,所以将本校试 验室的材料试验机作为改造和参考的对象。原机在拉伸(压缩)材料后能自动 画出金属试验数据图。

1.1 拉伸试验机的应用
在各种材料的产品质量检验、生产过程质量控制、材料科学研究及教学试验 中,都必须应用试验机进行力学性能测试。拉伸试验机在我国的钢铁、建材、 冶金、化工等行业被广泛应用。目前,估计国内已拥有数万台国产及进口的各 类试验机,大多数为手工控制、操作,主要用于原材料检验、质量监督检验、 质量控制及教学,担负着材料或产品的常规力学性能测试。所以,研制一台适 用于设计要求,改造后的机床能自动输出相应数据。同时也为材料用户的数据 共享提供一种经济、快捷的途径和手段,显得很必要,具有良好的经济效益和 社会效益。

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1.2 拉伸试验机采集系统的特点与要求
对于本次拉伸试验机的设计,必须配置电测传感器,通常有 3 种:①用于测 定力值的压力传感器或测力传感器;②用于测定式样变形的变形传感器;③用 于测定机器横梁移动量的位移传感器。本文采集的主要是拉力数据的采集;因 此,只使用了拉力传感器。测试过程中,操作人员可以一边观察侧一边用拉力 传感器反映的力值进行数据采集和处理测试结果。通过此次系统改造后的试验 机,相对来说,测量精度明显提高,并能自动记录被测试材料的最大拉力、钢 材的屈服点参数等。 要求如下: ①数字显示试验里及峰值等,示值精度为 ②实时记录曲线; ③具有抗拉强度的峰值自动保存功能; ④具有屈服强度等参数自动判断功能; ⑤系统适合于长期连续运行; ⑥测试数据及相关数据机内掉电保存,以备查用; ⑦可单独使用,也可与上位联机使用。 并能方便验定;

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第二章

机械总体设计

2.1.方案选择
方案的选择是为了更好的对拉伸实验机系统改造和设计, 方案的选择将直 接影响到设计的好坏。对此,我提出三种方案进行对比,以致于选出最好的方 案,达到最佳的设计结果。 2.1.1 方案列举: 方案一:采用齿轮丝杠传动,电机安装在底座箱体外面。

光电译码器

图 2.1 方案二:采用单丝杠传动,用电机直接驱动。

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应变片

图 2.2 方案三: 采用同步齿形带传动,动力源为直流伺服电机,由于它的低速性不好, 所以要加减速装置。

光电译码器

拉力传感器

图 2.3 2.1.2 各方案总体分析 方案一: 优点是两丝杠旋向相反,可消除扭转力的副作用,但左旋丝杠的加工困 难造价较高。又由于减速部分采用多级齿轮传动,使得成本增加。为了安装方 便放在下边的旋转编码器应改在上边,除丝杠外又增加了两个光杠,使得成本 增加,所以不合理。 方案二:

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由于电机只带动一个丝杠,横梁还需严另一个光杠上下移动。这样增加 了扭转力矩,相应就要增加电机的功率。造成浪费,而且应变片贴在试样上, 操作不方便且试样断裂后对应变片可能有损伤,所以不合理。 方案三: 为了降低成本,克服液压系统的缺点,更为了提高系统的操作自动化程 度,将系统定为电气控制,且是机械传动。此方案克服前两个方案的缺点,且 结构简单,成本低,所以较合理。 工作过程及机械原理如下: 由电机带动一级减速器,再经过一级传动带带动两根丝杠。此处选择减 速器是为了减少设计量。用带传动是为了降低成本。保证两根丝杠同步,传送 带选用齿形带。丝杠带动螺母,落幕固定在横梁上,从而使横梁一起运动。横 梁又带动夹头。由于上下夹头间夹着材料试棒,所以一起运动而上夹头与工件 下部不动,因此试棒就被拉断。 在丝杠的顶端装有光电偏码器,通过测量丝杠的转动计算出工件的伸长 量,从而使系统达到半闭环控制,上夹头端部装有拉力传感器,可直接测量作 用在工件上的力。 2.1.3 确定方案 由以上分析,可知方案三为最佳方案。 2.1.4 解决问题 虽然反感确定了,但软,硬件控制尚需选定,编程,各部分的尺寸尚需 确定,丝杠部件的连接方式的选择,材料,型号的选择。

2.2 结构总体设计
采用同步齿形带传动,动力源为直流伺服电机,要安装减速器,因为直 流伺服电机的低速性不好。利用同步带传动,它兼有带传动,齿轮传动及链传 动的优点。平均传动准确,精度高,且适于低速传动。

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图 2.4

2.3 参数的确定
1 2 半闭环系统的执行元件:采用直流伺服电机。 检测及反馈元件的选择:半闭环控制的伺服系统主要采用角位移传感

器。选择圆形的角位移传感器,如光电脉冲编码器,圆感应同步器,旋转变压 器,码盘等。根据需要选择光电脉冲编码器。 3 4 机械系统与控制系统方案的确定:由执行元件通过减速器和滚动丝杠螺 伺服电机动力参数确定:由拉伸试验机,属于一般的直流伺服系统,故 母机构,驱动工作台运动。 根据各种直流伺服电机的特性,选择电磁式直流电机。它具有体积小、重量轻、 力能指标高、产品的结构牢固。机构特性和调节特性的线性度较好的特点。故 选择直流永磁电动机。 5 试验机的参数:最大拉力 N ? 50 KN ,最大拉伸空间 700mm,金属试
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样加工范围 ? 5mm ~ ?15mm ,其精度等级:1 级。

2.4 电机的选择
(1 ) 初选电机 拉伸工件时所需的最大功率 p丝 ? F ? V = F?
D? 1 ? 2.5 ? 103 ? ? 10 ? 103 ? 4.2W 60 60

P丝 ? P电 ?? ? P电 ? Pd / ?
其中

? ? ?1 ?? 2 ??3

查《机械原理》一书知

? 联 ? 0.99
P电 ?

?减 ? 0.5 4 8 ?带 ? 0.96

?齿 ? 0.96

4.2 ? 8.4W ?0.99 ? 0.96 ? 0.548? 0.96?

根据《机电一体化系统设计手册》 初选电机 90SZ52。查表 1-2-33,其数 据参数如下: 转矩为: 509.5(10 ?3 N / m ) 功率为:80W 外形为: ? 90 / ? 8 长:181 转速: 1500r/min 电压为:220V 重量为:3.6kg

(2)验算所选电机的转矩是否符合要求丝杠转矩 T
T ? Fm D0 tan(? ? ? ) 2

其中 ? 为 当量摩擦角。取 tan ? =0.0025, 则 ? ? 80 40"
?T ? 2.5 ?103 ? 6.3 ?10?3 ? tan(2053' ? 80 40" ) 2

= 41.59 ? / m
?T电 ? ? TL 41.59 ? ? 0.277 < T = 0.5095N/m ?C ? J 0.99 ? 0.962 ? 0.548 ? 300

? 所选电机合理 。
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第三章

机械部分的设计计算

3.1 丝杠的选择

根据《机电一体化设计基础》 ,选 nmax=5r/min,nm=2r/min,丝杠的

? =1500h, 传动精度 ? = ? 0.03mm . 长度 L=1330mm,寿命 Lh
(1) 求计算载荷 Fc

Fc ? K F ? K H ? K A ? Fm ? 1.2 ?1.0 ?1.0 ? 25000? 30KN
查表 2-6,取 K F ? 1.2 ;查表 2-7,取 K H ? 1.0 ;查表 2-4,取 D 级精 度;查表 2-8,取 FA ? 1.0 。 (2)计算额定动载荷

? ? FC 3 Ca

? nm Lh 1.67 ? 104
2 ? 15000 1.67 ? 104

= 30 ? 103 ? 3 =36690N

? 选择滚珠丝杠副 (3)根据 C a ? 的原则, 假设选用 FC 型号,按滚珠丝杠符的额定动载荷 Ca ? Ca
查表 2-9,选以下型号规格: FC1 -6308-3

C a =36776N

考虑各种因素选用 FC1 -6308-2.5,由表 2-9 得丝杠副数据: 公称直径 D0 =60mm, 导程 P=10, 螺旋角为 2 0 53? , 滚珠直径 d 0 =5.935mm 按表 2-1 中尺寸公式计算: 滚道半径 R=0.52 d 0 =0.52 ? 5.953=3.096mm 偏心距

d ? 1 ? ? ? e ? 0.07? R ? 0 ? =0.07 ? ? 3..96 ? ? 5.953? ? 0.0084m m 2 2 ? ? ? ?

丝杠内径 d1 ? D0 ? 2e ? 2R ? 60 ? 2 ? 0.0084? 2 ? 3.096 ? 56.83 mm (4)稳定性的验算
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由于丝杠在工作时可能回发生失稳和共振两种情况,所以下面对其分别进 行验算。 第一种情况:失稳 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳,所以在设计时应该 验算其安全系数 S,其值应大于丝杠副传动结构允许的安全系数[S]。 查表 2-10, 采用一端固定, 一端游动 (F-S) [S]=3,

??

2 ( ? 为长度系数), 3

f c :临界转速系数, 查得
临界载荷 FCr 按下式计算:

f c ? 3.927 。 丝杠不会发生失稳的最大载荷称为

Fcr ?
其中

? 2 EI a ??l ?2

E:弹性模量,对于钢 E=206G Pa l: 丝杠工作长度

I a :丝杠危险界面的周惯性矩
其中
Ia ?

?d14
64

= 取

? ? 56.834 ? 10?3?4
64

=5.12 ? 10?7 m 4

??

2 则 3

Fcr ?

? 2 ? 206? 109 ? 5.12 ? 10?7 ? 106
?2 ? ? ? 1330? ?3 ?
2

=1.93 ? 106 N

安全系数 S

Fcr 1.93? 106 S? ? ? 77 ? [S ] ? 3 Fm 2.5 ? 103
查表 2-10,[S]=3,
? S ? [ S ],



丝杠时安全的,不会失稳。

第二种情况: 高速长丝杠在工作时可能发生共振,因此需要验算其不会发生共振的最高
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ncr



要求丝杠的最大转速 nmax ? ncr 。

括支持开发的软件的硬件电路) 。除此之外,还应根据系统应用场合控制对

象以及各种参数的要求来选择 CPU。 目前,在我过的数据系统中,常用的芯片有 8086、8088、80386、8098、 8096 等 16 位机的 CPU,也有 8080、Z80、MCS-48、MCS-51 系列的 8 位机的 CPU,但是应用最多的还是 Intel 公司的 MCS-51 系列单片机作为主控制器。 MCS-51 系列单片机主要有三种型号的产品 8031、8051、8751。该系列产 品是集中 CPU I/O 端口及部分 RAM 等为一体的功能性很强的控制器,它的主 要特点是集成度高可靠性好、运算速度快,另外,该系列产品只需增加少量外 围器件就可以构成一个完整的微机控制系统,并且开发手段齐全,指令系统功 能强,编程灵活性大,硬件资料也很丰富,是较为理想的主选控制器芯片。目 前,工业控制中应用最多的是 8031 单片机,下面介绍一下 8031 单片机的基本
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性能及使用方法。 (1) 单片机的基本性能 ① 具有一个 8 位微处理器(CPU) ② 片内具有时钟发生器(6MHZ 或 12MHZ)执行指令时间为 2 ?s 或 1 ?s ③ 128 字节数据存储器(RAM) 、4K/8K 字节程序存储器(ROM/EPROM) ④ 具有 21 个特殊功能寄存器 ⑤ 具有 2 个 16 位可编程定时/计数器 ⑥ 32 跟 I/O 线,4 个 I/O 端口 ⑦ 5 个中断源,可编程为 2 个优先级 ⑧ 一个全双工的可运行于同步/异步方式的串行口 ⑨ 具有位寻址功能,位寻址空间 00H~FFH,适用逻辑运算 ⑩ 它 使 用 单 一 的 +5V 电 源 , 在 主 振 频 率 为 6MHZ 时 机 器 同 期 为 2 ?s , 有四组工作寄存器,每组有 8 个 8 位的工作寄存器,根栈可设置于单片机数据 存储器的任何处,堆栈深度最多可达 120/248 个单元。 (2) MCS-51 系列单片机的引脚及功能 MCS-51 单片机是一个具有 40 根引脚的双列直插式(CPU)器件,这 40 只引 脚大致分为电源( u cc 、u ss 、u dd 、u pp )时钟(XTA l1 、XTA l 2 )I/O 口( p0 ~ p3 ) 地址总线和控制总线(ALE、RST、PROG、 )等六大部分它们的功能简述如下: 1)电源线: u ss (20) ,电源地线

u cc (40)芯片主电源(+5V)
2)时钟: XTA l1 (18) :震荡器反向放大器输入端,HMOS 芯片使用外部 震荡器时,此端必须接地。 XTA l 2 (19) :震荡器反向放大器输出和内部时钟发生器的输入 端,HMOS 芯片使用外部震荡器时,此端用于输入外部震荡信号。 3)控制总线 ALE/PROG(30) :地址锁存有效信号,其主要作用是提供一个适当的 定 时信号,在它的下降适用于外部程序存储器或外部数据存储器的底 8 位地 址锁存。使 p0 分时作用为地址总线(低 8 位)和数据总线。此信号在每个 机器周期出现 2 次,只是访问外部数据存储器期间才会输出 ALZ,在任何 可使用外部数据在存储器的系统中, ALE 以 1/6 震荡频率的固定速率输出, 用作外部时钟定时, 当 8751 片内编程时, 此端输入编程脉冲信号 (PROG) 。 RST/ U PD (9) :复为输入信号。震荡器工作时,该引脚上两个机器周期 的高电平,可实现复为操作。在掉电情况下,后备电源加到此脚,将只给 片内 RAM 供电。
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EA/ u DD (31) :该访问外部程序存储器控制信号输入端,当 EA 为低电 平时,CPU 仅执行外部存储器的程序。 4)I/O 线: :单片机的双向数据总线和低 8 位地址总线分时操作,先 p0 (32~39) 用作地址总线,在 ALE 信号的下降沿,地址锁存,然后用作为数据总线, 也可用作双向输入/输出口,它能吸入/方出 8 个 TTL 负载(作总线工作时) :8 位准双向输入/输出口。在编程校验期间,用于传输低 8 p1 (1~8) 位地址,它能吸入/放出 4 个 TTL 负载 :8 位准双向输入/输出口,在访问外部存储器时,用作高 8 p2 (21~28) 位地址总线,它能吸入/放出 4 个 LSTTL 负载。 :8 位准双向输入/输出口, p3 口的每一根线还有另一种功 p3 (10~17) 能。

p3.0 ? ? Rx D : 串行输入口 p3.1 ? ?TX D : 串行输出口

p3.2 ? ?INT0 :外部中断 0 输入口

p3.3 ? ? INT1 :外部中断 1
p3.5 ? ?T1 :定时/计数器
1

输入口 外部事件脉冲输入端

p3.4 ? ?T0 :定时/计数器 0 外部事件脉冲输入端

p3.6 ? ?WR :外部数据存储器写脉冲
p3.7 ? ?R D :外部数据存储器读脉冲
MCS—51 系列单片机引脚分配,逻辑符号图详见附图 6 (3) 特殊功能寄存器 特殊功能寄存器(SFR)是用于对片内各功能模块进行管理、控制、监 视的控制寄存器和状态寄存器, 是一个特殊功能的 EPROM, 位于片内数据存储 器上,其地址为 80H~FFH 的区域。其名称及功能如下:

ACC :累加器,其指令记符为 A
B: 寄存器,主要用于乘法和除法操作对于其它指令,也可用作寄存器

S F :堆栈指令寄存器,能位于片内 RAM 的 128 字节的任何单元
DPTR:数据指令寄存器,16 位,分别由高位字节(DPH)和低位字节 (DHL)组成。其功能是存放 16 位地址。 PSW:程序状态寄存器,内放标志寄存器置位成清零,表示操作结果的 某些特殊,其功能及分配情况如附图 另外,还有一些特殊功能寄存器。 (4) 存储器结构 单片机的存储器包括程序存储器 (EPROM、 ROM) 和数据存储器 (RAM) 。
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两种存储器的寻址空间是分开的,对于 MCS-51 系列,实际上存在 3 个独立空 间,如图 7 所示,程序存储器用于存放程序 8051 片内有 4KROM,8751 片内有 4KEPROM。8031 片内原程序存储器,片外程序存储器可根据需要任意选择, 但片内片外总的容量和起来不超过 64KB。它们在同一个逻辑空间中,地址从 0000H~FFFFH。 内部数据存储器的地址从 00H~7FH ,其中内部数据 RAM 为 0~127 (00H~07H) , 特殊功能寄存器为 128~255(80H~1FH) ,256 个字节中 00H~1FH 为四个工作寄存器区,00H~07H 为 0 区,08H~0FH 为 1 区,10H~17H 为 2 区, 18H~1FH 为 3 区。 改变标志寄存器 PSW 中的 Ps 0 、 PS1 就可以确定工作寄存器区。 从 20H~2FH 是“为寻址”空间,从 30H~7FH 是只能够接字节寻址的数据缓冲 区,单片机的外部数据存储器最大可以扩展到 64K,地址从 0000H~FFFFH,用 以存储数据。 (5) 定时器,计数器 MCS-51 系列单片机提供两个 16 位寄存器, T0 、 T1 用作定时器或事件计数器, 需要由特殊功能寄存器 TCON 中的控制来选择 T0 、 T1 功能为定时还是计数。 (6) 中断系统 MCS-51 系列单片机提供了 5 个中断源,两个位 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。 由 T0 和 T1 溢出中断请求 IF0 和 IF1 ; 一个为片内串行口中断请求,这些中断请求源的引脚都为 p3 口的第二功能。对 于每个中断可编程序为高优先级和低优先级中断,并能实现二级中断嵌套,各 中断源所对立中断服务程序的入口地址和优先级如下: 中断源: INT0 优先级: 条返回指令为止。 (7) 时序 由于在单片机中程序存储器与数据存储器严格分开,因此,程序存储器 的操作时序中分两种情况:即不执行 MOVX 指令和执行 MOVX 指令。 0

T0
1

I N1 T
2

T1
3

串行口中断 0023H 4

入口地址:0003H 000BH 0013H 001BH

8031 响应中断后, 即从以上入口地址开始执行中断服务程序, 直至遇到一

4.2 存储器扩展电路设计
4.2.1 程序存储器扩展: 单片机应用系统中扩展用的程序存储芯片大多数采用 EPROM 芯片中。在 选择时,要考虑 CPU 与 EPROM 时序的匹配,即 8031 所能读取的时间必须大 于 EPROM 所需要的读取时间。此外,还需要考虑最大读取速度,工作温度及
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i

A

存储器的容易。在满足容量要求时,尽量选择大容量芯片,以减少芯片数量, P P
A An

使系统简化,若 CPU 选择为 8051、8751 而程序容量又小于 4K 的情况下,可不 扩展程序存储器。 (1)2764ZPROM 芯片介绍 2764 芯片是双列直插式 28 脚芯片, 如图 8 所示, 共有 13 根地址线 A0 ~ A12 , 8 根数据线 D0 ~ D7 ,其余为控制线,定义线分别是:
P OE P ALE

CE ——片选信号端
PGM ——编程控制端

OE ——取指允许 V PP ——编程电压端

CE

Vcc ——+5V 电源
NC——空脚、不接 图 8, 2764 管脚分配图 (2)地址锁存器 74LS373

Vss ——地电平

图 9、2764 程序存储器扩展电路框图

单片机规定 P0 口提供低 8 位地址线, 同时又用作数据线, 所以为分时输出 低 8 位地址和数据的通道口。为了把地址信号分离出来保存以提供低 8 位地址 信息,一般采用 74LS373 作为地址锁存器。单由 CPU 发出地址允许锁存器中, 74LS373 是第三态缓冲输出的 8D 触发器,用作地址锁存器时,应使其使能端 E 为低电平, 输入端 G 与 8031 的 ALE 连接。 当 G=1 时, 74LS373 的输出端 Q0 ~ Q7 与输入端的 D0 ~ D7 相同,当 G 高电平返回低电平时,将输入的数据锁存入

Q0 ~ Q7 中。
(3)程序存储器的扩展 附图 9 为采用 2764EPROM 的程序存储器的扩展电路框图。其与 8031 主 要是三总线连接。 2764 中低 8 位地址线通过地址锁存器 74LS373 与 8031 的 P0 口相连。当 地址线通过地址锁存信号 ALE 为高电平,则 P0 口输出地址有效。8 位数据线直 接与 8031 P0 口相连。高 5 位地址线分别与 P2.0 ~ P2.4 相连。 OE 引脚直接同 8031 PSEN 连接,CE 与 8031 的译码电路相连,CE 为低电平时,选通 2764。由 于 8031 只能选通外部程序存储器,因而其 EA 引脚接地。 4.2.2 MCS-51 单片机应用系统中的地址译码 (1) 译码原则: ① 程序存储器与数据存储器地址重复使用; ② 外围扩展芯片与数据存储器统一编址,它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 地址总线宽度为 16 位, 片外程序存储器可直接寻址范围各为 64K 字节。 , P0 口经外部锁存器后提供低 8 位地 P2 口提供高 8 位地址(A8~A12)
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址(A0~A7) 。 (2)地址译码方法: ①线选法:线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上,只要该地 址线为低电平,就选中该芯片。其特点是:硬件电路结构简单,但由于所用片 选线都是高位地址线,它们的权值较大,地址空间没有充分利用,总片之间的 地址不连续。 ②全地址译码:对于 RAM 和 I/O 容量较大的应用系统,当芯片所需要的片 选信号多于可利用的地址线时,常采用此种方法,它将低位地址作为片内地址, 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。 通常采用 3--8 译码器(74LS138) ,输入端占用 3 根高位地址线,剩余的 13 根地址线可作为片内地址线, 因此译码器的 8 根输出线分别对应 8 个 8K 字节的 地址空间。 4.2.3 I/O 口扩展电路设计 8031 单片机虽有四个 8 位并行 I/O 口, 但可供用户使用的只有 P 1 口及部分 P 3 口, 因此在大部分应用系统中都不可避免地要进行 I/O 口的扩展。 目前在 I/O 口 扩展电路设计中多采用通用可编程接口芯片 8155 或 8255, 它与微机接口比较简 单。 (1)8155 引脚及说明 8155 具有 40 条引脚的双列直插式 RAM/IO/CTC 扩展器,含有 256 个字节 的 RAM 存储器,一个 6 位两个 8 位可编程 I/O 口,一个 4 位可编程的定时器, 计数器,其引脚及功能见附图 10 所示。其可寻址的寄存器相应 I/O 口编址如表 1。 (2)工作方式的设定 8155I/O 口工作方式选择通过对 8155 内部命令寄存器设定命令控制字实 现。 (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, 共 CPU 查询用。状态寄存器和命令寄存器供用一个地址,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, 所以当 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, 而写读地址时则作为命令寄存器对 I/O 口 工作方式的选择。 (4)定时功能 8155 片内有一个 14 位减法计数器,可对输入脉冲进行减法计数,引脚 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, 当计数为零时,输出端输出一个矩形波或脉冲信号。
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(5)8155 与 8031 的连接方法 8155 与 8031 连接可归结为三总线的连接。方法如下: 8155 的 地 址 锁 存 器 信 号 控 制 线 和 地 址 锁 存 器 直 接 接 地 址 , 数 据 线

AD0 ~ AD7 与 8031 P0 口线对应地相连接,8155 的 ALE 与 8031 的 ALE 相连,
高 8 位地址的 P2.6 经反相器 74LS04 后提供 8155 的片选信号 CE,IO/M 控制端 通过电阻 R1 接高电平,故只能选中 I/O 口,其它读写信号 WR 、 RD 也都对应相 连,8155 的地址可由前面存储器扩展时统一安排。 (6)8255A 可编程外围并行接口芯片引脚 8255A 具有 3 个 8 位的并行 I/O 口,分别称为 PA 、 PB 、 PC 口,其中 PC 口 又分为高 4 位口和低 4 位口。它们都可以通过软件编程来改变 I/O 口的工作方 式。其引脚的功能说明如下:

CS ——片选信号、低电平有效
A1 、 A0 ——端口选择信号
RD ——读信号、低电平有效

WR ——写信号、低电平有效
RESET——复位信号、高电平有效时,控制寄存器被清除,各端口被置或 转入方式。

PA0 ~ PA7
GND:地

PB0 ~ PB7

PC 0 ~ PC 7

PA 、 PB 、 PC 口

VCC :电源

(7)8255A 与 8031 单片机相连接方法 8255A 与 8031 单片机相连接是很简单的。 除了需要一个 8 位锁存器来锁存

P0 口送出的地址信号外,几乎不用任何附加的硬件。8255A 的 WR 、 RD 分别于
RD 相连, 8031 的 WR 、 8255A 的 D0 ~ D7 接 8031 的 P0 口, 采用线选法寻址 8255A,

只要 8031 P0.7 为 0 的地址都可选中 8255A。 (8)键盘、显示接口电路

CS :片选信号、低电平有效
键盘、显示器是常用的人机交互的外部设备,可以完成数据的输入和计算 机状态数据的动态显示,通常的系统都采用行列式键盘,即 I/O 口线组成行、 列机构,按键设置在行列的交点上,键盘的工作过程;无键按下时 C 口引线由 电路内附加电阻止拉至高电平。A 口的 8 条列线按一定时间间隔轮流送出低电 平。当被扫描到某一列线上有键按下时,交叉点上相应的行线被拉成低电平。 这个低电平信号被 C 口捕捉后,计算机读取信息,并根据此键对应的行列线计 算键值,完成键的扫描工作。 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)为 了方便显示图形也有用 CRT 接口显示方式的系统。显示器也采用扫描方式。由
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8155PB 口送出的八段码,只有 LED 公共端为低时,这一位显示块才能显示出 字形, PA0 ~ PA5 通过 75452 驱动器分别接至各 LED 的公共端,计算机轮流对 6 根线输出低电平。可在 6 个显示器上显示出不同的数字。从而实现扫描显示工 作。 键盘与显示共用 8155 的 PA 口进行控制, 在进行键盘巡回扫描时必须先 关显示,必须经过软件协调处理后才能达到预期的效果。

4.3 驱动电路的设计
为了把试验机上发出的多路模拟信号采集下来, 并加以测试控制驱动伺服 电机,具体的设计如下: 由被测试件上的压力传感器,把从被控制对象取得的非电量(如力等现场 信号)转换成电量,经过 YD-15 动态应变仪放大变成标称的电压信号或电流信 号, 经过一个 CD5401 多路开关, 把多个模拟量的参数逐个份似的接通送入 A/D 转换器(A/D574)在模数转换过程中,用一个采样/保持器 AD582,保持输入信 号的数字量,经过 I/O 口送至 8031,CPU 进行运算和处理后,将结果(数字量) 经过 D/A 转换成电压或电流信号,经过两级功放驱动伺服电机,实现整个璧还 控制的目的。

4.4 传感器的选择
增量式编码器是直接利用光电转换原理输出三组方波脉冲 A、 B 和 Z 相; A、B 两组脉冲相位差 90? ,从而可方便地判断出旋转方向,而 Z 相为每转一个 脉冲,用于基准点定位。它的优点是原理构造简单,机械平均寿命可在几万小 时以上,抗干扰能力强,可靠性高,适合于长距离传输。其缺点是无法输出轴 转动的绝对位置信息。光电编码器是一种角度(角速度)检测装置,它将输入 给轴的角度量, 利用光电转换原理 转换成相应的电脉冲或数字量, 具有体积小, 精度高,工作可靠,接口数字化等优点。 拉力传感器的选择 拉力传感器的种类很多,有应变片式、压阻式等。在这里采用应变片式传 感器,其应变计机构是,电阻应变计粘贴在金属弹性体上,作为力转换为应变 的功能元件。它通过粘贴在谈星体表面的电阻应变计及其以一定方式组成的电 桥电路,在外加电源的激励实现力、应变、电阻变化,电信号变化的四个转换 环节的一种传感器。用于力、垂直方向的拉力和压力,空间力六个分量中任何 一个单独分量力和力矩的测量。使电路同时输出六个与被测量有一定线形关系
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的电路。 Vret
R R LMC64 92

R xx xx x R

5v

R

V

0 Rx 图 4.2 应变传感器电路

4.5 其它辅助电路的设计
(1)单片机的时钟电路 8031 的时钟电路可以由两种方式产生: 内部方式和外部方式, 内部方式 利 用 芯 片 振 荡 电 路 , 在 XTAL1 、 XTAL2 引 脚 上 外 接 定 时 元 件 , 晶 体 可 在 1.2~12MHZ 内选择,耦合电容在 5~30PF 之间,对时钟有微调作用。采用外部 时钟方式,可把 XTAL1 接地 XTAL2 接外部时钟源。

8031 XTAL1

XYAL2

图 4.3 时钟电路 (2)复位电路 单片机的复位都是靠外部电路实现的。在时钟电路工作后,只要在 RESET 引脚上出现 10ms 以上的高电平,单片机便实现状态复位,之后 CPU 从 0000H 单元开始执行程序。
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R

+5v RESET 8031 Rx

图 4.4

复位电路

21

22

表 4.1

第五章 5.1 系统软件设计包含内容

系统控制软件的设计

本设计试验机系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能的, 按照 功能可将系统控制软件分为以下几个部分: (1) 系统管理程序 管理程序是控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。从操作角度 来看,管理程序的功能是:接收操作者的命令、执行命令、从命令处理程序返 回到管理程序接收命令的环节,使系统处于新的等待操作状态。 (2) 控制子程序 根据操作者的命令,控制伺服电机的速度及方向以达到控制拉伸试验机 拉伸试验。 (3) 测试子程序 通过软件对测试试件的拉伸程度及各种性能进行测试,其中包括移动部 件的移动急停处理,系统故障诊断,查错的功能。 (4) 键盘操作和显示处理程序 本程序的功能包括监视键盘操作,显示加工程序,机床工作状态操作命 令等信息。

5.2 软件的设计说明及程序清单:
系统控制软件是根据设计要求,进行的总体方案设计,具体程序如下: 1、8155 初始化程序段 0100 0103 0105 90 81 00 74 F0 2、显示子程序 ORG:0400H 0400 78 58 0402 0404 0405 79 01 E9 LOOP: 90 8101 DSPY:MOV MOV MOV MOV 03 MOV MOV DPTR,#2100; A, #03H; 命令寄存器地址 控制字=03H 并写入命令 寄存器 MOVX @DPTR,A;

R0 ,#58H; R0 为显示缓冲区指针;
R1 ,#01H;
A1, R1 ;

R1 为显示数位指针;
扫描模式送 A; 口;

DPTR,#2102H;DPTR 指向 8155 的 PB

23

0408 0409 040A 040B 040D 040E 040F 0411 0413 0415 0417 0418 0419 041A 041B 041E 0420 0427 042E

F0 A3
E6 24 12 83

MOVX DEC

@DPTR,A; DPTE;

扫描一位 LED; DPTR 指向 8155 的 PA 口; 取要显示的数; 加上到字形表的偏移量; 取字形码,查表; 字形输出至 PA 口; 迟 1ms 以充分显示;

MOV A, @ R0 ; ADD A,#RH; MOVX A,@A+PC; MOVX @DPTR,A; MOV R7 ,#02H; 0 L0 : MOV R6 ,#0FFH; 0 L1 : DJNE, R6 ,D L1 ; DJNE, R7 ,D L0 ; INC MOV RL MOV JNB RET 06 1, 7F 8, 71 F, 5B 6F 80 4F 77 40 66 4, 7C B, 00 6D 5, 39 C, 73

F0
7 F02 7EFF DEFE DFFA 03 E9 23 F9 30 22 3F “0 , 07 “7, 79 “E,

R0 ;
A, R1 ; A;

R1 ,A ;

Acc.0

LOOP; ; 7D 6, ” 5E

所有位都扫描过? 是,返回。 SEGTABLE

显示字形编码表 2, 3, 9, A,

D, ” 31 Y, ”

, , —, 空格,P, DSPY ;

键盘扫描子程序 0440 0442 0444 0446 0448 044A 044C 044E 0450 0452 91,00 74,00 91,78 60,F8 91,00 91,00 7B,00 7C,00 7A,FE EA,RR1 RDRB:ACALL MOV A,#00H; ACALL JE ACALL ACALL MOV MOV MOV SCAN; RDRB; DSPY; DSPY; 是,显示字程序延时 12ms; 并去抖动; 扫描全键盘; 调用显示子程序;

R3 ,#00H;
R4 ,#00H;
R2 ,#0FEH;

R3 为列位寄存器;
R4 为行值寄存器;
R2 为列扫描寄存器;
先扫描最右一列;

:MOV A, R2 ;
24

0453 0455 0457 0458 0459 045C 045D 045E 0460 0461 0463 0465 0466 0468 0469 046B 046D 046F 0471 0473 0475 0476 0477 0478 047B 047C 047F 0480 0481 0483

91,78 70,09 0B EA 30,E7EA 23 EA 80, F2 13 40,0A 40,E0 Ec 24,08 Fc

ACALL INC MOV

SCAN 送 i 列键值;

INC,R K 2 ;

R3 ;
A, R2 ; 所有列都扫描过?

JNB Acc RDRB; RLA ; MOV SJMP JC PUSH ADD MOV POP SJMP MOV ACALL JNE ADD RET

R2 ,A;

RR1 ;
KEYD Acc; A,#08H;

否,继续扫描下一列;

RK2 , RRC A;
计算键值;

MOV A, R4 ;

R4 ,A;
Acc ;

D0 , E0
80, F3 91,00 74,00 91,78 70,F8 Ec 2B 22 9D,81,01

RK2 ;
找到按下的键; 等键释放及去抖动; A,#00H; SCAN; KEYD 计算键值; A, R3 ;

KEYD:ACALL DSPY;

MOV A, R4 ;

SCAN:MOV DPTR,#2100H;DPTR 指向 8155PB 口; MOVX MOV MOVX CPL ANL RET @DPTR,A; DPTR, #2103H; A, @DPTR; A; A,#07H; 8155PC 口;

F0
90,81,03

E0
F4
54,07 22

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参考书目
1.张志良主编 , 单片机原理与控制技术 2.吴宗泽主编,机械设计手册(上)(下) 北京机械工业出版社,2001 北京机械工业出版社,2003

3.刘刚 邵敏权主编,单片机原理、实验及应用技术吉林科学出版社,1995 4.濮良贵、纪名刚主编,机械设计(第七版) 5.潘新民、王燕芳主编,微型计算机控制技术 6.郑 堤、唐可洪主编,机电一体化设计基础 7.王文斌主编,机械设计手册第五卷 8.成大光主编 , 机械设计手册-机械传动 9.祝守新 主编 控制工程基础 第2版 10.浦林祥,夹具设计手册 高等教育出版社,2001 高等教育出版社,2001 高等教育出版社,1997

机械工业出版社,2004 化学工业出版社,2004 机械工业出版社,2003 机械工业出版社,1995

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