【正文】 設(shè)計 ........................................................................24 功能顯示電路設(shè)計 ...............................................................................27 步進電機控制信號輸出電路設(shè)計 .................................................................31 譯碼電路設(shè)計 .................................................................................................32 擴展芯片選擇譯碼電路設(shè)計 ................................................................32 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） IV 顯示位選擇譯碼電路設(shè)計 ....................................................................34 第四章 控制系統(tǒng)原理圖及 PCB 圖的繪制 ........................................ 35 控制系統(tǒng)電路原理圖的繪制 方法及步驟 .....................................................35 控制系統(tǒng)電路 PCB 圖的繪制方法及步驟 ...................................................37 第五章 結(jié)論 ......................................................................................... 39 論文總結(jié) .........................................................................................................39 感想 .................................................................................................................40 致謝 ........................................................................................................ 41 參考文獻 ................................................................................................. 42 附錄 A： 英文資料 ......................................................................................................43 附錄 B： 英文資料翻譯 ..............................................................................................58 附錄 C： 硬件設(shè)計原理圖與 PCB 圖 ........................................................................72 附件： 畢業(yè)論文光盤資料 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 第一章 緒 論 引言 隨著科學技術(shù)的發(fā)展，機電產(chǎn)品日趨精密復雜。尤其是宇航、軍工、造船、汽車和模具加工 等行業(yè)，用普通機床進行加工（精度低、效率低、勞動度大）已無法滿足生產(chǎn)要求。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎(chǔ)。這種機床是一種綜合運用了計算機技術(shù)、自動控制、精密測量和機械設(shè)計等新技術(shù)的機電一體化典型產(chǎn)品 ， 是一種裝有程序控制系統(tǒng)（數(shù)控系統(tǒng)）的自動化 機床 。數(shù)控加工具有如下特點：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動強度、改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟效益的提高。 進入 21 世紀，我國經(jīng)濟與國際全面接軌，進入了一個蓬勃發(fā)展的新時期。隨著制造業(yè)對數(shù)控機床的大量需求以及計算機技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的飛速進步，數(shù)控機床的應用范圍還在不斷擴大，并且不斷發(fā)展以更適應生產(chǎn)加工的需要。 由于數(shù)控機床不斷采納科學技術(shù)發(fā)展中的各種新技術(shù)，使得其功能日趨完善 并且大大提高了生產(chǎn)效益 ，數(shù)控技術(shù)在機械加工中的地位也顯得越來越重要，數(shù)控機床的廣泛應用是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢 。經(jīng)濟型數(shù)控螺紋車床，價格低廉，設(shè)備費用投入較少，經(jīng)濟效益較高，可以廣泛地滿足企業(yè)發(fā)展初期的需要，特別是受到民營經(jīng)濟企業(yè)的歡迎，數(shù)控螺紋南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 車床主要特點有： 1）價格低廉，性價比適中，大約是同等配置帶伺服電動機系統(tǒng)的 1/4 或更低。 2）適合于多品種、中小批量螺紋的自動化生產(chǎn)，對產(chǎn)品的適應性強，在普通螺紋機床上加工的產(chǎn)品 大都可以在數(shù)控螺紋車床上加工。 3）提高螺紋的質(zhì)量，降低廢品損失。 4）能解決復雜零件的加工精度控制問題。手工操作需要大量不同類型的靠模和成形刀具，用數(shù)控螺紋車床加工可以少用工裝，不僅節(jié)約了工裝費用，還減輕了工具制造部門的壓力。數(shù)控系統(tǒng)的出現(xiàn)擴大了工人的視野，帶動了學習微電子技術(shù)的熱潮，為工人由“體力型”向“智 力型”過渡創(chuàng)造了條件，促進了工廠的技術(shù)進步。企業(yè)應用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)對設(shè)備進行改造后，提高了加工精度和批量生產(chǎn)的能力，同時又保持“萬能加工”和“專用高效”這兩種屬性，提高設(shè)備自身對螺紋產(chǎn)品更新?lián)Q代所需要的應變能力，增強企業(yè)的競爭能力。由于我國步入市場經(jīng)濟不久，一般國有螺紋制造企業(yè)正處于在改革和調(diào)整的時期，資金嚴重不足；生產(chǎn)螺紋的民營企業(yè)剛剛成長，同樣資金也非常緊張，不可能付出大量資金購買高檔次 數(shù)控設(shè)備。由于步進電動機的數(shù)控系統(tǒng)在某種意義上可以裝備這個檔次的設(shè)備，作為中高檔數(shù)控螺紋車床的替補和填充，因此它仍有存在的空間和時間，有它在一定時期存在的必要性。 國產(chǎn)數(shù)控機床的發(fā)展經(jīng)歷了 十 年跌宕起伏，已經(jīng)由成長期進入了成熟期，可提供市場 各 種數(shù)控機床，產(chǎn)品種類可與日、德、意、美等國并駕齊驅(qū)。 隨著國內(nèi)數(shù)控廠家的增加，眾多的應用廣泛的數(shù) 控系統(tǒng)應運而生?！笆濉逼陂g國產(chǎn)數(shù)控機床發(fā)南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 展很快。從產(chǎn)品水平上看，我國已能自行開發(fā)設(shè)計各種低中高檔數(shù)控車床。從生產(chǎn)規(guī)模上看，國產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控車床已形成規(guī)模生產(chǎn)。現(xiàn)在的經(jīng)濟型數(shù)控車床大多數(shù)是以單片機為控制核心，以步進電機為驅(qū)動，以開環(huán)控制方式為基礎(chǔ)，比起中高檔數(shù)控車床來說雖然定位精度相對較低，加工精度較低，有一定的使用局限性，但是經(jīng)濟型數(shù)控螺紋車床基本上能滿足一般精度的加工要求，成本較低，控制簡單。 但是，近年來國產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控車床同樣受到國外跨國機床公司的產(chǎn)品和其在國內(nèi)合資企業(yè)和獨資企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品雙重挑戰(zhàn)，在產(chǎn)品技術(shù)、月產(chǎn)量、規(guī)模上都不及外國公 司和合資企業(yè) 。在這樣的大環(huán)境下，生產(chǎn)數(shù)控車床的企業(yè)適時增加經(jīng)濟型數(shù)控車床的功能，降低價格，使得性價比更高，提高市場競爭力 。 這樣才能使我國數(shù)控車床的性價比越來越高，總體水平與國外先進水平越來越近，受到更多經(jīng)濟型企業(yè)的擁護。全文共分為五章，各章的主要內(nèi)容如下： 第一章扼要地介紹了經(jīng)濟型數(shù)控螺紋車床特點、研究意義與相關(guān)研究背景； 第二章對控制對象進行了研究，結(jié)合設(shè)計要求，給出了總體設(shè)計方案； 第三章具體給出了經(jīng)濟型數(shù)控螺紋車床控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計過程，包括CPU 時鐘及復位電路設(shè)計、存儲器擴展電路設(shè)計、手動鍵盤和編輯鍵盤電路設(shè)計、 I/O 口擴展電路設(shè)計、顯示電路設(shè)計、步進電機控制信號輸出電路設(shè)計以及譯碼電路設(shè)計等； 第四章對繪制控 制系統(tǒng)的電路原理圖及 PCB 圖作簡單介紹； 第五章總結(jié)了全文的研究工作，給出了存在的問題和進一步研究的方向。 總體方案的確定 數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部 分組成。硬件電路可靠性直接影響數(shù)控系統(tǒng)性能指標。 主 CPU 的選用 在微機應用系統(tǒng)中， CPU的選擇應考慮以下因素： 1）時鐘頻率和字長，這個指標將控制數(shù)據(jù)處理的速度； 2）可擴展存儲器的容量； 3）指令系統(tǒng) 功能，影響編程靈活性； 4） I/O 口擴展的能力，即對外設(shè)控制的能力； 5）開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路。 MCS51 系列單片機主要有三種型號的產(chǎn)品： 803 8051 和 8751。 8031 片內(nèi)無 ROM，可在現(xiàn)場修改和更新程序存儲器的應用場合，其價格低，使用靈活，非常適合在我國使用。由于 MCS51 系列單片機的特點之一是硬件設(shè)計簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 緊湊。所以選用 8031 單片機。由此可見選用 8031 是符合數(shù)控螺紋車床電路設(shè)計的。 外擴存儲器的確定 8031 單片機片內(nèi)只有 128 個字節(jié)的 RAM，需要外擴存儲器。 在選擇程序存儲器芯片時，有三種 ROM 可供選擇，一種是掩膜 ROM，一種是可編程 ROM（ PROM），還有一種是紫外線可擦除 ROM（ EPROM），現(xiàn)在多用的是 EPROM，在選擇 EPROM 時要考慮 CPU 和 EPROM 時序的匹配，還應考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器的容量等問題。 在選擇數(shù)據(jù)存儲器芯片時，常采用半導體靜態(tài)的隨機存取存儲器 RAM電路。 DRAM一般用于存儲容量較大的系統(tǒng)中，而且 DRAM 需要刷新邏輯電路以 保持數(shù)據(jù)信息的不丟失，電路設(shè)計較復雜。同時與 DRAM 相比， SRAM 無須考慮保持數(shù)據(jù)而設(shè)置的刷新電路，故擴展電路較簡單。在 8031 單片機應用系統(tǒng)中，最常用的靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器 RAM 芯片有 6116（ 2K8）和 6264（ 8K8）兩種。 在存儲器擴展電路的設(shè)計中還應包括地址瑣存器電路和譯碼電路的設(shè) 計。 89C2051 將多功能的 8 位 CPU 與FPEROM 結(jié)合在同一片芯片上，高度靈活且價格適宜。 顯示器的種類多種多樣，有 CRT 顯示器、 LED 顯示器、 LCD 顯示器、輝光顯示器、 熒光顯示器及投影顯示器等等?，F(xiàn)在比較流行的是 LCD 顯示器，它雖然優(yōu)點很多，但它多用于大信息量、高密度、快速變換、長時間觀察的地方，如果用在數(shù)控螺紋車床控制系統(tǒng)硬件電路中，會造成資源浪費。此次設(shè)計選用的南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 顯示器就是 LED 顯示器。顯 示數(shù)字用 8 段數(shù)碼管，功能字是字母，所以顯示功能字需要用 16 段“米”字數(shù)碼管。考慮到 89C2021 的管腳過少，加入一個 74LS138 譯碼器進行位選譯碼。 在計算機控制系統(tǒng)中，按鍵開關(guān)、波段開關(guān)和鍵盤作為人機聯(lián)系的手段不可缺少。 8155 作為單片機應用系統(tǒng)常用的可編程 I/O 接口得到了廣泛應用。 8255A 是一種通用的可編程并行接口電路，在單片機系統(tǒng)中被廣泛用作可編程外部 I/O 擴展接口。 總體方案的結(jié)構(gòu)框圖 總體方案的結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 8031 芯片集成度高、功能強，只需增加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個完整的微機系統(tǒng)。 I/O 口線： P0、P P P3 共四個 8 位口；控制口線： PSEN（片外取指控制）、ALE（地址鎖存控制）、 EA（片外存儲器選擇）、 RESET（復位控制）；電源及時鐘： Vcc（接 +5V電源）、 Vss（接地）； XTAL1 和XTAL2 接外部晶體振蕩器 [1]。數(shù)控螺紋車床控制系統(tǒng)硬件電路采用內(nèi)部時鐘方式，在 XTAL XTAL2引腳上外接晶振 Y1 以及電容 C3 和 C4 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，使內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生自激振蕩，如圖 所示。電容 C C4 分別 取值為 30pF，它們使振蕩器起振并可對振蕩器的頻率起到微調(diào)作用。 復位電路設(shè)計 該控制系統(tǒng)采用按鈕復位。F。復位電路設(shè)計如圖 所示。由于地址線是 16 位的， 所以 最多能擴展 64KB 程序存儲器和 64KB 數(shù)據(jù)存儲器，其地址均為 0000H— FFFFH，在數(shù)控 螺紋車床控制系統(tǒng)硬件電路中，只需擴展 32K 的程序存儲器和 8K 的數(shù)據(jù)存儲器，如第二章所述，選用 27256 芯片作為 32K 的程序存儲器擴展， 6264 芯片作為 8K 的數(shù)據(jù)存儲器擴展。選用的 27256 芯片為 圖 27256引腳圖 112233445566D DC CB BA AT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eA2D a t e : 2021 6 3 S he e t of F i l e : D : \ pr ot e l dxp 正式版 \ ..\ 時鐘以及復位 .S C H D O C D r a w n