數(shù)控進給系統(tǒng)改裝設計.doc

數(shù)控技術論文職業(yè)畢業(yè)論文（設計）論文（設計）題目: 數(shù)控進給系統(tǒng)改裝設計學 院： 淮陰廣播電視大學專 業(yè)： 機電工程系班 級： 05機電五（2） 學 號： 0509010439學生姓名： 徐金龍指導教師： 喻步賢2009 年12月 25 日職業(yè)高校畢業(yè)論文（設計）數(shù)控進給系統(tǒng)改裝設計 摘要中國是一個傳統(tǒng)的機械制造大國，但其裝備水平落后，特別是一些老的機械制造廠大多還是比較舊的機床，遠遠不能滿足加工的要求。針對目前制造業(yè)的技術裝備現(xiàn)狀，對傳統(tǒng)機械制造業(yè)裝備進行改造，解決機械制造業(yè)中的一些技術問題，用現(xiàn)代先進技術對舊的設備進行改造和提升，是我國制造業(yè)的發(fā)展方向。本課題是針對己報廢的兩臺C630普通廢舊車床進行數(shù)控化改造，顧名思義就是在普通機床上增加微機控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)預定的的加工工藝目標。 隨著數(shù)控機床越來越多的普及應用，數(shù)控機床的技術經(jīng)濟效益為越來越多的人們所理解。在國內(nèi)工廠的技術改造中，機床的微機數(shù)控化改造成為重要方面許多工廠一面購置數(shù)控機床，一面利用數(shù)控，數(shù)顯，PC技術改造普通機床，并取得了良好的經(jīng)濟效益。我國經(jīng)濟資源有限，國家大，機床需用量大，因此不可能拿出相當大的資金都去購買全功能數(shù)控機床，用經(jīng)濟型數(shù)控改造老設備，在投資少的情況下，使其既能滿足加工需要，又能提高機床的自動化程度，比較符合我國國情。我國計劃綱要也明確規(guī)定，要積極運用微電子技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，提高機械工業(yè)的技術水平， 現(xiàn)實意義在于如何尋找一種可行的、有推廣價值的設備改造方法，對傳統(tǒng)機械制造行業(yè)的技術裝備進行技術提升，以解決目前設備老化所帶來的問題。C630車床的改裝，主要是根據(jù)生產(chǎn)實際需要而提出來的，改裝主要是將縱向和橫向進給系統(tǒng)改造成用微機控制的,能獨立運動的進給伺服系統(tǒng);刀架改造成能自動換刀的回轉刀架.這樣,利用數(shù)控裝置,車床就可以按預先輸入的加工指令進行切削加工.由于加工過程中的切削參數(shù),切削次序和刀具都會按程序自動進行和更換,再加上縱向和橫向進給聯(lián)動的功能,數(shù)控改裝后的車床就可以加工出各種各樣形狀復雜的回轉零件,并能實現(xiàn)多工序自動車削,從而提高了生產(chǎn)效率和加工精度,也能適應小批量多品種復雜零件的加工.本文正是針對這一問題展開研究的。采用MCS51系列單片機改造C630車輪車床需要解決以下幾方面問題:1. 機床進給系統(tǒng)改造：主要部分有掛輪架，進給箱，溜板箱，溜板，刀架等。2. MCS51單片機對硬件電路的控制；本文在對各種參數(shù)分析后，編制了系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)機床動作要求設計了硬件電路圖和進給伺服系統(tǒng)機構圖經(jīng)反復調試和測量，使各種參數(shù)均滿足工藝要求。機床設備的數(shù)控改造研究，尤其是在車床對加工工藝曲線的實現(xiàn)這一方面，解決了采用普通靠模方式無法實現(xiàn)的難題，給工廠的生產(chǎn)注入了新的活力。關鍵詞數(shù)控；進給系統(tǒng)；機床改裝；MCS-51單片機目錄摘要IAbstract第1章 緒論71.1 引言71.2 機床數(shù)控改造的目的71.3 數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展81.3.1 數(shù)控系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展81.3.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢81.3.3 對我國數(shù)控技術和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考91.4 C630車床的數(shù)控改造10第2章 數(shù)控基本原理122.1 概述122.2 插補計算122.2.1 插補原理122.2.2 插補算法132.3 開環(huán)系統(tǒng)速度計算142.4 位置控制原理142.4.1 位控分類142.4.2 位置進給驅動裝置15第3章 MCS51系列單片機系列介紹163.1 MCS51系列單片機的基本功能163.2 MCS-51系列各功能介紹163.2.1 8031單片機引腳介紹163.2.2 中央處理器CPU193.2.3 存儲器193.3 MCS-51指令系統(tǒng)19第4章 微機控制系統(tǒng)硬件電路設計214.1 設計要求214.1.1 總體設計要求214.1.2 微機控制系統(tǒng)硬件電路設計要求224.2 微機控制系統(tǒng)硬件電路設計234.2.1 MCS51系列單片機系統(tǒng)擴展234.2.2 外部存儲器擴展264.2.3 外部數(shù)據(jù)存儲器的擴展284.2.4 8031配置8155擴展RAM、定時器和I/O接口設計294.2.5 經(jīng)濟型數(shù)控車床硬件電路設計31第5章 車床數(shù)控總體改方案及部分機械設計345.1 設計要求345.1.1 設計基本思路345.1.2 設備改裝后的性能指標345.2 改造方案確定355.2.1 設計目的355.2.2 總體設計方案355.3 系統(tǒng)改裝設計與計算365.3.1 縱向進給伺服系統(tǒng)設計與計算365.3.2 橫向進給伺服系統(tǒng)設計與計算395.4 步進電動機的選擇415.4.1 縱向進給伺服系統(tǒng)步進電動機確定415.4.2 橫向進給伺服系統(tǒng)步進電動機確定415.5 電動刀架的選擇41結論42致謝43參考文獻44附錄45第1章 緒論1.1 引言機床數(shù)控技術是20世紀70年代發(fā)展起來的一種機床自動控制技術。30多年來，隨著電子器件、計算機、傳感與檢測、機械制造技術的不斷進步，以電子信息技術為基礎，集傳統(tǒng)的機械制造技術、計算機技術、成組技術與現(xiàn)代控制技術，傳感測控技術、信息處理技術、網(wǎng)絡通訊技術、液壓氣動技術、光機電技術于一體的數(shù)控技術得到迅猛發(fā)展和廣泛應用，使得普通機械逐漸被高效率、高精度的數(shù)控設備所替代，從而形成了巨大的生產(chǎn)力，導致了制造業(yè)發(fā)生了根本性變化，數(shù)控技術己成為現(xiàn)代制造技術的基礎，其水平高低和數(shù)控機床擁有量多少是衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標志。數(shù)控技術在機械制造業(yè)中得到廣泛的應用，是因為它有效地解決了復雜、精密、小批多變的零件加工問題，能適應各種機械產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代的需要，使企業(yè)快速響應市場需求的能力大大加強，其經(jīng)濟效益顯著，具體表現(xiàn)在以下幾個方面: 1. 生產(chǎn)效率高，比普通機床提高3-5倍; 2. 減少工裝，減少人為誤差，提高加工精度，具有廣泛的適用性和靈活性; 3. 縮短新產(chǎn)品的試制和生產(chǎn)周期，易于組織多品種生產(chǎn)，使企業(yè)能對市場需求作出快速響應; 4. 能加工普通機床不能加工的大型復雜零件; 5. 能減輕勞動強度，改善勞動條件，節(jié)省人力，能降低勞動成本; 6. 可實現(xiàn)軟件誤差補償和優(yōu)化控制。1.2 機床數(shù)控改造的目的設備是企業(yè)發(fā)展生產(chǎn)技術和實現(xiàn)經(jīng)營目標的物質基礎。設備的技術性能和技術狀態(tài)不但直接影響產(chǎn)品質量，還關系工時、材料和能源的有效利用，同時對企業(yè)的經(jīng)濟效益也會產(chǎn)生深遠影響。設備的技術改造和更新直接影響企業(yè)的技術進步、產(chǎn)品開發(fā)和市場開拓。因此，從企業(yè)產(chǎn)品更新替代、發(fā)展品種、提高質量、降低能耗，提高勞動生產(chǎn)率和經(jīng)濟效益的實際出發(fā)，進行充分的技術分析，有針對性的用新技術改造和更新現(xiàn)有設備，是提高企業(yè)素質和市場競爭力的一種有效方法。據(jù)全國工業(yè)普查的統(tǒng)計資料介紹，截止到2000年底，數(shù)量較多涉及面較寬的金屬加工機床的擁有量約為384萬臺，其中役齡在6-15年的約為153.2萬臺，約占39.9%，役齡在16年以上約為133.7萬臺，約占34.8%。這表明我國工業(yè)制造業(yè)的裝備，乃至各行各業(yè)的設備仍有相當大數(shù)量比較落后，有待改造或更新。鑒于此，采用數(shù)控技術對普通機床進行數(shù)控改造，尤其適合我國機床擁有量大，生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情。1.3 數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)生和發(fā)展1.3.1 數(shù)控系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展第二次世界大戰(zhàn)后，美國為革新飛機制造業(yè)中用于仿形機床的靠模樣件的加工設備，開始研制新型機床。1952年，美國帕森斯公司(Parsons Co.)與麻省理工學院伺服機構實驗室(Serve Mechanics Laboratory of TheMassachusetts Institute of Technology)合作，研制成功第一代數(shù)控系統(tǒng)。用于三坐標立式銑床。其插補裝置采用脈沖乘法器，整個控制裝置由真空管組成。1959年，晶體管元件問世，數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用晶體管和印制板電路，從此數(shù)控系統(tǒng)進入第二代。 1965年，出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路，由于其體積較小，功耗低，抗干擾能力較強，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得到進一步提高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。 上述三代數(shù)控系統(tǒng)均為硬接線數(shù)控系統(tǒng)，稱為普通數(shù)控系統(tǒng)(NC)。 隨著計算機技術的發(fā)展，出現(xiàn)了以小型計算機替代專用硬接線裝置，以控制軟件實現(xiàn)數(shù)控功能的計算機數(shù)控系統(tǒng)(CNC)，使數(shù)控系統(tǒng)進入第四代。 1970年前后，美國英特爾(Intel)公司首先開發(fā)和使用了四位微處理器，1974年美、日等國首先研制出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)，由于中、大規(guī)模集成電路的集成度和可靠性高、價格低廉，所以微處理器數(shù)控系統(tǒng)得到了廣泛應用。這就是微機數(shù)控系統(tǒng)，從而使數(shù)控系統(tǒng)進入了第五代。 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)為了進一步擴展功能，增強實時控制能力和可靠性，常采用多微處理器結構，如SIEMENS公司的SINUMERIK 840D和日本FANUC公司FANUC of系列等。由多個微處理器構成功能模塊，各功能模塊之間的互連與通信，或采用共享總線結構，或采用共享存貯器結構。1.3.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1. 向高速度、高精度發(fā)展 現(xiàn)代機床數(shù)控系統(tǒng)多采用32位CPU和多CPU并行技術，使運算速度得到了很大的提高。與高性能數(shù)控系統(tǒng)相配合，現(xiàn)代數(shù)控機床采用了交流數(shù)字伺服系統(tǒng)。伺服電機的位置、速度和電流環(huán)都實現(xiàn)了數(shù)字化。數(shù)控系統(tǒng)的聯(lián)動軸數(shù)多達9個，使機床可以加工較復雜的空間線型或型面。 2. 可靠性的提高 由于現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的模塊化、通用化和標準化，便于組織批量生產(chǎn)，故可保證產(chǎn)品質量。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)大量采用大規(guī)模集成電路，采用專用芯片及混合式集成電路，提高了集成度，減少了元器件數(shù)量，提高了可靠性。 3. 采用自動程序編制技術 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)利用其自身很強的存貯及運算能力，(如SINUMERIK 840DCPU采用Pent iumIII處理器)把很多自動編程功能植入數(shù)控系統(tǒng)。在一些新型的數(shù)控系統(tǒng)中，還裝入了小型工藝數(shù)據(jù)庫，使得數(shù)控系統(tǒng)不僅具有在線零件程序編制功能，而且可以在零件程序編制過程中，根據(jù)機床性能，工件材料及零件加工要求，自動選擇最佳刀具及切削用量。 4. 具有更高的通信功能 為了適應自動技術的進一步發(fā)展，適應工廠自動化的規(guī)模越來越大的要求，為了滿足不同廠家不同類型數(shù)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)需要，現(xiàn)代機床數(shù)控系統(tǒng)的通信功能不斷加強，不少系統(tǒng)具有遠程診斷功能和Ethernet interface接口。實現(xiàn)遠程通訊功能。美國通用汽車公司在1983年提出的制造自動化協(xié)議(MAP-Manufacture Automation ProtocoL)是眾多通信標準中發(fā)展最快的一個。MAP的主要特點是提供以開放性為基礎的局部網(wǎng)絡，使來自許多廠房的設備可以通過相同的通信協(xié)議而相互連接，由于MAP的出現(xiàn)，推動了通信標準化的進程。1.3.3 對我國數(shù)控技術和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考1.3.3.1 戰(zhàn)略思考我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉移中要盡量接受前端而不是后端的轉移，即要掌握先進制造核心技術，否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結構調整中，我國制造業(yè)將進一步“空芯”。我們以資源、環(huán)境、市場為代價，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”，而非掌握核心技術的制造中心的地位，這樣將會嚴重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程。我們應站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術和產(chǎn)業(yè)問題，首先從社會安全看，因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定;其次從國防安全看，西方發(fā)達國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質，對我國實現(xiàn)禁運和限制，“東芝事件”和“考克斯報告”就是最好的例證。1.3.3.2 發(fā)展策略從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需求為導向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導21世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關鍵技術以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術、配套術作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。 強調市場需求為導向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以整機(如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機床、典型數(shù)字化機械、重點行業(yè)關鍵設備等)帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關功能部件(數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等)的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品;沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品;當然，沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難以有出頭之日。在高精尖裝備研發(fā)方面，要強調產(chǎn)、學、研以及最終用戶的緊密結合，以“做得出、用得上、賣得掉”為目標，按國家意志實施攻關，以解決國家之急需。 在競爭前數(shù)控技術方面，強調創(chuàng)新，強調研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的技術和產(chǎn)品，為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎。1.4 C630車床的數(shù)控改造數(shù)控改造一般是指對普通機床某些部位做一定的改造配上數(shù)控裝置使機床具有數(shù)控加工能力其目的是為了提高老設備的加工精度和生產(chǎn)效率，適應多品種和小批量零件的生產(chǎn)同時可以使技術等級較低的工人也能加工出高質量的零件減少設備技術改造的投資等等。所有這些都是為了提高格性能比，即用較少的錢得到較高的機械性能和加工能力。因此把普通機床改造為數(shù)控機床是一條提高數(shù)控化率的有效途徑。一般來說對現(xiàn)有普通車床進行數(shù)控改造的具體做法是，主傳動系統(tǒng)一般不作變動，進給傳動系統(tǒng)中采用高精度的滾珠絲杠替換進給軸原有l(wèi)的普通絲杠。機械部分改造完成后配上MCS5l單片機作為數(shù)控系統(tǒng)，用步進電機作驅動元件經(jīng)過一級減速齒輪驅動X、Z軸的運動。在我國數(shù)控機床改造中，微型計算機大多采用MCS51型系統(tǒng)單片微型計算機它是超大規(guī)模集成電路發(fā)展的產(chǎn)物，在控制領域中得到廣泛的應用，發(fā)展非常迅速。單片微型計算機簡稱單片機又稱微控制器，是將計算機的基本部件微型化，使之集成一塊芯片的微機。片內(nèi)含有CPU、ROM、RAM 、并行IO、串行IO、定時器計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、系統(tǒng)時鐘及系統(tǒng)總線等。MCS5l單片機在片內(nèi)存儲器容量、IO的功能以及指令系統(tǒng)功能等方面都大大地得到加強特別適用于實時控制智能儀表、主從結構的多機系統(tǒng)領域，是控制領域中最理想的8位機。從應用角度看，其有如下特性：1)集成度高；2)系統(tǒng)結構簡單；3)可靠性高；4)處理功能強速度高；5)容易產(chǎn)品化。總體方案設計應考慮機床數(shù)控系統(tǒng)的運行方式，伺服系統(tǒng)的類型，計算機的選擇，以及傳動方式和執(zhí)行機構的選擇等。(1) 普通車床數(shù)控化改造應具有定位,縱向和橫向的直線插補，圓弧插補功能；還要求能暫停，進行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此,數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。(2) 車床數(shù)控化改裝設計后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下，應簡化結構，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。(3) 根據(jù)普通車床的最大加工尺寸，加工精度,控制速度以及經(jīng)濟性要求，經(jīng)濟型數(shù)控車床一般采用8位微機。在8位微機中，MCS-51系列單片機具有集成度高，可靠性好，功能強，速度快，抗干擾能力強，具有很高的性能價格比.因此，可選擇MCS-51系列單片機擴展系統(tǒng)。(4) 根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機數(shù)控系統(tǒng)除了CPU外，還包括擴展程序存儲器，擴展數(shù)據(jù)存儲器，I/O接口電路;包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機床狀態(tài)信息的顯示器；包括光電隔離電路和步進電機驅動電路。此外，系統(tǒng)中還包括螺紋加工用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。(5) 設計自動回轉刀架及其控制電路。(6) 縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們由步進電機，齒輪副，伺杠螺母副組成，其傳動比應滿足機床所要求的分辨率。(7) 為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩檫小，傳動效率高的滾珠伺杠螺母副，并應有預緊機構，以提高傳動剛度和消除間隙。齒輪副也應有消除齒側間隙的機構。(8) 采用貼塑軌，以減小導軌的摩檫力。第2章 數(shù)控基本原理2.1 概述數(shù)控系統(tǒng)一般分為由硬件接線數(shù)控系統(tǒng)(NC)和軟件控制系統(tǒng)(CNC)兩種，本章主要介紹CNC系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)具有良好的可變性，由專用計算機控制軟件實現(xiàn)部分或全部數(shù)控功能的數(shù)控系統(tǒng)(CNC)，很容易通過軟件來更改或擴充功能，CNC系統(tǒng)的邏輯控制，幾何數(shù)據(jù)處理以及零件程序的執(zhí)行由CPU統(tǒng)一控制。 CNC的控制軟件主要完成如下基本任務： 1. 系統(tǒng)管理； 2. 操作指令處理； 3. 零件程序的編輯、存貯； 4. 零件程序的輸入、解釋與執(zhí)行、編譯； 5. 系統(tǒng)狀態(tài)顯示； 6. 故障報警和診斷； 7. 手動數(shù)據(jù)輸入MDI； 8. 通訊。 其中最重要的是控制零件程序的執(zhí)行，這是CNC的核心任務，其他任務只是為了更好地完成這項任務。這個過程為，一個零件程序的執(zhí)行，首先要輸入CNC，經(jīng)過編碼、數(shù)據(jù)處理、插補、位置控制，由伺服機構執(zhí)行CNC輸入的指令，驅動進給機構或主軸，完成整個加工過程的。本章主要介紹:CNC、插補、位置控制及速度計算等基本原理。2.2 插補計算2.2.1 插補原理在數(shù)控機床中，刀具的運動軌跡是折線，而不是光滑的曲線。刀具不能嚴格地沿著要求加工的曲線運動，只能用折線軌跡逼近要加工的曲線。這就是插補。直線和圓弧是構成工件廓形的基本線條，因此CNC一般都具有直線和圓弧的插補功能。但實際的零件廓線可能既不是直線，也不是圓弧，這是必須采用對零件的輪廓進行直線和圓弧的擬合(即用多段直線、圓弧逼近零件輪廓線)，才能對零件進行插補工作。當然在高檔次的數(shù)控系統(tǒng)中還具有拋物線、螺旋線等插補功能。 插補軟件的任務是要完成在輪廓起點到終點的中間點的坐標計算。對于輪廓控制系統(tǒng)而言，可以說插補是整個數(shù)控系統(tǒng)控制軟件的核心。插補程序的運行時間和計算精度影響著整個CNC性能指標。 目前應用的插補算法可分為兩大類，即脈沖增量插補和數(shù)字增量插補。 1、脈沖增量插補 脈沖增量插補也稱為行程標量插補，就是用軟件模擬NC系統(tǒng)常用的逐點比較法，DDA積分法以及這兩種算法的改型算法。其特點是每次插補結束僅產(chǎn)生一個行程增量，以一個個脈沖的方式輸送給進給電機。脈沖增量插補在插補計算過程中，不斷向各個坐標發(fā)出進給脈沖，驅動各坐標軸的電機運動。在數(shù)控系統(tǒng)中，通常用脈沖當量來表示一個脈沖所產(chǎn)生的坐標移動量。其符號為s。脈沖當量s是脈沖分配的基本單位，按機床設計的加工精度選定。普通精度的機床取s=0.01mm，較精密機床取s =1PM或0. 5Nm 2、數(shù)字增量插補 數(shù)字增量插補也稱時間分割插補，其算法的特點是插補運算分兩步進行。第一步為粗插補，它是在給定起點和終點的曲線之間插入若干個點，即用若干條微小直線段來逼近給定曲線，每一微小直線段的長度L相等，且與給定進給速度有關，粗插補在每個插補運算周期中計算一次，所以L與進給速度指令F和插補周期T有關，即L=FT。第二步為精插補，它是在粗插補算出的每一條微小直線段上再做“數(shù)據(jù)點的密化”工作，這一步是對直線進行脈沖增量插補。2.2.2 插補算法根據(jù)插補采用計算方法的不同有許多種插補方法，各適用于不同的場合，本文簡單介紹一下常用的兩種，其余算法基本上是由這種算法派生出來的。 1、逐點比較法 逐點比較法的基本思想是被控制對象在數(shù)控裝置的控制下，按要求的軌跡運動時，每走一步都要和規(guī)定的軌跡比較，根據(jù)比較結果決定下一步移動的方向。逐點比較法現(xiàn)可以作直線插補，又可以作圓弧插補。這種算法的特點是運算直觀，插補誤差最大不超過一個脈沖當量，而且輸出脈沖均勻，輸出脈沖的速度變化小，調節(jié)方便，常用于兩坐標數(shù)控系統(tǒng)中。 2、數(shù)字積分法 數(shù)字積分法是利用數(shù)字積分的方法，計算刀具沿各坐標軸的位移，使得刀具沿著所加工的曲線運動，其原理如下： 從t=0到t求函數(shù)x=f (t)曲線所包圍的面積時，可用積 分公式；若將0t的時間劃為間隔為t子區(qū)間，當t足夠小時可得近似公式：式中x，為t=t*的f (t)值。此式表明:求積分的過程可以用數(shù)的累加近似表達。在幾何上就是用一系列的微小矩形面積之和近似表示出的f (t)以下的面積。數(shù)字運算時，t一取最小的基本單位“1”則式(2-1)可簡化為: 利用數(shù)字積分的原理構成的插補裝置叫做數(shù)字積分器(Digital Differential Analyzer)簡稱DDA。數(shù)字積分器具有運算速度快，脈沖分配均勻，易于實現(xiàn)多坐標聯(lián)動，進行空間直線插補及描繪平面各種函數(shù)曲線的特點。因此，數(shù)字積分器在輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)中，有著廣泛應用。2.3 開環(huán)系統(tǒng)速度計算速度計算因系統(tǒng)不同而異。在開環(huán)系統(tǒng)中，坐標軸運動速度是通過控制向步進電機輸出脈沖的頻率來實現(xiàn)的，速度計算的任務是根據(jù)編程F值來確定這個頻率值。系統(tǒng)每輸出一個脈沖，步進電機就轉過一定的角度，從而驅動坐標軸進給一定的距離脈沖當量s (mm)。插補程序根據(jù)零件輪廓要求向各個坐標軸分配脈沖，提供位置指令。而脈沖發(fā)送到步進電機的頻率則確定了進給速度，進給速度V與脈沖發(fā)送頻率f有下列關系: V=f60 式中:V一進給速度(mm/min)；f一脈沖發(fā)送頻率HZ；一脈沖當量(mm);由式中可看出:可由進給率F即編程速度確定脈沖發(fā)送頻率。 CNC系統(tǒng)常用下述方法獲得要求的頻率f: (1)、軟件模擬DDA的方法，將所計算的f值作為被積函數(shù)，在一定容量的累加器中按一定頻率累加，在有進位時輸出一個脈沖。 (2)、采用實時時鐘中斷的方法，按照所計量的f值配置適當?shù)膶崟r時鐘，從而產(chǎn)生頻率為f的定時中斷。2.4 位置控制原理2.4.1 位控分類位置控制是伺服系統(tǒng)的重要組成部分，它是保證位置控制精度的重要環(huán)節(jié)。位置控制按其結構分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大類。2.4.1.1 開環(huán)控制開環(huán)控制是指不帶位置檢測反饋裝置。CNC裝置輸出的指令脈沖經(jīng)驅動電路的功率放大，驅動步進電機轉動，再經(jīng)傳動機構帶動工作臺移動。2.4.1.2 閉環(huán)控制閉環(huán)控制是指帶有位置檢測反饋裝置，位置檢測裝置安裝在機床工作臺用以檢測機床工作臺的實際運行位置，并與CNC裝置的指令位置進行比用差值進行比較控制。2.4.2 位置進給驅動裝置由于本系統(tǒng)采用的是步進驅動裝置，本文也重點介紹一下步進電機的驅動原理。 步進電機是典型的開環(huán)驅動裝置，它將插補輸出的進給脈沖轉換為具有一定方向、大小和速度的機械角位移，并帶動工作臺運動。2.4.2.1 基本原理(1). 定子繞組通電狀態(tài)每改變一次，其轉子轉過一定的角度，即步距角a: a=360/mzk式中:a一步距角;III-繞組相數(shù)，常用的繞組為三、四、五相;k=拍數(shù)/相數(shù);z一轉子齒數(shù)。廠家對每種步進電機給出兩種步距角，彼此相差一倍。 (2). 定子繞組通電狀態(tài)改變越快，其轉子旋轉的速度越快，即通電狀態(tài)的變化頻率越高，轉子的轉速越高。 (3). 改變定子繞組的通電順序，將導致其轉子旋轉方向的改變，從而改變電機旋轉方向。2.4.2.2 步進電機控制系統(tǒng)構成 步進電機的驅動控制系統(tǒng)主要由步進電機控制器、步進電機等組成。其中步進電機控制器由緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯及正、反轉控制門、加減速電路等組成。典型控制系統(tǒng)如圖2-5所示。環(huán)形分配器的作用是把來自CNC插補輸出的指令脈沖按一定規(guī)律分成若干路電信號，去激勵步進電機的幾個定子繞組，控制步進電機的轉子按順時針或逆時針方向轉動;加減速電路的作用是使控制加到環(huán)形分配器的指令脈沖的頻率平滑上升或下降，以適應步進電機的驅動特性;功率放大器的作用是將通電狀態(tài)弱電信號經(jīng)過功率放大，控制步進電機各相繞組電流按一定順序切換，使步進電機運轉。第3章 MCS51系列單片機系列介紹3.1 MCS51系列單片機的基本功能單片微型計算機，簡稱單片機，作為微型計算機家族中的一員、發(fā)展中的一個分支，以獨特的結構和優(yōu)點，越來越深受各個應用領域的關注和重視，應用十分廣泛，發(fā)展極快。1980年Intel公司在MCS-48系列的基礎上推出了8位高檔MCS-51系列單片機。它與MCS-48系列相比，硅片面積擴大為原來的1.4倍，片內(nèi)程序存儲器（ROM/EPROM）容量擴大為原來的4倍，RAM容量擴大為原來的1倍，工作寄存器組擴大了1倍，設有兩個16位定時器/計數(shù)器；并行I/O接口增至4個口共32線，增設有全雙工串行I/O接口；擴充了指令功能，提高了執(zhí)行速度；存儲器尋址空間分別擴大到64KB等?？梢?，其功能有了很大的提高。MCS-51系列是功能極強的8位高檔單片機，他既可用于簡單的測控系統(tǒng)，又可適用于復雜的測控系統(tǒng)，特別是邏輯控制。由于它功能/價格比高，組成應用系統(tǒng)靈活、方便，所以是當前國內(nèi)普遍選用的機種。MCS-51系列單片機內(nèi)部包含如下功能部件：(1) 8位CPU(2) 震蕩器和時鐘電路；(3) 4K/8K字節(jié)的程序存儲器ROM或EPROM；(4) 128/256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器RAM；(5) 可尋址外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器各64K字節(jié)；(6) 二十多個特殊功能寄存器；(7) 32線并行I/O口(8) 2/3個16位定時/計數(shù)器5/6個中斷源，有2個優(yōu)先級，同級中斷則按優(yōu)先順序查詢具有較強功能的位處理能力。3.2 MCS-51系列各功能介紹3.2.1 8031單片機引腳介紹8031單片機的外形結構為40引腳雙列直插式封裝。其引腳排列如圖3-1所示。采用HMOS工藝的8031單片機都采用40引腳雙列直插方式，這里對其各引腳功能簡要介紹如下：1） 主電源引腳 Vss：電路地電平。Vcc：正常運行和編程校驗為+5V電源。2） 外接晶振或外部震蕩器引腳XTAL1：接外部晶振的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一個反向放大器的輸入端，這個放大器構成了片內(nèi)震蕩器。當采用外部震蕩器時，此引腳應接地。XTAL2：接外部晶振的另一個引腳。在片內(nèi)接至震蕩器的反向放大器的輸出和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。當采用外部震蕩器時，則此引腳接外部震蕩信號的輸入。圖3-1 8031引腳圖 3） 控制、選通或電源復用引腳RST：RST即RERST（復位）信號輸入端。震蕩器工作時，由該引腳輸入脈寬2個以上機器周期的高電平復位單片機。當外部在RST與Vcc之間接一個電容和在RST與Vss之間接一個電阻，就可以實現(xiàn)加電復位功能。ALE：ALE，允許地址鎖存信號輸出。當訪問外部存儲器時，ALE信號的負跳變將P0口上的低8位地址送入鎖存器。在非訪問外部存儲器期間，ALE仍以1/6震蕩頻率固定不變的速率輸出，因而它能作為外部時鐘或定時信號用。當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將以1/12震蕩頻率輸出。PSEN：訪問外部程序存儲器選通信號，高電平有效。在訪問外部程序存儲器讀取指令碼時，每個機器周期產(chǎn)生兩次PSEN信號。在執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器取指令時，不產(chǎn)生PSEN信號；在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，也不產(chǎn)生PSEN信號。EA：EA為訪問內(nèi)部或外部程序存儲器選擇信號。當EA保持高電平時，為訪問內(nèi)部程序存儲器；當程序指針PC植超過片內(nèi)程序存儲器地址時，將自動轉向外部程序存儲器繼續(xù)運行；當EA保持低電平時，則只能訪問外部存儲器。因此，對8031而言，EA必須接低電平。4） 多功能I/O引腳P0口：8位漏極開路雙向并行I/O端口。當訪問外部存儲器時，它是地址總線（低8位）和數(shù)據(jù)總線復用；外部不擴展而用單片應用時，則作雙向I/O口用；它在進行片內(nèi)程序檢驗期間，作指令代碼輸出用，可帶8個LSTTL負載。P1口：8位準雙向并行I/O端口。在片內(nèi)程序校驗期間，作低8位地址用。P2口：8位準雙向并行I/O端口。當訪問外部存儲器時作高8位地址用；不作外部功能擴展時，則作準雙向I/O口用；在片內(nèi)程序存儲器校驗時作高8位地址線用。它可帶4個LSTTL負載。P3口：具有內(nèi)部上拉電路的8位準雙向并行I/O端口。它還提供特殊的第二功能。它的每一位均可獨立定義第一功能的I/O口和第二特殊功能。第二特殊功能具體含義：P3.0：串行數(shù)據(jù)接收端。P3.1：串行數(shù)據(jù)發(fā)送端。P3.2：外部中斷0請求端，低電平有效。P3.3：外部中斷1請求端，低電平有效。P3.4：定時/計數(shù)器0外部事件記數(shù)輸入端。P3.5：定時/計數(shù)器1外部事件記數(shù)輸入端。P3.6：外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通，低電平有效。P3.7：外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通，低電平有效。3.2.2 中央處理器CPU8031單片機的核心部件是一個8位高性能中央處理器CPU，它是計算機中運算器和控制器組合在一起的總稱，是計算機的中樞，故稱之為中央處理器。它是8031單片機的指揮中心、執(zhí)行機構。它的作用是讀入和分析每條指令，根據(jù)每條指令的功能要求，控制單片機的每個部件具體地執(zhí)行指定的操作。它是由8位運算器（算術/邏輯運算器部件、ALU、布爾處理器、定時/控制部件和若干寄存器等主要部件組成。3.2.3 存儲器存儲器是組成計算機的三大主要部件之一，使計算機能夠快速地、自動地進行各種復雜而煩瑣的運算。這是因為能事先把解題程序及數(shù)據(jù)存入存儲器中，在運行過程中再由存儲器中快速的提供給主機進行處理。存儲器的功能是存儲信息即程序和數(shù)據(jù)。這些信息被有序地存放在存儲器的各個存儲單元中。存儲器按配置方法分：主存（通常稱為內(nèi)存）和外存。主存用于存放當前執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)，主機能直接訪問，存取速度快；外存用來存放當前暫不執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)，主機則不能直接訪問外存，存取速度慢。前者存儲容量小，而后者則存儲容量大。目前，單片機主要配置主存。3.3 MCS-51指令系統(tǒng)指令是主機識別和接受并指揮計算機執(zhí)行某種操作的命令。一臺計算機所有指令的集合，稱為該計算機的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是計算機自身最基本的語言，一條指令可以用兩種語言形式表示：機器語言和匯編語言指令。機器語言指令用二進制代碼表示，故又稱之為指令代碼或機器代碼。機器語言是計算機自身固有的語言，能被主機直接識別并加以分析和執(zhí)行。缺點是不便于記憶，編程繁瑣、不易閱讀且易出錯。匯編語言面向機器，它與計算機的機器語言指令一一對應，不同機器語言的匯編語言也不同，所以匯編語言源程序通用性差。匯編語言的特點是直觀、易學習、易記憶、好理解和閱讀，編程方便。它與高級語言比，程序結構緊、靈活，占用存儲空間少，執(zhí)行速度快，實時性強。其缺點是通用性差，編程工作量大。因此，匯編語言適用于實時測控系統(tǒng)，自動化、智能化系統(tǒng)，所以目前單片機應用系統(tǒng)普遍采用匯編語言。 MCS-51的指令集功能強、指令多，需要多種助記符來標征30多種基本指令功能。由于功能助記符需定義諸如程序存儲器、內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器、外部數(shù)據(jù)存儲器等，同一種功能需要幾個助記符來表示，例如MOVC、MOV、MOVX等。通過這些助記符和指令中的源、目的操作數(shù)或地址、組合成功能極強、極豐富的111條指令。MCS-51指令系統(tǒng)由49條單字節(jié)指令、45條雙字節(jié)指令和17條3字節(jié)指令組成，這樣可提高程序存儲器的利用率。對于大多數(shù)運算類和轉移類指令，可根據(jù)具體要求選用短地址、相對地址或長地址指令，以提高運算速度、編程效率和節(jié)省存儲器單元，MCS-51大多數(shù)指令執(zhí)行時間是較快的。以下對MCS-51的指令系統(tǒng)按其功能歸納為五類進行介紹，即數(shù)據(jù)傳送類、算術運算類、邏輯運算類、控制轉移類、布爾處理類?，F(xiàn)將MCS-51匯編語言指令表示格式中常用符號注釋如下：Rn當前選定的工作寄存器組的R0-R7工作寄存器。其中n=0-7.#data指令中的8位二進制立即數(shù)。其中“#”為立即數(shù)標示符#data16指令中的16位二進制立即數(shù)。data8位二進制內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器單元選址。它可以是內(nèi)部RAM（O-127或0-256）的某個單元地址或一個特殊功能寄存器的地址。Ri以當前工作寄存器R0或R1作間接尋址寄存器，以間接尋址（0-256）數(shù)據(jù)存儲器單元。其中“”為間接尋址標示符，i=0或1。addr 1616位二進制碼地址。提供長調用（LCALL）或長轉移（LJMP）指令16位二進制碼地址，使之可轉向或調用64KB程序存儲器地址空間的任務單元。addr 1111位二進制碼地址。提供絕對調用（ACALL）或絕對轉移（AJMP）指令低11位（0-10）二進制碼地址，高五位維持原值不變，因而只能使程序轉向或調用包含該ACALL或AJMP指令的下一條指令的第一字節(jié)在內(nèi)的2KB范圍內(nèi)程序存儲器地址空間。direct直接尋址方式符號。rel帶符號的8位二進制偏移量的符號。常用于相對轉移指令中，其轉移范圍相當于當前PC值的-128+127個字節(jié)單元的地址空間。bit布爾處理指令的直接尋址位符號。表示可直接位尋址的內(nèi)部RAM或特殊功能寄存器的位地址。C最高進位標志位或布爾處理累加器。（X）表示X單元中的內(nèi)容。（X）表示以X單元中的內(nèi)容為地址進行間接尋址。第4章 微機控制系統(tǒng)硬件電路設計4.1 設計要求4.1.1 總體設計要求普通車床C630是金屬切削加工最常用的一類機床.當工件隨主軸回轉時,通過刀架的縱向和橫向移動,能加工出外圓柱面,圓錐面,端面,螺紋面等.借助成型工具,還能加工成形回轉表面.普通車床刀架的縱向和橫向進給運動是由主軸回轉運動經(jīng)掛輪傳遞而來,通過進給箱變速后,由光杠或絲杠帶動溜板箱,縱溜板,橫溜板移動.進給參數(shù)要靠手工預先調整好,改變參數(shù)時要停車進行操作.刀架的縱向進給運動和橫向進給運動不能聯(lián)動,切削次序也由人工控制.對普通車床進行數(shù)控化改造,主要是將縱向和橫向進給系統(tǒng)改造成用微機控制的,能獨立運動的進給伺服系統(tǒng);刀架改造成能自動換刀的回轉刀架.這樣,利用數(shù)控裝置,車床就可以按預先輸入的加工指令進行切削加工.由于加工過程中的切削參數(shù),切削次序和刀具都會按程序自動進行和更換,再加上縱向和橫向進給聯(lián)動的功能,數(shù)控改裝后的車床就可以加工出各種各樣形狀復雜的回轉零件,并能實現(xiàn)多工序自動車削,從而提高了生產(chǎn)效率和加工精度,也能適應小批量多品種復雜零件的加工.總體方案設計應考慮機床數(shù)控系統(tǒng)的運行方式,伺服系統(tǒng)的類型,計算機的選擇,以及傳動方式和執(zhí)行機構的選擇等.普通車床數(shù)控化改造應具有定位,縱向和橫向的直線插補,圓弧插補功能;還要求能暫停,進行循環(huán)加工和螺紋加工等,因此,數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng). (1) 車床數(shù)控化改裝設計后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床,在保證一定加工精度的前提下,應簡化結構,降低成本.因此,進給伺服系統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng).(2) 根據(jù)普通車床的最大加工尺寸,加工精度,控制速度以及經(jīng)濟性要求,經(jīng)濟型數(shù)控車床一般采用8位微機.在8位微機中,MCS-51系列單片機具有集成度高,可靠性好,功能強,速度快,抗干擾能力強,具有很高的性能價格比.因此,可選擇MCS-51系列單片機擴展系統(tǒng).(3) 根據(jù)系統(tǒng)的功能要求,微機數(shù)控系統(tǒng)除了CPU外,還包括擴展程序存儲器,擴展數(shù)據(jù)存儲器,I/O接口電路;包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤,能顯示加工數(shù)據(jù)和機床狀態(tài)信息的顯示器;包括光電隔離電路和步進電機驅動電路.此外,系統(tǒng)中還包括螺紋加工用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路.(4) 設計自動回轉刀架及其控制電路.(5) 縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈,它們由步進電機,齒輪副,伺杠螺母副組成,其傳動比應滿足機床所要求的分辨率.(6) 為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性,選用摩檫小,傳動效率高的滾珠伺杠螺母副,并應有預緊機構,以提高傳動剛度和消除間隙.齒輪副也應有消除齒側間隙的機構.(7) 采用貼塑軌,以減小導軌的摩檫力.4.1.2 微機控制系統(tǒng)硬件電路設計要求1.控制系統(tǒng)功能要求： （1）Z向和X向進給伺服運動控制，（2）自動回轉刀架控制，（3）螺紋加工控制，（4）行程控制，（5）鍵盤及顯示，（6）面板管理等 （7）其它功能：光電隔離、功率放大、報警、急停、復位等。2.微機控制單元 選用型號為MCS51-8031的集成芯片再配以外圍電路進行開發(fā)，作為數(shù)控車床的微機控制單元。單片微型計算機就是將微處理器(CPU)，隨機存取器(RAM)，只讀存儲器(ROM)，定時/計數(shù)器和多種接口都集成到一塊集成電路芯片上的微型計算機，一塊芯片就構成了一臺計算機。它已成為工業(yè)控制領域、智能儀器儀表、日常生活中最廣泛使用的微型計算機。MCS51-8031單片機非常適合于電機控制的功能，通過選擇硬件和軟件模式，可方便地達到所需要的控制目的，而且其價格低廉，抗干擾性強，非常適合作為控制芯片。我們正是采用它作為車床雙軸控制系統(tǒng)的控制芯片，在數(shù)控改裝中加以應用。3. 硬件電路組成（1） CPU采用8031芯片；（2） 擴展程序存儲器2764兩片；擴展數(shù)據(jù)存儲器6264兩片；（3） 擴展可編程接口芯片8155兩片；（4） 地址鎖存器、譯碼器各一片；（5） 鍵盤電路、顯示電路；（6） 光電隔離電路，功率放大電路；（7） 越程報警電路、急停電路、復位電路；（8） 面板管理電路。4. MCS51-8031數(shù)控系統(tǒng)特點及主要技術指標(1)是以單片機為核心的兩坐標聯(lián)動經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng); (2)圖形跟蹤CRT或LCD顯示; (3)最小輸出增量:X軸0.005mm, Z軸0.01 mm ; (4)具有直線、圓弧、螺紋插補和間隙、刀具補償功能; (5)程序輸人方式:鍵盤、RS-232Co MCS51-8031數(shù)控系統(tǒng)原理為：1/0接口主要實現(xiàn)與編程器接口、步進電機控制接口和開關量輸人輸出接口。具體接口插座選型及用法如下: 1)主軸編程器反饋信號接口:9芯D插座;接受主軸編碼器的頭脈沖、碼道脈沖。2) X軸、Z軸及主軸控制接口:巧芯D插座;用來控制X軸、Z軸步進電運動和主軸的轉速。 3)開關量輸人輸出接口:37芯D型插座;其輸人輸出類型有冷卻液控制口、輔助輸人輸出口、主軸控制信號、主軸換檔控制口、超程信號輸人口、回零信號輸人口。 4.2 微機控制系統(tǒng)硬件電路設計4.2.1 MCS51系列單片機系統(tǒng)擴展MCS-51系列單片機在片內(nèi)以構成了一臺計算機的主要部件，只需外加電源和震蕩器件，配上相對應的程序，即可在應用系統(tǒng)中實現(xiàn)信息處理和測控功能，充分顯示出體積小、價廉、功能強、使用方便等突出的優(yōu)點。單片機的應用特點是“面向測控”。一個單片機應用系統(tǒng)總是包含兩大部分：硬件和軟件，首先必須進行硬件設計，軟件是在硬件基本設定的基礎上進行的。1） 主機的選擇總體功能以及有關技術指標的確定，為主機的選擇提供了可靠的依據(jù)。為選擇合適的機型，應考慮以下因素：主機功能必須滿足總體對它的要求。例如：存儲容量、運算速度、I/O口、中斷、定時/計數(shù)器等。（1） 環(huán)境對主機的要求。大多數(shù)單片機應用系統(tǒng)均工作于現(xiàn)場因此，對工作環(huán)境中的溫、濕度、強電干擾、化學成分、電源等因素應加以考慮，以保證計算機系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。（2） 功能/價格比。在滿足總體要求的前提的情況下應盡可選擇功能/價格比高的機型，以降低整個系統(tǒng)的成本。2） 硬件系統(tǒng)配置通過對應用系統(tǒng)的分析、論證，在總體方案已初步擬定，主機也選定的基礎上就可考慮硬件系統(tǒng)的組成結構及其配置。（1） 主機功能的分配單片機本身具有很強的功能，根據(jù)總體要求對其進行分配和劃定。例如，對存儲器的要求及對地址空間的分配，I/O端口的安排與分配，定時/計數(shù)器的安排與分配，中斷源及其優(yōu)先級的分配和設定。（2） 外部功能部件的擴展與配置當前單片機大致分為兩類：不具備外部擴展功能，僅限于單片應用。這類產(chǎn)品持發(fā)展趨勢，以滿足諸如儀器儀表、微型通訊、小家電等的自動化、智能化的需要。 具備外部擴展功能，可配置成各種不同的應用系統(tǒng)。其缺點是根據(jù)應用系統(tǒng)要求進行硬件設計及制版。 MCS-51系列的8031是典型的后者，一般考慮如下功能部件的擴展與配置：外部存儲器的擴展與配置由于單片機的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器截然分開，因此擴展也需分別考慮。*程序存儲器。由于受集成度的限制，片內(nèi)只能集成容量有限的程序存儲器。由于8031內(nèi)部無程序存儲器必須進行外部擴展。*數(shù)據(jù)存儲器。8031的內(nèi)部集成128B，因此，可根據(jù)應用系統(tǒng)的需要，決定是否需外部擴展。I/O口的擴展與配置單片機的重要特點之一是設有功能極強而端口眾多的并行I/O口，是主機對外部信息的采集以及與外圍部件信息流通的接口。因此需根據(jù)總體要求合理安排與分配。如果一經(jīng)外部功能擴展，則I/O口就所剩無幾。例如，8031型主機，一般就只剩下P1口的8位I/O口，而且應盡可能作位測控之用，其它所需I/O口均需進行外部擴展。外圍部件的擴展與配置 由于單片機的應用十分廣泛，其應用環(huán)境與目標也各不相同，則所需外圍部件的配置也大不相同。例如，要求信息采集，則就要配置對應的傳感器、信息放大器、A/D轉換器等；要求鍵盤/顯示（LED或LCD），則需配置I/O口或專用鍵盤/顯示接口芯片及鍵盤、顯示器。3） 外部總線當單片機進行外部功能擴展時就需配置相應的部器件，這些部器件必須從屬于主機，受主機支配和指揮。因此，主機與各外部擴展的部器件之間必須互相連接，溝通信息流通。連接各擴展部件的公共信息線稱為總線。每個部器件必須賦予對應的地址，因此應設置地址總線。MCS-51的外部總線為16位，故而其尋址空間可達64KB。一般，主機與部器件之間有數(shù)據(jù)信息流通，故而需設有數(shù)據(jù)總線。 MCS-51的外部數(shù)據(jù)總線為8位。各外部擴展的部器件從屬于主機，因而主機必須對外部器件實施控制，即控制總線。控制總線數(shù)量不定，有公用總線，如讀/寫線；有專用線，如PSEN等線。4） 地址空間的分配由于MCS-51系列單片機的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器截然分開，因此各64KB的尋址空間。對于程序存儲器，包含片內(nèi)共64KB，而數(shù)據(jù)存儲器片外可擴展至64KB。但是，MCS-51的外部地址總線只有一組共16位，可尋址64KB。為此，用讀選通信號PSEN和片選信號CS相結合訪問外部程序存儲器；用讀/寫選通信號RD/WR和片選CS信號相結合訪問外部數(shù)據(jù)存儲器；用MOV類指令訪問內(nèi)部RAM，而用MOVX類指令訪問外部數(shù)據(jù)存儲器空間。外部程序存儲器EPROM一般獨占64KB、56KB或60KB存儲空間。對于64KB外部數(shù)據(jù)存儲器地址空間，由于外部擴展的功能部器件（除EPROM外）均需分配一個地址空間，主機按指定的地址訪問各功能部件。 在外部擴展多片存儲器和功能部件接口芯片時，主機通過地址總線發(fā)出的地址用來選擇某一個存儲器單元或某一個功能部件接口芯片，有完成這一功能，必須有兩種選擇：一是必須選擇出指定的芯片，稱為片選；二是必須選擇出該芯片的某一存儲單元，稱為字選。通常有兩種地址選擇方法；線性選擇法和地址譯碼法。應根據(jù)不同情況選擇。線性選擇法線性選擇法是將空余的地址總線中的某一根地址線作為選擇某一片存儲器或某一功能部件接口芯片的片選信號線。因此，每一塊芯片均需占用一根地址線。這種方法適用于存儲器容量小、外擴芯片較少的小系統(tǒng)。其優(yōu)點是不需要地址譯碼器，硬件節(jié)省、成本低、設計簡單、體積小。地址譯碼法由于線選法一根高位地址線只能選通一個部件，每個部件都占用了很大的地址空間，從而限制了外部擴展部件的數(shù)量。采用地址譯碼法的目的是減少各部件所占有的地址空間，以增加擴展部件數(shù)量。例如，選用3位地址線即譯出0-7共8種狀態(tài)，每種狀態(tài)選通一個擴展部件，這就可由3種功能部件擴大到8種功能部件。但是譯碼法需增用譯碼器件，增加研制成本。常用的譯碼器有74LS138、139、156以及Intel公司的8205等。最常用的是74LS138，它是8種取1譯碼器，如圖4-1為74LS138的引腳圖。一般將地址線的高三位（P2.5、P2.6、P2.7）與74LS138的A、B、C端口相連，