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目 錄
摘 要 2
第一章 概 述 3
1.1 拉伸試驗機的應用 3
1.2拉伸試驗機采集系統(tǒng)的特點與要求 3
第二章 機械總體設(shè)計 5
2.1.方案選擇 5
2.2 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計 7
2.3 參數(shù)的確定 8
2.4 電機的選擇 9
第三章 機械部分的設(shè)計計算 10
3.1 絲杠的選擇 10
3.2 聯(lián)軸器的選擇——《機電液手冊》 13
3.3 減速器的選擇 16
3.4 齒輪傳動的設(shè)計 17
3.5 同步帶的設(shè)計 22
第四章 控制部分硬件設(shè)計 26
4.1 主控制器的CPU的選擇 26
4.2 存儲器擴展電路設(shè)計 30
（2）地址鎖存器74LS373 30
（3）程序存儲器的擴展 30
4.2.2 MCS-51單片機應用系統(tǒng)中的地址譯碼 31
4.2.3 I/O口擴展電路設(shè)計 31
（1）8155引腳及說明 31
（2）工作方式的設(shè)定 31
（3）狀態(tài)查詢 32
（4）定時功能 32
（5）8155與8031的連接方法 32
（6）8255A可編程外圍并行接口芯片引腳 32
4.3驅(qū)動電路的設(shè)計 33
4.4 傳感器的選擇 33
4.5 其它輔助電路的設(shè)計 34
第五章 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計 37
5.1系統(tǒng)軟件設(shè)計包含內(nèi)容 37
5.2軟件的設(shè)計說明及程序清單： 37
第六章 設(shè)計總結(jié) 41
參考書目 42
摘 要
本次畢業(yè)設(shè)計的題目是拉伸試驗機系統(tǒng)改造。主要任務(wù)是在舊的拉伸試驗機的基礎(chǔ)上進行改造，采用數(shù)字控制方式，進行拉伸試驗，這樣既減少了工作人員的工作量，又可以更加精確的完成試驗目的。
由于材料拉力試驗機應用廣泛，經(jīng)過調(diào)查研究分析現(xiàn)有產(chǎn)品，決定設(shè)計和改造方案。在本次設(shè)計中，主要是設(shè)計拉伸試驗機系統(tǒng)改造，在這個設(shè)計中共分兩個部分設(shè)計：一部分是機械部分，另一個是控制部分。在機械設(shè)計里，主要設(shè)計夾具和絲杠以及傳動部分，其主要要求是保證其精度。在控制部分的設(shè)計中，用OMRON系列PLC來控制拉伸實驗機，從而控制絲杠轉(zhuǎn)角及采集拉力。
關(guān)鍵詞 拉伸試驗機 精度 絲杠 可編程控制器
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 of control, Controls the stretch testing aircraft with OMRON series PLC, thus control guide screw corner and gathering pulling force.
Keywords material pull experiment precision guide
Programmable controller
第一章 概 述
為了使我們把學到的知識能夠靈活的運用，安排了此次機械工藝課程設(shè)計。目的是通過此次設(shè)計，能夠為將來的工作打下一個良好的基礎(chǔ)，我們盡力搞好此次設(shè)計。
但是，由于水平有限，缺乏實際經(jīng)驗，時間有限，知識掌握不夠全面，因此此次設(shè)計中難免有許多不足之處，望老師見諒。當然本次設(shè)計更得到了李任江老師的悉心指導，還有其他老師同學的幫助，才的以順利完成設(shè)計，在此對大家表示感謝！
由于材料拉力試驗機應用比較廣泛，所以應該大量比較和分析現(xiàn)有產(chǎn)品，綜合后，決定設(shè)計和改造方案。目前應用得試驗機工作力在100KN以下的多采用機械傳動。100KN以上的多采用液壓式傳動?，F(xiàn)在本校試驗室有兩臺液壓式萬能試驗機。由于老式液壓材料拉力試驗機的功能和原理都差不多，所以將本校試驗室的材料試驗機作為改造和參考的對象。原機在拉伸（壓縮）材料后能自動畫出金屬試驗數(shù)據(jù)圖。
1.1 拉伸試驗機的應用
在各種材料的產(chǎn)品質(zhì)量檢驗、生產(chǎn)過程質(zhì)量控制、材料科學研究及教學試驗中，都必須應用試驗機進行力學性能測試。拉伸試驗機在我國的鋼鐵、建材、冶金、化工等行業(yè)被廣泛應用。目前，估計國內(nèi)已擁有數(shù)萬臺國產(chǎn)及進口的各類試驗機，大多數(shù)為手工控制、操作，主要用于原材料檢驗、質(zhì)量監(jiān)督檢驗、質(zhì)量控制及教學，擔負著材料或產(chǎn)品的常規(guī)力學性能測試。所以，研制一臺適用于設(shè)計要求，改造后的機床能自動輸出相應數(shù)據(jù)。同時也為材料用戶的數(shù)據(jù)共享提供一種經(jīng)濟、快捷的途徑和手段，顯得很必要，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
1.2拉伸試驗機采集系統(tǒng)的特點與要求
對于本次拉伸試驗機的設(shè)計，必須配置電測傳感器，通常有3種：①用于測定力值的壓力傳感器或測力傳感器；②用于測定式樣變形的變形傳感器；③用于測定機器橫梁移動量的位移傳感器。本文采集的主要是拉力數(shù)據(jù)的采集；因此，只使用了拉力傳感器。測試過程中，操作人員可以一邊觀察側(cè)一邊用拉力傳感器反映的力值進行數(shù)據(jù)采集和處理測試結(jié)果。通過此次系統(tǒng)改造后的試驗機，相對來說，測量精度明顯提高，并能自動記錄被測試材料的最大拉力、鋼材的屈服點參數(shù)等。
要求如下：
①數(shù)字顯示試驗里及峰值等，示值精度為 并能方便驗定；
②實時記錄曲線；
③具有抗拉強度的峰值自動保存功能；
④具有屈服強度等參數(shù)自動判斷功能；
⑤系統(tǒng)適合于長期連續(xù)運行；
⑥測試數(shù)據(jù)及相關(guān)數(shù)據(jù)機內(nèi)掉電保存，以備查用；
⑦可單獨使用，也可與上位聯(lián)機使用。
44
第二章 機械總體設(shè)計
2.1.方案選擇
方案的選擇是為了更好的對拉伸實驗機系統(tǒng)改造和設(shè)計，方案的選擇將直接影響到設(shè)計的好壞。對此，我提出三種方案進行對比，以致于選出最好的方案，達到最佳的設(shè)計結(jié)果。
2.1.1 方案列舉：
方案一：采用齒輪絲杠傳動，電機安裝在底座箱體外面。
圖2.1
方案二：采用單絲杠傳動，用電機直接驅(qū)動。
圖2.2
方案三：采用同步齒形帶傳動，動力源為直流伺服電機，由于它的低速性不好，所以要加減速裝置。
圖2.3
2.1.2 各方案總體分析
方案一：
優(yōu)點是兩絲杠旋向相反，可消除扭轉(zhuǎn)力的副作用，但左旋絲杠的加工困難造價較高。又由于減速部分采用多級齒輪傳動，使得成本增加。為了安裝方便放在下邊的旋轉(zhuǎn)編碼器應改在上邊，除絲杠外又增加了兩個光杠，使得成本增加，所以不合理。
方案二：
由于電機只帶動一個絲杠，橫梁還需嚴另一個光杠上下移動。這樣增加了扭轉(zhuǎn)力矩，相應就要增加電機的功率。造成浪費，而且應變片貼在試樣上，操作不方便且試樣斷裂后對應變片可能有損傷，所以不合理。
方案三：
為了降低成本，克服液壓系統(tǒng)的缺點，更為了提高系統(tǒng)的操作自動化程度，將系統(tǒng)定為電氣控制，且是機械傳動。此方案克服前兩個方案的缺點，且結(jié)構(gòu)簡單，成本低，所以較合理。
工作過程及機械原理如下：
由電機帶動一級減速器，再經(jīng)過一級傳動帶帶動兩根絲杠。此處選擇減速器是為了減少設(shè)計量。用帶傳動是為了降低成本。保證兩根絲杠同步，傳送帶選用齒形帶。絲杠帶動螺母，落幕固定在橫梁上，從而使橫梁一起運動。橫梁又帶動夾頭。由于上下夾頭間夾著材料試棒，所以一起運動而上夾頭與工件下部不動，因此試棒就被拉斷。
在絲杠的頂端裝有光電偏碼器，通過測量絲杠的轉(zhuǎn)動計算出工件的伸長量，從而使系統(tǒng)達到半閉環(huán)控制，上夾頭端部裝有拉力傳感器，可直接測量作用在工件上的力。
2.1.3確定方案
由以上分析，可知方案三為最佳方案。
2.1.4 解決問題
雖然反感確定了，但軟，硬件控制尚需選定，編程，各部分的尺寸尚需確定，絲杠部件的連接方式的選擇，材料，型號的選擇。
2.2 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計
采用同步齒形帶傳動，動力源為直流伺服電機，要安裝減速器，因為直流伺服電機的低速性不好。利用同步帶傳動，它兼有帶傳動，齒輪傳動及鏈傳動的優(yōu)點。平均傳動準確，精度高，且適于低速傳動。
圖2.4
2.3 參數(shù)的確定
1 半閉環(huán)系統(tǒng)的執(zhí)行元件：采用直流伺服電機。
2 檢測及反饋元件的選擇：半閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)主要采用角位移傳感器。選擇圓形的角位移傳感器，如光電脈沖編碼器，圓感應同步器，旋轉(zhuǎn)變壓器，碼盤等。根據(jù)需要選擇光電脈沖編碼器。
3 機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)方案的確定：由執(zhí)行元件通過減速器和滾動絲杠螺母機構(gòu)，驅(qū)動工作臺運動。
4 伺服電機動力參數(shù)確定：由拉伸試驗機，屬于一般的直流伺服系統(tǒng)，故根據(jù)各種直流伺服電機的特性，選擇電磁式直流電機。它具有體積小、重量輕、力能指標高、產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)牢固。機構(gòu)特性和調(diào)節(jié)特性的線性度較好的特點。故選擇直流永磁電動機。
5 試驗機的參數(shù)：最大拉力 ，最大拉伸空間700mm，金屬試樣加工范圍，其精度等級：1級。
2.4 電機的選擇
（1 ） 初選電機
拉伸工件時所需的最大功率
V
=
其中
查《機械原理》一書知
根據(jù)《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計手冊》 初選電機90SZ52。查表1-2-33，其數(shù)據(jù)參數(shù)如下：
轉(zhuǎn)矩為： 509.5（10） 轉(zhuǎn)速： 1500r/min
功率為：80W 電壓為：220V
外形為： 長：181 重量為：3.6kg
（2）驗算所選電機的轉(zhuǎn)矩是否符合要求絲杠轉(zhuǎn)矩T
其中 為 當量摩擦角。取tan =0.0025, 則
= 41.59
< T = 0.5095N/m
所選電機合理 。
第三章 機械部分的設(shè)計計算
3.1 絲杠的選擇
根據(jù)《機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》，選nmax=5r/min,nm=2r/min,絲杠的長度 L=1330mm,壽命 =1500h, 傳動精度=.
(1) 求計算載荷
查表2-6，??；查表2-7，取；查表2-4，取 D級精度；查表2-8，取。
（2）計算額定動載荷
=
=36690N
（3）根據(jù)選擇滾珠絲杠副
假設(shè)選用型號，按滾珠絲杠符的額定動載荷的原則，查表2-9，選以下型號規(guī)格：-6308-3 =36776N
考慮各種因素選用-6308-2.5，由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑=60mm，導程P=10，螺旋角為，滾珠直徑=5.935mm
按表2-1中尺寸公式計算：
滾道半徑R=0.52=0.525.953=3.096mm
偏心距=0.07
絲杠內(nèi)徑mm
（4）穩(wěn)定性的驗算
由于絲杠在工作時可能回發(fā)生失穩(wěn)和共振兩種情況，所以下面對其分別進行驗算。
第一種情況：失穩(wěn)
由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應該驗算其安全系數(shù)S，其值應大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許的安全系數(shù)[S]。
查表2-10，采用一端固定，一端游動（F-S） [S]=3, (為長度系數(shù))，：臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)， 查得 3.927 。 絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷
按下式計算：
其中 E：彈性模量，對于鋼E=206G
l: 絲杠工作長度
：絲杠危險界面的周慣性矩
其中
==5.12
取 則
=1.93
安全系數(shù) S
查表2-10，[S]=3，
既 絲杠時安全的，不會失穩(wěn)。
第二種情況：
高速長絲杠在工作時可能發(fā)生共振，因此需要驗算其不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨界轉(zhuǎn)速。 要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。
臨界轉(zhuǎn)速（r/min）可按下式計算得：
=
=9970r/min
即 所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。
除以上兩種情況以外，滾珠絲杠副還受值得限制，通常要求：。
所以該絲杠副工作穩(wěn)定。
（5）剛度驗算
計算最大導程誤差
==13.3
通常要求絲杠的導程誤差應小于傳動精度的，即：
所以該絲杠的導程誤差滿足要求，所以剛度合格。
（6）效率驗算
滾珠絲杠副的傳動效率為：
要求在90%~95%之間，所以絲杠副合格。
（7）驗算壽命
測試機械壽命h為15000h
額定壽命計算公式如下：
其中： L——額定壽命
——基本額定動載荷
F——轉(zhuǎn)向載荷
在實際中選用
所以 符合要求。
（8）驗算自鎖
絲杠停轉(zhuǎn)時，絲杠螺母可能會因受力過大而輕松下落，此時必須考慮自鎖問題。
受力簡圖如下：
圖3.1
要防止上述現(xiàn)象發(fā)生，產(chǎn)生自鎖，則必須有
既： ——螺旋升角； ——摩擦角
由圖可知：
即
能夠產(chǎn)生自鎖。
3.2 聯(lián)軸器的選擇——《機電液手冊》
凸緣聯(lián)軸器是應用最廣泛的一種固定式剛性聯(lián)軸器，它結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，傳遞轉(zhuǎn)矩大，裝拆方便，可以連接不同直徑的兩軸，采用鉸制孔螺栓對中，這種螺栓聯(lián)接是依靠螺栓與螺栓孔壁之間擠壓來傳遞轉(zhuǎn)矩的，不但減輕了螺栓的預緊力，而且還能提高傳遞轉(zhuǎn)矩的能力，同時裝拆時不需要沿軸向移動。
(1) 聯(lián)軸器的選擇計算
計算轉(zhuǎn)矩
其中： ——計算轉(zhuǎn)矩KN
K——工作情況系數(shù)
T——理論轉(zhuǎn)矩
——驅(qū)動功率
n——電機轉(zhuǎn)速 1500r/min
i——減速器公稱傳動比 i=50
——公稱轉(zhuǎn)矩
查表19-2得 K=1.25
綜合各種技術(shù)要求，選擇YLD4型聯(lián)軸器，額定轉(zhuǎn)矩為40，許用轉(zhuǎn)速（鋼）為9500r/min.軸孔直徑，軸孔長度30mm,D=100mm,,螺栓，質(zhì)量為2.47kg,轉(zhuǎn)動慣量為0.0093。
(2) 聯(lián)軸器的強度校核
普通螺栓聯(lián)接的受力和強度計算
①滿足傳遞轉(zhuǎn)矩所需的螺栓預緊力F
其中 ——聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩
D——半聯(lián)軸器凸緣的外徑
——兩半聯(lián)軸器凸緣端面接觸處的直徑
——摩擦系數(shù)
n——螺栓數(shù)目
②螺栓聯(lián)接的強度條件
其中[]螺栓材料的許用應力，對45鋼控制的預緊力時，可取[]=240N/,不控制預緊力時可取，這里為45號鋼控制，
即 滿足強度條件。
鉸制孔螺栓聯(lián)接的受力和強度計算
① 每一螺栓所受的剪切力
② 螺栓的剪切力強度條件
③ 螺栓聯(lián)接的擠壓強度條件
所以滿足強度要求。
(1) 鍵的強度校核
由于聯(lián)軸器利用鍵與電機，減速器相聯(lián)接。根據(jù)電機軸徑，選擇普通平鍵相聯(lián)接，靠側(cè)面?zhèn)鬟f轉(zhuǎn)矩，對中性良好，結(jié)構(gòu)簡單，裝拆方便，選擇B型，軸的應力集中小。
查《機電液》手冊表6-4得鍵的強度校核公式如下：
鍵聯(lián)接工作面擠壓應力
其中 T——傳遞的轉(zhuǎn)矩
d——軸的直徑
L——鍵的工作長度
K——鍵與輪轂之間的接觸高度
數(shù)據(jù)列表如下：
d
b
h
l
8
2
2
12
14
5
5
20
表3.1
查表6-3得，聯(lián)接鋼，輕微沖擊，， d=8mm
L=12mm .
① 校核
由表6-2得
= 即
所以符合要求。
鍵的剪切強度校核
所以鍵的剪切強度符合要求。
② 校核
鍵的剪切強度和擠壓強度均合格。
綜合上述計算結(jié)果得知，對于及兩徑上的鍵，無論是擠壓強度還是剪切強度均符合要求，可按全工作。
3.3 減速器的選擇
查《機電液》手冊，選擇減速器。計算載荷如下：
T
式中——螺杠輸入各功率 ——工況系數(shù) 查表20-59，
——啟動率系 查表20-60，得 ——小時負載率系數(shù) 查表 20-61，得 =0.6
——環(huán)境溫度系數(shù) 查表20-62，得
——減速器型號系數(shù) 查表20-63， 得
把查得的數(shù)據(jù)代入式中，得：
根據(jù)上述結(jié)果查表20-50，符合要求的減速器為KWU40-60-ⅡF，傳動比i=50。
3.4 齒輪傳動的設(shè)計
3.4.1 齒輪的幾何尺寸的計算
查《機電液》手冊，有關(guān)于直齒錐齒輪傳動的幾何尺寸的計算如下：
⑴齒數(shù)比u
⑵大端分度圓直徑
⑶確定齒數(shù)
查圖23.4-3，取
⑷確定大端模數(shù)
查表24.4-3得，標準的，，
⑸分錐角
當時，
（6）外錐矩、齒寬b、齒寬系數(shù)
⑺平均分度圓直徑
⑻中錐矩、平均模數(shù)
⑼切、徑向變位系數(shù)、X
由圖23.4-4得，
由表23.4-6得，選取
⑽齒頂高、齒根高
由表23.4-2的
⑾齒頂圓直徑、頂隙C
⑿大端分度圓厚S、大端分度圓弦齒厚
=
⒀大端分度圓弦齒高、當量齒數(shù)
⒁端面重合度
式中
所以
=1.63
3.4.2 校核鍵的強度
錐齒輪聯(lián)接的鍵的強度計算如下：
=
=
鍵的剪切強度和擠壓強度均滿足要求，可以安全工作。
3.4.3錐齒輪傳動的校核計算
⒈ 齒面接觸疲勞強度的校核
根據(jù)《機電液》手冊，查得：
式中：①：使用系數(shù) 查表10-22得 =1.6
：動載荷系數(shù) 查表得：
②齒向載荷分布系數(shù)
為支承情況系數(shù)，查表12-15得：
③ 齒間載荷分配系數(shù)
查表12-16得，
④ 節(jié)點區(qū)域系數(shù) 查圖， 得=2.8
⑤ 彈性系數(shù) 查表10-25得，=189.8
⑥ 接觸疲勞強度計算的重合度和螺旋角系數(shù)
⑦ 錐齒輪系數(shù)、許用接觸應力
取=1
=
所以齒輪的許用接觸應力滿足要求，可以安全使用。
⒉ 齒輪的彎曲疲勞強度的校核
彎曲疲勞強度的計算公式如下：
式中： ①
②復合齒型系數(shù)
所以查表12-10得
③彎曲強度計算的重合度與螺旋角系數(shù)
查圖得：
④ 許用彎曲應力
式中：——齒輪材料的彎曲疲勞強度基本值 查圖得=630
——壽命系數(shù)
——相對齒根圓角敏感系數(shù) 見表10-27
——尺寸系數(shù) 見表10-27
——齒根彎曲強度的最小安全系數(shù) =0.85
把系數(shù)代入公式中：
齒輪的彎曲疲勞強度滿足需求。
3.5 同步帶的設(shè)計
1. 有關(guān)數(shù)據(jù)的計算：
⑴ 功率：
——傳動工況系數(shù) 查表取
P——帶傳動的功率
⑵ 選擇帶型：
根據(jù)和A，查圖8-18，選用H型，
⑶選擇小齒輪齒數(shù)
根據(jù)的原則，查表8-37， 取
⑷小帶輪節(jié)徑、大帶輪節(jié)徑
⑸大帶輪齒數(shù)
（6）帶速 V：
⑺初定中心距
按要求取
⑻選用帶長及齒數(shù)
=
按表8-33選用 代號600 。 帶上齒數(shù)120。
⑼小帶輪嚙合齒數(shù)
=
⑽基本額定功率
式中： 同步帶的基準寬度查表8-38得， ，
⑾帶寬 、作用于軸上的力
按表8-34，選取標準帶寬。代號H200
2.張緊力的控制
適當?shù)膹埦o力是保證傳動正常工作的重要因素。張緊力不足，帶將在帶輪上打滑，使帶急劇磨損，張緊力過大，則會使帶的壽命降低，軸和軸承上的作用力增大。張緊力通常是通過在帶與帶輪兩切點A、B中點處加重垂直于帶邊載荷G，使其產(chǎn)生規(guī)定的撓度f來控制。
計算撓度的公式如下：
使切邊中點產(chǎn)生撓度：
從而可知載荷為：
式中： ——同步帶合適的張緊力
——切邊長度
——帶節(jié)線長
Y——修正系數(shù)
查表8-49，得：
代入公式：
綜合以上分析計算，為了達到張緊的目的，本設(shè)計采用張緊輪的裝置。張緊輪一般應改放在松邊的內(nèi)側(cè)，使帶只受單向彎曲。同時張緊輪還應盡量靠近大帶輪，以免影響帶在小輪上的包角。張緊輪的輪槽尺寸與帶輪的相同，且直徑應小于帶輪的直徑。
故選擇張緊輪的直徑為。
第四章 控制部分硬件設(shè)計
構(gòu)成微機控制部分的硬件電路概括起來由以下四個部分組成：
（1）主控制器——即中央處理單元CPU，采用系列的單片機
（2）總線——包括數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）
（3）存儲器——包括可編成存儲器EPROM和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器RAM
（4）接口電路及伺服電機電路、檢測電路等外圍接口電路。
其中CPU是整個電路的核心，其控制其它各部分協(xié)調(diào)工作的“大腦”，存儲器則用于存放系統(tǒng)軟件（即有相應的程序）以及運行過程中的各種數(shù)據(jù)，接口是系統(tǒng)與外界進行信息交換的橋梁，三總線則是CPU與存儲器、接口以及其它各種轉(zhuǎn)換電路的紐帶，是CPU與各部分電路進行信息交換和通訊的必由之路，本設(shè)計的控制部分系統(tǒng)硬件圖如下：
控制對象
伺服電機
外設(shè)
鍵盤、顯示器、打印機
存儲器EPROM（2764）
RAM（6264）
中央處理器CPU
（8031）
輸入/輸出
I/O接口
（8155、8255）
信號變換
YD-15
CD-5401
AD-574
圖4.1
4.1 主控制器的CPU的選擇
在微機應用系統(tǒng)中，CPU的選擇應該考慮以下要素：時鐘頻率和字長（控制數(shù)據(jù)處理的速度）可擴展存儲器（RAM/ROM）的容量、指令系統(tǒng)功能是否很強（即編程的靈活性）、I/O擴展的功能（即對外部控制的能力）、開發(fā)手段（包括支持開發(fā)的軟件的硬件電路）。除此之外，還應根據(jù)系統(tǒng)應用場合控制對象以及各種參數(shù)的要求來選擇CPU。
目前，在我過的數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，常用的芯片有8086、8088、80386、8098、8096等16位機的CPU，也有8080、Z80、MCS-48、MCS-51系列的8位機的CPU，但是應用最多的還是Intel公司的MCS-51系列單片機作為主控制器。
MCS-51系列單片機主要有三種型號的產(chǎn)品8031、8051、8751。該系列產(chǎn)品是集中CPU I/O端口及部分RAM等為一體的功能性很強的控制器，它的主要特點是集成度高可靠性好、運算速度快，另外，該系列產(chǎn)品只需增加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個完整的微機控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強，編程靈活性大，硬件資料也很豐富，是較為理想的主選控制器芯片。目前，工業(yè)控制中應用最多的是8031單片機，下面介紹一下8031單片機的基本性能及使用方法。
（1） 單片機的基本性能
① 具有一個8位微處理器（CPU）
② 片內(nèi)具有時鐘發(fā)生器（6MHZ或12MHZ）執(zhí)行指令時間為2或1
③ 128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、4K/8K字節(jié)程序存儲器（ROM/EPROM）
④ 具有21個特殊功能寄存器
⑤ 具有2個16位可編程定時/計數(shù)器
⑥ 32跟I/O線，4個I/O端口
⑦ 5個中斷源，可編程為2個優(yōu)先級
⑧ 一個全雙工的可運行于同步/異步方式的串行口
⑨ 具有位尋址功能，位尋址空間00H~FFH，適用邏輯運算
⑩它使用單一的+5V電源，在主振頻率為6MHZ時機器同期為2， 有四組工作寄存器，每組有8個8位的工作寄存器，根?？稍O(shè)置于單片機數(shù)據(jù)存儲器的任何處，堆棧深度最多可達120/248個單元。
（2） MCS-51系列單片機的引腳及功能
MCS-51單片機是一個具有40根引腳的雙列直插式（CPU）器件，這40只引腳大致分為電源（、、、）時鐘（XTA、XTA）I/O口（~）地址總線和控制總線（ALE、RST、PROG、）等六大部分它們的功能簡述如下：
1） 電源線：（20），電源地線
（40）芯片主電源（+5V）
2） 時鐘： XTA（18）：震蕩器反向放大器輸入端，HMOS芯片使用外部震蕩器時，此端必須接地。
XTA（19）：震蕩器反向放大器輸出和內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，HMOS芯片使用外部震蕩器時，此端用于輸入外部震蕩信號。
3） 控制總線
ALE/PROG（30）：地址鎖存有效信號，其主要作用是提供一個適當?shù)亩?
時信號，在它的下降適用于外部程序存儲器或外部數(shù)據(jù)存儲器的底8位地址鎖存。使分時作用為地址總線（低8位）和數(shù)據(jù)總線。此信號在每個機器周期出現(xiàn)2次，只是訪問外部數(shù)據(jù)存儲器期間才會輸出ALZ，在任何可使用外部數(shù)據(jù)在存儲器的系統(tǒng)中，ALE以1/6震蕩頻率的固定速率輸出，用作外部時鐘定時，當8751片內(nèi)編程時，此端輸入編程脈沖信號（PROG）。
RST/（9）：復為輸入信號。震蕩器工作時，該引腳上兩個機器周期的高電平，可實現(xiàn)復為操作。在掉電情況下，后備電源加到此腳，將只給片內(nèi)RAM供電。
EA/（31）：該訪問外部程序存儲器控制信號輸入端，當EA為低電平時，CPU僅執(zhí)行外部存儲器的程序。
4） I/O線：
（32~39）：單片機的雙向數(shù)據(jù)總線和低8位地址總線分時操作，先用作地址總線，在ALE信號的下降沿，地址鎖存，然后用作為數(shù)據(jù)總線，也可用作雙向輸入/輸出口，它能吸入/方出8個TTL負載（作總線工作時）
（1~8）：8位準雙向輸入/輸出口。在編程校驗期間，用于傳輸?shù)?位地址，它能吸入/放出4個TTL負載
（21~28）：8位準雙向輸入/輸出口，在訪問外部存儲器時，用作高8位地址總線，它能吸入/放出4個LSTTL負載。
（10~17）：8位準雙向輸入/輸出口，口的每一根線還有另一種功能。
： 串行輸入口
： 串行輸出口
：外部中斷 0 輸入口
：外部中斷 1 輸入口
：定時/計數(shù)器 0 外部事件脈沖輸入端
：定時/計數(shù)器 1 外部事件脈沖輸入端
：外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖
：外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖
MCS—51系列單片機引腳分配，邏輯符號圖詳見附圖6
（3） 特殊功能寄存器
特殊功能寄存器（SFR）是用于對片內(nèi)各功能模塊進行管理、控制、監(jiān)視的控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個特殊功能的EPROM，位于片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器上，其地址為80H~FFH的區(qū)域。其名稱及功能如下：
：累加器，其指令記符為A
B： 寄存器，主要用于乘法和除法操作對于其它指令，也可用作寄存器
：堆棧指令寄存器，能位于片內(nèi)RAM的128字節(jié)的任何單元
DPTR：數(shù)據(jù)指令寄存器，16位，分別由高位字節(jié)（DPH）和低位字節(jié)（DHL）組成。其功能是存放16位地址。
PSW：程序狀態(tài)寄存器，內(nèi)放標志寄存器置位成清零，表示操作結(jié)果的某些特殊，其功能及分配情況如附圖
另外，還有一些特殊功能寄存器。
（4） 存儲器結(jié)構(gòu)
單片機的存儲器包括程序存儲器（EPROM、ROM）和數(shù)據(jù)存儲器（RAM）。兩種存儲器的尋址空間是分開的，對于MCS-51系列，實際上存在3個獨立空間，如圖7所示，程序存儲器用于存放程序8051片內(nèi)有4KROM，8751片內(nèi)有4KEPROM。8031片內(nèi)原程序存儲器，片外程序存儲器可根據(jù)需要任意選擇，但片內(nèi)片外總的容量和起來不超過64KB。它們在同一個邏輯空間中，地址從0000H~FFFFH。
內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的地址從00H~7FH，其中內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM為0~127（00H~07H），特殊功能寄存器為128~255（80H~1FH），256個字節(jié)中00H~1FH為四個工作寄存器區(qū)，00H~07H為0區(qū)，08H~0FH為1區(qū)，10H~17H為2區(qū)，18H~1FH為3區(qū)。改變標志寄存器PSW中的、就可以確定工作寄存器區(qū)。從20H~2FH是“為尋址”空間，從30H~7FH是只能夠接字節(jié)尋址的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，單片機的外部數(shù)據(jù)存儲器最大可以擴展到64K，地址從0000H~FFFFH，用以存儲數(shù)據(jù)。
（5） 定時器，計數(shù)器
MCS-51系列單片機提供兩個16位寄存器，、用作定時器或事件計數(shù)器，需要由特殊功能寄存器TCON中的控制來選擇、功能為定時還是計數(shù)。
（6） 中斷系統(tǒng)
MCS-51系列單片機提供了5個中斷源，兩個位、，輸入外部中斷請求低電平有效。兩個為片內(nèi)定時/計數(shù)器。由和溢出中斷請求和；一個為片內(nèi)串行口中斷請求，這些中斷請求源的引腳都為口的第二功能。對于每個中斷可編程序為高優(yōu)先級和低優(yōu)先級中斷，并能實現(xiàn)二級中斷嵌套，各中斷源所對立中斷服務(wù)程序的入口地址和優(yōu)先級如下：
中斷源： 串行口中斷
入口地址：0003H 000BH 0013H 001BH 0023H
優(yōu)先級： 0 1 2 3 4
8031響應中斷后，即從以上入口地址開始執(zhí)行中斷服務(wù)程序，直至遇到一條返回指令為止。
（7） 時序
由于在單片機中程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器嚴格分開，因此，程序存儲器的操作時序中分兩種情況：即不執(zhí)行MOVX指令和執(zhí)行MOVX指令。
4.2 存儲器擴展電路設(shè)計
4.2.1程序存儲器擴展：
單片機應用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲芯片大多數(shù)采用EPROM芯片中。在選擇時，要考慮CPU與EPROM時序的匹配，即8031所能讀取的時間必須大于EPROM所需要的讀取時間。此外，還需要考慮最大讀取速度，工作溫度及存儲器的容易。在滿足容量要求時，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量，使系統(tǒng)簡化，若CPU選擇為8051、8751而程序容量又小于4K的情況下，可不擴展程序存儲器。
（1）2764ZPROM芯片介紹
2764芯片是雙列直插式28腳芯片，如圖8所示，共有13根地址線，8根數(shù)據(jù)線，其余為控制線，定義線分別是：
——片選信號端 ——取指允許
——編程控制端 ——編程電壓端
——+5V電源 ——地電平
NC——空腳、不接
圖8， 2764管腳分配圖 圖9、2764程序存儲器擴展電路框圖
（2）地址鎖存器74LS373
單片機規(guī)定口提供低8位地址線，同時又用作數(shù)據(jù)線，所以為分時輸出低8位地址和數(shù)據(jù)的通道口。為了把地址信號分離出來保存以提供低8位地址信息，一般采用74LS373作為地址鎖存器。單由CPU發(fā)出地址允許鎖存器中，74LS373是第三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器，用作地址鎖存器時，應使其使能端E為低電平，輸入端G與8031的ALE連接。當G=1時，74LS373的輸出端與輸入端的相同，當G高電平返回低電平時，將輸入的數(shù)據(jù)鎖存入中。
（3）程序存儲器的擴展
附圖9為采用2764EPROM的程序存儲器的擴展電路框圖。其與8031主要是三總線連接。
2764中低8位地址線通過地址鎖存器74LS373與8031的口相連。當?shù)刂肪€通過地址鎖存信號ALE為高電平，則口輸出地址有效。8位數(shù)據(jù)線直接與8031口相連。高5位地址線分別與相連。引腳直接同8031連接，與8031的譯碼電路相連，為低電平時，選通2764。由于8031只能選通外部程序存儲器，因而其EA引腳接地。
4.2.2 MCS-51單片機應用系統(tǒng)中的地址譯碼
(1) 譯碼原則：
① 程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器地址重復使用；
② 外圍擴展芯片與數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址，它不僅占用數(shù)據(jù)存儲器地址單元，而且使用數(shù)據(jù)存儲器的讀/寫控制信號與讀/寫指令；
③ 地址總線寬度為16位，片外程序存儲器可直接尋址范圍各為64K字節(jié)?？谔峁└?位地址（A8~A12），口經(jīng)外部鎖存器后提供低8位地址（A0~A7）。
（2）地址譯碼方法：
①線選法：線選法是把單獨的地址線接到外圍芯片的片選端上，只要該地址線為低電平，就選中該芯片。其特點是：硬件電路結(jié)構(gòu)簡單，但由于所用片選線都是高位地址線，它們的權(quán)值較大，地址空間沒有充分利用，總片之間的地址不連續(xù)。
②全地址譯碼：對于RAM和I/O容量較大的應用系統(tǒng)，當芯片所需要的片選信號多于可利用的地址線時，常采用此種方法，它將低位地址作為片內(nèi)地址，而用譯碼器對高位地址進行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。
通常采用3--8譯碼器（74LS138），輸入端占用3根高位地址線，剩余的13根地址線可作為片內(nèi)地址線，因此譯碼器的8根輸出線分別對應8個8K字節(jié)的地址空間。
4.2.3 I/O口擴展電路設(shè)計
8031單片機雖有四個8位并行I/O口，但可供用戶使用的只有口及部分口，因此在大部分應用系統(tǒng)中都不可避免地要進行I/O口的擴展。目前在I/O口擴展電路設(shè)計中多采用通用可編程接口芯片8155或8255，它與微機接口比較簡單。
（1）8155引腳及說明
8155具有40條引腳的雙列直插式RAM/IO/CTC擴展器，含有256個字節(jié)的RAM存儲器，一個6位兩個8位可編程I/O口，一個4位可編程的定時器，計數(shù)器，其引腳及功能見附圖10所示。其可尋址的寄存器相應I/O口編址如表1。
（2）工作方式的設(shè)定
8155I/O口工作方式選擇通過對8155內(nèi)部命令寄存器設(shè)定命令控制字實現(xiàn)。
（3）狀態(tài)查詢
8155還有一個狀態(tài)寄存器，用于鎖存I/O口和定時器的當前狀態(tài)，共CPU查詢用。狀態(tài)寄存器和命令寄存器供用一個地址，命令寄存器只能寫入不能讀出而狀態(tài)寄存器只能讀出不能寫入，所以當CPU讀該地址時，作為狀態(tài)寄存器，讀出的是當前I/O口和定時器的狀態(tài)，而寫讀地址時則作為命令寄存器對I/O口工作方式的選擇。
（4）定時功能
8155片內(nèi)有一個14位減法計數(shù)器，可對輸入脈沖進行減法計數(shù)，引腳TIMEIN為定時器時鐘輸入，由外部輸入時鐘脈沖，TIMEOUT為定時器輸出，當計數(shù)為零時，輸出端輸出一個矩形波或脈沖信號。
（5）8155與8031的連接方法
8155與8031連接可歸結(jié)為三總線的連接。方法如下：
8155的地址鎖存器信號控制線和地址鎖存器直接接地址，數(shù)據(jù)線與8031口線對應地相連接，8155的ALE與8031的ALE相連，高8位地址的經(jīng)反相器74LS04后提供8155的片選信號CE，IO/M控制端通過電阻接高電平，故只能選中I/O口，其它讀寫信號、也都對應相連，8155的地址可由前面存儲器擴展時統(tǒng)一安排。
（6）8255A可編程外圍并行接口芯片引腳
8255A具有3個8位的并行I/O口，分別稱為、、口，其中口又分為高4位口和低4位口。它們都可以通過軟件編程來改變I/O口的工作方式。其引腳的功能說明如下：
——片選信號、低電平有效
、——端口選擇信號
——讀信號、低電平有效
——寫信號、低電平有效
RESET——復位信號、高電平有效時，控制寄存器被清除，各端口被置或轉(zhuǎn)入方式。
、、口
GND：地 ：電源
（7）8255A與8031單片機相連接方法
8255A與8031單片機相連接是很簡單的。除了需要一個8位鎖存器來鎖存口送出的地址信號外，幾乎不用任何附加的硬件。8255A的、分別于8031的、相連，8255A的接8031的口，采用線選法尋址8255A，只要8031為0的地址都可選中8255A。
（8）鍵盤、顯示接口電路
：片選信號、低電平有效
鍵盤、顯示器是常用的人機交互的外部設(shè)備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計算機狀態(tài)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示，通常的系統(tǒng)都采用行列式鍵盤，即I/O口線組成行、列機構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點上，鍵盤的工作過程；無鍵按下時C口引線由電路內(nèi)附加電阻止拉至高電平。A口的8條列線按一定時間間隔輪流送出低電平。當被掃描到某一列線上有鍵按下時，交叉點上相應的行線被拉成低電平。這個低電平信號被C口捕捉后，計算機讀取信息，并根據(jù)此鍵對應的行列線計算鍵值，完成鍵的掃描工作。
系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED（發(fā)光二極管）和LCD（液晶顯示器）為了方便顯示圖形也有用CRT接口顯示方式的系統(tǒng)。顯示器也采用掃描方式。由8155PB口送出的八段碼，只有LED公共端為低時，這一位顯示塊才能顯示出字形，通過75452驅(qū)動器分別接至各LED的公共端，計算機輪流對6根線輸出低電平。可在6個顯示器上顯示出不同的數(shù)字。從而實現(xiàn)掃描顯示工作。
鍵盤與顯示共用8155的口進行控制，在進行鍵盤巡回掃描時必須先關(guān)顯示，必須經(jīng)過軟件協(xié)調(diào)處理后才能達到預期的效果。
4.3驅(qū)動電路的設(shè)計
為了把試驗機上發(fā)出的多路模擬信號采集下來，并加以測試控制驅(qū)動伺服電機，具體的設(shè)計如下：
由被測試件上的壓力傳感器，把從被控制對象取得的非電量（如力等現(xiàn)場信號）轉(zhuǎn)換成電量，經(jīng)過YD-15動態(tài)應變儀放大變成標稱的電壓信號或電流信號，經(jīng)過一個CD5401多路開關(guān)，把多個模擬量的參數(shù)逐個份似的接通送入A/D轉(zhuǎn)換器（A/D574）在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，用一個采樣/保持器AD582，保持輸入信號的數(shù)字量，經(jīng)過I/O口送至8031，CPU進行運算和處理后，將結(jié)果（數(shù)字量）經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，經(jīng)過兩級功放驅(qū)動伺服電機，實現(xiàn)整個璧還控制的目的。
4.4 傳感器的選擇
增量式編碼器是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90o，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準點定位。它的優(yōu)點是原理構(gòu)造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息。光電編碼器是一種角度（角速度）檢測裝置，它將輸入給軸的角度量，利用光電轉(zhuǎn)換原理 轉(zhuǎn)換成相應的電脈沖或數(shù)字量，具有體積小，精度高，工作可靠,接口數(shù)字化等優(yōu)點。
拉力傳感器的選擇
拉力傳感器的種類很多，有應變片式、壓阻式等。在這里采用應變片式傳感器，其應變計機構(gòu)是，電阻應變計粘貼在金屬彈性體上，作為力轉(zhuǎn)換為應變的功能元件。它通過粘貼在談星體表面的電阻應變計及其以一定方式組成的電橋電路，在外加電源的激勵實現(xiàn)力、應變、電阻變化，電信號變化的四個轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的一種傳感器。用于力、垂直方向的拉力和壓力，空間力六個分量中任何一個單獨分量力和力矩的測量。使電路同時輸出六個與被測量有一定線形關(guān)系的電路。
Rxxxxx
R
R
R
R
LMC6492
Vret
5v
V0
Rx
圖4.2 應變傳感器電路
4.5 其它輔助電路的設(shè)計
（1）單片機的時鐘電路
8031的時鐘電路可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式，內(nèi)部方式利用芯片振蕩電路，在、引腳上外接定時元件，晶體可在1.2~12MHZ內(nèi)選擇，耦合電容在5~30PF之間，對時鐘有微調(diào)作用。采用外部時鐘方式，可把接地接外部時鐘源。
R
圖4.3 時鐘電路
（2）復位電路
單片機的復位都是靠外部電路實現(xiàn)的。在時鐘電路工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上的高電平，單片機便實現(xiàn)狀態(tài)復位，之后CPU從0000H單元開始執(zhí)行程序。
+5v
RESET
8031
Rx
圖4.4 復位電路
表4.1
第五章 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計
5.1系統(tǒng)軟件設(shè)計包含內(nèi)容
本設(shè)計試驗機系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來實現(xiàn)各種控制功能的，按照功能可將系統(tǒng)控制軟件分為以下幾個部分：
（1） 系統(tǒng)管理程序
管理程序是控制系統(tǒng)軟件中實現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。從操作角度來看，管理程序的功能是：接收操作者的命令、執(zhí)行命令、從命令處理程序返回到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。
（2） 控制子程序
根據(jù)操作者的命令，控制伺服電機的速度及方向以達到控制拉伸試驗機拉伸試驗。
（3） 測試子程序
通過軟件對測試試件的拉伸程度及各種性能進行測試，其中包括移動部件的移動急停處理，系統(tǒng)故障診斷，查錯的功能。
（4） 鍵盤操作和顯示處理程序
本程序的功能包括監(jiān)視鍵盤操作，顯示加工程序，機床工作狀態(tài)操作命令等信息。
5.2軟件的設(shè)計說明及程序清單：
系統(tǒng)控制軟件是根據(jù)設(shè)計要求，進行的總體方案設(shè)計，具體程序如下：
1、8155初始化程序段
0100 90 81 00 MOV DPTR，#2100； 命令寄存器地址
0103 74 03 MOV A， #03H； 控制字=03H并寫入命令寄存器
0105 F0 MOVX @DPTR,A;
2、顯示子程序
ORG：0400H
0400 78 58 DSPY：MOV ，#58H； 為顯示緩沖區(qū)指針；
0402 79 01 MOV ，#01H； 為顯示數(shù)位指針；
0404 E9 LOOP： MOV A1，； 掃描模式送A；
0405 90 8101 MOV DPTR，#2102H；DPTR指向8155的PB口；
0408 MOVX @DPTR,A; 掃描一位LED；
0409 DEC DPTE； DPTR指向8155的PA口；
040A E6 MOV A， @; 取要顯示的數(shù)；
040B 24 12 ADD A，#RH; 加上到字形表的偏移量；
040D 83 MOVX A,@A+PC; 取字形碼，查表；
040E MOVX @DPTR,A; 字形輸出至PA口；
040F 7 MOV ，#02H；