【066】6CA6140車床刀具溫度單片機控制系統(tǒng)設計,066,ca6140,車床,刀具,溫度,單片機,控制系統(tǒng),設計 CA6140車床刀具溫度單片機控制系統(tǒng)設計 摘要 當今社會上各種機械加工業(yè)都在迅猛發(fā)展，車床是機械加工核心工具，隨著科學技術的發(fā)展，車床也在不斷向著高精度、高效率、高自動化方向發(fā)展，數控車床已經成為主流設備，逐漸取代老舊的普通車床。我國目前機床總量約400余萬臺,但其中數控機床總數只有20余萬臺,機床的數控化率極低。國內起步較晚，技術較為落后，有著大量的老舊車床，又因其缺乏專業(yè)的維修與保養(yǎng)，促使機床的工作精度大大降低。而從國外購置新型數控車床的價格又頗為昂貴，普通企業(yè)根本無法負擔。 在機械制造業(yè)中, 雖然已發(fā)展出各種不同的零件成型工藝, 但目前仍有90% 以上的機械零件是通過切削加工制成。在切削過程中, 機床作功轉換為等量的切削熱, 這些切削熱除少量逸散到周圍介質中以外, 其余均傳入刀具、切屑和工件中, 刀具、工件和機床溫升將加速刀具磨損, 引起工件熱變形, 嚴重時甚至引起機床熱變形。因此,在機床的切削加工過程當中，對切削溫度的測量非常重要。在高速車床當中，為了提高車床加工精度，刀具在切削過程中的受熱變形一定要控制住，這個僅僅知道刀具溫度是不夠的，還需要引入自動控制技術進行實時控制。 本論文以CA6140普通車床為研究對象，根據數控技術原理，運用了單片機應用技術、自動控制技術和測試傳感器技術，提出了車床刀具溫度的控制系統(tǒng)方案。設計了基于MCS-51單片機的車床刀具溫度控制電路和軟件。 關鍵詞：數控車床；刀具溫度；單片機控制  ABSTRACT Today's society, a variety of mechanical processing industry in rapid development, machining lathe is the core tools, with the development of science and technology, the lathe has been towards high precision, high efficiency, high automation, CNC lathes have become the mainstream equipment, gradually taking the place of ordinary lathe old. My current machine total about more than 400 units, but the total number of CNC machine tool is only more than 20, the rate of CNC machine tools is very low. China started late, the technology is relatively backward, there are lots of old lathe, also because of the lack of repair and maintenance of professional, the machine tool working accuracy greatly reduced. From the foreign purchase of new CNC lathe price is quite expensive, ordinary enterprises simply can not afford. In mechanical manufacturing industry, there are more than 90% mechanical parts are manufactured by machining. In the process of cutting, machine work into cutting heat equivalent, the cutting heat in addition to a small number of escapes into the surrounding medium, the rest are into the tool, chip and work piece, tool wear will accelerate the rise of cutting tool, work piece and tool temperature, caused by the thermal deformation caused by the thermal deformation of machine tools, even when serious. Therefore, in the process of cutting machine, measurement of cutting temperature is very important. In the high speed lathe, in order to improve the machining precision lathe, cutting tool in the cutting process of thermal deformation must be controlled, this just know the tool temperature is not enough, also need to introduce automatic control technology for real-time control. In this thesis, the CA6140 lathe as the research object, according to the principle of NC technology, uses the single chip microcomputer application technology, automatic control technology and sensor technology, put forward control scheme of lathe cutting tool temperature. Design of MCS-51 MCU lathe tool temperature control circuit and software. Keywords:?CNC；lathe?tool temperature; MCU control; 目錄 摘要 1 ABSTRACT 2 第一章 緒論 5 1.1課題的研究背景和研究意義 5 1.2國內外研究現狀 5 1.2.1國外研究現狀 5 1.2.2國內研究現狀 6 1.3方案背景技術簡介 6 1.3.1數控車床 6 1.3.2溫度檢測的主要方法 7 1.4本課題的主要研究內容 8 1.5本章小結 8 第二章 車床結構及系統(tǒng)總體設計方案 9 2.1 CA6140車床簡介 9 2.2系統(tǒng)總體設計方案 10 2.3本章小結 10 第三章 系統(tǒng)硬件設計 11 3.1系統(tǒng)硬件設計方案 11 3.2 中央處理器 11 3.2.1 AT89C51簡介 11 3.2.2 AT89C51主要性能參數 12 3.2.3管腳說明 12 3.2.3特殊功能存儲器 14 3.2.4芯片擦除 15 3.2.5復位電路的設計 15 3.2.6時鐘電路設計 16 3.3紅外測溫傳感器 16 3.3.1 紅外測溫傳感器的工作原理 16 3.3.2紅外測溫傳感器的選擇 17 3.4信號調理電路 18 3.5 A/D轉換電路 19 3.6 LED顯示 21 3.7 鍵盤接口 25 3.7 控制電路 26 第四章 系統(tǒng)軟件設計 27 4.1程序初始化 28 4.2主程序 29 4.3 A/D轉換子程序 30 4.4 顯示子程序 31 4.5 鍵盤子程序 33 4.6本章小結 36 第五章 結論與展望 37 5.1主要研究工作及結論 37 5.2本課題的展望 37 參考文獻 38 致謝 40 附錄 41 系統(tǒng)硬件原理圖 41 系統(tǒng)PCB板圖 42  第一章 緒論 1.1課題的研究背景和研究意義 金屬切削加工是機械制造中應用最為廣泛的加工方式之一。金屬切削加工使用刀具或磨具從工件表面切除多余材料，以實現零件的幾何形狀、尺寸精度、表面粗糙度和表面層質量。刀具作為切削過程的直接執(zhí)行者，在切削加工過程中不可避免地會發(fā)生磨損或破損。刀具磨損或破損會使零件的加工精度下降，零件表面粗糙度及表層質量惡化，嚴重時將使刀具失去切削能力，甚至危及機床設備。 因為切削熱而產生的溫度變化是造成刀具磨損，破損的一個重要原因。切削溫度升高后，刀具的磨損量增大，降低了工件的加工精度，這些都是切削過程中不利的一面。因此有必要研究切削過程中熱量的產生和傳遞的規(guī)律，了解刀具中溫度的分布狀態(tài)。多年來，人們對于切削溫度的研究也給予了足夠的重視。但因為切削溫度的研究無論是在實驗室測量方法還是理論分析上，基本上局限于連續(xù)車削和穩(wěn)定狀態(tài)下的切削溫度的研究。因此設計一個在線的自動控制的刀具溫度控制系統(tǒng)，是防止設備的損壞，工件的報廢并保證機床無故障運行的必然手段。 1.2國內外研究現狀 隨著紅外溫度檢測技術的發(fā)展，國內外研究人員開始利用紅外熱輻射法進行非接觸式檢測刀具或者工件的表面切削溫度。該方法利用紅外傳感器聚焦于刀具表面的固定位置，然后通過刀具表面的輻射強度檢測刀具表面的切削溫度，由傳熱學原理可知，刀具切削區(qū)溫度的變化會造成刀具表面的切削溫度的變化，從而可以通過試驗測量刀具表面的切削溫度的變化來間接識別刀具的狀態(tài)[1]。 1.2.1國外研究現狀 目前研究切削溫度一般通過試驗測量和理論計算兩種方法。其中，Jehnming Lin[2]先測得銑削被加工表面的溫度，然后再利用熱傳導反求法來推算銑刀的銑削溫度。Sarat[3]利用邊界元有限元混合法建立車刀和工件的溫度分布的有限元模型，分析出刀具和工件的溫度分布情況。Yahya Dogu 等[4]利用有限元方法建立正交切削過程中刀具的溫度分布的有限元模型，同時說明了有限元法比解析法能更好地模擬溫度的分布情況。E. Ceretti 等利用熱電偶測量刀具溫度，同時利用軟件仿真金屬車削加工的過程，結合試驗測量值進行修正完善仿真的過程。Fang Du 等在假設切削過程中，刀具和工件的導熱系數，比熱以及密度穩(wěn)定的情況下，建立涂層車刀的一維的溫度分布的模型，分析出刀具一維溫度分布的情況。Pradip Majumdar 等詳細闡述了切削過程中切削熱產生的過程，以及第一第二變形區(qū)產生的熱流密度，明確了切削過程中的刀具的溫度分布邊界條件，最后建立了刀具的有限元溫度分布模型。Rui Li 等[5]利用斜切削模型計算熱流密度，建立鉆削過程中鉆頭的的溫度分布的有限元模型，結合試驗測量值進行修正完善鉆頭的溫度分布模型，分析出鉆頭的溫度分布情況。 1.2.2國內研究現狀 國內研究人員對紅外測溫技術也早已經展開研究，山東大學的王蘭[6]利用紅外線測溫技術，用 PLC做硬件結構，測試 110KV 干式變壓器的溫度進行實時監(jiān)控，從而設計出一套包含采集，處理，顯示的功能的完整的測溫監(jiān)控系統(tǒng)。陳東生[7]等利用紅外測溫儀，快速移動傳感器對其工件進行勻速掃描來實現工件溫度分布的監(jiān)控，結果表明能夠快速地反應工件溫度的分布變化，其精度可達±1℃，滿足監(jiān)控的要求。趙友權等[8]分析了常低溫輻射測量誤差和物體發(fā)射率的關系，并針對測量過程中的發(fā)射率校正做了較詳細的分析。楊巧鳳[9,10]等采用紅外輻射測量技術對鋁合金銑削溫度進行了間接的，相似的，直觀的測量，通過測得工件表面的相對溫度來推導臨界銑削速度。 1.3方案背景技術簡介 1.3.1數控車床 數控技術,簡稱數控(Numerical Control),是利用數字化信息對機械運動及加工過程進行控制的一種方法。由于現代數控技術都采用了計算機進行控制,因此,也可以稱為計算機數控(Computer Numerical Control)。 采用了數控技術進行控制的機床,或者說裝備了數控系統(tǒng)的機床稱為數控機床。它是綜合應用計算機、自動控制、自動檢測及精密機械制造技術等高新技術于一體的典型機電一體化產品,是現代制造技術的基礎。它很好地解決了形狀結構復雜、精度要求高、小批量及多變零件的加工問題且能穩(wěn)定產品的加工質量,降低工人勞動強度,大幅度提高生產效率。機床控制也是數控技術應用最早、最廣泛的領域,因此,數控機床的水平代表了當前數控技術的發(fā)展水平和方向。與普通機床相比,數控機床能夠自動換刀、自動變更切削參數,完成平面、回旋面、平面曲線的加工,加工精度和生產效率都比較高,因而應用日益廣泛[11]。 1.3.2溫度檢測的主要方法 常用的切削溫度測量方法主要有熱電偶法、光輻射法、熱輻射法、金相結構法等。 傳統(tǒng)的溫度測量采用的是熱電偶方法[12]，當兩種不同材質組成的材料副(如切削加工中的刀具—工件)接近并受熱時,會因表層電子溢出而產生溢出電動勢,并在材料副的接觸界面間形成電位差(即熱電勢)。由于特定材料副在一定溫升條件下形成的熱電勢是一定的,因此可根據熱電勢的大小來測定材料副(即熱電偶)的受熱狀態(tài)及溫度變化情況。采用熱電偶法的測溫裝置結構簡單,測量方便,是目前較成熟也較常用的切削溫度測量方法。根據不同的測量原理和用途, 熱電偶法又可細分為自然熱電偶法、人工熱電偶法、半人工熱電偶法、等效熱電偶法。然而在實際加工中幾乎沒有一種工件允許在其內部埋置熱電偶，且其熱慣性大，響應慢。 金相結構法[13]是基于金屬材料在高溫下會發(fā)生相應的金相結構變化這一原理進行測溫的。但是這種方法的應用范圍局限于金屬材料制成的刀具,并只能在高溫下才能觀察到材料明顯的組織結構變化；金相結構法的觀測和分析的工作量也較大；利用掃描電鏡法也存在以下缺點：只能測量600℃以上的高溫；樣件制作相當繁瑣；且為事后破壞性測量,不方便推廣應用于加工現場；所確定的切削溫度分布狀態(tài)屬于定量分析；設備復雜,技術難度高,實際應用受到一定限制。 光、熱輻射法，采用光、 熱輻射法測量切削溫度的原理是: 刀具、切屑和工件材料受熱時都會產生一定強度的光、熱輻射, 且輻射強度隨溫度升高而加大, 因此可通過測量光、 熱輻射的能量間接測定切削溫度。主要分為輻射高溫計法、紅外照相法、紅外熱像儀法。 輻射測溫傳感器不直接與被測物相接觸，這樣測量傳感器不會改變被測對象的溫度場分布，也不會受到工作介質的影響，而且不必與被測對象達到熱平衡，因此它特別適合于被測物體表面溫度的非接觸測量。此外，輻射測溫元件的響應時間很短，因而它便于進行動態(tài)、瞬態(tài)的溫度測量。正是由于輻射測溫具有這么多的優(yōu)點，因此適用于實際加工過程的刀具溫度測量。本論文結合實際加工過程應用選用紅外測溫方法。 1.4本課題的主要研究內容 本論文以CA6140普通車床為研究對象，通過紅外測溫法測量車床刀具表面溫度進行監(jiān)控刀具狀態(tài)，同時根據反饋的刀具溫度控制切削速度。主要工作如下： （1）了解CA6140車床結構和運行過程，確定電控系統(tǒng)的控制要求。 （2）總結了刀具狀態(tài)監(jiān)控的常用方法和切削溫度的常用測量方法，分析了紅外測溫法的原理，特點以及應用。 （3）提出車床刀具溫度控制方案，設計基于單片機MCS-51的溫度信號采集電路，包括單片機的最小系統(tǒng)電路、AD轉換電路、信號調理電路等。 （4）配合溫控系統(tǒng)的硬件電路，設計系統(tǒng)軟件，包括監(jiān)控軟件，它是整個控制系統(tǒng)的核心，專門用來協(xié)調各執(zhí)行模塊和操作者的關系。二是執(zhí)行軟件，它是用來完成各種實質性的功能如測量、顯示等功能。 1.5本章小結 本章在介紹課題背景和研究意義的前提下，重點介紹了紅外測溫技術的國內外研究現狀，并分析了紅外測溫技術運用在車床刀具溫度測量的可行性[14]，最后對本課題主要研究內容進行了闡述。 第二章 車床結構及系統(tǒng)總體設計方案 2.1 CA6140車床簡介 CA6140普通臥式車床主要由主軸箱、床鞍、刀架部件、尾座、進給箱、溜板箱、床身等部件組成[15]。如圖2.1所示。 圖2.1 CA6140普通臥式車床 （1）主軸箱。它固定在機床身的左端，裝在主軸箱中的主軸（主軸為中空，不僅可以用于更長的棒料的加工及機床線路的鋪設還可以增加主軸的剛性），通過夾盤等夾具裝夾工件。主軸箱的功用是支撐并傳動主軸，使主軸帶動工件按照規(guī)定的轉速旋轉。 （2）床鞍和刀架部件。它位于床身的中部，并可沿床身上的刀架軌道做縱向移動。刀架部件位于床鞍上，其功能是裝夾車刀，并使車刀做縱向、橫向或斜向運動。 （3）尾座。它位于床身的尾座軌道上，并可沿導軌縱向調整位置。尾座的功能是用后頂尖支撐工件。在尾座上還可以安裝鉆頭等加工刀具，以進行孔加工。 （4）進給箱。它固定在床身的左前側、主軸箱的底部。其功能是改變被加工螺紋的螺距或機動進給的進給量。 （5）溜板箱。它固定在刀架部件的底部，可帶動刀架一起做縱向、橫向進給、快速移動或螺紋加工。在溜板箱上裝有各種操作手柄及按鈕，工作時工人可以方便地操作機床。 （6）床身。床身固定在左床腿和右床腿上。床身是機床的基本支撐件。在床身上安裝著機床的各個主要部件，工作時床身使它們保持準確的相對位置。 2.2系統(tǒng)總體設計方案 本次設計采用MCS-51單片機作為控制芯片，采用紅外溫度傳感器采集刀具溫度信號[16,17]。通過紅外溫度傳感器將采集的溫度信號轉換成與之相對應的電信號，經過放大處理送入A/D轉換器進行A/D轉換，將模擬信號轉換成數字信號送入到控制芯片進行數據處理。通過在芯片外圍添加顯示、控制等外圍電路來實現對車床刀具溫度實時監(jiān)測和控制功能。 本系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部分協(xié)調完成,硬件部分主要完成傳感器信號的采集處理,信息的顯示等;軟件主要完成對采集的溫度信號進行處理及顯示控制等功能。系統(tǒng)結構框圖如圖2.2所示： 圖 2.2 系統(tǒng)結構框圖 2.3本章小結 本章介紹了CA6140車床的結構及部件功能，并根據車床這個控制對象的要求，提出車床刀具溫度控制系統(tǒng)方案，一個基于MCS-51單片機的刀具溫度控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計。 第三章 系統(tǒng)硬件設計 3.1系統(tǒng)硬件設計方案 本系統(tǒng)的硬件電路主要包括模擬部分和數字部分，從功能模塊上來分有CPU電路、數據采集電路、鍵盤顯示電路、控制執(zhí)行電路。系統(tǒng)硬件包括：紅外溫度傳感器、信號調理電路、A／D轉換器件、MCS-51單片機、鍵盤輸入、LED溫度顯示器、溫度控制電路。溫度檢測方案如圖3.1所示。 圖3.1 溫度檢測方案 3.2 中央處理器 單片機就是在一塊硅片上集成了微處理器、存儲器和各種輸入輸出接口電路的微型計算機，簡稱單片機。單片機以其較高的性能價格比受到了人們的重視和關注。它的優(yōu)點就是體積小、重量輕、抗干擾能力強、對環(huán)境要求不高、價格低廉、可靠性高、靈活性好、開發(fā)較為容易。單片機根據其基本操作處理的位數可分為4、8、16、32位單片機，應用最為廣泛的是八位單片機。根據本次設計的實際情況和要求，在本次設計中采用AT89C51作為系統(tǒng)的控制芯片。 3.2.1 AT89C51簡介 AT89C51是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含4k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大AT89C51單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。 3.2.2 AT89C51主要性能參數 AT89C51單片機與MCS-51系列單片機兼容, AT89C51內部有4K字節(jié)可編程閃爍存儲器, 128*8位內部RAM,兩個16位定時器/計數器, 6個中斷源, 32可編程I/O線及串行通道。AT89C51有片內振蕩器和時鐘電路 ,具有低功耗的閑置和掉電模式,在空閑方式下，CPU停止工作，但允許內部RAM、定時器/計數器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。在掉電方式下，能保存RAM的內容，但振蕩器停止工作，并禁止所有其他部件工作直到下一個硬件復位。 3.2.3管腳說明 如圖3.2為AT89C51引腳圖,各引腳功能說明如下: 圖3.2 AT89C51引腳圖 VCC: 電源電壓。 GND: 地。 P0 口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數據存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數據復用。在這種模式下，P0具有內部上拉電阻。在flash編程時，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。 P1 口：P1 口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P1輸出緩沖器能驅動4個TTL邏輯電平。對P1 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數器2的外部計數輸入（P1.0/T2）和時器/計數器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX） P2 口：P2 口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅動4 個TTL 邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數據存儲器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR）時，P2 口送出高八位地址。在這種應用中，P2 口使用很強的內部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）訪問外部數據存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。 P3 口：P3 口是一個具有內部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，對P3 端口寫“1”時，內部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為AT89C51特殊功能（第二功能）使用，如表3-1所示。 表3-1 AT89C51引腳號第二功能 P3.0 RXD（串行輸入） P3.1 TXD（串行輸出） P3.2 INT0（外部中斷0） P3.3 INT0（外部中斷0） P3.4 T0（定時器0外部輸入） P3.5 T1（定時器1外部輸入） P3.6 WR（外部數據存儲器寫選通） P3.7 RD（外部數據存儲器讀選通） RST: 復位輸入，晶振工作時，RST腳持續(xù)2個機器周期高電平將使單片機復位?？撮T狗計時完成后，RST 腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認狀態(tài)下，復位高電平有效。 ALE/PROG：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8 位地址的輸出脈沖。在flash編程時，此引腳（PROG）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調，在每次訪問外部數據存儲器時，ALE脈沖將會跳過。如果需要，通過將地址為8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無效。這一位置“1”，ALE 僅在執(zhí)行MOVX 或MOVC指令時有效。否則，ALE 將被微弱拉高。這個ALE 使能標志位（地址為8EH的SFR的第0位）的設置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。 PSEN:外部程序存儲器選通信號（PSEN）是外部程序存儲器選通信號。當AT89C51從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，PSEN在每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數據存儲器時，PSEN將不被激活。 EA/VPP:訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H 到FFFFH的外部程序存儲器讀取指令，EA必須接GND。為了執(zhí)行內部程序指令，EA應該接VCC。在flash編程期間，EA也接收12伏VPP電壓。 XTAL1:振蕩器反相放大器和內部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。 3.2.3特殊功能存儲器 在單片機內高128B RAM中，由有21個特殊功能寄存器（AFR），它們離散的分布在80H-FFH的RAM空間中，訪問特殊功能寄存器只允許使用直接尋址方式。表3-2為AT89C51單片機特殊功能寄存器及其相應地址。 表3-2 專用寄存器名稱，功能及對應的RAM地址 名稱 簡單描述 地址 ACC 累加器（專門用于存儲算術和邏輯運算的結果） 0E0H B B寄存器（專門用于乘/除法運算） 0F0H PSW 程序狀態(tài)寄存器 0D0H SP 推棧指針寄存器 81H DPTR 16位數據指針寄存器。CPU訪問外部RAM時地址指針，由兩個8位寄存器DPH（83H）、DPL（82H）組成且可單獨訪問。 P0 端口0狀態(tài)寄存器（初始值為0FFH） 80H P1 端口1狀態(tài)寄存器（初始值為0FFH） 90H P2 端口2狀態(tài)寄存器（初始值為0FFH） 0A0H P3 端口3狀態(tài)寄存器（初始值為0FFH） 0B0H IP 中斷優(yōu)先級控制寄存器 0B8H IE 中斷允許控制寄存器 0A8H TMOD 定時器/計數器方式控制寄存器 89H TCON 定時器/計數器控制寄存器 88H TH0 定時器/計數器0高字節(jié) 8CH TL0 定時器/計數器0低字節(jié) 8AH TH1 定時器/計數器1高字節(jié) 8DH TLI 定時器/計數器0低字節(jié) 8BH SCON 串行控制寄存器 98H SBUF 串行數據緩沖器 99H PCON 電源控制寄存器 87H 3.2.4芯片擦除 整個EPROM陣列電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦除操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。 3.2.5復位電路的設計 復位使單片機處于起始狀態(tài)，并從該起始狀態(tài)開始運行。AT89C51的RST引腳為復位端，該引腳連續(xù)保持2個機器周期（24個時鐘振動周期）以上高電平，則可使單片機復位。內部復位電路在每一個機器周期的S5P2期間采樣斯密特觸發(fā)器的輸出端，該觸發(fā)器可抑制RST引腳的噪聲干擾，并在復位期間不產生ALE信號，內部RAM處于不斷電狀態(tài)。其中的數據信息不會丟失，也即復位后，只影響SFR中的內容，內部RAM中的數據不受影響。外部復位有上電復位和按鍵電平復位。由于單片機運行過程中，其本身的干擾或外界干擾會導致出錯，此時我們可按復位鍵重新開始運行。為了便于本設計運行調試，復位電路采用按鍵復位方式。按鍵復位電路如圖3.3所示。 圖3.3 復位電路 3.2.6時鐘電路設計 時鐘電路是單片機的心臟，它控制著單片機的工作節(jié)奏。MCS-51單片機允許的時鐘頻率是因型號而異的，其典型值為12MHZ。AT89C51內部有一個反相振蕩放大器，XTAL1?和 XTAL2分別是該反向振蕩放大器的輸入端和輸出端。該反向放大器可配置為片內振蕩器，石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。本設計采用的晶振頻率為12MHZ。其時鐘電路如圖3.4所示。51系列單片機還可使用外部時鐘。在使用外部時鐘時，外部時鐘必須從XTAL1輸入，而XTAL2懸空。 圖3.4 時鐘電路 3.3紅外測溫傳感器 3.3.1 紅外測溫傳感器的工作原理 一個紅外測溫傳感器由光學接收器、紅外探測器和信號處理器三個部分組成[19]。如圖3.5，光學接收器聚集可視范圍內的目標的紅外輻射能量，可視范圍的大小由傳感器的光學零件和位置決定。紅外探測器將紅外輻射能量轉換為對應的電信號。信號處理器將電信號進行放大，濾波，將電信號轉換為需要的格式輸出，輸送進計算機或相關顯示設備。 圖3.5 紅外傳感器原理 3.3.2紅外測溫傳感器的選擇 從測溫范圍，結構形式和設計原理可以劃分多種不同類型的紅外測溫傳感器。選用紅外測溫傳感器需要從多方面考慮，例如傳感器的性能指標，可測溫度范圍，最小光點尺寸，工作波長范圍，測量精度和靈敏度，性價比等等。因此在本系統(tǒng)中，綜合考慮選用了德國 Optris CT laser 紅外溫度傳感器[20]。其主要技術參數如表 3-3 所示。該 CT laser 紅外溫度傳感器采用了 Optris最新獨特設計的探測器，是中低溫測量的突破性產品。75：1 的光學分辨率和雙激光精確對焦，最小可測量 0.9mm 的細微目標，解決了以往因測量目標區(qū)域相對較小而無法精確測量的問題。 表3-3紅外溫度傳感器技術參數 測量量程 -40～975℃ 測量精度 測量值的±1% 光譜響應 8～14μm 溫度分辨率 0.1℃ 發(fā)射率 0.100～1.000 透射率 0.100～1.000 模擬輸出 0～5V, J/K 型熱偶輸出 數字輸出 USB,RS232,RS485 電纜長度 3m 8m 15m 可選 電源 5～36V DC 激光參數 635nm 1mw 環(huán)境溫度 0～65℃ 儲存溫度 -40～65℃ 相對濕度 10～95%,不結露 重量 紅外測溫探頭 600g,信號調理器 420g 外殼材料 不銹鋼機殼,堅固耐用 3.4信號調理電路 在車床刀具溫度測試過程中，通過非接觸式紅外溫度傳感器對溫度信號進行采集，本系統(tǒng)選用的紅外溫度傳感器輸出的是0-5V的模擬信號。但由于空間環(huán)境比較惡劣，常存在各種干擾源，使得獲取的信號通常夾雜有噪聲，如果不對這些噪聲信號進行處理，系統(tǒng)的精度將會受到很大的影響。因此，在測試系統(tǒng)進行信號調理的同時還需采用濾波技術減小各種噪聲干擾，以便準確地采集到表征被測對象特征的有用信息[21]。 如圖3.6所示，本設計中，信號調理電路部分由集成運放LM358構成一個電壓跟隨器，后端用LM358的第二路運算放大器構成一個濾波器。 LM358 內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。 圖3.6 溫度檢測調理電路 在該放大電路中，電壓跟隨器起阻抗匹配的作用。反饋電阻為零時，放大倍數為1，電壓跟隨器的輸入電壓等于輸出電壓。 由于溫度信號為低頻信號，同時為了抑制環(huán)境干擾源消除高頻噪聲，需要進行低通濾波，這里采用二階RC有源濾波。 3.5 A/D轉換電路 溫度傳感器輸出的0-5V模擬信號經過調理電路后，還需要進行A/D轉換才能到單片機，這里我們采用ADC0809芯片進行A/D轉換[22]。ADC0809是一種8位逐次逼近式A/D轉換器，其內部有一個8位“三態(tài)輸出鎖存器”可以鎖存A/D轉換后的數字量，故它本身既可看作一種輸入設備，也可以認為是并行I/O接口芯片。故ADC0809可以和微機直接接口，本設計就是用AT8951和ADC0809直接相連的。 圖3.7 ADC0809引腳圖 ADC0809采用雙列直插式封裝，圖3.7為ADC0809引腳圖，共有28條引腳，主要引腳功能為： IN0～IN7: 為八路模擬電壓輸入線，用于輸入被轉換的模擬電壓。 ALE: 為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。 ADD-A、ADD-B和ADD-C: 為地址輸入線，用于選擇IN0～IN7上那一路模擬電壓送給比較器進行A/D轉換。ADDA、ADDB和ADDC對IN0～IN7的選擇如表3-4所列： 表3-4 8位模擬開關功能表 被 選 模 擬 電 壓 ADDC ADDB ADDA IN0 0 0 0 IN1 0 0 1 IN2 0 1 0 IN3 0 1 1 IN4 1 0 0 IN5 1 0 1 IN6 1 1 0 IN7 1 1 1 START: 為“啟動脈沖”輸入線,上升沿清零SAR，下降沿啟動ADC0809工作。 EOC：為轉換結束輸出線，該線上高電平表示A/D轉換已結束。 OE：為“輸出允許”線，高電平時能使2～2引腳上輸出轉換后的數字量。 AT89C51與ADC0809的連接方法如圖3.8所示，AT89C51通過地址線P2.7和寫控制信號線用一個或非門聯(lián)合控制啟動轉換信號端(START)和地址鎖存信號端(ALE)。地址線P2.7和讀控制信號線用一個或非門聯(lián)合控制輸出允許控制端(EOC)。低三位地址線加到ADC0809的A、B、C端，所以選中ADC0809的IN0通道的地址為7FF8H。轉換結束信號EOC通過一個反相器接到INT1。 圖3.8 AT89C51與ADC0809連接圖 AT89C51和ADC0809連接通?？梢圆捎貌樵兒椭袛鄡煞N方式。本系統(tǒng)采用中斷方式傳送數據，EOC線作為CPU的中斷請求輸入線。CPU線響應中斷后，應在中斷服務程序中使OE線變?yōu)楦唠娖剑蕴崛/D轉換后的數字量。 其中和START的邏輯關系分別為： ＝P2.7?＝P2.7 + START= P2.7?= P2.7 + 對ADC0809地址的確定：根據系統(tǒng)硬件連接圖可知所選定模擬電壓路數為IN0，其對應的地址為ABC=000，即P0.0、P0.1、P0.2=0 0 0;又P2.7=0時才能啟動ADC0809工作和使AT89C51從ADC0809接收A/D轉換電壓的數字量。故確定ADC0809其中一個地址為: 0111111111111000B=7FF8H 。 ADC0809的IN0和變送器輸出端線連，故IN0上輸入的0V～＋5V范圍的模擬電壓經A/D轉換后可由AT89C51通過程序從P0口輸入到它的內部RAM單元。 ADC0809所需時鐘信號可以由AT89C51的ALE信號提供。AT89C51的ALE信號通常是每個機器周期出現兩次，故它的頻率是單片機時鐘頻率的1/6。本系統(tǒng)AT89C51主頻是12MHZ，ALE信號頻率為2MHZ，使AT89C51的ALE上信號經過4分頻后接到ADC0809的CLOCK輸入端，就可獲得500KHZ的A/D轉換脈沖，當然，ALE上脈沖會在MOVX指令的每個機器周期少出現一次，但通常情況下影響不大。 在啟動ADC0809后，EOC約在10us后才變?yōu)榈碗娖?，EOC線經過反相器和AT89C51線相連，這即是AT89C51采用中斷方式來和ADC0809傳送A/D轉換后的數字量的。為了給OE線分配一個地址，把AT89C51RD和P2.7經或門和OE相連。平時，使OE處于低電平封鎖狀態(tài)，在響應中斷后，AT89C51執(zhí)行中斷服務程序中如下兩條指令就可以使OE變?yōu)楦唠娖?，從而打開三態(tài)輸出鎖存器，讓CPU提取A/D轉換后的數字量。 3.6 LED顯示 單片機應用系統(tǒng)中使用的顯示器主要有發(fā)光二極管顯示器，簡稱LED；液晶顯示器，簡稱LCD。前者價廉，配置靈活，與單片機接口方便；后者可進行圖形顯示，但接口復雜，成本較高。結合本設計的特點，在這里系統(tǒng)的顯示采用發(fā)光二極管作為顯示器件。 單片機中使用7段LED構成字形“8”，另外，還與一個小數點發(fā)光二極管用以顯示數字、符號及小數點。這種顯示器有共陰極和共陽極兩種，如圖3.9所示。發(fā)光二極管的陽極連在一起稱為共陽極顯示器，陰極連在一起的稱為共陰極顯示器。一位顯示器由八個發(fā)光二極管組成，其中，7個發(fā)光二極管構成字形“8”的各個筆劃（段）a-g,另一個小數點為dp發(fā)光二極管。當在某段發(fā)光二極管施加一定的正向電壓是，該段筆劃即點亮；不加電壓則該段二極管不亮。為了保護各段LED不被損壞，需要外加限流電阻。 圖3.9共陽極數碼管 如果要顯示某個字形，則應使此字形的相應段點亮，也即送一個不同的電平組合代表的數據來控制LED的顯示字形，此數據稱為字符的段碼。數據字位數與LED段碼的關系如表3-4所示。 表3-4 數碼管各段與輸出口各位的對應關系 輸出口各位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 數碼管各段 dp g f e d c b a 如使用共陽極數碼管，數據為0表示對應字段亮，數據為1表示對應字段暗；如使用共陰極數碼管，數據為0表示對應字段暗，數據為1表示對應字段亮。如要顯示“0”，共陽極數碼管的字型編碼應為：11000000B（即C0H）；共陰極數碼管的字型編碼應為：00111111B（3FH）。依次類推，可求得數碼管字型編碼如表3-5所示。 表3-5 數碼管字型編碼表 字型 共陽極 共陰極 dp g f e d c b a 字型碼 dp g f e d c b a 字型碼 0 1 1 0 0 0 0 0 0 C0H 0 0 1 1 1 1 1 1 3FH 1 1 1 1 1 1 0 0 1 F9H 0 0 0 0 0 1 1 0 06H 2 1 0 1 0 0 1 0 0 A4H 0 1 0 1 1 0 1 1 5BH 3 1 0 1 1 0 0 0 0 B0H 0 1 0 0 1 1 1 1 4FH 4 1 0 0 1 1 0 0 1 99H 0 1 1 0 0 1 1 0 66H 5 1 0 0 1 0 0 1 0 92H 0 1 1 0 1 1 0 1 6DH 6 1 0 0 0 0 0 1 0 82H 0 1 1 1 1 1 0 1 7DH 7 1 1 1 1 1 0 0 0 F8H 0 0 0 0 0 1 1 1 07H 8 1 0 0 0 0 0 0 0 80H 0 1 1 1 1 1 1 1 7FH 9 1 0 0 1 0 0 0 0 90H 0 1 1 0 1 1 1 1 6FH A 1 0 0 0 1 0 0 0 88H 0 1 1 1 0 1 1 1 77H B 1 0 0 0 0 0 1 1 83H 0 1 1 1 1 1 0 0 7CH C 1 1 0 0 0 1 1 0 C6H 0 0 1 1 1 0 0 1 39H D 1 0 1 0 0 0 0 1 A1H 0 1 0 1 1 1 1 0 5EH E 1 0 0 0 0 1 1 0 86H 0 1 1 1 1 0 0 1 79H F 1 0 0 0 1 1 1 0 8EH 0 1 1 1 0 0 0 1 71H 滅 1 1 1 1 1 1 1 1 FFH 0 0 0 0 0 0 0 0 00H 本設計顯示采用LED串行靜態(tài)顯示。MCS-51系列單片機的串行口RXD，TXD為一個全雙工串行通信口，當工作在方式0下可作同步移位寄存器用，其數據由RXD（P3.0）端串行輸入或輸出；而同步移位時鐘由TXD（P3.1）串行輸出，在同步時鐘的作用下，實現由串行到并行的數據通信。在不需要使用串行通信的場合，利用串行口加外圍芯片74LS164就可以構成一個或多個并行輸入/輸出口，用于顯示器LED驅動。波特率（每秒傳輸的位數）固定在fosc/12,即當晶振為12MHZ時，波特率為1MBPS。在CPU將數據寫入SBUF寄存器后，立即啟動發(fā)送。待8位數據輸完后，硬件將狀態(tài)寄存器的TI位置1，TI必須由軟件清零。單片機與4片串入并出移位寄存器74LS164相連。其中，RXD作為164的數據輸入，TXD作為4片164的同步時鐘。程序運行時，單片機將4個數碼管的段碼（4個字節(jié)）連續(xù)發(fā)送出來，通過串行口送給164。4位字第四章 系統(tǒng)軟件設計型碼送完后，TXD保持高電平。此時每片164的并行輸出口將送出保存在內部移位寄存器中的8位的段碼給數碼管，令數碼管穩(wěn)定地顯示所需的字符。 74LS164是8位串入并出移位寄存器。它的引腳如圖3.10所示。A、B為串行輸入端，QA~QH為串行輸出端，CLK為串行時鐘輸入端，為串行輸出清零端，VCC為+5V電源輸入端，GND為接地端。具體輸入輸出關系如表3-6所示。X代表任意狀態(tài)；QA0、QB0 ~QH0代表在穩(wěn)態(tài)輸入條件建立之前QA、QB~QH的輸出狀態(tài)；QAn、QBn ~ QHn代表在最近的時鐘上升沿↑轉換之前QA、QB~QH的輸出狀態(tài)；H/L、QAn ~QBn代表在最近的時鐘上升沿↑轉換之后QA、QB~QH的輸出狀態(tài)。 圖3.10 74LS164引腳如圖 串行顯示電路屬于靜態(tài)顯示，比動態(tài)顯示亮度更大一些。由于74LS164在低電平輸出時，允許通過的電流達8mA，故不必添加驅動電路，亮度也比較理想。與動態(tài)掃描相比較，無需CPU不停的掃描，頻繁地為顯示服務，節(jié)省了CPU時間，軟件設計也比較簡單。由于本設計采用的是共陽極數碼管，所以相應的亮段必須送0，相應的暗段必須送1。原理圖如圖3.11所示： 圖3.11 LED串行靜態(tài)顯示 3.7 鍵盤接口 鍵盤在單片機應用系統(tǒng)中，實現輸入數據、傳送命令的功能，是人工干預的主要手段。鍵盤分兩大類：編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤：由硬件邏輯電路完成必要的鍵識別工作與可靠性措施。每按一次鍵，鍵盤自動提供被按鍵的讀數，同時產生一個選通脈沖通知微處理器，一般還具有反彈跳和同時按鍵保護功能。這種鍵盤易于使用，但硬件比較復雜，對于主機任務繁重之情況，采用8279可編程鍵盤管理接口芯片構成編碼式鍵盤系統(tǒng)是很實用的方案。非編碼鍵盤：只簡單地提供鍵盤的行列與矩陣，其他操作如鍵的識別，決定按鍵的讀數等都靠軟件完成，故硬件較為簡單，但占用CPU較多時間。非編碼鍵盤有：獨立式按鍵結構、矩陣式按鍵結構。本設計采用的是非編碼獨立連接式的鍵盤。在非編碼鍵盤系統(tǒng)中，鍵閉合和鍵釋放的信息的獲取，鍵抖動的消除，鍵值查找及一些保護措施的實施等任務，均由軟件來完成。 單片機應用系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是CPU的工作內容之一。CPU忙于各項任務時，如何兼顧鍵盤的輸入，取決于鍵盤的工作方式?？紤]儀表系統(tǒng)中CPU任務的份量，來確定鍵盤的工作方式。 鍵盤的工作方式選取的原則是：既要保證能及時響應按鍵的操作，又不過多的占用CPU的工作時間。鍵盤的工作方式有：查詢方式（編程掃描，定時掃描方式）、中斷掃描方式。 獨立式按鍵接口就是各按鍵相互獨立，每個按鍵單獨占用一根I/O口線，每根I/O口線的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他I/O口線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個按鍵被按下了。優(yōu)點就是電路配置靈活，軟件結構簡單；缺點就是每個按鍵需占用一根I/O口線，在按鍵數量較多時，I/O口浪費大，電路結構顯得復雜。因此，此鍵盤是用于按鍵較少或操作速度較高的場合[8]。 本設計中由于所用鍵盤不多，所以采用獨立連接式的查詢式鍵盤就能夠滿足設計要求。鍵盤接口與鍵盤程序的根本任務就是要檢測有沒有鍵按下？按下的是那個位置的鍵？鍵值是多少？在本次設計中采用了軟件掃描的方法。通過對鍵盤接口P1.0和P1.1的查詢判斷是否有鍵按下。本次設計采用了軟件去抖動的方法。當有鍵按下時，按鍵的觸點在閉合和斷開時均會產生抖動，這時觸點的邏輯電平是不穩(wěn)定的，如果不妥善處理，將會使按鍵命令的錯誤執(zhí)行和重復執(zhí)行。采用軟件延時的方法來避開抖動階段，這一延時過程一般大于5ms。 3.7 控制電路 在本設計中，被測溫度信號經采樣處理后，如果刀具溫度超過刀具變形的最高溫度，需要通過單片機系統(tǒng)的P1.2口輸出以控制主軸電機的啟停，通過這種方式達到控制的目的?？刂频姆绞街饕心M量控制和開關量控制。本系統(tǒng)采用的是開關量控制。 由于輸出設備往往需要大電壓來控制，而單片機系統(tǒng)輸出的為TTL電平，這種電平不能直接驅動外部設備的開啟和關閉。另一方面，許多外部設備在開關過程中會產生很強的電磁干擾信號，如果不隔離會使系統(tǒng)進行錯誤的處理。因此在開關量的輸出控制過程中要考慮到兩個問題，一要隔離；二要放大。 本設計采用繼電器作為控制電路的主要器件，繼電器具有一定的隔離作用，在繼電器前面加一個三極管用以放大輸出信號就可以驅動繼電器的閉合和斷開，從而實現弱電控制強電的效果。繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流控制較大電流的一種開關。故在電路中起自動調節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中,繼電器經常被用來控制執(zhí)行機構, 特別是應用在一些耐潮、耐腐蝕、防爆的特殊裝置中。固態(tài)繼電器和MCS-51系列單片機組成的控制系統(tǒng), 具有抗干擾性強、編程簡單、系統(tǒng)兼容性好等特點,具有非常廣闊的應用前景。繼電器一般由通電線圈和觸電組成。當線圈通電時，由于磁場作用，使開關觸電閉合。當不通電時，則開關觸點斷開。一般線圈可用直流低電壓控制（+5V，+9V，+12V）。 繼電器的特性參數包括輸入和輸出參數，主要的參數為額定輸入電壓、額定輸出電流、浪涌電流。根據輸入電壓參數值大小，可確定工作電壓大小。如采用TTL或CMOS等邏輯電平控制時，采用有足夠帶載能力的低電平驅動，并盡可能使“0”電平低于0.8 V。如在噪聲很強的環(huán)境下工作，不能選用通、斷電壓值相差小的產品，必需選用通、斷點壓值相差大的產品，(如選接通電壓為8 V或12 V的產品)這樣不會因噪聲干擾而造成控制失靈 。本設計就是采用直流驅動電壓為+5V的繼電器。觸電輸出部分可以直接與市電連接。繼電器控制電路如圖3.12所示： 圖3.12 主軸電機繼電器控制電路 第四章 系統(tǒng)軟件設計 本次車床刀具溫度單片機控制系統(tǒng)，軟件配合硬件電路，主要實現溫度測量、顯示，最大溫度設定等功能[23，24]。本系統(tǒng)程序設計包括溫度采集程序、顯示程序、鍵盤程序、控制程序。程序流程圖如圖4.1所示。這里的控制程序主要防止車床刀具溫度過高導致變形，如果當前溫度超過設定的最高溫度，停止主軸電機，等待刀具溫度降溫到設定溫度以下。 圖4.1 系統(tǒng)流程圖 4.1程序初始化 程序初始化部分根據系統(tǒng)硬件原理圖及設計要求對單片機系統(tǒng)進行系統(tǒng)資源分配、參數的設置以及定義。系統(tǒng)內部資源分配和參數設置如下： A/D端口地址（ADPORT）： 7FF8H 顯示緩沖起始地址：（LEDBUF）： 30H 段碼存儲起始地址（TEMP）： 40H 設定溫值存儲地址（SETTEMP）： 50h