CA6140車(chē)床刀具溫度單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
CA6140車(chē)床刀具溫度單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),ca6140,車(chē)床,刀具,溫度,單片機(jī),控制系統(tǒng),設(shè)計(jì)
CA6140車(chē)床刀具溫度單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘要
當(dāng)今社會(huì)上各種機(jī)械加工業(yè)都在迅猛發(fā)展，車(chē)床是機(jī)械加工核心工具，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，車(chē)床也在不斷向著高精度、高效率、高自動(dòng)化方向發(fā)展，數(shù)控車(chē)床已經(jīng)成為主流設(shè)備，逐漸取代老舊的普通車(chē)床。我國(guó)目前機(jī)床總量約400余萬(wàn)臺(tái),但其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有20余萬(wàn)臺(tái),機(jī)床的數(shù)控化率極低。國(guó)內(nèi)起步較晚，技術(shù)較為落后，有著大量的老舊車(chē)床，又因其缺乏專業(yè)的維修與保養(yǎng)，促使機(jī)床的工作精度大大降低。而從國(guó)外購(gòu)置新型數(shù)控車(chē)床的價(jià)格又頗為昂貴，普通企業(yè)根本無(wú)法負(fù)擔(dān)。
在機(jī)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(jī)械零件是通過(guò)切削加工制成。在切削過(guò)程中, 機(jī)床作功轉(zhuǎn)換為等量的切削熱, 這些切削熱除少量逸散到周?chē)橘|(zhì)中以外, 其余均傳入刀具、切屑和工件中, 刀具、工件和機(jī)床溫升將加速刀具磨損, 引起工件熱變形, 嚴(yán)重時(shí)甚至引起機(jī)床熱變形。因此,在機(jī)床的切削加工過(guò)程當(dāng)中，對(duì)切削溫度的測(cè)量非常重要。在高速車(chē)床當(dāng)中，為了提高車(chē)床加工精度，刀具在切削過(guò)程中的受熱變形一定要控制住，這個(gè)僅僅知道刀具溫度是不夠的，還需要引入自動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
本論文以CA6140普通車(chē)床為研究對(duì)象，根據(jù)數(shù)控技術(shù)原理，運(yùn)用了單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和測(cè)試傳感器技術(shù)，提出了車(chē)床刀具溫度的控制系統(tǒng)方案。設(shè)計(jì)了基于MCS-51單片機(jī)的車(chē)床刀具溫度控制電路和軟件。
關(guān)鍵詞：數(shù)控車(chē)床；刀具溫度；單片機(jī)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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 5
1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀 5
1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 6
1.3方案背景技術(shù)簡(jiǎn)介 6
1.3.1數(shù)控車(chē)床 6
1.3.2溫度檢測(cè)的主要方法 7
1.4本課題的主要研究?jī)?nèi)容 8
1.5本章小結(jié) 8
第二章 車(chē)床結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 9
2.1 CA6140車(chē)床簡(jiǎn)介 9
2.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 10
2.3本章小結(jié) 10
第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 11
3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案 11
3.2 中央處理器 11
3.2.1 AT89C51簡(jiǎn)介 11
3.2.2 AT89C51主要性能參數(shù) 12
3.2.3管腳說(shuō)明 12
3.2.3特殊功能存儲(chǔ)器 14
3.2.4芯片擦除 15
3.2.5復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 15
3.2.6時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 16
3.3紅外測(cè)溫傳感器 16
3.3.1 紅外測(cè)溫傳感器的工作原理 16
3.3.2紅外測(cè)溫傳感器的選擇 17
3.4信號(hào)調(diào)理電路 18
3.5 A/D轉(zhuǎn)換電路 19
3.6 LED顯示 21
3.7 鍵盤(pán)接口 25
3.7 控制電路 26
第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 27
4.1程序初始化 28
4.2主程序 29
4.3 A/D轉(zhuǎn)換子程序 30
4.4 顯示子程序 31
4.5 鍵盤(pán)子程序 33
4.6本章小結(jié) 36
第五章 結(jié)論與展望 37
5.1主要研究工作及結(jié)論 37
5.2本課題的展望 37
參考文獻(xiàn) 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(jī)械制造中應(yīng)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(shí)現(xiàn)零件的幾何形狀、尺寸精度、表面粗糙度和表面層質(zhì)量。刀具作為切削過(guò)程的直接執(zhí)行者，在切削加工過(guò)程中不可避免地會(huì)發(fā)生磨損或破損。刀具磨損或破損會(huì)使零件的加工精度下降，零件表面粗糙度及表層質(zhì)量惡化，嚴(yán)重時(shí)將使刀具失去切削能力，甚至危及機(jī)床設(shè)備。
因?yàn)榍邢鳠岫a(chǎn)生的溫度變化是造成刀具磨損，破損的一個(gè)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(guò)程中不利的一面。因此有必要研究切削過(guò)程中熱量的產(chǎn)生和傳遞的規(guī)律，了解刀具中溫度的分布狀態(tài)。多年來(lái)，人們對(duì)于切削溫度的研究也給予了足夠的重視。但因?yàn)榍邢鳒囟鹊难芯繜o(wú)論是在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法還是理論分析上，基本上局限于連續(xù)車(chē)削和穩(wěn)定狀態(tài)下的切削溫度的研究。因此設(shè)計(jì)一個(gè)在線的自動(dòng)控制的刀具溫度控制系統(tǒng)，是防止設(shè)備的損壞，工件的報(bào)廢并保證機(jī)床無(wú)故障運(yùn)行的必然手段。
1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
隨著紅外溫度檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)始利用紅外熱輻射法進(jìn)行非接觸式檢測(cè)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(guò)刀具表面的輻射強(qiáng)度檢測(cè)刀具表面的切削溫度，由傳熱學(xué)原理可知，刀具切削區(qū)溫度的變化會(huì)造成刀具表面的切削溫度的變化，從而可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量刀具表面的切削溫度的變化來(lái)間接識(shí)別刀具的狀態(tài)[1]。
1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀
目前研究切削溫度一般通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算兩種方法。其中，Jehnming Lin[2]先測(cè)得銑削被加工表面的溫度，然后再利用熱傳導(dǎo)反求法來(lái)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(chē)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(guò)程中刀具的溫度分布的有限元模型，同時(shí)說(shuō)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(cè)量刀具溫度，同時(shí)利用軟件仿真金屬車(chē)削加工的過(guò)程，結(jié)合試驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行修正完善仿真的過(guò)程。Fang Du 等在假設(shè)切削過(guò)程中，刀具和工件的導(dǎo)熱系數(shù)，比熱以及密度穩(wěn)定的情況下，建立涂層車(chē)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(xì)闡述了切削過(guò)程中切削熱產(chǎn)生的過(guò)程，以及第一第二變形區(qū)產(chǎn)生的熱流密度，明確了切削過(guò)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(jì)算熱流密度，建立鉆削過(guò)程中鉆頭的的溫度分布的有限元模型，結(jié)合試驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)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(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀
國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)紅外測(cè)溫技術(shù)也早已經(jīng)展開(kāi)研究，山東大學(xué)的王蘭[6]利用紅外線測(cè)溫技術(shù)，用 PLC做硬件結(jié)構(gòu)，測(cè)試 110KV 干式變壓器的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而設(shè)計(jì)出一套包含采集，處理，顯示的功能的完整的測(cè)溫監(jiān)控系統(tǒng)。陳東生[7]等利用紅外測(cè)溫儀，快速移動(dòng)傳感器對(duì)其工件進(jìn)行勻速掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)工件溫度分布的監(jiān)控，結(jié)果表明能夠快速地反應(yīng)工件溫度的分布變化，其精度可達(dá)±1℃，滿足監(jiān)控的要求。趙友權(quán)等[8]分析了常低溫輻射測(cè)量誤差和物體發(fā)射率的關(guān)系，并針對(duì)測(cè)量過(guò)程中的發(fā)射率校正做了較詳細(xì)的分析。楊巧鳳[9,10]等采用紅外輻射測(cè)量技術(shù)對(duì)鋁合金銑削溫度進(jìn)行了間接的，相似的，直觀的測(cè)量，通過(guò)測(cè)得工件表面的相對(duì)溫度來(lái)推導(dǎo)臨界銑削速度。
1.3方案背景技術(shù)簡(jiǎn)介
1.3.1數(shù)控車(chē)床
數(shù)控技術(shù),簡(jiǎn)稱數(shù)控(Numerical Control),是利用數(shù)字化信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)及加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法。由于現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)都采用了計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制,因此,也可以稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控(Computer Numerical Control)。
采用了數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制的機(jī)床,或者說(shuō)裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床稱為數(shù)控機(jī)床。它是綜合應(yīng)用計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)及精密機(jī)械制造技術(shù)等高新技術(shù)于一體的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品,是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)。它很好地解決了形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度要求高、小批量及多變零件的加工問(wèn)題且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量,降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度,大幅度提高生產(chǎn)效率。機(jī)床控制也是數(shù)控技術(shù)應(yīng)用最早、最廣泛的領(lǐng)域,因此,數(shù)控機(jī)床的水平代表了當(dāng)前數(shù)控技術(shù)的發(fā)展水平和方向。與普通機(jī)床相比,數(shù)控機(jī)床能夠自動(dòng)換刀、自動(dòng)變更切削參數(shù),完成平面、回旋面、平面曲線的加工,加工精度和生產(chǎn)效率都比較高,因而應(yīng)用日益廣泛[11]。
1.3.2溫度檢測(cè)的主要方法
常用的切削溫度測(cè)量方法主要有熱電偶法、光輻射法、熱輻射法、金相結(jié)構(gòu)法等。
傳統(tǒng)的溫度測(cè)量采用的是熱電偶方法[12]，當(dāng)兩種不同材質(zhì)組成的材料副(如切削加工中的刀具—工件)接近并受熱時(shí),會(huì)因表層電子溢出而產(chǎn)生溢出電動(dòng)勢(shì),并在材料副的接觸界面間形成電位差(即熱電勢(shì))。由于特定材料副在一定溫升條件下形成的熱電勢(shì)是一定的,因此可根據(jù)熱電勢(shì)的大小來(lái)測(cè)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(cè)溫裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,測(cè)量方便,是目前較成熟也較常用的切削溫度測(cè)量方法。根據(jù)不同的測(cè)量原理和用途, 熱電偶法又可細(xì)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(shí)際加工中幾乎沒(méi)有一種工件允許在其內(nèi)部埋置熱電偶，且其熱慣性大，響應(yīng)慢。
金相結(jié)構(gòu)法[13]是基于金屬材料在高溫下會(huì)發(fā)生相應(yīng)的金相結(jié)構(gòu)變化這一原理進(jìn)行測(cè)溫的。但是這種方法的應(yīng)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(jié)構(gòu)變化；金相結(jié)構(gòu)法的觀測(cè)和分析的工作量也較大；利用掃描電鏡法也存在以下缺點(diǎn)：只能測(cè)量600℃以上的高溫；樣件制作相當(dāng)繁瑣；且為事后破壞性測(cè)量,不方便推廣應(yīng)用于加工現(xiàn)場(chǎng)；所確定的切削溫度分布狀態(tài)屬于定量分析；設(shè)備復(fù)雜,技術(shù)難度高,實(shí)際應(yīng)用受到一定限制。
光、熱輻射法，采用光、 熱輻射法測(cè)量切削溫度的原理是: 刀具、切屑和工件材料受熱時(shí)都會(huì)產(chǎn)生一定強(qiáng)度的光、熱輻射, 且輻射強(qiáng)度隨溫度升高而加大, 因此可通過(guò)測(cè)量光、 熱輻射的能量間接測(cè)定切削溫度。主要分為輻射高溫計(jì)法、紅外照相法、紅外熱像儀法。
輻射測(cè)溫傳感器不直接與被測(cè)物相接觸，這樣測(cè)量傳感器不會(huì)改變被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng)分布，也不會(huì)受到工作介質(zhì)的影響，而且不必與被測(cè)對(duì)象達(dá)到熱平衡，因此它特別適合于被測(cè)物體表面溫度的非接觸測(cè)量。此外，輻射測(cè)溫元件的響應(yīng)時(shí)間很短，因而它便于進(jìn)行動(dòng)態(tài)、瞬態(tài)的溫度測(cè)量。正是由于輻射測(cè)溫具有這么多的優(yōu)點(diǎn)，因此適用于實(shí)際加工過(guò)程的刀具溫度測(cè)量。本論文結(jié)合實(shí)際加工過(guò)程應(yīng)用選用紅外測(cè)溫方法。
1.4本課題的主要研究?jī)?nèi)容
本論文以CA6140普通車(chē)床為研究對(duì)象，通過(guò)紅外測(cè)溫法測(cè)量車(chē)床刀具表面溫度進(jìn)行監(jiān)控刀具狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)反饋的刀具溫度控制切削速度。主要工作如下：
（1）了解CA6140車(chē)床結(jié)構(gòu)和運(yùn)行過(guò)程，確定電控系統(tǒng)的控制要求。
（2）總結(jié)了刀具狀態(tài)監(jiān)控的常用方法和切削溫度的常用測(cè)量方法，分析了紅外測(cè)溫法的原理，特點(diǎn)以及應(yīng)用。
（3）提出車(chē)床刀具溫度控制方案，設(shè)計(jì)基于單片機(jī)MCS-51的溫度信號(hào)采集電路，包括單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路、AD轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)調(diào)理電路等。
（4）配合溫控系統(tǒng)的硬件電路，設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，包括監(jiān)控軟件，它是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，專門(mén)用來(lái)協(xié)調(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系。二是執(zhí)行軟件，它是用來(lái)完成各種實(shí)質(zhì)性的功能如測(cè)量、顯示等功能。
1.5本章小結(jié)
本章在介紹課題背景和研究意義的前提下，重點(diǎn)介紹了紅外測(cè)溫技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并分析了紅外測(cè)溫技術(shù)運(yùn)用在車(chē)床刀具溫度測(cè)量的可行性[14]，最后對(duì)本課題主要研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了闡述。
第二章 車(chē)床結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
2.1 CA6140車(chē)床簡(jiǎn)介
CA6140普通臥式車(chē)床主要由主軸箱、床鞍、刀架部件、尾座、進(jìn)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(chē)床
（1）主軸箱。它固定在機(jī)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(zhǎng)的棒料的加工及機(jī)床線路的鋪設(shè)還可以增加主軸的剛性），通過(guò)夾盤(pán)等夾具裝夾工件。主軸箱的功用是支撐并傳動(dòng)主軸，使主軸帶動(dòng)工件按照規(guī)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。
（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(dòng)。刀架部件位于床鞍上，其功能是裝夾車(chē)刀，并使車(chē)刀做縱向、橫向或斜向運(yùn)動(dòng)。
（3）尾座。它位于床身的尾座軌道上，并可沿導(dǎo)軌縱向調(diào)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(jìn)行孔加工。
（4）進(jìn)給箱。它固定在床身的左前側(cè)、主軸箱的底部。其功能是改變被加工螺紋的螺距或機(jī)動(dòng)進(jìn)給的進(jìn)給量。
（5）溜板箱。它固定在刀架部件的底部，可帶動(dòng)刀架一起做縱向、橫向進(jìn)給、快速移動(dòng)或螺紋加工。在溜板箱上裝有各種操作手柄及按鈕，工作時(shí)工人可以方便地操作機(jī)床。
（6）床身。床身固定在左床腿和右床腿上。床身是機(jī)床的基本支撐件。在床身上安裝著機(jī)床的各個(gè)主要部件，工作時(shí)床身使它們保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置。
2.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
本次設(shè)計(jì)采用MCS-51單片機(jī)作為控制芯片，采用紅外溫度傳感器采集刀具溫度信號(hào)[16,17]。通過(guò)紅外溫度傳感器將采集的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大處理送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入到控制芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。通過(guò)在芯片外圍添加顯示、控制等外圍電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)床刀具溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制功能。
本系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部分協(xié)調(diào)完成,硬件部分主要完成傳感器信號(hào)的采集處理,信息的顯示等;軟件主要完成對(duì)采集的溫度信號(hào)進(jìn)行處理及顯示控制等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示：
圖 2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
2.3本章小結(jié)
本章介紹了CA6140車(chē)床的結(jié)構(gòu)及部件功能，并根據(jù)車(chē)床這個(gè)控制對(duì)象的要求，提出車(chē)床刀具溫度控制系統(tǒng)方案，一個(gè)基于MCS-51單片機(jī)的刀具溫度控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。
第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案
本系統(tǒng)的硬件電路主要包括模擬部分和數(shù)字部分，從功能模塊上來(lái)分有CPU電路、數(shù)據(jù)采集電路、鍵盤(pán)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(hào)調(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)換器件、MCS-51單片機(jī)、鍵盤(pán)輸入、LED溫度顯示器、溫度控制電路。溫度檢測(cè)方案如圖3.1所示。
圖3.1 溫度檢測(cè)方案
3.2 中央處理器
單片機(jī)就是在一塊硅片上集成了微處理器、存儲(chǔ)器和各種輸入輸出接口電路的微型計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱單片機(jī)。單片機(jī)以其較高的性能價(jià)格比受到了人們的重視和關(guān)注。它的優(yōu)點(diǎn)就是體積小、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)環(huán)境要求不高、價(jià)格低廉、可靠性高、靈活性好、開(kāi)發(fā)較為容易。單片機(jī)根據(jù)其基本操作處理的位數(shù)可分為4、8、16、32位單片機(jī)，應(yīng)用最為廣泛的是八位單片機(jī)。根據(jù)本次設(shè)計(jì)的實(shí)際情況和要求，在本次設(shè)計(jì)中采用AT89C51作為系統(tǒng)的控制芯片。
3.2.1 AT89C51簡(jiǎn)介
AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大AT89C51單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。
3.2.2 AT89C51主要性能參數(shù)
AT89C51單片機(jī)與MCS-51系列單片機(jī)兼容, AT89C51內(nèi)部有4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器, 128*8位內(nèi)部RAM,兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器, 6個(gè)中斷源, 32可編程I/O線及串行通道。AT89C51有片內(nèi)振蕩器和時(shí)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(nèi)部RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)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(nèi)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(gè)硬件復(fù)位。
3.2.3管腳說(shuō)明
如圖3.2為AT89C51引腳圖,各引腳功能說(shuō)明如下:
圖3.2 AT89C51引腳圖
VCC: 電源電壓。
GND: 地。
P0 口：P0口是一個(gè)8位漏極開(kāi)路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫(xiě)“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時(shí)，P0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。
P1 口：P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P1 端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX）
P2 口：P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4 個(gè)TTL 邏輯電平。對(duì)P2 端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX @DPTR）時(shí)，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。
P3 口：P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，對(duì)P3 端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)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(hào)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(shí)器0外部輸入）
P3.5
T1（定時(shí)器1外部輸入）
P3.6
WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）
P3.7
RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）
RST: 復(fù)位輸入，晶振工作時(shí)，RST腳持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位。看門(mén)狗計(jì)時(shí)完成后，RST 腳輸出96個(gè)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(wú)效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。
ALE/PROG：地址鎖存控制信號(hào)（ALE）是訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低8 位地址的輸出脈沖。在flash編程時(shí)，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(lái)作為外部定時(shí)器或時(shí)鐘使用。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE脈沖將會(huì)跳過(guò)。如果需要，通過(guò)將地址為8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無(wú)效。這一位置“1”，ALE 僅在執(zhí)行MOVX 或MOVC指令時(shí)有效。否則，ALE 將被微弱拉高。這個(gè)ALE 使能標(biāo)志位（地址為8EH的SFR的第0位）的設(shè)置對(duì)微控制器處于外部執(zhí)行模式下無(wú)效。
PSEN:外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)（PSEN）是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。當(dāng)AT89C51從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)，PSEN在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，PSEN將不被激活。
EA/VPP:訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為使能從0000H 到FFFFH的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令，EA必須接GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA應(yīng)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(nèi)部時(shí)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(chǔ)器
在單片機(jī)內(nèi)高128B RAM中，由有21個(gè)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(wèn)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(jī)特殊功能寄存器及其相應(yīng)地址。
表3-2 專用寄存器名稱，功能及對(duì)應(yīng)的RAM地址
名稱
簡(jiǎn)單描述
地址
ACC
累加器（專門(mén)用于存儲(chǔ)算術(shù)和邏輯運(yùn)算的結(jié)果）
0E0H
B
B寄存器（專門(mén)用于乘/除法運(yùn)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(shù)據(jù)指針寄存器。CPU訪問(wèn)外部RAM時(shí)地址指針，由兩個(gè)8位寄存器DPH（83H）、DPL（82H）組成且可單獨(dú)訪問(wèn)。
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(jí)控制寄存器
0B8H
IE
中斷允許控制寄存器
0A8H
TMOD
定時(shí)器/計(jì)數(shù)器方式控制寄存器
89H
TCON
定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制寄存器
88H
TH0
定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0高字節(jié)
8CH
TL0
定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0低字節(jié)
8AH
TH1
定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1高字節(jié)
8DH
TLI
定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0低字節(jié)
8BH
SCON
串行控制寄存器
98H
SBUF
串行數(shù)據(jù)緩沖器
99H
PCON
電源控制寄存器
87H
3.2.4芯片擦除
整個(gè)EPROM陣列電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來(lái)完成。在芯片擦除操作中，代碼陣列全被寫(xiě)“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)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(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。
3.2.5復(fù)位電路的設(shè)計(jì)
復(fù)位使單片機(jī)處于起始狀態(tài)，并從該起始狀態(tài)開(kāi)始運(yùn)行。AT89C51的RST引腳為復(fù)位端，該引腳連續(xù)保持2個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)時(shí)鐘振動(dòng)周期）以上高電平，則可使單片機(jī)復(fù)位。內(nèi)部復(fù)位電路在每一個(gè)機(jī)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(fù)位期間不產(chǎn)生ALE信號(hào)，內(nèi)部RAM處于不斷電狀態(tài)。其中的數(shù)據(jù)信息不會(huì)丟失，也即復(fù)位后，只影響SFR中的內(nèi)容，內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)不受影響。外部復(fù)位有上電復(fù)位和按鍵電平復(fù)位。由于單片機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，其本身的干擾或外界干擾會(huì)導(dǎo)致出錯(cuò)，此時(shí)我們可按復(fù)位鍵重新開(kāi)始運(yùn)行。為了便于本設(shè)計(jì)運(yùn)行調(diào)試，復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位方式。按鍵復(fù)位電路如圖3.3所示。
圖3.3 復(fù)位電路
3.2.6時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)
時(shí)鐘電路是單片機(jī)的心臟，它控制著單片機(jī)的工作節(jié)奏。MCS-51單片機(jī)允許的時(shí)鐘頻率是因型號(hào)而異的，其典型值為12MHZ。AT89C51內(nèi)部有一個(gè)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(nèi)振蕩器，石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。本設(shè)計(jì)采用的晶振頻率為12MHZ。其時(shí)鐘電路如圖3.4所示。51系列單片機(jī)還可使用外部時(shí)鐘。在使用外部時(shí)鐘時(shí)，外部時(shí)鐘必須從XTAL1輸入，而XTAL2懸空。
圖3.4 時(shí)鐘電路
3.3紅外測(cè)溫傳感器
3.3.1 紅外測(cè)溫傳感器的工作原理
一個(gè)紅外測(cè)溫傳感器由光學(xué)接收器、紅外探測(cè)器和信號(hào)處理器三個(gè)部分組成[19]。如圖3.5，光學(xué)接收器聚集可視范圍內(nèi)的目標(biāo)的紅外輻射能量，可視范圍的大小由傳感器的光學(xué)零件和位置決定。紅外探測(cè)器將紅外輻射能量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。信號(hào)處理器將電信號(hào)進(jìn)行放大，濾波，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為需要的格式輸出，輸送進(jìn)計(jì)算機(jī)或相關(guān)顯示設(shè)備。
圖3.5 紅外傳感器原理
3.3.2紅外測(cè)溫傳感器的選擇
從測(cè)溫范圍，結(jié)構(gòu)形式和設(shè)計(jì)原理可以劃分多種不同類型的紅外測(cè)溫傳感器。選用紅外測(cè)溫傳感器需要從多方面考慮，例如傳感器的性能指標(biāo)，可測(cè)溫度范圍，最小光點(diǎn)尺寸，工作波長(zhǎng)范圍，測(cè)量精度和靈敏度，性價(jià)比等等。因此在本系統(tǒng)中，綜合考慮選用了德國(guó) Optris CT laser 紅外溫度傳感器[20]。其主要技術(shù)參數(shù)如表 3-3 所示。該 CT laser 紅外溫度傳感器采用了 Optris最新獨(dú)特設(shè)計(jì)的探測(cè)器，是中低溫測(cè)量的突破性產(chǎn)品。75：1 的光學(xué)分辨率和雙激光精確對(duì)焦，最小可測(cè)量 0.9mm 的細(xì)微目標(biāo)，解決了以往因測(cè)量目標(biāo)區(qū)域相對(duì)較小而無(wú)法精確測(cè)量的問(wèn)題。
表3-3紅外溫度傳感器技術(shù)參數(shù)
測(cè)量量程
-40～975℃
測(cè)量精度
測(cè)量值的±1%
光譜響應(yīng)
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(shù)字輸出
USB,RS232,RS485
電纜長(zhǎng)度
3m 8m 15m 可選
電源
5～36V DC
激光參數(shù)
635nm 1mw
環(huán)境溫度
0～65℃
儲(chǔ)存溫度
-40～65℃
相對(duì)濕度
10～95%,不結(jié)露
重量
紅外測(cè)溫探頭 600g,信號(hào)調(diào)理器 420g
外殼材料
不銹鋼機(jī)殼,堅(jiān)固耐用
3.4信號(hào)調(diào)理電路
在車(chē)床刀具溫度測(cè)試過(guò)程中，通過(guò)非接觸式紅外溫度傳感器對(duì)溫度信號(hào)進(jìn)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(hào)。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(hào)通常夾雜有噪聲，如果不對(duì)這些噪聲信號(hào)進(jìn)行處理，系統(tǒng)的精度將會(huì)受到很大的影響。因此，在測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)調(diào)理的同時(shí)還需采用濾波技術(shù)減小各種噪聲干擾，以便準(zhǔn)確地采集到表征被測(cè)對(duì)象特征的有用信息[21]。
如圖3.6所示，本設(shè)計(jì)中，信號(hào)調(diào)理電路部分由集成運(yùn)放LM358構(gòu)成一個(gè)電壓跟隨器，后端用LM358的第二路運(yùn)算放大器構(gòu)成一個(gè)濾波器。
LM358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)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(wú)關(guān)。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(yùn)算放大器的場(chǎng)合。
圖3.6 溫度檢測(cè)調(diào)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(shí)，放大倍數(shù)為1，電壓跟隨器的輸入電壓等于輸出電壓。
由于溫度信號(hào)為低頻信號(hào)，同時(shí)為了抑制環(huán)境干擾源消除高頻噪聲，需要進(jìn)行低通濾波，這里采用二階RC有源濾波。
3.5 A/D轉(zhuǎn)換電路
溫度傳感器輸出的0-5V模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理電路后，還需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換才能到單片機(jī)，這里我們采用ADC0809芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換[22]。ADC0809是一種8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部有一個(gè)8位“三態(tài)輸出鎖存器”可以鎖存A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，故它本身既可看作一種輸入設(shè)備，也可以認(rèn)為是并行I/O接口芯片。故ADC0809可以和微機(jī)直接接口，本設(shè)計(jì)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～I(xiàn)N7: 為八路模擬電壓輸入線，用于輸入被轉(zhuǎn)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～I(xiàn)N7上那一路模擬電壓送給比較器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADDA、ADDB和ADDC對(duì)IN0～I(xiàn)N7的選擇如表3-4所列：
表3-4 8位模擬開(kāi)關(guān)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(dòng)脈沖”輸入線,上升沿清零SAR，下降沿啟動(dòng)ADC0809工作。
EOC：為轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出線，該線上高電平表示A/D轉(zhuǎn)換已結(jié)束。
OE：為“輸出允許”線，高電平時(shí)能使2～2引腳上輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。
AT89C51與ADC0809的連接方法如圖3.8所示，AT89C51通過(guò)地址線P2.7和寫(xiě)控制信號(hào)線用一個(gè)或非門(mén)聯(lián)合控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)端(START)和地址鎖存信號(hào)端(ALE)。地址線P2.7和讀控制信號(hào)線用一個(gè)或非門(mén)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(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC通過(guò)一個(gè)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(shù)據(jù)，EOC線作為CPU的中斷請(qǐng)求輸入線。CPU線響應(yīng)中斷后，應(yīng)在中斷服務(wù)程序中使OE線變?yōu)楦唠娖?，以提取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。
其中和START的邏輯關(guān)系分別為：
＝P2.7?＝P2.7 +
START= P2.7?= P2.7 +
對(duì)ADC0809地址的確定：根據(jù)系統(tǒng)硬件連接圖可知所選定模擬電壓路數(shù)為IN0，其對(duì)應(yīng)的地址為ABC=000，即P0.0、P0.1、P0.2=0 0 0;又P2.7=0時(shí)才能啟動(dòng)ADC0809工作和使AT89C51從ADC0809接收A/D轉(zhuǎn)換電壓的數(shù)字量。故確定ADC0809其中一個(gè)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(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后可由AT89C51通過(guò)程序從P0口輸入到它的內(nèi)部RAM單元。
ADC0809所需時(shí)鐘信號(hào)可以由AT89C51的ALE信號(hào)提供。AT89C51的ALE信號(hào)通常是每個(gè)機(jī)器周期出現(xiàn)兩次，故它的頻率是單片機(jī)時(shí)鐘頻率的1/6。本系統(tǒng)AT89C51主頻是12MHZ，ALE信號(hào)頻率為2MHZ，使AT89C51的ALE上信號(hào)經(jīng)過(guò)4分頻后接到ADC0809的CLOCK輸入端，就可獲得500KHZ的A/D轉(zhuǎn)換脈沖，當(dāng)然，ALE上脈沖會(huì)在MOVX指令的每個(gè)機(jī)器周期少出現(xiàn)一次，但通常情況下影響不大。
在啟動(dòng)ADC0809后，EOC約在10us后才變?yōu)榈碗娖剑珽OC線經(jīng)過(guò)反相器和AT89C51線相連，這即是AT89C51采用中斷方式來(lái)和ADC0809傳送A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量的。為了給OE線分配一個(gè)地址，把AT89C51RD和P2.7經(jīng)或門(mén)和OE相連。平時(shí)，使OE處于低電平封鎖狀態(tài)，在響應(yīng)中斷后，AT89C51執(zhí)行中斷服務(wù)程序中如下兩條指令就可以使OE變?yōu)楦唠娖?，從而打開(kāi)三態(tài)輸出鎖存器，讓CPU提取A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。
3.6 LED顯示
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用的顯示器主要有發(fā)光二極管顯示器，簡(jiǎn)稱LED；液晶顯示器，簡(jiǎn)稱LCD。前者價(jià)廉，配置靈活，與單片機(jī)接口方便；后者可進(jìn)行圖形顯示，但接口復(fù)雜，成本較高。結(jié)合本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，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(jī)中使用7段LED構(gòu)成字形“8”，另外，還與一個(gè)小數(shù)點(diǎn)發(fā)光二極管用以顯示數(shù)字、符號(hào)及小數(shù)點(diǎn)。這種顯示器有共陰極和共陽(yáng)極兩種，如圖3.9所示。發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起稱為共陽(yáng)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(gè)發(fā)光二極管組成，其中，7個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成字形“8”的各個(gè)筆劃（段）a-g,另一個(gè)小數(shù)點(diǎn)為dp發(fā)光二極管。當(dāng)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(diǎn)亮；不加電壓則該段二極管不亮。為了保護(hù)各段LED不被損壞，需要外加限流電阻。
圖3.9共陽(yáng)極數(shù)碼管
如果要顯示某個(gè)字形，則應(yīng)使此字形的相應(yīng)段點(diǎn)亮，也即送一個(gè)不同的電平組合代表的數(shù)據(jù)來(lái)控制LED的顯示字形，此數(shù)據(jù)稱為字符的段碼。數(shù)據(jù)字位數(shù)與LED段碼的關(guān)系如表3-4所示。
表3-4 數(shù)碼管各段與輸出口各位的對(duì)應(yīng)關(guān)系
輸出口各位
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
數(shù)碼管各段
dp
g
f
e
d
c
b
a
如使用共陽(yáng)極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對(duì)應(yīng)字段亮，數(shù)據(jù)為1表示對(duì)應(yīng)字段暗；如使用共陰極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對(duì)應(yīng)字段暗，數(shù)據(jù)為1表示對(duì)應(yīng)字段亮。如要顯示“0”，共陽(yáng)極數(shù)碼管的字型編碼應(yīng)為：11000000B（即C0H）；共陰極數(shù)碼管的字型編碼應(yīng)為：00111111B（3FH）。依次類推，可求得數(shù)碼管字型編碼如表3-5所示。
表3-5 數(shù)碼管字型編碼表
字型
共陽(yáng)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(shè)計(jì)顯示采用LED串行靜態(tài)顯示。MCS-51系列單片機(jī)的串行口RXD，TXD為一個(gè)全雙工串行通信口，當(dāng)工作在方式0下可作同步移位寄存器用，其數(shù)據(jù)由RXD（P3.0）端串行輸入或輸出；而同步移位時(shí)鐘由TXD（P3.1）串行輸出，在同步時(shí)鐘的作用下，實(shí)現(xiàn)由串行到并行的數(shù)據(jù)通信。在不需要使用串行通信的場(chǎng)合，利用串行口加外圍芯片74LS164就可以構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)并行輸入/輸出口，用于顯示器LED驅(qū)動(dòng)。波特率（每秒傳輸?shù)奈粩?shù)）固定在fosc/12,即當(dāng)晶振為12MHZ時(shí)，波特率為1MBPS。在CPU將數(shù)據(jù)寫(xiě)入SBUF寄存器后，立即啟動(dòng)發(fā)送。待8位數(shù)據(jù)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(jī)與4片串入并出移位寄存器74LS164相連。其中，RXD作為164的數(shù)據(jù)輸入，TXD作為4片164的同步時(shí)鐘。程序運(yùn)行時(shí)，單片機(jī)將4個(gè)數(shù)碼管的段碼（4個(gè)字節(jié)）連續(xù)發(fā)送出來(lái)，通過(guò)串行口送給164。4位字第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)型碼送完后，TXD保持高電平。此時(shí)每片164的并行輸出口將送出保存在內(nèi)部移位寄存器中的8位的段碼給數(shù)碼管，令數(shù)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(shí)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(guān)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(shí)鐘上升沿↑轉(zhuǎn)換之前QA、QB~QH的輸出狀態(tài)；H/L、QAn ~QBn代表在最近的時(shí)鐘上升沿↑轉(zhuǎn)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(dòng)態(tài)顯示亮度更大一些。由于74LS164在低電平輸出時(shí)，允許通過(guò)的電流達(dá)8mA，故不必添加驅(qū)動(dòng)電路，亮度也比較理想。與動(dòng)態(tài)掃描相比較，無(wú)需CPU不停的掃描，頻繁地為顯示服務(wù)，節(jié)省了CPU時(shí)間，軟件設(shè)計(jì)也比較簡(jiǎn)單。由于本設(shè)計(jì)采用的是共陽(yáng)極數(shù)碼管，所以相應(yīng)的亮段必須送0，相應(yīng)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(pán)接口
鍵盤(pán)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令的功能，是人工干預(yù)的主要手段。鍵盤(pán)分兩大類：編碼鍵盤(pán)和非編碼鍵盤(pán)。編碼鍵盤(pán)：由硬件邏輯電路完成必要的鍵識(shí)別工作與可靠性措施。每按一次鍵，鍵盤(pán)自動(dòng)提供被按鍵的讀數(shù)，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)選通脈沖通知微處理器，一般還具有反彈跳和同時(shí)按鍵保護(hù)功能。這種鍵盤(pán)易于使用，但硬件比較復(fù)雜，對(duì)于主機(jī)任務(wù)繁重之情況，采用8279可編程鍵盤(pán)管理接口芯片構(gòu)成編碼式鍵盤(pán)系統(tǒng)是很實(shí)用的方案。非編碼鍵盤(pán)：只簡(jiǎn)單地提供鍵盤(pán)的行列與矩陣，其他操作如鍵的識(shí)別，決定按鍵的讀數(shù)等都靠軟件完成，故硬件較為簡(jiǎn)單，但占用CPU較多時(shí)間。非編碼鍵盤(pán)有：獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)、矩陣式按鍵結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)采用的是非編碼獨(dú)立連接式的鍵盤(pán)。在非編碼鍵盤(pán)系統(tǒng)中，鍵閉合和鍵釋放的信息的獲取，鍵抖動(dòng)的消除，鍵值查找及一些保護(hù)措施的實(shí)施等任務(wù)，均由軟件來(lái)完成。
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤(pán)掃描只是CPU的工作內(nèi)容之一。CPU忙于各項(xiàng)任務(wù)時(shí)，如何兼顧鍵盤(pán)的輸入，取決于鍵盤(pán)的工作方式。考慮儀表系統(tǒng)中CPU任務(wù)的份量，來(lái)確定鍵盤(pán)的工作方式。
鍵盤(pán)的工作方式選取的原則是：既要保證能及時(shí)響應(yīng)按鍵的操作，又不過(guò)多的占用CPU的工作時(shí)間。鍵盤(pán)的工作方式有：查詢方式（編程掃描，定時(shí)掃描方式）、中斷掃描方式。
獨(dú)立式按鍵接口就是各按鍵相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根I/O口線，每根I/O口線的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其他I/O口線上的工作狀態(tài)。因此，通過(guò)檢測(cè)輸入線的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個(gè)按鍵被按下了。優(yōu)點(diǎn)就是電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)就是每個(gè)按鍵需占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，I/O口浪費(fèi)大，電路結(jié)構(gòu)顯得復(fù)雜。因此，此鍵盤(pán)是用于按鍵較少或操作速度較高的場(chǎng)合[8]。
本設(shè)計(jì)中由于所用鍵盤(pán)不多，所以采用獨(dú)立連接式的查詢式鍵盤(pán)就能夠滿足設(shè)計(jì)要求。鍵盤(pán)接口與鍵盤(pán)程序的根本任務(wù)就是要檢測(cè)有沒(méi)有鍵按下？按下的是那個(gè)位置的鍵？鍵值是多少？在本次設(shè)計(jì)中采用了軟件掃描的方法。通過(guò)對(duì)鍵盤(pán)接口P1.0和P1.1的查詢判斷是否有鍵按下。本次設(shè)計(jì)采用了軟件去抖動(dòng)的方法。當(dāng)有鍵按下時(shí)，按鍵的觸點(diǎn)在閉合和斷開(kāi)時(shí)均會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，這時(shí)觸點(diǎn)的邏輯電平是不穩(wěn)定的，如果不妥善處理，將會(huì)使按鍵命令的錯(cuò)誤執(zhí)行和重復(fù)執(zhí)行。采用軟件延時(shí)的方法來(lái)避開(kāi)抖動(dòng)階段，這一延時(shí)過(guò)程一般大于5ms。
3.7 控制電路
在本設(shè)計(jì)中，被測(cè)溫度信號(hào)經(jīng)采樣處理后，如果刀具溫度超過(guò)刀具變形的最高溫度，需要通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)的P1.2口輸出以控制主軸電機(jī)的啟停，通過(guò)這種方式達(dá)到控制的目的?？刂频姆绞街饕心M量控制和開(kāi)關(guān)量控制。本系統(tǒng)采用的是開(kāi)關(guān)量控制。
由于輸出設(shè)備往往需要大電壓來(lái)控制，而單片機(jī)系統(tǒng)輸出的為T(mén)TL電平，這種電平不能直接驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備的開(kāi)啟和關(guān)閉。另一方面，許多外部設(shè)備在開(kāi)關(guān)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾信號(hào)，如果不隔離會(huì)使系統(tǒng)進(jìn)行錯(cuò)誤的處理。因此在開(kāi)關(guān)量的輸出控制過(guò)程中要考慮到兩個(gè)問(wèn)題，一要隔離；二要放大。
本設(shè)計(jì)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(gè)三極管用以放大輸出信號(hào)就可以驅(qū)動(dòng)繼電器的閉合和斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)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(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流控制較大電流的一種開(kāi)關(guān)。故在電路中起自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。在工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中,繼電器經(jīng)常被用來(lái)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu), 特別是應(yīng)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(jī)組成的控制系統(tǒng), 具有抗干擾性強(qiáng)、編程簡(jiǎn)單、系統(tǒng)兼容性好等特點(diǎn),具有非常廣闊的應(yīng)用前景。繼電器一般由通電線圈和觸電組成。當(dāng)線圈通電時(shí)，由于磁場(chǎng)作用，使開(kāi)關(guān)觸電閉合。當(dāng)不通電時(shí)，則開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)斷開(kāi)。一般線圈可用直流低電壓控制（+5V，+9V，+12V）。
繼電器的特性參數(shù)包括輸入和輸出參數(shù)，主要的參數(shù)為額定輸入電壓、額定輸出電流、浪涌電流。根據(jù)輸入電壓參數(shù)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(shí)，采用有足夠帶載能力的低電平驅(qū)動(dòng)，并盡可能使“0”電平低于0.8 V。如在噪聲很強(qiáng)的環(huán)境下工作，不能選用通、斷電壓值相差小的產(chǎn)品，必需選用通、斷點(diǎn)壓值相差大的產(chǎn)品，(如選接通電壓為8 V或12 V的產(chǎn)品)這樣不會(huì)因噪聲干擾而造成控制失靈 。本設(shè)計(jì)就是采用直流驅(qū)動(dòng)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(jī)繼電器控制電路
第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本次車(chē)床刀具溫度單片機(jī)控制系統(tǒng)，軟件配合硬件電路，主要實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量、顯示，最大溫度設(shè)定等功能[23，24]。本系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)包括溫度采集程序、顯示程序、鍵盤(pán)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(chē)床刀具溫度過(guò)高導(dǎo)致變形，如果當(dāng)前溫度超過(guò)設(shè)定的最高溫度，停止主軸電機(jī)，等待刀具溫度降溫到設(shè)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(jù)系統(tǒng)硬件原理圖及設(shè)計(jì)要求對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)資源分配、參數(shù)的設(shè)置以及定義。系統(tǒng)內(nèi)部資源分配和參數(shù)設(shè)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(chǔ)起始地址（TEMP）： 40H
設(shè)定溫值存儲(chǔ)地址（SETTEMP）： 50h
收藏