数控车床设计说明书.docx

目 录
第一章 系统总体方案的分析与拟订 4
1.1 系统总体改造方案的确定 4
1.2 机械传动系统的改造方案的确定 4
1.3 设计参数 4
第二章 进给传动系统传动方案设计 6
2.1 进给系统的概论 6
2.2 进给伺服系统机械部分的结构改造设计方案 6
第三章 运动设计 8
3.1 机床主传动设计及参数的确定 8
第四章 丝杆螺母机构的选择和计算 13
4.1 计算主切削力极其切削力计算 13
4.2 导轨摩擦力的计算 14
4.4 确定滚珠丝杠副的导程 14
第五章 向步进电动机的计算和选型 16
5.1 等效转动惯量计算 16
第六章 丝杆螺母刚度计算 20
6.1 杠抗压刚度 20
6.2 支承轴承组合刚度 20
第七章 数控系统设计 25
7.1 数字控制系统 25
7.2 数控系统的硬件特点： 25
7.3 控制系统图及芯片的选择 26
7.4 I/O接口的扩展 26
7.5 存储器及系统扩展设计。 27
7.6 键盘及键盘接口设计 29
7.7 显示器接口设计 30
7.8 步进电机控制电路 32
参考文献 38
致　谢 39

摘　要

本文介绍了普通数控机床中CA6140车床进给系统的设计过程，主要为机械元件的设计，包括滚珠丝杠、轴承、步进电机、和齿轮传动比的计算、选择与应用。针对现有常规CA6140普通车床的数控改装方案，纵向、进给系统进行数控控制，并要求达到纵向最小运动单位为0.01mm每脉冲，刀架要是自动控制的自动转位刀架，要能自动切削螺纹。

关键词：齿轮；进给丝杠；步进电机；
前 言
我国目前机床总量为380万余台，而其中数控机床总数只有11.34万台，这说明我国机床数控化率不到3%。我们大多数制造业和企业的生产、加工设备大多数是传统机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国内市场上缺乏竞争了，这直接影响了企业的生存和发展。所以必须提高机床的数控化率。
对于我国的实际情况，大批量的购置数控机床是不现实也是不经济的，只有对现有的机床进行数控改造。数控改造相对于购置数控机床来说，能充分发挥设备的潜力，改造后的机床比传统机床有很多突出优点，由于数控机床的计算机有很高的运算能力，可以准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线和曲面。其计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记忆和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可以实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的机床不象购买新机那样，要重新了解机床操作和维修，也不了解能否满足加工要求。改造可以精确计算出机床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，操作和维修方面培训时间短，见效快。另外，数控改造可以充分利用现有地基，不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还可以根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和档次，将机床改造成当今水平的机床。
数控技术改造机床是以微电子技术和传统技术相结合为基础，不但技术上具有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可用性，且投入费用低，用户承担得起。由于自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，已成为我国设备技术改造中主要方向之一，也为我国传统机械制造技术朝机电一体化技术方向过渡的主要内容之一。

第一章 系统总体方案的分析与拟订
1.1 系统总体改造方案的确定
目前，在机械加工工业中，绝大多数是旧式机车，如果改用微机控制，实现机电一体化的改造，会使机床适应小批量、复杂零件的加工，不但提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短，适合我国国情。利用微机实现机车的机电一体化改造的方法有两种：一种是以微机为中心设计控制部分；另一种是采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置。后者选用国内标准化的微机数控系统，比较简单。这种标准的微机数控系统通过采用单片机、驱动电源、步进电机及专用的控制程序组成开环控制系统。起结果简单、价格低廉。对机床的控制过程大多是由单片机按照输入脉冲的加工程序进行插补运算，产生进给，由软件或硬件实现脉冲分配，输入一系列脉冲，经功率放大、驱动刀架、纵横轴运动的步进电机，实现刀具按规定的轮廓轨迹运动。微机进行插补运算的速度较快，可以让单片机每完成一次插补、进给，就执行一次延时程序，由延时程序控制进给速度。
1.2 机械传动系统的改造方案的确定
在熟悉原机床的操作过程及传动系统后，根据设计要求确定系统的机械传动系统改造方案。
(1)工作台工作面尺寸（宽度 长度）确定为520mm 1200mm。
(2)工作台的导轨采用矩形导轨，在与之相配的动导轨滑动面上贴聚四氟乙烯(pt-fe)导轨板。同时采用斜镶条消除导轨导向面的间隙，在背板上通过设计偏心轮结构来消除导轨背面与背板的间隙，并在与工作台导轨相接触的斜镶条接触面上和背板接触面上贴塑。
(3)对滚珠丝杆螺母副采用预紧措施，并对滚珠丝杆进行预拉伸。
(4)采用伺服电机驱动。
(5)采用膜片弹性联轴器将伺服电动机与滚珠丝杆直连。
1.3 设计参数
加工最大长度1500mm
主轴孔径50mm
机床定位精度 +0.03mm
最大回转直径400mm
使用寿命 (h)=14400h
启动加速时30ms
传动精度要求=+0.02mm或=-0.02m
溜板及刀架重力（纵向）800N
最大进给速度（纵向）0.6m/min
丝杠长（纵向）3.6m=1600r/min
丝杠转速（纵向）60r/min
根据机床精度要求确定脉冲当量：（纵向）0.01mm/步,

第二章 进给传动系统传动方案设计
2.1 进给系统的概论
进给运动是数字控制的直接对象，被加工工件的最终位置精度和轮廓精度都与进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性有关。因此，在设计传动结构，选用传动零件时应充分注意减小摩擦阻力，提高传动精度和刚度，消除传动间隙和减小运动惯量。数控机床的进给运动采用无级调速的伺服驱动方式，伺服电机的动力和运动只需经过由最多一两级齿轮或带轮传动副和滚珠丝杠螺母副或齿轮齿条副或蜗杆蜗条副组成的传动系统传动给工作台等运动执行部件。传动系统的齿轮副或带轮副的作用主要是通过降速来匹配进给系统的惯量和获得要求的输出机械特性，对开环系统，还起匹配所需的脉冲当量的作用。近年来，由于伺服电机及其控制单元性能的提高，许多数控机床的进给传动系统去掉了降速齿轮副，直接将伺服电机与滚珠丝杠连接。滚珠丝杠螺母副或齿轮齿条副或蜗杆蜗条副的作用是实现旋转到直线的运动形式的转换。
2.2 进给伺服系统机械部分的结构改造设计方案
数控改造中主要机械部件改装探讨一台新的数控机床，在设计上要达到：有高的静动态刚度；运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。机床数控改造时应尽量达到上述要求。不能认为将数控装置与普通机床连接在一起就达到了数控机床的要求，还应对主要部件进行相应的改造使其达到一定的设计要求，才能获得预期的改造目的
滑动导轨副对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。
齿轮副一般机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。为了保证传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床高。在结构上要能达到无间隙传动，因而改造时，机床主要齿轮必须满足数控机床的要求，以保证机床加工精度。
滑动丝杠与滚珠丝杠丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。被加工件精度要求不高时可采用滑动丝杠，但应检查原丝杠磨损情况，如螺距误差及螺距累计误差以及相配螺母间隙。一般情况滑动丝杠应不低于6级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。
安全防护必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损伤导轨。

第三章 运动设计
3.1 机床主传动设计及参数的确定
机床的主要技术参数包括主参数和基本参数。主参数是机床参数中最主要的，它必须满足以下要求：
a、 直接反映出机床的加工能力和特性；
b、 决定其他基本参数值的大小；
c、 作为机床设计的出发点；
d、 作为用户选用机床的主要依据。
对于通用机床（包括专门化机床），主参数通常都以机床的最大加工尺寸表示，只有在不适用于用工件最大尺寸表示时，才采用其他尺寸或物理量。如卧式镗床的主参数用主轴直径，拉床用额定拉力等。为了更完整地表示出机床的工作能力和加工范围，有时在主参数后面标出另一参数值，称为第二主参数。如最大工件长度、最大跨度、主轴数和最大加工模数等。
除主参数外，机床的主要技术参数还包括下列基本参数：
a、 与工件尺寸有关的参数；
b、 与工、夹、量具标准化有关的参数；
c、 与机床结构有关的参数；
d、 与机床运动特性和动力特性有关的参数。
这些基本参数可以归纳为尺寸参数、运动参数和动力参数三种。
3.1.1尺寸参数
尺寸参数是表示机床工作范围的主要尺寸和工、夹、量具的标准化及机床结构有关的主要参数。如普通车床横刀架上最大工件的回转直径，在相同中心高的情况下，这一尺寸参数既决定加工长工件的最大直径，又决定刀架的厚度及刚性。
机床的主参数主要决定于工件的尺寸。对于各类通用机床，已在调查研究各种工件的基础上制定出了机床的参数标准，设计时应该遵照执行。专用机床的主参数则基本上可以根据工件尺寸决定。
主参数系列采用优先数系，这样做有如下好处：
1)优先数按等比级数分级，能在较宽的范围内以较少的品种，经济合理地满足用户的需要，即可把产品的品种规格限制在必需的最少范围内。
2)优先数系具有各种不同公比的系列，因而可以满足较密和较疏的分级要求。随着形势的发展，可以通过插入中间值使较疏的系列变成较密的系列，而原来的项值保留不变。在参数范围很宽时，根据经济性和需要量等不同的条件，还可以分段选用最合适的基本系列（即选用不同的公比），以复合系列的形式组成最佳系列。
3)优先数系是国际上统一的数值制度，有利于国际的标准化。
其他尺寸参数一般根据主参数来确定。但由于机床的使用情况比较复杂，这些尺寸参数的确定还有相似分析法和图解分析法及回归分析法。
由此可以得到CK6140数控车床的尺寸参数如下表所示 ：
参数项目
单位
数值
床身上最大工件回转直径
mm
320
刀架上最大工件回转直径
mm
160
主轴通孔直径
mm
35
主轴锥孔莫氏
Nq
6
尾架顶尖套锥孔莫氏
Nq
5
最大工件长度L
mm
750
刀杆截面尺寸
mm
20×20
3.1.2 运动参数
运动参数包括机床主运动（切削运动）的速度范围和级数，进给量范围和级数以及辅助运动的速度等，它是由加工表面成形运动的工艺要求所决定的。
主轴极限转速和变速范围
对于主运动为回转运动的机床，主轴极限转速为：

式中的或不是该机床可能加工的的最小或最大直径，而是认为是在机床全部工艺范围内可以用最大切削速度来加工时的最小工件直径和用最小切削速度来加工时的最大工件直径，这样才能得出合理的极限转速值。
3.1.3 主轴转速的确定
1） 主轴最高转速的确定
根据分析，用硬质合金车刀对小直径钢材半精车外圆时，主轴转速为最高，按经验，并参考切削用量资料，取，k=0.5, Rd=0.2, 则：

2） 主轴最低转速的确定
根据分析，主轴最低转速由以下工序决定：
用高速钢车刀，对铸铁材料的盘形零件粗车端面。按经验，并参切削用量资料，取V=15m/min,则最低转速为：

3.1.4 转速范围及公比的确定
根据最高转速与最底转速可初步得出主轴转速范围
=＝66.33
则公比

由设计手册取标准值得
=1.26
根据标准公比及初算，查表取=40r/min，则最高转速
=×=40×
=2034r/min
则主轴转速范围

且验算公比得=1.25993く1.26,满足要求。
3.1.5传动比参数的确定
1） 电动机与轴1传动副齿轮齿数的确定
因为铣床不需要正反转，为了便于速度的分配，该传动副采用定比传动，其传动比有速度可求得：
=1142/1440=1/1.26
为了方便电动机与变速箱在机座内的布置，电动机与变速箱的联结采用带传动。根据带轮的标准，尺寸值定为112mm和140mm。
a、变速箱与主轴箱之间采用带传动，为了便于完成转速的要求和速度的分配，确定其带轮的尺寸比为：172：200。
b、为了减少变速箱的轴向尺寸，减少齿轮数目，简化结构，采用一对公用齿轮的传动系统。因而，两变速组的传动比互相牵制，可能会增加径向尺寸。为了实现齿轮公用，传动比与齿数的搭配较为繁琐，在此不进行具体的说明。
根据转速图可得，该传动副的传动比=1/1.26、=1、=1.26。查《金属切削机床》Page136页表8-1，并考虑到主轴箱的几何尺寸，取该传动副中=30，齿数和=68，则由传动比可求得该传动副齿数比为：
当=1/1.6时 Z/Z=30：38
当=1时 Z/Z=34：34
当=1.6时 Z/Z=38：30
轴2与轴3传动副齿轮齿数的确定
根据转速图可得，该传动副的传动比=，=及＝。查《金属切削机床》Page136页表8-1，并考虑到主轴箱的几何尺寸，取该传动副=22，齿数和=77，则由传动比可求得
该传动副齿数比为：
Z/Z=47/30 , Z/Z=22/55 , Z/Z=34/43
轴5与轴7间采用背轮机构，总传动比为，和齿形离合器，传动比为：1。
齿数为：第一级：27*2.5：69*2.5
第二级：19*3：61*3

第四章 丝杆螺母机构的选择和计算
已知: 工作台重量   W1=5000N  
工作及夹具最大重量W2=4000N   
工作台最大行程 LK=400mm 
工作台导轨的摩擦系数:动摩擦系数μ=0.1   
静摩擦系数μ0=0.2   
快速进给速度   Vmax=15m/min  
定位精度20 μm/300mm   
全行程25μm  
重复定位精度10μm   
要求寿命20000小时(两班制工作十年)。
4.1 计算主切削力极其切削力计算
4.1.1计算主切削力Fz
机床采用主轴伺服电动机，额定功率Pe初定为5.5kw，组合机床主要用于钻镗以及铣削，假设机床采用端面铣刀进行强力切削，铣刀直径D=125，主轴转速为272r/min，主轴具有最大扭矩并能传递主电动机的全部功率，此时铣刀的切削速度为
ν=πDn/60=3.14*125*0.001*272/60=1.78m/s
设机械效率为ηm=0.8，则
Fz=ηm*Pe/ν*1000=0.8*5.5/1.78=2471.91N
4.1.2 计算各切削分力
根据表2-1（工作台工作载荷于切向铣削力的经验比值）（数控技术课程设计p13）
可得工作台纵向切削力F1，横向切削力Fc和垂向切削力Fv分别为
F1=0.4* Fz=0.4*2471.91=988.76N
Fc=0.98* Fz=0.98*2471.91=2348.31N
Fv=0.55*Fz=0.55 *2471.91=1359.55N
4.2 导轨摩擦力的计算
4.2.1 计算正切削状态下的导轨摩擦力
由式2-8a（p14）计算在切削状态下的导轨摩擦力Fu，此时导轨摩擦系数u=0.2，查表2-3（p15）查到导轨紧固力fg=75N
Fu=u（W+fg+Fc+Fv）=0.1*（9000+75+2348.31+1359.55）=1278.29N
4.2.2 计算正不切削状态下的导轨摩擦力
Fu0=u（W+fg）=0.2*（9000+75）=1815N
4.3 计算滚珠丝杆螺母副的轴向负载力
4.31 计算最大轴向负载力famax
Famax=F1+Fu=988.76+1278.29=2267.05N
4.32 计算最小轴向负载力Famin
Famin=Fu0=1815N
4.33 确定滚珠丝杆的导程L0
L0=vmax/i/nmax
其中i=θbP0/360/δb
取步距角θb=0.75
脉冲当量δb=0.01mm/步
4.4 确定滚珠丝杠副的导程

因电机与丝杠直联，i=1

代入得，

4.4.1 滚珠丝杠螺母副型号的选择
可采用L400b外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，例2.5圈，其额定动负载为16400 N，精度等级差表选为3级（大至相当于老标准E级）[8]
4.4.2传动效率计算

式中—螺旋升角，
—摩擦角取，滚动摩擦系数0.0030.004=

第五章、纵向步进电动机的计算和选型
5.1 等效转动惯量计算
传动系统折算到电机轴上的总的传动惯量可由下式计算 ：

式中 —步进电机转子转动惯量;
—齿轮的转动惯量
—滚珠丝杠转动惯量
参考同类型机床，初选反应式步进电机150BF，其转子转惯量。

代入上式：

考虑步进电机与传动系统量匹配问题。

基本满足惯量匹配的要求。
5.1.1电机力矩计算
机床在不同的情况下,其所需转距不同,下面分别按各阶段计算[6]:
1)快速空载启动力矩
在快速空载起动阶段,加速力矩占的比例较大,具体计算公式如下:

将前面数据代入,式中个符号意义同前。

起动加速时间
=
折算到电机轴上的摩擦力矩:

上述三项合计:

2)快速移动时所需力矩

3)最大切削负载时所需力矩

从上面计算可以看出,三种情况下,以快速空载起动所需力矩最大,以次项作为初选步进电机的依据。
5.1.2电机的选择计算
1）作用在滚珠丝杆副上各种转矩计算
外加载荷产生的摩擦力矩TF（N.m）空载时:

外加径向载荷是的摩擦力矩:

滚珠丝杆副预加载荷Fb产生的预紧力矩:

2）负荷转动惯量JL（Kg.m2）及传动系统转动惯量J（Kg.m）的计算：

滚动丝杆的转动惯量：

由
即：
取Jm=3.5710-4
则有：
3）加速转速Ta和最大加速转矩Tam
当电机转速从n1升至n2时:

当电机从静止升速到nmax

4)电动机最大启动转矩Tr(N.m)

5)电动机连续工作的最大转矩:

6)电动机的选择:
在选择电动机是主要从以下几个方面考虑:
a、能满足控制精度要求.
b、能满足负载转矩的要求.
c、满足惯量匹配原则.
上述计算均没有考虑机械系统的传动效率.当选择机械传动总效率η=0.96时,同时,在车削时,由于材料的不均匀等因素的影响,会引起负载转矩突然增大,为避免计算上的误差以及负载转矩突然增大引起步进电机丢步而引起加工误差,可以适当考虑安全系数，安全系数一般可以在1.2-2之间选取.如果选取安全系数K=1.5,则步进电机可按以下总负载转矩为:

如果选上述预选的电动机90BYG55C,其最大静转矩Tjmax=6.3Nm。在五相十拍驱动时，其步矩角为0.36()/setp，为了保证带负载能正常加速启动和定位停止，电动机的起动转矩必须满足：Tjmax
由Tjmax =6.3Nm =，故选用合适。

第六章 丝杆螺母刚度计算
6.1丝杠抗压刚度
6.1.1 丝杠最小抗压刚度
Ksmin=
6.6

×10
Ksmin ：最小抗压刚度     N/m
d2   ：丝杠底径
L1    ：固定支承距离
Ksmin=575 N/m
6.1.2 丝杠最大抗压刚度
Ksmax=6.6

×10
Ksmax ：最大抗压刚度     N/m
Ksmax=6617 N/m
6.2 支承轴承组合刚度
6.2.1 一对预紧轴承的组合刚度
KBO=2×2.34
KBO：一对预紧轴承的组合刚度    N/m
dQ   ：滚珠直径    mm
Z    ：滚珠数
Famax ：最大轴向工作载荷 N
   ：轴承接触角
由样本查出7602030TUP轴承是预加载荷的3倍
dQ=7.144   Z=17  =60
Kamax=8700N/m
KBO=375 N/m
6.2.2 支承轴承组合刚度
由表13两端固定支承
Kb=2 KBO
Kb=750 N/m
Kb ：支承轴承组合刚度N/m
6.2.3 滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度
KC= KC(
KC ：滚珠和滚道的接触刚度 N/m
KC ：查样本上的刚度N/m
FP ：滚珠丝杠副预紧力N
Ca ：额定动载荷N
由样本查得：
KC=1410 N/m；Ca=3600N；
FP=1000N
得KC=920 N/m
6.2.4 刚度验算及精度选择
（1）

=

=

N/m

=

N/m

F0
=

已知W1=5000 N ，  =0.2
F0=1000  N
F0   ： 静摩擦力 N
：静摩擦系数
W1  ：正压力 N
1）验算传动系统刚度
Kmin

Kmin ：传动系统刚度  N
已知反向差值或重复定位精度为10
Kmin=222＞160
2）传动系统刚度变化引起的定位误差

=1.7m
3）确定精度
V300p  ：任意300mm内的行程变动量对半闭环系统言，
V300p≤0.8×定位精度-
定位精度为20m/300
V300p＜14.3m
丝杠精度取为3级
V300p=12m＜14.3
6.2.5 确定滚珠丝杠副的规格代号
已确定的型号：FFZD
公称直径：40 导程：10
螺纹长度：1290
丝杠全长：1410
P类3级精度
FFZD4010-3-P3 /1410×1290
6.2.6 刚度验算
滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T共同作用下引起每个导程的变形量为

其中A为丝杠截面积,为丝杠极惯性矩，,G为丝杠切变模量，对钢G=83.3Gpa,T
,
为摩擦角，其正切值为摩擦系数，为平均工作负载，取摩擦系数为，则

按最不利的情况(F=Fm)时
则丝杠在工作长度上的弹性变形引起的导程误差为

通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的1/2。
即所以其刚度可满足要求

第七章 数控系统设计
7.1 数字控制系统
数字控制系统由单片机及接口软件，硬件，控制软件和控制对象等若干部分组成，在控制系统中，单片机主要承担控制器的作用，在控制软件的管理下，实现对控制对象的状态信息采集分析，根据采用的控制规律发生各种运行命令，以及完成其他各种信息处理和管理工作，软件在单片机控制系统中起着灵魂的作用，它关系整个控制系统的正常运行，而且通过软件增加产品的功能，提高系统的柔性，实现产品的高技术附加值，已成为机电一体化产品开发的一项重要策略。
接口电路是单片机与外部设备进行信息交换的纽带，使单片机得以完成诸如控制对象的状态检测，执行部件的控制，是提供完善的人机操作界面等工作。
通信接口
软件

微

机
步进电机驱动电路
步进电机

机

床

开关量控制电路
主运动驱动电路
主轴电动机

7.2 数控系统的硬件特点：
1、中央处理器为Z80CPU，晶振频率为6MHz其系统时钟为4MHz，采用高集成度的存储核心，Z80CPU是一个具有40条引角，双列直插式结构的大规模集成电路（LS1）芯片。
2、存储器设计成有7个24脚的插座，可以插5片2K×8的存储器最大扩展为64KB。
7.3 控制系统图及芯片的选择
1.系统的选用，选MCS-51系列的8031单片机，
7.4 I/O接口的扩展
1）、程序存储器EPROM 的扩展
此处扩展二片2764EPROM用来存放系统软件（系统程序）。
2）数据存储器RAM扩展为一片6264SRAM，用来存放加工程序和数据，掉电保护等等。
3）I/O接口的扩展
采用I/O接口芯片，I/O口的扩展芯片有三种类型，专用I/O口扩展芯片，主要有8255，8255A（全名可编程并行I/O扩展接口芯片），此处我们选用8255来控制开关和步进电机。I/O扩展的复合芯片，此芯片除能作I/O扩展用外，还能作其它功用最常用的是8155。TTL集成电路芯片，这类芯片广泛用作MCS-51）（单片机接口的扩展用）用的较多的是74LS-373、273、244、245等，本次设计选用的是74LS-373，TTL芯片用手动开关。
4）人机接口方面
当扩展接口8255A（或8255）不够用时，采用通用可编程键盘显示器接口8279。统中断处理方面，8031、8051有5个中断源2个优先级别INT0、INT1
外部中断入口INT1用于8279键盘，输入中断用，外部中断入口INT0用语实时处理，紧急停车，暂停，限位等功能。
5）步进电机控制方面
由8255A的PA 口控制，PA口输出的信号经环行电路分配—光电隔离电路—功率放大电路，最后到步进电机。接口方面。串行接口上RRL电平经过MC1488/1489芯片转换为RS-232C电平后接在PC机。传输线发送器MC1488、传输线接收口MC1489。
6）、其它辅助电路
复位电路可分为三种：①上电复位，②按钮复位，③上电按钮复位。时钟电路：①内部方式，②外部方式。
7)复位和复位电路
复位、复位电路、上点复位、手动复位（按钮复位）、上电手动复、系统复位
将单片机复位端RST和I/O接口电路的复位端RST接单片机
在上电按钮自动复位电路中增加施密特电路
单片机复位电路和I/O接口复位电路分开设置。
7.5 存储器及系统扩展设计。
7.5.1 基本知识
1）、半导体存储器的分类
a、按与CPU的连接方式和用途分有：内存、外存。
b、半导体存储器按存取功能分
只读存储器ROM（程序存储器）ROM、PROM、EPROM、EEPROM
随机存储器RAM特点读写速度快（数据存储器）。
2）.存储器的主要性能：
a、存储器的容量
存储器芯片的容量，存储单元数×数据位数
b、存取的速度。低速存取时300ms以上。
中速存取时100~200ms以上，超高速存取时已小于20ms
3).存储器的选择
型号的选择 ：ROM我们选择EPROM
RAM我们选择SRAM （注意选择的存储器引脚要能兼容）
存储器芯片容量的选择
速度的选择
CPU可能提供的读写时间>存储器芯片所要求的读取时间
4).常用的存储器芯片
a、常用的程序存储器ROM芯片及其引脚的功能
EPROM芯片，典型的有2716、2732、2764、27128、这里我们选用的是EPROM2764芯片它的容量8KB×8读取时间为250ms
引脚功能（28脚）
下面介绍它的引脚功能：
电源线Vcc+5v、Vpp编程的电源线、GEND——接地
数据线8条D0~D7
地址线13条A0~A12
控制线
片选端线（或片选信号线，低电平有效）
数据输出选通信号线，低电平有效
编程冒充输入端。只对8751有效
b、常用的RAM芯片及其引脚功能
常用的有SRAM6116、6264这里我们选用的是6264下面介绍它的引脚功能，读取时间为250ms，28脚双列直接封装的芯片
电源线 Vcc、GND
地址线13脚A0~A12
数据线8脚D0~D7
5)控制线
片写信号线（片选端）
片写信号线（片选端）
读控信号线低电平有效
写控信号线低电平有效
6)存储器扩展的常用芯片
地址存储器
为什么要用地址存储器 P0地址/数据复用
常用地址锁存器74LS-373、74LS-273等芯片
我们这里选用的是74LS373
下面介绍74LS-373锁存器引脚功能20脚
电源线Vcc GND
输入输出线 输入线 D0~D7
输出线Q0~Q7
控制线
片选端线 当=0时锁存输出，当=1时输出成高阻态
G-锁存线 当G=0时D0~D7的信息输入Q0~Q7的低，
8位地址锁存到锁存器中，当G=1时锁存器输出端（Q0~Q7）状态和输入， 端D0~D7状态相同
7.6 键盘及键盘接口设计
键盘可分为：①独立式键盘、②矩阵式键盘、③拨码式键盘。
工作方式可分为：① 扫描式，②中断式：编程扫描式、定时扫描式
1）、独立式键盘及键盘设计
a、.按钮相互独立，每个按键个接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其它输入线上的工作状态。它有其优点与缺点
优点：配置灵活，软件结构简单
缺点：每个按键需要一口线
b、用扩展I/O接口来搭独立式键盘
采用8155或8255扩展I/O来搭接独立式键盘
采用TTL芯片
2）、矩阵式键盘及键盘接口设计
a、矩阵式键盘工作原理。由行线和列线组成
b、矩阵式键盘工作方式。扫描方式（循环扫描和定时扫描）、中断方式
c、用扩展I/O接口来搭接
本设计采用矩阵式键盘
矩阵式键盘适用于按键较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列交叉点上。如一个4×4的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘等等。在按键数量较多时，矩阵键盘比独立键盘节省了很多I/O口。
按键设置在行、列线分别连接到按键开关两端。行线通过上拉电阻接到+5V上。平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低，则行线电平为低；列线电平为高，则行线电平亦为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否按下的关键所在。由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在的行和列电平。所以，必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理，才能确定闭合键的位置。
对于矩阵式键盘，按键的位置由行号和列号唯一确定，所以分别对行号和列号进行二进制编码，然后将两值合成一个字节，高4位是行号，低4位是列号将是非常直观的。
7.7 显示器接口设计
在单片机系统中，常用的显示器有：发光二极管显示器，简称LED。LED显示块由发光二极管显示字段组成，有7段和“米”字型之分，一片显示块显示一位字符。共阴极LED显示块的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。
由于7段LED显示块有7个段发光二极管，所以其字形码为一个字节；“米”字形LED显示块有15段发光二极管，所以字形码为两个字节。由n片LED显示块可拼接成n位LED显示器，共有n根位选线和8×n根段选线，根据显示方式不同，位选线和段选线的连接也各不相同，段选线控制显示字符的字型，而位选线则控制显示位的亮、暗。
LED显示器有静态显示和动态显示两种方式。在多位LED显示时，为了节省I/O口线，简化电路，降低成本，一般采用动态显示方式。动态显示方式是一位一位地分别轮流点亮各位显示器，对每位显示器来说，每隔一段时间轮流点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮和熄灭时间的比例有关。这种显示方式将七段LED显示器的所有段选位并联在一起，由一个8位I/O口控制，实现各位显示器的分时选通。
下图是LED显示器采用共阴极方式，6个显示器的段选码由8155的PB口提供，位选码由8155的PA口提供（PA口同时也提供行列式未编码键盘的列线），行列式未编码键盘的行线由PC口提供。图中设置了36个键。如果继续增加PC口线，设全部PC口线（PC0-PC5）用作键盘的行线，全部PA口线（PA0-PA7）作键盘列线，则按键最多可达8×6个。
下图中8155的PB口扫描输出总是只有一位为高电平，即PB口经反相后仅有一位公共阴极为低