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南華大學機械工程學院畢業(yè)論文
附頁：
單刃刀具
刀具有切削部分（或產(chǎn)生切屑的部分）和刀桿，常用于車床、轉(zhuǎn)塔車床、龍門刨床、牛頭刨床、鏜床及類似的機床。圖2.30為一典型的單刃刀具，其最重要的特征是切削刃及相鄰的刀面。如圖所示，可定義如下：
1. 前刀面是切屑流經(jīng)的表面；
2. 后刀面是與工件已加工面相對的表面；
3. 切削刃是刀面擔負切削任務的邊緣，主刀刃是切削刃中擔負工件過渡表面上切削任務的部門，其余是副刃；
4. 刀尖是主、副刃相連接處的以小段刀刃，它可以是曲線或直線，也可以是主副刀刃的交點。
一般而言，刀具切削時，相對于工件的運動有兩個方面：
1. 來自機床主運動的相對運動，可以稱為刀具的主運動。
2. 來自于機床進給運動的相對運動（如圖2.31）
這兩個運動的合成就稱為合成切削運動，定義為機床主運動和進給運動而產(chǎn)生的合成運動
應該注意，機床作進給運動時，如刀具并不接觸工件，則合成切削運動就等于主運動。當連續(xù)進給運動時，主運動與合成運動間的夾角叫做切削速度角。這個角度通常很小，多數(shù)情況下可以假設為零。另外，切削速度v-主刀刃上不同選頂點相對于工作的瞬時速度，沿主切削刃可能時變化的，而進給速度刀刃
上不同選定點相對于工件的進給運動的大小是固定不變的，總之，合成速度-刀刃上選頂相對于工作瞬時合成切削運動的大小可以表示:，但因為對大多數(shù)實際加工很小，通?？梢约僭O，考慮切削刀具幾何角度時，一個很重要的角度就是主偏角。在刀刃上選定點切下的切削層厚度——未變形切削厚度，極大地影響著切削功率，嚴格地說，應在既垂直切削刃又垂直合成切削運動方向上地測量。然而實際如前所述，因為很小，就在垂直于主運動方向測量，因此在圖2.32和后續(xù)各圖中，就按此測量。所以，由圖2.32可知，其中為進給量，即沿進給運動方向測量地切削層參數(shù)。單刃刀具切削時，就等于進給量f。
.
切削層地橫截面積A近似表示為，其中為背吃刀量，以前叫切削度，背吃刀量是在包含主運動與進給運動所在平面地垂直方向測量地切削層尺寸（圖2.31），一般而言，背吃刀量決定單刃刀具從工件切下材料地厚度。
*圖2.30 典型單刃刀具。刀柄， 切削部分，刀具軸線，副切削刃，基面，副后刀面，主切削刃，刀尖，前刀面，主后刀面。*
*圖2.31 外圓車削時合成切削運動。刀具主運動矢量，合成切削速度角，合成切削運動矢量，刀刃上選定點，刀具進給運動矢量。*
*圖2.32 單刃刀具切削。 進給量，刀桿，主偏角，切削層截面，前刀面，背吃刀量（切削深度），主切削刃，副切削刃，未變形切削厚度，刀尖，包括主運動及進給運動地平面。
夾具
如前所示，工件必須相對于刀具在一定的位置定位并夾緊。工件在劃線以后加工之前，還必須確定出相對于機床運動的位置，并將其夾緊。
當需要加工若干相同工件時，通過使用夾具，可無須對每個工件進行劃線。但如果加工的是鑄件或者鍛件，則仍需要對工件進行劃線，以確保加工出合格的工件，而不至于造成肋條、內(nèi)孔等位置便宜。
鉆模和其它夾具相似，都是確保工件正確定位和夾緊裝置，但也有不同之處，鉆模具有在實際加工過程能導引刀具裝置，而其它夾具則沒有。實際上，在切削過程中，只有對鉆頭、絞刀以及類似刀具才能進行引導，所以與鉆削加工有關(guān)的夾具是鉆模，而與其它加工有關(guān)的則是夾具。夾具可裝有調(diào)整刀具相對于定位工件位置的裝置。
夾具的優(yōu)點可概括如下：
可以省去劃線及其它測量、調(diào)整等手續(xù)；由于能使工件正確定位，刀具能正確地導引和調(diào)整，不熟練的工人也能有把握地快速進行操作；
便于零件的裝配，因為所有零件的一致性好，尺寸公差的范圍較小，所以可以省去“試裝”和“銼配”工作；零件具有互換性，如果產(chǎn)品廣銷各地，備件的供應問題將為之簡化。用于裝螺栓的螺栓孔通常有1.5～3.0mm的間隙，讀者可能懷疑，對這樣的零件是否有必要制造精密夾具。應該牢記，夾具一經(jīng)制造出來，便可用以加工廠許多零件精密制造夾具的附加成本可分攤給為數(shù)眾多的工件。此外，在機構(gòu)的裝配過程中，即使是很小的誤差，累積起來也是很大的。公差一經(jīng)規(guī)定，最好確保其要求，而不允許隨意劃線使尺寸超出規(guī)定值。
（1） 工件的定位。圖2.27表示在空間完全不受約束的剛體，此時，它具有6個自由度?？紤]這些自由度時，可用三個互相垂直的坐標軸XX、YY、ZZ來表示。物體可沿任一坐標軸移動，因此，它具有三個移動自由度。它還可以繞任一坐標軸轉(zhuǎn)動，因此，又有三個轉(zhuǎn)動自由度，故共有6個自由度。工件定位時，必須限制盡可能多的自由度，以確保加工時獲得所需的精度。應盡可能提前加工出合適的定位面來保證精度，并用它人微言輕所有加工面的定位基面，除非有其它原因必須使用另外的定位面。而即使是要用另外的定位面，也必須根據(jù)原有的定位面加工新的定位面。
（2） 工件的夾緊。夾緊機構(gòu)必須夾緊工件，使之能承受切削力，但夾緊力不可過大，以免造成工件變形或損壞。工件夾緊點下方應有支承，以確保力由夾具的主體承受，然后轉(zhuǎn)由機床的工件臺和床身承受。設計夾具時，應保證其夾緊機構(gòu)既能施加合適的夾緊力，又能使夾緊操作迅速、安全。
（3） 內(nèi)容提要。
1）小批量生產(chǎn)時要對工件進行劃線，并用它作為切削的標志線，對鑄件、鍛件毛坯也要進行劃線，以檢驗是否有足夠的加工余量。
2）如果批量允許，工件采用夾具定位夾緊，而不采用劃線。夾具上有使工件定位和夾緊的機構(gòu)，鉆模還有切削過程中對刀具導引的元件，而其它夾具則有可在切削前調(diào)刀的裝置。
譯文:
Single –Point Tools
Single-point tools are cutting tools having one cutting part (or chip producing element) and one shank. They are commonly used in lathes, turret lathes, planers, shapers, boring mills, and similar machine tools. A typical single-point tool is illustrated in Fig.2.30. The most important features are the cutting edges and adjacent surfaces. These are shown in the figure and defined as follows:
the face is the surface or surface over which the chip flows.
The flank is the tool surface or surfaces over which the surface produced on the work-piece passes.
The cutting edge is that edge of the face which is intended to perform cutting. The tool major cutting edge is that entire part of the cutting edge which is intended to be responsible for the transient surface on the work-piece. The tool minor cutting edge is the remainder of the cutting edge.
The corner is the relatively small portion of the cutting edge at the junction of the major and minor cutting edges; it may be curved or straight, or it may be the actual intersection of these cutting edges.
In general, when a tool is applied to a work-piece, its motion relative
to the work-piece has two components:
The motion resulting form the primary motion of the machine tool, which can be called the primary motion of the tool.
The motion resulting form the feed motion of the machine (Fig.2.31).
The resultant of these two tool motions is called the resultant cutting motion and is defined as the motion resulting from simultaneous primary and feed motions.
It should be noted that in machine tools where the feed is applied while the tool is not engaged with the work-piece (as in shaping or planning, for example ),the resultant cutting motion is identical to the primary motion. When the feed motion is applied continuously, the angle between the direction of primary motion and the resultant cutting direction is called the resultant cutting-speed angleη. This angle is usually extremely small and for most practical purposes can be assumed to be zero. Further, the cutting speed , the instantaneous velocity of the primary motion of the selected point on the cutting edge relative to the work-piece, can vary along the major cutting edge. The feed speed , the instantaneous velocity of the feed motion of the selected point on the cutting edge relative to the work-piece, is constant.
Finally, the resultant cutting speed ,the instantaneous velocity of the resultant cutting motion of the selected point on the cutting edge relative to the work-piece, is given by , ,but since for most practical operations is very small, it can generally be assumed that ,. One of the important tool angles when considering the geometry of a particular machining operation is the angle in Fig.2.32 called the major cutting-edge angle .The thickness of the layer of material being removed at the selected point on the cutting edge, known as the under-formed chip thickness chip thickness ,significantly affects the power required to perform the operation. Strictly, this dimension should be measured both normal to the cutting edge and normal to the resultant cutting direction. However, for all practical purposes, since is small, as described above, can be measured normal to the direction of primary motion; thus in Fig.2.32 and all subsequent figures, will be measured this way. From Fig.2.32, therefore, is given by , where is the feed engagement, the instantaneous engagement of the tool cutting edge with the work-piece measured in the direction of feed motion. For single-point cutting operations is equal to the feed, and therefore, .
The cross-sectional area of the layer of material being removed (cross-sectional area of the uncut chip) is approximately giver by, ,where is the base engagement, previously known as depth of cut. The back engagement is the instantaneous engagement of the tool with the work-piece, measured perpendicular to the plane containing the directions of primary and feed motion(Fig.2.31). In general the back engagement determines the depth of material removed from the workpiece in a single point cutting operation.
Jigs and Fixtures
It has already been stated the work-piece must be located relative to the cutting tool, and be secured in that position. After the work-piece has been marked out, it is still necessary to position it with respect to the machine movement, and to clamp it in that position before machining is started.
When several identical work-piece are to be produced the need to mark out each part is eliminated by the use of jigs and fixtures, but if a casting or forging is involve, a trail work-piece is marked out, to ensure that the work-piece can be produced from it, and to ensure that ribs, cores, etc. have not become misplaced.
Jigs and fixtures are alike in that they both incorporate devices to ensure that the work-piece is correctly located and clamped, but they fifer in that they both incorporate means of tool guiding during the actual cutting operation, and fixtures do not. In practice ,the only cutting tools that can be guided while actually cutting are drills, reamers, and similar cutters; and so jigs are associated with drilling operations, and fixtures with all other operations. Fixtures may incorporate means of setting the cutting tools relative to the location system.
The advantage of jigs and fixtures can be summarized as follows:
1. marking out and measuring and setting out methods are eliminated;
2. unskilled workers may proceed confidently and quickly in the knowledge that the work-piece can be positioned correctly, and the tools guided or set;
3. the assembly of parts is facilitated, since all components will be identical within small limits, and ‘trying’ and filing of work is eliminated;
4. the parts will be interchangeable, and if the product is sold over a wide area, the problem of spare parts will be simplified.
Bolt holes often have 1.5mm or even 3.0mm clearance for the bolt, and reader may doubt the necessity of making precision jigs for such work. It must remembered that the jigs, once made, will be used on many components, and the extra cost of an accurately made jigs is spare over a large output. Further more, it is surprising how small errors accumulate in a mechanism during its assembly. When a clearance is specified, it is better to ensure its observance, rather than allow careless marking out and machining to encroach upon it.
(1) the location of work-piece. Fig 2.27 represent a body that is completely free in space; in this condition it has six degrees of freedom. Consider these freedom, with respect to the three mutually perpendicular axes XX,YY and ZZ. The body can move along these axes; it therefore has three freedoms of translation. It can also rotate about any of the three axes; it therefore has three freedoms of rotation .the total number of freedoms is six. When work is located, as many of these freedoms as possible must be eliminated, to ensure that the operation is performed with the required accuracy. Accuracy is ensured by machining suitable location features as early as possible, and using them for all location, unless other considerations mean the other location features must be used. If it is necessary, the new location features must be machined as a result of location from the former location features.
(2) The clamping of the work-piece. The clamping system must be such that the work-piece is held against the cutting forces, and the clamping force must not be so great as to cause the work-piece to become distorted or damaged. The work-piece must be supported beneath the point of clamping, to ensure that the forces are taken by the main frame of the jig or fixture, and on to the machine table and bed. When jigs and fixtures are designed to ensure that the correct clamping force is applied, and that the clamps can be operated quickly but with safety.
(3) Summary
1) small quantity production involves marking out to produce guidelines for machining. Marking out is also done upon trial castings, and forgings, to check that there is enough metal allowed for “cleaning up”.
2) If the quantity permits, work-pieces are located and clamped in jigs or fixtures, instead of marking out each work-piece. Jigs and fixtures incorporate means of locating and clamping the work-piece. Jigs also include means of guiding the tool during the cutting, and fixtures include means of setting the tool before cutting.
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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(shù)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(shù)控車床已經(jīng)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(shù)控機床總數(shù)只有20余萬臺,機床的數(shù)控化率極低。國內(nèi)起步較晚，技術(shù)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(shù)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(zhuǎn)換為等量的切削熱, 這些切削熱除少量逸散到周圍介質(zhì)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(shù)進行實時控制。
本論文以CA6140普通車床為研究對象，根據(jù)數(shù)控技術(shù)原理，運用了單片機應用技術(shù)、自動控制技術(shù)和測試傳感器技術(shù)，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(guān)鍵詞：數(shù)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(nèi)外研究現(xiàn)狀 5
1.2.1國外研究現(xiàn)狀 5
1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 6
1.3方案背景技術(shù)簡介 6
1.3.1數(shù)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(nèi)容 8
1.5本章小結(jié) 8
第二章 車床結(jié)構(gòu)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(jié) 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(shù) 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(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(zhuǎn)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(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 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(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(zhì)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(chǎn)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(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，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(nèi)外研究現(xiàn)狀
隨著紅外溫度檢測技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)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(xiàn)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(jié)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(shù)，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(chǎn)生的過程，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(jié)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(nèi)研究現(xiàn)狀
國內(nèi)研究人員對紅外測溫技術(shù)也早已經(jīng)展開研究，山東大學的王蘭[6]利用紅外線測溫技術(shù)，用 PLC做硬件結(jié)構(gòu)，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(xiàn)工件溫度分布的監(jiān)控，結(jié)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(quán)等[8]分析了常低溫輻射測量誤差和物體發(fā)射率的關(guān)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(shù)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(shù)簡介
1.3.1數(shù)控車床
數(shù)控技術(shù),簡稱數(shù)控(Numerical Control),是利用數(shù)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(xiàn)代數(shù)控技術(shù)都采用了計算機進行控制,因此,也可以稱為計算機數(shù)控(Computer Numerical Control)。
采用了數(shù)控技術(shù)進行控制的機床,或者說裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床稱為數(shù)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(shù)等高新技術(shù)于一體的典型機電一體化產(chǎn)品,是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎。它很好地解決了形狀結(jié)構(gòu)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(chǎn)品的加工質(zhì)量,降低工人勞動強度,大幅度提高生產(chǎn)效率。機床控制也是數(shù)控技術(shù)應用最早、最廣泛的領域,因此,數(shù)控機床的水平代表了當前數(shù)控技術(shù)的發(fā)展水平和方向。與普通機床相比,數(shù)控機床能夠自動換刀、自動變更切削參數(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(jié)構(gòu)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(zhì)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(chǎn)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(jù)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(jié)構(gòu)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(jù)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(nèi)部埋置熱電偶，且其熱慣性大，響應慢。
金相結(jié)構(gòu)法[13]是基于金屬材料在高溫下會發(fā)生相應的金相結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)變化；金相結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(shù)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(chǎn)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(zhì)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(jié)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(nèi)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(jù)反饋的刀具溫度控制切削速度。主要工作如下：
（1）了解CA6140車床結(jié)構(gòu)和運行過程，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(zhuǎn)換電路、信號調(diào)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(diào)各執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系。二是執(zhí)行軟件，它是用來完成各種實質(zhì)性的功能如測量、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，重點介紹了紅外測溫技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并分析了紅外測溫技術(shù)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(nèi)容進行了闡述。
第二章 車床結(jié)構(gòu)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(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。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(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，以進行孔加工。
（4）進給箱。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(zhuǎn)換成與之相對應的電信號，經(jīng)過放大處理送入A/D轉(zhuǎn)換器進行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入到控制芯片進行數(shù)據(jù)處理。通過在芯片外圍添加顯示、控制等外圍電路來實現(xiàn)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(diào)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(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車床的結(jié)構(gòu)及部件功能，并根據(jù)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(shù)字部分，從功能模塊上來分有CPU電路、數(shù)據(jù)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(diào)理電路、A／D轉(zhuǎn)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(guān)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(jù)其基本操作處理的位數(shù)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(jù)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(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)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(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準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(shù)
AT89C51單片機與MCS-51系列單片機兼容, AT89C51內(nèi)部有4K字節(jié)可編程閃爍存儲器, 128*8位內(nèi)部RAM,兩個16位定時器/計數(shù)器, 6個中斷源, 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、定時器/計數(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(qū)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(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，P0具有內(nèi)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(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P1 端口寫“1”時，內(nèi)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(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX）
P2 口：P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個TTL 邏輯電平。對P2 端口寫“1”時，內(nèi)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(nèi)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(shù)據(jù)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(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)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(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，對P3 端口寫“1”時，內(nèi)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(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(shù)據(jù)存儲器寫選通）
P3.7
RD（外部數(shù)據(jù)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(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(shù)和邏輯運算的結(jié)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(shù)據(jù)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(shù)器方式控制寄存器
89H
TCON
定時器/計數(shù)器控制寄存器
88H
TH0
定時器/計數(shù)器0高字節(jié)
8CH
TL0
定時器/計數(shù)器0低字節(jié)
8AH
TH1
定時器/計數(shù)器1高字節(jié)
8DH
TLI
定時器/計數(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(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(nèi)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(chǎn)生ALE信號，內(nèi)部RAM處于不斷電狀態(tài)。其中的數(shù)據(jù)信息不會丟失，也即復位后，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(diào)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換為需要的格式輸出，輸送進計算機或相關(guān)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(jié)構(gòu)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(shù)參數(shù)如表 3-3 所示。該 CT laser 紅外溫度傳感器采用了 Optris最新獨特設計的探測器，是中低溫測量的突破性產(chǎn)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(shù)參數(shù)
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(shù)字輸出
USB,RS232,RS485
電纜長度
3m 8m 15m 可選
電源
5～36V DC
激光參數(shù)
635nm 1mw
環(huán)境溫度
0～65℃
儲存溫度
-40～65℃
相對濕度
10～95%,不結(jié)露
重量
紅外測溫探頭 600g,信號調(diào)理器 420g
外殼材料
不銹鋼機殼,堅固耐用
3.4信號調(diào)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(diào)理的同時還需采用濾波技術(shù)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(diào)理電路部分由集成運放LM358構(gòu)成一個電壓跟隨器，后端用LM358的第二路運算放大器構(gòu)成一個濾波器。
LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p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(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算放大器的場合。
圖3.6 溫度檢測調(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，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(zhuǎn)換電路
溫度傳感器輸出的0-5V模擬信號經(jīng)過調(diào)理電路后，還需要進行A/D轉(zhuǎn)換才能到單片機，這里我們采用ADC0809芯片進行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(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～IN7上那一路模擬電壓送給比較器進行A/D轉(zhuǎn)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(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“啟動脈沖”輸入線,上升沿清零SAR，下降沿啟動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(zhuǎn)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(zhuǎn)換結(jié)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(shù)據(jù)，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?，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(zhuǎn)換電壓的數(shù)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(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后可由AT89C51通過程序從P0口輸入到它的內(nèi)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(xiàn)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(jīng)過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，當然，ALE上脈沖會在MOVX指令的每個機器周期少出現(xiàn)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(jīng)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(zhuǎn)換后的數(shù)字量的。為了給OE線分配一個地址，把AT89C51RD和P2.7經(jīng)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(zhuǎn)換后的數(shù)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(jié)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(gòu)成字形“8”，另外，還與一個小數(shù)點發(fā)光二極管用以顯示數(shù)字、符號及小數(shù)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(gòu)成字形“8”的各個筆劃（段）a-g,另一個小數(shù)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(shù)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(shù)據(jù)來控制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應關(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
如使用共陽極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對應字段亮，數(shù)據(jù)為1表示對應字段暗；如使用共陰極數(shù)碼管，數(shù)據(jù)為0表示對應字段暗，數(shù)據(jù)為1表示對應字段亮。如要顯示“0”，共陽極數(shù)碼管的字型編碼應為：11000000B（即C0H）；共陰極數(shù)碼管的字型編碼應為：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(shù)據(jù)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(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合，利用串行口加外圍芯片74LS164就可以構(gòu)成一個或多個并行輸入/輸出口，用于顯示器LED驅(qū)動。波特率（每秒傳輸?shù)奈粩?shù)）固定在fosc/12,即當晶振為12MHZ時，波特率為1MBPS。在CPU將數(shù)據(jù)寫入SBUF寄存器后，立即啟動發(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的同步時鐘。程序運行時，單片機將4個數(shù)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(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(qū)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(shù)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(xiàn)輸入數(shù)據(jù)、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(shù)，同時產(chǎn)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(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)、矩陣式按鍵結(jié)構(gòu)。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(nèi)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(jié)構(gòu)簡單；缺點就是每個按鍵需占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時，I/O口浪費大，電路結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(jīng)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(guān)量控制。本系統(tǒng)采用的是開關(guān)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(qū)動外部設備的開啟和關(guān)閉。另一方面，許多外部設備在開關(guān)過程中會產(chǎn)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(guān)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(qū)動繼電器的閉合和斷開，從而實現(xiàn)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(guān)。故在電路中起自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。在工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中,繼電器經(jīng)常被用來控制執(zhí)行機構(gòu), 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(guān)觸電閉合。當不通電時，則開關(guān)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(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，采用有足夠帶載能力的低電平驅(qū)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(chǎn)品，必需選用通、斷點壓值相差大的產(chǎn)品，(如選接通電壓為8 V或12 V的產(chǎn)品)這樣不會因噪聲干擾而造成控制失靈 。本設計就是采用直流驅(qū)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(xiàn)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(jù)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(shù)的設置以及定義。系統(tǒng)內(nèi)部資源分配和參數(shù)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