普通机床数控改造研究设计说明书ZY.doc

普通CA6140车床的经济型数控改造

前 言
1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。
我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3％。近10年来，我国数控机床年产量约为0.6～0.8万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6％。我国机床役龄10年以上的占60％以上；10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20％，FMC/FMS等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占60％以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。
在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个"永恒"的课题。我国的机床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生（Remanufacturing）业。从事再生业的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在日本，机床改造业称为机床改装（Retrofitting）业。从事改装业的著名公司有：大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。
机床改造的必要性：
企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已不适应多品种、小批量生产要求，数控机床则综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。
普通车床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换和调整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准，而且费用较高。因此合理选择数控系统是改造得以成功的主要环节。
数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件，无检测反馈机构，系统的定位精度一般可达±0.01至0.02mm，已能满足CA6140车床改造后加工零件的精度要求。
经济型数控机床的特点：
一．价格便宜。仅数控系统与国外同类型数控系统比，前者只需1～2万元，而国外系统需十几至几十万元。因此，它特别适合对国内企业现有普通机床进行改造。
二．解决复杂零件的加工精度控制，提高生产率。对经济型数控车床，一般可提高工效3—7倍。
三．适合于多品种、中小批量产品的自动化加工，对产品的适应性强，对于不同零件的加工，可以通过改变不同的加工程序和更换不同的刀具来实现。
四．提高产品质量，降低废品率。尤其是加工的产品尺寸一致性好，合格率高。
五．节约工装费用，降低成本。经济型数控车床可以不用工装或少用工装，尤其对于复杂零件，不用靠模或成型刀具，不仅节约了费用，而且还可以缩短生产周期。
六．减轻工人的劳动强度。
七．提高工人素质，促进技术进步和科技成果的普及应用。为由“体力型”向“智能型”转变创造了条件。
机床的数控化改造主要内容有以下几点：　　其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；
其二是NC化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统，改造成NC机床、CNC机床；
其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC系统以最新CNC进行更新；
其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。
对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改装成用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改装成能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行加工。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动进行调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。

正 文
一 机 械 部 分
数控机床进给伺服系统运动及动力计算如下：
1.1技术参数：
规格
（型号）
最大加
工直径
（mm）
最大加
工长度
（mm）
留板及刀
架重力（N）
刀架快移
速度（m/min）
最大进给速度（m/min）
定位精度（mm）
主电机功率（KW）
启动加速时间（ms）
面上
鞍上
纵向
横向
纵向
横向
纵向
横向

φ400mm
CA6140
C620
400
210
750
1000
1000
600
2.4
1.2
0.6
0.3
±0.015
7.5
30

1.2 选择脉冲当量
根据机床精度要求确定脉冲当量：纵向 0.01mm/步横向 0.005mm/步
1.3 计算切削力
1.3.1 纵车外圆
主切削力Fz=0.67Dmax1.5=0.67×4001.5=5360(N)
按切削力各分比例
Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4
则 Fx=5360×0.25=1340(N)
Fy=5360×0.4=2144(N)
1.3.2 横切端面
主切削力Fzˊ可取纵切的1/2，为2680N.此时走刀抗力为Fyˊ,吃刀抗力为Fxˊ.
Fzˊ:Fxˊ:Fyˊ=1:0.25:0.4
Fxˊ=2680×0.25=670 Fyˊ=2680×0.4=1072N
1.4滚珠丝杠螺母副的计算和选择
1.4.1横向进给丝杠
1.计算进给牵引力
Fmˊ=kFxˊ+fˊ(Fz+2Fyˊ+Gˊ)h横向进给为燕尾形贴塑导轨。
k=1.4 fˊ=0.03
Fm=1.4×670+0.03×(2680+2×1072+600)=1100.7(N)
2计算载荷Fc(N)
有已知条件查得 kF=1.2, kH=1.0,kA=1.1
则Fc=kFkHkAFm=1.2×1.0×1.1×1100.7=1453(N)
3计算额定动载荷计算值Ca’(N)
初选L0=5mm
Ca’=Fc(nzLh’/1.67*104)1/3=[1453×(30×14400/1.67×104)]1/3=4297.2(N)
4确定丝杠型号以及有关数据
由于Ca>=Ca’,选FYC1D2505-2.5型,Ca=9610N
丝杠副的有关数据：公称直径 D0=25mm导程 P=5mm
螺旋角λ =3o38’滚珠直径 do=3.175mm
按表2-1(郑堤，唐可洪主编，《机电一体化设计基础》，机械工业出版社出版,第17页)中尺寸公式计算：滚道半径 R=0.52do=0.5×3.175=1.651mm
偏心距 e=0.707(R-do/2)=0.707(1.651-3.125/2)=0.0449mm
丝杠内径d1=D+2e-2R=25+2×1.61=21.7878
5稳定性验算 (采用F-S)
1)由于一端轴向固定的长丝杠在工作是可能发生失稳，所以设计是应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数[S]，丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷Fcr(N)。
Fcr=Π2EIa/(ul)2 (E=206GPa)
因为Ia=Πd14/64=3.14×(0.021788)4/64=1.1×10-8m4
取u=2/3时
Fcr=Π2×206×109×1.1×10-8/{[(2/3)×0.5]2}=2.01×105(N)
安全系数S=Fcr/Fm=2.01×105/1100.7=182.68> >[S]=1.5～3.3.
2)高速长丝杠工作时可能发生共振，因此需验算其不会发生共振的最高转速——临界转速ncr,需求丝杠的最大转速nmax<n­cr
ncr=9910×[fc2d1/(ul)2]
见表2-10（郑堤，唐可洪主编，《机电一体化设计基础》，第25页）取fc=3.927，μ=2/3时
ncr=9910×{(3.927)2×0.021788/[(2/3)×0.5]2}=29968r/min>1600r/min
所以丝杠工作时不会发生共振。
3)此外滚珠丝杠副还受D0n值的限制，通常要求D0n<7×104mm.r/min
即D0n=25×30=750mm.r/min<<7×104mm.r/min
所以丝杠副工作稳定。
6刚度验算
滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(N.m)共同作用下引起每个导程的变形量Δl0(m)为
Δl0=(+PF/EA)+(+P2T/2 GJc)或Δl0=(-PF/EA)+(-P2T/2 GJc)
其中A为丝杠截面积A=1/4 d12,Jc为丝杠极惯性矩。Jc=(∏/32)×d14,G为丝杠切变模量，对钢G=83.3Gpa,T(N.m)为转矩。
T=Fm×(D0/2)×tg(ρ+λ), λ为摩擦角，其正切值为摩擦系数，Fm为平均工作负载，取摩擦系数为tgρ=0.003，则ρ=0.172o=10’19’’
T=1100.7×(25/2)×10-3×tg(3o38’+10’19’)=0.9139(N.m)
按最不利的情况(F=Fm)时
Δl0=PF/EA+P2T/2 GJ­c=4PF/ Ed12+16P2T/ 2Gd14
=4×5×10-3×1100.7/3.14×206×109×(0.021788)2+16×(5×10-3)2×0.9139/(3.14)2×83.3×109×(0.021788)4=73.68×10-9m
则丝杠在工作长度上的弹性变形引起的导程误差为
Δl=L×( Δl0/P)=0.5×(7.368×10-2/5×10-3)=7.368u m
通常要求丝杠的导程误差Δl应小于其传动精度的1/2。即Δl<1/2δ=(1/2)×0.02mm=0.01mm=10μm
所以其刚度可满足要求。
7效率验算
滚珠丝杠副的传动效率为
η =tgλ/tg(λ+ρ)=tg3o38’/tg(3o38’+10’19’’)=95.6%
η要求在90%～95%之间，所以该丝杠合格。
经上所述计算验证,滚珠丝杠副支撑形式为一端固定一端游动，满足条件。因此滚珠丝杠副支撑形式选两端固定也满足条件，即FYC1D—2505—2.5各项性能均符合题目要求，可选用。
1.4.2纵向进给丝杠
1计算进给牵引力（N）
纵向进给为综合性导轨
=K+(+G)
= 1.151340+0.16(5340+1000)
=2560
式中K—考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15
—滑动导轨摩擦系数：0.15～0.18
G —溜板及刀架重力X：G=1000N
2 计算最大动负载c
c=
L=
n=
式中— 滚珠丝杠导程，初选—6 mm
— 最大切削力下的进给速度，可取最大进给速度的（～），此处=0.6m/min
T — 使用寿命，按1500 h ;
— 运转系数，按一般运转而=1.2~1.5
L — 寿命，以转为1单位
n===50 r/min
L=s
=
3 滚珠丝杠螺母副的选型号
采用L400b外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副
4 传动效率计算

式中—螺旋升角，
—摩擦角取 滚动摩擦系数0.003～0.004
=
5 刚度验算
最大牵引力为2530(N)。支承间距L=1500mm丝杠螺母轴承均预紧，预紧为最大轴向负荷的。
1）丝杠的拉伸或压缩变形量d
根据=2530（N），，d=1.2，可算出：

由于两端均采用的推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，鼓起拉压刚度可以提高4陪。其实际变形量为：

2）滚珠与螺纹滚道间接触变形
查出圈滚珠和螺纹滚道接触变形量：
因此进行了预紧，
3）支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形
采用8107型推力球轴承，，滚动体直径，滚动体数量z=18，

注意，此公式中单位应为
因施加预紧力，故

=á定位精度
6 稳定性校核
滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核。
1.5齿轮传动比计算
1.5.1横向进给齿轮箱传动比计算。
已确定横向进给脉冲当量δp=0.005mm/s,滚珠丝杠导程L0=5mm。初选步进电机步距角э=0.75o,可计算出传动比i:
i===0.48
考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，一免影响到横向溜板的有效行程，故此处可采用两级齿轮降速：
i===
Z1=24 Z2=40 Z3=20 Z4=25
因进给运动齿轮受力不大，模数m取2。
1.5.2 纵向进给齿轮箱传动比计算
已确定纵向进给脉冲当量滚珠丝杠导程，初选步进电机步距角。可计算出传动比i

可选定齿齿数为：

表1传动齿轮几何
齿数

32
40
24
40
20
25
分度圆

64
80
28
80
40
50
齿顶圆

68
84
52
84
44
54
齿根圆

59
75
43
75
35
45
齿宽

20
20
20
20
20
20
中心距

72
64
45
1.6进给步进电机的计算和选择
1.6.1横向步进电机
1计算简图如图1所示，
图1横向进给计算图
2传动系统计算到电机轨上的总体转动惯量 JΣ可由下式计算：
Jd=JZ1+(JZ2+JS)×(1/i2)+(P/2Πi)2m
参考同类型机床初选反应式步进电机110BF003,其转子转动惯量是Jm=4.606×10-4kg.m2
JZ1=Π×7.8×103×0.0244×0.02/32=5.1×10-6kg.m2
JZ2=Π×7.8×103×0.054×0.02/32=9.57×10-5kg.m2
JS=Π×7.8×103×(0.021788)4×0.5/32=8.96×10-5kg.m2
代入上式 Jd=JZ1+(JZ2+Ts)×(1/i2)+(P/2Πi)2m
=5.1×10-6+(9.57×10-5+8.96×10-5)×(1/2.0832)+
(0.005/2Π×2.083)2×600=1.357×10-4kg.m2
考虑各步进电机与传动系统惯量是匹配问题.
初选步进电机110BF003 相数为3
Ms=7.84N.m Jm=4.606×10-4kg.m2
Jd/Jm=1.357×10-4/4.606×10-4=0.295
满足1/4≤Jd/Jm≤1的要求
说明惯量匹配比较合理
3步进电机负载能力效验
电机力矩计算步进电机上的总惯量是T=Jm+Jd=5。963×10-4kg.m2
空载启动时，电动机轴上的惯性转矩为
TJ=Jη=J×(vmax/∆t)=J×(2пi/P)×(vmax/∆t)
=5.963×10-4×(2п×2.083/0.005)×(0.3/30×10-3)×(1/60)=0.26N.m
电动机轴上的当量摩擦转矩
Tn=(P/2пηi)×Fn=(P/2пηi)×μmg
=(0.005/2п×0.8×2.083)×600×0.03=0.0086N.m
设滚动丝杠螺母副的预紧力为最大轴向载荷的1/3，则因预紧力而引起的，计算到电机轴上的附加摩擦转矩为
T0=(P/2пηi)×F0×(1-η02)= (P/2пηi)×Fm×(1-η02)
=[0.005/(2п×0.8×2.083)]×(1100.72/3)×(1-0.9562)
=0.015N.m
工作台上的最大轴向载荷计算到电动机轴上的负载转矩为
TW= (P/2пηi)×Fm=[0.005/(2п×0.8×2.083)]×1100.72=0.52N.m
于是空载启动时电动机轴上的总载荷转矩为
Tε=TJ+TM+T0=0.26+0.0086+0.015=0.2836N.m
在最大外载荷下工作时，电动机轴上的总负载转矩为
T1=TW+Tn+T0=0.52+0.0086+0.015=0.5436N.m
按表5-5（郑堤，唐可洪主编，《机电一体化设计基础》，第162页）查得空载启动时所需电动机最大静转矩为
TS1= Tε/0.866=0.2836/0.866=0.327N.m
按式（5-39）（郑堤，唐可洪主编，《机电一体化设计基础》，第162页）可求的在最大外载荷工作时所需电动机最大静转矩为
TS2=T1/(0.3～0.5)=0.5436/(0.3～0.5)
=1.0872～1.812N.m
由于TS=7.84N.m>max{TS1,TS2},所以按给定要求步进电机可以正常启动,不会发生失步现象。
1.6.2纵向步进电动机的计算和选型
1等效转动惯量计算
计算简图见图所示。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。
1.7轴承的选择和验算
轴承选择成对安装角接触球轴承。46300型，其额定动载荷Cr=6800N。
F0取1/3Fm,ε=3。（角接触球轴承）
L=[Cr/(F0+Fm)]ε= [Cr/(1/3 Fm+ Fm)]ε
=[6800×3/4×1100.72]3=4.63
寿命 h=L×106/60nv=4.63×106/60×30
=65814(h)
h>>Lh`=14400h
∴选46300型GB292-83的轴承满足条件。
1.8刀架的选用
电动刀架的安装较方便，普通车床已备有连接孔，将卧式车床的原刀架拆下，将电动刀架装上即可。单安装时注意以下两点：
1）电动刀架的两侧面应于车床纵向和车床横向的进给方向平行。
2）电动刀台与系统的连线应如下安装：沿横向工作台右侧面先走线到车床后面，再沿车床后导轨下方拉出的铁丝滑线，走线到系统。其好处在于：避免走线杂乱无章，而使得加工时切屑、冷却液以及其他杂物磕碰到电动刀架连线。
回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。 
回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。
第二部分 硬件电路功能的实现
2.1硬件系统组成
1．基本组成
2．系统扩展
（1）程序存储器扩展
（2）数据存储器扩展
（3）输入输出端口扩展
（4）综合功能扩展
3．接口技术
（1）键盘接口技术
（2）显示器接口技术
4．步进电机控制硬件电路
2.2硬件电路的组成
1．CPU采用8031芯片；
2．扩展程序存储器2764两片；扩展数据存储1器6264一片；
3．扩展可编程接口芯片8155三片；
4．地址锁存器、译码器各一片；
5．键盘电路，显示电路；
6．光电隔离电路，功率放大电路；
7．越程报警电路、急停电路、复位电路；
8．面板管理电路。
2.3 设计说明
由于8031芯片没有对外专用的地址总线和数据总线，那么在进行对外扩展存储器或I/O接口时，首先需要扩展对外总线。通过8031引脚ALE可实现对外总线扩展。在ALE为有效高电平期间，P0口上输出A7～A0，因而只需在CPU片外扩展一片地址锁存器，用ALE的有效高电平边沿作锁存信号，即可将P0口上的地址信息锁存，直到ALE再次有效。在ALE无效期间P0口传送数据，即作数据总线口。这样就可将P0口的地址线和数据线分开。
8031的引脚定义及功能如下：
• Vcc（40脚）：芯片工作电源的输入端，+5V。
• RESTE（9脚）：复位信号输入端。当RESTE端保持两个机器周期的高电平时，可对单片机实现复位操作。
• ALE（30脚）：地址锁存允许输出信号，在访问外部存储器时，用来锁存P0扩展地址低8位的地址信号。
•（29脚）：外部程序存储器ROM的读选通信号输出端。访问外部ROM时，可定时产生负脉冲作为外部ROM的选通信号。
•/Vpp（31脚）：访问内外部程序存储器控制信号。
• XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）的内部是一个振荡电路。
• P0口（32～39脚）：是一个8位双向I/O口；在访问外部存储器时，分时提供低8位地址，并用作8位双向数据总线。该口只能直接用于对外部存储器的读/写操作，由于是分时输出，应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用ALE。
• P1口（1～8脚）：是一个8位准双向I/O口。是专供用户使用的I/O口，用户可利用它作为I/O口线使用。
• P2口（21～28脚）：也是一个8位准双向I/O口。提供系统扩展时作高8位地址线用。
• P3口（10～17脚）：该口是双功能口，每一位均可独立地定义为第一 I/O口功能或第二I/O口功能。
现选择74LS373作单片机地址锁存器芯片。74LS373是一个8位的D型锁存器，具有三态总线驱动输出功能，当三态门的使能信号线为低电平时，三态门处于导通状态，允许Q端输出；当端为高电平时，输出三态门断开，输出端对外电路呈高阻状态。因此，应使三态门的使能信号端为低电平，这时，当G输入端为高电平时，锁存器输出（1Q～8Q）状态和输入端（1D～8D）状态相同；当G端从高电平返回低电平时，输入端（1D～8D）的数据锁入1Q～8Q中。74LS373的锁存控制端G与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。使能信号端接地。
1．外部程序存储器的扩展
外部程序存储器扩展时用作程序存储器的器件是EPROM（紫外线擦除电可编程只读存储器）和EEPROM（电擦除可编程只读存储器），常用EPROM。
在这里使用EPROM芯片，掉电后信息不会丢失。EPROM芯片有2716（2K×8位）、2732（4K×8位）、2764（8K×8位）、27128（16K×8位）、27256（31K×8位）、27512（64K×8位）等，为了减少芯片组合数量，简化扩展电路结构，扩展16KB的EPROM只需选用一片27128，但是，选用27128的扩展电路需要用到8031的P2.5引脚，这样的话，8031的引脚就不够与3-8译码器相连，因此，扩展两片2764芯片。

图1. 8031扩展2764的连接图
2764EPROM为28脚双列直插式封装，A0～A12为13根地址线，可寻址8KB；D0～D7为数据输出线；为片选线；为数据输出选通线；是编程脉冲输入端；Vss是编程电源; Vcc是主电源。
图1为8031扩展2764的连接图，以扩展一片为例。从图中看出，接口时主要将2764的地址线、数据线和控制线与8031的三总线对应相连。2764的容量为8KB，有A0～A12共13条地址线，其中A0～A7接地址锁寸器的输出，A8～A12接8031的P2.0～P2.4；2764的8条数据线D0～D7直接连接到8031的P0.0～P0.7；2764的输出允许接8031的读选通控制线。如果是扩展单片EPROM，其片选可接地，这里要扩展两片2764，所以选用译码法进行扩展电路，即将片选端接到译码器的译码输出端。这里选用74LS138三—八译码器，它具有A、B、C三个译码输入端，可组合成8种输入状态；～为八个译码输出端，每个输入端分别对应8种输入状态中的一种。它还有三个译码输出允许控制端E3、、，当且仅当译码输出允许端、为低电平，E3为高电平时，译码输出端～中有且仅有一个输出低电平，至于哪个译码输出端输出低电平，则由译码输入端ABC编码对应的二进制决定。这里将片选端接译码器的和 ；A、B、C三个输入端分别接到8031的P2 .7、P2.6、P2.5。输出端接到存储器的片选端。、端接地，E3 端通过一个2KΩ的电阻接到+5V的电源上。这样，就能保证、端为低电平，E3端为高电平。
又由于8031运行所需的程序指令来自2764，要把其EA端接地，否则，8031将不会运行。
2．外部数据存储器的扩展
8031单片机内部有128字节RAM存储器。CPU对内部的RAM具有丰富的操作指令，这128字节是远远不够用的，所以要扩展外部数据存储器。又由于单片机面向控制，实际容量需求不大，所以可以用静态随机存储器SRAM来扩展。与动态随机存储器相比，SRAM无需考虑保持数据而设置的刷新电路，扩展电路较简单。常用的SRAM芯片有6116（2KB*8）和6264（8KB*8）为减少芯片数量，选用6264作为数据存储器扩展芯片。
数据存储器空间地址同程序存储器一样，由P2口提供高8位地址，P0口分时提供低8位地址和8位双向数据线。数据存储器的读和写由和信号控制，而程序存储器由读选通信号控制，两者虽共处同一地址空间，但由于控制信号不同，故不会发生主线冲突。
8031与数据存储器6264的连接图如图2所示。

图 2 8031扩展6264的连接图
在6264的各引脚中，A0～A12为片内13位地址线；IO0～IO7为双向数据线；为片选信号线；为读允许信号线；为写信号线。

8031的P0口送出的低8位地址经片外地址锁存器74LS373锁存后，接6264芯片的低8位地址端A0～A7，同时6264的数据端D0～D7接到P0口的对应引脚上，6264的高5位地址A8～A12分别连接到P2口的P2.0～P2.4，形成13位地址总线；6264的 读/写控制端和分别接到8031的和，以便系统能够对6264进行正常的读/写操作。6264的片选端可直接接地，但在这里要把片选端接到译码器的输出端上。
3．外部I/O口的扩展
因为8031单片机本身提供的输入、输出口线只有P1口和部分P3口线，所以，要对其系统进行I/O口扩展。
扩展I/O口所用芯片主要有通用可编程I/O口芯片及TTL或CMOS锁存器、缓冲器电路两大类。
I/O口扩展方式主要有并行总线扩展法和串行口扩展法。这里选用可编程I/O口芯片，可编程接口是指其功能可由计算机的指令来改变的接口芯片。可编程接口通过编制程序，可使一个接口芯片执行多种不同的接口功能，使用十分灵活。用它来连接计算机和外设时，不需要或只需要很少的外加硬件。在8031单片机中常用的两种接口芯片：8255和8155可编程通用并行接口。8255具有3个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，可通过编程改变其功能，使用方便，通用性强。8155芯片内包含有256字节RAM，2个8位和1个6位的可编程并行I/O口，1个14位定时器/计数器。8155可直接与8031单片机连接，不需要增加任何硬件逻辑。由于8031单片机外接一片8155后，就综合地扩展了数据RAM、I/O端口和定时器/计数器，因而是8031单片机系统中最常用的外围接口芯片之一，通过比较选择8155扩展外部I/O口。
8155为双列直插式40脚封装芯片，其引脚功能如下：
• AD7～AD0：是低8位地址线和数据线共用输入/输出口，当ALE=1时，输入的是地址信息，否则是数据信息。所以AD7～AD0与8031的P0口相连。8031和8155之间的地址、数据、命令、状态信息都是通过它传送的。
•：片选信号线。低电平表示选中本芯片。
•：存储器读出信号线，低电平有效。当=0，=0时，将8155片内RAM单元或I/O口的内容传送到AD7～AD0总线上。
•：存储器写入信号线，低电平有效。当=0，=0时，将CPU输出送到AD7～AD0总线上的信息写到片内RAM单元或I/O口中。
• ALE：地址及片选信号的锁存信号线，高电平有效。在ALE的下降沿将单片机P0口输出的低8位信息和及IO/的状态信息都锁存到8155内部锁存器中。因此8031的P0口输出的低8位地址信息不需外接锁存器。
• IO/：I/O接口与存储器选择信号线，当IO/=0时，选中8155的片内RAM，AD0～AD7为RAM的地址；若IO/=1时，选中8155片内3个I/O口端以及命令/状态寄存器和定时器/计数器。AD0～AD7为输入/输出口地址。
• PA7～PA0：A口的输入输出线。
• PB7～PB0：B口的输入输出线。它和PA7～PA0用于8155与外设之间传送数据。
• PC5～PC0：C口输入输出线或控制信号线。由编程写入控制字来规定C口作为8155与外设之间传送数据或作为A口、B口数据传送的控制应答联络线。
• TIMER IN：定时/计数器脉冲输入端。是外界向8155输入计数脉冲信号的输入端。
•：定时/计数器脉冲输出端。是8155向外界输出脉冲或方波的输出端。
• RESET：复位信号线，高电平有效。
• Vcc、Vss：+5V电源、接地端。
在8155的控制逻辑部件中，设置有一个控制命令寄存器和一个状态标志寄存器。8155的工作方式由CPU写入控制命令寄存器中的控制字来确定。控制命令寄存器只能写入不能读出，8位控制命令寄存器的低4位用来设置A口、B口和C口的工作方式。8155的A口、B口可工作于基本I/O方式或选通方式，C口可作为输入输出口线，也可作为A口、B口选通方式工作时的状态控制信号线。
8031与8155可直接相连，其接口方法如图3所示。

图3 8031扩展8155的连接图
AD0～AD7是低8位地址和数据共用输入口，当ALE=1时，输入的是地址信息，否则是数据信息。所以8031的P0口与AD0～AD7相连。片选信号与74LS138译码器的相连，当=0时，选中该片，=1时该片未选中。8031的P2.0与8155的IO/相连。当IO/=0时，选中8155片内RAM，AD0～AD7为RAM地址；若IO/=1时，选中8155片内3个I/O端口（A、B、C），AD0～AD7为I/O口地址。8031的和分别与8155的RD和WR相连。
4. 键盘接口电路
键盘在单片机应用系统中是一个很关键的部件，它能实现计算机输入数据、传送命令等功能，是人工干预计算机的主要手段。键盘实质上是一组按键开关的集合。通常，按键所用开关为机械弹性开关，利用了机械触点的合、断作用。键盘电路的设计应使CPU不仅能识别是否有键按下，还要能识别是哪一个键按下，而且能把此键所代表的信息翻译成计算机所能接收的形式。
计算机所用的键盘有全编码键盘和非编码键盘两种。全编码键盘能够由硬件逻辑自动提供与被按键对应的编码，一般还具有去抖动和多键、窜键保护电路。这种键盘使用方便，但需要较多硬件，价格较贵，一般的单片机应用系统较少采用。非编码键盘只简单地提供行和列的矩阵，其他工作都靠软件来完成。由于其经济实用，目前在单片机系统中多采用这种办法。通过比较决定采用非编码键盘。
（1）键输入原理
当按下所设置的功能键或数字键时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能。键信息的输入与软件结构密切相关。
对于一组键或一个键盘，需要通过接口电路与CPU相连。CPU可以采用查询或中断方式了解有无键输入并检查是哪一个键被按下，将该键号送入累加器ACC，然后通过散转指令转入执行该键的功能程序，执行完又返回到原始状态。
（2）键输入接口应解决的问题
键输入接口应可靠而快速地实现键信息输入与执行键功能任务。为此，应保证键开关状态的可靠输入。目前，无论是按键或键盘大部分都是机械触点的合、断作用。由于弹性作用的影响，机械触点在闭合及断开瞬间均有抖动过程，从而使电压信号也出现抖动。按键的稳定闭合时间由操作人员的按键动作所确定，一般为十分之几秒至几秒时间。为了保证CPU对键的一次性闭合仅作一次键输入处理，必须去除抖动影响。
通常去抖动影响的方法有硬件、软件两种。硬件消抖常采用双稳态消抖和滤波消抖电路，在按键较少时用得多；如果按键较多，硬件消抖将无法胜任，因此常采用软件的方法消抖，在第一次检测到有键按下时。执行一段延时10秒的子程序后再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平，如果保持闭合状态电平，则确认真正有键按下，从而消除了抖动影响。
（3）独立式按键接口设计
独立式按键是指个按键相互独立，每个按键各接一根输入线，一根输入线上的按键工作状态不会影响其他输入线上的工作状态。因此，通过检测输入线的电平状态就可以很容易判断哪个键被按下了。在数控机床的操作面板中，启动、暂停、单段、连续、急停等按钮均采用独立式按键接口电路。在接口电路中，按键输入都采用低电平有效。上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。
（4）矩阵式键盘接口电路设计
矩阵式键盘适用于按键数量较多的场合，它由行线和列线组成。本设计扩展了32个键，由一个8位口和一个四位口组成4x8的行列式键盘。按键设置在行、列线交点上，行、列线分别接到按键开关的两端。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，而当有键按下时，行线电平状态将由与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，则行线电平也为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否按下的关键所在。键盘中究竟哪一个键被按下，是通过列线逐列置低电平后检查行输入状态来确定的。具体由图4来说明。

图4-1 8155扩展IO口的键盘电路

先令列线PA0输出低电平“0”，PA1～PA7全部输出高电平“1”，读行线PC0～PC3的输入电平。如果读得某行线为“0”，则可确认对应于该行线与列线PA0相交处的键被按下，否则PA0上无键按下。如果PA0列线上无键按下，接着令PA1输出低电平“0”，其余为高电平“1”，再读PC0～PC3，判断是否全为“1”，若是，表示被按键也不在此列，依次类推直至列线PA7。如果所有列线均判断完，仍未出现PC0～PC3读入值有“0”的情况，则表示此次并无键按下。
该键盘工作方式为编程扫描工作方式。这是利用CPU在完成其他工作的空余，调用键盘扫描子程序，来响应键输入的要求，在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求。
在键盘扫描子程序中应完成下述几个功能：
(1) 判断键盘上有无键按下。
(2) 去键的机械抖动影响。
(3) 求按下键的键号。按照行列式键盘工作原理，图中32个键对应的键号如图4-1